3D打印肾脏模型在软性输尿管镜技能培训中的应用价值

张 弋，于澄钒，张军晖，闫 伟，肖 河，周学贤，林燕丽，CHEW BH

(1.北京大学国际医院泌尿外科，北京 102206；2.首都医科大学附属朝阳医院泌尿外科，北京 100043；3.首都医科大学附属同仁医院泌尿外科，北京 100730；4.北京协和医院泌尿外科，北京 100005；5.北京大学国际医院科教部，北京 102206；6.钻石医学中心温哥华总医院，加拿大 V5Z1M9)

软性输尿管镜(软镜)技术是泌尿外科重要的微创技术，掌握此技术的关键就在于肾内三维空间感知和提升相应操作技能。传统培训方式要求医生在手术室内增加病例积累经验，对患者的安全和治疗效果构成潜在威胁。随着模拟技术的不断发展，以模拟为基础的技能培训也被广泛接受。在之前的报告中，我们研发了患者特异性的虚拟输尿管镜(virtual ureteroscope，VU)图像，并证实其对初学者软镜下空间感建立的辅助作用[1]。本研究将基于VU图像重建患者特异性3D打印肾脏模型对提升软镜操作技能的前瞻性研究报告如下。

1 资料与方法

1.1 患者特异性3D打印模型的生成准备软镜手术的上尿路结石患者术前接受计算机断层尿路造影(computed tomography urography,CTU)扫描，数据以医学数字成像和通信(Dicom)格式上传到云端服务器，通过CreEndo®软件(之前软件名为Crusher®，北京医千创科技有限公司)处理及软件工程师校正形成VU图像，供医生自我操控虚拟探查，具体参见之前报告[1]。数据转化为STL格式并输出到3D打印机(Stratasys，Objet 260，美国明尼苏达)，打印完整的肾内集合系统以及肾盂输尿管连接部以下3～5 cm的输尿管。以肾盂中位矢状面分为前后两个部件打印，随后组装为完整结构，结石在集合系统内相应位置同时打印(图1A、B)。数据来源于不同患者，因此VU图像和模型都具有患者特异性(图2)。

图1 患者特异性3D打印模型

A:模型放置于硅胶底座上;B:模型的两个组合性部件;C:模型上手训练。

图2 不同患者的CTU 和对应的VU图像

A：左肾上盏水平；B：左肾肾盂水平；C、D：左肾上盏和肾盂水平的VU图像。

1.2 应用模型的技能训练操作前训练者提前了解病例、影像资料和已生成的VU图像。模型置于稳定的工作台上，模拟输尿管内置超滑导丝并沿导丝放置输尿管进入鞘(F12～14，36～46 cm，美国波士顿科学)，训练者手执软镜经鞘插入3D模型内操作(图1C)。操作可在干性或湿性条件下进行，肾内可预置模拟结石或绿豆等供训练使用，除探查和确认结石位置，还包括结石移位、激光碎石、碎石取出等。在训练同时，评判者记录训练者的各项指标并进行效果观察。

1.3 训练有效性的评价

1.3.1表面及内容效度验证量表(专家评判) 邀请不同中心的多名软镜专家(软镜取石术>200例)提供各自软镜手术病例的影像资料，制作VU图像和3D打印模型，探查后将其术中的解剖和结石情况与模型对比进行量表问卷评估以验证表面和内容效度。由10分制Likert问卷形式确定：1分表示完全无用/不真实/差,10分表示非常有效/非常真实/出色。问卷评价问题包括：①总体有效性、②图像与画质、 ③解剖细节、④结石信息、⑤对手术计划和培训的有效性[2]。

1.3.2构建效度验证 指定肾脏模型数据来自一名双侧上尿路多发结石病例的左侧肾脏-输尿管上段结石15 mm造成梗阻、轻度肾积水，肾内集合系统包括10个肾小盏和并发5枚3～4 mm小结石，3D模型涵盖输尿管结石以上的部分(图3)。各位专家在此陌生指定模型上进行探查，由独立的评判者记录其各项操作指标，包括探查时间、肾盏数目、结石数目和综合操作评分(graphic rating scale,GRS)。纳入的初学者(具备硬性输尿管镜基础，但软镜经验≤5例)复习病例和影像学资料，在同一指定模型上进行两次探查并记录基线指标平均值。然后初学者参加一个2 d的软镜技术培训，除了理论教学，每天至少8 h实训操作，要求操作15～20个不同模型，但不包括测试模型。培训结束前，初学者再次在指定模型上探查并记录其各项指标，进行训练前后对比，并与专家比对以验证构建效度。

1.3.3初学者的训练反馈 培训结束并进行测试后，用另一10分制Likert问卷量表收集初学者的培训反馈。问题包括：①总体满意度、②是否提高软镜操作技能、③是否帮助了解解剖和结石信息、④是否对手术计划和培训有帮助[2]。

1.4 统计学方法统计学分析应用SSPS19.0软件完成(SSPS，Inc.美国芝加哥)。计数资料(探查时间、肾盏和结石数目、GRS)以配对t检验比较初学者培训前后变化以及与专家指标的区别，单因素方差分析比较两组人群的组内与组间差别，以P<0.05为差异有统计学意义。

图3 指定3D打印模型探查内景

2 结 果

从2016年12月至2017年5月，来自4个不同中心的5名软镜专家和32名软镜初学者参加了本研究。表面和内容效度评分：总体有效性(9.6±0.5)分、图像和画质(8.8±0.8)分、上尿路细节(9.4±0.5)分、结石信息(9.8±0.4)分、用于术前计划和训练的有效性(9.6±0.5)分。

训练前，专家在各项指标上均明显优于初学者(P<0.003)；经过指导及上手训练后，初学者的总体表现明显进步(P=0.000)，初学者的探查时间和GRS与专家有所接近，但仍有显著差距(P<0.001)，探及肾盏数和结石数与专家没有显著性差异(P=0.228和P=0.980)。 见表2。

表2 初学者培训前后及与专家模型操作表现的比较

GRS:专家及初学者操作表现评价指标包括肾内探查时间、肾小盏数目、结石数目和操作综合评分；与培训前比较，*P<0.001。

初学者反馈评分：总体满意度(9.5±0.6)分、辅助理解解剖(9.2±0.8)分、辅助确定结石位置(9.1±0.8)分、是否有助于手术计划和培训(9.5±0.7)分。

3 讨 论

软性输尿管镜在上尿路结石治疗中已成为常用手段之一，目前仍沿用传统“师带徒”式、手术室内患者为训练对象的培训方式。由于以模拟为基础的技能培训应用日益广泛，年轻医生可在手术室以外训练手术技能，从而降低患者风险，增加学习专注度[3]。如今软镜培训已采用低仿真台式模型、高仿真训练器、便携式K-box、部分任务模型、虚拟模拟器、离体动物上尿路模型及尸体模型等方式[4-10]，其中虚拟模拟器UroMentorTM应用研究最为深入，在表面、内容、构建、并行和预测等多种效度上得到验证，同时也提供客观评价[8]。然而，高昂的价格和机器维护对其广泛使用有所限制。

近期有报告用新鲜尸体的肾脏制作软镜训练所用的硅胶模型[11]，在离体尸体上尿路输尿管中注入聚合树脂并充满整个集合系统，然后腐蚀溶解软组织(肾脏和输尿管)得到完整集合系统的印模，以此模拟人体肾脏的软镜训练环境，是目前唯一一个复制人体器官的训练模型报告。然而，获取新鲜尸体困难，后期器官处理过程复杂，且被复制的肾脏内未必存在病变。

随着影像学和材料学的革新，3D打印技术已应用于很多外科亚专业中[12-14]。前期我们在研发患者特异性VU图像和3D打印肾肿瘤模型过程中积累了经验[1-2]，即源于病例的影像数据经处理后可用虚拟现实重现，同时也可转化为实体性3D打印模型。VU图像并非模拟器，仅覆盖认知提高的半程学习曲线，3D打印模型填补了技能训练这另一半学习曲线。

通过医工密切合作，以CreEndo®软件重建了上尿路结石病例的腔内虚拟结构，并转化为实体性、患者特异性的3D打印模型。初期打印材质以硬质光敏树脂(Objet Med 610，Stratasys Ltd)为骨架覆盖软性硅胶模拟尿路上皮；取得反馈后改良为更逼真的柔性硅胶一次打印，外覆肾脏外形。

预实验基础上为降低偏倚，我们设计了本前瞻性研究，来自4个不同中心的5位软镜专家进行独立评价，表面和内容效度得到充分肯定。构建效度的样本量应达到27名，实际纳入32名。训练前，初学者在所有指标表现上均明显低于软镜专家；经过两天、至少15个不同肾脏模型的高强度训练，初学者在操作效率(探查时间)、准确度(肾盏和结石数目)以及GRS方面均有显著提高(P<0.001)。探查时间和GRS仍显著低于专家是可以理解的，但解剖和结石辨识方面，初学者和专家没有显著区别(P=0.228和P=0.980)，构建效度得以验证。

研究应用的软镜培训包括理论授课和实训操作两部分。取得基线后，学员要研读病例和影像资料，然后才允许在模型上练习；相应的VU图像不是必需，但在要求下可以参阅。操作练习全程在教师个体化指导下进行，促使学员将理论和技能融合。学员逐个病例学习和模型操作与一系列的病例经验积累类似，因为每个模型代表一个特异性的解剖和病变。这种培训使学员在低压力环境下爬升学习曲线，不会对患者造成损害，有利于在真正的手术中更熟练、减少并发症的发生。

为发挥数据处理的最佳效果，我们建议将病史、重要检查结果、影像资料、VU图像与3D模型组合应用。模型可反复使用并兼顾干湿性环境，两部分开合设计，除了复制原病例信息，还可从容放置模拟结石等供各类耗材和激光碎石练习，模型制作(包含打印和材料)费用约1 500～2 000元/个。如果有条件，可针对大型技能中心开展专项培训及考核认证，积累并建立不同难度的模拟病例库，总体费用也将进一步降低。

本研究存在局限性。第一，仅观察短期培训的提高效应。虽然类似研究证明通过理论教学结合上手训练的模式，即使数小时的培训就可有效提高操作水平[15]，但仍需要研究技能长时间保持的效果。第二，通过输尿管进入肾脏的另一个软镜关键步骤没有得到模拟，因此我们挑选的是具备硬性输尿管镜技术的初学者。专家和学员测试均使用同一模型，其复杂度可能会影响最后结果。第三，和其他外科训练类似，如何将3D打印模型有效地组合到软镜总体培训中仍有待研究。尽管新型技能培训方式接受度高，但在泌尿内镜专业中以模拟训练构建结构化的培训课程仍然缺乏[16-17]。在我们看来，分步融合的软镜培训有望成为下一步研究探索的重点，包括理论授课、多个附带病例和影像资料的实例，结合增加感知的VU图像和刻意训练的系列3D肾脏模型等。

综上所述，临床上尿路结石病例影像数据转化、应用3D打印技术重建肾内集合系统和结石是可行的。3D打印肾脏模型在表面、内容和构建效度上证实了其在软镜培训中的有效性。由于模型来源于实际病例，初学者可在手术室外完成不同场景的刻意练习，对今后构建多种形式和内容的软性输尿管镜培训课程有积极意义。