三维扫描重建女性生殖系统模型在胚胎移植培训中的应用

饶金鹏，邱 枫，蔡益婷，魏 凯，金 敏，金 帆

(浙江大学医学院 1.附属第二医院生殖医学中心； 2.附属妇产科医院，生殖遗传教育部重点实验室， 浙江 杭州 310000)

自1978年世界第1例体外受精(invitrofertilization, IVF)婴儿路易斯·布朗以来[1]，全世界借助辅助生殖技术(assisted reproductive technology, ART)诞生的试管婴儿已达数百万。其中，胚胎移植(embryo transplantation, ET)作为ART流程的最后一步，是除了胚胎质量和子宫内膜容受性等特定内在因素外,极重要的一个外在操作环节。约30%的周期失败都与ET技术相关[2]。目前，绝大多数生殖医学中心对临床和实验室人员胚胎移植术的培训还是通过传统的观摩和带教操作的形式。但对宫颈管狭窄或子宫弯折角度过大的特殊情况，无经验操作者常常会出现反复插拔和更换移植导管、移植时间延长、胚胎宫内种植部位不准确等情况，引发患者不适，影响胚胎着床和最终妊娠结局。

三维扫描打印作为一项新兴技术已在工业制造、文化创意、工程勘探和环境模拟等领域广泛应用[3-4]，近年来也越来越多的涉及到临床教学领域[5-7]。但目前国内外尚未有3D扫描打印女性生殖系统模型，并将其应用于胚胎移植教学培训的实例。本研究首次尝试3D扫描重建出标准及子宫颈内口狭窄两套女性生殖系统模型，并对临床及实验室人员进行废弃胚胎的模拟移植教学培训，通过前后胚胎种植部位准确性、胚胎移植操作时间以及更换移植导管的频次的比较，探讨此新方法的实际应用效果。

1 方法

1.1 标准及子宫颈内口狭窄两套女性生殖系统模型的扫描重建

使用EinScan-Pro 2X Plus三维扫描仪(中国Shining 3D公司)对1:1比例PVC材质女性生殖系统解剖模型进行固定式扫描(图1A)，将采集获得的模型数据导入系统自带的EXScan-Pro_v3.1.0.4软件进行点云处理和面片处理，去除杂点、修复缺陷后，将高质量的面片数据以STL格式进行保存，即获得标准的女性生殖系统模型(图1B)。将标准模型数据导入到数字雕刻软件Zbrush(Pixologic公司)中，通过编辑使宫颈管最窄处的宽度缩短至3 mm，即获得子宫颈内口狭窄的生殖系统模型(图1C)。以柔韧性接近人体组织的类橡胶agilus30为打印材料，使用StratasysJ7503D打印机(Stratasys公司)进行向上累计层厚为14 μm的打印。打印完成后去除水溶性支撑，即得到最终的女性生殖系统模型实体(图1D)。

1.2 应用三维生殖模型进行胚胎移植教学培训及效果评价

1.2.1 培训方法: 以从未实施过胚胎移植操作的10位临床人员和10位实验室人员为培训对象，两两交替组合后开展废弃胚胎移植模拟培训。移植前，选择标准或宫颈内口狭窄的生殖系统模型，向模型宫腔内填充一定量的培养用石蜡油以模拟子宫内的液体环境，使用支板、铝条及胶布将模型子宫角度弯折成60°(子宫过大弯折角度)或15°(子宫自然弯折角度),并固定于手术台前，盖以手术用布，仅露出阴道口(图2A)。移植时，受训实验室人员将经活细胞染剂中性红染色的废弃退化胚胎(图2B)吸入移植内管中，保持移植管头端各介质从前往后的顺序为：空气段-含胚胎的培养液段-空气段-培养液段-空气段(见图2C)。受训的临床操作人员导入移植外管的步骤与正式胚胎移植手术的步骤相同，实验室人员将内管置入外管中并使前端突出外管约1 cm，将胚胎注入宫腔，当在显微镜下观察确认移植内外管均无废胚残留，则移植操作结束。

A.三维扫描仪工作场景;B.标准的女性生殖系统模型;C.子宫颈内口狭窄的生殖系统模型;D.女性生殖系统模型实体图1 女性生殖系统模型的扫描重建Fig 1 3D scanning and reconstruction of female reproductive system models

A.胚胎移植模拟培训的场景;B.经中性红染色的废弃退化胚胎;C.吸入不同介质的移植导管; D.划有不同准确性得分区域的生殖系统模型

1.2.2 效果评价方法: 对培训前后各120次操作过程中胚胎种植部位的准确性(得分情况)、胚胎移植操作时间以及因插管困难而更换带金属内芯硬质导管的频次进行统计和对比。其中，为了能对胚胎移植的准确性进行量化评价，将模型中贴近宫底的中央区域(内膜血流丰富，着床环境理想)设为最佳的A区(记2分)，将以宫底与输卵管交界处为圆心、1.5 cm为半径的宫内区域(易发生异位妊娠)设为最不利的D区(记-1分)，将宫腔的中央部位(内膜环境不如宫底，但也远离输卵管交界点)设为一般的B区(记1分)，而将贴近子宫颈内口且离宫底距离最远的部位(胚胎存在流出宫腔外风险)设为较为不利的C区(记0分，图2D)。胚胎移植操作时间从临床人员取出胚胎移植外管开始，至实验室人员显微镜下确认无胚胎残留于移植管管内结束。

1.3 统计学分析

2 结果

培训前后各项操作参数结果见表1。

表1 培训前后各项操作参数结果比较Table 1 Comparisons of operation parameters before

*P<0.05与培训前组相比.

3 讨论

由于子宫底部内膜血流更加丰富，且宫底内膜可能会释放与胚胎着床相关的细胞因子，因此宫底是胚胎种植的较理想部位[8]。但由于宫底两侧又同时与输卵管交界，发生异位妊娠的概率也随之增大[9]。宫腔中央部位虽内膜环境不如宫底，但也同时远离宫底与输卵管交界点。而当移植部位太过远离宫底，乃至接近宫颈管内口时，胚胎则会发生随移植管流出宫腔的情况[10]。因此，选择合理的移植管插入位点，提高胚胎种植部位的准确性十分关键。

在实际的胚胎移植实践过程中，时常会遇到宫颈管狭窄或子宫弯折角度过大等困难移植的患者。此时，经过观摩及早期带教培训的临床和实验室人员仍会因实践经验不足或技术欠纯熟而出现长时间反复试探性插拔移植外管的情况，直至不得已更换使用带硬质内芯的导管，这些都容易增加对宫颈或子宫的刺激，引起宫缩甚至造成损伤出血，而血污、杂质等的带入，势必增加宫内污染的风险[11]。此外，反复插管容易使得移植管外管头端粘附宫颈粘液或周边细胞组织，造成管体局部堵塞，而当装载胚胎的内管再导入其中时会发生内管置入的不顺畅，进而使得胚胎难以种植于宫腔的适宜位置，甚至出现胚胎被粘液带出宫腔的情况，造成患者术中不适的同时影响胚胎的最终着床。

胚胎移植术作为ART流程中人为可控的最后关键一步，若因操作不准确或不够顺畅而导致妊娠的失败将十分惋惜。用近似密闭的三角形容器来模拟女性宫腔，以探索更佳的胚胎移植操作流程[10]，但所采用的三角形容器和真实的子宫内部三维状态仍存在不小的差距。而现有的女性生殖系统解剖模型多为硬质塑料材质，其柔韧性与真实的人体组织差距较大，不适合用以进行胚胎移植培训。本研究首次尝试用三维扫描及打印技术来重建女性生殖系统模型，并应用于正式胚胎移植前的人员培训。结果显示，通过培训，操作人员胚胎种植部位的把控更加准确、胚胎移植操作时间得到有效缩短，而反复插拔和更换移植导管的频次也明显下降。借助三维模型的模拟练习能够逼真地还原出移植手术的场景，有效增加操作者正式上台手术前的实践经验，提高胚胎移植技术实施的稳定性，也有利于建立规范的操作流程，是传统观摩带教方法的有益补充。