3D打印可拆卸垂体瘤切除模型的真实性评估

顾 潇，潘周娴，陈 适，沈 震，牛璐璐,5，潘 慧，姚 勇

(中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 1.临床医学八年制；2.变态反应科；3.内分泌科；6.神经外科，北京100730；4.中国科学院 自动化研究所，北京100190；5.中国科学院大学 人工智能学院，北京100190)

内镜下经蝶窦垂体腺瘤切除术(endoscopic transsphenoidal surgery, ETS)是垂体腺瘤的主要治疗方式。该手术需在狭小空间内准确定位垂体腺瘤并切除，同时避免损伤周围正常垂体组织以及毗邻解剖结构，对术者要求较高。该手术的常见并发症与手术医生的学习曲线有关：当术者主刀手术例数>50时，患者术后脑脊液漏的发生率出现显著下降[1-2]。因此，对于医学生与低年资医生而言，在参与真实手术前应充分进行仿真模拟练习，积累一定的操作经验。

三维打印(three dimensional printing[3]，3D打印)是一种新兴的制造技术，可对复杂精细结构进行快速制造。3D打印在医疗领域中的应用较为广泛，包括提供解剖模型、进行手术指导和制造移植器官等；应用范围涵盖多个手术科室，如整形外科、口腔科、神经外科和骨科[4-5]。近年来，3D打印仿真人体模型逐渐推广于外科操作练习中。与传统大体解剖模型相比，3D打印模型具有易于获取、保存长久的优点，适合重复练习操作技术。然而，实现3D打印教具的难点在于如何最大程度地还原真实解剖结构。这意味着在制造教具时需要构建精确模型，挑选外观与质地符合人体构造的打印材料。

目前已有部分研究采用3D打印制作教学模型，但对于仿真模型的研究较少[6-7]。本课题组采用体绘制图像、数字模型与低成本3D台式打印机制作了颅底模型[8]，并在此基础之上构建了经鼻蝶入路垂体腺瘤切除操作模型。本文对垂体腺瘤切除操作模型的真实性进行了探究，并初步探讨了模型的教学性。

1 方法

1.1 垂体腺瘤模型构建

1.1.1 模型构建：图1描述了垂体腺瘤切除模型的构建过程。使用Siemens SOMATOM Force CT扫描仪扫描患者头部，所得数据导入Mimics，通过设置阈值来获得所需的颅骨部分；使用Mimics的填充工具来修复数据采集和格式转换过程中缺失的结构，以OBJ(OBJect)格式导出文件，并将其上载到Autodesk Mudbox(2012)中；然后使用数字雕刻三维操作工具，进一步雕刻重要部分的特征，使其更加明显[9]。将模型分割为颅骨底座部分与鼻腔操作部分，以实现鼻腔部分拆卸更换的需求。

A. 鼻腔模型的建模与修复； B. 可拆卸鼻腔模型三视图； C. 鼻腔镜图像：暴露“垂体腺瘤”图1 经鼻可拆卸垂体腺瘤切除模型构建图像Fig 1 Construction of nasal removable pituitary adenoma resection model

1.1.2 底座打印：使用直径为1.75 mm、层厚为0.1 mm的白色聚乳酸(polylactic acid, PLA)材料，采用熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)技术打印颅骨底座。

1.1.3 鼻腔构建：使用石膏材料，采用3D打印技术打印鼻腔[10]。首先在鼻腔手术区模型表面涂抹5度硅胶，使其具有皮肤般的质感；其次用502黏接剂黏住鼻道和鼻中隔两侧；然后使用0度硅胶与红色色浆的混合体覆盖鼻腔内部模拟腔内分泌物；最后在鼻腔模型的鞍区垂体窝内放置熟鹌鹑蛋，模拟待切除的垂体腺瘤；两旁放置薄层硅胶制血袋，模拟双侧颈内动脉，并采用魔术带固定。

本研究组以往研究文献中包含构建模型的详细步骤[10]。

1.2 评估方法

参与评估的人员包括北京协和医院本院及进修医师19名，按照年资进行分组：年资<10分入“低年资组”，共10人；年资≥10分入“高年资组”，共9人。每位医师分别对3D打印垂体腺瘤切除模型进行如下操作：1) 鼻腔结构探查；2)暴露鹌鹑蛋模拟的“垂体”；3) 切除鹌鹑蛋模拟的“垂体”。操作前后分别填写调查问卷与评估量表，包括：1)评估者基本信息：科室、年资、训练经历、操作信心等；2)评估量表：模型的外观与操作真实度；3)主观感受：评估者信心增长程度、建议等。

1.3 统计学分析

低年资组与高年资组间比较采用独立样本t检验，垂体腺瘤模型操作前后比较采用配对t检验。使用SPSS 25进行统计。

2 结果

2.1 评估者基本信息

评估者共19名，平均年龄为34.1±6.4，男性共16人(84.2%)，平均年资为8.3±6.4年。科室分布包括神经外科12名(63.2%)，外科5名(26.3%)，耳鼻喉科1名(5.3%)。职称为住院医师10名(52.6%)，主治医师3名(15.8%)以及副主任医师6名(31.6%)。

图2统计了各评估者对于鼻腔镜探查术与垂体腺瘤切除术的操作经验。由图可知，高年资组接触两种操作的探查经验均高于低年资组。

A.鼻腔镜操作次数统计； B.垂体瘤切除次数统计； C.鼻腔镜探查操作的最高级别； D.垂体瘤切除术操作的最高级别图2 评估者操作经验统计Fig 2 Statistics of operating experience of the evaluator

2.2 评估量表

图3为模型真实度量表中的各项评分情况。该模型所有真实度项目的得分均在4附近，其中评分最高为“结构大小仿真程度”，评分最低项为“组织软硬仿真程度”，各评分项间无明显差异。与“识别鼻腔结构”“成功暴露垂体腺瘤”步骤相比，“切除垂体腺瘤”的真实性评分相对较低(图3A)。对于“垂体腺瘤”切除操作，高年资组评分普遍低于低年资组(图3C)。

A.“垂体瘤”切除中核心操作步骤真实性评分； B.鼻腔镜真实性评分； C.“垂体瘤”切除术真实性评分图3 各量表评分Fig 3 Statistics of scores in each scale

2.3 主观感受

图4显示了操作前后评估者的信心评分变化。由图可知，除高年资组在垂体腺瘤切除操作后信心降低外，其余组别评分在两项操作后均有上升。对年资组间进行比较，操作前低年资组信心评分显著低于高年资组，操作后两组评分趋于一致；对于“垂体腺瘤切除”步骤，低年资组的信心评分变化显著高于高年资组(图4B)。

低年资组与高年资组分别对下列信心评分进行独立t检验：A.鼻腔镜； B.“垂体瘤”切除术图4 操作前后信心评分Fig 4 Confidence score before and after operation

评估者认为模型的“解剖结构准确程度”对于真实度最为重要；所有人均认为通过模型操作后知识储备得到提升；对于模型的用途，选择“手术教学”的评估者最多，为18名(94.7%)；对于训练效果，选择“增加操作熟练度”的评估者最多，为18名(94.7%)。

此外，部分评估者对模型的真实度提出了改造建议：1)面部采用更加坚硬的材料以模仿骨骼；2)应体现蝶窦开口；3)鼻中隔和鼻顶部应连到一起。

3 讨论

内镜下垂体腺瘤切除术对术者的操作技术要求较高，需要接受大量培训[2]。传统的仿真练习通常采用尸头进行操作。然而遗体捐献单位数量有限，尸头数量稀少。新鲜尸头标本演示性较好，但保存条件较为苛刻；固定尸头易于保存，但结构顺应性差。因此，开展教学的难点之一在于寻找易于获得、便于长期使用的仿真模具。3D打印可根据建模批量制造精确模型，是制作解剖模具的优选，目前已有研究应用3D打印制作经蝶垂体瘤切除教学模型[7]。本文介绍了一例仿真垂体腺瘤切除模型，对真实性进行了评估。

真实性是一种抽象概念，模型内结构的大小、颜色、质地、位置等各种性质均可影响最终呈现的结果。本实验根据真实性的影响因素制定了较为详细的量表，从多角度、多方位评估，探讨影响真实性呈现的主要原因。对于该模型，结构大小的仿真得分最高，这说明该模型的建模较为准确；但该模型的组织软硬程度仍有欠缺，说明选择适宜材料是仿真模型构建过程中的难点。模型构建的另一难点在于血管、肿瘤模型的真实性。本研究采用硅胶血袋和鹌鹑蛋模拟血管和肿瘤，实际教学中可根据培训难度选择不同的肿瘤替代物，例如对进阶培训人员可应用生鹌鹑蛋来模拟鞍底和鞍底硬膜，增加操作的难度。

此外，不同年资医师对模型真实程度的理解各不相同，本文根据年资对医师进行了分组。从评估量表结果可知，对于同一个解剖部位，高年资组的评分较低年资组更低。高年资组医师操作经验丰富，给出的评分更加接近真实情况。缺乏经验的医师对模型可能存在主观印象，通过年资分组降低了主观猜测造成的干扰。

本研究设计了操作前后信心变化评分，初步探究了模型的教学价值。从结果来看，操作后低年资组信心评分增长较多，向高年资组靠拢，证明该模型可针对缺乏经验者提升操作信心，适宜应用于实际教学。由于本研究为教学试验的铺垫，尚未设计客观指标体现操作前后的技能变化，在之后的实验设计中将采用客观指标与主观指标结合的方式，对模型的教学价值进行详细的研究。

本研究验证了该垂体腺瘤切除模型具有较高的真实性。下一步将开展教学试验，评估模型的教学作用，以期进一步推广3D模型在教学中的应用。