胡瀾也　賈歡　楊軍1上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院（上海200025）2上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院耳鼻咽喉-頭頸外科（上海200092）3上海市耳鼻疾病轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海200092）4上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院耳科學(xué)研究所（上海200092）

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3D打印顳骨模型制備方法及其在耳科中的應(yīng)用展望

胡瀾也1，2，3，4賈歡2，3，4楊軍2，3，4
1上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院（上海200025）2上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院耳鼻咽喉-頭頸外科（上海200092）3上海市耳鼻疾病轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海200092）4上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院耳科學(xué)研究所（上海200092）

【摘要】顳骨是人體最復(fù)雜的骨性結(jié)構(gòu)之一，內(nèi)部重要的神經(jīng)、血管與位聽(tīng)覺(jué)結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。顳骨相關(guān)的耳科及耳神經(jīng)外科手術(shù)要求醫(yī)生對(duì)顳骨解剖有著全面、透徹的認(rèn)識(shí)以避免損傷一些精細(xì)、重要結(jié)構(gòu)，如面神經(jīng)、內(nèi)耳、頸內(nèi)動(dòng)脈和聽(tīng)神經(jīng)。長(zhǎng)久以來(lái)，耳外科醫(yī)生通過(guò)反復(fù)解剖人體尸頭的顳骨來(lái)獲取和提高相關(guān)的手術(shù)技能。但人體尸頭來(lái)源有限，價(jià)格日益昂貴，造成尸體顳骨解剖訓(xùn)練越來(lái)越困難。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，世界各國(guó)的研究者們制造出了可用于耳科教學(xué)和手術(shù)技能訓(xùn)練的3D打印顳骨模型。本文就3D打印顳骨模型的制備過(guò)程、評(píng)價(jià)方法以及近年來(lái)在耳科領(lǐng)域的應(yīng)用作一綜述。

【關(guān)鍵詞】顳骨；3D打??；模型制備；耳科

Funding：This study was supported by the project of Shanghai Municipal Science and Technology Commission（No.16XD1402200）and Xinhua Hospital（No.15YG02）.

Conflict of interest：the authors declare no potential conflict of interest.

顳骨是人體最復(fù)雜的骨性結(jié)構(gòu)之一，內(nèi)部重要的神經(jīng)、血管與位聽(tīng)覺(jué)結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。顳骨相關(guān)的耳科手術(shù)要求醫(yī)生對(duì)顳骨解剖有著全面、透徹的認(rèn)識(shí)，同時(shí)擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)和手術(shù)技巧以免損傷面聽(tīng)神經(jīng)、頸內(nèi)動(dòng)脈、耳蝸等精細(xì)結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)久以來(lái)，通過(guò)反復(fù)解剖人體尸頭的顳骨來(lái)獲取和提高相關(guān)的手術(shù)技能，培育了一代又一代的耳科醫(yī)生［1］。Mowry等［2］證實(shí)了尸體顳骨解剖在住院醫(yī)師培訓(xùn)中的重要作用，對(duì)大多數(shù)住院醫(yī)師而言，尸體顳骨解剖數(shù)量與他們的耳科手術(shù)技能呈正相關(guān)。作為最可靠的手術(shù)仿真模型，尸體顳骨一直是耳科教學(xué)和技能訓(xùn)練的“金標(biāo)準(zhǔn)”。

但是，人體尸頭來(lái)源有限，價(jià)格日益昂貴，兒童尸體顳骨更是極度匱乏［3］，宗教、文化和相關(guān)法規(guī)等因素也為尸體顳骨解剖訓(xùn)練的推廣增加了難度［1］。2011年巴基斯坦一項(xiàng)研究顯示，其國(guó)內(nèi)的醫(yī)學(xué)生大多對(duì)尸體解剖持回避態(tài)度，其中37%出于道德或倫理因素，18.6%出于宗教因素［4］。此外，人體尸頭也有其局限性。即使是福爾馬林浸泡固定的人體標(biāo)本也可能攜帶結(jié)核分枝桿菌、朊病毒、乙型肝炎病毒和丙型肝炎病毒等傳染性病原體［5，6］，尸體顳骨的解剖過(guò)程存在傳播感染性疾病的的潛在風(fēng)險(xiǎn)。不同尸體顳骨的解剖和病理上存在差異，學(xué)員難以在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模型上進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練。

考慮到以上因素，近年來(lái)研究人員開(kāi)始探尋可用于耳科教學(xué)和手術(shù)技能訓(xùn)練的替代模型。嚙齒動(dòng)物等小型動(dòng)物的顳骨與人體的顳骨在解剖結(jié)構(gòu)上存在顯著差異，較大型的動(dòng)物也是如此，例如綿羊的顳骨缺少氣化的乳突結(jié)構(gòu)。雖然有文獻(xiàn)報(bào)道，綿羊的顳骨可用于人工耳蝸植入術(shù)和鐙骨切除術(shù)的技能訓(xùn)練［7，8］，但它們的作用仍舊有限。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)世界各國(guó)相繼設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了基于力反饋技術(shù)的計(jì)算機(jī)虛擬顳骨模型。虛擬顳骨模型的使用不受時(shí)間、場(chǎng)地和次數(shù)的限制，不僅可用于顳骨手術(shù)的訓(xùn)練，還能讓臨床醫(yī)生在不增加患者風(fēng)險(xiǎn)的情況下探索外科技巧和術(shù)式［9，10］。通過(guò)監(jiān)測(cè)操作者的手術(shù)時(shí)間、手術(shù)步驟等，虛擬的手術(shù)模擬系統(tǒng)能夠評(píng)估操作者的手術(shù)技能水平，形成過(guò)程性評(píng)估和終結(jié)性評(píng)估的基礎(chǔ)［9，11］。但虛擬顳骨模型的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，由于缺少真正的三維性，模型的仿真度通常有限。操作時(shí)不能使用真實(shí)的外科器械，即使模型能較準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出解剖結(jié)構(gòu)，也很難模擬出真實(shí)的鉆磨觸感，這降低了虛擬顳骨模型用于手術(shù)技能訓(xùn)練的效果。3D打印技術(shù)是一種基于三維數(shù)學(xué)模型，通過(guò)增加材料逐層打印的方式，直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維物理實(shí)體模型的制造方法，學(xué)術(shù)上也稱(chēng)作增材制造（additive manufacturing）［12］。作為20世紀(jì)80年代末興起的新技術(shù)，近十年來(lái)3D打印技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、新型材料的問(wèn)世和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，世界各國(guó)的研究者們利用3D打印技術(shù)制造出了可用于耳科教學(xué)和手術(shù)技能訓(xùn)練的顳骨模型。標(biāo)準(zhǔn)化的顳骨模型規(guī)格統(tǒng)一，有利于年輕醫(yī)生進(jìn)行重復(fù)的強(qiáng)化訓(xùn)練。顳骨模型也可應(yīng)用于術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)模擬，協(xié)助手術(shù)醫(yī)生明確復(fù)雜病變、評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，為患者提供個(gè)性化的治療方案。本文就3D打印顳骨模型的制造過(guò)程、評(píng)價(jià)方法以及近年來(lái)在耳科領(lǐng)域的應(yīng)用作一綜述。

1　3D打印顳骨模型的制造過(guò)程

3D打印顳骨模型的制造過(guò)程分為圖像獲取、圖像后處理和3D打印3個(gè)步驟［13］。一個(gè)堪比尸體顳骨或能夠模擬真實(shí)手術(shù)體驗(yàn)的顳骨模型的制備涉及模型制造各個(gè)環(huán)節(jié)的處理和細(xì)化。

1.1圖像獲取

通過(guò)對(duì)尸體顳骨或患者的活體顳骨行CT掃描，獲取醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（digital imaging and com?munications in medicine，DICOM）格式的原始CT圖像。高分辨率的CT圖像數(shù)據(jù)有利于在后續(xù)的3D打印過(guò)程中提高模型解剖結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。Rose等［14］對(duì)正常尸體顳骨分別行普通薄層CT掃描和顯微CT掃描，利用3D打印技術(shù)制成了顳骨模型A和模型B。對(duì)模型的解剖提示，采用分辨率更高的顯微CT掃描數(shù)據(jù)制成的模型B的解剖細(xì)節(jié)更為出色，具體表現(xiàn)在乳突氣房和聽(tīng)小骨、圓窗、卵圓窗等中耳結(jié)構(gòu)上。但在臨床應(yīng)用上，考慮到射線輻射劑量，對(duì)患者的活體顳骨行顯微CT掃描并不是常規(guī)做法。Suzuki等［19，23］對(duì)正常顳骨行CT獲取影像學(xué)數(shù)據(jù)，掃描精度為層厚0.5mm、間距0.1mm。利用該圖像數(shù)據(jù)制備的模型能夠精確再現(xiàn)漢勒棘等表面結(jié)構(gòu)以及聽(tīng)小骨、半規(guī)管、前庭、蝸管、圓窗龕和面神經(jīng)管等內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1.2圖像后處理

利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）技術(shù)，處理通過(guò)CT掃描獲取的DICOM格式的影像學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的切分和三維重建，最后將CAD模型輸出至3D打印設(shè)備。圖像后處理的過(guò)程對(duì)于模型特定結(jié)構(gòu)的再現(xiàn)、內(nèi)部殘留打印材料的去除和模型尺寸的修改至關(guān)重要。

通常說(shuō)來(lái)，通過(guò)設(shè)定閾值參數(shù)，軟件能將圖像中的骨結(jié)構(gòu)自動(dòng)分割出來(lái)。但越是復(fù)雜和精細(xì)的結(jié)構(gòu)，軟件越是難以自動(dòng)識(shí)別分割，即使CT圖像質(zhì)量極高，聽(tīng)小骨、乳突氣房等結(jié)構(gòu)仍需要人工處理。此外，為了提高模型的仿真度、保證模型能夠再現(xiàn)特定的解剖結(jié)構(gòu)，半規(guī)管、耳蝸和面神經(jīng)、乙狀竇、頸內(nèi)動(dòng)脈、巖淺大神經(jīng)等神經(jīng)血管結(jié)構(gòu)也需由熟悉顳骨解剖的專(zhuān)業(yè)人員手動(dòng)分割［3，15，16，17，18，30］。Cohen等［18］在軟件自動(dòng)分割出骨性結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，人工分割出錘骨，補(bǔ)全乳突氣房細(xì)節(jié)和不連續(xù)的骨性結(jié)構(gòu)，并減少偽影，去除其它不需要的結(jié)構(gòu)。Mick等［16］在每張圖像上手動(dòng)分割出乙狀竇、面神經(jīng)、聽(tīng)小骨、半規(guī)管、耳蝸、頸內(nèi)動(dòng)脈、鼓膜張肌和鼓索神經(jīng)，并給每個(gè)結(jié)構(gòu)指定染色，打印出的模型呈現(xiàn)了黃色的面神經(jīng)、紅色的頸內(nèi)動(dòng)脈和藍(lán)色的乙狀竇等，提升了標(biāo)志性結(jié)構(gòu)的辨識(shí)度。鐙骨是定位面神經(jīng)水平段、圓窗龕等結(jié)構(gòu)的解剖標(biāo)志，為了應(yīng)對(duì)鐙骨的低顯影性，Suzuki等［19］改變鐙骨閾值，局部增強(qiáng)鐙骨的顯影，最終打印出了完整的鐙骨。另外，圖像數(shù)據(jù)的處理不當(dāng)會(huì)在后續(xù)流程中阻礙重要結(jié)構(gòu)的復(fù)制。為了提高模型的仿真度，Bakhos等［20］雖然在處理圖像數(shù)據(jù)時(shí)消除了鼓室和內(nèi)聽(tīng)道內(nèi)的條紋狀支撐結(jié)構(gòu)，但引起了聽(tīng)骨鏈的崩塌，在打印過(guò)程中聽(tīng)骨鏈與周?chē)拇蛴〔牧匣旌稀?/p>

切分目標(biāo)物體、實(shí)現(xiàn)三維重建時(shí)，通過(guò)調(diào)整切片位置，可以使模型最大程度地保留空腔間隙結(jié)構(gòu)。Hochman等［15］運(yùn)用新型切片算法，數(shù)字化地將模型分層解構(gòu)，使殘留在模型空腔間隙內(nèi)的鑄造粉末能夠在打印結(jié)束后被去除，同時(shí)改善了固化劑對(duì)整個(gè)模型的滲透情況。Cohen等［18］處理圖像數(shù)據(jù)時(shí)，在乙狀竇區(qū)域內(nèi)形成一直徑3mm的孔道，為打印結(jié)束后殘留在乳突氣房?jī)?nèi)的樹(shù)脂支架提供了充分的排出通道。

CAD模型可儲(chǔ)存為STL文件格式，STL也是為大多數(shù)3D打印系統(tǒng)所應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)文件類(lèi)型。Suzu?ki等［21］通過(guò)倍增STL數(shù)據(jù)制造出了雙倍尺寸的顳骨模型和三倍尺寸的骨迷路模型，放大的模型對(duì)于三維結(jié)構(gòu)和解剖定位的教學(xué)是十分有用的工具。

1.33D打印

目前，已實(shí)現(xiàn)商品化的3D打印機(jī)共涵蓋了七類(lèi)工藝［12］，它們的所用材料和技術(shù)原理各有特點(diǎn)。3D打印材料和工藝的選擇決定了模型最終的效果。熔融沉積制造（fused deposition molding，F(xiàn)DM）以熱塑性材料為打印的“墨水”，通過(guò)熱熔噴頭將熔化的材料擠壓而出，以一定的厚度沉積在指定位置后固化成形。以此種工藝打印出的模型內(nèi)留置有可溶性材料制成的支架，用以支撐游離結(jié)構(gòu)。支架將在模型打印結(jié)束后被洗滌劑溶解，從模型內(nèi)排出［12］。Cohen等［18］采用FDM工藝打印的顳骨模型材質(zhì)較真實(shí)顳骨軟，在鉆磨模型時(shí)若沖洗不足，模型有融化趨勢(shì)，這是由打印材料丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acryloni?trile-butadiene-styrene，ABS）塑料本身的特性決定的。由于采用了FDM這一工藝，顳骨模型表面有較明顯的條紋，且模型內(nèi)部如乳突氣房?jī)?nèi)易殘留支架材料。光固化印刷（stereolithography apparatus，SLA）以液態(tài)光敏樹(shù)脂為打印耗材，紫外光在樹(shù)脂表面掃描使材料固化，形成一定厚度的薄層，從而從底部逐層生成物體［12］。與Cohen等［18］的顳骨模型類(lèi)似，Bakhos等［20］采用SLA工藝制造的顳骨模型受打印材料和工藝技術(shù)所限，模型鼓室和內(nèi)耳道內(nèi)可見(jiàn)樹(shù)脂條紋，模型的硬度遠(yuǎn)低于尸體顳骨。噴射固化成型（Polyjet）技術(shù)使用噴頭將樹(shù)脂噴射到基底上，利用紫外光將其固化成形，打印過(guò)程同時(shí)噴射出凝膠類(lèi)支撐材料，用以支持模型中懸垂和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，支撐材料可在打印結(jié)束后用水去除。該工藝可同時(shí)打印多種材料，通過(guò)不同顏色樹(shù)脂的混合，可打印出上百種色調(diào)［22］。Rose等［14，17］將多種熱固性聚合物以不同比例混合構(gòu)成打印材料，來(lái)滿足不同解剖結(jié)構(gòu)獨(dú)特的生物力學(xué)特性，學(xué)員能夠輕易區(qū)分出模型的骨結(jié)構(gòu)和軟組織結(jié)構(gòu)。由于Polyjet打印過(guò)程中需要打印支撐，Rose等［14，17］制造的顳骨模型也受到支撐材料殘留的困擾，雖然大部分支撐材料能由模型外部和開(kāi)口處去除，但仍有少部分殘留于迷路等結(jié)構(gòu)中。激光選區(qū)燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）可打印多種熱塑性材料，如尼龍、聚丙烯酸酯類(lèi)、聚碳酸酯、聚苯乙烯等。該工藝采用高功率的激光，將粉末熱熔、燒結(jié)在一起形成模型，無(wú)需打印支撐結(jié)構(gòu)［12］。Suzuki等［19，21，23］選用加入了玻璃珠的聚酰胺尼龍粉末為材料，打印出的模型硬度與真實(shí)顳骨類(lèi)似，但相較于真實(shí)顳骨產(chǎn)生的骨粉，模型產(chǎn)生的骨粉更為粘稠和易熔。雖然SLS不打印支撐結(jié)構(gòu)，但由于使用的是粉末材料，空腔結(jié)構(gòu)的復(fù)制仍舊是一個(gè)挑戰(zhàn)。Suzuki等［19，21，23］制造的顳骨模型的半規(guī)管、乳突竇和乳突氣房等空腔間隙內(nèi)充滿了粉末，解剖過(guò)程中需使用沖洗吸引器清除，這損害了模型的仿真度和解剖體驗(yàn)。三維印刷（three dimensional printing，3DP）中常用的材料是淀粉基粉末和石膏基粉末，也可以使用陶瓷基粉末或金屬基粉末等其他材料直接打印陶瓷或金屬等制件。3DP技術(shù)基于微噴射原理，使用噴頭噴出液態(tài)微滴粘結(jié)劑，按一定路徑選擇性地將粉末材料粘結(jié)起來(lái)，逐層堆積生成模型，打印過(guò)程無(wú)需制作支撐［24］。制造者可以通過(guò)調(diào)整粘合劑的種類(lèi)和濃度改變材料質(zhì)地，使之與真實(shí)骨相似［1，25］，也可以使用不同顏色的粘合劑，打印出紅色的頸內(nèi)動(dòng)脈、藍(lán)色的乙狀竇和綠色的前庭等結(jié)構(gòu)［15，16，26，30］，或者將面神經(jīng)、頸動(dòng)脈、乙狀竇等結(jié)構(gòu)打印為有著彩色邊界的中空管道，打印結(jié)束后向管道內(nèi)填充相應(yīng)色彩的導(dǎo)線來(lái)模擬顳骨內(nèi)的神經(jīng)、血管［1，25］。不同于樹(shù)脂材料，打印結(jié)束后制造者可以使用壓縮空氣，將殘留在乳突氣房、蝸管等空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)的鑄造粉末手動(dòng)清除［1，15，25，26］。

1.4模型后處理

初學(xué)者在模型上學(xué)習(xí)和練習(xí)新技能時(shí)，最好選擇囊括所有手術(shù)相關(guān)結(jié)構(gòu)的高仿真度模型［27］。任務(wù)之前的練習(xí)與任務(wù)本身的相似性越大，練習(xí)過(guò)程越是有效［28］。因此，提高顳骨模型的仿真度、使之能夠充分模擬人體顳骨骨結(jié)構(gòu)和軟組織的解剖特征是研究者們的目標(biāo)。為此，很多研究者在模型打印完成后，對(duì)模型進(jìn)行了額外的處理。除了之前提到的使用壓縮空氣清除殘余的鑄造粉末外［1，15，25，26］，研究者們還將模型浸入氰基丙烯酸酯系或聚氨酯混合物固化劑中，使模型具有強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)挠捕龋瑫r(shí)融合層面形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)［1，15，16，25，26］。Hochman等［15］制造了4種使用不同固化劑的模型，讓測(cè)試人員先后在隨機(jī)分配的模型和與之匹配的尸體顳骨上進(jìn)行操作，并對(duì)模型的皮質(zhì)骨硬度、振動(dòng)性能、手術(shù)電鉆的跳動(dòng)、聲學(xué)性能等進(jìn)行評(píng)價(jià)，選出了4種固化劑中的評(píng)價(jià)最優(yōu)的固化劑對(duì)苯二酚氰基丙烯酸酯（cyanoacrylate with hydroquinone）。由于技術(shù)有限，3D打印機(jī)無(wú)法將鼓膜和硬腦膜等結(jié)構(gòu)打印出來(lái)。研究者們?yōu)榱搜a(bǔ)全顳骨結(jié)構(gòu)，使用硅片制作鼓膜和硬腦膜［1，25］，或者在鼓室蓋上表面涂上一層乳膠來(lái)模擬硬腦膜［16］。還有研究者［30］在顳骨模型的顱中窩和乙狀竇溝表面分別涂刷粉色和藍(lán)色丙烯顏料，以提高相關(guān)結(jié)構(gòu)的辨識(shí)度。

2　3D打印顳骨模型的評(píng)價(jià)方法

專(zhuān)家小組采用一定的測(cè)量方法評(píng)估，如果某一模型具有原型的外觀、聲音及感覺(jué)，則該模型具有表面效度［16］。3D打印顳骨模型的表面效度可以通過(guò)定性評(píng)價(jià)顳骨模型的解剖準(zhǔn)確性和使用手術(shù)器械的體驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。具體來(lái)講，模型的硬度、深度知覺(jué)、解剖結(jié)構(gòu)的完整度和辨識(shí)度，以及使用手術(shù)器械時(shí)的鉆磨觸感、聲學(xué)變化、骨粉和沖洗液體混合物的仿真度等都可以是顳骨模型表面效度的評(píng)價(jià)項(xiàng)目。Mick等［16］邀請(qǐng)了8名分別來(lái)自美國(guó)、加拿大和新加坡的耳科專(zhuān)家，讓他們以解剖尸體顳骨的方式解剖3D打印顳骨模型，并在完成后填寫(xiě)一份選項(xiàng)為里克特5點(diǎn)量表的半結(jié)構(gòu)問(wèn)卷，以豐富的既往解剖經(jīng)歷作為參照對(duì)象，評(píng)價(jià)該模型解剖結(jié)構(gòu)視覺(jué)上的準(zhǔn)確性以及使用手術(shù)電鉆的鉆磨觸感、聽(tīng)覺(jué)反饋、骨粉和沖洗液體混合物的仿真度。評(píng)價(jià)結(jié)果提示，該模型具有良好的解剖準(zhǔn)確性，尤其在顳骨的整體形態(tài)、乳突氣房等外側(cè)結(jié)構(gòu)上評(píng)分優(yōu)異；但半規(guī)管、面神經(jīng)和鼓索神經(jīng)等較內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)得分較低，管腔內(nèi)有石膏粉殘留。在皮質(zhì)骨、乳突氣房和外耳道后壁等結(jié)構(gòu)上鉆磨觸感接近真實(shí)，而半規(guī)管材質(zhì)過(guò)于柔軟，鉆磨時(shí)的聲學(xué)變化相似性尚可，產(chǎn)生的骨粉較真實(shí)的骨粉更為粘稠和易熔。總體說(shuō)來(lái)，專(zhuān)家小組認(rèn)為該模型具有良好的表面效度。以類(lèi)似的方式，Da Cruz等［1］評(píng)價(jià)了所制3D打印顳骨模型的表面效度，9名耳鼻喉科醫(yī)生填寫(xiě)了里克特選項(xiàng)的半結(jié)構(gòu)問(wèn)卷，問(wèn)卷內(nèi)容包括模型的深度知覺(jué)、顏色對(duì)比、解剖結(jié)構(gòu)仿真度、鉆磨觸感、聲學(xué)變化以及模型能否像尸體顳骨一樣滿足相關(guān)手術(shù)練習(xí)的需要。評(píng)價(jià)結(jié)果提示，雖然有些許不足之處，例如乙狀竇和面神經(jīng)的顏色過(guò)于明亮、硬腦膜則過(guò)于黯淡，但模型在深度知覺(jué)、解剖結(jié)構(gòu)仿真度和鉆磨觸感方面堪比尸體顳骨，模型能夠提供接近尸體顳骨的手術(shù)訓(xùn)練體驗(yàn)，該模型具有良好的表面效度。

同表面效度的認(rèn)定類(lèi)似，若一個(gè)專(zhuān)家小組采用一定的測(cè)量方法，認(rèn)為該模型有益于耳科的教學(xué)和技能培訓(xùn)，則該模型具有內(nèi)容效度［1］。10名耳鼻喉科住院醫(yī)生參與了Hochman等［26］的研究試驗(yàn)，以適合各自水平的方式，先后解剖了尸體顳骨和與之匹配的3D打印顳骨模型，完成解剖后填寫(xiě)半結(jié)構(gòu)問(wèn)卷，問(wèn)卷選項(xiàng)為里克特7點(diǎn)量表，以尸體顳骨的解剖體驗(yàn)為參考對(duì)象，評(píng)價(jià)3D打印顳骨模型在教學(xué)和手術(shù)技能訓(xùn)練方面的價(jià)值。問(wèn)卷內(nèi)容涉及模型能否提升醫(yī)生的信心和術(shù)中表現(xiàn)、是否為有效的訓(xùn)練工具，以及模型在多種手術(shù)技能培訓(xùn)上的價(jià)值，如完壁式和開(kāi)放式鼓室成形術(shù)伴乳突根治術(shù)、后鼓室切開(kāi)術(shù)和迷路切除等。測(cè)試人員一致認(rèn)為，該模型對(duì)手術(shù)技能的發(fā)展、術(shù)中信心和表現(xiàn)的提升有著積極影響，應(yīng)當(dāng)被納入訓(xùn)練課程中。Da Cruz等［1］也對(duì)所制模型的內(nèi)容效度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)項(xiàng)目包括模型在解剖教學(xué)、手術(shù)規(guī)劃教學(xué)、提高眼-手協(xié)調(diào)性和作為訓(xùn)練用具方面的實(shí)用性，以及習(xí)得技能能否應(yīng)用到手術(shù)室中、模型是否應(yīng)當(dāng)納入課程等。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，該模型能夠提高學(xué)員的手術(shù)技能水平和認(rèn)知能力，如手術(shù)規(guī)劃能力等，是十分有效的訓(xùn)練用具，該模型具有高等級(jí)的內(nèi)容效度。

表面效度和內(nèi)容效度都是對(duì)測(cè)試內(nèi)容作出的主觀判斷，需要注意的是，若專(zhuān)家小組成員來(lái)自同一機(jī)構(gòu)，訓(xùn)練經(jīng)歷及背景的相似性可能使回答更為一致；若成員數(shù)目較少，評(píng)價(jià)結(jié)果也存在潛在偏倚。此外，研究人員也可以通過(guò)客觀的測(cè)量方法來(lái)評(píng)價(jià)模型的解剖準(zhǔn)確性。Rose等［17］分別在3D打印顳骨模型、患兒術(shù)前CT圖像和術(shù)中活體顳骨上測(cè)量了面神經(jīng)第二膝水平、乙狀竇至外耳道后壁、乙狀竇至外耳道前壁的距離，以及骨性外耳道的垂直高度，通過(guò)測(cè)量解剖標(biāo)志間的絕對(duì)距離和相對(duì)距離來(lái)評(píng)價(jià)所制模型的解剖準(zhǔn)確性。Cohen等［18］利用千分尺測(cè)量模型骨性外耳道的直徑，并與原型CT圖像的數(shù)據(jù)作對(duì)比，評(píng)價(jià)模型尺寸的準(zhǔn)確性。Bakhos等［20］對(duì)尸體顳骨和與之匹配的3D打印顳骨模型行CT掃描，通過(guò)測(cè)量?jī)烧逤T圖像上主要解剖標(biāo)志之間的距離和乳突氣房的體積來(lái)評(píng)價(jià)模型的解剖準(zhǔn)確性。

3　3D打印顳骨模型在耳科領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，3D打印顳骨模型主要應(yīng)用于耳科的解剖教學(xué)、手術(shù)技能訓(xùn)練、術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)模擬。

顳骨解剖是耳科培訓(xùn)的基本要素，傳統(tǒng)的二維示教不足以讓學(xué)員獲得對(duì)復(fù)雜解剖細(xì)節(jié)的直觀了解，3D打印顳骨模型則可以成為顳骨解剖教學(xué)的有力工具。Suzuki等［19，21，23］利用3D打印技術(shù)制造出了雙倍尺寸的顳骨模型和三倍尺寸的內(nèi)耳模型，內(nèi)耳模型中骨迷路及其周邊的骨性結(jié)構(gòu)和聽(tīng)骨鏈清晰可見(jiàn)。將等比例放大的模型作為教學(xué)用具，結(jié)合教學(xué)視頻，學(xué)生能夠從手術(shù)醫(yī)生的角度學(xué)習(xí)手術(shù)定位和解剖定位，該模型對(duì)于中耳和內(nèi)耳三維解剖結(jié)構(gòu)的教學(xué)是十分有用的工具。此外，3D打印模型還可以作為媒介，將臨床中的解剖變異帶入臨床前的學(xué)習(xí)中，以提高學(xué)員對(duì)解剖的理解［13］。

以往耳科醫(yī)生通過(guò)反復(fù)解剖人體尸頭的顳骨來(lái)獲取和提高相關(guān)的手術(shù)技能。但人體尸頭來(lái)源有限，價(jià)格昂貴，造成尸體顳骨解剖訓(xùn)練難以推廣。3D打印顳骨模型為耳科手術(shù)技能訓(xùn)練提供了有效途徑。兒童尸體顳骨的極度匱乏制約了耳科醫(yī)生技能的發(fā)展，Longfield等［3］以6月女性?xún)和幕铙w顳骨為原型，制造的3D打印顳骨模型提供了一種可行且成本低廉的小兒耳科技能訓(xùn)練方案。臨床醫(yī)生能夠在Hochman等［26］制造的3D打印顳骨模型上練習(xí)乳突切除術(shù)、后鼓室切開(kāi)術(shù)及顱底進(jìn)路手術(shù)，該模型模擬面神經(jīng)的導(dǎo)線表里雙色，若面神經(jīng)受損操作者即知曉。Roosli等［25］的顳骨模型再現(xiàn)了耳蝸管腔結(jié)構(gòu)和延展的顳骨鱗部，這是練習(xí)人工耳蝸植入術(shù)必不可少的解剖細(xì)節(jié)，專(zhuān)家小組認(rèn)為該模型在人工耳蝸植入手術(shù)技能訓(xùn)練方面的效用堪比尸體顳骨。Bakhos等［20］制造的模型可用于中耳假體植入術(shù)的訓(xùn)練。Da Cruz等［1］的研究結(jié)果顯示，無(wú)論是乳突切除術(shù)、后鼓室切開(kāi)術(shù)等顳骨外側(cè)部的手術(shù)，還是深部結(jié)構(gòu)相關(guān)的手術(shù)，如圓窗手術(shù)、迷路切除等，學(xué)員均能在模型上進(jìn)行所有手術(shù)相關(guān)的解剖練習(xí)，該模型能夠提供令人滿意的訓(xùn)練體驗(yàn)。Mick等［16］制造的顳骨模型是有效的耳科技能訓(xùn)練用具，尤其是年資較低的住院醫(yī)生能從中獲益良多。Rose等［14］對(duì)正常尸體顳骨分別行普通薄層CT掃描和顯微CT掃描，利用3D打印技術(shù)制成了顳骨模型A和模型B，專(zhuān)家小組評(píng)價(jià)兩者均可用于醫(yī)學(xué)教育和耳外科手術(shù)技能培訓(xùn)。

3D打印顳骨模型還可在臨床上用于術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)模擬。通過(guò)術(shù)前在模型上的操作訓(xùn)練，手術(shù)醫(yī)生可以預(yù)判術(shù)中可能發(fā)生的問(wèn)題，從而規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)質(zhì)量和患者安全性。Suzuki等［23］在先天性外耳道閉鎖患兒行外耳道和聽(tīng)骨鏈重建術(shù)前，利用患兒的顳骨CT掃描數(shù)據(jù)，制作了相應(yīng)的3D打印顳骨模型。模型再現(xiàn)了患兒發(fā)育不良的中耳裂、前置的面神經(jīng)垂直段和異位的卵圓窗，前置的卵圓窗幾乎隱藏在下頜關(guān)節(jié)間隙后。模型提示了手術(shù)的高風(fēng)險(xiǎn)，為醫(yī)生做出臨床決定提供了參考依據(jù)。由于卵圓窗和面神經(jīng)的高度異位，該患兒手術(shù)最終取消。以相同的方式，Suzuki等［29］在先天性外耳道閉鎖的21歲女性患者手術(shù)前制造了兩個(gè)3D打印顳骨模型。手術(shù)醫(yī)生解剖一個(gè)模型來(lái)定位面神經(jīng)和內(nèi)耳結(jié)構(gòu)，然后在另一個(gè)模型上模擬手術(shù)，調(diào)整手術(shù)步驟和細(xì)節(jié)，以縮短手術(shù)時(shí)間，達(dá)到最佳的手術(shù)效果。Rose等［17］在1例解剖復(fù)雜的開(kāi)放式鼓室成形術(shù)伴乳突根治術(shù)前，利用3D打印技術(shù)復(fù)制出患兒顳骨，手術(shù)醫(yī)生通過(guò)在顳骨模型上模擬手術(shù)，增加了對(duì)患兒異常的、有既往手術(shù)史的顳骨解剖的理解，從而降低手術(shù)潛在風(fēng)險(xiǎn)，提高患兒安全性。楊靜雅等［30］在術(shù)前制備了2例慢性中耳炎患者相應(yīng)的顳骨模型并在模型上模擬手術(shù)，其中1例中耳炎顳骨模型可見(jiàn)聽(tīng)骨鏈完整，膽脂瘤緊貼硬腦膜，提示手術(shù)過(guò)程中在清除病變組織時(shí)應(yīng)當(dāng)注意避免硬腦膜受損；另1例顳骨模型可見(jiàn)聽(tīng)骨鏈完整，病變范圍局限，提示手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較低。

4　3D打印顳骨模型的局限性

由于材料和技術(shù)的制約，3D打印顳骨模型常常不能準(zhǔn)確復(fù)制出原型顳骨的骨質(zhì)密度和精細(xì)結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)問(wèn)題有模型質(zhì)地偏軟，硬度低于尸體顳骨［3，16，18，20］；聽(tīng)小骨形成不全或互相融合固定［1，18，25］；精細(xì)結(jié)構(gòu)如鐙骨、鼓索等難以復(fù)制或不可辨認(rèn)［1，18，23，25］；模型內(nèi)部材料殘留，難以形成空腔結(jié)構(gòu)［14，16，17，18，20，23］。關(guān)于具有表面效度和內(nèi)容效度的3D打印顳骨模型能否替代訓(xùn)練課程中的尸體顳骨，即使是對(duì)模型有著高接受度的醫(yī)生對(duì)此也持模棱兩可或并不認(rèn)同的態(tài)度［1，3，15，25，26］。除去模型本身的瑕疵外，可能與長(zhǎng)久以來(lái)尸體顳骨被既定為耳科技能訓(xùn)練的“金標(biāo)準(zhǔn)”的觀念有關(guān)。正如之前所提到的，制備出與尸體顳骨相似或能模擬真實(shí)手術(shù)體驗(yàn)的3D打印顳骨模型涉及到模型制造各個(gè)環(huán)節(jié)的處理和細(xì)化，模型最終的精度和質(zhì)地至關(guān)重要。若僅用于耳科的解剖教學(xué)，對(duì)模型的硬度、鉆磨觸感等要求不高，利用精度較高的影像學(xué)數(shù)據(jù)制備的大部分模型均能滿足教學(xué)需求。而在手術(shù)技能訓(xùn)練、手術(shù)模擬的應(yīng)用上，3D打印顳骨模型的實(shí)用性很大程度上取決于模型的解剖精度和質(zhì)地觸感。除了獲取精度足夠的影像學(xué)數(shù)據(jù)并進(jìn)行恰當(dāng)?shù)膱D像后處理外，3D打印過(guò)程中可通過(guò)調(diào)整設(shè)置3D打印機(jī)參數(shù)、換用較小的噴頭等方法提高模型結(jié)構(gòu)精細(xì)度。應(yīng)當(dāng)選用或研發(fā)適用于3D打印骨性結(jié)構(gòu)的材料，使模型質(zhì)地與真實(shí)骨骼相近，以提供良好的鉆磨觸感。材料熔點(diǎn)不宜過(guò)低，以免鉆磨時(shí)模型有融化趨勢(shì)。由于現(xiàn)有的3D打印原材料并無(wú)類(lèi)骨性質(zhì)，與材料領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行跨學(xué)科合作、研發(fā)出能準(zhǔn)確復(fù)制顳骨骨骼特性的材料是提高3D打印顳骨模型實(shí)用性、使其真正走入臨床的解決方法。3D打印顳骨模型術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)模擬的臨床應(yīng)用受限于模型的制造時(shí)間和成本。隨著3D打印機(jī)和制作材料成本的下降，以及技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，3D打印顳骨模型在臨床上的應(yīng)用前景將會(huì)更加廣闊。

5　3D打印技術(shù)在耳科領(lǐng)域的應(yīng)用展望

目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，除了打印模型用于解剖教學(xué)、手術(shù)技能訓(xùn)練、術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)模擬外，3D打印技術(shù)在直接打印個(gè)體化植入物、打印術(shù)中導(dǎo)引裝置、構(gòu)建骨骼和血管等方面也初見(jiàn)成效。利用3D打印技術(shù)，將生物相容性細(xì)胞、支架材料、生長(zhǎng)因子等在計(jì)算機(jī)指令下逐層打印，形成有生理功能的可植入物，以修復(fù)或替代人體受損組織，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的用途和巨大的發(fā)展空間［31］?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展、新型材料的問(wèn)世和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，3D打印技術(shù)將在耳科領(lǐng)域有著更為廣闊的應(yīng)用前景。

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·綜述·

Manufacture of 3D Printed Temporal Bone Models and Prospect of Its Application in Otology

HU Lanye1，2，3，4，JIA Huan2，3，4，YANG Jun2，3，4
1 Shanghai Jiao Tong University School of Medicine（Shanghai 200025）2 Department of Otorhinolaryngology-Head & Neck Surgery，Xinhua Hospital，Shanghai Jiao Tong University School of Medicine（Shanghai 200092）3 Shanghai Key Laboratory of Translational Medicine on Ear and Nose diseases（Shanghai 200092）4 Shanghai Jiao Tong University School of Medicine Ear Institute（Shanghai 200092）Corresponding author：YANG JunEmail：otology-xinhua@hotmail.com

【Abstract】The temporal bone is one of the most complex human bony structures in which crucial nerves and blood vessels are closely related with auditory and vestibular organs.Otology and neurotology surgeries demand a comprehensive understanding of temporal bone anatomy as well as rich experience and surgical skills to avoid damage to delicate structures such as the facial nerve，inner ear，internal carotid artery and auditory nerve.Ear surgeons have always been improving their surgical skills via repeated dissection of human cadaveric temporal bones.However，this surgical training is being challenged by increasing cost and limited sources of human cadaveric materials.With the development of 3D printing technology，researchers around the world have produced 3D printed temporal bone models for otological teaching and surgical training.This review focuses on the manufacture of 3D printed temporal bone models，and its evaluation and recent application in otology.

【Keywords】Temporal Bone；3D Printing；Model Manufacture；Otology

【中圖分類(lèi)號(hào)】R764

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1672-2922（2016）03-420-7

DOI：10.3969 / j.issn.1672-2922.2016.03.022

基金項(xiàng)目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（16XD1402200），新華醫(yī)院科研基金項(xiàng)目（15YG02）

作者簡(jiǎn)介：胡瀾也，研究生，研究方向：耳科學(xué)

通訊作者：楊軍，Email：otology-xinhua@hotmail.com

收稿日期：（2016-01-12審核人：戴樸）