呂祥康 毛金磊 綜述 孫曉東 王知非 審校

(浙江中醫(yī)藥大學第二臨床醫(yī)學院，杭州 310053)

隨著內(nèi)鏡技術與微創(chuàng)手術的興起，消化外科迎來蓬勃的發(fā)展。手術視頻的廣泛傳播使許多住院醫(yī)生有隨時學習手術操作的機會[1]。面對復雜且高難度的消化外科手術，手術醫(yī)生能夠安全且高效地完成這些手術步驟，術前操作培訓和術前規(guī)劃是必不可少的。現(xiàn)今全球疫情大流行，生物樣本與大規(guī)模的手術訓練機會大量減少[2,3]，手術培訓面臨空前的難度。3D打印技術的快速推廣恰恰為解決這一難題提供了出路[4]。3D打印以相對簡單的方式創(chuàng)建精準的解剖模型，為消化外科醫(yī)生提供術前規(guī)劃的藍本和反復訓練的機會，同時推動材料學在消化外科的發(fā)展[5]。本文對3D打印模型在消化外科中的應用進展進行文獻總結。

1 3D打印模型簡介

自1986年Charles W.Hull.首次報道3D打印技術以來，3D打印技術已經(jīng)普遍應用于各個生產(chǎn)領域[6]。目前認可的3D打印模型制作工藝流程大致分為7步：①還原型光固化；②材料噴涂成型；③材料噴射；④材料擠出；⑤粉末床融化；⑥薄片層疊；⑦定向沉積[7]。因為3D打印模型優(yōu)秀的透明性、剛度及可變形性，且廠家能精確控制模型的尺寸、形狀和3D空間中的框架結構，所以被頻繁應用于臨床醫(yī)學的教育與科普中[8]，如術前手術規(guī)劃、操作培訓和醫(yī)患溝通[9]。相比于直接利用動物尸體甚至人體臨床實驗，3D打印組織器官訓練模型具有低成本、合乎倫理道德、易于操作執(zhí)行的顯著優(yōu)勢[10,11]。

消化系統(tǒng)以柔軟的空腔臟器居多，為模仿其真實的質(zhì)感，3D打印模型多以柔性材料來制備[12]。柔性3D打印模型的構筑方法分為直接 3D打印構筑法和間接模板澆筑法。直接3D打印構筑法是提前設計制備具有優(yōu)異光固化性能的柔性材料墨水，研究其光固化反應動力學，通過調(diào)節(jié)墨水組分和優(yōu)化光固化3D打印參數(shù)，實現(xiàn)高精度模型3D打印。間接模板澆筑法是以3D打印的方式制備組織器官模型的陰模，然后將配制好的柔性材料前驅體灌入模具中，通過凝膠化方法使其固化，制備出具有優(yōu)異理化性能的組織器官模型。

2 3D打印模型在消化外科教學培訓中的應用

在微創(chuàng)手術大行其道的今天，消化外科醫(yī)生最迫切要解決的是培訓模型稀缺與培訓模型價格昂貴的問題。柔性3D打印組織器官模型代替生物活體進行外科培訓已成為目前醫(yī)學模擬研究領域的熱點研究方向[13]。

2.1 醫(yī)學教學

國內(nèi)外醫(yī)學生對消化系統(tǒng)解剖的學習大多基于書籍或者圖譜中獲取的簡單圖片，因此，對細節(jié)和空間關系的理解較差[14]。尸體模型作為教學培訓的金標準，在各大醫(yī)學院校中卻極其稀少[15]。3D打印模型因優(yōu)秀的可塑性，依據(jù)患者的醫(yī)學圖像或尸體掃描的器官圖片生成同比例的消化系統(tǒng)臟器，用來充當教學模型[16]。Cromeens等[17]對21位醫(yī)師進行腹部解剖相關培訓，使用3D打印模型培訓的參與者能夠在(6.6±0.5)min內(nèi)完成問題解答，明顯快于單獨使用CT者(18.9±2.5)min或CT+腹部平片者(14.9±1.5)min(P≤0.05)。3D打印的解剖模型能加深外科醫(yī)生對腹部臟器形狀和比例的理解，提升識別復雜解剖結構的能力。醫(yī)學生通過直觀接觸3D打印模型的方式夯實對解剖的理解，為后續(xù)的手術和操作做好鋪墊。

2.2 消化外科內(nèi)鏡訓練

消化系統(tǒng)中有大量迂曲的管狀通道，不同的管道又有不同的特質(zhì)。在進行結腸息肉內(nèi)鏡治療時，隱藏于結腸環(huán)形皺襞下的息肉，常常會躲過內(nèi)鏡醫(yī)生的清掃，特別是在結腸彎曲處的息肉即使被內(nèi)鏡醫(yī)生正確識別，完整切除也是非常困難的[18]。3D打印模型可以仿真模擬患者結腸的狀態(tài)，并在特定的部位設置息肉模型，供受訓者反復訓練，降低內(nèi)鏡醫(yī)生漏診漏切的概率[19]。

不同于單向通道的胃腸系統(tǒng)，膽道系統(tǒng)是由多個分支組成的，膽道鏡對治療膽道結石和膽道良惡性狹窄起至關重要的作用。由于膽道系統(tǒng)迷宮狀的解剖結構和頻繁的解剖變異[20]，缺乏經(jīng)驗的內(nèi)鏡醫(yī)生在進行膽道鏡檢查時很可能會迷失在膽管樹中。3D打印提供可連續(xù)觀察和反復操作的人工膽道系統(tǒng)模型，為受訓者創(chuàng)造仿真的操作環(huán)境和提供良好的操作反饋。Li等[21]將20名實習醫(yī)生分為3D打印模型訓練組與虛擬模型訓練組，進行2周的膽道解剖學習和膽道鏡技術培訓，2周后對3D打印模型訓練組與虛擬模型訓練組進行膽道鏡操作測試，2組對膽道解剖識別的準確率分別為95%、27%(P≤0.05)，且3D打印模型訓練組操作時間由訓練前(29±8)min縮短到訓練后(16±3)min(P≤0.001)?？梢?，受訓者通過3D打印模型培訓，不僅加深對膽道解剖的認識，同時也減少膽道鏡手術訓練的時間。

2.3 初級腹腔鏡手術培訓

針對如膽囊炎，闌尾炎等良性消化外科疾病，腹腔鏡手術已成為首選的治療手段[22]。由于腔鏡器械直線性的活動模式和狹窄的活動范圍，對于青年醫(yī)師來說需要陡峭且漫長的學習曲線才能逐漸適應與熟悉腔鏡的操作[23]。因此，急需大量可重復使用的操作模型幫助年輕醫(yī)生反復錘煉腹腔鏡手術技巧[24]。Sommerhalder等[25]應用3D打印技術和人工制造技術，構建6個模型樣本集(闌尾切除術、膽囊切除術、膽總管探查術、腹壁疝修補術、胸腔引流術和皮膚縫合)，通過反復使用的3D打印模型既降低手術訓練的門檻，也降低了85%的手術訓練成本。Zhang等[26]對16位有初步手術經(jīng)驗的外科醫(yī)生進行腹腔鏡Nissen胃底折疊手術培訓，通過手術技能客觀結構化評估量表(OSATS)對訓練表現(xiàn)進行評分。3D打印模型訓練組OSATS(26.25±1.67)分，明顯高于無特殊訓練組(17.50±2.07)分(t=9.31，P<0.0001)，手術時間(76.25±2.49)min，明顯短于無特殊訓練組(110.13±3.36)min(t=22.92，P<0.0001)。Casas-Murillo等[27]應用柔性材料設計腹腔鏡膽囊切除術的3D打印模型，13名外科醫(yī)生進行評估測試，61%的評估者對模型的真實感表示滿意，92%的評估者表示會推薦3D打印模型用于腹腔鏡膽囊切除術的培訓。綜上，3D打印模型通過模擬腹腔鏡胃食折疊術、腹腔鏡闌尾切除術和腹腔鏡膽囊切除術等相對簡單的普外科手術，優(yōu)化了住院醫(yī)師腹腔鏡手術的培訓模式，為住院醫(yī)師反復的手術練習提供可能。

2.4 復雜腹腔鏡手術培訓

一些復雜消化外科手術，如惡性腫瘤的根治術，經(jīng)常會涉及淋巴的清掃、管道的重建和血管、神經(jīng)裸化的問題，手術操作經(jīng)常在肝門區(qū)、賁門膈頂區(qū)、直腸陷窩區(qū)這些十分狹窄的空間內(nèi)進行[28]。這類步驟繁瑣且操作要求極高的復雜手術，即使是高級醫(yī)師，同樣需要進行系統(tǒng)的訓練[29]。3D打印模型能很好地模擬這些復雜的腹腔環(huán)境，為微創(chuàng)手術訓練提供條件[26]。Burdall等[30]通過3D打印構建復雜的肝臟、胰管和膽總管囊腫的混合組件模型，模擬腹腔鏡膽總管囊腫手術的復雜操作環(huán)境，并邀請10位外科醫(yī)生對手術模型進行測評，受試者對模型進行1～10分測評(分數(shù)越高認為實用性越強)，測評得分(7.36±1.57)分(4～9分)，大部分測評者表示模型有很高的實用性，同時會向他人推薦這個模型。

為探討3D打印模型在膽道吻合培訓上的可行性，Shen等[31]對3D打印干式模型的腹腔鏡膽道吻合模擬訓練進行文獻回顧，收集15名外科醫(yī)生的基線數(shù)據(jù)。隨著培訓次數(shù)的增加，所需操作時間呈減少趨勢，直至進入一個相對穩(wěn)定的平臺期。青年組外科醫(yī)生在第5次訓練時，學習曲線趨于平穩(wěn)；中年組外科醫(yī)生在進行第3次訓練時，學習曲線趨于平穩(wěn)。膽道吻合術的3D打印模型可以幫助外科醫(yī)生進行模擬培訓，通過訓練為實際手術提供經(jīng)驗和技能的積累。因此，復雜腹腔鏡手術的培訓，使用3D打印模型是高效可行的。

2.5 達芬奇機器人手術培訓

在過去的幾十年時間里，達芬奇機器人輔助手術呈現(xiàn)幾何倍數(shù)的增長[32]。由于機器人手術操作缺乏力反饋，因此，在進行消化系統(tǒng)的精細解剖、縫合、切割時需要反復的訓練與適應[33]。結合中國的國情，達芬奇機器人未進入醫(yī)保，在消化外科中僅有復雜的手術操作會使用達芬奇機器人輔助。未經(jīng)過完整的學習曲線進行機器人復雜手術，手術風險極高，因此，達芬奇機器人手術培訓的開展迫在眉睫。Rice等[34]將進行機器人胰十二指腸切除術(robotic pancreaticoduodenectomy，RPD)的手術醫(yī)生分為3類：①沒有接受過師徒制培訓和課程培訓的手術醫(yī)生；②接受過師徒制培訓，但沒有接受過課程培訓的手術醫(yī)生；③同時接受師徒制培訓和課程培訓的手術醫(yī)生。3類手術醫(yī)生分別施行258例(50.2%)、151例(29.3%)和82例(15.9%)RPD，接受RPD的3組患者除術前美國麻醉醫(yī)師協(xié)會分級為3級患者的構成比(78.3%vs.88.1%vs. 84.1%，P=0.04)和術前接受新輔助化療患者構成比(26.0% vs.37.1% vs.36.6%，P=0.03)存在差異外，3組患者術前組間特征相似。3組患者手術時間[(450.8±121.0)min vs.(388.5±76.7)min vs.(348.6±52.6)min，P<0.001]，術后并發(fā)癥Clavien-Dindo分級大于2級發(fā)生率(28.7% vs. 19.9% vs.14.6%，P=0.01)和術中出血量[(426±525.8)ml vs.(288.6±335)ml vs.(254.7±274.1)ml，P<0.001]差異均有顯著性。與上一代外科醫(yī)生相比，后輩外科醫(yī)生因有師徒制的傳承和完善的課程培訓手術時間往往更短，學習曲線也更加平滑[35]。因此，正確的手術指導和完善的機器人手術培訓課程可以在不影響患者安全的前提下，降低外科醫(yī)生機器人手術的學習曲線。

達芬奇機器人動輒2000多萬人民幣的成本價格，國內(nèi)目前也僅有3家達芬奇手術機器人國際培訓中心。傳統(tǒng)的手術培訓方式是以動物及人尸體(濕性模型)為主，存在以下諸多問題：倫理難、價格高、場地限制、污染風險、管理負責和模型數(shù)目有限[36]。因此，傳統(tǒng)濕性模型的機器人培訓模式在國內(nèi)往往難以開展。相較于濕性模型，3D打印模型因擬真、便捷、可重復性高、個體化制作的特性為達芬奇機器人的培訓提供了出路。羅徹斯特大學醫(yī)學中心運用圖像分割、3D打印技術和聚合物成形技術，模擬腹部臟器的質(zhì)地、解剖和血流灌注，結合臟器周圍的脂肪、腸道和肌肉組織，為外科醫(yī)生提供充分的沉浸手術體驗[11]。Wei等[37]成功構造肝外膽管癌微創(chuàng)根治術的3D打印手術模型，模擬血液和膽汁可以在門靜脈和膽管中循環(huán),并邀請6位膽道外科醫(yī)生使用腹腔鏡或機器人進行手術，最后均順利完成全程手術。Wei等[38]通過3D打印技術結合微型測壓模型設計機器人胰腸吻合術的訓練模型，3名高級醫(yī)師參加手術測試，其中1位醫(yī)師在經(jīng)過6 h常規(guī)3D模型訓練后，進行機器人輔助下吻合測試時，嘗試6次便達到了連續(xù)3次成功吻合的測試目標，其他2位醫(yī)師分別嘗試20、25次，所有受訓者均表示從3D打印模型訓練中獲益，為真正的臨床手術操作提供了切實的參考經(jīng)驗。可見，3D打印模型的出現(xiàn)為機器人手術培訓提供了一項優(yōu)質(zhì)的選擇。

3 術前規(guī)劃

術前規(guī)劃對手術的成功實施起至關重要的作用，有助于降低術中風險，減少手術時間[39]。過去臨床醫(yī)生通常借助個人經(jīng)驗將MRI與CT圖像中的2D信息轉換為腦海中的抽象3D模型，但由于個人水平的局限性和病灶的不確定性往往導致重建結果與實際情況不一致。Pietrabissa等[40]為12例計劃行腹腔鏡脾切除術的患者構建3D打印模型，患者和主刀醫(yī)師對模型進行1～5分的評分(1分是無用，5分是非常有用)，10例患者給出5分，2例給出4分；6名住院醫(yī)生給出5分，4名給出4分。在進行肝切除術時，由于肝臟有2套供血系統(tǒng)，再加上肝內(nèi)四通八達的膽管樹，正確識別病變部位與周圍膽管、血管的位置關系十分的困難。3D打印模型通過術前影像資料可以構建一些個性化的解剖結構模型，如肝臟血管解剖變異或膽道惡性腫瘤鄰近門靜脈或下腔靜脈等[41]。Bati等[42]選取5例肝膽疾病并分別建立他們的MRCP圖像、3D圖像和3D打印模型，然后由19位外科住院醫(yī)師分別進行測試，評分1～10分(1分表示最低，10分表示最高)，結果顯示在疾病認識方面3D打印模型要優(yōu)于MRCP(Z=-3.854,P<0.001)和3D圖像(Z=-2.865,P<0.005)?？梢?，3D打印模型能幫助主刀醫(yī)生更好地了解病人肝臟、膽道的解剖特點，從而優(yōu)化手術方案。3D打印模型能夠立體、清晰和實物化顯示腫瘤解剖學位置及與周圍器官、血管的毗鄰關系,且與術中實際情況大致相符[43]。通過術前構建患者個性化的病灶3D模型，可以為臨床決策與手術規(guī)劃提供參考藍圖。

4 醫(yī)患溝通

消化系統(tǒng)的腫瘤根治術涉及許多臟器的切除與管道的重建。盡管外科醫(yī)生在術前清晰講解手術過程，患者及家屬也只能理解有限的一部分。3D打印模型能呈現(xiàn)出直觀逼真的手術效果，提高患者及家屬對病情和術式的認知能力[44, 45]，同時也為良好的醫(yī)患交互模式打下基礎。

5 3D打印模型應用于消化外科的不足

目前，消化外科的3D打印模型制作原料以硅膠為主[46]。由于硅膠本身理化特征的局限性，目前仍無法解決消化外科手術培訓模型的共性難點：第一，雖然硅膠可以實現(xiàn)外科切割和管道重建等常規(guī)操作，但是不能顯示出如同正?；铙w組織半永久性變形的物理特性，以及提供濕軟生物組織的真實觸感[39]。第二，硅膠無法通過電外科器械(電刀，超聲刀)產(chǎn)生手術的仿真模擬。例如電凝可以使組織焦化從而凝血止血，超聲刀切割實質(zhì)性臟器、凝閉血管等。第三，常規(guī)的3D打印模型是用軟件將器官或者病灶周圍組織去掉，暴露得到所需的標準模型。但是在真正的消化系統(tǒng)手術中，這些周圍組織及血管分支正是在顯露病灶過程中需要進行外科處理的部分，這些無法通過硅膠實現(xiàn)。第四，消化外科手術沿組織層次進行解剖，要求更多細微差別的物理學性質(zhì)的材料，而目前的模型材料難以實現(xiàn)。第五，電刀燒灼硅膠材料時會產(chǎn)生有毒氣體，危害受訓者的健康[47]。

目前，國際上應用3D打印模型進行外科訓練多是小樣本、單中心且研究時間短的報道，缺少高質(zhì)量的隨機對照研究，且3D打印技術缺少統(tǒng)一的標準(包括文件格式、應用的軟件、技術的可及性等)，限制不同中心的頭對頭比較[48]。此外，受訓的外科醫(yī)生提供實時的反饋評價對于建立手術培訓評價體系也是至關重要的[49]。因此，根據(jù)消化外科代表性的手術特點，制備高度仿真的消化系統(tǒng)器官模型，并建立標準化評價體系用于推動外科手術培訓是目前該領域最重要的挑戰(zhàn)。

6 小結與展望

盡管目前3D打印模型尚有許多不足，但針對3D打印模型的研究從未止步[50]。隨著制作原理的不斷創(chuàng)新以及3D打印機和材料成本的逐步降低，3D打印已逐漸成為一種低門檻、多功能、高效率的先進制造方法，滿足日常生產(chǎn)生活的應用需求[51]。水凝膠等[52]更優(yōu)質(zhì)的材料可替代硅膠進行模型制造。3D打印模型在諸如組織工程學和再生醫(yī)學等最前沿的學科也有所應用[6,53]，盡管在消化系統(tǒng)領域的摸索尚處于早期階段，但諸如肝臟替代的動物實驗[54]和體外小腸仿生模型的應用[55]已有報道。

不同背景的研究人員、醫(yī)生和工程師相互之間鼎力合作，構建出個性化的3D打印模型，同時也促進各行業(yè)之間的交流與進步[56]。3D打印模型以患者為范本，廣大外科醫(yī)師為受眾，進一步優(yōu)化消化外科的培訓模式?，F(xiàn)今3D打印模型在消化外科中仍只是小范圍應用，期待在未來有進一步大規(guī)模的推廣普及。