3D打印微血管減壓手術訓練模型的制作與評價

鄭佳平 陳國強 李儲忠

面肌痙攣(hemifacial spasm，HFS)是指面神經支配的肌肉不自主的抽動，而微血管減壓術(microvascular decompression，MVD)是治療HFS的首選方法[1]。MVD的手術成功關鍵是充分暴露面神經根部，但對于未經過系統訓練的神經外科醫生而言，難以安全和順暢的暴露面神經區域，操作不當可致周圍結構損傷，出現一系列的并發癥，如腦壓板牽拉導致小腦水腫或出血；過度牽拉或器械直接觸碰損傷顱神經并導致聽力喪失，聲音嘶啞，吞咽困難等[2-3]。模擬手術訓練是幫助年輕醫生掌握手術操作技巧的有效方式，訓練方式包括尸頭標本、動物模型、虛擬現實仿真和手術仿真模型。

近年來，仿真訓練迅速發展，尤其是三維(threedimensional，3D)打印技術可以將計算機3D模型構建成為3D物體，能夠制作有解剖細節的個體化手術訓練模型[4]。本研究對HFS患者影像資料建模，采用多色彩多材質3D打印技術打印出個體化的MVD手術模型部件，并附加仿真腦脊液循環系統、腦壓板壓力測量裝置和顱神經觸碰報警裝置，利用仿真模型對神經外科醫師進行操作訓練，通過對神經外科專家及參加訓練的住院醫師進行調查，評估模型的仿真效果及訓練效果。

1 材料和方法

1.1 影像資料采集

采集中國醫科大學航空總醫院神經外科1例52歲男性患者的HFS影像資料，使用3.0 T磁共振掃描，結構相采用T2加權像進行3D-CISS掃描，層厚0.80 mm。磁共振腦血管成像(magnetic resonance angiography，MRA)掃描執行3D飛行時間(time of flight，TOF)序列，層厚0.80 mm。CT掃描層厚0.3 mm。

1.2 儀器設備

采用3.0 T超導磁共振掃描儀(美國GE公司)；X射線計算機斷層掃描(X-ray computed tomography，CT)，掃描采用128-row multidetector CT scanner(美國GE公司)；3D打印機采用Objet750 Connex(美國Stratasys公司)。

1.3 數據處理

所有醫學數字成像及通信(digital imaging and communication of medicine，DICOM)文件利用圖像分析軟件進行處理。不同組織的圖像通過不同的影像序列進行提取，小腦、腦干及顱神經通過3D CISS序列的圖像提取，顱骨通過CT圖像提取，血管通過MRA圖像提取；將提取的圖像進行3D重建，重建后的3D模型以立體光刻(stereo lithography，STL)格式文件輸出(如圖1所示)。

圖1 利用mimics軟件對二維影像資料的組織器官進行三維重建影像圖

1.4 打印模型

將加工之后的STL格式文件輸入3D打印機。使用拉伸強度2.4 MPa、邵氏硬度D24的光敏材料打印軟組織。腦干、小腦為白色，肌肉、血管為紅色，皮膚為黃色；使用白色和紫色的邵氏硬度D85的光敏材料整體打印骨骼和乙狀竇；模型的可插入替換部件以不同顏色和硬度的光敏材料整體打印(如圖2所示)。

圖2 多色彩多材質一次打印的插入式可替換部件示圖

1.5 安裝模型

將綿紙包裹在腦干與血管表面，綿紙上覆蓋纏繞PE靜電薄膜，將模型放置在可以調節角度的亞克力平臺上。平臺底部插入三根輸液管，其中兩根連接小腦模型的空腔，用于向小腦中注水(如圖3所示)。

圖3 模型組裝示圖

將一根輸液管的一端放置在小腦與腦干之間，另一端連接輸液泵，用于模擬腦脊液循環。本研究制作了可以測量壓力的腦壓板，制作一個附帶壓力感受器的手柄，將手柄的一端與腦壓板的中點用微型軸承連接。當腦壓板牽拉小腦時，牽拉力可以通過壓力感受器傳輸給萬用電表，測量并記錄壓力。顱神經表面上涂抹一層導電漆(含銀的涂層)(如圖3所示)，模型平臺引出一根導線固定在涂層上，導線另一端將電池盒、蜂鳴器及顯微手術器械串聯，當手術器械觸碰導電涂層，形成導電環路時，蜂鳴器報警(如圖4所示)。

圖4 模型配件示圖

1.6 標準化手術訓練過程

(1)將模型配件組裝完成，利用顯微鏡進行手術訓練。在可替換部件的耳后發跡位置切開皮膚與肌肉層，牽開器撐開切口，電鉆鉆開直徑2 cm骨孔，暴露乙狀竇后緣，T形剪開硬膜并懸吊。

(2)開放輸液泵，向模型內部灌注模擬腦脊液。顯微鏡下，利用腦壓板牽拉小腦，暴露蛛網膜，顯微剪刀剪開PE靜電膜，吸引器吸除腦脊液，剪開聽神經與舌咽神經之間的綿紙，暴露責任血管。受訓者牽拉小腦時，指導者記錄萬用電表的讀數，同時記錄蜂鳴器報警的頻率。

(3)用顯微剝離子挑起責任血管，暴露面神經根部，將Teflon團放在血管與腦干之間(如圖5、圖6所示)。

圖5 手術訓練模型示圖

1.7 模型訓練效果評價

圖6 標準化MVD手術模擬訓練過程示圖

由3名具有100例以上MVD手術經驗的神經外科醫生，在利用模型進行一次完整的模擬操作之后，采用李克特量表進行評價，1分為不滿意，2分為較差，3分為中等，4分為較好，5分為很好。其中5分評價標準為真實開顱手術。同時回答李克特量表的問題，并給出建議。在有經驗的神經外科醫生輔導下，10名沒有MVD經驗的住院醫生利用仿真模型進行了MVD手術的操作訓練，每位訓練者進行了5次完整的MVD模擬手術，之后回答李克特量表的8個問題評價訓練的效果。

2 結果

2.1 模型評估

由3名神經外科醫生對模型皮膚(肌肉)和血管的評分最低為3.7分，皮膚與真實組織相比過于堅硬；血管與真實血管相比過于柔軟且缺乏張力，放置Taflon團的感覺與真實手術操作存在差距。顱神經、蛛網膜與小腦的得分均為4.0，對顱神經、蛛網膜的仿真程度比較滿意。在釋放腦脊液時，模型不能體現小腦壓力的降低與操作空間的擴大。顱骨評分達到4.3，開放骨窗的感覺與真實骨骼相似，且能夠準確體現乙狀竇與骨窗的位置關系，見表1。

表1 3名神經外科醫生對MVD模型的8個項目給予評分(分)

2.2 訓練效果評估

在接受MVD手術訓練后，所有參與訓練人員在訓練前后分別進行一次測試，訓練之前器械觸碰顱神經導致的蜂鳴器報警平均次數為7次，訓練之后平均次數降為4次，4名實習醫師和6名住院醫師的調查平均分數高于4.0(見表2)。

表2 實習醫師和住院醫師模型評分(分)

訓練之前與訓練之后腦壓板牽拉力量的最大值比較，訓練后牽拉腦組織的力量顯著下降，見表3。

表3 手術訓練前后腦壓板記錄牽拉小腦牽拉力的最大值(gf)

3 討論

MVD手術成功實施的關鍵包括：①準確的骨窗定位；②通過適當牽拉小腦，開放基底池并釋放腦脊液，以獲得足夠大的手術空間，暴露神經和周圍結構；③在狹窄的顱神經間隙當中進行分離責任血管，放置Teflon棉團[5]。術中避免過度牽拉小腦和手術器械直接損傷顱神經，可以減少術后并發癥的發生[6]。因此，MVD手術訓練模型應該有針對性的對上述手術關鍵點進行有效的培訓。

缺乏手術經驗的醫生通常會用力牽拉腦組織以獲取更大的操作空間，但是在MVD手術中，過度牽拉小腦是導致聽力減退，小腦損傷的重要原因。Yokoh等[7]報道，腦壓板對腦組織的牽拉力在20～30克力(gf)范圍內時，不會損傷腦組織。Lee等[6]的研究表明，MVD術后永久失聰的患者手術過程中小腦至顳骨的牽拉距離明顯延長，聽力損失組中平均距離為13.77 mm，對照組為8.0 mm。本研究的模型在牽拉小腦至顳骨8 mm時，牽拉力為62 gm，牽拉至14 mm時，牽拉力為130 gm，壓力測量裝置可以讓受訓醫生體會牽拉小腦的力量與手術操作空間的關系，在保證手術操作空間的同時，盡量減少牽拉小腦的力量。受訓者在反復訓練之后，使用腦壓板的牽拉力明顯下降。

術中器械誤觸是造成顱神經、血管等重要結構損傷的重要原因[8]。本研究模型通過附加觸碰顱神經報警系統，可以在訓練的過程中即時將錯誤反饋給受訓者，同時可以記錄觸碰神經的頻率，對訓練效果進行評估。將導電銀漆涂在不導電的樹脂模型表面，再連接導線與蜂鳴器和不同的手術器械連接，金屬器械觸碰導電涂層時可以形成環路，引發蜂鳴器報警，此方法簡單并且可靠，缺點是涂料使顱神經呈現銀色，一定程度降低了顱神經仿真的效果。

MVD手術中，銳性分離蛛網膜，釋放CPA池和枕大池腦脊液是減少小腦牽拉和改善顯露的關鍵。目前報道的顱底手術訓練模型都不能很好的模擬蛛網膜和腦脊液循環[4，9-10]。綿紙的纖維與蛛網膜的小梁非常相似，而PE靜電薄膜可以貼附在血管與神經的模型表面，很好的模擬真實手術中剝離蛛網膜的操作過程。本研究模型用廉價和容易獲取的材料制作出了仿真的蛛網膜并模擬存在腦脊液的手術環境，使受訓者在更為逼真的環境中接受銳性分離蛛網膜的操作訓練。

由于軟性光敏樹脂打印的血管比較柔軟，3名神經外科醫生一致認為模型的血管缺乏真實血管的張力。但是，由于模型具有準確的小腦絨球結構和顱神經的間隙，顱神經的彈性也與真實神經相近，所以暴露責任血管與面神經根部，放置Teflon的過程非常接近真實手術的感覺。

因為訓練手術止血的模型組件會大幅增加制作時間和成本，并且存在制作工藝的限制[10]。同時多數MVD手術過程中較少會使用止血操作，因此本研究模型未添加模擬出血的組件。

在目前的技術條件下，3D打印模型只是提供了簡化的制作過程，由于材料和工藝的限制，模型同真實組織還是會有很大差異。VR技術、尸頭訓練、動物訓練與模型訓練會在很長的時期內并存，且相互補充，彼此不能替代。利用一系列的合理手術訓練，使外科醫生在對患者實際操作之前，最大限度的提高操作技術，將患者的風險降至最低。