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利用3D打印腹腔镜尼森胃底折叠术模型缩短住院医师的学习曲线

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DOI：

10.3791/68369

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2025年8月15日

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1General Surgery, Cancer Center, Department of Hernia Surgery, Zhejiang Provincial People's Hospital, 2The Second School of Clinical Medicine, Zhejiang Chinese Medical University, 3International Education College Zhejiang Chinese Medical University, 4School of Basic Medicine and Law, Hangzhou Medical College, 5School of Basic Medical Sciences and Forensic Medicine, Hangzhou Medical College

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本研究描述了3D打印模型如何有效加快住院医师在外科培训期间掌握尼森胃底折叠术中所用高级腹腔镜手术技能的速度，从而增强未来的临床准备能力。

摘要

腹腔镜Nissen胃底折叠术（LNF）需要经过大量训练才能达到手术熟练水平，且在早期学习曲线阶段存在显著的并发症风险。本文介绍并设计了一种利用3D打印解剖模型的结构化培训方案，旨在加速高级腹腔镜技能的掌握。该方案包括模型的制作与组装，并将其整合到针对LNF特定培训课程中，重点训练涉及高级缝合技术的关键操作环节。模型包含解剖结构准确的标志点，全部采用专用硅胶材料制造。本文提出了一套分步培训课程，专注于掌握LNF中最困难的操作部分，包括裂孔关闭、补片缝合以及胃底折叠包裹。来自一名试点参与者的代表性结果显示可量化的学习曲线：在六次训练 session 中，总操作评分从21分提高至42分，操作时间从95分钟缩短至34分钟，逐步接近专家基准水平。该培训范式的整体有效性已在一项对比研究中得到验证：与对照组相比，使用3D打印模型训练的组别在手术室中的客观结构化技术技能评估（OSATS）得分显著更高（26.25 ± 1.67 vs. 17.50 ± 2.07），手术持续时间更短（76.25 ± 2.49 vs. 110.13 ± 3.36 min），证实了该方案对临床技能的积极影响。这一经过验证的培训方案为实施有效的LNF培训项目提供了一种可重复的方法，能够测量并促进技能的渐进式发展。

引言

腹腔镜Nissen胃底折叠术（LNF）已成为胃食管反流病（GERD）的金标准外科治疗手段1，正逐渐取代终身药物抗反流治疗。LNF 技术复杂，需要较长的学习曲线，通常需完成至少 20 例手术才能达到手术熟练水平2显著影响患者预后3 并发症发生率在术者初期手术中为24%至55%4,5,6，尤其是在前五次操作中。后续证据表明，在第15至25次操作期间，并发症发生率下降至约10%4,6在最初的20例手术中，最常见的并发症主要与技术操作能力不足有关，具体包括食管后间隙的分离困难、短胃血管的离断、胃底游离不充分、膈肌裂孔的缝合闭合困难，以及胃底折叠缝合的技术挑战。7,8掌握这些步骤与将并发症发生率降低2%–10%相关3,8,9.

目前，外科教育提供了多种模拟训练平台，以帮助受训者快速克服学习曲线10。然而，针对高级腹腔镜手术的标准化培训课程尚未建立11,12,13,14。研究表明，住院医师培训项目结束后，许多住院医师仍缺乏独立开展高级腹腔镜手术的信心，往往需要进一步接受专科培训以获得足够的技术熟练度15。尤为重要的是，尽管腹腔镜手术基本技能（Fundamentals of Laparoscopic Surgery, FLS）已在住院医师培训项目中实施，但研究发现，住院医师在基于模拟的体内缝合技能与其在手术室（OR）中的实际表现之间存在显著差异，提示有必要建立一个介于FLS与手术室缝合之间的过渡性培训平台，以弥合这一差距16。此外，在达到FLS熟练水平之后，住院医师在毕业前仍迫切需要进一步提升其在高级腹腔镜手术方面的技能与信心，超越FLS所涵盖的范围。

为解决这一问题，技术进步已提供了潜在的培训解决方案。虚拟现实（Virtual Reality, VR）等干性模拟实验室可提供详细的解剖结构呈现，并具备LNF所特有的刻意练习机会17。然而，建立和维护VR模拟实验室的成本是一个重大挑战18。传统的湿性模拟实验室包括尸体和活体动物模型，尽管在许多手术操作中可作为理想的指导工具，但在解剖保真度、伦理及健康安全规范方面存在局限性19，尤其在后新冠疫情背景下，还面临成本、后勤及排程安排等方面的挑战10,20。

为了提供一种替代方案，我们基于实际CT建模重建数据，结合三维（3D）打印技术和硅胶材料制作，开发了一种用于腹腔镜近端胃切除术（LNF）培训的上腹部解剖模型。该模型具有高度可重复使用性，在多次练习后，腹膜层和胃短血管等关键组件可更换，单次训练通常可支持多达8次操作尝试。已有针对类似自制模型的验证研究表明，此类模型在手术技能获取方面具有显著效果，相关结果已由Wang等21和A.ghazi等22报道。

该3D打印模型可与操作视频及分步演示视频结合使用，有望减轻临床环境中早期学习曲线带来的挑战。本研究旨在证明该培训模式在喉神经外科（LNF）技能获取中的有效性和实施效果。

方案

本研究经浙江省人民医院机构审查委员会批准，并依照既定的伦理准则进行。所有人类受试者均签署了书面知情同意书。所用试剂与设备列于材料表中。

1. 准备3D打印的LNF模型

注意：使用硅胶制作单个3D打印解剖模型的过程已在先前的报告中详细讨论过21。

  1. 使用层厚为 0.5 mm 的三维计算机断层扫描进行扫描。
  2. 获取特定器官的医学数字成像和通信（DICOM）数据。
  3. 将 DICOM 数据转换为 STL 格式。将文件导入 Magics 24 软件（文件 > 导入）。根据需要通过运行自动修复（路径：菜单栏 > 修复 > 自动修复）、执行部分手动修复（路径：菜单栏 > 修复 > 手动修复）以及去除噪声壳体和碎片（路径：菜单栏 > 修复 > 去除噪声壳体）来修复模型。
  4. 修复完成后，添加支撑结构（路径：菜单栏 > 定向 > 创建支撑）。最后导出已修复并添加支撑的模型，根据需要执行切片层导出（路径：菜单栏 > 文件 > 导出 > STL）。
  5. 使用光固化（SLA）3D 打印机打印器官（肝脏）模具。采用以下操作参数以实现精确模具制造：刮刀起始高度：4.5 mm，刮刀速度：60 mm/s，Z 轴速度：2 mm/s，温度控制：30 °C，固化速度：0.2 mm/s，光斑尺寸：0.07 mm，层厚：0.1 mm。
  6. 使用超声波清洗机以乙醇溶剂在 40 kHz 条件下彻底清洗打印的模具，持续 3–5 分钟。
  7. 在紫外光（UV）固化箱中完成模具的二次固化。确保在波长为 405 nm、强度为 30 mW/cm2 的紫外光下照射 30 分钟，以实现完全固化。
  8. 配制双组分零度硅胶（国原 Mix，将 A 组分 750 g 与 B 组分 750 g 混合）。将混合物置于 22–25 °C 的环境温度下，避免高温影响操作时间。
  9. 将混合物放入真空箱中以去除气泡。设定真空度为 -0.09 MPa，脱泡时间为 8 分钟。
  10. 将真空脱泡后的硅胶从真空箱中倒入器官（肝脏）模具中。观察确保硅胶均匀填充模具，且表面无明显大气泡。
  11. 静置使其完全固化。该过程应在密闭环境中于 25 °C ± 2 °C 下进行 1 小时，以确保成型质量。
  12. 完全固化后，在模具组件的内表面涂抹一层薄薄的凡士林作为脱模剂，并小心拆模，获得最终的硅胶器官（肝脏）模型。
  13. 检查模型表面是否完整，解剖结构是否清晰。若表面出现塌陷或存在明显气泡，则应重新制模。
    注意：此步骤对每个器官重复执行，最终组装成 LNF 模型（图 1）。

2. 构建LNF模型

  1. 根据相应的解剖布局放置 3D 打印的器官模型。
  2. 将连接胃的食管穿过膈脚之间的开口和胃底进入纵隔区域。
  3. 将大网膜、肝脏和胆管放置在胃的邻近位置，并用针固定以支撑。这些结构在淋巴结清扫术（LNF）培训的视觉和触觉训练中均具有重要意义。
  4. 将皮肤放置在塑料平台上，使用魔术贴和针固定。将平台内部的光源连接至电源，以改善照明条件。
  5. 在皮肤上制作三个切口，以实现符合人体工学的穿刺套管定位。通过在中央插入一个 5 mm 穿刺套管用于 30 度腹腔镜，并在两侧各插入一个 10 mm 穿刺套管用于腹腔镜持针器、无损伤抓钳和腹腔镜剪刀，建立视野三角。
  6. 使用夹具固定腹腔镜，并将其连接到电视或笔记本电脑的高清显示屏幕的 USB 接口。
  7. 使用 CT-1 针在模型内放置一根 2-0 丝线缝线。

3. 培训课程

注意：该手术步骤分为五个组成部分，每个步骤的重要性均由先前的临床前研究预先确定21,23。对于大型食管裂孔疝修补术而言，膈肌脚关闭和补片缝合是基础步骤，同时也受到模型自身局限性的制约。

  1. 沿食管周围切开硅胶凝胶层，建立食管后方隧道。确保视野清晰，完整游离食管周径至少4-5 cm，并注意膈肌的右脚和左脚结构。
  2. 识别双侧膈肌脚，并使用三个间断缝线进行缝合。确认膈肌脚在无张力的情况下牢固闭合，确保膈肌柱充分对合。
  3. 正确放置补片，并将其两侧对称地缝合固定于膈肌上。确认补片位置均匀、固定牢靠，平展无皱褶，并与食管壁保持清晰的边缘距离。
  4. 正确执行“鞋擦动作”（shoe shine manoeuvre），将胃底向上折叠，包裹食管下段2-3 cm。确保形成一个松软、无张力、360度的胃底折叠，长度不超过2 cm。
  5. 使用三个间断缝线在1.5 cm长度范围内妥善闭合折叠部分。确认缝线位置牢固且一致，以维持胃底折叠的完整性，并通过探条检查确保折叠不过紧。
    注：在训练开始前，专家在3D模型上进行腹腔镜Nissen胃底折叠术（LNF）的分步操作示范，并录制视频。该专家视频将被计时并评分，作为基准/目标绩效指标。所有训练过程均需录像，每次训练结束后由专家外科医生提供反馈。每位受训者最多进行八次训练尝试（图2）。对照组按常规轮转进行，不接受3D打印模型的额外训练。

4. 招募参与者

  1. 招募具有腹腔镜手术基础（FLS）认证但无高级腹腔镜手术技能经验的新手外科医生，以及经验丰富的腹腔镜外科医生（>100 例 Nissen 胃底折叠术）。
  2. 将新手外科医生随机分配至实验组和对照组。
  3. 遵循培训课程大纲。

5. 评估性能

注意：由一名经验丰富的外科医生根据五部分手术特异性评分标准对所有培训视频进行评分，该评分标准借鉴并修改自先前的一项研究23，详见《补充文件1》。

  1. 在专家外科医生的监督下，对活体手术室（OR）操作表现进行最终评估，并使用相同的检查清单进行实时评价。
  2. 此外，评估3D打印的LNF模型培训平台。

6. 数据分析

  1. 测量所有结果，包括整体技术操作评分、特定操作步骤的清单评分、操作完成时间、学习曲线趋势以及3D打印喉神经框架训练平台的有效性。
  2. 建立表格，汇总所有实验阶段和最终操作步骤的原始数据，并计算实验组与对照组的均值及标准差。
  3. 采用适当的统计学方法进行数据分析。
  4. 使用合适的绘图软件生成图表，以直观展示学习曲线的进展趋势及各项操作性能指标的比较结果。

讨论

这些3D打印模型可用于培训和评估理想Nissen胃底折叠术（LNF）所需的关键技术，例如裂孔缝合以及围绕食管完成胃底包绕的创建与实施。这一点至关重要，因为研究表明，胃底折叠术的长度和紧密度会显著影响远端食管括约肌压力，可能使其升高至术前水平的三倍，从而导致吞咽困难25。如结果所示，住院医师从早期训练阶段到最终手术室表现的技术水平呈现出显著提升，手术时间已接近专家基准的34分钟。通过多轮递进式训练，技术熟练度实现了明显提高。

3D打印模型提供了一个安全、可控的环境，可用于练习特定手术的高级腹腔镜外科技术26,27。过去十年中，这些模型在培训中的应用逐渐受到重视，Zhu等人的研究证明了其具备足够的真实感、成本效益、可持续性，并能够有效维持医学生手术技能的学习效果11。多项研究已通过模拟训练项目、有效性验证研究以及参与者的反馈，证实了这些模型在保真度方面的真实性与实用性21,22,28。

训练环节的分析显示存在较高的标准差，尤其是在早期训练阶段，即第1次训练&<2，表明在各项评估指标中存在表现不一致的情况。这种差异凸显了优化模型设计的重要性，因为涉及腹腔内缝合的一些任务，如裂孔缝合评分和补片固定评分，相较于胃底折叠和检查评分较低。这一差距反映出在同一手术中，某些特定技术技能具有更高的复杂性和学习要求。先前的研究佐证了这一关系，并提供了证据表明，任务特异性指标可用于区分不同水平的外科医生。Xia 等人利用3D打印模型模拟腹腔镜下腹腔内肠吻合术，采用改良的吻合术客观结构化技术技能评估方法，成功区分了专家级、中级和新手级外科医生。29.

操作表现的变异性，尤其是腔内缝合技术操作所带来的挑战，凸显了手术流程中故障排查的必要性。对于学习困难的受训者，专家指导者可针对其特定薄弱环节安排额外的定向训练，这种方法比简单重复训练更为有效。该模型的设计具有易于重复使用和可重复练习的优点，与动物器官和活体组织相比，后者因动物组织易碎而存在储存困难及难以重复使用的问题，因而成本效益较低。使用该 3D 模型时，仅需在多次练习后更换覆盖在膈脚上的腹膜层、大网膜以及短胃血管部分。此外，由于当前采用的材料为硅胶，生产成本低廉，因而保持了较低的制造成本30。为评估模型的可重复使用性，必须考虑其耐用性。尽管本研究方案未包含正式的机械性能测试，但我们在多次训练课程的非正式实践中进行了若干观察。我们注意到，模型的耐用性在很大程度上取决于操作者的技术水平。在膈裂孔修复训练中，单个模型通常可承受约 10 次缝合穿刺，之后因针刺累积损伤而需更换。在胃底折叠训练中，限制因素主要为缝线张力造成的机械应力；模型一般可承受 6 至 8 次较强的牵拉力后才出现结构损伤迹象。基于此观察结果，应指导受训者施加适度且可控的张力，因为过度牵拉不仅会导致模型过早损坏，也不符合恰当的外科技术规范。目前还有进一步的研究正在探索使用水凝胶聚合物等先进材料，以进一步提高模型的真实感，并支持灌注模拟以及电凝等更高级的腹腔镜技术24,31。然而，该模型在每次训练中的低维护成本、良好的便携性以及易于保存的特性，确保了其在中国台湾及其他地区各级培训中心、医学院校和医院的广泛可及性。

本研究最关键的验证结果表明，3D打印模型培训在弥合基于模拟的训练与实际手术操作之间的差距方面具有巨大潜力。既往研究曾指出，有必要展示这种培训方法的可迁移性，因为这不仅有助于促进其应用，还能为该方法在真实手术及患者预后中的实际应用提供重要见解32。必须认识到，将3D打印模型用于高级缝合技能培训本身具有一定的探索性。尽管具有统计学意义的结果令人鼓舞，但仍需谨慎解读，并需在更大样本队列中进一步验证，以得出更具统计学确定性的结论。

这些模型可能存在的局限性包括其设计在多大程度上能够真实模拟动物组织；一些在手术中可能遇到的复杂解剖结构，如大网膜、胸内筋膜、腹内筋膜、食管系膜和迷走神经，均未被纳入模型中。然而，某些设计选择是刻意为之，以增强培训的严谨性和实用性。该培训课程专注于需要使用补片的食管裂孔疝修补术，因为掌握这些复杂技术能够使住院医师具备处理各种类型疝的能力。此外，有意设置的狭窄操作空间可使受训者为面对空间最为受限的腹腔环境做好准备，确保其技能具有足够的稳健性和适应性。另一个引发讨论的问题是，住院医师能力的提升更多依赖于腹腔镜手术案例的数量，还是培训质量。传统观点认为，住院医师在培训期间完成的腹腔镜手术案例越多，其技能水平就越高。然而，显而易见的是，在技能实验室中投入的时间同样具有不可估量的价值，对于早期接触高级腹腔镜手术机会有限的住院医师而言，尤其如此33。

未来的研究还应关注正式的成本效益分析，权衡该培训项目的成本与手术室时间延长及术后并发症处理所带来的经济影响。此外，最终目标是验证在此3D模型上获得的熟练程度能否直接转化为改善的患者预后，这需要通过长期研究追踪接受培训的住院医师所治疗患者的手术时间、并发症发生率和疝复发率等指标。未来的工作可包括标准化的材料疲劳分析，以提供支持其耐用性声明的定量数据。

总之，3D打印模型是一种经济高效、可定制且高效的工具，能够显著加速学习曲线的达成，对临床外科教育和患者预后产生积极影响。

披露

作者声明不存在利益冲突。本文不涉及任何动物实验。本研究得到浙江省科学技术厅科技合作项目（2024C04027）和重点研发专项&新疆维吾尔自治区#38;D任务（项目编号：2023B03010-1）

致谢

作者谨此感谢浙江省人民医院疝外科为开展本研究项目所提供的支持。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
GraphPad Prism 绘图软件GraphPad PrismPrism 10用于图表生成 https://www.graphpad.com/scientific-software/prism/
无创抓钳康济101.096, Ø5.5×460毫米，或108Y.208（22毫米钳口）标准腹腔镜器械 https://www.kangjimed.com/products
10毫米30度腹腔镜康济130.032A Φ5×300 mm 30°标准腹腔镜设备 https://www.kangjimed.com/products
持针器  腹腔镜持针器康济 101.029, Ø5×330mm标准腹腔镜器械 https://www.kangjimed.com/products
剪刀 腹腔镜剪刀康济101.032A 直型标准腹腔镜器械 https://www.kangjimed.com/products
硅胶国苑未指定SLA 打印材料
SLA 3D 打印机UnionTechLite800大尺寸专业SLA 3D打印机 https://www.uniontech3d.com/products/lite-800-industrial-resin-sla-3d-printer/
统计软件 SPSSIBM版本 25.0用于数据分析 https://www.ibm.com/products/spss-statistics
缝合线  Ethibond 缝合线EthiconG680H，用于2-0 Ethibond2-0 Ethibond，带 CT-1 针 https://www.ethicon.com/na/epc/search/platform/wound%20closure
超声波清洗机丁宇DY-020用于清洁打印部件
紫外固化室DHCDHC48用于后期处理
真空室均载5305-0609用于后期处理

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