马克“心”文献 | 3D打印模型体外手术模拟在二尖瓣介入治疗教学中的应用

分享一篇马克医疗与空军军医大学第一附属医院心血管外科合作,发表在期刊《中国体外循环杂志》上的文献:3D打印模型体外手术模拟在二尖瓣介入治疗教学中的应用

摘   要

目的

探究3D打印心血管模型体外手术模拟在二尖瓣介入治疗教学中的应用效果。

方法

选取2021年1月至2021年12月参加西京医院心血管外科住院医师规范化培训的40名住院医师为教学对象,随机分为教学实验组和对照组,对照组(n=20)采用理论授课传统教学方法,教学实验组(n=20)采用理论授课+3D打印模型手术模拟教学方法。培训结束后分别从手术适应证和禁忌证(30 分)、瓣膜器械基本特征(30分)和标准化手术操作流程(40分)三个方面进行考核。考核结束后对教学情况进行调查问卷。

结果

手术适应证和禁忌证方面,两组住院医师成绩无明显差异(P >0.05);瓣膜器械基本知识和标准化手术操作流程方面,教学实验组住院医师的成绩明显优于对照组( P<0.01)。从总成绩方面,教学实验组住院医师的成绩明显优于对照组( P <0.01)。调查问卷结果显示,与传统教学方法相比,3D打印心血管模型进行体外手术模拟 这种教学方法更能提高学员学习兴趣、把握重点知识、提高团队协作能力、提高分析问题能力、增加师生互动、利于实际工作能力。

结论

二尖瓣介入治疗教学方面,采用3D打印技术进行体外模拟能明显提高住院医师对于新技术和新器械的掌握程度,提高学习效率。


正   文

二尖瓣疾病是最常见的心脏瓣膜疾病,主要表现为二尖瓣狭窄(mitral stenosis, MS)和二尖瓣关闭不全(mitral regurgitation, MR)[1] 。风湿性心脏病、老年退行性变、感染性心内膜炎、乳头肌腱索断裂、 缺血性心脏病、先天性发育异常、结缔组织病等均是引起二尖瓣疾病的重要因素[2] 。随着我国经济社会的快速发展和老龄化问题的日益突出,风湿性病变引起的二尖瓣疾病发病率逐年下降,而退行性病变引起的二尖瓣疾病正逐年增加[3] 。外科二尖瓣置换或修复术是治疗重度二尖瓣疾病的标准方案,且能够明显改善患者的长期预后、生活质量和生存时间[4] 。然而并非所有重度二尖瓣疾病患者都有机会接受外科治疗,据报道,美国49%的MR患者因为心功能低下、合并症多、高龄等高风险因素而未接受外科手术[5] 。近年来,二尖瓣介入治疗技术的出现及快速发展,无疑对于此类患者带来了新的治疗选择[6] 。


二尖瓣介入治疗主要包括经导管二尖瓣修复和经导管二尖瓣置换(transcatheter mitral valve replacement, TMVR)两种方式,其中经导管二尖瓣修复术主要包含经冠状静脉窦间接二尖瓣环成型(Carillon, Mitralign)[7]、直接瓣环成型(Cardioband)[8] 、缘对缘修复(Mitraclip, PASCAL, Valve Clamp等)以及腱索修复(Neochord)等[9-11] 。近两年来,二尖瓣介入领域新技术和新器械层出不穷。对于即将开展二尖瓣介入治疗的医生和单位,必须尽快掌握器械特征、手术步骤和注意事项、手术并发症等,才能更好地应用该技术救治重度二尖瓣疾病患者的生命。


3D打印技术即增材制造技术,或称快速成型技术,该技术通过将以数字定义的几何图形上沉积多层材料,从而将影像数据转化为3D实物模型[12] 。3D打印技术近年来在医学领域的应用日益广泛,特别是心血管疾病介入治疗领域[13]。本团队通过将3D打印技术结合体外手术模拟应用于二尖瓣介入治疗教学中,取得了良好的教学效果。


1对象与方法   


1.1   教学对象   2021年1月至2021年12月共有40名医师在西京医院心血管外科参加了住院医师规范化培训,所有医师均无二尖瓣介入手术经验,是此次教学研究的对象。


1.2   研究方法   将40名医师随机分为对照组和教学实验组。对照组20名住院医师采取理论授课,教学实验组20名住院医师采用理论授课+3D打印心血管模型体外手术模拟,两组教学时长一致。教学结束后,将通过答题的方式检测住院医师对二尖瓣介入手术及器械的掌握程度,主要考核手术适应证和禁忌证、瓣膜器械基本特征和标准化手术操作流程。考试结束后,通过调查问卷的形式对教学情况进行评估和评分。


1.3   手术操作过程分析   授课所用3D打印心脏模型以及手术模拟器由西安马克医疗科技有限公司提供。经导管二尖瓣置换术手术模拟操作过程见图 1;经导管二尖瓣修复术手术模拟操作过程见图2。


图1   经导管二尖瓣置换体外手术模拟

注:A: 3D打印二尖瓣瓣环及周边组织结构;B: 瓣膜释放完成后最终形态;C: 体外模拟TMVR系统释放过程

图2   经导管二尖瓣缘对缘修复体外手术模拟

注:A: 二尖瓣介入手术模拟系统;B: 3D打印二尖瓣模型;C: 模拟经食管超声显示舒张期二尖瓣双平面瓣叶开放状态;D: 模拟经食管超声显示收缩期二尖瓣瓣叶脱垂状态


1.4   统计学分析   考试成 绩组间比较采用LSD-t检验。构成比的比较采用卡方检验。使用spss软件18.0分析差异的统计学 显著性。P<0.05表示有统计学意义。


2 结果


      40名住院医师均顺利完成课程的全部培训,培训结束后,考核两组住院医师对于手术适应证和禁忌证(30分)、瓣膜器械基本特征(30分)和标准化手术操作流程和禁忌证方面(40分)的掌握程度。在手术适应证 ,两组住院医师成绩无明显差异( P> 0.05);在瓣膜器械基本特征方面,教学实验组住院医师的成绩明显优于对照组(P<0.01);在标准化手术操作流程方面,教学实验组住院医师的成绩明显优于对照组( P <0.01)。从总成绩方面,教学实验组住院医师的成绩明显优于对照组(P<0.01)。见表1。


课程考核结束后,针对两组住院医师规范化培训医师展开了课程调查问卷。调查问卷结果显示,与传统教学方法相比,3D 打印心血管模型进行体外手术模拟的教学方法更能提高学员学习兴趣、 把握重点知识、提高团队协作能力、提高分析问题能 力、增加师生互动、利于实际工作能力(均P<0.05)。此外,教学实验组对于该组教学方法的喜爱度更高( P <0.05)。见表2。

3 讨论   


在人体的解剖中,心脏的解剖结构精巧而复杂, 认识熟悉心脏的解剖结构需要较强的空间思维能 力,而现实中缺乏满意的教学模具。因此,心脏外科医师培养周期长已是业内共识。随着3D打印技术的引入,目前临床医师能够直观地观察心脏,3D模型在空间结构方面展示出了明显优势。精确3D打印的心血管解剖模型作为医学生的良好培训工具,可以帮助医学生、护士和外科医生在手术之前与现实的解剖模型进行交互和练习,提高操作的成功率和准确性。尤其是给结构性心脏病教学带来了极好的学习模型,有助于医务工作者及医学生理解不同疾病状态下心脏及其连接的大血管结构的改变,突破传统教学依赖空间想象和思维培养的弊病;通过重点突出的模拟真实疾病状态的模型直观地展现,带领医务工作者及医学生亲眼看到疾病的真实状况,弥补了常规教学中用抽象的空间思维代替物理的心脏立体空间结构,使得医务工作者及医学生学习结构性心脏病更简单、更直观、更具趣味性和真实性。


目前已有研究显示,将光固化快速成型、选择性激光烧结、熔融沉积成型、喷墨式3D打印、光聚合物 喷射等[13]技术构建的 3D打印心脏模型运用到心血管专科医护人员教育培训中,取得了良好的效果,加深了其对心脏疾病的解剖和病理生理特点的理解。例如,唐都医院张章教授团队利用3D打印应用于主动脉疾病的临床教学,明显提高了学员在专业知识、基本操作、解剖结构以及手术器具熟悉等方面的掌握程度,取得了良好的应用前景[14]。无锡市人民医院张杰等[15]发现3D打印在心脏房室缺封堵手术中 具有重要作用,能明显提高封堵有效性以及手术安全性。本团队前期也在3D打印辅助下完成了700余例经导管主动脉置换术的临床应用,大大提高了 手术安全性和成功率。本研究以参加住院医师规范化培训的住院医师为研究对象,比较了传统教学(对照组)和3D打印体外手术模拟教学教学实验组)的教学效果,结果显示,3D打印心血管模型体外手 术模拟能明显提高住院医师对于二尖瓣介入手术的掌握程度,提高住院医师总体成绩。而且,参训医师更喜欢这种教学方式,认为更能提高学员学习兴趣、 把握重点知识、提高团队协作能力、提高分析问题能力、增加师生互动、利于实际工作能力。


此外,3D打印模型的应用对于二尖瓣介入手术并发症预测、器械研发以及医患沟通等方面也发挥 了重要作用。例如,介入二尖瓣植入后易引起左室流出道(left ventricular outflow tract, LVOT)梗阻,可导致心律失常、充血性心力衰竭甚至死亡,特别是二尖瓣瓣膜钙化严重的老年患者,其发生率更高[16]。经食道超声及术前CT血管成像对于LVOT梗阻的预测能力十分有限,而3D打印技术则表现出明显优势。通过加工处理获得患者特异性的3D打印模型, 打印出重要解剖结构,包括二尖瓣复合体、LVOT及心房面,通过计算机辅助设计模拟植入支架瓣膜假体,能动态地分析TMVR术后支架瓣膜对LVOT的影响,进一步通过调整植入假体的内径和长短,观测对LVOT的动态影响[17]。也有助于反馈给介入瓣膜的研发团队,从而不断改进和完善介入瓣膜。由于二尖瓣病变造成患者左房、左室、室间隔厚度的变化,每个患者的左室流出道及瓣环平面角度都不同,针对目前市面存在的介入二尖瓣,研究团队通过建立患者特异性的左心3D模型,通过将介入瓣膜模型植入,能更加真实地反映出患者特性的LVOT风险。此外,通过3D打印模型可增强医生与患者之间对治疗方式选择的讨论质量、提升患者参与度和满意度。传统的术前知情同意需要患者对医生所描述的2D图像进行理解,而在患者教育中早期使用3D模型则大大提高了患者对手术的理解和反馈。


然而,目前3D打印技术也存在一定的缺陷。理想情况下,心血管3D打印模型应能够同时展现活体 器官的解剖特征和生物特性。对于体外测试和手术模拟,3D打印模型最好能模拟心脏在整个心动周期中的动态变化;然而,目前材料尚无法满足模拟心脏的非线性和各项特异性表现。为了能够使3D打印更好地模拟器官的形态和生物特性,未来必须对3D打印材料做进一步深入研究。


综上所述,在二尖瓣介入治疗手术教学中应用3D打印心脏模型进行体外手术模拟是可行的,能明显提高学习效率和成果。早期应用这些技术可以明显缩短新器械、新技术的学习曲线。


参考文献详见原文件


马克医疗

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