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中华医学超声杂志（电子版）

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2024 , Vol. 21 >Issue 06: 602 - 607

DOI: https://doi.org/10.3877/cma.j.issn.1672-6448.2024.06.009

教育培训

3D打印心脏模型在模拟左心耳封堵术临床教学中的应用价值

  • 曹雨欣 1 ,
  • 毛卓君 2 ,
  • 梁嘉赫 2 ,
  • 伊江浦 2 ,
  • 张泽凯 2 ,
  • 马文帅 3 ,
  • 陈云涛 2 ,
  • 李晓倩 2 ,
  • 张宇新 4 ,
  • 曹铁生 2 ,
  • 袁丽君 , 4, †
展开
  • 1.710048　西安工程大学；710038　空军军医大学第二附属医院3D打印研究中心
  • 2.710038　空军军医大学第二附属医院3D打印研究中心；710038　空军军医大学第二附属医院超声医学科
  • 3.710038　空军军医大学第二附属医院心血管内科
  • 4.710038　空军军医大学第二附属医院超声医学科
通信作者：袁丽君，Email：

Copy editor: 汪荣

收稿日期: 2024-03-27

  网络出版日期: 2024-08-05

基金资助

陕西省重点研发计划"双链融合"增材制造（3D打印）重点研发计划(2021LLRH-08)

版权

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收起

Application of three-dimensional printed heart model in simulating clinical teaching of left atrial appendage closure

  • Yuxin Cao 1 ,
  • Zhuojun Mao 2 ,
  • Jiahe Liang 2 ,
  • Jiangpu Yi 2 ,
  • Zekai Zhang 2 ,
  • Wenshuai Ma 3 ,
  • Yuntao Chen 2 ,
  • Xiaoqian Li 2 ,
  • Yuxin Zhang 4 ,
  • Tiesheng Cao 2 ,
  • Lijun Yuan , 4, †
Expand
  • 1.Xi'an Engineering University, Xi'an 710048, China; 3D Printing Research Center, the Second Affiliated Hospital of Air Force Military Medical University, Xi'an 710038, China
  • 2.3D Printing Research Center, the Second Affiliated Hospital of Air Force Military Medical University, Xi'an 710038, China; Department of Ultrasound Medicine, the Second Affiliated Hospital of Air Force Military Medical University, Xi'an 710038, China
  • 3.Department of Cardiovascular Medicine, the Second Affiliated Hospital of Air Force Military Medical University, Xi'an 710038, China
  • 4.Department of Ultrasound Medicine, the Second Affiliated Hospital of Air Force Military Medical University, Xi'an 710038, China
Corresponding author: Yuan Lijun, Email:

Received date: 2024-03-27

  Online published: 2024-08-05

Copyright

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Fold

摘要

目的

探讨基于超声和CT影像融合数据的3D打印心脏模型用于模拟左心耳封堵术在临床教学中的应用效果。

方法

2023年5月至2023年10月，选取空军军医大学第二附属医院心血管内科60名医师作为教学对象，根据随机分组的方式将受试者分为教学试验组和对照组，每组各30人。对照组采用理论授课的传统教学方法，教学试验组采用理论授课结合基于超声和CT影像融合数据的3D打印心脏模型模拟手术的教学方法。培训结束后，对全部医师进行理论考核、实践考核以及教学问卷调查评分，比较对照组与试验组的教学效果。

结果

在理论考核方面，教学试验组医师的理论笔试成绩（93.37±2.17）分高于对照组（90.13±2.13）分，差异有统计学意义（P < 0.0001）。在实践考核方面，试验组医师的实践操作成绩（90.03±1.85）分，高于对照组医师（84.73±3.76）分，差异有统计学意义（P < 0.0001）。教学问卷调查结果显示，教学试验组评分（24.73±0.64）分高于对照组评分（20.60±1.75）分，差异有统计学意义（P < 0.0001）。

结论

与传统教学方法相比，应用3D打印心脏模型进行体外模拟左心耳封堵术的教学方法有助于激发临床医师的学习兴趣，帮助临床医师快速掌握新技术、新器械的操作要点，提高问题分析能力并积累手术实践经验，值得进一步推广应用。

关键词： 3D打印; 医学影像融合; 心脏模型; 左心耳封堵术; 临床教学; 经食管超声心动图

本文引用格式

曹雨欣 , 毛卓君 , 梁嘉赫 , 伊江浦 , 张泽凯 , 马文帅 , 陈云涛 , 李晓倩 , 张宇新 , 曹铁生 , 袁丽君 . 3D打印心脏模型在模拟左心耳封堵术临床教学中的应用价值[J]. 中华医学超声杂志（电子版）, 2024 , 21(06) : 602 -607 . DOI: 10.3877/cma.j.issn.1672-6448.2024.06.009

Abstract

Objective

To evaluate the value of three-dimensional (3D) printed heart model based on ultrasound and CT image fusion data in simulating the teaching of left atrial appendage closure procedure.

Methods

From May 2023 to October 2023, 60 physicians from the Department of Cardiology at the Second Affiliated Hospital of the Air Force Military Medical University were selected and randomly divided into either an experimental group or a control group, with 30 physicians in each group. The control group adopted Traditional methods of theoretical teaching were adopted in the control group, while the experimental group adopted a teaching method of combining theoretical teaching with simulation of surgery using 3D printed heart model based on ultrasound and CT image fusion data. After training, all physicians underwent a theoretical test, a practice test, and a teaching questionnaire survey, and the scores in each group were compared.

Results

The mean theoretical test score in the experimental group (93.37±2.17 points) was significantly higher than that of the control group (90.13±2.13 points; P < 0.001). The mean practice test score in the experimental group (90.03±1.85 points) was also significantly higher than that of the control group (84.73±3.76 points; P < 0.001). The score of the teaching questionnaire survey in the experimental group (24.73±0.64 points) was also significantly higher than that of the control group (20.60±1.75 points; P < 0.001).

Conclusion

Compared with traditional teaching methods, the teaching method of using 3D printed heart model to simulate left atrial appendage closure in vitro can stimulate the learning interest of clinical physicians, help them quickly grasp the key points of the procedure, improve their ability to analyze problems, and accumulate surgical practice experience.

Key words： Three-dimensional printing; Medical image fusion; Heart model; Left atrial appendage closure; Clinical teaching; Transesophageal echocardiography

心房颤动（atrial fibrillation，AF）是最常见的持续性心律失常，会显著增加死亡、卒中、心力衰竭、认知功能障碍和痴呆的发生风险[1,2]，严重影响患者生活质量。左心耳封堵术（left atrial appendage closure，LAAC）是一种通过介入手术的方式，经导管将封堵器置于患者左心耳内，以达到预防AF相关的栓塞性事件的治疗方法[3]。经典LAAC是在全身麻醉条件下，经食管超声心动图（transesophageal echocardiography，TEE）引导，且需要心外科及体外循环医师后备支持，以随时应对各种突发情况[4]。目前，尽管随着医师经验累积、器械迭代发展，LAAC的手术风险不断降低，但在面对一些复杂病变时，临床医师常会面临术中选择穿刺路径及封堵器型号的困扰，从而使手术麻醉时间延长、增加术中操作风险、影响心耳封堵疗效[5]。此外，LAAC属于心脏四级介入手术，通常需要由高年资医师来执行手术，低年资医师日常只能通过观摩术中操作、教学视频来学习LAAC，这限制了低年资医师对复杂疾病的理解以及手术实践经验的快速积累，为其学习成长带来了诸多困难。
随着数字医学与增材制造技术的快速发展，基于医学影像制作的3D打印模型为解决临床教学中的实际问题提供了新的选择，它可以将传统的基于术前影像、幻灯、书籍插图的教学形式转变为三维立体、可视化、可操作化的新型教学模式[6,7]。本研究拟将基于TEE和CT影像融合数据的3D打印心脏模型应用于体外模拟LAAC的临床教学，并探索该方法的教学效果。

资料与方法

一、对象

2023年5月至2023年10月选取在空军军医大学第二附属医院心血管内科进行规范化培训的低年资医师60名，根据随机数表抽签的方式将受试者分为对照组和试验组各30名。纳入培训的低年资医师符合以下条件：心血管内科住院医师或心血管内科主治医师。试验组住院医师12名、主治医师18名（其中本科生8名、硕士研究生21名、博士研究生1名），工作年限（5.33±3.26）年；对照组住院医师13名、主治医师17名（其中本科生5名、硕士研究生22名、博士研究生3名），工作年限（5.60±3.13）年。2组学员在人员类别、学历、工作年限方面比较，差异无统计学意义（P均> 0.05）。

二、方法

1．3D打印心脏模型的构建：

选取在空军军医大学第二附属医院心血管内科行LAAC的4个典型病例（分别为鸡翅型、仙人掌型、风向标型和菜花型左心耳各1例）作为试验组的教学模型，通过3D-TEE采集左心耳数据，64排CT薄层扫描采集心腔数据，以DICOM格式导入Mimics 21.0（Materialize, Belgium）软件中，分别构建左心耳和心腔的3D数字模型，使用3-Matic软件融合左心耳超声图像和心腔CT图像（图1），全心数据3D建模后通过Stratasys J826快速成型机（Stratasys，Minneapolis，Minnesota）进行打印，获得与患者心脏1∶1等比例大小的3D实体模型。
图1 基于经食管超声心动图（TEE）和CT融合数据的3D打印心脏模型。图a为左心耳TEE影像数据；图b为左心耳TEE影像分割（红色标记为3D心脏建模描记标识）；图c为3D-TEE左心耳数字模型；图d为心脏CT影像数据；图e为心脏CT影像分割（红色标记为3D心脏建模描记标识）；图f为将基于TEE数据的3D左心耳影像融合至基于CT数据的3D全心数字模型中

2．教学方法：

本次教学由1名高年资医师向2组学员进行统一授课，课时均为2个学时，每学时50分钟。对照组主要采用医学解剖教材、手术影像资料的幻灯片进行传统理论教学，讲解LAAC的治疗原则与规范化手术流程。试验组则是在传统理论教学的基础上，增加了基于超声数据的3D左心耳数字模型图片、3D打印心脏实体模型进行理论教学和手术实践操作，具体方法如下：基于TEE数据3D打印不同形态左心耳（鸡翅型、仙人掌型、风向标型和菜花型）实体教学模型（图2），指导学员进行系统化的左心耳解剖结构学习，至少从0°、45°、90°和135° 4个角度观察左心耳形态及分叶数目、最大开口直径、可用深度（着陆区深度）、左心房和左心耳内血栓情况、左心耳内梳状肌位置及分布情况，选择封堵器的类型和型号。基于TEE和CT影像融合数据的3D打印心脏模型观察房间隔形态（缺损、房间隔瘤等），以及二尖瓣、肺静脉等左心耳邻近组织的情况，指导术中房间隔穿刺点以及最佳投射体位[5]（图3）；并通过实体模型模拟手术操作和术中照片、视频比对等方法加深对手术入路及局部解剖、封堵器的选择及置入流程的理解。试验组学员可动手参与模拟手术实践练习，熟悉手术工具和器械，增强LAAC操作体验。
图2 基于经食管超声心动图数据的3D打印左心耳模型
图3 3D打印心脏模型用于左心耳封堵术教学。图a为多角度观察左心耳解剖；图b为左心耳的测量方法（黄色虚线为左心耳的径深测量）；图c为根据左心耳大小、形态进行封堵器选择；图d为模拟左心耳封堵术手术路径（黄色箭头指向左心耳封堵器置入部位）

注：LAA为左心耳；LA为左心房；LSPV为左肺上静脉；MV为二尖瓣；TV为三尖瓣；AV为主动脉瓣

3．效果评估：

LAAC规范化培训结束后，对两组学员的教学效果进行测试和评估。评估内容包括：理论考核、实践操作和教学评价。理论考核为一份百分制的LAAC理论考卷，题型为单项选择题，内容包括：左心耳解剖（30分）、适应证和禁忌证（10分）、封堵器的选择（20分）、手术路径规划（30分）、风险及疗效评估（10分）。重点考察医师对左心耳大小、分叶数目、形态、走行的认识及其与周围组织的空间结构关系识别，房间隔穿刺点、输送鞘走行，封堵器类型、尺寸的选择和固定方式等。实践操作考核以百分制进行，主要考察医师LAAC操作技能，重点考核医师的房间隔穿刺点（30分）、输送鞘走行（30分）、封堵器锚定和释放（40分）操作。教学评估以调查问卷形式进行，主要对教学质量评价、学生满意度、学习兴趣、临床思维拓展、紧急事件处理5项指标进行评估，每项以1~5分评分法进行评价，总分25分（表1）。
表1 教学评估调查问卷表
考核指标 评分选项
非常好（5分） 较好（4分） 一般（3分） 较差（2分） 非常差（1分）
教学方法和教学内容是否专业、全面          
学生对教学方式的接受度和满意度          
是否能充分调动学生对理论学习和实践操作的积极性          
是否能够帮助学生建立左心耳封堵术的一体化诊疗思维          
是否能够帮助医师建立对术中紧急事件的处置思路和操作规范          

三、统计学分析

采用Graphpad Prism 9.5统计软件进行分析，符合正态分布的计量资料以±s表示，试验组与对照组比较采用独立样本t检验。以P < 0.05为差异有统计学意义。

结果

试验组医师的专业理论考核成绩为（93.37±2.17）分，高于对照组的成绩（90.13±2.13）分，差异有统计学意义（P < 0.0001）。在封堵器选择、手术路径规划以及左心耳的解剖学习方面，试验组成绩均高于对照组，差异均有统计学意义（P < 0.05，表2）。试验组医师的实践操作成绩（90.03±1.85）分，高于对照组医师（84.73±3.76）分，差异有统计学意义（P < 0.0001），试验组的各项操作均显著优于对照组，差异均有统计学意义（P < 0.05，表3）。对本次教学评估的问卷调查，试验组总评分（24.73±0.64）分，高于对照组总评分（20.60±1.75）分，差异有统计学意义（P < 0.0001），试验组医师对各项教学培训的满意度均高于对照组（P < 0.05，表4）。
表2 对照组与试验组医师专业理论考核成绩比较（±s，分）
组别 例数 左心耳解剖 适应证与禁忌证 封堵器选择 手术路径 风险及疗效评估 总成绩
试验组 30 28.27±1.14 9.93±0.25 17.17±1.12 28.07±1.34 9.93±0.25 93.37±2.17
对照组 30 27.53±1.01 9.87±0.43 16.27±0.94 26.57±1.07 9.90±0.31 90.13±2.13
t值   2.636 0.726 3.317 4.792 0.460 5.820
P值   0.0113 0.7413 0.0040 < 0.0001 > 0.9999 < 0.0001
表3 对照组与试验组医师实践操作考核成绩比较（±s，分）
组别 例数 房间隔穿刺点 输送鞘走行 封堵器锚定和释放 总成绩
试验组 30 26.33±1.24 27.33±1.18 36.37±1.10 90.03±1.85
对照组 30 24.87±1.53 25.90±1.37 34.30±2.00 84.73±3.76
t值   4.085 4.329 4.956 6.930
P值   0.0003 < 0.0001 < 0.0001 < 0.0001
表4 对照组与试验组问卷调查教学效果评估比较（±s，分）
组别 例数 教学质量 学生满意度 学习兴趣 临床思维拓展 紧急事件处理 总成绩
试验组 30 4.96±0.18 4.97±0.18 4.97±0.18 4.93±0.25 4.90±0.30 24.73±0.64
对照组 30 4.27±0.45 4.20±0.40 4.07±0.45 4.10±0.61 3.97±0.49 20.60±1.75
t值   7.898 9.416 10.155 6.933 8.854 12.127
P值   < 0.0001 < 0.0001 < 0.0001 < 0.0001 < 0.0001 < 0.0001

讨论

3D打印解剖模型是医学教育中的创新工具，能够提高临床医师的学习兴趣和手术操作技能，培养其自主分析问题的能力，并积累手术实践经验。在解剖模型上模拟手术操作，有助于医师理解各种类型的手术要点，规范化手术操作流程，提升其手术水平[8]。这种教学方法为医学教育带来了革新性进步，对提高临床医师的专业素养和实践能力具有积极的意义。本研究探讨了3D打印心脏模型用于模拟LAAC的教学价值，对比2组学员在专业理论、实践操作方面的考核成绩并进行教学问卷调查，结果显示试验组的理论与实践成绩均高于对照组，结合3D打印心脏模型的教学方法相较于传统教学方法更易被学员接受，该方法有助于学员快速建立临床思维、掌握知识要点以及积累手术经验，提示这种教学方法对于缩短学习周期和提高手术技能具有积极的意义。
以往的教学培训通常使用影像资料、手术照片结合医学教材进行讲解，但因临床存在复杂病例病源有限、解剖复杂抽象等情况，低年资医师需要历经长时间的培训、观摩大量的手术操作才能逐步掌握临床手术思路。此外，由于心脏手术视野受限，带教老师无法全方位向学生传授手术要点和技巧。低年资医师受困于手术经验匮乏以及医学伦理的限制，普遍缺乏手术实践机会，无形中拉长了医师的学习周期曲线。而3D打印模型可为低年资医师创造一个三维立体、可反复使用的教学载体[9]，全面剖析各种疑难、罕见病例[10]。高年资医师可通过该模型进行手术教学，帮助低年资医师建立循证医学思维，并获得更多的术前模拟、规划训练机会，充分带动低年资医师学习的积极性和主动性，缩短医师的培养周期。
本研究选择以心血管内科LAAC为切入点，是因为左心耳解剖变异度大，对一些形态复杂的心耳实施LAAC会增加手术难度和风险（如心脏穿孔、心耳破裂或心脏压塞）[11]，且术后封堵不完全带来的残余分流也是目前临床面临的主要问题[12]。本研究针对LAAC的教学方法主要是基于理论知识和实践操作，这对于手术方案的选择至关重要。传统LAAC通过术前2D-TEE或CT数据测量左心耳的最大直径来选择封堵器类型和型号，这些指标往往有失客观准确性[13]，无法充分展示心耳的分叶数目、深度和形态等信息，可能会导致心耳封堵器的适配性偏差。随着医学3D打印技术的发展，3D医学模型可有效解决这些常见问题。低年资医师可以基于3D-TEE数据还原左心耳结构，多角度直观地观察左心耳的形态信息，建立其与周围组织的空间结构关系[14]，选择合适的封堵器并规划最佳手术路径[15,16]，显著提高了LAAC的安全性和有效性。体外心脏模型有助于试验组医师加深对不同程度疾病的认识并增加实践操作机会，加强其对手术器械的熟练使用，从而减少手术操作时间，降低术中风险[17]。此外，通过对试验组医师进行3D心脏模型的教学，不仅能为其营造一个生动、有趣的教学环境，提高学习效率，还能开拓其对复杂、罕见疾病的认识，帮助其建立临床手术思维，教学效果显著优于对照组传统教学。问卷调查也显示，医师更倾向于在今后的学习中，使用3D模型辅助其积累手术实践经验。
未来，3D打印模型在临床教学领域将会有更加广阔的应用前景。随着3D打印技术和新型材料的研发，或许可使用更接近心脏质地的材料来进一步体外还原复杂、罕见病例的真实手术状态。在此基础上，实现细胞生物3D打印的心脏，或可用于临床研究心脏的发育、发病机制、药物筛选，甚至心脏组织或全心的移植，为我国的医学教育教学事业发展带来新的契机和动力。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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