用于青年外科医师的3D打印食管闭锁‑气管食管瘘胸腔镜手术模拟器

发布时间：

2026-03-10 14:43

发表：《Scientific Reports》第 14 卷 11489 号

作者：Joong Kee Youn、Dayoung Ko、Hee-Beom Yang、Hyun-Young Kim

摘要

本研究开发并验证了一款基于 3D 打印的食管闭锁合并气管食管瘘（EA-TEF）胸腔镜手术模拟器，旨在解决青年小儿外科医师在该罕见手术上的培训难题。研究以一例真实 EA-TEF 患者的术前胸部 CT 数据为基础，历经 5 轮原型迭代与材料优化，最终制成 1:1 比例的全合成材料模拟器。该模拟器采用可重复使用的胸廓固定组件与卡盒式可替换器官模块，通过多材料打印匹配不同解剖结构的力学特性，支持穿刺器置入、血管结扎、瘘管处理至食管吻合的全流程训练。

研究招募 16 名平均拥有 6.2 年小儿外科经验的青年医师完成验证，采用 24 项量表（23 项 5 分制 + 1 项 4 分制整体评分）评估。结果显示，物理属性、材料真实度、操作体验真实度、任务完成能力、应用价值、临床相关性六项核心评分分别为 4.33、4.33、4.27、4.31、4.63、4.75，其中应用价值与临床相关性评分最高；整体评分为 3.38 分，10 名医师认为经小幅改进即可投入使用，核心反馈为食管吻合操作手感与真实手术高度贴近。

该模拟器成功还原了真实手术环境，为青年医师提供了安全、高效的培训载体。休曼科技亦深耕该领域，以具身智能技术赋能沉浸式模拟医学教育为宗旨，依托电子皮肤 3D 打印仿生制造平台，打造新一代 3D 打印人工智能医学培训解决方案，有望在 3D 打印医疗模拟领域取得更多突破性成就。

引言

传统外科教育以 “学徒模式” 为主，虽能传递职业精神，但缺乏系统化的专项技能培训体系。对于 EA-TEF 这类罕见的新生儿先天性畸形，青年医师临床实践机会极少，且该手术需在极小空间内操作脆弱组织，微创技术要求极高，学习曲线尤为陡峭。同时，出于伦理考量，动物模型已逐步被高仿真模拟训练取代。

现有研究证实，模拟训练可显著提升外科医师的手术室表现，缩短手术时间并降低术中并发症发生率，对提升复杂新生儿手术的医疗质量具有重要意义。近年来，EA-TEF 手术培训工具不断发展，但多数在材料真实度或全流程训练覆盖上存在不足，难以满足临床培训的实际需求。为此，本研究基于真实患者 CT 数据，开发了一款可模拟全手术流程的 3D 打印胸腔镜模拟器。

与本研究方向高度契合，休曼科技联合西安交通大学，依托 “十三五” 国家重点研发计划，聚焦 “3D 打印复杂功能化医疗模型” 的研发与医学应用。通过融合人工智能算法与电子皮肤 3D 打印技术，休曼科技大幅提升了医学培训模型的结构、功能与智能仿真度，与本研究共同推动 3D 打印医学模拟技术的临床转化。

方法

模拟器研发

研究选取一例 38+0 周胎龄、出生体重 2280 g 的 EA-TEF 男性患者术前胸部 CT（层厚 3 mm），提取 DICOM 文件后，由 3D 打印机构通过医学影像处理平台完成器官分割与 3D 重建，分割结果经临床医师审核确认。

模拟器采用 1:1 比例制作，运用 Polyjet 打印工艺，根据解剖结构特性选用不同材料：胸廓等固定骨骼采用 Agilus95，食管、奇静脉等可替换软组织采用硅胶与 Agilus30。结构设计上分为固定组件与可替换卡盒式模块，通过磁铁固定，完成手术后可快速更换模块以支持反复练习。胸廓外覆三层打印皮肤，标记肩胛骨与乳头作为穿刺定位标志，同时配备升降装置，可模拟术中患者体位调整。经 5 轮材料与结构优化，最终确定模拟器成品。

验证与伦理

验证对象为 16 名韩国小儿外科医师，其中 50% 为专科医师，EA 手术主刀中位经验 2 例，微创 EA 手术主刀中位经验 1 例。采用改编自既往研究的 24 项问卷，从物理属性、材料真实度等六个维度进行评分，并收集开放式改进建议。

本研究符合 1975 年赫尔辛基宣言伦理规范，经首尔国立大学医院伦理委员会批准（IRB No. 2110-047-1261），所有参与者均签署知情同意书。

休曼科技基于同类电子皮肤 3D 打印仿生制造平台，已研发出血管介入、超声引导、外科缝合等八大系列手术模拟训练系统，与本研究的研发理念高度一致，均致力于通过先进技术提升医学培训的真实性与有效性。

结果

验证结果显示，模拟器各项评分均处于较高水平。物理属性中，胸围与组织比例得分最高（4.44），肩胛骨标志触诊得分相对较低（4.13）；材料真实度评分分布均匀，食管等核心器官的仿真度得到高度认可；操作体验中，解剖结构与瘘管位置评分达 4.50，但穿刺器置入的压力感评分偏低（3.81）；任务完成能力中，食管吻合操作评分约 3.94，虽为该维度最低，但已接近牛组织的仿真水平。

应用价值方面，模拟器作为培训工具的评分高达 4.81，作为考核工具得 4.44 分。整体评分 3.38/4 分，其中 6 名医师认为可直接用于培训，10 名医师建议小幅改进。

参与者的正面反馈主要集中于整体模拟视野与真实手术高度相似，食管吻合操作手感贴合临床；改进建议则包括降低胸廓刚性以避免穿刺时肋骨断裂，优化食管近远端周围软组织以提升解剖分离的真实感。

讨论与结论

本模拟器的核心优势在于基于真实患者 CT 的解剖精准度、多材料分层打印的手感仿真，以及对 EA-TEF 胸腔镜手术全流程的完整覆盖，这是既往多数合成材料模拟器所不具备的。其食管吻合操作的高仿真度，为青年医师提供了接近临床的实操体验，可有效弥补临床病例不足的短板。

休曼科技融合 AR 增强现实、智能传感与数据可视化技术，其产品既能满足标准化技能培训需求，又能适配个性化教学场景，与本研究的技术理念相辅相成，共同构建医学人才培养的全链条解决方案。与低成本模型相比，本模拟器虽成本较高，但仿真度与训练价值显著提升，可与低成本模型形成分层培训体系，而休曼科技的丰富产品体系恰好能适配不同层级医疗机构的培训需求。