一种用于软性输尿管镜培训的3D打印模拟器研发与验证

发布时间：

2026-04-21 17:47

扎卡里亚·特勒萨尼，卡里姆·阿哈拉尔，阿扎尔·阿卜杜杰利尔；摩洛哥拉巴特谢赫·扎伊德基金会医学模拟中心；摩洛哥阿布勒卡西西斯国际大学谢赫·扎伊德国际医院泌尿外科

摘要

软性输尿管镜手术（fURS）因肾脏解剖结构复杂，且学习阶段存在潜在操作风险，需依托模拟培训开展教学。然而，商用模拟器普遍价格昂贵，且解剖还原度不足。本研究旨在设计并评估一款低成本、解剖结构精准、可重复使用的3D打印软性输尿管镜培训模拟器。研究采用匿名增强CT影像构建解剖数据集，通过3D Slicer软件完成肾脏及膀胱结构分割，并使用Autodesk Meshmixer进行模型优化。最终模型以聚乳酸（PLA）为材料，采用熔融沉积成型（FDM）技术3D打印而成，输尿管部分采用鼻胃管模拟。10名泌尿外科住院医师使用软性输尿管镜完成标准化内镜操作任务。结果显示，该模拟器可实现从尿道至肾盏的完整内镜通路，解剖精准度与教学价值平均评分达9/10，受试者反馈内镜操作熟练度与信心均有提升。该模拟器为商用模型提供了高性价比、高解剖真实性的替代方案，可便捷融入泌尿外科培训课程体系。

关键词：软性输尿管镜；3D打印；模拟培训；医学教育；泌尿外科培训

1 引言

随着微创技术在尿路结石诊疗中的广泛应用，内镜操作技能已成为泌尿外科住院医师培训的核心内容。但该技术学习曲线陡峭，为保障患者安全，亟需建立手术室之外的专项培训体系。为满足外科学习需求，人工模型、尸体模型、动物模型以及近年兴起的虚拟现实系统等多种培训方式相继应用，各类方式优缺点对比见表1。模拟培训可为受训者提供安全、无压力的基础技能练习环境，既保障患者安全，也能助力医师在学习曲线早期实现技能稳步提升。在众多模拟技术中，3D打印凭借极高的解剖还原度与低成本优势，在泌尿外科领域应用效果显著，已成功用于患者宣教、术前规划与模拟培训。国内企业休曼科技同样聚焦该领域前沿方向，以具身智能技术赋能沉浸式模拟医学教育，专注3D打印人工智能医学培训解决方案研发，与本研究方向高度契合。针对现有设备局限，本研究构建一款3D打印尿路模型，可适配软性输尿管镜、取石网篮等真实器械，帮助医师掌握器械操控、肾盏定位探查及结石推移、取出等核心技能。

模型类型	示例	优势	局限	适用场景
台式非生物模型	合成缝合垫、定位板	价格低廉、易获取、便携、可重复使用、支持真实器械操作	组织触感真实性低于生物模型，仿真度普遍较低	初学者基础技能训练、专项技能练习
动物模型	活体动物或离体动物组织	高仿真度，支持完整手术流程模拟	解剖结构与人存在差异、成本高、需专用场地与人员、伦理问题、一次性使用	进阶操作知识学习与解剖技能训练
尸体模型	新鲜冷冻人体标本	高仿真度，唯一“真实”解剖模拟器，可完成完整手术操作	成本高、获取困难、一次性使用、组织顺应性不佳、存在感染风险、不可复用	进阶操作与解剖训练、继续医学教育
虚拟现实模型	计算机模拟系统	可重复使用、数据可记录、准备时间短、操作反馈即时，可模拟基础操作或完整流程	设备维护成本高、触感反馈效果不佳	基础技能或操作流程培训

外科模拟培训模型对比：示例、优势、局限及教学应用

2 材料与方法

2.1 影像获取与分割

肾脏模型取自正常CT尿路造影患者影像，膀胱模型取自正常CT膀胱造影患者影像。采用开源医学影像平台3D Slicer（5.2版）进行图像分割，通过分割编辑模块完成肾盏、肾盂及膀胱结构分割，以增强扫描时相作为解剖参照。分割结果经容积重建模块审核后，导出为适用于3D打印的三角网格STL文件。

2.2 网格编辑与中空处理

将导出的STL模型导入Autodesk Meshmixer（3.5版）进行后处理优化。使用偏移与壳体工具将肾脏结构制作成中空模型，壁厚约1.5 mm，兼顾结构真实性与耐用性；在肾盂处设置开口，便于置入模拟结石，并用简易堵头封闭，可开展内镜下取物训练，同时调整模型尺寸确保与上尿路解剖匹配。

2.3 打印方案

所有组件均在谢赫·扎伊德模拟中心采用Volumic Stream 30 Ultra型FDM 3D打印机制作，使用Simplify3D切片，层厚0.2 mm、填充率20%，平衡结构强度与打印效率。肾盏、膀胱模型采用ePLA耗材打印，柔性堵头采用TPE耗材打印。

2.4 模型组装

采用内径8 mm鼻胃管模拟输尿管与尿道，构建膀胱与肾脏间柔性功能通路，实现完整内镜操作。整体为模块化、人体工学设计，可重复组装，具备快速部署、低维护特点，支持模拟灌注，可实现从尿道外口至肾内结构的全程手术通路。

2.5 评估方法

10名参与内镜培训的泌尿外科住院医师作为受试者，先填写基本信息问卷，随后在模拟器上完成软性输尿管镜操作（经尿道进镜、尿路导航、肾盏识别及网篮取石），操作后通过标准化问卷评估模拟器的表面效度与内容效度，评估维度包括解剖真实性、操作流畅度、器械兼容性等，同时调查其训练价值评价与使用意愿。

3D打印尿路模拟器研发流程

3 结果

10名泌尿外科住院医师完成标准化模拟操作及6项结构化评估问卷，结果显示：肾盂肾盏系统解剖真实性平均得分9.5/10，模拟输尿管真实性8.0/10；内镜视野清晰度、方位辨识及解剖标志识别，以及操作流畅度与整体人机工学均为9.0/10；器械适配性评分9.0/10，可良好兼容标准输尿管镜设备；整体教学实用性评分8.5/10。上述结果验证了模拟器的表面效度与内容效度，仅输尿管段设计可进一步优化以提升仿真度。

（A）培训模型整体装配（肾脏、输尿管、膀胱）；（B）模拟器上输尿管镜操作场景；（C）模型内肾结石内镜视野

4 讨论

模拟培训在外科教育中至关重要，可提供安全可控的训练环境，在无患者风险的前提下培养技术技能，显著缩短学习曲线，尤其适用于对触感反馈、内镜导航要求较高的软性输尿管镜操作。近年研究证实，3D打印可作为商用模拟器的高性价比替代方案，基于患者CT影像的高保真模型及模块化设计具备优异教学价值。本研究研发的URO‑SIM输尿管镜模拟器，总成本低于20欧元，在保证核心解剖特征的同时具备极高可及性。

休曼科技依托电子皮肤3D打印仿生制造平台，已推出包括内窥镜手术模拟训练系统在内的八大产品系列，融合AR、智能传感与数据可视化技术，其研发思路与本研究高度一致，正致力于通过3D打印+AI进一步提升医学模型的结构、功能与智能仿真度。经测试，本研究模型在真实性与教学实用性方面满意度较高，具备纳入基础腔内泌尿外科培训的潜力，与系统综述中兼顾真实性、经济性与教学价值的培训模型推荐结论一致。后续研究将采用OSATS等客观指标验证其有效性，评估其对不同经验医师技能提升的作用。

休曼科技泌尿内镜模型、泌尿内镜手术模拟教学系统

5 结论

本研究研发了一款低成本、解剖精准的3D打印软性输尿管镜培训模拟器，可实现完整内镜操作流程，受训医师评分优异，低廉的制造成本使其可作为补充性培训工具。研究存在样本量较小、缺乏客观操作评价指标等局限，未来将建立标准化评估体系，验证其对技能提升的实际效果。休曼科技正联合西安交通大学，依托国家重点研发计划深耕3D打印复杂功能化医疗模型研发与医学应用，未来有望在软性输尿管镜等内镜模拟培训领域取得更多突破性成果，为行业提供更先进的智能化解决方案。