基于3D打印的真实腰椎模型在非尸体外科培训中的应用：概念验证研究

模型开发与制作

• 在椎体与椎间盘中心贯穿一根TPU弹性杆（直径16mm），提供灵活性。
• 模型整体嵌入定制底座（放大105%的椎体负形），限制非期望方向运动。

• 技术： 熔融沉积成型（FDM）。

• 材料：

1. 椎体 & 底座： 刚性聚乳酸（PLA），模拟骨骼强度。
2. 椎间盘 & 中心杆： 弹性热塑性聚氨酯（PolyFlex TPU95），模拟椎间盘柔韧性及节段间活动。

• 抗裂强化： 初始打印椎体在钻孔/螺钉置入时易裂。最终优化参数为：外壁≥5层，顶/底部实心层≥10层，外表面厚度≥2mm。
• 触感真实性： 对比不同填充类型（网格vs螺旋）和密度（15%-30%）发现，20%螺旋填充 在螺钉置入/拔出时提供最一致、真实的阻力感，显著优于网格填充（图2）。

模型验证与应用

• 培训场景： 模型在索非亚圣伊万·里尔斯基大学医院神经外科工作坊中测试，用于DePuy EXPEDIUM® 5.5系统椎弓根螺钉置入训练（图3：钻孔→螺钉插入→定位评估）。

• 效果验证：

1. 视觉与X光检查： 术后X光（西门子Arcadis Orbic 3D）清晰显示螺钉位置（得益于材料的X光不透性），证实了置入的空间准确性及模型解剖保真度。
2. 用户体验： 模型成功集成到现有培训流程，提供逼真钻孔阻力和螺钉固定感，模块化设计便于操作。

讨论：填补培训鸿沟

• 尸体标本： 金标准（解剖&生物力学真实），但昂贵、稀缺、不可复用且存伦理问题。
• 硅胶模型： 可及性高、可复用，但生物力学不准（无法模拟骨性操作），缺乏定制化。
• VR模拟： 安全、可定制、可视化强，但核心缺陷是缺乏真实触觉反馈，且硬件成本高。

本3D打印模型的优势：

• 物理真实性： PLA提供接近皮质骨的刚度和钻孔阻力，优化填充模式模拟骨-螺钉相互作用。
• 高可及性： 显著低于尸体成本，可快速按需生产。
• 可定制化： 基于患者数据，未来可模拟病理状态（如骨质疏松、脊柱侧弯）。
• 可重复使用： 模块化设计允许重点部位更换。

• 材料升级： 探索多材料/变密度打印（如PLA复合材料），更精准模拟皮质骨/松质骨差异；研究SLA/DLP树脂打印提升表面细节。
• 技术融合： 集成增强现实（AR）引导，在物理模型上叠加实时导航（如螺钉轨迹、深度）。
• 病理扩展： 开发涵盖常见脊柱疾病（骨折、退变、畸形）的训练模块。
• 系统模块化： 设计可互换颈椎、胸椎组件，扩大应用范围。

• 高保真解剖模型定制： 基于患者影像数据（CT/MRI），提供高度还原解剖结构与生物力学特性的器官、骨骼及病变模型，服务于术前规划、手术模拟和教学培训。
• 先进打印工艺与材料： 融合多材料打印、变密度填充等尖端技术，确保模型在力学性能（如骨钻切感、组织弹性）和视觉精度上满足严苛的医疗需求。
• 创新解决方案： 积极探索增强现实（AR）与物理模型的融合，开发智能化手术导航与培训平台，为医生提供“看得见”也“摸得着”的沉浸式体验。

致读者：