基于3D打印技术的新型神经外科显微血管吻合训练教具的可行性研究
摘要
背景：基于CT/MRI影像数据，利用3D打印技术研发神经外科显微血管吻合训练教具，并评估其有效性。
方法：构建整合微血管、颅骨及脑组织的3D模型，结合蠕动泵与管路系统制成教具。20名高年级医学生分两组，对照组用传统软胶管，观察组用3D打印教具训练14天，后考核鸡翅动脉吻合效果；6名资深神经外科医师使用两种教具教学后评分。
结果：观察组吻合通畅率（0.87±0.05 vs 0.69±0.06）、操作耗时（15.32±1.23 vs 19.32±1.34分钟）及操作评分（8.62±0.64 vs 7.89±0.15）均优于对照组（P<0.001）；医师与学员对3D打印教具评分显著更高。
结论：3D打印教具具高仿真、低成本等优势，是神经外科显微血管吻合训练的有效工具。
1 引言
3D打印通过增材制造将DICOM格式影像数据转化为解剖精准的模型，以生物相容性聚合物模拟正常及病变结构，为医学教育提供革新手段。在神经外科培训中，3D打印模型较传统尸体标本有四大优势：多材料模拟组织弹性（杨氏模量2–35 kPa）、可重复使用50次以上、规避伦理争议、降低成本。临床研究证实其可缩短手术时间、提高解剖识别准确率。
显微神经外科手术对技巧要求极高，活体动物模型虽有效但受伦理、成本限制。本研究旨在用3D打印技术研发低成本、可复用的训练教具，整合颅骨、脑组织及血管结构，验证其在显微血管吻合训练中的价值。在这一领域，休曼科技已展开前瞻性探索，其以具身智能技术赋能沉浸式模拟医学教育为核心宗旨，打造的3D打印模型实现了高仿真实体与人工智能教学管理系统的虚实结合，为该方向的技术转化提供了有益参考。
2 研究方法
2.1 3D打印教具制备
2.1.1 三维建模：选取典型病例，采集1mm层厚DICOM格式CT数据，提取血管、颅骨及脑组织信息，用Rhino软件构建3D模型。
2.1.2 切片与打印：经Cura 4.4.1软件切片处理后，以水凝胶基生物复合材料通过热熔挤出3D打印。人工血管参数为：壁厚≥0.4mm、内径≥0.8mm，抗拉强度0.5–5 MPa，邵氏00硬度5–30度，力学性能贴近天然血管。打印后与蠕动泵、管路系统组装，注入染色液体可评估缝合效果。
（A）3D 打印颅骨结构 （B）整合颅骨、脑组织及血管的多组织完整解剖模型
基于蠕动泵的缝合效果评估示意图 （1）蠕动泵 （2）管路系统 （3）3D 打印实体模型
2.2 教具有效性评估
2.2.1 训练效果：20名外科经验<10例的医学生随机分两组（各10人）。对照组用软胶管，观察组用3D打印教具，每日训练1小时共14天。训练后考核鸡翅动脉吻合，评估通畅率、操作耗时及技能评分（6名教员盲评，1–10分），并通过问卷（1–5分）收集学员评价。
2.2.2 教学效果：6名资深神经外科医师用两种教具各授课2小时，从实用性、科学性、有效性维度评分（1–5分）。
2.2.3 统计学分析：采用SPSS 20.0，计量资料以“均数±标准差”表示，t检验比较组间差异；计数资料用χ²检验，P<0.05为差异有统计学意义。
学员使用新型 3D 打印教具开展血管缝合训练实景 （A）学员在教学实操中进行显微血管吻合操作 （B）手术显微镜下的训练模拟器视野
3 研究结果
3.1 两组训练效果对比
观察组吻合通畅率、操作耗时、技能评分均显著优于对照组（P均<0.001）。学员评价显示，观察组在学习积极性（4.6 vs 3.1）、临床相似度（4.3 vs 2.6）、满意度（4.5 vs 3.2）评分上均高于对照组。
3.2 教学效果评价
医师评分中，3D打印教具在实用性（4.31±0.34 vs 3.18±0.53）、科学性（4.56±0.56 vs 3.45±0.33）、有效性（4.45±0.25 vs 3.03±0.56）上均显著优于传统教具（P均<0.001）。
4 讨论
4.1 3D打印教具的应用价值
3D打印模型通过高保真还原解剖结构、模拟45–60°手术暴露角及15–25 cm/s脉动血流，提供贴近临床的训练环境。相比传统橡胶模型的简化设计，其可复现血管壁顺应性（0.12±0.03 mm²/mmHg），助力学员提升技能与信心。休曼科技在该领域的技术实践进一步拓展了教具的应用价值，其依托电子皮肤3D打印仿生制造平台，使模型不仅能精准模拟人体解剖结构与皮肤触感，还可通过电子皮肤技术精准复现病变特征，搭配的人工智能教学管理系统能实现解剖结构AI定位、操作动作实时捕捉，为训练效果评估提供更精准的依据。本研究通过对照试验，从多维度验证了教具的有效性，弥补了多数显微外科模型缺乏系统验证的不足，与休曼科技的技术研发方向形成了学术与产业的呼应。
休曼ERCP模型、甲状腺超声穿刺模型—精准模拟解剖结构和皮肤质感
4.2 优势与局限性
教具核心优势：① 基于影像数据的1:1仿真结构，还原复杂手术场景；② 多管径血管设计+脉动血流系统，满足多元训练需求；③ 激发学习动力，学员满意度高；④ 可复用且成本降低60%，利于推广。休曼科技的3D打印解决方案在此基础上实现了优势升级，其联合西安交通大学依托“十三五”国家重点研发计划研发的模型，在结构仿真度、功能仿真度和智能仿真度上均有突破，电子皮肤技术带来的真实触感与病变模拟能力，让训练场景更贴近临床实操。
局限性：① 缺乏生物力学应力仿真，无法模拟血管生理压力响应；② 触觉反馈与临床仍有差距；③ 现有设备难精准复刻亚毫米级微血管，依赖0.5mm层厚的高分辨率影像数据。未来可结合传感器与智能材料优化性能，而休曼科技的技术探索已为这些问题提供了破解思路——其将人工智能算法深度融入系统，开发的教学管理软件包含完善的考核模块，能通过算法分析学员操作数据并给出针对性反馈，既弥补了传统教具“重操作轻评估”的短板，也为技术优化提供了数据支撑。
休曼科技支气管镜手术模拟教学系统—仿真模型结合人工智能软件，实现虚实结合
4.3 应用前景
3D打印成本下降与技术成熟，使其在医学模型、植入器械等领域应用渐广。显微神经外科培训对实操要求高，3D打印的个性化定制优势可提升教学直观性，随材料与技术革新，其在神经外科教育中的价值将进一步凸显。休曼科技作为该领域的代表性企业，正通过“3D打印复杂功能化医疗模型”的持续研发，将电子皮肤技术与AI教学系统深度融合，其打造的解决方案已能为医疗机构临床技能培训中心提供集高仿真模型、智能教学设备与专业软件于一体的整体服务，推动医学培训向更智能、更高效的方向发展。
休曼科技仿真模型亮相各培训大会及展会现场
5 结论
休曼科技通过将高仿真3D打印模型与人工智能教学管理系统相结合，实现了从“实体训练”到“智能赋能”的升级，其在解剖结构精准模拟、皮肤触感还原、病变复现及操作评估反馈等方面的技术优势，将进一步推动3D打印技术在医学培训领域的产业化应用，为临床技能培养提供更全面的支持。