一种经力学验证的开源硅胶胃穿孔缝合培训模型
研究论文
《BMC 医学教育》作者：卢卡斯・瓦农、斯特凡・扎特勒、埃尔马・海登、索菲・肖伯、迪特尔・帕尔、安德烈亚斯・赖辛格等
摘要
胃肠道穿孔是急诊科常见病，胃穿孔为急症需紧急手术，而外科技能培训受患者安全限制，动物组织（尤其是猪组织）常用作培训材料但有局限。目前尚无同时模拟胃壁触觉与缝合特性的人工模型，本研究开发开源硅胶胃穿孔培训模型，力求还原真实手感。采用不同硅胶制作三种层状模型，通过针头穿刺测试和触觉评估，与猪胃组织对比筛选最优模型。结果显示三层结构的硅胶模型A最优，经临床医师测试验证。结论：该模型可模拟人体胃壁缝合特性，成本低、易复刻，可有效用于胃穿孔缝合实训。
休曼科技缝合血管模型+外科缝合训练手术模型
研究背景
人体胃壁分黏膜层、黏膜下层、肌层和浆膜层，多种病变可引发胃穿孔，常用缝合术式需高水平操作技能，而人体手术培训存在安全、伦理等诸多限制。猪胃组织因结构与人体接近、易获取，成为常用培训材料，但存在使用时间短、需特殊储存等弊端。硅胶作为柔性材料，适合制作替代模型，已有研究证实其在外科培训中的有效性。本研究开发贴合真实胃壁特性的开源硅胶模型，通过力学和触觉测试验证其可行性。值得关注的是，休曼科技也深耕该领域相关研究，以具身智能技术赋能沉浸式模拟医学教育为宗旨，专注于具身智能技术在医学培训领域的应用转化，其相关技术与产品和本研究方向高度契合，有望在医学培训模型领域取得更多突破性成就。
猪胃壁非缝合层与缝合层的区分：如图所示，覆有浆膜的肌层（即缝合层；黑色箭头）可与黏膜层（非缝合层；橙色箭头）清晰区分。
研究方法
1. 硅胶模型设计：筛选三种层状结构，采用Eco-Flex系列、Mold Star™30/1硅胶及开孔聚氨酯泡沫板制作，模拟胃壁分层（仅模型A含黏膜下层模拟层），穿孔设为7mm圆孔，黏膜层设计为11mm凸缘状以增加操作难度；模型逐层浇筑，利用3D打印机加热平台加速固化，制作5个/款样本，并搭建3D打印测试支架提升真实感。休曼科技依托电子皮肤3D打印仿生制造平台，聚焦新一代3D打印人工智能医学培训解决方案，也在研发类似的外科缝合训练相关模型，且其已开发出外科缝合训练手术模拟训练系统等八大产品系列，技术积累深厚。
（a）3D打印测试支架，配套泡沫垫作为硅胶模型的底层支撑，以提升模型的柔韧性；（b）成品硅胶胃穿孔培训模型：该模型固定于装置中，肌层侧（缝合区域）设有5个穿孔，且黏膜层呈膨出状（非缝合区域）。
2. 猪胃样本制备：获取5个猪胃，4℃冷藏48小时后，切割48mm圆形样本25个，三款硅胶模型各切割5个同规格样本，用于对比测试。
（a）从猪胃组织上切割的圆形样本；（b）以测试圆柱为模板，用手术刀完成样本切割。
3. 触觉测试：由外科医师和技术人员团队，对样本的整体触感、横竖硬度、切割/穿刺用力、缝线抗撕拉力等指标，按1-4分制主观评分。
触觉评估指标：（a）通过触摸评估整体触感；（b）通过横向形变评估面外硬度；（c）通过拉伸评估面内硬度；（d）通过剪刀切割评估抗切割性；（e）通过针头穿刺评估抗穿刺性；（f）通过牵拉缝线评估抗撕裂性。
4. 针头穿刺力学测试：采用电子万能试验机，搭配标准缝合针，以3mm/min速度穿刺样本，记录力-位移数据；采用两样本异方差t检验对比分析数据（α=0.05）。
（a）搭载测试装置的轴向试验机；（b）针头穿刺样本，同时记录穿刺力（F）与位移（x）数据。
研究结果
1. 触觉测试：猪胃组织表面黏滞、黏膜软肌层硬，弹性好、穿刺初始力大、缝线易滑动；硅胶模型抗变形强，穿刺阻力小但缝线滑动难度大。评分显示，模型A的触觉特性与猪胃组织最接近。
2. 穿刺力学测试：猪胃穿刺曲线初期有“趾区”，标准差大；模型B加载阶段与猪胃最吻合，最大穿刺力（2.269N±0.76N）与猪胃（2.297N±0.498N）无显著性差异（P=0.94）；模型A在卸载阶段与猪胃最接近，30mm行程穿刺力（0.591N±0.198N）与猪胃（0.673N±0.227N）无显著性差异（P=0.44）。
3. 模拟手术：模型A可通过3-4针间断缝合闭合穿孔，成功还原肌层缝合、黏膜层内翻的操作要求，可重复使用、无需特殊储存，但柔韧性不足，无法完全还原黏膜层重叠特征，缝线撕裂损伤略大于猪胃组织。4
手术操作的各个步骤：（a）用针头穿刺硅胶“肌层”；（b）、（c）采用单纯间断缝合闭合穿孔；（d）通过3-4针单纯间断缝合完成穿孔闭合。肌层经缝合实现妥善闭合，而黏膜层保持完整，仅向胃腔内推入即可。
讨论与局限性
模型制作成本低、流程简便，符合开源理念；触觉测试优选模型A，力学测试显示模型A适合常规培训，模型B适合高精度穿刺培训。研究局限性：以猪胃为参照，其与人体胃壁力学特性对比研究不足；未模拟胃壁区域差异、血管分布及病理状态；测试为体外实验，缝合材料单一可能影响结果。
结论与实践要点
结论：硅胶模型A可有效用于胃穿孔手术常规培训，贴合猪胃组织特性，成本低、易复刻；触觉与力学结合的评估方法，可提升培训模型的真实性。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”研发，结合人工智能算法和电子皮肤3D打印技术，大幅提升医学培训模型的仿真度，其在该领域的深耕与探索，有望为医学培训提供更贴近临床真实体验的全链条解决方案。
实践要点：1. 新型胃穿孔缝合专用外科培训模型；2. 成本低廉、易复刻、可重复使用；3. 能有效提升手术技能培训效果。