低成本3D打印听骨链假体植入模拟器的开发与评估：一项提升耳科手术培训可及性的创新研究

《Scientific Reports》：Development and evaluation of a low-cost 3D-printed simulator for ossicular prosthesis placement

本文针对耳科手术培训中高保真模拟器成本高昂、可及性差的问题，研究人员开展了一项关于低成本、单材料3D打印听骨链假体植入模拟器的开发与评估研究。结果表明，该模拟器成本低廉（单件<20英镑）、易于复制，并能有效提升住院医师的解剖理解和操作信心，虽因缺乏鼓膜等软组织而主要适用于早期培训，但为资源有限机构提供了可行的技能训练方案，具有重要教育意义。

　　

在耳显微外科领域，听骨链假体植入术是治疗传导性听力损失的关键技术。然而，这类手术操作空间极其狭小，紧邻面神经和内耳等重要结构，手术风险高，稍有不慎可能导致患者全聋、面瘫或眩晕等严重并发症。传统的外科培训主要依赖“师带徒”模式和在患者身上的实际操作，但如今患者越来越难以接受成为外科医生的“第一次”练习对象。由住院医师主刀的手术时间通常更长，这不仅增加了麻醉风险和手术部位感染概率，也显著提高了医疗成本。尽管尸体解剖是外科学习的重要环节，但尸体资源本身有限、成本高昂，且存在病原体传播风险，其教育效益与投入往往不成正比。因此，开发高效、可及的手术模拟器已成为耳科培训的迫切需求。

随着3D打印技术的成熟，其在医学教育领域的应用日益广泛，特别是在手术模拟方面展现出巨大潜力。目前已有一些高保真度的耳科手术模拟器，例如采用PolyJet技术打印的模型，能够同时模拟骨骼和软组织， realism（真实感）极高。但这类模拟器依赖昂贵设备，制作成本高，限制了其在众多培训中心的普及。其他一些尝试，如结合树脂和硅胶的模型，虽然在一定程度上解决了多材料问题，但制作过程繁琐、耗时，且不易大规模复制。面对这些挑战，本研究团队旨在探索一种不同的路径：他们不追求极致的真实感，而是优先考虑可及性和可复制性，试图开发一种能满足早期培训核心需求的、极其低廉的解决方案。

本研究的主要目的是开发和评估一种低成本、易复制的3D打印中耳手术模拟器，专门用于训练听骨链假体（包括全听骨假体、部分听骨假体）和镫骨活塞的植入。研究假设是，即使采用单一材料打印并简化解剖结构，这种模拟器仍能提供足够的真实感，有效提升住院医师的解剖空间理解能力和基础操作信心。相关成果发表于《Scientific Reports》杂志。

为开展研究，研究人员主要运用了几项关键技术。首先，利用微型CT（Computed Tomography）扫描获取健康捐赠者颞骨的精细影像数据，并通过专业软件（Mimics, 3-Matic）进行三维重建和建模，生成可用于打印的STL（Stereolithography）文件。其次，采用光固化（SLA）3D打印技术，使用白色刚性树脂一次性成型打印包含中耳及听骨链结构的手术模拟器主体。模拟器底座则使用熔融沉积成型（FDM）打印机和聚乳酸（PLA）材料制造，以降低成本。最终，他们制作了三种分别对应不同假体植入术式的模型。此外，一个此前已通过专家验证的、放大至1:6比例的听骨链解剖模型也被提供给住院医师，用于术前的空间结构学习。

结果

A. 人口统计学特征

共有6名住院医师和4名高级外科医生参与了本研究。住院医师中，4人从未放置过假体，2人放置过少于10次。高级外科医生中，2人曾放置10-50个假体，另外2人放置超过50个，被认定为专家。

B. 专家反馈

专家对模拟器的实用性给予了肯定，认为其有助于提高耳科手术技能（评分4.25/5），但对于评估住院医师能力的适用性评分中等（3.5/5）。模型的真实感得分为3.75/5，镫骨开窗的位置被认为准确（4.5/5）。模拟器底座可旋转头部的设计受到好评（4/5）。然而，鼓膜的缺失被普遍认为是重大缺陷（1.25/5）。观察假体位置的窗口设计被认为用处有限（2.5/5）。

C. 住院医师评价

住院医师对放大解剖模型满意度很高（平均4.1/5），认为其优于二维解剖图，能有效改善对中耳解剖的理解。对于手术模拟器，总体满意度为4/5。他们认为模型易于使用，愿意在科室配备，并推荐给同行（4.3/5）。模型有助于在显微镜下熟悉器械操作（3.8/5），并增强了首次（或下一次）放置假体的信心（3.3/5）。可旋转头部的设计也受到欢迎（4.2/5）。

D. 性能差异与经济效益

在模拟操作中，住院医师与高级外科医生在成功放置假体所需的尝试次数和操作时间上存在显著差异，表明模拟器可能具备区分不同经验水平操作者的能力（建构效度）。经济分析显示，若共享STL文件，每个模拟器的物料成本可控制在20英镑以下，极具成本效益。

讨论与结论

本研究成功开发并初步验证了一种低成本、易复制的单材料3D打印耳科手术模拟器。与已有的高成本、高技术门槛的模拟器相比，该模型的优势在于其极致的可及性和可重复性。住院医师的高满意度表明该模拟器具有良好的表面效度（使用者认为其逼真的程度），专家对其培训价值的认可则支持了其内容效度。性能差异的显现也初步提示其具备一定的建构效度。

然而，研究也存在明确局限性。模拟器因单材料打印而缺乏鼓膜、鼓索神经等软组织，极大地限制了其真实感和培训范围，使其主要适用于早期、基础技能训练。此外，听小骨在去除支撑结构时易碎，虽可警示操作需轻柔，但也影响了耐用性。本研究评估主要基于用户满意度（柯克帕特里克评估模型一级），缺乏对照组以及客观的技能提升评估（二级及以上），无法证实其是否能直接转化为手术室内的表现改善。样本量小、单中心研究以及依赖自评数据也限制了结果的推广性。

尽管如此，这项研究为耳科手术培训，特别是在资源有限的环境中，提供了一种切实可行的入门级训练方案。它证明了即使采用简化的设计，3D打印模拟器也能在低成本下实现核心教育价值。未来的研究方向应包括采用更客观的评估工具验证其教学效果，探索在现有技术框架内以合理成本增加软组织模拟的方法，并评估其在更广泛、更复杂手术场景中的应用潜力。总之，由Fanny Loustaunau等人开发的这款模拟器，作为一项注重可及性的创新，为耳科手术教育的普及化迈出了有价值的一步。