3D 技术在泌尿外科仿真中的作用

Cite this chapter

Porpiglia, F., Verri, P., Checcucci, E., Amparore, D., Fiori, C. (2022). Role of 3D Technology in Simulation. In: Biyani, C.S., Van Cleynenbreugel, B., Mottrie, A. (eds) Practical Simulation in Urology . Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-88789-6_26

3D 技术在仿真中的作用

近年来，三维 (3D) 模型在外科领域发挥着越来越重要的作用。特别是泌尿外科一直在投入资源进行 3D 相关研究。在本章中，通过对文献的非系统回顾，全面回顾了 3D 技术在泌尿外科领域的主要应用。已经确定了创建和随后查看 3D 模型的两种主要不同方法：虚拟模型和打印模型。整章的目标是解释上述技术在两大领域的应用：手术培训和手术计划。在这两类中的每一个中，都研究了 3D 技术在不同外科手术（例如，输尿管镜检查、腹腔镜手术）中的主要应用。已经确定了大量关于在泌尿外科模拟中使用 3D 技术的数据。选择最相关的经验，并以叙述的方式对结果进行分析和比较。当前，3D 模型和 3D 技术代表了手术培训和手术计划的未来，朝着全方位为患者量身定制的方法迈进。

26.1简介：什么是 3D 模型？

目前，我们正在进入以生产链计算机化为基础的工业4.0时代。每天都在向基于最新技术的新工作模式转变 [ 1 ]。在新出现的技术中，三维（3D）技术是一个特别有趣的领域，它一直是多个行业不断开发和研究的对象。在探索这项创新技术的应用之前，我们不得不问自己：什么是 3D 模型？

三维模型（3D-model）是物体表面的虚拟或物理表示。根据所涉及的技术，可以通过使用专用软件程序（虚拟模型）或物理制造来获得。操作员（即建模者）使用各种技术将对象的特征转换并复制到最终产品中。回顾过去，我们可以说像 Michelangelo Buonarroti 这样的伟大艺术家实际上是一位古老的 3D 建模师：在创作他的杰作（例如“La Pietà”）时，艺术家将心理（即虚拟）图像塑造成他的最终创作（即物理模型）。技术进化和计算机的创造带来了巨大的创新，使艺术家和科学家能够创造并受益于新技术，改变各自领域的现状。例如，电影业因《阿凡达》（詹姆斯·卡梅隆导演，二十世纪福克斯发行，2009 年）等电影的创作而发生转变。艺术产业被 Ebon Fisher 和 Joseph Nechvatal 等艺术家颠覆，他们后来被 Frank Popper 等艺术史学家称为“虚拟艺术家”。

手术模拟完全适合这种情况：在实际手术操作之前，新手和专家外科医生可以使用 3D 模型与同事一起练习、讨论和研究病例（即手术计划）。

在本章中，我们将尝试引导读者了解 3D 建模的世界，提供有关构建过程和手术模拟临床应用的信息。

26.2如何创建 3D 模型？

放射成像（例如 CT 或 MRI）代表了大多数泌尿系统疾病诊断和治疗计划的基本步骤，因为它提供了患者解剖结构的完整概述。然而，对解剖结构的精确理解可能很棘手，特别是对于没有经验的泌尿科医生 [ 2 ]。事实上，为了执行有效的“思维定势”过程，每个外科医生都有一个学习曲线，需要时间才能变得更好。3D 重建尽可能直观，提供的信息与 2D CT/MRI 图像相比更易于访问：附近器官之间的比例和关系更易于理解，并且可以显示和可视化病理本身（无论是恶性还是良性）以不同的观看方式。

3D 模型是从二维图像开始制作的：默认情况下，所有流行的 DICOM 查看器软件都提供了通过自动渲染过程创建 3D 重建的机会，但质量通常不能令人满意。

尽管这些模型的质量很差，但它们可以用于克服 2D 图像的限制，通过器官和疾病特征的空间可视化添加一些信息和细节。

然而，外科医生通常需要更精确的模型，为了实现它们，需要将专业的生物工程师引入团队合作。这个新的团队成员提供的服务旨在在细节和解剖准确性方面创建更好的模型。

这一过程的成功与医生和工程师相互交流的能力密切相关。工程师需要了解外科医生的要求，反之亦然，以便创建准确的计算机项目。

模型的实现从获取患者的 2D 图像开始。最有用的材料是通过CT扫描获得的（最好是多层），可以很容易地以DICOM格式导出；也可以使用 MRI 图像。

高质量的成像是基础，因为它提高了 3D 重建的精度。特别是单片厚度不宜超过5mm。

首先，使用 DICOM 图像显示软件，必须在 2D 中分析和研究对象，选择最有用的图像（例如 CT 扫描的动脉或晚期）并修改特定参数（例如图像对比度和亮度）根据项目需要。此阶段称为“预处理阶段”。

接下来是体积渲染。在此阶段，软件使用图像体素中包含的信息自动生成 3D 模型的初始版本。体素是基本的体积单位，相当于二维系统中的一个像素。这个初始渲染给出了项目的整体概念，使工程师能够识别关键问题。

之后，使用专用软件，执行称为“分段”的过程。分割被定义为根据主观相似性标准（例如颜色）选择的区域或感兴趣对象（ROI/OOI）中包含的像素的隔离。识别不同 ROI/OOI 的最简单过程称为“阈值化”。工程师可以选择定义参数（例如灰度）的特定范围，以便允许软件识别具有所选特征的所有区域。生成特定算法，并自动丢弃其他区域/对象。这是实现 3D 模型的基本步骤：在某些情况下，软件无法正确识别和描绘不同的特征，这个过程需要手动完成。在这个阶段，

完成此过程后，可以将项目导出并以 .stl（标准三角测量语言）格式保存，从而允许操作员使用专用软件对渲染进行进一步修改。至此，虚拟3D模型就完成了（图26.1）。

图 26.1

3D模型处理：( a) CT扫描；(b) ce CT 扫描；(c) 分割阶段旨在识别不同的解剖结构；(d) 获得的 3D 模型可以与 CT 图像重叠；(e) 超精确的 3D 虚拟模型；(f) 采用 FDM 技术的 3D 打印模型

获得 3D 模型后，可以将其上传到不同的电子设备（见下文小节）以实现虚拟 3D 可视化，也可以使用专用硬件进行打印（图26.1）。

如今，有不同的 3D 打印技术可供使用，每种技术都有不同的特点和潜在应用 [ 3 ]。

下面我们简要介绍一下最流行的 3D 打印技术（表26.1和图26.2）：

立体光刻设备 (SLA)：液态聚合物受到紫外激光的照射，引发合成介质的聚合，使其固化。

选择性激光烧结 (SLS)：选定聚合物（例如陶瓷、金属、塑料……）的薄尘层被扩散并因此被激光击中，从而将其烧结。

FDM（熔融沉积建模）：通过热喷嘴挤出聚合物细丝，在 XY 平面上沉积一层薄薄的熔融材料。随后，喷嘴沿 Z 轴上下移动，创建下一层。多个喷嘴可以挤出不同的材料，从而可以创建多色模型。当创建具有突出边缘的特定形状时，机器必须创建支撑，以避免模型意外断裂，这将需要后期处理。

Polyjet：这种机器类似于喷墨打印机。光固化聚合物铺设在 XY 平面上，并通过连接到喷嘴的紫外线灯立即硬化。该模型被粘性材料包围，在不规则形状的情况下提供支撑。此功能还需要后期制作处理。

表 26.1 3D 打印技术的不同特征总结（SLA：StereoLithographic Apparatus；SLS：选择性激光烧结；FDM：熔融沉积建模）

图 26.2

不同的 3D 打印技术：( a) 熔融沉积建模 (FDM)；(b) 立体光刻 (SLA)；(c) 多材料塑料喷射（Polyjet）；(d) 硅胶模具浇注结合FDM打印

全尺寸图片

26.3如何查看 3D 模型？

外科医生基本上有两种使用 3D 重建的不同方式：他们可以在电子设备上显示（虚拟模型）或创建物理对象。

虚拟模型几乎可以从任何电子设备（例如智能手机、平板电脑、笔记本电脑）访问，并提供直观的体验。由于所有 .stl 文件都可以导出为 .pdf 文件，因此可以通过电子邮件或专用平台（例如，MyMedics – Medics Srl?）轻松发送它们，从而使不同的医院可以与位于其他地方的专业工程师团队合作。

3D 模型可以根据外科医生的需要和硬件的可用性以不同的方式显示（表26.2）：

混合现实（MR，即虚拟元素与实时图像的叠加）：此设置涉及使用特定仪器，称为头戴式显示器，例如 HoloLens? 设备，它允许显示与图像融合的 3D 虚拟图像真实环境。这种技术主要用于术前计划，允许您在模型周围实际走动并使用手势与之交互。这些设备还允许播放图像，以便观众可以现场体验操作员通过镜头看到的内容（图26.3）。

虚拟现实（VR，即操作员与完全虚拟环境交互的环境）：借助专用的护目镜，外科医生可以沉浸在完全虚拟的环境中，他们可以通过特定的手势与 3D 模型进行交互；需要注意的是，在此设置中，真实环境被排除在操作员的视野之外。或者，可以使用 VR，这要归功于虚拟模拟器 [例如，用于机器人手术：dV-Trainer (Mimic, Seattle, WA, USA), da Vinci Skills Simulator (Intuitive Surgical, Sunnyvale, CA, USA)]不同水平的经验可以在沉浸在完全数字化的环境中时练习特定的任务（例如，缝合、移动物体）或完整的程序（例如，部分肾切除术、根治性前列腺切除术）。

增强现实（AR。即，将数字创建的内容叠加到用户的现实世界环境中，目的是增强现实世界的特征）。该技术主要用于术中，允许在手术过程中添加重要信息（例如，肿瘤边缘、血管解剖）。

表 26.2 3D 虚拟模型的不同显示系统汇总

图 26.3

下极肾结石经皮肾穿刺手术规划期间的 3D 混合现实针路模拟（San Luigi Gonzaga – Orbassano）

26.4 3D 模型在泌尿模拟中的应用

26.4.1手术训练

应用于外科训练的模拟是这项技术引起科学和外科界兴趣的主要原因。

在美国，每年有超过 400,000 人死于医疗事故 [ 4 ]。其中一些不幸的病例是由手术失误决定的，这是每个外科医生迟早在他/她的职业生涯中必须面对的一个问题。必须克服基于“看一个，做一个，教一个”范式的 Halstedian 模型，以支持安全和可重复的教学方法，从而最大限度地减少伤害患者的风险。遵循这一理念，近年来手术模拟得到了极大的扩展。

从虚拟模拟器到 AR 和打印模型，最新技术使专家和新手外科医生能够拥有一种新的教学方法。在这种情况下，创建可以让教师有机会客观地评估学员能力的工具也很重要。最常用的模型之一称为“技术技能结构化评估 (OSATS)”，它基于对特定手术能力（例如，器械知识、组织处理）的直接观察，参与者必须在手术期间向专家外科医生团队展示这些能力。现场外科手术 [ 5 ]。

从这个坚实的基础开始，但如前所述，为了克服 Halstedian 模型，创建了基于虚拟练习的评估工具。“腹腔镜手术基础 (FLS)”考试是对 OSATS 的改编，用于评估腹腔镜操作和认知技能，并涉及使用台式模拟器 [ 6 ]。考生必须按照确定的顺序在不超过允许的最长时间内进行练习（例如，缝合、从纱布上剪出圆形、在手术区移动物体）。已经开发了一种类似的工具来评估机器人辅助手术技能。这被称为“机器人技能的全球评估评估 (GEARS)”[ 7]。通过评估六个不同的领域（深度感知、双手灵巧性、效率、自主性、力敏感度和机器人控制），实验者能够验证该工具，该工具也已被多家机构整合为课程的一部分。

尽管这种技术引发了越来越多的兴趣，但还没有黄金标准。

模拟平台可以是虚拟的或物理的：这两种模式都提供了在安全和受控环境中练习特定动作或整个程序的机会。

有几种类型的模拟器，基于不同的技术，在以下段落中简要描述：

开放式模拟器：这些模型可以是人工的（例如，Clinical Male Pelvic Trainer Mk.2 Advanced，Limbs & Things Ltd.，Bristol，UK），也可以从实际的人体样本（例如，尸体实验室）获得。

内窥镜模拟器：无论是工作台还是虚拟模拟器，都可以模拟几乎所有内窥镜泌尿外科手术（例如，UroTrainer，Karl Storz，GmbH，德国）。

腹腔镜模拟器：它们可以是“盒子训练器”（例如，eoSIM、eoSurgical?，爱丁堡，苏格兰，英国）或虚拟训练器（例如，微创手术训练器虚拟现实——MIST-VR，Mentice Medical Simulation，瑞典哥德堡） .

机器人手术模拟器：鉴于这种手术技术的高成本和技术挑战，VR 模拟器是最受欢迎的（例如，dVSS；Intuitive Surgical，Sunnyvale，CA，USA）。尽管如此，在需要时，用于腹腔镜检查的箱式训练器可以用作机器人手术的台式模拟器，使用印刷或生物物理模型。

模拟器彼此不同，不考虑它们的构造特征，有五个主要特征，称为“有效性”，代表用于分类的评估参数。这些参数如下：

面部有效性：设备的真实性，通过问卷评估（主观）。

内容有效性：模拟器提供现实生活中所需内容和信息的能力；由专家外科医生评估（主观）。

构造有效性：模拟器区分专家和新手的能力（客观参数）。

CONCURRENT VALIDITY：新模拟器和黄金标准之间的比较。

预测有效性：模拟器将模拟器上的性能与实际的真实程序相关联的能力。

在评估模拟器及其实用性时，应考虑上述参数，以便将他/她的需求与机器的限制相匹配。

26.4.1.1 3D 虚拟模型和培训

26.4.1.1.1下尿路内窥镜检查

26.4.1.1.2结石和输尿管镜检查

最著名的模拟器之一称为 URO Mentor?（3D Systems，前身为 Simbionix，以色列贝特戈兰），包括连接到专用计算机界面的人体模型、膀胱镜、半刚性和柔性输尿管镜，以及所有相关的外科手术设备（例如，导丝、篮子……）。安装的软件允许学员显示下泌尿道和上泌尿道的模拟视觉，并记录程序数据，例如整体模拟时间。随附的软件为学员提供了练习不同任务的机会，在提高手术技能方面取得了优异的成绩。该模拟器已经过广泛验证，符合上述所有标准。

知名生产商的另一个平台是 LYRA URS Trainer “ADAM”（Karl Storz, GmbH, Germany）。该平台虚拟地模拟刚性和柔性输尿管镜检查，并为学员提供多种练习和临床场景以进行练习，包括肾脏和输尿管结石提取、气动和激光碎石术 [ 10 ]。

大肾结石的治疗经常需要经皮通路，这使得外科医生能够更有效地治疗这种疾病。肾脏穿刺确实是经皮肾镜取石术 (PCNL) 中最精细和最困难的一步，肾脏是高度血管化的器官，其解剖位置受麻醉医师通气的影响。由于这些原因，模拟起着重要作用。3D 虚拟模拟平台必然需要物理对应物，因为模拟器本身必须在穿刺过程中提供触觉反馈。通过添加单独提供的附件，URO Mentor?（3D Systems，前身为 Simbionix，Beit Golan，以色列）也有可能成为经皮肾穿刺模拟器 (PERC Mentor?)。这代表了最知名的平台之一。11 ]。

26.4.1.1.3腹腔镜和机器人

26.4.1.2 3D 打印模型和培训

3D 打印模型可以是定制产品，可以进行高保真解剖复制。这种模拟似乎对培训年轻外科医生进行所有泌尿外科手术很有用。我们将简要介绍不同程序中的应用程序。

26.4.1.2.1下尿路内窥镜检查

下尿路良性和恶性病变的特征对开发患者特异性或打印模型几乎没有兴趣。上述物理模型和虚拟模型是唯一用于模拟这些过程的模型（例如，膀胱镜检查、TUR-P、TUR-B）。物理模型通常不涉及使用印刷支撑，因为成本不符合实际收益。

26.4.1.2.2结石和输尿管镜检查

26.4.1.2.3腹腔镜和机器人

加齐等人。对用于模拟机器人辅助肾部分切除术的高保真模型进行了多机构验证，还结合了所谓的临床相关模拟指标（CROMS）。在使用 3D 打印机和聚乙烯醇 (PVA) 水凝胶创建 3D 模型后，在床边助手的帮助下，使用实际的达芬奇控制台模拟了完整的手术过程。在手术过程中，外科医生可以练习结肠动员、肾门解剖、肿瘤暴露、术中超声检查、肾动脉夹闭、肿瘤解剖和肾修补术 [ 18 ]。

26.4.2手术计划

26.4.2.1 3D 虚拟模型与规划

26.4.2.1.1结石和输尿管镜检查

关于结石治疗，考虑到这种技术的复杂性，主要兴趣是需要经皮或联合方法治疗的鹿角结石。

目前，圣路易吉冈萨加医院（奥尔巴萨诺 – 都灵）的泌尿科小组正在实验性地使用虚拟模型来模拟和规划在 ECIRS（内窥镜联合肾内手术）期间执行经皮穿刺的最佳方式，使用混合现实系统。尽管尚未正式发布任何材料，但数据似乎很有希望（图26.4）。

图 26.4

可在术前研究肾盏结石影响肾脏的3D打印模型；此外，在 3D 混合现实的帮助下，可以模拟针路线

26.4.2.1.2腹腔镜和机器人

微创腹腔镜或机器人辅助手术对于外科医生来说非常具有挑战性，因此对患者来说是危险的。由于这些原因，彻底的计划是基本的，以尽量减少意外不良事件的风险。

波皮利亚等人。实现了超精度三维 (HA3D?) 重建。这些模型清楚地显示了血管解剖结构和供应肿瘤的实质内血管。基于这些 3D 图像，可以模拟选择性钳夹并计算相应的缺血实质率。该仪器在机器人辅助肾部分切除术 (RAPN) 期间特别有用，被证明可有效避免肾脏整体缺血 [ 21 ]。

26.4.2.1.3专注于男科

鉴于手术干预的类型和所面临的疾病类型（主要是良性），文献中关于男科手术和模拟的经验很少。Pavone 等人的一项试点研究。描述了使用三维模型来规划佩罗尼氏病的身体成形术。注射海绵体内前列地尔后，最多拍摄 50 张腹股沟区域照片，随后获得 3D 模型。该模型使用 Blender 软件（荷兰阿姆斯特丹的 Blender Foundation）进行了修改，获得了手术后阴茎的 3D 虚拟表示。使用专用的李克特量表，研究人员评估了这些模型的实用性，在咨询和手术计划期间向患者和外科医生进行问卷调查，23 ]。

26.4.2.2 3D打印模型与规划

26.4.2.2.1下尿路内窥镜检查

没有找到与该主题相关的经验。

26.4.2.2.2结石和输尿管镜检查

文献中有几篇关于使用 3D 打印模型来规划肾结石治疗的 道，主要用于 PCNL。正如 Bianchi 等人所 道的那样，按照本章开头段落中解释的步骤创建的 3D 打印模型可用于研究患者的解剖结构并模拟应该刺穿哪个肾盏才能到达结石——自由状态 [ 24 ]。中国内科专家团队 [ 25] 开发了一种为患者量身定制的 3D 打印肾脏模型，以便在患有复杂鹿角结石的患者中实现这一目标。尽管招募的患者数量有限，但结果令人鼓舞。发现术后结果与相应的模拟之间存在相关性，并且模拟影响了手术方法的选择。

26.4.2.2.3腹腔镜和机器人

戈拉布等人。 告了一个带有心房肿块/血栓的肾脏肿块的复杂病例，该病例采用多学科策略进行处理：在规划阶段研究的定制 3D 模型的实现已被外科医生评估为非常有用 [ 26 ]。小麦等人。描述了所谓的 4D 手术导航系统，它利用了为患者量身定制的 3D 模型。多亏了现代 3D 打印机，病变可以从肾脏模型中分离出来，让外科医生有机会在手术前看到病变切除前后的肾脏（4D 视觉）[ 27 ]。

波皮利亚等人。[ 28 ] 和 Shin 等人。[ 29 ] 展示了打印 3D 模型的实现如何提高机器人辅助根治性前列腺切除术的手术准确性。上述重建显示病变接近前列腺包膜的能力得到了明确说明，据 道外科医生对病变位置有更好的感知。初步研究结果表明，使用该技术与更好的肿瘤学结果相关。

26.4.2.2.4关注肾移植

Kusaka 等人同样打印了供体移植物和受体骨盆的模型，使外科医生能够模拟和实践腹腔镜肾移植，尤其是最具挑战性的阶段（例如，血管吻合术）。这些模型还被用作术中手术导航器，增加了外科医生对患者解剖结构的感知 [ 31 ]。

26.5 3D 建模的其他应用

26.5.1诊断和患者咨询

患者咨询是医疗行为成功的基础，但沟通并不总是顺畅，因为外科医生必须经常面临患者学术和文化背景的限制。另一方面，图像直截了当，更容易理解，并且具有在眨眼间传达想法的能力。

如前所述，3D 模型（无论是虚拟的还是打印的）提供了检查中器官/病变的准确和全面的解剖表示。虽然在某些情况下诊断很明显（例如，造影剂增强的外生性肾肿块），但在其他情况下，诊断可能很棘手，迫使放射科医师和泌尿科医师使用进一步的诊断仪器。其中之一是三维重建，它代表了一种有用的工具来关注确定的特征，这将有助于医生区分可疑病变的性质（例如，肾肿瘤与肾盏 UUTUC）。

正如 Porpiglia 等人 道的那样。[ 32 ] 和 Checcucci 等人。[ 33 ]，患者和外科医生都发现使用虚拟和打印模型具有吸引力和实用性。例如，在圣路易吉冈萨加医院 (TO) 举行的 2017 年泌尿外科技术会议 (TUM) 期间，向患者发放了有关 3D 模型的特定问卷。从外科医生和患者的角度来看，结果都令人满意。

26.6结论

模拟在每个科学学科中都发挥着重要作用，其根源和起源是科学思维本身的诞生。

在我们这个时代，医学，特别是外科学科的特点是越来越多地使用多样化和复杂的技术，操作人员需要充分了解这些技术。在这种情况下，外科医生经常被迫学习和掌握不同的技术，增加了出错的风险。另一方面，专业外科医生面临着极其困难的临床病例，这对他们多年来获得的工作和知识提出了挑战。为了最大限度地降低不良事件的风险，模拟发挥了重要作用，并提供了在安全环境中练习困难案例的机会，从而可能避免并发症。由于集成了最新技术，例如 3D 技术，学员可以更快地学习，专家可以调整他们的手术策略，

未来，通过结合人工智能的专用软件和算法的创建，受训者和外科医生将能够模拟完整的手术过程，重现每一个场景，从而最大限度地减少伤亡和混乱的影响，有利于因果关系和控制。

关键点

3D 建模代表了过去几十年中最吸引人的技术之一，尤其是在外科领域。

如何创建 3D 模型？

放射成像（例如，对比增强 CT 扫描）代表了构建 3D 模型的基础。

3D 模型可以是虚拟的或打印的。

3D 模型可以使用 2D 屏幕或在混合现实、虚拟现实或增强现实设置中虚拟显示。

在模拟场景中，3D 模型在三个主要领域特别有用：手术培训、手术计划和患者咨询。

结石治疗、输尿管镜检查和机器人技术代表了对 3D 模拟领域特别感兴趣的类别。

技术越来越重要：3D 模型代表了一种流行且有用的技术，它将越来越多地出现在日常外科和泌尿外科实践中。