3D打印技術(shù)及典型病例數(shù)據(jù)庫在骨科教學(xué)中的應(yīng)用

李　萌，邱裕生，馬　興，楊益民，張　智

西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科， 西安　710061

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3D打印技術(shù)及典型病例數(shù)據(jù)庫在骨科教學(xué)中的應(yīng)用

李萌，邱裕生，馬興，楊益民，張智

西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科， 西安710061

【摘要】：目的探討3D打印技術(shù)及典型病例數(shù)據(jù)庫在五年制骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用和效果。方法按照教學(xué)大綱要求篩選合適的骨關(guān)節(jié)創(chuàng)傷病例，收集臨床資料及X-ray、CT等影像資料建立數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫資料及3D打印實物實施教學(xué)，與傳統(tǒng)教學(xué)方法比較授課效果。結(jié)果采用3D打印技術(shù)及典型病例數(shù)據(jù)庫加深了學(xué)生對骨關(guān)節(jié)創(chuàng)傷知識的理解，有效提高了學(xué)習(xí)成績。結(jié)論3D打印技術(shù)及典型病例數(shù)據(jù)庫的建立，豐富了骨關(guān)節(jié)損傷的臨床教學(xué)資源，并使之標準化，能有效提高教學(xué)效果，特別有助于學(xué)生臨床技能的培養(yǎng)和勝任力的提升。

【關(guān)鍵詞】：3D打印技術(shù)；病例數(shù)據(jù)庫；骨科；教學(xué)應(yīng)用

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201601026

隨著臨床醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展和高素質(zhì)醫(yī)學(xué)人才的需求，越來越強調(diào)醫(yī)學(xué)生臨床技能的培養(yǎng)和勝任力的提升。由于外科的保護性醫(yī)療原則以及無菌要求，學(xué)生難以習(xí)得直接經(jīng)驗，這在臨床表現(xiàn)非常復(fù)雜的骨關(guān)節(jié)創(chuàng)傷教學(xué)中尤其突出，學(xué)生常常反映在有限的學(xué)時內(nèi)難以完全掌握骨關(guān)節(jié)創(chuàng)傷應(yīng)知應(yīng)會的內(nèi)容。為了改變這種現(xiàn)狀，在西安交通大學(xué)教學(xué)改革與研究項目資助下，我們探索3D打印技術(shù)及典型病例數(shù)據(jù)庫在五年制外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用，與傳統(tǒng)教學(xué)方法比較授課效果明顯提高，學(xué)生反響良好，現(xiàn)介紹如下。

1對象與方法

1.1教學(xué)對象及師資水平

選取2014學(xué)年在西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科進行臨床見習(xí)的五年制本科臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生106名，按班級隨機分為傳統(tǒng)教學(xué)組(n=50)和教改立項組(n=56)。兩組學(xué)生授課教師均為高年資講師。

1.2典型病例數(shù)據(jù)庫的建立

根據(jù)教學(xué)大綱要求，結(jié)合臨床教學(xué)實際，確定病例數(shù)據(jù)庫需要囊括的主要疾病。在臨床診治及教學(xué)實踐中選取典型臨床病例，由主治醫(yī)師以上的富有臨床帶教經(jīng)驗的教師撰寫病例采集提綱，著重描寫問診、查體這兩項內(nèi)容[1]。實習(xí)醫(yī)學(xué)生在高年資帶教教師的帶領(lǐng)下，按照問診及查體提綱，進行病史采集和體格檢查，形成詳實的文字記錄。對于有典型意義的臨床體征(如方肩畸形)，在患者知情同意的情況下，留取照片資料，對于“反?；顒印钡汝栃泽w征可以采用錄像的方法予以保存，以便于更形象、直觀地展現(xiàn)給學(xué)生。圖片在重現(xiàn)視覺形象時停留的時間長度可任意控制，且文件存儲所占空間較少，采集難度小。而錄像既可提供聽覺形象，亦可提供靜止的視覺形象，還能提供運動狀態(tài)的視覺形象功能。由指定的助教協(xié)助收集典型病例入院診療的過程，掃描影像學(xué)資料、生化檢查結(jié)果，記錄手術(shù)等重要治療經(jīng)過，必要時在患者知情同意的情況下，采集視頻資料。在該院做的影像檢查，如X-ray、CT、MR、超聲、骨顯像等，可以通過PACS系統(tǒng)直接保存圖片文件，統(tǒng)一在醫(yī)院信息中心拷貝。相關(guān)資料采集時，應(yīng)及時標注文字說明，與圖像、文件一起保存，便于編輯時識別、分類和準確應(yīng)用。在資料采集過程中要求如實、簡明、有重點，能準確地反映病例的病情經(jīng)過，杜絕為增加病史細節(jié)而肆意編造。

1.3使用3D打印技術(shù)制作教具

納入典型病例數(shù)據(jù)庫的病例在西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像科CT室行256排薄層CT掃描，掃描體位仰面平臥位，掃描范圍包括完整的病損區(qū)域及鄰近關(guān)節(jié)。在CT工作站采用刻錄光盤的方式導(dǎo)出數(shù)據(jù)。采用區(qū)域剪切和濾波兩種方法進行圖像的二維預(yù)處理，采用切片插值、圖像分割和切片重組等方法進行圖像三維預(yù)處理，采用移動立方體法建立模型。利用表面顯示，通過計算三維物體的表面法向量來顯示三維模型。通過照明、濃淡處理、紋理映射等圖形學(xué)技術(shù)來顯示有真實感的圖像，并突出特定信息?；诓牧侠奂痈拍詈童B層制造方法，在計算機的控制下，根據(jù)CT數(shù)據(jù)，可自動而迅速地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為物理試驗?zāi)Ｐ突蛑苯又圃炝慵?，制造出外形與結(jié)構(gòu)等同于原形的、具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的模型。

1.4教學(xué)方法及效果評價

傳統(tǒng)教學(xué)組采用小課講授的方式，由教師主導(dǎo)，按知識點逐一講解。教改立項組充分發(fā)揮學(xué)生的主觀作用，以典型病例為索引，突出臨床思維的培養(yǎng)和實際操作能力的提升。

教改立項組由帶教教師和教學(xué)組長根據(jù)教學(xué)計劃確定病種，在典型病例數(shù)據(jù)庫中檢索出該病種典型病例，檢查并再次評估病例的完整性。課前一周集體備課，決定是否制作病損仿真3D打印模型教具，提煉出主要學(xué)習(xí)目標2～3個，以及次要學(xué)習(xí)目標2～3個，設(shè)計3～5個提示問題引導(dǎo)學(xué)生圍繞既定學(xué)習(xí)目標展開討論。授課時首先給學(xué)生展示該病例患者的病史，由學(xué)生總結(jié)出體格檢查要點，然后結(jié)合該患者體格檢查的視頻資料給出陽性體征。由學(xué)生提出必要的輔助檢查項目，并予以重要性排序，逐步給出該患者影像學(xué)檢查結(jié)果以及各項化驗結(jié)果，供學(xué)生討論。教師進行適時點評，進一步闡明問題核心和內(nèi)在聯(lián)系，并完善總結(jié)。制作骨折部位仿真3D打印模型教具的病例，學(xué)生能直觀地根據(jù)模型的形態(tài)和位置，了解患者病損的全貌，明確損傷的類型，進一步加深對影像學(xué)資料的理解，提升閱片能力[2]。結(jié)合解剖學(xué)知識，然后通過測量，選擇合適的手術(shù)入路，通過三維模型在術(shù)前預(yù)選內(nèi)固定材料種類并重建其外形，選擇適宜的進針點與進針方向。模型具有相當?shù)膹姸?，可以對其進行模擬手術(shù)操作，這樣將大大提高醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效提高實際操作能力。課程結(jié)束后進行回饋總結(jié)，回顧主要學(xué)習(xí)目標，討論梳理出該類疾病的診療流程和思路，師生共同評價病例的優(yōu)缺點，并打分決定在下一年級教學(xué)中是否繼續(xù)使用。

通過對傳統(tǒng)教學(xué)組和教改立項組的理論考核、臨床技能操作考核、綜合考核等方式進行評價?？己嗽嚲頌楸狙芯繉Ｓ?，題型為單項選擇題結(jié)合多項選擇題，經(jīng)教學(xué)組長審核通過。根據(jù)課后回饋信息，進一步改進各環(huán)節(jié)的流程，使得外科臨床教學(xué)的仿真度更高，教學(xué)效果更優(yōu)，學(xué)生的實際動手操作能力更強，提高學(xué)生滿意度。

1.5統(tǒng)計方法

2結(jié)果

分析傳統(tǒng)教學(xué)組和教改立項組兩組學(xué)生在年齡、性別、基礎(chǔ)課平均成績等方面差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

教改立項組學(xué)生理論考核成績、臨床技能操作考核成績、綜合成績均優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組，兩組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。教改立項組學(xué)生的理論考核成績?yōu)?81.2±8.9)，傳統(tǒng)教學(xué)組為(70.4±10.9)；教改立項組學(xué)生的操作考核成績?yōu)?91.0±10.1)，傳統(tǒng)教學(xué)組為(76.2±8.2)；教改立項組學(xué)生的綜合成績?yōu)?86.3±9.8)，傳統(tǒng)教學(xué)組為(73.5±9.1)如表1所示。

表1　不同教學(xué)模式成績比較

3討論

3.1傳統(tǒng)教學(xué)方法的弊端

目前，西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院針對八年制學(xué)生開設(shè)了“臨床醫(yī)學(xué)問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)整合課程”，也就是基于問題的學(xué)習(xí)(problem-based learning，PBL)[3]，但是對于五年制學(xué)生，目前還是采用傳統(tǒng)教學(xué)方式和小課方式，由教師制定詳細的授課計劃，嚴格按照課程綱要，系統(tǒng)地按知識點逐一講授。這種教學(xué)方法具有完整的系統(tǒng)構(gòu)架，教授速度較快，但多是單向輸送知識，沒有很好的師生互動，無法充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，特別是對臨床診療思維、動手操作能力等醫(yī)學(xué)生最重要的執(zhí)業(yè)能力培養(yǎng)存在明顯不足。由于外科的保護性醫(yī)療原則以及無菌要求，學(xué)生難以習(xí)得直接經(jīng)驗，這在臨床表現(xiàn)非常復(fù)雜的骨關(guān)節(jié)創(chuàng)傷教學(xué)中尤其突出，學(xué)生常常反映在有限的學(xué)時內(nèi)難以完全掌握骨關(guān)節(jié)創(chuàng)傷應(yīng)知應(yīng)會的內(nèi)容。五年制本科生臨床見習(xí)、實習(xí)的時間有限，并且時間相對固定，由于骨關(guān)節(jié)損傷等一些外科疾病的流行病學(xué)特點常常導(dǎo)致在課程講授時段沒有典型教學(xué)病例的情況發(fā)生。

3.2典型病例數(shù)據(jù)庫在五年制外科教學(xué)中應(yīng)用的啟示

典型病例數(shù)據(jù)庫的教學(xué)理念是以病例為中心的臨床教學(xué)方法(case-based learning，CBL)，教師扮演引導(dǎo)的角色，充分發(fā)揮學(xué)生主動性，著力培養(yǎng)學(xué)生正確的臨床診療思維[4]。五年制學(xué)生見習(xí)、實習(xí)時間相對固定，在該時間內(nèi)的住院患者中很可能沒有教學(xué)計劃要求的病種，典型病例數(shù)據(jù)庫的建立很好地克服了這一弊端，使得教師可以依據(jù)教學(xué)大綱的安排在典型病例數(shù)據(jù)庫中抽取合適病例，課前充分備課，甚至可以提前將病史信息告知學(xué)生并鼓勵學(xué)生展開討論，檢索文獻資料，有效提高授課效率和授課質(zhì)量。采用音頻、視頻等資料展現(xiàn)患者的病史以及體格檢查的情況，可以使學(xué)生身臨其境的感知、獲取臨床信息；還可以通過對比，尋找、發(fā)現(xiàn)其在病史采集中出現(xiàn)的遺漏，體格檢查中出現(xiàn)的不規(guī)范手法。發(fā)現(xiàn)這些問題，可以通過復(fù)習(xí)診斷學(xué)的理論知識，加深對問診、體格檢查的正確理解，養(yǎng)成規(guī)范操作手法，夯實基本臨床技能。典型病例數(shù)據(jù)庫采用動態(tài)、開放的形式，經(jīng)教學(xué)小組會討論，每季度增加合適的新病例，每學(xué)期末根據(jù)教學(xué)反饋去除差評的病例，最終實現(xiàn)病種分類合理、臨床資料詳實，很好的滿足臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)需求。典型病例數(shù)據(jù)庫的建立需要帶教教師在臨床工作中也要具有教學(xué)意識，注意篩選、收集合適病例，同時做好患者知情同意的倫理工作，后期還要檢索文獻，制作課件，從單一病例引導(dǎo)、闡述系統(tǒng)知識。通過這樣的工作，可以有效提高青年教師的教學(xué)意識、規(guī)范化診療水平，有助于教師隊伍的快速成長。

3.33D打印技術(shù)在五年制外科教學(xué)中應(yīng)用的啟示

3D打印技術(shù)，又稱“三維打印技術(shù)”，即快速成型技術(shù)的一種，是指通過可以“打印”出真實物體的3D打印機，采用分層加工以及疊加成形的方式逐層增加材料生成3D實體，現(xiàn)已在骨科臨床廣泛應(yīng)用[5-7]。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，交通傷等高能量損傷逐年增多，這部分病例往往骨折類型復(fù)雜，粉碎情況嚴重，常伴有關(guān)節(jié)脫位，甚至多發(fā)傷。學(xué)生在閱片過程中，對于X線及CT檢查結(jié)果理解有限，在短時間內(nèi)掌握骨折的分型和治療存在困難。計算機輔助模擬，加上骨折部位的3D打印實物模型展示，使受傷機制、影像學(xué)改變、實物模型有機結(jié)合起來，不但加深了學(xué)生的閱片能力，更有利于學(xué)生在短時間內(nèi)掌握這些骨關(guān)節(jié)損傷的診療知識，學(xué)會根據(jù)不同的分型確定相應(yīng)的治療方案。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生可以在3D打印實物模型上進行骨折的復(fù)位、固定練習(xí)，有效地解決了因為保護性醫(yī)療原則以及無菌要求等原因無法實施操作訓(xùn)練的難題，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，極大提高了學(xué)生實際動手操作能力，為學(xué)生將來的專科化發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。3D打印實物模型經(jīng)過模擬手術(shù)操作后可能無法恢復(fù)到骨折初始狀態(tài)，因此每次課前需要打印新的模型以滿足教學(xué)需要，以脛骨平臺骨折為例，打印該型骨折的實物模型大約500元，因此我們采用了一個小班共用一個3D打印實物模型的方法，以實現(xiàn)成本控制。下一步可以探索建立虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，用MIMICS軟件實現(xiàn)骨折三維重建，用GEOMAGIC軟件實現(xiàn)骨折模擬復(fù)位，用SOLID- WORK軟件實現(xiàn)模擬內(nèi)固定，將教學(xué)方法數(shù)字化，與國際先進水平縮小差距[8]。

3.43D打印技術(shù)與典型病例數(shù)據(jù)庫的有機結(jié)合

3D打印技術(shù)因其自身的特點，必須依托具體的病例來實施，特別適合與典型病例數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，作為病例數(shù)據(jù)庫的一個組成部分應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)中，這種結(jié)合有效地豐富了病例數(shù)據(jù)庫的內(nèi)涵。在選擇病例之初，我們就按照知情同意的原則，在倫理委員會的指導(dǎo)下，做好患者的溝通工作，使后續(xù)采集臨床信息，行薄層CT檢查等工作得以順利進行。詳實的臨床資料，精美的三維模擬動畫，逼真的3D打印模型，生動的課堂引導(dǎo)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)習(xí)效率，這說明3D打印技術(shù)與典型病例數(shù)據(jù)庫的有機結(jié)合在教學(xué)方面大有可為。教改立項組學(xué)生理論考核成績、臨床技能操作考核成績、綜合成績均優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組，特別是在操作考核中優(yōu)勢明顯，這體現(xiàn)了3D打印模型實際操作訓(xùn)練的有效性和先進性。由于此次研究無法采用盲法的原則設(shè)置分組，三維模擬動畫、3D打印模型等教學(xué)方法的采用也同樣激發(fā)了教師的積極性，使得教師在教改立項組教學(xué)實踐中投入更多的激情，從而對教學(xué)效果產(chǎn)生積極的影響。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用及典型病例數(shù)據(jù)庫的建立在五年制臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生的骨科臨床教學(xué)中顯示出了獨特的優(yōu)勢，能有效提高教學(xué)效果，特別有助于學(xué)生臨床技能的培養(yǎng)和勝任力的提升，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻

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Application of 3-D printing technology and

the typical cases database in orthopedic teaching

LiMeng,QiuYusheng,MaXing,YangYimin,ZhangZhi

DepartmentofOrthopedics,theFirstAffiliatedHospital

ofXi'anJiaotongUniversity,Xi'an710061,China

【Abstract】:ObjectiveTo explore the application and outcomes of 3-D printing technology and the typical cases database in orthopedic clinical teaching for five-year-program medical students. MethodsAccording to the requirements of the syllabus, we screened suitable cases of bone and joint trauma, collected their clinical data and X-ray and CT image data to establish the database. Then we conducted orthopedic teaching with the help of the database and 3-D printed materials. Last we compared the teaching outcomes between the new method and the traditional teaching method. ResultsUsing 3-D printing technology and the typical cases database can deepen the students' understanding of knowledge about bone and joint trauma and improve their academic performance. Conclusion3-D printing technology and establishment of the typical cases database have enriched and standardized the clinical teaching resources of bone and joint trauma, and effectively improved the teaching outcomes, especially cultivation of students' clinical skills and competency.

【Key words】:3-D printing technology; typical cases database; orthopedics; application in teaching

【中圖分類號】：G434

【文獻標志碼】：A

【文章編號】：1004-5287(2016)01-0094-04

作者簡介：李萌(1978-)，男，河北保定人，博士研究生在讀，主治醫(yī)師，主要研究方向：骨與關(guān)節(jié)損傷。通信作者：邱裕生(1957-)，男，河南杞縣人，博士，教授，主要研究方向：關(guān)節(jié)疾病的基礎(chǔ)與臨床研究。電話：18991232033；E-mail:yusheng.qiu@mail.xjtu.edu.cn

收稿日期：2015-12-25

基金項目：西安交通大學(xué)本科教學(xué)改革專題研究青年項目；2015年西安交通大學(xué)研究生教學(xué)研究與教學(xué)改革項目(精品課程：骨科研究生專業(yè)課程)