3D 打印技術在復雜創(chuàng)傷骨科教學中的應用

曹波 馬創(chuàng) 程新春 阿里木江·阿不來提 任鵬 唐丹丹 曹力 楊廣忠

3D 打印技術在復雜創(chuàng)傷骨科教學中的應用

曹波 馬創(chuàng) 程新春 阿里木江·阿不來提 任鵬 唐丹丹 曹力 楊廣忠

目的將 3D 打印技術應用于復雜骨折臨床教學中，探究教學效果。方法選取本科五年級80 名實習生，對每個學生編號，再通過計算機隨機賦值，再將計算機賦得值按升序列排序，前 40 名為對照組，后 40 名為實驗組。采用 3D 打印技術根據(jù)患者的影像學資料打印出復雜骨折模型，采用數(shù)字化真實地再現(xiàn)骨折的分型，以及預采用的骨折復位方式，對試驗組 40 名實習生進行臨床教學；對照組 40 名學生則采用傳統(tǒng)的仔細分析患者病史、影像學資料結合臨床解剖的教學方法進行臨床教學。結果骨折的理解程度實驗組 ( 8.75±0.57 )、對照組 ( 7.65±0.74 )，術前術后骨折一致性判斷實驗組 ( 8.31±0.47 )、對照組 ( 6.48± 0.58 )，骨折類型表述實驗組 ( 85.56±0.54 )、對照組 ( 6.13±0.54 )，操作能力成績實驗組 ( 87.56±0.43 )、對照組 ( 78.47±0.34 )；試驗組學員對均高于對照組，差異均有統(tǒng)計學意義 ( P＜0.05 )；兩組專業(yè)興趣以及理論考試成績差異無統(tǒng)計學意義。結論3D 打印技術對復雜骨折教學有一定的幫助，具有較好的臨床教學應用前景。

打印，三維；骨折；教學

創(chuàng)傷骨科因其面臨的骨折形態(tài)不一，千變?nèi)f化，一直是醫(yī)學教學的難點。傳統(tǒng)的課本插圖，對患者的相關放射檢查包括 X 線片、CT 平掃及三維重建只能給學生視覺的一些感受，缺乏真正的立體直觀性。對于復雜的髖臼骨折、肩胛骨骨折以及脊柱骨折很難讓學生得到直觀的認識[1]。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，數(shù)字化虛擬現(xiàn)實技術得以實現(xiàn)，3D 打印 ( 3D printing ) 技術逐步走向了臨床應用，使復雜骨折可以得到數(shù)字化三維解剖重建。在學生參加手術之前進行 3D 打印技術模擬手術過程，使其能夠?qū)碗s骨折有更加清晰的認識。為復雜骨折教學提供了新技術，對教學質(zhì)量提高有很大的幫助[1]。2014 年 9 月至 2016 年 7 月，我院將 3D 打印技術應用于復雜骨折臨床教學中，并與傳統(tǒng)教學方法進行比較，初步探究其教學效果，報告如下。

資料與方法

一、納入與排除標準

1. 納入標準：( 1 ) 五年制臨床本科大五實習學生；( 2 ) 各專業(yè)課程成績平均分≥70 分；( 3 )進入骨科臨床科室實習時間為連續(xù)，凈實習期為3 個月。

2. 排除標準：( 1 ) 參與臨床研究期間因各種原因可能退出的參與者；( 2 ) 身體特殊原因影響發(fā)揮的參與者。

二、一般資料

本組共 80 名，對每個學生編號，再通過計算機隨機賦值，再將計算機賦得值按升序列排序，前 40 名為對照組，后 40 名為實驗組。試驗組男23 名，女 17 名，年齡 22～25 歲，平均 ( 23.76± 0.57 ) 歲；對照組男 21 名，女 19 名，年齡 22～25 歲，平均 ( 23.76±0.68 ) 歲。兩組學生的性別、年齡差異無統(tǒng)計學意義 ( P＞0.05 )，具有可比性。

三、研究方法

由同一名骨科教授給兩組學生的理論課程進行集中授課，兩組學員所處的教學環(huán)境相同。選取一位獲得骨科學專業(yè)主治醫(yī)師 ( 碩士學位 ) 對兩組學員進行臨床實習帶教。兩組實習者共享典型骨科創(chuàng)傷病例資料。試驗組完成常規(guī)臨床教學的基礎后，對于復雜骨折使用 CT 平掃＋三維重建后，利用 Mimics 10.1 軟件 ( Materialise 公司，比利時 ) 建立 3D 模型，使用 3D 打印機 ( HRPM 3D 打印機，廣州傳正科級有限公司 ) 打印出復雜骨折模型。學員通過打印出的骨折模型及其輔助軟件模擬實體創(chuàng)傷類型，通過骨折模型來進一步理解力學傳導機制和骨折損傷機制；利用骨折模型提前制訂手術方案，模擬手術固定方式，動態(tài)調(diào)整內(nèi)固定位置并根據(jù)骨折模型預彎內(nèi)固定裝置，讓學員對復雜骨折有了更加深刻的認識和理解。對照組則采用傳統(tǒng)的教學方式，在試教室講述疾病原理，帶領學員查體，并查看 X 線片、CT 以及相關輔助檢查，術前常規(guī)討論。

四、研究結果評價

實習結束后，以自我評價對骨折相關知識的認識和出科考核兩種形式對學員進行綜合測評。學習效果自我評價：實習結束后學員自我評價，內(nèi)容包括復雜骨折的理解程度、是否感興趣、術前術后判斷的一致性。每項內(nèi)容滿分均為 10 分，學生按照自己對這一學科的認知進行自我評分。出科考核：分為筆試、臨床技能考核兩部分?？己藘?nèi)容按照全國高等院校規(guī)劃五年制教材《外科學》 ( 第九版 ) 考試大綱的要求制定，由 2 位骨科學副主任醫(yī)師分別對所有學生進行考核。理論考試內(nèi)容包括考試大綱規(guī)定的骨折疾病的定義、常見分型、骨折力學機制、診療方法及病例分析等。臨床技能主要考核學生體格檢查、換藥或拆線、簡單清創(chuàng)縫合、術前對骨折的理解程度、固定方式的選擇以及術前的手術設計等方面的能力。

五、統(tǒng)計學處理

采用 SPSS 19.0 軟件進行統(tǒng)計學分析，計量資料采用 x-±s 進行描述。組間比較，符合正態(tài)分布，采用獨立樣本 t 檢驗，不符合正態(tài)分布，采用 Maanwhit-ney U 檢驗。P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

結 果

試驗組學員對骨折的理解程度、術前術后骨折一致性判斷、骨折類型表述成績均高于對照組，差異均有統(tǒng)計學意義 ( P＜0.05 ) ( 表 1 )。專業(yè)興趣差異無統(tǒng)計學意義。兩組學員出科考試成績：理論考試差異無統(tǒng)計學意義，但是操作能力差異有統(tǒng)計學意義，這可能與學員對骨折的理解程度以及骨折類型的判斷有區(qū)別有關。

表 1 兩組學生自 我認知能力評價及出科考試成績比較 (±s )Tab.1 Comparison of self-cognitive ability evaluation and examination results between the 2 groups (±s )

表 1 兩組學生自 我認知能力評價及出科考試成績比較 (±s )Tab.1 Comparison of self-cognitive ability evaluation and examination results between the 2 groups (±s )

項目 實驗組( n＝40 )對照組( n＝40 ) t 值 P 值自我認知能力評價骨折理解程度 8.75±0.57 7.65±0.74 2.43 0.040專業(yè)興趣 8.25±0.24 8.25±0.36 1.43 0.280骨折術前術后骨折一致性判斷 8.31±0.47 6.48±0.58 4.25 0.000骨折類型表述 8.47±0.65 6.13±0.54 4.76 0.000出科考試成績理論知識 85.56±0.54 84.35±0.27 1.29 0.230操作能力 87.56±0.43 78.47±0.34 2.37 0.026

討 論

3D 打印技術是一種快速成型技術，可以用 3D打印機“打印”出三維物體模型，現(xiàn)已廣泛應用于骨科臨床和教學。隨著機動車輛的每年遞增，交通傷等高能量損傷逐年呈增多趨勢，這類骨折往往類型復雜，粉碎情況嚴重，很多患者伴有嚴重的關節(jié)脫位[2]。復雜骨折一直是《外科學》教學難點，比如骨盆和髖臼骨折、各種關節(jié)內(nèi)骨折。主要原因是骨盆、髖臼及個關節(jié)解剖復雜，骨折后解剖更加復雜化，無法從平面來理解三維立體結構。對于一些復雜的髖臼骨折，不光是實習學生，一些年輕的骨科醫(yī)生也難以理解。學員在學習過程中，對于 X 線及 CT 無法充分理解，很難再在短時間內(nèi)掌握骨折的分型和治療[3-4]。如果讓學生機械地記憶那些解剖標志和骨折特點，學生的學習興趣往往不高，而且從平面理解立體結構，學習效果不佳。3D 打印模型可以讓學員更加直接地理解骨折情況，可以從三維觀察和觸摸骨折模型。通過 3D 打印模型，學生更容易理解骨折類型，力學原理，與疾患的起因、癥狀和體征相結合。學員可以利用已有的醫(yī)學知識和通過3D 打印模型對復雜骨折骨的治療提出一些自己的方案，而這種認識的過程加深了學生對那些復雜骨折的本質(zhì)理解。利用 3D 模型教學方式，可以使學員直觀地學習和理解一些復雜的解剖結構，使學員能更容易從骨折模型中模擬出患者當時受傷機制。從解剖結構聯(lián)系到生物力學特性，從單一的骨折聯(lián)系到系統(tǒng)的診斷和治療，從而推斷出骨折的好發(fā)部位、力學特性、臨床癥狀以及出現(xiàn)的并發(fā)癥，進而根據(jù)骨折的國際分型得出臨床診斷，設計手術方案。在帶教老師的指導下，學員可以利用 3D 打印機打印出骨折模型，利用骨折模型進行復位、固定練習。有效地解決了因為保護患者權益學員無法參加復位練習以及避免術中感染等原因無法實施操作訓練的難題。這些教學措施進一步調(diào)動了學生的學習熱情，提高了學生實際動手操作能力的學習空間，為學員學習復雜骨折奠定良好基礎。

隨著學校教學要求進一步提高，我們的教學質(zhì)量也要跟著逐步上升。對于傳統(tǒng)教學來說， 學生對骨折有個直觀印象以及初步的認識即可達到了教學目的。但對于當前的學生來說，已經(jīng)不能滿足教學要求了。為了讓學員進一步掌握骨科臨床基本操作技能，制作的骨折模型能讓他們預先認識到骨折的粉碎程度，復位的目的，如何才能打到有效復位。對于內(nèi)固定手術，可以提前選擇術中的接骨板長度，預測螺釘?shù)拈L度；對于外固定患者，可以模擬復位后安裝外固定，通過這些手術演練使他們臨床操作技能有很大的提高。學員能術前在模型上模擬操作手術數(shù)次后，在手術臺上更加充分地理解帶教老師手術的意義和目的。

3D 打印實現(xiàn)虛擬的數(shù)字技術與現(xiàn)實模型完美結合，已經(jīng)在骨科臨床和教學中得到廣泛應用，也逐步改變著醫(yī)療模式。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，骨科帶教老師自己搜集、整理建立一個集中的數(shù)據(jù)平臺。到那時，如果講到了相應的骨折類型，只需要利用數(shù)據(jù)并將其直接打印出來，可以讓學員更加方便地學習和操作。

[1] Kr?ger E, Dekiff M, Dirksen D. 3D printed simulation models based on real patient situations for hands-on practice[J]. Eur J Dent Educ, 2016.

[2] Dhulipalla R, Marella Y, Katuri KK, et al. Effect of 3D animation videos over 2D video projections in periodontal health education among dental students[J]. J Int Soc Prev Community Dent, 2015, 5(6):499-505.

[3] Hassan K, Dort JC, Sutherland GR, et al. Evaluation of software tools for segmentation of temporal bone anatomy[J]. Stud Health Technol Inform, 2016, 220:130-133.

[4] Allen LK, Eagleson R, de Ribaupierre S. Evaluation of an online three-dimensional interactive resource for undergraduate neuroanatomy education[J]. Anat Sci Educ, 2016, 9(5): 431-439.

( 本文編輯：王萌 )

Application of 3D printing technology in the teaching of complex traumatic orthopedics

CAO Bo, MA Chuang, CHENG Xin-chun, Alimujiang·Abulaiti, REN Peng, TANG Dan-dan, CAO Li, YANG Guang-zhong. Department of Orthopedics, the fi rst Aff i liated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi, Sinkiang, 830011, China

YANG Guang-zhong, Email: 541797796@qq.com

ObjectiveTo explore the effects of applying 3D printing technology in the clinical teaching of complex fractures.MethodsA total of 80 undergraduate intern students in Grade 5 were selected. The number of each student was randomly assigned by computer, then put them in a sequence in ascending order. The fi rst 40 students were in the control group and the others were in the experimental group. The 3D printing technology was used to print out the complex fracture model based on patients’ imaging data in the experimental group, which would digitally reproduce the type of fracture and possible fracture reduction method; The traditional teaching method of careful analysis of patients’ traumatic history and imaging data combined with clinical anatomy was used in the control group.ResultsThe understanding scores of the experimental group and control group were ( 8.75 ± 0.57 ) and ( 7.65 ± 0.74 ). The judgment scores of preoperative and postoperative fracture consistency of the experimental group and control group were ( 8.31 ± 0.47 ) and ( 6.48 ± 0.58 ). The representation scores of fracture type of the experimental group and control group were ( 85.56 ± 0.54 ) and ( 6.13 ± 0.54 ). The operation ability scores of the experimental group and control group were ( 87.56 ± 0.43 ) and ( 78.47 ± 0.34 ). The students in the experimental group had better performance in the above areas. The experimental group’s scores were higher than the control group’s, and the differences were statistically signif i cant ( P ＜ 0.05 ). There were no statistically signif i cant differences in professional interest and theory test score.ConclusionsThe 3D printing technology has certain help for the complex fracture teaching, with a better application prospect in clinical teaching.

Printing, three-dimensional; Fractures, bone; Teaching

10.3969/j.issn.2095-252X.2017.05.005

R683, TS941.26

國家自然科學基金 ( 81560350 )

830011 烏魯木齊，新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院骨科中心

楊廣忠，Email: 541797796@qq.com

2017-02-09 )