3D打印在本科生骨科實(shí)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用

薛恩興+陳成旺+張宇

摘要：觀察3D打印技術(shù)在本科臨床教學(xué)中的效果，探討其應(yīng)用的可行性及有效性。運(yùn)用3D打印技術(shù)，根據(jù)影像學(xué)資料，數(shù)字化的真實(shí)再現(xiàn)患者骨盆骨折情況，為本科臨床實(shí)習(xí)教學(xué)提供直觀的骨科教學(xué)模型。3D打印技術(shù)制作的三維立體模型有助于本科生短時(shí)間內(nèi)理解骨折的分型并對骨折治療方案有基本理解。3D打印技術(shù)在本科生骨科臨床教學(xué)中方便快捷，教學(xué)效果良好，具有良好的應(yīng)用前景，對本科生骨科實(shí)習(xí)教學(xué)是一種有效教學(xué)方式，值得骨科教師使用并推廣。

關(guān)鍵詞：3D打??；骨科；實(shí)習(xí)教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）40-0073-03

一、調(diào)查研究

與傳統(tǒng)的打印相比，3D打印技術(shù)與其在原理上非常相似，但是在材料上有明顯的不同，3D打印采用的是實(shí)體材料，包括橡膠、塑料、金屬等。3D打印是一種基于材料堆積方法的制造技術(shù)，最早開始于上世紀(jì)80年代中后期。[1-3]3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用可粘合材料，通過逐層打印方式制造物體模型的技術(shù)，組成3D實(shí)體模型的方式采用逐層的疊加材料。采用3D打印技術(shù)能夠縮短現(xiàn)實(shí)和虛擬之間的距離，電腦中的影像圖片可以通過打印技術(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)物品，讓人們能夠更加近距離、直接地觀察。3D打印技術(shù)同樣也可以把電腦中我們設(shè)計(jì)的圖片轉(zhuǎn)化為實(shí)物，從而有助于人們更加直接地查看設(shè)計(jì)效果，避免了理論和現(xiàn)實(shí)之間的誤差。

本科生教育中的骨科學(xué)是以骨骼系統(tǒng)疾病的診治為主要研究對象，是專業(yè)化相對較強(qiáng)的學(xué)科。由于尸體標(biāo)本來源有限，在骨科教學(xué)中，無法使用實(shí)體骨骼標(biāo)本或模型，且大多數(shù)尸體標(biāo)本為結(jié)構(gòu)正常的解剖模型，由于很多部位解剖結(jié)構(gòu)和損傷機(jī)制的復(fù)雜性，正常結(jié)構(gòu)標(biāo)本或模型很難全面揭示其特點(diǎn)，而且對于不同的骨折類型和不同部位的骨折都缺少相對應(yīng)的表現(xiàn)。缺少直觀立體性從來都是骨科臨床實(shí)習(xí)教學(xué)需要解決的一個(gè)重要問題。如何才能夠找到一種更好地縮短學(xué)生理解時(shí)間的教學(xué)方法，更直觀地讓本科生可以了解骨折類型，是每個(gè)臨床帶教醫(yī)師都需要認(rèn)真思考和急迫解決的問題。

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了方便的技術(shù)手段。近年來，筆者結(jié)合多年臨床及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對一些局部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、采用傳統(tǒng)教學(xué)方式難以使學(xué)生充分理解與掌握的骨折類型。同時(shí)，根據(jù)患者影像學(xué)資料，應(yīng)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并完成了一些教學(xué)模型，并將其應(yīng)用于本科教學(xué)，能夠讓臨床實(shí)習(xí)教學(xué)效果顯著提高[4-6]。本文通過設(shè)計(jì)和制作骨盆骨折的3D模型，對3D打印的授課效果及教學(xué)優(yōu)勢進(jìn)行全面地介紹，希望能夠提高骨科青年教師的教學(xué)水平及本科生骨科臨床實(shí)習(xí)教學(xué)效果。

（一）研究對象

選擇溫州醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生60人，均為2013—2014年在本院骨科實(shí)習(xí)。采用采取傳統(tǒng)模式教學(xué)和3D打印模型進(jìn)行教學(xué)各為30人。兩組學(xué)生在既往課程進(jìn)度、年齡和性別等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)，無明顯差異（P>0.05）。集體備課及3D打印模型教學(xué)方法培訓(xùn)的溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨科主治醫(yī)師作為帶教教師對兩組學(xué)生進(jìn)行臨床實(shí)習(xí)教學(xué)。

（二）研究方法

根據(jù)骨科實(shí)習(xí)大綱要求，讓全部學(xué)生參加7天的臨床實(shí)習(xí)，無一缺席及請假。具體內(nèi)容如下：（1）以骨盆骨折的診斷、治療作為主要實(shí)習(xí)內(nèi)容；（2）3D組的學(xué)生通過骨盆骨折3D模型結(jié)合患者的影像學(xué)資料、體格檢查、具體病史及手術(shù)治療方案進(jìn)行教學(xué)；（3）普通組的學(xué)生以教科書結(jié)合患者的影像學(xué)資料、體格檢查、具體病史和手術(shù)治療方案進(jìn)行教學(xué)。

采用客觀臨床考核與主觀的調(diào)查問卷兩種形式對不同方式的教學(xué)效果進(jìn)行評估?？陀^臨床考核內(nèi)容有四個(gè)方面組成：書寫病歷、骨盆解剖知識、CT讀片、手術(shù)方案的選擇，每個(gè)方面均為25分，總計(jì)100分。主觀考核同樣以四個(gè)方面的調(diào)查問卷體現(xiàn)，包括學(xué)習(xí)興趣、骨盆骨折分型、骨盆解剖、骨盆骨折手術(shù)。

（三）統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

分別對兩組學(xué)生的客觀考核成績和主觀調(diào)查問卷回饋結(jié)果進(jìn)行t檢驗(yàn)和X2檢驗(yàn)。P≤0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

二、結(jié)果

（一）臨床考核成績

客觀臨床考核成績提示：3D組在骨盆解剖知識、CT讀片、手術(shù)方案選擇三個(gè)方面成績高于普通組，而在書寫病歷成績上無明顯差異（表1）。

（二）調(diào)查問卷結(jié)果

主觀調(diào)查問卷的回饋結(jié)果提示：3D組在學(xué)習(xí)興趣、骨盆骨折分型、骨盆解剖三個(gè)方面的提高優(yōu)于普通組，而骨盆骨折手術(shù)這個(gè)方面無明顯差異（表2）。

三、討論

3D打印是一種快速成型技術(shù)，主要是以CT掃描獲得的數(shù)據(jù)或計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助設(shè)計(jì)的數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[7，8]。目前在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于個(gè)性化組織工程支架材料和假體植入物的制造、細(xì)胞或組織打印、器官模型的制造與手術(shù)分析策劃等方面[9，10]。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的3D打印技術(shù)主要包括選區(qū)激光融化技術(shù)（SLM）、熔融沉積制造（FDM）、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLA）、三維噴印（3DP）和直接攜帶細(xì)胞的生物打印[9]等。3D打印技術(shù)目前在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用主要集中在骨科[11]、口腔頜面外科[12，13]以及血管外科[14]等。

作為一門綜合性強(qiáng)、涉及面廣的學(xué)科，骨科具有解剖結(jié)構(gòu)多和專業(yè)知識廣的特性，學(xué)生在實(shí)習(xí)期間難以掌握骨科的要點(diǎn)。因?yàn)樯婕氨姸喙趋澜Y(jié)構(gòu)，而骨骼結(jié)構(gòu)大多又是不規(guī)則形，骨科臨床實(shí)習(xí)教學(xué)一直是臨床醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)教學(xué)的難點(diǎn)，骨折對學(xué)生的立體想象能力有較高的要求。在日常的臨床實(shí)習(xí)中，學(xué)生問診和查體并且參考課本插圖、患者的影像學(xué)資料，盡管內(nèi)容比課本要豐富，立體直觀性描述還是明顯缺乏，特別無法清楚地解釋復(fù)雜的骨盆骨折，而3D打印技術(shù)的使用能夠使得這些問題迎刃而解。

筆者發(fā)現(xiàn)在骨科臨床實(shí)習(xí)教學(xué)過程中，以往的教學(xué)法存在著一定的不足。上級醫(yī)師帶領(lǐng)醫(yī)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)查房，在患者床頭進(jìn)行查體、閱片及講解，或利用PPT等方式進(jìn)行講解是現(xiàn)在絕大多數(shù)醫(yī)院的骨科臨床實(shí)習(xí)模式，雖然比書本教學(xué)多了患者及其影像學(xué)資料這些“教具”，但這種教學(xué)方式對掌握醫(yī)學(xué)知識的效率偏低[15，16]。因?yàn)閷I(yè)性和綜合性較強(qiáng)所以骨科臨床需要醫(yī)學(xué)生具有較好的解剖學(xué)基礎(chǔ)，枯燥無味的死記硬背一些解剖標(biāo)志，學(xué)習(xí)效果肯定是欠佳。為了提高醫(yī)學(xué)教育效果和骨科臨床實(shí)習(xí)教學(xué)質(zhì)量，為了使學(xué)生們能夠產(chǎn)生身臨其境的感覺，筆者將基于影像學(xué)資料的3D打印模型引入骨科臨床實(shí)習(xí)教學(xué)，讓理論知識與臨床實(shí)際更加接近。結(jié)合3D打印模型，學(xué)生可以根據(jù)已掌握的醫(yī)學(xué)知識判斷骨折的起因、癥狀和體征，從而嘗試?yán)靡呀?jīng)掌握的醫(yī)學(xué)知識對骨折進(jìn)行初步診斷甚至可以提出治療方案，這種深入的認(rèn)識過程可以提高學(xué)生對骨科疾病的本質(zhì)理解。endprint

為保證并且提高本科生對骨科知識的理解和骨科實(shí)習(xí)教學(xué)質(zhì)量，筆者嘗試采用一種新的教學(xué)模式——3D打印模型。具體教學(xué)內(nèi)容包括：選擇患者的體格檢查和病史進(jìn)行骨盆骨折基礎(chǔ)理論知識教學(xué)；完善骨盆CT，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合影像學(xué)理論知識了解骨盆解剖結(jié)構(gòu)；將患者骨盆解剖轉(zhuǎn)化成了3D打印的數(shù)據(jù)，制作出患者真實(shí)骨盆骨折的3D模型并制訂手術(shù)方案。

兩組的考核成績表明3D打印模型的醫(yī)學(xué)教育模式對學(xué)生理解和掌握骨科臨床知識有非常明顯的意義而且提高了學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性。

參考文獻(xiàn)：

[1]顏永年，等.基于快速原型的組織工程支架成形技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（5）：93-98.

[2]古麗萍.蓄勢待發(fā)的3D打印機(jī)及其發(fā)展[J].數(shù)碼印刷，2011，（10）：64-67.

[3]Berman B.3-DPrinting：TheNewIndustrialRevolution[J].Business Horizons，2012，55（2）：155-162.

[4]李曙明，李萌，楊益民，等.3D打印及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用探討——以復(fù)雜脊柱畸形治療為例[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2015，29（2）：191-194.

[5]楊長偉，何大為，陳自強(qiáng)，等.基于三維打印技術(shù)的骨科教學(xué)模型設(shè)計(jì)及教學(xué)實(shí)施體會[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2015，29（5）：550-552.

[6]李鋒濤，王棟，程劍，等.3D打印結(jié)合PACS系統(tǒng)在骨科PBL臨床教學(xué)模式中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2015，29（5）：550-552.

[7]Seol YJ，Kang TY，Cho DW.Solid freeform fabrication technology applied to tissue engineering with various biomaterials[J].Soft Matter，2012，8（6）：1730-1735.

[8]Derby B.Printing and prototyping of tissues and scaff olds[J].Science，2012，338（6109）：921-926.

[9]Ozbolat IT，Yu Y. Bioprinting toward organ fabrication：challenges and future trends [J].IEEE Trans Biomed Eng，2013，60（3）：691-699.

[10]Mahaisavariya B，Sitthseripratip K，Oris P，et al. Rapid prototyping model for surgical planning of corrective osteotomy for cubitus varus：Report of two cases[J].Injury Extra，2006，37（5）：176-180.

[11]Tam MD，Laycock SD，Bell D，et al. 3D printout of a DICOM file to aid surgical planning in a 6 year old patient with a large scapular osteochondroma complicating congenital diaphyseal aclasia[J].J Radiol Case Rep，2012，6（1）：31-37.

[12]Mazzoni S，Marchetti C，Sgarzani R，et al. Prosthetically guided maxillofacial surgery：Evaluation of the accuracy of a surgical guide and custom-made bone plate in oncology patients aft er mandibular reconstruction[J].Plast Reconstr Surg，2013，131（6）：1376-1385.

[13]Olszewski R.Three-dimensional rapid prototyping models in cranio-maxillofacial surgery：Systematic review and new clinical applications[J].P Belg Roy Acad Med，2013，（2）：43-77.

[14]You JH，Kang SG，Kim BM. A novel measurement technique for the design of fenestrated stent grafts：comparison with threedimensional aorta models [J].Exp Clin Cardiol，2013，18（1）：48-52.

[15]李鋒濤，王棟，程劍，等.3D打印結(jié)合PACS系統(tǒng)在骨科PBL臨床教學(xué)模式中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2015，29（5）：550-552.

[16]朱文藝，海涌，李健，等.多元化教學(xué)方式在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國病案，2015，16（4）：87-89.endprint