3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

李曉峰

(廣西醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院骨科，南寧市 530007)

骨科是一門理論性和實踐性均很強(qiáng)的臨床學(xué)科，涉及的學(xué)科知識廣泛，與解剖學(xué)、診斷學(xué)、生理學(xué)、病理學(xué)、生物力學(xué)、材料學(xué)等密切相關(guān)。其疾病種類繁多，診治方法及手段復(fù)雜。如何讓醫(yī)學(xué)生系統(tǒng)地掌握骨科的基本理論知識及技能，將所學(xué)的知識更好的應(yīng)用到臨床實踐中，是提高骨科臨床教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵，也是一直以來困擾著臨床教學(xué)工作者的難題。隨著計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，各種現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于骨科臨床教學(xué)中，骨科教學(xué)模式發(fā)生了深刻的變革。三維打印(3D打印)技術(shù)是近年來新興的一種學(xué)習(xí)輔助技術(shù)，已初步應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，并率先在骨科臨床教學(xué)中廣泛應(yīng)用，取得了較為滿意的效果[1-2]。

1 3D打印技術(shù)原理及發(fā)展

3D打印技術(shù)是以計算機(jī)三維設(shè)計模型為基礎(chǔ)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，經(jīng)分層制造、疊加成型，最終構(gòu)造物體模型的技術(shù)[3]。

1995年，美國麻省理工學(xué)院在噴墨印刷原理基礎(chǔ)上研發(fā)了3D打印機(jī)，從而開創(chuàng)了3D打印的里程碑。在近30年的發(fā)展中，該技術(shù)已滲透到工業(yè)制造、汽車、航空航天、生物醫(yī)療、建筑工程等各個領(lǐng)域。哈佛大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究者，打印出了直徑還不如人類頭發(fā)粗的微電池電極。普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊，打印出了可以“聽到”無線電頻率的仿生耳；利物浦大學(xué)打印出了3D人造皮膚；我國杭州電子科技大學(xué)打印出了較小比例的人造器官組織；同濟(jì)大學(xué)打印出了微型飛機(jī)并試飛成功。

目前，我國成為繼美國、日本、德國之后擁有3D打印設(shè)備的國家，多年來對3D打印技術(shù)的研究也取得了初步的成效。國家對3D打印技術(shù)也給予了高度的重視，將其納入國家“863計劃”，這標(biāo)志著3D打印在我國進(jìn)入了快速發(fā)展期。

2 骨科臨床教學(xué)概況

骨科內(nèi)容繁多復(fù)雜，涉及面廣，專業(yè)性、實踐性強(qiáng)，新理論、新技術(shù)發(fā)展快，病種處理的方式也靈活多變。骨科理論課時有限，很多教學(xué)內(nèi)容需在臨床實踐中展開。然而，在現(xiàn)今的醫(yī)療環(huán)境下，學(xué)生操作實踐的機(jī)會很少，故骨科臨床教學(xué)一直是骨科教學(xué)的難點。

傳統(tǒng)的骨科臨床教學(xué)模式為教師帶領(lǐng)學(xué)生教學(xué)查房，通過閱片或PPT等進(jìn)行講解，教學(xué)效果不盡人意。我國骨科臨床教學(xué)中長期以來采用傳統(tǒng)教學(xué)模式(LBL)，即以教師講授為主，全面講解基本理論，其系統(tǒng)性強(qiáng)，傳授信息量大。但是這種“填鴨式”的教學(xué)方式使學(xué)習(xí)者處于被動地位，忽視了創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)。目前，臨床上多采用以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)模式(CBL)聯(lián)合以問題為基礎(chǔ)的教學(xué)模式(PBL)，這大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生的實踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、歸納總結(jié)的能力[4]。饒志濤等[5]研究發(fā)現(xiàn)，三種教學(xué)模式有機(jī)結(jié)合，更有利于骨科臨床教學(xué)質(zhì)量的提高。

骨科手術(shù)涉及眾多骨骼結(jié)構(gòu)，而諸多骨骼結(jié)構(gòu)又是不規(guī)則形，骨科疾病對醫(yī)學(xué)生的空間結(jié)構(gòu)想象能力有較高的要求。然而，由于手術(shù)無菌要求原則，很難讓學(xué)生充分接觸手術(shù)。在骨科臨床教學(xué)實踐中，主要通過結(jié)合課本插圖、影像學(xué)檢查，如X線片、CT、MRI以及實體骨骼標(biāo)本或模型來講解，但缺乏立體直觀性，同時標(biāo)本來源有限，大多數(shù)教學(xué)模型均為結(jié)構(gòu)單一的正常模型，對許多復(fù)雜部位解剖結(jié)構(gòu)及損傷機(jī)制，很難全面揭示其特點。比如對一些特殊解剖部位，如骨盆髖臼骨折等，即使應(yīng)用多媒體、教學(xué)錄像等現(xiàn)代教學(xué)設(shè)備依然很難解釋清楚。

目前，骨科臨床教學(xué)面臨的主要問題仍然是缺乏直觀性和可操作性，而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為這一問題的解決提供了技術(shù)手段。

3 3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)的應(yīng)用

3D打印技術(shù)是一種快速成型及制造技術(shù)，其在骨科臨床教學(xué)中的優(yōu)勢越來越受到重視。

首先，3D打印提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。骨科涉及解剖部位多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對于簡單的骨折，通過X線和CT閱讀，學(xué)生尚能理解。但是對于復(fù)雜疾病如髖臼內(nèi)側(cè)壁的方形區(qū)骨折，即使是骨科臨床醫(yī)師也難于理解，醫(yī)學(xué)生更難理解。3D打印能制造出1 ∶1的實物模型，可將骨科疾病特點直觀形象地展現(xiàn)給學(xué)生，也避免了學(xué)生不能接觸患者病變骨標(biāo)本的缺憾，極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。管華清等[6]研究發(fā)現(xiàn)，利用3D打印技術(shù)制作出的骨骼立體模型能有效地提高了醫(yī)學(xué)生骨科臨床學(xué)習(xí)的興趣。郭占鵬等[7]也證實，利用3D打印技術(shù)創(chuàng)造出的實體教學(xué)環(huán)境，不僅能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，更有助于學(xué)生對相關(guān)知識的理解掌握。Kim等[8]認(rèn)為，3D打印技術(shù)為外科醫(yī)生提供了對骨折模式和解剖結(jié)構(gòu)更好的理解，并被有效地用于手術(shù)方案的制定和為外科實習(xí)生提供更好的學(xué)習(xí)模式。Manganaro等[9]回顧了他們?yōu)榻逃康亩鴦?chuàng)建的髖關(guān)節(jié)3D打印模型作為教育輔助工具的經(jīng)驗后，認(rèn)為三維(3D)打印是一種不斷發(fā)展的技術(shù)，把應(yīng)用程序作為教育的輔助手段，可為學(xué)生提供一個以實際的學(xué)習(xí)對象進(jìn)行教學(xué)的學(xué)習(xí)模式。

其次，3D打印培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新思維的能力，為學(xué)生提供了一個自由發(fā)揮想象力的平臺。在3D打印技術(shù)的支持下，學(xué)生可以通過自身的理解和想象，結(jié)合課本的知識，自行設(shè)計手術(shù)切口、選擇手術(shù)入路、模擬合適的內(nèi)固定器械和安裝方法等，從而激發(fā)他們的創(chuàng)造潛能[10]。

最后，3D打印可幫助教師探索新的教學(xué)方法，使教師能夠?qū)⑷碌摹绑w驗式教育”實施到骨科臨床教學(xué)中。骨科的一些復(fù)雜典型的疾病通過3D打印直觀的呈現(xiàn)給學(xué)生。讓學(xué)生通過親身體驗來加強(qiáng)學(xué)習(xí)理解，改變了傳統(tǒng)的以教師傳授知識為主的灌輸式教學(xué)方式。這種教師將學(xué)習(xí)的主動權(quán)交給學(xué)生，以學(xué)生為主導(dǎo)的教學(xué)方式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性，進(jìn)而提高了教學(xué)質(zhì)量。

3D打印技術(shù)被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”，具有其他教學(xué)手段難以替代的優(yōu)勢，給骨科臨床教學(xué)的發(fā)展帶來了新的動力[11]。然而，3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用還處于起步探索階段，需要進(jìn)一步的研究改進(jìn)。

[1] 李忠海,唐家廣,王華東,等.3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用初探[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2016,30(2):198-200.

[2] Hui Y,Safir O,Dubrowski A,et al. What skills should simulation training in arthroscopy teach residents? A focus on resident input[J].Int J Comput Assist Radiolo Surg,2013,8(6):945-953.

[3] 李麗柏.3D技術(shù)原理及發(fā)展?fàn)顩r和前景[J].無線互聯(lián)科技,2013,(11):162,236.

[4] 郭 翔,倪 斌,沈宏亮,等.利用CBL+PBL教學(xué)法提高本科生骨科臨床見習(xí)質(zhì)量[J].中國煤炭工業(yè)醫(yī)學(xué)雜志,2012,15(9):1473-1474.

[5] 饒志濤,俞光榮,李海豐,等.PBL聯(lián)合CBL及LBL模式在骨科實習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國高等醫(yī)學(xué)教育,2014,(1):105-106.

[6] 管華清,徐 明,楊同其,等.3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇,2015,30(14):178-179.

[7] 郭占鵬,黃米娜,李秀華,等.3D打印技術(shù)在骨科PBL臨床教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育,2017,9(9):19-21.

[8] Kim JW, Lee Y, Seo J, et al.Clinical experience with three-dimensional printing techniques in orthopedic trauma[J].J Orthop Sci,2018,23(2):383-388.

[9] Manganaro MS, Morag Y, Weadock WJ, et al.Creating Three-dimensional Printed Models of Acetabular Fractures for Use as Educational Tools[J].Radiographics,2017,37(3):871-880.

[10] 杜 恒,周曉玲,尹 思,等.3D打印技術(shù)在骨科臨床PBL教學(xué)中的應(yīng)用[J].西北醫(yī)學(xué)教育,2015,23(4):701-704.

[11] 王 簕,張 志,張 亮,等.Mimics數(shù)字化軟件在臨床骨科教學(xué)工作中的應(yīng)用和體會[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2014,28(5):527-529.