3D打印模型技術(shù)在兒童髖關(guān)節(jié)脫位手術(shù)臨床教學(xué)中的應(yīng)用研究

李文超，陳 輝，許瑞江，李浩宇，蔡 剛

解放軍總醫(yī)院小兒外科，北京 100853

發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位包括股骨頭半脫位、髖臼發(fā)育不良及股骨頭完全脫位，是小兒外科最常見的先天性髖關(guān)節(jié)疾病[1]。發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位的治療原則是早期診斷、早期治療，采用股骨近端短縮、內(nèi)翻及去旋轉(zhuǎn)截骨矯正股骨近端前傾角及頸干角，從而使股骨頭適應(yīng)髖臼發(fā)育方向，促使兒童髖關(guān)節(jié)正常的生長發(fā)育[2]。在臨床教學(xué)工作中，住院醫(yī)師多采用病史、查體及X線片檢查等進行學(xué)習(xí)，然而由于發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位涉及到三維方向的截骨矯形，僅依靠文字、圖片等資料，難以使實習(xí)學(xué)生完全了解截骨的方向及角度，也無法激發(fā)低年資醫(yī)師的學(xué)習(xí)興趣，致使教學(xué)工作進展緩慢，甚至出現(xiàn)對截骨方式認(rèn)識的錯誤。

如何在兒童髖關(guān)節(jié)脫位手術(shù)操作的臨床教學(xué)工作中，充分調(diào)動年輕醫(yī)師的積極性，熟練掌握臨床操作技巧，主動完成理論學(xué)習(xí)與臨床實踐相結(jié)合，成為臨床指導(dǎo)教師需要亟待解決的問題。近年來，3D打印技術(shù)在臨床教學(xué)工作中得到了廣泛的應(yīng)用，能夠使年輕醫(yī)師更好地了解疾病的解剖結(jié)構(gòu)及病理性基礎(chǔ)，同時顯著地提高臨床教學(xué)質(zhì)量[3-4]。然而，3D打印技術(shù)在小兒骨科臨床教學(xué)中使用情況尚未明確報告。筆者在小兒骨科臨床教學(xué)工作中，結(jié)合兒童發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位的臨床特點，采用3D打印模型用于年輕醫(yī)師培訓(xùn)中，取得了較好的教學(xué)效果，現(xiàn)介紹如下。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選擇2017年28名在解放軍總醫(yī)院實習(xí)的第四軍醫(yī)大學(xué)五年級實習(xí)醫(yī)師作為研究對象，男生16名，女生12名，年齡21歲～22歲。

1.2 研究方法

1.2.1 一般信息 選擇兒童發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位病例，筆者作為授課教師，教學(xué)地點為教學(xué)大樓教室，通過查看病史、查體及影像學(xué)檢查了解疾病解剖結(jié)構(gòu)、病理變化及手術(shù)方案的制定。將學(xué)生隨機分為兩組，對照組:采用常規(guī)教學(xué)方法，包括一般資料、病史、癥狀、體征及髖關(guān)節(jié)正位X線、髖關(guān)節(jié)外展內(nèi)選擇位X線;實驗組在常規(guī)病例、X線等資料進行教學(xué)的同時，增加髖關(guān)節(jié)三維CT平掃及三維重建，并制作3D打印模型用于輔助教學(xué)，從而使學(xué)生直觀了解髖關(guān)節(jié)脫位的解剖結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。

圖1 a.兒童發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位,正位X線；b.三維CT檢查

1.2.2 髖關(guān)節(jié)3D打印模型的方法 首先患兒誘導(dǎo)睡眠后，平臥位，于解放軍總醫(yī)院外科大樓CT檢查室進行CT平掃及三維重建，掃描范圍包括骨盆及股骨全長，計算出雙側(cè)股骨的前傾角及頸干角，用于比較分析股骨頭脫位情況以及判定股骨近端截骨內(nèi)翻及去旋轉(zhuǎn)的角度(如圖2所示)。

圖2 a.兒童發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位,正位X線；b.三維CT檢查；c.3D打印模型

1.3 教學(xué)效果評價

將每個學(xué)生在常規(guī)教學(xué)、增加3D打印模型教學(xué)的教學(xué)效果記錄并進行統(tǒng)計學(xué)分析。教學(xué)效果評價指標(biāo)包括兩個方面:其一，臨床數(shù)據(jù)分析;其二，教學(xué)相關(guān)因素分析。臨床數(shù)據(jù)分析包括疾病概念理解情況、髖關(guān)節(jié)脫位方向、前傾角及頸干角的角度。以CT測量前傾角、頸干角的標(biāo)準(zhǔn)，X線測量頸干角和前傾角數(shù)據(jù)。教學(xué)相關(guān)因素分析包括學(xué)習(xí)興趣、師生互動、課堂注意力及學(xué)習(xí)效率四個方面評價髖關(guān)節(jié)脫位的教學(xué)效果。評價標(biāo)準(zhǔn)為:非常滿意10分、較滿意8分、一般5分、不太滿意3分及不滿意0分。

采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件對教學(xué)效果評價數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。兩組間臨床數(shù)據(jù)分析以人數(shù)(%)的形式表示，組間比較采用卡方檢驗;兩組教學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)分析結(jié)果采用(±s)形式表示，兩組比較采用t檢驗，檢驗水準(zhǔn)a值取雙側(cè)0.05。

2 結(jié)果

臨床數(shù)據(jù)分析比較:實驗組中能夠正確理解疾病情況的學(xué)生有13人(92.86%)，判斷髖關(guān)節(jié)脫位方向的有13人(92.86%);對照組分別為10人(71.43%)、12人(85.71%)。實驗組及對照組在疾病概念理解情況、髖關(guān)節(jié)脫位方向的判定雖然無顯著性差異，但是實驗組數(shù)值高于對照組。實驗組通過CT能夠準(zhǔn)確判定前傾角及頸干角人數(shù)分別為14(100.00%)和14(100.00%);而對照組學(xué)生分別為9人(64.28%)和8人(57.14%)。研究顯示，實驗組在前傾角及頸干角判定準(zhǔn)確性方面明顯高于對照組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)(如表1所示)。兩組教學(xué)效果的調(diào)查問卷結(jié)果顯示:實驗組在學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率及課堂注意力評分分別為(9.45±1.32)、(9.12±1.26)及(9.14±0.97)，而對照組分別為(8.37±1.09)、(8.01±1.02)及(8.23±1.17)，研究顯示，實驗組明顯優(yōu)于對照組(P＜0.05);師生互動方面實驗組為(9.05±1.15)，對照組為(8.64±1.23)，統(tǒng)計學(xué)顯示無顯著性差異(如表2所示)。

表1 3D打印模型在兒童發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位中教學(xué)評估比較

表2 3D打印模型在教學(xué)相關(guān)因素分析中的比較評估

3 討論及結(jié)論

兒童發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位是小兒外科常見的疾病，其病變結(jié)果涉及到髖臼及股骨頭等方面的問題，其教學(xué)過程比較復(fù)雜。而且，教學(xué)過程均需要與解剖學(xué)、生物力學(xué)等諸多學(xué)科相結(jié)合，同時股骨近端涉及到頸干角及前傾角，所以對學(xué)生三維空間思維能力要求較高，單純采用病史、查體及X線片等傳統(tǒng)的教學(xué)方法難以收到良好的教學(xué)效果。因此，筆者在文章中提出采用3D打印模型技術(shù)用于兒童發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位的臨床教學(xué)工作，取得良好的教學(xué)效果。通過新型的教學(xué)方案，學(xué)生對于髖關(guān)節(jié)脫位病例中頸干角及前傾角的測量準(zhǔn)確性較對照組明顯提高，而且在學(xué)習(xí)興趣、課堂注意力及學(xué)習(xí)效率等諸多方面有了顯著的提高。

3D打印是快速成型技術(shù)，主要采用三維數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式，將金屬、塑料等不同材料粘合在一起模擬物體的技術(shù)[5]。3D打印是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的，廣泛應(yīng)用于模具制造、工業(yè)設(shè)計等諸多領(lǐng)域。近年來，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，包括口腔科、骨科和生物材料制備。由于其直觀性、準(zhǔn)確性等特點，3D打印模型逐漸用于臨床教學(xué)實踐，并取得了可喜的教學(xué)效果[6]。

傳統(tǒng)課堂教學(xué)主要采用X線教學(xué)，只能提供二維空間的表現(xiàn)。實習(xí)學(xué)生雖然能夠在一定程度上了解疾病的解剖基礎(chǔ)，但仍無法完全在三維立體平面掌握模型特點。而且在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生時常反映教材抽象、難以理解，而且課堂氣氛枯燥，不能完全融入課堂氛圍，致使學(xué)生對于課堂內(nèi)容似懂非懂，既有所了解，又沒有完全明白，對于知識點的掌握始終浮于表面，不能深入掌握知識。然而，隨著3D打印模型技術(shù)的產(chǎn)生，完全顛覆了傳統(tǒng)教學(xué)模式，使學(xué)生對于疾病的認(rèn)識從二維平面轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體結(jié)構(gòu)[7]。在兒童發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位教學(xué)模型中，通過3D打印模型可以使學(xué)生很好地掌握髖臼及股骨頭的脫位關(guān)系，并了解髖臼缺損的情況及方向;此外，通過雙側(cè)髖關(guān)節(jié)模型比較，可以更加有效地掌握股骨近端的病變基礎(chǔ)，從而能夠準(zhǔn)確判定頸干角及前傾角的角度。研究顯示，實驗組與對照組在頸干角及前傾角具有顯著性差異(P＜0.05)，更加進一步說明了3D打印模型在髖關(guān)節(jié)脫位臨床教學(xué)中具有重要作用。

3D打印模型進行骨科教學(xué)與常規(guī)手術(shù)相比，能夠顯著激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[8]。前期研究顯示，通過輔助3D打印模型，在脊柱側(cè)凸的臨床矯形中能夠使復(fù)雜的病情通過直觀的模型加以簡化，能夠加強學(xué)生對于復(fù)雜脊柱病情的理解。3D打印模型技術(shù)有助于學(xué)生清楚地理解手術(shù)方案的制定原則及進行過程，使手術(shù)操作直觀化、實物化及具體化[9]。實習(xí)學(xué)生通過形象化的髖關(guān)節(jié)脫位模型，能顯著增加學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)效率。通過對實物模型的具體分析，可以增強帶教教師和實習(xí)學(xué)生之間的互動交流，并且在相互的交流過程中，提高學(xué)生課堂的注意力以及對疾病的理解力。

總之，3D打印模型輔助教學(xué)，具有較強的直觀性和生動性，尤其在兒童髖關(guān)節(jié)脫位臨床教學(xué)時，能夠顯著增加學(xué)生對于知識點的掌握情況。筆者認(rèn)為3D打印教學(xué)模型技術(shù)是小兒骨科教學(xué)中非常有效的教學(xué)方法，可以進一步推廣應(yīng)用。如果能夠配合計算機輔助技術(shù)，做到動態(tài)描述疾病的病變基礎(chǔ)，并能預(yù)先制定詳細的手術(shù)方案，可以更加有效的提升教學(xué)水平。

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