基于磁共振影像重建技術(shù)的三維打印膝關(guān)節(jié)疾病模型在骨科教學(xué)中的應(yīng)用

陳為堅　陳奕雄　陳慧華

[摘要]目前磁共振三維打印模型在臨床教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用比較廣泛。在骨科教學(xué)中，針對復(fù)雜性膝關(guān)節(jié)病例，將磁共振影像重建技術(shù)與三維打印模型的實體教具相結(jié)合，開展精準化及個體化的教學(xué)，讓學(xué)生對三維打印模型進行模擬操作，進而制訂具體的手術(shù)方案，這有助于理解及掌握膝關(guān)節(jié)相關(guān)疾病的病因、診斷及治療，了解及掌握膝關(guān)節(jié)的解剖和空間結(jié)構(gòu)，熟練模擬手術(shù)的操作，進而實現(xiàn)精準化和個體化教學(xué)的目的。磁共振三維打印模型能夠使學(xué)生更為生動和直觀地體會膝關(guān)節(jié)相關(guān)病例的解剖形態(tài)，同時也會提升學(xué)習(xí)的趣味性和課堂學(xué)習(xí)的活躍程度，有利于強化學(xué)習(xí)的效率和質(zhì)量，具有較好的應(yīng)用前景，值得在骨科學(xué)教學(xué)中推廣應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]磁共振；三維打??；模型；教學(xué)；骨科

[中圖分類號] R684 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-4721（2018）8（a）-0159-03

Application of 3D printing knee joint disease model based on MRI reconstruction technology in orthopaedics teaching

CHEN Wei-jian1 CHEN Yi-xiong2 CHEN Hui-hua3

1. Department of Orthopedics， the Fifth Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University， Guangdong Province， Guangzhou 510700， China； 2. Department of Rehabilitation， Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine， Southern Medical University， Guangdong Province， Guangzhou 510317， China； 3. Department of Teaching， the Fifth Affiliated Hospital， Guangzhou Medical University， Guangdong Province， Guangzhou 510700， China

[Abstract] At present， the magnetic resonance three-dimensional printing model is widely used in clinical teaching. In orthopaedics teaching， MRI reconstruction techniques are combined with physical aids for 3D printing models for complex knee cases. Accurate and individualized teaching is conducted to allow students to simulate 3D printing models and develop specific the surgical plan helps to understand and master the etiology， diagnosis and treatment of knee-related diseases， understand and master the anatomy and spatial structure of the knee joints， and skillfully simulate the operation of the surgery， thereby realizing the goal of precision and individualized teaching. The magnetic resonance 3D printing model enables students to vividly and intuitively understand the anatomy of knee-related cases. It also enhances the interest of learning and the active level of classroom learning. It is conducive to enhancing the efficiency and quality of learning. The prospect of application is worth promoting and applying in orthopedic teaching.

[Key words] Nuclear magnetic resonance； Three-dimensional printing； Model； Teaching； Orthopedics

膝關(guān)節(jié)是人體最復(fù)雜也是最重要的一個負重關(guān)節(jié)，是骨科教學(xué)中的一個難點和重點，膝關(guān)節(jié)的空間結(jié)構(gòu)、血管神經(jīng)走行以及肌肉的起止點等都需要用到影像學(xué)知識，但由于大部分臨床專業(yè)學(xué)生缺乏對影像學(xué)知識的理解和熟練，故在骨科教學(xué)中很難將影像學(xué)知識滲透[1-2]。近年來，隨著計算機科學(xué)和圖像學(xué)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，基于醫(yī)學(xué)圖像及計算機構(gòu)造的三維人體膝關(guān)節(jié)模型被越來越多地應(yīng)用于臨床教學(xué)及科研，尤其是應(yīng)用磁共振影像重建技術(shù)對膝關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)進行的三維重建，成果顯著[3]。同時，科技的發(fā)展大大降低了三維打印的成本，這使得三維打印技術(shù)在臨床教學(xué)及臨床工作中得到廣泛的應(yīng)用。本文將闡述基于磁共振影像重建技術(shù)的三維打印膝關(guān)節(jié)模型在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用，以提高骨科教學(xué)的水平和質(zhì)量。

1三維打印膝關(guān)節(jié)疾病模型的構(gòu)建

基于磁共振影像重建技術(shù)的三維打印膝關(guān)節(jié)疾病模型的構(gòu)建方法包含區(qū)域生長法圖像分割、圖像域值處理、輪廓插值及灰度插值等幾個步驟，構(gòu)建了包含脛骨、股骨、脛股骨端軟骨及半月板5個部分完整的膝關(guān)節(jié)三維打印模型[4]。三維打印膝關(guān)節(jié)模型具有以下特點[5]：①脛股接觸面的光滑程度比較好，可用于膝關(guān)節(jié)相關(guān)力學(xué)的分析，可使學(xué)生更好地體會膝關(guān)節(jié)力學(xué)的原理及力度。②該模型的構(gòu)建源于活體膝關(guān)節(jié)的磁共振影像，可更加真實地反映膝關(guān)節(jié)的解剖機構(gòu)和相對位置關(guān)系。學(xué)好骨科學(xué)必須先熟悉骨科的相關(guān)解剖知識，只有掌握了膝關(guān)節(jié)準確的解剖定位，才能根據(jù)患者相關(guān)癥狀、體征做出對膝關(guān)節(jié)相關(guān)疾病的正確診斷。③該模型包括脛股骨端軟骨和半月板軟組織，有利于進一步探討其在膝關(guān)節(jié)運動中的運動規(guī)律及力學(xué)特性，能激發(fā)學(xué)生對膝關(guān)節(jié)的進一步研究，同時有利于加深學(xué)生對膝關(guān)節(jié)的理解和探討膝關(guān)節(jié)未知的疾病。

在骨科教學(xué)中，要求學(xué)生學(xué)習(xí)的不僅僅是疾病的病因、定義、診斷及治療等，更需要掌握及準確認識相關(guān)病變部位的解剖結(jié)構(gòu)、空間位置、幾何形狀以及與周圍組織器官之間的位置關(guān)系。在教學(xué)中，骨科學(xué)的教學(xué)一般安排在大三下學(xué)期或大四上學(xué)期，學(xué)生此時對大一學(xué)過的相關(guān)解剖學(xué)知識有所遺忘，因此如何將臨床見習(xí)經(jīng)驗與基礎(chǔ)理論知識相結(jié)合，并且能夠?qū)W以致用，成為骨科教學(xué)工作中的一個重點及難點[6]。三維打印膝關(guān)節(jié)模型的構(gòu)建，有利于學(xué)生對膝關(guān)節(jié)知識的記憶、理解和掌握，加深學(xué)生對膝關(guān)節(jié)解剖知識的理解，進而收到較好的骨科教學(xué)效果。

2三維打印膝關(guān)節(jié)疾病模型與骨科教學(xué)

眾所周知，傳統(tǒng)的膝關(guān)節(jié)模型一般是參考正常的膝關(guān)節(jié)解剖形態(tài)而進行批量的制作，這種模型對?？粕捅究粕n堂上學(xué)習(xí)膝關(guān)節(jié)相關(guān)知識有一定的參考意義。但對于骨科學(xué)研究生及進修、實習(xí)醫(yī)師而言，傳統(tǒng)的膝關(guān)節(jié)模型就不能滿足其對膝關(guān)節(jié)肌肉和骨骼解剖形態(tài)的要求。盡管二維影像、三維影像可以有助于臨床醫(yī)師獲取視覺的信息，如X線、CT等，但是對骨科醫(yī)生教學(xué)方面使用，缺乏模具的可操作性及立體直觀性[7]，因此需要研究更直觀、立體的模型，以滿足骨科研究生的更高需求，提高進修實習(xí)生骨科教學(xué)的質(zhì)量，同時將基于磁共振重建技術(shù)構(gòu)建的三維打印膝關(guān)節(jié)與骨科膝關(guān)節(jié)教學(xué)病例相結(jié)合，并借助以往的膝關(guān)節(jié)教學(xué)經(jīng)驗，針對一些復(fù)雜的膝關(guān)節(jié)手術(shù)及相關(guān)病例制訂診療計劃及手術(shù)方案，對研究生、進修醫(yī)生等開展個性化的教育嘗試，使教學(xué)更精準，以達到教學(xué)相長，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高臨床教學(xué)的效果。

2.1膝關(guān)節(jié)病例、教案設(shè)計的選擇

骨科膝關(guān)節(jié)教案的設(shè)計需要更符合膝關(guān)節(jié)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，具有解剖基礎(chǔ)且可以提高臨床技能，又需要符合病例典型，使病例具有較高的代表性，反映出膝關(guān)節(jié)在臨床中最常見疾病的病理解剖特點。同時，教學(xué)病例的選擇與教案的選擇，還需要采用多種方法以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，體現(xiàn)出充足的知識性和實踐性；而對教案中涉及的問題，需要充分地把握住問題的前沿性，且有一定的開放性，使學(xué)生能夠通過病例，主動地閱讀膝關(guān)節(jié)的相關(guān)知識，更好地了解膝關(guān)節(jié)臨床治療等方面的前沿專業(yè)理念和技術(shù)，有效地拓展學(xué)生的視野并激發(fā)其創(chuàng)新意識。對膝關(guān)節(jié)病例的問題設(shè)計，需要以開放的形式去設(shè)計，這樣可以具備更好的延伸性及拓展性，學(xué)生不但能夠針對問題進行思考，還可以去圖書館等查閱相關(guān)的文獻，做到舉一反三，真正理解膝關(guān)節(jié)的相關(guān)疾病及手術(shù)方案[8]。

2.2臨床骨科教學(xué)中三維打印膝關(guān)節(jié)模型的應(yīng)用

一般骨科學(xué)的課程需要每周開展三次，每次為2個學(xué)時，其中教學(xué)資料包括選擇好的病例、涉及的教案，教師還要結(jié)合目前臨床工作中所遇到的典型真實案例，準備好教學(xué)資料，且需要案例的一般情況、相關(guān)影像及生化檢查等資料[9]。在教學(xué)開始前，要讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)即將所學(xué)的膝關(guān)節(jié)相關(guān)疾病，進一步了解膝關(guān)節(jié)的相關(guān)知識，然后進入到醫(yī)院病房中對真實患者進行病史詢問采集、查體等。在膝關(guān)節(jié)教學(xué)內(nèi)容的選擇以及設(shè)計過程中，可加入一些對膝關(guān)節(jié)疾病認識有幫助的內(nèi)容，在這些內(nèi)容中，學(xué)生能夠較好地擴展思維，并模擬臨床實踐，建立各種膝關(guān)節(jié)疾病的假設(shè)及診斷情況，提出見解。隨后醫(yī)生要開展開放式教學(xué)內(nèi)容，組織學(xué)生進行病例的討論，包括該病例的特點如何，此病例的影像學(xué)檢查結(jié)果等，并讓學(xué)生分析如何進行疾病診斷，需要與哪些疾病鑒別，引導(dǎo)學(xué)生積極發(fā)言，談?wù)剬υ摬±脑\斷、治療及預(yù)后，比如該完善什么檢查，行什么樣的臨床干預(yù)，患者在治療過程中可能出現(xiàn)的不良反應(yīng)，是否有先進的治療措施等。學(xué)生在討論完成后，由一名學(xué)生進行總結(jié)，老師再向?qū)W生提供三維打印的膝關(guān)節(jié)模型，學(xué)生根據(jù)模型的特點對疾病進行觀察，不斷地對之前病例討論結(jié)果進行修正和完善。一般來說學(xué)生觀察膝關(guān)節(jié)實體模型之后，可進一步了解疾病的基本情況，提出更合理的治療措施。在課程結(jié)束后，由一名或兩名學(xué)生對本次病案進行總結(jié)和討論，教師做出點評及補充修正。

2.3三維打印膝關(guān)節(jié)模型的優(yōu)勢與教學(xué)效果的體現(xiàn)

①可以對病因和病理有更好的理解。此課程可以結(jié)合患者的臨床癥狀、體征、生化學(xué)檢查結(jié)果及影像學(xué)檢查結(jié)果，對膝關(guān)節(jié)病例進行分析，隨后借助三維打印膝關(guān)節(jié)模型，不斷地對病例進行推敲和完善，將觀察到的三維打印膝關(guān)節(jié)模型上的病理特點與患者的臨床表現(xiàn)進行結(jié)合，再進行反復(fù)論證及討論。學(xué)生通過上述系列的環(huán)節(jié)，可以初步了解膝關(guān)節(jié)病變損傷如何進行評估，如何分析膝關(guān)節(jié)畸形分度和分型，對膝關(guān)節(jié)的病例癥狀及體征反復(fù)地討論并補充，能夠提升學(xué)生對疾病的診斷分析能力[10]。此外，教師可以根據(jù)三維打印模型，對膝關(guān)節(jié)的解剖位置情況、手術(shù)治理措施等進行詳細講解，通過這種方法，可以更直觀地向?qū)W生展示膝關(guān)節(jié)骨折、膝關(guān)節(jié)畸形和脫位等，有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，且使教學(xué)手段得以完善，提高了教學(xué)質(zhì)量[11]。②三維打印模型可以利用解剖結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)情況，使臨床骨科醫(yī)師能夠?qū)ο嚓P(guān)的解剖知識和組織結(jié)構(gòu)形態(tài)有更充分的理解和認識，而解剖學(xué)相關(guān)知識傳統(tǒng)上是通過尸體解剖獲得，之后就只能在臨床實踐中獲得和強化。但是目前可以用于教學(xué)的解剖標本較少，學(xué)生實踐的機會較少，因此，醫(yī)學(xué)生及進修、年輕醫(yī)生都希望可以在手術(shù)前獲取更多的知識，得到更多的培訓(xùn)，使用二維圖形和三維圖形，不能夠滿足復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)需求[12]，培訓(xùn)作用較差。通過三維打印的膝關(guān)節(jié)模型可以在視覺、觸覺和空間感覺三個方面幫助醫(yī)生獲取更多的膝關(guān)節(jié)相關(guān)知識，尤其對復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的病例，這種模型優(yōu)勢更大。對復(fù)發(fā)的膝關(guān)節(jié)病例進行教學(xué)分析，如果可以將三維打印技術(shù)與臨床教學(xué)相結(jié)合，那么就能夠讓學(xué)生直觀且全面地認識膝關(guān)節(jié)的特點和形態(tài)，并通過臨床實際情況，對教學(xué)效果進行驗證且有利于提高教學(xué)質(zhì)量[13]。③可以滿足手術(shù)需求并進行模擬操作練習(xí)。在臨床教學(xué)中不僅可以講解膝關(guān)節(jié)疾病的主要特征和臨床診斷方法，更需要對治療措施進行重視。一般在理論課中，一個疾病多伴有多種治療方法，但是作為骨科醫(yī)生，不但需要考慮此患者可以使用哪些方法，還需要考慮哪種方法更符合患者的需求，進而選擇最佳的治療措施。使用三維打印模型，能夠盡可能多地為學(xué)生提供真實的病例資料，使學(xué)生有模擬實踐能力，親自體會如何進行膝關(guān)節(jié)手術(shù)，并提高了學(xué)生的興趣和參與性。同時，利用三維打印模型還可以在操作的過程中，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)理論方面沒有的細節(jié)，通過教師的補充講解，可以更多地提高師生之間的互動，學(xué)習(xí)氛圍更濃[14]。

3模型的局限性

使用三維打印膝關(guān)節(jié)疾病模型仍然存在著一定的局限性。①目前的三維打印膝關(guān)節(jié)模型并不能較好地整合膝關(guān)節(jié)的穿支血管，無法較好地打印出肌肉起止等原有的膝關(guān)節(jié)軟組織，因此用三維打印膝關(guān)節(jié)疾病模型并不能完全真實地重建病例的解剖結(jié)構(gòu)[15]。②三維打印的膝關(guān)節(jié)模型價格較高，因此僅限于臨床教學(xué)及臨床工作中，尚不能做到人手一個，大范圍地應(yīng)用；另外，該模型只能選擇擇期手術(shù)的病例，因為模型的構(gòu)建需要一段時間，無法對急癥病例進行重建打印和模型教學(xué)[16]。

綜上所述，三維打印膝關(guān)節(jié)疾病模型是一種能提升教學(xué)效果的實體模型，可以讓學(xué)生更全面和直觀地觀察到膝關(guān)節(jié)病例的解剖情況和病變的特點，并有效掌握膝關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)、膝關(guān)節(jié)各內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位置和關(guān)系。利用模型進行操作，也可以提高學(xué)生的課堂活躍程度，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對培養(yǎng)學(xué)生的個性化、綜合性臨床思維有較高的應(yīng)用價值，且能夠提高教學(xué)質(zhì)量。隨著磁共振影像重建技術(shù)三維打印的大眾化，相信此技術(shù)可以更廣泛地應(yīng)用，骨科教學(xué)也可以進入更先進的個體化教學(xué)時代。

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（收稿日期：208-03-21 本文編輯：祁海文）