3D 打 印 模 型 在 骨 科 臨 床 教 學(xué) 中 的 應(yīng) 用▲

梁 周 何 忠 羅善超 楊德炎

(廣西玉林市中西醫(yī)結(jié)合骨科醫(yī)院正骨一科，玉林市 537000，電子郵箱：5913682@qq.com)

3D打印技術(shù)的基本原理是以計(jì)算機(jī)軟件建立的數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，利用光固化和紙層疊等技術(shù)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的3D 實(shí)體模型。3D打印技術(shù)是一種新型的快速成型及快速制造技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)也得到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛青睞，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的標(biāo)志”[1]。骨科是專業(yè)化相對(duì)較強(qiáng)一個(gè)醫(yī)學(xué)專業(yè)或?qū)W科，骨科醫(yī)生需要具備扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)及臨床經(jīng)驗(yàn)，而尚在學(xué)校學(xué)習(xí)的醫(yī)學(xué)生對(duì)骨科知識(shí)的了解很有限，如何在短時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)出一名優(yōu)秀的骨科醫(yī)生，是所有臨床教師都需要認(rèn)真思考的問(wèn)題[2-3]。以往骨科臨床教學(xué)中大多采用實(shí)體骨骼標(biāo)本或模型，3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展為骨科臨床教學(xué)提供了難得的發(fā)展契機(jī)。為了提高骨科臨床教學(xué)的實(shí)際效果，我院將3D打印技術(shù)引入骨科臨床教學(xué)中，顯著提高了骨科臨床教學(xué)效果，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 對(duì)象與方法

1.1 對(duì)象 選取2017年5月至2018年7月在我院骨科臨床實(shí)習(xí)的40名醫(yī)學(xué)生為研究對(duì)象，均為醫(yī)科大學(xué)本科生，男生26名，女生14名，年齡22～25歲。將其按隨機(jī)數(shù)字表法分為兩組，每組20名，觀察組男12名，女8名，年齡22～25歲；對(duì)照組男14名，女6名，年齡22～25歲。兩組學(xué)生性別、年齡、學(xué)歷比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)，具有可比性。

1.2 方法

1.2.1 對(duì)照組：按傳統(tǒng)帶教模式教學(xué)，即指導(dǎo)學(xué)生采集病史、行體格檢查、?？茩z查等，然后閱讀患者的X 線片、三維CT以及 MRI等影像學(xué)資料，針對(duì)患者臨床表現(xiàn)、影像學(xué)資料進(jìn)行討論，做出初步診斷，制訂治療方案。

1.2.2 觀察組：在傳統(tǒng)帶教模式的基礎(chǔ)上采用3D實(shí)體模型教學(xué)。(1)骨科教學(xué)病例的設(shè)計(jì)與選擇：根據(jù)骨科專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)和臨床技能課程教學(xué)要求，病例教案的設(shè)計(jì)要充分反映骨科常見(jiàn)病、多發(fā)病和骨畸形等特點(diǎn)。關(guān)節(jié)、脊柱、骨骼及其周圍組織的解剖結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，學(xué)生理解較為困難，我們選擇相關(guān)疾病作為本次骨科教學(xué)病例。(2)3D打印模型的獲取：① 數(shù)據(jù)采集：在我院影像科獲取臨床常見(jiàn)各部位骨折的正側(cè)位、正斜位X線片，根據(jù)不同部位骨折，再行薄層CT掃描三維重建，最后將掃描獲得的模型保存，以Dicom格式輸出下載至移動(dòng)硬盤。② 3D打印制作實(shí)體模型：儀器有醫(yī)學(xué)影像工作站HP/惠普ENVY15-AE122T、三維模型優(yōu)化處理系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)三維重建軟件、MIMICS 17.0軟件、3D打印機(jī)(森工科技M2030X，由玉林市中西醫(yī)結(jié)合骨科醫(yī)院3D打印實(shí)驗(yàn)室提供)。校驗(yàn)醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM)數(shù)據(jù)，將患者骨折部位合格的DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)的自動(dòng)化逆向處理軟件中，首先提取骨折部位，對(duì)骨骼的體像素進(jìn)行編輯，用3D打印軟件將輸入的各種CT掃描的斷層數(shù)據(jù)，構(gòu)建成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形態(tài)不規(guī)則的骨骼的高精度三維模型，將PLA材料進(jìn)行加熱、融化之后，再通過(guò)層層構(gòu)建疊加方式，打印出目標(biāo)骨骼等大的、高度仿真模型。(3)教學(xué)方法：教師結(jié)合具體病例，要求學(xué)生對(duì)相關(guān)疾病進(jìn)行預(yù)習(xí)，指導(dǎo)學(xué)生采集病史，進(jìn)行體格檢查、?？茩z查等，然后閱讀患者的X線片、三維CT以及MRI等影像學(xué)資料，針對(duì)患者臨床表現(xiàn)、影像學(xué)資料進(jìn)行討論，做出初步診斷。學(xué)生有疑問(wèn)暫時(shí)保留，待討論意見(jiàn)統(tǒng)一后，取出3D骨折模型進(jìn)行詳細(xì)講解，3D骨折模型可以直觀骨折部位、損傷嚴(yán)重程度及其周圍組織情況，然后通過(guò)3D模型制訂手術(shù)計(jì)劃，并進(jìn)行術(shù)前虛擬手術(shù)演練，以最終確定手術(shù)方案，選擇最佳的手術(shù)入路和植入物，預(yù)計(jì)手術(shù)效果。課后請(qǐng)學(xué)生代表對(duì)教學(xué)案例進(jìn)行總結(jié)，最后老師與學(xué)生一起分析患者病情后做出治療方案。

1.3 觀察指標(biāo) 實(shí)習(xí)結(jié)束時(shí)，對(duì)兩組學(xué)生進(jìn)行教學(xué)效果評(píng)價(jià)，包括基礎(chǔ)理論知識(shí)考核及手術(shù)操作考核。基礎(chǔ)理論考核采用筆試，內(nèi)容包括病歷書(shū)寫、骨折受傷機(jī)制、骨折的臨床表現(xiàn)、骨折的分型、骨折手術(shù)方法的選擇等，每項(xiàng)20分，總分100分。手術(shù)操作考核為根據(jù)骨折模型制訂手術(shù)方案，模擬手術(shù)固定體位、手術(shù)入路、手術(shù)固定方式及該入路如何避免損傷重要血管神經(jīng)等，每項(xiàng)25分，總分100分。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 應(yīng)用 SPSS 11.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料以(x±s)表示，比較采用t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料比較采用χ2檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

實(shí)習(xí)結(jié)束時(shí)，觀察組學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)考核總成績(jī)?yōu)?92.5±8.0)分，對(duì)照組為(81.6±7.6)分，觀察組基礎(chǔ)理論知識(shí)考核得分高于對(duì)照組(t=4.421，P<0.001)；觀察組學(xué)生手術(shù)操作考核總成績(jī)?yōu)?88.9±11.5)分，對(duì)照組為(73.9±13.4)分，觀察組學(xué)生手術(shù)操作考核得分高于對(duì)照組(t=1.884，P=0.001)。

3 討 論

骨科是以肌肉骨骼系統(tǒng)疾病的診治為主要研究?jī)?nèi)容的學(xué)科，傳統(tǒng)的教學(xué)模式是老師帶領(lǐng)學(xué)生查房，講解病例，查閱相關(guān)的影像學(xué)資料，使用PPT 講解等方式進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)模型大多使用單一的正常結(jié)構(gòu)實(shí)體骨骼標(biāo)本或模型，大部分醫(yī)學(xué)生不能直觀認(rèn)識(shí)骨折的三維結(jié)構(gòu)，對(duì)于涉及眾多不規(guī)則骨骼形態(tài)的復(fù)雜骨折更難以理解。致使大部分醫(yī)學(xué)生以及眾多年輕醫(yī)生對(duì)所學(xué)的骨折知識(shí)等難以消化。骨科臨床教師多為從事臨床工作的醫(yī)師，平時(shí)工作強(qiáng)度較大，而臨床授課往往需要長(zhǎng)時(shí)間準(zhǔn)備教具及病例資料，無(wú)形中增加了工作負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致骨科臨床教學(xué)一直是教學(xué)的難點(diǎn)，教學(xué)效果不甚理想。將3D打印模型應(yīng)用到骨科臨床教學(xué)中，可提高學(xué)生的臨床資料收集能力、病例分析能力、個(gè)人學(xué)習(xí)主動(dòng)性等，并能培養(yǎng)學(xué)生的臨床思維能力，激勵(lì)創(chuàng)新能力，提升課堂專注度，有效提高骨科知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性[4]。

剛進(jìn)入臨床實(shí)習(xí)的醫(yī)學(xué)生其解剖學(xué)知識(shí)相對(duì)欠缺，通過(guò)3D打印等比例骨折模型，可從任意角度觀察模型以了解骨折情況，從而提高醫(yī)學(xué)生疾病診斷的準(zhǔn)確率，并且可以加深學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)解剖知識(shí)的理解。由于學(xué)生在手術(shù)方法的熟悉程度、空間構(gòu)象能力、手術(shù)經(jīng)驗(yàn)等方面的欠缺，無(wú)法適應(yīng)臨床手術(shù)節(jié)奏，所以術(shù)前使用3D打印模型進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)，學(xué)生可以直接觸摸、觀察具體骨折部位，更好地將理論知識(shí)與實(shí)體骨折模型相結(jié)合，為制訂手術(shù)方案奠定良好基礎(chǔ)[5-6]。同時(shí)，學(xué)生還可以根據(jù)3D打印模型確定手術(shù)方案、模擬手術(shù)操作、選擇最佳手術(shù)入路和植入物等。通過(guò)反復(fù)模擬手術(shù)操作以獲取手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際手術(shù)操作時(shí)就能得心應(yīng)手。同時(shí)在模擬手術(shù)的操作過(guò)程中，可以隨時(shí)向?qū)W生詳細(xì)講解本次手術(shù)的復(fù)雜性及關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，使學(xué)生全面了解整個(gè)手術(shù)過(guò)程，從而在實(shí)際手術(shù)過(guò)程中縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血量，降低術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率，最終令患者受益[7]。

本研究結(jié)果顯示，在傳統(tǒng)帶教模式的基礎(chǔ)上采用3D實(shí)體模型教學(xué)的觀察組學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)考核、手術(shù)操作考核得分均高于對(duì)照組(均P<0.05)，表明該教學(xué)方法可以有效提高實(shí)習(xí)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)和手術(shù)操作水平。3D打印技術(shù)也有其不足之處，如骨骼部分雖具有較好的打印效果，但其周圍的血管、神經(jīng)、肌肉等無(wú)法同時(shí)打印，導(dǎo)致模擬手術(shù)的截骨及內(nèi)固定物的植入操作與實(shí)際操作有一定差別[8]。

綜上所述，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨科臨床教學(xué)中，能有效提高學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)水平和手術(shù)操作水平，提高其學(xué)習(xí)骨科知識(shí)的興趣，是一種行之有效的臨床教學(xué)模式，在骨科臨床教學(xué)中具有良好的應(yīng)用前景。