3D 打印技術(shù)在新時代骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

吳駿豪 王洪 葉哲偉 黃瑋*

1 骨科臨床教學(xué)現(xiàn)狀與新時代面臨的挑戰(zhàn)

1.1 臨床教學(xué)現(xiàn)狀

1.1.1 教師教學(xué)困難

按照教學(xué)大綱，醫(yī)學(xué)生在本科階段學(xué)習(xí)的解剖學(xué)知識是基于正常人體的; 另外，本科生尚未參與臨床診療工作，難以接觸患者，天然缺乏對病變骨骼結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識。

在骨科疾病的臨床教學(xué)中，授課教師們往往發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)科疾病教學(xué)中應(yīng)用廣泛而效果良好的傳統(tǒng)教學(xué)方法，如PBL教學(xué)法，取得的教學(xué)效果卻不盡人意。究其原因，固然有骨科疾病本身涉及解剖部位多、病變部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對學(xué)生空間想象和綜合知識要求高;但是當(dāng)前骨科臨床教學(xué)中使用的插圖、影像學(xué)資料（X 線、CT、MRI）對解剖復(fù)雜的骨骼疾病，如髖臼的骨折，不能立體，直觀地展示解剖變化，以致教師在授課時難以解釋清楚也是一方面的原因[1]。

圖1 薄層CT 示患者髖臼骨折

此外，同種疾病常有多種治療方案，選擇哪種方案對患者更加合理，更有利于患者恢復(fù)至關(guān)重要[2]。制定個性化治療方案需要醫(yī)生能夠通過影像學(xué)檢查判斷患者病情嚴(yán)重程度，而閱片能力的培養(yǎng)依賴的是臨床的反復(fù)訓(xùn)練[3]。如前所述，在學(xué)生連病變的骨骼結(jié)構(gòu)都搞不清的情況下，在臨床教學(xué)中培養(yǎng)影像判讀能力是奢談。

1.1.2 學(xué)生動手訓(xùn)練困難

與內(nèi)科疾病不同的是，骨科疾病的臨床操作性強(qiáng)。如果在教學(xué)中只觀摩醫(yī)生手術(shù)，醫(yī)學(xué)生僅僅能獲得感官體驗，學(xué)習(xí)效果大打折扣。若要進(jìn)行操作訓(xùn)練，面臨諸多困難:在動物身上進(jìn)行訓(xùn)練，由于動物不能重復(fù)利用，訓(xùn)練成本高;在捐獻(xiàn)者身體上訓(xùn)練，最接近真實(shí)情況，但是尸體來源稀少且受到嚴(yán)格限制;在教學(xué)模型上進(jìn)行訓(xùn)練，是目前普遍采取的辦法，但可供訓(xùn)練的模型種類尚不能滿足訓(xùn)練要求[3]。

以上是我們在骨科臨床教學(xué)中所面臨的的現(xiàn)狀。

1.2 新時代面臨的挑戰(zhàn)

習(xí)近平總書記提出的“健康中國2030 規(guī)劃綱要”，指明了為人民健康服務(wù)、提高人民健康水平的醫(yī)學(xué)事業(yè)發(fā)展目標(biāo)。當(dāng)下，老百姓對健康生活的向往、對高水平醫(yī)學(xué)人才的需求與相對滯后的臨床教學(xué)/人才培養(yǎng)方法之間產(chǎn)生了矛盾。如何培養(yǎng)高水平醫(yī)學(xué)人才成為亟需解決的問題。

在骨科，由于醫(yī)生的工作大多要修復(fù)損傷甚至畸變的骨骼結(jié)構(gòu)。要想成為符合新時代要求的骨科醫(yī)生，學(xué)生需要在病變骨骼解剖結(jié)構(gòu)和動手操作方面打下扎實(shí)基礎(chǔ)[4]。如何培養(yǎng)學(xué)生這兩方面的能力是骨科臨床教學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)。

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的新時代，我們不應(yīng)該故步自封于傳統(tǒng)教學(xué)方式中，如何合理應(yīng)用“黑科技”輔助教學(xué)成為我們關(guān)注的重點(diǎn)。具體到骨科臨床教學(xué)，我們最關(guān)注的是: 如何找到一種既可以經(jīng)濟(jì)、直觀、形象展示病變骨骼結(jié)構(gòu)，能最終回歸到輔助學(xué)生提高影像學(xué)判讀能力，又可以給學(xué)生提供動手訓(xùn)練機(jī)會的“黑科技”。

2 3D 打印技術(shù)的興起和在骨科臨床教學(xué)中應(yīng)用的情況

誕生于20 世紀(jì)90 年代的3D打印技術(shù)是以數(shù)字模型為依據(jù)，通過逐層打印疊加可黏合材料，制造實(shí)體復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型[4]。作為一種新型快速成型、制造技術(shù)，3D 打印可以與數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像設(shè)備結(jié)合，定制個性化的生物材料，因此越來越為醫(yī)學(xué)界，尤其是骨科所青睞。受到啟發(fā)的教育工作者想到，既然3D 打印技術(shù)可以用于為患者制造匹配的骨關(guān)節(jié)耗材，我們也可以使用3D 打印技術(shù)去制造我們所需要的骨骼病變結(jié)構(gòu)。這樣，3D 打印技術(shù)可以有效解決骨科臨床教學(xué)所面臨的教師講不清病變結(jié)構(gòu)，難以培養(yǎng)學(xué)生影像學(xué)判讀能力，學(xué)生缺乏訓(xùn)練機(jī)會等問題。

目前，3D 打印技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)一些醫(yī)學(xué)院/醫(yī)院用于骨科臨床教學(xué)。我們從3D 打印模型的數(shù)字建模，3D 打印模型在教學(xué)里的具體應(yīng)用及教學(xué)效果對其做初步總結(jié)。

2.1 3D 打印模型的數(shù)字建模

3D 打印模型的制造和材料在這里不加贅述，我們著重討論目前構(gòu)建數(shù)字模型所依據(jù)的（數(shù)字化）影像檢查資料，即分別基于CT 或MRI 建立模型的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1.1 基于CT 資料的優(yōu)缺點(diǎn)

目前國內(nèi)3D 打印構(gòu)建模型最常使用的數(shù)據(jù)是CT，CT是一種在各級醫(yī)院廣泛應(yīng)用的X 射線三維透視成像技術(shù)，具有良好的空間分辨率以及較薄的重建掃描層厚（見圖2），具有費(fèi)用低、成像快等諸多優(yōu)點(diǎn)。

圖2 薄層CT 掃描示患者手部

但是CT 成像所使用的是電離輻射（X 線光），存在有害的生物效應(yīng); 并且CT 對軟組織（軟骨、肌肉、血管、神經(jīng)）顯示較差。骨關(guān)節(jié)CT 檢查僅僅用于顯示關(guān)節(jié)各骨結(jié)構(gòu)是否完整，而不能用于關(guān)節(jié)內(nèi)軟組織（韌帶、半月板、關(guān)節(jié)囊）的顯示[5]。所構(gòu)建的模型不能很好地反映病變部位的解剖關(guān)系。

但由于種種條件限制，目前在國內(nèi)骨科臨床教學(xué)領(lǐng)域，3D 打印數(shù)字模型的構(gòu)建采用的基本都是患者的CT資料。

2.1.2 基于MRI 資料的優(yōu)缺點(diǎn)

MRI 也是在醫(yī)院得以廣泛應(yīng)用的多平面、多參數(shù)、多序列成像技術(shù)，具有極高的軟組織分辨能力。在關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)（如半月板、軟骨、韌帶）的顯示上具有獨(dú)特優(yōu)勢?？梢院芎玫?、真實(shí)地反映病變部位的解剖關(guān)系。此外，MRI 是一種無電離輻射的檢查方式，沒有有害的電離輻射[5]。遺憾的是，MRI 檢查較為麻煩; 對于在體內(nèi)已經(jīng)植入金屬制品的患者，不能接受MRI 檢查。目前，在骨科臨床教學(xué)里，數(shù)字模型的構(gòu)建幾乎沒有用到患者的MRI 資料。

2.2 3D 打印模型在教學(xué)里的應(yīng)用

2.2.1 3D 打印模型應(yīng)用在PBL 法中 輔助學(xué)習(xí)

PBL（problem based learning）又稱以基于問題導(dǎo)向的學(xué)習(xí)，這種方法已被教育界廣泛接受，并應(yīng)用于骨科臨床教學(xué)中。西安交通大學(xué)杜恒等[6]研究發(fā)現(xiàn)，PBL 教學(xué)所使用的是預(yù)先設(shè)計好的案例。在整個病例討論過程中學(xué)生對疾病的討論只建立在預(yù)先給定的材料上，不能親身感受查體。通過單純的PBL 討論課，學(xué)生們不能將所學(xué)的理論知識在患者身上逐一驗證，難以真正提高對某種疾病的認(rèn)識。這一點(diǎn)尤其體現(xiàn)在外科（骨科）疾病中。但是，當(dāng)3D 打印模型加入到PBL 教學(xué)中后，浙江大學(xué)唐夢齡等[4]發(fā)現(xiàn)在PBL 中應(yīng)用3D 打印模型，可以為實(shí)驗組同學(xué)提供感知結(jié)構(gòu)以及動手訓(xùn)練的機(jī)會。一段時間后，實(shí)驗組在操作技能、理論學(xué)習(xí)以及在學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的評價中遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于只使用PBL法的對照組。這樣的結(jié)果足以提示，骨科學(xué)理論知識的掌握和局部解剖的理解是相輔相成的。3D 打印模型展示解剖結(jié)構(gòu)方面的獨(dú)特優(yōu)勢讓學(xué)生更加易于理解病變局部解剖結(jié)構(gòu)的變化。所以，3D 打印模型可以有效彌補(bǔ)PBL 教學(xué)重理論、輕實(shí)踐的缺陷; 讓學(xué)生對病變骨骼結(jié)構(gòu)的理解更加透徹，從而解決我們在教學(xué)中面臨的講不清病變解剖結(jié)構(gòu)的問題。

圖3 是華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院在PBL 教學(xué)中使用到的3D 打印教學(xué)模型（骨盆）。通過在課堂教學(xué)中讓學(xué)生不斷觀察3D 打印模型，授課教師普遍發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)PBL 課堂授課（僅有文字材料）的學(xué)生，使用3D 模型輔助學(xué)習(xí)的學(xué)生對于復(fù)雜部位結(jié)構(gòu)，以及其他學(xué)科相關(guān)的知識（如產(chǎn)科學(xué)中骨產(chǎn)道徑線長度的測量）的理解和掌握要更為透徹。借助直觀立體的教學(xué)模型，教師擺脫了枯燥冗長、抽象難解的課本文字，直接在模型上做教學(xué)答疑。學(xué)生在討論問題時也可以擺脫抽象“文字爭論”轉(zhuǎn)而采用更加客觀準(zhǔn)確，直觀的實(shí)物說明方式，充分發(fā)揮PBL 教學(xué)的優(yōu)勢。

圖3 通過3D 教學(xué)模型可以直觀感受圖1 所示復(fù)雜部位結(jié)構(gòu)

2.2.2 3D 打印模型結(jié)合計算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù) 輔助練習(xí)

3D 打印模型不僅可以用于直觀展示病變局部的解剖特點(diǎn)，揭示疾病的損傷機(jī)制; 還可以用于為學(xué)生提供動手訓(xùn)練平臺。遺憾的是，受限于各種條件，這項教學(xué)手段還未在我校開展。我們無法獲得第一手的實(shí)驗數(shù)據(jù)。但借助文獻(xiàn)以及公開的報道，我們還是可以窺知一二。

在3D 打印模型如何用于學(xué)生動手訓(xùn)練方面，中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院周曉樞等[3]做了如下探索: 他們的做法是將3D打印模型與在神經(jīng)外科手術(shù)中常使用的計算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合，讓學(xué)生在計算機(jī)輔助導(dǎo)航的引導(dǎo)下在3D 打印模型上進(jìn)行操作訓(xùn)練。訓(xùn)練過程中，計算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可以實(shí)時顯示手術(shù)器械的的操作情況;還可以通過即時反饋機(jī)制，實(shí)時反饋操作者在操作過程中出現(xiàn)的錯誤[7]，促使學(xué)生通過不斷地練習(xí)提高手術(shù)精準(zhǔn)度。通過了解系統(tǒng)記錄并且反饋的問題，學(xué)生可以在訓(xùn)練結(jié)束后自我反思，調(diào)整自我訓(xùn)練計劃，加強(qiáng)對薄弱環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。其最終結(jié)果表明，3D打印模型上動手訓(xùn)練過的同學(xué)在操作水平上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過那些沒有參加訓(xùn)練的同學(xué)。這種方法可以有效解決教學(xué)過程中面臨的學(xué)生動手難問題。

然而，這種方法面臨的最大困難是經(jīng)濟(jì)上難以實(shí)現(xiàn)，很難在全國所有的教學(xué)醫(yī)院進(jìn)行推廣。但可以作為一種有益的嘗試，在有條件地區(qū)和醫(yī)院開展。

2.2.3 傳統(tǒng)課堂教學(xué)結(jié)合3D 打印教學(xué) 輔助學(xué)習(xí)

在外校的臨床教學(xué)中，根據(jù)廣東醫(yī)科大學(xué)楊大志等[8]的研究: 在骨科臨床教學(xué)中，將患者的影像檢查資料用3D打印機(jī)打印成1∶1 大小模型。將隨機(jī)選取的學(xué)生分為實(shí)驗組和對照組，實(shí)驗組在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中加入3D 打印模型，而對照組還是采用傳統(tǒng)的課堂授課方式。最后通過理論考核、標(biāo)準(zhǔn)化患者考核及主觀評價比較教學(xué)效果等手段證實(shí):實(shí)驗組學(xué)生的理論考核成績、標(biāo)準(zhǔn)化患者考核、學(xué)習(xí)能力、理解能力、實(shí)踐操作能力等方面評分均優(yōu)于對照組。另據(jù)廣州中醫(yī)藥大學(xué)張華[9]的研究，在臨床上選擇80 名學(xué)生，隨機(jī)均等分為實(shí)驗組和對照組。在實(shí)驗組教學(xué)里選用在臨床中有代表性的案例，制備1∶1 等大的3D 打印傷情模型。讓實(shí)驗組學(xué)生做出最佳的治療方案，并在模型中進(jìn)行手術(shù)操作。對照組學(xué)生仍繼續(xù)接受傳統(tǒng)的課堂授課教學(xué)。最終結(jié)果表明，經(jīng)過2 種不同的教學(xué)方法，實(shí)驗組學(xué)生的學(xué)習(xí)效果明顯優(yōu)于對照組，而且在對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)積極性、自學(xué)能力方面的問卷調(diào)查中，實(shí)驗組學(xué)生的調(diào)查結(jié)果亦優(yōu)于對照組。

2.3 教學(xué)效果總結(jié)

綜上，在骨科學(xué)生的臨床教學(xué)中應(yīng)用3D 打印模型，較之以往的教學(xué)方法，可以有效地解決教學(xué)中所面臨的教師講解病變結(jié)構(gòu)困難、學(xué)生動手機(jī)會缺乏的問題。全方位地改善學(xué)生對知識和臨床技能的掌握，提升學(xué)生對學(xué)習(xí)骨科的積極性和動力。

但是筆者也注意到，由于3D 打印模型帶來的教學(xué)上的便利和認(rèn)知上的直觀，醫(yī)學(xué)影像學(xué)的教學(xué)則容易被教師忽視。這是一個需要被糾正的教學(xué)失誤。3D 打印技術(shù)應(yīng)用在骨科臨床教學(xué)的目的之一是為了更好地幫助學(xué)生提高影像學(xué)判讀能力，所以我們不能在教學(xué)中“舍本逐末”。在教學(xué)中，當(dāng)學(xué)生已經(jīng)通過3D打印模型直觀地掌握了病變骨骼的結(jié)構(gòu)后，還是要回歸到醫(yī)學(xué)影像學(xué)的教學(xué)中，最終在一次次的訓(xùn)練教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生通過閱片分析病變骨骼結(jié)構(gòu)的能力。

從以上種種結(jié)果分析，筆者推薦的新教學(xué)方案是: 教師先在傳統(tǒng)課堂授課上或者PBL教學(xué)里使用3D打印模型讓學(xué)生理解清楚疾病的病理解剖，加深對書本理論知識的理解;隨后要一方面通過立體模型與影像學(xué)資料結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生的讀片能力，另一方面在計算機(jī)導(dǎo)航的輔助下進(jìn)行動手訓(xùn)練。這樣做，可以彌補(bǔ)學(xué)生空間想象能力不足和動手實(shí)踐缺乏。通過這種方法培養(yǎng)出的學(xué)生，其醫(yī)學(xué)素質(zhì)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)，可以達(dá)到新時代人才培養(yǎng)的要求。

3 3D 打印模型在骨科臨床教學(xué)中的展望

3.1 優(yōu)勢所在

（1）3D 打印技術(shù)自身的特點(diǎn)要求其必須依托具體的病例來實(shí)施。建立3D 打印數(shù)字模型所需要的影像學(xué)數(shù)據(jù)，可以從醫(yī)院的病例數(shù)據(jù)庫中獲得。打印獲得的3D 模型可以作為病例數(shù)據(jù)庫的一個組成部分，整體運(yùn)用到臨床教學(xué)中。這種結(jié)合能夠充實(shí)醫(yī)院病例數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容[10]。

（2）3D 打印模型能夠使患者影像學(xué)檢查資料真實(shí)、直觀、立體地展示在學(xué)生面前（見圖4）。視覺與觸覺的直接感受減少了對學(xué)生空間想象力的要求。學(xué)生也可以在教師的講解下對病變局部解剖結(jié)構(gòu)有更深的認(rèn)識。輔助提高學(xué)生影像學(xué)判讀能力。

圖4 基于圖2 CT 圖像所打印出的患者手部模型

（3）借助3D 打印模型和計算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的輔助，學(xué)生可獲得在模型上操作訓(xùn)練的機(jī)會，親身體會骨科操作，從而在在保證醫(yī)療安全的前提下，培養(yǎng)了學(xué)生的操作能力。

（4）3D 打印模型使用的可重復(fù)性保證了教學(xué)成本在經(jīng)濟(jì)承受范圍內(nèi)，可以推廣開展。

3.2 不足之處

3D 打印模型雖然在一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)有教學(xué)手段的缺陷，但受限于3D 打印技術(shù)本身的發(fā)展，目前采用3D 打印技術(shù)制造出來的模型仍存在以下不足:現(xiàn)在制造出的3D 打印模型沒有附著的軟組織，不能顯示同行血管、神經(jīng)、肌肉等軟組織的分布;3D 打印技術(shù)在臨床上仍處于應(yīng)用的初級階段，其技術(shù)本身還需要工程學(xué)和材料學(xué)的不斷完善;利用3D 打印模型進(jìn)行動手訓(xùn)練，與在實(shí)際人體操作相比，尚達(dá)不到完全一致[1,6]。

3.3 前景展望

總而言之，目前受限于工程學(xué)和材料學(xué)的發(fā)展，3D 打印技術(shù)在臨床上的應(yīng)用仍然處于初級階段，我們還無法制造出與實(shí)際病例完全一致的模型/植入物供臨床使用。但毫無疑問的是，3D 打印技術(shù)所制造的模型/植入物已經(jīng)能夠滿足骨科臨床教學(xué)的要求。具備在骨科臨床教學(xué)中廣泛使用的基礎(chǔ)。我們相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D 打印技術(shù)現(xiàn)存的缺陷將得到解決[11-13]，3D 打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用必將進(jìn)一步深化。