3D打印技術(shù)在脊柱畸形椎弓根螺釘置入教學(xué)中的應(yīng)用*

王升儒 杜悠 余偉杰 許曉林 葉笑寒 李芷儀 仉建國(guó)

（中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院骨科，北京 100730）

椎弓根螺釘技術(shù)是20 世紀(jì)60 年代逐漸興起的脊柱內(nèi)固定技術(shù)，并逐漸應(yīng)用于脊柱創(chuàng)傷、腫瘤及畸形等領(lǐng)域[1,2]。脊柱畸形是脊柱外科中最為復(fù)雜的一類疾病，手術(shù)治療脊柱畸形具有操作復(fù)雜、難度大、風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)。在脊柱畸形外科手術(shù)中，椎弓根螺釘置入是最基本的手術(shù)操作，但由于畸形的脊柱解剖結(jié)構(gòu)變異豐富，為三維結(jié)構(gòu)畸形，且常伴有椎弓根發(fā)育不良，因此初學(xué)者理解脊柱畸形的特點(diǎn)需要強(qiáng)大的空間想象能力和理解力?，F(xiàn)階段，脊柱畸形手術(shù)椎弓根螺釘置入的教學(xué)大多還處于書本理論學(xué)習(xí)，手術(shù)中上級(jí)醫(yī)師手把手指導(dǎo)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，存在實(shí)操機(jī)會(huì)少、學(xué)習(xí)曲線長(zhǎng)等問題[3-5]。

近年來，3D 打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于骨科領(lǐng)域[6]，可借助3D打印模型輔助手術(shù)治療，如各種類型的3D打印導(dǎo)向板，應(yīng)用3D 打印技術(shù)制造個(gè)性化內(nèi)植物等。也可應(yīng)用3D 打印模型進(jìn)行臨床教學(xué)[7]。本研究旨在將3D 打印技術(shù)引入脊柱畸形椎弓根螺釘置入教學(xué)中，嘗試提高教學(xué)效果，縮短學(xué)習(xí)曲線。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

納入標(biāo)準(zhǔn)：①已通過基礎(chǔ)及臨床階段各項(xiàng)考核進(jìn)入臨床輪轉(zhuǎn)或?qū)嵙?xí)階段；②輪轉(zhuǎn)骨科時(shí)間少于6個(gè)月。經(jīng)過篩選，本研究納入2019 年9 月至2021 年6月在讀骨科專業(yè)型碩士研究生12人以及八年制骨科實(shí)習(xí)醫(yī)師24 人作為研究對(duì)象，隨機(jī)分入對(duì)照組和試驗(yàn)組，兩組人員構(gòu)成、年齡、臨床輪轉(zhuǎn)進(jìn)度基本相同。

帶教老師為北京協(xié)和醫(yī)院骨科脊柱外科專業(yè)組高年資主治醫(yī)師，目前可獨(dú)立完成各種脊柱畸形矯形手術(shù)。

1.2 教學(xué)方法

對(duì)照組：應(yīng)用正常脊柱模型、示意圖、椎弓根螺釘置入器械、術(shù)中椎弓根螺釘置入全程視頻進(jìn)行教學(xué)。首先，帶教老師應(yīng)用正常脊柱模型及示意圖指導(dǎo)學(xué)員辨認(rèn)椎弓根螺釘置入相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，不同節(jié)段脊椎椎弓根的長(zhǎng)度、粗細(xì)以及角度。然后，帶教老師指導(dǎo)辨認(rèn)椎弓根螺釘置入所需器械及其使用方式。最后，邊放映手術(shù)視頻，邊講解椎弓根螺釘置入方法，重點(diǎn)內(nèi)容包括置釘步驟、置釘點(diǎn)、置釘角度等。

試驗(yàn)組：選取在我院行手術(shù)治療的青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者，獲取術(shù)前全脊柱CT薄掃影像資料，通過Mimics 15.0 軟件構(gòu)建三維重建模型，并應(yīng)用聚乳酸材料打印出1∶1 的3D 全脊柱模型（圖1）。帶教老師應(yīng)用3D 打印模型進(jìn)行教學(xué)及模擬置釘操作示范，教學(xué)過程與對(duì)照組相似。最后，學(xué)員兩人一組相互配合，在帶教老師指導(dǎo)下于脊柱畸形3D 模型上練習(xí)椎弓根螺釘置入。

圖1 教學(xué)用3D打印全脊柱模型

1.3 教學(xué)效果評(píng)估方法

授課結(jié)束后即刻進(jìn)行解剖結(jié)構(gòu)辨識(shí)考核及調(diào)查問卷。解剖結(jié)構(gòu)辨識(shí)考核為面試，帶教老師要求學(xué)員辨認(rèn)脊柱畸形3D 打印模型上10 個(gè)與椎弓根螺釘置入相關(guān)的解剖結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)辨識(shí)正確得10分，總分100分。調(diào)查問卷用于學(xué)習(xí)效果自我評(píng)價(jià)（包括課程專注度、學(xué)習(xí)效率、技能掌握程度）及課程評(píng)價(jià)（包括課程評(píng)價(jià)、教育評(píng)價(jià)）。

授課結(jié)束后，兩組學(xué)員繼續(xù)在脊柱外科輪轉(zhuǎn)1個(gè)月。這期間要求所有學(xué)員至少參與脊柱畸形矯正手術(shù)10臺(tái)，并在上級(jí)醫(yī)師指導(dǎo)下進(jìn)行椎弓根螺釘置入，同時(shí)試驗(yàn)組可應(yīng)用3D打印模型進(jìn)行脊柱畸形椎弓根螺釘置入訓(xùn)練。1個(gè)月后進(jìn)行實(shí)操考核，實(shí)操考核要求所有學(xué)員在脊柱畸形3D打印模型上完成3對(duì)椎弓根螺釘置入：1對(duì)胸椎螺釘，1對(duì)腰椎螺釘，1對(duì)脊柱畸形頂椎區(qū)域螺釘?？己酥笜?biāo)包括：3對(duì)螺釘置入總時(shí)間，置釘成功率（若進(jìn)釘點(diǎn)錯(cuò)誤、椎弓根壁穿破，椎體皮質(zhì)完整性破壞，均判定為置釘失敗），以及住院醫(yī)師手術(shù)操作通用評(píng)分表[8]。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量數(shù)據(jù)采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，進(jìn)行t檢驗(yàn)，P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

課后解剖結(jié)構(gòu)辨識(shí)考核中，試驗(yàn)組得分顯著高于對(duì)照組[（89.3±7.5）分比（81.7±6.3）分，P＜0.05]。學(xué)員學(xué)習(xí)效果的自我評(píng)價(jià)中，試驗(yàn)組各項(xiàng)評(píng)分也顯著高于對(duì)照組（P＜0.05，表1）。試驗(yàn)組對(duì)課程評(píng)價(jià)及教育評(píng)價(jià)更為滿意（P＜0.05，表1）。課后1 個(gè)月，試驗(yàn)組置釘時(shí)間較對(duì)照組更短，成功率更高（P＜0.05），操作評(píng)分也更高（P＜0.05），見表2。

表1 兩組學(xué)習(xí)效果自我評(píng)價(jià)結(jié)果、教學(xué)效果比較（，分）

表1 兩組學(xué)習(xí)效果自我評(píng)價(jià)結(jié)果、教學(xué)效果比較（，分）

表2 兩組置釘時(shí)間、置釘成功率及操作通用評(píng)分比較（）

表2 兩組置釘時(shí)間、置釘成功率及操作通用評(píng)分比較（）

3 討論

3.1 脊柱畸形椎弓根螺釘置入教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

近50 多年來，椎弓根螺釘置入技術(shù)已經(jīng)逐漸成為脊柱外科醫(yī)師最基本的手術(shù)操作技術(shù)之一。而椎弓根螺釘置入的教學(xué)與臨床訓(xùn)練仍然處在書本理論學(xué)習(xí)，手術(shù)中上級(jí)醫(yī)師手把手指導(dǎo)的傳統(tǒng)教學(xué)階段，初級(jí)醫(yī)師面臨著實(shí)操機(jī)會(huì)少，學(xué)習(xí)曲線長(zhǎng)的困難。尸體標(biāo)本訓(xùn)練是教學(xué)的有益補(bǔ)充，但仍然存在成本高、尸源少、標(biāo)本退變嚴(yán)重等困難[9]。

畸形脊柱存在椎體旋轉(zhuǎn)、椎弓根纖細(xì)、解剖變異等問題，徒手置入椎弓根螺釘?shù)膶W(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)；單就畸形脊柱胸腰椎椎弓根螺釘來說，需要置入60～80顆螺釘，才能初步具備獨(dú)立置釘?shù)哪芰3-5,10]。Cahil 等的研究表明，對(duì)于青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者，手術(shù)經(jīng)驗(yàn)5 年以下的醫(yī)師，置釘時(shí)的出血量、手術(shù)時(shí)間以及置釘失敗率顯著高于手術(shù)經(jīng)驗(yàn)5 年以上的醫(yī)師[11]。已有研究表明，相比于僅應(yīng)用常規(guī)教學(xué)模型進(jìn)行演示教學(xué)，應(yīng)用尸體標(biāo)本以及Sawbones 模型進(jìn)行模擬訓(xùn)練可以顯著降低初學(xué)者置釘失敗率[12,13]。為了縮短徒手置釘?shù)膶W(xué)習(xí)曲線，并提供更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，我們?cè)噲D尋找更為貼近臨床真實(shí)情景的模型為初學(xué)者進(jìn)行日常訓(xùn)練。

3.2 3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)的應(yīng)用

3D打印技術(shù)是近20年來興起的一項(xiàng)新興技術(shù)，是一類以數(shù)字模型為模版，可以快速生成物理模型的打印技術(shù)。近些年來，3D 打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

在骨科臨床教學(xué)方面，3D 打印模型可以將復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來，幫助低年資醫(yī)師更直觀地理解不同疾病的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及變化。尤其是對(duì)于骨骼畸形以及復(fù)雜骨折的臨床教學(xué)，3D 打印具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。高鵬等[7]應(yīng)用3D 打印模型進(jìn)行重度下肢畸形的臨床教學(xué)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用3D 打印模型教學(xué)的初級(jí)醫(yī)師對(duì)復(fù)雜畸形特點(diǎn)的理解和治療方法的掌握相較于傳統(tǒng)教學(xué)手段明顯提高。Huang 等[14]的多中心隨機(jī)對(duì)照研究表明，相較于虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)及普通骨骼模型輔助教學(xué)，3D 打印模型可以幫助初級(jí)醫(yī)師更好地理解髖臼的正常解剖結(jié)構(gòu)，識(shí)別髖臼骨折的方法，以及髖臼骨折的受傷機(jī)制。Cai等[15]的多中心隨機(jī)對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，針對(duì)枕頸交界區(qū)域畸形，3D打印模型可以直觀展示枕頸交界區(qū)域畸形的結(jié)構(gòu)，幫助初級(jí)醫(yī)師理解各類畸形的特點(diǎn)；將3D打印與X線片及CT一同應(yīng)用于教學(xué)，初級(jí)醫(yī)師影像學(xué)閱片能力也大大提高。

3.3 3D打印技術(shù)對(duì)脊柱畸形椎弓根螺釘置入教學(xué)的幫助

將3D打印模型引入脊柱畸形椎弓根螺釘置入教學(xué)，不僅能幫助初級(jí)醫(yī)師理解和掌握畸形脊柱的解剖結(jié)構(gòu)，還能為初級(jí)醫(yī)師提供更為貼近患者真實(shí)情況的模型進(jìn)行螺釘置入練習(xí)。本研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)組應(yīng)用3D 打印模型教學(xué)后，其辨識(shí)各個(gè)重要解剖結(jié)構(gòu)的能力顯著強(qiáng)于對(duì)照組，這主要?dú)w功于3D 打印模型幫助初級(jí)醫(yī)師快速在腦海中形成了清晰的三維結(jié)構(gòu)，上級(jí)醫(yī)師在教學(xué)中更容易傳達(dá)經(jīng)驗(yàn)。譬如椎弓根峽部和人字嵴的概念，在傳統(tǒng)教學(xué)中僅能依賴二維圖片及文字描述進(jìn)行教學(xué)，圖片上峽部和人字嵴是平面化的，極為抽象，大多數(shù)初級(jí)醫(yī)師無法理解。手術(shù)中的教學(xué)又因?yàn)樾g(shù)中暴露脊柱范圍有限，初級(jí)醫(yī)師無法獲得全面的整體觀，難以理解為何可參照峽部及人字嵴進(jìn)行置釘。結(jié)合3D 打印模型，既可通過直觀的通過觸覺理解椎弓根的最低點(diǎn)、峽部嵴、附突嵴，也可理解為何可應(yīng)用人字嵴定點(diǎn)作為椎弓根螺釘?shù)闹冕旤c(diǎn)。本研究還發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用3D 打印模型教學(xué)，初級(jí)醫(yī)師的學(xué)習(xí)效率及專注程度顯著增高，可激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升課程參與度，可以改變說教式的臨床教學(xué)現(xiàn)狀。通過3D 打印模型的練習(xí)，初級(jí)醫(yī)師進(jìn)行椎弓根螺釘置入的時(shí)間大大縮短，置釘成功率及操作評(píng)分也顯著高于對(duì)照組。實(shí)際操作練習(xí)一直是臨床醫(yī)學(xué)教育的難點(diǎn)，尤其是像椎弓根螺釘置入這樣高風(fēng)險(xiǎn)的操作。3D 打印模型的出現(xiàn)，可以幫助初級(jí)醫(yī)師進(jìn)行反復(fù)操作練習(xí)，練習(xí)過程中既不會(huì)威脅患者的安全，也可以獲得最貼近真實(shí)的體驗(yàn)，在未來希望可以縮短椎弓根螺釘置入的學(xué)習(xí)曲線。同時(shí)，3D 打印模型也為帶教老師提供了新的考核模型，解決了既往很多臨床基本操作無法考核的尷尬情況。

3D打印技術(shù)應(yīng)用于脊柱畸形椎弓根螺釘置入也存在一定不足：目前3D 打印模型尚不能完全模擬骨皮質(zhì)及骨松質(zhì)的觸感。本研究應(yīng)用聚乳酸材料進(jìn)行3D 打印，在置釘過程中突破骨皮質(zhì)進(jìn)入骨松質(zhì)有一部分觸感，但大部分醫(yī)師反饋仍無法完全模擬人體真實(shí)骨骼。聚乳酸材料基本可以承受操作時(shí)的應(yīng)力，在我們的實(shí)踐中，沒有出現(xiàn)因材料強(qiáng)度不足而導(dǎo)致的模型損壞，并且能夠承受椎弓根螺釘置入時(shí)的扭力。但同時(shí)，聚乳酸3D打印模型成本較高，在未來的實(shí)踐中仍需尋找更好的材料以模擬最真實(shí)的臨床體驗(yàn)。另外，本研究中的3D 打印模型僅包含骨骼結(jié)構(gòu)，周圍無軟組織附著，缺乏軟組織支撐，這與真實(shí)情景尚存在差距。未來，可應(yīng)用3D 打印機(jī)同時(shí)打印出脊柱周圍軟組織，進(jìn)行經(jīng)皮椎弓根螺釘置入、椎板切除、神經(jīng)根減壓等脊柱外科基本技能教學(xué)模擬。

4 結(jié)論

將3D打印模型引入脊柱畸形椎弓根螺釘置入教學(xué)切實(shí)可行，既可幫助初級(jí)醫(yī)師感性認(rèn)識(shí)記憶各類復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)，理解脊柱三維畸形，也可作為極佳的操作模型為初級(jí)醫(yī)師提供動(dòng)手練習(xí)機(jī)會(huì)。在未來，可將3D打印技術(shù)全面引入脊柱外科醫(yī)師的培養(yǎng)過程中，幫助提升臨床基本理論、基本知識(shí)及基本技能，縮短脊柱外科醫(yī)師培養(yǎng)曲線。