運用3D打印提高住培生骨科手術技能的研究
——以復雜骨折手術方案制定教學研究為例

管華清，張志剛，楊惠林，姜為民

（蘇州大學附屬第一醫(yī)院 骨科，江蘇 蘇州 215006）

引言

創(chuàng)傷骨科讀片基礎上的復雜骨折治療方案制定是住院醫(yī)師規(guī)范化培訓（以下簡稱住培）的弱項。只有真正理解骨折的形態(tài)學改變，才能制定適合的保守治療或者手術治療方案，進而促進醫(yī)學生向臨床醫(yī)生轉變。提高創(chuàng)傷骨科復雜骨折手術方案的制定能力對我國骨科住培而言非常重要。3D打印是熱門前沿科技之一，被眾多科學家和經(jīng)濟學家稱為“人類第三次工業(yè)革命的標志之一”。依托蘇州大學附屬第一醫(yī)院國家級示范性住院醫(yī)師規(guī)范化培訓基地的教學設備，在既往教學研究的基礎上［1］，通過本研究，結合傳統(tǒng)二維（Two Dimension,2D）醫(yī)學影像，將3D打印技術與骨科臨床有機結合，探索住培教育中提高學生復雜骨折手術方案制定能力的解決方案。

一、資料與方法

參照SHI Jian、HUANG ZF 等人的教學經(jīng)驗［2-3］，按照Kim等人的模型制作方法［4］，我們選取經(jīng)典的復雜骨折——復雜髖臼骨折進行研究。結合《住院醫(yī)師規(guī)范化培訓內容與標準（試行）》和蘇州大學8年制臨床醫(yī)學教學大綱，我們在蘇州大學附屬第一醫(yī)院影像數(shù)據(jù)庫中調取了2016年1月至2021年12月在我院接受手術治療且影像資料完整的復雜髖臼骨折病例10例，提取患者手術前的Dicom格式64排螺旋CT薄層平掃圖像，依托蘇州大學骨科研究所的Solido SD300快速成型機等相關技術設備，圖像修飾完善后打印制作1∶1等大的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride,PVC）3D立體模型。Solido SD300快速成型機通過將PVC工程塑料薄膜的切割和疊加，9小時左右可以將1∶1等大髖臼骨折模型快速成型。

髖臼骨折模型完成后，召開住培生疑難病例討論會。在會上觀看髖臼骨折術前影像資料（包括髖關節(jié)正位片、左右45°斜位片、髖關節(jié)CT平掃圖片、冠狀面和矢狀面重建片、三維立體重建），通過參照骨折線3D走向，討論骨折類型和治療方案；在確定手術治療的前提下討論手術入路的制定；采用可塑性鋼板或無害超輕黏土制成骨科內固定（鋼板、螺釘）器械，模擬手術內固定操作；參考病例手術后的影像資料，與之前討論的手術方案相比較，討論手術方案的優(yōu)劣；等等，考查住培生對復雜骨折的骨折線3D走向、手術入路選擇、內固定擺放位置等方面的理解。

二、結果

在《骨盆和髖臼骨折》章節(jié)的教學中結合3D骨折模型的教學方式，激發(fā)了住培生濃厚的學習興趣。住培生在仔細研究骨折模型的骨折線3D走向后，可以較為快速地掌握髖臼Judet-Letournel髖臼骨折分型。這種分型將髖臼骨折分為簡單骨折和復雜骨折兩大類10種骨折。由于髖臼解剖結構的復雜性，髂骨翼至閉孔環(huán)不在同一平面，并且兩者之間在存在一定的空間角度，既往為了完整直觀地顯示髖臼骨折的全貌，需同時拍攝骨盆正位、髂骨斜位和閉孔斜位X線片、CT平掃+重建來全面分析髖臼骨折的類型。在有限的骨科住培期間，通過X線片、CT來掌握如此復雜的骨折是不少住培生的學習難點。參照3D模型可快速理清教學難點，學生反映良好。

參照3D模型，住培生能夠做出較為明了的手術入路選擇。我們將患者術前的患側髖臼打印制作1∶1等大的PVC三維立體模型。結合立體模型，討論手術入路的選擇，講述選擇S-P（Smith-Petersen）前入路、K-L（Kocher-Langenbeck）后入路、前后聯(lián)合入路、髂腹股溝入路、（改良）Stoppa入路的手術方法［4］。其中S-P入路是一種前路的手術方法，可以經(jīng)過肌肉血管神經(jīng)間隙進行髖臼前中柱損傷的治療，一定要避免髂血管及股神經(jīng)的損傷；K-L入路是一種后路的手術，主要涉及髖臼的后柱的損傷，這種情況一定要避免坐骨神經(jīng)的損傷；前后聯(lián)合入路主要涉及前中后柱的損傷；髂腹股溝入路是Letournel和Judet于1993年首次報道的用于治療大部分髖臼前柱骨折的方法，該入路可暴露整個髂窩內側面和骶髂關節(jié)至恥骨聯(lián)合間骨盆前緣，包括間接暴露四方區(qū)；（改良）Stoppa入路是Cole和Bolhofner于1994年報道的切開復位內固定治療髖臼前柱骨折的另一種方法，術中手術醫(yī)生站于對側即可直視骨盆前柱。通過3D模型，可以更加生動地了解各個手術入路的適應癥和各自的優(yōu)劣，結合患者手術后的影像資料，討論各種手術方案的優(yōu)劣。

參照3D模型，可以顯著加深學生對內固定擺放位置等方面的理解。我們采用可塑性鋼板或者無害超輕黏土塑形后模擬骨科內固定（鋼板、螺釘）器械，對照病例的手術前后影像資料，模擬內固定手術操作，加深住培醫(yī)師對骨科臨床治療方案的理解。最后參考病例手術后的影像資料，與之前討論的手術方案相比較，討論手術方案的優(yōu)劣。

三、討論

骨科是一門實踐性和專業(yè)性均較強的學科，骨科的基本技能是讀片，只有讀懂了片子，才能制定合理的治療方案。如何通過時間有限的住培學習，提高住培醫(yī)師的骨科讀片能力尤為重要。骨科讀片能力一直是住培醫(yī)師的弱項，人體骨骼解剖形態(tài)復雜，復雜骨折的形態(tài)往往難于理解，而骨折形態(tài)分析對于疾病的診斷和治療至關重要。讓參加住培的住院醫(yī)師記住骨科條條框框的理論相對容易，而切實提高他們的骨科讀片能力就困難得多了。只有真正讀懂骨折影像片子，才能切實理解骨折疾病。提高骨科讀片能力對于我國骨科的住培而言，具有重要意義。

適當?shù)亓私夤钦鄣男螒B(tài)，特別是復雜的骨骼結構，是一個基本的教育組成部分［5］。骨骼解剖結構的一些復雜部分，如髖臼和骨盆，如果學生僅學習2D圖像，很難充分理解相對骨折的形態(tài)特征，在他們的頭腦中創(chuàng)建3D概念非常困難。醫(yī)學院的人體標本稀少，通常是正常類型的無骨折標本；同樣，可以大規(guī)模生產的傳統(tǒng)人體模型也是形態(tài)正常，沒有骨折的普通模型。3D打印正好是解決這些問題的一個方案，它能夠快速建立特定并且高度精確的3D骨折模型。因此，3D打印在骨科相關的教育和培訓方面具有特殊優(yōu)勢。由Huang［3］等人進行的多中心研究中，作者比較了普通模型、虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality,VR）模型和3D模型的教學效果?？陀^結果表明，3D模型和VR模型在許多方面都優(yōu)于普通模型。而3D模型是這三種模型中的最佳選擇。調查結果顯示，學生對3D打印和VR模型的學習興趣更高。因此，3D打印模型被認為是了解髖臼骨折較有價值的學習材料。VR在可視化方面與3D打印相似，但在可觸摸性方面卻沒有3D打印的特點，這可能是導致兩種方法之間差異的原因。在主觀測試中，3D打印模型被認為是非常有價值和令人愉快的學習工具。先進的技術和新方法對學生更有吸引力。這種吸引力可以轉化為對教育資源的喜愛。由于沒有明顯的骨折表現(xiàn)，普通骨骼解剖模型在“骨折表現(xiàn)良好”和“骨折學習的有用性”方面得分較低。3D打印模型可以彌補這一缺陷。

3D打印模型的優(yōu)點在于能夠增強對解剖標志和骨折線之間的空間關系的理解，不僅可以看到三維骨折形態(tài)，還可以感受真實的骨折觸覺反饋。據(jù)Pahuta等人的理論［6］，骨折解剖有四個關鍵點：通過視覺識別骨骼表面標記、通過觸摸識別骨骼標志、理解骨折的關系、將空間關系轉化為患者的體位。髖臼骨折的傳統(tǒng)教育通常需要結合教科書和完整的骨盆模型，這可以提供骨折形態(tài)的2D視覺和非骨折情況下的觸覺反饋。在教學和真正的骨折之間存在著明顯差距，特別是在學習復雜的骨骼結構方面。三維骨折形態(tài)和真實骨折的觸覺反饋提供的信息可以縮小這一差距。3D打印技術可以從CT掃描中精確地重建立體物體，是一種很有前途的實現(xiàn)這一目標的方法。在我們看來，理想的解剖學教育遵循這樣一個過程：從視覺到觸摸，從平面到立體，從完整骨骼模型到骨折骨骼模型。

Li等人也進行了類似的研究［7］，他們采用主觀和客觀評價方法，比較了CT、3D圖像、3D模型的教學內容。采用主客觀評價方法，比較CT、3D圖像、3D模型的教學效果。評估的兩個方面都表明，3D圖像、3D模型都是更好的選擇。有趣的是，雖然3D圖像組和3D模型組的客觀結果沒有差異，但在3D圖像組中，男性接受教學的效果優(yōu)于女性，而在3D模型組中沒有出現(xiàn)。除了表明男性在空間意識方面可能優(yōu)于女性外，這一結果提醒我們，3D模型更適合教學，可以盡可能地提高男性和女性的課堂表現(xiàn)。學員還可以參照Wright等人的方法［8］，使用3D打印模型進行模擬手術。

當然，每個3D打印模型的打印費用是一筆不小的開支，這具體取決于打印部位的大小。目前醫(yī)保不覆蓋骨模型的打印費用，這需要來自我們的研究基金或教育經(jīng)費。3D打印的有效性，證明3D打印技術的廣闊發(fā)展前景。進一步降低3D打印機的價格、提高打印速度，將有助于擴展3D模型在骨科中的應用。3D打印的骨折模型便于保存，可以反復用于住培教學，長期使用將會節(jié)約教學開支，減少不必要的浪費［2］。同時，3D打印的骨折模型干凈衛(wèi)生，便于清潔消毒，減少了教學過程中傳播疾病的風險。