3D打印及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用探討—以復(fù)雜脊柱畸形治療為例

李曙明，李 萌，楊益民，杜 恒，王 瑩

西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)部第一附屬醫(yī)院骨科，西安 710061

目前，傳統(tǒng)的骨科教學(xué)，對(duì)于尚未選擇專業(yè)的醫(yī)學(xué)生來說，只是使他們有個(gè)大概的了解，但對(duì)于那些進(jìn)入臨床實(shí)習(xí)，并且已經(jīng)確定進(jìn)入骨科專業(yè)的臨床7、8年制的碩博研究生來說，則要求他們?cè)诙潭痰呐R床實(shí)習(xí)期，盡快了解和掌握骨科專業(yè)的知識(shí)，以便工作后能夠很快適應(yīng)臨床工作。

由于骨科醫(yī)生需要掌握的理論與臨床實(shí)踐知識(shí)很多，培養(yǎng)一位合格的骨科醫(yī)生也需要更長(zhǎng)的時(shí)間，怎樣找到一種更好的教學(xué)方法來縮短培養(yǎng)的時(shí)間，在更短的時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)出優(yōu)秀的骨科醫(yī)生，是每位作為教學(xué)醫(yī)院的臨床指導(dǎo)教師都需要認(rèn)真思考的問題。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是3D技術(shù)在臨床醫(yī)療、教學(xué)中的逐步應(yīng)用，使得臨床教學(xué)發(fā)生了很大的變化。為了提高骨科臨床教學(xué)效果，我們?cè)谘芯可R床教學(xué)中，引入3D打印及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，顯著提高了教學(xué)效果，現(xiàn)介紹如下:

1 3D打印及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在脊柱外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

1.1 CT資料的獲取及三維重建

在西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院影像科CT室行薄層CT掃描，掃描體位仰面平臥位，掃描范圍包括完整的脊柱畸形節(jié)段及鄰近節(jié)段，在CT工作站采用刻錄光盤的方式導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建。

1.2 3D打印制作實(shí)體模型

基于材料累加概念和疊層制造方法，在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)物體的CAD模型或CT等數(shù)據(jù)，通過材料的精確堆積制造原形的一種基于離散、堆積成型原理的數(shù)字化成型新技術(shù)，可自動(dòng)而迅速地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛑苯又圃炝慵?，這樣就可以制造出外形與結(jié)構(gòu)等同于原形的、具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的模型。CT三維重建和快速成型技術(shù)的結(jié)合使術(shù)前制造出1∶1等大的、高度仿真患者傷情的脊柱畸形模型［1-4］。

1.3 3D打印及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的教學(xué)方法

安排好時(shí)間，將學(xué)生帶到臨床實(shí)習(xí)小教室，根據(jù)進(jìn)入臨床的研究生人數(shù)，以及在科室所處的時(shí)間，可以每季度進(jìn)行一次教學(xué)，每次大約10人左右。根據(jù)臨床教學(xué)中的病例(這種病例根據(jù)教學(xué)需要，可以是現(xiàn)住院的，也可以是既往住院的)，教學(xué)前要求學(xué)生先對(duì)相關(guān)的疾病進(jìn)行預(yù)習(xí)，做到心中有數(shù)，然后開始從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過程，針對(duì)臨床表現(xiàn)及影像學(xué)資料進(jìn)行病例討論。首先讓學(xué)生針對(duì)病史、X線片、三維CT以及MRI進(jìn)行研習(xí)，如可針對(duì)枕環(huán)樞聯(lián)合畸形的病例來進(jìn)行討論，如圖1a和b(病例1)為環(huán)枕融合病例，X線片和三維CT能顯示環(huán)枕融合的畸形;圖2 a和b(病例2)X線片未見到明顯畸形，但三維CT能顯示出齒狀突先天分離。

圖1a，(病例1)，枕環(huán)樞聯(lián)合畸形，側(cè)位X線片，箭頭所指環(huán)枕融合

圖1b，(病例1)，枕環(huán)樞聯(lián)合畸形， 三維CT

采用開放式的教學(xué)方法，針對(duì)以上兩個(gè)病例讓學(xué)生進(jìn)行深入的討論，做出初步的診斷，對(duì)疾病的性質(zhì)，部位進(jìn)行判斷，學(xué)會(huì)如何看片。待學(xué)生基本取得一致意見后，再取出事先打印好的3D模型(如圖1 c(病例1)、圖2 c(病例2)為兩個(gè)病例的三維打印實(shí)體，可以360°觀察了解病人的病變情況)，讓每個(gè)學(xué)生對(duì)模型進(jìn)行全方位的觀察，反思并修正之前所做出的診斷，進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)常規(guī)影像學(xué)資料的閱讀能力。

圖2a，(病例2)，X線片側(cè)位，箭頭所指為病變處，顯示不清

圖2b，(病例2)，三維CT顯示 齒狀突先天分離

圖1c，(病例1)，3D打印實(shí)體

圖2c，(病例2)，3D打印實(shí)體

1.4 3D打印對(duì)治療方案的確定

通過對(duì)3D模型直觀地觀察，可了解病變的形態(tài)和位置，了解患者脊柱畸形的病理學(xué)全貌，明確畸形的類型，然后通過測(cè)量，選擇合適的手術(shù)入路，特別是選擇合適的椎弓根螺釘進(jìn)釘點(diǎn)、螺釘直徑及長(zhǎng)度、植入角度、深度。通過三維模型在術(shù)前預(yù)選內(nèi)固定材料種類并重建其外形(如選擇合適的鈦合金棒并預(yù)彎成需要的弧度)，必要時(shí)可以對(duì)其進(jìn)行模擬預(yù)手術(shù)操作，制定出詳盡及個(gè)體化的手術(shù)方案［5］。如圖1d(病例1)病例行枕頸融合，術(shù)后患者頸部活動(dòng)受限明顯;圖2d(病例2)僅行環(huán)樞椎融合，頸部活動(dòng)部分受限。

圖1d，(病例1)，術(shù)后X線片側(cè)位，行頸枕融合內(nèi)固定術(shù)

圖2d，(病例2)，術(shù)后側(cè)位X線 片，行環(huán)樞椎融合內(nèi)固定術(shù)

2 3D打印及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜脊柱畸形教學(xué)中的實(shí)施效果

復(fù)雜脊柱畸形患者包括:特發(fā)性脊柱側(cè)彎、先天性脊柱側(cè)彎、退變性脊柱側(cè)彎、陳舊性脊柱骨折、其他伴有椎體旋轉(zhuǎn)的脊柱畸形。

通過先觀察影像學(xué)資料并對(duì)資料進(jìn)行討論，再用3D打印的實(shí)體進(jìn)行對(duì)比與反思，結(jié)合具體的病例，進(jìn)行查體，了解患者的體征。使學(xué)生首先對(duì)患者的影像學(xué)資料有了一個(gè)較深的了解，學(xué)會(huì)如何閱片，如何判斷病情，并通過影像學(xué)資料對(duì)疾病進(jìn)行分型，并和患者的體征進(jìn)行對(duì)應(yīng)，可極大地提高學(xué)生的閱片以及對(duì)該類疾病的臨床診斷能力。

由于學(xué)生過去學(xué)習(xí)的是正常的解剖，對(duì)于畸形的脊柱缺乏感性的認(rèn)識(shí)，通過3D打印實(shí)體的具體觀察，可以很清楚地了解畸形脊柱的特點(diǎn)，還可以結(jié)合畸形情況，對(duì)學(xué)生講解脊柱畸形發(fā)生的的病因與原理，告訴他們什么是造成畸形的責(zé)任椎體。在此基礎(chǔ)上，教師再對(duì)學(xué)生進(jìn)行手術(shù)方法的講解。由于3D打印實(shí)體價(jià)格較貴，而且具有惟一性，因此不太可能讓每個(gè)學(xué)生去具體操作演練，但可由指導(dǎo)老師根據(jù)3D模型具體講述置釘?shù)姆椒?，包括椎弓根釘?shù)拈L(zhǎng)度、進(jìn)釘點(diǎn)和角度，等。再講述于責(zé)任椎處截骨的方法、范圍，等。通過在骨科實(shí)踐教學(xué)和研究生專業(yè)教育中的積極應(yīng)用，學(xué)生普遍反映教學(xué)效果良好，以往難以掌握的脊柱畸形知識(shí)點(diǎn)，通過該教學(xué)方法很快能熟識(shí)并加以應(yīng)用，大大提高了教學(xué)效率和效果。

3 討論

3.1 3D打印對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式的影響

傳統(tǒng)的骨科臨床教學(xué)模式，采用帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行查房，在患者床前進(jìn)行閱片并對(duì)片子進(jìn)行講解，或者用觀片燈、PPT等方式進(jìn)行講解，雖然相比大課教學(xué)來說，多了患者和他的影像學(xué)資料這一教學(xué)“道具”，但對(duì)學(xué)生來說，面對(duì)這些東西仍感抽象和枯燥。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，再加上計(jì)算機(jī)輔助模擬技術(shù)，使得影像學(xué)資料、患者和3D打印的實(shí)體模型有機(jī)地結(jié)合起來，并且采用先影像學(xué)資料再3D模型的順序，用漸進(jìn)式、啟發(fā)式的方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，用最快的、最直接的方式教會(huì)學(xué)生如何閱片，如何對(duì)疾病進(jìn)行分類。

3.2 3D打印對(duì)骨科術(shù)前閱片及脊柱畸形分型的決定作用

由于骨科本身的特點(diǎn)，術(shù)前需要認(rèn)真閱讀患者的影像學(xué)資料，才能對(duì)病情有所了解，這些影像學(xué)資料主要包括:X線片、CT(平面CT或三維CT)以及MRI，等。但對(duì)骨骼最有用的影像學(xué)資料主要為X線片及三維CT。X線片僅僅從正側(cè)位或一些特殊位置去了解病變。三維CT雖然通過計(jì)算機(jī)處理，成為一個(gè)立體的圖像，但也是在一個(gè)平面上的立體圖像，因此，對(duì)學(xué)生來講，拿著這些資料，仍無感性和直觀的認(rèn)知。而3D打印技術(shù)則可將脊柱畸形的病變打印出病變實(shí)體，得到的上述畸形三維模型可以任意地旋轉(zhuǎn)，所以允許學(xué)生以任意角度觀察模型。根據(jù)畸形的部位和類型，再結(jié)合患者的體征和影像學(xué)資料，可以很方便地對(duì)畸形進(jìn)行分型。

3.3 預(yù)手術(shù)的作用

通過術(shù)前虛擬手術(shù)演練，可以發(fā)現(xiàn)手術(shù)設(shè)計(jì)中存在的缺陷以及不完善之處，及時(shí)改進(jìn)手術(shù)方案;了解和掌握術(shù)中可能遇到的問題，預(yù)先擬定解決方法，以便在術(shù)中從容應(yīng)對(duì)，及時(shí)處理;幫助選擇最佳的手術(shù)途徑和植入物，并術(shù)前將植入物精確塑形，有助于減少手術(shù)并發(fā)癥、節(jié)省手術(shù)時(shí)間，縮短住院日和降低成本［6-7］。該系統(tǒng)可輔助醫(yī)生、教師和學(xué)生更直觀、交互地觀察目標(biāo)，可視化技術(shù)可提供進(jìn)行疾病定性和定量分析的數(shù)據(jù)和工具，從而提高診斷治療和教學(xué)的準(zhǔn)確性與科學(xué)性［8］。該系統(tǒng)還將在遠(yuǎn)程會(huì)診、學(xué)術(shù)交流等方面發(fā)揮積極作用，有力地提高骨科復(fù)雜脊柱畸形的治療水平和學(xué)術(shù)地位。

4 小結(jié)

當(dāng)前，隨著3D打印技術(shù)在骨科臨床的逐漸推廣應(yīng)用，輔以計(jì)算機(jī)輔助下CT，使其所發(fā)揮的作用越來越大。在對(duì)7、8年制臨床骨科研究生的教學(xué)中，通過對(duì)X線片、三維CT以及3D打印實(shí)體的反復(fù)對(duì)比觀察研究，能使學(xué)生在很短的時(shí)間內(nèi)了解并掌握復(fù)雜脊柱畸形的觀片能力，而且，通過與書本上病變分型的對(duì)比，也能很快學(xué)習(xí)并牢記分型的特點(diǎn)。另外，通過教師針對(duì)3D打印實(shí)體的講解，使學(xué)生了解椎弓根釘?shù)倪M(jìn)釘點(diǎn)、角度、方向等，對(duì)畸形部位的截骨范圍、大小等有個(gè)初步的了解，若有條件的情況下，再讓學(xué)生觀摩手術(shù)過程。這樣也可使學(xué)生盡快掌握手術(shù)的技巧?？梢哉f3D打印及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在復(fù)雜脊柱畸形治療中的應(yīng)用是非常有效的一種教學(xué)方式，值得骨科教師使用并推廣。

［1］Wagner JD，Baack B，Brown G A，et al.Rapid 3-dimensional prototyping for surgical repair of maxillofacial fractures:a technical note［J］.J Oral Maxillofacial Surg，2004，(62):898-901

［2］Deslmaukh TR，Kuthe AM，Vaibhav B.Preplanning and simulation of surgery using rapid modeling［J］.J Med Eng Technol，2010，34(4):291-294

［3］蘇亞輝，呂新生，曹文鋼，等.快速成型技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，(12):25-33

［4］郭俠，王廣春.快速成型技術(shù)及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào):醫(yī)學(xué)版，2003，(8):41-45

［5］惠華，羅卓荊，陶惠人，等.快速成型技術(shù)在復(fù)雜脊柱畸形矯治手術(shù)中的應(yīng)用［J］.脊柱外科雜志，2008，(5):274-276

［6］Rampersaud Y R，Simon D A，F(xiàn)oley K T.Accuracy requirements for image-guided spinal pedicle screw placement［J］.Spine，2001，(26):352-359

［7］肖進(jìn)，尹慶水，張美超.Mimics軟件重建脊柱三維骨骼數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上快速成型的脊柱畸形模型［J］.中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，2008，(35):6835-6838

［8］金丹，付蘇，劉軍，等.數(shù)字骨科技術(shù)在八年制醫(yī)學(xué)生創(chuàng)傷骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中華醫(yī)學(xué)教育探索雜志，2014，(7):748-750