3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用初探

李忠海，唐家廣，王華東，李　利，吳聞文，侯樹(shù)勛解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院骨科、全軍骨科研究所，北京　00048；解放軍第0醫(yī)院骨科，大連　60

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3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用初探

李忠海1，2，唐家廣1，王華東1，李利1，吳聞文1，侯樹(shù)勛11解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院骨科、全軍骨科研究所，北京100048；2解放軍第210醫(yī)院骨科，大連116021

【摘要】：目的 觀(guān)察3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)實(shí)施中的效果，探討其應(yīng)用的可行性及有效性。方法 根據(jù)患者影像學(xué)資料，運(yùn)用3D打印技術(shù)，數(shù)字化真實(shí)再現(xiàn)患者的骨折或畸形，為骨科臨床教學(xué)提供直觀(guān)的教學(xué)模型。結(jié)果 3D打印技術(shù)制作的骨骼三維立體模型有助于研究生短時(shí)間內(nèi)理解并掌握骨科疾病的影像學(xué)及分型特點(diǎn)，并對(duì)手術(shù)方案及手術(shù)技巧有基本理解，達(dá)到精準(zhǔn)手術(shù)要求。結(jié)論 3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中方便快捷，教學(xué)效果良好，具有良好的應(yīng)用前景，對(duì)臨床骨科研究生教學(xué)是一種有效教學(xué)方式，值得骨科教師使用并推廣。

【關(guān)鍵詞】：3D打??；臨床骨科；教學(xué)應(yīng)用；醫(yī)學(xué)教育

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201602024

起步于20世紀(jì)90年代的3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用可粘合材料，通過(guò)逐層打印方式制造物體模型的技術(shù)，即通過(guò)逐層疊加材料組成3D實(shí)體模型［1-3］。作為一種新型的快速成型及快速制造技術(shù)，3D打印技術(shù)越來(lái)越為人們所關(guān)注，現(xiàn)今已經(jīng)悄然融入航空航天、汽車(chē)制造、食品等工業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)也受到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)W者的廣泛青睞［1-4］。

骨科以肌肉骨骼系統(tǒng)疾病的診治為主要研究對(duì)象，是專(zhuān)業(yè)化相對(duì)較強(qiáng)的學(xué)科。在骨科臨床教學(xué)實(shí)踐中，以往多使用實(shí)體骨骼標(biāo)本或模型，但標(biāo)本來(lái)源有限，且大多數(shù)教學(xué)模型均為單一的正常結(jié)構(gòu)模型，由于很多部位解剖結(jié)構(gòu)和損傷機(jī)制的復(fù)雜性，正常結(jié)構(gòu)標(biāo)本或模型很難全面揭示其特點(diǎn)，而且對(duì)于各類(lèi)手術(shù)方式也缺乏相應(yīng)的體現(xiàn)。因而目前骨科學(xué)臨床課教學(xué)面臨的主要問(wèn)題之一是缺乏直觀(guān)性和可操作性。怎樣找到一種更好的教學(xué)方式來(lái)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)師，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(wèn)題［5-6］。

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一問(wèn)題提供了方便的技術(shù)手段。近年來(lái)，我們結(jié)合多年臨床及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)一些局部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、采用傳統(tǒng)教學(xué)方式難以使學(xué)生充分理解與掌握的傷病，根據(jù)患者影像學(xué)資料，應(yīng)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并完成了一些教學(xué)模型，并將其應(yīng)用于臨床教學(xué)，顯著提高了教學(xué)效果［5-7］。文章就3D模型的制作設(shè)計(jì)、授課效果及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了全面的介紹，希望對(duì)提高骨科臨床課教學(xué)效果及提高青年教師教學(xué)水平有一定的幫助和啟發(fā)作用。

1　方法

1.1教學(xué)病例的設(shè)計(jì)與選擇

教學(xué)病例設(shè)計(jì)應(yīng)該能引出該專(zhuān)業(yè)的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，應(yīng)選擇能體現(xiàn)該專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)的臨床常見(jiàn)病、多發(fā)病。教學(xué)病例必須具有真實(shí)性和完整性。同時(shí)，病例的設(shè)計(jì)應(yīng)具有足夠的趣味性、知識(shí)性和復(fù)雜性，通過(guò)學(xué)生激烈的討論，充分的腦力震蕩，得到預(yù)期的教學(xué)效果。病例中所涉及的問(wèn)題應(yīng)是開(kāi)放的，必須通過(guò)知識(shí)延伸、拓展、查閱輔助資料以圓滿(mǎn)解決問(wèn)題。此外，所設(shè)計(jì)的問(wèn)題要具有開(kāi)放性和前沿性，引導(dǎo)學(xué)生查閱英文原版教材和資料，了解該專(zhuān)業(yè)的新醫(yī)療、新技術(shù)，有利于拓寬學(xué)生的視野，提高醫(yī)學(xué)英語(yǔ)水平，激勵(lì)學(xué)生的超前意識(shí)。骨科專(zhuān)業(yè)具有其自身特點(diǎn)，表現(xiàn)為脊柱及四肢關(guān)節(jié)相關(guān)的解剖較為復(fù)雜，同時(shí)多涉及運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)和生物力學(xué)。根據(jù)上述原則，選擇關(guān)節(jié)周?chē)鷱?fù)雜骨折、脊柱骨折和脊柱畸形的病例進(jìn)行教學(xué)。

1.23D打印教學(xué)模型的設(shè)計(jì)和制作

模型的制備通過(guò)以下步驟完成：①獲取教學(xué)病例的薄層CT掃描數(shù)據(jù)；②采用區(qū)域剪切和濾波兩種方法進(jìn)行圖像的二維預(yù)處理；③采用切片插值、圖像分割和切片重組等方法進(jìn)行圖像三維預(yù)處理；④采用移動(dòng)立方體法（marching cubes algo-rithm，MC算法）來(lái)建立三維模型；⑤3D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(guò)材料的精確堆積，制造出1∶1等大的、高度仿真的患者傷情模型。

1.33D模型在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用方法

課程安排為每周2次，每次3～4個(gè)學(xué)時(shí)。具體如下：授課教師根據(jù)臨床教學(xué)中的病例制定教學(xué)計(jì)劃，根據(jù)相關(guān)疾病編寫(xiě)2～3例教學(xué)病例，應(yīng)包含X線(xiàn)、CT、MRI等影像學(xué)資料。課前要求學(xué)生對(duì)疾病的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行預(yù)習(xí)，然后讓其自行去床邊咨詢(xún)病史，進(jìn)行全身體格檢查和專(zhuān)科檢查，引導(dǎo)其去查閱相關(guān)書(shū)籍。針對(duì)病例編寫(xiě)中一些對(duì)學(xué)生臨床工作實(shí)用性強(qiáng)的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入診療情景，發(fā)散其思維，了解他們對(duì)該疾病的多種診斷假設(shè)。然后，采用開(kāi)放式的教學(xué)方法，讓學(xué)生針對(duì)臨床表現(xiàn)和影像學(xué)資料進(jìn)行深入討論、回答相關(guān)問(wèn)題，分別作出診斷和鑒別診斷，并提出下一步的檢查及治療方案，估計(jì)預(yù)后。在此過(guò)程中，教師只起導(dǎo)向作用，并不參與討論分析。待學(xué)生基本取得一致意見(jiàn)后，再取出事先打印好的3D打印模型讓每個(gè)學(xué)生對(duì)其進(jìn)行全方位的觀(guān)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。

通過(guò)對(duì)3D模型直觀(guān)地觀(guān)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，明確疾病的類(lèi)型，然后通過(guò)測(cè)量，選擇合適的手術(shù)入路，特別是選擇合適的內(nèi)固定植入位置、角度、深度，以及內(nèi)固定的尺寸。通過(guò)3D模型在術(shù)前預(yù)選內(nèi)固定材料種類(lèi)并重建其外形，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。最后，讓學(xué)生代表總結(jié)病例的重難點(diǎn)，授課教師進(jìn)行補(bǔ)充修正，并介紹疾病相關(guān)最新診療技術(shù)的發(fā)展。

2　結(jié)果

學(xué)生首先通過(guò)分析影像學(xué)資料并對(duì)臨床資料進(jìn)行討論，再用3D打印的實(shí)體模型進(jìn)行對(duì)比與反思，結(jié)合具體的臨床病例，進(jìn)行細(xì)致查體，了解患者的體征。在教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生首先對(duì)患者的影像學(xué)資料有一個(gè)較深刻的了解，學(xué)會(huì)如何閱讀X線(xiàn)、CT、MRI等影像學(xué)資料，學(xué)會(huì)通過(guò)影像學(xué)資料判斷疾病的分型及嚴(yán)重程度，并和患者的體征進(jìn)行對(duì)應(yīng)，極大地提高了學(xué)生的閱片以及對(duì)該類(lèi)疾病的臨床診斷分析能力。

由于學(xué)生既往學(xué)習(xí)的是正常結(jié)構(gòu)的解剖，缺乏對(duì)病變骨骼結(jié)構(gòu)感性的認(rèn)識(shí)。通過(guò)3D打印實(shí)體模型的具體觀(guān)察，可以很清楚地了解病變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，還可以結(jié)合病變情況，對(duì)學(xué)生講解疾病發(fā)生的病因與原理。在此基礎(chǔ)上，授課教師再對(duì)學(xué)生進(jìn)行手術(shù)方法的講解。由于3D打印實(shí)體模型價(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)教師根據(jù)3D模型具體講述手術(shù)的方法。通過(guò)在骨科實(shí)踐教學(xué)和研究生專(zhuān)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，以往難以掌握的關(guān)節(jié)周?chē)鷱?fù)雜骨折、脊柱骨折和脊柱畸形等知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)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

在臨床醫(yī)學(xué)的各個(gè)專(zhuān)業(yè)中，骨科學(xué)是一門(mén)涉及面廣、綜合性強(qiáng)的學(xué)科，它所涉及的解剖部位多、專(zhuān)業(yè)知識(shí)廣，不易被學(xué)生所掌握。骨科臨床教學(xué)一直是醫(yī)學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)，因?yàn)樯婕氨姸喙趋澜Y(jié)構(gòu)，而諸多骨骼結(jié)構(gòu)又是不規(guī)則形，骨科疾病對(duì)醫(yī)學(xué)生的空間想象能力有一定的要求。以往結(jié)合課本插圖、患者的X線(xiàn)片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建、MRI檢查，等，盡管內(nèi)容豐富，但缺乏立體直觀(guān)性，對(duì)于復(fù)雜的骨科疾病，如髖臼骨折就難以解釋清楚。而3D打印與骨科的有機(jī)結(jié)合，使得上述問(wèn)題迎刃而解。

3.13D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)應(yīng)用中的可行性和優(yōu)越性

現(xiàn)代教學(xué)過(guò)程是一個(gè)系統(tǒng)工程，要求教師對(duì)每一堂課的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)和合理的安排，以達(dá)到最佳的教學(xué)結(jié)果。在骨科臨床教學(xué)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，既往的教學(xué)法存在著一定不足。傳統(tǒng)的骨科臨床教學(xué)模式，教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)查房，在病房進(jìn)行閱片及講解，或利用閱片燈、PPT等方式進(jìn)行講解，雖然相比大課教學(xué)來(lái)說(shuō)，多了患者及其影像學(xué)資料這些“教具”，但在傳授系統(tǒng)知識(shí)方面效率偏低［7-8］。骨科學(xué)由于綜合性和專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，要求學(xué)生具有良好的解剖學(xué)基礎(chǔ)，如果機(jī)械地記憶一些解剖標(biāo)志，往往是枯燥無(wú)味的，學(xué)習(xí)效果不佳。

據(jù)此，我們結(jié)合骨科臨床教學(xué)的特點(diǎn)，將基于影像學(xué)資料的3D打印技術(shù)引入骨科臨床教學(xué)，使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)，拉近理論知識(shí)與臨床實(shí)際的距離，提高醫(yī)學(xué)教育骨科臨床部分教學(xué)質(zhì)量。通過(guò)3D打印模型，學(xué)生可以根據(jù)課前已掌握的醫(yī)學(xué)知識(shí)，推理疾患的起因、癥狀和體征，進(jìn)而嘗試?yán)眉河械尼t(yī)學(xué)知識(shí)對(duì)骨科專(zhuān)科疾病診斷提出治療方案，而這種認(rèn)識(shí)的過(guò)程加深了學(xué)生對(duì)解剖結(jié)構(gòu)特殊性的本質(zhì)理解。

骨科臨床教學(xué)不但需要闡述疾患的特點(diǎn)和進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷，還需要制定治療方案。但是對(duì)于同一種疾患往往會(huì)有多種手術(shù)方案，究竟選擇何種術(shù)式更合理，對(duì)患者康復(fù)更好，這是醫(yī)師考慮的重點(diǎn)。在向醫(yī)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)理論講解和演示時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，由于學(xué)生不具有臨床經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于外科操作十分生疏，往往學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)，對(duì)手術(shù)方法的選擇沒(méi)有判斷能力。此外，骨科臨床操作性強(qiáng)，而缺乏臨床動(dòng)手機(jī)會(huì)也是臨床教學(xué)面臨的共同問(wèn)題之一［5-9］。該研究通過(guò)各種3D打印模型，每位學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)對(duì)骨科疾患的各種手術(shù)操作，可獲得動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，切身體會(huì)內(nèi)固定植入物的安裝，極大地提高了其學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)提高了課堂參與性及互動(dòng)性。學(xué)生在模型上進(jìn)行各種手術(shù)操作時(shí)，根據(jù)自身的體會(huì)提出很多問(wèn)題，授課教師予以相應(yīng)的解答，顯著提升了課堂氛圍及互動(dòng)性，極大提高了教學(xué)的質(zhì)量。

3.23D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)應(yīng)用中的不足

3D打印技術(shù)具有很多教學(xué)手段難以替代的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)骨科臨床課教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)［5-7］。但3D打印技術(shù)作為輔助教學(xué)手段仍需與傳統(tǒng)多媒體教學(xué)進(jìn)行配合，才能更恰當(dāng)?shù)匕l(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值。3D打印模型雖然在一定程度上彌補(bǔ)了學(xué)生對(duì)骨科疾病的感性認(rèn)識(shí)，但3D打印的實(shí)物模型仍存在以下不足：①3D打印技術(shù)在臨床上的應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，需要不斷地完善其技術(shù)；②3D打印模型無(wú)軟組織附著，不能完全真實(shí)地再現(xiàn)肌肉、血管和神經(jīng)的走形和分布；③3D打印模型模擬手術(shù)的截骨及內(nèi)固定物植入操作與實(shí)際人體內(nèi)的操作過(guò)程相比，可能達(dá)不到理想狀態(tài)［5-7］。

4　小結(jié)

3D打印模型集解剖結(jié)構(gòu)、診斷分型及手術(shù)治療為一體，在同一模型上完整地實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的整合。3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用，增強(qiáng)了直觀(guān)性和生動(dòng)性，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的臨床思維方式，在結(jié)合實(shí)際病例的基礎(chǔ)上能有效地提高其對(duì)疾病的診療能力，極大地推動(dòng)了教學(xué)質(zhì)量的提高。更具優(yōu)勢(shì)的是借助3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)中個(gè)性化病例資料的獲取與分析，同時(shí)結(jié)合三維可視化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)解剖結(jié)構(gòu)的分析，并深切體會(huì)手術(shù)方式及內(nèi)固定原理，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及課堂互動(dòng)，從而更好地完成教學(xué)目標(biāo)。3D打印技術(shù)不僅在骨科臨床教學(xué)，在其他學(xué)科教學(xué)及各種重大復(fù)雜手術(shù)模擬操作教學(xué)中均將具有良好的應(yīng)用前景和價(jià)值，其目前在骨科臨床教學(xué)領(lǐng)域中還只是處于起步探索階段，相信隨著計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用將會(huì)更加全面和便捷。

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Exploration of 3D printing technology applied in orthopedic clinical teaching

Li Zhonghai1，2，Tang Jiaguang1，Wang Huadong1，Li Li1，Wu Wenwen1，Hou Shuxun11Department of Orthopedic Surgery，the First Affiliated Hospital of General Hospital of PLA/
Orthopedic Institute of PLA，Beijing 100048；2Department of Orthopedic Surgery，No.210 Hospital of PLA，Dalian 116021，China

【Abstract】：Objective To observe the effects of applying 3D printing technology to orthopedic clinical teaching so as to evaluate the feasibility and efficiency of the technology.Methods We applied 3D printing technology which can truly represent patients' fracture or deformity based on their imaging data to provide visualized teaching models for orthopedic clinical teaching.Results Skeletal 3D models made with 3D printing technology could help the graduate students understand and master the imaging and classification characteristics of orthopedic disorders in shorter time and gain basic understanding of surgical strategies and techniques so as to perform precise operations.Conclusion Making teaching models with 3D printing technology is convenient and fast and achieves good teaching results.Therefore，3D printing has a promising application prospect，making it an effective teaching method in orthopedic clinical teaching for medical graduates and thus worth using and popularizing among orthopedic teachers.

【Key words】：3D printing；clinical orthopedics；application in teaching；medical education

作者簡(jiǎn)介：李忠海（1978-），男，遼寧大連人，主治醫(yī)師，博士，主要研究方向：脊柱外科。

收稿日期：2015-12-11

基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助（2015T81101）；北京市自然科學(xué)基金（7152144）

【中圖分類(lèi)號(hào)】：G434

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A

【文章編號(hào)】：1004-5287（2016）02-0198-03