3D打印結(jié)合三維有限元分析在骨外科學(xué)PBL臨床教學(xué)中的應(yīng)用研究

周建華 張西蘭 楊宗德 辜 偉

（重慶市綦江區(qū)中醫(yī)院骨傷科，重慶 401420）

0 引言

臨床解剖學(xué)是任何醫(yī)學(xué)專業(yè)的關(guān)鍵組成部分，掌握解剖學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)于臨床醫(yī)學(xué)非常重要，而骨外科學(xué)具有多變性、復(fù)雜性以及多樣性，成為臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)學(xué)科之一。傳統(tǒng)解剖教學(xué)是通過尸體解剖、解剖圖譜和醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行的，然而，每一種方式都有自己的局限性，并且尸體解剖學(xué)的管理有一定的難度[1]，對(duì)接觸含福爾馬林防腐液的學(xué)生和工作人員的健康和安全也要關(guān)注[2]，二維平面上的解剖圖集和醫(yī)學(xué)圖像在為學(xué)生和學(xué)員提供必要的動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)或空間細(xì)節(jié)方面遠(yuǎn)不理想[3]。雖然大量的解剖學(xué)電子學(xué)習(xí)平臺(tái)興起，但很少有證據(jù)表明其在加強(qiáng)學(xué)習(xí)方面取得了成功[4]。如何提高學(xué)生解剖學(xué)空間思維能力？如何做到資源多元化與反復(fù)利用？因此尋找另一種新的替代方案是非常有必要的，而三維打?。?D打印）創(chuàng)造了人類解剖教學(xué)模型的新方法，并與現(xiàn)代有限元分析（FEA）及情景化教學(xué)（PBL）相結(jié)合，探討“互動(dòng)式”教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)骨外科學(xué)的認(rèn)識(shí)與理解。

1 資料與方法

1.1 一般資料

在本次試驗(yàn)研究中將選取2019.07—2020.11在骨傷科實(shí)習(xí)的實(shí)習(xí)醫(yī)師60名，并采用隨機(jī)分組方法分為對(duì)照組與試驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)組將采用3D打印結(jié)合FEAPBL教學(xué)方法，對(duì)照組采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，兩組學(xué)生的一般情況如性別、年齡、學(xué)校無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），具有可比性。

1.1.1 病歷設(shè)計(jì)的選擇

臨床教學(xué)病歷的選擇符合臨床骨外科學(xué)教學(xué)大綱，能體現(xiàn)病歷的典型性與延伸性，能夠起到師生互動(dòng)，相互探討的作用，使學(xué)生對(duì)骨科學(xué)解剖具有一定的認(rèn)知，將所學(xué)臨床知識(shí)運(yùn)用于臨床實(shí)踐。

1.1.2 3D打印模型制作設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)是通過逐步逐層打印實(shí)體三維模型，本研究通過導(dǎo)入有效骨掃描CT數(shù)據(jù)到Mimics中對(duì)骨區(qū)域進(jìn)行一層層填充，進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成實(shí)體化導(dǎo)出STL格式（圖a），通過3D打印機(jī)打印出模型（圖b），將抽象的骨科解剖學(xué)影像學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為具體模型（圖1）。

圖1 b實(shí)體打印模型

圖1 a數(shù)據(jù)模型圖

1.2 方法

1.2.1 對(duì)照組

按照傳統(tǒng)的臨床教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，即臨床帶教教師帶領(lǐng)學(xué)生在患者床旁進(jìn)行講解教學(xué)，最后記錄該組學(xué)生的成績(jī)及問卷調(diào)查結(jié)果，并做好登記。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)組

采用3D打印結(jié)合FEA的PBL教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，首先帶教教師按照骨科實(shí)習(xí)大綱選出典型的、可延伸的及常見的病歷，并查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)骨科生物力學(xué)有限元文獻(xiàn)，向?qū)W生提出骨科相關(guān)疾病重點(diǎn)問題，引導(dǎo)學(xué)生先自我學(xué)習(xí)查閱資料，收集數(shù)據(jù)等內(nèi)容，再次利用典型疾病的CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行3D模型打印，然后進(jìn)行集中討論學(xué)習(xí)，閱讀分析相關(guān)有限元力學(xué)文獻(xiàn)，每人進(jìn)行發(fā)言講解，并在打印模型上進(jìn)行模擬操作訓(xùn)練，記錄該組學(xué)生的成績(jī)及問卷調(diào)查結(jié)果。

1.3 指標(biāo)評(píng)價(jià)

臨床教學(xué)完畢后分別對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論成績(jī)考試和教學(xué)方案評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)每一組學(xué)生進(jìn)行臨床教學(xué)評(píng)價(jià)調(diào)查。

1.4 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

兩組學(xué)生均采用不記名問卷調(diào)查及出科考核模式，出科考核總分為100分，其中理論知識(shí)占60%，操作部分占40%，理論知識(shí)加操作為該生總分成績(jī)。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS17.0軟件進(jìn)行分析，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行t檢驗(yàn)和卡方檢驗(yàn)，P＜0.05具有一定統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

（1）兩組學(xué)生在出科考核成績(jī)上進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生成績(jī)優(yōu)于對(duì)照組，差異具有一定統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），如表1所示。

表1 兩組教學(xué)模式對(duì)學(xué)生骨科實(shí)習(xí)出科成績(jī)的影響（分，x±s）

（2）兩組學(xué)生在問卷調(diào)查結(jié)果數(shù)據(jù)上進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)組的調(diào)查部分結(jié)果均優(yōu)于對(duì)照組，差異具有一定統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），而研究組和對(duì)照組中在課程滿意度及醫(yī)患溝通能力方面，差異調(diào)查無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，兩組試驗(yàn)結(jié)果無明顯差異性（P＞0.05）見表2。

表2 問卷調(diào)查分析結(jié)果（n）

（3）結(jié)果分析。在本次研究中對(duì)實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生考核成績(jī)明顯優(yōu)于對(duì)照組，在問卷調(diào)查結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，教學(xué)課程的滿意度及提高學(xué)生的醫(yī)患溝通能力無明顯差異，說明在不考慮教學(xué)效果及教學(xué)模式下，在臨床教學(xué)中帶教教師無論采用何種方法均能得到學(xué)生較高的認(rèn)同，而在提升學(xué)生醫(yī)患溝通能力上實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組分別只有73%、63%的滿意度，無明顯差異性，提升醫(yī)患溝通能力除了需要扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，更需要臨床經(jīng)驗(yàn)的積累，說明在臨床中除了講解臨床知識(shí)外，更需要學(xué)生切身體會(huì)，慢慢積累經(jīng)驗(yàn)。然而問卷調(diào)查其余部分如預(yù)期教學(xué)效果、提升學(xué)生積極性等方面，實(shí)驗(yàn)組均優(yōu)于對(duì)照組。

3 討論

骨外科學(xué)需要有較好的解剖學(xué)、影像學(xué)及生物力學(xué)基礎(chǔ)，才能熟練地掌握骨外科臨床相關(guān)疾病診治及手術(shù)技術(shù)，對(duì)于骨科教學(xué)更需要在臨床實(shí)踐中開展，但在骨科臨床教學(xué)中解剖標(biāo)本及可用于教學(xué)的內(nèi)固定器械材料相對(duì)缺乏，在教學(xué)中學(xué)生難以接觸實(shí)體模型，僅僅依靠目前影像學(xué)數(shù)據(jù)、彩圖及相關(guān)的醫(yī)學(xué)軟件進(jìn)行感性認(rèn)識(shí)，完全需要學(xué)生有極強(qiáng)的想象力，但無法進(jìn)行實(shí)地操作模擬，缺乏有效的沖擊感，以問題為導(dǎo)向的教學(xué)法（problem-based learning，PBL）是需要帶教教師設(shè)定一定醫(yī)學(xué)專題并讓學(xué)生進(jìn)行討論，在討論中激發(fā)學(xué)生的積極性，從而培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和互動(dòng)能力，其主要的教學(xué)步驟為提出問題、操作訓(xùn)練、組織討論、總結(jié)歸納。其最主要的缺點(diǎn)在于學(xué)生缺乏臨床經(jīng)驗(yàn)，基本需要教師全程講解[5]，傳統(tǒng)教學(xué)僅限于解剖尸體和遵循教科書中的參考圖紙。盡管尸體解剖的價(jià)值是不可替代的，但毫無疑問，數(shù)字技術(shù)可以極大地促進(jìn)解剖學(xué)習(xí)，三維數(shù)字模型提高了對(duì)復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)及其特殊關(guān)系的理解，有助于提高人工技能和手眼協(xié)調(diào)能力，并且有限元分析能夠提升學(xué)生對(duì)生物力學(xué)的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生對(duì)骨科受傷機(jī)制及疾病發(fā)生生物力學(xué)原因有進(jìn)一步深刻的理解[6]。有證據(jù)表明，3D模型在與現(xiàn)有教學(xué)方法結(jié)合使用時(shí)是有幫助的，將3D打印模型應(yīng)用到骨科臨床教學(xué)中，可提高學(xué)生的臨床資料收集力、病例分析能力、個(gè)人學(xué)習(xí)主動(dòng)性創(chuàng)新能力、分析及解決問題的綜合能力等[7，8]。McMenamin等人詳細(xì)概述了3D打印技術(shù)能解決的一些解剖學(xué)教育問題，如成本、獲取捐贈(zèng)人體的困難等，且3D打印具有高度的準(zhǔn)確性[9]。3D打印技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，被稱為“第三次工業(yè)革命的標(biāo)志[10]”，3D打印模型準(zhǔn)確度高，可重復(fù)利用，可以為臨床教學(xué)提供更為直觀的三維圖像信息[11]。并且3D打印模型易于長(zhǎng)期保存，能夠?qū)崿F(xiàn)模型反復(fù)操作、反復(fù)觀摩的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)實(shí)踐的一個(gè)組成部分，被迅速納入醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)課程，在住院訓(xùn)練和醫(yī)療保健等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[12]。有限元分析（FEA）是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬生物模式進(jìn)行力學(xué)分析，從而得出相關(guān)生物模型整體及局部的應(yīng)力、位移大小，是骨科力學(xué)分析重要的工具，通過與實(shí)體模型結(jié)合向?qū)W生講授，使得學(xué)生對(duì)骨科生物力學(xué)有更進(jìn)一步地認(rèn)識(shí)。有研究表明，3D打印結(jié)合有限元分析能夠?qū)εR床教學(xué)有著顯著效果。

綜上所述，將3D打印結(jié)合有限元分析應(yīng)用在骨科PBL教學(xué)模式中，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生和教師的積極性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)骨科基礎(chǔ)知識(shí)的理解，對(duì)于骨科臨床教學(xué)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。