3D打印技術在骨科臨床教學中的應用

管華清　徐明　楊同其　姜為民　楊惠林

摘要：目的：探討3維（D）打印技術在骨科臨床教學中的應用。資料與方法：結合臨床醫(yī)學教學大綱，調(diào)取2012年1月到2014年6月典型骨科病例15例CT圖片進行3D打印處理，制作骨骼三維立體模型，應用于骨科臨床教學中。結果：3D打印技術制作的骨骼三維立體模型有助于加深醫(yī)學生骨科疾病理解，有助于培養(yǎng)醫(yī)學生骨科臨床工作興趣。結論：3D打印技術制作在骨科臨床教學中具有良好的應用前景。

關鍵詞：3D打印技術；臨床教學；骨科

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）14-0178-02

引言

3維（D）打印，即快速成型技術的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印技術出現(xiàn)在20世紀90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。該技術在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、珠寶、工業(yè)設計、建筑、工程和施工、汽車，航空航天、地理信息系統(tǒng)、土木工程等領域都有所應用。自2013年11月起，我們將3D打印技術應用于骨科臨床教學中，取得了滿意的效果。

資料與方法

結合蘇州大學臨床七年制臨床醫(yī)學教學大綱，我們調(diào)取蘇州大學附屬第一醫(yī)院骨科數(shù)據(jù)庫資料中2012年1月到2014年6月典型骨科病例15例，提取患者相應的德國西門子64排螺旋CT薄層平掃圖片（最薄層可達0.64MM），利用mimics 10.01軟件，制作成CAD文檔。導入蘇州大學骨科研究所的Solido SD300快速成型機，進行3D打印處理。Solido SD300快速成型機將獨特的PVC工程塑料薄膜一片片地切割，疊置，平均9小時就可以把患者相應的骨骼1∶1三維立體成形。

在《外科學》骨科部分的課教學中，比如《股骨頭骨骺滑脫》、《骨盆和髖臼骨折》這些章節(jié)，就一直是教學上的難點。需要掌握的知識點較多，內(nèi)容較抽象。我們在傳統(tǒng)的多媒體教學的基礎上，結合3D模型，加深學生對骨科疾病的認識，取得了滿意的效果。

結果

在《股骨頭骨骺滑脫》章節(jié)的教學中，過去學生們對骨骺滑脫的位移、嚴重程度分級以及手術治療的方案、旋轉截骨矯形等知識點理解較慢。蘇州大學附屬第一醫(yī)院骨科數(shù)據(jù)庫中于2012年11月收錄了一例左側股骨頭骨骺滑脫的患者病例資料，于是我們提取患者相應的術前德國西門子64排螺旋CT薄層平掃圖片導入蘇州大學骨科研究所的Solido SD300快速成型機，將患者術前的患側及健側髖臼及股骨近端全部打印制作1∶1等大的PVC三維立體模型，并將模型帶到課堂。以三維立體模型為核心，結合課本插圖、患者術前的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建、MRI檢查，學生們對股骨頭骨骺滑脫的定義、病因、臨床及影像表現(xiàn)有了一定的了解。然后再通過三維立體模型的劃線模擬旋轉截骨、術中實況照片及術后的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建，學生們對股骨頭骨骺滑脫的手術治療的方案、旋轉截骨矯形有了感性的認識，取得了良好的教學效果。

比如《骨盆和髖臼骨折》這一章節(jié)，也一直是教學上的難點，同時也是骨科創(chuàng)傷治療的一個難題，其原因是髖臼解剖形態(tài)不規(guī)則，而且位置較深，骨折碎片移位復雜，學生們難以理解傳統(tǒng)的課堂教學內(nèi)容。同時傳統(tǒng)手術切口較大，手術中需要反復預彎柔性鋼板，耗時較長，出血量增加，預彎過多可致金屬疲勞內(nèi)固定斷裂風險增加，固定螺釘?shù)男吞柤爸冕敺较虻倪x擇僅僅憑借X、CT片及術者的經(jīng)驗風險較大，易于損傷神經(jīng)、血管、膀胱直腸等盆腔內(nèi)重要臟器。3D打印模型的出現(xiàn)，使得上述問題可以得到較為直觀的解決。3D打印模型的出現(xiàn)，讓醫(yī)學教學變得更加簡單直接。對于手術路徑的選擇及細節(jié)問題的處理更加面面俱到，術者信心增加，因為手術切口的變小、手術時間的縮短、骨折塊精確的復位，手術并發(fā)癥相應減少，患者康復出院的時間縮短，使得患者直接受益。因此，2012年1月起，復雜髖臼骨折患者術前原則上都要制作3D骨和模型，既有利于臨床教學工作的開展，也有利于患者的康復。

比如髖臼內(nèi)側壁的方形區(qū)骨折，不光醫(yī)學生，就是骨科臨床醫(yī)生也一直難于理解，往往將髖臼內(nèi)側壁的方形區(qū)骨折視為手術的禁區(qū)。在應用3D打印模型制作后，髖臼內(nèi)側壁的方形區(qū)骨折就相應容易理解了。如2014年5月，我們收治了一例髖臼內(nèi)側壁的方形區(qū)骨折病例男性，67歲，因外傷致左髖疼痛活動受限2小時入院。查生命體征平穩(wěn)，左髖部略腫脹，左腹股溝廣泛壓痛，大轉子處叩擊痛，左下肢縱向叩擊痛，左髖主動被動活動受限，左下肢末梢血運、感覺可，無神經(jīng)功能受損表現(xiàn)。X片和CT示：左髖臼內(nèi)側壁的方形區(qū)骨折。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，在立體模型上設計手術方案，并帶領實習同學骨科教學查房。針對既往同學反映的髖臼骨折難以理解的問題，結合術中實況照片及術后的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建，在短短幾分鐘時間內(nèi)，同學們對于髖臼骨折中的難點——髖臼內(nèi)側壁的方形區(qū)骨折一下子就有了形象的理解，并對手術方案選擇各抒已見。并通過對患者查體，對國際上較為新穎的髖臼骨折Stoppa入路有了形象的認識和具體的理解。

討論

骨科臨床教學一直是醫(yī)學教學的難點，因為手術涉及眾多骨骼結構，而諸多骨骼結構又是不規(guī)則形，骨科疾病對醫(yī)學生的空間想象能力有一定的要求。以往結合課本插圖、患者的X線片、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，但缺乏立體直觀性，對于復雜的骨科疾病，如髖臼骨折就難以解釋清楚。而3D打印與骨科的有機結合，上述問題迎刃而解。

3D打印是當今世界最前沿科技之一，這項30年前脫胎于傳統(tǒng)成型制造的技術，在今天被眾多科學家與經(jīng)濟學家稱為“人類第三次工業(yè)革命的標志之一”。endprint

3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料有些不同。3D打印機內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，打印機與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。

我們將3D打印技術應用于骨科臨床教學，即3D打印模型，用于醫(yī)學教學、病例討論等，收到了滿意的效果，彌補了既往多媒體教學只能看圖，不能觸摸病例的缺點。既往單純X線片和CT的閱讀與理解需要學生具有良好的空間想象能力，簡單骨科疾病如簡單骨折等學生們還可以理解，復雜疾病如髖臼骨折、脊柱側彎等學生們往往很難理解，有了3D模型，問題迎刃而解。過去醫(yī)學生即使觸摸標本，也往往是正常人體骨骼標本，無法接觸到患者病變的骨骼標本，這對于臨床教學而言，是個很大的缺憾。但通過3D打印模型，學生們既可以看到患者的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建、MRI檢查，更可以親手觸摸1∶1等大的患者骨骼標本，親手參與設計手術方案，對于醫(yī)學生加深骨科疾病理解、培養(yǎng)醫(yī)學生骨科臨床工作興趣起到了很大的正面作用。3D打印技術制作在骨科臨床教學中具有良好的應用前景。

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