上頸椎3 D打印模型在骨科規范化培訓教育中的應用

王棟 趙波 李鋒濤 盧騰 賀西京

上頸椎3 D打印模型在骨科規范化培訓教育中的應用

王棟 趙波 李鋒濤 盧騰 賀西京

【摘要】目的 探討3 D打印技術在骨科住院醫師規范化培訓教學中的應用。方法 結合我院住院醫師規范化培訓臨床醫學教學大綱要求，將2015年1月～2015年4月典型上頸椎5例CT圖片進行3 D打印處理，制作骨骼三維立體模型應用于骨科規培臨床教學中，在此基礎上用3 D打印手術通道進行手術輔助，進行手術指導。結果 3 D打印技術制作的上頸椎骨骼三維立體模型有助于加深規培生對疾病手術解剖學的理解，達到精準手術要求，有助于培養規培生骨科臨床工作興趣。結論 3 D打印技術制作在骨科規培臨床教學中具有良好的應用前景。

【關鍵詞】3 D打印技術；臨床規范化培訓；教學；骨科

作者單位：710004西安交通大學醫學院第二附屬醫院骨二科

Application Effect of Upper Cervical Spine Three-dimensional of Doctor Standardized Training and Education in Orthopaedics Department

WANG Dong ZHAO Bo LI Fengtao LU Teng HE Xijing the Second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University Orthopedic Department, Xi’an 710004, China

[Abstract]Objective To explore the application of three-dimensional print technique on the standardized training and education in orthopaedics department. Methods According to the clinical teaching programme of the standardized training of residents, five patients admited to our hospital from Month 2015 to April 2015 were selected and their cervical computed tomographies were transformed into three-dimensional images and printed out by a special machine. The 3 D printed modelswere used in the teaching for orthopedic residents. Moreover, they were used to guide the operations. Results The three-dimensional printed model of upper cervical spine benefits much the standardized training and education for orthopedic residents and could meet the accurate need in the operation. It promots the residents’ interest in learning and working in orthopedics. Conclusion The three-dimensional print technique is a potential application and method in the standardized training and education for orthopedic residents.

[Key words]Three-dimensional print, Standardized training of residents, Teaching, Orthopedics

3 D打印技術是一種以數字模型文件為基礎，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。3 D打印技術出現在20世紀90年代中期[1]，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。該技術在醫療產業、教育、珠寶、工業設計、建筑、汽車、航空航天、地理信息系統、土木工程等領域都有所應用。在《外科學》骨科部分的課教學中，比如《寰樞椎脫位、上頸椎損傷》這些章節一直是教學上的難點，需要掌握的知識點較多，內容較抽象。我們在傳統的多媒體教學的基礎上，我們將3 D打印技術于2015年1月～2015年4月應用于骨科住院醫師規范化培訓臨床教學中，具體報道如下。

1　資料與方法

結合西安交通大學第二醫院住院醫師骨科規范化培訓教學大綱，調取我院骨科數據庫資料中2015年1月～2015年4月的典型上頸椎例5例，其中上頸椎骨折1例，寰樞椎脫位3例，后縱韌帶骨化1例。調取這些典型病例術前影像學資料，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0.64 mm），利用mimics 15軟件，制作成STL文件，導入我科的華森SPR 400快速成型機，進行3 D打印處理，SPR 400快速成型機打印耗材選用聚乳酸（PLA），安全無毒，可采用低溫等離子消毒，為手術提供即時幫助。PLA打印疊置，平均9 h就可以把患者相應的骨骼1：1三維立體成形，見圖1。隨后組織帶教老師與規培生進行病例匯報與討論，提出病因診斷及治療計劃。針對1例寰樞椎脫位患者，將其寰樞椎術前影像學資料調取，利用其CT圖片資料導入計算機進行寰樞椎、枕骨3 D打印處理。在此基礎上，獲取CT平掃DICOM文件，導入醫學圖形處理軟件MIMICS 15。根據骨閾值提取骨性結構蒙面并建立枕頸部三維面網格模型。將生成的三維面網格模型以STL格式導入逆向圖形處理軟件Geomagic 12.0，同時建立直徑約3.5 mm的空心圓柱通道以模擬椎弓根螺釘。在Geomagic 12.0軟件中通過改變空心圓柱通道的三維坐標來確定椎弓根螺釘最佳置入位置，見圖2。提取寰椎后弓及側塊和樞椎椎版和棘突的部分結構與空心圓柱通道合并，最終設計完成椎弓根螺釘導航模板模型，并進行模型的3 D打印，在手術時，將3 D打印的椎弓根螺釘導航模板模型進行消毒，在手術臺上進行示范教學，貼服固定好模型后，沿進釘通道置入椎弓根螺釘，驗證通道效果。也就是將上頸椎疾患的致病原因及手術解剖影像展示在規培生眼前，便于理解及接受。

2　結果

圖1　3 D打印的寰樞椎標本（PLA材料）

圖2　Geomagic12.0軟件中通過改變空心圓柱通道的三維坐標來確定椎弓根螺釘最佳置入位置

在《寰樞椎損傷》章節的教學中，參加規培的學生們對寰樞椎脫位的位移、寰枕關節的解剖關系，病理特征，嚴重程度分級以及手術治療的方案理解較慢。于是我們將患者術前、術后上頸椎及部分枕骨全部打印制作1∶1等大的PVC三維立體模型，并將模型應用于寰樞椎陳舊性脫位關系的講解。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，進行科室病例討論，使規培生們對寰樞椎陳舊性脫位的定義、病因、臨床及影像表現有一定的了解。

然后再通過寰樞椎，寰枕關節3 D立體模型的講解，寰樞椎關節，寰枕關節的結構，運動情況，虛擬關節囊結構，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，規培生們對寰樞椎陳舊性脫位的分型，手術治療的方案、椎弓根螺釘復位，植骨融合有了感性的認識，取得了良好的教學效果。另外，部分病例根據診斷確定手術治療計劃，在3 D打印寰樞椎標本后，設計椎弓根螺釘進釘通道，并將椎弓根螺釘導航模板模型進行打印，連同3 D寰樞椎模型消毒后手術時應用。在手術暴露患者寰樞椎及枕骨后，與3 D模型進行比對，讓規培生可直觀的了解寰樞椎及枕骨的解剖關系，通過3 D模型，可看見術中難以暴露的解剖結構，為手術減壓及椎弓根螺釘的固定提供了很好地直觀的教學資料，見圖3。通道的應用，可提高椎弓根螺釘固定的成功率，減少手術并發癥，為規培生科學的掌握手術技術提供了良好的教材及病例，可促進他們對上頸椎疑難手術的理解及掌握，規培生普遍反映教學效果良好。

3　討論

隨著國家臨床醫師規范化培訓政策在醫院的實施，規培生陸續進入醫院學習，與既往醫學生教育不同，規培生的臨床培訓目標更具體，要求也更高[2]。骨科臨床教學一直是醫學教學的難點，因為手術涉及眾多骨骼結構，而諸多骨骼結構又是不規則形，骨科疾病對醫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，盡管內容豐富，但缺乏立體直觀性，對于復雜的骨科疾病，如上頸椎創傷及畸形就難以解釋清楚。而3 D打印與骨科的有機結合，上述問題迎刃而解。3 D打印是當今世界最前沿科技之一，結合逆向工程思想，建立患者術區組織的“三維體數據集”，編輯、重建體數據集，通過3 D打印技術制作出實物模型[3]。使用該模型幫助臨床輔助診斷、復雜手術方案的確定、制作個性化假體等方面使診斷和手術修復更加直觀化、實物化、具體化。我們將3 D打印技術應用于骨科住院醫師規范化培訓的臨床教學，即將3 D打印模型用于醫學教學、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規培生們還可以理解，復雜疾病如寰樞椎畸形，脫位等上頸椎問題規培生們往往很難理解，有了3 D模型，問題迎刃而解。根據患者的CT數據來逆向建模，通過3 D打印技術建立準確的手術部位數字化實體模型，并進行術前模擬策劃，供外科醫生在術前確定手術方案、模擬手術過程、熟練手術操作、預計手術結果，進而有針對性地向患者詳細講解病變的復雜性及手術操作的危險性，使規培生既可以看到患者的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，對于規培生加深骨科疾病理解、培養規培生骨科臨床工作興趣起到了很大的正面作用[4]。

綜上所述，3 D打印技術制作在骨科住院醫師規范化培訓臨床教學中具有良好的應用前景。

圖3　椎弓根螺釘導航模板模型進行3 D打印，消毒后手術時應用

參考文獻

[1] Sherman，LilliManolis. 3D Printers Lead Growth of Rapid Prototyping[J]. Plastics Technology，2012，8（1）：31-32.

[2] 汪斌，潘博涵，郭列平. 脊柱微創外科技能培訓在住院醫師規范化培訓中的應用[J]. 繼續醫學教育，2013，27（6）：22-24.

[3] 鮑春雨，劉晉浩. 基于CT 圖像人體脊柱腰椎節段逆向工程研究[J]. 機械設計，2008，25（9）：16-18.

[4] 劉明永，劉鵬，趙建華，等. 脊柱外科繼續教育中的影像學教學[J]. 局解手術學雜志，2011，20（6）：701.

通訊作者：王棟，E-mail：857981858@qq.com

doi：10.3969/j.issn.1674-9308.2015.19.016

【文章編號】1674-9308（2015）19-0023-02

【文獻標識碼】B

【中圖分類號】R743.33