3D打印在本科生骨科實習教學中的應(yīng)用

薛恩興+陳成旺+張宇

摘要：觀察3D打印技術(shù)在本科臨床教學中的效果，探討其應(yīng)用的可行性及有效性。運用3D打印技術(shù)，根據(jù)影像學資料，數(shù)字化的真實再現(xiàn)患者骨盆骨折情況，為本科臨床實習教學提供直觀的骨科教學模型。3D打印技術(shù)制作的三維立體模型有助于本科生短時間內(nèi)理解骨折的分型并對骨折治療方案有基本理解。3D打印技術(shù)在本科生骨科臨床教學中方便快捷，教學效果良好，具有良好的應(yīng)用前景，對本科生骨科實習教學是一種有效教學方式，值得骨科教師使用并推廣。

關(guān)鍵詞：3D打印；骨科；實習教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）40-0073-03

一、調(diào)查研究

與傳統(tǒng)的打印相比，3D打印技術(shù)與其在原理上非常相似，但是在材料上有明顯的不同，3D打印采用的是實體材料，包括橡膠、塑料、金屬等。3D打印是一種基于材料堆積方法的制造技術(shù)，最早開始于上世紀80年代中后期。[1-3]3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用可粘合材料，通過逐層打印方式制造物體模型的技術(shù)，組成3D實體模型的方式采用逐層的疊加材料。采用3D打印技術(shù)能夠縮短現(xiàn)實和虛擬之間的距離，電腦中的影像圖片可以通過打印技術(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實中的真實物品，讓人們能夠更加近距離、直接地觀察。3D打印技術(shù)同樣也可以把電腦中我們設(shè)計的圖片轉(zhuǎn)化為實物，從而有助于人們更加直接地查看設(shè)計效果，避免了理論和現(xiàn)實之間的誤差。

本科生教育中的骨科學是以骨骼系統(tǒng)疾病的診治為主要研究對象，是專業(yè)化相對較強的學科。由于尸體標本來源有限，在骨科教學中，無法使用實體骨骼標本或模型，且大多數(shù)尸體標本為結(jié)構(gòu)正常的解剖模型，由于很多部位解剖結(jié)構(gòu)和損傷機制的復(fù)雜性，正常結(jié)構(gòu)標本或模型很難全面揭示其特點，而且對于不同的骨折類型和不同部位的骨折都缺少相對應(yīng)的表現(xiàn)。缺少直觀立體性從來都是骨科臨床實習教學需要解決的一個重要問題。如何才能夠找到一種更好地縮短學生理解時間的教學方法，更直觀地讓本科生可以了解骨折類型，是每個臨床帶教醫(yī)師都需要認真思考和急迫解決的問題。

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了方便的技術(shù)手段。近年來，筆者結(jié)合多年臨床及教學經(jīng)驗，針對一些局部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、采用傳統(tǒng)教學方式難以使學生充分理解與掌握的骨折類型。同時，根據(jù)患者影像學資料，應(yīng)用3D打印技術(shù)設(shè)計并完成了一些教學模型，并將其應(yīng)用于本科教學，能夠讓臨床實習教學效果顯著提高[4-6]。本文通過設(shè)計和制作骨盆骨折的3D模型，對3D打印的授課效果及教學優(yōu)勢進行全面地介紹，希望能夠提高骨科青年教師的教學水平及本科生骨科臨床實習教學效果。

（一）研究對象

選擇溫州醫(yī)科大學臨床醫(yī)學專業(yè)學生60人，均為2013—2014年在本院骨科實習。采用采取傳統(tǒng)模式教學和3D打印模型進行教學各為30人。兩組學生在既往課程進度、年齡和性別等方面進行統(tǒng)計學檢驗，無明顯差異（P>0.05）。集體備課及3D打印模型教學方法培訓(xùn)的溫州醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院骨科主治醫(yī)師作為帶教教師對兩組學生進行臨床實習教學。

（二）研究方法

根據(jù)骨科實習大綱要求，讓全部學生參加7天的臨床實習，無一缺席及請假。具體內(nèi)容如下：（1）以骨盆骨折的診斷、治療作為主要實習內(nèi)容；（2）3D組的學生通過骨盆骨折3D模型結(jié)合患者的影像學資料、體格檢查、具體病史及手術(shù)治療方案進行教學；（3）普通組的學生以教科書結(jié)合患者的影像學資料、體格檢查、具體病史和手術(shù)治療方案進行教學。

采用客觀臨床考核與主觀的調(diào)查問卷兩種形式對不同方式的教學效果進行評估。客觀臨床考核內(nèi)容有四個方面組成：書寫病歷、骨盆解剖知識、CT讀片、手術(shù)方案的選擇，每個方面均為25分，總計100分。主觀考核同樣以四個方面的調(diào)查問卷體現(xiàn)，包括學習興趣、骨盆骨折分型、骨盆解剖、骨盆骨折手術(shù)。

（三）統(tǒng)計學方法

分別對兩組學生的客觀考核成績和主觀調(diào)查問卷回饋結(jié)果進行t檢驗和X2檢驗。P≤0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

二、結(jié)果

（一）臨床考核成績

客觀臨床考核成績提示：3D組在骨盆解剖知識、CT讀片、手術(shù)方案選擇三個方面成績高于普通組，而在書寫病歷成績上無明顯差異（表1）。

（二）調(diào)查問卷結(jié)果

主觀調(diào)查問卷的回饋結(jié)果提示：3D組在學習興趣、骨盆骨折分型、骨盆解剖三個方面的提高優(yōu)于普通組，而骨盆骨折手術(shù)這個方面無明顯差異（表2）。

三、討論

3D打印是一種快速成型技術(shù)，主要是以CT掃描獲得的數(shù)據(jù)或計算機技術(shù)輔助設(shè)計的數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用各種可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[7，8]。目前在生物醫(yī)學領(lǐng)域，3D打印技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于個性化組織工程支架材料和假體植入物的制造、細胞或組織打印、器官模型的制造與手術(shù)分析策劃等方面[9，10]。醫(yī)學領(lǐng)域應(yīng)用的3D打印技術(shù)主要包括選區(qū)激光融化技術(shù)（SLM）、熔融沉積制造（FDM）、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLA）、三維噴印（3DP）和直接攜帶細胞的生物打印[9]等。3D打印技術(shù)目前在生物醫(yī)學方面的應(yīng)用主要集中在骨科[11]、口腔頜面外科[12，13]以及血管外科[14]等。

作為一門綜合性強、涉及面廣的學科，骨科具有解剖結(jié)構(gòu)多和專業(yè)知識廣的特性，學生在實習期間難以掌握骨科的要點。因為涉及眾多骨骼結(jié)構(gòu)，而骨骼結(jié)構(gòu)大多又是不規(guī)則形，骨科臨床實習教學一直是臨床醫(yī)學實習教學的難點，骨折對學生的立體想象能力有較高的要求。在日常的臨床實習中，學生問診和查體并且參考課本插圖、患者的影像學資料，盡管內(nèi)容比課本要豐富，立體直觀性描述還是明顯缺乏，特別無法清楚地解釋復(fù)雜的骨盆骨折，而3D打印技術(shù)的使用能夠使得這些問題迎刃而解。

筆者發(fā)現(xiàn)在骨科臨床實習教學過程中，以往的教學法存在著一定的不足。上級醫(yī)師帶領(lǐng)醫(yī)學生進行教學查房，在患者床頭進行查體、閱片及講解，或利用PPT等方式進行講解是現(xiàn)在絕大多數(shù)醫(yī)院的骨科臨床實習模式，雖然比書本教學多了患者及其影像學資料這些“教具”，但這種教學方式對掌握醫(yī)學知識的效率偏低[15，16]。因為專業(yè)性和綜合性較強所以骨科臨床需要醫(yī)學生具有較好的解剖學基礎(chǔ)，枯燥無味的死記硬背一些解剖標志，學習效果肯定是欠佳。為了提高醫(yī)學教育效果和骨科臨床實習教學質(zhì)量，為了使學生們能夠產(chǎn)生身臨其境的感覺，筆者將基于影像學資料的3D打印模型引入骨科臨床實習教學，讓理論知識與臨床實際更加接近。結(jié)合3D打印模型，學生可以根據(jù)已掌握的醫(yī)學知識判斷骨折的起因、癥狀和體征，從而嘗試利用已經(jīng)掌握的醫(yī)學知識對骨折進行初步診斷甚至可以提出治療方案，這種深入的認識過程可以提高學生對骨科疾病的本質(zhì)理解。endprint

為保證并且提高本科生對骨科知識的理解和骨科實習教學質(zhì)量，筆者嘗試采用一種新的教學模式——3D打印模型。具體教學內(nèi)容包括：選擇患者的體格檢查和病史進行骨盆骨折基礎(chǔ)理論知識教學；完善骨盆CT，引導(dǎo)學生結(jié)合影像學理論知識了解骨盆解剖結(jié)構(gòu)；將患者骨盆解剖轉(zhuǎn)化成了3D打印的數(shù)據(jù)，制作出患者真實骨盆骨折的3D模型并制訂手術(shù)方案。

兩組的考核成績表明3D打印模型的醫(yī)學教育模式對學生理解和掌握骨科臨床知識有非常明顯的意義而且提高了學生們的學習積極性。

參考文獻：

[1]顏永年，等.基于快速原型的組織工程支架成形技術(shù)[J].機械工程學報，2010，46（5）：93-98.

[2]古麗萍.蓄勢待發(fā)的3D打印機及其發(fā)展[J].數(shù)碼印刷，2011，（10）：64-67.

[3]Berman B.3-DPrinting：TheNewIndustrialRevolution[J].Business Horizons，2012，55（2）：155-162.

[4]李曙明，李萌，楊益民，等.3D打印及計算機輔助技術(shù)在骨科臨床教學中的應(yīng)用探討——以復(fù)雜脊柱畸形治療為例[J].中國醫(yī)學教育技術(shù)，2015，29（2）：191-194.

[5]楊長偉，何大為，陳自強，等.基于三維打印技術(shù)的骨科教學模型設(shè)計及教學實施體會[J].中國醫(yī)學教育技術(shù)，2015，29（5）：550-552.

[6]李鋒濤，王棟，程劍，等.3D打印結(jié)合PACS系統(tǒng)在骨科PBL臨床教學模式中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學教育技術(shù)，2015，29（5）：550-552.

[7]Seol YJ，Kang TY，Cho DW.Solid freeform fabrication technology applied to tissue engineering with various biomaterials[J].Soft Matter，2012，8（6）：1730-1735.

[8]Derby B.Printing and prototyping of tissues and scaff olds[J].Science，2012，338（6109）：921-926.

[9]Ozbolat IT，Yu Y. Bioprinting toward organ fabrication：challenges and future trends [J].IEEE Trans Biomed Eng，2013，60（3）：691-699.

[10]Mahaisavariya B，Sitthseripratip K，Oris P，et al. Rapid prototyping model for surgical planning of corrective osteotomy for cubitus varus：Report of two cases[J].Injury Extra，2006，37（5）：176-180.

[11]Tam MD，Laycock SD，Bell D，et al. 3D printout of a DICOM file to aid surgical planning in a 6 year old patient with a large scapular osteochondroma complicating congenital diaphyseal aclasia[J].J Radiol Case Rep，2012，6（1）：31-37.

[12]Mazzoni S，Marchetti C，Sgarzani R，et al. Prosthetically guided maxillofacial surgery：Evaluation of the accuracy of a surgical guide and custom-made bone plate in oncology patients aft er mandibular reconstruction[J].Plast Reconstr Surg，2013，131（6）：1376-1385.

[13]Olszewski R.Three-dimensional rapid prototyping models in cranio-maxillofacial surgery：Systematic review and new clinical applications[J].P Belg Roy Acad Med，2013，（2）：43-77.

[14]You JH，Kang SG，Kim BM. A novel measurement technique for the design of fenestrated stent grafts：comparison with threedimensional aorta models [J].Exp Clin Cardiol，2013，18（1）：48-52.

[15]李鋒濤，王棟，程劍，等.3D打印結(jié)合PACS系統(tǒng)在骨科PBL臨床教學模式中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學教育技術(shù)，2015，29（5）：550-552.

[16]朱文藝，海涌，李健，等.多元化教學方式在骨科臨床教學中的應(yīng)用研究[J].中國病案，2015，16（4）：87-89.endprint