基于磁共振影像重建技術的三維打印膝關節疾病模型在骨科教學中的應用

陳為堅　陳奕雄　陳慧華

[摘要]目前磁共振三維打印模型在臨床教學領域中的應用比較廣泛。在骨科教學中，針對復雜性膝關節病例，將磁共振影像重建技術與三維打印模型的實體教具相結合，開展精準化及個體化的教學，讓學生對三維打印模型進行模擬操作，進而制訂具體的手術方案，這有助于理解及掌握膝關節相關疾病的病因、診斷及治療，了解及掌握膝關節的解剖和空間結構，熟練模擬手術的操作，進而實現精準化和個體化教學的目的。磁共振三維打印模型能夠使學生更為生動和直觀地體會膝關節相關病例的解剖形態，同時也會提升學習的趣味性和課堂學習的活躍程度，有利于強化學習的效率和質量，具有較好的應用前景，值得在骨科學教學中推廣應用。

[關鍵詞]磁共振；三維打??；模型；教學；骨科

[中圖分類號] R684 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-4721（2018）8（a）-0159-03

Application of 3D printing knee joint disease model based on MRI reconstruction technology in orthopaedics teaching

CHEN Wei-jian1 CHEN Yi-xiong2 CHEN Hui-hua3

1. Department of Orthopedics， the Fifth Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University， Guangdong Province， Guangzhou 510700， China； 2. Department of Rehabilitation， Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine， Southern Medical University， Guangdong Province， Guangzhou 510317， China； 3. Department of Teaching， the Fifth Affiliated Hospital， Guangzhou Medical University， Guangdong Province， Guangzhou 510700， China

[Abstract] At present， the magnetic resonance three-dimensional printing model is widely used in clinical teaching. In orthopaedics teaching， MRI reconstruction techniques are combined with physical aids for 3D printing models for complex knee cases. Accurate and individualized teaching is conducted to allow students to simulate 3D printing models and develop specific the surgical plan helps to understand and master the etiology， diagnosis and treatment of knee-related diseases， understand and master the anatomy and spatial structure of the knee joints， and skillfully simulate the operation of the surgery， thereby realizing the goal of precision and individualized teaching. The magnetic resonance 3D printing model enables students to vividly and intuitively understand the anatomy of knee-related cases. It also enhances the interest of learning and the active level of classroom learning. It is conducive to enhancing the efficiency and quality of learning. The prospect of application is worth promoting and applying in orthopedic teaching.

[Key words] Nuclear magnetic resonance； Three-dimensional printing； Model； Teaching； Orthopedics

膝關節是人體最復雜也是最重要的一個負重關節，是骨科教學中的一個難點和重點，膝關節的空間結構、血管神經走行以及肌肉的起止點等都需要用到影像學知識，但由于大部分臨床專業學生缺乏對影像學知識的理解和熟練，故在骨科教學中很難將影像學知識滲透[1-2]。近年來，隨著計算機科學和圖像學的不斷發展和應用，基于醫學圖像及計算機構造的三維人體膝關節模型被越來越多地應用于臨床教學及科研，尤其是應用磁共振影像重建技術對膝關節各結構進行的三維重建，成果顯著[3]。同時，科技的發展大大降低了三維打印的成本，這使得三維打印技術在臨床教學及臨床工作中得到廣泛的應用。本文將闡述基于磁共振影像重建技術的三維打印膝關節模型在骨科臨床教學中的應用，以提高骨科教學的水平和質量。

1三維打印膝關節疾病模型的構建

基于磁共振影像重建技術的三維打印膝關節疾病模型的構建方法包含區域生長法圖像分割、圖像域值處理、輪廓插值及灰度插值等幾個步驟，構建了包含脛骨、股骨、脛股骨端軟骨及半月板5個部分完整的膝關節三維打印模型[4]。三維打印膝關節模型具有以下特點[5]：①脛股接觸面的光滑程度比較好，可用于膝關節相關力學的分析，可使學生更好地體會膝關節力學的原理及力度。②該模型的構建源于活體膝關節的磁共振影像，可更加真實地反映膝關節的解剖機構和相對位置關系。學好骨科學必須先熟悉骨科的相關解剖知識，只有掌握了膝關節準確的解剖定位，才能根據患者相關癥狀、體征做出對膝關節相關疾病的正確診斷。③該模型包括脛股骨端軟骨和半月板軟組織，有利于進一步探討其在膝關節運動中的運動規律及力學特性，能激發學生對膝關節的進一步研究，同時有利于加深學生對膝關節的理解和探討膝關節未知的疾病。

在骨科教學中，要求學生學習的不僅僅是疾病的病因、定義、診斷及治療等，更需要掌握及準確認識相關病變部位的解剖結構、空間位置、幾何形狀以及與周圍組織器官之間的位置關系。在教學中，骨科學的教學一般安排在大三下學期或大四上學期，學生此時對大一學過的相關解剖學知識有所遺忘，因此如何將臨床見習經驗與基礎理論知識相結合，并且能夠學以致用，成為骨科教學工作中的一個重點及難點[6]。三維打印膝關節模型的構建，有利于學生對膝關節知識的記憶、理解和掌握，加深學生對膝關節解剖知識的理解，進而收到較好的骨科教學效果。

2三維打印膝關節疾病模型與骨科教學

眾所周知，傳統的膝關節模型一般是參考正常的膝關節解剖形態而進行批量的制作，這種模型對?？粕捅究粕n堂上學習膝關節相關知識有一定的參考意義。但對于骨科學研究生及進修、實習醫師而言，傳統的膝關節模型就不能滿足其對膝關節肌肉和骨骼解剖形態的要求。盡管二維影像、三維影像可以有助于臨床醫師獲取視覺的信息，如X線、CT等，但是對骨科醫生教學方面使用，缺乏模具的可操作性及立體直觀性[7]，因此需要研究更直觀、立體的模型，以滿足骨科研究生的更高需求，提高進修實習生骨科教學的質量，同時將基于磁共振重建技術構建的三維打印膝關節與骨科膝關節教學病例相結合，并借助以往的膝關節教學經驗，針對一些復雜的膝關節手術及相關病例制訂診療計劃及手術方案，對研究生、進修醫生等開展個性化的教育嘗試，使教學更精準，以達到教學相長，有效地激發學生的學習興趣，提高臨床教學的效果。

2.1膝關節病例、教案設計的選擇

骨科膝關節教案的設計需要更符合膝關節的專業基礎知識，具有解剖基礎且可以提高臨床技能，又需要符合病例典型，使病例具有較高的代表性，反映出膝關節在臨床中最常見疾病的病理解剖特點。同時，教學病例的選擇與教案的選擇，還需要采用多種方法以激發學生的學習興趣和求知欲，體現出充足的知識性和實踐性；而對教案中涉及的問題，需要充分地把握住問題的前沿性，且有一定的開放性，使學生能夠通過病例，主動地閱讀膝關節的相關知識，更好地了解膝關節臨床治療等方面的前沿專業理念和技術，有效地拓展學生的視野并激發其創新意識。對膝關節病例的問題設計，需要以開放的形式去設計，這樣可以具備更好的延伸性及拓展性，學生不但能夠針對問題進行思考，還可以去圖書館等查閱相關的文獻，做到舉一反三，真正理解膝關節的相關疾病及手術方案[8]。

2.2臨床骨科教學中三維打印膝關節模型的應用

一般骨科學的課程需要每周開展三次，每次為2個學時，其中教學資料包括選擇好的病例、涉及的教案，教師還要結合目前臨床工作中所遇到的典型真實案例，準備好教學資料，且需要案例的一般情況、相關影像及生化檢查等資料[9]。在教學開始前，要讓學生提前預習即將所學的膝關節相關疾病，進一步了解膝關節的相關知識，然后進入到醫院病房中對真實患者進行病史詢問采集、查體等。在膝關節教學內容的選擇以及設計過程中，可加入一些對膝關節疾病認識有幫助的內容，在這些內容中，學生能夠較好地擴展思維，并模擬臨床實踐，建立各種膝關節疾病的假設及診斷情況，提出見解。隨后醫生要開展開放式教學內容，組織學生進行病例的討論，包括該病例的特點如何，此病例的影像學檢查結果等，并讓學生分析如何進行疾病診斷，需要與哪些疾病鑒別，引導學生積極發言，談談對該病例的診斷、治療及預后，比如該完善什么檢查，行什么樣的臨床干預，患者在治療過程中可能出現的不良反應，是否有先進的治療措施等。學生在討論完成后，由一名學生進行總結，老師再向學生提供三維打印的膝關節模型，學生根據模型的特點對疾病進行觀察，不斷地對之前病例討論結果進行修正和完善。一般來說學生觀察膝關節實體模型之后，可進一步了解疾病的基本情況，提出更合理的治療措施。在課程結束后，由一名或兩名學生對本次病案進行總結和討論，教師做出點評及補充修正。

2.3三維打印膝關節模型的優勢與教學效果的體現

①可以對病因和病理有更好的理解。此課程可以結合患者的臨床癥狀、體征、生化學檢查結果及影像學檢查結果，對膝關節病例進行分析，隨后借助三維打印膝關節模型，不斷地對病例進行推敲和完善，將觀察到的三維打印膝關節模型上的病理特點與患者的臨床表現進行結合，再進行反復論證及討論。學生通過上述系列的環節，可以初步了解膝關節病變損傷如何進行評估，如何分析膝關節畸形分度和分型，對膝關節的病例癥狀及體征反復地討論并補充，能夠提升學生對疾病的診斷分析能力[10]。此外，教師可以根據三維打印模型，對膝關節的解剖位置情況、手術治理措施等進行詳細講解，通過這種方法，可以更直觀地向學生展示膝關節骨折、膝關節畸形和脫位等，有效地提高學生的學習效率，且使教學手段得以完善，提高了教學質量[11]。②三維打印模型可以利用解剖結構與空間結構情況，使臨床骨科醫師能夠對相關的解剖知識和組織結構形態有更充分的理解和認識，而解剖學相關知識傳統上是通過尸體解剖獲得，之后就只能在臨床實踐中獲得和強化。但是目前可以用于教學的解剖標本較少，學生實踐的機會較少，因此，醫學生及進修、年輕醫生都希望可以在手術前獲取更多的知識，得到更多的培訓，使用二維圖形和三維圖形，不能夠滿足復雜的解剖結構需求[12]，培訓作用較差。通過三維打印的膝關節模型可以在視覺、觸覺和空間感覺三個方面幫助醫生獲取更多的膝關節相關知識，尤其對復雜的解剖結構及復雜的病例，這種模型優勢更大。對復發的膝關節病例進行教學分析，如果可以將三維打印技術與臨床教學相結合，那么就能夠讓學生直觀且全面地認識膝關節的特點和形態，并通過臨床實際情況，對教學效果進行驗證且有利于提高教學質量[13]。③可以滿足手術需求并進行模擬操作練習。在臨床教學中不僅可以講解膝關節疾病的主要特征和臨床診斷方法，更需要對治療措施進行重視。一般在理論課中，一個疾病多伴有多種治療方法，但是作為骨科醫生，不但需要考慮此患者可以使用哪些方法，還需要考慮哪種方法更符合患者的需求，進而選擇最佳的治療措施。使用三維打印模型，能夠盡可能多地為學生提供真實的病例資料，使學生有模擬實踐能力，親自體會如何進行膝關節手術，并提高了學生的興趣和參與性。同時，利用三維打印模型還可以在操作的過程中，讓學生發現理論方面沒有的細節，通過教師的補充講解，可以更多地提高師生之間的互動，學習氛圍更濃[14]。

3模型的局限性

使用三維打印膝關節疾病模型仍然存在著一定的局限性。①目前的三維打印膝關節模型并不能較好地整合膝關節的穿支血管，無法較好地打印出肌肉起止等原有的膝關節軟組織，因此用三維打印膝關節疾病模型并不能完全真實地重建病例的解剖結構[15]。②三維打印的膝關節模型價格較高，因此僅限于臨床教學及臨床工作中，尚不能做到人手一個，大范圍地應用；另外，該模型只能選擇擇期手術的病例，因為模型的構建需要一段時間，無法對急癥病例進行重建打印和模型教學[16]。

綜上所述，三維打印膝關節疾病模型是一種能提升教學效果的實體模型，可以讓學生更全面和直觀地觀察到膝關節病例的解剖情況和病變的特點，并有效掌握膝關節組織結構、膝關節各內部結構的位置和關系。利用模型進行操作，也可以提高學生的課堂活躍程度，有效激發學生的學習興趣，對培養學生的個性化、綜合性臨床思維有較高的應用價值，且能夠提高教學質量。隨著磁共振影像重建技術三維打印的大眾化，相信此技術可以更廣泛地應用，骨科教學也可以進入更先進的個體化教學時代。

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（收稿日期：208-03-21 本文編輯：祁海文）