3D打印技術在骨科研究生重度滑脫病例臨床教學中的應用研究

楊 進，王高舉，徐 雙，王 松，王 清，黎秋晗

(西南醫科大學附屬醫院：1.脊柱外科；2.臨床技能中心，四川 瀘州 646000)

在臨床醫學專業，研究生的教育模式已被分為2個方向：一是以臨床應用為導向的專業型研究生；二是以科學研究為目的的科研型研究生。其培養目的不同，教學方法迥異。在骨科專業型研究生的教學中，學生對運動系統的三維解剖結構的空間思維構型形成一直是一個教學的難點；同時，這也是理論教學通往臨床實踐的必經之路，只有在頭腦中形成了良好的三維解剖結構的空間思維構型，作為學生或年輕的骨科醫生，才能對患者的解剖結構有清楚的認識，對于接下來的外科實踐才可能做到安全、高效。

在骨科領域，脊柱亞專業由于其具有解剖位置深，周圍存在重要的神經、血管，損傷后可危及患者生命等特點，學生動手機會少，所以，脊柱專業的研究生往往存在學習困難、進步更慢的特點。對于脊柱專業的研究生，現行的一些傳統教學模式，如對其形成脊柱、脊髓、周圍重要血管的空間三維解剖的空間構型，主要教學材料還是來源于書本和影像檢查[1-3]。雖然，目前的高分辨CT掃描可以進行三維結構的表觀重建，磁共振成像(MRI)的技術也在不斷進步，甚至在影像學發展的前沿，還有結合多種影像成像的影像合成技術，但其在屏幕上還多是以一種二維的影像來展示一個三維的影像。這種影像對已經形成解剖的三維空間概念的成熟脊柱醫生已足夠，但對于尚需培養的骨科學生來講，這種影像呈現還是不夠，與實際情況還是存在不小的差距。

針對這個問題，現結合目前的3D打印技術，以重度腰椎滑脫為例，使用3D打印技術打印畸形的脊柱病變，用打印的模型進行研究生教學，現報道如下。

1 資料與方法

1.1研究對象 本研究納入本校2016-2018級所有骨科碩士研究生共36名，全為男性，將其分為試驗組和對照組，每組18名。納入標準：(1)骨科碩士一年級學生；(2)應屆學生(無臨床工作經驗)；(3)學生本人知情自愿參加。排除標準：(1)碩士入學前有工作經驗的學生；(2)參加過骨科專業規范化培訓的碩士研究生。

1.2方法

1.2.1病例選擇及模型打印 選取2例重度滑脫的患者，在CT工作站采用刻錄光盤的方式導出數據進行三維重建。

3D打印基于材料累加概念和疊層制造方法，在計算機的控制下，通過材料的精確堆積制造原形的一種離散、堆積成型原的數字化成型技術，制造出外形與結構等同于原形的、具有復雜空間結構的模型。通過CT三維重建和快速成型的技術制作出1∶1等大的、高仿真脊柱畸形模型(圖1)。

1∶1等大，腰5椎體發育不良，骶骨上緣穹隆樣改變。

1.2.2分組及教學方法 試驗組采用書本+影像資料+3D打印的脊柱模型(重度滑脫)進行教學；對照組采用傳統模式，即使用書本+影像資料教學，教學均在1周內完成，學時均為8節。所有學生通過抽簽(奇偶數)獲得不同入組，為保障所有學生的公平權利，不同分組的學生在研究結束后會再次得到相對組的教學措施。所有教學由同一位副教授(副主任醫師)完成，該教師具備大于3年的理論大課經驗及大于5年的脊柱外科專科工作經歷。授課采用6人次的小班教學，在臨床實習小教室，所有學生均可實地接觸所有教具，以及和教師隨時互動，教學采用的書本和影像資料的教學材料和內容兩組完全一致。

1.2.3觀察指標 對于教學質量的評價采用多時間點(課后、課后1周、課后1個月、課后3個月)的客觀評價指標和課后3個月的主觀評價。

1.2.3.1主觀指標 要求學生通過自我回憶來評價對于本次課程的理解程度。評價指標分為4個等級：(1)非常清楚；(2)清楚；(3)不確定；(4)接近完全忘記。

1.2.3.2客觀指標 評價主要通過1個簡答形式的調查問卷，總分35分，調查問卷由脊柱外科教學組針對此疾病的教學內容和重要知識點進行自主設計。主要包括四部分：(1)重度滑脫定義；(2)病理機制；(3)重度滑脫骨性結構特征；(4)治療的方式。見表1。根據學生回答完的知識點分別計分并累加。

表1 重度滑脫教學情況調查問卷

2 結 果

36名骨科研究生平均年齡為(23.4±1.34)歲，均順利完成本研究所有環節學習。在教學結束后1個月內，對照組學生均補充完成結合3D打印模型的教學。

2.1兩組學生調查問卷得分比較 兩組學生課后，課后1周，課后1、3個月各時間點問卷得分組內比較，差異均有統計學意義(P<0.001)。兩組學生課后、課后1周的問卷得分比較，差異均無統計學意義(P>0.05)。兩組學生課后1、3個月問卷得分比較，差異均有統計學意義(P<0.05)。見表2。并且，在折線圖中(圖2)清楚顯示：隨著時間的延長，對照組的得分明顯下降。

表2 兩組學生調查問卷得分比較分)

1=課后；2=課后1周；3=課后1個月；4=課后3個月；與對照組同時間點比較，aP<0.05。

2.2兩組學生課后3個月自我主觀評價情況比較 試驗組學生課后3個月評價課程清楚情況明顯優于對照組，差異有統計學意義(P=0.022)，見圖3。

1=非常清楚；2=清楚；3=不確定；4=接近完全忘記。

3 討 論

骨科學病種繁雜，解剖區域廣且解剖結構立體性強，治療選擇多，技術更新快，學生往往感到學習困難。其中，解剖結構的空間三維關系一直是骨科學生理解的難點，而在骨科醫生頭腦中建立三維立體觀念又是培養優秀骨科醫生的基石。脊柱外科是骨科領域難度最高的亞學科之一，脊柱的畸形往往病變更為復雜，對其準確的病理解剖認識是治療這些畸形的基礎。如何讓脊柱外科的研究生能夠較易理解這些病變，掌握關鍵的知識點，產生研究的興趣是脊柱外科帶教教師或導師需要思考的問題，其教學思路和方法，應與本科生的骨科臨床教學法區別開。

3.1現行教學方式與骨科教學的需求 基于問題的學習教學法和基于病例的學習教學法等能夠有效地將病理、生理、病理生理、診斷學等學科內容進行串聯，提高學生對于疾病的認識、思考和診斷能力，但這種教學方式對于學生的邏輯思維能力培養更為有效[4]。對于外科學生，其不但需要有嚴密的邏輯思維能力，具備扎實的解剖基礎，而且能將影像資料轉換為頭腦中的三維空間構型，進而在手術中熟練應用，在特定的環境下(如術中)，這種能力往往更為重要。相比其他外科，骨科年輕醫生的三維空間構型能力的培養更為重要，因為在運動系統中，重要的解剖結構(如血管、神經、骨)往往涉及更多維度的解剖構成。其中，與四肢相比，脊柱位置深，解剖復雜，重要結構多，其理解和學習更困難，而脊柱畸形的學習又是難點中的難點。因此，較早的、系統的、科學地培養骨科(脊柱)研究生的空間解剖構型思維是學習的基礎和重點，應該被給予更多的重視及結合多模式的教學[5-8]。從個體學習機制上來講，記憶是大腦對所接收信息進行編碼、保存、提取的過程。大腦通過對接收的信息(比如文字、聲音、畫面、立體觸覺等)進行多級處理，經過編碼和建立鏈接而存儲到大腦中形成記憶。3D打印模型輔助教學可能較傳統的教學方式為學生提供了更多的信息鏈接方式，而使學生更易建立理解和感知基礎上的長久記憶。本研究結果顯示，對照組早期的問卷得分與試驗組相似，可能是基于純記憶，而不是基于培養的空間三維結構的理解記憶；而對照組后期的問卷得分明顯下降則反映出純記憶的作用逐步消散。

3.23D打印技術在骨科(脊柱)教學中應用 3D打印技術是誕生于20世紀90年代的一種快速成型技術，其無須原胚及模具，可直接根據計算機圖形數據，運用多種打印材料，通過逐層打印來構造物體，從而將數字文件轉變為可設定比例的實物模型。近年來，3D打印技術已經成為國內外臨床醫療的熱點，在醫學教育方面，也開始吸引越來越多的關注。劉廣武等[5]報道了使用3D打印和計算機建模技術在八年制臨床醫學專業骨科學教學中的應用研究，認為其利于提高教學質量、增加教學滿意度。羅益濱等[4]也認為，現行的多種教學模式在脊柱研究生教育中應該得到優化。均與相關研究結果類似[6]。本研究發現，在課后3個月的課程主觀評價方面，試驗組結果明顯優于對照組；在客觀的問卷調查評分中，雖然在課后和課后1周，兩組間問卷得分并沒有統計學差異，但在課后1、3個月的對比中，試驗組問卷得分明顯優于對照組。這可能是得益于3D打印模型的輔助教學能帶給學生更完整的視覺、觸覺體驗，從而豐富其三維空間構型能力，進而對學生加深對其的理解能力，而不僅僅是單純的記憶力。本研究的結果與一些既往本領域研究結果一致[5,8]。但與既往的教學方法評價和驗證一樣，本研究評價指標的考核設計和信度、效度仍需進一步驗證[9]。

3.33D 打印對傳統教學方式的影響 傳統的脊柱臨床教學模式，采用教師帶教查房，床前閱片講解，結合PPT等方式進行講解，雖然相比純理論教學，多了患者和具體的影像學資料這一教學“道具”，但對于學生而言，其缺乏對于病變的具體理解和空間構想能力，所以面對這些東西會感覺抽象和枯燥，進而影響其學習質量和熱情。因此，大部分學生往往需要通過理論知識和臨床實踐的反復強化，才能夠將基礎理論知識立體化、形象化。而3D打印技術可以將抽象的二維影像資料轉變為可觸及的三維實體模型，直觀地將病變局部的解剖特點展示給學生，結合先影像學資料再3D模型的順序，用漸進式、啟發式、聯想式及最后實物化的教學方法，降低理解難度[10]，充分調動學生的學習熱情，提高課堂上學生參與度，培養其空間構想能力，并可與實物模型進行比對修正，用最快的、最直接也容易理解的方式教會學生將影像資料與真實模型結合，增強理解記憶和空間構想能力培養，對于教學來講，學習難度的降低將會顯著提高教學質量[11-14]。

3.4總結及研究不足 本研究中將3D打印技術(以重度滑脫為例)引入骨科碩士研究生的脊柱專科臨床教學，并針對教學的內容提出了量化評價的指標，結果顯示，該教學方法可增強學生的理解記憶和培養三維空間構型能力,提高了教學質量，獲得了更好的教學效果和教學滿意度。本研究最大不足在于：(1)樣本量偏小；(2)研究的觀察時間較短；(3)采用的評價指標其效能也需要擴大研究的樣本量來進一步驗證。