3D打印在復(fù)雜肱骨近端骨折教學(xué)中的應(yīng)用①

貝朝涌，陳俊毅，王 燁，彭艷紅，王 寧，伍志海

(桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院四肢創(chuàng)傷手外科，廣西 桂林 541001)

3D打印最初被稱為“快速原型制作”。所使用的方法是增材制造或分層制造，其中材料各層以預(yù)定的方式沉積在彼此的頂部，并熔融形成最終產(chǎn)品。3D打印將3種關(guān)鍵類型的快速原型技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)：熔融沉積，激光和打印[1-3]。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)使數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真能夠從虛擬階段走向現(xiàn)實(shí)階段，3D數(shù)字圖像已轉(zhuǎn)變成3D實(shí)物對(duì)象。近年來(lái)，3D打印模型的應(yīng)用已在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中逐漸發(fā)展[4-6]。肱骨近端骨折是上肢的常見骨折，尤其是neer 3或4的部分具有明顯移位的骨折[7-8]，隨著外科技術(shù)的發(fā)展和新植入物的出現(xiàn)，此兩類肱骨近端骨折需要手術(shù)治療。本文以復(fù)雜肱骨近端骨折為例，探討3D打印技術(shù)在骨科規(guī)范化培訓(xùn)中的應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 觀察對(duì)象

35位骨科規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)師隨機(jī)分為對(duì)照組A和觀察組B兩組，A組17名，B組18名。兩組性別、年齡、學(xué)歷與資歷等均衡可比。

1.2 3D打印模型制備

獲取復(fù)雜肱骨近端骨折neer 3型或4型病例CT影像學(xué)數(shù)據(jù)，使用醫(yī)療3D處理軟件(Mimics 18.0)建模，然后采用3D打印機(jī)打印出1∶1的復(fù)雜肱骨近端骨折模型。

1.3 教學(xué)方法

傳統(tǒng)教學(xué)法采用臨床帶教結(jié)合PPT與影像學(xué)教學(xué)片進(jìn)行教學(xué)。新教學(xué)法配備1∶1的復(fù)雜肱骨近端骨折3D打印模型，結(jié)合PPT與影像學(xué)教學(xué)片進(jìn)行互動(dòng)式教學(xué)。

A組采用傳統(tǒng)方法教學(xué)：①制定臨床教學(xué)計(jì)劃，課前要求學(xué)生對(duì)肱骨近端骨折的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行預(yù)習(xí)；②以復(fù)雜肱骨近端骨折為例進(jìn)行教學(xué)，內(nèi)容包括解剖、neer分型、影像學(xué)、治療方法等，針對(duì)相關(guān)內(nèi)容安排學(xué)生討論，回答相關(guān)問(wèn)題，作出診斷和治療方案；③副主任級(jí)別以上醫(yī)師結(jié)合PPT講解肱骨近端骨折的特征、影像學(xué)特點(diǎn)和治療方法。B組采用3D 打印模型結(jié)合傳統(tǒng)外科教學(xué)：傳統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)上，結(jié)合3D模型講解肱骨近端骨折影像學(xué)特征，利用模型講解骨折分型和治療的操作細(xì)節(jié)，以及利用3D打印模型進(jìn)行手術(shù)預(yù)演。

1.4 觀察指標(biāo)

①考核成績(jī)：授課后對(duì)兩組學(xué)生進(jìn)行考核，理論部分包括CT二維圖像、疾病的診斷、分類和治療等知識(shí)；技能部分主要包括手術(shù)方式的選擇與運(yùn)用技巧。②學(xué)生的教學(xué)效果評(píng)估：包括學(xué)習(xí)能力、理解能力、學(xué)習(xí)興趣、課程參與度及滿意度，每項(xiàng)10分。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 考核成績(jī)

與傳統(tǒng)外科教學(xué)方法比較，3D打印教學(xué)明顯提高骨科規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)師的理論和技能考核成績(jī)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見表1。

表1 兩組考核成績(jī)比較分)

2.2 學(xué)生自我評(píng)價(jià)

與傳統(tǒng)教學(xué)法比較，3D打印教學(xué)組的學(xué)習(xí)能力、理解能力、學(xué)習(xí)興趣、課程參與度等自我評(píng)價(jià)得分明顯提高(P<0.05)，見表2。

表2 兩組自我評(píng)價(jià)得分比較分)

3 討論

骨科學(xué)是一門涉及面廣、綜合性強(qiáng)的學(xué)科，骨科臨床教學(xué)一直是醫(yī)學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)。隨著臨床教學(xué)方法的發(fā)展和創(chuàng)新，多種教學(xué)方法都應(yīng)用于臨床教學(xué)，傳統(tǒng)的骨科學(xué)教學(xué)主要是教師以課本為基礎(chǔ)，結(jié)合插圖、影像學(xué)資料，如X線、CT、MRI等，以及實(shí)體骨骼標(biāo)本和模型來(lái)講解，但資源有限，教學(xué)模型結(jié)構(gòu)單一，面對(duì)復(fù)雜、多變的解剖結(jié)構(gòu)、部位及損傷的病例，很難滿足教學(xué)的需求[9-10]。

3D打印技術(shù)是一種跨多學(xué)科技術(shù)，包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)和材料技術(shù)等。3D打印主要有3個(gè)方面：首先，利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)建模軟件，然后利用建模軟件制作、構(gòu)建3D模型；將3D模型逐層切成薄片；最后，逐層打印模型的薄片成模[11]。3D打印的創(chuàng)新、發(fā)展迅速，且在多學(xué)科中廣泛使用，骨科的應(yīng)用目前主要在術(shù)前計(jì)劃、術(shù)中指導(dǎo)、手術(shù)模擬導(dǎo)航。3D打印骨折模型可以提高外科醫(yī)師術(shù)前診斷和優(yōu)化手術(shù)計(jì)劃，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，減少和預(yù)防發(fā)生醫(yī)源性并發(fā)癥[12-13]。近年來(lái)，3D打印模型在術(shù)前模擬起著越來(lái)越重要的作用，外科醫(yī)師可以根據(jù)骨折模型術(shù)前預(yù)先復(fù)位，選擇合適尺寸和類型的植入物模擬手術(shù)。另外，可將3D打印模型進(jìn)行消毒，置于手術(shù)臺(tái)，按照繪制的仿真軌跡進(jìn)行即時(shí)手術(shù)[14-15]。這為外科醫(yī)師制定個(gè)體手術(shù)計(jì)劃提供了重要、真實(shí)和可靠的依據(jù)，從而顯著提高手術(shù)的安全性和有效性。隨著數(shù)字骨科的發(fā)展，3D打印應(yīng)用于臨床教學(xué)也越來(lái)越廣泛[11，16]。

具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的肱骨近端骨折對(duì)于骨科規(guī)范化培訓(xùn)年輕醫(yī)師而言，僅憑二維X射線照片難以全面分析和確定骨折的個(gè)體特點(diǎn)，此外，僅根據(jù)CT骨折二維或三維圖片，也很難全面確定肱骨近端粉碎性骨折的嚴(yán)重性。由于骨科規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)師目前掌握的醫(yī)學(xué)知識(shí)水平限制，以及未能夠充分認(rèn)識(shí)到骨折的復(fù)雜性和手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，這將導(dǎo)致他們常常誤診或漏診，甚至對(duì)骨折并發(fā)癥認(rèn)識(shí)不足。3D打印模型教學(xué)的應(yīng)用與實(shí)施，參加培訓(xùn)醫(yī)師的專業(yè)理論知識(shí)、CT閱片、治療方法的選擇和實(shí)踐操作的得分均高于傳統(tǒng)教學(xué)組；參加培訓(xùn)醫(yī)師的學(xué)習(xí)能力、理解能力、學(xué)習(xí)興趣、課程參與度及滿意度的自我評(píng)價(jià)均高于傳統(tǒng)教學(xué)組。

如何在更短的時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)出優(yōu)秀的骨科醫(yī)師，是每個(gè)教學(xué)醫(yī)院的臨床指導(dǎo)教師都需要認(rèn)真思考的問(wèn)題。骨科規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)師對(duì)影像學(xué)、解剖學(xué)及骨外科相關(guān)知識(shí)都有較高的要求，但存在培訓(xùn)時(shí)間有限、動(dòng)手操作機(jī)會(huì)較少等問(wèn)題[16-17]。對(duì)于復(fù)雜肱骨近端骨折，除了需要掌握肱骨近端的解剖特點(diǎn)外，也需要了解肩關(guān)節(jié)手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥。本文研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)教學(xué)模式比較，3D打印模型教學(xué)有如下優(yōu)勢(shì)：①骨科規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)師可以參與從理論到3D實(shí)物構(gòu)建的全過(guò)程；②通過(guò)3D打印模型講解重點(diǎn)的解剖結(jié)構(gòu)、骨折類型和治療方法，有助于提高骨科規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)師的相關(guān)理論知識(shí)；③依據(jù)3D打印模型進(jìn)行手術(shù)模擬操作，有助于提高骨科規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)師的實(shí)踐操作能力和水平。

綜上所述，3D打印教學(xué)是良好的教學(xué)方式，能夠讓骨科規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)師得到全面、系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)，利用3D技術(shù)高仿真、高還原人體器官的特性，結(jié)合三維信息技術(shù)構(gòu)建解剖模型，促進(jìn)相關(guān)解剖學(xué)的理論和實(shí)踐教學(xué)[18-19]。3D打印教學(xué)使骨科規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)師深刻體會(huì)手術(shù)方式及內(nèi)固定原理，極大地提高了他們的學(xué)習(xí)興趣及課堂互動(dòng)能力，從而更好地完成教學(xué)目標(biāo)[20]。