3D打印技術(shù)在脊柱外科教學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展*

劉 揚(yáng) 綜述，汪 洋 審校

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院脊柱外科，重慶 400010)

3D打印技術(shù)也稱為快速打印原型制造或增材制造，是通過運(yùn)用金屬合金、塑料和聚氨酯等材料，依據(jù)數(shù)字化3D圖像逐層打印構(gòu)造實體3D對象的技術(shù)。3D打印技術(shù)基于儲存數(shù)據(jù)將數(shù)字化3D圖像模板重建為逐層堆積打印的實體對象，打印出的個體化實物可以提供理想的強(qiáng)度和剛性而滿足實際應(yīng)用需求。

脊柱解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和脊柱手術(shù)的高難度為脊柱外科的教學(xué)和訓(xùn)練增加了難度。3D打印技術(shù)在脊柱外科教學(xué)中的應(yīng)用呈現(xiàn)多樣化趨勢，展示了良好的發(fā)展前景。

1 3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)是依據(jù)數(shù)字化3D圖像逐層打印構(gòu)造實體3D對象的技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)80年代，經(jīng)歷了30余年的技術(shù)發(fā)展和更迭。從打印義齒模型和助聽器等醫(yī)學(xué)裝置到用于建立藥物試驗和醫(yī)學(xué)教育的疾病模型，3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)的諸多研究領(lǐng)域，在臨床中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。3D打印技術(shù)綜合了信息技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、數(shù)字建模技術(shù)、材料科學(xué)和化學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域的前沿科技，是目前全球最精尖的科學(xué)技術(shù)之一[2]。

近年來，3D打印技術(shù)在脊柱外科手術(shù)中的研究和臨床應(yīng)用逐漸增加，已經(jīng)成為脊柱外科的一項頗具應(yīng)用前景的技術(shù)。隨著3D打印設(shè)備和相關(guān)軟件成本的降低及獲取渠道的拓展，預(yù)計3D打印技術(shù)在脊柱外科的應(yīng)用需求在未來幾年內(nèi)還會持續(xù)增長。目前，3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于脊柱外科的術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中個體化內(nèi)固定裝置和個體化導(dǎo)向模板的構(gòu)建、個體化生物打印和術(shù)前醫(yī)患溝通等方面[1,3]。此外，大量文獻(xiàn)研究表明，3D打印技術(shù)在脊柱外科教學(xué)和培訓(xùn)方面的應(yīng)用也逐漸增多，為脊柱外科教學(xué)提供了嶄新的思路[1,4]。

2 3D打印技術(shù)在脊柱外科本科生教學(xué)中的應(yīng)用

由于脊柱解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和脊柱疾病的多樣性為脊柱外科本科生的教學(xué)帶來了很大的挑戰(zhàn)[5]。脊柱外科的本科生臨床見習(xí)和實習(xí)教學(xué)是脊柱外科教學(xué)內(nèi)容中的難點(diǎn)。3D打印技術(shù)的應(yīng)用可發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，提升脊柱外科本科生教學(xué)質(zhì)量。

2.1脊柱外科解剖學(xué)課程教學(xué) 傳統(tǒng)脊柱外科解剖教學(xué)的主要形式是教材講授、圖譜學(xué)習(xí)和尸體標(biāo)本解剖。教材講授和圖譜學(xué)習(xí)盡管資料豐富，但內(nèi)容相對抽象，難以給學(xué)生帶來立體直觀的感受，尤其對于脊柱的復(fù)雜生理病理特點(diǎn)，如椎體節(jié)段與脊神經(jīng)支配之間的關(guān)系、退變性脊柱側(cè)彎畸形的特點(diǎn)及分型等知識點(diǎn)難以解釋。學(xué)生在課堂上理解困難、課后短期和長期記憶不佳，難以產(chǎn)生良好的教學(xué)效果，動手實踐操作時更是感到十分困難[5]。尸體標(biāo)本由于遺體來源限制、保存條件嚴(yán)格、福爾馬林保存液的潛在危害性，以及可能面臨的倫理學(xué)和法律相關(guān)問題，往往難以滿足教學(xué)實際需要。3D打印技術(shù)的應(yīng)用為脊柱外科解剖課程教學(xué)提供了一種嶄新的思路。與尸體標(biāo)本相比，3D打印模型教具有更低的健康危害性和更高的安全性，也能避免倫理和法醫(yī)學(xué)相關(guān)的問題，在醫(yī)學(xué)生的見習(xí)和實習(xí)教學(xué)中具有一定的優(yōu)勢[1]。

一項針對完成臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)本科生的研究將90名醫(yī)學(xué)生被隨機(jī)分為2組，其中對照組采用傳統(tǒng)影像學(xué)圖片進(jìn)行教學(xué)，觀察組采用3D打印模型進(jìn)行教學(xué)，結(jié)果顯示，3D打印模型可以提高醫(yī)學(xué)生對脊柱空間結(jié)構(gòu)和復(fù)雜脊柱骨折的了解，同時還可以提高醫(yī)學(xué)教學(xué)過程中的學(xué)生滿意度[6]。醫(yī)療機(jī)構(gòu)將不再受捐贈尸體數(shù)量和質(zhì)量的限制，可借助3D打印技術(shù)為教學(xué)和培訓(xùn)構(gòu)建可重復(fù)使用的標(biāo)準(zhǔn)化解剖模型。盡管3D打印模型能否完全替代尸體標(biāo)本作為解剖學(xué)教學(xué)的教具仍有待時間檢驗，但3D打印的解剖模型確實能夠作為尸體標(biāo)本教學(xué)的有利補(bǔ)充，并且在展示罕見的解剖結(jié)構(gòu)等方面具有顯著優(yōu)勢[1]。

2.2脊柱外科見習(xí)教學(xué) 一項以38名進(jìn)入脊柱外科見習(xí)的臨床醫(yī)學(xué)八年制醫(yī)學(xué)生為研究對象的研究表明，結(jié)合3D打印技術(shù)的帶教組對脊柱齒狀突骨折病例的學(xué)習(xí)效果優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)的帶教組，將3D打印脊柱模型作為課堂教具可顯著提高學(xué)生的短憶和長時記憶效果[5]。3D打印技術(shù)制作教學(xué)模型應(yīng)用于脊柱外科臨床見習(xí)中，能顯著提升學(xué)生對脊柱外科疾病的認(rèn)知能力，培養(yǎng)其對臨床工作的學(xué)習(xí)興趣。

2.3脊柱外科實習(xí)教學(xué) 國內(nèi)的多項研究發(fā)現(xiàn)，3D打印脊柱模型在脊柱外科實習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用展現(xiàn)出良好的效果。一項在脊柱腫瘤外科實習(xí)教學(xué)中的研究表明，引入3D打印技術(shù)的脊柱腫瘤模型輔助教學(xué)方式，不僅能提高學(xué)生的病例考核理論成績，還能夠提升學(xué)生的直觀感受、學(xué)習(xí)興趣、理論知識理解水平和面對復(fù)雜手術(shù)的信心[7]。

脊柱外科是理論知識與臨床實踐互相結(jié)合的學(xué)科，脊柱外科教學(xué)不僅要求實習(xí)學(xué)生熟練掌握脊柱外科疾病的專業(yè)理論知識，更注重對實習(xí)學(xué)生實踐技能的教學(xué)和培訓(xùn)。脊柱外科所涉及的解剖部位具有復(fù)雜的立體空間結(jié)構(gòu)，單純的運(yùn)用文字和圖像等理論知識講授很難提升學(xué)生的動手實踐能力。有研究發(fā)現(xiàn)，采用3D打印脊柱骨折模型作為教具可提升骨科臨床教學(xué)的直觀性及可操作性，提高脊柱外科實習(xí)本科生的理論考核成績及實踐考核成績[8-10]。

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的日漸發(fā)展，脊柱外科教學(xué)模式展示出多樣化和信息化的趨勢。一項針對骨腫瘤科臨床實習(xí)學(xué)生的回顧性分析表明，借助3D打印模型分析脊柱腫瘤患者病例資料和手術(shù)計劃，能增加實習(xí)學(xué)生對脊柱腫瘤解剖結(jié)構(gòu)和手術(shù)入路的認(rèn)知水平和掌握程度[11]。以問題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)(PBL)教學(xué)方法在脊柱外科中應(yīng)用較為廣泛。PBL教學(xué)方法強(qiáng)調(diào)“以學(xué)生為中心、以臨床問題為導(dǎo)向”，對學(xué)生的主動學(xué)習(xí)動力和自主解決問題能力要求較高，因此，學(xué)生可能由于對脊柱疾病理解不足和缺乏積極性而影響教學(xué)效果。采用3D打印技術(shù)輔助PBL教學(xué)，克服了PBL教學(xué)中因為理解不足而導(dǎo)致學(xué)習(xí)主動性不足的缺點(diǎn)。3D打印模型結(jié)合PBL能提高脊柱外科實習(xí)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和滿意度等，實現(xiàn)了PBL教學(xué)方法和3D打印技術(shù)輔助教學(xué)的優(yōu)勢互補(bǔ)，是一種值得推廣的教學(xué)模式[12-13]。多媒體教學(xué)是目前廣泛應(yīng)用于脊柱外科教學(xué)的教學(xué)手段，3D打印模型結(jié)合多媒體技術(shù)講授腰椎骨折內(nèi)固定術(shù)時，先在多媒體設(shè)備上播放手術(shù)操作視頻，隨后在3D打印實物模型進(jìn)行實踐操作，學(xué)生在鞏固理論知識的同時提高了實踐操作能力，提示3D打印技術(shù)結(jié)合多媒體技術(shù)是一種效果良好且值得借鑒的新穎教學(xué)方法[14]。

3 3D打印技術(shù)在脊柱外科研究生教學(xué)中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)研究生教育注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，臨床專業(yè)型研究生教育以培養(yǎng)具備研究生學(xué)歷的臨床專業(yè)技能創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，為醫(yī)學(xué)研究生的臨床教學(xué)提出了更高的要求[15]。3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，為醫(yī)學(xué)研究生教育提供了更多的選擇，豐富了教學(xué)手段。

近年來，越來越多的醫(yī)學(xué)院校將3D打印技術(shù)應(yīng)用于脊柱外科研究生的臨床教學(xué)和技能培訓(xùn)，并且取得了良好的教學(xué)效果。據(jù)報道，對中醫(yī)骨傷科研究生采用3D打印脊柱模型進(jìn)行手術(shù)方式講授能提高研究生理論成績和認(rèn)知水平，使其對脊柱及其相關(guān)疾病的解剖、病理機(jī)制、診斷分型和手術(shù)方案的認(rèn)識更清晰明了，提高了脊柱手術(shù)教學(xué)效果[16]。值得關(guān)注的是，3D打印技術(shù)在復(fù)雜脊柱手術(shù)的研究生教學(xué)中具有明顯的優(yōu)勢。研究生在本科學(xué)習(xí)階段掌握的主要是正常生理狀態(tài)下的脊柱解剖，對于病理狀態(tài)下，尤其是嚴(yán)重畸形的脊柱解剖結(jié)構(gòu)缺乏感性認(rèn)知。3D打印技術(shù)能高度還原脊柱畸形疾病中解剖結(jié)構(gòu)，為脊柱畸形相關(guān)疾病的教學(xué)提供了直觀、具體的教學(xué)模型，可提高教學(xué)效率和效果[17]。

4 3D打印技術(shù)在脊柱外科住院醫(yī)師教學(xué)和培訓(xùn)中的應(yīng)用

教學(xué)醫(yī)院不僅承擔(dān)了本科生和研究生的教學(xué)任務(wù)，也肩負(fù)著年輕住院醫(yī)師的臨床教學(xué)和技能培訓(xùn)任務(wù)。脊柱外科手術(shù)的復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)和重要脊柱功能對手術(shù)者的操作有著嚴(yán)苛要求，因此對脊柱外科住院醫(yī)師的手術(shù)技能培訓(xùn)存在局限性[2]。出于醫(yī)療安全的考慮，脊柱手術(shù)中的復(fù)雜操作需要長時間的手術(shù)觀摩，而手術(shù)室由于無菌環(huán)境等方面要求可能會限制觀摩人數(shù)，導(dǎo)致住院醫(yī)師在脊柱手術(shù)的學(xué)習(xí)方面缺乏足夠的觀摩時間和實踐機(jī)會，延長了住院醫(yī)師在脊柱手術(shù)等領(lǐng)域的學(xué)習(xí)曲線[3]。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用，很好地解決脊柱外科住院醫(yī)生在臨床教學(xué)和技能訓(xùn)練中面臨的問題[2]。椎弓根置釘是脊柱外科常用的手術(shù)操作，術(shù)中只能參照有限的解剖標(biāo)志進(jìn)行置釘，憑借經(jīng)驗去確定進(jìn)釘?shù)慕嵌群蜕疃取Ｗ≡横t(yī)師由于手術(shù)視野和操作機(jī)會的限制，不能很好地掌握操作要領(lǐng)和技巧。應(yīng)用3D打印技術(shù)構(gòu)造的脊柱實物模型可以將脊柱疾病的解剖結(jié)構(gòu)直觀、立體地展現(xiàn)出來，并且可以在3D打印模型上進(jìn)行模擬操作，幫助住院醫(yī)師更好、更快地掌握復(fù)雜脊柱解剖結(jié)構(gòu)，鍛煉住院醫(yī)師手術(shù)技巧，提升脊柱外科手術(shù)技巧的教學(xué)質(zhì)量[18-19]。

3D打印技術(shù)不僅能提高脊柱外科住院醫(yī)師在椎弓根螺釘置釘技術(shù)等常規(guī)技術(shù)的操作水平，對低年資醫(yī)生在復(fù)雜脊柱疾病中的診治水平和操作訓(xùn)練也有幫助。由于脊柱解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，脊柱側(cè)凸畸形累及的脊柱節(jié)段較多，脊柱畸形矯形手術(shù)需要多階段釘棒固定，是脊柱外科教學(xué)中的難點(diǎn)[20]。有研究表明，運(yùn)用3D打印模型對住院醫(yī)師進(jìn)行教學(xué)，能促進(jìn)住院醫(yī)師對脊柱側(cè)凸畸形診治原則的學(xué)習(xí)，提高脊柱畸形相關(guān)疾病教學(xué)效果[21]。另有研究表明，在脊柱外科輪轉(zhuǎn)時，采用3D打印模型授課能提高住院醫(yī)師在脊柱畸形病理特點(diǎn)和矯形手術(shù)原理等方面學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果[22]。頸椎單開門椎管擴(kuò)大成形術(shù)是脊柱外科技術(shù)門檻較高的手術(shù)方式，具有手術(shù)風(fēng)險高、技術(shù)難度大等特點(diǎn)，對年輕醫(yī)生的技術(shù)水平要求較高。一項研究表明，低年資脊柱外科醫(yī)生借助3D打印技術(shù)構(gòu)建特定的鉆磨模板進(jìn)行頸椎后路單開門手術(shù)的操作訓(xùn)練，可以提高開槽位置的精準(zhǔn)度，同時能夠降低門軸側(cè)鉸鏈完全斷裂的發(fā)生率，提高住院醫(yī)師施行頸椎后路單開門椎管擴(kuò)大成形手術(shù)的成功率，縮短手術(shù)經(jīng)驗不足的脊柱外科醫(yī)生的學(xué)習(xí)曲線[23]。

治療個體化、精準(zhǔn)化和微創(chuàng)化是脊柱外科未來發(fā)展的重要方向。作為醫(yī)學(xué)數(shù)字化技術(shù)的集中展現(xiàn)，以3D打印技術(shù)為核心的個體化假體構(gòu)建和高精度手術(shù)方案設(shè)計，將脊柱外科帶入了個體化、精準(zhǔn)化和微創(chuàng)化新時代[24]。應(yīng)用3D打印技術(shù)構(gòu)建的個體化模型、輔助導(dǎo)向裝置和個體化內(nèi)置物不僅能提升脊柱外科疑難病例和高難度手術(shù)的治療效果，也為脊柱微創(chuàng)手術(shù)提供了新思路。與此同時，在脊柱微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域的教學(xué)實踐中，3D打印技術(shù)的應(yīng)用也展現(xiàn)了良好的教學(xué)效果。有研究表明，3D打印模型輔助脊柱椎間孔鏡教學(xué)能生動地反映脊柱疾病的病理結(jié)構(gòu)和手術(shù)操作的真實情況，同時為學(xué)生創(chuàng)造更多的手術(shù)訓(xùn)練機(jī)會，其不僅能有效解決尸體標(biāo)本來源限制與正常教學(xué)模型無法全面展示脊柱疾病病理結(jié)構(gòu)的問題，還能提升年輕醫(yī)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，最終提升椎間孔鏡手術(shù)教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，有效縮短年輕醫(yī)生的學(xué)習(xí)曲線[25]。另有研究表明，3D打印技術(shù)結(jié)合顯微鏡輔助技術(shù)應(yīng)用于頸椎病教學(xué)及手術(shù)帶教，能提高學(xué)生對頸椎病診療的認(rèn)知和學(xué)習(xí)主動性及科研興趣，促進(jìn)學(xué)生理論知識水平和手術(shù)操作能力的提升，推動頸椎病教學(xué)質(zhì)量的提高[26]。

5 3D打印技術(shù)在脊柱外科教學(xué)中的挑戰(zhàn)與前景

3D打印技術(shù)憑借其高還原性、安全性和可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸應(yīng)用于脊柱外科術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中個體化內(nèi)固定裝置和個體化導(dǎo)向模板的構(gòu)建、個體化生物打印、術(shù)前醫(yī)患溝通和醫(yī)學(xué)教學(xué)與培訓(xùn)等各個方面，為脊柱外科的發(fā)展提供了嶄新的思路。脊柱外科是理論知識結(jié)合臨床實踐的學(xué)科，其教學(xué)要求學(xué)生既能掌握脊柱外科疾病的理論知識，又具備脊柱外科的基本技能操作和手術(shù)操作能力。個體化、定制化的3D打印模型應(yīng)用于脊柱外科臨床教學(xué)時，有利于培養(yǎng)授課對象的個體化診療臨床思維，增強(qiáng)教學(xué)質(zhì)量和效果[27]。但是，3D打印技術(shù)在脊柱外科教學(xué)中還存在一些不足：(1)3D打印模型的經(jīng)濟(jì)成本較高，不利于3D打印技術(shù)在脊柱外科教學(xué)中的推廣和普及；(2)3D打印速度有限且打印步驟繁瑣，導(dǎo)致3D模型制作比較耗時，增加了3D打印技術(shù)的時間成本；(3)3D打印相關(guān)軟件及設(shè)備訓(xùn)練和使用的學(xué)習(xí)曲線較長，使用者需具備一定的理論知識和操作水平；(4)3D打印在還原骨組織等硬組織方面有優(yōu)勢，但對脊柱周圍神經(jīng)、血管和肌肉等軟組織的還原度不足，與人體解剖存在一定差距，影響教學(xué)效果[2,28-29]。因此，3D打印技術(shù)推廣應(yīng)用于脊柱外科教學(xué)將是個漫長的過程。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工程學(xué)、材料學(xué)等相關(guān)學(xué)科的進(jìn)步，3D打印技術(shù)的技術(shù)提升和成本降低是必然趨勢[1]，這會促進(jìn)3D打印技術(shù)在脊柱外科教學(xué)中的推廣和普及，進(jìn)一步凸顯其優(yōu)勢和價值。