3D打印結(jié)合VR技術(shù)在經(jīng)皮椎弓根穿刺教學(xué)中的應(yīng)用效果

劉 濤 牛國旗 陳 輝 劉路坦 李 超

經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)是微創(chuàng)脊柱外科的一項基本操作，其廣泛應(yīng)用于椎體成形或后凸成形術(shù)、椎體病變穿刺活檢術(shù)、經(jīng)皮椎弓根釘棒內(nèi)固定術(shù)等，可以對老年骨質(zhì)疏松性壓縮骨折、椎體腫瘤、腰椎滑脫等疾病進(jìn)行有效的微創(chuàng)手術(shù)診治。經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)需在X光機(jī)的透視監(jiān)視下進(jìn)行，需要經(jīng)過連續(xù)反復(fù)多次的X線透視來確定進(jìn)針點(diǎn)，調(diào)整進(jìn)針角度和方向。同時椎體椎弓根三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜，周圍毗鄰重要的組織，穿刺過程中一旦出現(xiàn)偏差，將會損傷脊髓、神經(jīng)和血管，造成嚴(yán)重的后果。故經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)存在手術(shù)風(fēng)險高、手術(shù)時間長、X線透視次數(shù)多等缺點(diǎn)，對手術(shù)醫(yī)師要求較高。經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，老師常采用X線等影像學(xué)資料結(jié)合幻燈片對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生因存在課程參與度不高、被動接受知識、空間想象能力不足、理論無法與實(shí)踐相結(jié)合等問題，難以獲得良好的教學(xué)效果。本研究將3D打印結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)運(yùn)用于經(jīng)皮椎弓根穿刺教學(xué)中，取得了較好的教學(xué)效果，現(xiàn)報道如下。

1 對象與方法

1.1 研究對象 選取2020年5～10月在蚌埠醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院骨科實(shí)習(xí)的60名臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)5年制本科學(xué)生為研究對象，采用隨機(jī)數(shù)字表法，分為對照組與試驗組，每組30名。對照組采用查體結(jié)合影像學(xué)資料及幻燈片的傳統(tǒng)教學(xué)模式，講解骨折特點(diǎn)、經(jīng)皮椎弓根穿刺入針點(diǎn)、穿刺路徑等教學(xué)內(nèi)容。試驗組在對照組教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，采用3D打印模型及“經(jīng)皮椎弓根穿刺VR教學(xué)模擬系統(tǒng)”輔助教學(xué)。兩組學(xué)生性別、年齡、實(shí)習(xí)時間等一般資料進(jìn)行比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(

P

>0.05)。見表1。

表1 兩組學(xué)生一般資料比較

1.2 納入與排除標(biāo)準(zhǔn) 納入標(biāo)準(zhǔn)：①臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)5年制實(shí)習(xí)醫(yī)師者；②學(xué)歷為本科者；③初次輪轉(zhuǎn)骨科者；④基礎(chǔ)及臨床階段各項考核均合格者。排除標(biāo)準(zhǔn)：①拒絕參與本次研究者；②存在嚴(yán)重的溝通障礙者。

1.3 教學(xué)方法 選取當(dāng)期入院的10例老年骨質(zhì)疏松性胸腰椎壓縮性骨折并接受經(jīng)皮穿刺椎體成形手術(shù)治療的患者。拍攝脊柱全長正側(cè)位X線片及骨折段椎體三維CT等影像資料。將CT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為DICOM格式，導(dǎo)入Mimics17.0(比利時，Materialise公司)軟件進(jìn)行三維重建后由3D打印機(jī)打印1∶1比例聚乳酸材質(zhì)脊柱模型，見圖1、2，通過HoloLens頭鏡生成虛擬現(xiàn)實(shí)圖像。

圖1 3D打印1∶1比例聚乳酸材質(zhì)椎體模型正面觀

教案設(shè)計：詢問患者病史，并帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行臨床查體。對照組采用正常的脊柱椎體模型、X線片等影像學(xué)資料及幻燈片進(jìn)行教學(xué)，講解老年骨質(zhì)疏松性胸腰椎壓縮性骨折的特點(diǎn)、治療方式、經(jīng)皮椎弓根穿刺入針點(diǎn)、穿刺路徑及主要神經(jīng)、血管結(jié)構(gòu)。試驗組在對照組教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合骨折段椎體3D打印模型講解老年骨質(zhì)疏松性胸腰椎壓縮性骨折的特點(diǎn)、經(jīng)皮椎弓根穿刺入針點(diǎn)、穿刺路徑及主要神經(jīng)、血管結(jié)構(gòu)等，見圖3、4。使用“經(jīng)皮椎弓根穿刺VR教學(xué)模擬系統(tǒng)”進(jìn)行模擬操作訓(xùn)練，見圖5、6。兩組學(xué)生由同1位副主任醫(yī)師進(jìn)行集中授課。

圖2 3D打印1∶1比例聚乳酸材質(zhì)椎體模型側(cè)面觀

圖3 “經(jīng)皮椎弓根穿刺”教學(xué)用具

圖4 利用3D打印模型進(jìn)行“經(jīng)皮椎弓根穿刺”教學(xué)

圖5 利用“經(jīng)皮椎弓根穿刺VR教學(xué)模擬系統(tǒng)”進(jìn)行模擬操作訓(xùn)練

圖6 “經(jīng)皮椎弓根穿刺VR教學(xué)模擬系統(tǒng)”對穿刺過程實(shí)時反饋

1.4 教學(xué)效果分析與評價 授課結(jié)束后，通過客觀考核及主觀問卷調(diào)查對上述2種教學(xué)方式的效果進(jìn)行客觀考核和主觀評估。客觀考核包括專業(yè)理論知識考核和臨床實(shí)踐技能操作考核，滿分各100分。主觀評估方面通過問卷調(diào)查對理解能力、課程參與度、學(xué)習(xí)效率、自學(xué)能力進(jìn)行綜合能力自我評價，每項滿分為10分。采用滿意度調(diào)查表進(jìn)行滿意度調(diào)查，包括教學(xué)效果、教學(xué)方法、表述能力的提高、臨床實(shí)踐能力的培養(yǎng)、課堂上教學(xué)互動以及氣氛等方面，總分為100分。得分≥90分為非常滿意，得分60～89分為基本滿意，得分<60分為不滿意。其中，滿意度=(非常滿意例數(shù)+基本滿意例數(shù))/總例數(shù)×100%。

2 結(jié)果

2.1 兩組學(xué)生主觀評估和客觀考核成績比較 試驗組主觀評估和客觀考核成績均高于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(

P

<0.05)。見表2。

表2 兩組學(xué)生主觀評估和客觀考核成績比較分)

2.2 兩組學(xué)生對不同教學(xué)模式的滿意度比較 試驗組對教學(xué)模式的滿意度為100.00%(30/30)，對照組為73.33%(22/30)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(

χ

=7.067，

P

=0.008)。見表3。

表3 兩組學(xué)生對不同教學(xué)模式的滿意度比較[例(%)]

3 討論

經(jīng)皮椎弓根穿刺主要依賴術(shù)中X線透視和手術(shù)醫(yī)師的經(jīng)驗、手感。穿刺結(jié)果時有偏差，有時甚至需要反復(fù)多次調(diào)整穿刺入針點(diǎn)及穿刺角度，增加了射線暴露、出血、感染甚至脊髓神經(jīng)損傷等并發(fā)癥的發(fā)生。因此，對于脊柱外科年輕醫(yī)師，熟練掌握經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)的理論知識和穿刺手術(shù)技巧尤為重要。目前，經(jīng)皮椎弓根穿刺技術(shù)的理論知識常通過X線、CT等影像學(xué)資料結(jié)合幻燈片等進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)模式單一，學(xué)生參與度不高、被動接受知識，教學(xué)效果有限。而經(jīng)皮椎弓根穿刺的操作訓(xùn)練因原材料等原因，還無法大規(guī)模開展，學(xué)生的理論知識無法和實(shí)踐相結(jié)合，也導(dǎo)致了教學(xué)效果不佳。3D打印技術(shù)最早應(yīng)用于模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域，現(xiàn)在也逐漸被應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要用于術(shù)前模擬規(guī)劃、手術(shù)導(dǎo)板的制作等。近年來，國內(nèi)外學(xué)者將3D打印引入醫(yī)學(xué)教學(xué)中，取得了較好的教學(xué)效果。

本研究根據(jù)不同患者的影像學(xué)資料3D打印出個體化高度逼真的1∶1椎體模型，真實(shí)還原了骨折椎體的不同形態(tài)，使醫(yī)學(xué)生達(dá)到立體和觸感的耦合，提升了學(xué)生的空間想象能力及對于組織解剖結(jié)構(gòu)的理解能力。本研究結(jié)果顯示，使用3D打印模型教學(xué)的學(xué)生專業(yè)理論知識考核成績高于傳統(tǒng)教學(xué)模式教學(xué)的學(xué)生(

P

<0.05)，驗證了3D打印模型是一種很好的教學(xué)工具。本研究中，實(shí)習(xí)生通過“經(jīng)皮椎弓根穿刺VR教學(xué)模擬系統(tǒng)”把自身置入模擬的手術(shù)環(huán)境中，對虛擬的標(biāo)本模型進(jìn)行解剖和觀察，并在虛擬構(gòu)建的椎體模型上，反復(fù)演練穿刺點(diǎn)的選擇、穿刺角度方向的選擇等技巧，更加直觀地體驗手術(shù)步驟，鍛煉臨床實(shí)際操作能力，使理論和實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)一步加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。同時，醫(yī)學(xué)生不用擔(dān)心操作會造成不良后果，并可以及時糾正錯誤，明顯提高教學(xué)效果。本研究結(jié)果顯示，使用“經(jīng)皮椎弓根穿刺VR教學(xué)模擬系統(tǒng)”訓(xùn)練的學(xué)生臨床實(shí)踐技能操作考核成績高于傳統(tǒng)教學(xué)模式教學(xué)的學(xué)生(

P

<0.05)，表明VR技術(shù)用于臨床教學(xué)的優(yōu)越性，與相關(guān)研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果顯示，使用3D打印結(jié)合VR技術(shù)教學(xué)的學(xué)生主觀問卷調(diào)查綜合能力自我評價得分高于對照組，對教學(xué)模式的滿意度為100.00%，高于對照組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(

P

<0.05)。進(jìn)一步表明3D打印聯(lián)合VR技術(shù)用于臨床教學(xué)具有較好的教學(xué)效果和教學(xué)滿意度。但是研究發(fā)現(xiàn)，3D打印和VR技術(shù)仍存在如3D打印模型無軟組織附著，無法真實(shí)再現(xiàn)肌肉、血管和神經(jīng)的走行和分布；操作模型與真實(shí)人體存在觸感和力度差別等不足，以待日后科技的進(jìn)步來進(jìn)一步解決。

綜上所述，將3D打印聯(lián)合VR技術(shù)應(yīng)用于經(jīng)皮椎弓根穿刺臨床教學(xué)，具有高等效性、零風(fēng)險、虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時交互等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，可顯著提高學(xué)生的理解能力、課程參與度、學(xué)習(xí)效率、自學(xué)能力等綜合能力，具有更好的教學(xué)效果和教學(xué)滿意度，值得推廣。