CAD 技術、RP 技術聯合三維有限元分析對骨科臨床教學成績、實踐技能的影響研究

劉義杰，李雪峰

蘇州大學附屬第一醫院骨科，江蘇蘇州 215000

自我國卓越醫師的培養計劃執行以來，多個試點已在臨床醫學的教學中取得了良好效果。然而，因骨科對操作性、動手性等技能要求較高，且大多的理論知識較抽象，所涉及人體系統具有立體感及空間感較強的特征，而加大了骨科臨床教學的難度[1]。目前，骨科臨床教學多以傳統方式為主，既無法讓學生接受及理解相關知識點，也無法有效提升其實踐的技能。在經濟體制不斷完善的背景下，我國的計算機得到了迅猛發展，尤其是部分醫學軟件的開發及應用，為骨科臨床教學發展提供了有利條件[2]。其中，計算機輔助設計（computer aided design, CAD）技術和快速成型（rapid prototyping, RP）技術已受到相關研究者關注，且研究結果顯示，在骨科臨床教學中，通過應用CAD 技術、RP 技術聯合三維有限元分析的方式，可有效增強學生參與感，在縮短理論知識、實際問題差距的同時，不斷提升骨科教學質量。基于此，為了進一步研究CAD 技術、RP 技術聯合三維有限元分析對骨科臨床教學成績、實踐技能的影響，本研究以2021 年12 月—2022 年12 月于蘇州大學附屬第一醫院臨床醫學實習的60 名學生為研究對象，科學分組后給予不同教學方式，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取本院臨床醫學實習的60 名學生，以隨機數表法分組為兩組：對照組（共30 名）采取以問題為基礎的教學（problem-based learning, PBL）模式，觀察組（共30 名）以對照組為基礎，并采取CAD 技術、RP 技術聯合三維有限元分析進行教學。其中，對照組男17 名，女13 名；年齡20～25 歲，平均（22.09±1.56）歲；測試成績87～98 分，平均（91.41±2.36）分。觀 察 組 男16 名，女14 名；年 齡21～24 歲，平 均（21.98±1.46）歲；測試成績86～97 分，平均（91.43±2.31）分。兩組學生在性別、年齡和測試成績方面對比，差異無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。

1.2 方法

教學內容：以骨科臨床教學病例為依據制訂教學的方案，在選取時應選擇癥狀相近典型的骨科疾病，而非某一單一的病種，如髖關節炎、髖臼骨折等。在編寫教學病例時，可寫2～3 例，內容應包括發病的機制、表現癥狀、初步鑒別及診斷、輔助性檢查、手術治療等。

對照組采取PBL 教學模式，詳細內容為：①教師告知學生上課的內容，讓其展開此類疾病理論知識預習工作，并自行采集患者床邊的病史，了解疾病相關專科及體格檢查內容，引導其查找有關的文獻及書籍。②教師在搜集整理病患信息的基礎上，編寫可提升學生臨床能力的實用性問題，向其告知臨床診療方法，鼓勵其發表自身對此類疾病見解及診療有效措施，以促進其思維不斷發散。就教學全過程而言，教師只具備指引的作用，不應干預學生交流探討過程。在組內討論形成一致結果之后，教師給予指導并解答學生存在的疑惑及問題。③教師應講述目前此疾病較為前沿的治療方法及手術方式，向學生提供相關的文獻及書籍。

觀察組以對照組為基礎，并采取CAD 技術、RP技術聯合三維有限元分析進行教學，過程與對照組一致，區別在于：以骨科教學基本內容為依據，在CAD 系統中輸入邊界曲線，根據CT 二維圖像結果，進行重疊、拉伸及布爾運算，得到三維模型；對所得三維模型進行轉換，使其快速成形為標準的STL 圖形格式，在激光式快速成形機中輸入模型中相關內容，所選原材料為涂覆熱熔膠紙，通過激光光學調制器，得到3D 骨科模型；以所得模型為依據，在研究病情、損傷機理的基礎上，向學生展示出個體化、細致詳盡的前沿治療方法及手術方式，如選擇及植入內固定物、放置植骨塊形狀及大小、估算檀骨量、手術入路和復位的方法等，在增強學生客觀體驗及直觀感受的同時，提高教學的效果。

1.3 觀察指標

對比兩組學生考試成績、實踐技能。考試成績以理論知識考核為主，包括骨科疾病定義、病因及機制、分型、診斷及治療的方案等內容掌握程度，實踐技能包括病史詢問、專科檢查及手術模擬等操作。兩項考核的總分均為50 分，分數越高，說明學生的考試成績和實踐技能越好[3]。

對比兩組學生滿意度。從教學環境、互動交流、學習興趣和知識掌握的效率4 個方面對學生的滿意度進行評價，以打星方式來評價，分為非常滿意、一般滿意和不滿意3 個級別。其中，非常滿意為5 星，一般滿意為3 星，不滿意為1 星，滿意度=非常滿意率+一般滿意率。

對比兩組學生自我能力。從疾病病史詢問、體格檢查及診斷、治療方案選擇、臨床技能掌握方面對學生自我能力進行評價，總分為100 分，判定標準：差（＜60 分）、中（60～80 分）、優（＞80 分），以中及優在總人數中所占百分比表示學生的自我能力水平。

對比兩組學生問卷評分。以自制問卷作為評價依據，包括學習興趣、理解水平、教學啟發性、教學直觀性4 方面，各項分數均為10 分，評分越高，說明學生的學習興趣越濃厚、理解水平越高、教學的啟發性及直觀性越佳。

對比兩組教學質量。以自制量表作為評價的依據，包括問題解決能力提升、思維能力增強、綜合素養提升、職業認同增強4 方面，各維度評分范圍在0～100 分，分值和教學質量呈正相關。

1.4 統計方法

采用SPSS 21.0 統計學軟件處理數據，符合正態分布的計量資料以（±s）表示，組間差異比較采用t檢驗；計數資料以頻數（n）和百分比（%）來表示，組間差異比較采用χ2檢驗。P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組學生考試成績、實踐技能對比

觀察組考試成績、實踐技能均顯著優于對照組，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表1。

表1 兩組學生考試成績、實踐技能對比［(±s)，分］

表1 兩組學生考試成績、實踐技能對比［(±s)，分］

組別對照組（n=30）觀察組（n=30）t 值P 值考試成績42.97±2.76 48.04±1.66 10.792＜0.001實踐技能41.78±2.03 48.11±1.54 17.031＜0.001

2.2 兩組學生滿意度對比

觀察組滿意度較對照組明顯更高，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表2。

表2 兩組學生滿意度對比

2.3 兩組學生自我能力對比

與對照組相比，觀察組學生自我能力明顯更優，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表3。

表3 兩組學生自我能力對比

2.4 兩組學生問卷評分對比

與對照組相比，觀察組學生問卷評分明顯更優，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表4。

表4 兩組學生對教學的評價對比［(±s)，分］

表4 兩組學生對教學的評價對比［(±s)，分］

組別對照組（n=30）觀察組（n=30）t 值P 值學習興趣6.63±1.29 9.13±1.23 9.616＜0.001理解水平7.18±1.74 9.26±1.68 5.896＜0.001教學啟發性6.67±1.49 9.78±1.53 9.983＜0.001教學直觀性7.01±1.35 9.74±1.56 9.072＜0.001

2.5 兩組學生教學質量對比

與對照組相比，觀察組教學質量明顯更優，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表5。

表5 兩組學生教學質量對比［(±s)，分］

表5 兩組學生教學質量對比［(±s)，分］

組別對照組（n=30）觀察組（n=30）t 值P 值問題解決能力提升82.73±4.58 96.04±3.71 15.481＜0.001思維能力增強81.09±4.62 95.49±3.44 17.139＜0.001綜合素養提升80.87±4.78 96.42±3.59 17.833＜0.001職業認同增強82.24±4.55 95.67±3.49 16.056＜0.001

3 討論

由于骨科臨床科學會涉及很多與人體解剖相關的內容，高度結合了理論性及實踐性，且具有較強的專一性，對學生臨床解剖的能力有著極高要求[4]，倘若應用死記硬背等方式進行學習和記憶，則會導致事倍功半的結果[5-6]。在骨科臨床教學實踐中，當教師講述專業的理論知識、手術操作的步驟時，部分學生存在困惑、不感興趣等態度[7-8]，究其原因在于學生沒有足夠臨床經驗，在手術操作方面相對陌生，選擇手術方案時不具備全面判斷的能力，延長了學習的周期，也影響了教學的效果[9]。在眾多教課模式中，PBL 教學方法為外國使用較多的一種新型方式，其是以問題為基礎、教師為指導、探討為形式的模式[10]。將其與CAD 技術、RP 技術與三維有限元分析結合起來，并應用到骨科臨床教學中，可取得良好成效。

本研究結果表明：觀察組考試成績、實踐技能均顯著優于對照組（P＜0.05）；觀察組滿意度為96.67%，較對照組的76.67%明顯更高（P＜0.05）；與對照組相比，觀察組學生自我能力明顯更優（P＜0.05）；與對照組相比，觀察組學生問卷評分明顯更優（P＜0.05）；與對照組相比，觀察組教學質量明顯更優（P＜0.05）。說明在骨科臨床教學中聯合CAD技術、RP技術與三維有限元分析，可明顯增強學生教學成績、實踐技能及自我能力，并提高學生滿意度，這是因為通過聯合CAD 技術、RP 技術與三維有限元分析，可有效改善傳統教學遺留問題。隨著科技不斷發展、計算機的掃描技術及精度持續提升，臨床的工作人員可在建模軟件中導入術前CT掃描的數據，重建與生理結構相似的集合化模型，并在模型上開展預手術的各項操作，增加了手術方案的容錯率，而經模擬手術之后的模型，可應用生物力學的檢測方法對其手術方案進行完善，提高方案的嚴謹性。與此同時，三維有限元分析具備力學全面測評的條件，且實驗具備反復操作的優勢，已被作為骨科的生物力學相關領域研究常用的方法，其與模型存在相輔相成的關系，能進一步提升模型內在的價值，有效解決動手能力缺乏等實際性問題。將3D 打印的模型用于骨科臨床教學，可引導學生以大學學習的臨床知識為依據，對骨科有關疾病受傷原因、致病原理及病因類型進行分析，在結合目前自身已儲存理論知識的基礎上，制訂出骨科疾病對應診療方案[11]。另外，通過在各類骨骼模型中開展手術模擬操作，可讓學生深刻理解骨科臨床疾患手術操作的方法，得到動手實練機會，在實際操作中不斷激發其對骨科臨床的興趣。在直接觀察所制造的3D模型時，學生可認識患者的病變部位、形態和結構，在明確疾病種類的基礎上，應用計算機內適宜醫學處理的軟件進行手術模擬操作，為選擇適宜手術入路、適宜尺寸固定物、植入方向及深度提供了有力保障，進而提升了學生的實踐技能。通過教師向學生細致講解手術操作的步驟及神經解剖知識點，可幫助學生有效結合理論、實踐，實現抽象知識具體化的目標，為教學成績提升奠定了堅實基礎[12]。

綜上所述，CAD 技術、RP 技術聯合三維有限元分析可對骨科臨床教學起到積極作用，能有效提升學生動手實踐技能，增強其學習興趣及探索意識，提高教學的成效，值得廣泛應用。