3D打印技术在骨科临床教学中的应用初探

李忠海，唐家广，王华东，李　利，吴闻文，侯树勋解放军总医院第一附属医院骨科、全军骨科研究所，北京　00048；解放军第0医院骨科，大连　60



3D打印技术在骨科临床教学中的应用初探

李忠海1，2，唐家广1，王华东1，李利1，吴闻文1，侯树勋11解放军总医院第一附属医院骨科、全军骨科研究所，北京100048；2解放军第210医院骨科，大连116021

【摘要】：目的 观察3D打印技术在骨科临床教学实施中的效果，探讨其应用的可行性及有效性。方法 根据患者影像学资料，运用3D打印技术，数字化真实再现患者的骨折或畸形，为骨科临床教学提供直观的教学模型。结果 3D打印技术制作的骨骼三维立体模型有助于研究生短时间内理解并掌握骨科疾病的影像学及分型特点，并对手术方案及手术技巧有基本理解，达到精准手术要求。结论 3D打印技术在骨科临床教学中方便快捷，教学效果良好，具有良好的应用前景，对临床骨科研究生教学是一种有效教学方式，值得骨科教师使用并推广。

【关键词】：3D打印；临床骨科；教学应用；医学教育

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201602024

起步于20世纪90年代的3D打印技术是一种以数字模型数据为基础，运用可粘合材料，通过逐层打印方式制造物体模型的技术，即通过逐层叠加材料组成3D实体模型［1-3］。作为一种新型的快速成型及快速制造技术，3D打印技术越来越为人们所关注，现今已经悄然融入航空航天、汽车制造、食品等工业领域，同时也受到医学领域学者的广泛青睐［1-4］。

骨科以肌肉骨骼系统疾病的诊治为主要研究对象，是专业化相对较强的学科。在骨科临床教学实践中，以往多使用实体骨骼标本或模型，但标本来源有限，且大多数教学模型均为单一的正常结构模型，由于很多部位解剖结构和损伤机制的复杂性，正常结构标本或模型很难全面揭示其特点，而且对于各类手术方式也缺乏相应的体现。因而目前骨科学临床课教学面临的主要问题之一是缺乏直观性和可操作性。怎样找到一种更好的教学方式来缩短培养的时间，在更短的时间内培养出优秀的骨科医师，是每位作为教学医院的临床指导教师都需要认真思考的问题［5-6］。

3D打印技术的出现为解决这一问题提供了方便的技术手段。近年来，我们结合多年临床及教学经验，针对一些局部解剖结构复杂、采用传统教学方式难以使学生充分理解与掌握的伤病，根据患者影像学资料，应用3D打印技术设计并完成了一些教学模型，并将其应用于临床教学，显著提高了教学效果［5-7］。文章就3D模型的制作设计、授课效果及优势进行了全面的介绍，希望对提高骨科临床课教学效果及提高青年教师教学水平有一定的帮助和启发作用。

1　方法

1.1教学病例的设计与选择

教学病例设计应该能引出该专业的基本理论、基本知识和基本技能，应选择能体现该专业特点的临床常见病、多发病。教学病例必须具有真实性和完整性。同时，病例的设计应具有足够的趣味性、知识性和复杂性，通过学生激烈的讨论，充分的脑力震荡，得到预期的教学效果。病例中所涉及的问题应是开放的，必须通过知识延伸、拓展、查阅辅助资料以圆满解决问题。此外，所设计的问题要具有开放性和前沿性，引导学生查阅英文原版教材和资料，了解该专业的新医疗、新技术，有利于拓宽学生的视野，提高医学英语水平，激励学生的超前意识。骨科专业具有其自身特点，表现为脊柱及四肢关节相关的解剖较为复杂，同时多涉及运动医学和生物力学。根据上述原则，选择关节周围复杂骨折、脊柱骨折和脊柱畸形的病例进行教学。

1.23D打印教学模型的设计和制作

模型的制备通过以下步骤完成：①获取教学病例的薄层CT扫描数据；②采用区域剪切和滤波两种方法进行图像的二维预处理；③采用切片插值、图像分割和切片重组等方法进行图像三维预处理；④采用移动立方体法（marching cubes algo-rithm，MC算法）来建立三维模型；⑤3D打印制作实体模型，基于材料累加概念和叠层制造方法，在计算机的控制下，根据物体的CAD模型或CT等数据，通过材料的精确堆积，制造出1∶1等大的、高度仿真的患者伤情模型。

1.33D模型在骨科临床教学中的应用方法

课程安排为每周2次，每次3～4个学时。具体如下：授课教师根据临床教学中的病例制定教学计划，根据相关疾病编写2～3例教学病例，应包含X线、CT、MRI等影像学资料。课前要求学生对疾病的相关知识进行预习，然后让其自行去床边咨询病史，进行全身体格检查和专科检查，引导其去查阅相关书籍。针对病例编写中一些对学生临床工作实用性强的问题，引导学生进入诊疗情景，发散其思维，了解他们对该疾病的多种诊断假设。然后，采用开放式的教学方法，让学生针对临床表现和影像学资料进行深入讨论、回答相关问题，分别作出诊断和鉴别诊断，并提出下一步的检查及治疗方案，估计预后。在此过程中，教师只起导向作用，并不参与讨论分析。待学生基本取得一致意见后，再取出事先打印好的3D打印模型让每个学生对其进行全方位的观察，反思并修正之前所做出的诊断，进一步提高学生对常规影像学资料的阅读能力。

通过对3D模型直观地观察，可了解病变的形态和位置，了解患者脊柱畸形的病理学全貌，明确疾病的类型，然后通过测量，选择合适的手术入路，特别是选择合适的内固定植入位置、角度、深度，以及内固定的尺寸。通过3D模型在术前预选内固定材料种类并重建其外形，必要时可以对其进行模拟预手术操作，制定出详尽及个体化的手术方案。最后，让学生代表总结病例的重难点，授课教师进行补充修正，并介绍疾病相关最新诊疗技术的发展。

2　结果

学生首先通过分析影像学资料并对临床资料进行讨论，再用3D打印的实体模型进行对比与反思，结合具体的临床病例，进行细致查体，了解患者的体征。在教学过程中，让学生首先对患者的影像学资料有一个较深刻的了解，学会如何阅读X线、CT、MRI等影像学资料，学会通过影像学资料判断疾病的分型及严重程度，并和患者的体征进行对应，极大地提高了学生的阅片以及对该类疾病的临床诊断分析能力。

由于学生既往学习的是正常结构的解剖，缺乏对病变骨骼结构感性的认识。通过3D打印实体模型的具体观察，可以很清楚地了解病变结构的特点，还可以结合病变情况，对学生讲解疾病发生的病因与原理。在此基础上，授课教师再对学生进行手术方法的讲解。由于3D打印实体模型价格较贵，而且具有惟一性，因此不太可能让每个学生去具体操作演练，但可由指导教师根据3D模型具体讲述手术的方法。通过在骨科实践教学和研究生专业教育中的积极应用，学生普遍反映教学效果良好，以往难以掌握的关节周围复杂骨折、脊柱骨折和脊柱畸形等知识点，通过该教学方法很快能熟识并加以应用，大大提高了教学效率和效果。

3　讨论

在临床医学的各个专业中，骨科学是一门涉及面广、综合性强的学科，它所涉及的解剖部位多、专业知识广，不易被学生所掌握。骨科临床教学一直是医学教学的难点，因为涉及众多骨骼结构，而诸多骨骼结构又是不规则形，骨科疾病对医学生的空间想象能力有一定的要求。以往结合课本插图、患者的X线片、CT平扫及三维冠矢状、三维表面重建、MRI检查，等，尽管内容丰富，但缺乏立体直观性，对于复杂的骨科疾病，如髋臼骨折就难以解释清楚。而3D打印与骨科的有机结合，使得上述问题迎刃而解。

3.13D打印技术在骨科临床教学应用中的可行性和优越性

现代教学过程是一个系统工程，要求教师对每一堂课的教学模式、教学内容、教学方法、教学手段等进行科学的设计和合理的安排，以达到最佳的教学结果。在骨科临床教学过程中我们发现，既往的教学法存在着一定不足。传统的骨科临床教学模式，教师带领学生进行教学查房，在病房进行阅片及讲解，或利用阅片灯、PPT等方式进行讲解，虽然相比大课教学来说，多了患者及其影像学资料这些“教具”，但在传授系统知识方面效率偏低［7-8］。骨科学由于综合性和专业性较强，要求学生具有良好的解剖学基础，如果机械地记忆一些解剖标志，往往是枯燥无味的，学习效果不佳。

据此，我们结合骨科临床教学的特点，将基于影像学资料的3D打印技术引入骨科临床教学，使学生产生身临其境的感觉，拉近理论知识与临床实际的距离，提高医学教育骨科临床部分教学质量。通过3D打印模型，学生可以根据课前已掌握的医学知识，推理疾患的起因、症状和体征，进而尝试利用己有的医学知识对骨科专科疾病诊断提出治疗方案，而这种认识的过程加深了学生对解剖结构特殊性的本质理解。

骨科临床教学不但需要阐述疾患的特点和进行准确的诊断，还需要制定治疗方案。但是对于同一种疾患往往会有多种手术方案，究竟选择何种术式更合理，对患者康复更好，这是医师考虑的重点。在向医学生进行相关理论讲解和演示时我们发现，由于学生不具有临床经验，对于外科操作十分生疏，往往学习周期长，对手术方法的选择没有判断能力。此外，骨科临床操作性强，而缺乏临床动手机会也是临床教学面临的共同问题之一［5-9］。该研究通过各种3D打印模型，每位学生可以实现对骨科疾患的各种手术操作，可获得动手操作的机会，切身体会内固定植入物的安装，极大地提高了其学习兴趣，同时提高了课堂参与性及互动性。学生在模型上进行各种手术操作时，根据自身的体会提出很多问题，授课教师予以相应的解答，显著提升了课堂氛围及互动性，极大提高了教学的质量。

3.23D打印技术在骨科临床教学应用中的不足

3D打印技术具有很多教学手段难以替代的优点，是未来骨科临床课教学发展的必然趋势［5-7］。但3D打印技术作为辅助教学手段仍需与传统多媒体教学进行配合，才能更恰当地发挥其应有的价值。3D打印模型虽然在一定程度上弥补了学生对骨科疾病的感性认识，但3D打印的实物模型仍存在以下不足：①3D打印技术在临床上的应用尚处于初级阶段，需要不断地完善其技术；②3D打印模型无软组织附着，不能完全真实地再现肌肉、血管和神经的走形和分布；③3D打印模型模拟手术的截骨及内固定物植入操作与实际人体内的操作过程相比，可能达不到理想状态［5-7］。

4　小结

3D打印模型集解剖结构、诊断分型及手术治疗为一体，在同一模型上完整地实现了知识的整合。3D打印技术在骨科临床教学中的应用，增强了直观性和生动性，调动了学生学习的主动性和积极性，有利于培养学生良好的临床思维方式，在结合实际病例的基础上能有效地提高其对疾病的诊疗能力，极大地推动了教学质量的提高。更具优势的是借助3D打印技术实现教学中个性化病例资料的获取与分析，同时结合三维可视化技术可实现对解剖结构的分析，并深切体会手术方式及内固定原理，极大地提高了学生的学习兴趣及课堂互动，从而更好地完成教学目标。3D打印技术不仅在骨科临床教学，在其他学科教学及各种重大复杂手术模拟操作教学中均将具有良好的应用前景和价值，其目前在骨科临床教学领域中还只是处于起步探索阶段，相信随着计算机仿真和虚拟现实技术的不断发展，其应用将会更加全面和便捷。

参考文献

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Exploration of 3D printing technology applied in orthopedic clinical teaching

Li Zhonghai1，2，Tang Jiaguang1，Wang Huadong1，Li Li1，Wu Wenwen1，Hou Shuxun11Department of Orthopedic Surgery，the First Affiliated Hospital of General Hospital of PLA/
Orthopedic Institute of PLA，Beijing 100048；2Department of Orthopedic Surgery，No.210 Hospital of PLA，Dalian 116021，China

【Abstract】：Objective To observe the effects of applying 3D printing technology to orthopedic clinical teaching so as to evaluate the feasibility and efficiency of the technology.Methods We applied 3D printing technology which can truly represent patients' fracture or deformity based on their imaging data to provide visualized teaching models for orthopedic clinical teaching.Results Skeletal 3D models made with 3D printing technology could help the graduate students understand and master the imaging and classification characteristics of orthopedic disorders in shorter time and gain basic understanding of surgical strategies and techniques so as to perform precise operations.Conclusion Making teaching models with 3D printing technology is convenient and fast and achieves good teaching results.Therefore，3D printing has a promising application prospect，making it an effective teaching method in orthopedic clinical teaching for medical graduates and thus worth using and popularizing among orthopedic teachers.

【Key words】：3D printing；clinical orthopedics；application in teaching；medical education

作者简介：李忠海（1978-），男，辽宁大连人，主治医师，博士，主要研究方向：脊柱外科。

收稿日期：2015-12-11

基金项目：中国博士后科学基金特别资助（2015T81101）；北京市自然科学基金（7152144）

【中图分类号】：G434

【文献标志码】：A

【文章编号】：1004-5287（2016）02-0198-03