3D打印及计算机辅助技术在骨科临床教学中的应用探讨—以复杂脊柱畸形治疗为例

李曙明，李 萌，杨益民，杜 恒，王 莹

西安交通大学医学部第一附属医院骨科，西安 710061

目前，传统的骨科教学，对于尚未选择专业的医学生来说，只是使他们有个大概的了解，但对于那些进入临床实习，并且已经确定进入骨科专业的临床7、8年制的硕博研究生来说，则要求他们在短短的临床实习期，尽快了解和掌握骨科专业的知识，以便工作后能够很快适应临床工作。

由于骨科医生需要掌握的理论与临床实践知识很多，培养一位合格的骨科医生也需要更长的时间，怎样找到一种更好的教学方法来缩短培养的时间，在更短的时间内培养出优秀的骨科医生，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。

近年来，随着计算机技术的飞速发展，尤其是3D技术在临床医疗、教学中的逐步应用，使得临床教学发生了很大的变化。为了提高骨科临床教学效果，我们在研究生临床教学中，引入3D打印及计算机辅助技术，显著提高了教学效果，现介绍如下:

1 3D打印及计算机辅助技术在脊柱外科临床教学中的应用

1.1 CT资料的获取及三维重建

在西安交通大学医学院第一附属医院影像科CT室行薄层CT扫描，扫描体位仰面平卧位，扫描范围包括完整的脊柱畸形节段及邻近节段，在CT工作站采用刻录光盘的方式导出数据进行三维重建。

1.2 3D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原形的一种基于离散、堆积成型原理的数字化成型新技术，可自动而迅速地将设计思想转化为物理试验模型或直接制造零件，这样就可以制造出外形与结构等同于原形的、具有复杂空间结构的模型。CT三维重建和快速成型技术的结合使术前制造出1∶1等大的、高度仿真患者伤情的脊柱畸形模型［1-4］。

1.3 3D打印及计算机辅助技术的教学方法

安排好时间，将学生带到临床实习小教室，根据进入临床的研究生人数，以及在科室所处的时间，可以每季度进行一次教学，每次大约10人左右。根据临床教学中的病例(这种病例根据教学需要，可以是现住院的，也可以是既往住院的)，教学前要求学生先对相关的疾病进行预习，做到心中有数，然后开始从简单到复杂的过程，针对临床表现及影像学资料进行病例讨论。首先让学生针对病史、X线片、三维CT以及MRI进行研习，如可针对枕环枢联合畸形的病例来进行讨论，如图1a和b(病例1)为环枕融合病例，X线片和三维CT能显示环枕融合的畸形;图2 a和b(病例2)X线片未见到明显畸形，但三维CT能显示出齿状突先天分离。

图1a，(病例1)，枕环枢联合畸形，侧位X线片，箭头所指环枕融合

图1b，(病例1)，枕环枢联合畸形， 三维CT

采用开放式的教学方法，针对以上两个病例让学生进行深入的讨论，做出初步的诊断，对疾病的性质，部位进行判断，学会如何看片。待学生基本取得一致意见后，再取出事先打印好的3D模型(如图1 c(病例1)、图2 c(病例2)为两个病例的三维打印实体，可以360°观察了解病人的病变情况)，让每个学生对模型进行全方位的观察，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。

图2a，(病例2)，X线片侧位，箭头所指为病变处，显示不清

图2b，(病例2)，三维CT显示 齿状突先天分离

图1c，(病例1)，3D打印实体

图2c，(病例2)，3D打印实体

1.4 3D打印对治疗方案的确定

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，明确畸形的类型，然后通过测量，选择合适的手术入路，特别是选择合适的椎弓根螺钉进钉点、螺钉直径及长度、植入角度、深度。通过三维模型在术前预选内固定材料种类并重建其外形(如选择合适的钛合金棒并预弯成需要的弧度)，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［5］。如图1d(病例1)病例行枕颈融合，术后患者颈部活动受限明显;图2d(病例2)仅行环枢椎融合，颈部活动部分受限。

图1d，(病例1)，术后X线片侧位，行颈枕融合内固定术

图2d，(病例2)，术后侧位X线 片，行环枢椎融合内固定术

2 3D打印及计算机辅助技术应用于复杂脊柱畸形教学中的实施效果

复杂脊柱畸形患者包括:特发性脊柱侧弯、先天性脊柱侧弯、退变性脊柱侧弯、陈旧性脊柱骨折、其他伴有椎体旋转的脊柱畸形。

通过先观察影像学资料并对资料进行讨论，再用3D打印的实体进行对比与反思，结合具体的病例，进行查体，了解患者的体征。使学生首先对患者的影像学资料有了一个较深的了解，学会如何阅片，如何判断病情，并通过影像学资料对疾病进行分型，并和患者的体征进行对应，可极大地提高学生的阅片以及对该类疾病的临床诊断能力。

由于学生过去学习的是正常的解剖，对于畸形的脊柱缺乏感性的认识，通过3D打印实体的具体观察，可以很清楚地了解畸形脊柱的特点，还可以结合畸形情况，对学生讲解脊柱畸形发生的的病因与原理，告诉他们什么是造成畸形的责任椎体。在此基础上，教师再对学生进行手术方法的讲解。由于3D打印实体价格较贵，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，但可由指导老师根据3D模型具体讲述置钉的方法，包括椎弓根钉的长度、进钉点和角度，等。再讲述于责任椎处截骨的方法、范围，等。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，以往难以掌握的脊柱畸形知识点，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

3.1 3D打印对传统教学方式的影响

传统的骨科临床教学模式，采用带领学生进行查房，在患者床前进行阅片并对片子进行讲解，或者用观片灯、PPT等方式进行讲解，虽然相比大课教学来说，多了患者和他的影像学资料这一教学“道具”，但对学生来说，面对这些东西仍感抽象和枯燥。3D打印技术的出现，再加上计算机辅助模拟技术，使得影像学资料、患者和3D打印的实体模型有机地结合起来，并且采用先影像学资料再3D模型的顺序，用渐进式、启发式的方法，充分调动学生的学习热情，用最快的、最直接的方式教会学生如何阅片，如何对疾病进行分类。

3.2 3D打印对骨科术前阅片及脊柱畸形分型的决定作用

由于骨科本身的特点，术前需要认真阅读患者的影像学资料，才能对病情有所了解，这些影像学资料主要包括:X线片、CT(平面CT或三维CT)以及MRI，等。但对骨骼最有用的影像学资料主要为X线片及三维CT。X线片仅仅从正侧位或一些特殊位置去了解病变。三维CT虽然通过计算机处理，成为一个立体的图像，但也是在一个平面上的立体图像，因此，对学生来讲，拿着这些资料，仍无感性和直观的认知。而3D打印技术则可将脊柱畸形的病变打印出病变实体，得到的上述畸形三维模型可以任意地旋转，所以允许学生以任意角度观察模型。根据畸形的部位和类型，再结合患者的体征和影像学资料，可以很方便地对畸形进行分型。

3.3 预手术的作用

通过术前虚拟手术演练，可以发现手术设计中存在的缺陷以及不完善之处，及时改进手术方案;了解和掌握术中可能遇到的问题，预先拟定解决方法，以便在术中从容应对，及时处理;帮助选择最佳的手术途径和植入物，并术前将植入物精确塑形，有助于减少手术并发症、节省手术时间，缩短住院日和降低成本［6-7］。该系统可辅助医生、教师和学生更直观、交互地观察目标，可视化技术可提供进行疾病定性和定量分析的数据和工具，从而提高诊断治疗和教学的准确性与科学性［8］。该系统还将在远程会诊、学术交流等方面发挥积极作用，有力地提高骨科复杂脊柱畸形的治疗水平和学术地位。

4 小结

当前，随着3D打印技术在骨科临床的逐渐推广应用，辅以计算机辅助下CT，使其所发挥的作用越来越大。在对7、8年制临床骨科研究生的教学中，通过对X线片、三维CT以及3D打印实体的反复对比观察研究，能使学生在很短的时间内了解并掌握复杂脊柱畸形的观片能力，而且，通过与书本上病变分型的对比，也能很快学习并牢记分型的特点。另外，通过教师针对3D打印实体的讲解，使学生了解椎弓根钉的进钉点、角度、方向等，对畸形部位的截骨范围、大小等有个初步的了解，若有条件的情况下，再让学生观摩手术过程。这样也可使学生尽快掌握手术的技巧。可以说3D打印及计算机辅助技术在复杂脊柱畸形治疗中的应用是非常有效的一种教学方式，值得骨科教师使用并推广。

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