上颈椎3 D打印模型在骨科规范化培训教育中的应用

2016-01-29王栋赵波李锋涛卢腾贺西京

中国继续医学教育 2015年19期

王栋赵波李锋涛卢腾贺西京

王栋赵波李锋涛卢腾贺西京

【摘要】目的探讨3 D打印技术在骨科住院医师规范化培训教学中的应用。方法结合我院住院医师规范化培训临床医学教学大纲要求，将2015年1月～2015年4月典型上颈椎5例CT图片进行3 D打印处理，制作骨骼三维立体模型应用于骨科规培临床教学中，在此基础上用3 D打印手术通道进行手术辅助，进行手术指导。结果 3 D打印技术制作的上颈椎骨骼三维立体模型有助于加深规培生对疾病手术解剖学的理解，达到精准手术要求，有助于培养规培生骨科临床工作兴趣。结论 3 D打印技术制作在骨科规培临床教学中具有良好的应用前景。

【关键词】3 D打印技术；临床规范化培训；教学；骨科

作者单位：710004西安交通大学医学院第二附属医院骨二科

Application Effect of Upper Cervical Spine Three-dimensional of Doctor Standardized Training and Education in Orthopaedics Department

WANG Dong ZHAO Bo LI Fengtao LU Teng HE Xijing the Second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University Orthopedic Department, Xi’an 710004, China

[Abstract]Objective To explore the application of three-dimensional print technique on the standardized training and education in orthopaedics department. Methods According to the clinical teaching programme of the standardized training of residents, five patients admited to our hospital from Month 2015 to April 2015 were selected and their cervical computed tomographies were transformed into three-dimensional images and printed out by a special machine. The 3 D printed modelswere used in the teaching for orthopedic residents. Moreover, they were used to guide the operations. Results The three-dimensional printed model of upper cervical spine benefits much the standardized training and education for orthopedic residents and could meet the accurate need in the operation. It promots the residents’ interest in learning and working in orthopedics. Conclusion The three-dimensional print technique is a potential application and method in the standardized training and education for orthopedic residents.

[Key words]Three-dimensional print, Standardized training of residents, Teaching, Orthopedics

3 D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3 D打印技术出现在20世纪90年代中期[1]，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。该技术在医疗产业、教育、珠宝、工业设计、建筑、汽车、航空航天、地理信息系统、土木工程等领域都有所应用。在《外科学》骨科部分的课教学中，比如《寰枢椎脱位、上颈椎损伤》这些章节一直是教学上的难点，需要掌握的知识点较多，内容较抽象。我们在传统的多媒体教学的基础上，我们将3 D打印技术于2015年1月～2015年4月应用于骨科住院医师规范化培训临床教学中，具体报道如下。

1　资料与方法

结合西安交通大学第二医院住院医师骨科规范化培训教学大纲，调取我院骨科数据库资料中2015年1月～2015年4月的典型上颈椎例5例，其中上颈椎骨折1例，寰枢椎脱位3例，后纵韧带骨化1例。调取这些典型病例术前影像学资料，提取患者相应的德国西门子64排螺旋CT薄层平扫图片（最薄层可达0.64 mm），利用mimics 15软件，制作成STL文件，导入我科的华森SPR 400快速成型机，进行3 D打印处理，SPR 400快速成型机打印耗材选用聚乳酸（PLA），安全无毒，可采用低温等离子消毒，为手术提供即时帮助。PLA打印叠置，平均9 h就可以把患者相应的骨骼1：1三维立体成形，见图1。随后组织带教老师与规培生进行病例汇报与讨论，提出病因诊断及治疗计划。针对1例寰枢椎脱位患者，将其寰枢椎术前影像学资料调取，利用其CT图片资料导入计算机进行寰枢椎、枕骨3 D打印处理。在此基础上，获取CT平扫DICOM文件，导入医学图形处理软件MIMICS 15。根据骨阈值提取骨性结构蒙面并建立枕颈部三维面网格模型。将生成的三维面网格模型以STL格式导入逆向图形处理软件Geomagic 12.0，同时建立直径约3.5 mm的空心圆柱通道以模拟椎弓根螺钉。在Geomagic 12.0软件中通过改变空心圆柱通道的三维坐标来确定椎弓根螺钉最佳置入位置，见图2。提取寰椎后弓及侧块和枢椎椎版和棘突的部分结构与空心圆柱通道合并，最终设计完成椎弓根螺钉导航模板模型，并进行模型的3 D打印，在手术时，将3 D打印的椎弓根螺钉导航模板模型进行消毒，在手术台上进行示范教学，贴服固定好模型后，沿进钉通道置入椎弓根螺钉，验证通道效果。也就是将上颈椎疾患的致病原因及手术解剖影像展示在规培生眼前，便于理解及接受。

2　结果

图1　3 D打印的寰枢椎标本（PLA材料）

图2　Geomagic12.0软件中通过改变空心圆柱通道的三维坐标来确定椎弓根螺钉最佳置入位置

在《寰枢椎损伤》章节的教学中，参加规培的学生们对寰枢椎脱位的位移、寰枕关节的解剖关系，病理特征，严重程度分级以及手术治疗的方案理解较慢。于是我们将患者术前、术后上颈椎及部分枕骨全部打印制作1∶1等大的PVC三维立体模型，并将模型应用于寰枢椎陈旧性脱位关系的讲解。以三维立体模型为核心，结合课本插图、患者术前的X线片、CT平扫及三维冠矢状、三维表面重建、MRI检查，进行科室病例讨论，使规培生们对寰枢椎陈旧性脱位的定义、病因、临床及影像表现有一定的了解。

然后再通过寰枢椎，寰枕关节3 D立体模型的讲解，寰枢椎关节，寰枕关节的结构，运动情况，虚拟关节囊结构，术中实况照片及术后的X线片、CT平扫及三维冠矢状、三维表面重建，规培生们对寰枢椎陈旧性脱位的分型，手术治疗的方案、椎弓根螺钉复位，植骨融合有了感性的认识，取得了良好的教学效果。另外，部分病例根据诊断确定手术治疗计划，在3 D打印寰枢椎标本后，设计椎弓根螺钉进钉通道，并将椎弓根螺钉导航模板模型进行打印，连同3 D寰枢椎模型消毒后手术时应用。在手术暴露患者寰枢椎及枕骨后，与3 D模型进行比对，让规培生可直观的了解寰枢椎及枕骨的解剖关系，通过3 D模型，可看见术中难以暴露的解剖结构，为手术减压及椎弓根螺钉的固定提供了很好地直观的教学资料，见图3。通道的应用，可提高椎弓根螺钉固定的成功率，减少手术并发症，为规培生科学的掌握手术技术提供了良好的教材及病例，可促进他们对上颈椎疑难手术的理解及掌握，规培生普遍反映教学效果良好。

3　讨论

随着国家临床医师规范化培训政策在医院的实施，规培生陆续进入医院学习，与既往医学生教育不同，规培生的临床培训目标更具体，要求也更高[2]。骨科临床教学一直是医学教学的难点，因为手术涉及众多骨骼结构，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，如上颈椎创伤及畸形就难以解释清楚。而3 D打印与骨科的有机结合，上述问题迎刃而解。3 D打印是当今世界最前沿科技之一，结合逆向工程思想，建立患者术区组织的“三维体数据集”，编辑、重建体数据集，通过3 D打印技术制作出实物模型[3]。使用该模型帮助临床辅助诊断、复杂手术方案的确定、制作个性化假体等方面使诊断和手术修复更加直观化、实物化、具体化。我们将3 D打印技术应用于骨科住院医师规范化培训的临床教学，即将3 D打印模型用于医学教学、病例讨论等，收到了满意的效果，弥补了既往多媒体教学只能看图，不能触摸病例的缺点。既往单纯X线片和CT的阅读与理解需要学生具有良好的空间想象能力，简单骨科疾病如简单骨折等规培生们还可以理解，复杂疾病如寰枢椎畸形，脱位等上颈椎问题规培生们往往很难理解，有了3 D模型，问题迎刃而解。根据患者的CT数据来逆向建模，通过3 D打印技术建立准确的手术部位数字化实体模型，并进行术前模拟策划，供外科医生在术前确定手术方案、模拟手术过程、熟练手术操作、预计手术结果，进而有针对性地向患者详细讲解病变的复杂性及手术操作的危险性，使规培生既可以看到患者的X线片、CT平扫及三维冠矢状、三维表面重建、MRI检查，更可以亲手触摸1∶1等大的患者骨骼标本，亲手参与设计手术方案，对于规培生加深骨科疾病理解、培养规培生骨科临床工作兴趣起到了很大的正面作用[4]。

综上所述，3 D打印技术制作在骨科住院医师规范化培训临床教学中具有良好的应用前景。