3D 打印技术在复杂创伤骨科教学中的应用

曹波 马创 程新春 阿里木江·阿不来提 任鹏 唐丹丹 曹力 杨广忠

3D 打印技术在复杂创伤骨科教学中的应用

曹波 马创 程新春 阿里木江·阿不来提 任鹏 唐丹丹 曹力 杨广忠

目的将 3D 打印技术应用于复杂骨折临床教学中，探究教学效果。方法选取本科五年级80 名实习生，对每个学生编号，再通过计算机随机赋值，再将计算机赋得值按升序列排序，前 40 名为对照组，后 40 名为实验组。采用 3D 打印技术根据患者的影像学资料打印出复杂骨折模型，采用数字化真实地再现骨折的分型，以及预采用的骨折复位方式，对试验组 40 名实习生进行临床教学；对照组 40 名学生则采用传统的仔细分析患者病史、影像学资料结合临床解剖的教学方法进行临床教学。结果骨折的理解程度实验组 ( 8.75±0.57 )、对照组 ( 7.65±0.74 )，术前术后骨折一致性判断实验组 ( 8.31±0.47 )、对照组 ( 6.48± 0.58 )，骨折类型表述实验组 ( 85.56±0.54 )、对照组 ( 6.13±0.54 )，操作能力成绩实验组 ( 87.56±0.43 )、对照组 ( 78.47±0.34 )；试验组学员对均高于对照组，差异均有统计学意义 ( P＜0.05 )；两组专业兴趣以及理论考试成绩差异无统计学意义。结论3D 打印技术对复杂骨折教学有一定的帮助，具有较好的临床教学应用前景。

打印，三维；骨折；教学

创伤骨科因其面临的骨折形态不一，千变万化，一直是医学教学的难点。传统的课本插图，对患者的相关放射检查包括 X 线片、CT 平扫及三维重建只能给学生视觉的一些感受，缺乏真正的立体直观性。对于复杂的髋臼骨折、肩胛骨骨折以及脊柱骨折很难让学生得到直观的认识[1]。随着计算机技术的飞速发展，数字化虚拟现实技术得以实现，3D 打印 ( 3D printing ) 技术逐步走向了临床应用，使复杂骨折可以得到数字化三维解剖重建。在学生参加手术之前进行 3D 打印技术模拟手术过程，使其能够对复杂骨折有更加清晰的认识。为复杂骨折教学提供了新技术，对教学质量提高有很大的帮助[1]。2014 年 9 月至 2016 年 7 月，我院将 3D 打印技术应用于复杂骨折临床教学中，并与传统教学方法进行比较，初步探究其教学效果，报告如下。

资料与方法

一、纳入与排除标准

1. 纳入标准：( 1 ) 五年制临床本科大五实习学生；( 2 ) 各专业课程成绩平均分≥70 分；( 3 )进入骨科临床科室实习时间为连续，净实习期为3 个月。

2. 排除标准：( 1 ) 参与临床研究期间因各种原因可能退出的参与者；( 2 ) 身体特殊原因影响发挥的参与者。

二、一般资料

本组共 80 名，对每个学生编号，再通过计算机随机赋值，再将计算机赋得值按升序列排序，前 40 名为对照组，后 40 名为实验组。试验组男23 名，女 17 名，年龄 22～25 岁，平均 ( 23.76± 0.57 ) 岁；对照组男 21 名，女 19 名，年龄 22～25 岁，平均 ( 23.76±0.68 ) 岁。两组学生的性别、年龄差异无统计学意义 ( P＞0.05 )，具有可比性。

三、研究方法

由同一名骨科教授给两组学生的理论课程进行集中授课，两组学员所处的教学环境相同。选取一位获得骨科学专业主治医师 ( 硕士学位 ) 对两组学员进行临床实习带教。两组实习者共享典型骨科创伤病例资料。试验组完成常规临床教学的基础后，对于复杂骨折使用 CT 平扫＋三维重建后，利用 Mimics 10.1 软件 ( Materialise 公司，比利时 ) 建立 3D 模型，使用 3D 打印机 ( HRPM 3D 打印机，广州传正科级有限公司 ) 打印出复杂骨折模型。学员通过打印出的骨折模型及其辅助软件模拟实体创伤类型，通过骨折模型来进一步理解力学传导机制和骨折损伤机制；利用骨折模型提前制订手术方案，模拟手术固定方式，动态调整内固定位置并根据骨折模型预弯内固定装置，让学员对复杂骨折有了更加深刻的认识和理解。对照组则采用传统的教学方式，在试教室讲述疾病原理，带领学员查体，并查看 X 线片、CT 以及相关辅助检查，术前常规讨论。

四、研究结果评价

实习结束后，以自我评价对骨折相关知识的认识和出科考核两种形式对学员进行综合测评。学习效果自我评价：实习结束后学员自我评价，内容包括复杂骨折的理解程度、是否感兴趣、术前术后判断的一致性。每项内容满分均为 10 分，学生按照自己对这一学科的认知进行自我评分。出科考核：分为笔试、临床技能考核两部分。考核内容按照全国高等院校规划五年制教材《外科学》 ( 第九版 ) 考试大纲的要求制定，由 2 位骨科学副主任医师分别对所有学生进行考核。理论考试内容包括考试大纲规定的骨折疾病的定义、常见分型、骨折力学机制、诊疗方法及病例分析等。临床技能主要考核学生体格检查、换药或拆线、简单清创缝合、术前对骨折的理解程度、固定方式的选择以及术前的手术设计等方面的能力。

五、统计学处理

采用 SPSS 19.0 软件进行统计学分析，计量资料采用 x-±s 进行描述。组间比较，符合正态分布，采用独立样本 t 检验，不符合正态分布，采用 Maanwhit-ney U 检验。P＜0.05 为差异有统计学意义。

结 果

试验组学员对骨折的理解程度、术前术后骨折一致性判断、骨折类型表述成绩均高于对照组，差异均有统计学意义 ( P＜0.05 ) ( 表 1 )。专业兴趣差异无统计学意义。两组学员出科考试成绩：理论考试差异无统计学意义，但是操作能力差异有统计学意义，这可能与学员对骨折的理解程度以及骨折类型的判断有区别有关。

表 1 两组学生自 我认知能力评价及出科考试成绩比较 (±s )Tab.1 Comparison of self-cognitive ability evaluation and examination results between the 2 groups (±s )

表 1 两组学生自 我认知能力评价及出科考试成绩比较 (±s )Tab.1 Comparison of self-cognitive ability evaluation and examination results between the 2 groups (±s )

项目 实验组( n＝40 )对照组( n＝40 ) t 值 P 值自我认知能力评价骨折理解程度 8.75±0.57 7.65±0.74 2.43 0.040专业兴趣 8.25±0.24 8.25±0.36 1.43 0.280骨折术前术后骨折一致性判断 8.31±0.47 6.48±0.58 4.25 0.000骨折类型表述 8.47±0.65 6.13±0.54 4.76 0.000出科考试成绩理论知识 85.56±0.54 84.35±0.27 1.29 0.230操作能力 87.56±0.43 78.47±0.34 2.37 0.026

讨 论

3D 打印技术是一种快速成型技术，可以用 3D打印机“打印”出三维物体模型，现已广泛应用于骨科临床和教学。随着机动车辆的每年递增，交通伤等高能量损伤逐年呈增多趋势，这类骨折往往类型复杂，粉碎情况严重，很多患者伴有严重的关节脱位[2]。复杂骨折一直是《外科学》教学难点，比如骨盆和髋臼骨折、各种关节内骨折。主要原因是骨盆、髋臼及个关节解剖复杂，骨折后解剖更加复杂化，无法从平面来理解三维立体结构。对于一些复杂的髋臼骨折，不光是实习学生，一些年轻的骨科医生也难以理解。学员在学习过程中，对于 X 线及 CT 无法充分理解，很难再在短时间内掌握骨折的分型和治疗[3-4]。如果让学生机械地记忆那些解剖标志和骨折特点，学生的学习兴趣往往不高，而且从平面理解立体结构，学习效果不佳。3D 打印模型可以让学员更加直接地理解骨折情况，可以从三维观察和触摸骨折模型。通过 3D 打印模型，学生更容易理解骨折类型，力学原理，与疾患的起因、症状和体征相结合。学员可以利用已有的医学知识和通过3D 打印模型对复杂骨折骨的治疗提出一些自己的方案，而这种认识的过程加深了学生对那些复杂骨折的本质理解。利用 3D 模型教学方式，可以使学员直观地学习和理解一些复杂的解剖结构，使学员能更容易从骨折模型中模拟出患者当时受伤机制。从解剖结构联系到生物力学特性，从单一的骨折联系到系统的诊断和治疗，从而推断出骨折的好发部位、力学特性、临床症状以及出现的并发症，进而根据骨折的国际分型得出临床诊断，设计手术方案。在带教老师的指导下，学员可以利用 3D 打印机打印出骨折模型，利用骨折模型进行复位、固定练习。有效地解决了因为保护患者权益学员无法参加复位练习以及避免术中感染等原因无法实施操作训练的难题。这些教学措施进一步调动了学生的学习热情，提高了学生实际动手操作能力的学习空间，为学员学习复杂骨折奠定良好基础。

随着学校教学要求进一步提高，我们的教学质量也要跟着逐步上升。对于传统教学来说， 学生对骨折有个直观印象以及初步的认识即可达到了教学目的。但对于当前的学生来说，已经不能满足教学要求了。为了让学员进一步掌握骨科临床基本操作技能，制作的骨折模型能让他们预先认识到骨折的粉碎程度，复位的目的，如何才能打到有效复位。对于内固定手术，可以提前选择术中的接骨板长度，预测螺钉的长度；对于外固定患者，可以模拟复位后安装外固定，通过这些手术演练使他们临床操作技能有很大的提高。学员能术前在模型上模拟操作手术数次后，在手术台上更加充分地理解带教老师手术的意义和目的。

3D 打印实现虚拟的数字技术与现实模型完美结合，已经在骨科临床和教学中得到广泛应用，也逐步改变着医疗模式。随着大数据时代的到来，骨科带教老师自己搜集、整理建立一个集中的数据平台。到那时，如果讲到了相应的骨折类型，只需要利用数据并将其直接打印出来，可以让学员更加方便地学习和操作。

[1] Kröger E, Dekiff M, Dirksen D. 3D printed simulation models based on real patient situations for hands-on practice[J]. Eur J Dent Educ, 2016.

[2] Dhulipalla R, Marella Y, Katuri KK, et al. Effect of 3D animation videos over 2D video projections in periodontal health education among dental students[J]. J Int Soc Prev Community Dent, 2015, 5(6):499-505.

[3] Hassan K, Dort JC, Sutherland GR, et al. Evaluation of software tools for segmentation of temporal bone anatomy[J]. Stud Health Technol Inform, 2016, 220:130-133.

[4] Allen LK, Eagleson R, de Ribaupierre S. Evaluation of an online three-dimensional interactive resource for undergraduate neuroanatomy education[J]. Anat Sci Educ, 2016, 9(5): 431-439.

( 本文编辑：王萌 )

Application of 3D printing technology in the teaching of complex traumatic orthopedics

CAO Bo, MA Chuang, CHENG Xin-chun, Alimujiang·Abulaiti, REN Peng, TANG Dan-dan, CAO Li, YANG Guang-zhong. Department of Orthopedics, the fi rst Aff i liated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi, Sinkiang, 830011, China

YANG Guang-zhong, Email: 541797796@qq.com

ObjectiveTo explore the effects of applying 3D printing technology in the clinical teaching of complex fractures.MethodsA total of 80 undergraduate intern students in Grade 5 were selected. The number of each student was randomly assigned by computer, then put them in a sequence in ascending order. The fi rst 40 students were in the control group and the others were in the experimental group. The 3D printing technology was used to print out the complex fracture model based on patients’ imaging data in the experimental group, which would digitally reproduce the type of fracture and possible fracture reduction method; The traditional teaching method of careful analysis of patients’ traumatic history and imaging data combined with clinical anatomy was used in the control group.ResultsThe understanding scores of the experimental group and control group were ( 8.75 ± 0.57 ) and ( 7.65 ± 0.74 ). The judgment scores of preoperative and postoperative fracture consistency of the experimental group and control group were ( 8.31 ± 0.47 ) and ( 6.48 ± 0.58 ). The representation scores of fracture type of the experimental group and control group were ( 85.56 ± 0.54 ) and ( 6.13 ± 0.54 ). The operation ability scores of the experimental group and control group were ( 87.56 ± 0.43 ) and ( 78.47 ± 0.34 ). The students in the experimental group had better performance in the above areas. The experimental group’s scores were higher than the control group’s, and the differences were statistically signif i cant ( P ＜ 0.05 ). There were no statistically signif i cant differences in professional interest and theory test score.ConclusionsThe 3D printing technology has certain help for the complex fracture teaching, with a better application prospect in clinical teaching.

Printing, three-dimensional; Fractures, bone; Teaching

10.3969/j.issn.2095-252X.2017.05.005

R683, TS941.26

国家自然科学基金 ( 81560350 )

830011 乌鲁木齐，新疆医科大学第一附属医院骨科中心

杨广忠，Email: 541797796@qq.com

2017-02-09 )