髋关节置换手术的仿真设计与虚拟医药教育模式

彭鳒侨　陈海艳　刘宇平

[摘要] 目的 虛拟设计关节置换外科手术模型、搭建以练代教的仿真平台，以此纠正外科教学的“学缺实操”局面。方法 随机选取2016年7～8月在广州医科大学附属第一医院留医、患髋关节骨性关节炎拟行全髋关节置换术的患者1例，以CT扫描腰骶椎后，以*.dicom格式导入Mimics重建出骨盆三维模型，以*.stl格式导入Freeform Modeling，以计算机辅助设计软件ProE和Ghost SDK开发出仿真手术器械，在操纵杆Phantom引导下可视化演练全髋关节置换术。 结果 以3D轮动切割为观察指标，实验显示清晰重建出髋关节三维模型，虚拟设计的术械与实体器械几何外形酷似，全髋手术模型与实体手术高度仿真。 结论 这种“以练代教”为主体的培养模式，提供亲临其境的实操体验，效果显著，既可为医药课程提供教学案例又可为实体外科手术提供规划依据。

[关键词] 医药教育;全髋置换;自由设计模型;仿真手术

[中图分类号] R687.3          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2019）06（a）-0065-04

Simulation design and virtual medical education model of hip replacement surgery

PENG Jianqiao1*   CHEN Haiyan2*   LIU Yuping3*

1.Orthopedic Institute， the First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University， Guangdong Province， Guangzhou   510120， China; 2.Orthopedic Department， Huidong People′s Hospital， Guangdong Province， Huizhou   516300， China; 3.President′s Office， the First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University， Guangdong Province， Guangzhou   510120， China

[Abstract] Objective Virtual design of joint replacement surgery model， to build a simulation platform to practice instead of teaching， on the occasion of surgical teaching to correct the "lack of practice" situation. Methods One patient who was admitted to the First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University from July to August 2016 and who suffered from hip osteoarthritis and planned to undergo total hip arthroplasty was randomly selected. After the lumbosacral vertebra was scanned by CT， the Mimics was imported into *.dicom format to reconstruct the 3D model of the pelvis， and Freeform Modeling was imported into *.stl format， the simulation surgical instrument was developed with the computer-aided design software ProE and Ghost SDK， and the visualized total hip replacement under the guidance of Phantom joystick was practiced. Results The experimental results showed that the 3D model of hip joint was clearly reconstructed by taking 3D wheeled cutting as the observation index. The geometrical shapes of the virtual designed surgical instruments and physical instruments were similar， and the total hip surgery model and physical surgery were highly simulated. Conclusion This training mode， with "training instead of teaching" as the main body， provides hands-on experience in the field， with remarkable effects. It can not only provide teaching cases for medical courses， but also provide planning basis for physical surgery.

[Key words] Medical teaching; Total hip replacement; freeform modeling; Simulative surgery

髋关节形状特异、结构复杂，属于外科教学难点。传统的骨科带教方法以教师授课、标本观察、集体查房、参观手术等“眼看手勿动”的方式为主，学生缺乏独立操作机会，枯燥无味、效果不彰。本研究设计“以练代教”的这种模式让学生以三维可视化技术重建出骨盆高清影像，准确反映其生理病理特征，比尸体标本授课更加形象。同时，针对股骨颈骨折、髋关节骨性关节炎等髋部疾患，关节置换往往是最终的治疗方案。但是，髋关节置换术难度大、术时长，而术前规划可缩短术程、减少并发症。这一计算机辅助骨科教学实验让学生以自由设计模型Freeform Modeling制订个体化手术规划[1]、并虚拟演练全髋置换仿真[2]全程，不但为学生提供了量身定做的实践平台，而且为实体手术提供精准、合理的方案。

1 材料与方法

1.1 材料设备

从2016年7～8月在广州医科大学附属第一医院留医、患髋关节炎且拟行全髋置换术的患者中随机选1例，收集其64排螺旋CT薄层扫描影像1套，以*.dicom格式保存、医学图像处理软件Mimics-17.0（Materialise，Beligium）、三维绘图软件ProE-5、自由设计模型FreeForm Modeling+V10（Sensable，USA）[3]软件及其内带的力反馈操纵杆Phantom[4]。实验所用的CT影像从放射科保存的本来现有的旧病号数据中随机抽样，患者知情同意，不涉及动物试验，获得医学伦理学委员会批准。

1.2 研究方法

1.2.1 三维重建  学生将CT扫描患者骨盆的*.dicom数据导入到Mimics软件，设定骨骼的CT阈值1250～2732，经阈值分割（Thresholding）、区域增长（Region growing）等功能分离椎骨，经蒙版（Mask）编辑（Edit mask），再经擦除、绘制、计算、重建出髋骨，以*.stl格式保存導出，建立骨盆三维模型（图1A）。

1.2.2 术械绘制  根据临床手术器械形状、规格，在三维绘图软件Pro-E中绘制手术器械，获得髋关节置换手术的仿真[5]器械：股骨头取出器、髋臼打入器、衬垫打入器、螺钉、髓腔锉、髋臼杯、衬垫、股骨假体等均以*.stl保存，内置物材料规格根据手术需要而定，手术刀、骨凿及摆锯等切割术械[6]在Freeform Modeling的自定义工具中二次开发获得（图1B）。

1.2.3 模具导入  将关节模型及术器模型一同导入Freeform Modeling中，配以颜色渲染直观效果，通过放大、缩小、旋转、透视全方位演示高清的构造及毗邻关系[7]（图1C）。

1.2.4 关节置换手术仿真演习  手术入路：取髋关节外侧入路，通过Phantom操纵“手术刀”以大粗隆为中心作一长越15 cm外侧直切口（图1D）[8]。虚拟截骨：通过操纵杆“摆锯”距离小粗隆1.5 cm处沿预切线垂直于股骨颈处截断股骨颈（图2A），以“取出器”取出股骨头，测量其直径为44 mm，选择合适的假体。植入髋臼：以雕刻“刮刀”刮除髋臼底部的韧带、软骨、骨赘、脂肪垫，再以球形“刻刀”打磨出5～7个直径为6 mm的孔用于填充骨水泥。选直径44 mm的髋臼假体置入，保持45°外翻、前倾15°，再植入聚乙烯衬垫（图2B）。以“骨凿”在股骨颈骨截面上按前倾15°凿骨槽，以操纵杆开髓、以髓腔锉由小到大逐渐扩髓[9]（图2C）。安装假体：打入假体柄试模，安装假体头并复位，尺寸确认后脱位，取出试模，填入骨水泥，在移动、转动中把假体柄植入髓腔，安装假体头[10]（图2D）。

2 结果

通过分割、区域增长等步骤建立了骨盆的三维模型，通过Mimics/Freeform放大、缩小、旋转[11]、透视可清楚地观察到各结构的解剖层次，从Pro-E及Ghost SDK开发的虚拟术器与真实术械酷似无异，完全满足“手术”所需，在操纵杆Phantom控制下，人体模型、手术器械在Freeform Modeling中互动[12]，成功模拟了关节置换的手术过程，度高仿真、效果逼真。见图1～2。

3 讨论

本研究基于CT扫描数据重建骨盆模型，并以CAD软件Pro-E绘制关节置换手术器械及植入材料[13]，在自由设计模型Freeform Modeling中模拟关节置换仿真手术，虚拟环境具有真实感、临场感、交互性和力反馈功能[14]，通过力反馈感受到切割、钻孔等操作“浸润”[15];仿真平台能在切割前测量方位、勾画预切线并沿划线精准地切割[16];系统的雕刻功能可组合器械在髋臼壁上自由设定孔径、打孔或其他复杂的工序[17];可用内部的“撤销”功能逆控20步程序[18]，反复修订手术步骤、调整手术模板后大大缩短“手术”时间。两年实验表明，这一临床电子教学平台深得医学生喜爱，成为实体训练的首选工具。

中国教育的短板是“高分导向”所造成的“师缺实训、学缺实操”，教育改革的对症药方就是“师重实训、学重实操”的“高能导向”。传统“以教代练”方式教学的弊病在于老师对命题诸如“如何骑自行车”照书讲命、对学生“纸上谈车”以致最后不会骑车。西方“以练代教”的宗旨是从实践中培养学生“提出问题、分析问题、解决问题”的能力，它的中心思想是爱因斯坦“提出问题比回答问题更难”“解决问题比回答问题更强”的论断。美国“以教代练”的核心要领是：譬如导师讲解游泳课题，学生必须下水。“以练代教”的基本框架在于教学角色的定位：导师角色自我调整为配角，总览大局而非总揽全局，适当辅导而非谆谆教导。课程部分的“以练代教”方案在于：重点设计个性化教材、以小课取代大课、以实验带动理论、以小组讨论兼顾独角演讲;同时推进课堂民主化，营造良性的互动环境，驾驭轻松活泼的学问气氛，调动学生“我要学习”而非“要我学习”的激情，学生角色潜移默化为主角。实习部分的“以练代教”方案在于：导师角色自我调整为幕后推手，适时督导而非布置任务，放手把学生推向前台，根据自己的爱好和特长主导选题：“检索文献、提出热点疑题、分析重点切入奇点课题、以创新点突破难题”等。这些教学方针一旦调整之后必须持之以恒，切忌一暴十寒，教育强国的打造少不了“十年树木、百年树人”的长期积累。