3D打印结合计算机辅助导航在骨科教学中的应用

周晓枢 袁伟 夏茂盛 朱悦

对于短时间在骨科进行规范化培训的住院医师来说，很难通过接触、诊治真实患者学习到全面、系统的专业知识与基本技能[1-3]。3D 打印技术在骨科临床教学方面有一定优势，通过对3D 骨科模型直观的观察，可使本科生熟悉解剖特点，提高阅片能力，了解疾病损伤机制[4-5]。然而，以上优点并不能满足住院医师培训对骨科临床技能操作能力的需求。在这种情况下，我们将3D打印模型及导航技术应用到住院医师教学中，在导航引导下住院医师可于3D 打印模型上进行操作训练，教学效果满意，达到了短期内提高骨科规培医生动手能力的目的。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2017 年1 月—2018 年12 月中国医科大学附属第一医院规培住院医40 名。将40 名规培医生随机分为两组，每组20 人。实验组男17 名，女3 名，平均年龄（25.9±0.4）岁；对照组男19 名，女1 名，平均年龄（25.8±0.4）岁。两组一般资料差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

1.2 方法

对照组采用传统多媒体授课、操作演示、3D 打印模型操作培训，实验组采用多媒体授课、3D 打印模型结合术中导航进行操作培训。两组采用同一教学老师进行教学，每组培训学时为4 学时。每位规培医生在3D 打印模型上进行置椎弓根螺钉操作6 次。

1.2.1 教学模型设计与制作 针对培训内容中解剖结构比较复杂的病例或缺乏动手机会的操作作为模型制作对象，如颈椎骨折、脊柱畸形、骨盆骨折、椎弓根钉固定、关节置换等。本文中以腰椎骨折为例。获得腰椎骨折病例3D-CT 数据，将数据导入图像处理Mimics 软件，建立腰3-5 椎体三维数据模型，采用树脂材料3D打印教学模型。

1.2.2 构建计算机导航影像并与3D 打印模型匹配 将3D 打印模型固定后，通过C 臂进行三维扫描，形成数字三维影像。将模型的三维影像导入术中导航软件。同时将所需操作工具在术中导航中进行识别、注册。测试操作工具，确保精准匹配。

1.3 考核评价

培训后对两组规培医生进行3D 打印腰椎模型置椎弓根螺钉操作及自制问卷调查评分。操作包括椎弓根螺钉置钉时间、螺钉精准度。螺钉精准度根据Rampersaud[6]评分进行分级。分为A—D 4级：A 级，螺钉完全位于椎弓根内，椎弓根螺钉未侵及椎弓根皮质；B 级，椎弓根皮质受到螺钉＜2 mm 的侵及；C 级，椎弓根皮质受到2-4 mm 的侵及；D 级，椎弓根皮质受到＞4 mm 的侵及。自制问卷包括教学方法评价、教师评价、感兴趣程度。技能考核、教学方法评价和教师评价满分为100 分。

1.4 统计分析

采用SPSS17.0 软件对数据进行分析处理，计量资料以（均数±标准差）表示，采用t检验；计数资料采用χ2检验，以P＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

实验组置钉准确度和置钉时间均优于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。操作技能考核指标实验组（91.1±5.2）分，对照组为（84.6±7.2）分，差异具有统计学意义（P＜0.05）。见表1、2。教学方法评价实验组（94.2±5.4）分，对照组（86.3±6.9）分，差异有统计学意义（P＜0.05）。教师评价分别为实验组（93.5±6.0）分，对照组（90.4±4.5）分，差异无统计学意义（P＞0.05）。见表3。对课程感兴趣的百分比为实验组90%（18/20），对照组50%（10/20），有统计学差异（P＜0.05）。见表4。

表1 置钉时间与技能考核成绩对比（）

表1 置钉时间与技能考核成绩对比（）

表2 置钉准确度对比

表3 两组课程教学方法评价、教师评价对比（）

表3 两组课程教学方法评价、教师评价对比（）

表4 两组课程感兴趣程度对比

3 讨论

进入规范化培训的骨科住院医生已掌握一定影像学、解剖学及骨外科相关理论知识，具有通过参考书自主学习相关知识的能力，但存在着诊治患者的数量有限、动手操作机会较少的问题，同时缺乏知识灵活运用和技能熟练操作的能力。在住院医师临床经验不足时，直接在患者身上进行临床操作时存在较高风险，且学习曲线偏长，系统的技能培训可以理论上可以解决这一难题。目前规培医生技能培训主要有以下几个来源[7-10]：（1）观摩有经验医生手术操作，此方法只能获得视觉上的效果，缺乏动手实践体会；（2）在大动物上进行操作，存在着成本较高、不能反复使用的缺点；（3）在尸体上操作训练，培训效果好，但价格昂贵；（4）应用医学模具操作，是进行技能培训较普遍的办法，但骨科培训模具种类少，不能满足规培医生动手能力培训的需求。因此，如何有效增加骨科规培医生动手操作的机会，提高动手操作能力，提升培训质量并保证医疗安全是指导教师需思考的问题。

3D 打印技术正逐渐应用于骨科教学中，具有多种优势。手术台上紧张的氛围、有限的视野使得住院医生难以辨认已学习过的解剖标志[11-13]，这就需要骨科医生学习并掌握更加扎实解剖知识。3D 打印技术可直接通过患者影像资料建立数字模型，进行个性化打印。打印出的模型能与患者解剖完美匹配，真实反应出病例的病变特点，使解剖教学简单易行，更具趣味性。此外，骨科医生往往通过X 光片或CT 等图像对患者损伤程度进行评估，对医生的抽象空间立体思维能力要求较高，主要依赖于医生日积月累的临床经验和阅片能力，年轻医生通过影像资料进行评估则存在困难。3D 打印技术则使影像学资料真实、直观、立体的展示在医生面前，视觉与触觉的感受减少了住院医生对想象力的依赖并提高了阅片能力。3D 打印模型上还可以进行手术置钉等实际操作，增加了操作的熟练度，保证医疗安全，适合用于住院医生的技能培训。

任何一种培训都必须接受效果评估与反馈。而即时评价反馈可帮助学生调整、控制后续学习行为，也帮助教师调整教学方案、因材施教。目前骨科培训缺少评价即时反馈机制。计算机辅助导航技术可使手术器械的操作通过影像实时显示，提高手术精准度，确保手术安全，缩短手术时间[14-15]。将该技术应用于培训中，可观察每个操作是否正确，实时反馈，发现问题可及时纠正错误，让操作更准确；通过导航反馈的培训医生的问题，教师可在教学时间分配、难点、重点等方面随时作出调整，使培训医生快速完成学习，缩短学习曲线。本研究通过3D 打印模型结合计算机导航技术对规培医生进行培训，使得置钉操作更规范、操作时间更短、准确度更高。培训评价和考核结果表明该方法提高了规培医生的学习兴趣及动手能力，对课程反响较好。

3D 打印结合计算机导航解决了规培医生动手难的问题，可用于对规培医生进行真人手术前的培训，可有效减少临床操作中错误的发生。该方法能有效提高骨科住院医生规培教学效果，是一种快速、安全、有效的培训方法。