3D打印膝关节模型在八年制医学生骨关节炎教学中的作用

牛 舜，马保安，龙 华，王 丹，陈慧芸，张 艳，周 勇*

(空军军医大学 唐都医院 1.骨科； 2.教务科； 3.肿瘤科， 陕西 西安 710038)

随着卫生事业的发展和医疗需求，越来越多的医学院校开展了八年制医学教育。八年制更强调的是一种精英式教育[1]，往往配备更为精良的教学资源。因此，授课方式更为灵活，教师和学生互动更为方便和频繁[2-3]。

骨科学是外科学教学中非常重要的一部分， 对于解剖的要求非常高。多媒体技术的广泛应用，大大丰富了骨科学教学，可综合运用幻灯、板书、视频动画和教具等不同的教学手段讲授知识，增加了教学过程的生动性和形象性[4-5]。但其教学过程大多还是以传统(lecture-based learning,LBL)教学方式为主的“填鸭式”教学。

为了更好的和学生进行教学互动， 作者在骨关节炎(osteoarthritis，OA)2个学时教学过程中针对教学内容设计、制作了3D打印的膝关节模型，此模型可同时演示正常膝关节、OA、胫骨高位截骨(high tibial osteotomy，HTO)术、关节置换术和软骨移植术等多种情况。配合动画演示，让学生亲手操作模型，大大增加了学生的学习热情，提高了授课效果。

1 资料和方法

1.1 一般资料

研究对象为空军军医大学2014级八年制临床医学专业学生(n=25)，随机分为实验组(n=12)和对照组(n=13)，两组同学上学期期末平均成绩无明显差异。实验组采取3D打印膝关节模型模拟+动画演示+LBL教学模式；对照组采取动画演示+LBL教学模式。

1.2 方法

1.2.1 膝关节骨关节炎教学模型制作: 膝关节模型原始数据通过健康成年人磁共振扫描获得，从而建立膝关节三维数据模型。3D打印由西安非凡士机器人科技有限公司实施。按照《外科学》骨关节炎章节教学目的和演示需求，此模型可满足正常股骨侧关节软骨展示、OA股骨侧关节软骨展示、HTO术展示、股骨侧关节面软骨移植术展示及股骨侧关节置换术展示5部分演示需求。

1.2.2 PPT结合膝关节模型演示步骤: 图1A展示的是健康人群膝关节胫骨侧3D模型，图1B展示的是先天性膝内翻患者的胫骨侧3D模型，对应的患者下肢外形示意图及影像学为图1D，而图1C展示的是行HTO手术矫形后的胫骨外形3D模型，对应的矫形后的患者下肢外形示意图及影像学为图1E。图2A展示的是健康人群膝关节股骨侧3D模型，图2B展示的是OA患者的股骨侧关节面3D模型，对应的患者关节外观及影像学为图2E，而图2C展示的是关节置换术截骨步骤，图2D展示的是关节置换术后的股骨侧关节面3D模型，对应的患者关节外观及影像学为图2F。图3A同图2B一样，还可以展示局限性软骨损伤，图3B展示的是软骨移植术手术步骤，图3C展示的是软骨移植术后股骨侧关节面。

A.normal knee; B.constitutional varus knee; C.HTO surgery; D.constitutional varus alignment and X-ray; E.normal alignment and X-ray after HTO surgery图1 胫骨高位截骨术3D模型展示Fig 1 3D printing model of HTO

1.3 教学效果评价

设计随堂考核试卷及满意度调查表，课程结束后，统计对比两组学生的考核成绩及授课质量满意率。考核试卷均为选择题，选自历年执业医师真题中OA相关知识点，共10道题，每题1分。满意度调查表包含教风、教学准备、教学设计、教学方法、内容组织、重点难点、教学拓展和教学特色等8个方面，共计100分：90分及以上为优，75～89为良，60～74为中，60分以下为差，统计授课质量优秀率(评分90分及以上学生数量占总数百分比)。

1.4 统计学分析

2 结果

2.1 两组学生考核成绩比较

实验组学生课后考核成绩为(9.08±0.67)分，显著高于对照组学生的(8.15±0.69)分(P<0.05)。

2.2 两组学生满意度比较

实验组学生对于授课质量的评分(96.33±2.77)分显著高于对照组学生(92.08±5.47)分(P<0.05)。两组学生对于授课质量评价的优良率(≥75分)均为100%， 而实验组学生对于授课质量评价的优秀率(100%)显著高于对照组学生(69.2%)(P<0.05)。

A.normal knee; B.arthritis; C.arthroplasty process; D.artificial joint; E.arthritis and varus alignment; F.normal alignment after arthroplasty图2 关节置换术3D模型展示Fig 2 3D printing model of arthroplasty

A.cartilage injury; B.cartilage removal; C.cartilage transplant图3 软骨移植术3D模型展示Fig 3 3D printing model of cartilage transplant

3 讨论

骨科学本科生教学，解剖知识无法回避，这也是困扰许多医学生的拦路虎，想要迅速、准确而完整的记住人体各个部位的解剖结构非常困难。而医学生在学习临床课时，距离“解剖学”教学也已经过去了至少两年时间，无法再次系统的学习各个部位的解剖结构，更无条件再次在尸体上进行解剖学习。

教学模型作为实体骨骼替代品，与图片和视频动画相比，更有立体感和层次感，大大方便了骨科教学[4]。但是传统的商品化教具功能单一，只能展示解剖结构[6]。3D打印技术近年来发展迅速，在骨科临床，3D打印的骨段、假体、内固定等发展迅速[7]，这为我们打开了医学教学的新思路。3D教学模型经过良好的设计，甚至可以模拟疾病的病理改变和简单的手术步骤，使得授课过程直观生动，也便于学生记忆知识点[3]。

此类模型具有可操作性，学生可以在教师的指导下亲自模拟手术步骤，增强了课堂互动，激发了学习的主动性，提高了教学质量，这一点也是3D动画和视频所无法替代的[8]。对于小班授课的八年制医学生，更利于进行课堂互动。虽然传统教学方式仍然让学生满意(授课质量评价优良率100%)，但是对于精益求精的八年制教学来说，授课质量评价优秀率却只有69.2%，在加入3D打印教学模型的展示以及和学生的互动后，优秀率(100%)显著提高。

学生通过亲自操作3D模型，可以更为直观地理解疾病的病理过程及手术原理，对于培养临床思维能力有非常积极的作用[9]。学生在操作3D模型模拟手术的过程中，也会让其感受到是在对一个真正的临床病例进行诊治。在心理上，也让学生体会到了从一名学生到医生的不同心境。

“师者，传道授业解惑也”，教学过程不仅仅是教授知识，更是师者人格魅力以及教学态度的展示[10]。3D教学模型的准备可以使学生们感受到教师严谨的治学精神。这对学生们是潜移默化的影响，当这些学生们成长为高年资医师时，也要开展医学带教，并将严谨的治学态度再次传递给下一代。