3D打印技术在脊柱外科教学中的应用研究进展*

刘 扬 综述，汪 洋 审校

(重庆医科大学附属第二医院脊柱外科，重庆 400010)

3D打印技术也称为快速打印原型制造或增材制造，是通过运用金属合金、塑料和聚氨酯等材料，依据数字化3D图像逐层打印构造实体3D对象的技术。3D打印技术基于储存数据将数字化3D图像模板重建为逐层堆积打印的实体对象，打印出的个体化实物可以提供理想的强度和刚性而满足实际应用需求。

脊柱解剖结构的复杂性和脊柱手术的高难度为脊柱外科的教学和训练增加了难度。3D打印技术在脊柱外科教学中的应用呈现多样化趋势，展示了良好的发展前景。

1 3D打印技术简介

3D打印技术是依据数字化3D图像逐层打印构造实体3D对象的技术。该技术的应用可以追溯到20世纪80年代，经历了30余年的技术发展和更迭。从打印义齿模型和助听器等医学装置到用于建立药物试验和医学教育的疾病模型，3D打印技术已广泛应用于医疗行业的诸多研究领域，在临床中发挥着越来越重要的作用[1]。3D打印技术综合了信息技术、机电控制技术、数字建模技术、材料科学和化学等诸多学科领域的前沿科技，是目前全球最精尖的科学技术之一[2]。

近年来，3D打印技术在脊柱外科手术中的研究和临床应用逐渐增加，已经成为脊柱外科的一项颇具应用前景的技术。随着3D打印设备和相关软件成本的降低及获取渠道的拓展，预计3D打印技术在脊柱外科的应用需求在未来几年内还会持续增长。目前，3D打印技术已广泛应用于脊柱外科的术前规划、术中个体化内固定装置和个体化导向模板的构建、个体化生物打印和术前医患沟通等方面[1,3]。此外，大量文献研究表明，3D打印技术在脊柱外科教学和培训方面的应用也逐渐增多，为脊柱外科教学提供了崭新的思路[1,4]。

2 3D打印技术在脊柱外科本科生教学中的应用

由于脊柱解剖结构的复杂性和脊柱疾病的多样性为脊柱外科本科生的教学带来了很大的挑战[5]。脊柱外科的本科生临床见习和实习教学是脊柱外科教学内容中的难点。3D打印技术的应用可发挥其技术优势，提升脊柱外科本科生教学质量。

2.1脊柱外科解剖学课程教学 传统脊柱外科解剖教学的主要形式是教材讲授、图谱学习和尸体标本解剖。教材讲授和图谱学习尽管资料丰富，但内容相对抽象，难以给学生带来立体直观的感受，尤其对于脊柱的复杂生理病理特点，如椎体节段与脊神经支配之间的关系、退变性脊柱侧弯畸形的特点及分型等知识点难以解释。学生在课堂上理解困难、课后短期和长期记忆不佳，难以产生良好的教学效果，动手实践操作时更是感到十分困难[5]。尸体标本由于遗体来源限制、保存条件严格、福尔马林保存液的潜在危害性，以及可能面临的伦理学和法律相关问题，往往难以满足教学实际需要。3D打印技术的应用为脊柱外科解剖课程教学提供了一种崭新的思路。与尸体标本相比，3D打印模型教具有更低的健康危害性和更高的安全性，也能避免伦理和法医学相关的问题，在医学生的见习和实习教学中具有一定的优势[1]。

一项针对完成临床医学专业本科生的研究将90名医学生被随机分为2组，其中对照组采用传统影像学图片进行教学，观察组采用3D打印模型进行教学，结果显示，3D打印模型可以提高医学生对脊柱空间结构和复杂脊柱骨折的了解，同时还可以提高医学教学过程中的学生满意度[6]。医疗机构将不再受捐赠尸体数量和质量的限制，可借助3D打印技术为教学和培训构建可重复使用的标准化解剖模型。尽管3D打印模型能否完全替代尸体标本作为解剖学教学的教具仍有待时间检验，但3D打印的解剖模型确实能够作为尸体标本教学的有利补充，并且在展示罕见的解剖结构等方面具有显著优势[1]。

2.2脊柱外科见习教学 一项以38名进入脊柱外科见习的临床医学八年制医学生为研究对象的研究表明，结合3D打印技术的带教组对脊柱齿状突骨折病例的学习效果优于传统教学的带教组，将3D打印脊柱模型作为课堂教具可显著提高学生的短忆和长时记忆效果[5]。3D打印技术制作教学模型应用于脊柱外科临床见习中，能显著提升学生对脊柱外科疾病的认知能力，培养其对临床工作的学习兴趣。

2.3脊柱外科实习教学 国内的多项研究发现，3D打印脊柱模型在脊柱外科实习教学中的应用展现出良好的效果。一项在脊柱肿瘤外科实习教学中的研究表明，引入3D打印技术的脊柱肿瘤模型辅助教学方式，不仅能提高学生的病例考核理论成绩，还能够提升学生的直观感受、学习兴趣、理论知识理解水平和面对复杂手术的信心[7]。

脊柱外科是理论知识与临床实践互相结合的学科，脊柱外科教学不仅要求实习学生熟练掌握脊柱外科疾病的专业理论知识，更注重对实习学生实践技能的教学和培训。脊柱外科所涉及的解剖部位具有复杂的立体空间结构，单纯的运用文字和图像等理论知识讲授很难提升学生的动手实践能力。有研究发现，采用3D打印脊柱骨折模型作为教具可提升骨科临床教学的直观性及可操作性，提高脊柱外科实习本科生的理论考核成绩及实践考核成绩[8-10]。

随着计算机网络技术和多媒体技术的日渐发展，脊柱外科教学模式展示出多样化和信息化的趋势。一项针对骨肿瘤科临床实习学生的回顾性分析表明，借助3D打印模型分析脊柱肿瘤患者病例资料和手术计划，能增加实习学生对脊柱肿瘤解剖结构和手术入路的认知水平和掌握程度[11]。以问题为基础的学习(PBL)教学方法在脊柱外科中应用较为广泛。PBL教学方法强调“以学生为中心、以临床问题为导向”，对学生的主动学习动力和自主解决问题能力要求较高，因此，学生可能由于对脊柱疾病理解不足和缺乏积极性而影响教学效果。采用3D打印技术辅助PBL教学，克服了PBL教学中因为理解不足而导致学习主动性不足的缺点。3D打印模型结合PBL能提高脊柱外科实习学生的学习效果和满意度等，实现了PBL教学方法和3D打印技术辅助教学的优势互补，是一种值得推广的教学模式[12-13]。多媒体教学是目前广泛应用于脊柱外科教学的教学手段，3D打印模型结合多媒体技术讲授腰椎骨折内固定术时，先在多媒体设备上播放手术操作视频，随后在3D打印实物模型进行实践操作，学生在巩固理论知识的同时提高了实践操作能力，提示3D打印技术结合多媒体技术是一种效果良好且值得借鉴的新颖教学方法[14]。

3 3D打印技术在脊柱外科研究生教学中的应用

医学研究生教育注重培养学生的创新思维和创新能力，临床专业型研究生教育以培养具备研究生学历的临床专业技能创新型人才为目标，为医学研究生的临床教学提出了更高的要求[15]。3D打印技术的迅速发展，为医学研究生教育提供了更多的选择，丰富了教学手段。

近年来，越来越多的医学院校将3D打印技术应用于脊柱外科研究生的临床教学和技能培训，并且取得了良好的教学效果。据报道，对中医骨伤科研究生采用3D打印脊柱模型进行手术方式讲授能提高研究生理论成绩和认知水平，使其对脊柱及其相关疾病的解剖、病理机制、诊断分型和手术方案的认识更清晰明了，提高了脊柱手术教学效果[16]。值得关注的是，3D打印技术在复杂脊柱手术的研究生教学中具有明显的优势。研究生在本科学习阶段掌握的主要是正常生理状态下的脊柱解剖，对于病理状态下，尤其是严重畸形的脊柱解剖结构缺乏感性认知。3D打印技术能高度还原脊柱畸形疾病中解剖结构，为脊柱畸形相关疾病的教学提供了直观、具体的教学模型，可提高教学效率和效果[17]。

4 3D打印技术在脊柱外科住院医师教学和培训中的应用

教学医院不仅承担了本科生和研究生的教学任务，也肩负着年轻住院医师的临床教学和技能培训任务。脊柱外科手术的复杂解剖结构和重要脊柱功能对手术者的操作有着严苛要求，因此对脊柱外科住院医师的手术技能培训存在局限性[2]。出于医疗安全的考虑，脊柱手术中的复杂操作需要长时间的手术观摩，而手术室由于无菌环境等方面要求可能会限制观摩人数，导致住院医师在脊柱手术的学习方面缺乏足够的观摩时间和实践机会，延长了住院医师在脊柱手术等领域的学习曲线[3]。

3D打印技术的应用，很好地解决脊柱外科住院医生在临床教学和技能训练中面临的问题[2]。椎弓根置钉是脊柱外科常用的手术操作，术中只能参照有限的解剖标志进行置钉，凭借经验去确定进钉的角度和深度。住院医师由于手术视野和操作机会的限制，不能很好地掌握操作要领和技巧。应用3D打印技术构造的脊柱实物模型可以将脊柱疾病的解剖结构直观、立体地展现出来，并且可以在3D打印模型上进行模拟操作，帮助住院医师更好、更快地掌握复杂脊柱解剖结构，锻炼住院医师手术技巧，提升脊柱外科手术技巧的教学质量[18-19]。

3D打印技术不仅能提高脊柱外科住院医师在椎弓根螺钉置钉技术等常规技术的操作水平，对低年资医生在复杂脊柱疾病中的诊治水平和操作训练也有帮助。由于脊柱解剖结构的复杂性，脊柱侧凸畸形累及的脊柱节段较多，脊柱畸形矫形手术需要多阶段钉棒固定，是脊柱外科教学中的难点[20]。有研究表明，运用3D打印模型对住院医师进行教学，能促进住院医师对脊柱侧凸畸形诊治原则的学习，提高脊柱畸形相关疾病教学效果[21]。另有研究表明，在脊柱外科轮转时，采用3D打印模型授课能提高住院医师在脊柱畸形病理特点和矫形手术原理等方面学习兴趣和学习效果[22]。颈椎单开门椎管扩大成形术是脊柱外科技术门槛较高的手术方式，具有手术风险高、技术难度大等特点，对年轻医生的技术水平要求较高。一项研究表明，低年资脊柱外科医生借助3D打印技术构建特定的钻磨模板进行颈椎后路单开门手术的操作训练，可以提高开槽位置的精准度，同时能够降低门轴侧铰链完全断裂的发生率，提高住院医师施行颈椎后路单开门椎管扩大成形手术的成功率，缩短手术经验不足的脊柱外科医生的学习曲线[23]。

治疗个体化、精准化和微创化是脊柱外科未来发展的重要方向。作为医学数字化技术的集中展现，以3D打印技术为核心的个体化假体构建和高精度手术方案设计，将脊柱外科带入了个体化、精准化和微创化新时代[24]。应用3D打印技术构建的个体化模型、辅助导向装置和个体化内置物不仅能提升脊柱外科疑难病例和高难度手术的治疗效果，也为脊柱微创手术提供了新思路。与此同时，在脊柱微创手术领域的教学实践中，3D打印技术的应用也展现了良好的教学效果。有研究表明，3D打印模型辅助脊柱椎间孔镜教学能生动地反映脊柱疾病的病理结构和手术操作的真实情况，同时为学生创造更多的手术训练机会，其不仅能有效解决尸体标本来源限制与正常教学模型无法全面展示脊柱疾病病理结构的问题，还能提升年轻医生学习的主动性和积极性，最终提升椎间孔镜手术教学的教学质量，有效缩短年轻医生的学习曲线[25]。另有研究表明，3D打印技术结合显微镜辅助技术应用于颈椎病教学及手术带教，能提高学生对颈椎病诊疗的认知和学习主动性及科研兴趣，促进学生理论知识水平和手术操作能力的提升，推动颈椎病教学质量的提高[26]。

5 3D打印技术在脊柱外科教学中的挑战与前景

3D打印技术凭借其高还原性、安全性和可重复性等优点，已逐渐应用于脊柱外科术前规划、术中个体化内固定装置和个体化导向模板的构建、个体化生物打印、术前医患沟通和医学教学与培训等各个方面，为脊柱外科的发展提供了崭新的思路。脊柱外科是理论知识结合临床实践的学科，其教学要求学生既能掌握脊柱外科疾病的理论知识，又具备脊柱外科的基本技能操作和手术操作能力。个体化、定制化的3D打印模型应用于脊柱外科临床教学时，有利于培养授课对象的个体化诊疗临床思维，增强教学质量和效果[27]。但是，3D打印技术在脊柱外科教学中还存在一些不足：(1)3D打印模型的经济成本较高，不利于3D打印技术在脊柱外科教学中的推广和普及；(2)3D打印速度有限且打印步骤繁琐，导致3D模型制作比较耗时，增加了3D打印技术的时间成本；(3)3D打印相关软件及设备训练和使用的学习曲线较长，使用者需具备一定的理论知识和操作水平；(4)3D打印在还原骨组织等硬组织方面有优势，但对脊柱周围神经、血管和肌肉等软组织的还原度不足，与人体解剖存在一定差距，影响教学效果[2,28-29]。因此，3D打印技术推广应用于脊柱外科教学将是个漫长的过程。

随着社会经济的快速发展和工程学、材料学等相关学科的进步，3D打印技术的技术提升和成本降低是必然趋势[1]，这会促进3D打印技术在脊柱外科教学中的推广和普及，进一步凸显其优势和价值。