3D打印技术对提高医学本科生骨解剖结构认知的研究

钟环 蔡小娴 陈海聪 杨树凯 魏波 欧阳汉斌

骨科与影像学的关系极为密切，临床研究显示[1-3]，诸多骨科疾病的发病、治疗与解剖密切相关，因此，了解和掌握骨科疾病背后的解剖结构是医学生所必须掌握的内容。传统骨科临床教学多采用教材和多媒体图片方式进行骨解剖结构知识的讲解，没有足够的标本模型和三维立体的展示，这也导致学生对解剖概念缺乏清晰的掌握。长此以往，学生对学习的兴趣就会减弱，并最终影响骨科知识的学习效果。随着现代科学技术的进步，3D 打印技术在医学专业教学中得到广泛应用[4]，同样，在骨科教学中也不例外。3D 打印技术是一种新型的快速成型和快速制造技术，是以数字模型为基础[5-7]，通过逐层打印的方式，采用可粘合的材料来制造物体模型。目前3D 打印技术已经得到越来越广泛的关注，并受到医学工作者的极度青睐。为了进一步明确3D 打印技术对提高医学本科生骨解剖结构认知的价值，本研究抽取同一届88 名临床本科生作为研究对象，评价不同教学方式对医学本科生骨性解剖认知的效果，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

于2019 年2—6 月随机抽取同一届88 名临床本科生作为研究对象，男45 名，女43 名，按照奇偶数随机分组法分为观察组和对照组，每组均为44 名，观察组中男生24 名、女生20 名，年龄18～21 岁，平均年龄（19.6±1.5）岁；对照组中男生21 名、女生23 名，年龄18～22 岁，平均年龄（19.9±1.6）岁。两组学生在性别、年龄、入校成绩及入校后各科成绩等方面，差异无统计学意义（P＞0.05）。研究中两组研究对象无发生脱落。本研究获得医院伦理委员会同意并批准。

1.2 入选标准

所有学生均完成系统解剖学和局部解剖学课程学习；两组学生均由同一高资历教授、主任医师授课，共完成12 个学习，且授课时间、教学病例等均相同。

1.3 方法

1.3.1 对照组

对照组采取传统的临床授课方式，通过教材和多媒体等课件教学方式，进行教学，主要通过Powerpoint 展示临床病例的影像学特点和人体骨解剖结构，并由带教老师进行病例知识的答疑和讲解。

1.3.2 观察组

本组则在对照组的基础上加以3D 打印技术展示病例骨解剖结构。

教学过程中根据临床病例的影像学特点，制备相应3D 打印模型，让学生传阅观察3D 打印模型，具体内容如下：教学病例需要体现专业基础知识、基本理论以及基本技能，病例设计也要具有一定的知识性、互动性和复杂性，指导学生讨论并学习专业知识，进而提升学生对骨解剖结构的认知；结合临床医学教学大纲，调取骨科病例数据库资料，选取2018 年1 月-2018 年12月典型脊柱畸形患者5 例，采用医院PACS 系统平台，对患者影像学资料提取，采用交互式医学图像控制系统（materiaise’s interactive medical image control system，MIMICS）软件将CT 等影像学资料等进行三维图像重建，应用打印机打印成脊柱畸形模型，制作病历报告，然后由学生讨论，包括患者诊断、治疗方案等，从而引导学生自主思考，并加以分析问题，帮助学生了解脊柱畸形。

1.4 评价指标

教学完成后，所有学生例行统一的测试，测试内容主要分为三个部分，第一部分为理论笔试，内容主要是骨科相关知识点测试，共50 题，共100 分；第二部分为见习成绩，主要为骨科常见疾病诊治以及影像学读片加以测试，（包括疾病定义、发病机制、疾病分类、诊断和治疗）共100 分；主观评价部分通过问卷调查来测试，包括学习兴趣、学习能力、实践操作能力、理解能力和教学满意度等，每项10 分。

1.5 统计学方法

所有统计学资料都采用SPSS 25.0 专业统计学软件进行数据分析，计量资料以（）表示，组间比较采用独立样本t 检验，计数资料比较采用χ2检验，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组学生客观考试成绩分析

观察组学生在骨科知识理论考核成绩、见习考核成绩和综合成绩均高于对照组，且组间差异均有统计学意义（P＜0.05），详见表1。

表1 两组学生骨科知识客观能力考核成绩对比分析（分，）

表1 两组学生骨科知识客观能力考核成绩对比分析（分，）

2.2 两组学生主观评价对比

观察组学生在学习能力、学习兴趣、理解能力、实践操作能力、教学满意度等评分均高于对照组，且组间差异均有统计学意义（P＜0.05），详见表2。

表2 两组学生主观能力评价对比（分，）

表2 两组学生主观能力评价对比（分，）

3 讨论

骨科学习知识点多，解剖结构较为复杂，可以说，对骨科解剖结构知识的了解和掌握是骨科学习的一个重要基础。而且，骨科疾病与内科疾病存在有较大区别，在临床教学中，学生若只是通过手机观摩获得感官体验，效果则大打折扣[8]。影像学与骨科患者疾病诊断和治疗有着最为直接的关系，尤其是在复杂骨折分型、脊柱侧弯分型、关节损伤等方面，均有着重要的诊断意义[9-11]。但是，在传统的骨科教学环境下，多采用的是标本实物、解剖图谱以及教材、CT 影像学等，这样无法立体展示骨解剖结构，更加难以展示重要肌肉、韧带与骨骼之间的力学作用和解剖关系，因此，也就影响了学生对骨科知识的学习，影响学生的学习兴趣，并最终影响到教学效果。临床医生需要修复损伤甚至畸变的骨骼结构，要想成为符合要求的骨科医生，就要求学生必须要全面掌握骨骼解剖结构，在病变骨骼动手操作方面打下扎实基础。随着3D 打印技术的问世，也极大推进了医学教育的水平的发展。目前3D 打印技术已经得到越来越广泛的关注。3D 打印技术作为一种新型的快速成型和快速制造技术，是建立在数字模型基础之上的一种快速成形技术，主要采用可粘合的材料来制造物体模型，使骨解剖结构得到重建，为骨科教学提供了一种新技术和新方法，在很大程度上提高了骨科骨解剖的教学质量。

3D 打印技术的原理是：是一种将计算机生成的3D图像转换成物理模型，将材料结合到一起（一般是层层叠加），再用三维模型数据来制作完成物品的工艺。3D模型的制作是可以基于来自CT 或MRI 图像的DI-COM格式数据，生成格式为STL 的3D 模型。打印机通过液体、粉末或片状材料（如塑料/聚合物以及金属）的一系列横截面层完成模型构建，最终形状是于层连接时形成。这一过程可被用以创建个体化材料，相较于传统的植入物制作更具成本效益。3D打印能够创建任何复杂的形状，且能够将固体与多孔部分进行组合，提供最佳的强度与性能。很多不同材料都能在其中得到有效运用，如塑料、聚合物、玻璃、陶瓷、生物材料等。目前3D 打印技术在骨科的应用主要有以下方面[12-14]：骨科手术辅助器械打印；1:1 实物模型的制作；骨科植入物的打印；个性化内置物等。个性化内置物，是针对复杂性骨折建立的治疗方案，一般骨科复杂性骨折都伴有局部骨质缺损问题或发生粉碎性骨折，临床需对缺损处植入假体保证骨的完整性，根据患者骨质缺损程度与骨折分型做出个性化内置物设计，结合术前患者影像学检测数据、采用3D打印技术便可以制作得到和患者匹配度极高的内置物，保证植入假体和患者缺损部位在外形上的契合，能够提高固定物的稳定性、促进骨折自我修复。1:1 实物模型打印，就是根据患者三维重建数据，制作出1:1 的病变骨骼实物模型，能够提高患者、家属及医生之间的交流效率，为医生和患者提供最直观的视觉与触觉体验，可为骨科疾病患者提供疾病诊断、术前手术方案设计、手术演练及术后康复训练提供良好的辅助宣教工具，因此具有有极高的应用前景和价值。

本组研究结果显示：观察组学生的对骨解剖结构知识的理论考核、标准化病人考核以及学习能力、学习兴趣以及理解能力和实践操作能力等指标均优于对照组，且差异均有统计学意义（P＜0.05）。这充分说明了3D打印技术对于提高本科生骨解剖结构认知的巨大优势，这也与诸多研究结果一致[15-17]。分析其原因，可能是由于在传统的骨科教学的条件下，课题教学通常采用的是骨骼标本实物、解剖图谱以及教材、CT 影像学等静态和固定的模型展示，这样无法立体、动态和形象的展示骨解剖结构，更加难以展示重要肌肉、韧带与骨骼之间的力学作用和解剖关系。传统的教学模式，由于学校没有足够的标本模型和三维立体的展示，这也导致学生对解剖概念缺乏清晰的掌握。长此以往，学生对学习的兴趣就会减弱，并最终影响骨科知识的学习效果，并最终影响到教学质量[18]。然而，如果在骨科教学中采用3D 打印技术，不仅能动态的、多维度的展示骨骼的解剖结构、组织关系，而且还为学生提供了更加直观的实物化三维模型，能够让学生更加了解骨解剖结构，完整地展示骨骼病变部位以及骨骼周围软组织的空间比邻关系，这也是CT、X 线、MRI 等一般的影像学资料所无法达到的效果。此外，传统的影像学资料难以展现骨科疾病的损伤机制，这就难以满足医学生在学习过程中对疾病的成因的牢固掌握。然而，3D 打印技术却可以完整展示骨骼解剖结构，将三维立体模型与二维影像学资料相结合，使得骨科临床理论与操作教学讲授中的操作性和直观性更加明显。而且，通过实物模型的观摩，学生能够更好地理解相关操作知识，提升学生的动手能力。

现有医疗体制环境下，医学本科学生能直接手术操作的机会有限，而传统的临床带教也无法让学生深入了解到骨解剖结构相关知识。3D 打印技术的出现，能够实现手术虚拟操作，允许学生全程参与模拟手术操作，不仅有效避免了医疗实习教学中存在的纠纷隐患，还让学生更加直观和深刻了解骨科疾病特点，从而提升学生的学习兴趣。综上所述，3D 打印技术对提高医学本科生骨解剖结构认知有显著效果，教学效果良好，是一种良好的教学辅助方法。