3D打印模型在住院医师腰椎置钉教学中的应用

章仁杰 张华庆 贾翀宇 申才良

腰椎置钉技术广泛应用于各种腰椎疾病，已成为骨科住院医师必需掌握的一项临床操作技能。然而，骨科住院医师在脊柱外科轮转培训时间有限，通过术中观察和有限的操作实践来掌握这项技术十分困难，加之出于患者安全考虑，有必要采取新的腰椎置钉教学培训模式以促使住院医生能尽快掌握这项技术。近年来，3D打印技术辅助教学的方式已应用于临床教学和技能培训[1-2]。3D打印的实物模型使抽象、难以理解的结构变得直观。更重要的是，3D打印技术已非常成熟，可制作出在手感上接近于真实椎体中皮质骨和松质骨感觉的3D模型[3]供医生置钉练习。因此，为了使住院医师在轮转期间掌握腰椎置钉技术，我们采用3D打印模型进行腰椎置钉教学，现报道如下：

1 资料与方法

1.1 研究对象 于2019年1月-2020年12月选取在本医院脊柱外科规培的骨科住院医师35名，均为男生，根据轮转批次随机分为传统教学组及实验组，传统教学组18名医师，实验组17名医师。两组医师在规培年级、年龄方面差异均无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

1.2 教学方法

1.2.1 传统教学组 教师采用统一授课的方式，对腰椎置钉进行基础理论知识的讲解，包括腰椎椎弓根螺钉和皮质骨通道（CBT）螺钉的进钉点、进钉角度、螺钉直径的选择、螺钉置入的深度以及置钉过程中参考的解剖标志等。之后结合患者的腰椎X线正侧位片、CT平扫及三维重建图像进一步讲解。讲解完成后，要求住院医生独立在腰椎CT图像上识别螺钉的进钉点以及规划进钉方向，同时在三维重建CT图像上寻找出对应的解剖标志。然后，老师播放相关腰椎置钉视频，同时讲解置钉流程和操作技巧。在轮转期间有机会在上级医生的监督下进行腰椎真实置钉体验及操作。

1.2.2 实验组 授课老师与讲授内容与对照组一致，但在讲授过程中结合了等比例3D打印模型。住院医生可自主在3D打印模型上进行腰椎置钉相关解剖标志的观察和操作练习。

1.3 教学效果评价 出科时对两组住院医生进行考核，包括腰椎置钉的理论知识和技能操作，各100分，规定考试时间。理论考试内容为腰椎基本解剖结构、腰椎置钉方式和技术要点（进钉点和进钉方向）、置钉参考标志、置钉工具和流程等。操作考试为在腰椎CT图像上进行螺钉钉道的规划，以及在3D打印模型上置钉，节段均为L1-L5，共10枚，一枚螺钉规划或置钉准确得5分。

1.4 统计学方法 本研究使用SPSS 19.0统计软件分析数据，定量数据以均值±标准差的方式表示，进行t检验，P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结 果

在理论测试中，实验组住院医师考试成绩高于传统教学组，差异具有统计学意义（P=0.041）；在操作考核中，实验组住院医师在螺钉钉道CT规划、模型置钉和总成绩方面得分均高于传统教学组，差异具有统计学意义（P＜0.05）。见表1。

表1 两组住院医生理论和操作考试成绩比较（±s，分）

表1 两组住院医生理论和操作考试成绩比较（±s，分）

组别 n 理论考试 操作考试钉道CT规划 模型置钉 总分传统组 1879.8±10.1 39.1±6.9 31.9±9.170.9±8.2实验组 17 86.4±7.0 45.0±4.1 44.7±5.089.7±7.6 t 2.137 2.967 4.936 6.691 P 0.041 0.007 0.001 0.001

3 讨 论

椎弓根螺钉固定是脊柱融合手术中的主要技术，被认为是脊柱内固定技术的金标准，广泛用于各种腰椎疾病的治疗。腰椎皮质骨轨迹（CBT）螺钉技术[4]的方向为在横断面沿着椎弓根由内侧到外侧，在矢状面由尾侧到头侧。CBT螺钉通过致密的螺纹与椎体皮质骨之间最大化接触来提高钉道周围骨密度进而增强拔出强度[5]，可在不辅助强化材料的情况下能明显增强骨质疏松患者螺钉的稳定性，成为骨质疏松患者行腰椎固定的新选择。目前，椎弓根螺钉和CBT螺钉是腰椎内固定两大主要方式，技术已非常成熟。

通过多年临床教学发现，住院医生在腰椎置钉的学习过程中存在诸多问题。首先，在传统骨科教学方式中，常通过患者的X线片、MRI、CT平扫和三维重建等进行疾病的讲解，尽管这些影像资料可提供丰富教学内容，但缺乏立体直观性，无法使他们对腰椎置钉解剖标志、置钉通道以及置钉技巧等有深入的认识和理解。第二，住院医生在脊柱外科规培时间有限，既往研究表明医师需2～3年才能逐步掌握置钉技术[3]；因为无论是椎弓根螺钉技术还是CBT螺钉技术都存在学习曲线。相关研究报告医师置入椎弓根螺钉数量需达到80枚左右才会进入相对熟练期，螺钉误置率下降[6]。CBT螺钉也是一样，需要经过一段时间的练习才能提高螺钉置入的成功率和安全性[7]。第三，目前外科培训方法主要是观察，然后在有监督的情况下对患者进行亲身体验及操作，但术中暴露范围和操作实践是有限的。并且，腰椎椎弓根周围存在重要结构，螺钉位置不良可导致螺钉松动拔出及后期的翻修，严重者损伤血管神经，甚至瘫痪。出于对患者安全考虑，要求医生在对该置钉技术有一定的认识后才能在术中操作实践，这两者又形成了一个恶性循环。因此，如何让住院医生能够清晰理解并快速掌握腰椎置钉技术成为脊柱外科教育培训中的重要问题。

腰椎CT是腰椎疾病患者术前的常规检查，将薄层CT扫描数据导入后处理系统后可进行三维重建获得多平面CT图像，尽管三维CT可以全方位呈现解剖细节，提供丰富教学内容，但仍较为抽象，缺乏立体直观性，理解相对困难。3D打印将外科领域带到了一个先进的新水平，已应用到医学教育领域，取得了不错的教学效果[1-2]。3D打印技术主要是根据患者的CT资料，应用Mimics等专业软件进行图像处理，转化制作为3D图像，连接3D打印机可直接、精确地打印出与手术脊柱节段等比例的模型。3D打印的实物模型使抽象、难以理解的脊柱结构变得直观和可触及，使住院医生能更好的理解和识别腰椎解剖标志以及螺钉置入的安全通道和理想通道。更重要的是，目前使用的3D打印材料为聚乳酸，价格低廉，且经过20多年的发展，技术成熟，通过调整椎体外壁厚度以及椎体内腔的填充比例，可使制作的3D模型在置钉手感上更接近于真实椎体中皮质骨和松质骨的感觉[3]。住院医生可在3D模型上进行操作练习，边练习边体会置钉感觉。模拟置钉能够让住院医师牢记置钉步骤，使他们在安全的环境中获得关键技能，这将提升他们在实际手术中的置钉信心和置钉成功率，患者的安全性也随之提高。本研究显示以上培训方法实施后，在轮转结束时对住院医师进行测试，发现接受3D打印模型教学培训的住院医师对腰椎各种解剖标志以及螺钉置入通道等理论知识的理解更加深刻，更重要的是，他们可高效、准确的规划和置入螺钉，且不出现较大的偏差或失误，表明他们已掌握腰椎置钉技术。与采用传统教学方法相比，培训后的医师明显提高了学习效率，缩短了学习曲线。

综上所述，通过在住院医生腰椎置钉教学培训中增加3D打印模型，不仅提高了住院医师对腰椎解剖及置钉技术的认识和理解，更重要的是，他们在轮转期间更好地掌握了这项腰椎置钉技术。因此建议有条件的医院可以尝试应用该培训方式。