运用3D打印提高住培生骨科手术技能的研究——以复杂骨折手术方案制定教学研究为例

管华清，张志刚，杨惠林，姜为民

（苏州大学附属第一医院 骨科，江苏 苏州 215006）

引言

创伤骨科读片基础上的复杂骨折治疗方案制定是住院医师规范化培训（以下简称住培）的弱项。只有真正理解骨折的形态学改变，才能制定适合的保守治疗或者手术治疗方案，进而促进医学生向临床医生转变。提高创伤骨科复杂骨折手术方案的制定能力对我国骨科住培而言非常重要。3D打印是热门前沿科技之一，被众多科学家和经济学家称为“人类第三次工业革命的标志之一”。依托苏州大学附属第一医院国家级示范性住院医师规范化培训基地的教学设备，在既往教学研究的基础上［1］，通过本研究，结合传统二维（Two Dimension,2D）医学影像，将3D打印技术与骨科临床有机结合，探索住培教育中提高学生复杂骨折手术方案制定能力的解决方案。

一、资料与方法

参照SHI Jian、HUANG ZF 等人的教学经验［2-3］，按照Kim等人的模型制作方法［4］，我们选取经典的复杂骨折——复杂髋臼骨折进行研究。结合《住院医师规范化培训内容与标准（试行）》和苏州大学8年制临床医学教学大纲，我们在苏州大学附属第一医院影像数据库中调取了2016年1月至2021年12月在我院接受手术治疗且影像资料完整的复杂髋臼骨折病例10例，提取患者手术前的Dicom格式64排螺旋CT薄层平扫图像，依托苏州大学骨科研究所的Solido SD300快速成型机等相关技术设备，图像修饰完善后打印制作1∶1等大的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride,PVC）3D立体模型。Solido SD300快速成型机通过将PVC工程塑料薄膜的切割和叠加，9小时左右可以将1∶1等大髋臼骨折模型快速成型。

髋臼骨折模型完成后，召开住培生疑难病例讨论会。在会上观看髋臼骨折术前影像资料（包括髋关节正位片、左右45°斜位片、髋关节CT平扫图片、冠状面和矢状面重建片、三维立体重建），通过参照骨折线3D走向，讨论骨折类型和治疗方案；在确定手术治疗的前提下讨论手术入路的制定；采用可塑性钢板或无害超轻黏土制成骨科内固定（钢板、螺钉）器械，模拟手术内固定操作；参考病例手术后的影像资料，与之前讨论的手术方案相比较，讨论手术方案的优劣；等等，考查住培生对复杂骨折的骨折线3D走向、手术入路选择、内固定摆放位置等方面的理解。

二、结果

在《骨盆和髋臼骨折》章节的教学中结合3D骨折模型的教学方式，激发了住培生浓厚的学习兴趣。住培生在仔细研究骨折模型的骨折线3D走向后，可以较为快速地掌握髋臼Judet-Letournel髋臼骨折分型。这种分型将髋臼骨折分为简单骨折和复杂骨折两大类10种骨折。由于髋臼解剖结构的复杂性，髂骨翼至闭孔环不在同一平面，并且两者之间在存在一定的空间角度，既往为了完整直观地显示髋臼骨折的全貌，需同时拍摄骨盆正位、髂骨斜位和闭孔斜位X线片、CT平扫+重建来全面分析髋臼骨折的类型。在有限的骨科住培期间，通过X线片、CT来掌握如此复杂的骨折是不少住培生的学习难点。参照3D模型可快速理清教学难点，学生反映良好。

参照3D模型，住培生能够做出较为明了的手术入路选择。我们将患者术前的患侧髋臼打印制作1∶1等大的PVC三维立体模型。结合立体模型，讨论手术入路的选择，讲述选择S-P（Smith-Petersen）前入路、K-L（Kocher-Langenbeck）后入路、前后联合入路、髂腹股沟入路、（改良）Stoppa入路的手术方法［4］。其中S-P入路是一种前路的手术方法，可以经过肌肉血管神经间隙进行髋臼前中柱损伤的治疗，一定要避免髂血管及股神经的损伤；K-L入路是一种后路的手术，主要涉及髋臼的后柱的损伤，这种情况一定要避免坐骨神经的损伤；前后联合入路主要涉及前中后柱的损伤；髂腹股沟入路是Letournel和Judet于1993年首次报道的用于治疗大部分髋臼前柱骨折的方法，该入路可暴露整个髂窝内侧面和骶髂关节至耻骨联合间骨盆前缘，包括间接暴露四方区；（改良）Stoppa入路是Cole和Bolhofner于1994年报道的切开复位内固定治疗髋臼前柱骨折的另一种方法，术中手术医生站于对侧即可直视骨盆前柱。通过3D模型，可以更加生动地了解各个手术入路的适应症和各自的优劣，结合患者手术后的影像资料，讨论各种手术方案的优劣。

参照3D模型，可以显著加深学生对内固定摆放位置等方面的理解。我们采用可塑性钢板或者无害超轻黏土塑形后模拟骨科内固定（钢板、螺钉）器械，对照病例的手术前后影像资料，模拟内固定手术操作，加深住培医师对骨科临床治疗方案的理解。最后参考病例手术后的影像资料，与之前讨论的手术方案相比较，讨论手术方案的优劣。

三、讨论

骨科是一门实践性和专业性均较强的学科，骨科的基本技能是读片，只有读懂了片子，才能制定合理的治疗方案。如何通过时间有限的住培学习，提高住培医师的骨科读片能力尤为重要。骨科读片能力一直是住培医师的弱项，人体骨骼解剖形态复杂，复杂骨折的形态往往难于理解，而骨折形态分析对于疾病的诊断和治疗至关重要。让参加住培的住院医师记住骨科条条框框的理论相对容易，而切实提高他们的骨科读片能力就困难得多了。只有真正读懂骨折影像片子，才能切实理解骨折疾病。提高骨科读片能力对于我国骨科的住培而言，具有重要意义。

适当地了解骨折的形态，特别是复杂的骨骼结构，是一个基本的教育组成部分［5］。骨骼解剖结构的一些复杂部分，如髋臼和骨盆，如果学生仅学习2D图像，很难充分理解相对骨折的形态特征，在他们的头脑中创建3D概念非常困难。医学院的人体标本稀少，通常是正常类型的无骨折标本；同样，可以大规模生产的传统人体模型也是形态正常，没有骨折的普通模型。3D打印正好是解决这些问题的一个方案，它能够快速建立特定并且高度精确的3D骨折模型。因此，3D打印在骨科相关的教育和培训方面具有特殊优势。由Huang［3］等人进行的多中心研究中，作者比较了普通模型、虚拟现实（Virtual Reality,VR）模型和3D模型的教学效果。客观结果表明，3D模型和VR模型在许多方面都优于普通模型。而3D模型是这三种模型中的最佳选择。调查结果显示，学生对3D打印和VR模型的学习兴趣更高。因此，3D打印模型被认为是了解髋臼骨折较有价值的学习材料。VR在可视化方面与3D打印相似，但在可触摸性方面却没有3D打印的特点，这可能是导致两种方法之间差异的原因。在主观测试中，3D打印模型被认为是非常有价值和令人愉快的学习工具。先进的技术和新方法对学生更有吸引力。这种吸引力可以转化为对教育资源的喜爱。由于没有明显的骨折表现，普通骨骼解剖模型在“骨折表现良好”和“骨折学习的有用性”方面得分较低。3D打印模型可以弥补这一缺陷。

3D打印模型的优点在于能够增强对解剖标志和骨折线之间的空间关系的理解，不仅可以看到三维骨折形态，还可以感受真实的骨折触觉反馈。据Pahuta等人的理论［6］，骨折解剖有四个关键点：通过视觉识别骨骼表面标记、通过触摸识别骨骼标志、理解骨折的关系、将空间关系转化为患者的体位。髋臼骨折的传统教育通常需要结合教科书和完整的骨盆模型，这可以提供骨折形态的2D视觉和非骨折情况下的触觉反馈。在教学和真正的骨折之间存在着明显差距，特别是在学习复杂的骨骼结构方面。三维骨折形态和真实骨折的触觉反馈提供的信息可以缩小这一差距。3D打印技术可以从CT扫描中精确地重建立体物体，是一种很有前途的实现这一目标的方法。在我们看来，理想的解剖学教育遵循这样一个过程：从视觉到触摸，从平面到立体，从完整骨骼模型到骨折骨骼模型。

Li等人也进行了类似的研究［7］，他们采用主观和客观评价方法，比较了CT、3D图像、3D模型的教学内容。采用主客观评价方法，比较CT、3D图像、3D模型的教学效果。评估的两个方面都表明，3D图像、3D模型都是更好的选择。有趣的是，虽然3D图像组和3D模型组的客观结果没有差异，但在3D图像组中，男性接受教学的效果优于女性，而在3D模型组中没有出现。除了表明男性在空间意识方面可能优于女性外，这一结果提醒我们，3D模型更适合教学，可以尽可能地提高男性和女性的课堂表现。学员还可以参照Wright等人的方法［8］，使用3D打印模型进行模拟手术。

当然，每个3D打印模型的打印费用是一笔不小的开支，这具体取决于打印部位的大小。目前医保不覆盖骨模型的打印费用，这需要来自我们的研究基金或教育经费。3D打印的有效性，证明3D打印技术的广阔发展前景。进一步降低3D打印机的价格、提高打印速度，将有助于扩展3D模型在骨科中的应用。3D打印的骨折模型便于保存，可以反复用于住培教学，长期使用将会节约教学开支，减少不必要的浪费［2］。同时，3D打印的骨折模型干净卫生，便于清洁消毒，减少了教学过程中传播疾病的风险。