3D打印技术在骨科创伤疾病教学中的应用进展

何彬 刘豪 赵金秋

运动系统解剖学比较复杂，创伤骨折类型多样化，但是医学生普遍存在运动系统三维空间结构转换的障碍，对局部骨骼肌解剖结构理解不深刻，记忆不牢固，学习较困难[1-2]。因此，创伤疾病一直是骨科教学的重点和难点[3-4]。3D 打印根据影像学资料精准地打印出三维实体模型，尤其对于个体化的创伤病例进行真实的还原和呈现，使得医学生能够直接观察三维立体结构[5-6]。鉴于创伤骨科疾病的专科化和复杂化，文章将系统阐述3D 打印技术的发展和优势、及其应用于创伤骨科疾病（骨盆骨折、髋臼骨折和关节周围骨折）的进展与存在的问题，以提高3D 打印技术在创伤骨科教学中的应用价值。

1 3D 打印技术发展及优势

3D 打印基于离散-堆积原理，将数字三维模型分层切割为二维横截面，并利用金属、塑料和陶瓷等材料进行逐层叠加，以期高效、精准和个性化地制备三维实物模型，被视为推动新一轮工业革命的核心[7]。它的优势主要在于快速成型、高设计自由度和可定制性；3D 打印技术已广泛应用于医学领域，包括肿瘤切除、创伤修复和脊柱外科的术前诊断、手术设计和医患沟通，尤其在临床教学中显示出重要应用价值[8-9]。

3D 打印技术是一种采用计算机控制，以物体计算机辅助设计（computer-aided design，CAD）和计算机断层扫描（computed tomography，CT）等数字资料为基础，通过精准堆积和逐层打印方式构造物体的技术，可制造出与原型一致的模型；3D 打印模型能等比例还原运动系统三维空间结构以及高度仿真创伤模型，有利于学生直观地观察和理解解剖结构[10-11]。一项随机对照研究共纳入60名学生，分为3D 打印教学组和传统教学组，比较2 组学生的教学成绩；结果显示3D 打印教学组更能提高学生的自我认知能力、动作操作能力和出科考试成绩，有利于教学工作顺利完成[12]。由于创伤骨科疾病在解剖、生物力学和致病机制方面具有特殊性、多样性和复杂性，疾病诊断及治疗复杂，因此临床教学的难度也明显加大；随着个体化、精准化治疗及医学数字化技术的发展，3D 打印技术用于创伤骨科教学显示出极具吸引力的应用价值[13-14]。

3D 打印技术应用于医学生教学的优势在于：（1）便于观察、认知和记忆骨科复杂解剖结构，并加深对相关疾病的理解；（2）学习效率提高，有利于巩固基础理论知识；（3）加深学生对骨折受伤机制和生物力学特性的理解程度，从三维空间结构联系到系统化诊断与治疗，准确判断骨折类型、临床表现特征和并发症情况；（4）依照骨折分型制定合理的手术治疗方案，模拟骨科手术入路和操作，提高学生的手术能力；（5）积极调动学生学习热情和增强学习信心，更好地学习和理解复杂创伤骨科疾病[15-17]。

2 3D 打印技术在创伤骨科教学中的应用

2.1 骨盆骨折

随着交通事故和建筑工伤等意外事故的增加，高能量损伤致骨盆骨折的发生率显著增高，骨盆骨折受伤机制复杂，分类方法繁多[18]。传统的骨盆骨折教学多采用尸体标本、正常结构的教学模型及骨折的术中讲解等形式，但受限于标本来源稀缺、正常模型无法客观展示骨折类型、缺乏直观观察以及无法模拟手术操作步骤，而3D 打印模型是重要的解决途径[19]。3D 打印骨折模型可直观展现骨盆结构和骨折类型，有利于推测骨折手术机制及可能的血管神经并发症情况，为手术做好充分的术前规划[20]。该技术能增强医学生对骨盆疾病的认识，取得满意的教学效果。近期有研究比较了3D 打印辅助教学和常规教学在骨盆骨折教学中的效果，纳入了76 名学生，评价骨盆骨折分型的正确率和教学效果，研究结果明确3 D打印辅助教学在诊断准确率及教学效果方面均优于常规教学组[21]。

2.2 髋臼骨折

髋臼骨折的解剖结构非常复杂，医学生很难认知三维空间结构，尤其难以确定手术入路、规划手术操作和识别需要规避的重要血管神经结构。根据髋臼骨折的双柱理论，3D 打印髋臼模型并涂画不同颜色，有利于医学生学习髋臼骨折类型，能帮助其更直观地学习髋臼骨折解剖、骨折线走形、骨折分类及骨折块分布、受伤机制推断，教学效果优于人体物理模型和虚拟现实技术[22]。研究报道显示3D 打印模型提高医学生对髋臼骨折类型诊断的准确性，同时有利于增加学生的学习积极性[23]。

2.3 关节周围骨折

复杂的关节周围骨折是骨科教学的难点之一。人体股骨、胫骨髁部形态不规则，腘窝解剖复杂，并包含血管、神经和肌腱结构[24]。关节内及关节周围骨折是由较大的外界暴力引起，受伤机制复杂。严重的粉碎骨折失去正常的形态和解剖标识，临床教学难度加大；掌握关节处的解剖、骨折分型和受伤机制是诊疗的关键因素。传统教学中，学生通过尸体解剖和医学图谱学习解剖结构，因为捐献尸体来源受限，动手操作机会少；解剖图谱多为二维平面图片，缺乏空间细节和三维立体结构；CT 三维重建可呈现立体的结构，但无法提供触觉反馈。有研究招募了60 名学生学习关节周围骨折疾病（股骨髁和胫骨平台骨折），随机分为3D 打印教学组和单纯常规教学组，结果显示3D 打印教学组的学习质量更高、理论考核分数上更有优势[25]。

踝关节骨折在骨科疾病中非常常见，采用经典的朗汉氏（Lauge-Hansen）分型，包括旋后外旋型、旋后内收型、旋前外旋型和旋前外展型。研究发现3D 打印技术在复杂足踝骨折教学中具有重要应用潜力[15]。有研究应用3D 打印模型辅助踝关节骨折 Lauge-Hansen 分型的教学，学生的教学满意度更高、学习信心和积极性明显提高[16]。在跟骨骨折方面，学生难以通过影像学资料透彻理解和记忆，教学主要依靠影像学的几何形态，对学生的空间理解能力要求极高；3D 打印模型有利于学生理解和评估跟骨骨折形态，推测受伤机制和制定合理的手术方案，提高学生学习跟骨骨折的自信和效率[15]。此外，3D 打印模型有利于讲授和模拟足踝骨折复位的入路和步骤、内固定的选择和安置等手术步骤；充分合理的术前规划将大大缩短手术时间、减少创伤和出血、降低费用和促进患者的快速康复[26]。

案例教学法（case-based learning，CBL）是通过讲解真实的临床案例，将理论知识穿插到案例中并促进讨论学习，旨在结合理论知识和临床诊治，使学习过程更生动具体，实用性强[27-28]；其已广泛应用于骨外科教学，可激发学生学习主动性，以问题为导线，引导学生采用探索式学习方法掌握骨科学知识，提高了学习积极性和训练临床思维能力[29-30]。足踝骨折的解剖复杂、损伤机制多变，骨折类型多样化，所以单独将CBL 应用于足踝疾病的教学效果仍然欠佳。为探索3D 打印技术与CBL 教学方式相结合对足踝教学的影响，有研究纳入五年制临床医学专业60 名学生，随机分为试验组（3D 打印技术结合CBL 教学模式）和对照组（CBL 教学模式），比较2 组足踝外科的学习效果，包括基础知识、发现问题和解决问题方案运用评分，3D 打印技术辅助的教学模式更能提高学生的学习成绩、学习乐趣、课堂专注度、临床技能和解决问题的能力，研究提示3D 打印技术辅助的教学模式在足踝外科教学中更具有优越性[3]。

3 3D 打印技术应用所存在的问题

3D 打印技术在创伤骨科疾病教学中具有重要应用前景，但仍存在诸多问题：（1）创伤骨科疾病涉及骨骼、肌肉、血管和神经等多种解剖结构，目前3D 教学模型主要集中在骨骼模型，缺乏多种结构同时打印的教学模型，打印机技术精度需进一步提高；（2）3D 打印模型较坚固，与新鲜组织的质地和硬度不完全匹配，所以在进行模拟手术时，器械和手感的力度和精细程度与实际手术有一定的差异；（3）3D 打印耗时较长，需花费数小时，额外费用较高[23-25]。

4 总结及展望

3D 打印技术在创伤骨科疾病教学中极具应用前景。随着科学技术的飞速发展，3D 打印技术有望制造出与患者完全匹配的全仿真器官，为医生提供观察、理解、手术规划和预演的机会；3D 打印技术的前沿方向是研究如何打印“活”的人体器官，即理想的生物材料、人体细胞及调控因子等所构成复杂的网络调控机体，制造出具有相应功能的器官，这需要生物、医学和计算机等多学科的交叉研究发展。