3D打印技术在脊柱外科手术教学和训练中的应用

赵 波，刘 颖，邱晓文，贺西京

西安交通大学医学部第二附属医院， 西安 710004

·数字医学·

3D打印技术在脊柱外科手术教学和训练中的应用

赵 波，刘 颖，邱晓文，贺西京

西安交通大学医学部第二附属医院， 西安 710004

脊柱疾病呈现出逐年上升的趋势，而脊柱外科青年医师的培训却还是依照旧的模式。西安交通大学医学部第二附属医院在引进3D打印机制作3D模型指导手术的前提下，更进一步运用3D打印等比例模型对青年医师的手术技巧进行训练。经过模型讲解、要点传授以及青年医师亲手在等比例模型上进行操作和分析得失，使其能够尽快掌握技术要领。结果显示,青年医师接受新的方法培训后，能够在1年内熟悉和精通脊柱全长的椎弓根螺钉的置入技巧。因此，将3D打印等比例模型运用于脊柱外科手术训练是切实可行且效果比较明显的训练方法。

3D打印；脊柱外科；手术训练

近年来，3D打印技术在医疗领域迅猛发展，各类3D打印机产品陆续进入医疗领域，涵盖塑料和金属等材料的打印。2013年5月，在北京召开的首届世界3D打印技术产业大会上，世界3D打印技术产业联盟的成立标志着3D打印技术真正开始尝试进行大规模应用。3D打印快速成型技术是以计算机三维设计模型为基础，通过软件将模型分解为打印机能够理解的三维坐标数据，利用激光束、热熔喷头等将金属粉末、陶瓷粉末、塑料甚至是细胞等材料逐层堆积粘结，直至成型[1]。

近年来，我国脊柱疾病发病率呈现逐年上升的趋势，多种椎体、椎间盘的疾病以及脊柱外伤都需要手术治疗。由于脊柱独特的解剖结构，脊柱外科在手术操作上要求更高的技术，因为一旦手术中有失误，就容易损伤患者脊髓，轻者造成瘫痪，重者(如颈髓损伤)可能危及生命;颈椎手术时损伤椎动脉可引起大出血[2]。所以，脊柱外科医师的手术技能训练就显得尤为重要，特别是各种螺钉的置入技术。

目前，脊柱外科手术技术的教学和青年医师的手术技能培训存在着很大的局限。过去只能是对着解剖图谱或者标本讲解各种手术技术，然后青年医师经过长时间的手术观摩后，在经验丰富的上级医师的指导下进行手术操作，比如脊柱后路手术的椎弓根螺钉置入。但是手术中医师要为患者负责，不可能频繁的让青年医师进行较为危险的手术操作，以免对患者造成损伤。因此，青年医师往往要经过长时间的观摩和逐步实践才能掌握相关手术技巧。西安交通大学医学部第二附属医院利用引进的3D打印机将患者的脊柱复制成塑料模型，让青年医师直接在模型上实施关键手术技能，以期缩短训练时间，使青年医师尽早掌握相关手术技巧。

1 资料

将脊柱外科青年医师以及进科实习的研究生作为培训对象，共收集受试者8例，同时对往年进科实习的研究生进行回顾访问，明确其掌握椎弓根螺钉置入方法的时间，对掌握时间和数据进行对比。

2 方法

2.1 等比例脊柱的3D打印

从储存的患者三维CT数据库中选择合适的脊柱样本，将DICOM格式的三维CT数据导入华森3D-ORTHO三维骨科手术规划系统软件(图1A)，选择合适的窗宽使脊柱所在区域高亮选中，让软件自动剔除软组织并进行重建，对重建得到的三维模型进行必要的修饰。将重建的三维模型导入3D打印编程软件Cura(图1 B)，生成三维行程坐标数据文件。利用聚乳酸材料(PLA)快速将模型打印成实体(图1 C)。

图1 A:使用华森3D-ORTHO三维骨科手术规划系统生成三维脊柱模型；B：使用Cura软件调整三维打印参数；C:利用3D打印机打印脊柱模型

2.2 利用模型进行手术操作训练

将3D打印模型固定于桌面上，第一次培训时采用统一授课的方式，由上级医师根据模型讲解各部位进钉点特点及辨认技巧、螺钉大小的选择以及进钉角度和螺钉进入的深度。讲解完成后，受训者从上方观察脊柱背面确定各椎弓根的进钉点，利用开口器在相应进钉点开口，使用锥子打开钉道，探子探明钉道各壁是否完整，然后旋入螺钉，安装钉棒系统(图2 A、B)。完成训练后，拆除固定棒，不拆除钉子，将模型脊柱沿螺钉方向剖开(图2 C)，观察钉道情况，供受训医师分析总结进钉位置、进钉角度及进钉深度是否存在问题。后续训练时，受训者可反复利用新的3D打印模型训练椎弓根螺钉的置入，并自行分析总结得失，下次培训根据分析结果改进操作技巧。模拟训练结束后，对受训者进行测试，模拟置入10枚螺钉，观察受训者螺钉置入的成功率。

图2 A：进行枢椎侧块螺钉的置入；B：寰枢椎侧块螺钉置入后；C:沿螺钉方向将椎体模型剖开

2.3 结合模型和真实病例训练

能够在模型上熟练置入椎弓根螺钉后，培训进入手术实际操作阶段。在这一阶段，先根据需要实施手术患者的三维CT资料，打印出患者需要实施手术脊柱节段的等比例模型，参与手术的青年医师先观察情况，并在等比例模型上进行模拟手术操作，由上级医师评价操作。模拟操作积累经验后，再在实际手术中，在上级医师的监督下进行手术操作，锻炼手术技能。

3 结果

以上培训方法实施后，模拟培训阶段，所有青年医师都在2～3个月内掌握了脊柱全长各椎体的椎弓根螺钉的进钉技巧，且在螺钉模拟置入测试中，受试者的一次置入成功率高达93.75%；经过6个月的模型模拟加实际手术操作后，接受培训的青年医师能够独立自主地进行椎弓根螺钉的置入，且不出现较大的失误，而以往采用传统方法培训的青年医师普遍需要2～3年的时间才能逐步进行独立的手术操作。

4 讨论

3D打印快速成型技术在近年来快速发展，并迅速进入医疗领域，国内外都出现了很多针对医疗领域的3D打印机产品，这一两年来国内各大医院也开始采用3D打印技术来制作各种骨折的定制模型来指导手术治疗[3]，更进一步的应用是根据患者的情况来定制钛合金的骨骼。国外已经有很多利用3D打印的假体来修补缺损骨组织和替换损伤的骨组织经验[4-6]。刘忠军等利用3D打印钛合金假体替代部分椎体。裴延军等实施了亚洲首例钛合金锁骨和肩胛骨植入[7]，植入后能够最大化的适应患者的解剖生理。而3D打印应用于教学也只是止步于运用3D打印技术来制作临床常见的复杂骨折模型，在实践课中对学生进行讲解时利用模型来使学生的理解更加深刻[8]。我们在此基础上更进一步，利用3D打印技术可以快速且个性化地定制脊柱等比例模型的优点，让青年医师亲手在模型上操作椎弓根螺钉的置入。使用的3D打印材料为聚乳酸(PLA)，这种材料价格低廉，且经过多次调整外壁厚度以及椎体内腔的填充比例，得到一组适当的打印参数，使得制作的等比例模型在操作者的手感更接近于皮质骨和松质骨的感觉。

脊柱外科手术的教学和训练一直是骨科教学的难点。脊柱的椎管中容纳着脊髓这一外周神经的中枢，这一解剖结构决定了脊柱外科手术需要更加娴熟的手术技巧和精细的操作，对于脊髓的损伤，轻则瘫痪，重则危及患者生命。而颈椎的后路手术在置入椎弓根螺钉时更要避免损伤椎动脉，以免引起大出血[2]。这些都决定了青年医师在手术中只能先通过长时间的观察上级医师的操作来积累经验，然后才能逐步开始实践操作，特别是椎弓根螺钉的置入，手术中只能凭借有限的解剖标志确定进钉点，凭经验去决定进钉角度和深度。虽然现在有术中X线可以观察螺钉是否正确置入，但是能够一次性成功置入会更加方便和减少手术时间。青年医师在术中观摩操作时由于视野问题不能很好地掌握高年资医师的技巧，而利用3D打印等比例脊柱模型来进行螺钉的置入演示，受

训医师能够更好地观察各种手术技巧。观摩后的亲手操作也能让青年医师更好地巩固观摩时所学习到的手术技巧，亲手操作后还能打开椎体观察钉道的情况，分析各椎体螺钉置入的得失，下次操作时能够吸取经验，调整置入手法。实际手术前根据患者三维CT数据打印的个体化模型进行模拟手术，能够让青年医师牢记手术步骤和技巧，并且增加实际手术中的自信心。

3D打印技术在脊柱外科手术培训中起到非常重要的作用，它的出现弥补了青年医师在早期不能实际操作的不足，聚乳酸材料低廉的价格也使得大量的训练成为可能，但是目前我们只能打印骨组织，而不能附着软组织来使模拟手术更加逼真，我们会在这方面继续探索，使得培训的效果进一步提高。

5 结论

3D打印快速成型技术对脊柱外科手术培训能够起到非常重要的促进作用，显著缩短青年医师的培训时间，增强青年医师在手术过程中的自信心。

[1]Bak D.Rapid prototyping or rapid production? 3D printing pro- cesses move industry towards the latter[J].Assembly Auto- mation,2003,23(4):340-345

[2]夏虹,刘景发.上颈椎手术的早期并发症[J].中华骨科杂志,2002,22(5):296-299

[3]周伟力,雷青,张先家,等.3D打印技术在髋臼骨折手术中的临床应用[J].医学临床研究,2014,31(6):1097-1103

[4]Bergmann C,Lindner M,Zhang W,et al.3D printing of bone substitute implants using calcium phosphate and bioactive glasses[J].J of the Euro Ceramic Soci,2010,30(12):2563-2567

[5]Gbreck U,Hǒlzel T,Klammert U,et al.Resorbable dicalcium phosphate bone substitutes prepared by 3D powder printing[J].Adv Functional Mate,2007,17(18):3940-3945

[6]Leukers B,Gülkan H,Irsen S,et al.Biocompatibility of cer- amic scaffolds for bone replacement made by 3D printing[J].Materialwissenschaft und Werkstofftechnik,2005,36(12):781-787

[7]裴延军,吴智钢.世界首例3D打印钛合金锁骨和肩胛骨植入手术在西京医院成功实施[J].中华创伤骨科杂志,2014,16(5):I0008-I0008

[8]姚志涛,阿地力·莫明.3D打印成型技术在新疆口腔颌面部创伤双语教学中的应用[J].继续医学教育,2014,28(9):107-110

Application of 3D printing technology in the teaching and training of spine surgery

ZhaoBo,LiuYing,QiuXiaowen,HeXijing

TheSecondAffiliatedHospitalofXi'anJiaotongUniversityHealthScienceCenter,Xi'an710004,China

Spinal disorders show an increasing trend in these years. However, the training of young doctors in spine surgery still follows the old pattern. On the basis of introducing 3D printer to make 3D model to guide operation, our hospital further used the 3D printing equal proportion model to train young doctors in surgical techniques. The training consists of explanation of the model, teaching of key points, and young trainees' operation on the equal proportion model and result analysis so as to help them grasp the key points as soon as possible. Results show that after the one-year training with the new method, the young doctors became familiar with and skillful in inserting pedicle screws in the full-length spine. Therefore, applying the 3D printing equal proportion model into spine surgery training is feasible with obvious effects.

3D printing; spine surgery; surgical training

2015-04-22

赵波(1979-)，男，陕西咸阳人，硕士，主治医师，主要研究方向：脊柱脊髓损伤。

贺西京(1958-)，男，河南安阳人，博士，教授，主任医师，博士研究生导师，主要研究方向：脊柱脊髓损伤。 电话：13892846285；E-mail:13892846285@163.com

G434

A

1004-5287(2015)05-0547-03

：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201505021