3D打印技术在骨科临床PBL教学中的应用

杜 恒，周晓玲，尹 思，张党峰，马 巍，白 斌

（西安交通大学 第一附属医院骨科，陕西 西安 710061）

以问题为基础的学习（Problem－based Learning，PBL）是以学生为中心，教师为引导，发展学生综合思维能力和解决问题能力的教学方法。由Barrow教授于1956年在加拿大的McMaster大学首先提出的一种全新的以学生为中心的教育方式。PBL已成为一种在国际上公认的教学模式［1－3］。该模式近十年来被引入我国高等院校教育，尤其在医学院校中被大力推崇［4－6］。

3D打印技术起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广。3D打印是基于材料累加概念和叠层制造方法，在计算机的控制下，根据物体的CAD模型或CT等数据，通过材料的精确堆积制造原形的一种基于离散、堆积成型原理的数字化成型新技术，可自动而迅速地将设计思想转化为物理试验模型或直接制造零件，这样就可以制造出外形与结构等同于原形的、具有复杂空间结构的模型。CT三维重建和快速成型技术的结合可制造出1∶1等大的、高度仿真患者伤情的模型已成为现实，目前已经在临床上得到了初步的应用［7］。

解剖学和运动医学知识对骨科专业疾病的诊断、治疗和手术操作极为重要。传统的骨科临床教学往往以教师为主体，学生为被动客体。大课由教师讲授基本知识和理论，小课由教师分析病例资料，学生缺乏主动性，知识和实践相脱节，教学效果不尽人意。作者运用3D打印技术，数字化真实再现患者的骨折或畸形，为PBL骨科临床教学提供直观的教学模型。学生通过3D打印模型能够更好的以医生的角度去进行完整的临床诊治过程，再现患者的受伤机制、临床典型症状、骨折的移位和粉碎程度，建立正确的临床诊断，制定治疗方案，模拟手术操作。将3D打印应用到骨科临床PBL教学中，发现学生在临床病例分析、学习的主动性、资料的收集以及对新知识的获取等方面表现都明显优于单纯接受传统教学的学生。

1 PBL骨科临床教学的设计和实施

1.1 病例的设计与选择

病例设计应该根据骨科教学大纲要求，选择能体现本专业特点的临床常见病、多发病。教学病例必须具有真实性和完整性。同时，病例的设计要有一定的复杂性和趣味性，通过学生激烈的讨论，充分的脑力震荡，得到预期的教学目的。病例中所涉及的问题是开放的，要圆满解决问题必须通过知识延伸、拓展、查阅辅助资料才能解决。同时所设计的问题要与医学前沿技术有联系，引导学生查阅英文原版教材和资料，了解本专业的新医疗新技术，有利于拓宽学生的视野，提高医学英语水平，激励学生的超前意识。结合骨科专业的特点，脊柱及四肢关节的解剖较为复杂，同时涉及运动医学和生物力学的相关知识。根据上述原则，选择关节周围复杂骨折、脊柱骨折和脊柱畸形的病例进行PBL教学。

1.2 3D打印模型的制备

PBL教学病例的设计和选择完成以后，为了使所选择的临床病例更具真实性，除了病例的资料（包括病人的一般情况、病史、体格检查和其它辅助检查）齐全、真实外，还应设计符合临床的真实场景，这样能激发学生求知的欲望，体会到疾病的发生、演变和诊疗过程。运用3D打印模型可以真实的展现病变的具体情况和严重程度，从而模拟患者的受伤场景和就诊情况。

3D打印模型的制备具体通过以下步骤完成：①获取PBL教学病例的薄层CT扫描数据；②采用区域剪切和滤波两种方法进行图像的二维预处理；③采用切片插值、图像分割和切片重组等方法进行图像三维预处理；④采用移动立方体法（Marching Cubes Algorithm，简称MC算法）来建立三维模型；⑤3D打印制作实体模型，基于材料累加概念和叠层制造方法，在计算机的控制下，根据物体的CAD模型或CT等数据，通过材料的精确堆积制造原形的一种基于离散、堆积成型原理的数字化成型新技术，可以制造出1∶1等大的、高度仿真患者伤情的模型［8］。

1.3 分组

授课按小组进行，每个小组7名学生。每小组推选一名责任心强、有较强组织能力的学生担任“主治医师”。小组教学，一方面是让学生彼此协调合作，收集资料，找出问题的症结，了解病情的演变；另一方面是在“主治医师”的带领下进行筛选检查项目、得出临床诊断、制定治疗方案、实施手术操作等临床治疗工作。通过小组学习可以调动学生学习的积极性，促进学生由被动学习向主动学习转变，强化团队协作意识。

1.4 运用3D打印的PBL教学的实施

按照教学进度的安排，教师将病例资料提前一周通过网络发给“主治医师”，由他组织学员进行课前的相关知识准备。在课堂上，由“主治医师”组织组员进行讨论学习，最后由教师点评。教师可根据3D模型情况结合骨科病例资料准备以下问题：

①患者的受伤机制是什么？暴力的传导方向和性质是什么？

②患者的临床症状有哪些？有无特异性的表现？

③骨折的类型是什么？国际分型？

④受伤部位重要血管和神经的位置，如何诊断有无损伤？手术切口的设计和术中如何保护？

⑤根据3D模型，骨折的畸形如何修复？如何恢复生物力学的稳定？

⑥根据3D模型，如何选择固定方式？内固定还是外固定？内固定放置的合理部位在哪里？

⑦如何在3D模型上模拟手术步骤？如何防范术中出现的意外情况？

⑧脊柱畸形的分型？如何在3D模型上测量椎体的矫形角度，椎弓根螺钉的固定方式，如何恢复脊柱的稳定性？

⑨3D模型的局限性如何克服？

1.5 教师的引导和总结

在学生的讨论结束以后，教师要观察学生对病例是否感兴趣，讨论是否激烈，提出哪些预想不到的问题，得出哪些预想不到的结论，反应了哪些问题。将所收集到的信息进行分析总结后，对病例讨论过程中存在的问题进行一定的导向作用，并结合临床病例和解剖学相关知识进行全面与系统的总结。在PBL教学中发现，学生在“角色改变”后，更加积极主动的思考问题，能够主动发现解剖学、生物力学等知识对临床工作的重要意义，从而激发学生对骨科基础知识的学习兴趣。

2 运用3D打印的PBL教学的优点和不足

2.1 巧妙地将解剖知识和临床相结合

局部解剖是骨外科临床学习的最基本知识点，也是学习过程中的难点。这是因为脊柱及四肢骨骼数量众多，还有包绕其周围的肌肉、血管和神经。如果机械的记忆一些解剖标志，往往是枯燥无味的，学习效果不佳。通过3D打印模型，学生可以根据课前已掌握的医学知识，去推理疾患的起因、症状和体征，进而尝试利用己有的医学知识对骨外科专科疾病诊断提出治疗方案，而这种认识的过程加深了学生对解剖结构特殊性的本质理解。例如，骨折在大课中己经学习，学生都停留在书本上的描述，没有感性认识。结合3D模型的PBL教学方式，可以使学生直观地学习解剖结构，使学生能更好的从病例资料中模拟出患者当时受伤的场景。从解剖结构联系到生物力学特性，从单一的骨折联系到系统的诊断和治疗，从而推断出骨折的好发部位、力学特性、临床症状、以及出现的并发症，进而根据骨折的国际分型得出临床诊断，制定治疗方案，设计手术方案。在拓展病例的时候，教师可以设置一些问题，提示病例中涵盖的知识，进一步使与骨科相关的知识在学生的脑海里激荡。例如：“股骨颈骨折和股骨转子间骨折的部位非常接近，但治疗方法为何不同？同时股骨转之间骨折为什么固定方式不同？”。在总结评价的时候，教师可以借助3D模型告诉学生为什么让大家掌握这些骨科基础知识，它对临床工作有什么指导意义。通过这种教学方式，使与骨科相关的知识在学生的脑海里不断的激荡，很大程度地满足了学生对骨科临床学的求知欲，极大地调动了学习的积极性、主观能动性，从而达到很好的教学效果。

2.2 培养学生的临床思维能力和激励创新能力

3D打印模型可以激励学生的创新能力。PBL教学所涉及的问题是开放的，所设计的问题与医学前沿技术有联系，引导学生查阅英文原版教材和资料，了解骨科的新医疗新技术。通过讨论学习，学生提出临床解决问题的方法，但方法是否正确？是否具有创新性？可以通过3D打印模型模拟手术操作来实现。3D模型让学生从切口设计、选择手术入路、模拟合适的内固定器械和安装方法等方面发挥他们的创新潜能。

2.3 运用3D打印模型的PBL教学的不足

PBL是一种以临床问题来激发学生创新思维并引导学生主动把握学习内容的教学模式。在引入早期存在一些问题，包括：①教室、设施、教师不足等问题，需要耗费大量资金；②小班教学法及PBL授课方式增加教师的工作负担；③PBL教育方式与传统的教育方式发生冲突［9］。但通过不断的探索和“本土化”改革，这些问题已经解决。

经过近年来我校临床医学专业八年制的PBL教学的实施，我们发现PBL教学的缺陷是整个病例讨论过程中没有学生和患者之间的感性接触，与现实的临床诊疗过程不相符合。PBL教学法实施中的核心内容是典型病例讨论，所提供的案例都是事先设计好的，整个讨论过程病人缺席，学生不能和病人亲自接触进行交流，不能补充病史，不能体会病人的病痛，不能亲自查体，讨论只能建立在书面上，不能将理论知识和临床病人的表现很好地结合起来。

3D打印模型虽然在一定程度上弥补了学生对骨科疾病的感性认识，但3D打印的实物模型仍存在以下不足。首先，3D打印技术在临床上的应用尚处于初级阶段，需要不断地完善其技术；其次，3D打印模型无软组织附着，不能完全真实的再现肌肉、血管和神经的走形和分布；再次，3D打印模型模拟手术的截骨及内固定物植入操作与实际人体内的操作过程的逼真性可能达不到理想状态。

学生结束基础课的学习进入临床学习阶段，临床思维能力的培养是临床教学的重中之重。教师在传授知识时，应将临床诊治思维的培养融入到整个教学过程中。在PBL教学开始之前，教师可以设置一些有骨科特色性的病例讨论，培养学生通过病史和体征来判断疾病的初步诊断和开立必要的检验和检查、通过已取得的医学资料确定诊断或补充检查、通过诊断来制定治疗方案，制定手术方案和模拟操作的临床思维模式。例如，设置一个合并软组织损伤的复杂骨折的临床场景，教师设计一系列问题：①局部软组织损伤时的手术时机？②如何设计手术切口，避免加重软组织的损伤又可以避开重要的血管和神经？③内固定钢板如何安置才能将粉碎的骨块固定牢固，同时又符合生物力学原则？通过临床情景的起伏和波折和开放式问题的提示，学生能体会到疾病的演变和诊疗过程的真实性，展开热烈讨论，阐述不同的理解和观点，从而有利于学生的临床思维能力的形成和强化。

3 结语

医学教育只有不断创新、与时俱进才能保持旺盛的生命力。PBL教学模式以其明确的目标性、充分的自主性、突出的实践性、深刻的启发性、强烈的综合性、及时的评价性和密切的合作性深深吸引了学生和教师［10］。针对新世纪对医疗人才培养的新要求，我们必须改变传统的“填鸭式”教学方法，尽可能多地采用PBL教学模式，真正做到以学生为中心，在师生双向互动中完成教学任务。

将3D打印引入骨科PBL教学中，不仅弥补了PBL教学的一些不足之处，而且有效地提高了学生学习骨科知识的兴趣，激发学习积极性和主动性，提高了学生的逻辑思维能力和分析解决问题的能力，值得进一步的完善和推广。

［1］Barrows HS.A taxonomy of problem－based learning methods［J］.Medical Education，1986（20）：481－486.

［2］Davis S.What is PBL and what is case－based learning and how do they differ？［J］.Md Med，2012，13（1）：19－20.

［3］Preeti B，Ashish A，Shriram G.Problem Based Learning（PBL）－An Effective Approach to Improve Learning Outcomes in Medical Teaching［J］.J Clin Diagn Res，2013，7（12）：2896－2897.

［4］侯振江，王 娇，祁秀玲.PBL教学模式在我国医学教育应用中的现状分析 ［J］.医学信息，2010，23（1）：23－24.

［5］李 雁，张蕴璟，马鸿基，等.临床医学八年制PBL课程教务运行模式与质量评价体系的构建与应用［J］.西北医学教育，2014，22（1）：146－148.

［6］黄春锋，杨素清，林慧芳，等.标准化病人在临床教学中的发展回顾与展望［J］.西北医学教育，2014，22（4）：775－778.

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［9］李加桩，郑红艳，宋汉君，等.PBL教学“三步走”改革模式的探索性研究［J］.中国医学高等教育，2013（9）：98－99.

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