3D打印技术及典型病例数据库在骨科教学中的应用

李　萌，邱裕生，马　兴，杨益民，张　智

西安交通大学第一附属医院骨科， 西安　710061



3D打印技术及典型病例数据库在骨科教学中的应用

李萌，邱裕生，马兴，杨益民，张智

西安交通大学第一附属医院骨科， 西安710061

【摘要】：目的探讨3D打印技术及典型病例数据库在五年制骨科临床教学中的应用和效果。方法按照教学大纲要求筛选合适的骨关节创伤病例，收集临床资料及X-ray、CT等影像资料建立数据库，应用数据库资料及3D打印实物实施教学，与传统教学方法比较授课效果。结果采用3D打印技术及典型病例数据库加深了学生对骨关节创伤知识的理解，有效提高了学习成绩。结论3D打印技术及典型病例数据库的建立，丰富了骨关节损伤的临床教学资源，并使之标准化，能有效提高教学效果，特别有助于学生临床技能的培养和胜任力的提升。

【关键词】：3D打印技术；病例数据库；骨科；教学应用

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201601026

随着临床医学教育的发展和高素质医学人才的需求，越来越强调医学生临床技能的培养和胜任力的提升。由于外科的保护性医疗原则以及无菌要求，学生难以习得直接经验，这在临床表现非常复杂的骨关节创伤教学中尤其突出，学生常常反映在有限的学时内难以完全掌握骨关节创伤应知应会的内容。为了改变这种现状，在西安交通大学教学改革与研究项目资助下，我们探索3D打印技术及典型病例数据库在五年制外科临床教学中的应用，与传统教学方法比较授课效果明显提高，学生反响良好，现介绍如下。

1对象与方法

1.1教学对象及师资水平

选取2014学年在西安交通大学第一附属医院骨科进行临床见习的五年制本科临床医学专业学生106名，按班级随机分为传统教学组(n=50)和教改立项组(n=56)。两组学生授课教师均为高年资讲师。

1.2典型病例数据库的建立

根据教学大纲要求，结合临床教学实际，确定病例数据库需要囊括的主要疾病。在临床诊治及教学实践中选取典型临床病例，由主治医师以上的富有临床带教经验的教师撰写病例采集提纲，着重描写问诊、查体这两项内容[1]。实习医学生在高年资带教教师的带领下，按照问诊及查体提纲，进行病史采集和体格检查，形成详实的文字记录。对于有典型意义的临床体征(如方肩畸形)，在患者知情同意的情况下，留取照片资料，对于“反常活动”等阳性体征可以采用录像的方法予以保存，以便于更形象、直观地展现给学生。图片在重现视觉形象时停留的时间长度可任意控制，且文件存储所占空间较少，采集难度小。而录像既可提供听觉形象，亦可提供静止的视觉形象，还能提供运动状态的视觉形象功能。由指定的助教协助收集典型病例入院诊疗的过程，扫描影像学资料、生化检查结果，记录手术等重要治疗经过，必要时在患者知情同意的情况下，采集视频资料。在该院做的影像检查，如X-ray、CT、MR、超声、骨显像等，可以通过PACS系统直接保存图片文件，统一在医院信息中心拷贝。相关资料采集时，应及时标注文字说明，与图像、文件一起保存，便于编辑时识别、分类和准确应用。在资料采集过程中要求如实、简明、有重点，能准确地反映病例的病情经过，杜绝为增加病史细节而肆意编造。

1.3使用3D打印技术制作教具

纳入典型病例数据库的病例在西安交通大学第一附属医院影像科CT室行256排薄层CT扫描，扫描体位仰面平卧位，扫描范围包括完整的病损区域及邻近关节。在CT工作站采用刻录光盘的方式导出数据。采用区域剪切和滤波两种方法进行图像的二维预处理，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，采用移动立方体法建立模型。利用表面显示，通过计算三维物体的表面法向量来显示三维模型。通过照明、浓淡处理、纹理映射等图形学技术来显示有真实感的图像，并突出特定信息。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CT数据，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，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。

1.4教学方法及效果评价

传统教学组采用小课讲授的方式，由教师主导，按知识点逐一讲解。教改立项组充分发挥学生的主观作用，以典型病例为索引，突出临床思维的培养和实际操作能力的提升。

教改立项组由带教教师和教学组长根据教学计划确定病种，在典型病例数据库中检索出该病种典型病例，检查并再次评估病例的完整性。课前一周集体备课，决定是否制作病损仿真3D打印模型教具，提炼出主要学习目标2～3个，以及次要学习目标2～3个，设计3～5个提示问题引导学生围绕既定学习目标展开讨论。授课时首先给学生展示该病例患者的病史，由学生总结出体格检查要点，然后结合该患者体格检查的视频资料给出阳性体征。由学生提出必要的辅助检查项目，并予以重要性排序，逐步给出该患者影像学检查结果以及各项化验结果，供学生讨论。教师进行适时点评，进一步阐明问题核心和内在联系，并完善总结。制作骨折部位仿真3D打印模型教具的病例，学生能直观地根据模型的形态和位置，了解患者病损的全貌，明确损伤的类型，进一步加深对影像学资料的理解，提升阅片能力[2]。结合解剖学知识，然后通过测量，选择合适的手术入路，通过三维模型在术前预选内固定材料种类并重建其外形，选择适宜的进针点与进针方向。模型具有相当的强度，可以对其进行模拟手术操作，这样将大大提高医学生的学习兴趣，有效提高实际操作能力。课程结束后进行回馈总结，回顾主要学习目标，讨论梳理出该类疾病的诊疗流程和思路，师生共同评价病例的优缺点，并打分决定在下一年级教学中是否继续使用。

通过对传统教学组和教改立项组的理论考核、临床技能操作考核、综合考核等方式进行评价。考核试卷为本研究专用，题型为单项选择题结合多项选择题，经教学组长审核通过。根据课后回馈信息，进一步改进各环节的流程，使得外科临床教学的仿真度更高，教学效果更优，学生的实际动手操作能力更强，提高学生满意度。

1.5统计方法

2结果

分析传统教学组和教改立项组两组学生在年龄、性别、基础课平均成绩等方面差异无统计学意义(P>0.05)。

教改立项组学生理论考核成绩、临床技能操作考核成绩、综合成绩均优于传统教学组，两组比较差异有统计学意义(P<0.05)。教改立项组学生的理论考核成绩为(81.2±8.9)，传统教学组为(70.4±10.9)；教改立项组学生的操作考核成绩为(91.0±10.1)，传统教学组为(76.2±8.2)；教改立项组学生的综合成绩为(86.3±9.8)，传统教学组为(73.5±9.1)如表1所示。

表1　不同教学模式成绩比较

3讨论

3.1传统教学方法的弊端

目前，西安交通大学第一附属医院针对八年制学生开设了“临床医学问题导向学习整合课程”，也就是基于问题的学习(problem-based learning，PBL)[3]，但是对于五年制学生，目前还是采用传统教学方式和小课方式，由教师制定详细的授课计划，严格按照课程纲要，系统地按知识点逐一讲授。这种教学方法具有完整的系统构架，教授速度较快，但多是单向输送知识，没有很好的师生互动，无法充分调动学生的主观能动性，特别是对临床诊疗思维、动手操作能力等医学生最重要的执业能力培养存在明显不足。由于外科的保护性医疗原则以及无菌要求，学生难以习得直接经验，这在临床表现非常复杂的骨关节创伤教学中尤其突出，学生常常反映在有限的学时内难以完全掌握骨关节创伤应知应会的内容。五年制本科生临床见习、实习的时间有限，并且时间相对固定，由于骨关节损伤等一些外科疾病的流行病学特点常常导致在课程讲授时段没有典型教学病例的情况发生。

3.2典型病例数据库在五年制外科教学中应用的启示

典型病例数据库的教学理念是以病例为中心的临床教学方法(case-based learning，CBL)，教师扮演引导的角色，充分发挥学生主动性，着力培养学生正确的临床诊疗思维[4]。五年制学生见习、实习时间相对固定，在该时间内的住院患者中很可能没有教学计划要求的病种，典型病例数据库的建立很好地克服了这一弊端，使得教师可以依据教学大纲的安排在典型病例数据库中抽取合适病例，课前充分备课，甚至可以提前将病史信息告知学生并鼓励学生展开讨论，检索文献资料，有效提高授课效率和授课质量。采用音频、视频等资料展现患者的病史以及体格检查的情况，可以使学生身临其境的感知、获取临床信息；还可以通过对比，寻找、发现其在病史采集中出现的遗漏，体格检查中出现的不规范手法。发现这些问题，可以通过复习诊断学的理论知识，加深对问诊、体格检查的正确理解，养成规范操作手法，夯实基本临床技能。典型病例数据库采用动态、开放的形式，经教学小组会讨论，每季度增加合适的新病例，每学期末根据教学反馈去除差评的病例，最终实现病种分类合理、临床资料详实，很好的满足临床医学教学需求。典型病例数据库的建立需要带教教师在临床工作中也要具有教学意识，注意筛选、收集合适病例，同时做好患者知情同意的伦理工作，后期还要检索文献，制作课件，从单一病例引导、阐述系统知识。通过这样的工作，可以有效提高青年教师的教学意识、规范化诊疗水平，有助于教师队伍的快速成长。

3.33D打印技术在五年制外科教学中应用的启示

3D打印技术，又称“三维打印技术”，即快速成型技术的一种，是指通过可以“打印”出真实物体的3D打印机，采用分层加工以及叠加成形的方式逐层增加材料生成3D实体，现已在骨科临床广泛应用[5-7]。随着社会经济发展，交通伤等高能量损伤逐年增多，这部分病例往往骨折类型复杂，粉碎情况严重，常伴有关节脱位，甚至多发伤。学生在阅片过程中，对于X线及CT检查结果理解有限，在短时间内掌握骨折的分型和治疗存在困难。计算机辅助模拟，加上骨折部位的3D打印实物模型展示，使受伤机制、影像学改变、实物模型有机结合起来，不但加深了学生的阅片能力，更有利于学生在短时间内掌握这些骨关节损伤的诊疗知识，学会根据不同的分型确定相应的治疗方案。在教师的指导下，学生可以在3D打印实物模型上进行骨折的复位、固定练习，有效地解决了因为保护性医疗原则以及无菌要求等原因无法实施操作训练的难题，充分调动了学生的学习热情，极大提高了学生实际动手操作能力，为学生将来的专科化发展奠定良好基础。3D打印实物模型经过模拟手术操作后可能无法恢复到骨折初始状态，因此每次课前需要打印新的模型以满足教学需要，以胫骨平台骨折为例，打印该型骨折的实物模型大约500元，因此我们采用了一个小班共用一个3D打印实物模型的方法，以实现成本控制。下一步可以探索建立虚拟手术训练系统，用MIMICS软件实现骨折三维重建，用GEOMAGIC软件实现骨折模拟复位，用SOLID- WORK软件实现模拟内固定，将教学方法数字化，与国际先进水平缩小差距[8]。

3.43D打印技术与典型病例数据库的有机结合

3D打印技术因其自身的特点，必须依托具体的病例来实施，特别适合与典型病例数据库相结合，作为病例数据库的一个组成部分应用于临床医学教学中，这种结合有效地丰富了病例数据库的内涵。在选择病例之初，我们就按照知情同意的原则，在伦理委员会的指导下，做好患者的沟通工作，使后续采集临床信息，行薄层CT检查等工作得以顺利进行。详实的临床资料，精美的三维模拟动画，逼真的3D打印模型，生动的课堂引导，激发了学生的学习热情，提高了学习效率，这说明3D打印技术与典型病例数据库的有机结合在教学方面大有可为。教改立项组学生理论考核成绩、临床技能操作考核成绩、综合成绩均优于传统教学组，特别是在操作考核中优势明显，这体现了3D打印模型实际操作训练的有效性和先进性。由于此次研究无法采用盲法的原则设置分组，三维模拟动画、3D打印模型等教学方法的采用也同样激发了教师的积极性，使得教师在教改立项组教学实践中投入更多的激情，从而对教学效果产生积极的影响。

3D打印技术的应用及典型病例数据库的建立在五年制临床医学专业学生的骨科临床教学中显示出了独特的优势，能有效提高教学效果，特别有助于学生临床技能的培养和胜任力的提升，应用前景广阔。

参考文献

[1]和水祥,王渊,任牡丹,等.谈消化内科学CBL教学病例库的建立及应用[J].中国医学教育技术,2009,23(1):32-34

[2]李曙明,李萌,杨益民,等.3D打印及计算机辅助技术在骨科临床教学中的应用探讨—以复杂脊柱畸形治疗为例[J].中国医学教育技术,2015,29(2):191-194

[3]Bizzocchi J,Schell R.Rich-narrative case study for online PBL in medical education[J].Acad Med,2009,84(10):1412-1418

[4]姜绮霞,姚定康,梁春.CBL教学病例库在心内科五年制本科教学中的应用[J].中国高等医学教育,2012(5):108-109

[5]Jeong H S,Park K J,Kil K M,et al.Minimally invasive plate osteosynthesis using 3D printing for shaft fractures of clavi- cles:technical note[J].Arch Orthop Trauma Surg,2014,134(11):1551-1555

[6]周锦.3D打印技术在骨科临床中的应用[J].中华骨科杂志,2014(10):1078-1078

[7]郭鹏年,董乐乐,左强,等.3D打印技术在创伤骨科中的临床应用[J].中国数字医学,2015(6):45-47

[8]金丹,付苏,刘军,等.数字骨科技术在八年制医学生创伤骨科临床教学中的应用[J].中华医学教育探索杂志,2014(7):748-750

Application of 3-D printing technology and

the typical cases database in orthopedic teaching

LiMeng,QiuYusheng,MaXing,YangYimin,ZhangZhi

DepartmentofOrthopedics,theFirstAffiliatedHospital

ofXi'anJiaotongUniversity,Xi'an710061,China

【Abstract】:ObjectiveTo explore the application and outcomes of 3-D printing technology and the typical cases database in orthopedic clinical teaching for five-year-program medical students. MethodsAccording to the requirements of the syllabus, we screened suitable cases of bone and joint trauma, collected their clinical data and X-ray and CT image data to establish the database. Then we conducted orthopedic teaching with the help of the database and 3-D printed materials. Last we compared the teaching outcomes between the new method and the traditional teaching method. ResultsUsing 3-D printing technology and the typical cases database can deepen the students' understanding of knowledge about bone and joint trauma and improve their academic performance. Conclusion3-D printing technology and establishment of the typical cases database have enriched and standardized the clinical teaching resources of bone and joint trauma, and effectively improved the teaching outcomes, especially cultivation of students' clinical skills and competency.

【Key words】:3-D printing technology; typical cases database; orthopedics; application in teaching

【中图分类号】：G434

【文献标志码】：A

【文章编号】：1004-5287(2016)01-0094-04

作者简介：李萌(1978-)，男，河北保定人，博士研究生在读，主治医师，主要研究方向：骨与关节损伤。通信作者：邱裕生(1957-)，男，河南杞县人，博士，教授，主要研究方向：关节疾病的基础与临床研究。电话：18991232033；E-mail:yusheng.qiu@mail.xjtu.edu.cn

收稿日期：2015-12-25

基金项目：西安交通大学本科教学改革专题研究青年项目；2015年西安交通大学研究生教学研究与教学改革项目(精品课程：骨科研究生专业课程)