3D打印模型在椎间孔镜手术教学中的应用进展

黄国秀，谭海涛

贵港市人民医院数字医学与3D打印临床医学研究中心，广西 贵港 537100

3D打印模型在椎间孔镜手术教学中的应用进展

黄国秀，谭海涛

贵港市人民医院数字医学与3D打印临床医学研究中心，广西 贵港 537100

椎间孔镜手术是脊柱微创技术中最具代表性的一种，同时，其培训也是脊柱外科手术教学的重难点。传统的椎间孔镜教学往往采用尸体标本、正常结构的教学模型及真实案例的术中讲解，但标本的稀缺、正常模型无法客观揭示脊柱疾病状态及学生缺乏直观观察和反复可操作机会，影响了椎间孔镜手术教学质量。3D打印技术的出现为医学教育带来了新的契机。该文介绍了3D打印技术在临床教学中的应用现状，尤其是在椎间孔镜手术教学中的应用优势，并对3D打印技术在医学教育中的应用前景进行了展望。

3D打印；教学模型；椎间孔镜

3D打印技术（three-dimensional printing technology）是一种新型的快速成型技术［1］，以CT／MRI数据为基础，通过可粘合材料的逐层打印，生成可视化、实体化及个性化的三维物体模型，即3D打印模型，该技术也被认为是“第三次工业革命的标志之一”［2］。目前，3D打印技术已在工业、航空航天及医疗行业等领域产生深远的影响，而未来的发展也将使大规模的个性化定制与生产成为可能。随着数字医学的进步，3D打印模型已被证明在临床实践特别是在临床骨科中获得巨大成功［3-4］，而该模型在教育领域中的应用也逐渐受到关注，同时也使得3D打印模型在临床骨科手术教学中展现出广阔的应用前景［5-6］。在骨科手术教学中，过去多使用解剖标本或正常教学模型，但因标本稀缺或正常模型难以全面揭示复杂的人体解剖和损伤机制，从而使得各类骨科手术教学也缺乏相应的体现。随着3D打印技术的广泛运用，将3D打印模型与骨科手术教学（如椎间孔镜手术教学）相结合，既填补了解剖标本缺乏的空白，也使得学员得到更好的解剖理解和手术训练机会，这或是当今临床骨科教育发展不可阻挡的趋势。

1 3D打印模型在临床教学的应用现状

在骨科临床教学中，3D打印模型主要应用于个性化的骨骼模型展示与模拟手术教学：Preece等［7］通过3D打印复杂肢体关节模型和一项RCT发现，基于该模型的教学方式不但能够有效提高学生对肢体关节的理解力，还有利于营造一个愉快的教学环境；王栋等［8］将5例典型上颈椎的3D打印模型用于骨科规培生的临床教学中，并进行手术指导，多数规培生反映该模型明显有助于加深对复杂骨科疾病、解剖及手术技巧的理解；杨长伟等［9］根据患者影像数据制作了一些局部解剖复杂的3D打印系列模型，并用于教学实践中，结果发现该模型形象、直观及仿真性强，学员更容易理解复杂的解剖结构，并提高其学习兴趣和知识的掌握程度；杜恒等［10］打印出了患者骨折或畸形的3D模型，为PBL骨科教学提供了更直观的个性化模型，改变了以往枯燥的教学方法，极大地调动了学生的积极性和创造性；李珍珠等［11］在一项RCT中发现，结合3D打印模型的教学模式能够提高学员对脊柱骨折的理解力，相比传统基于CT等虚拟教学模式没有性别上的差异。由此，透过3D打印模型，学员能够更直观、全面地学习相关疾病，更容易理解平时难以掌握的知识点，极大地提高了教学的质量与效率。

在肿瘤外科教学方面，3D打印肿瘤模型主要应用于术前模拟、方案的制定及术中精确切除肿瘤的手术演示教学：Rohner等［12］利用3D打印模型进行手术彩排实现了一个复杂的具有肿瘤基础、合并放疗损伤的颌面部重建手术教学，并使得术者与学员体会到术前彩排对皮瓣移植和骨板接合有重要的指导意义；施凤伟等［13］将3D打印模型用于骨肿瘤术前、术中及术后教学，结果发现术前学生可多角度、直观地观察肿瘤空间关系，术中模型的对比观察能更好地显露、分离肿瘤边界，而术后教师透过模型再次进行操作演示，学员能达到温故知新的目的；周悦等［14］运用3D打印模型针对23例分析组的肺部肿瘤患者，结合患者临床资料与胸腔镜手术演示进行教学，分析组在学习兴趣、解剖掌握及对手术过程认识三方面的提高优于对照组。因此，3D打印肿瘤模型能够帮助学员在术前、术中及术后对肿瘤有更全面、直观的认识，使学员能更好地判断肿瘤的位置大小、边界及毗邻关系，大大提高了学习的热情、效率及质量。

在神经外科、颌面整形、口腔及耳科等手术训练方面：李珍珠等［15］将3D打印颅内动脉瘤模型应用在临床教学的RCT中，结果相比传统组，3D组的学生专业测试分数明显占优，且答题所需时间短，该3D打印模型更利于提高临床医学生对颅内动脉瘤的理解、易于被学员接受，值得临床教学推广；李艳等［16］应用显微CT数据结合Mimics软件，进行上颌第一磨牙的离体牙多平面断层重建和三维透视模型建立，并用于髓腔解剖教学中，观察髓腔的立体结构和形态特点，与传统教学相比，前者则表现出了明显优势；陈鹏等［17］通过在3D打印颌骨模型上进行教学，结果发现学员对颌骨重建、缺损解剖形态恢复和咬合功能重建的系统性和复杂性有更直观、更深刻的理解，而手术模拟也增强了学员对颌骨缺损的治疗和预后评价的认识；Monfared等［18］分别采用2种不同材料模拟骨质和软组织，制作了3D打印中耳模型，其在真实性、触感方面得到了专家的广泛认可，并建议将此类模型纳入住院医师手术教学训练指南。因此，3D打印模型在手术训练方面，除了能够使学员对疾病有全面的理解外，还能够使学员得到更多的手术训练机会，促进手术教学的质量与效率。

目前，传统的脊柱外科手术教学与培训存在较大的局限性［19］，如：①解剖标本愈发稀缺，单一的正常模型无法全面揭示脊柱疾病的损伤机制与手术的复杂性；②高风险的脊柱手术缺乏直观性和反复可操作性；③学习曲线陡峭，年轻医师需经长时间、大量的手术观摩及实践方可熟练掌握相关手术技巧。

而3D打印模型则为解决这些问题提供了方便的技术手段，既填补了标本稀缺的空白，又能让学员全面了解患者脊柱疾病的病理学全貌。学员在模型上进行反复的演练则有效地解决了无法实施足够操作训练的难题，在调动学生的主动性、积极性的同时，也明显缩短了手术学习曲线。因此，将3D打印模型应用于脊柱手术教学（如椎间孔镜手术教学）具有重要的意义。

2 3D打印模型在椎间孔镜手术教学中的应用优势

随着数字医学的进步，3D打印模型为解决临床与科研难题提供了巨大的便利［20］。3D打印模型始终贯穿整个临床诊疗过程，从医患沟通、专科诊断、术前规划模拟，再到术中精确的导航与术后宣教，该模型均引领临床医学特别是骨科向个性化、精确化、微创化及高效化方向快速发展。而椎间孔镜手术教学作为骨科教学的重难点，3D打印模型在该手术教学中应用的优势同样体现在这些方面。

首先，3D打印的个性化模型用于椎间孔镜手术教学，可有效解决尸体标本来源不足与正常教学模型无法全面揭示脊柱骨病的复杂性问题。以往的椎间孔镜手术教学主要利用尸体标本或正常教学模型，而标本稀缺及反复操作使得标本受到破坏，导致局部结构紊乱不清，明显降低教学效果。另外，正常的教学模型无法反映客观的病理状态，亦无法针对“病灶”进行相应手术步骤、要领的讲解，明显减低教学的质量。而将3D打印模型用于椎间孔镜手术教学，既可填补标本紧缺，也能真实、全面地反映患者的病理状态，并进行术前的综合评估，为下一步手术方案奠定基础。

其次，将3D打印模型用于椎间孔镜手术教学演示、手术技能的反复操练，有利于提高年轻医师的积极性、主动性。脊柱的解剖复杂、手术风险高，决定了此类手术需要更安全、足够娴熟及精细的手术技巧，这在一定程度上也削弱了年轻医师学习椎间孔镜的信心与热情。而将3D打印模型用于该手术教学中，可使得高年资医师与年轻医师在术前进行模拟手术，让年轻医师对手术步骤、技术要领做到心中有数，增加手术实战中的信心和学习热情。因此，3D打印模型在椎间孔镜手术教学中起到非常重要的作用，一定程度上有效解决了因为保护性医疗原则、无菌要求等原因无法实施足够操作训练的难题［21］，明显提升了年轻医师掌握椎间孔镜手术的自信心，提高其主动性、积极性，创造更加融洽的教学氛围。

另外，3D打印模型还有助于提升孔镜手术教学的质量、效率，缩短学习曲线。传统教学往往只结合了术者的空间想象、术中图像及术中操作来讲解相关的解剖与手术技术要点。而脊柱手术具有很高的风险，年轻医师需要更娴熟的手术技巧、精细的操作及长时间的观摩演练才能熟练掌握，特别是对于椎间孔镜手术，其难度更大，学习曲线陡峭［22-23］。因此，普遍缺乏临床操作机会的年轻医师只有经过长时间的观摩、实践后，在经验丰富的上级医师指导下才能安全地进行手术。另外，年轻医师在观摩时，由于观察视野受限无法很好地观察、领会高年资医师讲解的手术技巧。而3D打印模型辅助该手术教学，有利于术前更直观地认识脊柱病变的病理全貌，然后通过术前评估，选择合适的手术入路，并进行模拟手术。同时，年轻医师能够更直观地观摩各种手术技巧，进行反复的操作，便于将理论与实践相结合。另外，亲手操作后还能打开模型，有利于三维空间解剖与显示屏二维图像的思维转换，并总结椎间孔镜的视野与摘除病灶的情况，分析得失，从而有效提高手术技巧学习的质量与效率。

3 3D打印模型在椎间孔镜手术教学中的实施

3.1 数字化设计和模型打印

3.1.1 设备准备 计算机及相关软件（Mimics 14.0，Geomagic Studio12.0，等）；PACS软件；Starasys J750打印机；3.0T磁共振、64排CT扫描仪。

3.1.2 数据采集 选取25例腰3-骶1椎间盘突出症的患者作为研究对象，其中，单节段为17例，双节段为8例，腰3／4为6例，腰4／5为12例，腰5／骶1为7例。分别采集以上患者腰椎MRI、CT数据。参数设定如下：腰丛（MRI）：FoV read：280mm，FoV phase：100%，Slice thickness：0.90mm，Base resolution：320，腰椎（MRI）：TR：2200ms，TE：222ms，Fat supper：SPAIR，Fat sat.mode：Strong，Flip angle：100 deg，腰椎（CT）：Eff：350mAs，电压：120kV，Scan time：5.8s，Delay：2s，Slice：128*0.6mm，No.of images：230.

3.1.3 数据处理 利用Mimics进行腰椎骨性结构、软组织的三维重建，先利用MRI数据进行软组织的重建，再与利用CT重建的骨骼模型进行配准、融合［24］，得到一个完整的腰椎数字化模型。

3.1.4 模型打印 将模型文件以“STL”格式导出，再转为“X3G”格式，以Starasys J750快速成型机［25-26］实施打印，得到所需实物模型。

3.2 教学应用

3.2.1 术前评估与模拟、演练

①术前评估：根据患者的临床资料，结合3D打印模型全面认识患者的病理状态，明确是否具备椎间孔镜手术的指征，完成术前的评估教学，教学课时约10min。

②手术教学模拟、演练：在此之前，先正确认识与理解椎间孔镜技术［27］。再根据其标准的操作方法［28-29］进行教学。高年资医师利用3D打印模型结合椎间孔镜手术器械，进行手术步骤的讲解、演示及模拟教学，年轻医师观摩学习后进行手术反复模拟操练。具体模拟演练方法与实际手术标准步骤保持一致，教学课时约30 min。

③完成以上两步后，由年轻医师与高年资医师讨论椎间孔镜手术的详细方案，权衡利弊后选择合适的手术入路，为实际手术做准备。教学课时约10 min。

3.2.2 术中观摩、操练 高年资医师通过真实手术操作，结合3D打印模型进行手术技巧讲解、演示及对比，年轻医师则通过观摩后进行模型上的手术操练、提问，而高年资医师再结合患者与模型进行答疑，教学课时约80 min。

3.3 注意事项

①该3D打印模型需保留双侧髂骨、肋弓，为穿刺定位提供体表标志；另外，制作的骨骼模型的材质必须保证可以行X线显影；

②为了提高模拟手术的真实性，模型的摆放体位必须与真实手术时患者的体位一致；

③对于3D打印模型，每一个步骤尽可能与真实术中的保持正确、规范一致，如必须制定准确、缜密的穿刺定位方案，以减少术中透视过多导致的不良影响，缩短手术时间，提高手术成功率［30］与教学的质量和效率。

④计算机导航技术在脊柱手术某些领域的应用已取得相当多的经验［31］，因此，还可尝试将它用于椎间孔镜手术教学中，以充分发挥其优势，使手术更精准，这或是未来的发展方向之一。

4 挑战与展望

目前，3D打印模型在医学教学中的运用主要集中于个性化模型的展示教学、手术模拟、操练，而其具有的众多优势能够显著提升临床教学效果。不仅在骨科手术教学，在神经外科、口腔科、肿瘤外科教学以及各种重大复杂手术模拟操作教学中均具有良好的应用前景。

但是，3D打印模型在骨科手术教学领域中，特别是椎间孔镜手术教学还处于探索阶段，因此，3D打印模型也还存在一些亟待解决的问题［32-33］：①3D打印模型在临床上的应用尚处于初级阶段，需要继续推广与完善其技术，如软组织三维重建困难与打印材料的选择面窄等问题。②目前制作的大多数模型为质硬类型，而尚未能打印出质软模型来使模拟手术更加真实。③合乎要求的3D打印模型需要一定的经济、时间成本支持，快速成型机与打印材料的高成本一定程度上也限制了其普遍使用；另外，3D打印模型制作从数据采集到实物模型，准备时间仍较长。④3D打印模型模拟椎间孔镜手术的病灶切除操作与实际人体内操作过程的逼真性可能达不到理想状态。

3D打印模型辅助椎间孔镜教学的主要优点是直观地反映人体骨科疾病病理、手术操作的真实情况，同时也为学生创造更多的手术训练机会。因此，我们期望能打印出高度仿真的三维模型，如“生物打印”［34］或“4D打印”［35-36］，使得在骨性解剖结构、软组织（如血管、神经、肌肉等）结构在质地、颜色及手感上更接近活体的解剖结构，甚至可以如同活体组织，触之出血，同时也使得模拟椎间孔镜手术的病灶切除操作教学与实际人体内操作过程的逼真程度更加理想。我们也期待，在未来的各种临床重大、复杂手术演示操练教学中，3D打印模型会具有更广阔的应用前景，并显示其应有的价值。

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Advances in application of 3D printing model in teaching of percutaneous endoscopic lumbar discectomy

Huang Guoxiu，Tan Haitao
Digital Medicine and 3D Print Clinical Medicine Research Center，Guigang City People＇s Hospital，Guigang 537100，China

Percutaneous endoscopic lumbar discectomy（PTED）is one of themost representative spineminimally invasive techniques.At the same time，its training is also an important and difficult task in spine surgery teaching.The traditional teaching of PTED is often based on the use of corpse specimens，teachingmodel of the normal structure，and explanation of real cases during surgery.However，scarcity of specimens and normal models cannot reveal the status of spine diseases objectively.Also，students lack intuitive observation and repeated operational opportunities，which affects the quality of PTED teaching.The appearance of 3D printing technology has brought new opportunities to medical education.This paper introduces the present situation of 3D printing technology applied in clinical teaching，especially its advantages in PTED teaching.It also discusses the application prospect of the technology in medical education.

3D printing；teachingmodel；percutaneous endoscopic lumbar discectomy（PTED）

G434

：A

：1004-5287（2017）04-0460-05

：10.13566／j.cnki.cmet.cn61-1317／g4.201704027

2017-03-10

黄国秀（1967-），女，南宁人，主任医师，硕士，主要研究方向：临床医学与教学、数字医学与3D打印技术。

谭海涛（1969-），男，广西贵港人，主任医师，博士，主要研究方向：骨科、数字医学与3D打印技术。电话：13707857080；E-mail：tanhaitao99＠hotmail.com