3D打印技术在骨科临床教学中的应用

李晓峰

(广西医科大学第二附属医院骨科，南宁市 530007)

骨科是一门理论性和实践性均很强的临床学科，涉及的学科知识广泛，与解剖学、诊断学、生理学、病理学、生物力学、材料学等密切相关。其疾病种类繁多，诊治方法及手段复杂。如何让医学生系统地掌握骨科的基本理论知识及技能，将所学的知识更好的应用到临床实践中，是提高骨科临床教学质量的关键，也是一直以来困扰着临床教学工作者的难题。随着计算机技术和信息技术的迅速发展，各种现代教学技术被广泛应用于骨科临床教学中，骨科教学模式发生了深刻的变革。三维打印(3D打印)技术是近年来新兴的一种学习辅助技术，已初步应用于医学教育领域，并率先在骨科临床教学中广泛应用，取得了较为满意的效果[1-2]。

1 3D打印技术原理及发展

3D打印技术是以计算机三维设计模型为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，经分层制造、叠加成型，最终构造物体模型的技术[3]。

1995年，美国麻省理工学院在喷墨印刷原理基础上研发了3D打印机，从而开创了3D打印的里程碑。在近30年的发展中，该技术已渗透到工业制造、汽车、航空航天、生物医疗、建筑工程等各个领域。哈佛大学和伊利诺伊大学香槟分校的研究者，打印出了直径还不如人类头发粗的微电池电极。普林斯顿大学的研究团队，打印出了可以“听到”无线电频率的仿生耳；利物浦大学打印出了3D人造皮肤；我国杭州电子科技大学打印出了较小比例的人造器官组织；同济大学打印出了微型飞机并试飞成功。

目前，我国成为继美国、日本、德国之后拥有3D打印设备的国家，多年来对3D打印技术的研究也取得了初步的成效。国家对3D打印技术也给予了高度的重视，将其纳入国家“863计划”，这标志着3D打印在我国进入了快速发展期。

2 骨科临床教学概况

骨科内容繁多复杂，涉及面广，专业性、实践性强，新理论、新技术发展快，病种处理的方式也灵活多变。骨科理论课时有限，很多教学内容需在临床实践中展开。然而，在现今的医疗环境下，学生操作实践的机会很少，故骨科临床教学一直是骨科教学的难点。

传统的骨科临床教学模式为教师带领学生教学查房，通过阅片或PPT等进行讲解，教学效果不尽人意。我国骨科临床教学中长期以来采用传统教学模式(LBL)，即以教师讲授为主，全面讲解基本理论，其系统性强，传授信息量大。但是这种“填鸭式”的教学方式使学习者处于被动地位，忽视了创新性能力的培养。目前，临床上多采用以案例为基础的教学模式(CBL)联合以问题为基础的教学模式(PBL)，这大大提高了学生的学习兴趣，锻炼了学生的实践能力，培养了学生独立思考、发现问题、解决问题、归纳总结的能力[4]。饶志涛等[5]研究发现，三种教学模式有机结合，更有利于骨科临床教学质量的提高。

骨科手术涉及众多骨骼结构，而诸多骨骼结构又是不规则形，骨科疾病对医学生的空间结构想象能力有较高的要求。然而，由于手术无菌要求原则，很难让学生充分接触手术。在骨科临床教学实践中，主要通过结合课本插图、影像学检查，如X线片、CT、MRI以及实体骨骼标本或模型来讲解，但缺乏立体直观性，同时标本来源有限，大多数教学模型均为结构单一的正常模型，对许多复杂部位解剖结构及损伤机制，很难全面揭示其特点。比如对一些特殊解剖部位，如骨盆髋臼骨折等，即使应用多媒体、教学录像等现代教学设备依然很难解释清楚。

目前，骨科临床教学面临的主要问题仍然是缺乏直观性和可操作性，而3D打印技术的出现为这一问题的解决提供了技术手段。

3 3D打印技术在骨科临床教学的应用

3D打印技术是一种快速成型及制造技术，其在骨科临床教学中的优势越来越受到重视。

首先，3D打印提高了学生学习的积极性。骨科涉及解剖部位多，结构复杂。对于简单的骨折，通过X线和CT阅读，学生尚能理解。但是对于复杂疾病如髋臼内侧壁的方形区骨折，即使是骨科临床医师也难于理解，医学生更难理解。3D打印能制造出1 ∶1的实物模型，可将骨科疾病特点直观形象地展现给学生，也避免了学生不能接触患者病变骨标本的缺憾，极大地调动了学生的学习积极性。管华清等[6]研究发现，利用3D打印技术制作出的骨骼立体模型能有效地提高了医学生骨科临床学习的兴趣。郭占鹏等[7]也证实，利用3D打印技术创造出的实体教学环境，不仅能调动学生学习的积极性，更有助于学生对相关知识的理解掌握。Kim等[8]认为，3D打印技术为外科医生提供了对骨折模式和解剖结构更好的理解，并被有效地用于手术方案的制定和为外科实习生提供更好的学习模式。Manganaro等[9]回顾了他们为教育目的而创建的髋关节3D打印模型作为教育辅助工具的经验后，认为三维(3D)打印是一种不断发展的技术，把应用程序作为教育的辅助手段，可为学生提供一个以实际的学习对象进行教学的学习模式。

其次，3D打印培养了学生创新思维的能力，为学生提供了一个自由发挥想象力的平台。在3D打印技术的支持下，学生可以通过自身的理解和想象，结合课本的知识，自行设计手术切口、选择手术入路、模拟合适的内固定器械和安装方法等，从而激发他们的创造潜能[10]。

最后，3D打印可帮助教师探索新的教学方法，使教师能够将全新的“体验式教育”实施到骨科临床教学中。骨科的一些复杂典型的疾病通过3D打印直观的呈现给学生。让学生通过亲身体验来加强学习理解，改变了传统的以教师传授知识为主的灌输式教学方式。这种教师将学习的主动权交给学生，以学生为主导的教学方式，提高了学生学习的积极主动性，进而提高了教学质量。

3D打印技术被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”，具有其他教学手段难以替代的优势，给骨科临床教学的发展带来了新的动力[11]。然而，3D打印技术在骨科临床教学中的应用还处于起步探索阶段，需要进一步的研究改进。

[1] 李忠海,唐家广,王华东,等.3D打印技术在骨科临床教学中的应用初探[J].中国医学教育技术,2016,30(2):198-200.

[2] Hui Y,Safir O,Dubrowski A,et al. What skills should simulation training in arthroscopy teach residents? A focus on resident input[J].Int J Comput Assist Radiolo Surg,2013,8(6):945-953.

[3] 李丽柏.3D技术原理及发展状况和前景[J].无线互联科技,2013,(11):162,236.

[4] 郭 翔,倪 斌,沈宏亮,等.利用CBL+PBL教学法提高本科生骨科临床见习质量[J].中国煤炭工业医学杂志,2012,15(9):1473-1474.

[5] 饶志涛,俞光荣,李海丰,等.PBL联合CBL及LBL模式在骨科实习教学中的应用[J].中国高等医学教育,2014,(1):105-106.

[6] 管华清,徐 明,杨同其,等.3D打印技术在骨科临床教学中的应用[J].教育教学论坛,2015,30(14):178-179.

[7] 郭占鹏,黄米娜,李秀华,等.3D打印技术在骨科PBL临床教学中的应用[J].中国继续医学教育,2017,9(9):19-21.

[8] Kim JW, Lee Y, Seo J, et al.Clinical experience with three-dimensional printing techniques in orthopedic trauma[J].J Orthop Sci,2018,23(2):383-388.

[9] Manganaro MS, Morag Y, Weadock WJ, et al.Creating Three-dimensional Printed Models of Acetabular Fractures for Use as Educational Tools[J].Radiographics,2017,37(3):871-880.

[10] 杜 恒,周晓玲,尹 思,等.3D打印技术在骨科临床PBL教学中的应用[J].西北医学教育,2015,23(4):701-704.

[11] 王 簕,张 志,张 亮,等.Mimics数字化软件在临床骨科教学工作中的应用和体会[J].中国医学教育技术,2014,28(5):527-529.