3D打印模型技术在儿童髋关节脱位手术临床教学中的应用研究

李文超，陈 辉，许瑞江，李浩宇，蔡 刚

解放军总医院小儿外科，北京 100853

发育性髋关节脱位包括股骨头半脱位、髋臼发育不良及股骨头完全脱位，是小儿外科最常见的先天性髋关节疾病[1]。发育性髋关节脱位的治疗原则是早期诊断、早期治疗，采用股骨近端短缩、内翻及去旋转截骨矫正股骨近端前倾角及颈干角，从而使股骨头适应髋臼发育方向，促使儿童髋关节正常的生长发育[2]。在临床教学工作中，住院医师多采用病史、查体及X线片检查等进行学习，然而由于发育性髋关节脱位涉及到三维方向的截骨矫形，仅依靠文字、图片等资料，难以使实习学生完全了解截骨的方向及角度，也无法激发低年资医师的学习兴趣，致使教学工作进展缓慢，甚至出现对截骨方式认识的错误。

如何在儿童髋关节脱位手术操作的临床教学工作中，充分调动年轻医师的积极性，熟练掌握临床操作技巧，主动完成理论学习与临床实践相结合，成为临床指导教师需要亟待解决的问题。近年来，3D打印技术在临床教学工作中得到了广泛的应用，能够使年轻医师更好地了解疾病的解剖结构及病理性基础，同时显著地提高临床教学质量[3-4]。然而，3D打印技术在小儿骨科临床教学中使用情况尚未明确报告。笔者在小儿骨科临床教学工作中，结合儿童发育性髋关节脱位的临床特点，采用3D打印模型用于年轻医师培训中，取得了较好的教学效果，现介绍如下。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选择2017年28名在解放军总医院实习的第四军医大学五年级实习医师作为研究对象，男生16名，女生12名，年龄21岁～22岁。

1.2 研究方法

1.2.1 一般信息 选择儿童发育性髋关节脱位病例，笔者作为授课教师，教学地点为教学大楼教室，通过查看病史、查体及影像学检查了解疾病解剖结构、病理变化及手术方案的制定。将学生随机分为两组，对照组:采用常规教学方法，包括一般资料、病史、症状、体征及髋关节正位X线、髋关节外展内选择位X线;实验组在常规病例、X线等资料进行教学的同时，增加髋关节三维CT平扫及三维重建，并制作3D打印模型用于辅助教学，从而使学生直观了解髋关节脱位的解剖结构(如图1所示)。

图1 a.儿童发育性髋关节脱位,正位X线；b.三维CT检查

1.2.2 髋关节3D打印模型的方法 首先患儿诱导睡眠后，平卧位，于解放军总医院外科大楼CT检查室进行CT平扫及三维重建，扫描范围包括骨盆及股骨全长，计算出双侧股骨的前倾角及颈干角，用于比较分析股骨头脱位情况以及判定股骨近端截骨内翻及去旋转的角度(如图2所示)。

图2 a.儿童发育性髋关节脱位,正位X线；b.三维CT检查；c.3D打印模型

1.3 教学效果评价

将每个学生在常规教学、增加3D打印模型教学的教学效果记录并进行统计学分析。教学效果评价指标包括两个方面:其一，临床数据分析;其二，教学相关因素分析。临床数据分析包括疾病概念理解情况、髋关节脱位方向、前倾角及颈干角的角度。以CT测量前倾角、颈干角的标准，X线测量颈干角和前倾角数据。教学相关因素分析包括学习兴趣、师生互动、课堂注意力及学习效率四个方面评价髋关节脱位的教学效果。评价标准为:非常满意10分、较满意8分、一般5分、不太满意3分及不满意0分。

采用SPSS 17.0统计软件对教学效果评价数据进行统计学分析，以P＜0.05为差异具有统计学意义。两组间临床数据分析以人数(%)的形式表示，组间比较采用卡方检验;两组教学相关数据分析结果采用(±s)形式表示，两组比较采用t检验，检验水准a值取双侧0.05。

2 结果

临床数据分析比较:实验组中能够正确理解疾病情况的学生有13人(92.86%)，判断髋关节脱位方向的有13人(92.86%);对照组分别为10人(71.43%)、12人(85.71%)。实验组及对照组在疾病概念理解情况、髋关节脱位方向的判定虽然无显著性差异，但是实验组数值高于对照组。实验组通过CT能够准确判定前倾角及颈干角人数分别为14(100.00%)和14(100.00%);而对照组学生分别为9人(64.28%)和8人(57.14%)。研究显示，实验组在前倾角及颈干角判定准确性方面明显高于对照组，差异具有统计学意义(P＜0.05)(如表1所示)。两组教学效果的调查问卷结果显示:实验组在学习兴趣、学习效率及课堂注意力评分分别为(9.45±1.32)、(9.12±1.26)及(9.14±0.97)，而对照组分别为(8.37±1.09)、(8.01±1.02)及(8.23±1.17)，研究显示，实验组明显优于对照组(P＜0.05);师生互动方面实验组为(9.05±1.15)，对照组为(8.64±1.23)，统计学显示无显著性差异(如表2所示)。

表1 3D打印模型在儿童发育性髋关节脱位中教学评估比较

表2 3D打印模型在教学相关因素分析中的比较评估

3 讨论及结论

儿童发育性髋关节脱位是小儿外科常见的疾病，其病变结果涉及到髋臼及股骨头等方面的问题，其教学过程比较复杂。而且，教学过程均需要与解剖学、生物力学等诸多学科相结合，同时股骨近端涉及到颈干角及前倾角，所以对学生三维空间思维能力要求较高，单纯采用病史、查体及X线片等传统的教学方法难以收到良好的教学效果。因此，笔者在文章中提出采用3D打印模型技术用于儿童发育性髋关节脱位的临床教学工作，取得良好的教学效果。通过新型的教学方案，学生对于髋关节脱位病例中颈干角及前倾角的测量准确性较对照组明显提高，而且在学习兴趣、课堂注意力及学习效率等诸多方面有了显著的提高。

3D打印是快速成型技术，主要采用三维数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式，将金属、塑料等不同材料粘合在一起模拟物体的技术[5]。3D打印是采用数字技术材料打印机来实现的，广泛应用于模具制造、工业设计等诸多领域。近年来，3D打印技术在医学领域中得到广泛应用，包括口腔科、骨科和生物材料制备。由于其直观性、准确性等特点，3D打印模型逐渐用于临床教学实践，并取得了可喜的教学效果[6]。

传统课堂教学主要采用X线教学，只能提供二维空间的表现。实习学生虽然能够在一定程度上了解疾病的解剖基础，但仍无法完全在三维立体平面掌握模型特点。而且在传统教学中，学生时常反映教材抽象、难以理解，而且课堂气氛枯燥，不能完全融入课堂氛围，致使学生对于课堂内容似懂非懂，既有所了解，又没有完全明白，对于知识点的掌握始终浮于表面，不能深入掌握知识。然而，随着3D打印模型技术的产生，完全颠覆了传统教学模式，使学生对于疾病的认识从二维平面转变为三维立体结构[7]。在儿童发育性髋关节脱位教学模型中，通过3D打印模型可以使学生很好地掌握髋臼及股骨头的脱位关系，并了解髋臼缺损的情况及方向;此外，通过双侧髋关节模型比较，可以更加有效地掌握股骨近端的病变基础，从而能够准确判定颈干角及前倾角的角度。研究显示，实验组与对照组在颈干角及前倾角具有显著性差异(P＜0.05)，更加进一步说明了3D打印模型在髋关节脱位临床教学中具有重要作用。

3D打印模型进行骨科教学与常规手术相比，能够显著激发学生的学习兴趣[8]。前期研究显示，通过辅助3D打印模型，在脊柱侧凸的临床矫形中能够使复杂的病情通过直观的模型加以简化，能够加强学生对于复杂脊柱病情的理解。3D打印模型技术有助于学生清楚地理解手术方案的制定原则及进行过程，使手术操作直观化、实物化及具体化[9]。实习学生通过形象化的髋关节脱位模型，能显著增加学习兴趣及学习效率。通过对实物模型的具体分析，可以增强带教教师和实习学生之间的互动交流，并且在相互的交流过程中，提高学生课堂的注意力以及对疾病的理解力。

总之，3D打印模型辅助教学，具有较强的直观性和生动性，尤其在儿童髋关节脱位临床教学时，能够显著增加学生对于知识点的掌握情况。笔者认为3D打印教学模型技术是小儿骨科教学中非常有效的教学方法，可以进一步推广应用。如果能够配合计算机辅助技术，做到动态描述疾病的病变基础，并能预先制定详细的手术方案，可以更加有效的提升教学水平。

参考文献

[1]Lindberg A W，Bompadre V，Satchell E K，et al.Patient factors associated with delayed diagnosis of developmental dysplasia of the hip[J].J Child Orthop，2017，11(3)：223-228

[2]许瑞江.8岁以上儿童髋关节发育不良的手术治疗[J].武警医学，2013，24(12)：1013-1016

[3]黄国秀，谭海涛.3D打印模型在椎间孔镜手术教学中的应用进展[J].中国医学教育技术，2017，31(4)：460-464

[4]杨洁，刘瑞儒，霍惠芳.3D打印在教育中的创新应用[J].中国医学教育技术，2014，28(1)：10-12

[5]李青，王青.3D打印：一种新兴的打印技术[J].远程教育杂志，2013(4)：30-35

[6]黎加厚，杨小哲，杨高云.三维打印技术的发展对教育的启迪[J].中国医学教育技术，2013，27(2)：1-5

[7]王栋，赵波，李锋涛，等.上颈椎3D打印模型在骨科规范化培训教育中的应用[J].中国继续医学教育，2015(19)：23-24

[8]周华，于淼，刘忠军.3D打印模型在脊柱侧凸教学中的辅助作用[J].中国医学教育技术，2017，31(2)：67-69

[9]姬文晨，蒋婉婷，李志强，等3D.打印结合PBL在骨科住院医师规范化培训中的应用[J].中国医学教育技术，2017，31(1)：65-67