3D 打印技术在新时代骨科临床教学中的应用

吴骏豪 王洪 叶哲伟 黄玮*

1 骨科临床教学现状与新时代面临的挑战

1.1 临床教学现状

1.1.1 教师教学困难

按照教学大纲，医学生在本科阶段学习的解剖学知识是基于正常人体的; 另外，本科生尚未参与临床诊疗工作，难以接触患者，天然缺乏对病变骨骼结构的直观认识。

在骨科疾病的临床教学中，授课教师们往往发现，在内科疾病教学中应用广泛而效果良好的传统教学方法，如PBL教学法，取得的教学效果却不尽人意。究其原因，固然有骨科疾病本身涉及解剖部位多、病变部位结构复杂，对学生空间想象和综合知识要求高;但是当前骨科临床教学中使用的插图、影像学资料（X 线、CT、MRI）对解剖复杂的骨骼疾病，如髋臼的骨折，不能立体，直观地展示解剖变化，以致教师在授课时难以解释清楚也是一方面的原因[1]。

图1 薄层CT 示患者髋臼骨折

此外，同种疾病常有多种治疗方案，选择哪种方案对患者更加合理，更有利于患者恢复至关重要[2]。制定个性化治疗方案需要医生能够通过影像学检查判断患者病情严重程度，而阅片能力的培养依赖的是临床的反复训练[3]。如前所述，在学生连病变的骨骼结构都搞不清的情况下，在临床教学中培养影像判读能力是奢谈。

1.1.2 学生动手训练困难

与内科疾病不同的是，骨科疾病的临床操作性强。如果在教学中只观摩医生手术，医学生仅仅能获得感官体验，学习效果大打折扣。若要进行操作训练，面临诸多困难:在动物身上进行训练，由于动物不能重复利用，训练成本高;在捐献者身体上训练，最接近真实情况，但是尸体来源稀少且受到严格限制;在教学模型上进行训练，是目前普遍采取的办法，但可供训练的模型种类尚不能满足训练要求[3]。

以上是我们在骨科临床教学中所面临的的现状。

1.2 新时代面临的挑战

习近平总书记提出的“健康中国2030 规划纲要”，指明了为人民健康服务、提高人民健康水平的医学事业发展目标。当下，老百姓对健康生活的向往、对高水平医学人才的需求与相对滞后的临床教学/人才培养方法之间产生了矛盾。如何培养高水平医学人才成为亟需解决的问题。

在骨科，由于医生的工作大多要修复损伤甚至畸变的骨骼结构。要想成为符合新时代要求的骨科医生，学生需要在病变骨骼解剖结构和动手操作方面打下扎实基础[4]。如何培养学生这两方面的能力是骨科临床教学所面临的挑战。

在科学技术飞速发展的新时代，我们不应该故步自封于传统教学方式中，如何合理应用“黑科技”辅助教学成为我们关注的重点。具体到骨科临床教学，我们最关注的是: 如何找到一种既可以经济、直观、形象展示病变骨骼结构，能最终回归到辅助学生提高影像学判读能力，又可以给学生提供动手训练机会的“黑科技”。

2 3D 打印技术的兴起和在骨科临床教学中应用的情况

诞生于20 世纪90 年代的3D打印技术是以数字模型为依据，通过逐层打印叠加可黏合材料，制造实体复杂结构模型[4]。作为一种新型快速成型、制造技术，3D 打印可以与数字化医学影像设备结合，定制个性化的生物材料，因此越来越为医学界，尤其是骨科所青睐。受到启发的教育工作者想到，既然3D 打印技术可以用于为患者制造匹配的骨关节耗材，我们也可以使用3D 打印技术去制造我们所需要的骨骼病变结构。这样，3D 打印技术可以有效解决骨科临床教学所面临的教师讲不清病变结构，难以培养学生影像学判读能力，学生缺乏训练机会等问题。

目前，3D 打印技术已经在国内一些医学院/医院用于骨科临床教学。我们从3D 打印模型的数字建模，3D 打印模型在教学里的具体应用及教学效果对其做初步总结。

2.1 3D 打印模型的数字建模

3D 打印模型的制造和材料在这里不加赘述，我们着重讨论目前构建数字模型所依据的（数字化）影像检查资料，即分别基于CT 或MRI 建立模型的优缺点。

2.1.1 基于CT 资料的优缺点

目前国内3D 打印构建模型最常使用的数据是CT，CT是一种在各级医院广泛应用的X 射线三维透视成像技术，具有良好的空间分辨率以及较薄的重建扫描层厚（见图2），具有费用低、成像快等诸多优点。

图2 薄层CT 扫描示患者手部

但是CT 成像所使用的是电离辐射（X 线光），存在有害的生物效应; 并且CT 对软组织（软骨、肌肉、血管、神经）显示较差。骨关节CT 检查仅仅用于显示关节各骨结构是否完整，而不能用于关节内软组织（韧带、半月板、关节囊）的显示[5]。所构建的模型不能很好地反映病变部位的解剖关系。

但由于种种条件限制，目前在国内骨科临床教学领域，3D 打印数字模型的构建采用的基本都是患者的CT资料。

2.1.2 基于MRI 资料的优缺点

MRI 也是在医院得以广泛应用的多平面、多参数、多序列成像技术，具有极高的软组织分辨能力。在关节结构（如半月板、软骨、韧带）的显示上具有独特优势。可以很好地、真实地反映病变部位的解剖关系。此外，MRI 是一种无电离辐射的检查方式，没有有害的电离辐射[5]。遗憾的是，MRI 检查较为麻烦; 对于在体内已经植入金属制品的患者，不能接受MRI 检查。目前，在骨科临床教学里，数字模型的构建几乎没有用到患者的MRI 资料。

2.2 3D 打印模型在教学里的应用

2.2.1 3D 打印模型应用在PBL 法中 辅助学习

PBL（problem based learning）又称以基于问题导向的学习，这种方法已被教育界广泛接受，并应用于骨科临床教学中。西安交通大学杜恒等[6]研究发现，PBL 教学所使用的是预先设计好的案例。在整个病例讨论过程中学生对疾病的讨论只建立在预先给定的材料上，不能亲身感受查体。通过单纯的PBL 讨论课，学生们不能将所学的理论知识在患者身上逐一验证，难以真正提高对某种疾病的认识。这一点尤其体现在外科（骨科）疾病中。但是，当3D 打印模型加入到PBL 教学中后，浙江大学唐梦龄等[4]发现在PBL 中应用3D 打印模型，可以为实验组同学提供感知结构以及动手训练的机会。一段时间后，实验组在操作技能、理论学习以及在学习能力培养的评价中远远高于只使用PBL法的对照组。这样的结果足以提示，骨科学理论知识的掌握和局部解剖的理解是相辅相成的。3D 打印模型展示解剖结构方面的独特优势让学生更加易于理解病变局部解剖结构的变化。所以，3D 打印模型可以有效弥补PBL 教学重理论、轻实践的缺陷; 让学生对病变骨骼结构的理解更加透彻，从而解决我们在教学中面临的讲不清病变解剖结构的问题。

图3 是华中科技大学同济医学院在PBL 教学中使用到的3D 打印教学模型（骨盆）。通过在课堂教学中让学生不断观察3D 打印模型，授课教师普遍发现相较于传统PBL 课堂授课（仅有文字材料）的学生，使用3D 模型辅助学习的学生对于复杂部位结构，以及其他学科相关的知识（如产科学中骨产道径线长度的测量）的理解和掌握要更为透彻。借助直观立体的教学模型，教师摆脱了枯燥冗长、抽象难解的课本文字，直接在模型上做教学答疑。学生在讨论问题时也可以摆脱抽象“文字争论”转而采用更加客观准确，直观的实物说明方式，充分发挥PBL 教学的优势。

图3 通过3D 教学模型可以直观感受图1 所示复杂部位结构

2.2.2 3D 打印模型结合计算机辅助导航技术 辅助练习

3D 打印模型不仅可以用于直观展示病变局部的解剖特点，揭示疾病的损伤机制; 还可以用于为学生提供动手训练平台。遗憾的是，受限于各种条件，这项教学手段还未在我校开展。我们无法获得第一手的实验数据。但借助文献以及公开的报道，我们还是可以窥知一二。

在3D 打印模型如何用于学生动手训练方面，中国医科大学附属第一医院周晓枢等[3]做了如下探索: 他们的做法是将3D打印模型与在神经外科手术中常使用的计算机辅助导航技术结合，让学生在计算机辅助导航的引导下在3D 打印模型上进行操作训练。训练过程中，计算机辅助导航系统不仅可以实时显示手术器械的的操作情况;还可以通过即时反馈机制，实时反馈操作者在操作过程中出现的错误[7]，促使学生通过不断地练习提高手术精准度。通过了解系统记录并且反馈的问题，学生可以在训练结束后自我反思，调整自我训练计划，加强对薄弱环节的训练。其最终结果表明，3D打印模型上动手训练过的同学在操作水平上远远超过那些没有参加训练的同学。这种方法可以有效解决教学过程中面临的学生动手难问题。

然而，这种方法面临的最大困难是经济上难以实现，很难在全国所有的教学医院进行推广。但可以作为一种有益的尝试，在有条件地区和医院开展。

2.2.3 传统课堂教学结合3D 打印教学 辅助学习

在外校的临床教学中，根据广东医科大学杨大志等[8]的研究: 在骨科临床教学中，将患者的影像检查资料用3D打印机打印成1∶1 大小模型。将随机选取的学生分为实验组和对照组，实验组在传统课堂教学中加入3D 打印模型，而对照组还是采用传统的课堂授课方式。最后通过理论考核、标准化患者考核及主观评价比较教学效果等手段证实:实验组学生的理论考核成绩、标准化患者考核、学习能力、理解能力、实践操作能力等方面评分均优于对照组。另据广州中医药大学张华[9]的研究，在临床上选择80 名学生，随机均等分为实验组和对照组。在实验组教学里选用在临床中有代表性的案例，制备1∶1 等大的3D 打印伤情模型。让实验组学生做出最佳的治疗方案，并在模型中进行手术操作。对照组学生仍继续接受传统的课堂授课教学。最终结果表明，经过2 种不同的教学方法，实验组学生的学习效果明显优于对照组，而且在对学生学习兴趣、学习积极性、自学能力方面的问卷调查中，实验组学生的调查结果亦优于对照组。

2.3 教学效果总结

综上，在骨科学生的临床教学中应用3D 打印模型，较之以往的教学方法，可以有效地解决教学中所面临的教师讲解病变结构困难、学生动手机会缺乏的问题。全方位地改善学生对知识和临床技能的掌握，提升学生对学习骨科的积极性和动力。

但是笔者也注意到，由于3D 打印模型带来的教学上的便利和认知上的直观，医学影像学的教学则容易被教师忽视。这是一个需要被纠正的教学失误。3D 打印技术应用在骨科临床教学的目的之一是为了更好地帮助学生提高影像学判读能力，所以我们不能在教学中“舍本逐末”。在教学中，当学生已经通过3D打印模型直观地掌握了病变骨骼的结构后，还是要回归到医学影像学的教学中，最终在一次次的训练教学中培养学生通过阅片分析病变骨骼结构的能力。

从以上种种结果分析，笔者推荐的新教学方案是: 教师先在传统课堂授课上或者PBL教学里使用3D打印模型让学生理解清楚疾病的病理解剖，加深对书本理论知识的理解;随后要一方面通过立体模型与影像学资料结合培养学生的读片能力，另一方面在计算机导航的辅助下进行动手训练。这样做，可以弥补学生空间想象能力不足和动手实践缺乏。通过这种方法培养出的学生，其医学素质明显优于传统教学，可以达到新时代人才培养的要求。

3 3D 打印模型在骨科临床教学中的展望

3.1 优势所在

（1）3D 打印技术自身的特点要求其必须依托具体的病例来实施。建立3D 打印数字模型所需要的影像学数据，可以从医院的病例数据库中获得。打印获得的3D 模型可以作为病例数据库的一个组成部分，整体运用到临床教学中。这种结合能够充实医院病例数据库的内容[10]。

（2）3D 打印模型能够使患者影像学检查资料真实、直观、立体地展示在学生面前（见图4）。视觉与触觉的直接感受减少了对学生空间想象力的要求。学生也可以在教师的讲解下对病变局部解剖结构有更深的认识。辅助提高学生影像学判读能力。

图4 基于图2 CT 图像所打印出的患者手部模型

（3）借助3D 打印模型和计算机导航技术的辅助，学生可获得在模型上操作训练的机会，亲身体会骨科操作，从而在在保证医疗安全的前提下，培养了学生的操作能力。

（4）3D 打印模型使用的可重复性保证了教学成本在经济承受范围内，可以推广开展。

3.2 不足之处

3D 打印模型虽然在一定程度上弥补了现有教学手段的缺陷，但受限于3D 打印技术本身的发展，目前采用3D 打印技术制造出来的模型仍存在以下不足:现在制造出的3D 打印模型没有附着的软组织，不能显示同行血管、神经、肌肉等软组织的分布;3D 打印技术在临床上仍处于应用的初级阶段，其技术本身还需要工程学和材料学的不断完善;利用3D 打印模型进行动手训练，与在实际人体操作相比，尚达不到完全一致[1,6]。

3.3 前景展望

总而言之，目前受限于工程学和材料学的发展，3D 打印技术在临床上的应用仍然处于初级阶段，我们还无法制造出与实际病例完全一致的模型/植入物供临床使用。但毫无疑问的是，3D 打印技术所制造的模型/植入物已经能够满足骨科临床教学的要求。具备在骨科临床教学中广泛使用的基础。我们相信随着科学技术的不断发展，3D 打印技术现存的缺陷将得到解决[11-13]，3D 打印技术在医学领域中的应用必将进一步深化。