3D 打印技术在脊柱畸形教学中的应用

郭继东 赵彦涛 陈巧灵 李利

脊柱畸形是脊柱外科教学中比较难以理解、难以教学的一部分内容。很多专业领域研究生都反映这部分内容不容易掌握记忆。在以往的传统教学中，多以课本知识讲解为主，X 线、CT 等二维图像解读为辅，学生很难在短时间内掌握相关知识，即使死记硬背后很快就会遗忘。近年来随着 3D 打印技术的逐渐成熟，因其具有良好的直观性，可操作性，该技术在基础解剖[1]、手术模拟[2]、儿童脑部MRI 学习[3]、儿童先天性心脏病[4]等医学领域的教学中被广泛应用。笔者尝试将 3D 打印教学模型应用到脊柱畸形的教学实践中，显著提高了教学效果，现报告如下。

资料与方法

一、研究对象

选取 2018 级解放军医学院外科学研究生作为研究对象，排除既往有明确相关基础的学生。共入组研究对象 52 名，其中男 43 名，女 9 名。平均年龄( 24.3±3.7 ) 岁。按照抽取电脑生成随机数的方法随机将研究对象分成传统教学组和 3D 打印教学组，每组 26 名学生，所有学生对本研究均已知情同意。入组对象一般资料见表 1，统计结果显示两组间差异无统计学意义。

二、教学方法

两组学生均按照教学大纲和解放军医学院教材进行脊柱畸形教学培训，学制为小班课，共 2 学时。带教老师均为脊柱外科高级职称的资深教员。传统教学组：传统教学组主讲老师主要通过幻灯片放映，根据教学大纲，对学生逐一进行知识点的提问、巩固。辅助教具主要包括纸质版教材及相关参考书籍。3D 打印教学组：在传统教学教具的基础上，根据幻灯片讲述病例制作 3D 模型 ( 我科实验室使用广州华钛三维材料制造有限公司生产的打印机自行打印 )。打印材料使用价格相对较低的 PLA 材料，无特殊气味，成型后为乳白色 3D 脊柱结构，触之略软于真实椎体，打印的教具完全重建了脊柱的三维畸形，和人体脊柱接近 1∶1 比例 ( 图 1 )。让学生使用 3D 打印模型可以进行直观的学习以加深记忆。

三、教学效果评价

课程结束 1 周和 1 年后分别由相关专业 3 名专家共同出题进行专项知识考核，考核内容主要包括四个方面，分别是脊柱畸形的基本概念，常见不同类型脊柱畸形，特发性脊柱畸形的分类，常用的手术方式选择和适应证，总分 100 分。

四、统计学处理

使用 SPSS 16.0 软件进行统计学分析，计量资料以±s表示，采用t检验，计数资料采用χ2检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

结 果

专项考核结果显示 3D 打印教学组课程结束后成绩平均分高于传统教学组，但两组相比差异无统计学意义 (P＞0.05 )。但 1 年后再次进行测试时两组实验对象考试成绩 3D 打印教学组要明显高于传统教学组，两者差异有统计学意义 (P＜0.05 )。两组实验对象成绩差异主要集中在基本概念和手术方式选择两个方面。具体结果详见表 2。

表 1 入组对象一般资料Tab.1 General information of 2 groups

图 1 a：严重脊柱畸形的 X 线表现；b：3D 打印教具Fig.1 a: X-ray image of severe spine deformity; b: 3D printing model

表 2 3D 打印教学组和传统教学组考核成绩比较 (±s)Tab.2 Comparison of scores between 3D printing group and traditional teaching group (±s)

表 2 3D 打印教学组和传统教学组考核成绩比较 (±s)Tab.2 Comparison of scores between 3D printing group and traditional teaching group (±s)

分组 结课时考试成绩 ( n＝26 ) 1 年后考试成绩 ( n＝26 )传统教学组 75.1±8.0 61±10.8 3D 打印教学组 78.3±7.7 70±8.9 t 值 0.921 2.369 P 值 ＞0.05 ＜0.05

讨 论

随着现代医学的发展，医学的亚专科划分的越来越细，有越来越多的专科知识需要医学研究生学习和掌握。骨科教学以往多停留在二维影像的学习中，没有三维立体结构的展示，学生很难在短时间内掌握复杂的解剖结构，对于和形态密切相关的脊柱畸形的教学更是如此。这部分内容“教师很难讲透、学生很难吃透”，而且很多学生反映当时勉强形成了瞬时记忆，但是很快就完全遗忘或者混淆，难以形成深刻的印象和长期的记忆。

1986 年美国科学家 Chuck Hull 开发了第一台商业 3D 印刷机[5]。此后随着该项技术的不断发展，成本逐渐降低，已经大量应用于日常生活的方方面面。医学领域 3D 技术已经广泛应用于肿瘤切除、创伤修复、心脏瓣膜置换等多个领域[6-7]。目前，已有报道将 3D 打印技术应用到神经外科、口腔科、心外科等学科的教学中[8]，并获得了满意的效果。

脊柱畸形是脊柱外科研究领域的明珠，也是授课的难点。此类疾病的诊断和治疗更多依靠影像学上的几何形态，对学生的空间理解能力要求极高，不容易完全理解和掌握[9]。由于畸形属于三维结构，通过二维的影像学资料难以让学生对该病有透彻的理解。本研究中将教材中的病例利用 3D 技术打印成模型，在课堂上每名学生都可以直观的触摸感受三维结构的典型病例，有利于加深理解和记忆。本研究的结果也证实使用 3D 打印教学组的成绩优于传统教学组。

从知识获取的角度来说，我们对外界信息的存储记忆分为形象记忆和抽象记忆。形象记忆是以事物的具体形象为主的记忆类型；抽象记忆是以文字、概念、逻辑关系为主要对象的抽象化的记忆类型。形象记忆直观易记，相对不容易遗忘。但是很多书本知识都是间接知识，属于抽象内容，不利于记忆。传统的教科书即使有很多影像学资料帮助理解和记忆，但是由于书本或屏幕上只能是平面图，难以讲授并让学生在大脑中形成三维构型。因此在需要有三维空间概念的脊柱畸形的教学中，引入的3D 打印教具，无需学生头脑中二维到三维的转换，直接面对的就是直观的讲述内容，从而形成更加直接的形象记忆。这可能是 3D 打印教学效果优于传统教学方式的原因之一。

短时记忆的实质是大脑的即时生理生化反应的重复，而中长期的记忆则是大脑细胞内发生了结构改变，建立了固定联系[10]。有意思的是在结课 1 年后再次对学生进行测试时发现 3D 打印教学组的成绩要明显优于传统教学组 (P＜0.05 )。说明 3D 打印教学更有利于形成较好的长时记忆，原因可能在于更直观的知识接受更有利于大脑形成长时记忆。学习的知识能够成为长时记忆对学生以后开展临床奠定了坚实的基础。

当然，考虑到实验设计、分组和样本量等的局限性，本研究存在一定的不足。但是应该能够认为将 3D 打印技术引入骨科教学培训中，特别是应用于对形象记忆要求比较高的诸如脊柱畸形的教学中，能够收到更理想的教学效果，具有良好的推广应用前景。