3D打印结合三维有限元分析在骨外科学PBL临床教学中的应用研究

周建华 张西兰 杨宗德 辜 伟

（重庆市綦江区中医院骨伤科，重庆 401420）

0 引言

临床解剖学是任何医学专业的关键组成部分，掌握解剖学结构对于临床医学非常重要，而骨外科学具有多变性、复杂性以及多样性，成为临床医学教学的难点学科之一。传统解剖教学是通过尸体解剖、解剖图谱和医学图像进行的，然而，每一种方式都有自己的局限性，并且尸体解剖学的管理有一定的难度[1]，对接触含福尔马林防腐液的学生和工作人员的健康和安全也要关注[2]，二维平面上的解剖图集和医学图像在为学生和学员提供必要的动手经验或空间细节方面远不理想[3]。虽然大量的解剖学电子学习平台兴起，但很少有证据表明其在加强学习方面取得了成功[4]。如何提高学生解剖学空间思维能力？如何做到资源多元化与反复利用？因此寻找另一种新的替代方案是非常有必要的，而三维打印（3D打印）创造了人类解剖教学模型的新方法，并与现代有限元分析（FEA）及情景化教学（PBL）相结合，探讨“互动式”教学，加深学生对骨外科学的认识与理解。

1 资料与方法

1.1 一般资料

在本次试验研究中将选取2019.07—2020.11在骨伤科实习的实习医师60名，并采用随机分组方法分为对照组与试验组，实验组将采用3D打印结合FEAPBL教学方法，对照组采用传统教学方法，两组学生的一般情况如性别、年龄、学校无统计学差异（P＞0.05），具有可比性。

1.1.1 病历设计的选择

临床教学病历的选择符合临床骨外科学教学大纲，能体现病历的典型性与延伸性，能够起到师生互动，相互探讨的作用，使学生对骨科学解剖具有一定的认知，将所学临床知识运用于临床实践。

1.1.2 3D打印模型制作设计

3D打印技术是通过逐步逐层打印实体三维模型，本研究通过导入有效骨扫描CT数据到Mimics中对骨区域进行一层层填充，进行计算机自动生成实体化导出STL格式（图a），通过3D打印机打印出模型（图b），将抽象的骨科解剖学影像学图像转化为具体模型（图1）。

图1 b实体打印模型

图1 a数据模型图

1.2 方法

1.2.1 对照组

按照传统的临床教学方法进行教学，即临床带教教师带领学生在患者床旁进行讲解教学，最后记录该组学生的成绩及问卷调查结果，并做好登记。

1.2.2 实验组

采用3D打印结合FEA的PBL教学模式进行教学，首先带教教师按照骨科实习大纲选出典型的、可延伸的及常见的病历，并查阅国内外相关骨科生物力学有限元文献，向学生提出骨科相关疾病重点问题，引导学生先自我学习查阅资料，收集数据等内容，再次利用典型疾病的CT扫描数据进行3D模型打印，然后进行集中讨论学习，阅读分析相关有限元力学文献，每人进行发言讲解，并在打印模型上进行模拟操作训练，记录该组学生的成绩及问卷调查结果。

1.3 指标评价

临床教学完毕后分别对学生进行理论成绩考试和教学方案评价，同时对每一组学生进行临床教学评价调查。

1.4 教学效果评价

两组学生均采用不记名问卷调查及出科考核模式，出科考核总分为100分，其中理论知识占60%，操作部分占40%，理论知识加操作为该生总分成绩。

1.5 统计学方法

此次试验数据利用SPSS17.0软件进行分析，对试验数据分别进行t检验和卡方检验，P＜0.05具有一定统计学意义。

2 结果

（1）两组学生在出科考核成绩上进行比较，实验组学生成绩优于对照组，差异具有一定统计学意义（P＜0.05），如表1所示。

表1 两组教学模式对学生骨科实习出科成绩的影响（分，x±s）

（2）两组学生在问卷调查结果数据上进行比较，实验组的调查部分结果均优于对照组，差异具有一定统计学意义（P＜0.05），而研究组和对照组中在课程满意度及医患沟通能力方面，差异调查无统计学意义，两组试验结果无明显差异性（P＞0.05）见表2。

表2 问卷调查分析结果（n）

（3）结果分析。在本次研究中对实验组及对照组数据进行分析、比较，实验组学生考核成绩明显优于对照组，在问卷调查结果中发现，教学课程的满意度及提高学生的医患沟通能力无明显差异，说明在不考虑教学效果及教学模式下，在临床教学中带教教师无论采用何种方法均能得到学生较高的认同，而在提升学生医患沟通能力上实验组及对照组分别只有73%、63%的满意度，无明显差异性，提升医患沟通能力除了需要扎实的基础知识，更需要临床经验的积累，说明在临床中除了讲解临床知识外，更需要学生切身体会，慢慢积累经验。然而问卷调查其余部分如预期教学效果、提升学生积极性等方面，实验组均优于对照组。

3 讨论

骨外科学需要有较好的解剖学、影像学及生物力学基础，才能熟练地掌握骨外科临床相关疾病诊治及手术技术，对于骨科教学更需要在临床实践中开展，但在骨科临床教学中解剖标本及可用于教学的内固定器械材料相对缺乏，在教学中学生难以接触实体模型，仅仅依靠目前影像学数据、彩图及相关的医学软件进行感性认识，完全需要学生有极强的想象力，但无法进行实地操作模拟，缺乏有效的冲击感，以问题为导向的教学法（problem-based learning，PBL）是需要带教教师设定一定医学专题并让学生进行讨论，在讨论中激发学生的积极性，从而培养学生的自主学习能力和互动能力，其主要的教学步骤为提出问题、操作训练、组织讨论、总结归纳。其最主要的缺点在于学生缺乏临床经验，基本需要教师全程讲解[5]，传统教学仅限于解剖尸体和遵循教科书中的参考图纸。尽管尸体解剖的价值是不可替代的，但毫无疑问，数字技术可以极大地促进解剖学习，三维数字模型提高了对复杂解剖结构及其特殊关系的理解，有助于提高人工技能和手眼协调能力，并且有限元分析能够提升学生对生物力学的认识，使学生对骨科受伤机制及疾病发生生物力学原因有进一步深刻的理解[6]。有证据表明，3D模型在与现有教学方法结合使用时是有帮助的，将3D打印模型应用到骨科临床教学中，可提高学生的临床资料收集力、病例分析能力、个人学习主动性创新能力、分析及解决问题的综合能力等[7，8]。McMenamin等人详细概述了3D打印技术能解决的一些解剖学教育问题，如成本、获取捐赠人体的困难等，且3D打印具有高度的准确性[9]。3D打印技术目前被广泛应用于各个领域，被称为“第三次工业革命的标志[10]”，3D打印模型准确度高，可重复利用，可以为临床教学提供更为直观的三维图像信息[11]。并且3D打印模型易于长期保存，能够实现模型反复操作、反复观摩的优势，已经成为医学实践的一个组成部分，被迅速纳入医学学术课程，在住院训练和医疗保健等方面具有明显优势[12]。有限元分析（FEA）是利用现代计算机技术模拟生物模式进行力学分析，从而得出相关生物模型整体及局部的应力、位移大小，是骨科力学分析重要的工具，通过与实体模型结合向学生讲授，使得学生对骨科生物力学有更进一步地认识。有研究表明，3D打印结合有限元分析能够对临床教学有着显著效果。

综上所述，将3D打印结合有限元分析应用在骨科PBL教学模式中，能够充分调动学生和教师的积极性，促进学生对骨科基础知识的理解，对于骨科临床教学具有一定的应用价值。