3Dbody 和Mimics 软件在创伤骨科临床教学中的应用

姚 翔，袁即山

（江苏大学附属人民医院，江苏 镇江 212002）

外科学是临床医学生的必修课，在本科临床医学外科教学中，创伤骨科章节是骨科内容。该章节主要讲解全身各处骨骼的解剖基础、骨折移位方向、损伤机制和治疗方案。教科书相关章节内容涉及较广，具有“三多一少”的特点：部位多、机制多、分型多但范例少。教科书篇幅有限，仅提供少量二维的手绘示意图和检查影像，不能详细展示骨骼的三维生理解剖、损伤移位形态以及复位固定方案。学生想要在短时间内掌握多处骨骼的局部解剖、骨折损伤定位、骨折移位方向、骨折的分型等相关知识点难度较大。每个部位骨折的损伤机制、分型、移位方向和治疗方案都是教学的重点及难点。与外科学其他章节相比，创伤骨科章节的教学效果往往不尽如人意。如何在创伤骨科部分教学中让学生快速掌握更多的骨骼解剖和骨折相关知识是值得研究的课题。

针对传统教学模式的不足之处，教师在教学过程中不断尝试使用声光电多种教具及教学手段来提升展示效果和学生的专注度。医学图像软件具备任意角度重现人体骨骼、肌肉、血管、神经等主要大体结构的功能，对骨骼的正常解剖形态以及骨折形态刻绘具有明显优势。许多教师尝试使用精美直观的医学图像软件来提升课堂教学效果。文献中有多种医学图像软件用于教学的报道，其中3Dbody 和Mimics 软件是应用最广泛的两种医学图像软件[1-4]。3Dbody 是一款展示正常生理结构解剖的图像软件，Mimics 是一款可以实现图像重建、骨折建模、虚拟复位、模拟手术等诸多功能的图像软件。本文探讨两种医学图像软件在创伤骨科临床教学中的具体应用、实践效果、优势和不足之处。

1 两款图像软件功能简介

1.1 3Dbody 软件

3Dbody 即三维人体，是由中国上海桥媒信息科技有限公司生产的一款3D 交互解剖教育软件，可以在手机和电脑上安装。该软件提供三维的全身解剖结构数字模型，每套包括5 000 多个人体结构，是目前国内较完整全面的解剖学软件。该软件涵盖了人体所有系统，提供骨性结构形态、肌肉形态位置和起止点、肌肉功能描述、神经支配描述等信息。软件中的立体贴图拟真度较高，较传统平面彩绘图谱提供的骨骼与周围结构关系更为直观。3Dbody 软件的基础功能是免费的，学生可以免费下载安装后从任意角度观察各解剖结构的空间位置以及毗邻关系。软件的收费部分还提供3D 熟悉解剖，经络穴位，肌肉动作动画，肌肉起止点、触发点，断层解剖、肌骨超声等信息。

1.2 Mimics 软件

Mimics 是Materialise's interactive medical image control system 的缩写，是比利时Materialise 公司发明的一款影像管理系统，是模块化结构的医学软件。Mimics 可以实现非常多的医学图像功能，是一款非常强大的医学图像处理工程软件。该软件具有支持图像导入、图像多角度形态分割和图像可视化功能。在骨科教学中，Mimics 软件可以用于辅助实现多种骨折模型建立和模拟手术的展示。教师可以使用软件内的图像可视化模块导入CT 扫描的薄层DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）图像，选取默认骨阈值范围，逐层手工填补所有骨内空洞，重建计算出骨的有限元几何模型，对3D 实体进行平滑处理，得到各种骨折的三维模型并根据教学需要展示各部位骨折的损伤机制、分型理论、虚拟复位和模拟手术固定环节。

2 教学具体应用

2.1 生理解剖知识教学

以肱骨骨折为例，3Dbody 软件提供了上臂的皮肤、肱骨、骨连接、各肌肉、三大神经、淋巴和动静脉等解剖模型，并支持显示或者隐藏部分结构。在创伤骨科相应章节教学开始前，通知全班学生在手机上安装该应用程序并提前预习。课堂上教师展示软件内的截图和录制的视频，也可以利用手机投屏直接在大屏上选择解剖结构进行对应的展示。课后学生再次复习巩固相关知识。学生可以通过点选以突显肱骨上各肌肉的起止点以理解肱骨近端骨折后受肌肉牵拉移位趋势的差异，也可以突显肱骨与桡神经的毗邻关系以理解肱骨骨折伴发桡神经损伤的原因。股骨骨折后随着骨折部位不同，断端成角移位具备明显的特点。近端骨折会产生外展外旋畸形，中段骨折则形成外侧成角畸形，远端骨折则产生远端骨块向后方移位。学生通过观察股骨的肌肉附着后可以对上述移位特点有更深入的理解。

除了创伤骨科章节，在其他需要凸显骨骼与脊神经关系的章节，比如颈椎间盘突出症、腰椎间盘突出症等，该软件也具有明显的优势。学生可以在课前、课中和课后借助软件学习骨科各章节脊柱、骨盆、四肢等各部位重要的解剖知识。该学习过程直观性好，经济成本低，重复性高，不依赖尸体标本，有助于学生掌握正常生理解剖结构。

2.2 损伤机制教学

骨折的损伤机制在创伤骨科既是重点也是难点，不同的损伤机制带来不同的典型骨折线分布、断端移位和成角方向。桡骨远端骨折就有屈曲和背伸两组损伤机制及伴随的不同畸形。以肱骨髁上骨折为例，教科书上列出了屈曲型、伸直型、尺偏型和桡偏型4 个类型代表着不同的损伤机制，它们可以单独或者合并存在。教师找齐每个损伤机制的示范三维CT 的难度很大，学生只看教科书的示范图并不能完全理解复杂的损伤机制类型。教师利用Mimics 导入肱骨骨折患者的CT 图像后可以重现肱骨髁上骨折的三维模型，再参照典型的各部位不同类型（比如屈曲型、伸直型）的骨折线走行，设计不同角度的0.5 mm 厚度切面，将目标骨切割成多段，形成典型的骨折线和骨折模型，进而对骨块进行平移、缩放、旋转和剪裁以建立上述各种损伤机制的骨折模型。这样可以增加多种骨折模型的例数和种类。各种类型的骨折模型的三维可以同时展示，不同损伤机制的骨折块移位方向和断端成角方向一目了然，学生更易理解和记住复杂的损伤机制与损伤关系。

2.3 骨折分型教学

骨折的分型是指根据骨折的损伤形态、移位方向、损伤机制、预后评估的一种综合分类。骨折分型知识的掌握对于本科临床医学生而言难度较大。教科书上对于骨折的分型描述大多列举了最经典的分型方式。踝部骨折使用了Danis-Weber 和Lange-hansen 分型法，包含内翻内收型、外翻外展型、内翻外旋型和外翻外旋型4 种损伤形态。以胫骨平台骨折为例，教科书中提供了Schatzker 分型6 型的图示[5]。该分型是1974 年基于X线提出的分型，存在许多不足，比如：不能描述后柱损伤情况，没有记录腓骨损伤情况，不能评估预后等。在实际工作中，常用的分型为基于CT 的三柱分型、四象限分型和笔者2018 年提出的四柱九区分型理论[6-8]。在该章节教学时，我们会使用Mimics软件制作胫骨近端的三维模型，并按照Schatzker 分型、三柱分型、四象限分型以及四柱九区分型理论分别进行切割划分成对应的区块。学生通过典型的分区划分示意图可以快速了解和熟悉胫骨平台骨折的经典分型和最新进展。

2.4 模拟手术演示

传统的手术教学的主要手段为播放真实手术录像。该方式存在一些不足：（1）拍摄的主刀视野往往清晰度不够，术野内组织分离不可能彻底暴露。（2）很多骨科医生会在小切口或者经皮切口完成手术，而不是在视野开阔的大切口内操作。学生只看手术录像无法直视骨折的移位和成角方向，也很难理解手术中的复位技巧。（3）视频信息量有限，无法多角度反复观看复位过程。（4）学生无法了解骨科常见内固定的方案和操作原理。

在Mimics 软件中，可以对已经建立的骨折模型进行虚拟复位并使用接骨板/螺钉/髓内钉等内固定模型进行固定。以胫骨平台骨折为例，在演示了三柱、四象限或者四柱九区划分的基础上，可以针对每个存在损伤的柱/区进行旋转、平移等虚拟复位操作，达到复位满意的程度后再使用接骨板、螺钉对每个柱/区的关节面、边缘、侧壁和韧带止点进行精准化固定修复。教师录制上述步骤的视频并在课堂上播放，可以非常直观地演示逆损伤机制的复位步骤和接骨板/螺钉/髓内钉固定操作，有助于学生快速掌握骨折的损伤机制和固定方案。学生在课堂学习时不存在观看死角，可以重复多角度观摩，收到较好的课堂教学效果。现在的医学院规模较大，学生数量较多，全班学生都到手术室参观手术不太现实。清晰的模拟手术视频可以起到较好的示教作用，满足本科教学需求，也可以避免多名医学生到手术室现场参观带来的院感管理问题。

3 软件的应用优势

3.1 清晰三维展示和配套知识点

临床学习阶段对于实践操作要求非常高。受限于尸体标本数量、手术病例选择、手术操作等限制，医学生亲自主刀在尸体/患者身体上进行精细解剖和手术操作的机会越来越少。3Dbody软件可使医学生多角度地熟悉复杂的人体解剖知识，而且每个解剖结构的配套注释包含了丰富的知识点。学生点击每根肌肉都有详细注释说明该肌肉的起点、止点、神经支配和功能，学生点击每个神经都有详细注释说明神经的走行、支配肌肉和功能。这种设计操作简便，互动性强，可提高医学生的学习积极性。联想式知识点分布非常适合医学生背诵和记忆，同时还可以记住各结构的空间关系，教学效果非常好。Mimics 软件则提供了书本上无法提供的各骨折部位的每个骨折块的三维形态以及总体的骨折移位趋势，可清晰展示成角方向，还可以三维示教骨折的虚拟复位步骤以及模拟手术步骤。这些三维立体的演示功能在二维的教科书或者手术图谱上几乎是无法实现的。

3.2 可重复

学生可以在课前、课中和课后反复多次使用软件进行针对性学习，加强记忆。操作方便、简单，不需要额外消耗教师的时间和精力进行辅导。考试后学生也可以再次学习相关知识点，以弥补考试中遇到的知识空白点。

3.3 多模式多角度

3Dbody 软件提供了突出显示单个或数个结构的功能，可以将周围其他结构进行透明或隐藏，而后进行多角度观察，为目标结构的解剖特征的学习提供了极大便利。3Dbody 软件也提供了将单个或数个结构透明或隐藏而周围结构正常显示的功能，该功能对于观察目标结构与周围结构的毗邻关系以及手术入路的理解有非常大的帮助。Mimics 软件除了有上述功能，还具有实现目标结构的切割、移动、翻转、拼接、扩大、缩小等功能。两个软件提供了实物标本无法实现的多模式多角度的观察模式，便于学生学习目标结构以及毗邻结构的解剖要点。

3.4 经济成本低

3Dbody 软件对于学生非常友好，免费的基础解剖功能模块已经可以满足本科医学生日常学习使用，经济成本几乎为零。若学生有高级的使用需求，比如想学习精细解剖、肌肉动作解析、基础动作、疼痛触发点等模块，可以加入软件的会员，目前会费一年约200 元。

Mimics 软件正品的全功能版本需要数十万，对于普通教师而言非常昂贵。网络上有该软件的免费版或者部分功能版本可供下载使用。《中华人民共和国著作权法》认定可以不经著作权人许可，不向其支付报酬的行为包括如下条款：为学校课堂教学或者科学研究，翻译或者少量复制已经发表的作品，供教学或者科研人员使用，但不得出版发行。如果教师将该软件用于小范围课堂的免费教学展示，属于个人研究和学习用途的范畴，不属于严重侵权行为。若教师未购买正版却将该软件用于以营利为目的的大规模商业用途，将会存在被认定为侵权和被索赔的风险。

4 软件的不足之处

4.1 准确度有限

3Dbody 软件显示的模拟人体结构只能代表最典型的正常解剖形态，永远不能涵盖解剖结构的个体变化以及各种解剖变异情况。骨科变异情况发生较多的有：浅表静脉分布、各种副骨、坐骨神经从梨状肌穿出形态等。在3Dbody 软件内椎动脉和颅底的距离较远，而实际术中椎动脉弯曲和颅底的距离非常近。不管软件上的模拟结构的形态如何仿真，基于尸体解剖所见或者术中实体解剖的结构形态分布依然是人体解剖知识学习以及术中暴露处理的金标准。

4.2 不能完全代替实体教学

软件只能作为辅助工具帮助学生认识各解剖结构的位置和相应的体表标志，不能代替在真实人体上的触诊操作和专科体格检查。教师可以在教学过程中将两者结合，让学生在3Dbody 软件中学习和观察，再各自扮演人体模特互相进行仔细全面的体格检查。创伤骨科中四肢骨折章节涉及的骨骼和部分肌肉相对表浅，该特点比较有利于学生通过触诊了解骨性结构的分布和毗邻关系。比较容易触及的骨性结构包括指骨、桡骨茎突、尺骨、肱骨髁、肘后三角、肩峰、喙突、大转子、股骨髁、胫骨平台、内外踝和趾骨等。比较容易触诊的肌肉包括三角肌、肱二头肌、肱三头肌、肱桡肌、指伸肌、指浅屈肌、掌长肌、缝匠肌、股四头肌、腓肠肌、跟腱、趾伸肌和趾屈肌等。学生在互相体格检查的实际操作过程中，可以对照3Dbody 软件自学掌握相对浅表的骨结构和肌肉，并通过软件上的文字描述了解每个肌肉的功能和神经支配情况，边看边练习，操作和记忆同步进行，可以获得更好的学习记忆效果。

4.3 Mimics 软件需要一定的软件操作基础

医疗卫生机构常用的医学影像存档与通信系统（Picture Archiving and Communication Systems，PACS），通过该系统可以浏览和下载全院的图像数据，但一般只会给带教教师（临床医生）浏览图像的权限而没有下载原始薄层数据的权限。如果教师需要骨折病例的原始薄层图像，需到影像科或信息中心申请后通过刻盘的方式导出。将原始薄层DICOM数据导入Mimics后，骨折模型的重建以及虚拟复位需要一定的软件操作基础。在重建模型的多个步骤中，运用某个灰度值范围内的灰度值连接性分割对象的动态区域增长，在蒙罩上进行操作（腐蚀、膨胀、打开和关闭），在二维上进行孔洞填充实现所选蒙罩的精准划分，上述3 个步骤需要教师自学3～4 个小时才能熟练掌握。其余的操作比如平移、旋转、裁剪等步骤则相对比较容易上手。

在演示完毕虚拟复位后，使用预设的内固定模型接骨板/螺钉/髓内钉模型进行固定操作是模拟手术的主要步骤。软件默认是没有预设的内固定模型的，解决方法有以下4 种：（1）求助工程师或者通过网络购买已建立好的STL 格式的内固定模型；（2）利用Mimics 内模型的放大、缩小、布尔运算等功能，裁剪出需要的内固定轮廓，再绘制对应的螺钉和内固定装配并固定至骨骼模型上；（3）打开Mimics 软件包含的子程序3-matic，子程序内提供相对简易的接骨板绘制功能，可以自定义接骨板的形态、厚度、钉孔直径、方向等；（4）使用Solidworks 软件或类似工程软件按照实物尺寸1∶1 绘制内固定模型，随后以STL 文件格式导入Mimics 软件。将模型导入Mimics 后，可以利用录屏功能，录制在Mimics 内虚拟复位骨折块并使用多种固定方案固定骨骼的视频，用于教学。

5 与教学法的结合应用

医学图像软件提供的强大功能和其他教学法（如PBL 教学法等）的组合应用将会带来更好的教学效果[2，9]。教师课前将典型骨折患者的CT 影像学资料导入Mimics 软件中，建立骨折模型。课堂上，教师在学生汇报病史和查体结果后将患者的骨折三维形态展示给学生，引导学生切换进入主治医师状态，综合PBL 教学模式，让学生现场多人讨论判断病例的诊断、分型并决定手术入路和固定方案。

6 进一步应用前景

3Dbody 和Mimics 软件属于应用软件，目前在骨科科研中应用较多，在骨科教学中还未得到广泛应用，有望成为创伤骨科教学中的有力的辅助教学工具。两款软件不仅为医学本科生提供无创的低成本的学习机会，也为骨科研究生、规培生的教学培训提供了有力的技术支持。Mimics 软件是生物工程分析和设计的桥梁，已用于医学和工业多个领域。利用Mimics 构建三维或有限元分析模型的时间较传统软件大大减少，在3D 打印的工程中具有较好的基础性作用[10]。对于有志于从事数字骨科相关研究的医学生，教师可以鼓励他们加入数字骨科研究团队中并学习软件内更多高阶功能的应用。

7 结论

3Dbody 和Mimics 软件可以提供清晰的多角度的解剖结构，并展示骨折的损伤机制、分型、虚拟复位和模拟手术固定等环节，有助于医学生掌握创伤骨科章节的难点。两款软件在教学中具有可重复、多角度多模式和经济成本低等应用优势，可以弥补传统教学模式的部分不足。两款软件应用于创伤骨科教学时不需要额外添加大型设备，技术要求不高，普及相对容易，值得进一步探索和推广。