CAD 技术、RP 技术联合三维有限元分析对骨科临床教学成绩、实践技能的影响研究

刘义杰，李雪峰

苏州大学附属第一医院骨科，江苏苏州 215000

自我国卓越医师的培养计划执行以来，多个试点已在临床医学的教学中取得了良好效果。然而，因骨科对操作性、动手性等技能要求较高，且大多的理论知识较抽象，所涉及人体系统具有立体感及空间感较强的特征，而加大了骨科临床教学的难度[1]。目前，骨科临床教学多以传统方式为主，既无法让学生接受及理解相关知识点，也无法有效提升其实践的技能。在经济体制不断完善的背景下，我国的计算机得到了迅猛发展，尤其是部分医学软件的开发及应用，为骨科临床教学发展提供了有利条件[2]。其中，计算机辅助设计（computer aided design, CAD）技术和快速成型（rapid prototyping, RP）技术已受到相关研究者关注，且研究结果显示，在骨科临床教学中，通过应用CAD 技术、RP 技术联合三维有限元分析的方式，可有效增强学生参与感，在缩短理论知识、实际问题差距的同时，不断提升骨科教学质量。基于此，为了进一步研究CAD 技术、RP 技术联合三维有限元分析对骨科临床教学成绩、实践技能的影响，本研究以2021 年12 月—2022 年12 月于苏州大学附属第一医院临床医学实习的60 名学生为研究对象，科学分组后给予不同教学方式，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取本院临床医学实习的60 名学生，以随机数表法分组为两组：对照组（共30 名）采取以问题为基础的教学（problem-based learning, PBL）模式，观察组（共30 名）以对照组为基础，并采取CAD 技术、RP 技术联合三维有限元分析进行教学。其中，对照组男17 名，女13 名；年龄20～25 岁，平均（22.09±1.56）岁；测试成绩87～98 分，平均（91.41±2.36）分。观 察 组 男16 名，女14 名；年 龄21～24 岁，平 均（21.98±1.46）岁；测试成绩86～97 分，平均（91.43±2.31）分。两组学生在性别、年龄和测试成绩方面对比，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

1.2 方法

教学内容：以骨科临床教学病例为依据制订教学的方案，在选取时应选择症状相近典型的骨科疾病，而非某一单一的病种，如髋关节炎、髋臼骨折等。在编写教学病例时，可写2～3 例，内容应包括发病的机制、表现症状、初步鉴别及诊断、辅助性检查、手术治疗等。

对照组采取PBL 教学模式，详细内容为：①教师告知学生上课的内容，让其展开此类疾病理论知识预习工作，并自行采集患者床边的病史，了解疾病相关专科及体格检查内容，引导其查找有关的文献及书籍。②教师在搜集整理病患信息的基础上，编写可提升学生临床能力的实用性问题，向其告知临床诊疗方法，鼓励其发表自身对此类疾病见解及诊疗有效措施，以促进其思维不断发散。就教学全过程而言，教师只具备指引的作用，不应干预学生交流探讨过程。在组内讨论形成一致结果之后，教师给予指导并解答学生存在的疑惑及问题。③教师应讲述目前此疾病较为前沿的治疗方法及手术方式，向学生提供相关的文献及书籍。

观察组以对照组为基础，并采取CAD 技术、RP技术联合三维有限元分析进行教学，过程与对照组一致，区别在于：以骨科教学基本内容为依据，在CAD 系统中输入边界曲线，根据CT 二维图像结果，进行重叠、拉伸及布尔运算，得到三维模型；对所得三维模型进行转换，使其快速成形为标准的STL 图形格式，在激光式快速成形机中输入模型中相关内容，所选原材料为涂覆热熔胶纸，通过激光光学调制器，得到3D 骨科模型；以所得模型为依据，在研究病情、损伤机理的基础上，向学生展示出个体化、细致详尽的前沿治疗方法及手术方式，如选择及植入内固定物、放置植骨块形状及大小、估算檀骨量、手术入路和复位的方法等，在增强学生客观体验及直观感受的同时，提高教学的效果。

1.3 观察指标

对比两组学生考试成绩、实践技能。考试成绩以理论知识考核为主，包括骨科疾病定义、病因及机制、分型、诊断及治疗的方案等内容掌握程度，实践技能包括病史询问、专科检查及手术模拟等操作。两项考核的总分均为50 分，分数越高，说明学生的考试成绩和实践技能越好[3]。

对比两组学生满意度。从教学环境、互动交流、学习兴趣和知识掌握的效率4 个方面对学生的满意度进行评价，以打星方式来评价，分为非常满意、一般满意和不满意3 个级别。其中，非常满意为5 星，一般满意为3 星，不满意为1 星，满意度=非常满意率+一般满意率。

对比两组学生自我能力。从疾病病史询问、体格检查及诊断、治疗方案选择、临床技能掌握方面对学生自我能力进行评价，总分为100 分，判定标准：差（＜60 分）、中（60～80 分）、优（＞80 分），以中及优在总人数中所占百分比表示学生的自我能力水平。

对比两组学生问卷评分。以自制问卷作为评价依据，包括学习兴趣、理解水平、教学启发性、教学直观性4 方面，各项分数均为10 分，评分越高，说明学生的学习兴趣越浓厚、理解水平越高、教学的启发性及直观性越佳。

对比两组教学质量。以自制量表作为评价的依据，包括问题解决能力提升、思维能力增强、综合素养提升、职业认同增强4 方面，各维度评分范围在0～100 分，分值和教学质量呈正相关。

1.4 统计方法

采用SPSS 21.0 统计学软件处理数据，符合正态分布的计量资料以（±s）表示，组间差异比较采用t检验；计数资料以频数（n）和百分比（%）来表示，组间差异比较采用χ2检验。P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组学生考试成绩、实践技能对比

观察组考试成绩、实践技能均显著优于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表1。

表1 两组学生考试成绩、实践技能对比［(±s)，分］

表1 两组学生考试成绩、实践技能对比［(±s)，分］

组别对照组（n=30）观察组（n=30）t 值P 值考试成绩42.97±2.76 48.04±1.66 10.792＜0.001实践技能41.78±2.03 48.11±1.54 17.031＜0.001

2.2 两组学生满意度对比

观察组满意度较对照组明显更高，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表2。

表2 两组学生满意度对比

2.3 两组学生自我能力对比

与对照组相比，观察组学生自我能力明显更优，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表3。

表3 两组学生自我能力对比

2.4 两组学生问卷评分对比

与对照组相比，观察组学生问卷评分明显更优，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表4。

表4 两组学生对教学的评价对比［(±s)，分］

表4 两组学生对教学的评价对比［(±s)，分］

组别对照组（n=30）观察组（n=30）t 值P 值学习兴趣6.63±1.29 9.13±1.23 9.616＜0.001理解水平7.18±1.74 9.26±1.68 5.896＜0.001教学启发性6.67±1.49 9.78±1.53 9.983＜0.001教学直观性7.01±1.35 9.74±1.56 9.072＜0.001

2.5 两组学生教学质量对比

与对照组相比，观察组教学质量明显更优，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表5。

表5 两组学生教学质量对比［(±s)，分］

表5 两组学生教学质量对比［(±s)，分］

组别对照组（n=30）观察组（n=30）t 值P 值问题解决能力提升82.73±4.58 96.04±3.71 15.481＜0.001思维能力增强81.09±4.62 95.49±3.44 17.139＜0.001综合素养提升80.87±4.78 96.42±3.59 17.833＜0.001职业认同增强82.24±4.55 95.67±3.49 16.056＜0.001

3 讨论

由于骨科临床科学会涉及很多与人体解剖相关的内容，高度结合了理论性及实践性，且具有较强的专一性，对学生临床解剖的能力有着极高要求[4]，倘若应用死记硬背等方式进行学习和记忆，则会导致事倍功半的结果[5-6]。在骨科临床教学实践中，当教师讲述专业的理论知识、手术操作的步骤时，部分学生存在困惑、不感兴趣等态度[7-8]，究其原因在于学生没有足够临床经验，在手术操作方面相对陌生，选择手术方案时不具备全面判断的能力，延长了学习的周期，也影响了教学的效果[9]。在众多教课模式中，PBL 教学方法为外国使用较多的一种新型方式，其是以问题为基础、教师为指导、探讨为形式的模式[10]。将其与CAD 技术、RP 技术与三维有限元分析结合起来，并应用到骨科临床教学中，可取得良好成效。

本研究结果表明：观察组考试成绩、实践技能均显著优于对照组（P＜0.05）；观察组满意度为96.67%，较对照组的76.67%明显更高（P＜0.05）；与对照组相比，观察组学生自我能力明显更优（P＜0.05）；与对照组相比，观察组学生问卷评分明显更优（P＜0.05）；与对照组相比，观察组教学质量明显更优（P＜0.05）。说明在骨科临床教学中联合CAD技术、RP技术与三维有限元分析，可明显增强学生教学成绩、实践技能及自我能力，并提高学生满意度，这是因为通过联合CAD 技术、RP 技术与三维有限元分析，可有效改善传统教学遗留问题。随着科技不断发展、计算机的扫描技术及精度持续提升，临床的工作人员可在建模软件中导入术前CT扫描的数据，重建与生理结构相似的集合化模型，并在模型上开展预手术的各项操作，增加了手术方案的容错率，而经模拟手术之后的模型，可应用生物力学的检测方法对其手术方案进行完善，提高方案的严谨性。与此同时，三维有限元分析具备力学全面测评的条件，且实验具备反复操作的优势，已被作为骨科的生物力学相关领域研究常用的方法，其与模型存在相辅相成的关系，能进一步提升模型内在的价值，有效解决动手能力缺乏等实际性问题。将3D 打印的模型用于骨科临床教学，可引导学生以大学学习的临床知识为依据，对骨科有关疾病受伤原因、致病原理及病因类型进行分析，在结合目前自身已储存理论知识的基础上，制订出骨科疾病对应诊疗方案[11]。另外，通过在各类骨骼模型中开展手术模拟操作，可让学生深刻理解骨科临床疾患手术操作的方法，得到动手实练机会，在实际操作中不断激发其对骨科临床的兴趣。在直接观察所制造的3D模型时，学生可认识患者的病变部位、形态和结构，在明确疾病种类的基础上，应用计算机内适宜医学处理的软件进行手术模拟操作，为选择适宜手术入路、适宜尺寸固定物、植入方向及深度提供了有力保障，进而提升了学生的实践技能。通过教师向学生细致讲解手术操作的步骤及神经解剖知识点，可帮助学生有效结合理论、实践，实现抽象知识具体化的目标，为教学成绩提升奠定了坚实基础[12]。

综上所述，CAD 技术、RP 技术联合三维有限元分析可对骨科临床教学起到积极作用，能有效提升学生动手实践技能，增强其学习兴趣及探索意识，提高教学的成效，值得广泛应用。