3D打印模型结合翻转课堂在脊柱外科微创培训中的应用

赵腾飞 解先宽 吴琼华 陈刚 徐侃

脊柱微创手术通常使用显微镜或内窥镜等器械，通过小切口进入患者的椎间盘、椎管或神经根管等部位进行治疗。与传统的开放性手术相比，脊柱微创手术具有创伤小、出血少、恢复快等优点[1]。常见的脊柱微创手术包括颈/腰椎间盘切除术、椎管扩大成形、内镜下椎体减压植骨融合内固定术等。这些手术可以有效地缓解脊柱疾病引起的疼痛、神经症状和运动障碍等问题。然而脊柱微创手术需要经过专业的培训和资质认证的医生进行操作，以确保手术的安全和有效性。浙江大学医学院附属第二医院骨科脊柱微创中心采用国际先进的微创技术，如椎间孔镜技术、侧方椎体间融合术、同轴内镜及单侧双通道关节镜下腰椎融合术、椎管扩大成形术等，为广大脊柱患者提供安全、有效的手术治疗，使众多脊柱疾患的患者得到良好的医治。浙江省每年有众多骨科医生到浙江大学医学院附属第二医院进修学习，其中不少年轻进修医生主动要求到脊柱外科中心接受为期3 周的颈、腰椎微创技术培训。翻转课堂（Flipped Classroom）是一种将学习的决定权从教师转移给学生的教学方式，近年来非常流行[2]。笔者在微创技术培训的前期，曾采用传统翻转课堂的办法进行微创教学培训，然而教学效果却不尽人意，新的教学方法的探索迫在眉睫。3D打印技术则是一种快速成型和制造技术，如今已广泛应用于医学院校的临床科研和教学工作中[3]。因此研究设想融合3D 打印技术的“翻转课堂”教学可以让学员更加全面准确地了解患者个体解剖情况，培训中可以有效避免神经和血管损伤，提升微创手术技术。本研究通过比较传统“翻转课堂”教学模式与融合3D打印技术制作病例脊柱实体模型的“翻转课堂”的全新教学模式下培训进修学员的教学效果，以评价两种教学方法在脊柱外科微创培训中的应用潜能。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2020 年5 月—2022 年5 月在浙江大学医学院附属第二医院脊柱外科微创中心进修的42 名外院进修学员为研究对象，随机分为研究组和对照组，纳入标准：完整参加为期3 周的微创手术培训并且完成出科考试和问卷调查的进修学员。排除标准：（1）参加培训时间不足3 周或中途请假超过2 天的进修学员；（2）迟到或早退超过2 次的进修学员；（3）没有完成出科考试和问卷调查的进修学员。研究组21 名进修医生翻转课堂联合3D 打印模拟教学，对照组21 名进修医生采用翻转课堂方法进行授课讲解。2 组进修学员一般资料差异无统计学意义（P＞0.05），如表1 所示。

表1 对照组与研究组进修学员一般情况及入科考试成绩

1.2 方法

2 组分别由5 名本院高年资副主任医师负责，总教学时长为21 学时，教学地点和教学时间相同。研究中使用患者的计算机断层扫描（computed tomography，CT）图像进行三维重建，并利用3D 打印机（美国MakerBot Replicator Z18）以聚乳酸热塑性塑料为原料，根据提前准备好的病例CT 资料制作相应节段颈、腰椎模型。2 组均采用翻转课堂教学模式，课前提供课件、视频和参考书籍，并通过微信工作群发送给进修学员，要求其先自主学习。

研究组在传统翻转课堂教学基础上增加了采用上述3D 打印模型展示病例实际的椎间盘突出位置与神经根走行关系的环节，并允许在模型上进行1 小时的手术操作模拟。随后，2 组学员分别跟随培训导师参加相关病例的手术或在台下观摩学习，学习结束后总结学习心得，带教老师当场针对相关病例进行点评并适当延伸相关知识点。

1.3 观察指标

在3 周培训结束后，本研究对2 组进修医师分别进行了出科考试测验和满意度问卷调查，以评价两种教学方法及教学效果。总共发放了42 份问卷，并成功回收了42份有效问卷。问卷内容包括是否可以激发学习热情、是否显著加深对脊柱微创手术的理解、脊柱微创操作技术是否有提高以及是否达到理想的学习效果等方面。总满意度＝满意人数/总人数×100%。

1.4 统计学处理

采用SPSS 26.0 统计学软件进行统计学分析。计数资料用n（%）表示，采用χ2检验；计量资料用（）表示，采用两独立样本均数t检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 出科考试成绩比较

在培训结束时，研究组进修学员的临床知识考试成绩明显高于对照组，同时在微创技能操作方面也明显优于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）（见表2）。

表2 对照组与研究组进修学员出科考试成绩（分，）

表2 对照组与研究组进修学员出科考试成绩（分，）

2.2 进修学员满意度统计

进修学员满意度调查结果显示，对照组住院医师对其教学方法的满意度低于研究组，差异有统计学意义（P＜0.05）。

3 讨论

脊柱外科学专业性比较强、内容有一定抽象性，是骨科中风险最高、解剖最复杂、手术难度最高的亚专科[4]。虽然脊柱相关的微创手术技术培训报道很多，但是在实际培训中，很难将手术中的操作和技巧以直观的方式展现出来，这使得培训班变得枯燥乏味，往往只是理论上的填鸭式教学。因此，许多参加脊柱微创手术培训的学员在培训结束后收获甚少[5]。对于年轻的进修医生来说，椎间孔镜、椎板间镜、单侧入路双通道UBE 技术及颈椎内镜下keyhole 等技术具有显著的抽象性、复杂性和多样性，难以掌握自主学习的范围和重点。在实际的临床操作中，许多学员遇到了困难，无法顺利完成手术，这使得培训的意义大大降低[6]。为此，如何提高微创培训质量，强化培训效果，并在短期内提升基层医院骨科医生脊柱外科微创基本手术技术，需要打破传统脊柱外科图谱授课模式，从而探索出一条知行合一的教学模式[7]。

近年，我国医学教育者在不同学科中创新性地应用了翻转课堂的教学方法，并取得了较好的成绩[8-9]。传统的教学方式以“灌输式”教学方法为主，导致学习效果不好，学生学习积极性不高[10]。而翻转课堂教学则是学员在课前根据教师提供的多媒体和视频资料进行自主学习，然后在课堂上与教师进行互动，从而能够灵活运用所学知识，达到更好的教学效果[11]。翻转课堂的教学设计注重培养学生的学习动机和兴趣，学生可以锻炼独立的思维能力，学生可以通过专业网站的搜索获得各种学习资源和逐渐具备收集学术资料的能力[12]。脊柱微创中心带教老师在培训过程中发现，尽管学员能够在培训前对相关知识和文献进行广泛的阅读和理解，但这些知识和总结的手术操作技巧往往只停留在浅层次的理解上，距离灵活运用还有很大的差距[13-14]。

随着3D 打印技术的快速发展，可以比较方便地针对特定病例制造实物，将患者的脊柱骨骼、神经走形及变异形态实物化、可视化和立体化[15]。在本科室（浙江大学骨科研究所、浙江省运动系统疾病临床医学研究中心和浙江省运动系统疾病研究与精准诊治重点实验室）的软件和硬件支持下，浙大二院脊柱外科微创中心开创性地提出一种将翻转课堂和3D 打印模型教学有机结合起来的教学模式，用来培训进修学员快速掌握微创手术知识要点和提高微创手术技能。在浙大二院为期3 周的脊柱微创技术培训过程中，2 组培训导师根据病人的特点和学生的问题讨论患者的病情和治疗方案的选择，针对性讲解患者手术操作过程中的注意事项。研究组学员在培训当中，在获得患者知情同意下术前通过Mimics 软件制作手术部位3D 打印模型，打印患者脊椎椎体及神经走形的模型，从而将传统的二维解剖知识以三维立体结构的模式展现出来，学员可以直观立体地观察到神经根走行、分布、突出髓核与神经根的关系以及椎管狭窄的程度及范围。学员在术中操作或台下观摩时结合导航设备设计规划椎管需要减压的范围，通过腰痛和腿痛视觉模拟评分并比较术前和术后CT 上减压的范围，从而充分评估微创手术的治疗效果。学员在培训导师的指导下，可以在模型上自己动手模拟手术操作步骤，随后跟随培训导师进行观摩。学员通过多角度、多方位的观察学习，理性认识和感性认识相结合后逐渐进入角色，并快速熟悉术前定位要点及微创手术操作步骤。因此，3D 打印模型联合翻转课堂的教学方法有力地提高了研究组学员学习微创手术操作技能的主动性，并在后续实践强化中快速提升其微创手术操作技能。

两种教学法相得益彰，互相促进。通过翻转课堂，可以将基础知识点的授课时间前移[16-17]，通过3D 打印模型教学，可以将微创手术操作技巧进行充分展示，再结合病例进行手术操作示范[18]。两种教学法双管齐下，为学员提供了多元化立体的教学平台，从而充分调动学员的积极性和发挥其创造性。研究组学员不仅严谨认真地完成了手术技巧、精准诊断的学习，还获得了完整充实的病例资料，有些主动的进修学员进一步总结和撰写论文并得到发表。另外一些进修学员对脊柱外科微创手术技术产生了浓厚的学习兴趣，设计出脊柱微创手术独特的操作器械和融合器，并申请到相关专利。此次研究结果显示，研究组学员培训结束临床操作技能成绩及微创操作熟练度均优于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。研究组学员对3D 打印模型联合翻转课堂的总体满意度为95.1%，高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），充分说明融合3D 打印模型的翻转课堂教学方法具有显著的优越性，明确有效地加深了学员对颈、腰椎间盘突出症微创手术的理解和实践，将有利于学员以后的临床工作。

本研究尝试将3D 打印技术与翻转课堂有机结合，形成了一种全新的脊柱外科微创培训的教学模式。通过实践，这种模式能够有效提高学员对知识的掌握情况，其脊柱微创临床知识、微创手术操作技术和培训满意度均明显优于传统单纯的翻转课堂教学，受到了广大进修学员的热烈欢迎。当然，该模式也存在一定的局限性，例如要求教学单位配备熟悉3D 打印操作相关软件的技术人员、良好的3D 打印设备和场地[19]。同时，课程还要求学员和教师合理有效地安排好学习与互动时间。对于教学教师来说，需要具备较强的组织规划能力、较高的现代信息素养和职业素质[20]。此外，带教老师和学员还需要与拟用于教学的病例患者充分沟通，并尊重患者的隐私权。只有在获得患者及其家属知情同意并在医院伦理委员会审批通过的前提下，才能调阅患者住院期间CT 等数据进行脊柱3D 模型打印，以避免引发不必要的医疗纠纷和事故[21]。在教学模式的探索过程中，在充分告知并知情同意的情况下，大部分患者能接受并主动参与到这种教学模式的探索，部分热心患者给教学模式的实施提出很多中肯的建议。

综上所述，基于3D 打印技术的翻转课堂教学在脊柱外科微创技术培训中的应用有助于提高进修学员的自学能力，提高进修学员的综合素质，促进进修学员微创理论知识及手术操作技能的飞跃，从而提高学员的培训满意度，对微创外科和脊柱外科相关的教学研究和课程开发也具有借鉴意义，值得深入研究。