3D打印技術(shù)及VR技術(shù)在重度下肢畸形矯正臨床教學(xué)中的應(yīng)用

高鵬 杜悠 邊焱焱 楊波

（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院骨科，北京 100730）

骨科臨床教學(xué)實踐中，以肢體重度畸形為代表的矯形外科教學(xué)，具有畸形復(fù)雜、累及多關(guān)節(jié)、為三維空間結(jié)構(gòu)畸形、需要強大的空間想象力和理解力等特征。傳統(tǒng)教學(xué)模式中，學(xué)生無法通過圖片、模具、X 線、CT 等資料對畸形全部特征獲得良好把握。在掌握畸形典型特征及相應(yīng)骨科矯形手術(shù)設(shè)計方面，存在被動接受知識、空間想象力不足、理論實踐相脫節(jié)等問題，難以獲得良好的教學(xué)效果[1-3]。

成骨不全癥（osteogenesis imperfecta,OI）是一類以骨密度降低，骨脆性增加，導(dǎo)致肢體及脊柱反復(fù)骨折，進行性肢體及脊柱畸形為特點的單基因遺傳性骨病[4,5]。此類畸形復(fù)雜多變，畸形特征各不相同[6-8]，畸形矯治一直是臨床難題[9]，也是對住院醫(yī)師、實習(xí)醫(yī)師開展骨科教學(xué)的難點[10，11]。隨著3D 打印技術(shù)和虛擬現(xiàn)實（virtual reality,VR）技術(shù)的不斷進步，其在骨科臨床實踐中獲得廣泛應(yīng)用，在成骨不全重度下肢多骨畸形的截骨設(shè)計及全面矯形方面，取得了良好的效果[12-14]。本研究將3D 打印技術(shù)和VR 技術(shù)引入臨床教學(xué)實踐中，嘗試提高教學(xué)效果，突破傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限。

1 對象與方法

1.1 教學(xué)對象

本研究納入2018 年11 月至2019 年5 月在我院骨科輪轉(zhuǎn)的參加外科規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)師及八年制實習(xí)醫(yī)師為研究對象。納入標準：①參加北京市衛(wèi)健委外科專業(yè)規(guī)范化培訓(xùn)的醫(yī)師，獲得執(zhí)業(yè)醫(yī)師資格；②實習(xí)醫(yī)師：北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院八年制七年級實習(xí)醫(yī)師：③第一次輪轉(zhuǎn)骨科；④基礎(chǔ)及臨床階段各項考核均合格。

共納入3批42人。每批規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)師8人，實習(xí)醫(yī)師6 人，各自隨機對半分入試驗組和對照組，每組規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)師4人，實習(xí)醫(yī)師3人。各組人員構(gòu)成、性別、年齡、臨床輪轉(zhuǎn)進度無顯著差異（表1）。

表1 兩組受試人員構(gòu)成

1.2 教學(xué)方法

選取當期入院的6例成骨不全重度下肢畸形、擬采用多段截骨內(nèi)固定矯正長骨畸形的患者。拍攝雙下肢全長正側(cè)位X線片。通過雙下肢CT掃描獲取影像資料，通過Mimics 15.0軟件構(gòu)建三維重建模型，打印3D模型，通過HoloLens頭鏡獲得虛擬現(xiàn)實圖像[15]。

教案設(shè)計：獲取患者病史并進行臨床查體。對照組依靠正常下肢骨骼示模型、示意圖、X線片及CT平掃+三維重建片等資料開展教學(xué)，講解一側(cè)單一長骨畸形在冠矢軸三個平面的特點，根據(jù)多段截骨髓內(nèi)釘固定的臨床需求，采用Sofield-Millar 截骨術(shù)[16]，逐一設(shè)計截骨頂點，講解相關(guān)手術(shù)入路及主要神經(jīng)、血管結(jié)構(gòu)。試驗組在對照組基礎(chǔ)上，結(jié)合患肢3D 打印模型，講解冠矢軸三個平面的畸形特點；依托VR技術(shù)，采用Sofield-Millar截骨術(shù)，逐一設(shè)計截骨頂點，講解相關(guān)手術(shù)入路及主要神經(jīng)、血管結(jié)構(gòu)。每組由同一位副主任醫(yī)師進行集中授課。

1.3 教學(xué)效果分析與評價

授課結(jié)束后，采用理論考核與調(diào)查問卷對上述兩種教學(xué)方式的效果進行客觀及主觀兩方面評估。

主觀評估方面，通過問卷調(diào)查自我評分形式評估教學(xué)效果，包括：課程評價、教學(xué)評價、理解能力、掌握程度、學(xué)習(xí)效率、課程專注度、自學(xué)能力。

客觀評估方面，包括理論知識考核、對側(cè)長骨手術(shù)方案設(shè)計及神經(jīng)、血管標識，滿分各100分。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 19.0 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，計量數(shù)據(jù)采用均數(shù)±標準差表示，進行t檢驗和χ2檢驗，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

對于課程設(shè)計主觀評價及教學(xué)效果主觀評價，試驗組評分均顯著高于對照組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01，表2）。

對于教學(xué)效果的自我測評，試驗組評分也顯著高于對照組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01，表3）。

對課后理論測試及手術(shù)設(shè)計測試的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試驗組成績顯著高于對照組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01，表4）。

表2 課程設(shè)計及教學(xué)效果評價結(jié)果（，分）

表2 課程設(shè)計及教學(xué)效果評價結(jié)果（，分）

表3 學(xué)習(xí)能力自我評價結(jié)果（，分）

表3 學(xué)習(xí)能力自我評價結(jié)果（，分）

表4 兩組客觀得分比較（，分）

表4 兩組客觀得分比較（，分）

3 討論

對于進入骨科臨床階段的住院醫(yī)師及高年實習(xí)醫(yī)師來說，骨科專業(yè)具有專業(yè)性強、涉及結(jié)構(gòu)眾多、解剖關(guān)系復(fù)雜的特點。對于骨科矯形專業(yè)來說，受累肢體往往具有三維畸形特征，通過傳統(tǒng)的二維解剖圖譜、X線及CT平掃+三維重建，依照傳統(tǒng)的模具、幻燈片等方式難以從整體上理解畸形特征，教師授課及學(xué)生學(xué)習(xí)理解難度增加，難以取得良好的教學(xué)效果。為此，嘗試將3D 打印及VR 技術(shù)引入骨科臨床教學(xué)，旨在為提高相關(guān)課程的教學(xué)效果提供新的思路。

3.1 3D打印技術(shù)和VR技術(shù)

3D打印技術(shù)起源于20世紀90年代，以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過逐層疊加打印可黏合材料，最終呈現(xiàn)出實體的3D模型。3D打印技術(shù)問世后，在骨科領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用：針對脊柱/肢體畸形的模型打印為全面了解畸形特征提供了實物基礎(chǔ)；3D 截骨導(dǎo)板設(shè)計為精準手術(shù)提供了有力的武器；基于健康側(cè)的個體化人工假體定制設(shè)計也取得突破。隨著該技術(shù)的發(fā)展，模型生產(chǎn)成本逐漸降低，病變骨骼標本的便捷制備成為可能。

VR技術(shù)是20世紀末發(fā)展起來的一項集計算機、電子信息、仿真技術(shù)于一體，通過計算機模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感的技術(shù)。VR技術(shù)在骨科領(lǐng)域獲得了廣泛嘗試，在適時虛擬圖像形成、輔助導(dǎo)航等方面產(chǎn)生了良好的應(yīng)用前景[17]。

這些技術(shù)進步為骨科臨床教學(xué)提供了具有直觀性和可操作性的教學(xué)方法[18]。傳統(tǒng)教學(xué)模式中，針對某一特殊骨病患者，首先使學(xué)生獲取病史并查體，根據(jù)X線及CT等影像資料，利用骨骼教學(xué)模型及圖譜，掌握病變特點。對于復(fù)雜畸形來說，這一方法缺乏可視化、直觀性和個體化，因此難以獲得良好的空間想象，教學(xué)效果長期難以突破。通過引入3D 打印技術(shù)和VR 技術(shù)，使學(xué)生通過最接近實際的模型及情境，對解剖結(jié)構(gòu)、畸形特征獲得有別于傳統(tǒng)教學(xué)的全面理解，顯著提高臨床教學(xué)效果，是骨科臨床教學(xué)改革的重要嘗試。

3.2 成骨不全下肢畸形對骨科教學(xué)的挑戰(zhàn)

成骨不全下肢長骨畸形的特點包括：①骨骼細小，骨質(zhì)嚴重疏松，局部反復(fù)骨折愈合造成髓腔封閉硬化，甚至骨折不愈合；②骨的脆性強，輕微外力即可造成骨折；③畸形頂點數(shù)量多，位于病理骨折畸形愈合處及力學(xué)負重處；④畸形為三維立體畸形，涉及冠、矢狀面的彎曲畸形和軸位的旋轉(zhuǎn)矯形[19]。

成骨不全下肢長骨畸形，通過正側(cè)位X線片及三維CT，難以全面了解上述畸形特點，特別是對形態(tài)學(xué)特征的空間理解，一直是困擾骨科臨床實踐及教學(xué)的難點。3D打印技術(shù)使得臨床醫(yī)師及學(xué)生可從多角度、多維度觀察畸形模型，通過VR 虛擬成像獲取良好的空間辨識，對畸形長骨多段截骨提供有力保障。

實際截骨操作中，傳統(tǒng)方式只能根據(jù)正側(cè)位X線片，通過剪紙樣的方式確定截骨部位及截骨數(shù)量。做每個頂點處軟組織小切口，顯露畸形頂點，擺鋸行“V”形截骨。閉合截骨面，使用彈性髓內(nèi)釘或鎖定接骨板固定，維持矯形效果。這種方法相對粗糙，術(shù)中截骨往往難以達到預(yù)期效果，截骨數(shù)量多，骨量丟失多，對臨床及教學(xué)都帶來很大的不確定性（圖1）。

采用3D打印技術(shù)，可在畸形標本上進行Sofield-Millar 截骨或在計算機上結(jié)合髓腔特點模擬截骨，放置髓內(nèi)釘。這樣有利于確定截骨頂點，避免不必要的截骨，提高截骨效率，避免不愈合的發(fā)生，為精準手術(shù)和快速康復(fù)提供有力保障。

3.3 3D 打印技術(shù)和VR 技術(shù)對重度下肢畸形臨床教學(xué)的幫助

圖1 患兒，女，11歲，成骨不全

骨科臨床教學(xué)需要在闡述疾病特點并給出正確診斷基礎(chǔ)上，制定個體化的治療方案[20,21]。在既往的臨床教學(xué)實踐中，往往存在畸形特征難以全面掌握，臨床設(shè)計如同天書的情況。因此，迫切需要一種能夠以學(xué)生喜聞樂見的形式，獲得直觀的、可重復(fù)的、可操作的臨床教學(xué)模式，這也是臨床帶教老師需要考慮的重點。

基于上述問題，通過引入3D打印模型，使每位學(xué)生都能夠結(jié)合真實可見的模型及全天候的虛擬模型，最大限度地獲取相關(guān)解剖變異特征，同時獲得骨科手術(shù)動手操作機會，體驗如何確定畸形頂點、截骨、放置內(nèi)固定物等臨床操作，提高課程參與程度的同時，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高課堂參與性、互動性及掌握程度（圖2、圖3）。

學(xué)生在3D 模型及VR 虛擬模型上操作演練，往往會根據(jù)自身體會提出相應(yīng)問題。以問題為導(dǎo)向，通過授課教師的現(xiàn)場解答和學(xué)生自己的操作體驗，顯著活躍課堂氛圍，增強教學(xué)互動性，極大地提高了教學(xué)質(zhì)量[22]。

3D 打印技術(shù)及VR 技術(shù)應(yīng)用于骨科臨床教學(xué)也存在一定不足：3D 打印技術(shù)的臨床應(yīng)用尚在不斷完善發(fā)展中；目前的模型無軟組織附著，無法真實再現(xiàn)肌肉、血管和神經(jīng)的走形和分布；模型操作與人體內(nèi)操作存在觸感及力度的顯著差別。

圖2 3D打印模型教具

圖3 虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)操作演示

綜上所述，3D 打印技術(shù)及VR 技術(shù)集解剖結(jié)構(gòu)、診斷分型及手術(shù)治療為一體，實現(xiàn)了知識的全面整合，彌補了學(xué)生對骨科畸形的感性認識，具有傳統(tǒng)教學(xué)模式難以企及的優(yōu)點，體現(xiàn)了良好的教學(xué)前景，將成為骨科臨床教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。