3D打印技术在骨科临床教学中的应用
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作者: 管华清 徐明 杨同其 姜为民 杨惠林
摘要：目的：探讨3维（D）打印技术在骨科临床教学中的应用。资料与方法：结合临床医学教学大纲，调取2012年1月到2014年6月典型骨科病例15例CT图片进行3D打印处理，制作骨骼三维立体模型，应用于骨科临床教学中。结果：3D打印技术制作的骨骼三维立体模型有助于加深医学生骨科疾病理解，有助于培养医学生骨科临床工作兴趣。结论：3D打印技术制作在骨科临床教学中具有良好的应用前景。
关键词：3D打印技术；临床教学；骨科
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）14-0178-02
引言
3维（D）打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。该技术在医疗产业、教育、珠宝、工业设计、建筑、工程和施工、汽车，航空航天、地理信息系统、土木工程等领域都有所应用。自2013年11月起，我们将3D打印技术应用于骨科临床教学中，取得了满意的效果。
资料与方法
结合苏州大学临床七年制临床医学教学大纲，我们调取苏州大学附属第一医院骨科数据库资料中2012年1月到2014年6月典型骨科病例15例，提取患者相应的德国西门子64排螺旋CT薄层平扫图片（最薄层可达0.64MM），利用mimics 10.01软件，制作成CAD文档。导入苏州大学骨科研究所的Solido SD300快速成型机，进行3D打印处理。Solido SD300快速成型机将独特的PVC工程塑料薄膜一片片地切割，叠置，平均9小时就可以把患者相应的骨骼1∶1三维立体成形。
在《外科学》骨科部分的课教学中，比如《股骨头骨骺滑脱》、《骨盆和髋臼骨折》这些章节，就一直是教学上的难点。需要掌握的知识点较多，内容较抽象。我们在传统的多媒体教学的基础上，结合3D模型，加深学生对骨科疾病的认识，取得了满意的效果。
结果
在《股骨头骨骺滑脱》章节的教学中，过去学生们对骨骺滑脱的位移、严重程度分级以及手术治疗的方案、旋转截骨矫形等知识点理解较慢。苏州大学附属第一医院骨科数据库中于2012年11月收录了一例左侧股骨头骨骺滑脱的患者病例资料，于是我们提取患者相应的术前德国西门子64排螺旋CT薄层平扫图片导入苏州大学骨科研究所的Solido SD300快速成型机，将患者术前的患侧及健侧髋臼及股骨近端全部打印制作1∶1等大的PVC三维立体模型，并将模型带到课堂。以三维立体模型为核心，结合课本插图、患者术前的X线片、CT平扫及三维冠矢状、三维表面重建、MRI检查，学生们对股骨头骨骺滑脱的定义、病因、临床及影像表现有了一定的了解。然后再通过三维立体模型的划线模拟旋转截骨、术中实况照片及术后的X线片、CT平扫及三维冠矢状、三维表面重建，学生们对股骨头骨骺滑脱的手术治疗的方案、旋转截骨矫形有了感性的认识，取得了良好的教学效果。
比如《骨盆和髋臼骨折》这一章节，也一直是教学上的难点，同时也是骨科创伤治疗的一个难题，其原因是髋臼解剖形态不规则，而且位置较深，骨折碎片移位复杂，学生们难以理解传统的课堂教学内容。同时传统手术切口较大，手术中需要反复预弯柔性钢板，耗时较长，出血量增加，预弯过多可致金属疲劳内固定断裂风险增加，固定螺钉的型号及置钉方向的选择仅仅凭借X、CT片及术者的经验风险较大，易于损伤神经、血管、膀胱直肠等盆腔内重要脏器。3D打印模型的出现，使得上述问题可以得到较为直观的解决。3D打印模型的出现，让医学教学变得更加简单直接。对于手术路径的选择及细节问题的处理更加面面俱到，术者信心增加，因为手术切口的变小、手术时间的缩短、骨折块精确的复位，手术并发症相应减少，患者康复出院的时间缩短，使得患者直接受益。因此，2012年1月起，复杂髋臼骨折患者术前原则上都要制作3D骨和模型，既有利于临床教学工作的开展，也有利于患者的康复。
比如髋臼内侧壁的方形区骨折，不光医学生，就是骨科临床医生也一直难于理解，往往将髋臼内侧壁的方形区骨折视为手术的禁区。在应用3D打印模型制作后，髋臼内侧壁的方形区骨折就相应容易理解了。如2014年5月，我们收治了一例髋臼内侧壁的方形区骨折病例男性，67岁，因外伤致左髋疼痛活动受限2小时入院。查生命体征平稳，左髋部略肿胀，左腹股沟广泛压痛，大转子处叩击痛，左下肢纵向叩击痛，左髋主动被动活动受限，左下肢末梢血运、感觉可，无神经功能受损表现。X片和CT示：左髋臼内侧壁的方形区骨折。我们将患者术前的患侧髋臼打印制作1∶1等大的PVC三维立体模型，在立体模型上设计手术方案，并带领实习同学骨科教学查房。针对既往同学反映的髋臼骨折难以理解的问题，结合术中实况照片及术后的X线片、CT平扫及三维冠矢状、三维表面重建，在短短几分钟时间内，同学们对于髋臼骨折中的难点――髋臼内侧壁的方形区骨折一下子就有了形象的理解，并对手术方案选择各抒已见。并通过对患者查体，对国际上较为新颖的髋臼骨折Stoppa入路有了形象的认识和具体的理解。
讨论
骨科临床教学一直是医学教学的难点，因为手术涉及众多骨骼结构，而诸多骨骼结构又是不规则形，骨科疾病对医学生的空间想象能力有一定的要求。以往结合课本插图、患者的X线片、CT平扫及三维冠矢状、三维表面重建、MRI检查等，尽管内容丰富，但缺乏立体直观性，对于复杂的骨科疾病，如髋臼骨折就难以解释清楚。而3D打印与骨科的有机结合，上述问题迎刃而解。
3D打印是当今世界最前沿科技之一，这项30年前脱胎于传统成型制造的技术，在今天被众多科学家与经济学家称为“人类第三次工业革命的标志之一”。 3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同。3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。
我们将3D打印技术应用于骨科临床教学，即3D打印模型，用于医学教学、病例讨论等，收到了满意的效果，弥补了既往多媒体教学只能看图，不能触摸病例的缺点。既往单纯X线片和CT的阅读与理解需要学生具有良好的空间想象能力，简单骨科疾病如简单骨折等学生们还可以理解，复杂疾病如髋臼骨折、脊柱侧弯等学生们往往很难理解，有了3D模型，问题迎刃而解。过去医学生即使触摸标本，也往往是正常人体骨骼标本，无法接触到患者病变的骨骼标本，这对于临床教学而言，是个很大的缺憾。但通过3D打印模型，学生们既可以看到患者的X线片、CT平扫及三维冠矢状、三维表面重建、MRI检查，更可以亲手触摸1∶1等大的患者骨骼标本，亲手参与设计手术方案，对于医学生加深骨科疾病理解、培养医学生骨科临床工作兴趣起到了很大的正面作用。3D打印技术制作在骨科临床教学中具有良好的应用前景。
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