王棟 趙波 李鋒濤 盧騰 賀西京

上頸椎3 D打印模型在骨科規(guī)范化培訓(xùn)教育中的應(yīng)用

王棟 趙波 李鋒濤 盧騰 賀西京

【摘要】目的 探討3 D打印技術(shù)在骨科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用。方法 結(jié)合我院住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)大綱要求，將2015年1月～2015年4月典型上頸椎5例CT圖片進(jìn)行3 D打印處理，制作骨骼三維立體模型應(yīng)用于骨科規(guī)培臨床教學(xué)中，在此基礎(chǔ)上用3 D打印手術(shù)通道進(jìn)行手術(shù)輔助，進(jìn)行手術(shù)指導(dǎo)。結(jié)果 3 D打印技術(shù)制作的上頸椎骨骼三維立體模型有助于加深規(guī)培生對疾病手術(shù)解剖學(xué)的理解，達(dá)到精準(zhǔn)手術(shù)要求，有助于培養(yǎng)規(guī)培生骨科臨床工作興趣。結(jié)論 3 D打印技術(shù)制作在骨科規(guī)培臨床教學(xué)中具有良好的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】3 D打印技術(shù)；臨床規(guī)范化培訓(xùn)；教學(xué)；骨科

作者單位：710004西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院骨二科

Application Effect of Upper Cervical Spine Three-dimensional of Doctor Standardized Training and Education in Orthopaedics Department

WANG Dong ZHAO Bo LI Fengtao LU Teng HE Xijing the Second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University Orthopedic Department, Xi’an 710004, China

[Abstract]Objective To explore the application of three-dimensional print technique on the standardized training and education in orthopaedics department. Methods According to the clinical teaching programme of the standardized training of residents, five patients admited to our hospital from Month 2015 to April 2015 were selected and their cervical computed tomographies were transformed into three-dimensional images and printed out by a special machine. The 3 D printed modelswere used in the teaching for orthopedic residents. Moreover, they were used to guide the operations. Results The three-dimensional printed model of upper cervical spine benefits much the standardized training and education for orthopedic residents and could meet the accurate need in the operation. It promots the residents’ interest in learning and working in orthopedics. Conclusion The three-dimensional print technique is a potential application and method in the standardized training and education for orthopedic residents.

[Key words]Three-dimensional print, Standardized training of residents, Teaching, Orthopedics

3 D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3 D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期[1]，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。該技術(shù)在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、珠寶、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車、航空航天、地理信息系統(tǒng)、土木工程等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。在《外科學(xué)》骨科部分的課教學(xué)中，比如《寰樞椎脫位、上頸椎損傷》這些章節(jié)一直是教學(xué)上的難點(diǎn)，需要掌握的知識點(diǎn)較多，內(nèi)容較抽象。我們在傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上，我們將3 D打印技術(shù)于2015年1月～2015年4月應(yīng)用于骨科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)臨床教學(xué)中，具體報道如下。

1　資料與方法

結(jié)合西安交通大學(xué)第二醫(yī)院住院醫(yī)師骨科規(guī)范化培訓(xùn)教學(xué)大綱，調(diào)取我院骨科數(shù)據(jù)庫資料中2015年1月～2015年4月的典型上頸椎例5例，其中上頸椎骨折1例，寰樞椎脫位3例，后縱韌帶骨化1例。調(diào)取這些典型病例術(shù)前影像學(xué)資料，提取患者相應(yīng)的德國西門子64排螺旋CT薄層平掃圖片（最薄層可達(dá)0.64 mm），利用mimics 15軟件，制作成STL文件，導(dǎo)入我科的華森SPR 400快速成型機(jī)，進(jìn)行3 D打印處理，SPR 400快速成型機(jī)打印耗材選用聚乳酸（PLA），安全無毒，可采用低溫等離子消毒，為手術(shù)提供即時幫助。PLA打印疊置，平均9 h就可以把患者相應(yīng)的骨骼1：1三維立體成形，見圖1。隨后組織帶教老師與規(guī)培生進(jìn)行病例匯報與討論，提出病因診斷及治療計(jì)劃。針對1例寰樞椎脫位患者，將其寰樞椎術(shù)前影像學(xué)資料調(diào)取，利用其CT圖片資料導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行寰樞椎、枕骨3 D打印處理。在此基礎(chǔ)上，獲取CT平掃DICOM文件，導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖形處理軟件MIMICS 15。根據(jù)骨閾值提取骨性結(jié)構(gòu)蒙面并建立枕頸部三維面網(wǎng)格模型。將生成的三維面網(wǎng)格模型以STL格式導(dǎo)入逆向圖形處理軟件Geomagic 12.0，同時建立直徑約3.5 mm的空心圓柱通道以模擬椎弓根螺釘。在Geomagic 12.0軟件中通過改變空心圓柱通道的三維坐標(biāo)來確定椎弓根螺釘最佳置入位置，見圖2。提取寰椎后弓及側(cè)塊和樞椎椎版和棘突的部分結(jié)構(gòu)與空心圓柱通道合并，最終設(shè)計(jì)完成椎弓根螺釘導(dǎo)航模板模型，并進(jìn)行模型的3 D打印，在手術(shù)時，將3 D打印的椎弓根螺釘導(dǎo)航模板模型進(jìn)行消毒，在手術(shù)臺上進(jìn)行示范教學(xué)，貼服固定好模型后，沿進(jìn)釘通道置入椎弓根螺釘，驗(yàn)證通道效果。也就是將上頸椎疾患的致病原因及手術(shù)解剖影像展示在規(guī)培生眼前，便于理解及接受。

2　結(jié)果

圖1　3 D打印的寰樞椎標(biāo)本（PLA材料）

圖2　Geomagic12.0軟件中通過改變空心圓柱通道的三維坐標(biāo)來確定椎弓根螺釘最佳置入位置

在《寰樞椎損傷》章節(jié)的教學(xué)中，參加規(guī)培的學(xué)生們對寰樞椎脫位的位移、寰枕關(guān)節(jié)的解剖關(guān)系，病理特征，嚴(yán)重程度分級以及手術(shù)治療的方案理解較慢。于是我們將患者術(shù)前、術(shù)后上頸椎及部分枕骨全部打印制作1∶1等大的PVC三維立體模型，并將模型應(yīng)用于寰樞椎陳舊性脫位關(guān)系的講解。以三維立體模型為核心，結(jié)合課本插圖、患者術(shù)前的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建、MRI檢查，進(jìn)行科室病例討論，使規(guī)培生們對寰樞椎陳舊性脫位的定義、病因、臨床及影像表現(xiàn)有一定的了解。

然后再通過寰樞椎，寰枕關(guān)節(jié)3 D立體模型的講解，寰樞椎關(guān)節(jié)，寰枕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，運(yùn)動情況，虛擬關(guān)節(jié)囊結(jié)構(gòu)，術(shù)中實(shí)況照片及術(shù)后的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建，規(guī)培生們對寰樞椎陳舊性脫位的分型，手術(shù)治療的方案、椎弓根螺釘復(fù)位，植骨融合有了感性的認(rèn)識，取得了良好的教學(xué)效果。另外，部分病例根據(jù)診斷確定手術(shù)治療計(jì)劃，在3 D打印寰樞椎標(biāo)本后，設(shè)計(jì)椎弓根螺釘進(jìn)釘通道，并將椎弓根螺釘導(dǎo)航模板模型進(jìn)行打印，連同3 D寰樞椎模型消毒后手術(shù)時應(yīng)用。在手術(shù)暴露患者寰樞椎及枕骨后，與3 D模型進(jìn)行比對，讓規(guī)培生可直觀的了解寰樞椎及枕骨的解剖關(guān)系，通過3 D模型，可看見術(shù)中難以暴露的解剖結(jié)構(gòu)，為手術(shù)減壓及椎弓根螺釘?shù)墓潭ㄌ峁┝撕芎玫刂庇^的教學(xué)資料，見圖3。通道的應(yīng)用，可提高椎弓根螺釘固定的成功率，減少手術(shù)并發(fā)癥，為規(guī)培生科學(xué)的掌握手術(shù)技術(shù)提供了良好的教材及病例，可促進(jìn)他們對上頸椎疑難手術(shù)的理解及掌握，規(guī)培生普遍反映教學(xué)效果良好。

3　討論

隨著國家臨床醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)政策在醫(yī)院的實(shí)施，規(guī)培生陸續(xù)進(jìn)入醫(yī)院學(xué)習(xí)，與既往醫(yī)學(xué)生教育不同，規(guī)培生的臨床培訓(xùn)目標(biāo)更具體，要求也更高[2]。骨科臨床教學(xué)一直是醫(yī)學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)，因?yàn)槭中g(shù)涉及眾多骨骼結(jié)構(gòu)，而諸多骨骼結(jié)構(gòu)又是不規(guī)則形，骨科疾病對醫(yī)學(xué)生的空間想象能力有一定的要求。以往結(jié)合課本插圖、患者的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建、MRI檢查等，盡管內(nèi)容豐富，但缺乏立體直觀性，對于復(fù)雜的骨科疾病，如上頸椎創(chuàng)傷及畸形就難以解釋清楚。而3 D打印與骨科的有機(jī)結(jié)合，上述問題迎刃而解。3 D打印是當(dāng)今世界最前沿科技之一，結(jié)合逆向工程思想，建立患者術(shù)區(qū)組織的“三維體數(shù)據(jù)集”，編輯、重建體數(shù)據(jù)集，通過3 D打印技術(shù)制作出實(shí)物模型[3]。使用該模型幫助臨床輔助診斷、復(fù)雜手術(shù)方案的確定、制作個性化假體等方面使診斷和手術(shù)修復(fù)更加直觀化、實(shí)物化、具體化。我們將3 D打印技術(shù)應(yīng)用于骨科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)的臨床教學(xué)，即將3 D打印模型用于醫(yī)學(xué)教學(xué)、病例討論等，收到了滿意的效果，彌補(bǔ)了既往多媒體教學(xué)只能看圖，不能觸摸病例的缺點(diǎn)。既往單純X線片和CT的閱讀與理解需要學(xué)生具有良好的空間想象能力，簡單骨科疾病如簡單骨折等規(guī)培生們還可以理解，復(fù)雜疾病如寰樞椎畸形，脫位等上頸椎問題規(guī)培生們往往很難理解，有了3 D模型，問題迎刃而解。根據(jù)患者的CT數(shù)據(jù)來逆向建模，通過3 D打印技術(shù)建立準(zhǔn)確的手術(shù)部位數(shù)字化實(shí)體模型，并進(jìn)行術(shù)前模擬策劃，供外科醫(yī)生在術(shù)前確定手術(shù)方案、模擬手術(shù)過程、熟練手術(shù)操作、預(yù)計(jì)手術(shù)結(jié)果，進(jìn)而有針對性地向患者詳細(xì)講解病變的復(fù)雜性及手術(shù)操作的危險性，使規(guī)培生既可以看到患者的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建、MRI檢查，更可以親手觸摸1∶1等大的患者骨骼標(biāo)本，親手參與設(shè)計(jì)手術(shù)方案，對于規(guī)培生加深骨科疾病理解、培養(yǎng)規(guī)培生骨科臨床工作興趣起到了很大的正面作用[4]。

綜上所述，3 D打印技術(shù)制作在骨科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)臨床教學(xué)中具有良好的應(yīng)用前景。

圖3　椎弓根螺釘導(dǎo)航模板模型進(jìn)行3 D打印，消毒后手術(shù)時應(yīng)用

參考文獻(xiàn)

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[4] 劉明永，劉鵬，趙建華，等. 脊柱外科繼續(xù)教育中的影像學(xué)教學(xué)[J]. 局解手術(shù)學(xué)雜志，2011，20（6）：701.

通訊作者：王棟，E-mail：857981858@qq.com

doi：10.3969/j.issn.1674-9308.2015.19.016

【文章編號】1674-9308（2015）19-0023-02

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【中圖分類號】R743.33