何彬 劉豪 趙金秋

運動系統(tǒng)解剖學(xué)比較復(fù)雜，創(chuàng)傷骨折類型多樣化，但是醫(yī)學(xué)生普遍存在運動系統(tǒng)三維空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的障礙，對局部骨骼肌解剖結(jié)構(gòu)理解不深刻，記憶不牢固，學(xué)習(xí)較困難[1-2]。因此，創(chuàng)傷疾病一直是骨科教學(xué)的重點和難點[3-4]。3D 打印根據(jù)影像學(xué)資料精準(zhǔn)地打印出三維實體模型，尤其對于個體化的創(chuàng)傷病例進行真實的還原和呈現(xiàn)，使得醫(yī)學(xué)生能夠直接觀察三維立體結(jié)構(gòu)[5-6]。鑒于創(chuàng)傷骨科疾病的專科化和復(fù)雜化，文章將系統(tǒng)闡述3D 打印技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)勢、及其應(yīng)用于創(chuàng)傷骨科疾病（骨盆骨折、髖臼骨折和關(guān)節(jié)周圍骨折）的進展與存在的問題，以提高3D 打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科教學(xué)中的應(yīng)用價值。

1 3D 打印技術(shù)發(fā)展及優(yōu)勢

3D 打印基于離散-堆積原理，將數(shù)字三維模型分層切割為二維橫截面，并利用金屬、塑料和陶瓷等材料進行逐層疊加，以期高效、精準(zhǔn)和個性化地制備三維實物模型，被視為推動新一輪工業(yè)革命的核心[7]。它的優(yōu)勢主要在于快速成型、高設(shè)計自由度和可定制性；3D 打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括腫瘤切除、創(chuàng)傷修復(fù)和脊柱外科的術(shù)前診斷、手術(shù)設(shè)計和醫(yī)患溝通，尤其在臨床教學(xué)中顯示出重要應(yīng)用價值[8-9]。

3D 打印技術(shù)是一種采用計算機控制，以物體計算機輔助設(shè)計（computer-aided design，CAD）和計算機斷層掃描（computed tomography，CT）等數(shù)字資料為基礎(chǔ)，通過精準(zhǔn)堆積和逐層打印方式構(gòu)造物體的技術(shù)，可制造出與原型一致的模型；3D 打印模型能等比例還原運動系統(tǒng)三維空間結(jié)構(gòu)以及高度仿真創(chuàng)傷模型，有利于學(xué)生直觀地觀察和理解解剖結(jié)構(gòu)[10-11]。一項隨機對照研究共納入60名學(xué)生，分為3D 打印教學(xué)組和傳統(tǒng)教學(xué)組，比較2 組學(xué)生的教學(xué)成績；結(jié)果顯示3D 打印教學(xué)組更能提高學(xué)生的自我認(rèn)知能力、動作操作能力和出科考試成績，有利于教學(xué)工作順利完成[12]。由于創(chuàng)傷骨科疾病在解剖、生物力學(xué)和致病機制方面具有特殊性、多樣性和復(fù)雜性，疾病診斷及治療復(fù)雜，因此臨床教學(xué)的難度也明顯加大；隨著個體化、精準(zhǔn)化治療及醫(yī)學(xué)數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，3D 打印技術(shù)用于創(chuàng)傷骨科教學(xué)顯示出極具吸引力的應(yīng)用價值[13-14]。

3D 打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)生教學(xué)的優(yōu)勢在于：（1）便于觀察、認(rèn)知和記憶骨科復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)，并加深對相關(guān)疾病的理解；（2）學(xué)習(xí)效率提高，有利于鞏固基礎(chǔ)理論知識；（3）加深學(xué)生對骨折受傷機制和生物力學(xué)特性的理解程度，從三維空間結(jié)構(gòu)聯(lián)系到系統(tǒng)化診斷與治療，準(zhǔn)確判斷骨折類型、臨床表現(xiàn)特征和并發(fā)癥情況；（4）依照骨折分型制定合理的手術(shù)治療方案，模擬骨科手術(shù)入路和操作，提高學(xué)生的手術(shù)能力；（5）積極調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和增強學(xué)習(xí)信心，更好地學(xué)習(xí)和理解復(fù)雜創(chuàng)傷骨科疾病[15-17]。

2 3D 打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 骨盆骨折

隨著交通事故和建筑工傷等意外事故的增加，高能量損傷致骨盆骨折的發(fā)生率顯著增高，骨盆骨折受傷機制復(fù)雜，分類方法繁多[18]。傳統(tǒng)的骨盆骨折教學(xué)多采用尸體標(biāo)本、正常結(jié)構(gòu)的教學(xué)模型及骨折的術(shù)中講解等形式，但受限于標(biāo)本來源稀缺、正常模型無法客觀展示骨折類型、缺乏直觀觀察以及無法模擬手術(shù)操作步驟，而3D 打印模型是重要的解決途徑[19]。3D 打印骨折模型可直觀展現(xiàn)骨盆結(jié)構(gòu)和骨折類型，有利于推測骨折手術(shù)機制及可能的血管神經(jīng)并發(fā)癥情況，為手術(shù)做好充分的術(shù)前規(guī)劃[20]。該技術(shù)能增強醫(yī)學(xué)生對骨盆疾病的認(rèn)識，取得滿意的教學(xué)效果。近期有研究比較了3D 打印輔助教學(xué)和常規(guī)教學(xué)在骨盆骨折教學(xué)中的效果，納入了76 名學(xué)生，評價骨盆骨折分型的正確率和教學(xué)效果，研究結(jié)果明確3 D打印輔助教學(xué)在診斷準(zhǔn)確率及教學(xué)效果方面均優(yōu)于常規(guī)教學(xué)組[21]。

2.2 髖臼骨折

髖臼骨折的解剖結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，醫(yī)學(xué)生很難認(rèn)知三維空間結(jié)構(gòu)，尤其難以確定手術(shù)入路、規(guī)劃手術(shù)操作和識別需要規(guī)避的重要血管神經(jīng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)髖臼骨折的雙柱理論，3D 打印髖臼模型并涂畫不同顏色，有利于醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)髖臼骨折類型，能幫助其更直觀地學(xué)習(xí)髖臼骨折解剖、骨折線走形、骨折分類及骨折塊分布、受傷機制推斷，教學(xué)效果優(yōu)于人體物理模型和虛擬現(xiàn)實技術(shù)[22]。研究報道顯示3D 打印模型提高醫(yī)學(xué)生對髖臼骨折類型診斷的準(zhǔn)確性，同時有利于增加學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[23]。

2.3 關(guān)節(jié)周圍骨折

復(fù)雜的關(guān)節(jié)周圍骨折是骨科教學(xué)的難點之一。人體股骨、脛骨髁部形態(tài)不規(guī)則，腘窩解剖復(fù)雜，并包含血管、神經(jīng)和肌腱結(jié)構(gòu)[24]。關(guān)節(jié)內(nèi)及關(guān)節(jié)周圍骨折是由較大的外界暴力引起，受傷機制復(fù)雜。嚴(yán)重的粉碎骨折失去正常的形態(tài)和解剖標(biāo)識，臨床教學(xué)難度加大；掌握關(guān)節(jié)處的解剖、骨折分型和受傷機制是診療的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生通過尸體解剖和醫(yī)學(xué)圖譜學(xué)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)，因為捐獻尸體來源受限，動手操作機會少；解剖圖譜多為二維平面圖片，缺乏空間細(xì)節(jié)和三維立體結(jié)構(gòu)；CT 三維重建可呈現(xiàn)立體的結(jié)構(gòu)，但無法提供觸覺反饋。有研究招募了60 名學(xué)生學(xué)習(xí)關(guān)節(jié)周圍骨折疾?。ü晒趋梁兔劰瞧脚_骨折），隨機分為3D 打印教學(xué)組和單純常規(guī)教學(xué)組，結(jié)果顯示3D 打印教學(xué)組的學(xué)習(xí)質(zhì)量更高、理論考核分?jǐn)?shù)上更有優(yōu)勢[25]。

踝關(guān)節(jié)骨折在骨科疾病中非常常見，采用經(jīng)典的朗漢氏（Lauge-Hansen）分型，包括旋后外旋型、旋后內(nèi)收型、旋前外旋型和旋前外展型。研究發(fā)現(xiàn)3D 打印技術(shù)在復(fù)雜足踝骨折教學(xué)中具有重要應(yīng)用潛力[15]。有研究應(yīng)用3D 打印模型輔助踝關(guān)節(jié)骨折 Lauge-Hansen 分型的教學(xué)，學(xué)生的教學(xué)滿意度更高、學(xué)習(xí)信心和積極性明顯提高[16]。在跟骨骨折方面，學(xué)生難以通過影像學(xué)資料透徹理解和記憶，教學(xué)主要依靠影像學(xué)的幾何形態(tài)，對學(xué)生的空間理解能力要求極高；3D 打印模型有利于學(xué)生理解和評估跟骨骨折形態(tài)，推測受傷機制和制定合理的手術(shù)方案，提高學(xué)生學(xué)習(xí)跟骨骨折的自信和效率[15]。此外，3D 打印模型有利于講授和模擬足踝骨折復(fù)位的入路和步驟、內(nèi)固定的選擇和安置等手術(shù)步驟；充分合理的術(shù)前規(guī)劃將大大縮短手術(shù)時間、減少創(chuàng)傷和出血、降低費用和促進患者的快速康復(fù)[26]。

案例教學(xué)法（case-based learning，CBL）是通過講解真實的臨床案例，將理論知識穿插到案例中并促進討論學(xué)習(xí)，旨在結(jié)合理論知識和臨床診治，使學(xué)習(xí)過程更生動具體，實用性強[27-28]；其已廣泛應(yīng)用于骨外科教學(xué)，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，以問題為導(dǎo)線，引導(dǎo)學(xué)生采用探索式學(xué)習(xí)方法掌握骨科學(xué)知識，提高了學(xué)習(xí)積極性和訓(xùn)練臨床思維能力[29-30]。足踝骨折的解剖復(fù)雜、損傷機制多變，骨折類型多樣化，所以單獨將CBL 應(yīng)用于足踝疾病的教學(xué)效果仍然欠佳。為探索3D 打印技術(shù)與CBL 教學(xué)方式相結(jié)合對足踝教學(xué)的影響，有研究納入五年制臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)60 名學(xué)生，隨機分為試驗組（3D 打印技術(shù)結(jié)合CBL 教學(xué)模式）和對照組（CBL 教學(xué)模式），比較2 組足踝外科的學(xué)習(xí)效果，包括基礎(chǔ)知識、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題方案運用評分，3D 打印技術(shù)輔助的教學(xué)模式更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績、學(xué)習(xí)樂趣、課堂專注度、臨床技能和解決問題的能力，研究提示3D 打印技術(shù)輔助的教學(xué)模式在足踝外科教學(xué)中更具有優(yōu)越性[3]。

3 3D 打印技術(shù)應(yīng)用所存在的問題

3D 打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科疾病教學(xué)中具有重要應(yīng)用前景，但仍存在諸多問題：（1）創(chuàng)傷骨科疾病涉及骨骼、肌肉、血管和神經(jīng)等多種解剖結(jié)構(gòu)，目前3D 教學(xué)模型主要集中在骨骼模型，缺乏多種結(jié)構(gòu)同時打印的教學(xué)模型，打印機技術(shù)精度需進一步提高；（2）3D 打印模型較堅固，與新鮮組織的質(zhì)地和硬度不完全匹配，所以在進行模擬手術(shù)時，器械和手感的力度和精細(xì)程度與實際手術(shù)有一定的差異；（3）3D 打印耗時較長，需花費數(shù)小時，額外費用較高[23-25]。

4 總結(jié)及展望

3D 打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科疾病教學(xué)中極具應(yīng)用前景。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，3D 打印技術(shù)有望制造出與患者完全匹配的全仿真器官，為醫(yī)生提供觀察、理解、手術(shù)規(guī)劃和預(yù)演的機會；3D 打印技術(shù)的前沿方向是研究如何打印“活”的人體器官，即理想的生物材料、人體細(xì)胞及調(diào)控因子等所構(gòu)成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機體，制造出具有相應(yīng)功能的器官，這需要生物、醫(yī)學(xué)和計算機等多學(xué)科的交叉研究發(fā)展。