中医骨伤3D打印手法复位教学模型的质量控制※

赵文韬 易红赤 魏庆中*

（1 云南中医学院临床医学院骨伤教研室，云南 昆明 650500；2 云南中医学院第一附属医院骨伤科，云南 昆明 650021；3 云南省中医医院骨伤科，云南 昆明 650021）

中医骨伤是以中医基础理论为指导，研究和防治骨关节及其周围筋肉损伤与疾病的一门中医临床学科，相关疾病主要包括骨折、脱位、筋伤等几大类。中医骨伤手法复位是整复骨折、脱位的特色治疗方法，具有手术治疗不可替代的“简、便、验、廉”优势。传统手法复位的教学与传承多是通过教师讲解、演示，学生在教师指导下通过实践体会的方法来学习。

三维（3-dimensional，3D）打印技术是一种利用逆向工程原理制造立体结构的快速成型方法，是数字化技术在骨科运用的一种先进方法[1]。现在3D打印技术已经在骨科领域已经得到广泛运用，可利用3D打印技术来模拟展示骨折移位情况、设计个性化内固定物、进行术前规划、制定个体化手术方案等[2]。

为了提高中医骨伤手法复位的教学效果，在讲授和实践教学过程中，借鉴相关成果的经验，我们在教学中引入了3D打印模型辅助教学，取得了良好的教学效果。在这个方法运用过程中，发现模型的打印质量对教学效果有着较大影响。本文借助桡骨远端骨折（colles骨折）3D打印教学模型制作经验，就如何提高打印质量进行总结分析。

1 资料与方法

1.1 一般资料 经云南中医学院第一附属医院伦理委员会批准通过，本研究纳入桡骨远端骨折（colles骨折）2例，分别为：患者1，男性，35岁，跌伤后右侧腕部疼痛、活动受限2 h入院，入院就诊后体格检查提示：右腕部局部肿胀，局部呈“餐叉”样畸形，局部压痛，可触及骨擦感。呈现桡骨远端骨折（colles骨折）典型体征，X线检查提示桡骨远端骨折（colles骨折）；患者2，男性，50岁，跌伤后右侧腕部疼痛、活动受限3 h入院，入院就诊后体格检查提示右腕部局部肿胀，局部呈“餐叉”样畸形，局部压痛，可触及骨擦感。呈现桡骨远端骨折（colles骨折）典型体征，X线检查提示桡骨远端骨折（colles骨折）。2名患者经签署同意书后行右腕部CT扫描，扫描层厚0.625 mm。描后数据以DICOM格式保存，用于三维模型建模。

1.2 建模方法

1.2.1 三维模型的提取 将患者DICOM格式的CT影像导入交互式医学影像控制系统Mimics10.01软件 (Materialize，Inc.，比利时)。分别使用阈值分割命令、蒙版工具、区域增长命令、编辑蒙板命令将骨骼和软组织分离，编辑图像形状，选择所需区域，逐层分割出所需的骨骼结构（图1）；最后通过进行重建，重建包括桡骨远端骨折块、近段桡骨、掌骨、腕骨等结构的初步三维曲面模型（图2）。该三维模型以STL格式保存。

图1 分割出各部分所需的骨骼结构

图2 初步的三维曲面模型

1.2.2 三维模型优化 将STL格式的模型逐个导入到自动逆向工程软件Geomagic 2012(Geomagic，Raindrop Geomagic，美国)获得曲面模型，这个过程还需要通过软件对骨骼模型进行曲面优化，删除钉状物、填充空缺部分，增加光顺程度，编辑轮廓线，构造曲面片，拟合曲面等操作（图3）。待模型呈现表面光滑、轮廓清晰，外观与真实状态完全一致以后继续以STL格式保存。

图3 优化后的模型

1.3 3D打印教学模型打印方法 将STL模型导入3D打印专业软件Cura 15.04（Ultimaker，荷兰）进行打印前切片。模型设置于打印机平台中央位置。打印喷头直径设置为0.65 mm，打印层高分别设置为是0.1、0.2、0.3 mm；壁厚设置为1 mm；顶/底面厚度设置为0.75 mm；填充密度设置为20%；打印速度使用30.0 mm/s；喷头温度设置为210℃；支撑类型设置为部分支撑；工作台附着方式设置为网格，厚度2 mm。然后使用软件中模型旋转命令，分别按照模型纵轴垂直于打印平台（图4）、纵轴平行于打印平台（图5）进行模型放置。模型大小比例设置为1∶1。设置完毕的切片文件以gcodeg格式保存到SD卡后准备打印。

将SD卡插入Ultimaker 2 Extended打印机后预热打印机，使用打印材料为聚乳酸 (PLA)，材料直径为2.85 mm，利用熔融层积成型技术（fused deposition modeing，FDM)获得所需模型。打印完毕后对模型进行去除支撑、打磨光滑等处理。

图4 模型纵轴垂直于打印平台

图5 模型纵轴平行于打印平台

1.4 打印模型质量的评价方法 通过将打印模型按照外观真实度、表面光滑度、骨折线对位精确度、后期处理难易度4个方面进行评价，每个指标分别分为优秀、良好、差3个级别，每个级别分别赋予3分、2分、1分。4项评分相加总分≥7分为合格，＜7分为不合格。打分通过3位有丰富临床、教学经验的教师评估，3人对每个模型单独评分，各个级别评分取3人评分总分的平均分，小数点后一位评分采取四舍五入计分。

2 结果

最后获得3D打印的桡骨远端骨折模型12个 (表1)。经过3位教师的评分，我们评出合格模型8个，不合格模型4个（表2）。模型纵轴平行于打印平台打印的评分低于纵轴垂直于打印平台的方法。随着层厚增加，模型评分仍然呈现下降的趋势。

表1 3D打印的桡骨远端骨折模型例数 (例)

表2 3D打印的桡骨远端骨折模型质量评分 (分)

3 讨论

3.1 选择桡骨远端骨折3D打印模型的意义 由于教育环境和教育技术的革新变化，现在的医生需要更多的培训方法和手段，而一个好的3D打印模型对训练医生具有重要意义[3]。桡骨远端骨折在临床上可以分为伸直型（colles骨折）和屈曲型两种。作为在临床最为常见的的骨折之一，中医手法复位治疗可以取得良好的治疗效果。桡骨远端骨折的中医手法复位是中医骨伤实践及临床教学的重要内容。传统的桡骨远端骨折手法复位教学大多是通过教师在课堂讲授复位方法，实践教学课进行示范教学，学生在临床实践环节参与实际临床治疗等环节掌握具体的治疗方法。为了提高教学效率与质量，有必要开发新的教学手段。而文章选择了以桡骨远端骨折模型来研究如何提高3D打印模型质量具有两方面的积极意义，第一是有针对性地研究如何更好提高桡骨远端骨折模型的打印质量；其次是通过以桡骨远端模型的打印为切入点，为提高其他骨折模型的打印质量提供参考。

3.2 骨伤科手法复位示范中使用3D打印模型的优势 中医复位手法形式繁多，实施操作方法经验性强，对操作的技巧性和力度大小要求非常高，因此中医骨伤手法复位技术不易推广，影响着中医正骨复位手法的继承和发扬，利用现代科技技术将抽象的中医骨伤手法复位治疗技术直观、逼真地表现出来，具有深远的意义和良好的发展趋势[4]。与真实骨骼标本对比，3D打印模型具有获取容易、可反复演示等优势，有利于对学习者的手法操作技能进行动态反馈和科学分析，保证其在短时间内掌握操作要领、完成手法学习任务[5]。运用数字化3D打印技术还可以为中医骨伤临床教学提供更加直观的教学模型，通过3D打印模型重现患者的受伤机制、展现骨折的移位程度，调动了学生学习的积极性，提高教师的教学质量和学生的学习效率[6]。3D打印的教学模型仿真性强、形象直观，学生更容易理解复杂的解剖结构，能提高学生的学习兴趣和知识的掌握牢靠程度[7]。因此，研究如何提高3D打印手法复位教学模型具有可以实现的现实意义，可以为中医骨伤手法复位的教学提供一种先进的方法。

3.3 3D打印模型质量的控制 3D打印骨折模型的过程包括医学影像数据的提取、数字模型的制作、打印机设置和最后的材料成型等过程。而模型材料成型过程中的质量工艺参数主要有：扫描速度、填充间隔、填充线宽、分层厚度、喷头温度、成型室温度等，3D打印的方法有多种，包括：FEM技术、立体平版印刷技术（SLA）、选区激光烧结技术（SLS）、激光成型技术（DLP）、UV光固化成型技术等，同时材料的选择也是多种多样，常用的成型材料主要有聚乳酸 (PLA)、光敏树脂、工程塑料(ABS)以及聚氨酯 (TPU)材料等，聚乳酸和工程塑料都是硬性材料，光敏树脂是微弹性材料，聚氨酯则是弹性材料。TPU材料作为一种弹性体，是介于橡胶和塑料之间的一种材料，能在35℃以下保持良好的弹性，无毒无害，对皮肤无刺激[8]。打印模型的质量除了要注意到具体打印参数的设置以外，还与材料的选择和打印成型的具体技术有直接关系。而文章中观察的质量控制指标主要包括打印层厚和打印模型相对于打印平台放置位置两个指标。经过观察对比，发现主要影响打印质量的因素为模型放置方法，其放置的方法将会影响到打印过程中软件自动生成支撑的位置，直接影响到模型最终的成型质量。打印层厚尽管没有明显影响到打印模型的精度，但是在临床运用时可以接受的精度还要结合实际需要设置[1]。在本研究过程中可以发现，随着层厚增加，模型的精度会有一定下降，但影响程度远不如模型放置位置的影响大。

3.4 本研究的不足 文章以桡骨远端骨折手法复位3D打印教学模型为例分析了如何提高打印质量，但是仍然存在不足。本文仅选择了FEM方法和PLA材料进行研究，在方法的选择上过于简单，同时选择的参考指标设置也缺少具体的规范，因此在实际运用过程中可能还需要不断探索与完善。

4 结论

在利用3D打印模型进行中医骨伤科教学活动时，打印模型在打印机打印平台上的放置位置对打印模型的质量影响大于打印层厚对打印模型质量的影响。因此在制作3D打印模型过程当中，应当选择合理的放置位置以保证打印质量。尽管打印层厚对打印质量的影响不明显，但是仍然可以看出随着层厚的增加，模型的质量仍然存在下降的趋势。因此，在实际运用过程中，设置打印层厚时仍然应根据实际要求进行设计。

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