3D打印及计算机辅助导航技术在脊柱外科临床教学中的应用

任斌 王怡田 平安松 蔡林

骨科是一门操作性、实践性很强的临床学科，尤其近10 年来发展迅速，学科的新理论、新方法层出不穷。随着微创和智能外科手术时代的到来，人工智能辅助下的精准医疗和智慧医疗成为了未来骨科学的发展方向，同时也在不断推进骨科临床教学的进步与智能优化［1-2］。在这个背景下，传统的教学方法已无法满足智能时代教学的要求。因此，根据骨科领域的教学现状，研究如何将人工智能科技运用于临床教学已成为当前至关重要的课题。

骨科学尤其是脊柱外科对解剖及抽象空间立体思维能力要求较高，而传统的脊柱外科临床教学使用图谱、影像学资料（X 线片、CT、MRI）等方法并不能直观、立体地展示局部的正常解剖结构。而面对解剖复杂的骨骼疾病，教师在授课时也难以讲清病变结构，使得教学效果不尽人意。另外，脊柱外科和神经、血管系统密切相关，具有更高的操作难度和手术风险。学生因此很难有机会直接进行脊柱外科的实际手术操作，也导致了脊柱外科的临床教学缺少即时反馈机制。而教师的即时评价反馈可帮助学生发现不足并及时调整学习方法，也有利于教师因材施教、及时在教学过程中调整教学方案［3］。在这种背景下，我们将3D打印技术以及计算机辅助导航技术应用于脊柱外科的理论教学和手术技能操作训练，以期为促进脊柱外科的教学智能化及新时代临床人才的培养提供新的思路。

资料与方法

一、纳入与排除标准

纳入标准：①2019级至我院脊柱外科接受住院医师培训的规培学员；②完整参与了4 周的脊柱外科临床教学工作；③本研究方法已提前告知学员并征得学员同意，学员自愿参加。排除标准：①其他年级规培学员；②规培期间无故迟到、早退、旷课超过2次，或请假超过2天者。

二、一般资料

将2020年7月至2022年7月在我院脊柱外科接受住院医师培训的52名规培学员随机分为两组，每组26 人。试验组男24 名，女2 名，年龄为（25.26±0.32）岁，入科成绩为（73.46±2.23）分；对照组男25名，女1名，年龄为（25.17±0.24）岁，入科成绩为（74.51±2.76）分。两组间一般资料的差异无统计学意义（P＞0.05，表1）。

表1 两组一般资料比较

三、教学方法

试验组采用多媒体授课，3D打印模型作为教具进行教学演示，计算机辅助导航技术进行手术操作培训。通过PACS系统获取的薄层扫描DICOM格式图像经过Mimics 三维医学重建软件计算生成数字模型，导入3D 打印机，以光敏树脂为原料在高精度模式下制造实体复杂结构模型。模型制作对象包括脊柱骨折、脊柱肿瘤以及脊柱退变侧弯等病种。通过3D打印模型展示病变部位的立体结构及邻近部位的正常解剖结构。试验组手术操作培训内容为计算机导航技术辅助下在3D打印模型上进行椎弓根螺钉置入。教学时长为8学时，操作培训时长为3学时。

对照组采用传统的多媒体授课，人体解剖模型作为教具进行教学演示及手术操作培训。病人的CT 或MRI 影像学资料通过我院的PACS 系统获取，并可通过PACS系统对扫描部位进行三维重建。两组采用同一教学老师进行教学。与试验组使用3D打印的1∶1 复刻病人病变部位解剖结构的模型相比，对照组使用的教学模型为展示成人正常脊柱解剖结构的医用教学模具。对照组与试验组的教学学时和操作培训学时均相同，对照组操作培训内容为在人体解剖模具上进行椎弓根螺钉置钉操作。

四、教学效果评价

课程结束后对两组学生进行理论知识考核（100分）和临床技能考核（100 分）。理论知识考核包括脊柱外科解剖学和基础理论，临床技能考核包括病例分析（30分）、影像学阅片（30分）及脊柱模型椎弓根螺钉操作测试（40分）。

五、教学满意度评价

以自制调查问卷的形式分别调查试验组和观察组学生对授课教师教学的满意程度，包括教学方法评价及教学内容评价。教学方法评价和教学内容评价满分均为100分。

六、统计学方法

采用SPSS 17.0（IBM 公司，美国）对调查数据进行统计学分析，符合正态分布的计量资料以均数±标准差（±s）表示，采用独立样本t检验分析两组间教学效果及教学满意度差异；计数资料采用χ2检验。P＜0.05表示差异具有统计学意义。

结果

一、教学效果评价

试验组与对照组学生的脊柱外科理论知识成绩分别为（89.37±5.31）分和（84.42±4.26）分，差异具有统计学意义（t=3.708，P=0.001）。在临床技能考核中，试验组学生病例分析、影像学阅片及椎弓根螺钉置钉操作测试考核成绩均高于对照组，两组学生在临床技能考核三项测试中的差异均有统计学意义（P＜0.05，表2）。

表2 教学效果评价（±s，分）

表2 教学效果评价（±s，分）

组别试验组对照组t值P值例数26 26临床技能考核--理论知识考核89.37±5.31 84.42±4.26 3.708 0.001病例分析24.72±3.25 22.26±2.14 3.224 0.002影像学阅片26.45±2.71 24.67±2.38 2.516 0.015椎弓根螺钉置钉操作35.43±3.47 32.52±2.65 3.398 0.001

二、教学满意度评价

试验组与对照组为同一授课教师。在对授课教师教学评价中，试验组学生对教师的教学方法评价明显高于对照组；教学内容评价中，试验组同样高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05，表3）。

表3 教学满意度评价（±s，分）

表3 教学满意度评价（±s，分）

组别试验组对照组t值P值例数26 26--教学方法评价95.46±4.83 87.75±5.31 5.477＜0.001教学内容评价92.37±4.15 88.53±5.42 2.868 0.006

讨论

骨科学因涉及解剖部位多且结构复杂，对学生立体空间想象能力要求较高。其中，脊柱外科因为和血管、神经系统密切相关，对术者的技术要求更高、更细致。现今脊柱外科的临床教学仍大多沿用传统的PPT形式进行理论授课，授课内容抽象、难理解或者授课方式枯燥，对学生缺乏吸引力。在解剖学结构中，由于椎弓根（尤其是内、下壁）与脊髓、神经根相邻，如椎弓根螺钉的位置偏移可能引起神经、血管损伤等严重并发症的发生［4］。因此，脊柱外科对实践操作能力的要求较高，往往需要术者接受更高强度的技能操作培训。基于此，如何在脊柱外科的临床教学中直观、生动、形象地展示局部解剖结构，提高学生的理论知识水平；同时增加学生动手操作的机会，提高动手操作能力，是指导教师需思考的关键问题。

随着人工智能赋能医疗领域，持续的技术革新将医疗行业推向了新的时代。其中，3D打印技术可以将数字模型转化为实体模型，从而实现医学领域的个性化定制和精准治疗。我科在临床中已多次利用3D 打印的人工椎体重建创伤或脊柱肿瘤切除术后的局部缺损，实现了脊柱结构的长期稳定支撑和生物融合。近年来3D 打印技术被逐步应用于教学和临床技能操作培训中，显著缩短了医生的学习曲线［5-6］。本教学团队将3D打印技术与计算机辅助导航引入到脊柱外科的临床教学实践中，建立了数字化和智能化脊柱外科教学平台。3D 模型在理论授课中可以使学生直视各部位的细微结构和相互位置关系［7］，促进学生在理论学习过程中从被动记忆型转变为思考型，由接受性学习转变为探究性学习。同时，学生在3D打印的实体脊柱模型上通过计算机辅助导航强化手术技能训练，提高了动手操作能力和感兴趣程度，从而改善脊柱外科的教学质量。

3D 打印技术应用于骨科教学中，具有多种优势。首先，3D打印的实物模型可以直观地展示局部正常的解剖结构或病变特征，视觉的直接感受减少了学生对想象力的依赖，提高了学生的兴趣和积极性，从而有效解决了我们在教学中面临的讲不清解剖结构的问题。其次，3D打印模型可以提高学生的阅片能力。当学生通过3D 打印模型掌握了局部解剖知识后，通过阅片将影像学资料与3D打印立体模型结合，最终在训练教学中提高阅片能力。另外，3D 打印技术可以激发学生的自主创造能力。学生以1∶1模型为支撑、以理论知识为依据，通过术前讨论环节自主设计手术入路、选择内固定器械、拟定手术切除范围，从而最大限度地发挥主动性和创造性。

计算机辅助导航是利用“C”型臂X线机或CT等影像学信息，通过计算机处理分析，同时结合立体空间定位技术及可视化技术，实现术中三维可视定位，从而使高难度的脊柱外科手术趋于安全、精准和微创［8-9］。我科将计算机辅助导航技术应用于骨科临床教学，利用数字化扫描技术运算重建病人的三维影像，学生即可在此影像基础上进行术前模拟与规划，并进一步在3D 打印模型上进行手术实践操作。在本教学研究中，试验组学生通过计算机辅助导航技术在3D打印模型上进行操作训练，在操作技能考核中（置钉准确性和置钉时间）明显优于对照组，有效解决了骨科学生缺乏实践操作机会的问题。此外，计算机辅助导航系统可以实时反馈学生在操作过程中容易出现的错误，通过即时反馈机制促使其加强对薄弱环节的训练，从而持续提高操作技能［10］。

医学生的培养不仅是教授知识，还要进一步培养具有自主学习能力和创新能力的复合人才［11］。在新的形势下，教师既要充分发挥理论和实践教学的基础作用，也要充分引导和开发学生的主观能动性［12-13］。本教学研究通过3D 打印技术让学生理解清楚脊柱疾病的解剖与病理，加深对理论知识的理解，并进一步将3D打印和计算机辅助导航技术与基于问题的学习教学法相结合，在教学中以科学问题为引导，融入讨论环节，拟定手术方案，促使学生主动思考并自主查阅文献，从而将脊柱外科的理论知识与创新研究思维充分结合。试验组对脊柱外科操作技能、基础理论学习的掌握程度明显高于对照组。这样的结果可以表明，3D打印和计算机辅助导航技术对学生知识的掌握有更好的促进作用，并有助于培养其主动探索能力。

人工智能虽然在医学领域还处于探索阶段，但医疗智能化已经是大势所趋［14-15］。在这种形势下，脊柱外科的教学同样需要与时俱进，做出符合时代特色的改革。将3D 打印技术结合计算机辅助导航应用于脊柱外科教学中，必将给学生带来耳目一新的直观视觉感受，促使其更准确地理解和掌握脊柱外科理论知识，同时有效解决医学生动手操作难的问题，可明显提升脊柱外科的教学效果。