中醫骨傷3D打印手法復位教學模型的質量控制※

趙文韜 易紅赤 魏慶中*

（1 云南中醫學院臨床醫學院骨傷教研室，云南 昆明 650500；2 云南中醫學院第一附屬醫院骨傷科，云南 昆明 650021；3 云南省中醫醫院骨傷科，云南 昆明 650021）

中醫骨傷是以中醫基礎理論為指導，研究和防治骨關節及其周圍筋肉損傷與疾病的一門中醫臨床學科，相關疾病主要包括骨折、脫位、筋傷等幾大類。中醫骨傷手法復位是整復骨折、脫位的特色治療方法，具有手術治療不可替代的“簡、便、驗、廉”優勢。傳統手法復位的教學與傳承多是通過教師講解、演示，學生在教師指導下通過實踐體會的方法來學習。

三維（3-dimensional，3D）打印技術是一種利用逆向工程原理制造立體結構的快速成型方法，是數字化技術在骨科運用的一種先進方法[1]。現在3D打印技術已經在骨科領域已經得到廣泛運用，可利用3D打印技術來模擬展示骨折移位情況、設計個性化內固定物、進行術前規劃、制定個體化手術方案等[2]。

為了提高中醫骨傷手法復位的教學效果，在講授和實踐教學過程中，借鑒相關成果的經驗，我們在教學中引入了3D打印模型輔助教學，取得了良好的教學效果。在這個方法運用過程中，發現模型的打印質量對教學效果有著較大影響。本文借助橈骨遠端骨折（colles骨折）3D打印教學模型制作經驗，就如何提高打印質量進行總結分析。

1 資料與方法

1.1 一般資料 經云南中醫學院第一附屬醫院倫理委員會批準通過，本研究納入橈骨遠端骨折（colles骨折）2例，分別為：患者1，男性，35歲，跌傷后右側腕部疼痛、活動受限2 h入院，入院就診后體格檢查提示：右腕部局部腫脹，局部呈“餐叉”樣畸形，局部壓痛，可觸及骨擦感。呈現橈骨遠端骨折（colles骨折）典型體征，X線檢查提示橈骨遠端骨折（colles骨折）；患者2，男性，50歲，跌傷后右側腕部疼痛、活動受限3 h入院，入院就診后體格檢查提示右腕部局部腫脹，局部呈“餐叉”樣畸形，局部壓痛，可觸及骨擦感。呈現橈骨遠端骨折（colles骨折）典型體征，X線檢查提示橈骨遠端骨折（colles骨折）。2名患者經簽署同意書后行右腕部CT掃描，掃描層厚0.625 mm。描后數據以DICOM格式保存，用于三維模型建模。

1.2 建模方法

1.2.1 三維模型的提取 將患者DICOM格式的CT影像導入交互式醫學影像控制系統Mimics10.01軟件 (Materialize，Inc.，比利時)。分別使用閾值分割命令、蒙版工具、區域增長命令、編輯蒙板命令將骨骼和軟組織分離，編輯圖像形狀，選擇所需區域，逐層分割出所需的骨骼結構（圖1）；最后通過進行重建，重建包括橈骨遠端骨折塊、近段橈骨、掌骨、腕骨等結構的初步三維曲面模型（圖2）。該三維模型以STL格式保存。

圖1 分割出各部分所需的骨骼結構

圖2 初步的三維曲面模型

1.2.2 三維模型優化 將STL格式的模型逐個導入到自動逆向工程軟件Geomagic 2012(Geomagic，Raindrop Geomagic，美國)獲得曲面模型，這個過程還需要通過軟件對骨骼模型進行曲面優化，刪除釘狀物、填充空缺部分，增加光順程度，編輯輪廓線，構造曲面片，擬合曲面等操作（圖3）。待模型呈現表面光滑、輪廓清晰，外觀與真實狀態完全一致以后繼續以STL格式保存。

圖3 優化后的模型

1.3 3D打印教學模型打印方法 將STL模型導入3D打印專業軟件Cura 15.04（Ultimaker，荷蘭）進行打印前切片。模型設置于打印機平臺中央位置。打印噴頭直徑設置為0.65 mm，打印層高分別設置為是0.1、0.2、0.3 mm；壁厚設置為1 mm；頂/底面厚度設置為0.75 mm；填充密度設置為20%；打印速度使用30.0 mm/s；噴頭溫度設置為210℃；支撐類型設置為部分支撐；工作臺附著方式設置為網格，厚度2 mm。然后使用軟件中模型旋轉命令，分別按照模型縱軸垂直于打印平臺（圖4）、縱軸平行于打印平臺（圖5）進行模型放置。模型大小比例設置為1∶1。設置完畢的切片文件以gcodeg格式保存到SD卡后準備打印。

將SD卡插入Ultimaker 2 Extended打印機后預熱打印機，使用打印材料為聚乳酸 (PLA)，材料直徑為2.85 mm，利用熔融層積成型技術（fused deposition modeing，FDM)獲得所需模型。打印完畢后對模型進行去除支撐、打磨光滑等處理。

圖4 模型縱軸垂直于打印平臺

圖5 模型縱軸平行于打印平臺

1.4 打印模型質量的評價方法 通過將打印模型按照外觀真實度、表面光滑度、骨折線對位精確度、后期處理難易度4個方面進行評價，每個指標分別分為優秀、良好、差3個級別，每個級別分別賦予3分、2分、1分。4項評分相加總分≥7分為合格，＜7分為不合格。打分通過3位有豐富臨床、教學經驗的教師評估，3人對每個模型單獨評分，各個級別評分取3人評分總分的平均分，小數點后一位評分采取四舍五入計分。

2 結果

最后獲得3D打印的橈骨遠端骨折模型12個 (表1)。經過3位教師的評分，我們評出合格模型8個，不合格模型4個（表2）。模型縱軸平行于打印平臺打印的評分低于縱軸垂直于打印平臺的方法。隨著層厚增加，模型評分仍然呈現下降的趨勢。

表1 3D打印的橈骨遠端骨折模型例數 (例)

表2 3D打印的橈骨遠端骨折模型質量評分 (分)

3 討論

3.1 選擇橈骨遠端骨折3D打印模型的意義 由于教育環境和教育技術的革新變化，現在的醫生需要更多的培訓方法和手段，而一個好的3D打印模型對訓練醫生具有重要意義[3]。橈骨遠端骨折在臨床上可以分為伸直型（colles骨折）和屈曲型兩種。作為在臨床最為常見的的骨折之一，中醫手法復位治療可以取得良好的治療效果。橈骨遠端骨折的中醫手法復位是中醫骨傷實踐及臨床教學的重要內容。傳統的橈骨遠端骨折手法復位教學大多是通過教師在課堂講授復位方法，實踐教學課進行示范教學，學生在臨床實踐環節參與實際臨床治療等環節掌握具體的治療方法。為了提高教學效率與質量，有必要開發新的教學手段。而文章選擇了以橈骨遠端骨折模型來研究如何提高3D打印模型質量具有兩方面的積極意義，第一是有針對性地研究如何更好提高橈骨遠端骨折模型的打印質量；其次是通過以橈骨遠端模型的打印為切入點，為提高其他骨折模型的打印質量提供參考。

3.2 骨傷科手法復位示范中使用3D打印模型的優勢 中醫復位手法形式繁多，實施操作方法經驗性強，對操作的技巧性和力度大小要求非常高，因此中醫骨傷手法復位技術不易推廣，影響著中醫正骨復位手法的繼承和發揚，利用現代科技技術將抽象的中醫骨傷手法復位治療技術直觀、逼真地表現出來，具有深遠的意義和良好的發展趨勢[4]。與真實骨骼標本對比，3D打印模型具有獲取容易、可反復演示等優勢，有利于對學習者的手法操作技能進行動態反饋和科學分析，保證其在短時間內掌握操作要領、完成手法學習任務[5]。運用數字化3D打印技術還可以為中醫骨傷臨床教學提供更加直觀的教學模型，通過3D打印模型重現患者的受傷機制、展現骨折的移位程度，調動了學生學習的積極性，提高教師的教學質量和學生的學習效率[6]。3D打印的教學模型仿真性強、形象直觀，學生更容易理解復雜的解剖結構，能提高學生的學習興趣和知識的掌握牢靠程度[7]。因此，研究如何提高3D打印手法復位教學模型具有可以實現的現實意義，可以為中醫骨傷手法復位的教學提供一種先進的方法。

3.3 3D打印模型質量的控制 3D打印骨折模型的過程包括醫學影像數據的提取、數字模型的制作、打印機設置和最后的材料成型等過程。而模型材料成型過程中的質量工藝參數主要有：掃描速度、填充間隔、填充線寬、分層厚度、噴頭溫度、成型室溫度等，3D打印的方法有多種，包括：FEM技術、立體平版印刷技術（SLA）、選區激光燒結技術（SLS）、激光成型技術（DLP）、UV光固化成型技術等，同時材料的選擇也是多種多樣，常用的成型材料主要有聚乳酸 (PLA)、光敏樹脂、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，光敏樹脂是微彈性材料，聚氨酯則是彈性材料。TPU材料作為一種彈性體，是介于橡膠和塑料之間的一種材料，能在35℃以下保持良好的彈性，無毒無害，對皮膚無刺激[8]。打印模型的質量除了要注意到具體打印參數的設置以外，還與材料的選擇和打印成型的具體技術有直接關系。而文章中觀察的質量控制指標主要包括打印層厚和打印模型相對于打印平臺放置位置兩個指標。經過觀察對比，發現主要影響打印質量的因素為模型放置方法，其放置的方法將會影響到打印過程中軟件自動生成支撐的位置，直接影響到模型最終的成型質量。打印層厚盡管沒有明顯影響到打印模型的精度，但是在臨床運用時可以接受的精度還要結合實際需要設置[1]。在本研究過程中可以發現，隨著層厚增加，模型的精度會有一定下降，但影響程度遠不如模型放置位置的影響大。

3.4 本研究的不足 文章以橈骨遠端骨折手法復位3D打印教學模型為例分析了如何提高打印質量，但是仍然存在不足。本文僅選擇了FEM方法和PLA材料進行研究，在方法的選擇上過于簡單，同時選擇的參考指標設置也缺少具體的規范，因此在實際運用過程中可能還需要不斷探索與完善。

4 結論

在利用3D打印模型進行中醫骨傷科教學活動時，打印模型在打印機打印平臺上的放置位置對打印模型的質量影響大于打印層厚對打印模型質量的影響。因此在制作3D打印模型過程當中，應當選擇合理的放置位置以保證打印質量。盡管打印層厚對打印質量的影響不明顯，但是仍然可以看出隨著層厚的增加，模型的質量仍然存在下降的趨勢。因此，在實際運用過程中，設置打印層厚時仍然應根據實際要求進行設計。

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