髖關節置換手術的仿真設計與虛擬醫藥教育模式

彭鳒僑　陳海艷　劉宇平

[摘要] 目的 虛擬設計關節置換外科手術模型、搭建以練代教的仿真平臺，以此糾正外科教學的“學缺實操”局面。方法 隨機選取2016年7～8月在廣州醫科大學附屬第一醫院留醫、患髖關節骨性關節炎擬行全髖關節置換術的患者1例，以CT掃描腰骶椎后，以*.dicom格式導入Mimics重建出骨盆三維模型，以*.stl格式導入Freeform Modeling，以計算機輔助設計軟件ProE和Ghost SDK開發出仿真手術器械，在操縱桿Phantom引導下可視化演練全髖關節置換術。 結果 以3D輪動切割為觀察指標，實驗顯示清晰重建出髖關節三維模型，虛擬設計的術械與實體器械幾何外形酷似，全髖手術模型與實體手術高度仿真。 結論 這種“以練代教”為主體的培養模式，提供親臨其境的實操體驗，效果顯著，既可為醫藥課程提供教學案例又可為實體外科手術提供規劃依據。

[關鍵詞] 醫藥教育;全髖置換;自由設計模型;仿真手術

[中圖分類號] R687.3? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2019）06（a）-0065-04

Simulation design and virtual medical education model of hip replacement surgery

PENG Jianqiao1*? ?CHEN Haiyan2*? ?LIU Yuping3*

1.Orthopedic Institute， the First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University， Guangdong Province， Guangzhou? ?510120， China; 2.Orthopedic Department， Huidong People′s Hospital， Guangdong Province， Huizhou? ?516300， China; 3.President′s Office， the First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University， Guangdong Province， Guangzhou? ?510120， China

[Abstract] Objective Virtual design of joint replacement surgery model， to build a simulation platform to practice instead of teaching， on the occasion of surgical teaching to correct the "lack of practice" situation. Methods One patient who was admitted to the First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University from July to August 2016 and who suffered from hip osteoarthritis and planned to undergo total hip arthroplasty was randomly selected. After the lumbosacral vertebra was scanned by CT， the Mimics was imported into *.dicom format to reconstruct the 3D model of the pelvis， and Freeform Modeling was imported into *.stl format， the simulation surgical instrument was developed with the computer-aided design software ProE and Ghost SDK， and the visualized total hip replacement under the guidance of Phantom joystick was practiced. Results The experimental results showed that the 3D model of hip joint was clearly reconstructed by taking 3D wheeled cutting as the observation index. The geometrical shapes of the virtual designed surgical instruments and physical instruments were similar， and the total hip surgery model and physical surgery were highly simulated. Conclusion This training mode， with "training instead of teaching" as the main body， provides hands-on experience in the field， with remarkable effects. It can not only provide teaching cases for medical courses， but also provide planning basis for physical surgery.

[Key words] Medical teaching; Total hip replacement; freeform modeling; Simulative surgery

髖關節形狀特異、結構復雜，屬于外科教學難點。傳統的骨科帶教方法以教師授課、標本觀察、集體查房、參觀手術等“眼看手勿動”的方式為主，學生缺乏獨立操作機會，枯燥無味、效果不彰。本研究設計“以練代教”的這種模式讓學生以三維可視化技術重建出骨盆高清影像，準確反映其生理病理特征，比尸體標本授課更加形象。同時，針對股骨頸骨折、髖關節骨性關節炎等髖部疾患，關節置換往往是最終的治療方案。但是，髖關節置換術難度大、術時長，而術前規劃可縮短術程、減少并發癥。這一計算機輔助骨科教學實驗讓學生以自由設計模型Freeform Modeling制訂個體化手術規劃[1]、并虛擬演練全髖置換仿真[2]全程，不但為學生提供了量身定做的實踐平臺，而且為實體手術提供精準、合理的方案。

1 材料與方法

1.1 材料設備

從2016年7～8月在廣州醫科大學附屬第一醫院留醫、患髖關節炎且擬行全髖置換術的患者中隨機選1例，收集其64排螺旋CT薄層掃描影像1套，以*.dicom格式保存、醫學圖像處理軟件Mimics-17.0（Materialise，Beligium）、三維繪圖軟件ProE-5、自由設計模型FreeForm Modeling+V10（Sensable，USA）[3]軟件及其內帶的力反饋操縱桿Phantom[4]。實驗所用的CT影像從放射科保存的本來現有的舊病號數據中隨機抽樣，患者知情同意，不涉及動物試驗，獲得醫學倫理學委員會批準。

1.2 研究方法

1.2.1 三維重建? 學生將CT掃描患者骨盆的*.dicom數據導入到Mimics軟件，設定骨骼的CT閾值1250～2732，經閾值分割（Thresholding）、區域增長（Region growing）等功能分離椎骨，經蒙版（Mask）編輯（Edit mask），再經擦除、繪制、計算、重建出髖骨，以*.stl格式保存導出，建立骨盆三維模型（圖1A）。

1.2.2 術械繪制? 根據臨床手術器械形狀、規格，在三維繪圖軟件Pro-E中繪制手術器械，獲得髖關節置換手術的仿真[5]器械：股骨頭取出器、髖臼打入器、襯墊打入器、螺釘、髓腔銼、髖臼杯、襯墊、股骨假體等均以*.stl保存，內置物材料規格根據手術需要而定，手術刀、骨鑿及擺鋸等切割術械[6]在Freeform Modeling的自定義工具中二次開發獲得（圖1B）。

1.2.3 模具導入? 將關節模型及術器模型一同導入Freeform Modeling中，配以顏色渲染直觀效果，通過放大、縮小、旋轉、透視全方位演示高清的構造及毗鄰關系[7]（圖1C）。

1.2.4 關節置換手術仿真演習? 手術入路：取髖關節外側入路，通過Phantom操縱“手術刀”以大粗隆為中心作一長越15 cm外側直切口（圖1D）[8]。虛擬截骨：通過操縱桿“擺鋸”距離小粗隆1.5 cm處沿預切線垂直于股骨頸處截斷股骨頸（圖2A），以“取出器”取出股骨頭，測量其直徑為44 mm，選擇合適的假體。植入髖臼：以雕刻“刮刀”刮除髖臼底部的韌帶、軟骨、骨贅、脂肪墊，再以球形“刻刀”打磨出5～7個直徑為6 mm的孔用于填充骨水泥。選直徑44 mm的髖臼假體置入，保持45°外翻、前傾15°，再植入聚乙烯襯墊（圖2B）。以“骨鑿”在股骨頸骨截面上按前傾15°鑿骨槽，以操縱桿開髓、以髓腔銼由小到大逐漸擴髓[9]（圖2C）。安裝假體：打入假體柄試模，安裝假體頭并復位，尺寸確認后脫位，取出試模，填入骨水泥，在移動、轉動中把假體柄植入髓腔，安裝假體頭[10]（圖2D）。

2 結果

通過分割、區域增長等步驟建立了骨盆的三維模型，通過Mimics/Freeform放大、縮小、旋轉[11]、透視可清楚地觀察到各結構的解剖層次，從Pro-E及Ghost SDK開發的虛擬術器與真實術械酷似無異，完全滿足“手術”所需，在操縱桿Phantom控制下，人體模型、手術器械在Freeform Modeling中互動[12]，成功模擬了關節置換的手術過程，度高仿真、效果逼真。見圖1～2。

3 討論

本研究基于CT掃描數據重建骨盆模型，并以CAD軟件Pro-E繪制關節置換手術器械及植入材料[13]，在自由設計模型Freeform Modeling中模擬關節置換仿真手術，虛擬環境具有真實感、臨場感、交互性和力反饋功能[14]，通過力反饋感受到切割、鉆孔等操作“浸潤”[15];仿真平臺能在切割前測量方位、勾畫預切線并沿劃線精準地切割[16];系統的雕刻功能可組合器械在髖臼壁上自由設定孔徑、打孔或其他復雜的工序[17];可用內部的“撤銷”功能逆控20步程序[18]，反復修訂手術步驟、調整手術模板后大大縮短“手術”時間。兩年實驗表明，這一臨床電子教學平臺深得醫學生喜愛，成為實體訓練的首選工具。

中國教育的短板是“高分導向”所造成的“師缺實訓、學缺實操”，教育改革的對癥藥方就是“師重實訓、學重實操”的“高能導向”。傳統“以教代練”方式教學的弊病在于老師對命題諸如“如何騎自行車”照書講命、對學生“紙上談車”以致最后不會騎車。西方“以練代教”的宗旨是從實踐中培養學生“提出問題、分析問題、解決問題”的能力，它的中心思想是愛因斯坦“提出問題比回答問題更難”“解決問題比回答問題更強”的論斷。美國“以教代練”的核心要領是：譬如導師講解游泳課題，學生必須下水。“以練代教”的基本框架在于教學角色的定位：導師角色自我調整為配角，總覽大局而非總攬全局，適當輔導而非諄諄教導。課程部分的“以練代教”方案在于：重點設計個性化教材、以小課取代大課、以實驗帶動理論、以小組討論兼顧獨角演講;同時推進課堂民主化，營造良性的互動環境，駕馭輕松活潑的學問氣氛，調動學生“我要學習”而非“要我學習”的激情，學生角色潛移默化為主角。實習部分的“以練代教”方案在于：導師角色自我調整為幕后推手，適時督導而非布置任務，放手把學生推向前臺，根據自己的愛好和特長主導選題：“檢索文獻、提出熱點疑題、分析重點切入奇點課題、以創新點突破難題”等。這些教學方針一旦調整之后必須持之以恒，切忌一暴十寒，教育強國的打造少不了“十年樹木、百年樹人”的長期積累。