3D打印結合三維有限元分析在骨外科學PBL臨床教學中的應用研究

周建華 張西蘭 楊宗德 辜 偉

（重慶市綦江區中醫院骨傷科，重慶 401420）

0 引言

臨床解剖學是任何醫學專業的關鍵組成部分，掌握解剖學結構對于臨床醫學非常重要，而骨外科學具有多變性、復雜性以及多樣性，成為臨床醫學教學的難點學科之一。傳統解剖教學是通過尸體解剖、解剖圖譜和醫學圖像進行的，然而，每一種方式都有自己的局限性，并且尸體解剖學的管理有一定的難度[1]，對接觸含福爾馬林防腐液的學生和工作人員的健康和安全也要關注[2]，二維平面上的解剖圖集和醫學圖像在為學生和學員提供必要的動手經驗或空間細節方面遠不理想[3]。雖然大量的解剖學電子學習平臺興起，但很少有證據表明其在加強學習方面取得了成功[4]。如何提高學生解剖學空間思維能力？如何做到資源多元化與反復利用？因此尋找另一種新的替代方案是非常有必要的，而三維打?。?D打印）創造了人類解剖教學模型的新方法，并與現代有限元分析（FEA）及情景化教學（PBL）相結合，探討“互動式”教學，加深學生對骨外科學的認識與理解。

1 資料與方法

1.1 一般資料

在本次試驗研究中將選取2019.07—2020.11在骨傷科實習的實習醫師60名，并采用隨機分組方法分為對照組與試驗組，實驗組將采用3D打印結合FEAPBL教學方法，對照組采用傳統教學方法，兩組學生的一般情況如性別、年齡、學校無統計學差異（P＞0.05），具有可比性。

1.1.1 病歷設計的選擇

臨床教學病歷的選擇符合臨床骨外科學教學大綱，能體現病歷的典型性與延伸性，能夠起到師生互動，相互探討的作用，使學生對骨科學解剖具有一定的認知，將所學臨床知識運用于臨床實踐。

1.1.2 3D打印模型制作設計

3D打印技術是通過逐步逐層打印實體三維模型，本研究通過導入有效骨掃描CT數據到Mimics中對骨區域進行一層層填充，進行計算機自動生成實體化導出STL格式（圖a），通過3D打印機打印出模型（圖b），將抽象的骨科解剖學影像學圖像轉化為具體模型（圖1）。

圖1 b實體打印模型

圖1 a數據模型圖

1.2 方法

1.2.1 對照組

按照傳統的臨床教學方法進行教學，即臨床帶教教師帶領學生在患者床旁進行講解教學，最后記錄該組學生的成績及問卷調查結果，并做好登記。

1.2.2 實驗組

采用3D打印結合FEA的PBL教學模式進行教學，首先帶教教師按照骨科實習大綱選出典型的、可延伸的及常見的病歷，并查閱國內外相關骨科生物力學有限元文獻，向學生提出骨科相關疾病重點問題，引導學生先自我學習查閱資料，收集數據等內容，再次利用典型疾病的CT掃描數據進行3D模型打印，然后進行集中討論學習，閱讀分析相關有限元力學文獻，每人進行發言講解，并在打印模型上進行模擬操作訓練，記錄該組學生的成績及問卷調查結果。

1.3 指標評價

臨床教學完畢后分別對學生進行理論成績考試和教學方案評價，同時對每一組學生進行臨床教學評價調查。

1.4 教學效果評價

兩組學生均采用不記名問卷調查及出科考核模式，出科考核總分為100分，其中理論知識占60%，操作部分占40%，理論知識加操作為該生總分成績。

1.5 統計學方法

此次試驗數據利用SPSS17.0軟件進行分析，對試驗數據分別進行t檢驗和卡方檢驗，P＜0.05具有一定統計學意義。

2 結果

（1）兩組學生在出科考核成績上進行比較，實驗組學生成績優于對照組，差異具有一定統計學意義（P＜0.05），如表1所示。

表1 兩組教學模式對學生骨科實習出科成績的影響（分，x±s）

（2）兩組學生在問卷調查結果數據上進行比較，實驗組的調查部分結果均優于對照組，差異具有一定統計學意義（P＜0.05），而研究組和對照組中在課程滿意度及醫患溝通能力方面，差異調查無統計學意義，兩組試驗結果無明顯差異性（P＞0.05）見表2。

表2 問卷調查分析結果（n）

（3）結果分析。在本次研究中對實驗組及對照組數據進行分析、比較，實驗組學生考核成績明顯優于對照組，在問卷調查結果中發現，教學課程的滿意度及提高學生的醫患溝通能力無明顯差異，說明在不考慮教學效果及教學模式下，在臨床教學中帶教教師無論采用何種方法均能得到學生較高的認同，而在提升學生醫患溝通能力上實驗組及對照組分別只有73%、63%的滿意度，無明顯差異性，提升醫患溝通能力除了需要扎實的基礎知識，更需要臨床經驗的積累，說明在臨床中除了講解臨床知識外，更需要學生切身體會，慢慢積累經驗。然而問卷調查其余部分如預期教學效果、提升學生積極性等方面，實驗組均優于對照組。

3 討論

骨外科學需要有較好的解剖學、影像學及生物力學基礎，才能熟練地掌握骨外科臨床相關疾病診治及手術技術，對于骨科教學更需要在臨床實踐中開展，但在骨科臨床教學中解剖標本及可用于教學的內固定器械材料相對缺乏，在教學中學生難以接觸實體模型，僅僅依靠目前影像學數據、彩圖及相關的醫學軟件進行感性認識，完全需要學生有極強的想象力，但無法進行實地操作模擬，缺乏有效的沖擊感，以問題為導向的教學法（problem-based learning，PBL）是需要帶教教師設定一定醫學專題并讓學生進行討論，在討論中激發學生的積極性，從而培養學生的自主學習能力和互動能力，其主要的教學步驟為提出問題、操作訓練、組織討論、總結歸納。其最主要的缺點在于學生缺乏臨床經驗，基本需要教師全程講解[5]，傳統教學僅限于解剖尸體和遵循教科書中的參考圖紙。盡管尸體解剖的價值是不可替代的，但毫無疑問，數字技術可以極大地促進解剖學習，三維數字模型提高了對復雜解剖結構及其特殊關系的理解，有助于提高人工技能和手眼協調能力，并且有限元分析能夠提升學生對生物力學的認識，使學生對骨科受傷機制及疾病發生生物力學原因有進一步深刻的理解[6]。有證據表明，3D模型在與現有教學方法結合使用時是有幫助的，將3D打印模型應用到骨科臨床教學中，可提高學生的臨床資料收集力、病例分析能力、個人學習主動性創新能力、分析及解決問題的綜合能力等[7，8]。McMenamin等人詳細概述了3D打印技術能解決的一些解剖學教育問題，如成本、獲取捐贈人體的困難等，且3D打印具有高度的準確性[9]。3D打印技術目前被廣泛應用于各個領域，被稱為“第三次工業革命的標志[10]”，3D打印模型準確度高，可重復利用，可以為臨床教學提供更為直觀的三維圖像信息[11]。并且3D打印模型易于長期保存，能夠實現模型反復操作、反復觀摩的優勢，已經成為醫學實踐的一個組成部分，被迅速納入醫學學術課程，在住院訓練和醫療保健等方面具有明顯優勢[12]。有限元分析（FEA）是利用現代計算機技術模擬生物模式進行力學分析，從而得出相關生物模型整體及局部的應力、位移大小，是骨科力學分析重要的工具，通過與實體模型結合向學生講授，使得學生對骨科生物力學有更進一步地認識。有研究表明，3D打印結合有限元分析能夠對臨床教學有著顯著效果。

綜上所述，將3D打印結合有限元分析應用在骨科PBL教學模式中，能夠充分調動學生和教師的積極性，促進學生對骨科基礎知識的理解，對于骨科臨床教學具有一定的應用價值。