3Dbody 和Mimics 軟件在創傷骨科臨床教學中的應用

姚 翔，袁即山

（江蘇大學附屬人民醫院，江蘇 鎮江 212002）

外科學是臨床醫學生的必修課，在本科臨床醫學外科教學中，創傷骨科章節是骨科內容。該章節主要講解全身各處骨骼的解剖基礎、骨折移位方向、損傷機制和治療方案。教科書相關章節內容涉及較廣，具有“三多一少”的特點：部位多、機制多、分型多但范例少。教科書篇幅有限，僅提供少量二維的手繪示意圖和檢查影像，不能詳細展示骨骼的三維生理解剖、損傷移位形態以及復位固定方案。學生想要在短時間內掌握多處骨骼的局部解剖、骨折損傷定位、骨折移位方向、骨折的分型等相關知識點難度較大。每個部位骨折的損傷機制、分型、移位方向和治療方案都是教學的重點及難點。與外科學其他章節相比，創傷骨科章節的教學效果往往不盡如人意。如何在創傷骨科部分教學中讓學生快速掌握更多的骨骼解剖和骨折相關知識是值得研究的課題。

針對傳統教學模式的不足之處，教師在教學過程中不斷嘗試使用聲光電多種教具及教學手段來提升展示效果和學生的專注度。醫學圖像軟件具備任意角度重現人體骨骼、肌肉、血管、神經等主要大體結構的功能，對骨骼的正常解剖形態以及骨折形態刻繪具有明顯優勢。許多教師嘗試使用精美直觀的醫學圖像軟件來提升課堂教學效果。文獻中有多種醫學圖像軟件用于教學的報道，其中3Dbody 和Mimics 軟件是應用最廣泛的兩種醫學圖像軟件[1-4]。3Dbody 是一款展示正常生理結構解剖的圖像軟件，Mimics 是一款可以實現圖像重建、骨折建模、虛擬復位、模擬手術等諸多功能的圖像軟件。本文探討兩種醫學圖像軟件在創傷骨科臨床教學中的具體應用、實踐效果、優勢和不足之處。

1 兩款圖像軟件功能簡介

1.1 3Dbody 軟件

3Dbody 即三維人體，是由中國上海橋媒信息科技有限公司生產的一款3D 交互解剖教育軟件，可以在手機和電腦上安裝。該軟件提供三維的全身解剖結構數字模型，每套包括5 000 多個人體結構，是目前國內較完整全面的解剖學軟件。該軟件涵蓋了人體所有系統，提供骨性結構形態、肌肉形態位置和起止點、肌肉功能描述、神經支配描述等信息。軟件中的立體貼圖擬真度較高，較傳統平面彩繪圖譜提供的骨骼與周圍結構關系更為直觀。3Dbody 軟件的基礎功能是免費的，學生可以免費下載安裝后從任意角度觀察各解剖結構的空間位置以及毗鄰關系。軟件的收費部分還提供3D 熟悉解剖，經絡穴位，肌肉動作動畫，肌肉起止點、觸發點，斷層解剖、肌骨超聲等信息。

1.2 Mimics 軟件

Mimics 是Materialise's interactive medical image control system 的縮寫，是比利時Materialise 公司發明的一款影像管理系統，是模塊化結構的醫學軟件。Mimics 可以實現非常多的醫學圖像功能，是一款非常強大的醫學圖像處理工程軟件。該軟件具有支持圖像導入、圖像多角度形態分割和圖像可視化功能。在骨科教學中，Mimics 軟件可以用于輔助實現多種骨折模型建立和模擬手術的展示。教師可以使用軟件內的圖像可視化模塊導入CT 掃描的薄層DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）圖像，選取默認骨閾值范圍，逐層手工填補所有骨內空洞，重建計算出骨的有限元幾何模型，對3D 實體進行平滑處理，得到各種骨折的三維模型并根據教學需要展示各部位骨折的損傷機制、分型理論、虛擬復位和模擬手術固定環節。

2 教學具體應用

2.1 生理解剖知識教學

以肱骨骨折為例，3Dbody 軟件提供了上臂的皮膚、肱骨、骨連接、各肌肉、三大神經、淋巴和動靜脈等解剖模型，并支持顯示或者隱藏部分結構。在創傷骨科相應章節教學開始前，通知全班學生在手機上安裝該應用程序并提前預習。課堂上教師展示軟件內的截圖和錄制的視頻，也可以利用手機投屏直接在大屏上選擇解剖結構進行對應的展示。課后學生再次復習鞏固相關知識。學生可以通過點選以突顯肱骨上各肌肉的起止點以理解肱骨近端骨折后受肌肉牽拉移位趨勢的差異，也可以突顯肱骨與橈神經的毗鄰關系以理解肱骨骨折伴發橈神經損傷的原因。股骨骨折后隨著骨折部位不同，斷端成角移位具備明顯的特點。近端骨折會產生外展外旋畸形，中段骨折則形成外側成角畸形，遠端骨折則產生遠端骨塊向后方移位。學生通過觀察股骨的肌肉附著后可以對上述移位特點有更深入的理解。

除了創傷骨科章節，在其他需要凸顯骨骼與脊神經關系的章節，比如頸椎間盤突出癥、腰椎間盤突出癥等，該軟件也具有明顯的優勢。學生可以在課前、課中和課后借助軟件學習骨科各章節脊柱、骨盆、四肢等各部位重要的解剖知識。該學習過程直觀性好，經濟成本低，重復性高，不依賴尸體標本，有助于學生掌握正常生理解剖結構。

2.2 損傷機制教學

骨折的損傷機制在創傷骨科既是重點也是難點，不同的損傷機制帶來不同的典型骨折線分布、斷端移位和成角方向。橈骨遠端骨折就有屈曲和背伸兩組損傷機制及伴隨的不同畸形。以肱骨髁上骨折為例，教科書上列出了屈曲型、伸直型、尺偏型和橈偏型4 個類型代表著不同的損傷機制，它們可以單獨或者合并存在。教師找齊每個損傷機制的示范三維CT 的難度很大，學生只看教科書的示范圖并不能完全理解復雜的損傷機制類型。教師利用Mimics 導入肱骨骨折患者的CT 圖像后可以重現肱骨髁上骨折的三維模型，再參照典型的各部位不同類型（比如屈曲型、伸直型）的骨折線走行，設計不同角度的0.5 mm 厚度切面，將目標骨切割成多段，形成典型的骨折線和骨折模型，進而對骨塊進行平移、縮放、旋轉和剪裁以建立上述各種損傷機制的骨折模型。這樣可以增加多種骨折模型的例數和種類。各種類型的骨折模型的三維可以同時展示，不同損傷機制的骨折塊移位方向和斷端成角方向一目了然，學生更易理解和記住復雜的損傷機制與損傷關系。

2.3 骨折分型教學

骨折的分型是指根據骨折的損傷形態、移位方向、損傷機制、預后評估的一種綜合分類。骨折分型知識的掌握對于本科臨床醫學生而言難度較大。教科書上對于骨折的分型描述大多列舉了最經典的分型方式。踝部骨折使用了Danis-Weber 和Lange-hansen 分型法，包含內翻內收型、外翻外展型、內翻外旋型和外翻外旋型4 種損傷形態。以脛骨平臺骨折為例，教科書中提供了Schatzker 分型6 型的圖示[5]。該分型是1974 年基于X線提出的分型，存在許多不足，比如：不能描述后柱損傷情況，沒有記錄腓骨損傷情況，不能評估預后等。在實際工作中，常用的分型為基于CT 的三柱分型、四象限分型和筆者2018 年提出的四柱九區分型理論[6-8]。在該章節教學時，我們會使用Mimics軟件制作脛骨近端的三維模型，并按照Schatzker 分型、三柱分型、四象限分型以及四柱九區分型理論分別進行切割劃分成對應的區塊。學生通過典型的分區劃分示意圖可以快速了解和熟悉脛骨平臺骨折的經典分型和最新進展。

2.4 模擬手術演示

傳統的手術教學的主要手段為播放真實手術錄像。該方式存在一些不足：（1）拍攝的主刀視野往往清晰度不夠，術野內組織分離不可能徹底暴露。（2）很多骨科醫生會在小切口或者經皮切口完成手術，而不是在視野開闊的大切口內操作。學生只看手術錄像無法直視骨折的移位和成角方向，也很難理解手術中的復位技巧。（3）視頻信息量有限，無法多角度反復觀看復位過程。（4）學生無法了解骨科常見內固定的方案和操作原理。

在Mimics 軟件中，可以對已經建立的骨折模型進行虛擬復位并使用接骨板/螺釘/髓內釘等內固定模型進行固定。以脛骨平臺骨折為例，在演示了三柱、四象限或者四柱九區劃分的基礎上，可以針對每個存在損傷的柱/區進行旋轉、平移等虛擬復位操作，達到復位滿意的程度后再使用接骨板、螺釘對每個柱/區的關節面、邊緣、側壁和韌帶止點進行精準化固定修復。教師錄制上述步驟的視頻并在課堂上播放，可以非常直觀地演示逆損傷機制的復位步驟和接骨板/螺釘/髓內釘固定操作，有助于學生快速掌握骨折的損傷機制和固定方案。學生在課堂學習時不存在觀看死角，可以重復多角度觀摩，收到較好的課堂教學效果。現在的醫學院規模較大，學生數量較多，全班學生都到手術室參觀手術不太現實。清晰的模擬手術視頻可以起到較好的示教作用，滿足本科教學需求，也可以避免多名醫學生到手術室現場參觀帶來的院感管理問題。

3 軟件的應用優勢

3.1 清晰三維展示和配套知識點

臨床學習階段對于實踐操作要求非常高。受限于尸體標本數量、手術病例選擇、手術操作等限制，醫學生親自主刀在尸體/患者身體上進行精細解剖和手術操作的機會越來越少。3Dbody軟件可使醫學生多角度地熟悉復雜的人體解剖知識，而且每個解剖結構的配套注釋包含了豐富的知識點。學生點擊每根肌肉都有詳細注釋說明該肌肉的起點、止點、神經支配和功能，學生點擊每個神經都有詳細注釋說明神經的走行、支配肌肉和功能。這種設計操作簡便，互動性強，可提高醫學生的學習積極性。聯想式知識點分布非常適合醫學生背誦和記憶，同時還可以記住各結構的空間關系，教學效果非常好。Mimics 軟件則提供了書本上無法提供的各骨折部位的每個骨折塊的三維形態以及總體的骨折移位趨勢，可清晰展示成角方向，還可以三維示教骨折的虛擬復位步驟以及模擬手術步驟。這些三維立體的演示功能在二維的教科書或者手術圖譜上幾乎是無法實現的。

3.2 可重復

學生可以在課前、課中和課后反復多次使用軟件進行針對性學習，加強記憶。操作方便、簡單，不需要額外消耗教師的時間和精力進行輔導。考試后學生也可以再次學習相關知識點，以彌補考試中遇到的知識空白點。

3.3 多模式多角度

3Dbody 軟件提供了突出顯示單個或數個結構的功能，可以將周圍其他結構進行透明或隱藏，而后進行多角度觀察，為目標結構的解剖特征的學習提供了極大便利。3Dbody 軟件也提供了將單個或數個結構透明或隱藏而周圍結構正常顯示的功能，該功能對于觀察目標結構與周圍結構的毗鄰關系以及手術入路的理解有非常大的幫助。Mimics 軟件除了有上述功能，還具有實現目標結構的切割、移動、翻轉、拼接、擴大、縮小等功能。兩個軟件提供了實物標本無法實現的多模式多角度的觀察模式，便于學生學習目標結構以及毗鄰結構的解剖要點。

3.4 經濟成本低

3Dbody 軟件對于學生非常友好，免費的基礎解剖功能模塊已經可以滿足本科醫學生日常學習使用，經濟成本幾乎為零。若學生有高級的使用需求，比如想學習精細解剖、肌肉動作解析、基礎動作、疼痛觸發點等模塊，可以加入軟件的會員，目前會費一年約200 元。

Mimics 軟件正品的全功能版本需要數十萬，對于普通教師而言非常昂貴。網絡上有該軟件的免費版或者部分功能版本可供下載使用。《中華人民共和國著作權法》認定可以不經著作權人許可，不向其支付報酬的行為包括如下條款：為學校課堂教學或者科學研究，翻譯或者少量復制已經發表的作品，供教學或者科研人員使用，但不得出版發行。如果教師將該軟件用于小范圍課堂的免費教學展示，屬于個人研究和學習用途的范疇，不屬于嚴重侵權行為。若教師未購買正版卻將該軟件用于以營利為目的的大規模商業用途，將會存在被認定為侵權和被索賠的風險。

4 軟件的不足之處

4.1 準確度有限

3Dbody 軟件顯示的模擬人體結構只能代表最典型的正常解剖形態，永遠不能涵蓋解剖結構的個體變化以及各種解剖變異情況。骨科變異情況發生較多的有：淺表靜脈分布、各種副骨、坐骨神經從梨狀肌穿出形態等。在3Dbody 軟件內椎動脈和顱底的距離較遠，而實際術中椎動脈彎曲和顱底的距離非常近。不管軟件上的模擬結構的形態如何仿真，基于尸體解剖所見或者術中實體解剖的結構形態分布依然是人體解剖知識學習以及術中暴露處理的金標準。

4.2 不能完全代替實體教學

軟件只能作為輔助工具幫助學生認識各解剖結構的位置和相應的體表標志，不能代替在真實人體上的觸診操作和專科體格檢查。教師可以在教學過程中將兩者結合，讓學生在3Dbody 軟件中學習和觀察，再各自扮演人體模特互相進行仔細全面的體格檢查。創傷骨科中四肢骨折章節涉及的骨骼和部分肌肉相對表淺，該特點比較有利于學生通過觸診了解骨性結構的分布和毗鄰關系。比較容易觸及的骨性結構包括指骨、橈骨莖突、尺骨、肱骨髁、肘后三角、肩峰、喙突、大轉子、股骨髁、脛骨平臺、內外踝和趾骨等。比較容易觸診的肌肉包括三角肌、肱二頭肌、肱三頭肌、肱橈肌、指伸肌、指淺屈肌、掌長肌、縫匠肌、股四頭肌、腓腸肌、跟腱、趾伸肌和趾屈肌等。學生在互相體格檢查的實際操作過程中，可以對照3Dbody 軟件自學掌握相對淺表的骨結構和肌肉，并通過軟件上的文字描述了解每個肌肉的功能和神經支配情況，邊看邊練習，操作和記憶同步進行，可以獲得更好的學習記憶效果。

4.3 Mimics 軟件需要一定的軟件操作基礎

醫療衛生機構常用的醫學影像存檔與通信系統（Picture Archiving and Communication Systems，PACS），通過該系統可以瀏覽和下載全院的圖像數據，但一般只會給帶教教師（臨床醫生）瀏覽圖像的權限而沒有下載原始薄層數據的權限。如果教師需要骨折病例的原始薄層圖像，需到影像科或信息中心申請后通過刻盤的方式導出。將原始薄層DICOM數據導入Mimics后，骨折模型的重建以及虛擬復位需要一定的軟件操作基礎。在重建模型的多個步驟中，運用某個灰度值范圍內的灰度值連接性分割對象的動態區域增長，在蒙罩上進行操作（腐蝕、膨脹、打開和關閉），在二維上進行孔洞填充實現所選蒙罩的精準劃分，上述3 個步驟需要教師自學3～4 個小時才能熟練掌握。其余的操作比如平移、旋轉、裁剪等步驟則相對比較容易上手。

在演示完畢虛擬復位后，使用預設的內固定模型接骨板/螺釘/髓內釘模型進行固定操作是模擬手術的主要步驟。軟件默認是沒有預設的內固定模型的，解決方法有以下4 種：（1）求助工程師或者通過網絡購買已建立好的STL 格式的內固定模型；（2）利用Mimics 內模型的放大、縮小、布爾運算等功能，裁剪出需要的內固定輪廓，再繪制對應的螺釘和內固定裝配并固定至骨骼模型上；（3）打開Mimics 軟件包含的子程序3-matic，子程序內提供相對簡易的接骨板繪制功能，可以自定義接骨板的形態、厚度、釘孔直徑、方向等；（4）使用Solidworks 軟件或類似工程軟件按照實物尺寸1∶1 繪制內固定模型，隨后以STL 文件格式導入Mimics 軟件。將模型導入Mimics 后，可以利用錄屏功能，錄制在Mimics 內虛擬復位骨折塊并使用多種固定方案固定骨骼的視頻，用于教學。

5 與教學法的結合應用

醫學圖像軟件提供的強大功能和其他教學法（如PBL 教學法等）的組合應用將會帶來更好的教學效果[2，9]。教師課前將典型骨折患者的CT 影像學資料導入Mimics 軟件中，建立骨折模型。課堂上，教師在學生匯報病史和查體結果后將患者的骨折三維形態展示給學生，引導學生切換進入主治醫師狀態，綜合PBL 教學模式，讓學生現場多人討論判斷病例的診斷、分型并決定手術入路和固定方案。

6 進一步應用前景

3Dbody 和Mimics 軟件屬于應用軟件，目前在骨科科研中應用較多，在骨科教學中還未得到廣泛應用，有望成為創傷骨科教學中的有力的輔助教學工具。兩款軟件不僅為醫學本科生提供無創的低成本的學習機會，也為骨科研究生、規培生的教學培訓提供了有力的技術支持。Mimics 軟件是生物工程分析和設計的橋梁，已用于醫學和工業多個領域。利用Mimics 構建三維或有限元分析模型的時間較傳統軟件大大減少，在3D 打印的工程中具有較好的基礎性作用[10]。對于有志于從事數字骨科相關研究的醫學生，教師可以鼓勵他們加入數字骨科研究團隊中并學習軟件內更多高階功能的應用。

7 結論

3Dbody 和Mimics 軟件可以提供清晰的多角度的解剖結構，并展示骨折的損傷機制、分型、虛擬復位和模擬手術固定等環節，有助于醫學生掌握創傷骨科章節的難點。兩款軟件在教學中具有可重復、多角度多模式和經濟成本低等應用優勢，可以彌補傳統教學模式的部分不足。兩款軟件應用于創傷骨科教學時不需要額外添加大型設備，技術要求不高，普及相對容易，值得進一步探索和推廣。