高鹏 杜悠 边焱焱 杨波

（中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院骨科，北京 100730）

骨科临床教学实践中，以肢体重度畸形为代表的矫形外科教学，具有畸形复杂、累及多关节、为三维空间结构畸形、需要强大的空间想象力和理解力等特征。传统教学模式中，学生无法通过图片、模具、X 线、CT 等资料对畸形全部特征获得良好把握。在掌握畸形典型特征及相应骨科矫形手术设计方面，存在被动接受知识、空间想象力不足、理论实践相脱节等问题，难以获得良好的教学效果[1-3]。

成骨不全症（osteogenesis imperfecta,OI）是一类以骨密度降低，骨脆性增加，导致肢体及脊柱反复骨折，进行性肢体及脊柱畸形为特点的单基因遗传性骨病[4,5]。此类畸形复杂多变，畸形特征各不相同[6-8]，畸形矫治一直是临床难题[9]，也是对住院医师、实习医师开展骨科教学的难点[10，11]。随着3D 打印技术和虚拟现实（virtual reality,VR）技术的不断进步，其在骨科临床实践中获得广泛应用，在成骨不全重度下肢多骨畸形的截骨设计及全面矫形方面，取得了良好的效果[12-14]。本研究将3D 打印技术和VR 技术引入临床教学实践中，尝试提高教学效果，突破传统教学方法的局限。

1 对象与方法

1.1 教学对象

本研究纳入2018 年11 月至2019 年5 月在我院骨科轮转的参加外科规范化培训医师及八年制实习医师为研究对象。纳入标准：①参加北京市卫健委外科专业规范化培训的医师，获得执业医师资格；②实习医师：北京协和医学院八年制七年级实习医师：③第一次轮转骨科；④基础及临床阶段各项考核均合格。

共纳入3批42人。每批规范化培训医师8人，实习医师6 人，各自随机对半分入试验组和对照组，每组规范化培训医师4人，实习医师3人。各组人员构成、性别、年龄、临床轮转进度无显著差异（表1）。

表1 两组受试人员构成

1.2 教学方法

选取当期入院的6例成骨不全重度下肢畸形、拟采用多段截骨内固定矫正长骨畸形的患者。拍摄双下肢全长正侧位X线片。通过双下肢CT扫描获取影像资料，通过Mimics 15.0软件构建三维重建模型，打印3D模型，通过HoloLens头镜获得虚拟现实图像[15]。

教案设计：获取患者病史并进行临床查体。对照组依靠正常下肢骨骼示模型、示意图、X线片及CT平扫+三维重建片等资料开展教学，讲解一侧单一长骨畸形在冠矢轴三个平面的特点，根据多段截骨髓内钉固定的临床需求，采用Sofield-Millar 截骨术[16]，逐一设计截骨顶点，讲解相关手术入路及主要神经、血管结构。试验组在对照组基础上，结合患肢3D 打印模型，讲解冠矢轴三个平面的畸形特点；依托VR技术，采用Sofield-Millar截骨术，逐一设计截骨顶点，讲解相关手术入路及主要神经、血管结构。每组由同一位副主任医师进行集中授课。

1.3 教学效果分析与评价

授课结束后，采用理论考核与调查问卷对上述两种教学方式的效果进行客观及主观两方面评估。

主观评估方面，通过问卷调查自我评分形式评估教学效果，包括：课程评价、教学评价、理解能力、掌握程度、学习效率、课程专注度、自学能力。

客观评估方面，包括理论知识考核、对侧长骨手术方案设计及神经、血管标识，满分各100分。

1.4 统计学方法

采用SPSS 19.0 软件进行数据统计分析，计量数据采用均数±标准差表示，进行t检验和χ2检验，P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

对于课程设计主观评价及教学效果主观评价，试验组评分均显著高于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.01，表2）。

对于教学效果的自我测评，试验组评分也显著高于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.01，表3）。

对课后理论测试及手术设计测试的结果发现，试验组成绩显著高于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.01，表4）。

表2 课程设计及教学效果评价结果（，分）

表2 课程设计及教学效果评价结果（，分）

表3 学习能力自我评价结果（，分）

表3 学习能力自我评价结果（，分）

表4 两组客观得分比较（，分）

表4 两组客观得分比较（，分）

3 讨论

对于进入骨科临床阶段的住院医师及高年实习医师来说，骨科专业具有专业性强、涉及结构众多、解剖关系复杂的特点。对于骨科矫形专业来说，受累肢体往往具有三维畸形特征，通过传统的二维解剖图谱、X线及CT平扫+三维重建，依照传统的模具、幻灯片等方式难以从整体上理解畸形特征，教师授课及学生学习理解难度增加，难以取得良好的教学效果。为此，尝试将3D 打印及VR 技术引入骨科临床教学，旨在为提高相关课程的教学效果提供新的思路。

3.1 3D打印技术和VR技术

3D打印技术起源于20世纪90年代，以数字模型为基础，通过逐层叠加打印可黏合材料，最终呈现出实体的3D模型。3D打印技术问世后，在骨科领域获得了广泛应用：针对脊柱/肢体畸形的模型打印为全面了解畸形特征提供了实物基础；3D 截骨导板设计为精准手术提供了有力的武器；基于健康侧的个体化人工假体定制设计也取得突破。随着该技术的发展，模型生产成本逐渐降低，病变骨骼标本的便捷制备成为可能。

VR技术是20世纪末发展起来的一项集计算机、电子信息、仿真技术于一体，通过计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感的技术。VR技术在骨科领域获得了广泛尝试，在适时虚拟图像形成、辅助导航等方面产生了良好的应用前景[17]。

这些技术进步为骨科临床教学提供了具有直观性和可操作性的教学方法[18]。传统教学模式中，针对某一特殊骨病患者，首先使学生获取病史并查体，根据X线及CT等影像资料，利用骨骼教学模型及图谱，掌握病变特点。对于复杂畸形来说，这一方法缺乏可视化、直观性和个体化，因此难以获得良好的空间想象，教学效果长期难以突破。通过引入3D 打印技术和VR 技术，使学生通过最接近实际的模型及情境，对解剖结构、畸形特征获得有别于传统教学的全面理解，显著提高临床教学效果，是骨科临床教学改革的重要尝试。

3.2 成骨不全下肢畸形对骨科教学的挑战

成骨不全下肢长骨畸形的特点包括：①骨骼细小，骨质严重疏松，局部反复骨折愈合造成髓腔封闭硬化，甚至骨折不愈合；②骨的脆性强，轻微外力即可造成骨折；③畸形顶点数量多，位于病理骨折畸形愈合处及力学负重处；④畸形为三维立体畸形，涉及冠、矢状面的弯曲畸形和轴位的旋转矫形[19]。

成骨不全下肢长骨畸形，通过正侧位X线片及三维CT，难以全面了解上述畸形特点，特别是对形态学特征的空间理解，一直是困扰骨科临床实践及教学的难点。3D打印技术使得临床医师及学生可从多角度、多维度观察畸形模型，通过VR 虚拟成像获取良好的空间辨识，对畸形长骨多段截骨提供有力保障。

实际截骨操作中，传统方式只能根据正侧位X线片，通过剪纸样的方式确定截骨部位及截骨数量。做每个顶点处软组织小切口，显露畸形顶点，摆锯行“V”形截骨。闭合截骨面，使用弹性髓内钉或锁定接骨板固定，维持矫形效果。这种方法相对粗糙，术中截骨往往难以达到预期效果，截骨数量多，骨量丢失多，对临床及教学都带来很大的不确定性（图1）。

采用3D打印技术，可在畸形标本上进行Sofield-Millar 截骨或在计算机上结合髓腔特点模拟截骨，放置髓内钉。这样有利于确定截骨顶点，避免不必要的截骨，提高截骨效率，避免不愈合的发生，为精准手术和快速康复提供有力保障。

3.3 3D 打印技术和VR 技术对重度下肢畸形临床教学的帮助

图1 患儿，女，11岁，成骨不全

骨科临床教学需要在阐述疾病特点并给出正确诊断基础上，制定个体化的治疗方案[20,21]。在既往的临床教学实践中，往往存在畸形特征难以全面掌握，临床设计如同天书的情况。因此，迫切需要一种能够以学生喜闻乐见的形式，获得直观的、可重复的、可操作的临床教学模式，这也是临床带教老师需要考虑的重点。

基于上述问题，通过引入3D打印模型，使每位学生都能够结合真实可见的模型及全天候的虚拟模型，最大限度地获取相关解剖变异特征，同时获得骨科手术动手操作机会，体验如何确定畸形顶点、截骨、放置内固定物等临床操作，提高课程参与程度的同时，激发学习兴趣，提高课堂参与性、互动性及掌握程度（图2、图3）。

学生在3D 模型及VR 虚拟模型上操作演练，往往会根据自身体会提出相应问题。以问题为导向，通过授课教师的现场解答和学生自己的操作体验，显著活跃课堂氛围，增强教学互动性，极大地提高了教学质量[22]。

3D 打印技术及VR 技术应用于骨科临床教学也存在一定不足：3D 打印技术的临床应用尚在不断完善发展中；目前的模型无软组织附着，无法真实再现肌肉、血管和神经的走形和分布；模型操作与人体内操作存在触感及力度的显著差别。

图2 3D打印模型教具

图3 虚拟现实（VR）技术操作演示

综上所述，3D 打印技术及VR 技术集解剖结构、诊断分型及手术治疗为一体，实现了知识的全面整合，弥补了学生对骨科畸形的感性认识，具有传统教学模式难以企及的优点，体现了良好的教学前景，将成为骨科临床教学发展的必然趋势。