3D打印技术在脊柱畸形椎弓根螺钉置入教学中的应用*

2021-11-18王升儒杜悠余伟杰许晓林叶笑寒李芷仪仉建国

中华骨与关节外科杂志 2021年9期

王升儒杜悠余伟杰许晓林叶笑寒李芷仪仉建国

（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）

椎弓根螺钉技术是20 世纪60 年代逐渐兴起的脊柱内固定技术，并逐渐应用于脊柱创伤、肿瘤及畸形等领域[1,2]。脊柱畸形是脊柱外科中最为复杂的一类疾病，手术治疗脊柱畸形具有操作复杂、难度大、风险高等特点。在脊柱畸形外科手术中，椎弓根螺钉置入是最基本的手术操作，但由于畸形的脊柱解剖结构变异丰富，为三维结构畸形，且常伴有椎弓根发育不良，因此初学者理解脊柱畸形的特点需要强大的空间想象能力和理解力。现阶段，脊柱畸形手术椎弓根螺钉置入的教学大多还处于书本理论学习，手术中上级医师手把手指导的传统教学模式，存在实操机会少、学习曲线长等问题[3-5]。

近年来，3D 打印技术广泛应用于骨科领域[6]，可借助3D打印模型辅助手术治疗，如各种类型的3D打印导向板，应用3D 打印技术制造个性化内植物等。也可应用3D 打印模型进行临床教学[7]。本研究旨在将3D 打印技术引入脊柱畸形椎弓根螺钉置入教学中，尝试提高教学效果，缩短学习曲线。

1 对象与方法

1.1 研究对象

纳入标准：①已通过基础及临床阶段各项考核进入临床轮转或实习阶段；②轮转骨科时间少于6个月。经过筛选，本研究纳入2019 年9 月至2021 年6月在读骨科专业型硕士研究生12人以及八年制骨科实习医师24 人作为研究对象，随机分入对照组和试验组，两组人员构成、年龄、临床轮转进度基本相同。

带教老师为北京协和医院骨科脊柱外科专业组高年资主治医师，目前可独立完成各种脊柱畸形矫形手术。

1.2 教学方法

对照组：应用正常脊柱模型、示意图、椎弓根螺钉置入器械、术中椎弓根螺钉置入全程视频进行教学。首先，带教老师应用正常脊柱模型及示意图指导学员辨认椎弓根螺钉置入相关解剖结构及特点，不同节段脊椎椎弓根的长度、粗细以及角度。然后，带教老师指导辨认椎弓根螺钉置入所需器械及其使用方式。最后，边放映手术视频，边讲解椎弓根螺钉置入方法，重点内容包括置钉步骤、置钉点、置钉角度等。

试验组：选取在我院行手术治疗的青少年特发性脊柱侧凸患者，获取术前全脊柱CT薄扫影像资料，通过Mimics 15.0 软件构建三维重建模型，并应用聚乳酸材料打印出1∶1 的3D 全脊柱模型（图1）。带教老师应用3D 打印模型进行教学及模拟置钉操作示范，教学过程与对照组相似。最后，学员两人一组相互配合，在带教老师指导下于脊柱畸形3D 模型上练习椎弓根螺钉置入。

图1 教学用3D打印全脊柱模型

1.3 教学效果评估方法

授课结束后即刻进行解剖结构辨识考核及调查问卷。解剖结构辨识考核为面试，带教老师要求学员辨认脊柱畸形3D 打印模型上10 个与椎弓根螺钉置入相关的解剖结构，每个结构辨识正确得10分，总分100分。调查问卷用于学习效果自我评价（包括课程专注度、学习效率、技能掌握程度）及课程评价（包括课程评价、教育评价）。

授课结束后，两组学员继续在脊柱外科轮转1个月。这期间要求所有学员至少参与脊柱畸形矫正手术10台，并在上级医师指导下进行椎弓根螺钉置入，同时试验组可应用3D打印模型进行脊柱畸形椎弓根螺钉置入训练。1个月后进行实操考核，实操考核要求所有学员在脊柱畸形3D打印模型上完成3对椎弓根螺钉置入：1对胸椎螺钉，1对腰椎螺钉，1对脊柱畸形顶椎区域螺钉。考核指标包括：3对螺钉置入总时间，置钉成功率（若进钉点错误、椎弓根壁穿破，椎体皮质完整性破坏，均判定为置钉失败），以及住院医师手术操作通用评分表[8]。

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，P＜0.05 为差异具有统计学意义。

2 结果

课后解剖结构辨识考核中，试验组得分显著高于对照组[（89.3±7.5）分比（81.7±6.3）分，P＜0.05]。学员学习效果的自我评价中，试验组各项评分也显著高于对照组（P＜0.05，表1）。试验组对课程评价及教育评价更为满意（P＜0.05，表1）。课后1 个月，试验组置钉时间较对照组更短，成功率更高（P＜0.05），操作评分也更高（P＜0.05），见表2。

表1 两组学习效果自我评价结果、教学效果比较（，分）

表2 两组置钉时间、置钉成功率及操作通用评分比较（）

3 讨论

3.1 脊柱畸形椎弓根螺钉置入教学面临的挑战

近50 多年来，椎弓根螺钉置入技术已经逐渐成为脊柱外科医师最基本的手术操作技术之一。而椎弓根螺钉置入的教学与临床训练仍然处在书本理论学习，手术中上级医师手把手指导的传统教学阶段，初级医师面临着实操机会少，学习曲线长的困难。尸体标本训练是教学的有益补充，但仍然存在成本高、尸源少、标本退变严重等困难[9]。

畸形脊柱存在椎体旋转、椎弓根纤细、解剖变异等问题，徒手置入椎弓根螺钉的学习曲线较长；单就畸形脊柱胸腰椎椎弓根螺钉来说，需要置入60～80颗螺钉，才能初步具备独立置钉的能力[3-5,10]。Cahil 等的研究表明，对于青少年特发性脊柱侧凸患者，手术经验5 年以下的医师，置钉时的出血量、手术时间以及置钉失败率显著高于手术经验5 年以上的医师[11]。已有研究表明，相比于仅应用常规教学模型进行演示教学，应用尸体标本以及Sawbones 模型进行模拟训练可以显著降低初学者置钉失败率[12,13]。为了缩短徒手置钉的学习曲线，并提供更多的实践机会，我们试图寻找更为贴近临床真实情景的模型为初学者进行日常训练。

3.2 3D打印技术在骨科临床教学的应用

3D打印技术是近20年来兴起的一项新兴技术，是一类以数字模型为模版，可以快速生成物理模型的打印技术。近些年来，3D 打印技术在医学领域得到了广泛应用。

在骨科临床教学方面，3D 打印模型可以将复杂的三维结构呈现出来，帮助低年资医师更直观地理解不同疾病的结构特点及变化。尤其是对于骨骼畸形以及复杂骨折的临床教学，3D 打印具有无可比拟的优势。高鹏等[7]应用3D 打印模型进行重度下肢畸形的临床教学，发现应用3D 打印模型教学的初级医师对复杂畸形特点的理解和治疗方法的掌握相较于传统教学手段明显提高。Huang 等[14]的多中心随机对照研究表明，相较于虚拟现实教学及普通骨骼模型辅助教学，3D 打印模型可以帮助初级医师更好地理解髋臼的正常解剖结构，识别髋臼骨折的方法，以及髋臼骨折的受伤机制。Cai等[15]的多中心随机对照研究发现，针对枕颈交界区域畸形，3D打印模型可以直观展示枕颈交界区域畸形的结构，帮助初级医师理解各类畸形的特点；将3D打印与X线片及CT一同应用于教学，初级医师影像学阅片能力也大大提高。

3.3 3D打印技术对脊柱畸形椎弓根螺钉置入教学的帮助

将3D打印模型引入脊柱畸形椎弓根螺钉置入教学，不仅能帮助初级医师理解和掌握畸形脊柱的解剖结构，还能为初级医师提供更为贴近患者真实情况的模型进行螺钉置入练习。本研究发现，试验组应用3D 打印模型教学后，其辨识各个重要解剖结构的能力显著强于对照组，这主要归功于3D 打印模型帮助初级医师快速在脑海中形成了清晰的三维结构，上级医师在教学中更容易传达经验。譬如椎弓根峡部和人字嵴的概念，在传统教学中仅能依赖二维图片及文字描述进行教学，图片上峡部和人字嵴是平面化的，极为抽象，大多数初级医师无法理解。手术中的教学又因为术中暴露脊柱范围有限，初级医师无法获得全面的整体观，难以理解为何可参照峡部及人字嵴进行置钉。结合3D 打印模型，既可通过直观的通过触觉理解椎弓根的最低点、峡部嵴、附突嵴，也可理解为何可应用人字嵴定点作为椎弓根螺钉的置钉点。本研究还发现，应用3D 打印模型教学，初级医师的学习效率及专注程度显著增高，可激发学习兴趣，提升课程参与度，可以改变说教式的临床教学现状。通过3D 打印模型的练习，初级医师进行椎弓根螺钉置入的时间大大缩短，置钉成功率及操作评分也显著高于对照组。实际操作练习一直是临床医学教育的难点，尤其是像椎弓根螺钉置入这样高风险的操作。3D 打印模型的出现，可以帮助初级医师进行反复操作练习，练习过程中既不会威胁患者的安全，也可以获得最贴近真实的体验，在未来希望可以缩短椎弓根螺钉置入的学习曲线。同时，3D 打印模型也为带教老师提供了新的考核模型，解决了既往很多临床基本操作无法考核的尴尬情况。

3D打印技术应用于脊柱畸形椎弓根螺钉置入也存在一定不足：目前3D 打印模型尚不能完全模拟骨皮质及骨松质的触感。本研究应用聚乳酸材料进行3D 打印，在置钉过程中突破骨皮质进入骨松质有一部分触感，但大部分医师反馈仍无法完全模拟人体真实骨骼。聚乳酸材料基本可以承受操作时的应力，在我们的实践中，没有出现因材料强度不足而导致的模型损坏，并且能够承受椎弓根螺钉置入时的扭力。但同时，聚乳酸3D打印模型成本较高，在未来的实践中仍需寻找更好的材料以模拟最真实的临床体验。另外，本研究中的3D 打印模型仅包含骨骼结构，周围无软组织附着，缺乏软组织支撑，这与真实情景尚存在差距。未来，可应用3D 打印机同时打印出脊柱周围软组织，进行经皮椎弓根螺钉置入、椎板切除、神经根减压等脊柱外科基本技能教学模拟。