趙 波，劉 穎，邱曉文，賀西京

西安交通大學醫(yī)學部第二附屬醫(yī)院， 西安 710004

·數(shù)字醫(yī)學·

3D打印技術(shù)在脊柱外科手術(shù)教學和訓練中的應用

趙 波，劉 穎，邱曉文，賀西京

西安交通大學醫(yī)學部第二附屬醫(yī)院， 西安 710004

脊柱疾病呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢，而脊柱外科青年醫(yī)師的培訓卻還是依照舊的模式。西安交通大學醫(yī)學部第二附屬醫(yī)院在引進3D打印機制作3D模型指導手術(shù)的前提下，更進一步運用3D打印等比例模型對青年醫(yī)師的手術(shù)技巧進行訓練。經(jīng)過模型講解、要點傳授以及青年醫(yī)師親手在等比例模型上進行操作和分析得失，使其能夠盡快掌握技術(shù)要領(lǐng)。結(jié)果顯示,青年醫(yī)師接受新的方法培訓后，能夠在1年內(nèi)熟悉和精通脊柱全長的椎弓根螺釘?shù)闹萌爰记?。因此，?D打印等比例模型運用于脊柱外科手術(shù)訓練是切實可行且效果比較明顯的訓練方法。

3D打??；脊柱外科；手術(shù)訓練

近年來，3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域迅猛發(fā)展，各類3D打印機產(chǎn)品陸續(xù)進入醫(yī)療領(lǐng)域，涵蓋塑料和金屬等材料的打印。2013年5月，在北京召開的首屆世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會上，世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的成立標志著3D打印技術(shù)真正開始嘗試進行大規(guī)模應用。3D打印快速成型技術(shù)是以計算機三維設計模型為基礎(chǔ)，通過軟件將模型分解為打印機能夠理解的三維坐標數(shù)據(jù)，利用激光束、熱熔噴頭等將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料甚至是細胞等材料逐層堆積粘結(jié)，直至成型[1]。

近年來，我國脊柱疾病發(fā)病率呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，多種椎體、椎間盤的疾病以及脊柱外傷都需要手術(shù)治療。由于脊柱獨特的解剖結(jié)構(gòu)，脊柱外科在手術(shù)操作上要求更高的技術(shù)，因為一旦手術(shù)中有失誤，就容易損傷患者脊髓，輕者造成癱瘓，重者(如頸髓損傷)可能危及生命;頸椎手術(shù)時損傷椎動脈可引起大出血[2]。所以，脊柱外科醫(yī)師的手術(shù)技能訓練就顯得尤為重要，特別是各種螺釘?shù)闹萌爰夹g(shù)。

目前，脊柱外科手術(shù)技術(shù)的教學和青年醫(yī)師的手術(shù)技能培訓存在著很大的局限。過去只能是對著解剖圖譜或者標本講解各種手術(shù)技術(shù)，然后青年醫(yī)師經(jīng)過長時間的手術(shù)觀摩后，在經(jīng)驗豐富的上級醫(yī)師的指導下進行手術(shù)操作，比如脊柱后路手術(shù)的椎弓根螺釘置入。但是手術(shù)中醫(yī)師要為患者負責，不可能頻繁的讓青年醫(yī)師進行較為危險的手術(shù)操作，以免對患者造成損傷。因此，青年醫(yī)師往往要經(jīng)過長時間的觀摩和逐步實踐才能掌握相關(guān)手術(shù)技巧。西安交通大學醫(yī)學部第二附屬醫(yī)院利用引進的3D打印機將患者的脊柱復制成塑料模型，讓青年醫(yī)師直接在模型上實施關(guān)鍵手術(shù)技能，以期縮短訓練時間，使青年醫(yī)師盡早掌握相關(guān)手術(shù)技巧。

1 資料

將脊柱外科青年醫(yī)師以及進科實習的研究生作為培訓對象，共收集受試者8例，同時對往年進科實習的研究生進行回顧訪問，明確其掌握椎弓根螺釘置入方法的時間，對掌握時間和數(shù)據(jù)進行對比。

2 方法

2.1 等比例脊柱的3D打印

從儲存的患者三維CT數(shù)據(jù)庫中選擇合適的脊柱樣本，將DICOM格式的三維CT數(shù)據(jù)導入華森3D-ORTHO三維骨科手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)軟件(圖1A)，選擇合適的窗寬使脊柱所在區(qū)域高亮選中，讓軟件自動剔除軟組織并進行重建，對重建得到的三維模型進行必要的修飾。將重建的三維模型導入3D打印編程軟件Cura(圖1 B)，生成三維行程坐標數(shù)據(jù)文件。利用聚乳酸材料(PLA)快速將模型打印成實體(圖1 C)。

圖1 A:使用華森3D-ORTHO三維骨科手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)生成三維脊柱模型；B：使用Cura軟件調(diào)整三維打印參數(shù)；C:利用3D打印機打印脊柱模型

2.2 利用模型進行手術(shù)操作訓練

將3D打印模型固定于桌面上，第一次培訓時采用統(tǒng)一授課的方式，由上級醫(yī)師根據(jù)模型講解各部位進釘點特點及辨認技巧、螺釘大小的選擇以及進釘角度和螺釘進入的深度。講解完成后，受訓者從上方觀察脊柱背面確定各椎弓根的進釘點，利用開口器在相應進釘點開口，使用錐子打開釘?shù)溃阶犹矫麽數(shù)栏鞅谑欠裢暾?，然后旋入螺釘，安裝釘棒系統(tǒng)(圖2 A、B)。完成訓練后，拆除固定棒，不拆除釘子，將模型脊柱沿螺釘方向剖開(圖2 C)，觀察釘?shù)狼闆r，供受訓醫(yī)師分析總結(jié)進釘位置、進釘角度及進釘深度是否存在問題。后續(xù)訓練時，受訓者可反復利用新的3D打印模型訓練椎弓根螺釘?shù)闹萌?，并自行分析總結(jié)得失，下次培訓根據(jù)分析結(jié)果改進操作技巧。模擬訓練結(jié)束后，對受訓者進行測試，模擬置入10枚螺釘，觀察受訓者螺釘置入的成功率。

圖2 A：進行樞椎側(cè)塊螺釘?shù)闹萌?；B：寰樞椎側(cè)塊螺釘置入后；C:沿螺釘方向?qū)⒆刁w模型剖開

2.3 結(jié)合模型和真實病例訓練

能夠在模型上熟練置入椎弓根螺釘后，培訓進入手術(shù)實際操作階段。在這一階段，先根據(jù)需要實施手術(shù)患者的三維CT資料，打印出患者需要實施手術(shù)脊柱節(jié)段的等比例模型，參與手術(shù)的青年醫(yī)師先觀察情況，并在等比例模型上進行模擬手術(shù)操作，由上級醫(yī)師評價操作。模擬操作積累經(jīng)驗后，再在實際手術(shù)中，在上級醫(yī)師的監(jiān)督下進行手術(shù)操作，鍛煉手術(shù)技能。

3 結(jié)果

以上培訓方法實施后，模擬培訓階段，所有青年醫(yī)師都在2～3個月內(nèi)掌握了脊柱全長各椎體的椎弓根螺釘?shù)倪M釘技巧，且在螺釘模擬置入測試中，受試者的一次置入成功率高達93.75%；經(jīng)過6個月的模型模擬加實際手術(shù)操作后，接受培訓的青年醫(yī)師能夠獨立自主地進行椎弓根螺釘?shù)闹萌?，且不出現(xiàn)較大的失誤，而以往采用傳統(tǒng)方法培訓的青年醫(yī)師普遍需要2～3年的時間才能逐步進行獨立的手術(shù)操作。

4 討論

3D打印快速成型技術(shù)在近年來快速發(fā)展，并迅速進入醫(yī)療領(lǐng)域，國內(nèi)外都出現(xiàn)了很多針對醫(yī)療領(lǐng)域的3D打印機產(chǎn)品，這一兩年來國內(nèi)各大醫(yī)院也開始采用3D打印技術(shù)來制作各種骨折的定制模型來指導手術(shù)治療[3]，更進一步的應用是根據(jù)患者的情況來定制鈦合金的骨骼。國外已經(jīng)有很多利用3D打印的假體來修補缺損骨組織和替換損傷的骨組織經(jīng)驗[4-6]。劉忠軍等利用3D打印鈦合金假體替代部分椎體。裴延軍等實施了亞洲首例鈦合金鎖骨和肩胛骨植入[7]，植入后能夠最大化的適應患者的解剖生理。而3D打印應用于教學也只是止步于運用3D打印技術(shù)來制作臨床常見的復雜骨折模型，在實踐課中對學生進行講解時利用模型來使學生的理解更加深刻[8]。我們在此基礎(chǔ)上更進一步，利用3D打印技術(shù)可以快速且個性化地定制脊柱等比例模型的優(yōu)點，讓青年醫(yī)師親手在模型上操作椎弓根螺釘?shù)闹萌?。使用?D打印材料為聚乳酸(PLA)，這種材料價格低廉，且經(jīng)過多次調(diào)整外壁厚度以及椎體內(nèi)腔的填充比例，得到一組適當?shù)拇蛴?shù)，使得制作的等比例模型在操作者的手感更接近于皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的感覺。

脊柱外科手術(shù)的教學和訓練一直是骨科教學的難點。脊柱的椎管中容納著脊髓這一外周神經(jīng)的中樞，這一解剖結(jié)構(gòu)決定了脊柱外科手術(shù)需要更加嫻熟的手術(shù)技巧和精細的操作，對于脊髓的損傷，輕則癱瘓，重則危及患者生命。而頸椎的后路手術(shù)在置入椎弓根螺釘時更要避免損傷椎動脈，以免引起大出血[2]。這些都決定了青年醫(yī)師在手術(shù)中只能先通過長時間的觀察上級醫(yī)師的操作來積累經(jīng)驗，然后才能逐步開始實踐操作，特別是椎弓根螺釘?shù)闹萌耄中g(shù)中只能憑借有限的解剖標志確定進釘點，憑經(jīng)驗去決定進釘角度和深度。雖然現(xiàn)在有術(shù)中X線可以觀察螺釘是否正確置入，但是能夠一次性成功置入會更加方便和減少手術(shù)時間。青年醫(yī)師在術(shù)中觀摩操作時由于視野問題不能很好地掌握高年資醫(yī)師的技巧，而利用3D打印等比例脊柱模型來進行螺釘?shù)闹萌胙菔?，?/p>

訓醫(yī)師能夠更好地觀察各種手術(shù)技巧。觀摩后的親手操作也能讓青年醫(yī)師更好地鞏固觀摩時所學習到的手術(shù)技巧，親手操作后還能打開椎體觀察釘?shù)赖那闆r，分析各椎體螺釘置入的得失，下次操作時能夠吸取經(jīng)驗，調(diào)整置入手法。實際手術(shù)前根據(jù)患者三維CT數(shù)據(jù)打印的個體化模型進行模擬手術(shù)，能夠讓青年醫(yī)師牢記手術(shù)步驟和技巧，并且增加實際手術(shù)中的自信心。

3D打印技術(shù)在脊柱外科手術(shù)培訓中起到非常重要的作用，它的出現(xiàn)彌補了青年醫(yī)師在早期不能實際操作的不足，聚乳酸材料低廉的價格也使得大量的訓練成為可能，但是目前我們只能打印骨組織，而不能附著軟組織來使模擬手術(shù)更加逼真，我們會在這方面繼續(xù)探索，使得培訓的效果進一步提高。

5 結(jié)論

3D打印快速成型技術(shù)對脊柱外科手術(shù)培訓能夠起到非常重要的促進作用，顯著縮短青年醫(yī)師的培訓時間，增強青年醫(yī)師在手術(shù)過程中的自信心。

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Application of 3D printing technology in the teaching and training of spine surgery

ZhaoBo,LiuYing,QiuXiaowen,HeXijing

TheSecondAffiliatedHospitalofXi'anJiaotongUniversityHealthScienceCenter,Xi'an710004,China

Spinal disorders show an increasing trend in these years. However, the training of young doctors in spine surgery still follows the old pattern. On the basis of introducing 3D printer to make 3D model to guide operation, our hospital further used the 3D printing equal proportion model to train young doctors in surgical techniques. The training consists of explanation of the model, teaching of key points, and young trainees' operation on the equal proportion model and result analysis so as to help them grasp the key points as soon as possible. Results show that after the one-year training with the new method, the young doctors became familiar with and skillful in inserting pedicle screws in the full-length spine. Therefore, applying the 3D printing equal proportion model into spine surgery training is feasible with obvious effects.

3D printing; spine surgery; surgical training

2015-04-22

趙波(1979-)，男，陜西咸陽人，碩士，主治醫(yī)師，主要研究方向：脊柱脊髓損傷。

賀西京(1958-)，男，河南安陽人，博士，教授，主任醫(yī)師，博士研究生導師，主要研究方向：脊柱脊髓損傷。 電話：13892846285；E-mail:13892846285@163.com

G434

A

1004-5287(2015)05-0547-03

：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201505021