黃國秀，譚海濤

貴港市人民醫(yī)院數(shù)字醫(yī)學與3D打印臨床醫(yī)學研究中心，廣西 貴港 537100

3D打印模型在椎間孔鏡手術(shù)教學中的應用進展

黃國秀，譚海濤

貴港市人民醫(yī)院數(shù)字醫(yī)學與3D打印臨床醫(yī)學研究中心，廣西 貴港 537100

椎間孔鏡手術(shù)是脊柱微創(chuàng)技術(shù)中最具代表性的一種，同時，其培訓也是脊柱外科手術(shù)教學的重難點。傳統(tǒng)的椎間孔鏡教學往往采用尸體標本、正常結(jié)構(gòu)的教學模型及真實案例的術(shù)中講解，但標本的稀缺、正常模型無法客觀揭示脊柱疾病狀態(tài)及學生缺乏直觀觀察和反復可操作機會，影響了椎間孔鏡手術(shù)教學質(zhì)量。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為醫(yī)學教育帶來了新的契機。該文介紹了3D打印技術(shù)在臨床教學中的應用現(xiàn)狀，尤其是在椎間孔鏡手術(shù)教學中的應用優(yōu)勢，并對3D打印技術(shù)在醫(yī)學教育中的應用前景進行了展望。

3D打印；教學模型；椎間孔鏡

3D打印技術(shù)（three-dimensional printing technology）是一種新型的快速成型技術(shù)［1］，以CT／MRI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過可粘合材料的逐層打印，生成可視化、實體化及個性化的三維物體模型，即3D打印模型，該技術(shù)也被認為是“第三次工業(yè)革命的標志之一”［2］。目前，3D打印技術(shù)已在工業(yè)、航空航天及醫(yī)療行業(yè)等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠的影響，而未來的發(fā)展也將使大規(guī)模的個性化定制與生產(chǎn)成為可能。隨著數(shù)字醫(yī)學的進步，3D打印模型已被證明在臨床實踐特別是在臨床骨科中獲得巨大成功［3-4］，而該模型在教育領(lǐng)域中的應用也逐漸受到關(guān)注，同時也使得3D打印模型在臨床骨科手術(shù)教學中展現(xiàn)出廣闊的應用前景［5-6］。在骨科手術(shù)教學中，過去多使用解剖標本或正常教學模型，但因標本稀缺或正常模型難以全面揭示復雜的人體解剖和損傷機制，從而使得各類骨科手術(shù)教學也缺乏相應的體現(xiàn)。隨著3D打印技術(shù)的廣泛運用，將3D打印模型與骨科手術(shù)教學（如椎間孔鏡手術(shù)教學）相結(jié)合，既填補了解剖標本缺乏的空白，也使得學員得到更好的解剖理解和手術(shù)訓練機會，這或是當今臨床骨科教育發(fā)展不可阻擋的趨勢。

1 3D打印模型在臨床教學的應用現(xiàn)狀

在骨科臨床教學中，3D打印模型主要應用于個性化的骨骼模型展示與模擬手術(shù)教學：Preece等［7］通過3D打印復雜肢體關(guān)節(jié)模型和一項RCT發(fā)現(xiàn)，基于該模型的教學方式不但能夠有效提高學生對肢體關(guān)節(jié)的理解力，還有利于營造一個愉快的教學環(huán)境；王棟等［8］將5例典型上頸椎的3D打印模型用于骨科規(guī)培生的臨床教學中，并進行手術(shù)指導，多數(shù)規(guī)培生反映該模型明顯有助于加深對復雜骨科疾病、解剖及手術(shù)技巧的理解；楊長偉等［9］根據(jù)患者影像數(shù)據(jù)制作了一些局部解剖復雜的3D打印系列模型，并用于教學實踐中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該模型形象、直觀及仿真性強，學員更容易理解復雜的解剖結(jié)構(gòu)，并提高其學習興趣和知識的掌握程度；杜恒等［10］打印出了患者骨折或畸形的3D模型，為PBL骨科教學提供了更直觀的個性化模型，改變了以往枯燥的教學方法，極大地調(diào)動了學生的積極性和創(chuàng)造性；李珍珠等［11］在一項RCT中發(fā)現(xiàn)，結(jié)合3D打印模型的教學模式能夠提高學員對脊柱骨折的理解力，相比傳統(tǒng)基于CT等虛擬教學模式?jīng)]有性別上的差異。由此，透過3D打印模型，學員能夠更直觀、全面地學習相關(guān)疾病，更容易理解平時難以掌握的知識點，極大地提高了教學的質(zhì)量與效率。

在腫瘤外科教學方面，3D打印腫瘤模型主要應用于術(shù)前模擬、方案的制定及術(shù)中精確切除腫瘤的手術(shù)演示教學：Rohner等［12］利用3D打印模型進行手術(shù)彩排實現(xiàn)了一個復雜的具有腫瘤基礎(chǔ)、合并放療損傷的頜面部重建手術(shù)教學，并使得術(shù)者與學員體會到術(shù)前彩排對皮瓣移植和骨板接合有重要的指導意義；施鳳偉等［13］將3D打印模型用于骨腫瘤術(shù)前、術(shù)中及術(shù)后教學，結(jié)果發(fā)現(xiàn)術(shù)前學生可多角度、直觀地觀察腫瘤空間關(guān)系，術(shù)中模型的對比觀察能更好地顯露、分離腫瘤邊界，而術(shù)后教師透過模型再次進行操作演示，學員能達到溫故知新的目的；周悅等［14］運用3D打印模型針對23例分析組的肺部腫瘤患者，結(jié)合患者臨床資料與胸腔鏡手術(shù)演示進行教學，分析組在學習興趣、解剖掌握及對手術(shù)過程認識三方面的提高優(yōu)于對照組。因此，3D打印腫瘤模型能夠幫助學員在術(shù)前、術(shù)中及術(shù)后對腫瘤有更全面、直觀的認識，使學員能更好地判斷腫瘤的位置大小、邊界及毗鄰關(guān)系，大大提高了學習的熱情、效率及質(zhì)量。

在神經(jīng)外科、頜面整形、口腔及耳科等手術(shù)訓練方面：李珍珠等［15］將3D打印顱內(nèi)動脈瘤模型應用在臨床教學的RCT中，結(jié)果相比傳統(tǒng)組，3D組的學生專業(yè)測試分數(shù)明顯占優(yōu)，且答題所需時間短，該3D打印模型更利于提高臨床醫(yī)學生對顱內(nèi)動脈瘤的理解、易于被學員接受，值得臨床教學推廣；李艷等［16］應用顯微CT數(shù)據(jù)結(jié)合Mimics軟件，進行上頜第一磨牙的離體牙多平面斷層重建和三維透視模型建立，并用于髓腔解剖教學中，觀察髓腔的立體結(jié)構(gòu)和形態(tài)特點，與傳統(tǒng)教學相比，前者則表現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢；陳鵬等［17］通過在3D打印頜骨模型上進行教學，結(jié)果發(fā)現(xiàn)學員對頜骨重建、缺損解剖形態(tài)恢復和咬合功能重建的系統(tǒng)性和復雜性有更直觀、更深刻的理解，而手術(shù)模擬也增強了學員對頜骨缺損的治療和預后評價的認識；Monfared等［18］分別采用2種不同材料模擬骨質(zhì)和軟組織，制作了3D打印中耳模型，其在真實性、觸感方面得到了專家的廣泛認可，并建議將此類模型納入住院醫(yī)師手術(shù)教學訓練指南。因此，3D打印模型在手術(shù)訓練方面，除了能夠使學員對疾病有全面的理解外，還能夠使學員得到更多的手術(shù)訓練機會，促進手術(shù)教學的質(zhì)量與效率。

目前，傳統(tǒng)的脊柱外科手術(shù)教學與培訓存在較大的局限性［19］，如：①解剖標本愈發(fā)稀缺，單一的正常模型無法全面揭示脊柱疾病的損傷機制與手術(shù)的復雜性；②高風險的脊柱手術(shù)缺乏直觀性和反復可操作性；③學習曲線陡峭，年輕醫(yī)師需經(jīng)長時間、大量的手術(shù)觀摩及實踐方可熟練掌握相關(guān)手術(shù)技巧。

而3D打印模型則為解決這些問題提供了方便的技術(shù)手段，既填補了標本稀缺的空白，又能讓學員全面了解患者脊柱疾病的病理學全貌。學員在模型上進行反復的演練則有效地解決了無法實施足夠操作訓練的難題，在調(diào)動學生的主動性、積極性的同時，也明顯縮短了手術(shù)學習曲線。因此，將3D打印模型應用于脊柱手術(shù)教學（如椎間孔鏡手術(shù)教學）具有重要的意義。

2 3D打印模型在椎間孔鏡手術(shù)教學中的應用優(yōu)勢

隨著數(shù)字醫(yī)學的進步，3D打印模型為解決臨床與科研難題提供了巨大的便利［20］。3D打印模型始終貫穿整個臨床診療過程，從醫(yī)患溝通、?？圃\斷、術(shù)前規(guī)劃模擬，再到術(shù)中精確的導航與術(shù)后宣教，該模型均引領(lǐng)臨床醫(yī)學特別是骨科向個性化、精確化、微創(chuàng)化及高效化方向快速發(fā)展。而椎間孔鏡手術(shù)教學作為骨科教學的重難點，3D打印模型在該手術(shù)教學中應用的優(yōu)勢同樣體現(xiàn)在這些方面。

首先，3D打印的個性化模型用于椎間孔鏡手術(shù)教學，可有效解決尸體標本來源不足與正常教學模型無法全面揭示脊柱骨病的復雜性問題。以往的椎間孔鏡手術(shù)教學主要利用尸體標本或正常教學模型，而標本稀缺及反復操作使得標本受到破壞，導致局部結(jié)構(gòu)紊亂不清，明顯降低教學效果。另外，正常的教學模型無法反映客觀的病理狀態(tài)，亦無法針對“病灶”進行相應手術(shù)步驟、要領(lǐng)的講解，明顯減低教學的質(zhì)量。而將3D打印模型用于椎間孔鏡手術(shù)教學，既可填補標本緊缺，也能真實、全面地反映患者的病理狀態(tài)，并進行術(shù)前的綜合評估，為下一步手術(shù)方案奠定基礎(chǔ)。

其次，將3D打印模型用于椎間孔鏡手術(shù)教學演示、手術(shù)技能的反復操練，有利于提高年輕醫(yī)師的積極性、主動性。脊柱的解剖復雜、手術(shù)風險高，決定了此類手術(shù)需要更安全、足夠嫻熟及精細的手術(shù)技巧，這在一定程度上也削弱了年輕醫(yī)師學習椎間孔鏡的信心與熱情。而將3D打印模型用于該手術(shù)教學中，可使得高年資醫(yī)師與年輕醫(yī)師在術(shù)前進行模擬手術(shù)，讓年輕醫(yī)師對手術(shù)步驟、技術(shù)要領(lǐng)做到心中有數(shù)，增加手術(shù)實戰(zhàn)中的信心和學習熱情。因此，3D打印模型在椎間孔鏡手術(shù)教學中起到非常重要的作用，一定程度上有效解決了因為保護性醫(yī)療原則、無菌要求等原因無法實施足夠操作訓練的難題［21］，明顯提升了年輕醫(yī)師掌握椎間孔鏡手術(shù)的自信心，提高其主動性、積極性，創(chuàng)造更加融洽的教學氛圍。

另外，3D打印模型還有助于提升孔鏡手術(shù)教學的質(zhì)量、效率，縮短學習曲線。傳統(tǒng)教學往往只結(jié)合了術(shù)者的空間想象、術(shù)中圖像及術(shù)中操作來講解相關(guān)的解剖與手術(shù)技術(shù)要點。而脊柱手術(shù)具有很高的風險，年輕醫(yī)師需要更嫻熟的手術(shù)技巧、精細的操作及長時間的觀摩演練才能熟練掌握，特別是對于椎間孔鏡手術(shù)，其難度更大，學習曲線陡峭［22-23］。因此，普遍缺乏臨床操作機會的年輕醫(yī)師只有經(jīng)過長時間的觀摩、實踐后，在經(jīng)驗豐富的上級醫(yī)師指導下才能安全地進行手術(shù)。另外，年輕醫(yī)師在觀摩時，由于觀察視野受限無法很好地觀察、領(lǐng)會高年資醫(yī)師講解的手術(shù)技巧。而3D打印模型輔助該手術(shù)教學，有利于術(shù)前更直觀地認識脊柱病變的病理全貌，然后通過術(shù)前評估，選擇合適的手術(shù)入路，并進行模擬手術(shù)。同時，年輕醫(yī)師能夠更直觀地觀摩各種手術(shù)技巧，進行反復的操作，便于將理論與實踐相結(jié)合。另外，親手操作后還能打開模型，有利于三維空間解剖與顯示屏二維圖像的思維轉(zhuǎn)換，并總結(jié)椎間孔鏡的視野與摘除病灶的情況，分析得失，從而有效提高手術(shù)技巧學習的質(zhì)量與效率。

3 3D打印模型在椎間孔鏡手術(shù)教學中的實施

3.1 數(shù)字化設計和模型打印

3.1.1 設備準備 計算機及相關(guān)軟件（Mimics 14.0，Geomagic Studio12.0，等）；PACS軟件；Starasys J750打印機；3.0T磁共振、64排CT掃描儀。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集 選取25例腰3-骶1椎間盤突出癥的患者作為研究對象，其中，單節(jié)段為17例，雙節(jié)段為8例，腰3／4為6例，腰4／5為12例，腰5／骶1為7例。分別采集以上患者腰椎MRI、CT數(shù)據(jù)。參數(shù)設定如下：腰叢（MRI）：FoV read：280mm，F(xiàn)oV phase：100%，Slice thickness：0.90mm，Base resolution：320，腰椎（MRI）：TR：2200ms，TE：222ms，F(xiàn)at supper：SPAIR，F(xiàn)at sat.mode：Strong，F(xiàn)lip angle：100 deg，腰椎（CT）：Eff：350mAs，電壓：120kV，Scan time：5.8s，Delay：2s，Slice：128*0.6mm，No.of images：230.

3.1.3 數(shù)據(jù)處理 利用Mimics進行腰椎骨性結(jié)構(gòu)、軟組織的三維重建，先利用MRI數(shù)據(jù)進行軟組織的重建，再與利用CT重建的骨骼模型進行配準、融合［24］，得到一個完整的腰椎數(shù)字化模型。

3.1.4 模型打印 將模型文件以“STL”格式導出，再轉(zhuǎn)為“X3G”格式，以Starasys J750快速成型機［25-26］實施打印，得到所需實物模型。

3.2 教學應用

3.2.1 術(shù)前評估與模擬、演練

①術(shù)前評估：根據(jù)患者的臨床資料，結(jié)合3D打印模型全面認識患者的病理狀態(tài)，明確是否具備椎間孔鏡手術(shù)的指征，完成術(shù)前的評估教學，教學課時約10min。

②手術(shù)教學模擬、演練：在此之前，先正確認識與理解椎間孔鏡技術(shù)［27］。再根據(jù)其標準的操作方法［28-29］進行教學。高年資醫(yī)師利用3D打印模型結(jié)合椎間孔鏡手術(shù)器械，進行手術(shù)步驟的講解、演示及模擬教學，年輕醫(yī)師觀摩學習后進行手術(shù)反復模擬操練。具體模擬演練方法與實際手術(shù)標準步驟保持一致，教學課時約30 min。

③完成以上兩步后，由年輕醫(yī)師與高年資醫(yī)師討論椎間孔鏡手術(shù)的詳細方案，權(quán)衡利弊后選擇合適的手術(shù)入路，為實際手術(shù)做準備。教學課時約10 min。

3.2.2 術(shù)中觀摩、操練 高年資醫(yī)師通過真實手術(shù)操作，結(jié)合3D打印模型進行手術(shù)技巧講解、演示及對比，年輕醫(yī)師則通過觀摩后進行模型上的手術(shù)操練、提問，而高年資醫(yī)師再結(jié)合患者與模型進行答疑，教學課時約80 min。

3.3 注意事項

①該3D打印模型需保留雙側(cè)髂骨、肋弓，為穿刺定位提供體表標志；另外，制作的骨骼模型的材質(zhì)必須保證可以行X線顯影；

②為了提高模擬手術(shù)的真實性，模型的擺放體位必須與真實手術(shù)時患者的體位一致；

③對于3D打印模型，每一個步驟盡可能與真實術(shù)中的保持正確、規(guī)范一致，如必須制定準確、縝密的穿刺定位方案，以減少術(shù)中透視過多導致的不良影響，縮短手術(shù)時間，提高手術(shù)成功率［30］與教學的質(zhì)量和效率。

④計算機導航技術(shù)在脊柱手術(shù)某些領(lǐng)域的應用已取得相當多的經(jīng)驗［31］，因此，還可嘗試將它用于椎間孔鏡手術(shù)教學中，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，使手術(shù)更精準，這或是未來的發(fā)展方向之一。

4 挑戰(zhàn)與展望

目前，3D打印模型在醫(yī)學教學中的運用主要集中于個性化模型的展示教學、手術(shù)模擬、操練，而其具有的眾多優(yōu)勢能夠顯著提升臨床教學效果。不僅在骨科手術(shù)教學，在神經(jīng)外科、口腔科、腫瘤外科教學以及各種重大復雜手術(shù)模擬操作教學中均具有良好的應用前景。

但是，3D打印模型在骨科手術(shù)教學領(lǐng)域中，特別是椎間孔鏡手術(shù)教學還處于探索階段，因此，3D打印模型也還存在一些亟待解決的問題［32-33］：①3D打印模型在臨床上的應用尚處于初級階段，需要繼續(xù)推廣與完善其技術(shù)，如軟組織三維重建困難與打印材料的選擇面窄等問題。②目前制作的大多數(shù)模型為質(zhì)硬類型，而尚未能打印出質(zhì)軟模型來使模擬手術(shù)更加真實。③合乎要求的3D打印模型需要一定的經(jīng)濟、時間成本支持，快速成型機與打印材料的高成本一定程度上也限制了其普遍使用；另外，3D打印模型制作從數(shù)據(jù)采集到實物模型，準備時間仍較長。④3D打印模型模擬椎間孔鏡手術(shù)的病灶切除操作與實際人體內(nèi)操作過程的逼真性可能達不到理想狀態(tài)。

3D打印模型輔助椎間孔鏡教學的主要優(yōu)點是直觀地反映人體骨科疾病病理、手術(shù)操作的真實情況，同時也為學生創(chuàng)造更多的手術(shù)訓練機會。因此，我們期望能打印出高度仿真的三維模型，如“生物打印”［34］或“4D打印”［35-36］，使得在骨性解剖結(jié)構(gòu)、軟組織（如血管、神經(jīng)、肌肉等）結(jié)構(gòu)在質(zhì)地、顏色及手感上更接近活體的解剖結(jié)構(gòu)，甚至可以如同活體組織，觸之出血，同時也使得模擬椎間孔鏡手術(shù)的病灶切除操作教學與實際人體內(nèi)操作過程的逼真程度更加理想。我們也期待，在未來的各種臨床重大、復雜手術(shù)演示操練教學中，3D打印模型會具有更廣闊的應用前景，并顯示其應有的價值。

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Advances in application of 3D printing model in teaching of percutaneous endoscopic lumbar discectomy

Huang Guoxiu，Tan Haitao
Digital Medicine and 3D Print Clinical Medicine Research Center，Guigang City People＇s Hospital，Guigang 537100，China

Percutaneous endoscopic lumbar discectomy（PTED）is one of themost representative spineminimally invasive techniques.At the same time，its training is also an important and difficult task in spine surgery teaching.The traditional teaching of PTED is often based on the use of corpse specimens，teachingmodel of the normal structure，and explanation of real cases during surgery.However，scarcity of specimens and normal models cannot reveal the status of spine diseases objectively.Also，students lack intuitive observation and repeated operational opportunities，which affects the quality of PTED teaching.The appearance of 3D printing technology has brought new opportunities to medical education.This paper introduces the present situation of 3D printing technology applied in clinical teaching，especially its advantages in PTED teaching.It also discusses the application prospect of the technology in medical education.

3D printing；teachingmodel；percutaneous endoscopic lumbar discectomy（PTED）

G434

：A

：1004-5287（2017）04-0460-05

：10.13566／j.cnki.cmet.cn61-1317／g4.201704027

2017-03-10

黃國秀（1967-），女，南寧人，主任醫(yī)師，碩士，主要研究方向：臨床醫(yī)學與教學、數(shù)字醫(yī)學與3D打印技術(shù)。

譚海濤（1969-），男，廣西貴港人，主任醫(yī)師，博士，主要研究方向：骨科、數(shù)字醫(yī)學與3D打印技術(shù)。電話：13707857080；E-mail：tanhaitao99＠hotmail.com