任斌 王怡田 平安松 蔡林

骨科是一門操作性、實(shí)踐性很強(qiáng)的臨床學(xué)科，尤其近10 年來發(fā)展迅速，學(xué)科的新理論、新方法層出不窮。隨著微創(chuàng)和智能外科手術(shù)時(shí)代的到來，人工智能輔助下的精準(zhǔn)醫(yī)療和智慧醫(yī)療成為了未來骨科學(xué)的發(fā)展方向，同時(shí)也在不斷推進(jìn)骨科臨床教學(xué)的進(jìn)步與智能優(yōu)化［1-2］。在這個(gè)背景下，傳統(tǒng)的教學(xué)方法已無法滿足智能時(shí)代教學(xué)的要求。因此，根據(jù)骨科領(lǐng)域的教學(xué)現(xiàn)狀，研究如何將人工智能科技運(yùn)用于臨床教學(xué)已成為當(dāng)前至關(guān)重要的課題。

骨科學(xué)尤其是脊柱外科對(duì)解剖及抽象空間立體思維能力要求較高，而傳統(tǒng)的脊柱外科臨床教學(xué)使用圖譜、影像學(xué)資料（X 線片、CT、MRI）等方法并不能直觀、立體地展示局部的正常解剖結(jié)構(gòu)。而面對(duì)解剖復(fù)雜的骨骼疾病，教師在授課時(shí)也難以講清病變結(jié)構(gòu)，使得教學(xué)效果不盡人意。另外，脊柱外科和神經(jīng)、血管系統(tǒng)密切相關(guān)，具有更高的操作難度和手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。學(xué)生因此很難有機(jī)會(huì)直接進(jìn)行脊柱外科的實(shí)際手術(shù)操作，也導(dǎo)致了脊柱外科的臨床教學(xué)缺少即時(shí)反饋機(jī)制。而教師的即時(shí)評(píng)價(jià)反饋可幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)不足并及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)方法，也有利于教師因材施教、及時(shí)在教學(xué)過程中調(diào)整教學(xué)方案［3］。在這種背景下，我們將3D打印技術(shù)以及計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于脊柱外科的理論教學(xué)和手術(shù)技能操作訓(xùn)練，以期為促進(jìn)脊柱外科的教學(xué)智能化及新時(shí)代臨床人才的培養(yǎng)提供新的思路。

資料與方法

一、納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

納入標(biāo)準(zhǔn)：①2019級(jí)至我院脊柱外科接受住院醫(yī)師培訓(xùn)的規(guī)培學(xué)員；②完整參與了4 周的脊柱外科臨床教學(xué)工作；③本研究方法已提前告知學(xué)員并征得學(xué)員同意，學(xué)員自愿參加。排除標(biāo)準(zhǔn)：①其他年級(jí)規(guī)培學(xué)員；②規(guī)培期間無故遲到、早退、曠課超過2次，或請(qǐng)假超過2天者。

二、一般資料

將2020年7月至2022年7月在我院脊柱外科接受住院醫(yī)師培訓(xùn)的52名規(guī)培學(xué)員隨機(jī)分為兩組，每組26 人。試驗(yàn)組男24 名，女2 名，年齡為（25.26±0.32）歲，入科成績(jī)?yōu)椋?3.46±2.23）分；對(duì)照組男25名，女1名，年齡為（25.17±0.24）歲，入科成績(jī)?yōu)椋?4.51±2.76）分。兩組間一般資料的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，表1）。

表1 兩組一般資料比較

三、教學(xué)方法

試驗(yàn)組采用多媒體授課，3D打印模型作為教具進(jìn)行教學(xué)演示，計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行手術(shù)操作培訓(xùn)。通過PACS系統(tǒng)獲取的薄層掃描DICOM格式圖像經(jīng)過Mimics 三維醫(yī)學(xué)重建軟件計(jì)算生成數(shù)字模型，導(dǎo)入3D 打印機(jī)，以光敏樹脂為原料在高精度模式下制造實(shí)體復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型。模型制作對(duì)象包括脊柱骨折、脊柱腫瘤以及脊柱退變側(cè)彎等病種。通過3D打印模型展示病變部位的立體結(jié)構(gòu)及鄰近部位的正常解剖結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)組手術(shù)操作培訓(xùn)內(nèi)容為計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)輔助下在3D打印模型上進(jìn)行椎弓根螺釘置入。教學(xué)時(shí)長(zhǎng)為8學(xué)時(shí)，操作培訓(xùn)時(shí)長(zhǎng)為3學(xué)時(shí)。

對(duì)照組采用傳統(tǒng)的多媒體授課，人體解剖模型作為教具進(jìn)行教學(xué)演示及手術(shù)操作培訓(xùn)。病人的CT 或MRI 影像學(xué)資料通過我院的PACS 系統(tǒng)獲取，并可通過PACS系統(tǒng)對(duì)掃描部位進(jìn)行三維重建。兩組采用同一教學(xué)老師進(jìn)行教學(xué)。與試驗(yàn)組使用3D打印的1∶1 復(fù)刻病人病變部位解剖結(jié)構(gòu)的模型相比，對(duì)照組使用的教學(xué)模型為展示成人正常脊柱解剖結(jié)構(gòu)的醫(yī)用教學(xué)模具。對(duì)照組與試驗(yàn)組的教學(xué)學(xué)時(shí)和操作培訓(xùn)學(xué)時(shí)均相同，對(duì)照組操作培訓(xùn)內(nèi)容為在人體解剖模具上進(jìn)行椎弓根螺釘置釘操作。

四、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

課程結(jié)束后對(duì)兩組學(xué)生進(jìn)行理論知識(shí)考核（100分）和臨床技能考核（100 分）。理論知識(shí)考核包括脊柱外科解剖學(xué)和基礎(chǔ)理論，臨床技能考核包括病例分析（30分）、影像學(xué)閱片（30分）及脊柱模型椎弓根螺釘操作測(cè)試（40分）。

五、教學(xué)滿意度評(píng)價(jià)

以自制調(diào)查問卷的形式分別調(diào)查試驗(yàn)組和觀察組學(xué)生對(duì)授課教師教學(xué)的滿意程度，包括教學(xué)方法評(píng)價(jià)及教學(xué)內(nèi)容評(píng)價(jià)。教學(xué)方法評(píng)價(jià)和教學(xué)內(nèi)容評(píng)價(jià)滿分均為100分。

六、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 17.0（IBM 公司，美國）對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析兩組間教學(xué)效果及教學(xué)滿意度差異；計(jì)數(shù)資料采用χ2檢驗(yàn)。P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié)果

一、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

試驗(yàn)組與對(duì)照組學(xué)生的脊柱外科理論知識(shí)成績(jī)分別為（89.37±5.31）分和（84.42±4.26）分，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=3.708，P=0.001）。在臨床技能考核中，試驗(yàn)組學(xué)生病例分析、影像學(xué)閱片及椎弓根螺釘置釘操作測(cè)試考核成績(jī)均高于對(duì)照組，兩組學(xué)生在臨床技能考核三項(xiàng)測(cè)試中的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表2）。

表2 教學(xué)效果評(píng)價(jià)（±s，分）

表2 教學(xué)效果評(píng)價(jià)（±s，分）

組別試驗(yàn)組對(duì)照組t值P值例數(shù)26 26臨床技能考核--理論知識(shí)考核89.37±5.31 84.42±4.26 3.708 0.001病例分析24.72±3.25 22.26±2.14 3.224 0.002影像學(xué)閱片26.45±2.71 24.67±2.38 2.516 0.015椎弓根螺釘置釘操作35.43±3.47 32.52±2.65 3.398 0.001

二、教學(xué)滿意度評(píng)價(jià)

試驗(yàn)組與對(duì)照組為同一授課教師。在對(duì)授課教師教學(xué)評(píng)價(jià)中，試驗(yàn)組學(xué)生對(duì)教師的教學(xué)方法評(píng)價(jià)明顯高于對(duì)照組；教學(xué)內(nèi)容評(píng)價(jià)中，試驗(yàn)組同樣高于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表3）。

表3 教學(xué)滿意度評(píng)價(jià)（±s，分）

表3 教學(xué)滿意度評(píng)價(jià)（±s，分）

組別試驗(yàn)組對(duì)照組t值P值例數(shù)26 26--教學(xué)方法評(píng)價(jià)95.46±4.83 87.75±5.31 5.477＜0.001教學(xué)內(nèi)容評(píng)價(jià)92.37±4.15 88.53±5.42 2.868 0.006

討論

骨科學(xué)因涉及解剖部位多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)學(xué)生立體空間想象能力要求較高。其中，脊柱外科因?yàn)楹脱?、神?jīng)系統(tǒng)密切相關(guān)，對(duì)術(shù)者的技術(shù)要求更高、更細(xì)致。現(xiàn)今脊柱外科的臨床教學(xué)仍大多沿用傳統(tǒng)的PPT形式進(jìn)行理論授課，授課內(nèi)容抽象、難理解或者授課方式枯燥，對(duì)學(xué)生缺乏吸引力。在解剖學(xué)結(jié)構(gòu)中，由于椎弓根（尤其是內(nèi)、下壁）與脊髓、神經(jīng)根相鄰，如椎弓根螺釘?shù)奈恢闷瓶赡芤鹕窠?jīng)、血管損傷等嚴(yán)重并發(fā)癥的發(fā)生［4］。因此，脊柱外科對(duì)實(shí)踐操作能力的要求較高，往往需要術(shù)者接受更高強(qiáng)度的技能操作培訓(xùn)。基于此，如何在脊柱外科的臨床教學(xué)中直觀、生動(dòng)、形象地展示局部解剖結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的理論知識(shí)水平；同時(shí)增加學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，提高動(dòng)手操作能力，是指導(dǎo)教師需思考的關(guān)鍵問題。

隨著人工智能賦能醫(yī)療領(lǐng)域，持續(xù)的技術(shù)革新將醫(yī)療行業(yè)推向了新的時(shí)代。其中，3D打印技術(shù)可以將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型，從而實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的個(gè)性化定制和精準(zhǔn)治療。我科在臨床中已多次利用3D 打印的人工椎體重建創(chuàng)傷或脊柱腫瘤切除術(shù)后的局部缺損，實(shí)現(xiàn)了脊柱結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定支撐和生物融合。近年來3D 打印技術(shù)被逐步應(yīng)用于教學(xué)和臨床技能操作培訓(xùn)中，顯著縮短了醫(yī)生的學(xué)習(xí)曲線［5-6］。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)將3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航引入到脊柱外科的臨床教學(xué)實(shí)踐中，建立了數(shù)字化和智能化脊柱外科教學(xué)平臺(tái)。3D 模型在理論授課中可以使學(xué)生直視各部位的細(xì)微結(jié)構(gòu)和相互位置關(guān)系［7］，促進(jìn)學(xué)生在理論學(xué)習(xí)過程中從被動(dòng)記憶型轉(zhuǎn)變?yōu)樗伎夹?，由接受性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄啃詫W(xué)習(xí)。同時(shí)，學(xué)生在3D打印的實(shí)體脊柱模型上通過計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航強(qiáng)化手術(shù)技能訓(xùn)練，提高了動(dòng)手操作能力和感興趣程度，從而改善脊柱外科的教學(xué)質(zhì)量。

3D 打印技術(shù)應(yīng)用于骨科教學(xué)中，具有多種優(yōu)勢(shì)。首先，3D打印的實(shí)物模型可以直觀地展示局部正常的解剖結(jié)構(gòu)或病變特征，視覺的直接感受減少了學(xué)生對(duì)想象力的依賴，提高了學(xué)生的興趣和積極性，從而有效解決了我們?cè)诮虒W(xué)中面臨的講不清解剖結(jié)構(gòu)的問題。其次，3D打印模型可以提高學(xué)生的閱片能力。當(dāng)學(xué)生通過3D 打印模型掌握了局部解剖知識(shí)后，通過閱片將影像學(xué)資料與3D打印立體模型結(jié)合，最終在訓(xùn)練教學(xué)中提高閱片能力。另外，3D 打印技術(shù)可以激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)造能力。學(xué)生以1∶1模型為支撐、以理論知識(shí)為依據(jù)，通過術(shù)前討論環(huán)節(jié)自主設(shè)計(jì)手術(shù)入路、選擇內(nèi)固定器械、擬定手術(shù)切除范圍，從而最大限度地發(fā)揮主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航是利用“C”型臂X線機(jī)或CT等影像學(xué)信息，通過計(jì)算機(jī)處理分析，同時(shí)結(jié)合立體空間定位技術(shù)及可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)術(shù)中三維可視定位，從而使高難度的脊柱外科手術(shù)趨于安全、精準(zhǔn)和微創(chuàng)［8-9］。我科將計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于骨科臨床教學(xué)，利用數(shù)字化掃描技術(shù)運(yùn)算重建病人的三維影像，學(xué)生即可在此影像基礎(chǔ)上進(jìn)行術(shù)前模擬與規(guī)劃，并進(jìn)一步在3D 打印模型上進(jìn)行手術(shù)實(shí)踐操作。在本教學(xué)研究中，試驗(yàn)組學(xué)生通過計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)在3D打印模型上進(jìn)行操作訓(xùn)練，在操作技能考核中（置釘準(zhǔn)確性和置釘時(shí)間）明顯優(yōu)于對(duì)照組，有效解決了骨科學(xué)生缺乏實(shí)踐操作機(jī)會(huì)的問題。此外，計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)反饋學(xué)生在操作過程中容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤，通過即時(shí)反饋機(jī)制促使其加強(qiáng)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，從而持續(xù)提高操作技能［10］。

醫(yī)學(xué)生的培養(yǎng)不僅是教授知識(shí)，還要進(jìn)一步培養(yǎng)具有自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的復(fù)合人才［11］。在新的形勢(shì)下，教師既要充分發(fā)揮理論和實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)作用，也要充分引導(dǎo)和開發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性［12-13］。本教學(xué)研究通過3D 打印技術(shù)讓學(xué)生理解清楚脊柱疾病的解剖與病理，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，并進(jìn)一步將3D打印和計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)與基于問題的學(xué)習(xí)教學(xué)法相結(jié)合，在教學(xué)中以科學(xué)問題為引導(dǎo)，融入討論環(huán)節(jié)，擬定手術(shù)方案，促使學(xué)生主動(dòng)思考并自主查閱文獻(xiàn)，從而將脊柱外科的理論知識(shí)與創(chuàng)新研究思維充分結(jié)合。試驗(yàn)組對(duì)脊柱外科操作技能、基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)的掌握程度明顯高于對(duì)照組。這樣的結(jié)果可以表明，3D打印和計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)對(duì)學(xué)生知識(shí)的掌握有更好的促進(jìn)作用，并有助于培養(yǎng)其主動(dòng)探索能力。

人工智能雖然在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域還處于探索階段，但醫(yī)療智能化已經(jīng)是大勢(shì)所趨［14-15］。在這種形勢(shì)下，脊柱外科的教學(xué)同樣需要與時(shí)俱進(jìn)，做出符合時(shí)代特色的改革。將3D 打印技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航應(yīng)用于脊柱外科教學(xué)中，必將給學(xué)生帶來耳目一新的直觀視覺感受，促使其更準(zhǔn)確地理解和掌握脊柱外科理論知識(shí)，同時(shí)有效解決醫(yī)學(xué)生動(dòng)手操作難的問題，可明顯提升脊柱外科的教學(xué)效果。