3D打印膝关节模型在关节外科实习教学中的应用

3D打印膝关节模型在关节外科实习教学中的应用

谭勇海 鞠昌军 严伟 李磊 宋修刚 姜红江通信作者

山东省文登整骨医院，山东 威海 264400

【摘要】目的 探讨3D打印膝关节模型在关节外科实习教学中的效果。方法 选取在医院临床科室进行实习的安徽中医药大学骨伤班本科生，共46名同学，随机将他们分成试验组和对照组，试验组24人，对照组22人。试验组采用3D打印膝关节模型结合PPT教学法，对照组采用PPT教学法。课程结束前对所有参与研究的实习同学进行理论和操作测试，测试内容为对膝关节解剖结构的识别和定位，测试总成绩为100分，理论和操作测试各50分。课时结束后对参与该研究的46名实习同学进行学习内容的兴趣以及对教学方法的满意度的问卷调查，两项调查内容评分满分均为10分。结果 两组同学均独立完成课后考核，其中试验组学生的理论成绩及操作成绩均显著高于传统教学组（P ＜0.01）；试验组同学对学习内容的兴趣明显高于对照组，二者的差异具有统计学意义（P ＜0.05）；试验组同学对教学方法的满意度明显高于对照组，二者的差异具有统计学意义（P ＜0.05）。结论 将3D打印膝关节模型应用到膝关节临床教学中提高了实习同学学习内容的兴趣和教学方法的满意度。

【关键词】3D打印技术；教学；临床医学；膝关节；临床实习

Application of 3D printed knee joint model in joint surgery practice teaching

Tan Yonghai,Ju Changjun,Yan Wei,Li Lei,Song Xiugang,Jiang Hongjiang

【Abstract】Objective To explore the effect of 3D printed knee joint model in joint surgery practice teaching.Methods A total of 46 undergraduates from the Anhui University of Traditional Chinese Medicine class were selected and randomly pided into the experimental group and the Control Group,24 in the experimental group and 22 in the control group.The experimental group used 3d printed knee joint model combined with PPT teaching method,and the control group used PPT teaching method.At the end of the course,all participants were given theoretical and operational tests to identify and locate the anatomical structure of the knee joint,with a total score of 100 points and 50 points each for theoretical and operational tests.At the end of the class, 46 students participated in the study were given a questionnaire about their interest in learning content and their satisfaction with teaching methods.Results The students in the experimental

group were significantly higher than those in the traditional teaching group (P < 0.01),and the students in the experimental group were significantly more interested in learning content than those in the control group,the difference between the two groups was statistically significant (P < 0.05) ,and the students in the experimental group were significantly more satisfied with the teaching method than those in the control group (P < 0.05) .Conclusion The application of 3D printed knee joint model to the clinical teaching of knee joint can improve the interest of students and the satisfaction of teaching methods.

[keywords ]3d printing technology;teaching;Clinical Medicine;knee joint;clinical practice

在骨科临床工作中，CT、MRI检查是一项以图像方式显示膝关节解剖结构的重要方法。但CT、MRI检查是切面二维图像，如何将切面二维图像转换为解剖结构的空间三维图形，从而让医学生掌握正常与疾病状况下的复杂的膝关节解剖是骨科临床教学中的的重点与难点所在^[1-3]。

3D打印技术是新兴的科技产物，已经逐渐渗透到医学临床应用与教学应用领域。3D打印技术可以将虚拟的医学影像数据转化为三维实体，进而打造解剖结构精准的物理模型，从而打造出疾病状况下个体化模型。本文旨在探讨探讨3D打印膝关节模型在关节外科实习教学中的效果。

1 一般资料与方法

1.1 一般资料

选取2018年9月～2019年6月在医院临床科室进行实习的安徽中医药大学骨伤班本科生，共46名同学，随机将他们分成试验组和对照组，试验组24人，对照组22人。所有同学此前在学校均接受有同等的理论与基础影像学及解剖学课程，试验组学生男14人，女10人，年龄21～23岁，平均年龄（22.08±0.36）岁，上学期平均成绩（83.45±5.87）分；对照组学生男11人，女11人，学生年龄21～23岁，平均年龄（22.15±0.41）岁，上学期平均成绩（83.67±5.64）分。两组同学在性别、年龄以及上学期平均成绩方面比较，差异无统计学意义（P ＜0.05），具有可比性。

1.2 研究方法

试验组采用3D打印膝关节模型结合PPT教学法，对照组采用PPT教学法。两组同学均为同一教师团队进行授课，PPT授课内容及授课时间相同。

1.3 教学内容

1.3.1 试验组 3D打印教学模具：（1）将3D打印膝关节CT数据（层后＜1.0mm、DICOM格式）导入三维重建软件（Mimics16.0比利时Materialise公司）；（2）阈值分割、区域增长分割出膝关节，从轴面、冠状面、矢状面三维结构观察膝关节情况，建立膝关节三维数字化模型；（3）在软件（Geomagic2013 3D Systems公司）里简化、抽壳和修复膝关节；（4）通过软件（magic15.3比利时Materialise公司）对膝关节模型进行标记、分离、包裹、加结构支撑、切片；（5）切片文件（CLI.）导入3D打印设备（SLA光固化MP4500，材料：光敏树脂）进行打印；（6）打印成型后，进行模型后处理：去支撑、医用酒精清洗、高压清洗、固化。采用3D打印膝关节模型结合PPT教学法。

1.3.2 对照组 采用传统教学模式，以带课教师以PPT教学为主。

1.4 教学效果评价

课程结束前对所有参与研究的实习同学进行理论和操作测试，测试内容为对膝关节解剖结构的识别和定位，测试总成绩为100分，理论和操作测试各50分。

两课时结束后对参与该研究的46名实习同学进行学习内容的兴趣以及对教学方法的满意度的问卷调查，两项调查内容评分满分均为10分。

1.5 统计学方法

采用SPSS23.0软件进行统计学分析，计数资料与计量资料分别用（n，%）与（ ）表示，分别采用χ²检验和t 检验。P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组同学考核成绩比较 两组同学均独立完成课后考核，其中试验组学生的理论成绩及操作成绩均显著高于传统教学组（P ＜0.01），见表1。

表1 试验组与对照组考试成绩比较

2.2 对学习内容兴趣和教学满意度比较 试验组学生对学习内容兴趣显著高于传统教学组（P ＜0.01），对学习教学满意度显著高于传统教学组（P＜0.01）,见表2。

表2 试验组与对照组对学习内容兴趣和教学满意度比较

3 讨论

在临床骨科实习教学中，解剖学是最基础学科，它与膝关节疾病的病因、分型以及临床医治等方面都有紧密关系，因而要求临床实习同学具备牢固的解剖学知识。对于刚结束学校学习进入临床实习的同学来说，由于医学解剖学的知识还比较抽象，因此在临床实践中困难较大。

目前的临床教学带教老师大多还是采用传统的PPT教学方式，这中教学方法也称为“填鸭式”教学方法^[4]。随着现代医学与教育学的快速发展，社会对于临床实习同学的要求也越来越高^[5]。近年来，3D打印技术逐渐在临床上得到广泛使用。3D 打印技术是一种在数字模型文件的基础上，利用塑料或粉末中的粘合材料，通过逐层打印的方式来构建物体的技术^[6]。3D打印技术可以将虚拟的膝关节CT等影像学资料打印成为实体膝关节模型，从而使膝关节解剖结构和病变部位使医生更直观可见，目前已广泛运用于骨科临床教学^[7-9]。

在本次进行的教学试验中，根据研究得到的数据可以认为：3D打印膝关节模型在关节外科实习教学中具有可行性和优越性。传统的关节外科临床教学一般会伴随长时间的非接触而产生疲倦感，若在教学时采用3D打印膝关节模型的教学模式，则会对实习同学的学习兴趣及自信心起到极大的提高作用^[10]。虽然3D打印膝关节模型教学模式存在一些不足之处，例如，3D打印膝关节模型没有将肌肉、血管及神经的走向全部真实地再现^[11]。

近几年的临床教学证明，将3D打印技术运用到关节科的临床教学中，可以使学生更加深刻地了解膝关节的解剖结构，三维立体结构更加直观，更便于理解，且具有可重复性，使没有经验的临床实习同学也可以快速掌握膝关节疾病的形成机制及治疗措施。因此，实践证明3D打印膝关节模型在膝关节外科教学中值得运用，并具有十分广阔的前景。

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