数字化骨科技术在骨科临床教学中的应用

更新时间:2021年11月25日阅读量:278下载量:146下载手机版

作者: 徐小东 高福强 陈瀛 林朋 孙伟

作者单位: 北京中日友好医院骨科(北京 100029)

关键词: 数字化骨科技术 骨科 临床 教学

DOI:10.12173/j.issn.1004-5511.202010032

基金项目: 国家自然科学基金项目(81802224、81672236、81871830);首都卫生科研发展专项(CFH2018-4-40611);北京大学医学部教学研究课题(2021YB18);北京中医药大学教育科学研究课题一般课题(XJYB1961)

引用格式:徐小东, [gaofuqiang@bjmu.edu.cn]高福强, [zrchenying@126.com]陈瀛, 林朋, [sun887@163.com]孙伟. 数字化骨科技术在骨科临床教学中的应用[J]. 医学新知. DOI: 10.12173/j.issn.1004-5511.202010032.

摘要|Abstract

骨科临床教学是骨科学生培养的关键过程。传统的教学方法和媒介存在诸多不足,而迅速发展的数字化骨科技术结合了计算机、图像处理、3D打印等多种新型医学处理技术,具有形象化、可视化、可重复性和可操作性等优点,在骨科临床教学中展现出广阔的应用前景。

全文|Full-text

骨科疾病机制复杂、解剖部位繁多难懂,学生较难掌握。传统的教学模式存在知识点过于抽象、理解和吸收难度大等缺陷,导致部分学生对骨科学习产生畏惧心理,严重影响学习兴趣和学习成绩。随着计算机断层扫描、数字化辅助设计及制作技术的出现,数字化骨科技术迅速发展。该技术利用计算机、图像处理、3D打印等多种新型医学处理技术,具有形象化、可视化、可重复性和可操作性等优点,更好满足了骨科临床、教学、科研的需求[1-3]。本文旨在对数字化骨科技术在骨科临床教学中的应用进行介绍。

1 在骨科临床教学中的应用

数字化骨科技术利用数字化软件、三维立体动画制作软件、三维立体可视化系统、虚拟人体重建解剖软件系统、3D打印技术、模拟手术操作及交互临床教学等先进技术对人体骨骼进行形象化解剖与处理,获得相应数据信息,并通过建立模型,对人体骨、肌肉、神经、血管等结构进行呈现[4-6]。数字化技术的快速发展,有利于骨科疾病的诊断,明确了骨科手术的具体范围,使治疗更加精准,在创伤骨科、关节外科、脊柱外科等的教学中具有广阔的应用前景,极大推动了学科创新与可持续发展。

1.1 创伤骨科

在临床教学中,通过三维动画制作、3D打印、模拟手术操作等数字化骨科技术将骨折的受伤机制、解剖结构、生物力学特性、骨折形态与分型、骨折复位与固定等进行系统化、形象化的呈现,对人体骨折特征与形态进行整体而直观的呈现,并通过模拟手术,为实际手术操作提供更多的经验[7]。

对于分型复杂的骨折,单纯通过传统的课本、挂图等教学工具,学生不易理解,学习兴趣不足致知识掌握情况不理想。使用CT三维重建软件重建复杂骨折影像,并打印3D疾病模型用于临床教学,有助于学生理解并掌握复杂部位的解剖特点和受伤机制,深入了解多发创伤、多部位骨折的生物力学特点以及症状体征、诊断、手术方案与并发症等情况。与传统教学相比,此方式可有效提高手术操作能力以及学生的学习兴趣、考核成绩和对教学的满意度[3, 8]。何凯等对120名骨科临床学生的研究发现,使用三维动画软件模拟桡骨远端骨折、骨盆骨折、脊柱骨折、髋臼骨折、跟骨骨折等受伤机制,并制作三维可视化模型用于教学,可显著提高学生的理论成绩和满意度,并能减少教师的备课难度,提高教学效率[9]。李萌等对八年制骨科医学生的研究发现,利用数字化骨科技术构建胫骨平台骨折模型,使用3D打印技术打印模具辅助实际案例教学和模拟手术操作,能有效提高学生的学习兴趣、动手操作能力、考核成绩和对教学的总体满意度,显著提升骨科教学质量[10]。

1.2 关节外科

当前关节置换已成为重度骨关节炎患者的重要治疗手段。随着数字化技术的快速发展,3D打印模型被应用于骨科临床教学中,其立体形象可直观地展示关节的解剖结构,有助于术前计划的制定及手术操作预演。使用先进的仿真技术在模型上探索假体与截骨的参数,并制定相应的截骨模板,能使学生充分理解假体安放原理、步骤及方法,显著提高学生学习效果[4, 7]。

多项研究发现3D打印技术在全膝关节置换术的教学中具有明显优势。一是提前呈现更加立体直观真实的解剖结构,并预制截骨导板以指导术中截骨,有利于术前的诊断、计划及手术预演;二是模拟打印3D截骨导板,可提高手术预知性,保证手术操作的精准性和手术效率,锻炼学生的手术操作技术;三是3D打印技术能帮助学生充分掌握复杂骨科病例,有助于远程交流和教学[4, 11]。彭鳒侨等研究发现,利用计算机技术设计关节置换模型、搭建以练代教的仿真平台与虚拟医药教育模式可改变外科教学缺乏实践操作的困难局面,重建的髋关节三维模型,高度仿真实体手术,可提供亲临其境的实操体验,既为医药课程提供教学案例,又为实体外科手术提供规划依据,优势明显[5]。黎牧帆等研究发现相较于传统观摩手术教学,数字化教学模式在显著提高规范化培训医师关节置换手术操作能力的同时,又能培养学员的手术思维、提高学习效率,使手术技能的学习时间明显缩短[6]。

1.3 脊柱外科

随着数字化技术的飞速发展,使得脊柱、脊髓、椎间盘、脊神经等结构三维图像定位、重建与显示成为可能,有限元模型、计算机导航技术、微创技术以及医学影像等新技术在脊柱外科中得到广泛应用。

椎间盘突出症所致颈肩痛、腰腿痛在临床常见,传统方法手术创伤大,脊柱内窥镜手术已成为主要的治疗技术。基于数字数据应用软件系统可初步完成数字化腰椎模型,进行脊柱标本数字化医学图像三维重建,虚拟现实脊柱仿真内窥镜,通过完成脊柱手术方案制定、手术入路、手术演练、手术方案和疗效评估等,模拟脊柱退行性疾病诊断与治疗,为临床教学提供基础[12-13]。脊柱经椎弓根内固定技术是当前最为成熟的脊柱疾病治疗方案,保证螺钉植入的可靠性与安全性是椎弓根内固定技术的关键。使用数字骨科技术,将三维技术与影像技术进行有效融合,利用多媒体联合3D打印技术带教,设计出新型导航模板,通过在等比例模型上实际操作,反复演练,有利于骨科学生尽快掌握椎弓根内固定术的技术要领[7, 14-15]。

李曙明等在骨科研究生的临床教学中发现,将畸形脊柱打印出3D模型,允许学生任意地旋转观察模型,并根据畸形的部位和类型,结合患者的症状体征和辅助检查资料,对畸形进行分型,可使学生短时间内了解并掌握复杂脊柱畸形的特点[16]。多项研究发现,骨科教学使用3D打印模型进行讲解并在等比例模型上进行操作练习,有利于骨科学生在短时间内掌握椎弓根内螺钉的置入方法[14-15]。另有研究发现3D打印技术在骨肿瘤教学中提供的立体视觉效果,给学生带来了更加直观、生动和深入的教学体验,在调动学生学习积极性的同时,充分展现了骨肿瘤精细化治疗的技术优势,是传统教学难以模仿和实现的[15, 17-18]。

2 在骨科临床教学中的优势

2.1 具有直观性

数字化骨科技术特别是3D打印技术,将具体疾病转化为高度仿真的骨科模型,学生学习时可模拟骨科疾病的病变机制、解剖结构、生物力学特性、骨骼形态、疾病分型、疾病治疗等,改变了骨科疾病学习过程抽象复杂难懂的困难局面[8, 16, 19-20]。

2.2 将理论与实践相结合

骨科是一门理论紧密联系实践的学科。学生在进入临床之初,需首先进行骨科知识的基础理论学习,再结合具体病例进一步掌握疾病的特点。数字化骨科技术将理论知识和3D打印模型有机结合并根据情况制定治疗方法,进行模拟手术演练,可以更加深入地梳理手术操作步骤及注意事项,如手术体位、消毒范围、透视角度、骨折复位技巧、周围神经血管关系、钢板类型以及螺钉类型、方向、长度等,最后在具体手术中加深印象,不断增强骨科学生对疾病的掌握能力和手术操作能力[8]。

2.3 调动主观能动性 

数字化骨科技术应用3D打印技术构建骨骼模型辅助骨科临床教学,能激发医学生的主观学习热情,明显提高学习效果[14, 20-21]。立体形象的3D模型,直观生动的临床资料,仿真实操的学习过程等可极大地激发学生的学习兴趣,更加主动参加知识学习和临床实践,并根据具体形象的疾病模型加深对疾病发病机制、临床表现、疾病分型及治疗措施的理解,提高对疾病理解的深度和学习的参与度,实现了从被动学习到主动学习的转变[8, 10]。

2.4 提高教学满意度

数字化骨科技术的迅速发展有效解决了难以实施操作训练的难题,一定程度上减少了对患者反复检查造成的损伤,保护了患者权益,同时锻炼了学生的临床操作能力,并避免了学生临床操作术中感染的风险。数字化骨科技术使学习过程直观明确、有趣生动、简单易学,有利于理论实践紧密结合,提高学生学习热情以及对教学的满意度和认可度[8, 22]。

3 结语

数字化骨科技术在骨科临床教学中优势明显,是一种值得推广的教学方式。通过先进的数字化骨科教学手段、利用完善的教学设备,有利于理论联系实践,充分调动学生主动学习的热情,培养学生的操作技能,推动骨科临床教学的快速发展[23]。

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