Mimics仿真软件结合3D打印技术在骨科实习教学中的应用

Application of Mimics simulation software combined with three-dimensional printing technology in Orthopaedics internship teaching

摘要

目的 探讨Mimics医学仿真软件结合3D打印技术在骨科本科生临床实习中的应用效果。 方法 选取2017级、2018级临床医学专业共105名实习生作为研究对象。2018级临床医学本科生41人作为试验组，2017级临床医学本科生64人为对照组。试验组接受Mimics仿真软件培训及3D打印教学，对照组接受传统床边临床带教。对两组学生进行问卷调查，了解学习效果以及骨科实习满意度评估。 结果 问卷调查结果显示，试验组学生学习效果更好，在PACS系统的应用（3.68±0.52 vs.2.53±0.87）、Mimics软件建模能力（3.54±0.60 vs.1.97±0.89）以及应用3D打印技术能力（3.54±0.55 vs.1.88±0.88）均高于对照组；且相较于对照组对骨科实习整体满意度更高（3.98±0.16 vs.3.09±0.29）（P<0.001）。 结论 骨科本科生临床实习中应用Mimics仿真软件结合3D打印教学，可提高本科生仿真软件应用能力，提高骨科临床实习教学质量及满意度。

Abstract

Objective To explore the effect of Mimics simulation combined with three-dimensional printing technology in teaching undergraduate students in Orthopedics internship. Methods 105 interns from the major of clinical medicine enrolled in 2017 and 2018 were selected as the research objects, with 41 clinical medical undergraduates from the class of 2018 in the experimental group and 64 clinical medical undergraduates from the class of 2017 in the control group. The experimental group received Mimics simulation training and three-dimensional printing teaching, while the control group received traditional bedside teaching. The teaching effect and satisfaction survey were evaluated by questionnaire. Results The questionnaire survey showed that the students in the experimental group had better learning effect, including the application of PACS system (3.68±0.52 vs. 2.53±0.87), Mimics software modeling ability (3.54±0.60 vs.1.97±0.89), and three-dimensional printing ability (3.54±0.55 vs.1.88±0.88) than the control group. And there is higher comprehensive satisfaction in the experimental group compared with the control group (3.98±0.16 vs.3.09±0.29), with significant differences (P＜0.001). Conclusion The application of Mimics simulation combined with three-dimensional printing in undergraduate Orthopaedics internship teaching can improve the ability of using simulation software, teaching quality, and satisfaction in Orthopedics internship.

关键词

Mimics仿真 / 3D打印 / 骨科教学 / 临床实习

Key words

Mimics simulation / three-dimensional printing / Orthopaedics teaching / clinical internship

骨外科亚专业众多，包括脊柱、关节、创伤、运动医学等。本科生在骨科实习时间往往只有2~3周，所接触的病种常常与带教教师所在的治疗组相关。本科生在临床学习过程中，面临典型病例散发出现、患者不愿配合等困难，而骨科无菌操作要求高，本科生主要参与病历书写等文书工作，很少有练习操作机会，造成其学习积极性和主动性低，难以取得预期的教学效果^[1]。鉴于此，苏州大学附属第一医院骨科采用Mimics仿真软件教学，实现了Mimics软件对相应疾病进行三维建模、手术规划；与3D打印技术相结合，利用3D模型模拟手术操作的仿真虚拟教学，模拟出骨科的真实临床情景，围绕不同亚专科病例和实际问题，对本科生进行系统教学，提高其理论与操作水平，探讨该技术在本科生骨科实习教学中的效果。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取苏州大学2017级、2018级临床医学专业共105名本科实习生作为研究对象。其中，2018级临床医学本科生41人作为试验组，2017级临床医学本科生64人为对照组。

1.2 教学方法

在带教教师、教学课时相同的前提下，对照组采用传统床边病例带教教学；试验组采用Mimics仿真软件进行三维建模培训，选择典型病例进行3D模型制备并模拟手术操作。试验组教学分为两次课（每次45 min）进行。第一节课的教学内容为Mimics仿真软件教学与三维建模培训，学生课后选择自己感兴趣的病例进行疾病建模。第二节课的教学内容为学生病例汇报，就该病例的三维建模优势与疾病治疗进展进行汇报，课后选择典型病例进行3D模型制备。

1.3 试验组教学准备

1.3.1 Mimics仿真软件教学

Mimics是由Materialise公司开发的医学图像处理软件，该软件可以实现对CT片、MRI图像的三维处理，实现可视化操作，可用于医学诊断和手术模拟等方面。在教学过程中，带教教师还可以根据患者创伤的诱因，结合影像数据的重建图片，模拟患者受伤的整个动态过程，更形象、生动地为学生呈现从受伤过程到解剖学变化以及影像学改变的经过。

1.3.2 3D模型建模

应用Mimics软件后，学生可以实现与影像科PACS系统的数据交换，通过Mimics软件直接读取CT数据，根据灰度值进行骨骼结构的三维可视化重建。这样可以获得针对不同病例的具有立体结构的三维模型，对于阐述部分典型和复杂骨折或骨肿瘤的病例有很好的指导作用。

1.3.3 典型病例3D模型制备

选取典型病例进行3D打印制作疾病实体模型，基于材料累加与叠层制造方法，利用学生三维建模生成的STL模型导出3D打印机打印所需要的切片数据。通过3D打印，制造出1:1等大的、高度仿真的疾病三维模型。三维可视化模型使传统平面抽象的教学方法变得更具灵活性、沉浸性，能够更好地激发学生学习兴趣，营造良好学习环境，发挥学生创造性思维，提高学生的综合素质和能力。

1.4 教学实施

1.4.1 试验组教学实施

试验组教学除了进行常规的床边带教与教学查房外，所在课题组对实习生进行Mimics仿真软件与3D打印教学。实习第一周，带教教师以工作坊的形式对本科生Mimics软件操作进行实践教学与操作演示。在培训中，学生需熟练掌握影像科PACS系统中资料检索、薄层CT原始数据导出的方法。带教教师应用Mimics仿真软件将CT数据进行阈值分割，对感兴趣区域进行3D建模并最终生成3D打印机所需要的STL格式数据。

实习最后一周，学生针对自己选取的病例进行病例汇报，汇报内容包括病例摘要、典型影像学图片、三维建模结果、3D打印在该疾病诊疗中的优势。带教教师针对学生的汇报内容进行补充和点评，评价其三维建模模型制备表现，课后对于典型病例进行3D打印，生成实物模型进行教学演示。

1.4.2 对照组教学实施

教学内容和试验组基本一致，包括治疗组常见骨科疾病的诊断与治疗，主要采用床边带教与教学查房相结合的方法。

1.5 教学成果评估

骨科实习结束后，针对两组学生进行问卷调查与骨科实习满意度评估，评价两种教学方法的教学效果。问卷调查包括Mimics仿真软件三维建模掌握度、3D技术在骨科应用的了解情况、应用影像科PACS系统进行病例资料检索能力。骨科实习满意度评估则包括学生对骨科基本知识、基本技能掌握情况，骨盆、脊柱等复杂结构解剖知识了解情况以及整体满意度评估。两组学生进行无记名评分，每个项目满分为4分。

1.6 统计分析方法

采用SPSS 26.0软件对数据进行统计分析。计量资料以（\overline{x}±s）表示，组间比较采用独立样本t检验；计数资料以n（%）表示，组间比较采用χ²检验。以P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 研究对象基本情况

试验组与对照组在性别构成、平均年龄、教育年限方面，差异均无统计学意义（P＞0.05）。具体情况如表1所示。

2.2 两组学生问卷调查结果比较

试验组学生在Mimics仿真软件三维建模技能、3D打印技术在骨科应用熟悉程度以及应用影像科PACS进行病例资料汇总整理能力均高于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.001）。如表2所示。

2.3 骨科实习满意度调查

试验组学生对骨科基本理论、基本技能掌握更好，对骨盆、脊柱等复杂结构的解剖知识更加了解，整体满意度更高，差异有统计学意义（P＜0.001）。如表3所示。

3 讨论

3.1 Mimics仿真软件结合3D打印教学能够调动实习生学习主动性，提高教学质量

以床边授课为基础的传统临床实习教学中，一大群实习生围绕着一个带教教师，带教教师针对查房病例进行讲解，该教学过程中学生只能被动吸收教师传达的信息，缺少实践操作机会，往往查房结束后也难以掌握课上传授的相关知识，难以适应骨科临床实习教学要求。因此，近年来许多教学医院尝试使用新的教学方法，增加实习教学吸引力，提高实习生学习积极性和主动性，增加其实践操作的机会，促进其理论知识和实践技能的提升^[2-3]。

在课题的教学实践中，笔者将Mimics仿真软件及3D打印技术引入骨科实习教学，通过对试验组的教学实践发现，实习生在掌握了PACS系统检索与数据导出技能后，对于感兴趣的病例或者理解上存在疑问的病例会主动应用Mimics仿真软件进行疾病的三维建模，主动查找资料进行学习。问卷调查结果显示，试验组更熟练掌握Mimics仿真软件三维建模，对3D打印技术在骨科的应用更加熟悉，应用医院PACS影像系统进行病例资料汇总整理能力更高。与对照组相较，差异具有统计学意义（P＜0.05）。

骨科临床教学中，影像学资料的阅片能力属于临床教学中的重要环节。常规的X线、CT只能提供平面的影像数据，对于复杂的解剖结构和损伤，学生往往难以理解^[4]。利用Mimics仿真重建技术，学生可以自行制作三维模型，并通过3D 打印技术对包括骨骼骨折形式、骨折后移位的三维空间结构进行全面展示，提升其对疾病认识的直观性，并可针对模型进行模拟操作，提高实践技能^[5-7]。医学生在模型上反复演练、熟能生巧，在实际操作时就能够胸有成竹，对提高手术技能、保障患者安全、降低并发症风险具有重要价值。在3D模型上进行手术操作，更加直观地体验、掌握手术步骤，锻炼其临床实践技能，有利于学生反复练习而不用担心医疗风险的发生，并及时纠正错误，这对提高实习生的临床操作能力具有重要的教学价值^[8]。

3.2 Mimics仿真软件结合3D打印教学有利于实践操作训练，培养综合能力

骨科是外科教学中的重要部分，具有亚专科众多、专业性强、病种广等特性。既往的骨科实习教学存在典型病例分布不均、患者不愿配合等困难。这种带教模式下，学生只能被动接受抽象的知识灌输，欠缺自主思考与实践操作机会，导致其学习效率低，无法全面掌握骨科常见疾病的诊疗过程。因此，实习生操作机会少、学习积极性和主动性低，未能取得预期的教学效果^[9]。

在课题研究中，笔者利用影像科PACS系统提取患者的薄层CT原始数据，然后采用Mimics软件重建生成高度仿真的三维模型。学生可反复对模型进行分解、旋转，以了解其三维解剖结构。通过3D打印技术打印实物模型，学生利用实物模型模拟术中操作步骤，掌握基本骨折复位技巧。3D打印的实物模型体现了疾病诊疗中的复杂性、互动性及真实性。问卷调查结果显示，试验组学生对骨科基本理论、基本技能掌握得更好，对骨盆、脊柱等复杂结构的解剖知识更加了解。

在临床教学中，传统外科床边教学模式单纯地通过书本知识传授和床边示教观摩是难以达到教学效果的。研究者在课题实施过程中运用Mimics仿真软件，应用真实数据模拟骨科患者的真实疾病模型，在骨科实习教学中取得令人满意的成效。教学满意度调查结果显示，试验组对教学模式的整体满意度更高。通过3D打印技术高度模拟疾病模型，尽可能贴近临床的真实场景，既维护了患者的利益，符合医学伦理要求，又有效缓解了教学资源的不足，在虚拟空间中拓宽了医学生的技能培训空间，有利于其疾病诊疗思维及操作技能的培养和提高，以及临床思维的发展，从而增强学生解决问题的分析能力^[10-11]。

3.3 课题实施过程中存在的问题

课题实施基于临床真实患者数据，教师引导学生进行三维建模等操作，使学生能够提升主观能动性，培养其实践操作能力。骨科属于综合性较强的学科，骨组织的结构相对复杂，涉及的解剖部位较多，要求学生具备较强的空间想象与阅片能力。联合3D打印技术，能够将骨折移位状态、脊柱退变情况等更加直观地呈现，帮助学生深入掌握相关解剖知识，练习临床操作技能^[12]。但在学习过程中，学生往往只关注三维建模的贴合度与实物模型的操作，缺少对病例的信息分析与诊断思考，而且缺乏疾病诊治中医学人文、医学伦理、医患沟通技巧的训练与学习，忽视了医患关系的处理。尤其在当今患者对医疗服务要求越来越高的情况下，医学人文相关的软技能也是医学生培养极为重要的一个组成部分，在后续的课题开展中研究者将加入情境模拟的案例教学方法对实习生进行相关技能培训与提高^[13]。

3.4 Mimics仿真软件结合3D打印教学在未来医学教育中的应用前景

在医学生成长为临床医师的漫长过程中，如何既获得充分的专业培训又不影响患者健康，是当前医学教育必须解决的问题。教育部在《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》中提出，教育改革要“充分利用优质资源和先进技术，创新运行机制和管理模式，实现技术对教育的革命性影响”，这说明国家的决策层高度重视新技术在教育中应用。该研究将Mimics仿真软件与3D打印技术结合应用于骨科实习生教学，体现了数字化与新技术走入医学教育，提高医学生学习和掌握技能的效率，从而提高教学质量，是目前医疗环境下更好地发展医学教育、培养新一代优秀临床医生的恰当选择。3D打印技术的发展和应用对于培养理论扎实、技术过硬、适应社会发展的高素质复合型临床医学人才，具有积极的实用价值和现实意义^[14-15]。

参考文献

[1] 葛畅, 蔡海平, 方璜, 等. Mimics软件结合OSCE在临床骨科教学中的应用与探索[J]. 中国继续医学教育, 2022, 14(14): 90-93.

[2] 何骁, 田云, 邹康, 等. 3D打印联合PBL在骨科教学中的应用[J]. 医学理论与实践, 2022, 35 (16): 2861-2863.

[3] 王善金, 张树宝, 陈灏, 等. Mimics数字化软件结合DTR教学法在脊柱外科本科教学中的应用与探讨[J]. 中国医学教育技术, 2021, 35(2): 237-240.

[4] 李浩, 汪松. 基于Mimics的虚拟仿真技术结合PBL教学法在创伤骨科住培中的应用[J].中国继续医学教育, 2023, 15(1): 82-86.

[5] 张旭, 张婷. 基于3D打印的临床类课程教具制作的实践[J]. 中国医学教育技术, 2020, 34(2): 191-194.

[6] 王建卫, 李冰浩. 3D打印技术在创伤骨科临床病例教学中的应用[J]. 中国继续医学教育, 2023, 15(1): 139-143.

[7] 朱梁, 陈紫璇, 刘扶摇, 等.Mimics在关节外科临床教学工作中的应用初探[J]. 中国继续医学教育, 2020, 12(16): 75-77.

[8] 杨华清, 李强, 刘晓磊, 等. 3D打印技术在矫形骨科临床教学中的应用效果评价[J]. 中国临床医生杂志, 2022, 50(2): 250-252.

[9] 王策. 3D打印、 PBL与EBL教学在骨科教学中的应用[J]. 中国继续医学教育, 2021, 13(32): 27-30.

[10] 张培, 刘泉, 吴敏, 等. 3D打印技术联合PBL教学模式在骨科住院医师规范化培训中应用[J]. 医学理论与实践, 2020, 33(24): 4225-4227.

[11] 赵良军, 劳山, 赵劲民, 等. 3D打印模型结合人体解剖软件在骨科临床教学中的应用效果[J]. 微创医学, 2021, 16(1): 120-122.

[12] 董谢平, 裴国献. 3D打印技术在骨科临床的应用与展望[J]. 陆军军医大学学报, 2022, 44 (15): 1501-1507.

[13] 夏铁男, 商冠宁. 3D打印技术在骨科应用现状的研究进展[J]. 中华实用诊断与治疗杂志, 2020, 34(7): 742-744.

[14] 刘永. Mimics软件三维重建在临床骨科疾病中的应用[J]. 中医临床研究, 2020, 12(9): 121-124.

[15] 张笑, 李志军, 李贵花, 等. 基于Mimics软件的脊柱骨三维重建及应用[J].世界最新医学信息文摘, 2018, 18(24): 252-253.

基金资助

苏州大学2021年校级高等教育教改研究课题(5731505622)