3D打印技术在脊柱胸腰椎内固定培训中的应用效果研究

Effect of 3D printing technology in thoracolumbar spinal fixation training

摘要

目的 探讨基于3D打印模型的脊柱胸腰椎内固定培训教学，辅助青年医师掌握椎弓根螺钉置入技术，提高教学效果。 方法 选取首都医科大学宣武医院神经外科脊柱组的资料库，获取脊柱计算机断层扫描（computed tomography，CT）薄扫影像资料，打印出1∶1的3D脊柱模型。选取2021年9月—2023年9月在首都医科大学宣武医院神经外科脊柱组进修的24名青年医师作为研究对象，采用随机数字表法分为对照组和试验组，每组12名。对照组带教教师采用大体标本进行模拟置钉教学，试验组带教老师采用3D打印模型进行模拟置钉教学，课后即刻进行置钉考核、手术操作评分及调查问卷评价，评价教学效果。 结果 课后置钉考核中，试验组得分［（75.5±6.5）分］高于对照组［（66.1±3.1）分］，差异有统计学意义（P＜0.05）。在手术操作评分中，试验组得分［（87.3±6.5）分］也高于对照组［（82.1±6.3）分］，差异有统计学意义（P＜0.05）。试验组对课程评价及教育评价更为满意（P＜0.05）。 结论 3D打印模型在脊柱胸腰椎内固定培训教学中的应用效果显著，可显著提升青年医师的专注度和兴趣，帮助青年医师提升临床基本理论、基本知识，有效地提高青年医师的手术技能，缩短脊柱外科医师的学习曲线。

Abstract

Objective To investigate the effect of 3D printing technology in thoracolumbar spinal fixation training, and to assist young physicians to master the technique of pedicle screw placement and to enhance the effectiveness of teaching. Methods Data from the Department of Neurosurgery, Xuanwu Hospital, Capital Medical University including computed tomography (CT) scan images, were collected to create 1∶1 scale 3D spinal models. A total of 24 young physicians undergoing advanced training in the Department of Neurosurgery, Xuanwu Hospital, Capital Medical University from September 2021 to September 2023 were randomly divided into a control group and an experimental group. In the control group, teaching faculty used cadaveric specimens for simulated screw placement instruction, while in the experimental group, teaching faculty utilized 3D printed models for simulated screw placement instruction. Post-training screw placement assessments, surgical performance evaluations, and survey questionnaires were conducted to assess the teaching effectiveness. Results In the post-training screw placement assessment, the experimental group achieved significantly higher scores than the control group [(75.5±6.5) points vs. (66.1±3.1) points, P＜0.05]. In the surgical performance evaluations, the experimental group also scored significantly higher in all aspects compared to the control group [(87.3±6.5) points vs. (82.1±6.3) points, P＜0.05]. The experimental group expressed greater satisfaction with the course and educational quality (P＜0.05). Conclusion The application of 3D-printed models in thoracolumbar spinal fixation training demonstrates significant effectiveness. It enhances the focus and interest of young physicians, aids in improving their clinical fundamental theory and knowledge, effectively elevates their surgical skills, and shortens the learning curve for spinal surgeons.

关键词

脊柱神经外科教学 / 3D打印模型 / 教学体系改革 / 脊柱胸腰椎内固定

Key words

spinal neurosurgery education / 3D printed models / educational system reform / thoracolumbar spinal fixation

随着我国老龄化加剧，腰椎疾病发病率逐年上升，主要影响中老年人，尤其是长期从事体力劳动或姿势不良者。现代生活方式如久坐、缺乏运动也加剧了腰椎病的发病情况。预防和治疗腰椎病已成为公共卫生和个人健康的重要议题。对保守治疗无效者需手术干预，因此，腰椎病的教学和手术培训是临床教学的重点之一。目前，关于腰椎病治疗中脊柱手术的椎弓根螺钉置入技术的教学，主要还是通过传统的书本理论学习和长时间观摩，术中上级医师手把手指导的传统教学模式。这种教学模式虽然提供了基础的理论知识，但存在实操机会少、学习曲线长等问题^［1-2］。为提高手术教学效果，应引入更多实践操作的机会，如大体标本模拟手术和视频演示。与传统教学相比，应用大体标本以及Sawbones模型进行模拟训练可显著降低初学者置钉失败率^［3-4］。但传统大体标本因存在质量不均、保存期短、使用安全性差、费用高、获取难等问题，难以长期用于培训。最新版《神经外科学》^［5］已将颈椎病、腰椎管狭窄及内固定知识等列入临床研究生教材，因此对神经外科和脊柱外科临床型研究生进行的基本理论教学和临床技能培训也成为脊柱内固定培训的重要组成部分，亟须建立有效和完善的培训体系。

3D打印技术作为新型成型技术，已广泛应用于医学领域，可快速定制精准模型。借助3D打印模型，可辅助手术治疗，也可应用3D打印模型进行临床教学^［6-9］。目前，已有研究^［10］表明3D打印技术已经开始被应用于椎弓根螺钉置入手术的教学中，但关于其训练效果是否能够完全替代传统使用真实大体标本的教学方法，现有的研究资料仍显不足。本研究通过引入3D打印模型，模拟真实的手术环境，提供安全、可控且经济的手术操作练习机会，尝试提高教学质量和效率，缩短脊柱外科医师的学习曲线。本研究评估3D打印模型在脊柱手术教学中的实际效果，并与传统方法对比，探索3D打印技术在脊柱胸腰椎内固定手术培训中的应用潜力。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取2021年9月—2023年9月在首都医科大学宣武医院脊柱神经外科进修的24名青年医师为研究对象，采用随机数字表法分为对照组和试验组，每组12名。两组人员构成、年龄、临床轮转时间基本相同，一般资料差异无统计学意义，具有可比性（P＞0.05）（表1）。

1.2 教学方法

对照组采用大体标本对12名学员进行教学。首先，带教教师应用大体标本及示意图指导学员辨认椎弓根螺钉置入相关解剖结构及特点，不同节段脊椎椎弓根的长度、粗细以及角度；然后，带教老师指导辨认椎弓根螺钉置入所需器械及其使用方式；最后，边放映手术视频，边讲解椎弓根螺钉置入方法，重点内容包括置钉步骤、置钉点、置钉角度等。

试验组选取首都医科大学宣武医院神经外科脊柱组的资料库，获取脊柱CT薄扫影像资料构建3D打印脊柱模型，通过Mimics 15.0软件构建三维重建模型，并应用聚乳酸材料打印出1∶1的3D全脊柱模型，请专家评价模型质量。带教教师应用3D打印模型对12名学员进行教学及模拟置钉操作示范，其教学操作过程与对照组相似。最后，学员在带教教师指导下于脊柱畸形3D模型上练习椎弓根螺钉置入，并自行分析总结得失，根据分析结果改进操作技巧。

1.3 教学效果评价

授课结束后进行置钉考核，手术操作评分及调查问卷。置钉考核为面试，带教教师要求对照组和试验组学员分别对传统大体标本及3D打印脊柱标本进行置钉考核，通过CT评价置钉准确率，共置入10个钉子，每个正确置入的钉子为10分，总分100分。手术操作评分由带教教师针对学员在置钉过程中进行提问，问题包括：3D打印模型上椎弓根螺钉置入相关的解剖结构，不同节段脊椎椎弓根的长度、粗细以及角度，置钉步骤、置钉点、置钉角度等。共10个问题，每个问题回答正确得10分，总分100分。调查问卷用于学习效果自我评价（包括课程专注度、学习效率、技能掌握程度）及教学效果评价（包括课程评价、教育评价）。在学习效果自我评价部分，学员需回答关于课程专注度、学习效率和技能掌握程度的问题。课程专注度包括持续专注时间、注意力集中时间和分心频率；学习效率包括内容掌握程度和课程结束后的记忆内容比例；技能掌握程度则涉及技能理解程度和实际应用能力。每项问卷的总分为100分，学员根据各选项进行评分。此外，教学效果评价部分包括对课程内容和教育方法的评价，总分为100分，学员根据选项进行评分。

1.4 统计学方法

采用SPSS 23.0统计学软件对数据进行处理分析，计量资料以均数±标准差（x±s）表示，组间比较采用t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

对于课程设计主观评价及教学效果主观评价，试验组评分均高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）（表2）。

在课后置钉考核中，试验组得分高于对照组［（75.5±6.5）分vs.（66.1±3.1）分，P＜0.05］。在手术操作评分中，试验组评分高于对照组［（87.3±6.5）分vs.（82.1±6.3）分，P＜0.05］（表3）。

3 讨 论

随着社会进步和老龄化的到来，脊柱疾病的发病率逐渐上升，严重影响患者的生活质量。脊柱外伤、腰椎管狭窄、腰椎滑脱、黄韧带钙化以及脊柱脊髓肿瘤等疾病都需要手术治疗。椎弓根螺钉置入是脊柱外科的基本手术操作，但由于脊柱解剖结构复杂，手术难度和风险较高。螺钉内侧毗邻脊髓神经，外侧毗邻大血管，操作失误可能导致脊髓损伤、神经功能障碍甚至瘫痪，严重者危及生命。目前，椎弓根螺钉置入的教学仍以书本理论和上级医生指导为主，青年医师缺乏实际操作机会，学习曲线较长。因此，针对脊柱外科青年医师开展科学、有效的手术技能培训至关重要。由于脊柱解剖和手术操作不直观，初学者需要强大的空间想象力和理解力。大体标本训练作为有益补充，提供了接近真实的手术操作经验，让医学生和年轻医师在无患者风险的情况下获得实践技能。然而，大体标本训练存在显著缺点：获取成本高、资源稀缺、无法重复使用，且保存状态下的组织特性可能与活体不同。因此，尽管其在教学中有用，但寻找其他补充或替代的教学方法变得尤为重要^［11］。

目前，在临床主要采用常规培训方案，教学内容单一，学员水平参差不齐，缺乏针对性的有效教学。近年来，3D打印技术逐渐应用于临床，在脊柱外科手术教学中效果显著^［12-13］。其优势在于能够大量而精确地复制各种不同疾病的脊柱三维解剖结构，包括正常、退变、外伤和畸形等情况，建立系统的训练模型库，为医学教育和手术训练提供极大便利。此外，3D打印技术还允许根据实际病例的医学影像数据（如CT）来定制模型，个性化模拟可帮助学员更好地理解和学习脊柱外科手术，提高学员的学习效率和学习质量。Cai等^［14］通过多中心随机对照研究发现，针对于寰枕交界区畸形，3D打印模型能够非常直观地展示畸形结构，帮助初学者理解解剖特点；结合影像学结果应用于教学，可大大提高青年医师的影像阅片能力。

本研究探讨基于3D打印技术在脊柱胸腰椎内固定培训中的应用效果，并通过对照试验对比了传统大体标本教学与3D打印模型教学的优劣。结果显示，使用3D打印模型进行教学的试验组学员在置钉准确性、手术操作评分以及课程满意度方面均优于对照组，证实了3D打印技术在脊柱外科教学中的独特优势。

首先，3D打印技术显著提升了学员对脊柱复杂解剖结构的理解能力。与传统的大体标本相比，3D打印模型能够精准地再现脊柱的三维结构，并提供可视化的学习体验。试验组学员在使用3D打印模型进行学习时，能够更快速地在脑海中形成脊柱解剖结构的三维图像，从而更有效地掌握椎弓根螺钉置入的关键技术。这一优势在试验结果中得到了验证，试验组学员在置钉考核中的得分高于对照组。

其次，3D打印技术不仅在教学内容的传递上更具灵活性，还能为学员提供反复练习的机会。大体标本由于获取难度大、保存期限短、无法重复使用等限制，难以满足学员多次操作练习的需求。而3D打印模型则可根据学员的需求进行定制和保存，提供一个更加安全且接近实际手术场景的训练环境。本研究中试验组学员在手术操作评分中的表现优于对照组，这表明反复的实践操作有助于提升学员的手术技能。

再次，3D打印技术的应用还缩短了学员的学习曲线。3D打印模型可根据学生的需求进行个性化定制，也可按照教师的要求提供定制化的多种类型的训练，针对不同学员的技能水平提供不同难度的模型，这有助于满足不同学员的学习需求，提高了教学的效果。将3D打印模型引入椎弓根螺钉置入教学，不仅可提供更好的视觉化和触觉反馈，学员可更清晰地看到骨骼结构的细节，还能为学员提供更为贴近真实情况的练习，感受到钉子穿越骨骼的真实感觉。这有助于更深入地理解手术过程，提高学习效率。在传统教学模式中，学员通常需要较长时间才能掌握椎弓根螺钉置入技术，而3D打印模型的应用则通过更高效的训练手段，加速了这一过程。试验组学员对课程的专注度和学习效率评分均显著高于对照组，进一步证实了3D打印模型在提升教学效果方面的显著作用。

最后，3D打印模型可与虚拟现实技术结合，提供实时反馈，帮助学生改进实操技能^［15］。因此，将3D打印模型应用于脊柱胸腰椎内固定培训教学体系中，既可遴选不同难度的病例，实现教学内容的由浅入深；又可实现针对不同层次、不同需求学员的分层匹配培训，形成教学内容分层和学员水平分层的教学模式；还克服了椎弓根螺钉置钉培训病例种类和数量有限的问题，提高带教老师教学效果，缩短学习曲线。

但本研究仍存在一定的局限性。首先，3D打印模型的制作成本较高，尤其是当每个模型都需要个性化定制时，增加了教学成本；其次，现有的3D打印技术主要使用聚乳酸材料，虽然能够准确模拟骨骼的形态，但在触感上与真实人体骨骼仍存在一定差距；最后，当前的3D打印模型无法模拟软组织，这可能影响学员对真实手术环境的全面理解。因此，未来的研究应考虑如何优化3D打印材料和技术，以更好地模拟手术中的实际操作体验，并探索将软组织模拟纳入3D打印模型中。

综上所述，3D打印模型在脊柱胸腰椎内固定培训教学中的应用效果显著，可提升青年医师的专注度和兴趣，有助于青年医师提升临床基本理论、基本知识，有效地提高青年医师的手术技能，缩短了脊柱外科医师学习曲线。

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基金资助

首都医科大学教育教学改革研究课题项目(2022JYY210)