引用本文： 袁德超, 吳超, 鄧佳燕, 林旭, 譚倫, 王翔宇, 王偉, 羅敏. 3D 打印腰椎穿刺模型在骨科臨床教學中的應用. 華西醫學, 2019, 34(9): 999-1004. doi: 10.7507/1002-0179.201907230 復制
腰椎椎弓根螺釘置釘技術是骨科醫生必須掌握的操作技術，但是置釘風險高，置釘失敗造成血管神經損傷后果嚴重[1]。傳統的“傳幫帶”培養方式學習曲線長，效率低，操作標本少，操作機會極其有限，極大地阻礙了低年資骨科醫師學習、掌握該技術[2]。椎弓根螺釘置釘技術中最關鍵、最重要的是確定進釘點，只要進釘點正確，再根據術中 C 臂透視調整尾傾角、內傾角，一般能置釘成功。隨著技術的快速發展，3D 打印技術廣泛應用于臨床輔助手術、臨床教學、醫患溝通等方面[3-4]，特別是通過 3D 打印技術制作腰椎實體模型，為低年資骨科醫師學習、掌握腰椎椎弓根螺釘置釘技術提供了便利[5-7]。因此，本試驗基于 3D 打印技術構建腰椎穿刺模型，探索了該模型用于培訓低年資骨科醫師模擬腰椎椎弓根螺釘置釘手術、尋找最佳進釘點的可行性。現報告如下。
1 資料與方法
1.1 研究對象
以 2018 年 1 月—2019 年 6 月在我院骨 1 科學習的 43 名骨科住院醫師規范化培訓學員（以下簡稱學員）為研究對象。43 名學員均為男性，年齡 23～27 歲；均為住院醫師規范化培訓一年級，其中本科生 32 人，研究生 11 人。帶教老師為我科室副主任醫師及以上職稱人員，均具有較強的臨床、理論教學能力，熟練掌握 Mimics 軟件。
1.2 主要儀器與材料
128 排螺旋 CT（德國西門子公司），Mimics 19.0 軟件（比利時 Materialise 公司），國產 FAB 460 型 3D 打印機（中國 3Dtalk 公司），打印材料為國產聚乳酸（polylactic acid，PLA），橡皮泥（金華市淘淘樂有限公司）。
1.3 研究方法
1.3.1 3D 打印腰椎穿刺模型的制作
于我院放射科收集正常的腰椎 CT 醫學數字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）數據 10 例，CT 掃描條件：電壓 120 kV，電流 182.25 mAs，層厚 0.625 mm，矩陣 512×512 像素，掃描層厚 0.625 mm。將腰椎 DICOM 數據導入 Mimics 19.0 軟件中重建出椎體骨組織，選取腰 1 椎體上中 1/3 交界處與椎體上下終板平行的平面，在該平面選取直徑為 1.0 mm、長度為 100 mm 的 Cylinder 圓柱工具，圓柱分別通過左右兩側椎弓根軸心，內傾角 5～23°[8]，如圖 1a、1b。圓柱前端穿出椎體前壁（利于操作結束后從前往后確定最佳進釘點），后端與椎體上關節突皮質相交點即為椎弓根螺釘置入的最佳進釘點，同理設計出所有腰椎最佳安全通道及最佳進釘點（圖 1c）。將 Cylinder 圓柱工具保存為 STL 格式，再將 STL 格式的圓柱導入 Mimics 軟件，通過復制、移動工具將 STL 格式的圓柱向上、下、左、右 4 個方向平移，間隔 2 mm。反復操作后，最終所有備選通道呈矩形分布，根據椎弓根區域面積大小，提供 70 個備選通道。各備選通道與椎體關節突、椎板、橫突皮質相交點即為備選通道的進釘點。備選通道前端達椎體中部，不穿破椎體前壁（圖 1d）。
圖1
腰椎三維模型釘道設計
a. 用 Cylinder 圓柱工具模擬最佳安全通道；b. 虛擬透視觀察最佳安全通道；c. 所有腰椎椎弓根螺釘的最佳進釘點；d. 設計備選通道；e、f. 帶有若干個通道的腰椎三維模型正后位、虛擬透視側位
通過摩爾運算，將椎體減去最佳安全通道與備選通道，得到帶有若干個通道的腰椎三維模型（圖 1e、1f）。在腰椎三維模型的頭端及尾端設計梯形底座，通過 3D 打印技術同比例打印上述腰椎實體模型（圖 2a）。每個腰椎 DICOM 數據打印 1 個模型，共計 10 個模型備用。用朱紅色橡皮泥模擬人體肌肉包裹腰椎實體模型（圖 2b），塑造成人體腰部大致模樣，再置于塑料盒中，用肉色布料纏繞模型模擬人體皮膚（圖 2c），構建出 3D 打印腰椎穿刺模型。
圖2
組裝 3D 打印腰椎穿刺模型及模擬手術
a. 3D 打印腰椎實體模型；b. 橡皮泥包裹腰椎實體模型；c. 布料包裹模型；d. 消毒鋪巾；e. 術中暴露；f. 用注射器針頭定位椎弓根進釘點
1.3.2 模擬手術操作
帶教老師在學員操作之前，結合相應的腰椎 X 線、CT、模型等資料講解描述椎弓根解剖結構、置釘要點和注意事項。43 名學員隨機抽取 1 具模型并獨立在手術臺上模擬手術：常規消毒鋪巾（圖 2d），切開“皮膚”，暴露并參考“脊柱椎板、關節突、人字嵴頂點”等結構，確定進釘點位置，并將注射器針頭插入釘道（圖 2e、2f）；完成腰 1 至腰 5 雙側椎弓根進釘點定位（共計 10 個進釘點），根據 C 臂透視結果再適當調整進釘點（圖 3a、3b）。操作完成后取出腰椎實體模型記分，帶教老師根據操作結果再次講解注意事項，學員總結得失。每個學員每天操作 1 次，連續操作 10 d。
圖3
術中 C 臂透視
a. 正位片；b. 側位片
1.3.3 考核指標
從模擬切開皮膚開始計時，記錄每個學員的操作時間。完成操作之后將模型取出，從椎體前壁孔穿出克氏針確定最佳進釘點。若注射器針頭與克氏針相重，則表明術中確定的進釘點為最佳進釘點，否則不是最佳進釘點（圖 4）。記分方式如圖 5 所示，以最佳進釘點為中心畫圓，注射器針頭在最佳進釘點計 5 分，注射器針頭在第 1 個圓上計 4 分，以此類推依次遞減至 0 分。記錄每個學員每次操作手術時間、手術得分（得分范圍 0～50 分）。
圖4
術后解剖
a. 術后取出腰椎實體模型；b. 從椎體前壁孔穿出克氏針確定最佳進釘點；c. 確定注射器針頭（黑箭）與最佳進釘點（紅箭）的位置關系
圖5
記分示意圖
a. 進釘點排列示意圖；b. 進釘點在椎弓根投影上的位置
1.4 統計學方法
采用 SPSS 19.0 統計軟件進行分析。計量資料以均數±標準差表示，數據分析采用單組重復測量資料的方差分析。檢驗水準 α=0.05。
2 結果
所有學員均順利完成操作。隨著操作次數的增加，43 位學員的平均操作得分呈上升趨勢，平均操作時間呈下降趨勢。學員 10 次操作的手術得分和操作時間差異均有統計學意義（F=340.604，P<0.001；F=102.359，P<0.001）。見表 1。
表1
學員不同時間的操作手術得分和操作時間比較（n=43， 
）
3 討論
3D 打印技術完美解決了手術操作標本少的問題，可為骨科臨床教學提供各種可操作模型[9-12]。Park 等[11]制作的 3D 打印腰椎手術模型應用于臨床教學，證明 3D 打印手術模型在臨床模擬手術方面作用明顯，但成本較高，手術模型不能反復利用。3D 打印技術對軟組織的重建能力較差，使其優勢受到一定限制。以往的手術模型、臨床教學模型大多僅包含骨骼，沒有軟組織的覆蓋包裹，大大降低了模擬手術的難度和仿真性[10, 13-15]。真實的手術操作存在軟組織暴露環節，通過暴露部分椎板骨組織聯想整個椎體形態，考驗學員的聯想能力和解剖熟悉程度。黃國秀等[16]構建的 3D 打印椎間孔鏡手術模型優勢明顯，原因在于考慮了椎體周圍的軟組織結構，讓手術模型更加仿真。因此，本試驗設計的 3D 打印腰椎穿刺模型包括腰椎骨骼、肌肉、皮膚組織 3 個部分結構，模擬剝離軟組織手術過程。
椎弓根螺釘置入成功與否的關鍵因素是進釘點的選擇，只要進釘點選擇正確，就預示著置釘成功了一半，因此該模型主要用于模擬訓練尋找椎弓根進釘點。該模型在椎弓根進釘點區域設計多個通道供學員操作時選擇，每個通道內傾角、頭傾角固定為最佳，每個通道相互平行。同時，學員可切身感受腰 1 至腰 5 椎弓根螺釘的最佳內傾角、頭傾角，從而培養良好的“手感”，而且每次操作不會破壞模型結構，可重復多次使用。以往絕大多數的教學模型不包括椎體周圍軟組織，使模型的教學質量有所下降。本研究中使用的模型用橡皮泥模擬肌肉組織，將橡皮泥包裹腰椎實體模型，在手術操作過程中將橡皮泥從椎體附件組織上剝離下來，非常接近真實手術操作。暴露椎板及附件的過程充分鍛煉了學員的空間聯想能力，考驗了學員對腰椎解剖結構的熟悉程度，鍛煉了學員在操作過程中獨立思考問題的能力。
該腰椎穿刺模型可為教學模型，亦可為操作考核模型，學員操作之后可通過“打靶”記分方式考核操作準確性。臨床腰椎手術置釘時，進釘點必須是在一個安全區域內，即使進釘點不是最優化的，也可以適當調整頭傾角、內傾角來完成椎弓根螺釘置釘；若進釘點超出這個安全區域，就存在損傷血管、神經的風險，同時反復調整進釘點無疑會降低螺釘的把持力。該模型提供的備選通道完全覆蓋椎弓根區域，亦覆蓋這個安全區域。通過 Mimics 軟件軸向觀察椎弓根區域：以最佳進釘點為中心，周圍 3 mm 以內的范圍，即第 2 個圓圈內的區域進釘（圖 5b），直徑為 6.0、6.5 mm 椎弓根螺釘突破椎弓根壁的風險較小，是推薦的進釘區域，得分為 3～5 分；以最佳進釘點為中心，周圍 3～5 mm 區域，即第 2 個圓圈至第 4 個圓圈區域進釘，螺釘突破椎弓根壁的風險較大，但突破椎弓根壁的距離在相對安全范圍內（突破椎弓根壁<2 mm），故計 1～2 分，不推薦該進釘方式；以最佳進釘點為中心，周圍 5 mm 以外（第 4 個圓圈以外）區域的進釘點肯定突破椎弓根壁，損傷血管、神經的風險極大，故計 0 分，不允許該進釘方式。學員在充分暴露“軟組織”后，根據椎板、關節突、人字嵴等解剖結構，確定自己認為應該在哪個孔道進釘并作出標記，操作結束后對比實際最佳進釘點位置與自己選擇的進釘點位置區別，反復操作，總結得失。本研究結果顯示，隨著操作次數的增加，學員手術得分呈上升趨勢，差異有統計學意義，表明操作越來越準確，操作能力得到提升；隨著操作次數的增加，學員手術時間呈下降趨勢，差異有統計學意義，表明操作越來越熟練。可見該模型用于臨床手術操作培訓具有良好的有效性。
總之，本研究構建的 3D 打印腰椎穿刺模型，可行性高，重復性強，有效性可靠，結構相對簡單，成本較低，學員可大膽獨立操作，為低年資骨科醫師提供了良好的手術操作模型，同時可縮短骨科醫師的培養曲線。這種以“教學+操作+考核”為一體的 3D 打印腰椎穿刺模型在骨科臨床教學中有較為廣闊的應用前景，而且這種手術培訓模式值得在各級醫院、院校推廣。同時，在該模型的使用中，我們有以下體會及改進意見：① 該模型主要是考慮了椎弓根螺釘進釘點的選擇，還應考慮到進釘的頭傾角、內傾角方向，需進一步完善；② 3D 打印腰椎穿刺模型的準確性很大程度上取決于醫院 CT 設備、3D 打印機器的性能以及設計人員的熟練程度等；③ 為預防學員的投機取巧行為，該模型的最佳進釘點不能設計在所有備選通道中央區域；④ 用質地比較稀的橡皮泥包裹腰椎實體模型，可使兩者包裹更加良好，增加模型的真實性。
腰椎椎弓根螺釘置釘技術是骨科醫生必須掌握的操作技術，但是置釘風險高，置釘失敗造成血管神經損傷后果嚴重[1]。傳統的“傳幫帶”培養方式學習曲線長，效率低，操作標本少，操作機會極其有限，極大地阻礙了低年資骨科醫師學習、掌握該技術[2]。椎弓根螺釘置釘技術中最關鍵、最重要的是確定進釘點，只要進釘點正確，再根據術中 C 臂透視調整尾傾角、內傾角，一般能置釘成功。隨著技術的快速發展，3D 打印技術廣泛應用于臨床輔助手術、臨床教學、醫患溝通等方面[3-4]，特別是通過 3D 打印技術制作腰椎實體模型，為低年資骨科醫師學習、掌握腰椎椎弓根螺釘置釘技術提供了便利[5-7]。因此，本試驗基于 3D 打印技術構建腰椎穿刺模型，探索了該模型用于培訓低年資骨科醫師模擬腰椎椎弓根螺釘置釘手術、尋找最佳進釘點的可行性。現報告如下。
1 資料與方法
1.1 研究對象
以 2018 年 1 月—2019 年 6 月在我院骨 1 科學習的 43 名骨科住院醫師規范化培訓學員（以下簡稱學員）為研究對象。43 名學員均為男性，年齡 23～27 歲；均為住院醫師規范化培訓一年級，其中本科生 32 人，研究生 11 人。帶教老師為我科室副主任醫師及以上職稱人員，均具有較強的臨床、理論教學能力，熟練掌握 Mimics 軟件。
1.2 主要儀器與材料
128 排螺旋 CT（德國西門子公司），Mimics 19.0 軟件（比利時 Materialise 公司），國產 FAB 460 型 3D 打印機（中國 3Dtalk 公司），打印材料為國產聚乳酸（polylactic acid，PLA），橡皮泥（金華市淘淘樂有限公司）。
1.3 研究方法
1.3.1 3D 打印腰椎穿刺模型的制作
于我院放射科收集正常的腰椎 CT 醫學數字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）數據 10 例，CT 掃描條件：電壓 120 kV，電流 182.25 mAs，層厚 0.625 mm，矩陣 512×512 像素，掃描層厚 0.625 mm。將腰椎 DICOM 數據導入 Mimics 19.0 軟件中重建出椎體骨組織，選取腰 1 椎體上中 1/3 交界處與椎體上下終板平行的平面，在該平面選取直徑為 1.0 mm、長度為 100 mm 的 Cylinder 圓柱工具，圓柱分別通過左右兩側椎弓根軸心，內傾角 5～23°[8]，如圖 1a、1b。圓柱前端穿出椎體前壁（利于操作結束后從前往后確定最佳進釘點），后端與椎體上關節突皮質相交點即為椎弓根螺釘置入的最佳進釘點，同理設計出所有腰椎最佳安全通道及最佳進釘點（圖 1c）。將 Cylinder 圓柱工具保存為 STL 格式，再將 STL 格式的圓柱導入 Mimics 軟件，通過復制、移動工具將 STL 格式的圓柱向上、下、左、右 4 個方向平移，間隔 2 mm。反復操作后，最終所有備選通道呈矩形分布，根據椎弓根區域面積大小，提供 70 個備選通道。各備選通道與椎體關節突、椎板、橫突皮質相交點即為備選通道的進釘點。備選通道前端達椎體中部，不穿破椎體前壁（圖 1d）。
圖1
腰椎三維模型釘道設計
a. 用 Cylinder 圓柱工具模擬最佳安全通道；b. 虛擬透視觀察最佳安全通道；c. 所有腰椎椎弓根螺釘的最佳進釘點；d. 設計備選通道；e、f. 帶有若干個通道的腰椎三維模型正后位、虛擬透視側位
通過摩爾運算，將椎體減去最佳安全通道與備選通道，得到帶有若干個通道的腰椎三維模型（圖 1e、1f）。在腰椎三維模型的頭端及尾端設計梯形底座，通過 3D 打印技術同比例打印上述腰椎實體模型（圖 2a）。每個腰椎 DICOM 數據打印 1 個模型，共計 10 個模型備用。用朱紅色橡皮泥模擬人體肌肉包裹腰椎實體模型（圖 2b），塑造成人體腰部大致模樣，再置于塑料盒中，用肉色布料纏繞模型模擬人體皮膚（圖 2c），構建出 3D 打印腰椎穿刺模型。
圖2
組裝 3D 打印腰椎穿刺模型及模擬手術
a. 3D 打印腰椎實體模型；b. 橡皮泥包裹腰椎實體模型；c. 布料包裹模型；d. 消毒鋪巾；e. 術中暴露；f. 用注射器針頭定位椎弓根進釘點
1.3.2 模擬手術操作
帶教老師在學員操作之前，結合相應的腰椎 X 線、CT、模型等資料講解描述椎弓根解剖結構、置釘要點和注意事項。43 名學員隨機抽取 1 具模型并獨立在手術臺上模擬手術：常規消毒鋪巾（圖 2d），切開“皮膚”，暴露并參考“脊柱椎板、關節突、人字嵴頂點”等結構，確定進釘點位置，并將注射器針頭插入釘道（圖 2e、2f）；完成腰 1 至腰 5 雙側椎弓根進釘點定位（共計 10 個進釘點），根據 C 臂透視結果再適當調整進釘點（圖 3a、3b）。操作完成后取出腰椎實體模型記分，帶教老師根據操作結果再次講解注意事項，學員總結得失。每個學員每天操作 1 次，連續操作 10 d。
圖3
術中 C 臂透視
a. 正位片；b. 側位片
1.3.3 考核指標
從模擬切開皮膚開始計時，記錄每個學員的操作時間。完成操作之后將模型取出，從椎體前壁孔穿出克氏針確定最佳進釘點。若注射器針頭與克氏針相重，則表明術中確定的進釘點為最佳進釘點，否則不是最佳進釘點（圖 4）。記分方式如圖 5 所示，以最佳進釘點為中心畫圓，注射器針頭在最佳進釘點計 5 分，注射器針頭在第 1 個圓上計 4 分，以此類推依次遞減至 0 分。記錄每個學員每次操作手術時間、手術得分（得分范圍 0～50 分）。
圖4
術后解剖
a. 術后取出腰椎實體模型；b. 從椎體前壁孔穿出克氏針確定最佳進釘點；c. 確定注射器針頭（黑箭）與最佳進釘點（紅箭）的位置關系
圖5
記分示意圖
a. 進釘點排列示意圖；b. 進釘點在椎弓根投影上的位置
1.4 統計學方法
采用 SPSS 19.0 統計軟件進行分析。計量資料以均數±標準差表示，數據分析采用單組重復測量資料的方差分析。檢驗水準 α=0.05。
2 結果
所有學員均順利完成操作。隨著操作次數的增加，43 位學員的平均操作得分呈上升趨勢，平均操作時間呈下降趨勢。學員 10 次操作的手術得分和操作時間差異均有統計學意義（F=340.604，P<0.001；F=102.359，P<0.001）。見表 1。
表1
學員不同時間的操作手術得分和操作時間比較（n=43， ）
3 討論
3D 打印技術完美解決了手術操作標本少的問題，可為骨科臨床教學提供各種可操作模型[9-12]。Park 等[11]制作的 3D 打印腰椎手術模型應用于臨床教學，證明 3D 打印手術模型在臨床模擬手術方面作用明顯，但成本較高，手術模型不能反復利用。3D 打印技術對軟組織的重建能力較差，使其優勢受到一定限制。以往的手術模型、臨床教學模型大多僅包含骨骼，沒有軟組織的覆蓋包裹，大大降低了模擬手術的難度和仿真性[10, 13-15]。真實的手術操作存在軟組織暴露環節，通過暴露部分椎板骨組織聯想整個椎體形態，考驗學員的聯想能力和解剖熟悉程度。黃國秀等[16]構建的 3D 打印椎間孔鏡手術模型優勢明顯，原因在于考慮了椎體周圍的軟組織結構，讓手術模型更加仿真。因此，本試驗設計的 3D 打印腰椎穿刺模型包括腰椎骨骼、肌肉、皮膚組織 3 個部分結構，模擬剝離軟組織手術過程。
椎弓根螺釘置入成功與否的關鍵因素是進釘點的選擇，只要進釘點選擇正確，就預示著置釘成功了一半，因此該模型主要用于模擬訓練尋找椎弓根進釘點。該模型在椎弓根進釘點區域設計多個通道供學員操作時選擇，每個通道內傾角、頭傾角固定為最佳，每個通道相互平行。同時，學員可切身感受腰 1 至腰 5 椎弓根螺釘的最佳內傾角、頭傾角，從而培養良好的“手感”，而且每次操作不會破壞模型結構，可重復多次使用。以往絕大多數的教學模型不包括椎體周圍軟組織，使模型的教學質量有所下降。本研究中使用的模型用橡皮泥模擬肌肉組織，將橡皮泥包裹腰椎實體模型，在手術操作過程中將橡皮泥從椎體附件組織上剝離下來，非常接近真實手術操作。暴露椎板及附件的過程充分鍛煉了學員的空間聯想能力，考驗了學員對腰椎解剖結構的熟悉程度，鍛煉了學員在操作過程中獨立思考問題的能力。
該腰椎穿刺模型可為教學模型，亦可為操作考核模型，學員操作之后可通過“打靶”記分方式考核操作準確性。臨床腰椎手術置釘時，進釘點必須是在一個安全區域內，即使進釘點不是最優化的，也可以適當調整頭傾角、內傾角來完成椎弓根螺釘置釘；若進釘點超出這個安全區域，就存在損傷血管、神經的風險，同時反復調整進釘點無疑會降低螺釘的把持力。該模型提供的備選通道完全覆蓋椎弓根區域，亦覆蓋這個安全區域。通過 Mimics 軟件軸向觀察椎弓根區域：以最佳進釘點為中心，周圍 3 mm 以內的范圍，即第 2 個圓圈內的區域進釘（圖 5b），直徑為 6.0、6.5 mm 椎弓根螺釘突破椎弓根壁的風險較小，是推薦的進釘區域，得分為 3～5 分；以最佳進釘點為中心，周圍 3～5 mm 區域，即第 2 個圓圈至第 4 個圓圈區域進釘，螺釘突破椎弓根壁的風險較大，但突破椎弓根壁的距離在相對安全范圍內（突破椎弓根壁<2 mm），故計 1～2 分，不推薦該進釘方式；以最佳進釘點為中心，周圍 5 mm 以外（第 4 個圓圈以外）區域的進釘點肯定突破椎弓根壁，損傷血管、神經的風險極大，故計 0 分，不允許該進釘方式。學員在充分暴露“軟組織”后，根據椎板、關節突、人字嵴等解剖結構，確定自己認為應該在哪個孔道進釘并作出標記，操作結束后對比實際最佳進釘點位置與自己選擇的進釘點位置區別，反復操作，總結得失。本研究結果顯示，隨著操作次數的增加，學員手術得分呈上升趨勢，差異有統計學意義，表明操作越來越準確，操作能力得到提升；隨著操作次數的增加，學員手術時間呈下降趨勢，差異有統計學意義，表明操作越來越熟練。可見該模型用于臨床手術操作培訓具有良好的有效性。
總之，本研究構建的 3D 打印腰椎穿刺模型，可行性高，重復性強，有效性可靠，結構相對簡單，成本較低，學員可大膽獨立操作，為低年資骨科醫師提供了良好的手術操作模型，同時可縮短骨科醫師的培養曲線。這種以“教學+操作+考核”為一體的 3D 打印腰椎穿刺模型在骨科臨床教學中有較為廣闊的應用前景，而且這種手術培訓模式值得在各級醫院、院校推廣。同時，在該模型的使用中，我們有以下體會及改進意見：① 該模型主要是考慮了椎弓根螺釘進釘點的選擇，還應考慮到進釘的頭傾角、內傾角方向，需進一步完善；② 3D 打印腰椎穿刺模型的準確性很大程度上取決于醫院 CT 設備、3D 打印機器的性能以及設計人員的熟練程度等；③ 為預防學員的投機取巧行為，該模型的最佳進釘點不能設計在所有備選通道中央區域；④ 用質地比較稀的橡皮泥包裹腰椎實體模型，可使兩者包裹更加良好，增加模型的真實性。
