CBL教学模式下骨盆移位计算软件联合3D打印在骨盆复位架技术临床教学中的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0307

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

骨盆骨折闭合复位：骨盆骨折的复位方式有很多，传统的切开复位内固定可以直视损伤区域，利于实现解剖复位，但是创伤极大。同时由于骨盆后环位置深在，手术入路需要大切口，且会产生广泛的软组织剥离，由此带来的重要血管、神经损伤和切口感染风险随之增加。根据美国最新创建的高级创伤生命支持理论，最佳的治疗策略应该是对不稳定骨盆骨折行闭合复位微创骨折固定术，或行闭合复位临时外固定术。

骨盆骨折复位架：现今骨盆骨折的闭合复位，仍以手法驱动下的辅助外架复位为主。复位架的使用均需要在术中C形臂的实时监视下对移位的骨盆进行手动逐步复位，因骨盆不规则的解剖结构和复杂的移位类型，且手术视野显露有限，医生缺乏复位的“上帝”视角，复位架闭合复位的操作需要有多年的骨盆骨折手术经验，及对骨盆骨折移位的空间想象能力，极难掌握，且易残留移位或旋转，给年轻医生的学习带来的极大的障碍。

摘要

背景：新开发的骨盆移位计算软件可增强使用者对骨盆移位的准确判断和理解，在更贴近临床的CBL教学模式和3D打印技术带来的实训演练下，突破骨盆复位架技术这一教学难点。

目的：探讨CBL教学模式下骨盆移位计算软件联合3D打印在骨盆复位架技术临床教学中的应用效果。

方法：将2015至2016年在解放军总医院骨科一病区进行学习的进修医生和研究生共96名按在院学习时间分为传统教学组(n=53)和新教学模式组(n=43)。新教学模式组在CBL教学模式指导下，使用骨盆移位计算软件辅助术前规划。2组均在3D打印模型上模拟实际操作和实训考核。教学完成后对2组进行教学评估。

结果与结论：①在教学吸引力、对典型骨盆骨折认识深度、对骨盆闭合复位手术的手术方案制定能力、对外架操作熟练所需操作练习次数、总体满意度及实训考核(手术时间)等方面，新教学模式组均优于传统教学组，差异有显著性意义(P < 0.05)；②提示CBL教学模式指导下，骨盆移位计算软件辅助术前规划，在3D打印模型上模拟实际操作的新教学方式应用于骨盆复位架技术临床教学，可加强学生的学习热情和积极性，提高对骨盆骨折疾病的理解和手术规划能力，并可使学生快速有效掌握骨盆复位外架的使用技巧。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0001-8523-6773(张立海)

关键词: 骨盆骨折, 闭合复位, CBL教学模式, 3D打印技术, 骨盆移位计算软件, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND:The newly developed pelvic deformity measurement software can increase the accuracy rate of pelvic displacement. It also breaks through the learning difficulties of pelvic reduction frame under the practice of CBL teaching mode and three-dimensional (3D) printing technology.

OBJECTIVE: To explore the application of pelvic deformity measurement software combined with 3D printing technology in the teaching of pelvic reduction frame under CBL teaching mode.

METHODS: A total of 96 advanced training physicians and postgraduates at the First Ward of Orthopedics, Chinese PLA General Hospital, China from 2015 to 2016 were divided into traditional teaching group (n=53) and new teaching model group (n=43) according to the duration of study in the hospital. The new teaching model group underwent preoperative planning using pelvic deformity measurement software and guided by CBL teaching mode. The actual operation was simulated and testing was conducted on the 3D-printed model. The teaching results in the two groups were assessed.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The new teaching model group was significantly superior to the traditional teaching group in the teaching attraction, the understanding of typical pelvic fractures, the ability to make surgical plans for pelvic closed reduction, the number of operation exercises required for external operations, overall satisfaction, and practical training assessment (P < 0.05). (2) To conclude, under the guidance of CBL teaching mode, using pelvic deformity measurement software to help determine preoperative planning, the new teaching mode that simulated actual operation on a 3D printing model is applied in clinical teaching of pelvic reduction frame, which can strengthen students’ enthusiasm for learning and improve the understanding of pelvic fracture and the ability to plan for surgery, and allow students to quickly master the use of pelvic reduction frame.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Pelvis, Fractures, Bone, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

张攻孜，姚琦，彭烨，王翔，张立海. CBL教学模式下骨盆移位计算软件联合3D打印在骨盆复位架技术临床教学中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(19): 3067-3071.

Zhang Gong-zi, Yao Qi, Peng Ye, Wang Xiang, Zhang Li-hai . Application of pelvic deformity measurement software combined with three-dimensional printing in clinical teaching of pelvic reduction frame technology under CBL teaching mode [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(19): 3067-3071.

图/表（结果） 1

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引言

不稳定骨盆骨折是涉及骨盆后环损伤的骨盆骨折，致死率和致残率极高，可达10%-50%^[1-3]。骨盆作为承接脊柱与下肢的重要结构，其结构的完整性对人体生理力学传递至关重要，骨盆环内部容纳众多重要脏器及血管神经，一旦发生损伤，极易导致失血性休克及肢体功能残疾等严重并发症。传统的切开复位内固定可以直视损伤区域，利于解剖复位。但手术过程中软组织暴露过多，容易损伤重要的血管和神经^[4-5]。而骨盆复位外架可通过手动调节、按特定平面和路径闭合复位不稳定骨盆骨折，其创新性的提出了多平面依次复位不稳定骨盆骨折的方法，为骨科医生提供了新思路^[6-10]。

但由于不稳定性骨盆骨折损伤类型复杂，空间移位包含了一维、二维、三维方向上的各种水平和旋转移位，且骨盆复位架存在一定程度的弹性形变和范性形变，导致年轻医生在骨盆复位架的学习应用过程难以做到得心应手，实际复位过程往往“事与愿违”，常与术前规划产生偏移^[5]。同时骨盆骨折多为高暴力骨折，患者情况复杂，合并伤多，基础条件差，错误操作和不良复位可能导致骨折断端增大，进一步加重断端出血和静脉丛破坏，使原本处于血流不稳定状态的患者雪上加霜^[11-13]。故手术主刀多为经验丰富的高年资医生，而相对其他术式，年轻医生动手机会有限，且难以对骨盆骨折解剖改变有深刻认识，因此对骨盆复位架技术的掌握进展缓慢。

解放军总医院每年招收大量进修医生和研究生，因其临床和科研任务重，难以系统接受相关技术的训练，使部分人员该技术掌握情况不甚理想，故探索新的教学方法和教学技术刻不容缓。作者经过文献汇总和教学实践，初步探索出了以病例为基础的教学模式(case-based learning，CBL)指导下，骨盆移位计算软件辅助术前规划，在3D打印模型上模拟实际操作的新综合教学方式。

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材料方法

1.1 设计 对比观察试验。

1.2 时间及地点 于2015年1月至2016年12月在解放军总医院骨科一病区完成。

1.3 对象 选择2015至2016年在解放军总医院骨科一病区进行学习的进修医生和研究生共96名。按在院学习时间分为传统教学组(n=53，其中进修医生44名，研究生9名)和新教学模式组(n=43，其中进修医生37名，研究生6名)。2组年轻医生的指导教师均为通讯作者。

纳入标准：下列所有标准必须同时满足才能入组此研究：①一定时间内持续在骨科一病区进行学习；②保证参加所有授课及培训；③愿意参加此次研究，签署知情同意书。

排除标准：下列所有标准满足任意一项需排除出此研究：①因各种原因未能参与持续的学习过程；②因各种原因缺课，不能参加实训操作这；③拒绝参加研究者。

1.4 方法

1.4.1 骨盆移位计算软件联合3D打印的应用

(1)建立典型病例数据库：根据临床工作实际，收集骨盆常见骨折类型和主要移位方式的病例(主要为Tile B和C型)，注意保存相关病例的术前CT和骨盆正位，入口位和出口位X射线片。根据骨盆骨折的分型(Tile B1，2，3和Tile C1，2，3型)，每种分型取2例患者，该典型病例数据库共纳入12例患者。采集患者相关资料时，还应包括典型病例的病史、诊疗过程、其他影像学资料、生化检查结果、手术记录等。

(2)使用骨盆移位计算软件分析骨盆移位：该软件为骨科医生提供一个有较高可靠性的骨盆骨折移位计算工具，完全自主编制。该骨盆移位计算软件基于骨盆入口位，出口位和前后位X射线片，描述了骨盆在3个正交平面上的全部平移和旋转移位，全面的反映了骨盆是否移位及移位情况，使测量更加完整，避免遗漏，相比于CT检查，该方法具有节省患者花费，减少患者放射线暴露量等优点，可对骨盆骨折6种形式的位移提供半自动化的测量。软件如图1所示，包括导入按钮、功能区(选点功能、放大缩小功能)、示意图、计算及结果输出区、导入图像区。点击界面中的导入按钮，选择相应平面的Dicom格式的X射线片，导入后可进行图片的放大缩小，以适应屏幕。测量时将患者的入口位，出口位和前后位X射线片分别导入该软件，在相应X射线片上进行位移测量时，仅需根据软件界面上的提示，选定相应解剖标志即可。以入口位计算为例，导入图像后出现图2界面，首先判断患侧和健侧，根据左侧示意图所示，在右侧导入的图像上选择相应解剖标志。相应点与解剖标志对应关系为：G为髂前上棘H为骶髂关节S为骶骨终板的中心点。

(3)使用3D打印技术制作典型骨盆骨折模型并行模拟手术：纳入典型病例数据库的12例患者均在解放军总医院影像科CT室行256排薄层CT扫描，扫描体位呈仰面平卧位。获得的图像数据以Dicom格式存盘，导入mimics 15.0和3-matic 7.0等三维重建软件模块，采用区域剪切和滤波2种方法对图像的清晰度进行二维预处理，并采用区域增长和阈值分割技术，构建出骨盆的三维模型，而后通过光滑、浓淡处理、纹理映射等对模型进一步优化。而后通过3D打印技术制造出外形与结构等同于原形的、具有复杂空间结构典型的骨盆骨折模型，完成患者骨折类型、移位情况的准确再现。学生可通过观察骨盆骨折3D模型的形态和移位方式，了解患者骨盆骨折的解剖特征，明确损伤的类型，并据此提出术前规划，同时可在3D模型上进行动手实践，完成骨盆复位架的组装及操作过程。

1.4.2 CBL教学模式的应用 CBL教学过程中，每七至八名学生形成一个学习小组，分不同时间段接受同一名教师的此课程。教师每次提供典型病例数据库的2个临床病例资料，按病例分析，是否符合手术适应证，是否存在手术禁忌证、骨折分型、移位分析、术前规划等逐一进行讨论。学生间相互启发，采用渐进探索，逐步深入的方式，最终由1名学生进行病例总结，介绍手术方案。在病例的学习过程中，一旦遇到问题或争议，教师或学生可以暂停讨论，在暂停之后，小组内的其他学生或教师可以提供反馈建议或帮助，然后继续讨论余下的问题。每轮病例结束后教师对病例和手术方案进行点评，并在3D模型上进行实践操作。

1.5 主要观察指标 在教学结束后对教学效果进行匿名评估。评估内容包括教学吸引力、对典型骨盆骨折认识深度、对骨盆闭合复位手术的手术方案制定能力、总体满意度、外架操作熟练所需操作练习次数(表1)。结束全部教学后，传统教学组和新教学模式组(骨盆移位公式+CBL教学法)分别对同一3D打印骨盆骨折模型行模拟手术，除教学方法和软件指导外严格控制其他干扰因素，并记录手术时间作为实训考核指标。定性指标采用目测类比评分法。每个项目用一条10 cm的刻度线条表示，0-10 cm处分别代表0-10分，0分表示效果极差，10分表示极好。受试学生仅需根据自己的理解在线条上画记号。

1.6 统计学分析 所有数据均采用SPSS 22.0统计软件进行数据整理和分析，计量资料采用x(_)±s表示，计数资料采用频数和百分比表示。传统教学组和新教学模式组2组学生性别的比较采用卡方检验，年龄、基础课平均成绩、理论考核成绩、临床技能操作考核成绩、综合成绩的比较采用两独立样本t 检验，以P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

通过此次骨盆骨折复位外架教学中实行CBL教学模式指导，骨盆移位计算软件辅助术前规划，3D打印模型上模拟实际操作的新教学方式，看到了更好的教学效果。

3.1 CBL在骨科手术教学中的优势 CBL是一种全新的、适应骨科临床的教学模式。它基于问题为基础的教学法，其核心是以临床问题为基础，以特征病例为引导的小组讨论式教学^[6-7]。应用两者联合形成的新教育模式对解放军总医院骨科一病区43名进修医生和研究生成功完成了骨盆复位架技术的教学，与手术台上观摩，术者讲解，协助术者操作的传统教学方法相比，年轻医生的学习周期缩短，上手速度快，对外架操作熟练所需操作练习次数明显减少(7.53±0.797)次vs.(5.60±0.793)次，同时提高了年轻医生的主观能动性和积极性，教学吸引力和总体满意度均有明显提升，反响强烈，效果显著。

CBL教学模式下，教师教学和学生学习的过程均是以骨盆骨折的典型病例为核心、以解决临床问题，进行手术评估和手术规划为先导。教师为学生提供模拟临床情景和手术环境，辅助学生尽快适应临床思维，完成手术规划；学生针对典型病例和经典术式所涉及知识的查阅资料、结合实例完成独立思考，制定治疗计划，模拟手术过程，而后教师在此基础上进行适当的引导，共同完成一个完整的闭环教学和学习过程。通过教学实践，作者感到CBL教学模式可以使学生在实践中摸索理论，通过典型病例讨论，数据整理完成知识积累，得到正确指导，同时将学生置于治疗及手术计划制定决策者的角色中，使学生的理论知识和临床应用相结合，可进一步培养学生在面对典型病例时，收集病史、分析病情，正确把握手术的适应证和禁忌证，并从纷繁的病情，复杂的移位方式中准确地分析、归纳、鉴别、判断，做出正确的诊断和处理，制定合理的手术复位计划的能力^[14-18]。

传统的“填鸭式”、“空中楼阁式”的教育方式，注重理论知识的传授和被动的思考。相比于此，CBL可以充分调动学生的“决策制定者”意识，增强学习积极性和主动性，从被动等待浇灌，变成主动汲取养分，学生的参与度高，提高了学习兴趣，充分发挥学生的主观能动性。Gade等^[19-20]研究发现，83%以上的学生认为CBL教学增强了其自学及解决问题的能力，近70%的学生认为除获取知识外，CBL教学模式更锻炼了其合作交流，团队协作的能力，实现了更完善的师生关系。

3.2 3D打印辅助骨科手术教学的优势 3D打印技术诞生于20世纪90年代左右，在生物、医疗等诸多领域得到了广泛应用，极大促进了相关领域发展和进步。3D打印技术是基于材料累加概念和层叠制造方法的模型制作技术。其多以CT等断层数字模型数据为基础，在计算机控制下，运用黏合材料，通过逐层打印和精确堆积制造出数字化实体模型^[21-22]。

由于骨科手术教学本身的特点，术前需要认真阅读患者的影像学资料(如X射线片、CT及MRI等)，术中需要对骨盆伤后解剖形态有充分了解。然而对于年轻学生，仅阅读影像学资料，难以形成感性和直观的认识。而3D打印技术则可将骨盆骨折打印成病变实体，得到的上述三维模型可以任意地旋转进行观察，可以在3个正交平面上实现任意平移旋转复位。因此对骨盆骨折部位的3D打印实物模型展示，使骨盆受伤机制、二维影像学改变、三维实物模型有机结合起来，加深了学生对典型骨盆骨折解剖形态及对应影像学特征的识别能力，更有利于学生快速掌握相关疾病的诊疗知识以及典型手术的复位方式，学会根据不同的分型确定相应的手术方案^[23-26]。同时在教师的指导下，学生可以在3D打印的骨盆骨折实物模型上进行骨盆复位架操作和骨折复位内固定练习，不仅有效地解决了因为伦理限制以及无菌要求等原因无法实施操作训练的难题，更使教学模式更加标准化，充分调动了学生们的主观能动性和学习热情，极大提高了学生的手术规划能力和实际动手操作能力^[27-29]。

3.3 骨盆移位计算软件在骨盆外架使用中的优势传统闭合复位过程中，主要依靠术者经验判断骨盆移位，相比之下，此软件可更加客观全面地判断骨盆移位情况，可重复性高，稳定性好。术前使用此软件辅助复位路径的规划，可增加闭合复位的精确性，减少闭合复位的手术时间和透视时间，并进一步降低患者的出血量及感染风险。学生们反映使用骨盆移位计算软件后，可在术前对骨盆骨折的移位情况形成整体认识，从而更易规划出合理的复位流程。教学评估结果也显示出学生们对典型骨盆骨折认识深度与手术方案制定能力有明显提升。

3.4 结论随着3D打印技术、计算机辅助外科理念在骨科临床的逐渐推广应用，以及作者开发的骨盆移位计算软件的逐步完善，使得年轻医生面对骨盆骨折闭合复位这一复杂术式，更加得心应手。尤其是在CBL教学模式的指导下，极大减少了年轻医生的学习周期，使其对骨盆骨折解剖结构、损伤类型的了解进一步加深，增强了其对病情分析和术前计划制定能力，提高了整个学习过程的学习兴趣，提高了年轻医生的自信心。

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