2.1  参与者数量分析  30名操作者均顺利完成手术操作，全部进入结果分析。

2.2  操作时间及置钉成功率  30名操作者每人共前操作10次，前期(前5次)平均手术时间为(100.00±12.67) min，后期(后5次)平均为(83.50±10.14) min，差异有显著性意义(t=20.67，P=0.00)，操作时间呈递减趋势；手术置钉准确率如表1所示，前期手术置钉成功率(包括Ⅰ级、Ⅱ级置钉)为88.53%，失败率(Ⅲ级置钉)为11.47%；后期手术置钉成功率为97.47%，失败率为2.53%，前、后期成绩对比差异有显著性意义(χ²=20.68，P=0.00)。

腰椎弓根螺钉置钉常用于腰椎骨折、退变、结核及肿瘤等疾病，该技术是骨科医生必须掌握的常规操作技术。然而，腰椎弓根螺钉置钉风险高，置钉失败造成血管神经损伤后果严重^[1]。传统的“传帮带”培养方式学习曲线长，效率低，操作标本少，手术操作机会极其有限，以长时间观摩学习为主，极大地阻碍了低年资脊柱外科医师学习掌握该技术^[2]。

随着3D打印技术的快速发展，3D打印技术广泛应用于临床辅助手术、临床教学、医患沟通等方面^[3-6]，特别是通过3D打印技术制作腰椎实体模型完美解决操作标本少的问题，为低年资骨科医师提供各种可操作模型^[7-11]。PARK等^[11]通过3D打印技术制作同比例大小的3D打印腰椎模型，让没有腰椎弓根置钉经验的2名骨科医师在该模型上模拟腰椎弓根螺钉置入手术，2名低年资骨科医师通过多次模拟手术培训后在3D打印腰椎模型上置钉成功率明显提高，操作时间也明显缩短，表明3D打印模型在临床手术培训方面作用明显。BURKHARD等^[12]的研究表明，通过3D打印技术制作的腰椎骨骼模型，可以通过调节打印椎体组织的骨骼密度，让3D打印腰椎骨骼模型与真实的骨组织密度相近，如模仿骨质疏松的骨组织、致密的骨组织等。

由于3D打印技术对软组织的重建能力较差，3D打印技术的优势受到一定限制。原因在于腰椎骨组织包裹于肌肉软组织当中，周围有丰富的血管神经，以往的手术模型大多仅包含骨骼，没有软组织的覆盖包裹，明显降低模拟手术的难度及仿真性^[13-15]。因此，试验基于3D打印技术构建仿真腰椎手术模型，探索该模型用于低年资骨科医师腰椎弓根螺钉置钉手术培训的可行性。

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

1.1  设计  前瞻性试验研究。

1.2  时间及地点  试验于2018年1月至2019年6月30日在自贡市第四人民医院骨科完成。

1.3  对象  在自贡市第四人民医院进修学习、规培的30名低年资骨科住院医师为试验对象(以下简称操作者)。研究经自贡市第四人民医院伦理委员会审核通过，采集患者腰椎CT数据时患者及家属均对研究享有知情同意权并签署了知情同意书。

纳入标准：①在自贡市第四人民医院进修学习、规培的30名低年资骨科住院医师；②无腰椎弓根螺钉置钉手术经验。

排除标准：有单独行腰椎弓根螺钉置钉手术经验者。

1.4  材料  128排螺旋CT(西门子公司，德国)，CT扫描条件：电压120 kV，电流182.25 mAs，层厚0.625 mm，矩阵512×512像素，扫描层厚0.625 mm。Mimics 21.0软件(Materialise公司，比利时)，国产 FAB 460型3D打印机(3Dtalk公司，中国)，打印材料为国产PLA(polylactic acid，聚乳酸)，橡皮泥(金华市淘淘乐有限公司，中国)。

1.5  方法

1.5.1  3D打印仿真腰椎手术模型的制作  于自贡市第四人民医院影像科收集正常的腰椎CT DICOM数据10例，导入Mimics 21.0软件中，通过“阈值选取工具”，选定最低阀值为226，获得腰椎原始蒙罩。通过“分割蒙罩”将腰椎蒙罩分离生成新蒙罩，选择软件默认的最佳质量进行三维重建。在3D腰椎三维模型的头端及尾端设计梯形底座，通过3D打印技术同比例打印上述腰椎实体模型(图1A)。每个DICOM数据打印30个模型，共计300个模型备用。

用朱红色橡皮泥模拟人体肌肉包裹腰椎实体模型，塑造成人体腰部大致模样，再置于塑料盒中(图1B)，用肉色布料缠绕模拟人体皮肤，构建出3D打印仿真腰椎手术模型(图1C)。

1.5.2  腰椎弓根螺钉置钉手术培训操作  30名操作者随机抽取1具3D打印仿真腰椎手术模型，并独立在模型上行腰椎弓根螺钉置钉手术(图2)：将模型置于手术台，在C型臂下透视定位腰椎节段，常规消毒铺巾，切开“皮肤”，暴露“脊柱椎板、关节突、人字嵴顶点”等解剖结构(图2F)。根据每个模型对应的X射线、CT等影像资料，参考人字嵴顶点、横突、椎板外缘等解剖结构，依次确定L₁至L₅进钉点位置，打入定位针10枚(图2G)。C型臂正侧位透视确定定位针位置、方向，并适当调整定位针位置、方向至满意。拔出定位针，依次经开口、扩孔、攻丝、触探孔壁，分别按原方向拧入椎弓根螺钉10枚(图2H)，C臂透视正侧位确认螺钉位置(图3)。每位操作者每天操作培训1次，连续操作培训10 d。操作完成后手术模型行腰椎CT检查(图4)，最后取出腰椎实体模型，分析总结手术过程得失：如椎弓根解剖结构特点、进钉点的选择、螺钉方向等注意事项。

1.5.3  评估标准  从切开“皮肤”开始计时，完成10枚腰椎弓根螺钉置钉截止，记录每位操作者的操作时间。手术操作完成之后行腰椎CT检查，评估置钉准确性，按3级分类^[16-17]：椎弓根钉完整在椎弓根内为Ⅰ级(优)；突破皮质≤2 mm为Ⅱ级(良)；突破皮质> 2 mm为Ⅲ级(差)。Ⅰ、Ⅱ级表示置钉成功，Ⅲ级表示失败。记录30位操作者每次操作时间和置钉级别、置钉成功率。

1.6  主要观察指标  椎弓根螺钉置钉准确率及手术操作时间。

1.7  统计学分析  采用 SPSS 19.0统计软件进行分析。计量资料以x(_)±s表示，组间比较采用独立样本t 检验。计数资料以率表示，组间计数资料比较采用χ²检验。

腰椎弓根螺钉是临床中常见的脊柱内固定装置，为腰椎提供牢靠的三柱稳定，腰椎弓根螺钉置入术是每位脊柱外科医生必须掌握的基本操作。腰椎弓根螺钉内固定存在较多的风险及并发症，如神经血管损伤、螺钉松动断裂、伤口感染等^[18-22]。目前临床上常用的腰椎弓根置钉方式以徒手置钉为主，徒手置钉的准确性和安全性更多的依靠于临床医生的经验，低年资住院医师临床经验缺乏，难以在短时间内掌握该技术^[23-27]。而且供低年资住院医师可操作的脊柱尸体标本非常少，尸体标本病种单一，极大阻碍低年资住院医师学习该技术的效率^[2]。按照传统的“传帮带”方法，在上级医生带领下学习椎弓根置钉技术，无疑会增加手术置钉失败、造成血管神经损伤等风险^[28-30]。

随着3D打印技术的崛起解决了操作标本少的问题，WANIBUCHI等^[31-32]构建的3D打印手术模型都是直视下在这些模型上模拟手术，仿真性较差，原因在于这些手术模型仅重建了骨骼结构，忽略了软组织重建及模拟软组织暴露环节。在真实的手术操作中软组织暴露环节非常重要，通过暴露部分椎板骨组织联想整个腰椎形态，考验住院医师的空间联想能力、解剖熟悉程度。相比于PARK等^[11]的研究，此次试验设计的3D打印仿真腰椎手术模型充分考虑到腰椎的软组织结构，操作时增加暴露软组织环节，模拟手术将橡皮泥从椎体附件组织上剥离接近真实手术操作，同时锻炼操作者的空间联想能力，熟悉掌握腰椎解剖结构。让住院医师切身感受腰椎弓根螺钉的置钉全过程，体会螺钉的进钉点、进钉方向，从而培养良好的“手感”。

试验构建的3D打印仿真腰椎手术模型模拟手术与临床真实腰椎弓根置钉手术过程相似度高，术中软组织暴露、螺钉进钉点的确定、Mark置入、C臂透视、螺钉置入等重要操作过程均能在模拟手术中体现，术中C臂透视清晰可见模型的椎弓根、椎体、关节突等重要解剖结构的投影(图2)，术后CT检查结果均与真实临床手术相似(图3、4)。住院医师通过在仿真腰椎手术模型上练习腰椎弓根置钉过程，置钉准确率越来越高，操作时间越来越短，操作越来越熟练，表明操作者操作能力均有所提升，可见该模型用于临床手术培训有效性可靠。

传统的临床手术学习一般是在上级医师指导下完成一些从容易到困难的手术，上级医师“放手不放眼”，学习曲线漫长，而且对患者而言会增加手术风险，稍有不慎将引发医疗纠纷。此次研究构建的3D打印仿真腰椎手术模型，手术操作过程与真实手术相似，操作者可大胆独立操作，有益于提高低年资住院医师的手术技能、自信心，可引发其浓厚的兴趣，这种以3D打印仿真腰椎手术培训模型值得在各级医院、院校推广。

此次研究使用的聚乳酸打印材料在密度、韧性、硬度等特性方面还没有完全达到与骨骼组织一致(目前还没有研究出与骨组织完全一致的材料)，而且椎体骨组织既包括皮质骨，又包括松质骨，完全模拟椎体骨组织的特性还有一定难度，还需在打印材料方面进一步研究。因此，在模拟操作置钉手感方面还是与临床实际中的手感有一定区别。但是根据此次研究的实际情况来开，虽然手感有区别，但区别差距不大。如图5模型的CT所示，该模型的椎体骨组织同样有“皮质骨”和“松质骨”两大部分，坚硬的“皮质骨”在CT上显示为高密度，疏松的“松质骨”在CT上显示为低密度，螺钉为金属故为超高密度。在模型“皮质骨”上开口是比较容易的，突破“皮质骨”后就进入“松质骨”部分，进而扩孔、攻丝、触探孔壁、置钉等操作比较容易实现。而且可以通过设置3D打印软件骨骼模型参数，调节打印椎体模型的骨骼密度，让3D打印骨骼模型与真实的骨组织密度相近，如模仿骨质疏松的骨组织，致密的骨组织等。

个人体会在开口、扩孔、触探孔壁、置钉等操作过程中与临床实际操作手感比较接近的，区别较大的部分是在攻丝过程中，由于3D打印材料硬度较大，容易将椎体撑破，所以最好是逐级攻丝。虽然该模型与临床实际中的手感还没法完全一致，但是已经比较接近，而且该模型是用于模拟手术及手术培训，同时在该模型上依次开口、扩孔、攻丝、触探孔壁、置钉等步骤与真实手术操作过程一致，已达到手术培训目的，因此该模型还是比较具有临床应用研究价值。

总之，该手术培训模型仿真性高、可行性强，为低年资骨科医师提供非常良好的手术操作模型。同时，在使用该模型中有以下注意事项、待完善之处：①3D打印仿真腰椎模型的准确性很大程度上取决于医院CT设备、3D打印机器的性能，设计人员的熟练程度等；②目前使用的3D打印材料还不能完全实现骨组织的质地、手感，在手术操作时需将钉道攻丝到足够大，否则椎体模型会破裂。材料质地较硬，骨皮质不易穿破，以致低年资住院医师置钉成功率也很高；③用质地比较稀的橡皮泥包裹腰椎实体模型，使两者包裹更加良好，更能增加从椎板上暴露肌肉软组织的真实性；④该模型没有设计血管、神经组织，而且成本角高，为毁灭性操作，不可重复操作，有待下一步的研究完善。

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

文题释义：
3D打印仿真腰椎手术模型：利用3D打印技术打印同比例大小的腰椎实体模型模拟骨骼组织，用橡皮泥模拟肌肉组织，用布料模拟皮肤组织，构建出包含“骨骼、肌肉、皮肤”的3D打印仿真腰椎手术模型。
模拟腰椎弓根螺钉置钉手术培训：将橡皮泥从椎体附件组织上剥离下来，模拟真实手术剥离软组织操作过程，然后在模型上进行椎弓根置钉操作，锻炼操作者的操作能力及空间联想能力。让操作者切身感受腰椎弓根螺钉的置钉全过程，体会螺钉的进钉点、进钉方向，从而培养良好的“手感”，达到手术培训目的。

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

随着3D打印技术的崛起解决了操作标本少的问题，WANIBUCHI等^[32-33]构建的3D打印手术模型都是直视下在这些模型上模拟手术，仿真性较差，原因在于这些手术模型仅重建了骨骼结构，忽略了软组织重建及模拟软组织暴露环节。在真实的手术操作中软组织暴露环节非常重要，通过暴露部分椎板骨组织联想整个腰椎形态，考验住院医师的空间联想能力、解剖熟悉程度。

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