3D打印结合VR技术在骨科本科生临床教学中的应用

3D打印结合VR技术在骨科本科生临床
教学中的应用
[摘要]目的：探讨在骨科本科生临床教学中应用3D打印结合VR技术的效果，对骨科本科生临床教学方法的选择提供更多的参考依据。

方法：随机选择选取蚌
埠医学院第二附属医院2018级临床医学专业某班为研究对象，将学生随机分为
试验组和对照组两组，其中对照组共22名学生接受常规“师带徒”教学方法，
试验组24名学生则在临床教学中应用3D打印结合VR技术。

两组学生均在教学
任务完成后采用相同方式进行操作考试，所有学生均由同一名教师进行考核，内
容为操作的熟练度、准确度和有效性。

所有学生在考核完毕后再进行匿名问卷调查，对各组学习兴趣程度进行评分。

结果：与对照组相比，试验组学生的操作熟
练程度、准确度和有效性评分均显著升高，各指标的组间比较差异均具有统计学
意义（P<0.05）。

与对照组相比，试验组学生的学习兴趣程度显著升高，组间比
较差异具有统计学意义（P<0.05）。

结论：在骨科本科生临床教学中应用3D打
印结合VR技术，能够显著提升临床实际操作能力和掌握程度，能够显著增强学
生的学科学习兴趣。

[关键词] 3D打印；VR技术；骨科本科生；临床教学；联合应用效果
Application of 3D printing combined with VR technology in clinical teaching of orthopedic undergraduates
Zhang zhong-chuan． Department of orthopaedics，second affiliated hospital of Bengbu Medical College，Bengbu，Anhui，233000，China．
[Abstract] Objective: To explore the effect of 3D printing
combined with VR technology in clinical teaching of orthopaedic undergraduates, and to provide more reference basis for the selection
of clinical teaching methods of orthopaedic undergraduates. Methods: a
class majoring in clinical medicine of grade 2018 in the Second
Affiliated Hospital of Bengbu Medical College was randomly selected as the research object. The students were randomly pided into two groups: the experimental group and the control group. A total of 22 students
in the control group received the conventional "teacher and apprentice" teaching method, and 24 students in the experimental group applied 3D printing combined with VR technology in clinical teaching. The two groups of students took the operation test in the same way
after the completion of the teaching task, and the same teacher judged and compared the proficiency, accuracy and effectiveness of the two groups of students; The two groups of students were investigated by anonymous questionnaire to compare their interest in learning. Results: Compared with the control group, the scores of operation proficiency, accuracy and effectiveness of the students in the test group were significantly higher, and the differences of each index between the groups were statistically significant (P<0.05). Compared with the
control group, the learning interest of the students in the test group was significantly increased, and the difference between the groups was statistically significant (P<0.05). Conclusion: The application of 3D printing combined with VR technology in the clinical teaching of orthopaedic undergraduates is not only helpful to improve students' practical operation ability and level, but also helpful to improve students' learning interest.
[Key words] 3D printing; VR technology; Undergraduate students in Orthopedics; Clinical teaching; Combined application effect
随着本科医学教育全球标准[1]和全球医学教育最基本要求[2]的相继出台，使得我国医学教育工作尤其是本科临床教学工作需要在本土化的基础上，需要不
断顺应时代发展，逐渐向医学教育标准全球化进行靠拢。

教育部和卫生部联合发
布了本科医学教育标准临床医学专业(试行) [3] , 更是为各大医学院校响应国际
医学教育发展趋势进行改革建设，以及不断提高医学临床教学质量的教学方法创新奠定了基础[4]。

与其他学科相比，骨科本科生临床教学具有较高的难度，一方面是学生无法通过短暂的学习去掌握临床复杂多样的骨科疾病临床表现，另一方面则是由于尸体标本的数量有限，导致学生仅依赖模型无法掌握临床骨科实践操作的细节，导致学生在实践操作以及学习兴趣上大打折扣[5]。

3D(three-dimensional)打印技术是将目标结构的数值化信息经过特殊处理，建立三维模型图像，输入3D打印机构造出立体实物模型的技术[6]；虚拟现实技术(virtual reality，VR)通过计算机技术作为支持，利用配套的软件和硬件设备实现虚拟现实，为使用者提供身临其境的三维虚拟场景，让使用者能够从视觉、听觉、触觉等方面来获得具有感知性、沉浸性、交互性和构想性等特征。

VR这种优势在医学领域中得到了广泛的应用，尤其在手术训练中可以为更多的练习者提供高效、真实的操作获得使用者的青睐和选择[7]。

为进一步探讨在骨科本科生临床教学中应用3D打印结合VR技术的效果，对骨科本科生临床教学方法的选择提供更多的参考依据，本文特进行专题研究，现将相关内容进行总结并报道如下。

1资料与方法
1.1 一般资料
随机选择选取蚌埠医学院第二附属医院2018级临床医学专业某班为研究对象，纳入标准：①均为通过全国高等院校考试并录取入学的学生；②均完成前期主要医学基础课程的学习且考核成绩均在合格及以上；③均完成相同教学目标的临床教学任务。

排除标准：①长期请假的学生；②中途转入的学生；③中途转出或退出的学生。

其中其中对照组共22名学生接受常规“师带徒”教学方法，试验组24名学生则在临床教学中应用3D打印结合VR技术。

对照组中男生和女生的例数分别为12例、10例，年龄分布区间最小值18岁，最大值20岁，平均年龄（19.76±0.29）岁；试验组中男生和女性的例数分别为13例、11例，年龄分布区间最小值18岁，最大值20岁，平均年龄（19.54±0.37）岁。

两组学生一般资料相关指标的组间比较均无统计学意义（P>0.05）。

1.2 方法
对照组学生均在教师的指导下，严格按照临床骨科教学大纲的内容进
行常规“师带徒”的传统方法教学，即带教老师先对相关教学内容进行细致讲解，运用模型和PPT以及播放相关临床教学录像视频等方式，再由学生到实验室中选
择相应的标本进行相关内容的模拟和练习，整个过程中学生需要严格遵循教师的
指导和要求，进行模仿。

试验组学生则在此基础上采用3D打印结合VR技术仿真教学模式，首先由带
教老师完成常规的教学内容介绍后，指导学生利用 3DS Max（3D Studio Max）
等建模软件对所学习的骨骼结构进行建模，其中对所学习到的骨科相关骨骼的造
型数据获取均由学生利用现有的文献资源以及实验室模型进行自行测量并记录关
键数据；再将所有数据录入到模型文件中并导入 Unity3D 软件，利用软件进一
步进行赋予其物理特性以及相互关系，然后借助3D打印技术完成特定模型的3D
打印，再由学生进行模型的解释以及形成进行介绍，加深学生对模型的理解以及
产生原因的剖析能力。

最后，带教老师指导学生再应用HTC Vive 头显和VR 手柄，借助虚拟现实硬件交互设备来体验虚拟手术操作，即学生通过该设备模拟手
术场景，并在头显和手柄的协助下完成相应的模拟手术，进一步提高学生对骨科
常见疾病的手术治疗过程的体会和提高学生的实际应用能力（见附图）。

1.3 观察指标及疗效标准
两组学生均在教学任务完成后采用相同方式进行操作考试，所有学生
均由同一名教师进行考核，内容为操作的熟练度、准确度和有效性。

各个项目的
满分均为100分，得分越高则该项目的掌握程度也越高。

对两组学生进行无记名
问卷调查，比较两组学生的学习兴趣程度，问卷包括学习兴趣浓厚、一般和没兴
趣三个选项，学生对临床教学的兴趣度为评价为浓厚和一般的学生之和占总例数
的百分比。

1.4 统计学方法
所有研究数据均录入到Microsoft 2016版Office Excel软件中进
行保存，并利用SPSS 22.0版统计学软件进行数据处理。

n或%和(±s)分别表示
计数资料和计量资料，并分别开展x2检验和t检验；均以P<0.05表示存在统计学差异。

2结果
2.1 两组学生在操作考试评判结果的比较
与对照组相比，试验组学生的操作熟练程度、准确度和有效性评分均显著升高，各指标的组间比较差异均具有统计学意义（P<0.05）。

见表1。

表1 两组学生在操作考试评判结果的比较（分，±s）
组别
例
数
熟练程
度
准确度有效性
对照组22
89.58±
6.25
84.17±10
.16
90.56±6.
23
试验组24
94.47±
2.21
93.15±5.
58
96.25±2.
44
t 3.476 3.669 4.011
P0.0020.001<0.001
2.2两组学生对临床教学兴趣程度的调查结果比较
与对照组相比，试验组学生的学习兴趣程度显著升高，组间比较差异具有统计学意义（P<0.05）。

见表2。

表3 两组学生对临床教学兴趣程度的调查结果比较（n，%）
组别
例
数
浓厚一般
没兴
趣
兴趣度
（%）
对照组221066
16
（72.73）
试验组241680
24
（100.00）
t 5.315
P0.021
3讨论
临床教学的主要任务一方面是通过实际案例的分析和操作来不断巩固和提高医学生对专业知识的掌握和理解程度，另一方面则是需要通过临床教学来让医学生熟悉临床操作流程和方法，为将来的实习、工作奠定基础。

然而随着医学生数量的增加，使得传统本科生临床教学的缺点和不足日益显露，尤其是传统利用尸体标本上练习骨科手术操作的教学方式已经不适用于目前紧缺的尸体标本资源的现状；此外本研究在多年的临床教学工作中发现，随着骨科手术方式和手术器械不断革新，也使得本科生需要更多的时间和实践机会才能掌握这些新的技术和器械，但相对较短的临床带教时间也大大降低了骨科本科生的带教效果。

随着人工智能技术的发展，新的人工智能技术不断涌现并逐渐应用于临床，如高鹏等[8]在研究中指出针对临床骨科教学的难点内容-重度下肢畸形矫正，通过引入3D打印技术及虚拟现实(VR)技术不仅能够弥补传统教学模式的不足，而且还能够限制提高教学效果。

本研究在结合本院实际临床骨科教学的需要以及针对现阶段骨科本科生临床教学方法的改革，决定进行新技术的引入和应用，从而推动传统培训模式的革新[9]。

由此可见，本研究的开展符合临床实际带教工作的需要，符合时代发展的特点。

本研究结果显示与对照组相比，试验组学生的操作熟练程度、准确度和有
效性评分均显著升高，这与杨淑野等[10]的文献报告中获得了相一致的结果，说明
本研究所开展的3D打印技术及计算机辅助骨科手术的应用对提高临床骨科学生
的带教效果具有明显的提升效果。

分析原因是因为通过3D打印技术不仅能够实
现1:1的打印实体模型，尤其是借助影像资源数据模拟出逼真的视觉、触觉和实
体感为一体化的三维立体模型，对于缺乏临床实际操作经验的骨科专业学生而言，能够实现骨性结构的“场景再现”，从而满足在骨科临床教学中可触摸、可感知、可互动和可操作等特征；而且为骨科带教学生构建起形象、生动、逼真和简洁方
便的学习环境，即有利于教师的教学，更能启发学习者的思维，提高其操作技能。

此外，本研究发现与常规仅依赖标准化的统一模具相比，通过学生自行通过查阅
资料以及结合病案等方式后，再利用3D打印所获得的个性化的实体模型，不仅
有助于学生通过结合影像资料进行观察、分析和对比讲解与反思，即可以轻松指
导读片，理解影像检查内容，明确术前诊断，确立手术方案，可以把3D模型看
成患者本身的疾病再现，可以全身心地投入到技能训练中而不必担心对患者造成
伤害，具有可重复性；又能够让学生在3D教学模型中进行观察和操作，可以在
模拟练习中不断进行调整，从错误中取得临床经验，直到熟练掌握手术技巧，从
而降低了教学成本，提高教学质量，增加了教学的形象性和学习的趣味性[11]。

骨科临床带教工作的难点除了让学生能够加深对骨科常见模型的认知外，最
重要的是让学生能够在有限的时间内了解和践行骨科的常见手术，这对现有的传
统骨科临床带教而言，根本无法实现。

为此王兴国等[12]在内蒙古医科大学第二附
属医院实习的医学生分别开展传统教学和利用三维数字化重建及打印技术技术打
印出患者复杂骨折模型，再经数字化再现骨折分型，之后指导学生通过骨折模型
制定科学手术方案，结果不仅有效提高实习生操作技能与理论知识水平，而且还
提升学生的教学满意度。

本研究在开展过程中也意识到临床骨科带教开展手术教
学的重要性，因此引入了VR技术。

该技术利用虚拟仿真技术实现了人与计算机
之间无缝对接，将原本属于计算机软硬件的数据信息如图像、多媒体等以虚拟现
实的方式展现在使用者的感知中，让使用者通过接近真实的视、听、嗅、味等方
式来获得更为真实的信息来获得真实的交互体验；同时操作者也能够利用配套软
件以及硬件装置来获得与真实体验完全相同的感受[13]。

在骨科临床教学中运用VR
技术能为学习者构建起形象、逼真的学习环境，启发操作者的思维，提高操作者
的技能，而且虚拟解剖学能够将骨关节、脊柱及周围相关结构等数字形式以VR
形式展示在学生面前，为学生提供真实可触摸的感受，从而让学生能够在硬件和
软件支持下对神经组织的解剖结构、重点神经的走向、毗邻组织和血管的形态和
走向以及肌肉和附属组织进行辨识和操作[14]。

本研究在临床带教教学实践中发现，学生可以在VR模型的支持下，不仅提高了真实感，使得学生能够反复的进行指
定项目的练习和操作，而且还能够根据每个学生的掌握程度进行个性化的设置，
为学生操作技能的掌握程度提供丰富的感官支持和实践联系，让学生既能够满足
身临其境的体验感，又能够大幅降低学校在该项目上的费用支出，提高了学生的
学习兴趣[15]。

因此本研究结果显示试验组学生的学习兴趣程度较对照组的72.73%显著升高到100.00%。

综上所述，3D打印技术及VR技术集解剖结构、诊断分型及手术治
疗为一体，实现了知识的全面整合，弥补了学生对骨科疾病的感性认识，具有传
统教学模式难以企及的优点，体现了良好的教学前景，将成为骨科临床教学发展
的必然趋势。

我们将虚拟现实技术应用于骨科临床教学中，极大地激发学术的学
习兴趣及主动性，使学生更好地了解及掌握骨科操作要点，从而显著提高骨科临
床教学效果，并为虚拟仿真教学在外科学其他学科临床教学的应用和推广提供一
定的理论和实践依据，因此值得进行推广应用。

蚌医二附院骨科3D打印实验室及设备
HTC Vive 头显和VR 手柄及3D打印模型
虚拟现实硬件交互设备体验虚拟手术操作
参考文献：
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基金项目: 蚌埠医学院 2020年校级质量工程重点项目( 项目编号:
2020fyjyxm16) ，蚌埠医学院数字骨科技术研发与应用创新团队项目( 项目编号: BYKC201911) ，安徽省重点研究和开发计划项目( 项目编号: 1804h08020247)。