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膝关节是人体最复杂也是最重要的一个负重关节，是骨科教学中的一个难点和重点，膝关节的空间结构、血管神经走行以及肌肉的起止点等都需要用到影像学知识，但由于大部分临床专业学生缺乏对影像学知识的理解和熟练，故在骨科教学中很难将影像学知识渗透[1-2]。近年来，随着计算机科学和图像学的不断发展和应用，基于医学图像及计算机构造的三维人体膝关节模型被越来越多地应用于临床教学及科研，尤其是应用磁共振影像重建技术对膝关节各结构进行的三维重建，成果显著[3]。同时，科技的发展大大降低了三维打印的成本，这使得三维打印技术在临床教学及临床工作中得到广泛的应用。本文将阐述基于磁共振影像重建技术的三维打印膝关节模型在骨科临床教学中的应用，以提高骨科教学的水平和质量。

1 三维打印膝关节疾病模型的构建

基于磁共振影像重建技术的三维打印膝关节疾病模型的构建方法包含区域生长法图像分割、图像域值处理、轮廓插值及灰度插值等几个步骤，构建了包含胫骨、股骨、胫股骨端软骨及半月板5个部分完整的膝关节三维打印模型[4]。三维打印膝关节模型具有以下特点[5]：①胫股接触面的光滑程度比较好，可用于膝关节相关力学的分析，可使学生更好地体会膝关节力学的原理及力度。②该模型的构建源于活体膝关节的磁共振影像，可更加真实地反映膝关节的解剖机构和相对位置关系。学好骨科学必须先熟悉骨科的相关解剖知识，只有掌握了膝关节准确的解剖定位，才能根据患者相关症状、体征做出对膝关节相关疾病的正确诊断。③该模型包括胫股骨端软骨和半月板软组织，有利于进一步探讨其在膝关节运动中的运动规律及力学特性，能激发学生对膝关节的进一步研究，同时有利于加深学生对膝关节的理解和探讨膝关节未知的疾病。

在骨科教学中，要求学生学习的不仅仅是疾病的病因、定义、诊断及治疗等，更需要掌握及准确认识相关病变部位的解剖结构、空间位置、几何形状以及与周围组织器官之间的位置关系。在教学中，骨科学的教学一般安排在大三下学期或大四上学期，学生此时对大一学过的相关解剖学知识有所遗忘，因此如何将临床见习经验与基础理论知识相结合，并且能够学以致用，成为骨科教学工作中的一个重点及难点[6]。三维打印膝关节模型的构建，有利于学生对膝关节知识的记忆、理解和掌握，加深学生对膝关节解剖知识的理解，进而收到较好的骨科教学效果。

2 三维打印膝关节疾病模型与骨科教学

众所周知，传统的膝关节模型一般是参考正常的膝关节解剖形态而进行批量的制作，这种模型对专科生和本科生课堂上学习膝关节相关知识有一定的参考意义。但对于骨科学研究生及进修、实习医师而言，传统的膝关节模型就不能满足其对膝关节肌肉和骨骼解剖形态的要求。尽管二维影像、三维影像可以有助于临床医师获取视觉的信息，如X线、CT等，但是对骨科医生教学方面使用，缺乏模具的可操作性及立体直观性[7]，因此需要研究更直观、立体的模型，以满足骨科研究生的更高需求，提高进修实习生骨科教学的质量，同时将基于磁共振重建技术构建的三维打印膝关节与骨科膝关节教学病例相结合，并借助以往的膝关节教学经验，针对一些复杂的膝关节手术及相关病例制订诊疗计划及手术方案，对研究生、进修医生等开展个性化的教育尝试，使教学更精准，以达到教学相长，有效地激发学生的学习兴趣，提高临床教学的效果。

2.1 膝关节病例、教案设计的选择

骨科膝关节教案的设计需要更符合膝关节的专业基础知识，具有解剖基础且可以提高临床技能，又需要符合病例典型，使病例具有较高的代表性，反映出膝关节在临床中最常见疾病的病理解剖特点。同时，教学病例的选择与教案的选择，还需要采用多种方法以激发学生的学习兴趣和求知欲，体现出充足的知识性和实践性；而对教案中涉及的问题，需要充分地把握住问题的前沿性，且有一定的开放性，使学生能够通过病例，主动地阅读膝关节的相关知识，更好地了解膝关节临床治疗等方面的前沿专业理念和技术，有效地拓展学生的视野并激发其创新意识。对膝关节病例的问题设计，需要以开放的形式去设计，这样可以具备更好的延伸性及拓展性，学生不但能够针对问题进行思考，还可以去图书馆等查阅相关的文献，做到举一反三，真正理解膝关节的相关疾病及手术方案[8]。

2.2 临床骨科教学中三维打印膝关节模型的应用

一般骨科学的课程需要每周开展三次，每次为2个学时，其中教学资料包括选择好的病例、涉及的教案，教师还要结合目前临床工作中所遇到的典型真实案例，准备好教学资料，且需要案例的一般情况、相关影像及生化检查等资料[9]。在教学开始前，要让学生提前预习即将所学的膝关节相关疾病，进一步了解膝关节的相关知识，然后进入到医院病房中对真实患者进行病史询问采集、查体等。在膝关节教学内容的选择以及设计过程中，可加入一些对膝关节疾病认识有帮助的内容，在这些内容中，学生能够较好地扩展思维，并模拟临床实践，建立各种膝关节疾病的假设及诊断情况，提出见解。随后医生要开展开放式教学内容，组织学生进行病例的讨论，包括该病例的特点如何，此病例的影像学检查结果等，并让学生分析如何进行疾病诊断，需要与哪些疾病鉴别，引导学生积极发言，谈谈对该病例的诊断、治疗及预后，比如该完善什么检查，行什么样的临床干预，患者在治疗过程中可能出现的不良反应，是否有先进的治疗措施等。学生在讨论完成后，由一名学生进行总结，老师再向学生提供三维打印的膝关节模型，学生根据模型的特点对疾病进行观察，不断地对之前病例讨论结果进行修正和完善。一般来说学生观察膝关节实体模型之后，可进一步了解疾病的基本情况，提出更合理的治疗措施。在课程结束后，由一名或两名学生对本次病案进行总结和讨论，教师做出点评及补充修正。

2.3 三维打印膝关节模型的优势与教学效果的体现

①可以对病因和病理有更好的理解。此课程可以结合患者的临床症状、体征、生化学检查结果及影像学检查结果，对膝关节病例进行分析，随后借助三维打印膝关节模型，不断地对病例进行推敲和完善，将观察到的三维打印膝关节模型上的病理特点与患者的临床表现进行结合，再进行反复论证及讨论。学生通过上述系列的环节，可以初步了解膝关节病变损伤如何进行评估，如何分析膝关节畸形分度和分型，对膝关节的病例症状及体征反复地讨论并补充，能够提升学生对疾病的诊断分析能力[10]。此外，教师可以根据三维打印模型，对膝关节的解剖位置情况、手术治理措施等进行详细讲解，通过这种方法，可以更直观地向学生展示膝关节骨折、膝关节畸形和脱位等，有效地提高学生的学习效率，且使教学手段得以完善，提高了教学质量[11]。②三维打印模型可以利用解剖结构与空间结构情况，使临床骨科医师能够对相关的解剖知识和组织结构形态有更充分的理解和认识，而解剖学相关知识传统上是通过尸体解剖获得，之后就只能在临床实践中获得和强化。但是目前可以用于教学的解剖标本较少，学生实践的机会较少，因此，医学生及进修、年轻医生都希望可以在手术前获取更多的知识，得到更多的培训，使用二维图形和三维图形，不能够满足复杂的解剖结构需求[12]，培训作用较差。通过三维打印的膝关节模型可以在视觉、触觉和空间感觉三个方面帮助医生获取更多的膝关节相关知识，尤其对复杂的解剖结构及复杂的病例，这种模型优势更大。对复发的膝关节病例进行教学分析，如果可以将三维打印技术与临床教学相结合，那么就能够让学生直观且全面地认识膝关节的特点和形态，并通过临床实际情况，对教学效果进行验证且有利于提高教学质量[13]。③可以满足手术需求并进行模拟操作练习。在临床教学中不仅可以讲解膝关节疾病的主要特征和临床诊断方法，更需要对治疗措施进行重视。一般在理论课中，一个疾病多伴有多种治疗方法，但是作为骨科医生，不但需要考虑此患者可以使用哪些方法，还需要考虑哪种方法更符合患者的需求，进而选择最佳的治疗措施。使用三维打印模型，能够尽可能多地为学生提供真实的病例资料，使学生有模拟实践能力，亲自体会如何进行膝关节手术，并提高了学生的兴趣和参与性。同时，利用三维打印模型还可以在操作的过程中，让学生发现理论方面没有的细节，通过教师的补充讲解，可以更多地提高师生之间的互动，学习氛围更浓[14]。

3 模型的局限性

使用三维打印膝关节疾病模型仍然存在着一定的局限性。①目前的三维打印膝关节模型并不能较好地整合膝关节的穿支血管，无法较好地打印出肌肉起止等原有的膝关节软组织，因此用三维打印膝关节疾病模型并不能完全真实地重建病例的解剖结构[15]。②三维打印的膝关节模型价格较高，因此仅限于临床教学及临床工作中，尚不能做到人手一个，大范围地应用；另外，该模型只能选择择期手术的病例，因为模型的构建需要一段时间，无法对急症病例进行重建打印和模型教学[16]。

综上所述，三维打印膝关节疾病模型是一种能提升教学效果的实体模型，可以让学生更全面和直观地观察到膝关节病例的解剖情况和病变的特点，并有效掌握膝关节组织结构、膝关节各内部结构的位置和关系。利用模型进行操作，也可以提高学生的课堂活跃程度，有效激发学生的学习兴趣，对培养学生的个性化、综合性临床思维有较高的应用价值，且能够提高教学质量。随着磁共振影像重建技术三维打印的大众化，相信此技术可以更广泛地应用，骨科教学也可以进入更先进的个体化教学时代。

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