3D打印技術在醫學教學應用中的研究進展①

楊小蓉，羅 亞，黃仕美，汪元河，萬 雯

（貴州醫科大學 法醫學院，貴州 貴陽 550005）

現代教育改革讓我們從以教師講授、學生聽課為主的傳統LBL教學模式（Lecture-based learning）逐步向以問題為基礎、以學生為中心的PBL（Problem-based learning）教學模式和以案例為基礎、引出問題的CBL（Case-based learning）教學模式轉變，使學生對基礎知識的理解能力及運用能力有了較好的提升。但無論是以問題為基礎、以學生為中心的問題式教學模式，還是以案例為基礎引出問題的案例式教學模式對于醫學教育而言均具有局限性。醫學教育重在培養學生的實際動手操作能力，例如內科的體格檢查、外科的手術操作、新生兒科的復蘇效果判斷等均要求醫學生具有熟練的操作手法和技巧。醫學教育中因尸源的減少、技能訓練破壞尸體后無法二次使用、固定液對人體標本的傷害、特殊病例標本稀缺等因素，極大地限制了現代醫學生實際操作能力的提升。

3D打?。═hree dimensional printing，3D printing）是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，它是快速成型技術的一種，又稱增材制造。設計者可以通過對打印對象三維掃描或者多角度拍攝照片獲得數字模型文件，也可用軟件或網絡的素材自由設計后保存為數字模型文件；然后再將材料一層一層噴涂或熔結到三維空間，打印出模型；最后對模型進行打磨、修整、上色等，最終得到3D打印成品。也就是說，我們可以通過數字文件運用3D打印機直接打印或復制出任何實物。目前3D打印技術已廣泛運用于汽車、服裝、建筑、娛樂等多個領域，現將3D打印技術在醫學教育中的運用情況進行概述，以期為更多有意向投入該項研究工作的學者提供較為全面的、綜合性的信息。

一、3D打印技術在醫學教學中的應用現狀

（一）3D打印技術應用于醫學教學多個學科

醫學院校培養醫學生需從人體構成、生理及疾病特征、治療措施、具體操作、治療效果，甚至包括預后判斷等構建全方位知識體系，才能使其滿足將來工作崗位的需求。傳統的文字、圖片、視頻等的教學方式很難達到上述需求，這就對教學模式提出了更高的要求，教學過程中需要提供逼真的模型展示以提高學生對基本知識的認識和掌握，用可反復操作的病例以提升學生的實際動手能力。3D打印以其特有的復制技術已經在多個學科的醫學教學活動中發揮著重要的作用。

在解剖學教學中，運用3D打印技術構建全尺寸手、足、心臟模具，打印肺段模型、肝臟實體模型，用不同顏色的材料構建血管、神經走行的3D打印模型，引導學生對3D打印教具進行立體觀察學習，更加直觀、深刻地掌握人體解剖結構。在骨科教學中，研究者們構建骨盆骨折、脊柱畸形、髁狀突骨折等3D模型運用于教學實踐中，醫學生可以通過模型判斷骨折/畸形的方位、角度，為后期制作治療方案提供可行的信息，相較于影像學資料如X片、CT片更加立體、直觀。在耳鼻喉及口腔醫學教學中，構建“中耳仿真模型”“咽淋巴環模型”“喉腔精細解剖模型”等解剖模型；同時3D打印技術也運用于口腔修復學實驗教學[1]、眼耳鼻咽喉科臨床教學[2]等，耳鼻咽喉、眼科及口腔科教學中學生最不易掌握的是其精細的解剖結構及復雜且易于損傷周圍組織的手術操作，當然這對3D打印的教具也提出了更高的要求。

了解并掌握人體正常解剖結構的最終目標還是為了認識和處治疾病，那么3D打印技術又是怎么幫助醫學生認識疾病病例、了解疾病種類并設計治療方案的呢？那就是對典型病例或手術操作方式進行反復演練，以提高手術成功率。無論是基礎教學還是臨床教學，均逐步引入3D打印技術，且取得較好的成果。在顱腦外科教學中，王林等[3]將臨床上獲取病人顱內的血管病、腫瘤、腦損傷等疾病病例制作成3D打印模型供學生或低年資醫生學習，使其對術前手術設計、解剖結構、疾病特征形成更加清晰、直觀、形象的認識，甚至可以讓學員在3D打印的模型上模擬手術過程并反復操作練習。在新生兒科教學中，進修生可以在3D模型上進行心肺復蘇，并可根據心電監護觀察其效果，這對于提高醫生的技能、實際搶救經驗并切實提高搶救成功率均具有重要作用。

（二）醫學教學中3D打印技術建模方式

從建模數據來源來說，正常人體模型建模數據通過三維掃描遺體捐獻者正常組織、器官或對正常人體進行CT、MRI、CTA、DSA等檢查獲得DICOM格式的影像學數據，然后將數據轉化為STL格式存檔，最終用3D打印機打印出來。對于疾病病例尤其是臨床特殊罕見病例，以往制作的標本不易于長久保存而損壞，但現在臨床可通過各種方法獲取三維數據，并打印出疾病模型。艾松濤等用手足、心臟薄層CT掃描圖像數據建模，黃凌凌等[4]將3D打印技術結合臨床圖像存檔與傳輸系統（PACS）打印病例模型，宋光等[5]將正常人及先天性心臟病病人的三維超聲心動圖像入GE EchoPac工作站后獲取3D容積圖像，將其以DICOM格式導出，上述方法均可獲得病變組織器官的三維建模數據。

（三）3D打印技術與多種教學模式相結合

從教學方法來說，李珍珠等[6]等運用3D打印技術將臨床動脈瘤影像資料利用MIMICS軟件建模后打印出模型，結合PPT教學；吳松等[7]通過3D打印技術制作個性化聚丙烯樹脂心臟病變三維立體模型，配合PBL教學；秦杰等[8]在留學生骨科臨床教學中運用3D打印輔助CBL教學方法；杜友利等[9]在介入科見習醫生臨床教學中使用Sandwich教學法聯合3D打印技術。研究者試圖將3D打印技術與所有傳統的與先進的教學模式相結合，為構建全新的教學方式提供實踐基礎。事實證明，在傳統的PPT或新引入的PBL、CBL等教學模式基礎上運用3D打印模型教學，很大程度地提高了學生的學習興趣、學習效率、實際操作能力及處理解決病例的能力，對于醫學教育具有不可替代的作用。

（四）教學效果評價指標

從教學效果評價指標來說，一般以考核和問卷調查兩種方式進行，考核又包括?？评碚摽己?、臨床思維能力和外科操作考核，需考核答題時間和總體分數。問卷調查可設立如學習積極性、學習能力培養、提升學習興趣、提高學習效率、3D教具是否更有助于理解所授知識、模具質量、滿意度（包括教學資源滿意度、教學過程滿意度、教學效果滿意度、總體滿意度）調查等，問卷可采用李克特量表（5級）計分，“5”分表示“非常滿意”，“4”分表示“比較滿意”，“3”分表示“一般”，“2”分表示“不滿意”，“1”分表示“很不滿意”。效果評價可使用兩種方法，一種方法都設立陰性對照組和陽性組，兩組教授同一教學內容，陰性對照組使用其他教學方式，陽性組在其他教學方式上附以3D模型教具同時教學；另一種方法是陰性對照組和陽性組為同一批次學生，先使用其他教學方式教授一個內容，再加上3D模型教具教授另一個內容，分別評價其效果。第一種方法可減少因教學內容難度不同而引起的誤差，第二種方法可減少因學生接受能力不同而引起的誤差，兩種方法可同時使用以便更準確地判斷教學效果。

（五）材料選擇

從3D打印模型材料選擇來說，有研究者利用熱塑性彈性體（TPE）材料打印仿真皮膚，乙烯-丁二烯共聚物（ABS）打印顱骨，混合硅膠和明膠打印組織和臟器，聚乳酸（PLA）材料打印脊柱模型[10]，光敏樹脂打印手、足、心臟，對于寄生蟲類生物可采用聚己內酯（PCL）打印[11]，其已在抗腫瘤藥物的載藥材料、骨組織內固定支架材料以及輸尿管生物材料等眾多醫藥領域中作為3D打印的適宜物質而得到廣泛的應用[12]。研究者可根據材料性能、需求、經費進行適當選擇。

二、3D打印技術在醫學教學應用的現實意義

3D打印技術的引入極大地擴充了教學資源，由于傳統觀念的影響和法制的健全，示教尸體資源越來越稀缺，尤其是部分典型病例組織在術中有破壞，或是由于臟器修復后而不能了解其原始狀態。通過3D打印技術，可打印出正常人體模型供學生解剖以了解其結構，可打印出臨床病例供學生思考解決辦法及訓練技能，可打印恢復后的病例供學生評價各種治療方案，甚至可以打印法醫病理學尸體解剖中發現的治療失敗病例以供學生制訂預防措施，等等。試想，如果構建不同性別、不同年齡的正常人體模型數據庫，如果將臨床的所有病種病例資料均以三維建模數據保存并建立數據庫，如果將尸體解剖中診療過失導致死亡的病例資料制作成模型，這將極大豐富教學資源并減少教學資源浪費，對我國的醫學發展將會起到前所未有的推動作用。

3D打印技術的引入有利于提高醫學生的實際操作能力，相比圖片、視頻，實物更具有沖擊力，可有效調動學生的實習興趣，實際動手操作和反復練習對技能的提高是其他任何教學模式所不能替代的，數據庫病例知識的積累也避免了首次接觸病例的不知所措和誤診誤治。

3D打印技術的引入可增加手術成功率，疑難病例可首先在模型上操作并可判斷治療效果，待確認方案可靠后再進行手術，從而降低失敗風險，也有利于新方法的研究。

三、結語

3D打印技術在醫學教學中已逐漸開始小范圍試用，均取得了良好的效果。但適合醫學教學使用的打印材料如TPE、UV樹脂、水凝膠等因其成本高昂而難以普遍使用；同時有部分醫學教研機構對3D打印技術還沒有了解，尚未開展相關研究。因此，增加教學資金的投入、提高對3D打印技術對醫學教學重要作用的認識是未來努力的方向，3D打印技術在醫學教學中的應用仍然任重而道遠。