3D打印技術(shù)在醫(yī)學教學中的應用探索

張凱玥 薛春源 張桐桐 石河子大學醫(yī)學院，新疆石河子市 832003

3D打印(Three dimensional printing，3D printing)技術(shù)最早起源于20世紀80年代[1]，是“第三次工業(yè)革命”的代表性技術(shù)，它是一種將計算機數(shù)字模型文件作為數(shù)據(jù)源，利用金屬材料、高分子塑料、生物細胞、環(huán)氧樹脂、光敏聚合物等材料來構(gòu)建物體的快速堆砌成型技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，3D打印是一種利用計算機輔助設(shè)計(Computer-assisted design，CAD)創(chuàng)建三維立體結(jié)構(gòu)，通過軟件將三維立體數(shù)據(jù)分層標記，將3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為2D切片數(shù)據(jù)并形成文件輸入打印機。3D打印機利用一系列材料通過選擇性激光燒結(jié)(SLS)、熔融沉積建模(FDM)、Polyjet印刷等技術(shù)逐層鋪設(shè)，最終構(gòu)建出實體模型。

從1986 年Charles W. Hull 成功開發(fā)了第一臺商業(yè) 3D打印機到如今[1]，3D打印技術(shù)早已在軍事、航天、建筑、醫(yī)療領(lǐng)域得到了廣泛的應用。通過3D打印技術(shù)，人們可以輕松地通過數(shù)字化的形式構(gòu)建結(jié)構(gòu)復雜，生產(chǎn)難度大且無大規(guī)模生產(chǎn)需要的產(chǎn)品，通過高分辨率的3D打印機打印出來。

尤其是在醫(yī)學領(lǐng)域，幾乎人體解剖的每一部分都可以利用3D打印技術(shù)制作模型。除此之外，打印臨床上一些罕見病例患者的特定解剖模型，用于記錄或術(shù)前會診討論，用以提高手術(shù)精確度和成功率；打印患者特定的醫(yī)療硬件，如植入物、假肢、外科夾板、手術(shù)器械；制作特殊的醫(yī)學教學用品，都能夠通過高分辨3D打印機制作完成。此外臨床上使用的Cone Beam CT、CTA、MRA、PET、三維超聲心動圖、3D激光掃描系統(tǒng)，甚至iPhone手機上捕獲的圖像都可以作為數(shù)字化的源文件，進而制作相應的3D打印成品。

1 3D打印技術(shù)和本科基礎(chǔ)醫(yī)學教育

作為本科教學的基礎(chǔ)學科，《解剖學》課程十分依賴大體標本進行理論知識的學習和解剖技能的訓練。然而隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，可供使用的尸源越來越少,再加之解剖學技能的訓練本身對大體標本是一種破壞性操作，很多標本在新生進行操作后無法二次利用，這充分暴露了大體模型在教學過程中的局限性。值得一提的是，傳統(tǒng)的尸體通常需要經(jīng)過甲醛(福爾馬林)固定和保存。福爾馬林對人體黏膜具有較強的刺激性，直接接觸還可能引發(fā)過敏反應。甲醛(福爾馬林)同時也被認為是一種“可疑的致癌物質(zhì)”，任課教師與學生長時間暴露在甲醛的氣溶膠當中極易損害健康。

而3D打印技術(shù)可通過真實的三維人體數(shù)據(jù)，構(gòu)建出極高仿真度的3D模型，替代傳統(tǒng)的大體標本。3D打印模型應用在解剖教學當中，不僅能夠激發(fā)出學生們的學習興趣，同時3D打印模型能夠更真實地顯示內(nèi)部器官和精細的組織結(jié)構(gòu)。我們可以將人體內(nèi)精細的結(jié)構(gòu)如聽骨鏈、耳蝸、半規(guī)管等比例放大進行顯示，直觀生動。在一項隨機對照試驗的研究中，Lim等人[2]進行了3D打印與大體標本學習心臟解剖的比較。他們將學生分為三組，一組利用3D打印模型進行學習，一組使用大體標本，最后一組將兩種方法結(jié)合運用，結(jié)果顯示依靠3D打印模型學習的學生在結(jié)課成績上并沒有低于傳統(tǒng)教學。

在另外一些基礎(chǔ)學科如《病理學》《免疫學》《病原微生物學》的教學當中，3D打印產(chǎn)品同樣能夠為教學模型的豐富提供很好的技術(shù)支持。在傳統(tǒng)的教學當中，對于一些復雜的免疫機制，獨特的組織病理狀態(tài)，精細的病原微生物結(jié)構(gòu)，往往依賴于flash動畫或者是ppt演示的方法進行課堂教學，對學生而言并不能形成很直觀的認識，教學效果有限。但是通過3D打印技術(shù)，醫(yī)學院?？梢酝ㄟ^現(xiàn)有的數(shù)據(jù)個性化的打印出所需要的教具。在醫(yī)學教學中，胎兒、嬰幼兒的解剖學標本十分的稀有和珍貴。英國學者創(chuàng)新性地利用了核磁共振技術(shù)對死去的胎兒、嬰幼兒進行掃描，并應用 3D 打印技術(shù)成功制作了 6～30 周胚胎，嬰幼兒，以及他們的器官的解剖模型[3]，極大地豐富了教學資源。 孔金海等人[4]將3D打印技術(shù)創(chuàng)新性的應用在八年制本科教學當中，并進行對照實驗，實驗結(jié)果顯示學生們在3D打印技術(shù)支持的情景教學下對腫瘤結(jié)構(gòu)、動靜脈情況、神經(jīng)穿經(jīng)結(jié)構(gòu)和腫瘤的侵襲等知識點的認識和掌握程度明顯高于對照組。

此外，在“腎病綜合征”章節(jié)的教學當中，3D打印的腎小球濾過膜結(jié)構(gòu)以及不同病理狀態(tài)下的免疫復合物沉積狀態(tài)，能夠幫助學生更好地了解疾病的發(fā)生過程。在《病原微生物》的教學當中，有針對性的制作如冠狀病毒、霍亂弧菌等微生物的3D模型，也能夠更好地幫助學生了解其內(nèi)在結(jié)構(gòu)和感染機制，調(diào)動學生興趣，提升教學效果。

2 3D打印技術(shù)和本科臨床醫(yī)學教育

2.1 臨床學科教學 在本科臨床學科當中，最適合應用3D打印技術(shù)進行臨床教學的當數(shù)《外科學》中的“骨科”。在傳統(tǒng)教學活動中，像在“髖關(guān)節(jié)脫位”“脛骨平臺骨折”“肘關(guān)節(jié)脫位”這樣的章節(jié)的教學當中，盡管借助課本示意圖、X線攝片、CT及MRI影像學的輔助，很多學生對骨折的分型分度，位移與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系仍然不能形成很直觀的理解，知識點記憶較慢。通過利用螺旋CT平掃采集臨床上相關(guān)患者的圖像導入3D打印機中，利用選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)打印出相應局部結(jié)構(gòu)的1∶13D打印模型，進行臨床課程教學。不僅可以直觀形象地展示相關(guān)疾病的特點，更能夠通過還原脫位過程向?qū)W生講解相應臨床特有體征的出現(xiàn)原因，例如：髖關(guān)節(jié)后脫位時病人為何會出現(xiàn)患肢縮短，髖關(guān)節(jié)屈曲，內(nèi)收、內(nèi)旋畸形。此外，在“肱骨干骨折”“肱骨髁上骨折”這樣的章節(jié)中，利用3D打印技術(shù)構(gòu)建的3D模型能夠更形象地闡明相關(guān)神經(jīng)、血管與骨的毗鄰關(guān)系，對不同類型骨折產(chǎn)生的神經(jīng)、血管損傷的知識點講授更加詳細，能夠幫助學生快速記憶知識點，提高課程認識。

《耳鼻咽喉頭頸外科學》是研究耳鼻咽喉與氣管食管以及頭頸部諸器官的解剖生理和疾病現(xiàn)象的一門科學。這一區(qū)域內(nèi)的解剖結(jié)構(gòu)十分精細，較多的腔隙、孔洞相互毗鄰且關(guān)系復雜，很難通過直觀的方法讓學生了解學科所涉及的器官以及基本操作。少數(shù)教學醫(yī)院通過應用耳鼻喉內(nèi)窺鏡技術(shù)積累下來的影像資料進行教學，一定程度上解決了臨床見習無法直觀的了解相關(guān)技能操作的弊端，但仍然存在著相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)了解不到位，對精細結(jié)構(gòu)與周圍組織整體關(guān)系把握不到位的問題。通過現(xiàn)有的3D技術(shù)構(gòu)建“中耳仿真模型”“咽淋巴環(huán)模型”“喉腔精細解剖模型”等解剖模型，將晦澀的理論知識形象直觀地展示給學生。此外，用不同顏色的材料構(gòu)建血管、神經(jīng)走行的3D打印模型，有助于加深學生對“鼻出血”“化膿性中耳炎并發(fā)癥”等臨床疾病的認識。由此可見，利用3D打印技術(shù)構(gòu)建模型進行本科臨床醫(yī)學的教育，相較傳統(tǒng)的教學方式而言更加的直觀且能夠引起學生興趣，增加知識點的理解和記憶的深度。

在另外一些學科中如《內(nèi)科學》的“循環(huán)系統(tǒng)疾病”中，3D模型能夠很好地構(gòu)建出特殊疾病狀態(tài)下的心臟結(jié)構(gòu)。Saunders等人[5]利用3D打印技術(shù)將1例罕見的結(jié)構(gòu)性心臟病合并冠脈畸形的標本進行了MRI數(shù)字采集，并利用計算機虛擬 3D 技術(shù)進行了重建，通過3D打印機打印出了罕見異常結(jié)構(gòu)的心臟模型用于臨床教學。這一方式也在很大程度上彌補了傳統(tǒng)影像學不能夠很直觀立體的顯示內(nèi)臟畸形病變的局限性，開創(chuàng)了教學新模式，新方法。

一些傳統(tǒng)的心臟疾病如“法洛四聯(lián)癥”“動脈導管未閉”“主動脈夾層”“主動脈假性動脈瘤”等，以及顱內(nèi)血管的畸形病變，也同樣可以被先進的3D打印技術(shù)構(gòu)建出來，讓學生有機會更直觀地了解結(jié)構(gòu)性心臟病的血流動力學變化，不同的顱內(nèi)血管所支配的腦功能區(qū)，提升教學效果，豐富教學形式。

2.2 臨床基本技能操作 臨床基本技能操作，是一名醫(yī)學本科生向一名醫(yī)生轉(zhuǎn)變的重要教育實踐環(huán)節(jié)，在醫(yī)學本科教育中具有舉足輕重的地位。在傳統(tǒng)的技能課教學環(huán)節(jié)，教師往往是通過操作注意事項講解，多媒體教學視頻學習，模型動手操作，反饋與總結(jié)這樣的教學模式來開展。但實際教學環(huán)節(jié)當中，臨床基本技能操作環(huán)節(jié)往往受制于模型的質(zhì)量和低仿真度，有些操作甚至無法采購到相應的模型供學生操作。學生在使用模型練習的過程中很難掌握操作要點，模型的低仿真度也在很大程度上削弱了學生的積極性。

使用3D打印技術(shù)能夠通過選擇材料，打印出高仿真結(jié)構(gòu)的操作模型。且可以對操作部位進行模塊化打印處理，只需更換操作模塊即可更新模型，避免了模型損耗帶來的經(jīng)濟成本。

利用熱塑性彈性體(Thermo plastic elastomer，TPE)材料打印仿真皮膚，丙烯腈—丁二烯—苯乙烯(Acrylonitrile-butadiene-styrene，ABS)打印顱骨，混合硅膠和明膠打印組織和臟器，制作高仿真的技能操作模型供學生進行訓練。雖然打印的模型與實際尚有一定差距，但相較于傳統(tǒng)模型來說種類更加豐富，仿真程度更高。更容易讓學生掌握操作要點，體會技能操作的感覺，增強學習的主動性。

3 展望

3D打印技術(shù)憑借其高仿真、高分辨的優(yōu)點精確再現(xiàn)人體的解剖結(jié)構(gòu)，將很多組成精細，結(jié)構(gòu)復雜的亞臨床結(jié)構(gòu)、病理狀態(tài)直觀的展示出來，擁有著傳統(tǒng)醫(yī)學教學模式所無法比擬的優(yōu)勢。同時，通過現(xiàn)有的CT、MRI等技術(shù)采集臨床患者信息與3D打印技術(shù)相結(jié)合，個體化地將很多罕見的病變打印保存，用作術(shù)前討論或是臨床教學，大大加深了學生的學習興趣。在臨床基本技能操作的教學過程中，3D打印技術(shù)提供的高仿真度操作模型，也為學生更熟練掌握操作要點提供了保障。近幾年來隨著3D打印新材料的不斷突破，具有與人體組織結(jié)構(gòu)高相似度的材料不斷被應用，但是3D打印仍然存在著成本略高，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊的情況。未來，高性價比的3D打印技術(shù)被廣泛地應用于醫(yī)學教育、臨床醫(yī)療指日可待。