3D打印在口腔醫(yī)學各學科教學中的應用現(xiàn)狀

文/郝心儀，王守立，榮超

3D打印又稱增材制造(AM),是一種以三維(3D)模型數(shù)據(jù)為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料,制造具有多級結構或復雜幾何形狀產品的技術。作為一種快速發(fā)展且極具潛力的新型成型技術,3D打印技術在醫(yī)學、航天、汽車和食品領域均具有廣泛應用。盡管3D打印技術應用范圍很廣,但是目前在生物醫(yī)學領域的應用較多[1]。本綜述主要介紹了3D打印技術口腔醫(yī)學各學科教學中的應用現(xiàn)狀，最后,對3D打印技術在口腔教學領域的應用前景和面臨的挑戰(zhàn)做出總結和展望。

1 口腔影像診斷學

口腔影像診斷學作為口腔醫(yī)學和影像學的交叉學科，對學生的口腔解剖基礎和使用拍片設備的能力都提出了很高要求。就根尖片、片等的拍片教學現(xiàn)狀來看，大多數(shù)學校采用的是醫(yī)院實習時請患者或者是學生作為示教對象演示教學的。但是這種傳統(tǒng)的教學方法存在以下缺陷：（1）同學們可能因為不想受到額外的X線射線照射而不愿作為示教對象，這就使得同學們觀摩學習的次數(shù)有限，不能在反復觀察和調整中逐漸熟練操作技術；（2）在實際操作中，由于不同學生的張口程度不同，使得同學們的觀察角度和范圍受到不同程度上的限制；（3）許多帶教老師雖然多兼任臨床醫(yī)生，但一些拍攝時片子擺放的位置和角度可能大多為經驗之談或者僅憑記憶，如果沒有標準的、可以清楚完整顯示露的口腔模型做示范，也可能因為不能讓同學們看到準確位置而使教學效果大打折扣。這些缺陷都會使得同學們對設備的使用原理和操作技巧不熟悉，對拍片過程記憶不深刻，進一步導致讀片的困難和誤差。而3D打印的頭顱模型已經在臨床教學中體現(xiàn)出其優(yōu)勢，如果能夠將傳統(tǒng)的真人示范和3D打印模型演示相結合，就可以得到更好的效果。

韋健等[2]將3D打印頭顱模型用于口腔放射科X線根尖片教學中并觀察效果。對照組經口腔放射科帶教老師實操演示，進行根尖片分角線投照拍攝方法的教學。3D打印教學組在對照組基礎上增加3D打印模型的教學環(huán)節(jié)，對比兩組志愿者1周內所拍攝的上頜磨牙區(qū)根尖片并進行評價，結果發(fā)現(xiàn)3D打印教學組拍片成功率為高于對照組。艾松濤等[3]以上海交通大學醫(yī)學院口腔醫(yī)學專業(yè)學生為研究對象,觀察組采用3D打印教學模具聯(lián)合PPT完成醫(yī)學影像診斷學理論授課,對照組僅采用傳統(tǒng)PPT授課。課后進行教學質量問卷并組織理論考試。教學質量問卷顯示3D打印教學模具聯(lián)合PPT授課提高了學生的學習興趣,滿足了多數(shù)學生的學習要求,取得了滿意的效果。觀察組學生理論平均考試成績高于對照組。

2 口腔解剖生理學

口腔解剖生理學以研究口腔、頭頸、頜面部等部位的正常解剖結構和功能為主,是解剖學中的口腔分支學科和口腔醫(yī)學專業(yè)的基礎學科。該課程不僅旨在通過讓同學們熟練、準確、清晰地掌握各個重點解剖結構的位置、走行，為日后的臨床工作打下堅實基礎，更希望同學們能夠領會“功能是由結構決定的”這一觀點的內涵，運用邏輯推理和理論與臨床相結合的觀點，在更深、更實用的層次把握各結構的生理功能和臨床意義。就教學和學習方法而言，一方面，口腔解剖生理學與全身解剖學一樣，需要經過實際標本的反復觀察、辨認加深印象；另一方面，口腔解剖生理學中還會涉及各顆牙齒的牙體和牙髓形態(tài)以及顱面部肌肉、血管、神經等多個精細結構的觀察。由于解剖結構復雜且分布密集，牙齒形態(tài)和重要血管、神經的走行情況變異較多，所以對教學使用標本的完整程度和多樣性提出了更高層的要求。目前大多數(shù)高校的實習課上所用的教具多兼有人工制作模型和實體標本，但是人工制作的模型質量參差不齊，在比例和長度的精確度上也有待考量。而就實體標本而言，由于大眾對于尸體捐贈并用于醫(yī)學研究的接受率普遍較低，尤其是尸頭這一敏感部位，受到傳統(tǒng)觀念和社會風俗的影響，更使得其來源進一步受到限制。另外，標本不易保存、容易損壞，并且可能因為處理不當導致結構缺失破壞或不易辨認。由于以上種種限制因素，導致教學效果無法達到預期，學生們對于所學得知識也是一知半解，理解和掌握不到位，沒有達到應有的教學目的[4]。所以目前，通過3D打印豐富標本來源、增加實驗課課時數(shù)量等方法都被各大高校列入教學改革的措施之列。3D打印還具有可以自行調節(jié)參數(shù)，選擇材料，設計形狀等優(yōu)勢，這都是傳統(tǒng)技術制作出的模型所無法比擬的。隨著3D打印技術的不斷發(fā)展完善,以上的問題得以改善或解決。

周芹等[5]利用錐形束計算機斷層掃描(CBCT)影像和3D打印技術，打印頭顱骨骨骼模型，用以解決頭顱骨尸體標本短缺的問題，幫助學生對頭顱骨骼解剖形態(tài)的認識和理解，方便學生理解掌握口腔解剖結構，提高口腔局部解剖學理論及實驗教學效果。張穎等[4]將3D打印技術應用于口腔解剖生理學教學,即3D打印恒牙、乳牙牙體模型模塊,教師通過指導學生辨認學習牙體解剖形態(tài)和內部組織結構,完成牙體模型的模塊拼裝,幫助學生理解學習恒牙及乳牙的解剖特征及生理功能。張勉等[6]對觀察組學員采用既有的網絡課程進行理論課程和石膏牙雕刻實習教學,同時配發(fā)全套14顆3D打印模型牙。對比不配發(fā)3D打印模型牙的對照組,觀察組學員石膏牙雕刻考核成績高于對照組學員。觀察組學員問卷調查結果顯示,有95.7%的學員認為3D打印模型牙對于牙齒形態(tài)特征掌握和石膏牙雕刻有較大幫助。張海英等[7]用錐形束計算機斷層掃描(CBCT)影像和3D打印技術,打印離體牙模型和頭顱骨骼模型,可滿足學生對牙體解剖解剖形態(tài)、根管系統(tǒng)形態(tài)和頭顱骨骼解剖形態(tài)的認識。

3 口腔頜面外科學

目前，在口腔頜面外科理論和操作的教學中，學生自主閱讀教科書、圖譜及課外資料和教師多媒體教學仍是主流方法，并以實習課上老師用標本示范解剖和操作方法作為輔助。此外，學生還可以通過電子設備上一些可以顯示解剖結構的軟件以及相配套的AR技術加深對解剖結構的理解。盡管如此，由于各種圖譜和圖示等二維圖片無法帶給學生立體直觀的感受，使得一些空間想象能力較薄弱的學生在學習時感到困難吃力，且教學老師可以搜集到的案例圖片也受到教師個人醫(yī)技水平、圖片來源、醫(yī)院所接收患者的疾病種類和疾病嚴重程度等多因素的制約，導致圖片與教科書文字內容很難做到一一對應，無形中使學生在初次學習知識時留下較大盲區(qū)。此外，如果教師分享的圖片資料無法精確清晰地展示正常及病變后的人體解剖結構，甚至會誤導學生，使學生留下基本認知上的錯誤。而3D打印技術可以通過調節(jié)參數(shù)制作個性化的標本，最大限度上滿足教學需求。3D打印制作的標本不僅有較高的精確性，而且可以根據(jù)需要做放大和縮小，從多個維度展示標本，彌補了傳統(tǒng)教學手段的不足[8]。

阮敏等[9]指出，隨著3D打印技術的日益成熟及其在各行業(yè)領域極具潛力的革命性應用,如何將3D打印技術引入臨床醫(yī)學教育是當前醫(yī)學教育的一個重要課題。口腔頜面-頭頸腫瘤外科教學內容繁多復雜、教學難度大,教學過程中存在學生理解記憶效果差、實踐操作能力培訓不足等問題。為克服傳統(tǒng)教學的缺點,可嘗試將3D打印輔助教學模式引入口腔頜面-頭頸腫瘤外科教學實踐,提高口腔頜面-頭頸腫瘤外科的教學質量及解決臨床實際問題的能力,促進口腔頜面-頭頸腫瘤外科技能型及創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。黃立等[10]在口腔頜面外科骨性疾病臨床教學中，對照組采取傳統(tǒng)教學模式,觀察組結合3D打印模型建立的臨床病例教學數(shù)據(jù)庫教學,授課結束后采用同一考核標準從理論和技能2個方面對學生進行考核,并用調查問卷評估學習效果。結果顯示觀察組臨床考核成績?yōu)楹驼{查問卷成績均高于對照組。李學盛;等[11]探討3D打印頜骨技術在口腔頜面外科臨床教學中的應用，3D組采用3D打印技術制作頜骨模型進行教學,傳統(tǒng)組采用傳統(tǒng)教學方法,完成臨床帶教任務后,采用同一標準進行客觀考核和主觀評估,結果顯示在傳統(tǒng)考試(理論)方法比較中,3D組更有優(yōu)勢;在教學效果評價方面,相對于傳統(tǒng)組,3D組的住院規(guī)陪醫(yī)師更認同3D打印模型的教學模式,可顯著提高教學內容和學習能力。陳鵬等[12]利用頜骨數(shù)字化三維可視重建及3D打印技術制備模型，進行上下頜骨缺損重建的臨床教學。結果學生對上下頜骨缺損的解剖特點和修復重建方法有了更直觀的認識，通過模擬手術操作，對頜骨缺損的手術修復方法、要點及咬合功能重建有了更深認識。

使用3D打印模型，可以幫助學生扎實地掌握學習內容,培養(yǎng)臨床思維和實踐操作能力,激發(fā)學生的學習熱情和自信,在較好地理解和掌握教學內容的基礎上，提高解決實際問題的能力，是臨床教學改革的重要手段，值得推廣應用。但是目前3D打印仍然存在成本高、對操作技術和原理掌握程度的要求較高等限制普及的因素，而且在技術和材料方面仍有較大的進步空間。總而言之，就目前的教學環(huán)境和科技發(fā)展現(xiàn)狀來看，距離未來3D打印能夠廣泛地應用于口腔科以及其他各科室的臨床教學仍有相當長的一段距離要走，還需要醫(yī)學、教育學、材料學、工程學等多學科長時間的共同努力。