基于3D打印技術的解剖模型在解剖學教學中的應用

張瑞濤 陳 靜 駱社丹 李 莉 湯桂成

（三峽大學醫學院解剖學與組織胚胎學系 湖北·宜昌 443002）

誕生于20世紀90年代的3D打印技術是以數字模型為依據，通過逐層打印疊加可黏合材料，制造實體復雜結構模型。作為一種新型快速成型、制造技術，3D打印可以與數字化醫學影像設備結合，定制個性化的生物材料，因此越來越為醫學界所青睞[1]。外科學是最早應用3D打印技術的醫學領域，特別是骨外科、面外科、整形外科等的臨床實踐。以醫學影像數據為基礎，利用3D打印技術制作人體器官模型，對外科手術有極大的應用價值。利用3D打印技術可以加工出內、外部三維結構完全仿真的生物模型（Bio-model)其線尺寸誤差小于0.05mm，總體誤差不超過0.1%，這樣的精度完全可以滿足外科手術的需要并且克服了生理解剖標本的難度及道德倫理方面的困擾。另外，在模型上還可以試行手術，以預演術中可能會遇到的情況，并可比較不同術式的優劣，同時也可給年輕醫生提供演示或操作訓練的機會。受到啟發的教育工作者想到，既然3D打印技術可以用于為患者制造匹配的骨關節等耗材，我們也可以使用3D打印技術去制造我們所需要的人體解剖結構。這樣，3D打印技術可以有效解決解剖教學所面臨的教師講不清病變結構，難以培養學生影像學判讀能力，學生缺乏訓練機會等問題[2]。

1 3D打印解剖模型的數字建模

幾個世紀以來，使用大體老師來教導學生有關人體解剖學的知識是醫學院的教學傳統，一直持續到今天的。現在，越來越多的國家及地區面臨著大體老師短缺的情況。目前國內3D打印構建模型最常使用的數據是CT，CT是一種在各級醫院廣泛應用的 X射線三維透視成像技術，具有良好的空間分辨率以及較薄的重建掃描層厚，具有費用低、成像快等諸多優點。美國卡內基梅隆大學的研究人員使用3D打印技術為特定患者3D打印解剖模型。澳大利亞大學的一對醫療小組也使用了類似的手段來完成解剖。澳大利亞莫納什大學的Paul McMenamin科研團隊一直致力于開發3D打印解剖模型[3]。他們基于現實的人體標本，即基于醫療尸體的3D掃描，然后將其分割成57塊，而后采用最先進的3D打印機進行3D打印。據悉，此團隊的3D打印解剖系列覆蓋了人體所有的肢體，包括了四肢、胸部、腹部、頭部和頸部等人體主要部分，可用于醫學院或醫院的人體解剖培訓。莫納什大學團隊發布的這些3D打印人體解剖模型，其數據則主要來自激光掃描、磁共振成像和 CT掃描等。這套模型中還包括一些精確的人體解剖結構，這些光憑醫用尸體時不可能看到的，比如大腦的血管系統等。在經過對于實際解剖標本的掃描后，這些身體部件可以使用石膏或者塑料材料以高分辨率3D打印出來，不僅極其精確，而且可以再現真實色彩。這也成了首個用于解剖領域的商用3D打印成品。3D打印醫療模型甚至有可能遠遠超過研究真正的尸體的優勢。學生對于3D打印的醫療模型的舒適性遠遠超過尸體所帶來的“恐懼”。所以3D打印的醫療模型在人類的心理承受力上占據了很大的優勢。該3D打印醫療模型的費用為25萬美金，而且打印時間也需要相當長的時間。任何技術都需要一個完善的過程，考慮到3D打印質量和其所帶來的優勢，這個漫長的等待也是值得的。此外，3D打印醫療模型已經在市場上開售，3D打印解剖模型讓醫學教學更直觀。

2 3D打印解剖模型在教學里的應用

2.1 3D打印解剖模型用于輔助教學

3D打印為教學提供了新的視角形式，創設了新的教學活動方式。它把創建3D模型，解釋復雜概念，體現創新思想乃至各種材料分子有機的結合在一起。3D打印課程的研究越來越受到關注，在國外，它作為輔助工具，滲透到STEM（Science、Technology、Engineering、Mathematics）學科教學中，大大提高了學生的活動參與度。3D打印可以不斷地挑戰學習任務，創造學習內容，并成了課程建設的主要力量。3D打印技術正為教育的發展開啟一個新的方向，許多教育機構、組織和企業也在探索如何將 3D打印技術應用到更廣泛的教育、教學中。3D打印可以彌補傳統教育“重理論、輕實踐，重動腦、輕動手，重學習、輕應用”的不足，使課堂教學變得有趣、生動，變課堂上的被動記憶為課內外的主動探索。3D打印技術在教育領域的應用推廣已經在高層受到了重視。中國工程院院士、西安交大盧秉恒院士就指出，3D打印如應用于教育教學，可以激發學生的探索興趣和創造熱情，帶動教育創新，讓學生們開拓思維，發揮出無窮的想象力與創造力，造就一批創新型人才。

解剖結構3D虛擬場景構建和平面三維渲染顯示和VR系統顯示讓解剖學習有了觀賞3D數字大片的視覺效果和類似游戲過程的愉悅感。學生可以互動操作和參與，大大減少了解剖模型的抽象性、解剖學習過程的抽象性，增加學生學習興趣、提高學習效果。使用3D打印技術制造的人體標本，能等比例清晰顯示人體各個結構，便于無失真地進行觀察活動。3D打印還可復制經典病例和罕見臨床情況，整合單一知識點，促進各學科融合，提升學員的臨床診斷思維和治療技能。同時，教學中使用3D打印的人體標本，有利于對不可再生的人體標本進行保護。將3D打印技術應用在醫學教學中，可為師生提供逼真的人體器官，促進學生從被動記憶型、模仿型向思考型和創新型轉變。真實的學習環境能使抽象的學習變得具體化、形象化。與此同時，3D打印可以批量提供人造的人體器官，克服了傳統醫學教學中由于人體標本不足導致的走馬觀花式學習，讓學生能學好學到學懂，實實在在提升醫學生的實踐技能，為將來走上工作崗位奠定扎實的基礎。

3D打印技術可以重現脊柱外科相關疾病的重要解剖學特點。從而為臨床教學提供直觀、立體、典型的實物模型。幫助學生更好的理解脊柱外科相關疾病的解剖結構及發病機制。脊柱解剖因其形態結構復雜，部位深在，處于教師難教、學生難學的境地。傳統教學方式相對抽象，而根據影像學資料，運用3D打印技術打印的實體模型則能夠體外再現脊柱的三維形態及特定的斷層結構，為臨床教學提供更為直觀的三維圖像信息，從而提高了學生對脊柱解剖結構的理解及記憶。有研究表明3D打印實物模型教學能夠幫助學生更好的理解復雜解剖結構，提高教學質量。脊柱外科相關疾病因其特殊結構、部位、發病機制，概念相對抽象，學生不易理解；并且病因復雜，涉及的解剖學、骨科生物力學等學科內容廣泛，學生掌握較難。與傳統教學方法的單純平面結構圖，3D打印實物模型具有真實、客觀、立體、生動、直觀、感性的解剖學特點，可以將原本難以理解的具有復雜解剖特點的脊柱外科相關疾病，形象直觀立體地呈現于學生面前，使學生對脊柱的立體結構、病理、疾病分型及治療方法的理解更加容易。

心臟的解剖結構精巧而又復雜，認識心臟結構需要較強的空間思維能力，而構建先天性心臟病的空間結構則難度更大。3D打印技術能直觀地展示心臟，在展示空間結構方面具有明顯的優勢。有研究顯示，將利用3D打印技術制作的心臟模型運用到心血管專科醫護人員教育培訓中取得了良好的效果，加深了其對心臟疾病的解剖和病理生理特點的理解。心臟外科醫師培養周期長已是業內共識，很大因素是由于心臟獨特的生理特點和外科操作技術難度大，而現實中缺乏滿意的訓練模具也是無法回避的問題。

2.2 3D打印解剖模型促進培養學生的創新能力

STEM（science technology engineering mathematics）是科學、技術、工程和數學四門學科的簡稱，國際技術和工程教育協會(ITEEA)將STEM定義為整合了科學、技術、工程和數學四大要素的新興跨學科課程，強調多學科的交叉融合。當前，基于STEM的創新能力培養模式正逐步在高校教學中實施。如在解剖教學中引入外科臨床病例，引導學生進行深入的學習，促進培養學生的創新能力。與傳統的術前規劃相比，3D打印技術可以客觀、立體、生動、直觀、感性的打印出1∶1的實物模型，并可以根據術者的需要打印不同的切面，更好的觀察特定區域的解剖特點。3D打印技術還可應用于脊柱外科內植物的個體化定制，即術者根據患者實際情況定制個體化的內植物，以滿足解剖學、人體工程學、生物力學等不同方面的特殊要求。如椎間隙很寬、較小的兒童，造成患者所需內植物太大或太小，或需要與患者局部解剖結構更為貼附的內植物以提高手術療效時，在這些特殊情況下則需要定制個體化的內植物，3D打印技術可以滿足定制個體化內置物多樣性、復雜性和快速性的要求。

2.3 3D打印在解剖相關臨床疾病中的應用

目前3D打印技術主要是在復雜的骨腫瘤切除、骨盆骨折、髖部發育異常及骨折、脊柱畸形及損傷、頭顱整形、口腔下頜骨修復、肢體畸形、骨缺損和假體制作等領域中有著廣泛的應用。通過提取CT、MRI掃描數據重建計算機三維模型，并通過3D打印技術制作出不同大小的實物模型，使醫生更加直觀地、準確地發現X射線片、CT、MRI等傳統影像學資料隱藏的解剖信息，并且醫生還可以直接在打印的實物模型上進行診斷、制定個體化的手術方案、模擬手術操作，還可根據患者需要設計、制造個性化器械，甚至打印人體器官等，從而提高疾病的診斷率，增加手術的精確性、安全性。

脊柱解剖結構復雜，又有脊髓、神經等重要組織結構毗鄰，面對復雜脊柱疾病時，如脊柱畸形，由于傳統影像學檢查無法提供精準的三維解剖關系，通過傳統的影響學資料醫師可能會得出片面的結論，將直接影響疾病的準確診斷，且容易造成漏診、誤診、疾病診斷的不全或不清，從而影響疾病的療效及預后。而3D打印技術可重建脊柱三維解剖結構，顯著提高了疾病的診療質量。與X射線片、CT、MRI等傳統醫學影像學資料相比，3D打印實體模型可以提供更加詳細、直觀、立體、現實的解剖學信息。醫師可以更加直觀地觀察分析脊柱解剖結構，從而極大的提高了臨床醫師對復雜脊柱疾病空間解剖結構的理解，進而做出更加精確的疾病診斷，如復雜脊柱骨折的分型、脊柱側彎的分型、脊柱腫瘤的鑒別等，從而減少復雜疾病的漏診和誤診，明顯提高患者的診療質量。

與傳統的術前規劃相比，3D打印技術可以客觀、立體、生動、直觀、感性的打印出1∶1的實物模型，并可以根據術者的需要打印不同的切面，更好的觀察特定區域的解剖特點，制定更加精準的個體化的手術方案，并可以在3D打印模型上進行預定手術的模擬操作，增加手術的熟練度，明顯縮短手術所需的時間，減少醫生和患者放射線的暴露的時間和劑量，提高手術的可對比性和相對同一性，并還可以制作一些個體化的手術器械，輔助手術的快速完成。

3 3D打印應用于解剖教學中的展望

3D打印因其個性化定制、快速成型的特點，可作為立體標本用于保存具有代表性的病例（腫瘤、創傷等），結合真實完整的臨床病歷、影像學資料、輔助檢查結果，作為教學病例的儲備。將3D打印模型教學與傳統教學方式融為一體，實驗教學與理論教學相輔相成，實行以問題為基礎的學習（problem-based learning,PBL）教學模式，讓學生在教學中占據主導地位，充分發揮學習的主動性，收獲知識的同時收獲樂趣，老師則起引導輔助和答疑的作用。條件允許的情況下，使學生盡可能都有在3D打印模型上模擬手術操作的機會，鍛煉動手操作能力，盡早獲得嫻熟的手術技巧與精確的操作能力。目前受限于工程學和材料學的發展，3D打印技術在解剖學教學上的應用仍然處于初級階段[4]，但毫無疑問的是，3D打印技術所制造的模型/植入物已經能夠滿足解剖學教學的要求。具備在解剖學教學中廣泛使用的基礎。我們相信隨著科學技術的不斷發展，3D打印技術現存的缺陷將得到解決，3D打印技術在醫學領域中的應用必將進一步深化。