3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)應(yīng)用中的研究進(jìn)展①

楊小蓉，羅 亞，黃仕美，汪元河，萬(wàn) 雯

（貴州醫(yī)科大學(xué) 法醫(yī)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550005）

現(xiàn)代教育改革讓我們從以教師講授、學(xué)生聽(tīng)課為主的傳統(tǒng)LBL教學(xué)模式（Lecture-based learning）逐步向以問(wèn)題為基礎(chǔ)、以學(xué)生為中心的PBL（Problem-based learning）教學(xué)模式和以案例為基礎(chǔ)、引出問(wèn)題的CBL（Case-based learning）教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，使學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解能力及運(yùn)用能力有了較好的提升。但無(wú)論是以問(wèn)題為基礎(chǔ)、以學(xué)生為中心的問(wèn)題式教學(xué)模式，還是以案例為基礎(chǔ)引出問(wèn)題的案例式教學(xué)模式對(duì)于醫(yī)學(xué)教育而言均具有局限性。醫(yī)學(xué)教育重在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力，例如內(nèi)科的體格檢查、外科的手術(shù)操作、新生兒科的復(fù)蘇效果判斷等均要求醫(yī)學(xué)生具有熟練的操作手法和技巧。醫(yī)學(xué)教育中因尸源的減少、技能訓(xùn)練破壞尸體后無(wú)法二次使用、固定液對(duì)人體標(biāo)本的傷害、特殊病例標(biāo)本稀缺等因素，極大地限制了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)生實(shí)際操作能力的提升。

3D打印（Three dimensional printing，3D printing）是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)，它是快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造。設(shè)計(jì)者可以通過(guò)對(duì)打印對(duì)象三維掃描或者多角度拍攝照片獲得數(shù)字模型文件，也可用軟件或網(wǎng)絡(luò)的素材自由設(shè)計(jì)后保存為數(shù)字模型文件；然后再將材料一層一層噴涂或熔結(jié)到三維空間，打印出模型；最后對(duì)模型進(jìn)行打磨、修整、上色等，最終得到3D打印成品。也就是說(shuō)，我們可以通過(guò)數(shù)字文件運(yùn)用3D打印機(jī)直接打印或復(fù)制出任何實(shí)物。目前3D打印技術(shù)已廣泛運(yùn)用于汽車、服裝、建筑、娛樂(lè)等多個(gè)領(lǐng)域，現(xiàn)將3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的運(yùn)用情況進(jìn)行概述，以期為更多有意向投入該項(xiàng)研究工作的學(xué)者提供較為全面的、綜合性的信息。

一、3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）3D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)多個(gè)學(xué)科

醫(yī)學(xué)院校培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生需從人體構(gòu)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(yù)后判斷等構(gòu)建全方位知識(shí)體系，才能使其滿足將來(lái)工作崗位的需求。傳統(tǒng)的文字、圖片、視頻等的教學(xué)方式很難達(dá)到上述需求，這就對(duì)教學(xué)模式提出了更高的要求，教學(xué)過(guò)程中需要提供逼真的模型展示以提高學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的認(rèn)識(shí)和掌握，用可反復(fù)操作的病例以提升學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。3D打印以其特有的復(fù)制技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)學(xué)科的醫(yī)學(xué)教學(xué)活動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用。

在解剖學(xué)教學(xué)中，運(yùn)用3D打印技術(shù)構(gòu)建全尺寸手、足、心臟模具，打印肺段模型、肝臟實(shí)體模型，用不同顏色的材料構(gòu)建血管、神經(jīng)走行的3D打印模型，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)3D打印教具進(jìn)行立體觀察學(xué)習(xí)，更加直觀、深刻地掌握人體解剖結(jié)構(gòu)。在骨科教學(xué)中，研究者們構(gòu)建骨盆骨折、脊柱畸形、髁狀突骨折等3D模型運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐中，醫(yī)學(xué)生可以通過(guò)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(xué)資料如X片、CT片更加立體、直觀。在耳鼻喉及口腔醫(yī)學(xué)教學(xué)中，構(gòu)建“中耳仿真模型”“咽淋巴環(huán)模型”“喉腔精細(xì)解剖模型”等解剖模型；同時(shí)3D打印技術(shù)也運(yùn)用于口腔修復(fù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[1]、眼耳鼻咽喉科臨床教學(xué)[2]等，耳鼻咽喉、眼科及口腔科教學(xué)中學(xué)生最不易掌握的是其精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)及復(fù)雜且易于損傷周圍組織的手術(shù)操作，當(dāng)然這對(duì)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(jié)構(gòu)的最終目標(biāo)還是為了認(rèn)識(shí)和處治疾病，那么3D打印技術(shù)又是怎么幫助醫(yī)學(xué)生認(rèn)識(shí)疾病病例、了解疾病種類并設(shè)計(jì)治療方案的呢？那就是對(duì)典型病例或手術(shù)操作方式進(jìn)行反復(fù)演練，以提高手術(shù)成功率。無(wú)論是基礎(chǔ)教學(xué)還是臨床教學(xué)，均逐步引入3D打印技術(shù)，且取得較好的成果。在顱腦外科教學(xué)中，王林等[3]將臨床上獲取病人顱內(nèi)的血管病、腫瘤、腦損傷等疾病病例制作成3D打印模型供學(xué)生或低年資醫(yī)生學(xué)習(xí)，使其對(duì)術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)、解剖結(jié)構(gòu)、疾病特征形成更加清晰、直觀、形象的認(rèn)識(shí)，甚至可以讓學(xué)員在3D打印的模型上模擬手術(shù)過(guò)程并反復(fù)操作練習(xí)。在新生兒科教學(xué)中，進(jìn)修生可以在3D模型上進(jìn)行心肺復(fù)蘇，并可根據(jù)心電監(jiān)護(hù)觀察其效果，這對(duì)于提高醫(yī)生的技能、實(shí)際搶救經(jīng)驗(yàn)并切實(shí)提高搶救成功率均具有重要作用。

（二）醫(yī)學(xué)教學(xué)中3D打印技術(shù)建模方式

從建模數(shù)據(jù)來(lái)源來(lái)說(shuō)，正常人體模型建模數(shù)據(jù)通過(guò)三維掃描遺體捐獻(xiàn)者正常組織、器官或?qū)φＨ梭w進(jìn)行CT、MRI、CTA、DSA等檢查獲得DICOM格式的影像學(xué)數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STL格式存檔，最終用3D打印機(jī)打印出來(lái)。對(duì)于疾病病例尤其是臨床特殊罕見(jiàn)病例，以往制作的標(biāo)本不易于長(zhǎng)久保存而損壞，但現(xiàn)在臨床可通過(guò)各種方法獲取三維數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)建模，黃凌凌等[4]將3D打印技術(shù)結(jié)合臨床圖像存檔與傳輸系統(tǒng)（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(dòng)圖像入GE EchoPac工作站后獲取3D容積圖像，將其以DICOM格式導(dǎo)出，上述方法均可獲得病變組織器官的三維建模數(shù)據(jù)。

（三）3D打印技術(shù)與多種教學(xué)模式相結(jié)合

從教學(xué)方法來(lái)說(shuō)，李珍珠等[6]等運(yùn)用3D打印技術(shù)將臨床動(dòng)脈瘤影像資料利用MIMICS軟件建模后打印出模型，結(jié)合PPT教學(xué)；吳松等[7]通過(guò)3D打印技術(shù)制作個(gè)性化聚丙烯樹(shù)脂心臟病變?nèi)S立體模型，配合PBL教學(xué)；秦杰等[8]在留學(xué)生骨科臨床教學(xué)中運(yùn)用3D打印輔助CBL教學(xué)方法；杜友利等[9]在介入科見(jiàn)習(xí)醫(yī)生臨床教學(xué)中使用Sandwich教學(xué)法聯(lián)合3D打印技術(shù)。研究者試圖將3D打印技術(shù)與所有傳統(tǒng)的與先進(jìn)的教學(xué)模式相結(jié)合，為構(gòu)建全新的教學(xué)方式提供實(shí)踐基礎(chǔ)。事實(shí)證明，在傳統(tǒng)的PPT或新引入的PBL、CBL等教學(xué)模式基礎(chǔ)上運(yùn)用3D打印模型教學(xué)，很大程度地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率、實(shí)際操作能力及處理解決病例的能力，對(duì)于醫(yī)學(xué)教育具有不可替代的作用。

（四）教學(xué)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

從教學(xué)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，一般以考核和問(wèn)卷調(diào)查兩種方式進(jìn)行，考核又包括專科理論考核、臨床思維能力和外科操作考核，需考核答題時(shí)間和總體分?jǐn)?shù)。問(wèn)卷調(diào)查可設(shè)立如學(xué)習(xí)積極性、學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)、提升學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)效率、3D教具是否更有助于理解所授知識(shí)、模具質(zhì)量、滿意度（包括教學(xué)資源滿意度、教學(xué)過(guò)程滿意度、教學(xué)效果滿意度、總體滿意度）調(diào)查等，問(wèn)卷可采用李克特量表（5級(jí)）計(jì)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(píng)價(jià)可使用兩種方法，一種方法都設(shè)立陰性對(duì)照組和陽(yáng)性組，兩組教授同一教學(xué)內(nèi)容，陰性對(duì)照組使用其他教學(xué)方式，陽(yáng)性組在其他教學(xué)方式上附以3D模型教具同時(shí)教學(xué)；另一種方法是陰性對(duì)照組和陽(yáng)性組為同一批次學(xué)生，先使用其他教學(xué)方式教授一個(gè)內(nèi)容，再加上3D模型教具教授另一個(gè)內(nèi)容，分別評(píng)價(jià)其效果。第一種方法可減少因教學(xué)內(nèi)容難度不同而引起的誤差，第二種方法可減少因?qū)W生接受能力不同而引起的誤差，兩種方法可同時(shí)使用以便更準(zhǔn)確地判斷教學(xué)效果。

（五）材料選擇

從3D打印模型材料選擇來(lái)說(shuō)，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(shù)脂打印手、足、心臟，對(duì)于寄生蟲(chóng)類生物可采用聚己內(nèi)酯（PCL）打印[11]，其已在抗腫瘤藥物的載藥材料、骨組織內(nèi)固定支架材料以及輸尿管生物材料等眾多醫(yī)藥領(lǐng)域中作為3D打印的適宜物質(zhì)而得到廣泛的應(yīng)用[12]。研究者可根據(jù)材料性能、需求、經(jīng)費(fèi)進(jìn)行適當(dāng)選擇。

二、3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義

3D打印技術(shù)的引入極大地?cái)U(kuò)充了教學(xué)資源，由于傳統(tǒng)觀念的影響和法制的健全，示教尸體資源越來(lái)越稀缺，尤其是部分典型病例組織在術(shù)中有破壞，或是由于臟器修復(fù)后而不能了解其原始狀態(tài)。通過(guò)3D打印技術(shù)，可打印出正常人體模型供學(xué)生解剖以了解其結(jié)構(gòu)，可打印出臨床病例供學(xué)生思考解決辦法及訓(xùn)練技能，可打印恢復(fù)后的病例供學(xué)生評(píng)價(jià)各種治療方案，甚至可以打印法醫(yī)病理學(xué)尸體解剖中發(fā)現(xiàn)的治療失敗病例以供學(xué)生制訂預(yù)防措施，等等。試想，如果構(gòu)建不同性別、不同年齡的正常人體模型數(shù)據(jù)庫(kù)，如果將臨床的所有病種病例資料均以三維建模數(shù)據(jù)保存并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，如果將尸體解剖中診療過(guò)失導(dǎo)致死亡的病例資料制作成模型，這將極大豐富教學(xué)資源并減少教學(xué)資源浪費(fèi)，對(duì)我國(guó)的醫(yī)學(xué)發(fā)展將會(huì)起到前所未有的推動(dòng)作用。

3D打印技術(shù)的引入有利于提高醫(yī)學(xué)生的實(shí)際操作能力，相比圖片、視頻，實(shí)物更具有沖擊力，可有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)習(xí)興趣，實(shí)際動(dòng)手操作和反復(fù)練習(xí)對(duì)技能的提高是其他任何教學(xué)模式所不能替代的，數(shù)據(jù)庫(kù)病例知識(shí)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(shù)的引入可增加手術(shù)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(rèn)方案可靠后再進(jìn)行手術(shù)，從而降低失敗風(fēng)險(xiǎn)，也有利于新方法的研究。

三、結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中已逐漸開(kāi)始小范圍試用，均取得了良好的效果。但適合醫(yī)學(xué)教學(xué)使用的打印材料如TPE、UV樹(shù)脂、水凝膠等因其成本高昂而難以普遍使用；同時(shí)有部分醫(yī)學(xué)教研機(jī)構(gòu)對(duì)3D打印技術(shù)還沒(méi)有了解，尚未開(kāi)展相關(guān)研究。因此，增加教學(xué)資金的投入、提高對(duì)3D打印技術(shù)對(duì)醫(yī)學(xué)教學(xué)重要作用的認(rèn)識(shí)是未來(lái)努力的方向，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用仍然任重而道遠(yuǎn)。