3D打印技術醫學教育實踐應用研究

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醫學理論知識學習與實踐技能培訓是高等醫學教育培養合格畢業生的重要途徑。2014年6月《關于醫教協同深化臨床醫學人才培養改革的意見》當中已經提出要“全面建立以‘5+3’為主體的具有中國特色的醫學人才培養體系”[1]。因此，如何提高我國高等醫學教育水平，培養創新型、技能型、應用型等復合人才，是亟待解決的關鍵問題。作為研究人類健康與疾病的學科，醫學教育教學過程中教學標本或模型是必不可少的。然而隨著現代社會的發展，尤其是倫理與成本等因素的限制，可供醫學教學使用的大體標本越來越少，經學生解剖練習過后的大體標本也無法重復使用。另外，傳統的教學模型也同樣存在種類不全、制作死板、結構暴露不清的問題，致使教學效果大打折扣，嚴重影響教學水平的提高[2]。

13d打印概述

3D打印是近年來新興的制造技術，它以數字模型文件為基礎，采用金屬、高分子塑料、光敏聚合物甚至生物細胞等可粘合材料，通過逐層堆積的方式快速構建3D立體模型。從1986年CharlesW.Hull開發了第一臺商業3D打印機以來[3]，人們可以通過3D打印機方便地生產各種結構復雜、生產難度大并且沒有大規模生產需要的產品，這種特性使得3D打印技術在包括醫學教育等諸多領域中得到廣泛應用。

23D打印教學模型

利用CT、MRI獲得的真實人體掃描數據，通過3D打印技術可制作出人體任意部位高精度3D模型，無論是正常人體結構還是病理解剖模型都可以通過影像資料輕松獲取，并將這種高精度的3D模型應用在醫學教學當中。這不僅能使學生更加直觀地了解到人體各部位的細微結構和位置關系，還能夠調動學生學習的積極性，促進學生從被動記憶型向思考型和創新型改變，并且避免了標本中甲醛液對師生健康造成的損害[4]。3D打印模型可以應用于臨床課程的教學并帶來良好的效果。KahHeng等[5]對比了分別使用心血管尸體標本材料、3D打印模型和尸體標本和3D打印模型結合使用進行心血管部位解剖自我指導學習的效果，測試結果顯示使用3D打印模型的小組測試得分顯著高于尸體標本組和兩種結合使用的小組，表明3D打印模型代替傳統標本會給解剖學學習帶來一定的益處。而在實踐技能操作中，學生借助3D打印的操作模型，不僅可以了解到操作部位的解剖結構與位置關系，還可以進行實際操作練習，有效提高學習效率。Jelliffe等[6]收集了正常和后凸脊柱患者的胸部CT掃描數據，并從中分割出胸椎，生成并打印脊柱的3D模型，然后把它放在裝滿了不同類型的硅膠的特制盒子內，以模仿人體組織，制成人體脊椎仿真操作模型。14名受試醫生在使用此模型進行胸部硬膜外穿刺培訓后，對模型在觸診棘突、針頭穿過硅膠時的真實感和超聲波逼真度給予高度的評價。Goudie等[7]使用3D打印制作的心血管模型，對受試學生進行了插入導絲和支架操作的現場培訓，通過對30名參與學生反饋結果的評估，認可了將3D打印心血管模型作為模擬操作模型的培訓效果。從以上研究可以看出，將3D打印模型應用于醫學教學過程中的實用性和效果都是毋庸置疑的。同時，目前3D打印機的價格已經大幅下降，而且國內也有大批3D打印機的生產商，可以方便地購買到經濟實惠且能滿足教學需求的3D打印機。另外，隨著技術的發展，3D打印所消耗的時間也大幅縮短[8]。因此，將3D打印技術制作的高精度、高仿真的教學模型廣泛應用在日常教學中的也是可行的。

33D打印結合新型教學法

目前的醫學教學已經開始嘗試各種不同的教學模式，通過3D打印制作的教學模型不僅應用在傳統的教學方式，其高度的仿真性和個性化的特性也使3D打印模型可以與其他各種教學模式相結合，從而獲得更好的教學效果。目前已經有研究開始嘗試將3D打印技術與PBL、CBL等教學模式甚至多種方法聯合應用于醫學教學當中。

3.13D打印技術聯合PBL模式

基于問題的學習（problem-basedlearning，PBL）教學模式是以問題為基礎，學生為主體，老師為導向的學習方式?；趩栴}的學習教學模式中，老師圍繞相關疾病的診斷、治療等要點提出相應問題，由學生帶著問題自主收集相關資料。另外，學生也可由老師的指導下成立小組進行討論，基于問題進行學習、討論相關知識點。PBL教學模式可顯著提升學生自主學習的熱情，并且引導、幫助學生更加牢靠的掌握專業知識，培養學生發現問題和解決問題的能力[9]。然而這種教學模式仍存在不足，一旦學生對所講疾病認知不足，就會使得其缺乏討論興趣[10]。而人體與疾病的復雜性使得學生很難通過二維的平面資料完全掌握疾病的特點。鄭[11]等研究顯示，將3D打印模型聯合PBL的教學方法應用于腫瘤外科住院醫師規范化培訓的臨床教學中，經過3個月的學習，3D打印結合PBL法可實現包括執業真題成績、出科理論和前沿知識等理論成績的明顯提高，并且學生滿意度也明顯高于對照。另外一項研究顯示，使用3D打印模型結合PBL教學組學生教學吸引力、知識掌握程度、知識理解深度、思考啟發力、總體滿意度5項評分均高于傳統教學組[12]。

3.23D打印技術聯合CBL模式

基于案例的學習（case-basedlearning，CBL）教學模式是以臨床案例為基礎，通過設計相關問題來引導學生以案例問題為中心展開討論的一種小組討論式教學法。美國神經學教授Barrow在1986年首次嘗試將案例教學法引入醫學教學領域[13]。它通過病例引導學生進行分析和思考，避免了傳統灌輸式、填鴨式教學，實現學生臨床分析能力與解決問題能力的提高。丁等[14]嘗試將3D打印技術與CBL教學模式聯合應用在先天性脊柱側彎的教學當中，直觀的將畸形的脊柱結構特點呈現在學生面前，“化難為易”，通過與傳統影像資料的對比，不僅增進了學生們疾病本身的了解，并且加深了學生對脊柱解剖結構的認知，提高了臨床閱片的能力。另一項研究顯示，3D打印技術+骨盆移位計算軟件聯合應用于骨盆復位教學中可使教學吸引力、認識深度、手術方案制定能力、操作熟練度、總體滿意度與實訓考核等方面教學效果獲得顯著提高，并且極大減少年輕醫生學習周期，增強了受訓者對病情分析和術前計劃制定能力，提高了整個學習過程的學習興趣，增強自主力與自信心[15]。

3.33D打印技術聯合Sandwich教學法

Sandwich教學法是一種“學習—實踐—學習”的教學模式。將這種教學方法應用在臨床實踐教學中，能讓學生更好地參與課堂，發揮學生的主觀能動性，提高課堂效率。但是，由于人體疾病解剖結構的復雜性，帶教老師無法將疾病的形態學表現直觀展示，顯著影響學生對疾病的深入理解。杜團隊將Sandwich教學法聯合3D打印技術應用于介入科見習醫生的臨床教學中，觀察組學生的臨床實踐成績明顯高于對照組學生，3D打印模型正好彌補了Sandwich教學模式的不足，有效提高了學生學習興趣，增強其學習欲望，提高學習效率。3.43D打印技術聯合TBL模式基于團隊的學習（team-basedlearning，TBL）模式是以教師講授與學生團隊協作、小組討論相結合的新型教學模式。這種模式有助于促進學習者的團隊協作精神、注重人的創造性、靈活性。張宇團隊發現在將TBL教學法應用在馬蹄形畸形的臨床教學中時，由于學生對踝部解剖了解不透徹而仍感到教學內容理解困難、缺乏感性體驗，于是團隊將3D打印模型引用TBL教學過程中，顯著提高了住院醫生馬蹄足畸形診療的臨床教學效果。3.53D打印技術聯合多種教學模式基于循證醫學的教學法（evidence-basedlearn-ing，EBL）教學法是1992年由GordonGuyatt教授于1992年提出，這種教學方法強調在臨床實踐中發現問題，依據循證醫學思路解決問題。李等將PBL與EBL教學聯合3D打印技術應用在骨外科的臨床教學中，發現學生在學習積極性、文獻檢索及分析能力、臨床診治思維、分析解決問題能力方面的能力均有所提高。而另一項將PBL+CBL教學模式結合3D打印技術應用在呼吸系統疾病的教學中的研究顯示，3D打印技術聯合PBL+CBL教學模式，加強了學生對于理論知識的掌握程度，提高了學習的積極性，拓展了學生臨床思維，加強學生團隊合作的能力。

43D打印結合其他現代技術

虛擬現實技術（virtualreality，VR）是一項囊括計算機、電子信息與仿真技術為一體的全新實用技術，其基本方式是通過計算機技術模擬虛擬環境，從而實現環境沉浸感。目前，虛擬現實技術也已經成為促進教育發展的一種新型教育手段。楊等分析了應用基于VR及3D打印技術的解剖病理仿真實驗室進行教學的優勢，將利用CT、MRI等掃描獲得的影像學數字資料整合到VR互動實驗平臺或3D打印成具體的實物，構建解剖病理仿真實驗室，不但能夠節省購置、維護尸體的費用，讓學生不限場地和時間地在虛擬尸體標本上反復操作，使學生獲得良好的沉浸式體驗，提高教學質量和效率。高等嘗試將3D打印技術及VR技術聯合應用在重度下肢畸形矯正的臨床教學中，結果顯示，采用3D打印與VR虛擬模型等手段輔助教學的試驗組在主觀問卷調查自我評價得分和臨床考核得分方面，均顯著優于采用傳統教學方法的對照組，說明在傳統教學模式基礎上結合3D打印技術及VR虛擬演示，可以提高學生對復雜畸形特點的理解和對多段截骨技術的掌握，彌補了傳統教學的不足，具備更好的教學效果。

53D打印醫學教育局限性

目前，3D打印應用于醫學教學仍存在一些問題，如3D打印技術材料學領域，包括材料過于單一、人體器官模型使用的鈦合金金屬粉末成本高，以及3D打印技術普及速度相對緩慢等問題，并且若使用3D打印模型進行教學，師生均需要一定的時間適應這種新興的教學方式。還需要注意的是，通過3D打印技術打印組織器官可能存在倫理問題。

6展望

3D打印技術并且憑借其個性化、精準化的優點，擁有著良好的展現人體形態學的能力，在醫學教學中能夠著提升教學效果，激發出學生學習的積極性和自主性，還能鍛煉學生的動手能力，促使學生將書本知識和實踐相結合。雖然目前3D打印仍然存在一些問題，但隨著應用技術的創新優化，3D打印一定會引起行業重視，從而在醫學教育領域得到廣泛應用。

作者：白智剛 魯海文