3D打印技术在医学教学中的应用

马丽娜 李 耘

（首都医科大学宣武医院老年医学科、国家老年疾病临床研究中心，北京100053）

我国的高等医学教育是培养合格临床医师和医学科研人员的必经途径，其重要意义在于要培养出专业技术过硬、适应现代医疗体制的专业医学人才，同时要求具备相当的临床工作能力和科研能力。如何提高高等医学教育的效率是目前我国高等医学教育面临的一个重要课题。医学生虽然必须要经历各种医学课程的学习和临床见习，但由于其进入专科学习时间较短、人体结构特殊性、立体性、精准性等多方面原因，从而导致医学生面对复杂的人体结构和临床疾病时，需要经过较长时间的学习观摩和经验丰富的教师指导才能逐步理解、运用所学知识。传统教学方式在训练临床思维能力和激发学习兴趣上的效果偏低，需要开拓新型的教学方式和手段来提高教学效率。三维（threedimensional，3D）打印（也称为增材制造）是首先出现在工程中的技术，其基于虚拟或计算机生成的三维模型，经过对此模型的分层处理，然后使用3D 打印机进行逐层叠加的方式制造物品。与传统的制造工艺不同的是3D 打印技术可以直接使用高分辨率三维数据模型制造复杂物体，以更少的时间和更低的成本生产高精度的模型[1]。在医学教学上，3D 打印技术对于医学生学习人体复杂的解剖结构和3D 组织有很大的帮助。利用3D 打印技术在医学教学中为医学生提供了对于人体复杂结构的现实印象，并且有助于学习人体结构、医学诊断、医疗植入物的设计和术前规划的学习与应用。目前在医学教育领域逐步扩大了3D 打印技术的使用，在人体结构、假肢、手术模拟和患者教育等领域已经得到广泛的应用[2-6]。

1 3D 打印概述

3D 打印是一种在虚拟计算机数据模型的基础上，将其分层处理，然后利用塑料、尼龙、光敏树脂、金属、合金、玻璃、陶土、可食用材料等原材料通过逐层叠加的方式制造成型的技术，属于增材制造技术。与传统的制造工艺（减材制造）的区别在于3D 打印技术可以直接使用高分辨率三维数据模型制造复杂物体，以更少的时间和更低的成本生产高精度的模型[1]。医学模型或解剖生物模型是通过真实生物结构复制出来的实体，其可以以计算机虚拟数据的形式或固体物理形式实现。生物模型可以促进医学生对于人体组织和结构的理解，提升教育效率。这些模型通常形状复杂，如果使用传统制造方法（减材制造）进行制造代价高昂，属于高端定制。而3D 打印本质是增材制造，基于计算机虚拟三维数据来进行制作，所以只要有准确的虚拟数据模型，即可以打印出完全一致的人体组织和结构模型，而且可以使用金属、光敏树脂等多种材料。

2 3D 打印进行教学举例——实体病理学模型

医学生学习临床知识一般都会通过病例研究来学习，而这个过程中是看不到病人的。如果仅仅通过病例来了解病症是不够充分和直观的，尤其是需要学习手术技能的外科医学生。Lioufas P A 等[7]对3D 打印腭裂畸形病例模型进行了研究。腭裂是世界罕见的疾病，患病率为每10 000 例活产婴儿约4.50 例，每万例分娩出现6.64 例，同时伴有唇裂畸形，每10 000 例出生时共发生约10.14 例。主要的治疗方法包括确定性手术——腭成形术与长期随访评估，并确定在进一步畸形情况下返回医院治疗的必要性。由于医学生和外科实习生几乎没有机会参加腭裂手术，而且患者并不需要长期住院，所以医学生或外科实习生很少有机会看到3D的腭裂病理。Lioufas P A 等使用核磁共振成像和3D 打印技术的组合，制造出一系列8 和14个月儿童各种形式的腭裂模型[7]。他们的研究不仅显示基于MRI 数据使用3D 打印重新创建腭裂和唇部畸形的3D 病理学模型，而且还表明随着新的多材料3D 打印技术的出现可以创建这种材质柔软精确的通用模型。在医学教学中使用3D 打印，特别是在外科教学方面，3D打印可以更好地将病理学可视化、实体化，从而使学生更好地理解与操作。目前正在测试3D打印用于增强医学教学中外科课程的模型，最近模拟了钻孔创建和组织活检，在外科手术研究中取得了一些成功。虽然计算机屏幕上的2D和3D 可视化能够满足一些有经验的外科医生的学习理解，但他们建议医学生和外科实习生应该更多的接触解剖和实践手术的物理模型，这些3D 打印的模型可以提高医学生和外科医生处理这些复杂情况的学习体验和实际感受。

3 3D 打印用于医学教学的优势

3.1 3D 打印明显降低医学教学成本

国外已经对3D 打印生物模型替代尸体标本教学进行了应用研究，研究表明3D 打印技术能够明显降低教学成本[8-10]。McMenamin 等[8]研究了3D 打印人体组织结构模型与使用真实尸体标本对医学生进行教学的成本比较。该模型是由3D system 公司出品的全彩色3D 打印机Z650 进行打印，该打印机通过彩色粘合剂来粘合高分子材料从而打印具有多种颜色的模型。全世界的医学院获取和管理人类尸体标本材料以及为医学教育提供实验室设施都有昂贵的成本，同时社会、文化和民族宗教因素是建立和维护捐赠遗赠方案的另一个障碍，这就导致医学生在大学期间可以使用的尸体材料会越来越少[11]，现在已经开始使用塑料模型进行教学，但是这些模型不具有解剖学准确性。据推测使用真实尸体标本比3D 打印所消耗的成本高50万美元[8]。但这个预算仅针对Z650 全彩色3D打印机，如果换成FDM（熔融沉积成型）技术的3D 打印机，成本可能会更少。模型成品的精细程度取决于材料特性、打印机技术、打印精度，所以对于不同精度要求的模型需要用不同的打印机来进行打印。在医学教学中使用3D打印的复制品可以更方便为基于尸体标本的教学课程提供高质量教学素材，而且3D 打印的模型细节完善，较购买或生产塑化标本便宜，可以减轻医学院和医疗机构的成本。

3.2 3D 打印模型可以提升医学生对人体组织结构解剖的理解能力和兴趣

医学生需要学习的人体组织结构具有复杂性、特殊性，医学院或医学教育机构一直使用尸体标本或者模型来进行实践教学。由于标本成本昂贵，传统模型并不具有解剖的精确性，所以需要一种可以替代的教学材料来进行教学，以方便学生可以更好地去理解。随着3D 打印技术的发展，McMenamin 等人建议可以使用3D 打印的复制品及时补充基于尸体的本科解剖课程[8]。

多项研究对3D 打印和用于学习外部心脏解剖学的实体材料进行了随机对照试验研究[10]，将参与者随机分为3 组，分别使用尸体材料、3D 打印、尸体和3D 打印组合进行自我向导的学习，结果显示3D 打印组成绩明显高于其他2组。有很多医学生在第一次面对尸体标本时会产生忧虑、压力、恐慌等负面情绪，并且会有避免与标本发生接触的倾向，同时他们更愿意处理3D 打印出来的模型。这个试验表明3D 打印模型可以降低医学生的不适感，提升学习兴趣，可以引导学生进行解剖学习。而且3D 打印的不同结构模型是具有不同颜色的，之前对于先天性心脏病3D 模型的研究已经证明与单色心脏模型相比，医学生更容易理解彩色模型[12]。Preece 等人[9]后来使用不同的颜色来打印一个组织上不同的部分，打印完毕之后给这些部件装上磁铁，使医学生可以通过拆装模型来进行学习。他们使用3D 打印的模型对学生进行了教学，并评估了3D 打印模型的有效性。利用3D 打印技术在生物医学建模中为医学生提供了人体复杂结构和组织的现实印象，这些结构有助于医学生的学习以及医学诊断、医疗植入物的设计和术前规划。

3.3 3D 打印模型可以提升医学生对外科手术训练的兴趣和学习效率

外科医学生需要进行各种各样的手术，有些手术非常复杂，如内窥镜鼻腔结构复杂，内窥镜视角和内窥镜手术工具独特，一直是内窥镜鼻腔手术教学的难点。ChenYu Ding 等人[13]在研究中设计打印了一个多色3D 模型来训练鼻内窥镜手术，并取得了初步的应用效果。在这个三维立体打印模型中包括面部皮肤、骨骼、颈内动脉、鼻甲、视交叉、特殊的鞍底和相对应的颜色。3D 打印模型完成后，他们请了6 名耳鼻喉科医生和神经外科医生对模型进行评估，并招募了20 名来自耳鼻喉科或神经外科的没有鼻内窥镜手术的经验的研究生和住院医师接受培训。在研究过程中记录在手术训练中使用3D打印模型的受试者的训练结果和受试者在训练后的主观感受。他们的研究验证了具有逼真的鼻腔解剖结构和适合不同部位色彩的3D 打印模型是作为内窥镜鼻腔手术的一种很好的教学工具。随着受试者的不断操作实践，内镜手术的成功率和质量逐渐提高。与第一次训练相比，所有记录的训练参数均有显著改善，3D 打印模型可以激发受试者鼻内窥镜手术培训的兴趣和热情。

3D 打印脊柱模型比平面成像或二维图像能够更快更准确地传递复杂三维解剖关系的信息，为此Schwab 等人[14]于2014 年创建了一个统一的截骨术分级系统——Schwab 截骨术分级量表，并对定制的3D 打印脊柱模型的实用性进行了研究评估，帮助外科受训者了解和执行Schwab 截骨术分级量表。他们将8 名受试者随机分为两组：第一组接受关于Schwab 截骨术分级量表的书面指导材料，而第二组接受书面材料和有截骨术区域划分的脊柱3D 打印模型，所有参与者都接受笔试和实践考试。随机接受3D 打印模型组在书面评估和实际操作上的表现均明显优于只接受书面指导组。此研究表明，3D 打印脊柱模型是帮助早期外科受训者了解Schwab 截骨分级标准的有效辅助手段，类似的3D 打印模型在外科培训项目和病人教育模型中有明显的实用价值。

4 3D 打印技术在国内医学教学中应用举例

4.1 3D 打印模型辅助CBL 教学法

案例教学法（case-based learning，CBL）教学法以病例为基础，将教学大纲的知识点融入到实际的临床病例中，提高了学生的学习积极性。3D 打印技术可基于病例影像学资料，通过有限元软件，快速精确地复制出局部骨骼的三维结构，近年来逐渐应用于骨科临床，给医师提供触觉与视觉上的体验[15]。国内有研究显示将3D 打印技术联合CBL 应用于先天性脊柱侧弯的教学中，能使学生更好掌握先天性脊柱侧弯的各个知识难点[16]，并且能提升了学生对知识掌握的广度和深度。一项研究显示，3D 打印模型辅助CBL 教学法组学生在教学吸引力、知识掌握程度、临床思维能力、技能操作能力、临床沟通能力评分、病史采集和查体、影像学资料分析、骨折描述与分型、诊断和治疗方案的评分均高于床边带教教学法组[17]。

4.2 3D 打印模型结合PBL+CBL 教学模式

以问题为导向的教学法（problem-based learning，PBL）是基于现实世界的以问题为中心以学生为主体的教育与学习模式。一项系统综述[18]表明，3D 打印联合PBL 教学与传统教学相比，能够提高骨科教学的理论成绩、临床操作和学习兴趣。一项对呼吸系统疾病临床见习的学生采用3D 打印技术联合PBL+CBL 教学模式的研究[19]显示，理论成绩总分和临床技能操作总分明显升高，具有更高的学习兴趣和积极性，表明PBL+CBL 教学模式结合3D 打印技术直观的向学生展示了呼吸系统疾病的解剖结构，拓展了临床思维。

4.3 3D 打印模型结合TBL 教学法

小组合作学习（team-based learning，TBL）是在PBL 基础上的一种有助于促进学习者团队协作精神，以教师讲授与学生讨论相结合的新型教学模式。对3D 打印技术结合TBL 教学法在住院医师规范化培训阶段马蹄足畸形临床教学中的应用的研究[20]显示，在TBL 教学法中结合3D 打印技术能够提高住院医师的考核成绩，显著提高住院医生马蹄足畸形诊疗的临床教学效果。

4.4 3D 打印模型结合角色扮演教学法

角色扮演教学法是学习者在假设环境中按某一角色身份进行活动以达到学习目标的一种教学方法。对骨科临床实践学生实施3D 打印模型结合角色扮演教学法能够提高教学后理论知识、疾病诊断、治疗方式、手术操作考核成绩和基础知识、学习兴趣、三维想象力、诊治操作等能力[21]。

4.5 3D 打印联合混合现实和虚拟现实技术

在侧脑室穿刺教学中，采用3D 打印联合混合现实技术能提高学员的成绩，侧脑室穿刺教学效果提高明显[22]。对骨科规范化培训外科住院医师及实习医师中采用3D 打印技术及虚拟现实(virtual reality，VR)技术，发现学员的主观问卷调查自我评价得分和临床考核得分均高于传统教学方法，表明在传统教学模式基础上结合3D 打印技术及VR 虚拟演示具有更好的教学效果，能够弥补传统教学的不足[23]。

4.6 3D 打印模型结合SBAR 沟通模式

SBAR 沟通模式是以解决病人安全问题为中心的医务人员交接沟通的一种标准化沟通方式，能有效提高沟通效率和降低不安全事件的发生率，主要内容有现状（situation）、背景（background）、评 估（assessment）和 建 议（recommendation）。通过对参加骨外科住院医师规范化培训医生进行研究发现，将3D 打印模型引入SBAR 沟通模式有利于规培医师提高学习兴趣、 提升病情汇报分析准确性及全面性的能力[24]。

5 3D 打印技术教学应用的局限性及在国内用的制约因素

3D 打印在医学教学中能够显著提升临床教学效果，在骨科、神经外科、肿瘤外科等手术模拟操作教学中显示了良好的应用前景，但在国内使用仍有一些制约因素和一定的局限性。

5.1 3D 打印效果与真实情况仍有差距

3D 打印模型可以帮助没有经验的年轻医生熟悉外科手术的操作和流程，但目前大多数模型为质硬类型，质软模型将更加真实模拟手术。3D 打印模型不能够反应复杂的解剖异常和病变，缺乏反应真实手术情况的能力，所以仅仅使用3D 打印模型进行外科训练不足以让受试者掌握复杂的外科手术。在骨科和神经科手术教学领域中均发现，打印的模型没有神经、血管等软组织，仍需教师对神经走行等进行手工标记[25]，另外，3D 打印模型模拟椎间孔镜手术的病灶切除操作与真实操作的情况仍有差距[26]。

5.2 3D 打印技术有待于进一步完善

3D 打印模型在临床上的应用尚处于初级阶段，目前3D 打印技术还不够完善，尽管可以使用各种不同性质的材料制作高精度标本，但模型在重量、质地、颜色、触觉和其他物理性质上与尸体材料还是有一定的差别，仍面临着打印机的生物兼容性、打印材料的选择性有限、不同细胞活性及组织结构大小等问题。

5.3 3D 打印成本高，打印配套设备并未普及

3D 打印成本高昂，打印机和打印材料的高成本限制、打印模型制作从数据采集到实物模型的时间成本、打印材料的局限性等导致产品质量良莠不齐，目前3D 打印仍不能广泛的推广。另外，3D 打印技术用于教学也可能存在着伦理方面的问题[27]。总之，随着3D 打印技术的发展和更新，未来 3D 打印在医学教学、研究、设计、制造等方向的应用和实践将会进一步的深入和发展，会有更多种类的材料会被投入使用，获得更精确的三维模型及更接近人体组织的模型，学生的操作更接近实际临床，3D 打印的医学教学模型会更加真实、丰富。