基于3D打印技术的解剖模型在解剖学教学中的应用

张瑞涛 陈 静 骆社丹 李 莉 汤桂成

（三峡大学医学院解剖学与组织胚胎学系 湖北·宜昌 443002）

诞生于20世纪90年代的3D打印技术是以数字模型为依据，通过逐层打印叠加可黏合材料，制造实体复杂结构模型。作为一种新型快速成型、制造技术，3D打印可以与数字化医学影像设备结合，定制个性化的生物材料，因此越来越为医学界所青睐[1]。外科学是最早应用3D打印技术的医学领域，特别是骨外科、面外科、整形外科等的临床实践。以医学影像数据为基础，利用3D打印技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。利用3D打印技术可以加工出内、外部三维结构完全仿真的生物模型（Bio-model)其线尺寸误差小于0.05mm，总体误差不超过0.1%，这样的精度完全可以满足外科手术的需要并且克服了生理解剖标本的难度及道德伦理方面的困扰。另外，在模型上还可以试行手术，以预演术中可能会遇到的情况，并可比较不同术式的优劣，同时也可给年轻医生提供演示或操作训练的机会。受到启发的教育工作者想到，既然3D打印技术可以用于为患者制造匹配的骨关节等耗材，我们也可以使用3D打印技术去制造我们所需要的人体解剖结构。这样，3D打印技术可以有效解决解剖教学所面临的教师讲不清病变结构，难以培养学生影像学判读能力，学生缺乏训练机会等问题[2]。

1 3D打印解剖模型的数字建模

几个世纪以来，使用大体老师来教导学生有关人体解剖学的知识是医学院的教学传统，一直持续到今天的。现在，越来越多的国家及地区面临着大体老师短缺的情况。目前国内3D打印构建模型最常使用的数据是CT，CT是一种在各级医院广泛应用的 X射线三维透视成像技术，具有良好的空间分辨率以及较薄的重建扫描层厚，具有费用低、成像快等诸多优点。美国卡内基梅隆大学的研究人员使用3D打印技术为特定患者3D打印解剖模型。澳大利亚大学的一对医疗小组也使用了类似的手段来完成解剖。澳大利亚莫纳什大学的Paul McMenamin科研团队一直致力于开发3D打印解剖模型[3]。他们基于现实的人体标本，即基于医疗尸体的3D扫描，然后将其分割成57块，而后采用最先进的3D打印机进行3D打印。据悉，此团队的3D打印解剖系列覆盖了人体所有的肢体，包括了四肢、胸部、腹部、头部和颈部等人体主要部分，可用于医学院或医院的人体解剖培训。莫纳什大学团队发布的这些3D打印人体解剖模型，其数据则主要来自激光扫描、磁共振成像和 CT扫描等。这套模型中还包括一些精确的人体解剖结构，这些光凭医用尸体时不可能看到的，比如大脑的血管系统等。在经过对于实际解剖标本的扫描后，这些身体部件可以使用石膏或者塑料材料以高分辨率3D打印出来，不仅极其精确，而且可以再现真实色彩。这也成了首个用于解剖领域的商用3D打印成品。3D打印医疗模型甚至有可能远远超过研究真正的尸体的优势。学生对于3D打印的医疗模型的舒适性远远超过尸体所带来的“恐惧”。所以3D打印的医疗模型在人类的心理承受力上占据了很大的优势。该3D打印医疗模型的费用为25万美金，而且打印时间也需要相当长的时间。任何技术都需要一个完善的过程，考虑到3D打印质量和其所带来的优势，这个漫长的等待也是值得的。此外，3D打印医疗模型已经在市场上开售，3D打印解剖模型让医学教学更直观。

2 3D打印解剖模型在教学里的应用

2.1 3D打印解剖模型用于辅助教学

3D打印为教学提供了新的视角形式，创设了新的教学活动方式。它把创建3D模型，解释复杂概念，体现创新思想乃至各种材料分子有机的结合在一起。3D打印课程的研究越来越受到关注，在国外，它作为辅助工具，渗透到STEM（Science、Technology、Engineering、Mathematics）学科教学中，大大提高了学生的活动参与度。3D打印可以不断地挑战学习任务，创造学习内容，并成了课程建设的主要力量。3D打印技术正为教育的发展开启一个新的方向，许多教育机构、组织和企业也在探索如何将 3D打印技术应用到更广泛的教育、教学中。3D打印可以弥补传统教育“重理论、轻实践，重动脑、轻动手，重学习、轻应用”的不足，使课堂教学变得有趣、生动，变课堂上的被动记忆为课内外的主动探索。3D打印技术在教育领域的应用推广已经在高层受到了重视。中国工程院院士、西安交大卢秉恒院士就指出，3D打印如应用于教育教学，可以激发学生的探索兴趣和创造热情，带动教育创新，让学生们开拓思维，发挥出无穷的想象力与创造力，造就一批创新型人才。

解剖结构3D虚拟场景构建和平面三维渲染显示和VR系统显示让解剖学习有了观赏3D数字大片的视觉效果和类似游戏过程的愉悦感。学生可以互动操作和参与，大大减少了解剖模型的抽象性、解剖学习过程的抽象性，增加学生学习兴趣、提高学习效果。使用3D打印技术制造的人体标本，能等比例清晰显示人体各个结构，便于无失真地进行观察活动。3D打印还可复制经典病例和罕见临床情况，整合单一知识点，促进各学科融合，提升学员的临床诊断思维和治疗技能。同时，教学中使用3D打印的人体标本，有利于对不可再生的人体标本进行保护。将3D打印技术应用在医学教学中，可为师生提供逼真的人体器官，促进学生从被动记忆型、模仿型向思考型和创新型转变。真实的学习环境能使抽象的学习变得具体化、形象化。与此同时，3D打印可以批量提供人造的人体器官，克服了传统医学教学中由于人体标本不足导致的走马观花式学习，让学生能学好学到学懂，实实在在提升医学生的实践技能，为将来走上工作岗位奠定扎实的基础。

3D打印技术可以重现脊柱外科相关疾病的重要解剖学特点。从而为临床教学提供直观、立体、典型的实物模型。帮助学生更好的理解脊柱外科相关疾病的解剖结构及发病机制。脊柱解剖因其形态结构复杂，部位深在，处于教师难教、学生难学的境地。传统教学方式相对抽象，而根据影像学资料，运用3D打印技术打印的实体模型则能够体外再现脊柱的三维形态及特定的断层结构，为临床教学提供更为直观的三维图像信息，从而提高了学生对脊柱解剖结构的理解及记忆。有研究表明3D打印实物模型教学能够帮助学生更好的理解复杂解剖结构，提高教学质量。脊柱外科相关疾病因其特殊结构、部位、发病机制，概念相对抽象，学生不易理解；并且病因复杂，涉及的解剖学、骨科生物力学等学科内容广泛，学生掌握较难。与传统教学方法的单纯平面结构图，3D打印实物模型具有真实、客观、立体、生动、直观、感性的解剖学特点，可以将原本难以理解的具有复杂解剖特点的脊柱外科相关疾病，形象直观立体地呈现于学生面前，使学生对脊柱的立体结构、病理、疾病分型及治疗方法的理解更加容易。

心脏的解剖结构精巧而又复杂，认识心脏结构需要较强的空间思维能力，而构建先天性心脏病的空间结构则难度更大。3D打印技术能直观地展示心脏，在展示空间结构方面具有明显的优势。有研究显示，将利用3D打印技术制作的心脏模型运用到心血管专科医护人员教育培训中取得了良好的效果，加深了其对心脏疾病的解剖和病理生理特点的理解。心脏外科医师培养周期长已是业内共识，很大因素是由于心脏独特的生理特点和外科操作技术难度大，而现实中缺乏满意的训练模具也是无法回避的问题。

2.2 3D打印解剖模型促进培养学生的创新能力

STEM（science technology engineering mathematics）是科学、技术、工程和数学四门学科的简称，国际技术和工程教育协会(ITEEA)将STEM定义为整合了科学、技术、工程和数学四大要素的新兴跨学科课程，强调多学科的交叉融合。当前，基于STEM的创新能力培养模式正逐步在高校教学中实施。如在解剖教学中引入外科临床病例，引导学生进行深入的学习，促进培养学生的创新能力。与传统的术前规划相比，3D打印技术可以客观、立体、生动、直观、感性的打印出1∶1的实物模型，并可以根据术者的需要打印不同的切面，更好的观察特定区域的解剖特点。3D打印技术还可应用于脊柱外科内植物的个体化定制，即术者根据患者实际情况定制个体化的内植物，以满足解剖学、人体工程学、生物力学等不同方面的特殊要求。如椎间隙很宽、较小的儿童，造成患者所需内植物太大或太小，或需要与患者局部解剖结构更为贴附的内植物以提高手术疗效时，在这些特殊情况下则需要定制个体化的内植物，3D打印技术可以满足定制个体化内置物多样性、复杂性和快速性的要求。

2.3 3D打印在解剖相关临床疾病中的应用

目前3D打印技术主要是在复杂的骨肿瘤切除、骨盆骨折、髋部发育异常及骨折、脊柱畸形及损伤、头颅整形、口腔下颌骨修复、肢体畸形、骨缺损和假体制作等领域中有着广泛的应用。通过提取CT、MRI扫描数据重建计算机三维模型，并通过3D打印技术制作出不同大小的实物模型，使医生更加直观地、准确地发现X射线片、CT、MRI等传统影像学资料隐藏的解剖信息，并且医生还可以直接在打印的实物模型上进行诊断、制定个体化的手术方案、模拟手术操作，还可根据患者需要设计、制造个性化器械，甚至打印人体器官等，从而提高疾病的诊断率，增加手术的精确性、安全性。

脊柱解剖结构复杂，又有脊髓、神经等重要组织结构毗邻，面对复杂脊柱疾病时，如脊柱畸形，由于传统影像学检查无法提供精准的三维解剖关系，通过传统的影响学资料医师可能会得出片面的结论，将直接影响疾病的准确诊断，且容易造成漏诊、误诊、疾病诊断的不全或不清，从而影响疾病的疗效及预后。而3D打印技术可重建脊柱三维解剖结构，显著提高了疾病的诊疗质量。与X射线片、CT、MRI等传统医学影像学资料相比，3D打印实体模型可以提供更加详细、直观、立体、现实的解剖学信息。医师可以更加直观地观察分析脊柱解剖结构，从而极大的提高了临床医师对复杂脊柱疾病空间解剖结构的理解，进而做出更加精确的疾病诊断，如复杂脊柱骨折的分型、脊柱侧弯的分型、脊柱肿瘤的鉴别等，从而减少复杂疾病的漏诊和误诊，明显提高患者的诊疗质量。

与传统的术前规划相比，3D打印技术可以客观、立体、生动、直观、感性的打印出1∶1的实物模型，并可以根据术者的需要打印不同的切面，更好的观察特定区域的解剖特点，制定更加精准的个体化的手术方案，并可以在3D打印模型上进行预定手术的模拟操作，增加手术的熟练度，明显缩短手术所需的时间，减少医生和患者放射线的暴露的时间和剂量，提高手术的可对比性和相对同一性，并还可以制作一些个体化的手术器械，辅助手术的快速完成。

3 3D打印应用于解剖教学中的展望

3D打印因其个性化定制、快速成型的特点，可作为立体标本用于保存具有代表性的病例（肿瘤、创伤等），结合真实完整的临床病历、影像学资料、辅助检查结果，作为教学病例的储备。将3D打印模型教学与传统教学方式融为一体，实验教学与理论教学相辅相成，实行以问题为基础的学习（problem-based learning,PBL）教学模式，让学生在教学中占据主导地位，充分发挥学习的主动性，收获知识的同时收获乐趣，老师则起引导辅助和答疑的作用。条件允许的情况下，使学生尽可能都有在3D打印模型上模拟手术操作的机会，锻炼动手操作能力，尽早获得娴熟的手术技巧与精确的操作能力。目前受限于工程学和材料学的发展，3D打印技术在解剖学教学上的应用仍然处于初级阶段[4]，但毫无疑问的是，3D打印技术所制造的模型/植入物已经能够满足解剖学教学的要求。具备在解剖学教学中广泛使用的基础。我们相信随着科学技术的不断发展，3D打印技术现存的缺陷将得到解决，3D打印技术在医学领域中的应用必将进一步深化。