3D打印颅脑及血管模型在留学生临床教学中的应用

胡阳春，陈为为，李 超，蒿玉兴，代兴亮

（安徽医科大学第一附属医院，安徽 合肥 230022）

老师是学生的引路人，在学生成长的过程中，遇到一位合适的老师非常重要。在学习阶段，学生们可能就会因为某个老师而改变自己学习的态度，如果某个老师讲课的方式太过于枯燥，可能会导致学生对老师产生抵触的心理，那么这门学科很难学好。一位优秀的老师，在教学的过程中，必须了解不同学生内心真正的想法，培养学生的学习兴趣，因材施教才能取得好的教学成果。神经外科由于专业性强，且颅脑及脑血管解剖复杂，传统的教学模式由于是以书本为纲、从概念到概念的教学，很难全面而直观地阐明颅脑及脑血管解剖，本科生难以在短时间内理解与掌握，无疑给教学造成很大困难。同时，由于安徽医科大学国际留学生来自不同的国家，文化背景不同，政治、经济条件差异，传统的教学模式已经不能满足不同学员的要求，如何提高他们的学习兴趣，提升学习效果，是国内临床带教老师面临的巨大挑战。国内有单位将3D打印（three-dimensional printing）脑血管模型用于本科生教学，由于其直观、可视化特点，可以使学生更易理解并掌握脑血管解剖，提高教学效果[1]。但在国际留学生MBBS课程临床教学中效果如何未见报道，本文就3D打印颅脑及血管模型在安徽医科大学国际留学生班临床教学中的教学效果进行探讨。

1 方法

1.1 3D打印颅脑及脑血管教学模型的制作

3D打印模型的相应数据来源于安徽医科大学第一附属医院神经外科住院患者。患者入院后签署知情同意书后，首先行头颅CT、MRI等检查，按照3D打印要求，患者薄层CT扫描层厚小于0.5mm，MRI层厚小于1mm，依据病情必要时行数字减影脑血管造影（digital subtraction angiography，DSA），将获得的相关数据保存为DICOM格式。所得资料交由广州迈普再生医学科技有限公司，将数据导入Mimics17.0和3-MATIC9.0三维建模软件，然后将模型数据以STL格式输入3D打印机（美国Stratasys公司），最后采用光敏树脂材料打印出等比例3D实物模型。

1.2 3D打印颅脑及血管模型在国际留学生人群神经外科临床教学中的应用

1.2.1 研究对象分组：选取安徽医科大学2016级国际留学生班临床医学生共38人，随机分成两组，其中3D打印模型教学组19人，传统教学模式教学组19人，两组均由具备丰富临床工作和教学经验的同一副教授、副主任医师授课，分别采用不同的教学模式。

1.2.2 教学内容：按照安徽医科大学国际教育学院2016级MBBS留学生安医附院实习轮转表安排，神经外科课程安排为2周，每周3次，每次3个学时。3D打印教学组由授课老师采用3D打印教学模型结合图谱、临床影像资料等对颅脑及脑血管正常解剖讲解，并对颅脑疾患诸如颅内占位、颅内动脉瘤或动静脉畸形患者的病变位置、大小、形态以及周围解剖结构等实施教学。对照组采用传统的教学方法对患者的相关临床资料进行教学。

1.2.3 教学效果评价，参照苏星等[1]临床教学效果评价标准，内容包括：（1）学生对教学方式及课程的兴趣度评价，分成很感兴趣、一般和不感兴趣，调查表采用不记名方式独立填写，填写完成后当场收回。（2）教学效果评价：教学效果的评价则是在教学完成后，由学生独立指认颅脑的大体解剖、分区及各区功能，包括各区受损后引起的相应临床症状；对于脑血管病，教学结束后，要求学生了解正常脑血管大体解剖、分段及脑血管病患者的病变性质、大小、部位，满分100分，90分以上为优，70-90分为良，70分以下为差。

1.3 统计学处理

所得数据资料汇总后，采用SPSS 18.0软件包进行统计学分析。采用卡方检验比较两组学习兴趣；对知识点掌握情况的分析采用秩和检验。（P＜0.05为差异有统计学意义。）

2 结果

2.1 3D打印脑血管模型教学组中学生对课程教学手段和兴趣的评价均优于传统教学组（P=0.036＜0.05），差异有统计学意义，见表1-3。

表1 学生对两种不同教学方法的兴趣度

表2 学生对两种不同教学方法的兴趣度统计

表3 学生对两种不同教学方法的卡方检验

本例检验结果Pearson Chi-square的卡方值=4.378，双侧P=0.036，按照 α=0.05水准，差异有统计学意义，可以认为参与3D教学组的同学对该方法更感兴趣。

2.2 与传统教学组相比，3D打印教学组对知识点掌握程度也有明显提高，差异有统计学意义（P＜0.05），见表 4。

表4 两种不同教学方法教学效果比较

表5 假设检验摘要

图1 独立样本曼·惠特尼U检验

3 讨论

传统的神经外科临床教学模式是在融入大量的语言教学前提下，单纯从视觉空间，诸如图谱、解剖等进行教学。传统的三维解剖学习是通过尸体解剖学习，一方面，尸体资源匮乏，完整性难以保障，另一方面，由于神经系统的解剖复杂性，同时由于存在解剖结构变异、内部细微结构显示差等问题，导致学生对解剖结构学习困难、遗忘率高。因此，传统的教学模式并不能使年轻医师尤其是刚从学校完成理论学习，尚未接触临床实际的医学生准确、快速地理论联系实际。对于实习医生来说，往往收效甚微。因此，应用多手段教学、多种模式相结合的教学模式应运而生，已经成为教学的主流[2]。3D打印技术是以三维数字模型数据为基础，运用不同材质的可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方法构建而成的模型[3]。随着3D打印技术的日益发展与成熟，这一新兴的科技成果广泛应用于诸多领域，包含医学领域。3D打印颅脑及血管模型具有精度高、可触摸、可复制、可缩放等优点，能打印出符合需求的解剖学模型[4]。

由于脑血管位置深，颅内血管走行迂曲复杂，动脉分支较多，加上有变异的交通支存在，医学生通过二维解剖图谱学习，理解记忆困难，传统的授课方式难以使学生形成脑血管的空间立体构造概念，即便是低年资的神经外科医师亦难以在短时间内很好地掌握复杂的脑血管解剖，即便是通过手术观摩，由于视角问题也不一定能很好地看清，最终达不到满意的教学效果。对于3D打印血管模型在神经外科临床中的应用，很多作者已作综述[5]。3D打印脑血管模型始于1999年，D'Urso等[6]首次以患者的CTA及MRA图像为数据源，利用立体光刻技术打印颅内动脉瘤、动静脉畸形模型，3D打印脑血管模型实现了抽象化为具体。在国内，3D打印颅脑及血管模型，是1∶1精细还原打印出这些细微结构，这种3D打印模型由于其具有精确、可视性等特点，已有部分应用于临床。康慧斌[7]报道3D打印技术在动脉瘤开颅夹闭手术中，减少了动脉瘤夹的选择及调整次数，在一定程度上提高了动脉瘤夹闭的精准度，同时也缩短了手术时间，减轻了对正常脑组织的损伤。谭衍[8]、刘子燕等[9]报道了在颅内动脉瘤介入栓塞中应用3D打印技术也可以缩短手术时间，提高成功率及患者满意度。陈光忠等[10]报道了3D打印模型在脑血管畸形病人中的应用价值，它可以帮助术者更加直观地了解畸形团空间构筑学特征。神经外科疾病也包括了颅神经疾病，诸如三叉神经痛、面肌痉挛、舌咽神经痛等。大部分颅神经疾病的病因尚未明确，考虑与局部血管对神经的压迫有关，目前诊断颅神经疾病，通常根据患者的临床症状来推测。由于脑神经疾病的手术一般位于后颅窝，空间狭小，往往暴露手术视野受限，若术前无法明确责任血管及压迫部位，术中可能由于过度牵拉而造成医源性正常脑组织或血管损伤，或者为了避免由于过度牵拉造成副损伤，对压迫部位分离不彻底，易致复发。随着3D打印技术的临床应用，通过3D打印颅神经模型，可以充分实现颅神经的三维可视化，进而更加形象、直观地显示神经、血管及其相互关系，从而为颅神经疾病的诊疗提供更有力依据[11]。3D打印脑血管病模型应用于临床的同时，已有部分学者将其应用于不同学习基础人群的临床教学[12]。

但迄今为止，将3D打印颅脑及血管模型应用于留学生临床教学尚未见报道，对于安徽医科大学国际留学生来说，由于传统文化、经济基础的差异，即使学生具备良好的理论基础，但如果仅仅机械地应用传统的平面解剖图谱、普通的模型标本及一般的影像学，很难直观地呈现颅脑及相关血管结构，往往也是枯燥无味的，很难激发学生主动学习的兴趣，往往都是被动学习，难以使学生在短时间内充分理解和掌握教学内容。3D打印颅脑及脑血管模型，利用3D打印技术1:1还原这些细微结构，创造了仿真模拟临床环境，将颅脑及血管立体地展现在学生面前，改变了传统教学模式的以书本为纲、从概念到概念的注入式教学方式，拉近理论知识与临床实际的距离，为培训者提供了视觉、触觉感受，全方位观察了手术部位的周围结构，提高了初学者对手术技能和对手术过程的理解。不管是在颅内占位还是在脑血管疾病和颅神经疾病的临床教学中都具有相当重要的作用。

本结果显示，3D打印颅脑及血管模型教学的引入，极大地提高了国际留学生的学习兴趣，通过理论知识学习结合3D打印仿真模型，直观地了解颅脑、血管及神经的解剖，显著提升了具有不同文化背景的国际留学生对颅脑及脑血管解剖的认识，从而进一步加深对相关疾病及其发病机制的理解；同时，通过对颅脑及血管3D打印模型的角度转换，让学生了解了手术中的重点和难点，加深了记忆，达到了学习目的。因此，其在国际留学生神经外科临床教学中应该具有比国内学生更良好的应用前景，可作为临床教学改革的重要手段，这一点，对于有着传统文化差异的外国留学生，显得尤为重要。

因此，3D打印技术是未来神经外科临床教学改革发展的必然趋势，然而，3D打印颅脑及血管模型也存在一些局限，一方面颅脑扫描容易受到运动伪影、扫描时间及图像信噪比低等多方面因素的影响，导致CT、MRI需薄层扫描；另外DSA等影像检查结果，采集数据的成本较高，此外，3D打印技术的实施需要专门的软件及专业人员，3D打印机普遍价格昂贵，很难在医院大范围普及。同时，打印材料的选择也存在局限，脑膜、蛛网膜等菲薄的脑组织3D打印技术未有报道，3D打印技术打印中空器官也存在难度，导致在脑血管疾病的应用中，不能反映血管内部的真实情况，如是否有钙化、斑块及血栓等,很难让复制品标本达到与真实标本的触感无差异等。这些问题还有待继续研究和解决。