3D打印模型在人体解剖学教学中的作用

2023-06-06艾克热木江木合热木

医学教育研究与实践 2023年3期

艾克热木江·木合热木,舒莉

(新疆医科大学第六附属医院骨科,新疆乌鲁木齐 830092)

3D打印(也称为增材制造)是一种将3D计算机模型转化为物理对象的过程。通过计算机控制,将打印材料逐层堆叠,直至实物与计算机上的蓝图相匹配。通常用于3D打印的材料包括石膏,铝、纺织材料和聚乳酸等。与其他组织工程支架和快速原型设计技术相比,3D打印有精度高,集成性好,重建速度快,成本低等优点[1]。

近年来,3D打印在医学临床实践中得到了越来越广泛的应用。因为3D打印模型可以使身体复杂的解剖结构更容易理解,该技术被大量应用于手术方案的设计。该技术先通过磁共振成像和计算机断层扫描来扫描人体,然后应用多层树脂来复制人体结构。医学教育学者发现,这种技术还可以改善外科教育和临床实践。例如,3D打印假体有助于医学生术前椎弓根植入手术技术的练习[2]。同时,这些模型可以用于解释患者的病情,并增加患者对医生治疗技术的信心,还为患者提供辅助教育,并告知他们正常和异常的身体结构,有利于改善医患关系。

在解剖学教育领域,该技术在塑化、计算机模拟和解剖建模等领域显示出了作为教育工具巨大的潜力。近年来,3D打印技术已被应用于医科学生的解剖学教学中。利用这项技术可行的产生高保真的器官异常模型。这些模型向学生传授关于特定器官的知识,并增加了他们对学习的兴趣。一项研究报告称,学生们发现3D打印模型比传统的塑料模型更灵活和耐用[3]。此外,3D打印的生产成本相对较低,生成准确的解剖结构,并显示正常或病理的结构改变。鉴于传统尸体模型的解剖学训练遇到的主要困难如,尸体的成本,伦理问题,和福尔马林防腐剂的副作用等,3D打印模型在医学教学中的应用潜力正在被越来越多的人挖掘,但是其研究结果之间有所差异[4],这使得对于这些研究进行荟萃分析成为必要,以总结其综合效应,得到更可靠的数据支持。在本研究中,我们将基于3D打印模型的教学方法与传统模型进行了比较,以了解3D打印模型的优缺点,并更好地理解它在解剖学教学中的应用价值

1 方法

使用PubMed,Embase,Web of Science,万方,CNKI等数据库搜索以下关键词:(“解剖学教育”或“解剖学教学”)和(“3D打印”或“3D打印”)和(“学生”或“住院医师”)。纳入了2011年1月—2022年10月发表的中英文研究报告。为了避免遗漏文献,我们在上述括号中选择了一到两个关键词,进行随机匹配,并再次检索文献。

纳入本研究的论文应该包含以下内容:①讲解人体的解剖结构;②提到的正常或疾病的情况;③进行了随机对照研究;④针对医科专业学生或初级住院医生进行的教学活动;⑤实验组和对照组至少有10名参与者。排除标准有:①没有对照组;②使用动物模型;③包括病例报告、信件、评论、评论或其他荟萃分析;④不允许提取所需数据的;⑤包含重新发布的数据;⑥外科技术培训;⑦应用了3D计算机模型。

1.1 数据提取

对于每项研究,两名作者独立提取了第一作者、发表年份、国家、实验组和对照组的数量,以及两组之间的具体比较。对于有分歧的内容,通过讨论解决分歧。

1.2 文献质量评价

使用两位评价员独立对所选择的文献进行质量评价,质量评价利用了Newcastle-Ottawa Scale (NOS)评分标准[5]。评估方法包括以下集中项目:①实验设计;②偏倚风险;③不一致性;④间接性;⑤不准确性;⑥发表偏差。质量由两位独立的作者进行评估。如果彼此之间有分歧,则通过协商解决。文献质量评价的结果被分为四个层次,定义如下。

高质量:进一步的研究不太可能改变我们对效果估计的信心;中等质量:进一步的研究可能会对我们对效应评估的信心产生重要影响,并可能会改变评估。低质量:进一步的研究很可能对我们对效应评估的信心产生重要影响,并很可能改变评估。极低质量:我们对这一评估很不确定。

如果文献的质量被评价为高或中等,我们假设这个结果将是可靠的。如果文献的质量评价是低的或极低,我们假设这个结果不可靠。

1.3 数据分析

本研究包括对分类变量和连续变量的荟萃分析。对于分类数据,使用ReviewManager 5.3计算相对风险(RR)值,并比较结果。对于连续数据,由于不同的评分标准,使用标准化均数差异(SMD)来比较结果。I2>50%时应用了随机效应模式来合并数据;I2≤50%时应用了固定效应模式来合并数据。

2 结果

本研究搜索了相关的数据库,并阅读了在此搜索过程中找到的文章的摘要和全文。本分析共纳入22项[6-27]发表于2015年—2022年的研究(见图1)。22项研究中有12项来自中国,6项来自美国,1项分别来自英国、澳大利亚、日本和新加坡。8项研究调查了神经系统模型的使用,7项研究调查了心脏模型的使用,4项研究调查了腹部脏器模型的使用(表1)。大多数文献研究的质量评价均为高或中等(表1)。所有纳入的研究均为随机对照研究。

表1 纳入本荟萃分析的研究的基本特征

2.1 神经系统解剖教学

8项研究比较了3D打印模型与传统的神经系统模型,其中实验组237例,对照组224例。荟萃分析的结果显示两组间有显著性差异(SMD:0.65;95%置信区间[CI]:0.28～1.03,P<0.001;图2)。这说明3D打印模型组的训练后测试得分高于常规组。

图2 3D打印技术在神经系统解剖教学中的应用效果

2.2 心脏解剖教学

有8项研究将3D打印的心脏模型与传统的心脏模型进行了比较。这些研究共包括3D打印组的247名参与者和常规组的249名参与者。测试是在使用模型或传统教学方法教学后进行的。荟萃分析结果显示,两组间有显著性差异(SMD:0.60;95%置信区间[CI]:0.13～1.06,P=0.01;图3).因此,3D打印模型组训练后测试得分显著高于常规组。

图3 3D打印技术在心脏解剖教学中的应用效果

2.3 腹部解剖学

有4项研究比较了3D打印模型与传统的腹部解剖模型。这些研究共包括3D打印组和常规组的各87名参与者。研究结果显示,两组间存在显著性差异(SMD:1.86;95%置信区间[CI]:0.81～2.92,P<0.001;图4)。因此,3D打印模型组教学效果均好于对照组。

图4 3D打印技术在腹部解剖学中的应用效果

2.4 3D打印模型与2D图片

15项研究比较了3D打印模型与2D图片在解剖学教育中的有效性。实验组3D打印模型组与对照组2D图片组各有参与者439例。结果显示,两组间差异有统计学意义(SMD:1.10;95%置信区间[CI]:0.75～1.46,P<0.001;图5).3D打印模型组的教学效果好于2D图片组。

图5 3D打印模型与2D图片在解剖学教学中的教学效果的比较

2.5 3D打印模型和尸体标本

四项研究比较了3D打印模型和尸体标本在解剖学教育中的有效性。其中,实验组研究对象171例,尸体标本组215例。结果显示两组间差异有显著性(SMD:1.27;95%置信区间[CI]:0.43～2.10,P=0.003;图6)。3D打印模型组的教学效果显著好于尸体标本组。

图6 3D打印模型与尸体标本在解剖学教学中的教学效果的比较

3 讨论

3D打印技术近年来在医学教育中越来越受欢迎。本分析中纳入的22项研究发表于2015年—2022年之间。结果显示,3D打印模型组在不同器官系统解剖教育方面均优于对照组。3D打印模型组的检测结果分别高于尸体组和2D组,同时,对神经系统模型、心脏和腹部解剖教学效果的汇总比较,3D打印组在使用性和测试时间上均优于对照组。

在过去,医学生学习解剖解剖知识的主要工具是2D图片和尸体标本为主,而现在可以通过3D打印模型帮助学生学习人体解剖学知识。3D打印具有精度高、集成性好、建造速度快、成本低等优点[28]。使用3D打印技术创建一个精确的解剖模型,以使学生充分了解组织器官及其与复杂的周围结构之间的解剖关系,能获得更好地教学效果[29]。本研究结果表明,采用3D打印模型的教育可以取代或补充传统的解剖学教育,帮助医学生更好地掌握人体各系统的解剖学知识。

3D打印模型在人体解剖学教学中还存在一些问题和不足,3D打印模型的准确性以及打印的器官与周围组织的关系的描绘仍然是一个挑战,加上目前3D打印模型只具备单一的颜色,不能表现人体器官的真实色彩,也影响学生对正常解剖形态的理解[30]。3D打印材料和设备成本对于一些欠发达地区医学教学基地来说仍然难以负担。除此之外,未经捐赠者许可对其身体进行3D打印可能侵犯患者知情同意权,利用捐赠的身体或互联网上的3D打印文件对器官进行3D打印还可能会面临伦理问题。针对以上的不足和问题,还需要有较大的软件设计技术的进步,硬件设备精度的提高以及成本的降低,同时需要发明更易于获得的3D打印所需耗材。对于3D打印模型的伦理问题,需要有权威医学教育机构或政府教育机构牵头建立相应的3D打印模型代码的数据库,以供给全国各地医学院校低价、精准的3D打印解剖模型可下载并打印。随着技术的发展和广泛应用,3D打印设备、材料和软件的价格一直在下降,使得该技术广泛应用在医学教育成为可能。捐赠者将自己的身体用于解剖学研究,作为一种有利于医学教育的利他行为,但由于这种宝贵的资源既稀缺又昂贵,3D打印技术可以以较低的成本复制人体的关键解剖部位,为贫困地区的医学教育提供有用的解剖资源。在未来,当多材料打印被完善时,3D打印将彻底改变解剖学教育教学实践。

本研究在利用荟萃分析的方法探讨3D打印在解剖学教育教学中的价值的同时,还存在一定的局限性。由于纳入本研究的大多数论文没有具体描述随机化的过程,其结果可能存在偏倚。此外,大多数荟萃分析的结果有显著的异质性,其原因可能是不同国家学生的整体质量、教师教学水平、教学内容和目标、考核内容的差异较大造成的。此外,纳入本研究的多数研究的样本量都较小。