3D打印在中枢神经系统解剖学教学中的应用研究

冯改丰,周劲松,靳 辉,杨蓬勃,胡 明,肖新莉

西安交通大学医学部基础医学院人体解剖与组织胚胎学系,陕西 西安 710061

3D打印(three-dimensional printing)是指用计算机三维重建或用三维扫描仪扫描获得数字化模型,将可打印材料利用熔融沉积、光聚合等方式逐层固化堆积,使数字化模型转化为实体产品[1]。该技术近年来发展迅速,已广泛应用于工业制造、医疗卫生等多个领域[2-3]。在医学教育中,中枢神经系统的形态和结构是人体解剖学教学的重点和难点[4]。为了探索能使学生快速有效地掌握人体中枢神经系统各部形态结构的方法,我们采用3D打印技术制备了正常人脑的模型,购买了部分人体结构的3D打印产品(全身横断层模型、硅胶打印人脑模型),应用于我校临床医学专业学生的中枢神经系统解剖学教学中,观察和分析其应用效果。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究使用的关键材料是人体中枢神经系统3D打印模型,分别来源于自制和购买两种途径。

1.1.1 自制3D 打印人脑模型

从西安交通大学第一附属医院影像中心选取符合研究要求的人脑MRI扫描DICOM数据:检查者年龄为20～60岁,脑部无器质性病变,扫描层厚0.1 mm。扫描数据用三维重建软件(E-3D数字医疗建模与设计系统,中南大学)进行人脑三维重建,获得数字模型。将数字模型存储为STL(Stereolithography) 文件后进行切片,调整最佳打印方位和打印比例,设置打印参数(打印喷头温度为215 ℃、打印平台温度为 55 ℃,层厚0.2 mm,开启回退,全部支撑等),选择1.75 mm线径的聚乳酸PLA(polylactic acid) 材料。切片后数据传输至 Ezau V-II 桌面打印机(陕西东望科技有限公司,2016 年生产)进行3D打印。打印结束后进行模型去除支撑、光滑表面等处理。除了3D 打印全脑外,本研究还应用团块分离功能,将脑干、小脑、端脑进行了分离,制备了不同的分离模型。

1.1.2 购买人体横断层3D打印模型

购买3D打印的人体连续横断层模型(山东数字人公司)。该产品从颅顶至足底共100个断层,层厚0.5cm, 其中包括头部断层20个(含脑及其被膜、脑血管等结构),躯干部含脊髓及其被膜的断层30个。

1.1.3 购买3D打印的人脑树脂模型

购买与正常人脑大小一致的、形态结构典型的3D打印的人脑树脂模型(杭州科霖医疗公司)一套,包括端脑、间脑和脑干、小脑。

1.2 研究对象

本研究的对象为西安交通大学医学部2020级临床医学专业学生。共10个自然班(每班19～21名学生),按自然班随机分为实验组和对照组,每组5个班,其中实验组103名学生,对照组101名学生。

1.3 教学安排

中枢神经系统解剖学教学包括理论授课和实验教学两部分。实验组和对照组均按照教学进度一起完成5次(10学时)的理论授课(脊髓、脑干、小脑与间脑、端脑、脑膜和脑血管);在实验课教学中,实验组和对照组分别完成5次(20学时)的实验课教学(脊髓4学时,脑干4学时,小脑间脑4学时,端脑4学时、脑膜和脑血管4学时)。实验组对照讲义、挂图和图谱、3D数字教学系统(山东数字人公司)、3D打印模型、实物标本观察学习;对照组按照传统方式,对照讲义、挂图和图谱,3D数字教学系统(山东数字人公司)等观察实物标本学习,两组的其他教学条件相同。

1.4 教学效果评判

1.4.1 标本识认测试

在最后一次实验课结束后,随堂进行无记名测试。本研究测试20个结构,分别为脊髓 2个,脑干6个;小脑和间脑6个,端脑6个。所有结构均为人脑和脊髓的实物照片,通过幻灯片播放,每个结构限定时间为40秒。要求学生在规定时间内辨识结构,并将答案写在答题卡的相应位置。每个结构5分,共100分。

1.4.2 问卷调查及评判标准

本研究对实验组学生进行了关于3D打印学习情况的无记名问卷调查。调查共有8个问题,分别是:①实验开始之前我了解3D打印技术; ②3D打印模型使用方便;③3D打印模型与实物标本结构一致;④我喜欢用3D打印模型学习;⑤3D打印模型能提高学习解剖学的兴趣;⑥3D打印模型能促进解剖学知识的记忆;⑦3D打印模型有助于理解空间结构;⑧我希望3D打印可推广应用于解剖学其他章节的教学。每个问题按认可程度分为5级选项(非常赞同,赞同,一般,不赞同,反对),学生根据各自的情况在相应选项前画圈。问卷在测试结束后进行,并现场收回调查表。

1.4.3 期末理论考试

在系统解剖学课程期末理论考试中,共有13道题涉及中枢神经系统内容,包括单项选择题10道、简答题2道和论述题1道,共30分,占总分的30%。对实验组和对照组学生试卷中中枢神经系统部分得分进行统计与分析。

1.5 统计学处理方法

2 结果

2.1 3D打印脑模型效果评判

我们选取正常成年人的MRI数据,进行三维重建,除了整脑外,还将脑干、小脑、端脑进行了分离,构建了不同的数字模型。数字脑模型采用0.2 mm层厚打印,整脑打印时长约48小时,脑干、小脑和端脑(一侧)的分离模型打印时间分别为3,6和25小时。整脑模型包含两侧大脑半球、小脑、脑干,两侧大脑半球之间有大脑纵裂,纵裂深面可见胼胝体,脑各部结构完整清晰(见图1);在分离脑干模型中,延髓、脑桥和中脑分界明确,各部分重要结构清晰准确;分离小脑模型中,除了半球和小脑蚓、表面的沟裂外,可见绒球、小结和小脑扁桃体等重要结构。在分离端脑的背外侧面、内侧面和底面,均可见到清晰而典型的脑沟、脑回(图2)。

A.上面观;B.侧面观。图1 3D打印整脑模型

从山东数字人公司购买的3D打印人体连续横断层模型,包括头部断层20个(含脑及其被膜、脑血管等结构),躯干部含脊髓及其被膜的断层30个。横断层正反两面各结构显示清晰,并分别有中英文标注(见图3)。 从杭州科霖医疗公司购买的人脑3D打印树脂整脑模型,与真实脑大小一致,各部结构清晰,柔软而有韧性,手感良好(见图4)。

A 整体观;B经内囊中部横断面(正反面)图3 人体横断层3D打印模型

A.上面观;B.侧面观(显示部分岛叶)。图4 3D打印整脑树脂模型

所有3D 打印模型由人体解剖学系与本研究无关的两位具有副教授以上职称的教师进行评价,确认模型能够很好地展示人脑主要部位的形态结构,达到教学模具的要求,可以满足教学的需要。

2.2 学生对3D打印模型的接受度

实验组学生对3D打印模型充满好奇,争先恐后观察学习,极大地提高了课堂学习的兴趣及学习主动性,甚至有学生要求将模型借出,课外学习。

2.3 标本识认测试结果

本实验共测试了20个中枢神经系统结构。每个结构5分,共100分。实验组学生平均成绩为(88.25±2.16);对照组平均成绩为(71.64±5.30),实验组成绩明显高于对照组,统计分析显示,两组成绩有显著性差异(P<0.05)。除了平均成绩以外,我们也进行了各分数段的统计,高分段(80分以上),实验组人数明显多于对照组,低分段(70分以下),实验组人数少于对照组(见表1)。

表1 各分数段人数统计

2.4 问卷调查结果

问卷调查结果显示,在实验开始之前,大部分学生对3D打印技术有一定的了解;所有实验组学生一致认为3D打印的模型使用方便;大部分学生(85%)认为与标本相比较,3D打印模型与实物标本结构一致,并喜欢用3D打印的人体模型学习解剖学;90%的学生赞同或非常赞同使用3D打印模型认为3D打印模型提高了学习解剖学的兴趣;多数学生(80%)认为3D打印人体模型能促进对人体器官解剖空间结构的理解,促进解剖学知识的记忆,可推广应用到人体解剖学其他章节的学习。

2.5 期末理论考试

满分100分的期末理论考试中,中枢神经系统试题占30分。实验组学生平均得分为(26.14±3.36);对照组平均得分为(20.63±1.12),实验组得分明显高于对照组,统计分析显示,两组得分有显著性差异(P<0.05)。

3 讨论

3.1 中枢神经系统解剖学主要教学资源及其分析

中枢神经系统是人体各系统中结构和功能最为复杂的系统,是解剖学课程中最具挑战性的部分[5]。掌握脑和脊髓的形态、构造是理解其功能、病变及治疗的保证。挂图和标本是学习脑和脊髓的重要用具,但二者均存在不足。挂图虽然美观,形象逼真、重点突出,但为二维图像,难以多角度准确反映3维立体结构;人体标本真实直观,是学习解剖学重要而不可缺少的珍贵资源[6],但实验室配备的手摸标本大多数是经福尔马林浸泡固定的,不但有强烈的刺激气味,也对皮肤有一定的毒性作用,不能直接接触皮肤,学生观察时需戴手套,在一定程度上限制了学生观察标本的积极性和主动性[7]。此外,神经系统标本质地柔软、结构脆弱,容易损坏。 因此,探索和运用新的教学材料对改善教学环境、提高教学质量有重要意义。

近年来,国内外部分医学院校在人体解剖学教学中开始应用3D数字教学软件系统、虚拟仿真技术等[8-9],但3D数字模型与真实标本有一定的差别,而且不能手持手摸,其教学效果有待于进一步评判[10]。

3.2 3D打印的人体结构模型在中枢神经系统解剖学教学中的效果分析

在前期的研究中,我们观察了3D打印的端脑模型对护理专业学生的解剖学教学的效果[11]。本实验中我们将实验范围拓展至整个中枢神经系统,3D打印模型既有我们自行制作的,也有商品化的(断层模型和整体脑的硅胶模型)。本研究的时段更长,观察的范围更广,参与的学生更多。在学习后的标本识认测试和期末理论考试中,应用3D打印模型的实验组学生平均成绩明显高于对照组,进一步验证了我们前期的研究结果。

应用3D打印模型的实验组学生成绩明显高于对照组,我们认为可能与以下因素有关:①3D打印模型提高了学生的学习兴趣和学习效率,3D打印为新生事物,学生对此充满好奇,学习参与度高、效率提高[12-13]。②用PLA、树脂、硅胶等材料3D打印的脑模型环保、无毒无气味,使用更为方便;而且材质结实,不易受损,相对更为安全,因而更易为学生所接受[14-15]。③3D打印模型的数据来源于典型人体结构,制备的模型形态和结构清晰典型,更接近于教材中的描述,因而易于掌握;同时3D打印模型可手持手摸、方便进行多角度观察,调动了学生视觉、触觉等各种刺激,学习效果更好[16]。问卷调查表结果显示,大部分学生认为3D打印模型能促进对解剖空间结构的理解,促进解剖学知识的记忆,可推广应用到解剖学其他章节的学习[11]。④高清3D 打印的断层模型中,对重要结构有中英文标注,比图谱更清晰和直观。脊髓断层模型可清楚显示脊髓灰质、白质形态和分区;在脑干的不同断面,可见一些重要核团;在小脑和大脑断面,皮质和髓质清晰可见,小脑核和大脑的基底核、部分小脑和端脑的纤维(特别是内囊的横断面)可显示,对学生学习内部构造很有帮助[6,17]。

除了在实验课之后随堂进行的标本识认测试,我们也对两组学生的期末考试中中枢神经系统部分的得分进行了统计和分析。结果显示,实验组的得分显著高于对照组。由于理论考试既包含对知识的识记考核,又有对知识的理解和运用能力的测试,是对知识综合掌握的评判。得分情况反映了运用3D打印进行教学,可提升对知识的内化、长期的记忆、理解应用能力,使学生的综合能力得以提高,

3.3 本研究下一步的方向

作为一项革命性技术创新,3D打印在医学教育和临床医学中的应用尚处于探索阶段。本次研究中,我们观察了3D打印模型在中枢神经系统教学中的应用效果,既是对前面类似研究的肯定和拓展,也为后续研究奠定了基础。我们将从以下几个方面做进一步研究:①探索中枢神经系统内部构造的分离模型,如神经核、纤维、脑室等,解决目前3D打印模型主要展示结构的外形,较少涉及内部构造的难题;②指导学生利用课余时间,参与人体结构3D数字模型的构建、实物模型的打印。通过让学生参与3D打印的全过程,不仅提高学生的感官认识,强化对知识的理解和应用,更能提高学生观察问题、解决问题的能力,实现“以学生为中心”“加强素质能力培养”的培养目标;③选取部分具有代表性的典型临床病例,通过正常与病变的对照,增强理解、加深记忆,实现我校提倡的临床医学专业学生“早临床、多临床、反复临床”的培养理念。

4 结语

本研究将3D打印应用于中枢神经系统解剖学教学中,丰富了教学资源,弥补了传统教学方式的不足,激发了学生的兴趣,提高了教学质量。我们相信,随着技术的改进,设备和软件价格的降低,数据文件的共享,3D打印在人体解剖学、病理学等形态学教学中必将发挥更大的作用[18]。此外,在三维数字模型的制作过程中,需要对人体连续的横断面、矢状面、冠状面等不同断面上的器官结构有一定的识别,甚至对部分器官结构的形态、边界、正常与异常等需要仔细辨别,因此,3D打印也会进一步促进解剖学与影像学、外科学等临床学科的交叉融合。