可拆卸式3D打印模型在翼腭管解剖教学中的应用研究*

梁 燕,周 婷,马 文,聂根定,王立冬,徐 蕊,黎 明△

(昆明医科大学口腔医学院/昆明医科大学附属口腔医院:1.教学管理办公室;2.口腔颌面外科,云南 昆明 650101)

翼腭管及翼腭窝位置深在,空间小,解剖结构复杂,血管神经丰富,毗邻结构重要,对临床操作有重要指导意义[1]。作者在口腔颌面外科本科生的临床实习带教工作中发现,学生无法正确在2D影像及实体标本上辨识出翼腭管及翼腭窝的解剖结构,造成这一问题的主要原因是传统教学法无法让学生直观化、实体化理解复杂的解剖结构。自1995年以来,数字化重建技术已被广泛应用于医学各个领域[2-4],其在医学教育领域的应用也逐渐壮大[5-7]。本研究通过3D打印技术制作可拆卸模型并应用于解剖教学,并与使用传统模型的教学效果进行比较,旨在通过3D打印技术提升学生对于复杂解剖结构的深入理解和应用能力,为传统教学提供新思路和模式。

1 资料与方法

1.1一般资料 选取2020级昆明医科大学口腔医学专业学生40名,其中男16名,女24名。采用简单随机法[8]将研究对象分为对照组和观察组,每组20名。纳入标准:(1)已完成公共理论课学习;(2)自愿参加本研究并签署知情同意书。本研究已通过医院伦理委员会审核(批准号:KYKQ2023MEC088)。2组性别、年龄和教学前摸底测验成绩比较,差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。

表1 2组一般资料比较

1.2方法

1.2.1可拆卸式3D打印模型制作流程 选择一副保存完整的真实颅骨标本,应用高精度螺旋CT扫描模型(120 V,60 mA,层厚0.625 mm),将获得的数据以DICOM格式导入MIMICS21.0软件,根据解剖分区重建翼腭管、翼腭窝、上颌骨和蝶骨的3D模型,并进行模型修复,包括润滑、去除倒角及碎边等处理。在3D打印前处理软件中进行平台设定、支撑摆放等操作,连接工业树脂3D打印机进行打印,共打印5套模型,每套模型共有5个部分,即颅骨、双侧上颌骨、双侧翼腭窝。打印完成后用打磨器械对模型进行表面打磨、抛光等操作,使模型更光滑。见图1。

注:A.可拆卸式3D打印颅骨标本;B.可拆卸式3D打印双侧上颌骨模型;C.可拆卸式3D打印翼腭管模型。

1.2.2教学方法 观察组采用可拆卸式3D打印模型进行授课,对照组采用传统幻灯片和实物模型进行授课。纳入研究前,先完成教学前摸底测验(总分10分),检查2组对基础知识尤其是系统解剖学的掌握程度。课前,授课教师设置2个与教学内容紧密结合的问题(翼腭窝的位置,翼腭窝与哪些重要解剖结构毗邻),通过微信线上发布,要求2组课前完成预习,以小组为单位讨论并回答2个问题。课堂中,对照组使用传统幻灯片结合文字对解剖结构进行讲解,并让学生在实物模型上找出对应的解剖区域。观察组先由授课教师通过幻灯片和“学习通”课程平台对解剖结构进行讲解,让学生能清晰看到所有解剖结构的冠状面、矢状面和轴面,并让学生在可拆卸式3D打印模型上找到对应的解剖区域,熟悉解剖结构,通过拆卸组装模型,加深对解剖结构的理解。最后,2组均由小组代表汇报小组讨论情况,授课教师结合学生对课前问题的回答及提出的问题逐一进行讲解。

1.2.3评价方法 教学结束后,授课教师统一在“对分易”上设置10个题目对学生进行考核,考核内容以解剖结构为主,每题1分。采用问卷对观察组进行教学效果调查,问卷共8个问题,包括“可拆卸式3D打印模型是否清晰直观?”“可拆卸式3D打印模型精度如何?”“可拆卸式3D打印模型是否有助于理解翼腭管走行、方向等解剖结构?”等,每个问题1～5分,1分代表非常不满意,5分代表非常满意。

2 结 果

2.12组考核评分比较 观察组考核评分为(8.01±0.97)分,高于对照组的(6.42±0.53)分,差异有统计学意义(P<0.05)。

2.2观察组教学效果调查结果 学生对可拆卸式3D打印模型认可度较高。见表2。

表2 观察组教学效果调查结果(%)

3 讨 论

翼腭窝是由蝶骨体、蝶骨翼突和腭骨垂直板、上颌窦后壁围成的一狭窄裂隙,呈不规则的倒锥形,尖端伸向前下方[3]。翼腭窝在解剖上与其他重要结构毗邻,并通过孔、裂相通,如通过眶下裂与眶腔相通,通过蝶腭孔与鼻腔相通,通过翼腭管与口腔相通等。在口腔颌面部局部麻醉中,经翼腭管行上颌神经阻滞麻醉能暂时阻断上颌牙齿、软硬腭黏膜组织。该技术因操作简单、实用及高效等优点被口腔颌面外科医生广泛应用,但同时存在血管内或颅内注射、眶下神经损伤、短暂性眼肌麻痹、注射针折断等并发症。在临床上,熟悉并掌握翼腭管及翼腭窝解剖结构极为重要[1]。传统教学大多数以多媒体投影和实物示教开展解剖内容的教学。多媒体投影展示方式多为图片和动画,图片能展示相邻组织的关系,但却受拍摄角度和色彩的干扰,且为平面图像,并不能很好地讲解立体空间的关系。实物示教多以头颅骨和解剖标本进行展示,头颅骨和解剖标本能1∶1还原解剖结构,但头颅骨只能展示骨组织,解剖标本常因福尔马林的浸泡颜色发生改变,导致辨认困难。另外,大多数学生反映相关章节内容晦涩难懂,课堂上无法集中注意力,课后复习死记硬背,体会不到学习的乐趣。在临床实习带教过程中,学生可以背出概念,但却无法在3D影像及实物中正确辨认解剖结构。

3D打印技术始于20世纪80年代,其结合3D重建技术,将术前扫描信息传输至计算机工作站,经图像重建、图形配准、拟合等精确重建患者3D模型,并通过打印,将虚拟的3D重建模型实体化,可以断层反映模型局部细节,在医学领域有广阔的运用前景[7,9]。本研究通过扫描保存完整的颅骨,获取原始DICOM数据,运用数字化软件重建颅骨标本,并根据解剖分区和骨块之间的骨缝分别重建上颌骨、蝶骨模型,用骨壁之间的结构重建翼腭管及翼腭窝,结果显示,观察组考核评分为(8.01±0.97)分,高于对照组的(6.42±0.53)分,二者比较,差异有统计学意义(P<0.05)。提示使用可拆卸式3D打印模型教学能够更好地帮助学生理解翼腭管和翼腭窝的复杂解剖结构,并能够提升学生的学习效率和学习成绩。结合问卷调查结果分析,可拆卸式3D打印模型色彩丰富,解剖结构清晰,具备较好的观赏性,可拆卸、拼接的形式激发了学生的探索欲望,提高了学生学习兴趣,能更好地帮助学生理解课本知识。

可拆卸式3D打印模型相比较于传统颅骨标本具有以下优势:(1)可拆卸式3D打印模型可以用不同颜色区分不同组织结构,也可以重现不易保存的软组织。(2)3D打印技术价格低廉,具有可重复使用、易修补等优势,可缓解因干性颅骨数量不足引起的教学压力[2]。(3)3D打印的可拆卸式教具能将抽象的解剖概念变成可直观理解的内容,帮助学生掌握晦涩难懂的知识要点,学生可以在认识解剖结构的同时,通过拆卸及重组,了解解剖结构之间的层级和毗邻关系,从而提高学习兴趣。(4)通过3D重建及3D打印技术的联合应用,让学生初步理解学科交叉的概念,同时先进技术的引入,让学生提前了解数字化医学的大趋势。有研究结果显示,与传统的教学方法相比,结合数字化技术的教学可以提高教学效率,增加学生学习的主动性[10-12]。本研究结合雨课堂等课程平台,借助“钉钉”“腾讯会议”“微信”等辅助手段,进行线上、线下教学,使学生学习热情高涨,课堂教学富有趣味[13-14]。而且,小组讨论-合作学习方式使学生做到课前预习、课中汇报讨论、课后根据知识点和自己的兴趣点进行深入探索,实现了以教师为引导、学生为中心的个性化教学方法,在提高学生专业知识的同时,启发了学生的创新思维。

虽然可拆卸式3D打印模型有很多优点,但也存在不足之处。由于3D打印材料的局限性,不能将翼腭管周围骨质及翼腭管整体打印,并加以颜色区分。针对该问题,本研究通过引导学生在模型上学习后,自行重建3D模型,以帮助学生加强对解剖空间关系的理解,同时也能让学生实际感受到学科的交叉。3D打印技术可以打印质感精度均符合教学需要的教学模型,能很好展示骨的解剖结构与标志,但对于软组织而言,尚未能体现软组织的质感[15],但相信随着技术的飞速发展,这一问题也将迎刃而解。

综上所述,可拆卸式3D打印模型可帮助学生更好地了解翼腭管和翼腭窝解剖结构,提高学生学习兴趣和效率。该模式也可以推广到口腔医学其他专业教学中,即通过课前数据和模型的准备得到课程所需个性化的教具并应用于教学。