馬麗娜 李 耘

（首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院老年醫(yī)學(xué)科、國家老年疾病臨床研究中心，北京100053）

我國的高等醫(yī)學(xué)教育是培養(yǎng)合格臨床醫(yī)師和醫(yī)學(xué)科研人員的必經(jīng)途徑，其重要意義在于要培養(yǎng)出專業(yè)技術(shù)過硬、適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)療體制的專業(yè)醫(yī)學(xué)人才，同時要求具備相當(dāng)?shù)呐R床工作能力和科研能力。如何提高高等醫(yī)學(xué)教育的效率是目前我國高等醫(yī)學(xué)教育面臨的一個重要課題。醫(yī)學(xué)生雖然必須要經(jīng)歷各種醫(yī)學(xué)課程的學(xué)習(xí)和臨床見習(xí)，但由于其進(jìn)入?？茖W(xué)習(xí)時間較短、人體結(jié)構(gòu)特殊性、立體性、精準(zhǔn)性等多方面原因，從而導(dǎo)致醫(yī)學(xué)生面對復(fù)雜的人體結(jié)構(gòu)和臨床疾病時，需要經(jīng)過較長時間的學(xué)習(xí)觀摩和經(jīng)驗豐富的教師指導(dǎo)才能逐步理解、運用所學(xué)知識。傳統(tǒng)教學(xué)方式在訓(xùn)練臨床思維能力和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣上的效果偏低，需要開拓新型的教學(xué)方式和手段來提高教學(xué)效率。三維（threedimensional，3D）打?。ㄒ卜Q為增材制造）是首先出現(xiàn)在工程中的技術(shù)，其基于虛擬或計算機(jī)生成的三維模型，經(jīng)過對此模型的分層處理，然后使用3D 打印機(jī)進(jìn)行逐層疊加的方式制造物品。與傳統(tǒng)的制造工藝不同的是3D 打印技術(shù)可以直接使用高分辨率三維數(shù)據(jù)模型制造復(fù)雜物體，以更少的時間和更低的成本生產(chǎn)高精度的模型[1]。在醫(yī)學(xué)教學(xué)上，3D 打印技術(shù)對于醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)人體復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)和3D 組織有很大的幫助。利用3D 打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中為醫(yī)學(xué)生提供了對于人體復(fù)雜結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實印象，并且有助于學(xué)習(xí)人體結(jié)構(gòu)、醫(yī)學(xué)診斷、醫(yī)療植入物的設(shè)計和術(shù)前規(guī)劃的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。目前在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域逐步擴(kuò)大了3D 打印技術(shù)的使用，在人體結(jié)構(gòu)、假肢、手術(shù)模擬和患者教育等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[2-6]。

1 3D 打印概述

3D 打印是一種在虛擬計算機(jī)數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，將其分層處理，然后利用塑料、尼龍、光敏樹脂、金屬、合金、玻璃、陶土、可食用材料等原材料通過逐層疊加的方式制造成型的技術(shù)，屬于增材制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的制造工藝（減材制造）的區(qū)別在于3D 打印技術(shù)可以直接使用高分辨率三維數(shù)據(jù)模型制造復(fù)雜物體，以更少的時間和更低的成本生產(chǎn)高精度的模型[1]。醫(yī)學(xué)模型或解剖生物模型是通過真實生物結(jié)構(gòu)復(fù)制出來的實體，其可以以計算機(jī)虛擬數(shù)據(jù)的形式或固體物理形式實現(xiàn)。生物模型可以促進(jìn)醫(yī)學(xué)生對于人體組織和結(jié)構(gòu)的理解，提升教育效率。這些模型通常形狀復(fù)雜，如果使用傳統(tǒng)制造方法（減材制造）進(jìn)行制造代價高昂，屬于高端定制。而3D 打印本質(zhì)是增材制造，基于計算機(jī)虛擬三維數(shù)據(jù)來進(jìn)行制作，所以只要有準(zhǔn)確的虛擬數(shù)據(jù)模型，即可以打印出完全一致的人體組織和結(jié)構(gòu)模型，而且可以使用金屬、光敏樹脂等多種材料。

2 3D 打印進(jìn)行教學(xué)舉例——實體病理學(xué)模型

醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)臨床知識一般都會通過病例研究來學(xué)習(xí)，而這個過程中是看不到病人的。如果僅僅通過病例來了解病癥是不夠充分和直觀的，尤其是需要學(xué)習(xí)手術(shù)技能的外科醫(yī)學(xué)生。Lioufas P A 等[7]對3D 打印腭裂畸形病例模型進(jìn)行了研究。腭裂是世界罕見的疾病，患病率為每10 000 例活產(chǎn)嬰兒約4.50 例，每萬例分娩出現(xiàn)6.64 例，同時伴有唇裂畸形，每10 000 例出生時共發(fā)生約10.14 例。主要的治療方法包括確定性手術(shù)——腭成形術(shù)與長期隨訪評估，并確定在進(jìn)一步畸形情況下返回醫(yī)院治療的必要性。由于醫(yī)學(xué)生和外科實習(xí)生幾乎沒有機(jī)會參加腭裂手術(shù)，而且患者并不需要長期住院，所以醫(yī)學(xué)生或外科實習(xí)生很少有機(jī)會看到3D的腭裂病理。Lioufas P A 等使用核磁共振成像和3D 打印技術(shù)的組合，制造出一系列8 和14個月兒童各種形式的腭裂模型[7]。他們的研究不僅顯示基于MRI 數(shù)據(jù)使用3D 打印重新創(chuàng)建腭裂和唇部畸形的3D 病理學(xué)模型，而且還表明隨著新的多材料3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)可以創(chuàng)建這種材質(zhì)柔軟精確的通用模型。在醫(yī)學(xué)教學(xué)中使用3D 打印，特別是在外科教學(xué)方面，3D打印可以更好地將病理學(xué)可視化、實體化，從而使學(xué)生更好地理解與操作。目前正在測試3D打印用于增強醫(yī)學(xué)教學(xué)中外科課程的模型，最近模擬了鉆孔創(chuàng)建和組織活檢，在外科手術(shù)研究中取得了一些成功。雖然計算機(jī)屏幕上的2D和3D 可視化能夠滿足一些有經(jīng)驗的外科醫(yī)生的學(xué)習(xí)理解，但他們建議醫(yī)學(xué)生和外科實習(xí)生應(yīng)該更多的接觸解剖和實踐手術(shù)的物理模型，這些3D 打印的模型可以提高醫(yī)學(xué)生和外科醫(yī)生處理這些復(fù)雜情況的學(xué)習(xí)體驗和實際感受。

3 3D 打印用于醫(yī)學(xué)教學(xué)的優(yōu)勢

3.1 3D 打印明顯降低醫(yī)學(xué)教學(xué)成本

國外已經(jīng)對3D 打印生物模型替代尸體標(biāo)本教學(xué)進(jìn)行了應(yīng)用研究，研究表明3D 打印技術(shù)能夠明顯降低教學(xué)成本[8-10]。McMenamin 等[8]研究了3D 打印人體組織結(jié)構(gòu)模型與使用真實尸體標(biāo)本對醫(yī)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)的成本比較。該模型是由3D system 公司出品的全彩色3D 打印機(jī)Z650 進(jìn)行打印，該打印機(jī)通過彩色粘合劑來粘合高分子材料從而打印具有多種顏色的模型。全世界的醫(yī)學(xué)院獲取和管理人類尸體標(biāo)本材料以及為醫(yī)學(xué)教育提供實驗室設(shè)施都有昂貴的成本，同時社會、文化和民族宗教因素是建立和維護(hù)捐贈遺贈方案的另一個障礙，這就導(dǎo)致醫(yī)學(xué)生在大學(xué)期間可以使用的尸體材料會越來越少[11]，現(xiàn)在已經(jīng)開始使用塑料模型進(jìn)行教學(xué)，但是這些模型不具有解剖學(xué)準(zhǔn)確性。據(jù)推測使用真實尸體標(biāo)本比3D 打印所消耗的成本高50萬美元[8]。但這個預(yù)算僅針對Z650 全彩色3D打印機(jī)，如果換成FDM（熔融沉積成型）技術(shù)的3D 打印機(jī)，成本可能會更少。模型成品的精細(xì)程度取決于材料特性、打印機(jī)技術(shù)、打印精度，所以對于不同精度要求的模型需要用不同的打印機(jī)來進(jìn)行打印。在醫(yī)學(xué)教學(xué)中使用3D打印的復(fù)制品可以更方便為基于尸體標(biāo)本的教學(xué)課程提供高質(zhì)量教學(xué)素材，而且3D 打印的模型細(xì)節(jié)完善，較購買或生產(chǎn)塑化標(biāo)本便宜，可以減輕醫(yī)學(xué)院和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的成本。

3.2 3D 打印模型可以提升醫(yī)學(xué)生對人體組織結(jié)構(gòu)解剖的理解能力和興趣

醫(yī)學(xué)生需要學(xué)習(xí)的人體組織結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性、特殊性，醫(yī)學(xué)院或醫(yī)學(xué)教育機(jī)構(gòu)一直使用尸體標(biāo)本或者模型來進(jìn)行實踐教學(xué)。由于標(biāo)本成本昂貴，傳統(tǒng)模型并不具有解剖的精確性，所以需要一種可以替代的教學(xué)材料來進(jìn)行教學(xué)，以方便學(xué)生可以更好地去理解。隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展，McMenamin 等人建議可以使用3D 打印的復(fù)制品及時補充基于尸體的本科解剖課程[8]。

多項研究對3D 打印和用于學(xué)習(xí)外部心臟解剖學(xué)的實體材料進(jìn)行了隨機(jī)對照試驗研究[10]，將參與者隨機(jī)分為3 組，分別使用尸體材料、3D 打印、尸體和3D 打印組合進(jìn)行自我向?qū)У膶W(xué)習(xí)，結(jié)果顯示3D 打印組成績明顯高于其他2組。有很多醫(yī)學(xué)生在第一次面對尸體標(biāo)本時會產(chǎn)生憂慮、壓力、恐慌等負(fù)面情緒，并且會有避免與標(biāo)本發(fā)生接觸的傾向，同時他們更愿意處理3D 打印出來的模型。這個試驗表明3D 打印模型可以降低醫(yī)學(xué)生的不適感，提升學(xué)習(xí)興趣，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行解剖學(xué)習(xí)。而且3D 打印的不同結(jié)構(gòu)模型是具有不同顏色的，之前對于先天性心臟病3D 模型的研究已經(jīng)證明與單色心臟模型相比，醫(yī)學(xué)生更容易理解彩色模型[12]。Preece 等人[9]后來使用不同的顏色來打印一個組織上不同的部分，打印完畢之后給這些部件裝上磁鐵，使醫(yī)學(xué)生可以通過拆裝模型來進(jìn)行學(xué)習(xí)。他們使用3D 打印的模型對學(xué)生進(jìn)行了教學(xué)，并評估了3D 打印模型的有效性。利用3D 打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)建模中為醫(yī)學(xué)生提供了人體復(fù)雜結(jié)構(gòu)和組織的現(xiàn)實印象，這些結(jié)構(gòu)有助于醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)以及醫(yī)學(xué)診斷、醫(yī)療植入物的設(shè)計和術(shù)前規(guī)劃。

3.3 3D 打印模型可以提升醫(yī)學(xué)生對外科手術(shù)訓(xùn)練的興趣和學(xué)習(xí)效率

外科醫(yī)學(xué)生需要進(jìn)行各種各樣的手術(shù)，有些手術(shù)非常復(fù)雜，如內(nèi)窺鏡鼻腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)窺鏡視角和內(nèi)窺鏡手術(shù)工具獨特，一直是內(nèi)窺鏡鼻腔手術(shù)教學(xué)的難點。ChenYu Ding 等人[13]在研究中設(shè)計打印了一個多色3D 模型來訓(xùn)練鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)，并取得了初步的應(yīng)用效果。在這個三維立體打印模型中包括面部皮膚、骨骼、頸內(nèi)動脈、鼻甲、視交叉、特殊的鞍底和相對應(yīng)的顏色。3D 打印模型完成后，他們請了6 名耳鼻喉科醫(yī)生和神經(jīng)外科醫(yī)生對模型進(jìn)行評估，并招募了20 名來自耳鼻喉科或神經(jīng)外科的沒有鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)的經(jīng)驗的研究生和住院醫(yī)師接受培訓(xùn)。在研究過程中記錄在手術(shù)訓(xùn)練中使用3D打印模型的受試者的訓(xùn)練結(jié)果和受試者在訓(xùn)練后的主觀感受。他們的研究驗證了具有逼真的鼻腔解剖結(jié)構(gòu)和適合不同部位色彩的3D 打印模型是作為內(nèi)窺鏡鼻腔手術(shù)的一種很好的教學(xué)工具。隨著受試者的不斷操作實踐，內(nèi)鏡手術(shù)的成功率和質(zhì)量逐漸提高。與第一次訓(xùn)練相比，所有記錄的訓(xùn)練參數(shù)均有顯著改善，3D 打印模型可以激發(fā)受試者鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)培訓(xùn)的興趣和熱情。

3D 打印脊柱模型比平面成像或二維圖像能夠更快更準(zhǔn)確地傳遞復(fù)雜三維解剖關(guān)系的信息，為此Schwab 等人[14]于2014 年創(chuàng)建了一個統(tǒng)一的截骨術(shù)分級系統(tǒng)——Schwab 截骨術(shù)分級量表，并對定制的3D 打印脊柱模型的實用性進(jìn)行了研究評估，幫助外科受訓(xùn)者了解和執(zhí)行Schwab 截骨術(shù)分級量表。他們將8 名受試者隨機(jī)分為兩組：第一組接受關(guān)于Schwab 截骨術(shù)分級量表的書面指導(dǎo)材料，而第二組接受書面材料和有截骨術(shù)區(qū)域劃分的脊柱3D 打印模型，所有參與者都接受筆試和實踐考試。隨機(jī)接受3D 打印模型組在書面評估和實際操作上的表現(xiàn)均明顯優(yōu)于只接受書面指導(dǎo)組。此研究表明，3D 打印脊柱模型是幫助早期外科受訓(xùn)者了解Schwab 截骨分級標(biāo)準(zhǔn)的有效輔助手段，類似的3D 打印模型在外科培訓(xùn)項目和病人教育模型中有明顯的實用價值。

4 3D 打印技術(shù)在國內(nèi)醫(yī)學(xué)教學(xué)中應(yīng)用舉例

4.1 3D 打印模型輔助CBL 教學(xué)法

案例教學(xué)法（case-based learning，CBL）教學(xué)法以病例為基礎(chǔ)，將教學(xué)大綱的知識點融入到實際的臨床病例中，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。3D 打印技術(shù)可基于病例影像學(xué)資料，通過有限元軟件，快速精確地復(fù)制出局部骨骼的三維結(jié)構(gòu)，近年來逐漸應(yīng)用于骨科臨床，給醫(yī)師提供觸覺與視覺上的體驗[15]。國內(nèi)有研究顯示將3D 打印技術(shù)聯(lián)合CBL 應(yīng)用于先天性脊柱側(cè)彎的教學(xué)中，能使學(xué)生更好掌握先天性脊柱側(cè)彎的各個知識難點[16]，并且能提升了學(xué)生對知識掌握的廣度和深度。一項研究顯示，3D 打印模型輔助CBL 教學(xué)法組學(xué)生在教學(xué)吸引力、知識掌握程度、臨床思維能力、技能操作能力、臨床溝通能力評分、病史采集和查體、影像學(xué)資料分析、骨折描述與分型、診斷和治療方案的評分均高于床邊帶教教學(xué)法組[17]。

4.2 3D 打印模型結(jié)合PBL+CBL 教學(xué)模式

以問題為導(dǎo)向的教學(xué)法（problem-based learning，PBL）是基于現(xiàn)實世界的以問題為中心以學(xué)生為主體的教育與學(xué)習(xí)模式。一項系統(tǒng)綜述[18]表明，3D 打印聯(lián)合PBL 教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相比，能夠提高骨科教學(xué)的理論成績、臨床操作和學(xué)習(xí)興趣。一項對呼吸系統(tǒng)疾病臨床見習(xí)的學(xué)生采用3D 打印技術(shù)聯(lián)合PBL+CBL 教學(xué)模式的研究[19]顯示，理論成績總分和臨床技能操作總分明顯升高，具有更高的學(xué)習(xí)興趣和積極性，表明PBL+CBL 教學(xué)模式結(jié)合3D 打印技術(shù)直觀的向?qū)W生展示了呼吸系統(tǒng)疾病的解剖結(jié)構(gòu)，拓展了臨床思維。

4.3 3D 打印模型結(jié)合TBL 教學(xué)法

小組合作學(xué)習(xí)（team-based learning，TBL）是在PBL 基礎(chǔ)上的一種有助于促進(jìn)學(xué)習(xí)者團(tuán)隊協(xié)作精神，以教師講授與學(xué)生討論相結(jié)合的新型教學(xué)模式。對3D 打印技術(shù)結(jié)合TBL 教學(xué)法在住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)階段馬蹄足畸形臨床教學(xué)中的應(yīng)用的研究[20]顯示，在TBL 教學(xué)法中結(jié)合3D 打印技術(shù)能夠提高住院醫(yī)師的考核成績，顯著提高住院醫(yī)生馬蹄足畸形診療的臨床教學(xué)效果。

4.4 3D 打印模型結(jié)合角色扮演教學(xué)法

角色扮演教學(xué)法是學(xué)習(xí)者在假設(shè)環(huán)境中按某一角色身份進(jìn)行活動以達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)的一種教學(xué)方法。對骨科臨床實踐學(xué)生實施3D 打印模型結(jié)合角色扮演教學(xué)法能夠提高教學(xué)后理論知識、疾病診斷、治療方式、手術(shù)操作考核成績和基礎(chǔ)知識、學(xué)習(xí)興趣、三維想象力、診治操作等能力[21]。

4.5 3D 打印聯(lián)合混合現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實技術(shù)

在側(cè)腦室穿刺教學(xué)中，采用3D 打印聯(lián)合混合現(xiàn)實技術(shù)能提高學(xué)員的成績，側(cè)腦室穿刺教學(xué)效果提高明顯[22]。對骨科規(guī)范化培訓(xùn)外科住院醫(yī)師及實習(xí)醫(yī)師中采用3D 打印技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)學(xué)員的主觀問卷調(diào)查自我評價得分和臨床考核得分均高于傳統(tǒng)教學(xué)方法，表明在傳統(tǒng)教學(xué)模式基礎(chǔ)上結(jié)合3D 打印技術(shù)及VR 虛擬演示具有更好的教學(xué)效果，能夠彌補傳統(tǒng)教學(xué)的不足[23]。

4.6 3D 打印模型結(jié)合SBAR 溝通模式

SBAR 溝通模式是以解決病人安全問題為中心的醫(yī)務(wù)人員交接溝通的一種標(biāo)準(zhǔn)化溝通方式，能有效提高溝通效率和降低不安全事件的發(fā)生率，主要內(nèi)容有現(xiàn)狀（situation）、背景（background）、評 估（assessment）和 建 議（recommendation）。通過對參加骨外科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)生進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，將3D 打印模型引入SBAR 溝通模式有利于規(guī)培醫(yī)師提高學(xué)習(xí)興趣、 提升病情匯報分析準(zhǔn)確性及全面性的能力[24]。

5 3D 打印技術(shù)教學(xué)應(yīng)用的局限性及在國內(nèi)用的制約因素

3D 打印在醫(yī)學(xué)教學(xué)中能夠顯著提升臨床教學(xué)效果，在骨科、神經(jīng)外科、腫瘤外科等手術(shù)模擬操作教學(xué)中顯示了良好的應(yīng)用前景，但在國內(nèi)使用仍有一些制約因素和一定的局限性。

5.1 3D 打印效果與真實情況仍有差距

3D 打印模型可以幫助沒有經(jīng)驗的年輕醫(yī)生熟悉外科手術(shù)的操作和流程，但目前大多數(shù)模型為質(zhì)硬類型，質(zhì)軟模型將更加真實模擬手術(shù)。3D 打印模型不能夠反應(yīng)復(fù)雜的解剖異常和病變，缺乏反應(yīng)真實手術(shù)情況的能力，所以僅僅使用3D 打印模型進(jìn)行外科訓(xùn)練不足以讓受試者掌握復(fù)雜的外科手術(shù)。在骨科和神經(jīng)科手術(shù)教學(xué)領(lǐng)域中均發(fā)現(xiàn)，打印的模型沒有神經(jīng)、血管等軟組織，仍需教師對神經(jīng)走行等進(jìn)行手工標(biāo)記[25]，另外，3D 打印模型模擬椎間孔鏡手術(shù)的病灶切除操作與真實操作的情況仍有差距[26]。

5.2 3D 打印技術(shù)有待于進(jìn)一步完善

3D 打印模型在臨床上的應(yīng)用尚處于初級階段，目前3D 打印技術(shù)還不夠完善，盡管可以使用各種不同性質(zhì)的材料制作高精度標(biāo)本，但模型在重量、質(zhì)地、顏色、觸覺和其他物理性質(zhì)上與尸體材料還是有一定的差別，仍面臨著打印機(jī)的生物兼容性、打印材料的選擇性有限、不同細(xì)胞活性及組織結(jié)構(gòu)大小等問題。

5.3 3D 打印成本高，打印配套設(shè)備并未普及

3D 打印成本高昂，打印機(jī)和打印材料的高成本限制、打印模型制作從數(shù)據(jù)采集到實物模型的時間成本、打印材料的局限性等導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，目前3D 打印仍不能廣泛的推廣。另外，3D 打印技術(shù)用于教學(xué)也可能存在著倫理方面的問題[27]?？傊?，隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展和更新，未來 3D 打印在醫(yī)學(xué)教學(xué)、研究、設(shè)計、制造等方向的應(yīng)用和實踐將會進(jìn)一步的深入和發(fā)展，會有更多種類的材料會被投入使用，獲得更精確的三維模型及更接近人體組織的模型，學(xué)生的操作更接近實際臨床，3D 打印的醫(yī)學(xué)教學(xué)模型會更加真實、豐富。