張瑞濤 陳 靜 駱社丹 李 莉 湯桂成

（三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院解剖學(xué)與組織胚胎學(xué)系 湖北·宜昌 443002）

誕生于20世紀(jì)90年代的3D打印技術(shù)是以數(shù)字模型為依據(jù)，通過逐層打印疊加可黏合材料，制造實(shí)體復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型。作為一種新型快速成型、制造技術(shù)，3D打印可以與數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像設(shè)備結(jié)合，定制個(gè)性化的生物材料，因此越來越為醫(yī)學(xué)界所青睞[1]。外科學(xué)是最早應(yīng)用3D打印技術(shù)的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是骨外科、面外科、整形外科等的臨床實(shí)踐。以醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用3D打印技術(shù)制作人體器官模型，對(duì)外科手術(shù)有極大的應(yīng)用價(jià)值。利用3D打印技術(shù)可以加工出內(nèi)、外部三維結(jié)構(gòu)完全仿真的生物模型（Bio-model)其線尺寸誤差小于0.05mm，總體誤差不超過0.1%，這樣的精度完全可以滿足外科手術(shù)的需要并且克服了生理解剖標(biāo)本的難度及道德倫理方面的困擾。另外，在模型上還可以試行手術(shù)，以預(yù)演術(shù)中可能會(huì)遇到的情況，并可比較不同術(shù)式的優(yōu)劣，同時(shí)也可給年輕醫(yī)生提供演示或操作訓(xùn)練的機(jī)會(huì)。受到啟發(fā)的教育工作者想到，既然3D打印技術(shù)可以用于為患者制造匹配的骨關(guān)節(jié)等耗材，我們也可以使用3D打印技術(shù)去制造我們所需要的人體解剖結(jié)構(gòu)。這樣，3D打印技術(shù)可以有效解決解剖教學(xué)所面臨的教師講不清病變結(jié)構(gòu)，難以培養(yǎng)學(xué)生影像學(xué)判讀能力，學(xué)生缺乏訓(xùn)練機(jī)會(huì)等問題[2]。

1 3D打印解剖模型的數(shù)字建模

幾個(gè)世紀(jì)以來，使用大體老師來教導(dǎo)學(xué)生有關(guān)人體解剖學(xué)的知識(shí)是醫(yī)學(xué)院的教學(xué)傳統(tǒng)，一直持續(xù)到今天的?，F(xiàn)在，越來越多的國(guó)家及地區(qū)面臨著大體老師短缺的情況。目前國(guó)內(nèi)3D打印構(gòu)建模型最常使用的數(shù)據(jù)是CT，CT是一種在各級(jí)醫(yī)院廣泛應(yīng)用的 X射線三維透視成像技術(shù)，具有良好的空間分辨率以及較薄的重建掃描層厚，具有費(fèi)用低、成像快等諸多優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員使用3D打印技術(shù)為特定患者3D打印解剖模型。澳大利亞大學(xué)的一對(duì)醫(yī)療小組也使用了類似的手段來完成解剖。澳大利亞莫納什大學(xué)的Paul McMenamin科研團(tuán)隊(duì)一直致力于開發(fā)3D打印解剖模型[3]。他們基于現(xiàn)實(shí)的人體標(biāo)本，即基于醫(yī)療尸體的3D掃描，然后將其分割成57塊，而后采用最先進(jìn)的3D打印機(jī)進(jìn)行3D打印。據(jù)悉，此團(tuán)隊(duì)的3D打印解剖系列覆蓋了人體所有的肢體，包括了四肢、胸部、腹部、頭部和頸部等人體主要部分，可用于醫(yī)學(xué)院或醫(yī)院的人體解剖培訓(xùn)。莫納什大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)布的這些3D打印人體解剖模型，其數(shù)據(jù)則主要來自激光掃描、磁共振成像和 CT掃描等。這套模型中還包括一些精確的人體解剖結(jié)構(gòu)，這些光憑醫(yī)用尸體時(shí)不可能看到的，比如大腦的血管系統(tǒng)等。在經(jīng)過對(duì)于實(shí)際解剖標(biāo)本的掃描后，這些身體部件可以使用石膏或者塑料材料以高分辨率3D打印出來，不僅極其精確，而且可以再現(xiàn)真實(shí)色彩。這也成了首個(gè)用于解剖領(lǐng)域的商用3D打印成品。3D打印醫(yī)療模型甚至有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過研究真正的尸體的優(yōu)勢(shì)。學(xué)生對(duì)于3D打印的醫(yī)療模型的舒適性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過尸體所帶來的“恐懼”。所以3D打印的醫(yī)療模型在人類的心理承受力上占據(jù)了很大的優(yōu)勢(shì)。該3D打印醫(yī)療模型的費(fèi)用為25萬美金，而且打印時(shí)間也需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。任何技術(shù)都需要一個(gè)完善的過程，考慮到3D打印質(zhì)量和其所帶來的優(yōu)勢(shì)，這個(gè)漫長(zhǎng)的等待也是值得的。此外，3D打印醫(yī)療模型已經(jīng)在市場(chǎng)上開售，3D打印解剖模型讓醫(yī)學(xué)教學(xué)更直觀。

2 3D打印解剖模型在教學(xué)里的應(yīng)用

2.1 3D打印解剖模型用于輔助教學(xué)

3D打印為教學(xué)提供了新的視角形式，創(chuàng)設(shè)了新的教學(xué)活動(dòng)方式。它把創(chuàng)建3D模型，解釋復(fù)雜概念，體現(xiàn)創(chuàng)新思想乃至各種材料分子有機(jī)的結(jié)合在一起。3D打印課程的研究越來越受到關(guān)注，在國(guó)外，它作為輔助工具，滲透到STEM（Science、Technology、Engineering、Mathematics）學(xué)科教學(xué)中，大大提高了學(xué)生的活動(dòng)參與度。3D打印可以不斷地挑戰(zhàn)學(xué)習(xí)任務(wù)，創(chuàng)造學(xué)習(xí)內(nèi)容，并成了課程建設(shè)的主要力量。3D打印技術(shù)正為教育的發(fā)展開啟一個(gè)新的方向，許多教育機(jī)構(gòu)、組織和企業(yè)也在探索如何將 3D打印技術(shù)應(yīng)用到更廣泛的教育、教學(xué)中。3D打印可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教育“重理論、輕實(shí)踐，重動(dòng)腦、輕動(dòng)手，重學(xué)習(xí)、輕應(yīng)用”的不足，使課堂教學(xué)變得有趣、生動(dòng)，變課堂上的被動(dòng)記憶為課內(nèi)外的主動(dòng)探索。3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用推廣已經(jīng)在高層受到了重視。中國(guó)工程院院士、西安交大盧秉恒院士就指出，3D打印如應(yīng)用于教育教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生的探索興趣和創(chuàng)造熱情，帶動(dòng)教育創(chuàng)新，讓學(xué)生們開拓思維，發(fā)揮出無窮的想象力與創(chuàng)造力，造就一批創(chuàng)新型人才。

解剖結(jié)構(gòu)3D虛擬場(chǎng)景構(gòu)建和平面三維渲染顯示和VR系統(tǒng)顯示讓解剖學(xué)習(xí)有了觀賞3D數(shù)字大片的視覺效果和類似游戲過程的愉悅感。學(xué)生可以互動(dòng)操作和參與，大大減少了解剖模型的抽象性、解剖學(xué)習(xí)過程的抽象性，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)效果。使用3D打印技術(shù)制造的人體標(biāo)本，能等比例清晰顯示人體各個(gè)結(jié)構(gòu)，便于無失真地進(jìn)行觀察活動(dòng)。3D打印還可復(fù)制經(jīng)典病例和罕見臨床情況，整合單一知識(shí)點(diǎn)，促進(jìn)各學(xué)科融合，提升學(xué)員的臨床診斷思維和治療技能。同時(shí)，教學(xué)中使用3D打印的人體標(biāo)本，有利于對(duì)不可再生的人體標(biāo)本進(jìn)行保護(hù)。將3D打印技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)教學(xué)中，可為師生提供逼真的人體器官，促進(jìn)學(xué)生從被動(dòng)記憶型、模仿型向思考型和創(chuàng)新型轉(zhuǎn)變。真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境能使抽象的學(xué)習(xí)變得具體化、形象化。與此同時(shí)，3D打印可以批量提供人造的人體器官，克服了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教學(xué)中由于人體標(biāo)本不足導(dǎo)致的走馬觀花式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生能學(xué)好學(xué)到學(xué)懂，實(shí)實(shí)在在提升醫(yī)學(xué)生的實(shí)踐技能，為將來走上工作崗位奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

3D打印技術(shù)可以重現(xiàn)脊柱外科相關(guān)疾病的重要解剖學(xué)特點(diǎn)。從而為臨床教學(xué)提供直觀、立體、典型的實(shí)物模型。幫助學(xué)生更好的理解脊柱外科相關(guān)疾病的解剖結(jié)構(gòu)及發(fā)病機(jī)制。脊柱解剖因其形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部位深在，處于教師難教、學(xué)生難學(xué)的境地。傳統(tǒng)教學(xué)方式相對(duì)抽象，而根據(jù)影像學(xué)資料，運(yùn)用3D打印技術(shù)打印的實(shí)體模型則能夠體外再現(xiàn)脊柱的三維形態(tài)及特定的斷層結(jié)構(gòu)，為臨床教學(xué)提供更為直觀的三維圖像信息，從而提高了學(xué)生對(duì)脊柱解剖結(jié)構(gòu)的理解及記憶。有研究表明3D打印實(shí)物模型教學(xué)能夠幫助學(xué)生更好的理解復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)質(zhì)量。脊柱外科相關(guān)疾病因其特殊結(jié)構(gòu)、部位、發(fā)病機(jī)制，概念相對(duì)抽象，學(xué)生不易理解；并且病因復(fù)雜，涉及的解剖學(xué)、骨科生物力學(xué)等學(xué)科內(nèi)容廣泛，學(xué)生掌握較難。與傳統(tǒng)教學(xué)方法的單純平面結(jié)構(gòu)圖，3D打印實(shí)物模型具有真實(shí)、客觀、立體、生動(dòng)、直觀、感性的解剖學(xué)特點(diǎn)，可以將原本難以理解的具有復(fù)雜解剖特點(diǎn)的脊柱外科相關(guān)疾病，形象直觀立體地呈現(xiàn)于學(xué)生面前，使學(xué)生對(duì)脊柱的立體結(jié)構(gòu)、病理、疾病分型及治療方法的理解更加容易。

心臟的解剖結(jié)構(gòu)精巧而又復(fù)雜，認(rèn)識(shí)心臟結(jié)構(gòu)需要較強(qiáng)的空間思維能力，而構(gòu)建先天性心臟病的空間結(jié)構(gòu)則難度更大。3D打印技術(shù)能直觀地展示心臟，在展示空間結(jié)構(gòu)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。有研究顯示，將利用3D打印技術(shù)制作的心臟模型運(yùn)用到心血管專科醫(yī)護(hù)人員教育培訓(xùn)中取得了良好的效果，加深了其對(duì)心臟疾病的解剖和病理生理特點(diǎn)的理解。心臟外科醫(yī)師培養(yǎng)周期長(zhǎng)已是業(yè)內(nèi)共識(shí)，很大因素是由于心臟獨(dú)特的生理特點(diǎn)和外科操作技術(shù)難度大，而現(xiàn)實(shí)中缺乏滿意的訓(xùn)練模具也是無法回避的問題。

2.2 3D打印解剖模型促進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

STEM（science technology engineering mathematics）是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的簡(jiǎn)稱，國(guó)際技術(shù)和工程教育協(xié)會(huì)(ITEEA)將STEM定義為整合了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四大要素的新興跨學(xué)科課程，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合。當(dāng)前，基于STEM的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式正逐步在高校教學(xué)中實(shí)施。如在解剖教學(xué)中引入外科臨床病例，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，促進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。與傳統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃相比，3D打印技術(shù)可以客觀、立體、生動(dòng)、直觀、感性的打印出1∶1的實(shí)物模型，并可以根據(jù)術(shù)者的需要打印不同的切面，更好的觀察特定區(qū)域的解剖特點(diǎn)。3D打印技術(shù)還可應(yīng)用于脊柱外科內(nèi)植物的個(gè)體化定制，即術(shù)者根據(jù)患者實(shí)際情況定制個(gè)體化的內(nèi)植物，以滿足解剖學(xué)、人體工程學(xué)、生物力學(xué)等不同方面的特殊要求。如椎間隙很寬、較小的兒童，造成患者所需內(nèi)植物太大或太小，或需要與患者局部解剖結(jié)構(gòu)更為貼附的內(nèi)植物以提高手術(shù)療效時(shí)，在這些特殊情況下則需要定制個(gè)體化的內(nèi)植物，3D打印技術(shù)可以滿足定制個(gè)體化內(nèi)置物多樣性、復(fù)雜性和快速性的要求。

2.3 3D打印在解剖相關(guān)臨床疾病中的應(yīng)用

目前3D打印技術(shù)主要是在復(fù)雜的骨腫瘤切除、骨盆骨折、髖部發(fā)育異常及骨折、脊柱畸形及損傷、頭顱整形、口腔下頜骨修復(fù)、肢體畸形、骨缺損和假體制作等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。通過提取CT、MRI掃描數(shù)據(jù)重建計(jì)算機(jī)三維模型，并通過3D打印技術(shù)制作出不同大小的實(shí)物模型，使醫(yī)生更加直觀地、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)X射線片、CT、MRI等傳統(tǒng)影像學(xué)資料隱藏的解剖信息，并且醫(yī)生還可以直接在打印的實(shí)物模型上進(jìn)行診斷、制定個(gè)體化的手術(shù)方案、模擬手術(shù)操作，還可根據(jù)患者需要設(shè)計(jì)、制造個(gè)性化器械，甚至打印人體器官等，從而提高疾病的診斷率，增加手術(shù)的精確性、安全性。

脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又有脊髓、神經(jīng)等重要組織結(jié)構(gòu)毗鄰，面對(duì)復(fù)雜脊柱疾病時(shí)，如脊柱畸形，由于傳統(tǒng)影像學(xué)檢查無法提供精準(zhǔn)的三維解剖關(guān)系，通過傳統(tǒng)的影響學(xué)資料醫(yī)師可能會(huì)得出片面的結(jié)論，將直接影響疾病的準(zhǔn)確診斷，且容易造成漏診、誤診、疾病診斷的不全或不清，從而影響疾病的療效及預(yù)后。而3D打印技術(shù)可重建脊柱三維解剖結(jié)構(gòu)，顯著提高了疾病的診療質(zhì)量。與X射線片、CT、MRI等傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像學(xué)資料相比，3D打印實(shí)體模型可以提供更加詳細(xì)、直觀、立體、現(xiàn)實(shí)的解剖學(xué)信息。醫(yī)師可以更加直觀地觀察分析脊柱解剖結(jié)構(gòu)，從而極大的提高了臨床醫(yī)師對(duì)復(fù)雜脊柱疾病空間解剖結(jié)構(gòu)的理解，進(jìn)而做出更加精確的疾病診斷，如復(fù)雜脊柱骨折的分型、脊柱側(cè)彎的分型、脊柱腫瘤的鑒別等，從而減少復(fù)雜疾病的漏診和誤診，明顯提高患者的診療質(zhì)量。

與傳統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃相比，3D打印技術(shù)可以客觀、立體、生動(dòng)、直觀、感性的打印出1∶1的實(shí)物模型，并可以根據(jù)術(shù)者的需要打印不同的切面，更好的觀察特定區(qū)域的解剖特點(diǎn)，制定更加精準(zhǔn)的個(gè)體化的手術(shù)方案，并可以在3D打印模型上進(jìn)行預(yù)定手術(shù)的模擬操作，增加手術(shù)的熟練度，明顯縮短手術(shù)所需的時(shí)間，減少醫(yī)生和患者放射線的暴露的時(shí)間和劑量，提高手術(shù)的可對(duì)比性和相對(duì)同一性，并還可以制作一些個(gè)體化的手術(shù)器械，輔助手術(shù)的快速完成。

3 3D打印應(yīng)用于解剖教學(xué)中的展望

3D打印因其個(gè)性化定制、快速成型的特點(diǎn)，可作為立體標(biāo)本用于保存具有代表性的病例（腫瘤、創(chuàng)傷等），結(jié)合真實(shí)完整的臨床病歷、影像學(xué)資料、輔助檢查結(jié)果，作為教學(xué)病例的儲(chǔ)備。將3D打印模型教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方式融為一體，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成，實(shí)行以問題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)（problem-based learning,PBL）教學(xué)模式，讓學(xué)生在教學(xué)中占據(jù)主導(dǎo)地位，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，收獲知識(shí)的同時(shí)收獲樂趣，老師則起引導(dǎo)輔助和答疑的作用。條件允許的情況下，使學(xué)生盡可能都有在3D打印模型上模擬手術(shù)操作的機(jī)會(huì)，鍛煉動(dòng)手操作能力，盡早獲得嫻熟的手術(shù)技巧與精確的操作能力。目前受限于工程學(xué)和材料學(xué)的發(fā)展，3D打印技術(shù)在解剖學(xué)教學(xué)上的應(yīng)用仍然處于初級(jí)階段[4]，但毫無疑問的是，3D打印技術(shù)所制造的模型/植入物已經(jīng)能夠滿足解剖學(xué)教學(xué)的要求。具備在解剖學(xué)教學(xué)中廣泛使用的基礎(chǔ)。我們相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)現(xiàn)存的缺陷將得到解決，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用必將進(jìn)一步深化。