梁意敏 李友錢(qián) 曾文峰 管玉婷 鐘煒

3D 打印技術(shù)作為一種革命性的技術(shù)，于20 世紀(jì)80年代誕生于美國(guó)[1]，最初用在國(guó)防和工業(yè)領(lǐng)域，它以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，用塑料、金屬陶瓷等粉末等作為黏合材料，使用計(jì)算機(jī)輔助虛擬設(shè)計(jì)及控制聯(lián)合多層次連續(xù)打印，將各種類(lèi)型的黏合材料制作成具有個(gè)體特異性和復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型的快速成型新興應(yīng)用技術(shù)[2]，又稱(chēng)疊加制造術(shù)或即可成型術(shù)。3D 打印不僅具有快速成型的特點(diǎn)，還具有前所未有的精準(zhǔn)度，可以全方位完美模擬各種器官的解剖模型[3-4]，近年來(lái)已經(jīng)廣泛被運(yùn)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上。現(xiàn)不斷有學(xué)者將3D 打印模型與醫(yī)學(xué)教學(xué)結(jié)合，根據(jù)影像學(xué)資料打印出實(shí)體模型，引導(dǎo)學(xué)員通過(guò)逼真的模型進(jìn)行相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，填補(bǔ)了解剖標(biāo)本缺乏的空白，符合當(dāng)今臨床醫(yī)學(xué)教育發(fā)展的趨勢(shì)，相關(guān)的教學(xué)研究已經(jīng)陸續(xù)開(kāi)展[5]。文章就3D 打印在內(nèi)科教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行探討，為內(nèi)科臨床教學(xué)提供參考意見(jiàn)。

1 3D 打印技術(shù)在呼吸科教學(xué)中的應(yīng)用

呼吸系統(tǒng)疾病表現(xiàn)多樣、病因復(fù)雜，如呼吸系統(tǒng)疾病的學(xué)習(xí)需要學(xué)生具備較強(qiáng)的空間想象能力及推理能力，目前呼吸系統(tǒng)性疾病理論教學(xué)中多以 X 線及 CT 對(duì)病變部位及形態(tài)進(jìn)行展示，對(duì)年輕醫(yī)學(xué)生而言，將患者的臨床癥狀及體征直觀地與病變相結(jié)合是對(duì)三維空間想象能力考驗(yàn)。以支氣管為例，支氣管解剖結(jié)構(gòu)是呼吸系統(tǒng)中臨床重要知識(shí)點(diǎn)，而氣管、支氣管氣管的分支錯(cuò)綜復(fù)雜是教學(xué)中的難點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，沒(méi)有實(shí)體標(biāo)本或者模型的支撐展示，學(xué)生容易對(duì)解剖結(jié)構(gòu)、概念產(chǎn)生錯(cuò)誤理解，削弱學(xué)習(xí)效果[6-7]。張純希等[8]研究發(fā)現(xiàn)使用3D 打印支氣管模型教學(xué)可提高學(xué)生對(duì)支氣管的解剖的掌握程度，構(gòu)建胸腔病理生理狀態(tài)及解剖空間感，對(duì)氣管分支、走形形成長(zhǎng)期知識(shí)記憶，在嬰幼兒?jiǎn)畏瓮饨虒W(xué)運(yùn)用3D 打印支氣管模型，與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比具有較多優(yōu)點(diǎn)，首先支氣管3D 模型可以供學(xué)員重復(fù)進(jìn)行體外模擬訓(xùn)練，有助于學(xué)生快速、熟練掌握支氣管的解剖結(jié)構(gòu)及相關(guān)知識(shí)，熟悉操作手法，提高教學(xué)質(zhì)量，其次可以豐富教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)員學(xué)習(xí)的主動(dòng)積極性，縮短培訓(xùn)周期。使用3D 打印肺模型進(jìn)行教學(xué)，以這種更加直觀的途徑對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，消除二維空間過(guò)渡到三維空間的障礙，明顯提高呼吸系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)的趣味性[9]。在肺部血管疾病教學(xué)中，3D 打印的肺動(dòng)脈實(shí)體模型能清晰顯示肺動(dòng)脈、肺栓塞的形態(tài)及結(jié)構(gòu)，相比醫(yī)學(xué)影像資料更詳細(xì)、更立體、更生動(dòng)[10]。研究還發(fā)現(xiàn)將患者影像學(xué)資料與3D 打印立體模型結(jié)合進(jìn)行授課，有助于提高學(xué)員CT 影像學(xué)的讀片能力[10]。

2 3D 打印技術(shù)在心內(nèi)科教學(xué)中的應(yīng)用

心內(nèi)科是內(nèi)科中的重點(diǎn)專(zhuān)科，學(xué)生輪轉(zhuǎn)中需要掌握心臟瓣膜病、心臟結(jié)構(gòu)病變、動(dòng)脈病變等相關(guān)疾病，掌握該類(lèi)疾病的發(fā)病機(jī)制、治療方案需要學(xué)生對(duì)心臟、動(dòng)脈解剖有充分的了解，只有學(xué)員具備扎實(shí)心臟解剖知識(shí)、生理學(xué)、病理學(xué)基礎(chǔ)[11]，較強(qiáng)的三維空間想象力，才能真正理解、掌握心內(nèi)科疾病。在既往心內(nèi)科傳統(tǒng)的教學(xué)中，帶教老師一般通過(guò)采用病例的CT 或者超聲影像呈現(xiàn)的方式指導(dǎo)學(xué)員學(xué)習(xí)，這種“看得見(jiàn)、摸不著”的教學(xué)方法很難讓學(xué)生更深刻及直觀理解該類(lèi)疾病，在一定程度上影響了學(xué)習(xí)積極性并限制了教學(xué)效果[12]，造成心內(nèi)科人才培養(yǎng)的困難。在臨床醫(yī)療工作中，對(duì)患者心臟進(jìn)行3D 打印作為一種新興可視化描述個(gè)體心臟結(jié)構(gòu)和特征的技術(shù)廣泛運(yùn)用[13]。教學(xué)探索中顯示，主動(dòng)脈瓣膜病帶教中引入教學(xué)3D 打印心臟病模型的優(yōu)勢(shì)在于將心臟病變的二維影像資料可視化[14]，通過(guò)復(fù)原瓣膜的解剖位置，可以清楚立體地顯示瓣膜的畸形位置及其與心臟其他部位的解剖關(guān)系，提高學(xué)員對(duì)心臟空間結(jié)構(gòu)的理解程度。在經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置入術(shù)（transcatheter aortic valve implantation，TAVI）手術(shù)教學(xué)中，用類(lèi)似人心臟組織的硅膠材料打印的模型，展露患者特異性的解剖結(jié)構(gòu)，模擬病變的心臟工作狀態(tài)，直觀向?qū)W生呈現(xiàn)復(fù)雜手術(shù)的模擬手術(shù)過(guò)程，對(duì)于術(shù)前方案制定、術(shù)前診斷等的教學(xué)具有重要意義，明顯提高了年輕醫(yī)生等對(duì) TAVR 技術(shù)的掌握效率[15-16]。主動(dòng)脈夾層教學(xué)中使用3D 打印模型，能更好地向?qū)W生展示夾層的病變范圍、大小、撕裂程度，較傳統(tǒng)教學(xué)相比，學(xué)生更加透徹地理解疾病的病理生理及診斷治療方案，縮短培訓(xùn)時(shí)間。對(duì)于復(fù)雜性的心臟病，如法洛氏四聯(lián)癥教學(xué)中，Loke 等[17]使用3D 打印心臟病模型進(jìn)行教學(xué)，發(fā)現(xiàn)3D 打印模型教學(xué)組學(xué)生對(duì)細(xì)微結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)更加直觀，對(duì)心臟病的整體認(rèn)識(shí)更全面深刻，記憶牢固。在冠心病教學(xué)中，通過(guò)采集患者CT 血管造影檢查數(shù)據(jù)并進(jìn)行三維重建，用3D 打印技術(shù)打印出病變的冠狀動(dòng)脈及正常動(dòng)脈的1:1 模型，能讓學(xué)生更加直觀地對(duì)比異常病變血管與正常病變血管的不同之處，豐富了學(xué)生對(duì)冠心病的理解及手術(shù)治療方案的理解。在心內(nèi)科醫(yī)患溝通教學(xué)中，通過(guò)打印病變的3D 實(shí)體模型，有效讓患者理解疾病的發(fā)病機(jī)制，提高學(xué)生與心臟病患者溝通的技巧，有研究表明在心內(nèi)科教學(xué)中使用3D 打印提供高精度、個(gè)性化、可觸及的模型心臟病模型，能有效加強(qiáng)醫(yī)患溝通[18]。不斷有研究表明，相比起平面教學(xué)，學(xué)員更喜歡3D 打印教學(xué)方式，并且該教學(xué)方式能讓學(xué)員更容易把握重點(diǎn)知識(shí)，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，且有利于梳理學(xué)員臨床診療思維，提升分析問(wèn)題處理能力，有利于教學(xué)工作有效開(kāi)展[19]。

3 3D 打印技術(shù)在消化內(nèi)科教學(xué)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)消化科教學(xué)中，學(xué)員一般通過(guò)學(xué)習(xí)消化系統(tǒng)解剖圖譜理解人體消化道器官組織生理構(gòu)造，然而書(shū)本上的二維圖譜過(guò)于枯燥，不夠形象生動(dòng)，導(dǎo)致理解困難；尸體病理解剖標(biāo)本在大多數(shù)醫(yī)院教學(xué)中受到倫理、地點(diǎn)、條件的限制，難以起到教學(xué)效果。以計(jì)算機(jī)數(shù)字化模型及斷層為基礎(chǔ)的3D 打印，將患者疾病的臨床資料、影像學(xué)資料打印成實(shí)體模型，直觀呈現(xiàn)消化系統(tǒng)的臟器三維結(jié)構(gòu)，可以反復(fù)在消化內(nèi)科教學(xué)中展現(xiàn)使用，起到教學(xué)效果[20]。目前3D 打印在臨床中已經(jīng)廣泛運(yùn)用在肝膽疾病、經(jīng)內(nèi)鏡逆行胰膽管造影操作、消化道腫瘤疾病的帶教中[21]。以膽石癥的ERCP 操作及內(nèi)鏡取石術(shù)教學(xué)為例子，結(jié)石分布情況與膽道系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)決定了ERCP 手術(shù)路徑與效果，然而由于膽道系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，加上結(jié)石分布形式多樣，通過(guò)CT 斷層和超聲描述教學(xué)可以在一定范圍內(nèi)彌補(bǔ)了初學(xué)者較難理解其整體分布的不足，將3D 打印用于ERCP 手術(shù)中，打印出直觀的教學(xué)模型[22]，學(xué)員可以直接觀察結(jié)石在膽管的分布情況，了解結(jié)石與肝內(nèi)膽管、血管的關(guān)系，指導(dǎo)學(xué)員更好地掌握內(nèi)鏡下取石術(shù)[23]。肝臟作為消化科重要的臟器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)空間的想象能力要求高，缺乏空間思維能力的學(xué)生較難通過(guò)影像學(xué)資料掌握肝臟病變的位置，楊濤等[24]通過(guò)將3D 打印與問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法即基于問(wèn)題的教學(xué)法（problem-based learning，PBL）相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)3D 打印教學(xué)與普通教學(xué)相比，能詳細(xì)觀察肝臟解剖位置、腫瘤位置，不僅有助于學(xué)員理解治療方案，還能指導(dǎo)學(xué)員更加直觀地了解病情，提高醫(yī)患溝通能力。以肝癌為例，肝癌作為消化科常見(jiàn)的惡性腫瘤，是教學(xué)中需要掌握的重點(diǎn)、難點(diǎn)，洪峰華等[25]通過(guò)利用3D 打印技術(shù)的精準(zhǔn)性，打印出肝癌3D 模型，提供直觀的肝臟脈管圖像，年輕醫(yī)師通過(guò)模型更容易熟悉肝臟的解剖圖譜及腫瘤的變異，選擇較好的治療方式。李偉之等[26]在研究中發(fā)現(xiàn)，用3D 打印制造出的1:1 大小的肝臟和血管可視化模型，年輕醫(yī)生反復(fù)進(jìn)行經(jīng)肝靜脈穿刺門(mén)靜脈的模擬訓(xùn)練，精準(zhǔn)提高手術(shù)的成功率，減少并發(fā)癥，達(dá)到較好教學(xué)的效果。

4 3D 打印在神經(jīng)內(nèi)科教學(xué)中的應(yīng)用

隨著技術(shù)發(fā)展，3D 打印已經(jīng)逐步在神經(jīng)內(nèi)科的教學(xué)中運(yùn)用并取得良好的教學(xué)效果，且越來(lái)越被學(xué)生及教師認(rèn)可。神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)生的崗位勝任力是決定臨床診療質(zhì)量的關(guān)鍵性因素，良好的崗位勝任力需要一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、操作技能以及醫(yī)患溝通能力，如何在臨床教學(xué)中更好地提升學(xué)員的崗位勝任力，是神經(jīng)內(nèi)科教學(xué)中需要探索及思考的問(wèn)題。眾所周知，神經(jīng)內(nèi)科腦血管位置深，顱內(nèi)血管迂曲，動(dòng)脈分多[27]，解剖的通路復(fù)雜，需要使用機(jī)械記憶，但疾病的定位定向診斷需要具有抽象的臨床思維能力，對(duì)于年輕醫(yī)生而言由于缺乏臨床經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致教學(xué)難度增大，成為神經(jīng)內(nèi)科教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)。神經(jīng)內(nèi)科帶教老師必須在教學(xué)中有創(chuàng)新及突破，才能有效提高學(xué)員的積極性及主動(dòng)性，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。3D 打印較傳統(tǒng)的神經(jīng)內(nèi)科教學(xué)而言具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）3D 模型有利于縮減二維圖譜和實(shí)際解構(gòu)圖的差距，直觀的三維結(jié)構(gòu)較大程度地彌補(bǔ)了學(xué)員三維空間想象力的不足。（2）3D 打印模型真實(shí)還原患者病變位置及類(lèi)型，可以讓學(xué)員更加細(xì)微地觀察腦組織、血管及神經(jīng)。（3）3D 打印模型可以長(zhǎng)期保存，不易變質(zhì)，在教學(xué)中可以反復(fù)觀摩及使用。（4）3D 模型教學(xué)與PBL、團(tuán)隊(duì)為基礎(chǔ)教學(xué)法（team-based learning，TBL）、啟發(fā)式臨床教學(xué)法（problem-originated clinical medical curriculum，PCMC）教學(xué)方法結(jié)合，可以更有效地激發(fā)學(xué)員的興趣，提高自主學(xué)習(xí)及臨床思維能力，能有效縮短學(xué)習(xí)時(shí)間[28]。（5）3D 打印的虛擬性可以運(yùn)用在不同的教學(xué)場(chǎng)景，為診療流程、團(tuán)隊(duì)合作等提供了方便的訓(xùn)練條件。（6）3D 打印與圖片、視頻相比更加具有視覺(jué)沖擊力，有效提高學(xué)習(xí)興趣，在操作中可以供學(xué)員反復(fù)操作使用，對(duì)于高難度的操作，學(xué)員可以先在模型上進(jìn)行操作練習(xí)并判斷治療效果，達(dá)到減少操作并發(fā)癥、提升操作成功率的目的。張舒婷等[29]在腦血管疾病教學(xué)中使用3D 打印技術(shù)，相對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)組，3D 打印教學(xué)組不僅理論知識(shí)考試成績(jī)與技術(shù)操作考試成績(jī)高于傳統(tǒng)教學(xué)組，而且學(xué)習(xí)興趣、理解能力、學(xué)習(xí)內(nèi)容掌握程度的評(píng)分相對(duì)于傳統(tǒng)組也明顯提高?？娀旱萚30]用3D 打印腦血管模型后應(yīng)用在腦血管解剖教學(xué)中，學(xué)員可以全方位、多視角地觀察骨性通道與血管走向的關(guān)系，加深對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)理解，激發(fā)學(xué)員的求知欲，通過(guò)思考及探索鍛煉學(xué)員臨床思維能力。對(duì)于帶教老師而言，3D 打印技術(shù)的融入可以活躍課堂氣氛，打破上課中“老師滔滔不絕，學(xué)員參與度不足”的尷尬局面，有效提升教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)水平及教學(xué)效果。

5 總結(jié)與展望

3D 打印技術(shù)的引入極大地?cái)U(kuò)充了教學(xué)資源，有助于學(xué)生了解內(nèi)科疾病的病理機(jī)構(gòu)，在內(nèi)科教學(xué)中融入3D打印模型，結(jié)合實(shí)際案例，可以讓學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)疾病，提高臨床診療能力操作水平，在提高學(xué)生在理論考試成績(jī)、臨床實(shí)踐能力及教學(xué)滿意度等方面均取得了良好的效果。3D 打印在教學(xué)中的應(yīng)用仍處于初步階段，也存在不足之處，例如：（1）3D 打印技術(shù)操作復(fù)雜且要耗費(fèi)一定制作時(shí)間。（2）3D 打印材料軟樹(shù)脂模型成本高，在教學(xué)中需要考慮額外的經(jīng)濟(jì)成本，不利于3D 打印技術(shù)在內(nèi)科教學(xué)中的推廣和普及。（3）3D 打印對(duì)于軟組織、神經(jīng)、血管的還原度不足，與人體解剖解構(gòu)尚有一定差距，影響教學(xué)效果。（4）3D 可視化教學(xué)對(duì)臨床教授的教學(xué)理念及教學(xué)能力要求較高，對(duì)于教育理念僵化、教學(xué)能力欠缺的教師應(yīng)用 3D 可視化技術(shù)難達(dá)到預(yù)期效果。期望未來(lái)能夠進(jìn)行更多有關(guān)3D 打印技術(shù)在內(nèi)科教學(xué)中的應(yīng)用，以提高內(nèi)科的教學(xué)質(zhì)量及教學(xué)水平。