數(shù)字醫(yī)學(xué)與3D打印技術(shù)在外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用進展

譚海濤 黃國秀 張其標(biāo)

【摘要】 外科臨床教學(xué)是推進醫(yī)學(xué)生和年輕外科醫(yī)師培養(yǎng)的重要手段。傳統(tǒng)教學(xué)方法中的教學(xué)載體存在許多弊端，而新興的方法如三維可視化教學(xué)，利用數(shù)字化與3D打印的教學(xué)模型作為載體，具有立體化、視觸性和可操作性等優(yōu)點，在臨床教學(xué)中的應(yīng)用越來越得到青睞。本文基于PubMed、Springer Link、中國知網(wǎng)、萬方醫(yī)學(xué)網(wǎng)及維普網(wǎng)為主要數(shù)據(jù)庫搜索106篇，并篩選72篇進行總結(jié)，回顧性總結(jié)了數(shù)字醫(yī)學(xué)與3D打印技術(shù)在外科臨床教學(xué)的成功運用，并對該技術(shù)教學(xué)中的運用方法、效果評價以及優(yōu)勢與不足展開綜述，為在其他醫(yī)學(xué)教育中的推廣運用提供參考。

【關(guān)鍵詞】 可視化 數(shù)字醫(yī)學(xué) 3D打印 虛擬現(xiàn)實 臨床教學(xué) 仿真培訓(xùn) 外科手術(shù)

[Abstract] Surgical clinical teaching is an important means to promote the training of medical students and young surgeons. There are many disadvantages in the traditional teaching methods， but the new methods， such as three-dimensional visualization teaching， useing the digital and 3D printing models as the carrier， with the advantages of three-dimensional， visual touch and operability， etc.， and there are more and more popular in clinical teaching. Based on PubMed， Springer link， CNKI， Wanfang medical network and VIP as the main databases， 106 articles were searched， and 72 articles were selected for summary in this paper. It summarized the successful application of digital medicine and 3D printing technology in surgical clinical teaching， and summarized the application methods， effect evaluation， advantages and disadvantages of this technology in teaching， so as to provide a reference for other medical education.

[Key words] Visualization Digital medicine 3D printing Virtual reality Clinical teaching Simulation training Surgery

First-authors address： Guigang Peoples Hospital， Guigang 537100， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2020.24.042

傳統(tǒng)臨床教學(xué)中，大多使用課本、影音、影像學(xué)及模具進行授課，盡管內(nèi)容豐富，但缺乏直觀化、立體感，特別是對于復(fù)雜的人體解剖和疾病機制，教師難以講解清楚，而學(xué)員亦不易理解，且加之標(biāo)本稀缺，從而使得外科臨床教學(xué)也缺乏相應(yīng)的體現(xiàn)。隨著計算機信息的進步，數(shù)字醫(yī)學(xué)與快速成型技術(shù)在臨床實踐中獲得成功運用[1-3]，而該技術(shù)也在教育領(lǐng)域中逐漸受到關(guān)注，其在外科臨床教學(xué)中展現(xiàn)出廣闊的運用前景[4-6]。本文就新型方法在外科教學(xué)應(yīng)用的進展進行綜述，以期為臨床教學(xué)提供參考。

1 數(shù)字醫(yī)學(xué)與3D打印技術(shù)在外科臨床教學(xué)的應(yīng)用

1.1 骨科教學(xué) 主要體現(xiàn)于虛擬人體解剖和3D打印實物模型的展示、模擬操作及交互教學(xué)，極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容和趣味性，進一步提升了教學(xué)質(zhì)量與效率。Smit等[7]研發(fā)了以網(wǎng)頁瀏覽器為基礎(chǔ)的在線人體解剖平臺，明顯提高解剖學(xué)習(xí)的時效性。侯洋等[8]通過3D技術(shù)重建的人體骨骼肌模型，讓學(xué)生得以交互學(xué)習(xí)，易于直觀地理解骨科疾患的解剖，大大調(diào)動其興趣。相比數(shù)字化模型，3D打印技術(shù)則進一步立體化。劉廣武等[9]將3D打印和CAD技術(shù)引入骨科教學(xué)，使學(xué)生能結(jié)合“視聽”學(xué)習(xí)，還可觸摸高仿真模型，極大地提高了認(rèn)知程度、教學(xué)效率和滿意度。有學(xué)者將3D打印技術(shù)引入骨科住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)中，幫助其短期內(nèi)掌握相關(guān)疾病的診治思路、操作技能，具有良好的推廣應(yīng)用前景[10-11]。近年來，全息投影投入骨科教學(xué)中，提升了教學(xué)的直觀性、趣味性[12]。由此，透過三維數(shù)字化與3D打印模型的體驗式學(xué)習(xí)，學(xué)員能更直觀、全面、容易地理解難點知識，明顯提高教學(xué)的質(zhì)量和效率。

1.2 腫瘤外科教學(xué) 主要體現(xiàn)于3D打印的腫瘤與正常組織模型，用于術(shù)前模擬和術(shù)中精確切除腫瘤的手術(shù)演示。研究表明，3D打印立體化模型可有效提高學(xué)生對骨腫瘤的學(xué)習(xí)興趣和操作能力[13];干思舜等[14]將3D打印加入腎腫瘤臨床教學(xué)中，學(xué)生能更直觀地了解腫瘤局部解剖結(jié)構(gòu)，有助于病例分析和制定方案能力的培養(yǎng)，以提高學(xué)習(xí)效果與教學(xué)質(zhì)量;將3D打印模型用于腫瘤的術(shù)前、術(shù)中及術(shù)后教學(xué)，學(xué)生可全方位、多角度直觀地認(rèn)識腫瘤位置，幫助術(shù)中更好地顯露、分離腫瘤，而術(shù)后透過模型進行操作，學(xué)生能達(dá)到溫故知新的目的[15]。因此，該模型能夠簡化腫瘤的教學(xué)難點，明顯提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)習(xí)效率。

1.3 神經(jīng)外科教學(xué) 如何讓學(xué)生將神經(jīng)系統(tǒng)解剖與影像資料相結(jié)合，形成立體的空間概念，從而能夠在術(shù)中精準(zhǔn)定位一直是神經(jīng)外科教學(xué)中的一個難點。為了解決該問題，越來越多的新技術(shù)得以運用[16]。遇濤等[17]使用Matlab軟件用2D與3D方式勾畫出致癇病灶，清楚顯示其范圍，以此作為立體定向電極置入路徑規(guī)劃的導(dǎo)向，大大加快了受訓(xùn)醫(yī)生的理解、掌握。3D打印病灶模型有助于加深學(xué)生對解剖及手術(shù)的理解，且有利于學(xué)生建立三維的立體空間印象，提高讀片能力，顯著提升了臨床理論及實踐能力[18-19]。

1.4 其他外科臨床教學(xué) 肝膽外科方面，旨在解決年輕醫(yī)生快速掌握復(fù)雜肝膽系統(tǒng)的解剖問題，加深對手術(shù)的理解，而3D可視化技術(shù)則提供了新的、有效的手段[20]。李新宇等[21]引導(dǎo)學(xué)生運用3D打印的肝臟模型進行學(xué)習(xí)，在肝癌、膽管癌的相關(guān)考核成績、滿意度方面試驗組均明顯高于傳統(tǒng)教學(xué)組，利于提高教學(xué)效果。還有學(xué)者將該技術(shù)用于心血管臨床教學(xué)，有助于對復(fù)雜心血管結(jié)構(gòu)的理解和手術(shù)訓(xùn)練[22-23];此外，也有運用于眼科、耳鼻喉及口腔科[24-26]，教學(xué)效果良好。因此，3D打印模型既使得學(xué)員對解剖有全面的理解，還能創(chuàng)造更多的訓(xùn)練操作機會，使理論更易與實踐結(jié)合。

2 新興技術(shù)的運用及其效果評估

目前，數(shù)字化與3D打印教學(xué)模型運用類別中，主要以人體解剖結(jié)構(gòu)為對象，制作數(shù)字化、可視化實物模型及病例庫平臺。模型設(shè)計主要來源于患者的CT、MRI圖像或三維掃描數(shù)據(jù)，經(jīng)三維重建而得到數(shù)字化模型，與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)結(jié)合后達(dá)到交互顯示[27-28];或經(jīng)快速成型機，如通過多種3D打印原理如熔融沉積、光固化或激光燒結(jié)等方式得到個性化實體模型。選材方面，以PLA、ABS及光敏樹脂等材料為主，前兩者因其價格低廉、實用性強則較為常見，但只能成型硬質(zhì)單色模型;而后者可進行多組織、多色彩及軟硬兼具的3D打印，可得到高仿真模型，但價格高昂，其推廣有一定限制。

教學(xué)方法方面，以隨機對照研究方法為主，通常分為試驗組與傳統(tǒng)組，在分析病史、查體及輔助檢查后，教師結(jié)合模型向試驗組展示、講解，接著學(xué)員對模型進行“視觸”學(xué)習(xí);另外，師生可對模型進行模擬操作，制定手術(shù)方案，最后進行術(shù)后總結(jié)。教學(xué)評估手段的多維性，可為臨床醫(yī)學(xué)教育質(zhì)量改善提供良好的平臺，包括客觀與主觀評價，前者為理論知識、操作能力的考察，通過考核成績、操作成功率等指標(biāo)進行評估;后者以問卷形式為主，如根據(jù)學(xué)習(xí)興趣、主動性及滿意度等指標(biāo)進行評估[29-31]。最后使用統(tǒng)計學(xué)軟件進行兩組數(shù)據(jù)分析，從而得到教學(xué)評價結(jié)果。筆者認(rèn)為，教學(xué)質(zhì)量全面、準(zhǔn)確評估有利于改善教學(xué)質(zhì)量。

3 新興技術(shù)運用于外科臨床教學(xué)的優(yōu)勢

近年來，數(shù)字醫(yī)學(xué)與快速成型技術(shù)為解決臨床與科研問題提供了巨大的便利[1，2，32]，而將該技術(shù)用于外科臨床教學(xué)，優(yōu)勢亦明顯。首先，數(shù)字化與3D打印模型具有立體直觀、真實反映疾病狀態(tài)的特性，一定程度上可緩解標(biāo)本易于破壞和緊缺的問題，同時也降低教學(xué)成本;其次，該模型能讓學(xué)生反復(fù)操作，有利于提高其積極主動性。人體解剖與疾病機制較為復(fù)雜，教師講授困難，學(xué)生亦難以消化，對于手術(shù)技巧的培訓(xùn)，學(xué)生也缺乏足夠的操作，這也在一定程度上削弱了其學(xué)習(xí)手術(shù)的信心。而虛擬仿真或3D打印的模型結(jié)合教學(xué)，可在師生間搭起橋梁，教師可通過該模型將教學(xué)內(nèi)容簡化，而學(xué)生則能更直觀全面、有效地理解知識，提高其積極性;對于手術(shù)教學(xué)，教師通過模型演示，學(xué)生可同步進行模擬，讓其對操作技術(shù)心中有數(shù)，增加實戰(zhàn)中的自信心。另外，數(shù)字化與3D打印技術(shù)還有助于縮短學(xué)習(xí)周期，提高臨床教學(xué)的質(zhì)量、效率[33]。傳統(tǒng)方法大多依靠空間想象、書籍、影像學(xué)等方式來講解理論與手術(shù)技術(shù)。對于一些復(fù)雜的人體解剖、疾病及手術(shù)，師生均需要更嫻熟的技巧及長期的觀摩演練才能掌握，學(xué)習(xí)曲線陡峭。而數(shù)字化與3D打印的模型能使理論或手術(shù)教學(xué)更簡化、直觀生動地演示出來[34]，有利于教師傳授與學(xué)生消化理論和手術(shù)技巧。另外，操作者還能拆分模型，利于三維空間解剖與二維顯示屏圖像的思維轉(zhuǎn)換，從而有效提高手術(shù)技巧、學(xué)習(xí)質(zhì)量與效率。因此，3D打印技術(shù)具有的眾多優(yōu)勢的新興技術(shù)，能顯著提升臨床教學(xué)效果。

4 不足與展望

當(dāng)前，該模式輔助外科臨床以及教學(xué)仍存在一些問題[35]：（1）模型方面，3D打印的實物模型各組織的組合少，病灶周圍缺乏軟組織，不能完全反映真實的病理狀態(tài);打印材料選擇面窄，大多采用質(zhì)硬、單色材料，而質(zhì)軟、多色者價格高昂。（2）仍無法完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)，師生均需要一定的時間適應(yīng)新興的教學(xué)方式。

因此，期望未來能打印出高度逼真的人體三維模型，如“生物打印”或“4D打印”[36-37]，開展更先進的三維重建技術(shù)，研發(fā)新型材料，打印出生物組織，同時能進一步降低經(jīng)濟成本，以助于臨床教學(xué)的大力普及。

參考文獻(xiàn)

[1] Hernandez D，Garimella R，Eltorai A E M，et al.Computer-assisted Orthopaedic Surgery[J].Orthopaedic Surgery，2017，9（2）：152-158.

[2] Huang T K，Yang C H，Hsieh Y H，et al.Augmented reality（AR） and virtual reality（VR） applied in dentistry[J].The Kaohsiung Journal of Medical Sciences，2018，34（4）：243-248.

[3] Luigi P，Stefania M，Erika N，et al.The clinical use of 3D printing in surgery[J].Updates in Surgery，2018，70：381-388.

[4] Legget M E，Toh M Y，Meintjes A，et al.Digital devices for teaching cardiac auscultation-a randomized pilot study[J].Medical Education Online，2018，23（1）：1-7.

[5] Rangarajan K，Begg K，Somani B.Online Digital Media： The Uptake of YouTube-based Digital Clinical Education（DCE）[J].American Journal of Distance Education，2019，33（2）：142-150.

[6] Ploch C C，Mansi C S S A，Jayamohan J，et al.Using 3D printing to create personalized brain models for neurosurgical training and preoperative planning[J].World Neurosurgery，2016，90：668-674.

[7] Smit N，Hofstede C W，Kraima A，et al.The Online Anatomical Human：Web-based Anatomy Education[C].B.Sousa Santos and J. M. Dischler. Netherlands：2016 The Eurographics Association，2016.1-4.

[8]侯洋，林艷萍，史建剛.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的醫(yī)學(xué)教育模式在骨科教學(xué)實踐中的作用與思考[J].中國骨與關(guān)節(jié)損傷雜志，2018，33（3）：334-336.

[9]劉廣武，李鋒，陳安民，等.3D打印和計算機建模技術(shù)在八年制臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)骨科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中華醫(yī)學(xué)教育雜志，2016，36（5）：728-731.

[10]王瑩，楊益民，趙為公，等.3D打印模型結(jié)合SBAR溝通模式在住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)中的應(yīng)用研究[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2018，32（2）：178-182.

[11]李明，孫亮，馬騰，等.3D打印快速成型技術(shù)在髖臼骨折分型及年輕醫(yī)生培養(yǎng)中的應(yīng)用[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志，2017，19（2）：140-145.

[12] Jain A，Gajwani R，Manjunath C R，et al.Holographic imaging system to detect fractures[J].International Journal of Advance Research，2018，4（3）：63-68.

[13] Bernhard J C，Isotani S，Matsugasumi T，et al.Personalized 3D printed model of kidney and tumor anatomy：a useful tool for patient education[J].World Journal of Urology，2016，34（3）：337-345.

[14]干思舜，潘秀武，王磊，等.3D打印模型在腎臟腫瘤臨床情景教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2019，33（2）：232-234.

[15]尹華斌，范天奇，孟通，等.3D打印技術(shù)在脊柱腫瘤外科教學(xué)中的應(yīng)用及效果分析[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2018，32（5）：551-554.

[16] Randazzo M，Pisapia J，Singh N，et al.3D printing in neurosurgery：A systematic review[J].Surgical Neurology International，2016，7（33）：801-809.

[17]遇濤，王雪原，周曉霞，等.影像三維可視化在功能神經(jīng)外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用[J].繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育，2018，32（5）：12-14.

[18] Antonio B.Virtual Reality and Simulation in Neurosurgical Training[J].World Neurosurgery，2017，106：1015-1029.

[19] Vivek B，Goran T，Mirjana T，et al.Current Applications and Future Perspectives of the Use of 3D Printing in Anatomical Training and Neurosurgery[J].Frontiers in Neuroanatomy，2016，10（69）：1-7.

[20] Witowski J S，Coles-Black J，Zuzak T Z，et al.3D Printing in Liver Surgery：A Systematic Review[J].Telemedicine and e-Health，2017，23（12）：943-947.

[21]李新宇，朱繼業(yè)，黃磊，等.三維打印技術(shù)在肝膽外科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用及效果評估[J].中華醫(yī)學(xué)教育雜志，2017，37（5）：708-712.

[22] Chang Y M，Lai C L.“Floating Heart” Application of Holographic 3D Imaging in Nursing Education[J].International Journal of Nursing Education，2018，10（4）：25-30.

[23]吳松，張喆，凌云鵬，等.3D打印技術(shù)配合PBL教學(xué)模式在心臟外科臨床教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中華醫(yī)學(xué)教育雜志，2017，37（1）：107-110.

[24] Chhaya N，Helmy O，Piri N，et al.Comparison of 2D and 3D video displays for teaching vitreoretinal surgery[J].Retina，2018，38（8）：1556-1561.

[25]劉成剛，陳麗鴻.3D打印技術(shù)在眼耳鼻咽喉科臨床教學(xué)中的應(yīng)用及展望[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2018，32（1）：58-61.

[26] Shepherd M，Macluskey M，Napier A，et al.Oral surgery simulated teaching;3D model printing[J].Oral Surgery，2017，10（2）：80-85.

[27] Michael H K，Suharjito S，Diana B，et al.Human Anatomy Learning Systems Using Augmented Reality on Mobile Application[J].Procedia Computer Science，2018，135：80-88.

[28] Pham H C，Pedro A，Le Q T，et al.Interactive safety education using building anatomy modelling[J].Universal Access in the Information Society，2017，18：269-285.

[29]盧冰，鮮愛明，王躍.3D打印技術(shù)在骨科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中華醫(yī)學(xué)教育雜志，2018，38（2）：257-260.

[30] Jamil Z，Saeed A A，Madhani S，et al.Three-dimensional Visualization Software Assists Learning in Students with Diverse Spatial Intelligence in Medical Education[J].Anatomical Sciences Education，2019，12（5）：550-560.

[31] Govsa F，Ozer M A，Sirinturk S，et al.Creating vascular models by postprocessing computed tomography angiography images：a guide for anatomical education[J].Surgical and Radiologic Anatomy，2017，39（8）：905-910.

[32] Lilly R J，Koueiter D M，Graner K C，et al.Computer-assisted navigation for intramedullary nail fixation of intertrochanteric femur fractures：A randomized，controlled trial[J].Injury，2017，49（2）：345-350.

[33] Lichtenberger J P，Tatum P S，Gada S，et al.Using 3D Printing（Additive Manufacturing） to Produce Low-Cost Simulation Models for Medical Training[J].Military Medicine，2018，183（1）：73-77.

[34] Mafeld S，Nesbitt C，Mccaslin J，et al.Three-dimensional（3D） printed endovascular simulation models：a feasibility study[J].Annals of Translational Medicine，2017，5（3）：42.

[35] Oropallo W，Piegl L A.Ten challenges in 3D printing[J].Engineering with Computers，2016，32（1）：135-148.

[36] Biazar E，Najafi M，Heidari S，et al.3D bio-printing technology for body tissues and organs regeneration[J].Journal of Medical Engineering & Technology，2018，4（3）：187-202.

[37] Zhong X K，Teoh J，Liu Y，et al.3D printing of smart materials：A review on recent progresses in 4D printing[J].Virtual and Physical Prototyping，2015，10（3）：103-122.

（收稿日期：2020-04-07） （本文編輯：程旭然）