3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育的應(yīng)用

笪 熠，陳 適，潘 慧，朱慧娟

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院內(nèi)分泌科 衛(wèi)生部?jī)?nèi)分泌重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100730

·教學(xué)與科研·

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育的應(yīng)用

笪 熠，陳 適，潘 慧，朱慧娟

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院內(nèi)分泌科 衛(wèi)生部?jī)?nèi)分泌重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100730

3D打印技術(shù)； 醫(yī)學(xué)教育

3D(three dimensions)打印技術(shù)是一種近年來(lái)新興的制造技術(shù)，它可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer-aided design,CAD)讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換一層一層地自動(dòng)建造三維物體[1]。3D打印技術(shù)肇始于20世紀(jì)80年代，但同許多開創(chuàng)性技術(shù)一樣，當(dāng)時(shí)因工藝復(fù)雜、效率低下、設(shè)備昂貴，未能大量推廣使用。近2年來(lái)，因計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、生產(chǎn)工藝的進(jìn)步和材料普及，3D打印技術(shù)的虛擬設(shè)計(jì)、節(jié)約成本，精密復(fù)制、節(jié)省人工，一體成形、無(wú)須組裝，不占空間、便攜制造等諸多優(yōu)點(diǎn)越發(fā)顯現(xiàn)。目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)涉足各行各業(yè)。3D打印服裝和鞋已多次出現(xiàn)在全球各大時(shí)裝展覽；3D打印玩具和家庭用品也頗受青年人喜愛(ài)；3D打印藝術(shù)品更使雕塑成為實(shí)驗(yàn)室就能完成的藝術(shù)；更令人關(guān)注的是，3D打印可以生產(chǎn)相關(guān)模具和機(jī)械，提高生產(chǎn)效率，引領(lǐng)第五次工業(yè)革命。毋庸置疑，3D打印是21世紀(jì)一大創(chuàng)新增長(zhǎng)點(diǎn)。

3D打印在形態(tài)學(xué)方面有很好的展現(xiàn)能力，因此其在醫(yī)學(xué)教育方面有很好的應(yīng)用前景。由于尸檢率降低和遺體捐獻(xiàn)者減少，解剖標(biāo)本愈發(fā)稀缺，3D打印技術(shù)不但可以彌補(bǔ)解剖標(biāo)本缺乏的空白，還可通過(guò)適當(dāng)縮放幫助醫(yī)學(xué)生更好地理解解剖結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)還可為年輕醫(yī)師創(chuàng)造手術(shù)訓(xùn)練機(jī)會(huì)，通過(guò)3D打印技術(shù)建立的手術(shù)模型可用于培訓(xùn)并加強(qiáng)青年醫(yī)師的手術(shù)技能。

隨著當(dāng)今醫(yī)學(xué)教育導(dǎo)向從框架性知識(shí)結(jié)構(gòu)記憶到基于問(wèn)題的教學(xué)(problem based learning，PBL)轉(zhuǎn)化，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教育理念強(qiáng)調(diào)個(gè)體化和以病人為中心的教學(xué)模式。在此理念下，3D打印技術(shù)擁有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單無(wú)創(chuàng)掃描，3D打印技術(shù)可對(duì)經(jīng)典病例到罕見(jiàn)臨床情況進(jìn)行忠實(shí)記錄和高度復(fù)制，成品的應(yīng)用空間不僅限于基本知識(shí)和技能講授，更可在高級(jí)研修培訓(xùn)和技術(shù)探索中發(fā)揮重要作用。本文就3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育的應(yīng)用進(jìn)行綜述，希望能幫助醫(yī)學(xué)教育工作者加深對(duì)3D打印技術(shù)這一創(chuàng)新技術(shù)的認(rèn)識(shí)。

3D打印技術(shù)步驟

3D打印機(jī)工作流程分為3個(gè)步驟[1]。第一步為圖像獲取，這是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。以醫(yī)學(xué)為例，隨著當(dāng)今醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，屏住數(shù)秒呼吸即可獲得高分辨率和對(duì)比度的醫(yī)學(xué)影像[2]。CT、MRI、超聲和正電子發(fā)射斷層顯像 (positron emission tomography，PET)等醫(yī)學(xué)影像手段均可作為獲取數(shù)據(jù)的方法，但因CT數(shù)據(jù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單，所以最為常用。第二步為圖像后處理。影像學(xué)獲取的數(shù)據(jù)通常儲(chǔ)存為醫(yī)學(xué)數(shù)字影像格式(digital imaging and communications in medicine，DICOM)，在高水平工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。工作站可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體3D切分和可視化，使用CAD模型最終輸出至3D打印設(shè)備。第三步為快速成型，即將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維實(shí)際物體[3]。根據(jù)快速成型技術(shù)的原理及原料不同可將3D打印技術(shù)分為以下幾種：光固化(stereolithography apparatus, SLA)，選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering, SLS)，熔融沉積成型(fused deposition modeling, FDM)，疊層實(shí)體制造(laminated object manufacturing, LOM)，噴墨印刷(inkjet printing)(表1)。

3D打印技術(shù)和正常人體形態(tài)學(xué)學(xué)習(xí)

正常人體形態(tài)學(xué)包括解剖學(xué)、組織和胚胎學(xué)等學(xué)科,是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)，也是醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)解剖學(xué)需通過(guò)解剖尸體學(xué)習(xí)，但在現(xiàn)今中國(guó)社會(huì)，人們受傳統(tǒng)思想的影響，且維權(quán)意識(shí)逐步增強(qiáng)，尸體來(lái)源越來(lái)越稀缺；且傳統(tǒng)人體解剖學(xué)教學(xué)也存在環(huán)境污染、解剖結(jié)構(gòu)變異、具體結(jié)構(gòu)顯示不清等問(wèn)題，3D打印技術(shù)可以彌補(bǔ)上述缺陷。經(jīng)過(guò)掃描的標(biāo)準(zhǔn)人體，可以反復(fù)使用，且能顯示人體不同解剖層面。3D打印技術(shù)還有相似度高、可復(fù)制的優(yōu)點(diǎn)，在尸體解剖課前，學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上先行虛擬人體解剖，并通過(guò)3D打印機(jī)打印實(shí)物，用于尸體解剖課的課程預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，從而可增強(qiáng)學(xué)生模擬現(xiàn)場(chǎng)的參與感。

古今中外，醫(yī)學(xué)教育中的胎兒解剖學(xué)標(biāo)本尤為珍貴。英國(guó)研究者對(duì)死去的胎兒進(jìn)行核磁掃描，并應(yīng)用3D打印技術(shù)成功制作了從6周到30周胚胎或胎兒及其器官的解剖模型[2]，豐富了教學(xué)資源。

3D打印技術(shù)還可用于制作解剖教具。與傳統(tǒng)解剖教具相比，3D打印技術(shù)除可等比例反應(yīng)人體結(jié)構(gòu)外，還有可縮放的優(yōu)點(diǎn)[4]。人類進(jìn)化至今，分化出許多細(xì)微結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)細(xì)小，難以分辨，是傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，如顱骨因組成和空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是傳統(tǒng)意義上的解剖“死角”，其中尤以顳骨形態(tài)不規(guī)則、解剖結(jié)構(gòu)多而成為醫(yī)學(xué)教育的難點(diǎn)之一。有研究機(jī)構(gòu)研制了類似的放大模型作為解剖教具[5]，該模型涵蓋了錘骨、砧骨、半規(guī)管、卵圓窗和圓窗等各種結(jié)構(gòu)，以助于醫(yī)學(xué)生對(duì)其結(jié)構(gòu)立體的深刻認(rèn)識(shí)。在德國(guó)漢堡，Wulf等[6]以高分辨μCT采集人聽小骨，并采用3D打印技術(shù)制作放大20倍的塑料解剖模型，完美精確地展示了骨骼結(jié)構(gòu)。

3D打印技術(shù)和異常人體形態(tài)學(xué)學(xué)習(xí)

正常人體形態(tài)學(xué)固然重要，但臨床醫(yī)師對(duì)異常人體形態(tài)學(xué)標(biāo)本，即病理標(biāo)本更為關(guān)注。3D打印技術(shù)圖像獲取基于無(wú)創(chuàng)的個(gè)體化采集，因此3D打印機(jī)可將各種少見(jiàn)的病理解剖或正常變異形象地展現(xiàn)給醫(yī)學(xué)生和年輕醫(yī)師。

隨著結(jié)構(gòu)性心臟病介入手術(shù)的開展，研究者通過(guò)3D打印技術(shù)立體生動(dòng)地展示出每一例患者的心臟解剖結(jié)構(gòu)病變，包括先天性肌性室間隔缺損、房間隔缺損合并房間隔瘤、二尖瓣假體瓣周漏、胸主動(dòng)脈假性動(dòng)脈瘤等，以助于理論學(xué)習(xí)和對(duì)手術(shù)設(shè)計(jì)的理解[7]。Saunders等[8]利用3D打印技術(shù)展示了一例罕見(jiàn)的冠狀動(dòng)脈病變合并心臟結(jié)構(gòu)畸形，比起傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)斷層攝影血管造影和造影技術(shù)更為立體形象，亦為下一步治療策略提供了基礎(chǔ)。對(duì)于全身動(dòng)脈系統(tǒng)病變和正常變異，亦有類似3D模型的產(chǎn)生[9]。研究者利用3D打印技術(shù)建立了一個(gè)基于核磁共振的腎癌大體解剖模型庫(kù)，其涵蓋了腫瘤、腫瘤周圍及對(duì)側(cè)腎臟組織、毗鄰大血管等重要結(jié)構(gòu)，醫(yī)學(xué)院師生雙方均認(rèn)可3D打印實(shí)物對(duì)病理解剖學(xué)學(xué)習(xí)的積極作用[10]。Giesel等[11]利用3D打印技術(shù)展示了罕見(jiàn)的Dandy-Walker腦室畸形，是年輕醫(yī)師學(xué)習(xí)的絕好材料。

基于無(wú)創(chuàng)影像學(xué)的3D打印技術(shù)除了可獲取臨床病例資料外，還可將各醫(yī)學(xué)院及博物館珍藏的浸泡在福爾馬林中的大體病理標(biāo)本轉(zhuǎn)化為觸手可及的實(shí)物標(biāo)本，其對(duì)病理解剖的展示將更為立體生動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)真正意義上的資源共享[12]。

3D打印技術(shù)和醫(yī)學(xué)操作訓(xùn)練

自3D打印技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，耳科、神經(jīng)外科、口腔科[13- 14]等相關(guān)手術(shù)訓(xùn)練始終是最活躍的研究領(lǐng)域，這可能是因?yàn)檫@些部位解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)二維圖片手術(shù)示教具有相當(dāng)?shù)木窒扌?。?lái)自美國(guó)華盛頓大學(xué)的Monfared等[15]通過(guò)3D打印技術(shù)制作了高保真且成本低廉的手術(shù)用中耳模型，分別用2種不同的材料模擬骨質(zhì)和軟組織。該模型在真實(shí)性、觸感及可否確實(shí)提高外科住院醫(yī)師手術(shù)水平方面均得到了專家的廣泛認(rèn)可，并建議將此類模型納入住院醫(yī)師手術(shù)訓(xùn)練指南。顳骨解剖對(duì)耳科手術(shù)至關(guān)重要，但因?qū)嵨镔Y源稀少，鮮有機(jī)會(huì)能夠得到手術(shù)練習(xí)。來(lái)自日本的Suzuki等[5]研制了顳骨解剖模型，他們通過(guò)CT掃描，用CAD方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，使用3D打印SLS技術(shù)制作了一個(gè)人類顳骨模型，并可使用傳統(tǒng)手術(shù)器械及吸引器在顯微鏡下進(jìn)行解剖和手術(shù)練習(xí)。

心血管系統(tǒng)介入手術(shù)因危險(xiǎn)性極高、難度大，亦是3D打印技術(shù)在手術(shù)訓(xùn)練領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。瑞士Abdel-Sayed等[16]通過(guò)3D打印技術(shù)制作了一個(gè)經(jīng)心尖主動(dòng)脈瓣置換術(shù)練習(xí)裝置。經(jīng)心尖主動(dòng)脈瓣置換術(shù)屬于較新的術(shù)式，但訓(xùn)練機(jī)會(huì)極少。研究者將硅作為原材料制造了一個(gè)等大的簡(jiǎn)化心臟模型，為減少手術(shù)練習(xí)時(shí)射線的使用，將該手術(shù)訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)成透明，且手術(shù)各個(gè)步驟均可在其中反復(fù)練習(xí)。英國(guó)Berry等[17]利用3D打印SLS技術(shù)制作出自然大小的人腹主動(dòng)脈瘤和相應(yīng)脈管系統(tǒng)模型，并涵蓋了10種解剖變異，其質(zhì)地柔軟，可用于手術(shù)訓(xùn)練和血管腔內(nèi)操作。與之類似，有研究者建立了透明的經(jīng)皮肺動(dòng)脈瓣置換術(shù)模型作為手術(shù)訓(xùn)練器械[18]。為研發(fā)新型支架，還建立了動(dòng)脈瘤手術(shù)模型[19- 20]，在供練習(xí)的同時(shí)還可試用不同的支架設(shè)計(jì)。

針對(duì)常規(guī)手術(shù)設(shè)立基于3D打印系統(tǒng)的訓(xùn)練模型亦可提高醫(yī)師的手術(shù)技巧，增強(qiáng)自信心，提高整體手術(shù)表現(xiàn)，減少并發(fā)癥發(fā)生。經(jīng)皮腎鏡取石術(shù)廣泛應(yīng)用于腎結(jié)石患者，但出血、氣胸、血胸及結(jié)腸損傷等并發(fā)癥在一定程度上限制了該術(shù)式的臨床應(yīng)用。法國(guó)一家醫(yī)院利用3D打印系統(tǒng)研制了經(jīng)皮腎鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)，讓住院醫(yī)師及專科醫(yī)師在該系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)練習(xí)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)明顯減少了手術(shù)并發(fā)癥的出現(xiàn)[21]。3D打印技術(shù)以其高精度和低成本的優(yōu)勢(shì)，在一些國(guó)家和地區(qū)已占領(lǐng)了醫(yī)學(xué)教育部分市場(chǎng)。3D打印技術(shù)有望成為解剖學(xué)學(xué)習(xí)和手術(shù)訓(xùn)練領(lǐng)域的主流途徑，提供標(biāo)準(zhǔn)化和可觸化的醫(yī)學(xué)教育。

3D打印技術(shù)和個(gè)體化醫(yī)學(xué)操作模擬

3D打印技術(shù)還可用于手術(shù)計(jì)劃或手術(shù)建模，即手術(shù)“帶妝彩排”。外科醫(yī)師會(huì)使用與他們將要手術(shù)的骨骼或器官同尺寸的真實(shí)練習(xí)部位進(jìn)行手術(shù)彩排。3D手術(shù)演練可縮短手術(shù)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)術(shù)中問(wèn)題及預(yù)測(cè)手術(shù)結(jié)局，避免潛在風(fēng)險(xiǎn)，真正提高手術(shù)質(zhì)量和安全性。

鑒于術(shù)者自身技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和背景不同，術(shù)中遇到的問(wèn)題不盡相同，基于3D打印技術(shù)的手術(shù)模擬可真正實(shí)現(xiàn)對(duì)術(shù)者的個(gè)體化教學(xué)。對(duì)于需要應(yīng)用假體的手術(shù)，3D打印技術(shù)亦可復(fù)制假體，在術(shù)前對(duì)局部解剖和假體進(jìn)行全方位熟悉與測(cè)試。

3D打印技術(shù)已在數(shù)個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)開展，已應(yīng)用于顱腦、頜面、口腔、血管等多個(gè)領(lǐng)域。在3D打印技術(shù)術(shù)前彩排的幫助下，外科醫(yī)師們完成了一例看似不可能完成的任務(wù)。神經(jīng)外科解剖及功能解剖的復(fù)雜性決定了對(duì)手術(shù)精細(xì)程度要求極高，Bullock等[22]完成了一例腦膜瘤切除手術(shù)，該腫瘤侵犯了包括顳骨和蝶骨大小翼在內(nèi)的眼眶重要結(jié)構(gòu)，手術(shù)完好地保留了患者的視功能，而該患者是一位口腔科醫(yī)師，該手術(shù)成功地挽救了其職業(yè)生涯。Rohner等[23]利用3D打印技術(shù)手術(shù)彩排實(shí)現(xiàn)了一個(gè)復(fù)雜的具有腫瘤基礎(chǔ)、合并放療損傷且有多次手術(shù)史的頜面部重建手術(shù)，術(shù)者體會(huì)到術(shù)前彩排對(duì)皮瓣移植和骨板接合有重要的指導(dǎo)意義。在保留咬合功能基礎(chǔ)上，人們對(duì)頜面重建美學(xué)的要求越來(lái)越高。Lo等[24]在對(duì)頜面外傷患者施行重建手術(shù)前，反復(fù)利用3D打印機(jī)制作出人體結(jié)構(gòu)和假體進(jìn)行演練，在練習(xí)出純熟技術(shù)的同時(shí)打造出臻于完美的假體，術(shù)后患者面部輪廓重建的對(duì)稱性和美感均達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

3D打印技術(shù)打造的手術(shù)模型還有助于外科醫(yī)師向患者及家屬充分解釋手術(shù)程序，而術(shù)后復(fù)習(xí)及推廣則可在真正意義上提高醫(yī)師的手術(shù)技能。3D打印技術(shù)成本相對(duì)可控，故可推而廣之。

3D打印技術(shù)與個(gè)體化教學(xué)病例庫(kù)平臺(tái)

人與人之間存在個(gè)體差異，因此每個(gè)病例都是一本復(fù)雜的醫(yī)學(xué)教科書。3D打印技術(shù)能給醫(yī)學(xué)生和培訓(xùn)醫(yī)師展示各種各樣不同的教學(xué)病例資料，使他們?cè)诒M可能短的時(shí)間內(nèi)更有效率地接觸大量不同種類的病例，并理解相關(guān)的復(fù)雜病例，并為少見(jiàn)病例提供相應(yīng)場(chǎng)景的操作訓(xùn)練，豐富其經(jīng)驗(yàn)。基于上述技術(shù)，已經(jīng)有一些研究試圖建立完整成熟的醫(yī)學(xué)教育和繼續(xù)教育平臺(tái)[25]，該平臺(tái)是今后醫(yī)學(xué)教育及繼續(xù)教育的發(fā)展方向。

雖然3D打印技術(shù)的發(fā)展在一定程度上被打印品的規(guī)模及運(yùn)營(yíng)成本等因素所限制，然而從正常解剖到病理解剖，從手術(shù)訓(xùn)練到個(gè)體化手術(shù)彩排，從病例展示到教學(xué)平臺(tái)，其在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域取得的成就仍讓人驚嘆不已。可以預(yù)期在不遠(yuǎn)的將來(lái)，醫(yī)學(xué)教育理念和3D打印技術(shù)的快速發(fā)展將改變醫(yī)學(xué)界和醫(yī)學(xué)教育界。

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陳 適 電話：010-69155078，E-mail:cs0083@126.com

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A

1674-9081(2014)02-0234-04

10.3969/j.issn.1674-9081.2014.02.025

2013- 06- 28)