3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用展望

劉　銳，吳春云，李曉文，俞志成，楊麗娟，錢忠義昆明醫(yī)科大學(xué)：基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；解剖學(xué)與組織胚胎學(xué)系，昆明　650500

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3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用展望

劉銳1，吳春云2，李曉文2，俞志成1，楊麗娟1，錢忠義1
昆明醫(yī)科大學(xué)：1基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；2解剖學(xué)與組織胚胎學(xué)系，昆明650500

【摘要】：醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)是重要的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課，課程要求學(xué)習(xí)者要通過大量的人體標(biāo)本掌握正常人體的組織結(jié)構(gòu)、病變組織的結(jié)構(gòu)特征和變化，以便為將來學(xué)習(xí)臨床課程，更好地服務(wù)于患者打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但尸體剖驗(yàn)受傳統(tǒng)觀念等客觀因素的影響數(shù)量減少，加上醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)標(biāo)本的陳舊等問題，影響了醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)和日漸成熟，給醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)的教學(xué)帶來了新的契機(jī)。

【關(guān)鍵詞】：3D打??；醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)；醫(yī)學(xué)教育

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201602005

隨著科技的發(fā)展及醫(yī)療技術(shù)水平的不斷提高，曾經(jīng)的一些多發(fā)病，如膽道蛔蟲、乙腦等疾病得到了有效的預(yù)防和治療；然而，隨著環(huán)境和生態(tài)的變化，又有諸如SARS、MERS等新病毒引發(fā)的疾病不斷被發(fā)現(xiàn)。受一些傳統(tǒng)觀念等客觀因素的影響，尸檢病理解剖數(shù)量的減少，遺體捐贈(zèng)者的缺乏，使醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)的教學(xué)標(biāo)本顯得異常的稀缺和珍貴，一定程度上制約了醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展，影響了教學(xué)效果。在此種情況下，我們思考是否能找到一種有效辦法以解決標(biāo)本數(shù)量減少與保障教學(xué)效果之間的矛盾。

1　醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

就我們形態(tài)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心而言，陳列室館藏組織胚胎學(xué)和病理學(xué)大體標(biāo)本有4 000余件［1］，其中，涵蓋了標(biāo)本數(shù)量較多的脂肪肝、胃潰瘍，也包括了一些罕見疾病的大體病理標(biāo)本，如大葉性肺炎、風(fēng)濕性心肌炎、腸傷寒，這些均為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心幾十年以前收集的。按照教學(xué)大綱要求，需要學(xué)習(xí)掌握、可用于示教的典型標(biāo)本約800件。但隨著醫(yī)療水平的不斷提高，醫(yī)療保健體系的不斷完善，據(jù)《2013年中國衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)顯示，1990年以來，新生兒死亡率、嬰兒死亡率和5歲以下兒童死亡率呈下降趨勢(shì)［2］，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心從發(fā)育六周到足月的人胚及胎兒標(biāo)本近15年來沒能得到有效補(bǔ)充，而類似無腦兒、脊柱裂和腦積水等發(fā)育異常的標(biāo)本，由于日趨完善的產(chǎn)前篩查和預(yù)防保健制度更顯得彌足珍貴［3］。

就目前的教學(xué)情況來看，醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著病理學(xué)和組織胚胎學(xué)繁重的實(shí)踐教學(xué)任務(wù)，其中組織胚胎學(xué)實(shí)踐課共有56個(gè)教學(xué)標(biāo)本需要課堂教學(xué)；病理學(xué)實(shí)習(xí)課共有105個(gè)大體標(biāo)本需要學(xué)生學(xué)習(xí)掌握。每個(gè)學(xué)年有22個(gè)5年制本科教學(xué)班，2個(gè)全英文留學(xué)生班。2013年共有學(xué)生1 680人，2014年2 063人，2015年學(xué)生人數(shù)增加到了2 207人，每個(gè)教學(xué)班近百人，而在實(shí)習(xí)課教學(xué)時(shí)，每個(gè)教學(xué)班又分為32人的實(shí)驗(yàn)教學(xué)班3～4個(gè)。以病理實(shí)習(xí)課為例，相對(duì)典型的示教標(biāo)本平均每32人只有2.5個(gè)，一個(gè)示教標(biāo)本周圍至少有12名學(xué)生觀察學(xué)習(xí)。而且多數(shù)情況下由于病種稀少和標(biāo)本陳舊破損、老化等客觀因素，同時(shí)又不能順利地獲取新的標(biāo)本進(jìn)行補(bǔ)充，導(dǎo)致標(biāo)本嚴(yán)重稀缺。為保證相對(duì)較好的教學(xué)質(zhì)量，根據(jù)現(xiàn)有條件，雖然已把超百人的普通教學(xué)班級(jí)分為了32人的形態(tài)學(xué)實(shí)踐課教學(xué)班，但二三十個(gè)學(xué)生圍看一個(gè)標(biāo)本的現(xiàn)狀實(shí)屬常見。醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)的學(xué)習(xí)目的就是要讓醫(yī)學(xué)生通過這些實(shí)物標(biāo)本，學(xué)習(xí)掌握人類器官、組織結(jié)構(gòu)的異常和變化，可不斷增多的學(xué)生人數(shù)和標(biāo)本缺乏的現(xiàn)實(shí)，嚴(yán)重影響了教與學(xué)的效果。

2　3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代的美國，根據(jù)其特點(diǎn)也被稱為急速成型技能（rapid prototyping manufacturing）［4］。從名字不難看出，這項(xiàng)技術(shù)具有加工速度快、產(chǎn)品生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)周期短、加工精密度高等特點(diǎn)［5-6］。因此，該技術(shù)從誕生到現(xiàn)在，短短20年左右的時(shí)間，已在考古、博物館管理、工程設(shè)計(jì)、工業(yè)制造、食品加工、生物工程、國防和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等諸多方面得到了應(yīng)用［7-8］。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，在整形領(lǐng)域、組織工程領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)設(shè)備領(lǐng)域以及醫(yī)學(xué)模型制造領(lǐng)域都逐漸顯現(xiàn)出了強(qiáng)勁優(yōu)勢(shì)。

在國外，Igami等［9］通過3D打印技術(shù)，打印出了需要實(shí)施手術(shù)的肝臟模型，通過該模型對(duì)其腫瘤所在空間位置和周圍血管等的結(jié)構(gòu)、解剖關(guān)系進(jìn)行直觀了解和熟悉，經(jīng)過實(shí)際手術(shù)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，借助3D無差別化醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)模型，了解到了術(shù)中B超未能發(fā)現(xiàn)的微小腫瘤，很好地指導(dǎo)肝切除手術(shù)的進(jìn)行。Chapron等［10］通過患者的CT及MRI數(shù)據(jù)，利用3D打印技術(shù)制作出了患者的無差異化心臟形態(tài)學(xué)模型，了解接受手術(shù)患者心臟的血供及構(gòu)造情況，指導(dǎo)手術(shù)順利進(jìn)行，并發(fā)現(xiàn)3D無差異化模型比心臟超聲檢查提供的信息和手術(shù)指導(dǎo)更直觀、更直接，更具有指導(dǎo)意義。在國內(nèi)，馬立敏等［11］利用3D打印技術(shù)輔助頸椎高位多節(jié)段脊索瘤手術(shù)也取得了成功。并且他們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)，通過3D技術(shù)打印的無差異化形態(tài)學(xué)模型來輔助手術(shù)，可以通過形態(tài)學(xué)模型直觀的制定術(shù)式，使得手術(shù)精確度更高，同時(shí)還具有手術(shù)時(shí)間短、出血少等優(yōu)點(diǎn)。此外，2013年，F(xiàn)aulkner-Jones等［12］開展的實(shí)驗(yàn)顯示，以細(xì)胞為基礎(chǔ)的打印機(jī)可以打印出胚胎干細(xì)胞，并具有活性，而且保持著分化潛能。

3　3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)課程中的現(xiàn)狀與展望

在國外，早在2010年Schievano等［13］通過MRI對(duì)6～30周期間死亡的胚胎進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用3D打印技術(shù)打印出了相應(yīng)的復(fù)制品模型。2014年McMenamin等［14］將3D打印技術(shù)應(yīng)用到了解剖學(xué)中，他們通過高精度的64排CT對(duì)標(biāo)本掃描進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用CAD及其他數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)掃描所獲得的形態(tài)學(xué)標(biāo)本數(shù)據(jù)（包括血管、神經(jīng)在內(nèi)）多層次建模，并以塑化劑為材料，利用3D打印機(jī)成功復(fù)制出了人類手的標(biāo)本。他們認(rèn)為，應(yīng)用3D打印技術(shù)能精確、快速地復(fù)制并再現(xiàn)的稀有形態(tài)學(xué)標(biāo)本，將在病理學(xué)，解剖學(xué)、胚胎學(xué)的教學(xué)中發(fā)揮重要的作用。在國內(nèi)，除了馬立敏等［11］少數(shù)學(xué)者將3D打印出的形態(tài)學(xué)模型用于術(shù)前討論和制訂手術(shù)方案外，3D打印技術(shù)在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用還未見報(bào)道。

就昆明醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)際情況而言，無論是人胚胎正?；虍惓５奶簶?biāo)本，還是各種病理大體標(biāo)本，都屬于稀缺教學(xué)資源。原有標(biāo)本的老化和破損，以及不斷增長的接受教育的需求，更讓這些形態(tài)學(xué)標(biāo)本愈顯珍貴。

通過上面的例子我們可以看出，如今已經(jīng)能夠在0.01 mm單層厚度上實(shí)現(xiàn)600dpi的精細(xì)分辨率的3D打印技術(shù)［8］，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和臨床實(shí)踐中得到了很好應(yīng)用，并顯現(xiàn)出了不可替代的優(yōu)勢(shì)。那么，3D打印技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)課程的實(shí)踐課教學(xué)中，必將顯現(xiàn)出其強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。

首先，我們可以通過3D打印技術(shù)和相應(yīng)的3D掃描技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有的形態(tài)學(xué)標(biāo)本進(jìn)行采樣，一來可以對(duì)類似于人胚和胎兒這些現(xiàn)有的經(jīng)典標(biāo)本進(jìn)行數(shù)字化管理，便于保存；二來可以快捷地復(fù)制出教學(xué)標(biāo)本，以提高人均擁有的經(jīng)典形態(tài)學(xué)標(biāo)本數(shù)量，讓學(xué)生有更多機(jī)會(huì)更真實(shí)、更直接地接觸到這些典型標(biāo)本，以便進(jìn)行更直觀的學(xué)習(xí)。與此同時(shí)，還能改善教學(xué)環(huán)境，減少接觸福爾馬林的機(jī)會(huì)。

其次，由于3D打印技術(shù)除了具有精度高、成型速度快的特點(diǎn)，還具有可縮放的優(yōu)點(diǎn)［15］。我們?cè)O(shè)想可以把類似于半規(guī)管、錘骨微小結(jié)構(gòu)等比放大，以方便觀察學(xué)習(xí)，也可以通過相應(yīng)的仿生材料等比放大打印出諸如腎小球的結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)直觀地理解腎小球的濾過作用。

再次，通過CT、MRI數(shù)據(jù)，依托3D打印技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)，可以快速地打印出病例實(shí)體形態(tài)學(xué)標(biāo)本，方便學(xué)習(xí)共享。例如：Saunders等［16］借助3D打印技術(shù)將罕見的一例心臟結(jié)構(gòu)畸形合并冠脈病變的標(biāo)本進(jìn)行了比CT、MRI更為直觀的計(jì)算機(jī)虛擬3D重建。此項(xiàng)技術(shù)不僅為最佳的手術(shù)方案選擇提供了依據(jù)，同時(shí)還是年輕醫(yī)師和醫(yī)學(xué)生很好的學(xué)習(xí)教具。

由于通過CT和MRI采集的標(biāo)本數(shù)據(jù)成本較高，并且采集的數(shù)據(jù)里不包含顏色數(shù)據(jù)；另外，打印材料的選擇存在局限，就算是用制作標(biāo)本常用的塑化劑也很難讓復(fù)制品標(biāo)本達(dá)到與真實(shí)形態(tài)學(xué)標(biāo)本的觸感無差異［14］。這些問題還有待繼續(xù)研究和解決。我們相信，隨著科技的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，這些問題將一一化解，未來通過3D打印技術(shù)快速制作出的具有真實(shí)觸感和真實(shí)色彩的精致形態(tài)學(xué)標(biāo)本，將更具教學(xué)價(jià)值。

醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)中的解剖學(xué)、組織胚胎學(xué)以及病理學(xué)，等，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教育及醫(yī)學(xué)發(fā)展的難點(diǎn)和重點(diǎn)。我們相信，隨著3D打印機(jī)的成熟與普及［17］，可以緩解學(xué)生人數(shù)增加和標(biāo)本減少問題之間的矛盾，同時(shí)對(duì)提高醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量將起到重要作用。3D打印技術(shù)快速打印出來的高精度、等比、無差異化的醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)標(biāo)本，能解決標(biāo)本不足導(dǎo)致學(xué)習(xí)者不能細(xì)致觀察的問題；通過與附屬醫(yī)院影像科的CT、MRI數(shù)據(jù)共享，依托3D打印技術(shù)打印出來的標(biāo)本解決了標(biāo)本陳舊的問題；3D打印技術(shù)與具有打破優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源分配不均和不受地域、時(shí)間限制等優(yōu)勢(shì)的MOOC教學(xué)模式相結(jié)合［18］，將更加豐富教學(xué)資源，同時(shí)諸如心臟結(jié)構(gòu)畸形合并冠脈病變這樣的罕見標(biāo)本也能很快與醫(yī)學(xué)生分享。

由于人類的個(gè)體差異，生存環(huán)境的變化，每種病例會(huì)存在很多亞型。因此，醫(yī)學(xué)是一個(gè)需要不斷學(xué)習(xí)的學(xué)科。基于3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)的應(yīng)用，不僅僅能更好地服務(wù)于學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的醫(yī)學(xué)生，還能為醫(yī)師更好地繼續(xù)學(xué)習(xí)提供保障，并且該技術(shù)還能提高學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)習(xí)容量，也為醫(yī)師更好地運(yùn)用醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)知識(shí)服務(wù)于病患，提供了一個(gè)重要的學(xué)習(xí)和研究平臺(tái)。

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電話：13211626516；E-mail：qzhyqzhy@163.com

Prospects of 3D printing technology applied in medical morphology teaching

Liu Rui1，Wu Chunyun2，Li Xiaowen2，Yu Zhicheng1，Yang Lijuan1，Qian Zhongyi11Experimental Teaching Center of Basic Medical Sciences；2Department of Human Anatomy，
Histology & Embryology，Kunming Medical University，Kunming 650500，China

【Abstract】：Medical morphology is an important basic medical course.Students should gain understanding of the structure of normal human body as well as structural characteristics and changes in pathological conditions by studying many human specimens so that they can lay solid foundation for future studying of clinical courses and serving patients better.However，autopsy is practiced less and less due to the influence of the traditional concept.The quality of medical morphology teaching is also affected by the old medical teaching methods.The appearance and maturity of 3D printing technology bring new opportunities for medical morphology teaching.

【Key words】：3D printing；medical morphology；medical education

通信作者：錢忠義（1973-），男，昆明人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要研究方向：形態(tài)學(xué)教學(xué)管理和綜合開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

作者簡介：劉銳（1985-），男，昆明人，助理實(shí)驗(yàn)師，學(xué)士，主要研究方向：形態(tài)學(xué)教學(xué)和綜合開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

收稿日期：2015-12-11

基金項(xiàng)目：2014昆明醫(yī)科大學(xué)校級(jí)教研教改課題（2014JY-Y-03）；2015年云南省高層次人才特殊支持計(jì)劃教學(xué)名師質(zhì)量工程項(xiàng)目。

【中圖分類號(hào)】：G434

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A

【文章編號(hào)】：1004-5287（2016）02-0132-03