3D打印技術(shù)在臨床顱內(nèi)動(dòng)脈瘤教學(xué)中應(yīng)用的隨機(jī)對(duì)照研究

李珍珠，李澤福，杜洪澎，李　勐，劉鵬飛，王　波，王清波，陳　正，孫其凱，耿　鑫，丁向前

濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院神經(jīng)外科，山東 濱州 256600

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3D打印技術(shù)在臨床顱內(nèi)動(dòng)脈瘤
教學(xué)中應(yīng)用的隨機(jī)對(duì)照研究

李珍珠，李澤福，杜洪澎，李勐，劉鵬飛，王波，王清波，陳正，孫其凱，耿鑫，丁向前

濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院神經(jīng)外科，山東 濱州 256600

目的 探究3D打印技術(shù)在臨床動(dòng)脈瘤教學(xué)中的應(yīng)用。方法 首先利用3D打印技術(shù)構(gòu)建3例患者1∶1動(dòng)脈瘤血管模型，再將60名臨床醫(yī)學(xué)生分層隨機(jī)分組到基于傳統(tǒng)三維重建影像教學(xué)組（3D）或基于3D打印模型教學(xué)組（3Dp），課后進(jìn)行專業(yè)測(cè)試和自我評(píng)價(jià)分析。結(jié)果 相比3D組，3Dp組的學(xué)生專業(yè)測(cè)試分?jǐn)?shù)明顯占優(yōu)（3D vs.3Dp：4.28±1.10 vs.6.61±0.92），并且答題所需要的時(shí)間更短（3D vs.3Dp 643.44±177.04 vs.355.79±109.14）；自我評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，3Dp更有利于提高醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加與人分享所學(xué)知識(shí)的自信心。結(jié)論 基于3D打印教學(xué)更利于提高臨床醫(yī)學(xué)生對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的理解，易于被醫(yī)學(xué)生接受，可以進(jìn)行臨床教學(xué)推廣。

3D打??；快速成型；顱內(nèi)動(dòng)脈瘤；顱內(nèi)血管；神經(jīng)外科；臨床教學(xué)

由顱內(nèi)動(dòng)脈瘤破裂導(dǎo)致的腦出血是神經(jīng)科常見的危重癥之一，其死亡率較高［1］。如果對(duì)動(dòng)脈瘤處理不及時(shí)，2周內(nèi)25%的患者可發(fā)生動(dòng)脈瘤再破裂，而其病死率會(huì)增加40%［2］。動(dòng)脈瘤的診斷常需要借助影像學(xué)檢查，如數(shù)字減影血管造影（DSA）、磁共振血管造影（MRA）和CT血管造影（CTA）。主要治療方式為開顱動(dòng)脈瘤夾閉術(shù)和介入動(dòng)脈瘤栓塞術(shù)［3］。

目前的醫(yī)學(xué)教育已經(jīng)從傳統(tǒng)的框架性知識(shí)結(jié)構(gòu)記憶模式發(fā)展到了基于問題的教學(xué)模式（problem based learning，PBL）［4］，更加強(qiáng)調(diào)個(gè)體化和以患者為中心的教學(xué)模式［5］。然而，由于臨床疾病的復(fù)雜性和尸體捐獻(xiàn)率較低，國內(nèi)的臨床醫(yī)學(xué)教育更多的還是基于教師的口頭陳述和圖像模擬［6-7］。3D打印技術(shù)在形態(tài)學(xué)方面有很好的展現(xiàn)能力，被認(rèn)為可以彌補(bǔ)解剖標(biāo)本缺乏的空白，有助于臨床醫(yī)學(xué)生對(duì)疾病的正確認(rèn)識(shí)［8］。

3D打印技術(shù)是基于物體三維數(shù)字模型，采取分層加工、疊加成形的制作工藝［9］，可對(duì)經(jīng)典或罕見臨床病變進(jìn)行真實(shí)記錄和高度仿真復(fù)制，其在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用大致分為三步:第一步為獲取病灶掃描圖像數(shù)據(jù)，第二步為重建目標(biāo)區(qū)域，第三步上機(jī)打?。?0-11］。

顱內(nèi)動(dòng)脈系統(tǒng)較為復(fù)雜，顱底動(dòng)脈分支較多，加上有變異的交通支存在，使其更難被醫(yī)學(xué)生理解，而這些地方又是動(dòng)脈瘤的好發(fā)區(qū)域。為探索3D打印技術(shù)對(duì)動(dòng)脈瘤臨床教學(xué)的影響，我們通過3D打印技術(shù)“克隆”出顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血管的1∶1模型將其應(yīng)用于教學(xué)，并基于此進(jìn)行了一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)。

1　資料和方法

1.13D打印技術(shù)構(gòu)建1∶1仿真動(dòng)脈瘤模型

首先收集3例就診于濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院神經(jīng)外科的動(dòng)脈瘤患者影像資料，保存為DICOM格式，利用MIMICS 17.0軟件重建出顱內(nèi)動(dòng)脈，導(dǎo)出格式為STL文件，利用3D打印機(jī)（XYZPrinting，臺(tái)灣）打印出顱內(nèi)血管模型［12］，兩名教授（LZF，LM）評(píng)判模型是否符合顱內(nèi)動(dòng)脈（包括動(dòng)脈瘤）實(shí)際情況。

1.2教學(xué)方法

濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院通過微信招募臨床見習(xí)（30）、實(shí)習(xí)（18）、規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)學(xué)生（12）共60名，所有學(xué)生均在本科第三年學(xué)習(xí)過《解剖學(xué)》及《影像學(xué)》。計(jì)算機(jī)輔助下進(jìn)行分層隨機(jī)分組為兩組，然后進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)完畢后進(jìn)行考試并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

兩組教學(xué)模式分別為基于三維重建虛擬影像（如圖1所示）教學(xué)（3D）和基于3D打印模型的教學(xué)（3Dp）。授課開始時(shí)都先通過PPT講解動(dòng)脈瘤相關(guān)知識(shí)包括DSA影像診斷），其次3D組通過電腦觀察三維影像進(jìn)一步講解，而3Dp組則基于3D打印模型講解，每組教師均負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)解答。授課結(jié)束后進(jìn)行專業(yè)知識(shí)測(cè)試和自我評(píng)價(jià)調(diào)查分析，由一名教師現(xiàn)場(chǎng)記錄學(xué)生交卷時(shí)間。專業(yè)知識(shí)試卷設(shè)計(jì)基于典型左側(cè)大腦中和后交通動(dòng)脈瘤DSA造影膠片圖像。主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為8個(gè)專業(yè)問題的正確回答總分（答對(duì)一題得一分）和答題所需要總時(shí)間，次要評(píng)價(jià)指標(biāo)為4個(gè)自我評(píng)價(jià)性問題，所有問題均設(shè)為單項(xiàng)最佳選擇題。

表1　入選動(dòng)脈瘤患者一般資料

圖1　動(dòng)脈瘤三維重建不同視角截屏

該次試驗(yàn)獲得濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)同意，所有參與的醫(yī)學(xué)生簽署知情同意書，該試驗(yàn)不記錄患者及醫(yī)學(xué)生姓名、住址等與該試驗(yàn)不相關(guān)的信息。

1.3統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，連續(xù)性數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布及方差齊性檢驗(yàn)后采用配對(duì)t檢驗(yàn)，二分類數(shù)據(jù)采取卡方檢驗(yàn)或糾正卡方檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，作圖采用Graphpad prism 6軟件。

2　結(jié)果

2.13D打印構(gòu)建顱內(nèi)動(dòng)脈瘤模型

該試驗(yàn)共收集3例動(dòng)脈瘤患者影像數(shù)據(jù)，其中患者A為基底動(dòng)脈頂分叉處動(dòng)脈瘤，大小為8×10 mm，形態(tài)為寬頸球形，頂端指向后上；患者B為后交通動(dòng)脈瘤，大小為6×10 mm，寬頸長桿狀，頂端指向前下；患者C為右側(cè)大腦中及前交通動(dòng)脈瘤（如表1所示）。3D打印模型（如圖2所示）均能如實(shí)反映動(dòng)脈瘤，整個(gè)打印過程耗時(shí)平均為6 h，平均耗材費(fèi)用約20元人民幣。

圖2　3D打印動(dòng)脈瘤不同視角

2.2納入醫(yī)學(xué)生的一般特征

該次試驗(yàn)共納入60名臨床醫(yī)學(xué)生，其中臨床見習(xí)30人、實(shí)習(xí)生18人、規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)學(xué)生12人，通過計(jì)算機(jī)輔助采用分層隨機(jī)分組為3D組合和3Dp組，每組為30人；平均年齡為（24±2.37 vs.24±2.13）；平均接受醫(yī)學(xué)教育時(shí)長分別為（5.07±1.60 vs.5.03± 1.54）年；各組無明顯異質(zhì)性，如表2所示。共納入60名學(xué)生，7人未能完成整個(gè)試驗(yàn)過程，其中3D組有5人中途離場(chǎng)（2人病假、2人急診手術(shù)及1人有重要考試），而3Dp組只有兩人離場(chǎng)（1人病假和1人急診手術(shù)）。

2.3不同教學(xué)模式下測(cè)試總分和答題所需總時(shí)間

最終53名臨床醫(yī)學(xué)生完成該次試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn):相比3D組，3Dp組的學(xué)生答題得分?jǐn)?shù)明顯占優(yōu)（3D vs. 3Dp:4.28±1.10 vs.6.61±0.92），而答題所需要的時(shí)間更短（3D vs.3Dp:643.44±177.04 vs.355.79±109.14）。（如表2所示）

表2　納入醫(yī)學(xué)生一般資料及主要觀察指標(biāo)結(jié)果

2.4自我評(píng)價(jià)

53名學(xué)生進(jìn)行了自我評(píng)價(jià)。當(dāng)問及該次講課內(nèi)容是否生動(dòng)形象時(shí)，3Dp組大約89%的學(xué)生選擇“是”，而3D組只有48%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（z=2.969，P =0.003）；約有71%的3Dp組學(xué)生認(rèn)為該次教學(xué)所用工具有助于理解動(dòng)脈瘤疾病，3D組為64%，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（z=0.5784，P=0.5630）；所有學(xué)生都認(rèn)為該次教學(xué)有利于提高學(xué)習(xí)效率，兩組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（z=1.743，P=0.081）；3Dp組86%的學(xué)生認(rèn)為該次教學(xué)有助于增加自己與別人分享動(dòng)脈瘤的相關(guān)知識(shí)的自信心，而3D組只有52%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（z =2.369，P=0.018）（如表3所示）。

表3　自我評(píng)價(jià)問題設(shè)計(jì)及回答結(jié)果

3　討論

3D打印技術(shù)根據(jù)技術(shù)的原理及原料不同可分為以下幾種: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 depositionmodeling，F(xiàn)DM），疊層實(shí)體制造（laminated objectmanufacturing，LOM），噴墨印刷（inkjet printing）［13-14］?；诓煌夹g(shù)的打印機(jī)打印出的物品結(jié)構(gòu)的韌性及分辨度均不相同。此次試驗(yàn)中我們使用的打印技術(shù)是基于FDM，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備占地較小、價(jià)格相對(duì)便宜、打印精度也較高［14］，所打印出包含顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的顱內(nèi)血管與三維重建影像高度一致，均得到了兩位教授的認(rèn)可，每個(gè)血管模型打印花費(fèi)時(shí)間近6 h，相對(duì)較長，這也是3D打印技術(shù)目前瓶頸所在。

該次試驗(yàn)共納入60名臨床醫(yī)學(xué)生，通過計(jì)算機(jī)輔助采用分層隨機(jī)分組發(fā)分為3D組和3Dp組，每組為30人，7人未能完成整個(gè)試驗(yàn)過程，其中3D組有5人中途離場(chǎng)，而3Dp組只有2人離場(chǎng)，該試驗(yàn)組成員認(rèn)為“失訪率”較低，對(duì)最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果影響較小，因而“ITT”統(tǒng)計(jì)分析，采用實(shí)際結(jié)果為最終結(jié)果。53名臨床醫(yī)學(xué)生完成該次試驗(yàn)。相比3D組，3Dp組的學(xué)生答題分?jǐn)?shù)明顯占優(yōu)，答題所需要的時(shí)間更短；自我評(píng)價(jià)顯示，3Dp提高了醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增加了其與人分享所學(xué)知識(shí)的自信心。

相比虛擬的3D圖像，基于3D打印教學(xué)模式更有利于營造一個(gè)真實(shí)的疾病情境［15］。顱底動(dòng)脈分支較多，交通支又往往存在變異現(xiàn)象，使其更難被醫(yī)學(xué)生理解。傳統(tǒng)的三維重建影像雖然包含了一些三維信息，但其最終的顯示方式依然基于二維顯示器，與現(xiàn)實(shí)的血管相差極大，更加上圖像的任意放大縮小，即便是臨床專業(yè)教師也只能借助比例尺判別動(dòng)脈瘤的大??；而另一方面，動(dòng)脈瘤觀察需要利用鼠標(biāo)調(diào)整血管的視角，而這些視角往往缺乏真實(shí)的空間感，容易受到后方血管的干擾，不利于動(dòng)脈瘤的判別，而基于1∶1仿真動(dòng)脈瘤模型的教學(xué)模式是基于實(shí)物的教學(xué)模式，能夠很好克服以上缺陷［16］。

PBL的教學(xué)模式是基于具體的臨床問題教學(xué)模式，虛擬的文字描述和三維影像都欠缺真實(shí)感和具體感。1∶1的個(gè)體化動(dòng)脈瘤模型能夠很好地展現(xiàn)出顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的真實(shí)存在感，而且這些模型不受計(jì)算機(jī)屏幕的限制，可以任意角度、任何場(chǎng)景觀摩［17］，更可以方便帶入手術(shù)室結(jié)合術(shù)中所見進(jìn)一步加強(qiáng)醫(yī)學(xué)生對(duì)動(dòng)脈瘤疾病診療的認(rèn)知。

對(duì)于3D打印在臨床教學(xué)中應(yīng)用隨機(jī)對(duì)照研究較為缺乏。Preece等［18］通過3D打印技術(shù)構(gòu)建了復(fù)雜的肢體關(guān)節(jié)模型，并通過納入64名醫(yī)學(xué)生參與的一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照研究發(fā)現(xiàn):基于3D打印模型的教學(xué)模式不但能夠有效提高學(xué)生對(duì)肢體關(guān)節(jié)的理解，還能有利于營造一個(gè)愉快的教學(xué)環(huán)境。我國李鋒濤等［19］通過納入60名醫(yī)學(xué)生研究發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)的教學(xué)模式，3D打印模型的應(yīng)用能夠提高醫(yī)學(xué)生對(duì)骨科知識(shí)的認(rèn)識(shí)。我們課題組成員李珍珠等［12］曾通過基于一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照研究發(fā)現(xiàn):結(jié)合3D打印技術(shù)的教學(xué)模式能夠提高醫(yī)學(xué)生對(duì)脊柱骨折的理解力，同時(shí)這種教學(xué)模式相比傳統(tǒng)基于CT等虛擬教學(xué)模式?jīng)]有性別上的差異。

該試驗(yàn)為教學(xué)研究，無法做到雙盲，為最大程度降低抽樣誤差，選擇了分層隨機(jī)分組方式，將臨床醫(yī)學(xué)生均衡分至兩組。但由于納入樣本量少，未進(jìn)一步分析學(xué)歷對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，且受到3D打印技術(shù)的限制，無法重建出顱底神經(jīng)、動(dòng)脈細(xì)小分支及靜脈等其他組織，希望將來有基于新的3D打印技術(shù)大樣本、多中心研究進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Application of 3D printing technology in clinical teaching of intracranial aneurysm：a random ized controlled trial

Li Zhenzhu，Li Zefu，Du Hongpeng，LiMeng，Liu Pengfei，Wang Bo，Wang Qingbo，Chen Zheng，Sun Qikai，Geng Xin，Ding Xiangqian
Department of Neurosurgery，Binzhou Medical College Hospital，Binzhou 256600，China

Objective To explore the application of3D printing technology in clinical teaching of intracranial aneurysms.Methods First，three intracranial aneurysm simulation models（1∶1）were generated by 3D printing（3Dp）.Then 60 students of clinical medicine were randomized into two teachingmodule groups（3D and 3Dp）.Then they had a specialized test and self-evaluation.Results The students in 3Dp group significantly outperformed those in 3D group in specialized test score（3D vs. 3Dp：4.28±1.10 vs.6.61±0.92），and were significantly faster in terms of answering the anatomical questions（3D vs.3Dp：643.44±177.04 vs.355.79±109.14）.The self-evaluation results showed that the students exposed to 3Dp had more interest in learning and greater confidence in sharing the knowledge with others.Conclusion This randomized trial shows that the teaching model based on 3D printing technology can improve students'understanding of intracranial aneurysms and iswell accepted by them.Therefore，this teachingmodel isworth popularizing in medical teaching.

3D printing；rapid prototyping；intracranial aneurysm；intracranial vessel；neurosurgery；clinical teaching

G434；G642.0

A

1004-5287（2016）03-0322-04

10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201603024

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（81171142和81171119）；濱州市科技發(fā)展項(xiàng)目（2015ZC0302）；濱州醫(yī)學(xué)院校級(jí)課題（BY2014KJ52）

2016-03-01

李珍珠（1987-），男，山東濱州人，住院醫(yī)師，碩士，主要研究方向:醫(yī)學(xué)3D打印研究。

李澤福（1969-），男，山東濱州人，主任醫(yī)師，博士，主要研究方向:神經(jīng)外科臨床研究。

電話:13954398400；E-mail:lizefu@bzmc.edu.cn