3D打印技術(shù)在血管超聲教學(xué)中應(yīng)用效果的研究

宋 光，喬 偉，任衛(wèi)東

（中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

超聲診斷學(xué)是影像醫(yī)學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)之一，在既往教學(xué)反饋中，學(xué)生通常認(rèn)為血管超聲知識(shí)抽象、不易理解，掌握起來比較困難。如何讓本科生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)了解和掌握血管超聲的基礎(chǔ)知識(shí)，成為每位超聲醫(yī)學(xué)教育工作者的教學(xué)難題。3D打印技術(shù)是一種20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的，以數(shù)字成像模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用塑料等可黏合新型材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的新興技術(shù)[1]。

目前的醫(yī)學(xué)教學(xué)已經(jīng)從傳統(tǒng)的框架式知識(shí)結(jié)構(gòu)記憶模式發(fā)展為以問題為基礎(chǔ)的教學(xué)模式（Problem Based Learning，PBL），更加強(qiáng)調(diào)個(gè)體化和以患者為中心的教學(xué)模式[2]。盡管我國(guó)的患者源豐富、病種齊全，但是尸體捐獻(xiàn)率低，加之血管教具工藝粗糙，超聲醫(yī)學(xué)教育更多的還是基于教師的口頭講述，輔以多媒體圖像，教學(xué)內(nèi)容較為局限。3D打印技術(shù)在解剖學(xué)方面有很好的展現(xiàn)能力，可以彌補(bǔ)解剖標(biāo)本缺乏的不足，有助于本科生更直觀地了解正常和異常的血管形態(tài)[3-4]?，F(xiàn)將3D打印技術(shù)在血管超聲教學(xué)中應(yīng)用的相關(guān)研究介紹如下。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選取2016年4月中國(guó)醫(yī)科大學(xué)影像班本科生50名作為研究對(duì)象，所有研究對(duì)象在此之前都完成了解剖學(xué)的學(xué)習(xí)，并簽署知情同意書。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）均為五年制影像專業(yè)，無(wú)轉(zhuǎn)專業(yè)和專業(yè)調(diào)劑、七年制降級(jí)等經(jīng)歷；（2）之前從沒有接受過任何超聲醫(yī)學(xué)專業(yè)知識(shí)教育，亦未在任何超聲科診室進(jìn)行過臨床實(shí)習(xí)。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）解剖學(xué)成績(jī)不及格者；（2）常有曠課記錄，不能保證完成本研究者。

1.2 研究方法

本次實(shí)驗(yàn)性教學(xué)采用隨機(jī)對(duì)照研究[5-6]，使用計(jì)算機(jī)將這50名學(xué)生隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組和正常對(duì)照組，每組25人。兩組學(xué)生在年齡、性別組成以及其他課程平均成績(jī)等相關(guān)指標(biāo)上比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。實(shí)驗(yàn)組采用3D打印血管模型的方法配合多媒體教學(xué)，正常對(duì)照組采用傳統(tǒng)教具配合多媒體教學(xué)，兩組為同一教師進(jìn)行授課，具有豐富的臨床和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)性教學(xué)結(jié)束后，對(duì)兩組學(xué)生進(jìn)行相同的測(cè)驗(yàn)，包括血管超聲基礎(chǔ)知識(shí)和典型圖像的解讀，以評(píng)價(jià)兩組教學(xué)效果的差異。所有學(xué)生均須完成學(xué)習(xí)滿意度調(diào)查，以評(píng)價(jià)兩組學(xué)生學(xué)習(xí)滿意度的差異。

1.3 教學(xué)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)組（1）3D血管教具的制作：采用PhilipsIU22彩色多普勒超聲成像儀，使用VL13-5探頭（頻率5～13 MHz）。記錄典型的正常人和動(dòng)脈硬化患者的三維超聲圖像。囑受試者仰臥位，同步記錄心電圖，待其穩(wěn)定呼吸時(shí)，于頸部正前方記錄二維灰階動(dòng)態(tài)圖像，存儲(chǔ)連續(xù)3個(gè)心動(dòng)周期于機(jī)器硬盤內(nèi)，導(dǎo)入PhilipsQLab工作站后獲取3D容積圖像，將其以DICOM格式導(dǎo)出。再使用MatLab2012b讀取DICOM文件，獲取斷層圖像信息。最后使用Mimics 17.0進(jìn)行后處理，處理后的圖像以標(biāo)準(zhǔn)鑲嵌語(yǔ)言（STL）數(shù)據(jù)格式進(jìn)行保存[7]。對(duì)STL文件按照1∶1的比例，以聚乳酸（PLA）為原料進(jìn)行3D打印。（2）授課時(shí)首先講授血管超聲基礎(chǔ)知識(shí)，包括解剖學(xué)知識(shí)（使用3D打印出來的教具）、生理學(xué)以及聲學(xué)知識(shí)；其次講授正常血管超聲圖像特點(diǎn)；最后講授異常（先天性或后天性）血管疾病的超聲特點(diǎn)（輔以3D打印出來的教具）。

1.3.2 正常對(duì)照組 授課內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)組基本一致，不同之處為使用傳統(tǒng)教具代替3D打印出來的教具。

1.4 教學(xué)效果評(píng)估

課程講授結(jié)束后，采用測(cè)驗(yàn)和問卷回訪的方式評(píng)估教學(xué)效果。測(cè)驗(yàn)包括血管超聲基礎(chǔ)知識(shí)和典型圖像的解讀這兩部分內(nèi)容，滿分均為50分。血管超聲基礎(chǔ)知識(shí)的測(cè)驗(yàn)范圍包括血管的解剖學(xué)知識(shí)、生理學(xué)知識(shí)、超聲的聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、血管超聲的檢查手法和適應(yīng)證及禁忌證等。典型圖像的解讀包括正常人血管超聲各個(gè)切面、先天性血管疾?。ㄑ芰龊蛣?dòng)靜脈瘺）和后天性血管疾?。▌?dòng)脈硬化和深靜脈血栓）典型切面的識(shí)別及描述。

本研究學(xué)生學(xué)習(xí)滿意度的調(diào)查參考既往的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[8]，包教學(xué)資源滿意度、教學(xué)過程滿意度、教學(xué)效果滿意度以及總體滿意度4個(gè)部分，每部分5個(gè)問題，滿分25分，合計(jì)100分。問卷采用李克特5級(jí)計(jì)分法，5分表示非常滿意，4分表示比較滿意，3分表示一般，2分表示不滿意，1分表示很不滿意。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

利用SPSS 17.0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χ2檢驗(yàn)或糾正χ2檢驗(yàn)，成績(jī)提高的百分比為本學(xué)年測(cè)試成績(jī)與其他課程平均成績(jī)之比的百分?jǐn)?shù)，學(xué)習(xí)滿意度與成績(jī)提高百分比的相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)分析，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，使用Graphpad 6.0軟件繪制統(tǒng)計(jì)圖像。

2 結(jié)果

2.1 兩組學(xué)生一般情況比較

兩組在性別組成、年齡和其他課程平均成績(jī)等指標(biāo)上比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表 1。

表1 兩組學(xué)生一般情況比較

2.2 兩組學(xué)生測(cè)驗(yàn)成績(jī)以及成績(jī)提高的百分比

所有學(xué)生均成功完成測(cè)驗(yàn)，其中實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的測(cè)驗(yàn)成績(jī)?yōu)椋?4.24±5.50）分，明顯高于正常對(duì)照組的（79.04±6.88）分（P＜0.01），且實(shí)驗(yàn)組成績(jī)提高的百分比高于對(duì)照組（P＜0.01），見表2。

表2 兩組學(xué)生測(cè)驗(yàn)成績(jī)以及成績(jī)提高的百分比（±s）

表2 兩組學(xué)生測(cè)驗(yàn)成績(jī)以及成績(jī)提高的百分比（±s）

項(xiàng)目測(cè)驗(yàn)成績(jī)（分）成績(jī)提高的百分比（%）實(shí)驗(yàn)組8 4.2 4±5.5 0 1 4.0 7±6.8 5正常對(duì)照組7 9.0 4±6.8 8 4.8 8±5.9 6 t值2.9 5 5.0 6 P值＜0.0 1＜0.0 1

2.3 兩組學(xué)生學(xué)習(xí)滿意度調(diào)查結(jié)果

發(fā)放60份問卷，全部回收并有效。實(shí)驗(yàn)組學(xué)生學(xué)習(xí)滿意度為（88.72±5.84）分，明顯高于正常對(duì)照組的（83.92±9.83）分（P＜0.05）。

2.4 兩組學(xué)生成績(jī)提高的百分比與學(xué)習(xí)滿意度的相關(guān)性分析

在實(shí)驗(yàn)組中，學(xué)習(xí)滿意度均與成績(jī)提高的百分比呈正相關(guān)（r=0.856，r2=0.732，P＜0.01）。在對(duì)照組中，學(xué)習(xí)滿意度均與成績(jī)提高的百分比呈正相關(guān)（r=0.858，r2=0.737，P＜0.01），見圖 1。

3 討論

圖1 兩組學(xué)生成績(jī)提高的百分比與學(xué)習(xí)滿意度的相關(guān)性分析

本實(shí)驗(yàn)性教學(xué)將3D打印技術(shù)和血管超聲成像巧妙地融合起來，成功地應(yīng)用到日常的血管超聲教學(xué)工作中去。超聲醫(yī)學(xué)教學(xué)之所以不同于其他學(xué)科，是因?yàn)槠浣虒W(xué)手段往往需要依靠大量的生理、病理標(biāo)本和圖像，這樣才能讓學(xué)生切實(shí)感受到人體真正的病理生理變化，才能達(dá)到“了解—熟知—掌握”的學(xué)習(xí)境界。現(xiàn)今社會(huì)的遺體捐贈(zèng)工作還沒有普及開展，雖然現(xiàn)在有許多輔助教學(xué)標(biāo)本模型，但其在真實(shí)度、器官結(jié)構(gòu)方面與真實(shí)標(biāo)本還是有很大差距的；同時(shí)設(shè)計(jì)輔助教學(xué)標(biāo)本的人員也往往不是臨床一線醫(yī)生[9]，對(duì)于一些臨床重要的標(biāo)志結(jié)構(gòu)常常缺失，不能完全滿足現(xiàn)有教學(xué)要求[10]。

3D打印技術(shù)使實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的成績(jī)大幅提高（P＜0.05），學(xué)生學(xué)習(xí)滿意度大幅提高（P＜0.05），同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)滿意度與學(xué)習(xí)成績(jī)的提高呈正相關(guān)（P＜0.01），且3D打印技術(shù)可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，與之前研究的結(jié)果相類似[11]。學(xué)生接受3D打印模型教學(xué)后，獲得了學(xué)習(xí)自信，同時(shí)成績(jī)的提高也使他們獲得了成就感，學(xué)生對(duì)教學(xué)滿意使教師獲得了教學(xué)的成就感，形成了一種良性循環(huán)。

在醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)超聲醫(yī)學(xué)時(shí)，3D打印技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。（1）制作3D打印教學(xué)模具的材料類型多樣，可以直接顯示教具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如血管模型可以直接觀察管腔內(nèi)結(jié)構(gòu)。（2）3D打印教具可以以數(shù)字的形式存儲(chǔ)，安全、成本低，且制作3D教具的PLA材料較一般教具的塑料材質(zhì)更環(huán)保。（3）3D打印技術(shù)可以借鑒PBL教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合PBL的影像數(shù)據(jù)，將抽象數(shù)據(jù)變成直觀形象的實(shí)體教學(xué)模具，豐富教學(xué)手段，增強(qiáng)教學(xué)的針對(duì)性和趣味性[12]。與傳統(tǒng)多媒體授課相比，3D打印模具更立體，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，夯實(shí)了解剖學(xué)知識(shí)，提高了學(xué)習(xí)效率。（4）3D打印教具的三維數(shù)據(jù)來源豐富，可同時(shí)結(jié)合PACS影像數(shù)據(jù)庫(kù)，極大地豐富了教具的種類，提高了學(xué)生對(duì)異常超聲圖像的識(shí)別能力。

綜上所述，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到血管超聲教學(xué)中，有利于提高學(xué)生對(duì)血管超聲圖像的識(shí)別能力，大幅度提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)和學(xué)習(xí)滿意度，在超聲醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用前景廣闊。

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