3D打印技術(shù)在兒童腦部MRI教學(xué)中的應(yīng)用

李世俊，王懿，呂艷偉，馬林

1.解放軍總醫(yī)院器械處，北京 100853；2.解放軍總醫(yī)院口腔科，北京 100853；3.北京積水潭醫(yī)院臨床流行病學(xué)研究室，北京100035；4.解放軍總醫(yī)院放射科，北京 100853；

3D打印技術(shù)以其成型精度高、分辨率高、可重復(fù)性好、易于集成、高效經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，在基礎(chǔ)解剖[1]、骨科手術(shù)模擬[2]、口腔牙體牙髓病學(xué)[3]、神外顱內(nèi)動脈瘤[4]、介入放射股動脈穿刺[5]、兒童先天性心臟病心臟建模[6]等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域臨床教學(xué)中應(yīng)用廣泛，并規(guī)范了醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)考核[7-8]。腦部MRI是兒童神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙輔助診斷的重要影像學(xué)基礎(chǔ)，通過對各類神經(jīng)環(huán)路腦網(wǎng)絡(luò)連接異常輔助診斷，探索兒童腦白質(zhì)病變和神經(jīng)發(fā)育障礙等腦功能受損情況及病因。3D打印神經(jīng)環(huán)路可以精確顯示大腦結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散張量計算腦白質(zhì)纖維束走向，評估胼胝體病變等手術(shù)前后白質(zhì)纖維束變化，以及對手術(shù)規(guī)劃的空間導(dǎo)航起到驗證和輔助教學(xué)作用，幫助學(xué)生高效、形象地理解某些特定神經(jīng)環(huán)路的功能。

1 資料與方法

1.1 研究對象 選取2017級解放軍醫(yī)學(xué)院研究生59例，其中男37例，女22例；平均年齡（27.4±3.8）歲。隨機(jī)分成3D打印教學(xué)組和傳統(tǒng)教學(xué)組，納入學(xué)生特征見表1。

表1 納入學(xué)生特征比較

1.2 教學(xué)方法 兩組學(xué)生接受相同 3學(xué)時教學(xué)內(nèi)容《醫(yī)學(xué)影像技術(shù)與臨床應(yīng)用》，采用相同教材、書籍，授課內(nèi)容結(jié)束進(jìn)行臨床考核和調(diào)查問卷。臨床考核包括MRI讀片要點、腦部解剖標(biāo)志、MRI掃描參數(shù)、病例診斷描述、纖維束連接分區(qū)描述5個方面。調(diào)查問卷為面向?qū)W生的主觀感受問卷，通過學(xué)生自我評價反映個人對兒童腦部解剖知識點把握程度、腦部AAL分區(qū)理解程度、DTI輔助診斷作用理解程度、兒童神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙特征理解程度及臨床康復(fù)干預(yù)中的MRI定位作用5個方面，統(tǒng)計個人感受（較強(qiáng)、一般、模糊）的百分比。

1.2.1 傳統(tǒng)教學(xué)組 傳統(tǒng)教學(xué)組教具包括幻燈片投影儀、紙質(zhì)版教材、參考書籍。根據(jù)教學(xué)大綱，主講老師進(jìn)行幻燈片講授，對學(xué)生逐一進(jìn)行知識點的提問、鞏固，加深記憶；課后進(jìn)行學(xué)生知識點考核和問卷調(diào)查。1.2.2 3D打印教學(xué)組 3D打印教學(xué)組教具包括廣州華鈦三維材料制造有限公司提供的3D打印機(jī)、3D打印模型、紙質(zhì)版教材、參考書籍。主講老師先對兒童進(jìn)行MR 3D SFPGR序列與擴(kuò)散張量成像（DTI）序列掃描，然后利用DSI Studio軟件進(jìn)行DTI數(shù)據(jù)的纖維束跟蹤，得到數(shù)據(jù)后在3D打印機(jī)上進(jìn)行等比例兒童顱腦3D打印、等比例兒童腦白質(zhì)纖維束打?。▓D1）；結(jié)合幻燈片進(jìn)行講授，讓學(xué)生動手感受3D打印模型，對照知識點，進(jìn)行提問、鞏固，加深記憶；利用模型進(jìn)行病例分析討論；結(jié)合模型和真實病例分析，再次加深知識點學(xué)習(xí)；課后進(jìn)行學(xué)生知識點考核和問卷調(diào)查。

圖1 兒童顱腦3D打印效果圖（A）與腦白質(zhì)纖維束效果圖（B）

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 23.0軟件，無序計數(shù)資料比較采用χ2檢驗，有序計數(shù)資料比較采用秩和檢驗，P＜0.01表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 臨床考核成績 3D打印教學(xué)組的MRI讀片要點、MRI掃描參數(shù)、病例診斷描述、纖維束連接分區(qū)描述臨床考核成績顯著高于傳統(tǒng)教學(xué)組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01），見表2。

2.2 調(diào)查問卷結(jié)果 3D打印教學(xué)組的腦部解剖知識點把握程度、腦部AAL分區(qū)理解程度等調(diào)查問卷結(jié)果按較強(qiáng)、一般、模糊的占比統(tǒng)計，顯著高于傳統(tǒng)教學(xué)組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01），見表3。

表2 3D打印教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)生臨床考核成績比較（ ±s）

表2 3D打印教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)生臨床考核成績比較（ ±s）

分組MRI讀片要點腦部解剖標(biāo)志MRI掃描參數(shù)病例診斷描述纖維束連接分區(qū)描述合計傳統(tǒng)教學(xué)組15.00±2.75 19.00±1.66 15.13±2.57 15.20±2.51 15.27±2.48 79.60±10.73 3D打印教學(xué)組18.55±1.57 18.52±1.66 18.55±1.57 18.90±1.26 19.24±1.09 93.76±6.12 Z值-4.821-1.559-4.821-5.257-5.612-4.798 P值＜0.01 0.119＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01

3 討論

兒童腦部結(jié)構(gòu)隨年齡變化具有一定的差異，發(fā)育成熟程度需要從腦功能與腦結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)理解，基于MRI的快速成型3D打印對于理解解剖結(jié)構(gòu)變化具有促進(jìn)作用，激發(fā)臨床醫(yī)師主動開展兒童腦部疾病的深入細(xì)致研究和教學(xué)[8]。

本研究顯示，與傳統(tǒng)教學(xué)組相比，3D打印教學(xué)組在 MRI讀片要點、MRI掃描參數(shù)、病例診斷描述、纖維束連接分區(qū)描述方面考核成績高于傳統(tǒng)教學(xué)組（P＜0.01），可能是空間、形象思維利于學(xué)術(shù)理解[1]；而腦部解剖標(biāo)志考核成績略低于傳統(tǒng)教學(xué)組。（P＞0.01），可能是由于腦部解剖標(biāo)志本身對于受試組易于掌握。與傳統(tǒng)教學(xué)組相比，調(diào)查問卷顯示 3D打印教學(xué)組在各個方面的掌握程度較強(qiáng)比例高于傳統(tǒng)教學(xué)組（P＜0.01），可能是受試對于較新的教學(xué)方法更感興趣，積極配合問卷調(diào)查；但3D打印教學(xué)組對于 DTI輔助診斷作用、兒童神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙特征及臨床康復(fù)干預(yù)中MRI定位作用的理解模糊的比例依然存在，可能是專業(yè)性較強(qiáng)，學(xué)科之間跨度較大導(dǎo)致。

腦網(wǎng)絡(luò)連接學(xué)習(xí)過程較長，傳統(tǒng)教材和教學(xué)需要具備醫(yī)學(xué)工程學(xué)知識背景，而3D打印大大縮短了學(xué)習(xí)時間，讓學(xué)生盡快掌握DTI等新技術(shù)，并用于臨床病例分析，從而促進(jìn)了學(xué)科交叉融合和復(fù)合型醫(yī)學(xué)科研人才的培養(yǎng)[8]。

針對兒童神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙的臨床精準(zhǔn)干預(yù)康復(fù)手段，不僅依賴于神經(jīng)外科和神經(jīng)內(nèi)科的微創(chuàng)無創(chuàng)技術(shù)，而且依賴于以 MRI為主的導(dǎo)航系統(tǒng)，落實到個性化操作和倫理上可行的重要條件是 3D打印模型，能夠輔助決策手術(shù)入路安全，明確臨床康復(fù)預(yù)案，完成與受試監(jiān)護(hù)人有效溝通。

當(dāng)然，考慮到受試分組的局限性，即未進(jìn)行交叉對照試驗，故無法比較3D打印教學(xué)對于不同分組的的優(yōu)劣，需要完善實驗設(shè)計；需考慮受試腦部成像認(rèn)知水平、3D打印認(rèn)知水平、空間理解能力等綜合因素對結(jié)果的影響；考核成績與調(diào)查問卷的結(jié)果判斷、記錄存在主觀性強(qiáng)的問題，需要進(jìn)行改善。

總之，經(jīng)過教學(xué)的反饋改進(jìn)，3D打印模型的低成本和可塑性優(yōu)勢明顯。未來將組織時間較長、隨機(jī)交叉對照的教學(xué)實驗，分享數(shù)字化3D打印模型，讓學(xué)生自學(xué)，提高教學(xué)實效。

[1] 于敏, 張曙光, 邵海波. 3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用.解剖科學(xué)進(jìn)展, 2016, 22(3): 351-354, 358.

[2] 李忠海, 唐家廣, 王華東, 等. 3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用初探. 中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù), 2016, 30(2): 198-200.

[3] 王懿, 陳鵬, 馮晉, 等. 3D打印技術(shù)在口腔牙體牙髓病學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用. 中華老年口腔醫(yī)學(xué)雜志, 2017, 15(4): 243-247.

[4] 李珍珠, 李澤福, 杜洪澎, 等. 3D打印技術(shù)在臨床顱內(nèi)動脈瘤教學(xué)中應(yīng)用的隨機(jī)對照研究. 中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2016, 30(3): 322-325.

[5] 金昌, 趙蒙, 吳常生. 3D打印技術(shù)在介入放射學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用. 中國衛(wèi)生產(chǎn)業(yè), 2017, 14(9): 54-55.

[6] 劉銳, 吳春云, 李曉文, 等. 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. 中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù), 2016, 30(2): 132-134.

[7] 胡立偉, 白凱, 鐘玉敏, 等. 磁共振成像技術(shù)在3D打印先天性心臟病建模中的應(yīng)用. 中國醫(yī)學(xué)計算機(jī)成像雜志,2016, 22(4): 356-360.

[8] 張明, 吳媛, 王睿智, 等. 3D打印互動教學(xué)在神經(jīng)外科醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)中的應(yīng)用. 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育, 2016, 18(11):927-931.