3D打印肺模型在胸外科實(shí)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用

李海軍，陳南征，暢朋康，付軍科，吳齊飛

(西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院胸外科，陜西 西安 710061)

臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，實(shí)習(xí)教育在臨床醫(yī)學(xué)教育中起關(guān)鍵作用，尤其對于外科實(shí)習(xí)過程，良好的解剖觀念、清晰的手術(shù)思維是外科實(shí)習(xí)的根基，提高臨床實(shí)習(xí)生的解剖直觀性和理解能力，培養(yǎng)臨床實(shí)習(xí)生對于手術(shù)設(shè)計(jì)基本理念的理解能力是外科實(shí)習(xí)的目標(biāo)[1]。

3D打印技術(shù)是近年來的新興技術(shù)，其通過計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行建模后，使用金屬、塑料、硅膠等材料，采用逐層打印的方法將計(jì)算機(jī)上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成實(shí)物[2]，所以3D打印模型具有高度仿真、立體直觀的特點(diǎn)。在醫(yī)學(xué)教育中，3D打印模型能夠展示解剖細(xì)節(jié)，再現(xiàn)人體器官的立體結(jié)構(gòu)，既往已有其在臨床教學(xué)中應(yīng)用的報(bào)道[3-5]。我們采用3D打印技術(shù)成功構(gòu)建了肺部結(jié)構(gòu)的3D模型，并將其應(yīng)用到胸外科臨床教學(xué)中，在臨床實(shí)習(xí)教學(xué)中取得了較為滿意的效果，現(xiàn)總結(jié)如下。

1 資料與方法

1.1 3D打印模型的選擇與制備在臨床教學(xué)模型的設(shè)計(jì)，我們選擇3D打印技術(shù)制備3D肺模型，因?yàn)榉蔚慕馄式Y(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，特別是肺門的解剖結(jié)構(gòu)及肺段的立體結(jié)構(gòu)，對于這些結(jié)構(gòu)，教師講解時(shí)不夠直觀，難以讓學(xué)生很好的理解，并且通過傳統(tǒng)二維的圖像資料或模式圖進(jìn)行教學(xué)很難使學(xué)生能夠全面理解和掌握講授內(nèi)容，而采用3D打印肺模型可以清楚直觀的顯示這些解剖結(jié)構(gòu)。

我們選用的是正常肺解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示，采用正常志愿者的CT數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用飛利浦64排CT進(jìn)行掃描，采用碘海醇注射液作為對比劑，掃描時(shí)像分別為胸部平掃和動脈期、靜脈期及延遲期增強(qiáng)掃描，完成掃描后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Mimics 20.0軟件，采用thresholding功能設(shè)置針對不同解剖結(jié)構(gòu)的閾值，然后應(yīng)用dynamic region growing功能選擇擬重建的肺臟解剖結(jié)構(gòu)，最后應(yīng)用3D calculation對Mask分別進(jìn)行三維重建，精確顯示肺臟三維模型的主要結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用色彩和透明化對模型進(jìn)行修飾，肺靜脈采用紅色、肺動脈采用藍(lán)色、支氣管采用白色，并將肺組織透明化，可以更清楚的顯示肺血管和支氣管，使教學(xué)使用時(shí)更形象、直觀，最后采用人工樹脂材料，委托公司進(jìn)行制造。

1.2研究對象以本院64名實(shí)習(xí)生為研究對象，將實(shí)習(xí)生隨機(jī)分成傳統(tǒng)教學(xué)組[32名，其中男14名，女18名，平均年齡(20.94±0.44)歲]和3D肺模型教學(xué)組[32名，其中男16名，女16名，平均年齡(21.03±0.40)歲]，兩組在性別構(gòu)成及年齡方面差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。傳統(tǒng)教學(xué)組在肺解剖臨床教學(xué)中采用PPT教學(xué)和影像學(xué)資料進(jìn)行，3D肺模型教學(xué)組在傳統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)上，增加3D肺模型應(yīng)用。

1.3研究方法課程安排為2次，每次3個學(xué)時(shí)，由授課教師根據(jù)臨床肺部解剖教學(xué)內(nèi)容制定教學(xué)計(jì)劃，傳統(tǒng)教學(xué)組實(shí)習(xí)生采用PPT教學(xué)，對肺部解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示，同時(shí)結(jié)合胸部CT影像資料進(jìn)行學(xué)習(xí)；3D肺模型教學(xué)組實(shí)習(xí)生在前述教學(xué)的基礎(chǔ)上，增加了3D肺模型的應(yīng)用，展示肺部的精細(xì)解剖結(jié)構(gòu)。

課程結(jié)束前對所有參與研究的實(shí)習(xí)生進(jìn)行理論和操作測試，測試內(nèi)容為對肺段解剖結(jié)構(gòu)(段支氣管、段血管)的識別和定位，測試總成績?yōu)?00分，理論和操作測試各50分。

課程結(jié)束后對所有參與該研究的實(shí)習(xí)生進(jìn)行問卷調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容為實(shí)習(xí)生對該部分學(xué)習(xí)內(nèi)容的興趣以及對教學(xué)方法的滿意度，兩項(xiàng)調(diào)查內(nèi)容評分滿分均為10分。

2 結(jié) 果

2.1 3D肺模型教學(xué)組與傳統(tǒng)教學(xué)組實(shí)習(xí)生考試成績比較表1顯示，3D肺模型教學(xué)組實(shí)習(xí)生的理論成績及操作成績均顯著高于傳統(tǒng)教學(xué)組(P<0.05)。

表1 3D肺模型教學(xué)組與傳統(tǒng)教學(xué)組考試成績比較

2.2 3D肺模型教學(xué)組與傳統(tǒng)教學(xué)組實(shí)習(xí)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容興趣和對教學(xué)方法評價(jià)結(jié)果比較表2顯示，3D肺模型教學(xué)組實(shí)習(xí)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的興趣評分和對教學(xué)方法的滿意度評分均顯著高于傳統(tǒng)教學(xué)組(P<0.05)。

表2 3D肺模型教學(xué)組與傳統(tǒng)教學(xué)組對學(xué)習(xí)內(nèi)容的興趣

3 討 論

3.1傳統(tǒng)胸外科臨床實(shí)習(xí)所具有的不足通過對實(shí)習(xí)生教學(xué)發(fā)現(xiàn)，實(shí)習(xí)生對肺部解剖，如正常血管、支氣管的走形及立體三維結(jié)構(gòu)仍停留在課本文字層面，相比于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)階段的教育，臨床階段缺乏相應(yīng)的大體標(biāo)本展示，帶教老師主要采用對平片、CT、MRI等二維影像學(xué)檢查的講解作為主要教學(xué)方式，實(shí)習(xí)生缺乏對正常及病理情況下肺部三維結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。

3.2 3D打印肺模型所具有的特點(diǎn)3D打印肺模型具有立體化特點(diǎn)，實(shí)習(xí)生可以從不同截面、視角進(jìn)行觀察，3D打印肺模型可用不同顏色標(biāo)記不同組織，可以清楚的顯示不同結(jié)構(gòu)，本研究中采用紅色標(biāo)記肺靜脈，藍(lán)色標(biāo)記肺動脈，棕色標(biāo)記支氣管，從而實(shí)習(xí)生對于肺部解剖結(jié)構(gòu)有更清晰的認(rèn)識，便于學(xué)習(xí)，并且3D打印肺模型能夠讓實(shí)習(xí)生直觀地理解肺部手術(shù)入路及手術(shù)設(shè)計(jì)的原因。

3.3 3D打印肺模型的臨床應(yīng)用效果本研究發(fā)現(xiàn)，采用3D打印模型進(jìn)行臨床教學(xué)能夠提高實(shí)習(xí)生對胸外科實(shí)習(xí)興趣，由于實(shí)習(xí)生在實(shí)習(xí)時(shí)與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)間跨度大，對基礎(chǔ)解剖知識認(rèn)識不夠確切，部分學(xué)生實(shí)習(xí)積極性不高，采用3D肺模型進(jìn)行教學(xué)打破了傳統(tǒng)教學(xué)模式，通過更加直觀的途徑對實(shí)習(xí)生進(jìn)行學(xué)習(xí)指導(dǎo)，提高了知識接受效率，更大地發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，提高對胸外科學(xué)習(xí)的趣味性；其次，采用3D肺模型進(jìn)行教學(xué)消除了實(shí)習(xí)生二維向三維構(gòu)像過渡的障礙，提高了對影像學(xué)檢查的判讀能力；同時(shí)，胸外科臨床教學(xué)還需要根據(jù)不同的疾病特點(diǎn)和病變范圍制定和設(shè)計(jì)手術(shù)方案[6-7]，采用3D打印肺模型可以加強(qiáng)實(shí)習(xí)生對于肺部手術(shù)方案設(shè)計(jì)的理解能力，在胸外科實(shí)習(xí)教學(xué)中，我們結(jié)合3D打印肺模型，對于本科室部分肺部手術(shù)的設(shè)計(jì)理念予以講解，讓實(shí)習(xí)生對于肺部手術(shù)入路和手術(shù)設(shè)計(jì)有了更加深刻的認(rèn)識，逐步培養(yǎng)其外科思維和創(chuàng)新理念。

3.4不足與展望3D打印肺模型具有直觀性強(qiáng)，易于理解等特點(diǎn)，能夠顯著提高胸外科臨床教學(xué)效果，能更大地發(fā)揮提高教學(xué)質(zhì)量及教學(xué)效率的作用，值得推廣，但我們在教學(xué)過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題，如因?yàn)橘M(fèi)用問題，我們采集的是正常志愿者胸部CT檢查后的數(shù)據(jù)，3D打印肺模型均為正常肺結(jié)構(gòu)，不利于學(xué)生對疾病情況的了解，在今后的教學(xué)中我們擬采用部分肺部疾病患者的數(shù)據(jù)，借助3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)臨床教學(xué)中個性化病例資料的獲取與分析，從而讓實(shí)習(xí)生深切體會手術(shù)入路選擇的原因，提高實(shí)習(xí)生學(xué)習(xí)的趣味性和主動性，提高臨床教學(xué)的效果。

但是本研究在臨床教學(xué)中僅應(yīng)用3D打印肺模型，未采用其他胸部3D打印結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行教學(xué)，需在今后的教學(xué)工作中加以應(yīng)用，以更好的促進(jìn)胸外科臨床教學(xué)。

綜上所述，應(yīng)用3D打印肺模型在胸外科臨床教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果，但是其在胸外科臨床教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用還只是處于起步探索階段，應(yīng)用的方式和方法還需要進(jìn)一步探索，相信隨著計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展以及3D打印技術(shù)的不斷提高，其應(yīng)用將會更加廣泛。