3D 打印技術(shù)在脊柱畸形教學(xué)中的應(yīng)用

郭繼東 趙彥濤 陳巧靈 李利

脊柱畸形是脊柱外科教學(xué)中比較難以理解、難以教學(xué)的一部分內(nèi)容。很多專業(yè)領(lǐng)域研究生都反映這部分內(nèi)容不容易掌握記憶。在以往的傳統(tǒng)教學(xué)中，多以課本知識(shí)講解為主，X 線、CT 等二維圖像解讀為輔，學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)掌握相關(guān)知識(shí)，即使死記硬背后很快就會(huì)遺忘。近年來(lái)隨著 3D 打印技術(shù)的逐漸成熟，因其具有良好的直觀性，可操作性，該技術(shù)在基礎(chǔ)解剖[1]、手術(shù)模擬[2]、兒童腦部MRI 學(xué)習(xí)[3]、兒童先天性心臟病[4]等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)中被廣泛應(yīng)用。筆者嘗試將 3D 打印教學(xué)模型應(yīng)用到脊柱畸形的教學(xué)實(shí)踐中，顯著提高了教學(xué)效果，現(xiàn)報(bào)告如下。

資料與方法

一、研究對(duì)象

選取 2018 級(jí)解放軍醫(yī)學(xué)院外科學(xué)研究生作為研究對(duì)象，排除既往有明確相關(guān)基礎(chǔ)的學(xué)生。共入組研究對(duì)象 52 名，其中男 43 名，女 9 名。平均年齡( 24.3±3.7 ) 歲。按照抽取電腦生成隨機(jī)數(shù)的方法隨機(jī)將研究對(duì)象分成傳統(tǒng)教學(xué)組和 3D 打印教學(xué)組，每組 26 名學(xué)生，所有學(xué)生對(duì)本研究均已知情同意。入組對(duì)象一般資料見表 1，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示兩組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

二、教學(xué)方法

兩組學(xué)生均按照教學(xué)大綱和解放軍醫(yī)學(xué)院教材進(jìn)行脊柱畸形教學(xué)培訓(xùn)，學(xué)制為小班課，共 2 學(xué)時(shí)。帶教老師均為脊柱外科高級(jí)職稱的資深教員。傳統(tǒng)教學(xué)組：傳統(tǒng)教學(xué)組主講老師主要通過(guò)幻燈片放映，根據(jù)教學(xué)大綱，對(duì)學(xué)生逐一進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的提問、鞏固。輔助教具主要包括紙質(zhì)版教材及相關(guān)參考書籍。3D 打印教學(xué)組：在傳統(tǒng)教學(xué)教具的基礎(chǔ)上，根據(jù)幻燈片講述病例制作 3D 模型 ( 我科實(shí)驗(yàn)室使用廣州華鈦三維材料制造有限公司生產(chǎn)的打印機(jī)自行打印 )。打印材料使用價(jià)格相對(duì)較低的 PLA 材料，無(wú)特殊氣味，成型后為乳白色 3D 脊柱結(jié)構(gòu)，觸之略軟于真實(shí)椎體，打印的教具完全重建了脊柱的三維畸形，和人體脊柱接近 1∶1 比例 ( 圖 1 )。讓學(xué)生使用 3D 打印模型可以進(jìn)行直觀的學(xué)習(xí)以加深記憶。

三、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

課程結(jié)束 1 周和 1 年后分別由相關(guān)專業(yè) 3 名專家共同出題進(jìn)行專項(xiàng)知識(shí)考核，考核內(nèi)容主要包括四個(gè)方面，分別是脊柱畸形的基本概念，常見不同類型脊柱畸形，特發(fā)性脊柱畸形的分類，常用的手術(shù)方式選擇和適應(yīng)證，總分 100 分。

四、統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

使用 SPSS 16.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料以±s表示，采用t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料采用χ2檢驗(yàn)，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

專項(xiàng)考核結(jié)果顯示 3D 打印教學(xué)組課程結(jié)束后成績(jī)平均分高于傳統(tǒng)教學(xué)組，但兩組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P＞0.05 )。但 1 年后再次進(jìn)行測(cè)試時(shí)兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)象考試成績(jī) 3D 打印教學(xué)組要明顯高于傳統(tǒng)教學(xué)組，兩者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P＜0.05 )。兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)象成績(jī)差異主要集中在基本概念和手術(shù)方式選擇兩個(gè)方面。具體結(jié)果詳見表 2。

表 1 入組對(duì)象一般資料Tab.1 General information of 2 groups

圖 1 a：嚴(yán)重脊柱畸形的 X 線表現(xiàn)；b：3D 打印教具Fig.1 a: X-ray image of severe spine deformity; b: 3D printing model

表 2 3D 打印教學(xué)組和傳統(tǒng)教學(xué)組考核成績(jī)比較 (±s)Tab.2 Comparison of scores between 3D printing group and traditional teaching group (±s)

表 2 3D 打印教學(xué)組和傳統(tǒng)教學(xué)組考核成績(jī)比較 (±s)Tab.2 Comparison of scores between 3D printing group and traditional teaching group (±s)

分組 結(jié)課時(shí)考試成績(jī) ( n＝26 ) 1 年后考試成績(jī) ( n＝26 )傳統(tǒng)教學(xué)組 75.1±8.0 61±10.8 3D 打印教學(xué)組 78.3±7.7 70±8.9 t 值 0.921 2.369 P 值 ＞0.05 ＜0.05

討 論

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)的亞?？苿澐值脑絹?lái)越細(xì)，有越來(lái)越多的?？浦R(shí)需要醫(yī)學(xué)研究生學(xué)習(xí)和掌握。骨科教學(xué)以往多停留在二維影像的學(xué)習(xí)中，沒有三維立體結(jié)構(gòu)的展示，學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)掌握復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，對(duì)于和形態(tài)密切相關(guān)的脊柱畸形的教學(xué)更是如此。這部分內(nèi)容“教師很難講透、學(xué)生很難吃透”，而且很多學(xué)生反映當(dāng)時(shí)勉強(qiáng)形成了瞬時(shí)記憶，但是很快就完全遺忘或者混淆，難以形成深刻的印象和長(zhǎng)期的記憶。

1986 年美國(guó)科學(xué)家 Chuck Hull 開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè) 3D 印刷機(jī)[5]。此后隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，成本逐漸降低，已經(jīng)大量應(yīng)用于日常生活的方方面面。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 3D 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于腫瘤切除、創(chuàng)傷修復(fù)、心臟瓣膜置換等多個(gè)領(lǐng)域[6-7]。目前，已有報(bào)道將 3D 打印技術(shù)應(yīng)用到神經(jīng)外科、口腔科、心外科等學(xué)科的教學(xué)中[8]，并獲得了滿意的效果。

脊柱畸形是脊柱外科研究領(lǐng)域的明珠，也是授課的難點(diǎn)。此類疾病的診斷和治療更多依靠影像學(xué)上的幾何形態(tài)，對(duì)學(xué)生的空間理解能力要求極高，不容易完全理解和掌握[9]。由于畸形屬于三維結(jié)構(gòu)，通過(guò)二維的影像學(xué)資料難以讓學(xué)生對(duì)該病有透徹的理解。本研究中將教材中的病例利用 3D 技術(shù)打印成模型，在課堂上每名學(xué)生都可以直觀的觸摸感受三維結(jié)構(gòu)的典型病例，有利于加深理解和記憶。本研究的結(jié)果也證實(shí)使用 3D 打印教學(xué)組的成績(jī)優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組。

從知識(shí)獲取的角度來(lái)說(shuō)，我們對(duì)外界信息的存儲(chǔ)記憶分為形象記憶和抽象記憶。形象記憶是以事物的具體形象為主的記憶類型；抽象記憶是以文字、概念、邏輯關(guān)系為主要對(duì)象的抽象化的記憶類型。形象記憶直觀易記，相對(duì)不容易遺忘。但是很多書本知識(shí)都是間接知識(shí)，屬于抽象內(nèi)容，不利于記憶。傳統(tǒng)的教科書即使有很多影像學(xué)資料幫助理解和記憶，但是由于書本或屏幕上只能是平面圖，難以講授并讓學(xué)生在大腦中形成三維構(gòu)型。因此在需要有三維空間概念的脊柱畸形的教學(xué)中，引入的3D 打印教具，無(wú)需學(xué)生頭腦中二維到三維的轉(zhuǎn)換，直接面對(duì)的就是直觀的講述內(nèi)容，從而形成更加直接的形象記憶。這可能是 3D 打印教學(xué)效果優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)方式的原因之一。

短時(shí)記憶的實(shí)質(zhì)是大腦的即時(shí)生理生化反應(yīng)的重復(fù)，而中長(zhǎng)期的記憶則是大腦細(xì)胞內(nèi)發(fā)生了結(jié)構(gòu)改變，建立了固定聯(lián)系[10]。有意思的是在結(jié)課 1 年后再次對(duì)學(xué)生進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn) 3D 打印教學(xué)組的成績(jī)要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)組 (P＜0.05 )。說(shuō)明 3D 打印教學(xué)更有利于形成較好的長(zhǎng)時(shí)記憶，原因可能在于更直觀的知識(shí)接受更有利于大腦形成長(zhǎng)時(shí)記憶。學(xué)習(xí)的知識(shí)能夠成為長(zhǎng)時(shí)記憶對(duì)學(xué)生以后開展臨床奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

當(dāng)然，考慮到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、分組和樣本量等的局限性，本研究存在一定的不足。但是應(yīng)該能夠認(rèn)為將 3D 打印技術(shù)引入骨科教學(xué)培訓(xùn)中，特別是應(yīng)用于對(duì)形象記憶要求比較高的諸如脊柱畸形的教學(xué)中，能夠收到更理想的教學(xué)效果，具有良好的推廣應(yīng)用前景。