基于3D打印技術(shù)的解剖模型在解剖學教學中的應用

張瑞濤 陳 靜 駱社丹 李 莉 湯桂成

（三峽大學醫(yī)學院解剖學與組織胚胎學系 湖北·宜昌 443002）

誕生于20世紀90年代的3D打印技術(shù)是以數(shù)字模型為依據(jù)，通過逐層打印疊加可黏合材料，制造實體復雜結(jié)構(gòu)模型。作為一種新型快速成型、制造技術(shù)，3D打印可以與數(shù)字化醫(yī)學影像設(shè)備結(jié)合，定制個性化的生物材料，因此越來越為醫(yī)學界所青睞[1]。外科學是最早應用3D打印技術(shù)的醫(yī)學領(lǐng)域，特別是骨外科、面外科、整形外科等的臨床實踐。以醫(yī)學影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用3D打印技術(shù)制作人體器官模型，對外科手術(shù)有極大的應用價值。利用3D打印技術(shù)可以加工出內(nèi)、外部三維結(jié)構(gòu)完全仿真的生物模型（Bio-model)其線尺寸誤差小于0.05mm，總體誤差不超過0.1%，這樣的精度完全可以滿足外科手術(shù)的需要并且克服了生理解剖標本的難度及道德倫理方面的困擾。另外，在模型上還可以試行手術(shù)，以預演術(shù)中可能會遇到的情況，并可比較不同術(shù)式的優(yōu)劣，同時也可給年輕醫(yī)生提供演示或操作訓練的機會。受到啟發(fā)的教育工作者想到，既然3D打印技術(shù)可以用于為患者制造匹配的骨關(guān)節(jié)等耗材，我們也可以使用3D打印技術(shù)去制造我們所需要的人體解剖結(jié)構(gòu)。這樣，3D打印技術(shù)可以有效解決解剖教學所面臨的教師講不清病變結(jié)構(gòu)，難以培養(yǎng)學生影像學判讀能力，學生缺乏訓練機會等問題[2]。

1 3D打印解剖模型的數(shù)字建模

幾個世紀以來，使用大體老師來教導學生有關(guān)人體解剖學的知識是醫(yī)學院的教學傳統(tǒng)，一直持續(xù)到今天的?，F(xiàn)在，越來越多的國家及地區(qū)面臨著大體老師短缺的情況。目前國內(nèi)3D打印構(gòu)建模型最常使用的數(shù)據(jù)是CT，CT是一種在各級醫(yī)院廣泛應用的 X射線三維透視成像技術(shù)，具有良好的空間分辨率以及較薄的重建掃描層厚，具有費用低、成像快等諸多優(yōu)點。美國卡內(nèi)基梅隆大學的研究人員使用3D打印技術(shù)為特定患者3D打印解剖模型。澳大利亞大學的一對醫(yī)療小組也使用了類似的手段來完成解剖。澳大利亞莫納什大學的Paul McMenamin科研團隊一直致力于開發(fā)3D打印解剖模型[3]。他們基于現(xiàn)實的人體標本，即基于醫(yī)療尸體的3D掃描，然后將其分割成57塊，而后采用最先進的3D打印機進行3D打印。據(jù)悉，此團隊的3D打印解剖系列覆蓋了人體所有的肢體，包括了四肢、胸部、腹部、頭部和頸部等人體主要部分，可用于醫(yī)學院或醫(yī)院的人體解剖培訓。莫納什大學團隊發(fā)布的這些3D打印人體解剖模型，其數(shù)據(jù)則主要來自激光掃描、磁共振成像和 CT掃描等。這套模型中還包括一些精確的人體解剖結(jié)構(gòu)，這些光憑醫(yī)用尸體時不可能看到的，比如大腦的血管系統(tǒng)等。在經(jīng)過對于實際解剖標本的掃描后，這些身體部件可以使用石膏或者塑料材料以高分辨率3D打印出來，不僅極其精確，而且可以再現(xiàn)真實色彩。這也成了首個用于解剖領(lǐng)域的商用3D打印成品。3D打印醫(yī)療模型甚至有可能遠遠超過研究真正的尸體的優(yōu)勢。學生對于3D打印的醫(yī)療模型的舒適性遠遠超過尸體所帶來的“恐懼”。所以3D打印的醫(yī)療模型在人類的心理承受力上占據(jù)了很大的優(yōu)勢。該3D打印醫(yī)療模型的費用為25萬美金，而且打印時間也需要相當長的時間。任何技術(shù)都需要一個完善的過程，考慮到3D打印質(zhì)量和其所帶來的優(yōu)勢，這個漫長的等待也是值得的。此外，3D打印醫(yī)療模型已經(jīng)在市場上開售，3D打印解剖模型讓醫(yī)學教學更直觀。

2 3D打印解剖模型在教學里的應用

2.1 3D打印解剖模型用于輔助教學

3D打印為教學提供了新的視角形式，創(chuàng)設(shè)了新的教學活動方式。它把創(chuàng)建3D模型，解釋復雜概念，體現(xiàn)創(chuàng)新思想乃至各種材料分子有機的結(jié)合在一起。3D打印課程的研究越來越受到關(guān)注，在國外，它作為輔助工具，滲透到STEM（Science、Technology、Engineering、Mathematics）學科教學中，大大提高了學生的活動參與度。3D打印可以不斷地挑戰(zhàn)學習任務，創(chuàng)造學習內(nèi)容，并成了課程建設(shè)的主要力量。3D打印技術(shù)正為教育的發(fā)展開啟一個新的方向，許多教育機構(gòu)、組織和企業(yè)也在探索如何將 3D打印技術(shù)應用到更廣泛的教育、教學中。3D打印可以彌補傳統(tǒng)教育“重理論、輕實踐，重動腦、輕動手，重學習、輕應用”的不足，使課堂教學變得有趣、生動，變課堂上的被動記憶為課內(nèi)外的主動探索。3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的應用推廣已經(jīng)在高層受到了重視。中國工程院院士、西安交大盧秉恒院士就指出，3D打印如應用于教育教學，可以激發(fā)學生的探索興趣和創(chuàng)造熱情，帶動教育創(chuàng)新，讓學生們開拓思維，發(fā)揮出無窮的想象力與創(chuàng)造力，造就一批創(chuàng)新型人才。

解剖結(jié)構(gòu)3D虛擬場景構(gòu)建和平面三維渲染顯示和VR系統(tǒng)顯示讓解剖學習有了觀賞3D數(shù)字大片的視覺效果和類似游戲過程的愉悅感。學生可以互動操作和參與，大大減少了解剖模型的抽象性、解剖學習過程的抽象性，增加學生學習興趣、提高學習效果。使用3D打印技術(shù)制造的人體標本，能等比例清晰顯示人體各個結(jié)構(gòu)，便于無失真地進行觀察活動。3D打印還可復制經(jīng)典病例和罕見臨床情況，整合單一知識點，促進各學科融合，提升學員的臨床診斷思維和治療技能。同時，教學中使用3D打印的人體標本，有利于對不可再生的人體標本進行保護。將3D打印技術(shù)應用在醫(yī)學教學中，可為師生提供逼真的人體器官，促進學生從被動記憶型、模仿型向思考型和創(chuàng)新型轉(zhuǎn)變。真實的學習環(huán)境能使抽象的學習變得具體化、形象化。與此同時，3D打印可以批量提供人造的人體器官，克服了傳統(tǒng)醫(yī)學教學中由于人體標本不足導致的走馬觀花式學習，讓學生能學好學到學懂，實實在在提升醫(yī)學生的實踐技能，為將來走上工作崗位奠定扎實的基礎(chǔ)。

3D打印技術(shù)可以重現(xiàn)脊柱外科相關(guān)疾病的重要解剖學特點。從而為臨床教學提供直觀、立體、典型的實物模型。幫助學生更好的理解脊柱外科相關(guān)疾病的解剖結(jié)構(gòu)及發(fā)病機制。脊柱解剖因其形態(tài)結(jié)構(gòu)復雜，部位深在，處于教師難教、學生難學的境地。傳統(tǒng)教學方式相對抽象，而根據(jù)影像學資料，運用3D打印技術(shù)打印的實體模型則能夠體外再現(xiàn)脊柱的三維形態(tài)及特定的斷層結(jié)構(gòu)，為臨床教學提供更為直觀的三維圖像信息，從而提高了學生對脊柱解剖結(jié)構(gòu)的理解及記憶。有研究表明3D打印實物模型教學能夠幫助學生更好的理解復雜解剖結(jié)構(gòu)，提高教學質(zhì)量。脊柱外科相關(guān)疾病因其特殊結(jié)構(gòu)、部位、發(fā)病機制，概念相對抽象，學生不易理解；并且病因復雜，涉及的解剖學、骨科生物力學等學科內(nèi)容廣泛，學生掌握較難。與傳統(tǒng)教學方法的單純平面結(jié)構(gòu)圖，3D打印實物模型具有真實、客觀、立體、生動、直觀、感性的解剖學特點，可以將原本難以理解的具有復雜解剖特點的脊柱外科相關(guān)疾病，形象直觀立體地呈現(xiàn)于學生面前，使學生對脊柱的立體結(jié)構(gòu)、病理、疾病分型及治療方法的理解更加容易。

心臟的解剖結(jié)構(gòu)精巧而又復雜，認識心臟結(jié)構(gòu)需要較強的空間思維能力，而構(gòu)建先天性心臟病的空間結(jié)構(gòu)則難度更大。3D打印技術(shù)能直觀地展示心臟，在展示空間結(jié)構(gòu)方面具有明顯的優(yōu)勢。有研究顯示，將利用3D打印技術(shù)制作的心臟模型運用到心血管?？漆t(yī)護人員教育培訓中取得了良好的效果，加深了其對心臟疾病的解剖和病理生理特點的理解。心臟外科醫(yī)師培養(yǎng)周期長已是業(yè)內(nèi)共識，很大因素是由于心臟獨特的生理特點和外科操作技術(shù)難度大，而現(xiàn)實中缺乏滿意的訓練模具也是無法回避的問題。

2.2 3D打印解剖模型促進培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

STEM（science technology engineering mathematics）是科學、技術(shù)、工程和數(shù)學四門學科的簡稱，國際技術(shù)和工程教育協(xié)會(ITEEA)將STEM定義為整合了科學、技術(shù)、工程和數(shù)學四大要素的新興跨學科課程，強調(diào)多學科的交叉融合。當前，基于STEM的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式正逐步在高校教學中實施。如在解剖教學中引入外科臨床病例，引導學生進行深入的學習，促進培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。與傳統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃相比，3D打印技術(shù)可以客觀、立體、生動、直觀、感性的打印出1∶1的實物模型，并可以根據(jù)術(shù)者的需要打印不同的切面，更好的觀察特定區(qū)域的解剖特點。3D打印技術(shù)還可應用于脊柱外科內(nèi)植物的個體化定制，即術(shù)者根據(jù)患者實際情況定制個體化的內(nèi)植物，以滿足解剖學、人體工程學、生物力學等不同方面的特殊要求。如椎間隙很寬、較小的兒童，造成患者所需內(nèi)植物太大或太小，或需要與患者局部解剖結(jié)構(gòu)更為貼附的內(nèi)植物以提高手術(shù)療效時，在這些特殊情況下則需要定制個體化的內(nèi)植物，3D打印技術(shù)可以滿足定制個體化內(nèi)置物多樣性、復雜性和快速性的要求。

2.3 3D打印在解剖相關(guān)臨床疾病中的應用

目前3D打印技術(shù)主要是在復雜的骨腫瘤切除、骨盆骨折、髖部發(fā)育異常及骨折、脊柱畸形及損傷、頭顱整形、口腔下頜骨修復、肢體畸形、骨缺損和假體制作等領(lǐng)域中有著廣泛的應用。通過提取CT、MRI掃描數(shù)據(jù)重建計算機三維模型，并通過3D打印技術(shù)制作出不同大小的實物模型，使醫(yī)生更加直觀地、準確地發(fā)現(xiàn)X射線片、CT、MRI等傳統(tǒng)影像學資料隱藏的解剖信息，并且醫(yī)生還可以直接在打印的實物模型上進行診斷、制定個體化的手術(shù)方案、模擬手術(shù)操作，還可根據(jù)患者需要設(shè)計、制造個性化器械，甚至打印人體器官等，從而提高疾病的診斷率，增加手術(shù)的精確性、安全性。

脊柱解剖結(jié)構(gòu)復雜，又有脊髓、神經(jīng)等重要組織結(jié)構(gòu)毗鄰，面對復雜脊柱疾病時，如脊柱畸形，由于傳統(tǒng)影像學檢查無法提供精準的三維解剖關(guān)系，通過傳統(tǒng)的影響學資料醫(yī)師可能會得出片面的結(jié)論，將直接影響疾病的準確診斷，且容易造成漏診、誤診、疾病診斷的不全或不清，從而影響疾病的療效及預后。而3D打印技術(shù)可重建脊柱三維解剖結(jié)構(gòu)，顯著提高了疾病的診療質(zhì)量。與X射線片、CT、MRI等傳統(tǒng)醫(yī)學影像學資料相比，3D打印實體模型可以提供更加詳細、直觀、立體、現(xiàn)實的解剖學信息。醫(yī)師可以更加直觀地觀察分析脊柱解剖結(jié)構(gòu)，從而極大的提高了臨床醫(yī)師對復雜脊柱疾病空間解剖結(jié)構(gòu)的理解，進而做出更加精確的疾病診斷，如復雜脊柱骨折的分型、脊柱側(cè)彎的分型、脊柱腫瘤的鑒別等，從而減少復雜疾病的漏診和誤診，明顯提高患者的診療質(zhì)量。

與傳統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃相比，3D打印技術(shù)可以客觀、立體、生動、直觀、感性的打印出1∶1的實物模型，并可以根據(jù)術(shù)者的需要打印不同的切面，更好的觀察特定區(qū)域的解剖特點，制定更加精準的個體化的手術(shù)方案，并可以在3D打印模型上進行預定手術(shù)的模擬操作，增加手術(shù)的熟練度，明顯縮短手術(shù)所需的時間，減少醫(yī)生和患者放射線的暴露的時間和劑量，提高手術(shù)的可對比性和相對同一性，并還可以制作一些個體化的手術(shù)器械，輔助手術(shù)的快速完成。

3 3D打印應用于解剖教學中的展望

3D打印因其個性化定制、快速成型的特點，可作為立體標本用于保存具有代表性的病例（腫瘤、創(chuàng)傷等），結(jié)合真實完整的臨床病歷、影像學資料、輔助檢查結(jié)果，作為教學病例的儲備。將3D打印模型教學與傳統(tǒng)教學方式融為一體，實驗教學與理論教學相輔相成，實行以問題為基礎(chǔ)的學習（problem-based learning,PBL）教學模式，讓學生在教學中占據(jù)主導地位，充分發(fā)揮學習的主動性，收獲知識的同時收獲樂趣，老師則起引導輔助和答疑的作用。條件允許的情況下，使學生盡可能都有在3D打印模型上模擬手術(shù)操作的機會，鍛煉動手操作能力，盡早獲得嫻熟的手術(shù)技巧與精確的操作能力。目前受限于工程學和材料學的發(fā)展，3D打印技術(shù)在解剖學教學上的應用仍然處于初級階段[4]，但毫無疑問的是，3D打印技術(shù)所制造的模型/植入物已經(jīng)能夠滿足解剖學教學的要求。具備在解剖學教學中廣泛使用的基礎(chǔ)。我們相信隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)現(xiàn)存的缺陷將得到解決，3D打印技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域中的應用必將進一步深化。