3D打印在中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖學教學中的應用研究

馮改豐,周勁松,靳 輝,楊蓬勃,胡 明,肖新莉

西安交通大學醫(yī)學部基礎醫(yī)學院人體解剖與組織胚胎學系,陜西 西安 710061

3D打印(three-dimensional printing)是指用計算機三維重建或用三維掃描儀掃描獲得數(shù)字化模型,將可打印材料利用熔融沉積、光聚合等方式逐層固化堆積,使數(shù)字化模型轉化為實體產(chǎn)品[1]。該技術近年來發(fā)展迅速,已廣泛應用于工業(yè)制造、醫(yī)療衛(wèi)生等多個領域[2-3]。在醫(yī)學教育中,中樞神經(jīng)系統(tǒng)的形態(tài)和結構是人體解剖學教學的重點和難點[4]。為了探索能使學生快速有效地掌握人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)各部形態(tài)結構的方法,我們采用3D打印技術制備了正常人腦的模型,購買了部分人體結構的3D打印產(chǎn)品(全身橫斷層模型、硅膠打印人腦模型),應用于我校臨床醫(yī)學專業(yè)學生的中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖學教學中,觀察和分析其應用效果。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究使用的關鍵材料是人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)3D打印模型,分別來源于自制和購買兩種途徑。

1.1.1 自制3D 打印人腦模型

從西安交通大學第一附屬醫(yī)院影像中心選取符合研究要求的人腦MRI掃描DICOM數(shù)據(jù):檢查者年齡為20～60歲,腦部無器質(zhì)性病變,掃描層厚0.1 mm。掃描數(shù)據(jù)用三維重建軟件(E-3D數(shù)字醫(yī)療建模與設計系統(tǒng),中南大學)進行人腦三維重建,獲得數(shù)字模型。將數(shù)字模型存儲為STL(Stereolithography) 文件后進行切片,調(diào)整最佳打印方位和打印比例,設置打印參數(shù)(打印噴頭溫度為215 ℃、打印平臺溫度為 55 ℃,層厚0.2 mm,開啟回退,全部支撐等),選擇1.75 mm線徑的聚乳酸PLA(polylactic acid) 材料。切片后數(shù)據(jù)傳輸至 Ezau V-II 桌面打印機(陜西東望科技有限公司,2016 年生產(chǎn))進行3D打印。打印結束后進行模型去除支撐、光滑表面等處理。除了3D 打印全腦外,本研究還應用團塊分離功能,將腦干、小腦、端腦進行了分離,制備了不同的分離模型。

1.1.2 購買人體橫斷層3D打印模型

購買3D打印的人體連續(xù)橫斷層模型(山東數(shù)字人公司)。該產(chǎn)品從顱頂至足底共100個斷層,層厚0.5cm, 其中包括頭部斷層20個(含腦及其被膜、腦血管等結構),軀干部含脊髓及其被膜的斷層30個。

1.1.3 購買3D打印的人腦樹脂模型

購買與正常人腦大小一致的、形態(tài)結構典型的3D打印的人腦樹脂模型(杭州科霖醫(yī)療公司)一套,包括端腦、間腦和腦干、小腦。

1.2 研究對象

本研究的對象為西安交通大學醫(yī)學部2020級臨床醫(yī)學專業(yè)學生。共10個自然班(每班19～21名學生),按自然班隨機分為實驗組和對照組,每組5個班,其中實驗組103名學生,對照組101名學生。

1.3 教學安排

中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖學教學包括理論授課和實驗教學兩部分。實驗組和對照組均按照教學進度一起完成5次(10學時)的理論授課(脊髓、腦干、小腦與間腦、端腦、腦膜和腦血管);在實驗課教學中,實驗組和對照組分別完成5次(20學時)的實驗課教學(脊髓4學時,腦干4學時,小腦間腦4學時,端腦4學時、腦膜和腦血管4學時)。實驗組對照講義、掛圖和圖譜、3D數(shù)字教學系統(tǒng)(山東數(shù)字人公司)、3D打印模型、實物標本觀察學習;對照組按照傳統(tǒng)方式,對照講義、掛圖和圖譜,3D數(shù)字教學系統(tǒng)(山東數(shù)字人公司)等觀察實物標本學習,兩組的其他教學條件相同。

1.4 教學效果評判

1.4.1 標本識認測試

在最后一次實驗課結束后,隨堂進行無記名測試。本研究測試20個結構,分別為脊髓 2個,腦干6個;小腦和間腦6個,端腦6個。所有結構均為人腦和脊髓的實物照片,通過幻燈片播放,每個結構限定時間為40秒。要求學生在規(guī)定時間內(nèi)辨識結構,并將答案寫在答題卡的相應位置。每個結構5分,共100分。

1.4.2 問卷調(diào)查及評判標準

本研究對實驗組學生進行了關于3D打印學習情況的無記名問卷調(diào)查。調(diào)查共有8個問題,分別是:①實驗開始之前我了解3D打印技術; ②3D打印模型使用方便;③3D打印模型與實物標本結構一致;④我喜歡用3D打印模型學習;⑤3D打印模型能提高學習解剖學的興趣;⑥3D打印模型能促進解剖學知識的記憶;⑦3D打印模型有助于理解空間結構;⑧我希望3D打印可推廣應用于解剖學其他章節(jié)的教學。每個問題按認可程度分為5級選項(非常贊同,贊同,一般,不贊同,反對),學生根據(jù)各自的情況在相應選項前畫圈。問卷在測試結束后進行,并現(xiàn)場收回調(diào)查表。

1.4.3 期末理論考試

在系統(tǒng)解剖學課程期末理論考試中,共有13道題涉及中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)容,包括單項選擇題10道、簡答題2道和論述題1道,共30分,占總分的30%。對實驗組和對照組學生試卷中中樞神經(jīng)系統(tǒng)部分得分進行統(tǒng)計與分析。

1.5 統(tǒng)計學處理方法

2 結果

2.1 3D打印腦模型效果評判

我們選取正常成年人的MRI數(shù)據(jù),進行三維重建,除了整腦外,還將腦干、小腦、端腦進行了分離,構建了不同的數(shù)字模型。數(shù)字腦模型采用0.2 mm層厚打印,整腦打印時長約48小時,腦干、小腦和端腦(一側)的分離模型打印時間分別為3,6和25小時。整腦模型包含兩側大腦半球、小腦、腦干,兩側大腦半球之間有大腦縱裂,縱裂深面可見胼胝體,腦各部結構完整清晰(見圖1);在分離腦干模型中,延髓、腦橋和中腦分界明確,各部分重要結構清晰準確;分離小腦模型中,除了半球和小腦蚓、表面的溝裂外,可見絨球、小結和小腦扁桃體等重要結構。在分離端腦的背外側面、內(nèi)側面和底面,均可見到清晰而典型的腦溝、腦回(圖2)。

A.上面觀;B.側面觀。圖1 3D打印整腦模型

從山東數(shù)字人公司購買的3D打印人體連續(xù)橫斷層模型,包括頭部斷層20個(含腦及其被膜、腦血管等結構),軀干部含脊髓及其被膜的斷層30個。橫斷層正反兩面各結構顯示清晰,并分別有中英文標注(見圖3)。 從杭州科霖醫(yī)療公司購買的人腦3D打印樹脂整腦模型,與真實腦大小一致,各部結構清晰,柔軟而有韌性,手感良好(見圖4)。

A 整體觀;B經(jīng)內(nèi)囊中部橫斷面(正反面)圖3 人體橫斷層3D打印模型

A.上面觀;B.側面觀(顯示部分島葉)。圖4 3D打印整腦樹脂模型

所有3D 打印模型由人體解剖學系與本研究無關的兩位具有副教授以上職稱的教師進行評價,確認模型能夠很好地展示人腦主要部位的形態(tài)結構,達到教學模具的要求,可以滿足教學的需要。

2.2 學生對3D打印模型的接受度

實驗組學生對3D打印模型充滿好奇,爭先恐后觀察學習,極大地提高了課堂學習的興趣及學習主動性,甚至有學生要求將模型借出,課外學習。

2.3 標本識認測試結果

本實驗共測試了20個中樞神經(jīng)系統(tǒng)結構。每個結構5分,共100分。實驗組學生平均成績?yōu)?88.25±2.16);對照組平均成績?yōu)?71.64±5.30),實驗組成績明顯高于對照組,統(tǒng)計分析顯示,兩組成績有顯著性差異(P<0.05)。除了平均成績以外,我們也進行了各分數(shù)段的統(tǒng)計,高分段(80分以上),實驗組人數(shù)明顯多于對照組,低分段(70分以下),實驗組人數(shù)少于對照組(見表1)。

表1 各分數(shù)段人數(shù)統(tǒng)計

2.4 問卷調(diào)查結果

問卷調(diào)查結果顯示,在實驗開始之前,大部分學生對3D打印技術有一定的了解;所有實驗組學生一致認為3D打印的模型使用方便;大部分學生(85%)認為與標本相比較,3D打印模型與實物標本結構一致,并喜歡用3D打印的人體模型學習解剖學;90%的學生贊同或非常贊同使用3D打印模型認為3D打印模型提高了學習解剖學的興趣;多數(shù)學生(80%)認為3D打印人體模型能促進對人體器官解剖空間結構的理解,促進解剖學知識的記憶,可推廣應用到人體解剖學其他章節(jié)的學習。

2.5 期末理論考試

滿分100分的期末理論考試中,中樞神經(jīng)系統(tǒng)試題占30分。實驗組學生平均得分為(26.14±3.36);對照組平均得分為(20.63±1.12),實驗組得分明顯高于對照組,統(tǒng)計分析顯示,兩組得分有顯著性差異(P<0.05)。

3 討論

3.1 中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖學主要教學資源及其分析

中樞神經(jīng)系統(tǒng)是人體各系統(tǒng)中結構和功能最為復雜的系統(tǒng),是解剖學課程中最具挑戰(zhàn)性的部分[5]。掌握腦和脊髓的形態(tài)、構造是理解其功能、病變及治療的保證。掛圖和標本是學習腦和脊髓的重要用具,但二者均存在不足。掛圖雖然美觀,形象逼真、重點突出,但為二維圖像,難以多角度準確反映3維立體結構;人體標本真實直觀,是學習解剖學重要而不可缺少的珍貴資源[6],但實驗室配備的手摸標本大多數(shù)是經(jīng)福爾馬林浸泡固定的,不但有強烈的刺激氣味,也對皮膚有一定的毒性作用,不能直接接觸皮膚,學生觀察時需戴手套,在一定程度上限制了學生觀察標本的積極性和主動性[7]。此外,神經(jīng)系統(tǒng)標本質(zhì)地柔軟、結構脆弱,容易損壞。 因此,探索和運用新的教學材料對改善教學環(huán)境、提高教學質(zhì)量有重要意義。

近年來,國內(nèi)外部分醫(yī)學院校在人體解剖學教學中開始應用3D數(shù)字教學軟件系統(tǒng)、虛擬仿真技術等[8-9],但3D數(shù)字模型與真實標本有一定的差別,而且不能手持手摸,其教學效果有待于進一步評判[10]。

3.2 3D打印的人體結構模型在中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖學教學中的效果分析

在前期的研究中,我們觀察了3D打印的端腦模型對護理專業(yè)學生的解剖學教學的效果[11]。本實驗中我們將實驗范圍拓展至整個中樞神經(jīng)系統(tǒng),3D打印模型既有我們自行制作的,也有商品化的(斷層模型和整體腦的硅膠模型)。本研究的時段更長,觀察的范圍更廣,參與的學生更多。在學習后的標本識認測試和期末理論考試中,應用3D打印模型的實驗組學生平均成績明顯高于對照組,進一步驗證了我們前期的研究結果。

應用3D打印模型的實驗組學生成績明顯高于對照組,我們認為可能與以下因素有關:①3D打印模型提高了學生的學習興趣和學習效率,3D打印為新生事物,學生對此充滿好奇,學習參與度高、效率提高[12-13]。②用PLA、樹脂、硅膠等材料3D打印的腦模型環(huán)保、無毒無氣味,使用更為方便;而且材質(zhì)結實,不易受損,相對更為安全,因而更易為學生所接受[14-15]。③3D打印模型的數(shù)據(jù)來源于典型人體結構,制備的模型形態(tài)和結構清晰典型,更接近于教材中的描述,因而易于掌握;同時3D打印模型可手持手摸、方便進行多角度觀察,調(diào)動了學生視覺、觸覺等各種刺激,學習效果更好[16]。問卷調(diào)查表結果顯示,大部分學生認為3D打印模型能促進對解剖空間結構的理解,促進解剖學知識的記憶,可推廣應用到解剖學其他章節(jié)的學習[11]。④高清3D 打印的斷層模型中,對重要結構有中英文標注,比圖譜更清晰和直觀。脊髓斷層模型可清楚顯示脊髓灰質(zhì)、白質(zhì)形態(tài)和分區(qū);在腦干的不同斷面,可見一些重要核團;在小腦和大腦斷面,皮質(zhì)和髓質(zhì)清晰可見,小腦核和大腦的基底核、部分小腦和端腦的纖維(特別是內(nèi)囊的橫斷面)可顯示,對學生學習內(nèi)部構造很有幫助[6,17]。

除了在實驗課之后隨堂進行的標本識認測試,我們也對兩組學生的期末考試中中樞神經(jīng)系統(tǒng)部分的得分進行了統(tǒng)計和分析。結果顯示,實驗組的得分顯著高于對照組。由于理論考試既包含對知識的識記考核,又有對知識的理解和運用能力的測試,是對知識綜合掌握的評判。得分情況反映了運用3D打印進行教學,可提升對知識的內(nèi)化、長期的記憶、理解應用能力,使學生的綜合能力得以提高,

3.3 本研究下一步的方向

作為一項革命性技術創(chuàng)新,3D打印在醫(yī)學教育和臨床醫(yī)學中的應用尚處于探索階段。本次研究中,我們觀察了3D打印模型在中樞神經(jīng)系統(tǒng)教學中的應用效果,既是對前面類似研究的肯定和拓展,也為后續(xù)研究奠定了基礎。我們將從以下幾個方面做進一步研究:①探索中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部構造的分離模型,如神經(jīng)核、纖維、腦室等,解決目前3D打印模型主要展示結構的外形,較少涉及內(nèi)部構造的難題;②指導學生利用課余時間,參與人體結構3D數(shù)字模型的構建、實物模型的打印。通過讓學生參與3D打印的全過程,不僅提高學生的感官認識,強化對知識的理解和應用,更能提高學生觀察問題、解決問題的能力,實現(xiàn)“以學生為中心”“加強素質(zhì)能力培養(yǎng)”的培養(yǎng)目標;③選取部分具有代表性的典型臨床病例,通過正常與病變的對照,增強理解、加深記憶,實現(xiàn)我校提倡的臨床醫(yī)學專業(yè)學生“早臨床、多臨床、反復臨床”的培養(yǎng)理念。

4 結語

本研究將3D打印應用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖學教學中,豐富了教學資源,彌補了傳統(tǒng)教學方式的不足,激發(fā)了學生的興趣,提高了教學質(zhì)量。我們相信,隨著技術的改進,設備和軟件價格的降低,數(shù)據(jù)文件的共享,3D打印在人體解剖學、病理學等形態(tài)學教學中必將發(fā)揮更大的作用[18]。此外,在三維數(shù)字模型的制作過程中,需要對人體連續(xù)的橫斷面、矢狀面、冠狀面等不同斷面上的器官結構有一定的識別,甚至對部分器官結構的形態(tài)、邊界、正常與異常等需要仔細辨別,因此,3D打印也會進一步促進解剖學與影像學、外科學等臨床學科的交叉融合。