3D打印模型在临床医学生解剖学教学中的应用

3D打印模型在临床医学生解剖学教学中的应用

严登铭 1 张晓阳 * （通讯作者）

天津医科大学临床医学院 300276

摘要：目的 从临床医学生解剖学教学过程中存在的问题出发，探讨3D打印与解剖学教学相结合模式对提升医学生人体解剖学学习的影响。方法 招募2018年5月至2019年5月天津医科大学临床医学院在校医学生66名，分为3D打印模型教学组和传统教学组，每组33人。两组学员在年龄、性别、学习时长等方面无统计学差异。传统教学组由教师主导，采取常规教学手段进行学习；3D打印模型教学组结合基于人体影像学数据制作的三维重建文件以及3D打印模型进行学习。结果 两组教学模式解剖学理论考核成绩比较显示，3D打印模型教学组学员考核成绩明显高于传统教学组（P<0.001）；两组教学模式学习兴趣及学习满意度调查显示，3D打印模型教学组的学习兴趣（P<0.001）及学习满意度（P<0.001）明显优于传统教学组。结论 3D打印技术应用于解剖学教学能提高临床医学生学习效果，值得发展。

关键词：3D打印；解剖学；教学；医学教育

Application of 3D printing model in anatomy teaching of clinical medical students

Yan Dengming,Zhang Xiaoyang(Clinical Medical College of Tianjin Medical University)

Corresponding author: Zhang Xiaoyang，E-mail：xiaoyayazhang@163.com

Abstract: Objective   To explore the impact of the combination of 3D printing and anatomy teaching on the improvement of human anatomy ，this article is based on the problems existing in the teaching of anatomy for clinical medical students. Methods ：  Recruiting  66 medical students from May 2018 to May 2019 in clinical medical college of Tianjin Medical University, this experiment pided students into 3D printing model teaching group and traditional teaching group, each group having 33 people. There are no statistical differences between the two groups of students in terms of age, gender, and the length of study. The traditional teaching group is dominated by teachers and adopts conventional teaching methods for learning; the 3D printing model teaching group combines 3D reconstruction files made based on human imaging data and 3D printing models for learning.Ｒesults :   The comparison of the evaluation results of the anatomy theory of the two teaching modes showed that the 3D printing model teaching group's assessment results were significantly higher than those of the traditional teaching group (P<0.001). The learning interest towards the two groups' teaching model and learning satisfaction survey showed that in 3D printing model teaching group, the learning interest (

P<0.001) and learning satisfaction (P<0.001) were significantly better than the traditional teaching group. Conclusion :   The application of 3D printing technology in anatomy teaching can improve the learning effect of clinical medical students and is worth developing. Key words: 3D printing; anatomy; teaching; medical education

为深入贯彻全国卫生与健康大会精神，紧紧围绕健康中国战略实施，树立“大健康”理念，高素质医学人才必不可少。临床医学生是医疗卫生系统的重要储备人才，教育部下发的《关于加强医教协同实施卓越医生教育培养计划2.0的意见》对临床医学生提出了新的要求，临床医学生不仅需要掌握过硬专业知识，而且要具有高尚的职业道德，以适应当下医疗环境。

解剖学作为基础学科，在医学生学习过程中有举足轻重的地位。熟练掌握解剖学所要求人体正常结构，是学好其他学科，以及提高临床技能的基础。有数据表明，部分医学院校的医学生在解剖学知识学习过程中，存在着精力投入大，但学习效果欠佳，难以对其重难点知识有直观的认识的现象^[1]。这在一定程度上影响了临床医学生学习积极性与学习兴趣，更是对后续学科的学习造成了一定影响。如何有针对性地解决临床医学生解剖学学习困扰是目前各大医学院校所面临的一个重要课题。

3D打印（three dimension printing）即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着3D打印技术的不断发展，将3D打印技术与解剖学学习相结合为我们提供了新的思路。

本文旨在从临床医学生解剖学教学过程中存在的问题出发，将3D打印与解剖学教学相结合，用以提升医学生人体解剖学学习效果。以及 3D打印可能在医学教育乃至临床医学的应用及展望。

1材料和方法

1.1研究对象 共招募2018年5月至2019年5月天津医科大学临床医学院在校医学生66名，通过随机化分组，将其分为3D打印模型教学组和传统教学组。每组学员人数33人。两组学员在年龄、性别、学习时长等方面无统计学差异。

1.2教学模式 两种学习内容均选自教学大纲解剖学重难点知识，采用基于问题的学习方式( problem-based learning，PBL)^[2]。传统教学组由教师主导，学员提前预习，主要采取观看多媒体课件，书本学习，结合实验室大体标本，解剖图谱等方式学习；3D打印模型教学组学员在组内学习讨论后提出问题，再经过老师的引导纠正后，结合基于人体影像学数据制作的三维重建文件以及3D打印模型进行学习。

1.3 3D打印模型的制作 委托天津先锋三维科技有限公司，基于人体扫描后CT，MRI等影像学数据，使用3DMAX、ZBrush、UG等软件进行三维重建，得出与人体结构高度相似的三维重建模型，然后结合快速成型技术，制作出符合教学标准的医学模型。

1.4 教学效果及满意度评价 教学阶段结束后，分别对3D打印模型教学组和传统教学组进行闭卷考核，同时对两组教学模式进行学习兴趣及学习满意度调查，以评估3D打印模型在临床医学生解剖学教学应用的效果，调查能否激发学员学习兴趣以及学员对3D打印模型教学模式的满意度。闭卷考核内容为解剖学教学大纲中重难点知识，分数为百分制。学习兴趣及学习满意度调查表采取自制评分系统进行评价。(评价标准:不满意1分、不太满意2分、一般3分、较满意 4分、非常满意5分，共5个评价等级，得分越高，说明满意度越高。)闭卷考核及调查表不记名填写，填写完成后立即收回。

1.5统计学分析 本组数据均使用采用 SPSS 19.0统计软件进行统计学分析，通过t检验和卡方检验分析3D打印模型教学组和传统教学组比较教学知识掌握情况，学习兴趣，学习满意度。所得数据结果以均数±标准差（ ±s）表示，P值小于0.05为有统计学意义。

2结果

2.1两组教学模式考核成绩对比分析

3D打印模型教学组和传统教学组学员年龄，学制，专业，既往所修课程，性别等方面均无统计学差异，分组具有可比性。但3D打印模型教学组学员考核成绩明显高于传统教学组（P<0.001）。表1显示了具体情况。

表1 两组教学模式考核成绩比较（分）

2.2两组教学模式学员学习效果对比分析

两组间学习兴趣及学习满意度经比较存在显著差异(P<0.001）。3D打印模型教学组学员的学习兴趣及学习满意度明显优于传统教学组。表2显示了具体情况。

有关两组教学模式下学员的学习效果调查，共发出66份调查问卷，收回66份。调查内容为两组学员经过不同教学模式后的学习兴趣和学习满意度。在学习兴趣的调查中，3D打印模型教学组：2人不太满意，5人感到一般，11人较满意，15人非常满意；传统教学组中：5人不太满意，17人感到一般，9人较满意，2人非常满意；在学习满意度的调查中，3D打印模型教学组：6人感到一般，11人较满意，16人非常满意；传统教学组中：3人不太满意，16人感到一般，13人较满意，1人非常满意。表3显示了具体情况。

表2 两组教学模式学习效果比较（分）

表3 两组教学模式效果评价（人，%，n=33）

3讨论

解剖学在医学生学习中有重要地位。只有扎实掌握人体正常组织形态结构，才能正确理解人体生理和病理的发展过程，进而对疾病的发生有更具体的认识。本文从临床医学生角度，探讨临床医学生日常学习中存在的解剖学问题，并尝试将3D打印技术与解剖学教学相结合，激发学生学习兴趣，提高学生学习效果。

目前临床医学生存在解剖学学习困难现象的重要原因主要体现为以下方面：一方面源于解剖学教学中神经，动静脉血管走行，肌肉层次，组织毗邻等知识点客观上难以理解记忆；另一方面作为医学基础课，医学院校解剖学课程均开课较早，而对于刚入学的大一新生，由于缺乏相应的医学基础知识，理解上确实存在一定的难度；此外还包括缺乏高效的学习途径和自学能力。

在教学阶段结束后，将解剖学理论知识考核成绩进行统计学分析得出，3D打印模型组学员在解剖学学习效果、学习兴趣以及学习满意度方面显著高于传统教学组。本文与Fasel等人的研究结果相似，Fasel等^[3]提出将3D打印技术应用于解剖学教学，3D打印模型与影像资料、传统解剖相结合，对医学生促进掌握知识、技能取得了良好效果。

3D打印技术的应用在国外相对成熟。国内部分医院已经将3D打印技术应用于一线临床，并且已取得阶段性成效。近日，著名医学期刊新英格兰医学杂志报道了一例头颅连体婴儿成功手术分离的案例^[4]。在该病例中，医生通过多团队协作、计算机辅助 3D 打印技术、术中导航技术等新技术，以及牵张成骨术、软组织成型术等一些治疗理念创新性的应用，让整个手术过程更加顺利、更加安全。Sun等^[5]利用3D打印技术为骨盆肿瘤患者设计个体化人工半骨盆假体，不仅增加了固定效果，还可以保证髋臼部件位置与方向的准确，有利于手术顺利进行以及提高患者的术后生活质量。付军等

^[6]利用3D打印技术个体化制备骨肿瘤手术导板，在术中准确地贴附于骨表面，在确定病变的区域位置、截骨角度等局部细微结构特点上起了重要作用，在有效提高了手术精确度的情况下，降低了放射性暴露。清华大学通过3D打印技术成功打印出血管化的脂肪组织，有望为乳房修复提供新的方法 ^[7] 。

在医学教育方面，遗体捐赠者的数量与临床教学需求不能匹配，病种稀少和标本陈旧破损、老化等客观因素，对医学教学产生了影响。而基于影像组学，利用Mimics、Simpleware、Imageware等软件，将CT及核磁扫描等数据，重建生物组织三维模型，打印出符合要求教学要求的医学模具。可忠实记录人体结构特征，同时可以反复使用，且能显示人体不同解剖层面，完美的解决传统模型不易体现的解剖“死角”的问题。3D打印与传统医学教学相结合，将有望提升教学质量，加深学生对专业知识的理解。在一定程度上解决传统医学标本不易从形态学观察辨认神经，动静脉血管，肌肉等组织特征等问题，带给学生更直观更立体更全面的学习体验。

目前，3D打印模型受限于技术、材料、设备等因素影像，还存在着一定的局限型^[8]，而未来可以直接将基于人体扫描数据制作的三维重建文件应用于教学，能降低成本，避免机器误差，模型损耗，可能取得更好的教学效果。展望未来，前瞻性地广泛地收集全国各大医院有代表性的影像学资料，建立多中心三维重建数据库，大力开展影像组学研究，共享各大医院罕见病例，必将促进国内医疗卫生事业的发展。

参考文献

1. McMenaminPG,QuayleMR,McHenryCR,etal.The production of anatomical teaching resources using three-dimensional(3D)printing technology[J]. AnatomSci Educ,2014,7(6):479-486．

2. 胡蓓蕾，周莉莉，陈松芳，等．PBL 学习法在神经病学课堂教学中的应用探讨［J］．基础医学教育，2016，18(1):54－57．

[3]Fasel J H D,Aguiar D , Kiss-Bodolay D , et al. Adapting anatomy teaching to surgical trends: a combination of classical dissection, medical imaging, and 3D-printing technologies[J]. Surgical and Radiologic Anatomy, 2016, 38(3):361-367.

[4]Heuer Gregory G,Madsen Peter J,Flanders Tracy M,et al. Separation of Craniopagus Twins by a Multidisciplinary Team[J]. The New England journal of medicine,2019,380(4):358-364.

[5]Sun w, li j, li q, Et al. Clinical effectiveness ofhemipelvic reconstruction using computer-aided custom-made prostheses after resecTion of malignant pelvic tumors [j].Jarthroplasty, 2011, 26 (8): 1508 1513.

[6]付军, 郭征, 王臻, 等. 多种3-D打印手术导板在骨肿瘤切除重建手术中的应用[J]. 中国修复重建外科杂志, 2014(3):304-308.

[7]Yao R, zhang R, yan Y, et al .In vitro angiogenesis of 3d tissue engineered adipose tissue [j]. J bioactcompatpolym, 2009, 24 (1): 5 / 24.

[8]杨新宇,詹成,李明,代曦煜,冯明祥. 3D打印技术在医学中的应用进展[J]. 复旦学报(医学版),2016,43(04):490-494.

项目来源：2018年大学生创新创业训练项目（201813661020）

作者简介：严登铭（1997- ），男，安徽安庆，汉族，本科。E-mail：yandengming@yeah.net.

通讯作者：张晓阳（1980- ），女，天津，汉族，汉族，本科，临床医学系副主任，助理研究员，教育管理，E-mail：xiaoyayazhang@163.com.