馮改豐,周勁松,靳 輝,楊蓬勃,胡 明,肖新莉

西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖與組織胚胎學(xué)系,陜西 西安 710061

3D打印(three-dimensional printing)是指用計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)化為實(shí)體產(chǎn)品[1]。該技術(shù)近年來發(fā)展迅速,已廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、醫(yī)療衛(wèi)生等多個領(lǐng)域[2-3]。在醫(yī)學(xué)教育中,中樞神經(jīng)系統(tǒng)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)是人體解剖學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[4]。為了探索能使學(xué)生快速有效地掌握人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)各部形態(tài)結(jié)構(gòu)的方法,我們采用3D打印技術(shù)制備了正常人腦的模型,購買了部分人體結(jié)構(gòu)的3D打印產(chǎn)品(全身橫斷層模型、硅膠打印人腦模型),應(yīng)用于我校臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生的中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)中,觀察和分析其應(yīng)用效果。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究使用的關(guān)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(xué)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(shè)計(jì)系統(tǒng),中南大學(xué))進(jìn)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(jìn)行切片,調(diào)整最佳打印方位和打印比例,設(shè)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(jī)(陜西東望科技有限公司,2016 年生產(chǎn))進(jìn)行3D打印。打印結(jié)束后進(jìn)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(yīng)用團(tuán)塊分離功能,將腦干、小腦、端腦進(jìn)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(jié)構(gòu)),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(jié)構(gòu)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(xué)醫(yī)學(xué)部2020級臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生。共10個自然班(每班19～21名學(xué)生),按自然班隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組和對照組,每組5個班,其中實(shí)驗(yàn)組103名學(xué)生,對照組101名學(xué)生。

1.3 教學(xué)安排

中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)包括理論授課和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分。實(shí)驗(yàn)組和對照組均按照教學(xué)進(jìn)度一起完成5次(10學(xué)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(shí)驗(yàn)課教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)組和對照組分別完成5次(20學(xué)時)的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)(脊髓4學(xué)時,腦干4學(xué)時,小腦間腦4學(xué)時,端腦4學(xué)時、腦膜和腦血管4學(xué)時)。實(shí)驗(yàn)組對照講義、掛圖和圖譜、3D數(shù)字教學(xué)系統(tǒng)(山東數(shù)字人公司)、3D打印模型、實(shí)物標(biāo)本觀察學(xué)習(xí);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(xué)系統(tǒng)(山東數(shù)字人公司)等觀察實(shí)物標(biāo)本學(xué)習(xí),兩組的其他教學(xué)條件相同。

1.4 教學(xué)效果評判

1.4.1 標(biāo)本識認(rèn)測試

在最后一次實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后,隨堂進(jìn)行無記名測試。本研究測試20個結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)均為人腦和脊髓的實(shí)物照片,通過幻燈片播放,每個結(jié)構(gòu)限定時間為40秒。要求學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)辨識結(jié)構(gòu),并將答案寫在答題卡的相應(yīng)位置。每個結(jié)構(gòu)5分,共100分。

1.4.2 問卷調(diào)查及評判標(biāo)準(zhǔn)

本研究對實(shí)驗(yàn)組學(xué)生進(jìn)行了關(guān)于3D打印學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)開始之前我了解3D打印技術(shù); ②3D打印模型使用方便;③3D打印模型與實(shí)物標(biāo)本結(jié)構(gòu)一致;④我喜歡用3D打印模型學(xué)習(xí);⑤3D打印模型能提高學(xué)習(xí)解剖學(xué)的興趣;⑥3D打印模型能促進(jìn)解剖學(xué)知識的記憶;⑦3D打印模型有助于理解空間結(jié)構(gòu);⑧我希望3D打印可推廣應(yīng)用于解剖學(xué)其他章節(jié)的教學(xué)。每個問題按認(rèn)可程度分為5級選項(xiàng)(非常贊同,贊同,一般,不贊同,反對),學(xué)生根據(jù)各自的情況在相應(yīng)選項(xiàng)前畫圈。問卷在測試結(jié)束后進(jìn)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(xué)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)組和對照組學(xué)生試卷中中樞神經(jīng)系統(tǒng)部分得分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理方法

2 結(jié)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(jìn)行三維重建,除了整腦外,還將腦干、小腦、端腦進(jìn)行了分離,構(gòu)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(cè))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(cè)大腦半球、小腦、腦干,兩側(cè)大腦半球之間有大腦縱裂,縱裂深面可見胼胝體,腦各部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)清晰準(zhǔn)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(jié)和小腦扁桃體等重要結(jié)構(gòu)。在分離端腦的背外側(cè)面、內(nèi)側(cè)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(cè)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(jié)構(gòu)),軀干部含脊髓及其被膜的斷層30個。橫斷層正反兩面各結(jié)構(gòu)顯示清晰,并分別有中英文標(biāo)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(shí)腦大小一致,各部結(jié)構(gòu)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(cè)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(xué)系與本研究無關(guān)的兩位具有副教授以上職稱的教師進(jìn)行評價(jià),確認(rèn)模型能夠很好地展示人腦主要部位的形態(tài)結(jié)構(gòu),達(dá)到教學(xué)模具的要求,可以滿足教學(xué)的需要。

2.2 學(xué)生對3D打印模型的接受度

實(shí)驗(yàn)組學(xué)生對3D打印模型充滿好奇,爭先恐后觀察學(xué)習(xí),極大地提高了課堂學(xué)習(xí)的興趣及學(xué)習(xí)主動性,甚至有學(xué)生要求將模型借出,課外學(xué)習(xí)。

2.3 標(biāo)本識認(rèn)測試結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)共測試了20個中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每個結(jié)構(gòu)5分,共100分。實(shí)驗(yàn)組學(xué)生平均成績?yōu)?88.25±2.16);對照組平均成績?yōu)?71.64±5.30),實(shí)驗(yàn)組成績明顯高于對照組,統(tǒng)計(jì)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(jìn)行了各分?jǐn)?shù)段的統(tǒng)計(jì),高分段(80分以上),實(shí)驗(yàn)組人數(shù)明顯多于對照組,低分段(70分以下),實(shí)驗(yàn)組人數(shù)少于對照組(見表1)。

表1 各分?jǐn)?shù)段人數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.4 問卷調(diào)查結(jié)果

問卷調(diào)查結(jié)果顯示,在實(shí)驗(yàn)開始之前,大部分學(xué)生對3D打印技術(shù)有一定的了解;所有實(shí)驗(yàn)組學(xué)生一致認(rèn)為3D打印的模型使用方便;大部分學(xué)生(85%)認(rèn)為與標(biāo)本相比較,3D打印模型與實(shí)物標(biāo)本結(jié)構(gòu)一致,并喜歡用3D打印的人體模型學(xué)習(xí)解剖學(xué);90%的學(xué)生贊同或非常贊同使用3D打印模型認(rèn)為3D打印模型提高了學(xué)習(xí)解剖學(xué)的興趣;多數(shù)學(xué)生(80%)認(rèn)為3D打印人體模型能促進(jìn)對人體器官解剖空間結(jié)構(gòu)的理解,促進(jìn)解剖學(xué)知識的記憶,可推廣應(yīng)用到人體解剖學(xué)其他章節(jié)的學(xué)習(xí)。

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(shí)驗(yàn)組學(xué)生平均得分為(26.14±3.36);對照組平均得分為(20.63±1.12),實(shí)驗(yàn)組得分明顯高于對照組,統(tǒng)計(jì)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(xué)主要教學(xué)資源及其分析

中樞神經(jīng)系統(tǒng)是人體各系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)和功能最為復(fù)雜的系統(tǒng),是解剖學(xué)課程中最具挑戰(zhàn)性的部分[5]。掌握腦和脊髓的形態(tài)、構(gòu)造是理解其功能、病變及治療的保證。掛圖和標(biāo)本是學(xué)習(xí)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(diǎn)突出,但為二維圖像,難以多角度準(zhǔn)確反映3維立體結(jié)構(gòu);人體標(biāo)本真實(shí)直觀,是學(xué)習(xí)解剖學(xué)重要而不可缺少的珍貴資源[6],但實(shí)驗(yàn)室配備的手摸標(biāo)本大多數(shù)是經(jīng)福爾馬林浸泡固定的,不但有強(qiáng)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(xué)生觀察時需戴手套,在一定程度上限制了學(xué)生觀察標(biāo)本的積極性和主動性[7]。此外,神經(jīng)系統(tǒng)標(biāo)本質(zhì)地柔軟、結(jié)構(gòu)脆弱,容易損壞。 因此,探索和運(yùn)用新的教學(xué)材料對改善教學(xué)環(huán)境、提高教學(xué)質(zhì)量有重要意義。

近年來,國內(nèi)外部分醫(yī)學(xué)院校在人體解剖學(xué)教學(xué)中開始應(yīng)用3D數(shù)字教學(xué)軟件系統(tǒng)、虛擬仿真技術(shù)等[8-9],但3D數(shù)字模型與真實(shí)標(biāo)本有一定的差別,而且不能手持手摸,其教學(xué)效果有待于進(jìn)一步評判[10]。

3.2 3D打印的人體結(jié)構(gòu)模型在中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)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(hù)理專業(yè)學(xué)生的解剖學(xué)教學(xué)的效果[11]。本實(shí)驗(yàn)中我們將實(shí)驗(yàn)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(xué)生更多。在學(xué)習(xí)后的標(biāo)本識認(rèn)測試和期末理論考試中,應(yīng)用3D打印模型的實(shí)驗(yàn)組學(xué)生平均成績明顯高于對照組,進(jìn)一步驗(yàn)證了我們前期的研究結(jié)果。

應(yīng)用3D打印模型的實(shí)驗(yàn)組學(xué)生成績明顯高于對照組,我們認(rèn)為可能與以下因素有關(guān):①3D打印模型提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率,3D打印為新生事物,學(xué)生對此充滿好奇,學(xué)習(xí)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(jié)實(shí),不易受損,相對更為安全,因而更易為學(xué)生所接受[14-15]。③3D打印模型的數(shù)據(jù)來源于典型人體結(jié)構(gòu),制備的模型形態(tài)和結(jié)構(gòu)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(jìn)行多角度觀察,調(diào)動了學(xué)生視覺、觸覺等各種刺激,學(xué)習(xí)效果更好[16]。問卷調(diào)查表結(jié)果顯示,大部分學(xué)生認(rèn)為3D打印模型能促進(jìn)對解剖空間結(jié)構(gòu)的理解,促進(jìn)解剖學(xué)知識的記憶,可推廣應(yīng)用到解剖學(xué)其他章節(jié)的學(xué)習(xí)[11]。④高清3D 打印的斷層模型中,對重要結(jié)構(gòu)有中英文標(biāo)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(tuán);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(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)部構(gòu)造很有幫助[6,17]。

除了在實(shí)驗(yàn)課之后隨堂進(jìn)行的標(biāo)本識認(rèn)測試,我們也對兩組學(xué)生的期末考試中中樞神經(jīng)系統(tǒng)部分的得分進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。結(jié)果顯示,實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(yùn)用3D打印進(jìn)行教學(xué),可提升對知識的內(nèi)化、長期的記憶、理解應(yīng)用能力,使學(xué)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(xiàng)革命性技術(shù)創(chuàng)新,3D打印在醫(yī)學(xué)教育和臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)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(xué)中的應(yīng)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(chǔ)。我們將從以下幾個方面做進(jìn)一步研究:①探索中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)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(jié)構(gòu)的外形,較少涉及內(nèi)部構(gòu)造的難題;②指導(dǎo)學(xué)生利用課余時間,參與人體結(jié)構(gòu)3D數(shù)字模型的構(gòu)建、實(shí)物模型的打印。通過讓學(xué)生參與3D打印的全過程,不僅提高學(xué)生的感官認(rèn)識,強(qiáng)化對知識的理解和應(yīng)用,更能提高學(xué)生觀察問題、解決問題的能力,實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為中心”“加強(qiáng)素質(zhì)能力培養(yǎng)”的培養(yǎng)目標(biāo);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(qiáng)理解、加深記憶,實(shí)現(xiàn)我校提倡的臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生“早臨床、多臨床、反復(fù)臨床”的培養(yǎng)理念。

4 結(jié)語

本研究將3D打印應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)中,豐富了教學(xué)資源,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足,激發(fā)了學(xué)生的興趣,提高了教學(xué)質(zhì)量。我們相信,隨著技術(shù)的改進(jìn),設(shè)備和軟件價(jià)格的降低,數(shù)據(jù)文件的共享,3D打印在人體解剖學(xué)、病理學(xué)等形態(tài)學(xué)教學(xué)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(jié)構(gòu)有一定的識別,甚至對部分器官結(jié)構(gòu)的形態(tài)、邊界、正常與異常等需要仔細(xì)辨別,因此,3D打印也會進(jìn)一步促進(jìn)解剖學(xué)與影像學(xué)、外科學(xué)等臨床學(xué)科的交叉融合。