3D打印技術在血管超聲教學中應用效果的研究

宋 光，喬 偉，任衛東

（中國醫科大學附屬盛京醫院，遼寧 沈陽 110004）

超聲診斷學是影像醫學教學的重點之一，在既往教學反饋中，學生通常認為血管超聲知識抽象、不易理解，掌握起來比較困難。如何讓本科生在有限的學時內了解和掌握血管超聲的基礎知識，成為每位超聲醫學教育工作者的教學難題。3D打印技術是一種20世紀90年代中期發展起來的，以數字成像模型文件為基礎，運用塑料等可黏合新型材料，通過逐層打印的方式來構造物體的新興技術[1]。

目前的醫學教學已經從傳統的框架式知識結構記憶模式發展為以問題為基礎的教學模式（Problem Based Learning，PBL），更加強調個體化和以患者為中心的教學模式[2]。盡管我國的患者源豐富、病種齊全，但是尸體捐獻率低，加之血管教具工藝粗糙，超聲醫學教育更多的還是基于教師的口頭講述，輔以多媒體圖像，教學內容較為局限。3D打印技術在解剖學方面有很好的展現能力，可以彌補解剖標本缺乏的不足，有助于本科生更直觀地了解正常和異常的血管形態[3-4]。現將3D打印技術在血管超聲教學中應用的相關研究介紹如下。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取2016年4月中國醫科大學影像班本科生50名作為研究對象，所有研究對象在此之前都完成了解剖學的學習，并簽署知情同意書。納入標準：（1）均為五年制影像專業，無轉專業和專業調劑、七年制降級等經歷；（2）之前從沒有接受過任何超聲醫學專業知識教育，亦未在任何超聲科診室進行過臨床實習。排除標準：（1）解剖學成績不及格者；（2）常有曠課記錄，不能保證完成本研究者。

1.2 研究方法

本次實驗性教學采用隨機對照研究[5-6]，使用計算機將這50名學生隨機分為實驗組和正常對照組，每組25人。兩組學生在年齡、性別組成以及其他課程平均成績等相關指標上比較，差異無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。實驗組采用3D打印血管模型的方法配合多媒體教學，正常對照組采用傳統教具配合多媒體教學，兩組為同一教師進行授課，具有豐富的臨床和教學經驗。實驗性教學結束后，對兩組學生進行相同的測驗，包括血管超聲基礎知識和典型圖像的解讀，以評價兩組教學效果的差異。所有學生均須完成學習滿意度調查，以評價兩組學生學習滿意度的差異。

1.3 教學方法

1.3.1 實驗組（1）3D血管教具的制作：采用PhilipsIU22彩色多普勒超聲成像儀，使用VL13-5探頭（頻率5～13 MHz）。記錄典型的正常人和動脈硬化患者的三維超聲圖像。囑受試者仰臥位，同步記錄心電圖，待其穩定呼吸時，于頸部正前方記錄二維灰階動態圖像，存儲連續3個心動周期于機器硬盤內，導入PhilipsQLab工作站后獲取3D容積圖像，將其以DICOM格式導出。再使用MatLab2012b讀取DICOM文件，獲取斷層圖像信息。最后使用Mimics 17.0進行后處理，處理后的圖像以標準鑲嵌語言（STL）數據格式進行保存[7]。對STL文件按照1∶1的比例，以聚乳酸（PLA）為原料進行3D打印。（2）授課時首先講授血管超聲基礎知識，包括解剖學知識（使用3D打印出來的教具）、生理學以及聲學知識；其次講授正常血管超聲圖像特點；最后講授異常（先天性或后天性）血管疾病的超聲特點（輔以3D打印出來的教具）。

1.3.2 正常對照組 授課內容和實驗組基本一致，不同之處為使用傳統教具代替3D打印出來的教具。

1.4 教學效果評估

課程講授結束后，采用測驗和問卷回訪的方式評估教學效果。測驗包括血管超聲基礎知識和典型圖像的解讀這兩部分內容，滿分均為50分。血管超聲基礎知識的測驗范圍包括血管的解剖學知識、生理學知識、超聲的聲學基礎知識、血管超聲的檢查手法和適應證及禁忌證等。典型圖像的解讀包括正常人血管超聲各個切面、先天性血管疾病（血管瘤和動靜脈瘺）和后天性血管疾病（動脈硬化和深靜脈血栓）典型切面的識別及描述。

本研究學生學習滿意度的調查參考既往的實驗設計[8]，包教學資源滿意度、教學過程滿意度、教學效果滿意度以及總體滿意度4個部分，每部分5個問題，滿分25分，合計100分。問卷采用李克特5級計分法，5分表示非常滿意，4分表示比較滿意，3分表示一般，2分表示不滿意，1分表示很不滿意。

1.5 統計學分析

利用SPSS 17.0統計軟件進行數據分析，連續性數據進行正態分布及方差齊性檢驗后采用配對t檢驗，二分類數據采取χ2檢驗或糾正χ2檢驗，成績提高的百分比為本學年測試成績與其他課程平均成績之比的百分數，學習滿意度與成績提高百分比的相關性分析采用Pearson相關分析，以P＜0.05為差異有統計學意義，使用Graphpad 6.0軟件繪制統計圖像。

2 結果

2.1 兩組學生一般情況比較

兩組在性別組成、年齡和其他課程平均成績等指標上比較，差異均無統計學意義（P＞0.05），見表 1。

表1 兩組學生一般情況比較

2.2 兩組學生測驗成績以及成績提高的百分比

所有學生均成功完成測驗，其中實驗組學生的測驗成績為（84.24±5.50）分，明顯高于正常對照組的（79.04±6.88）分（P＜0.01），且實驗組成績提高的百分比高于對照組（P＜0.01），見表2。

表2 兩組學生測驗成績以及成績提高的百分比（±s）

表2 兩組學生測驗成績以及成績提高的百分比（±s）

項目測驗成績（分）成績提高的百分比（%）實驗組8 4.2 4±5.5 0 1 4.0 7±6.8 5正常對照組7 9.0 4±6.8 8 4.8 8±5.9 6 t值2.9 5 5.0 6 P值＜0.0 1＜0.0 1

2.3 兩組學生學習滿意度調查結果

發放60份問卷，全部回收并有效。實驗組學生學習滿意度為（88.72±5.84）分，明顯高于正常對照組的（83.92±9.83）分（P＜0.05）。

2.4 兩組學生成績提高的百分比與學習滿意度的相關性分析

在實驗組中，學習滿意度均與成績提高的百分比呈正相關（r=0.856，r2=0.732，P＜0.01）。在對照組中，學習滿意度均與成績提高的百分比呈正相關（r=0.858，r2=0.737，P＜0.01），見圖 1。

3 討論

圖1 兩組學生成績提高的百分比與學習滿意度的相關性分析

本實驗性教學將3D打印技術和血管超聲成像巧妙地融合起來，成功地應用到日常的血管超聲教學工作中去。超聲醫學教學之所以不同于其他學科，是因為其教學手段往往需要依靠大量的生理、病理標本和圖像，這樣才能讓學生切實感受到人體真正的病理生理變化，才能達到“了解—熟知—掌握”的學習境界。現今社會的遺體捐贈工作還沒有普及開展，雖然現在有許多輔助教學標本模型，但其在真實度、器官結構方面與真實標本還是有很大差距的；同時設計輔助教學標本的人員也往往不是臨床一線醫生[9]，對于一些臨床重要的標志結構常常缺失，不能完全滿足現有教學要求[10]。

3D打印技術使實驗組學生的成績大幅提高（P＜0.05），學生學習滿意度大幅提高（P＜0.05），同時我們發現學習滿意度與學習成績的提高呈正相關（P＜0.01），且3D打印技術可激發學生的學習興趣，與之前研究的結果相類似[11]。學生接受3D打印模型教學后，獲得了學習自信，同時成績的提高也使他們獲得了成就感，學生對教學滿意使教師獲得了教學的成就感，形成了一種良性循環。

在醫學生學習超聲醫學時，3D打印技術具有獨特的優勢。（1）制作3D打印教學模具的材料類型多樣，可以直接顯示教具的內部結構，如血管模型可以直接觀察管腔內結構。（2）3D打印教具可以以數字的形式存儲，安全、成本低，且制作3D教具的PLA材料較一般教具的塑料材質更環保。（3）3D打印技術可以借鑒PBL教學經驗，結合PBL的影像數據，將抽象數據變成直觀形象的實體教學模具，豐富教學手段，增強教學的針對性和趣味性[12]。與傳統多媒體授課相比，3D打印模具更立體，激發了學生的學習興趣，夯實了解剖學知識，提高了學習效率。（4）3D打印教具的三維數據來源豐富，可同時結合PACS影像數據庫，極大地豐富了教具的種類，提高了學生對異常超聲圖像的識別能力。

綜上所述，將3D打印技術應用到血管超聲教學中，有利于提高學生對血管超聲圖像的識別能力，大幅度提高學生的學習成績和學習滿意度，在超聲醫學教學中的應用前景廣闊。

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