3D打印模型在腎臟腫瘤臨床情景教學(xué)中的應(yīng)用

干思舜，潘秀武，王 磊，葉劍青，崔心剛

海軍軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院泌尿外科， 上海 201805

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等高分子可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。3D打印(three dimension printing)模型是將虛擬的計算機(jī)輔助設(shè)計(computer-assisted design，CAD)模型快速、準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為具有一定功能的實物原型，并可對原型實物進(jìn)行試驗、評價的新方法[1]。3D打印技術(shù)可以讓抽象的醫(yī)學(xué)知識更加形象化，可以使學(xué)生更加容易理解，直觀生動地構(gòu)建空間，提高創(chuàng)造能力、創(chuàng)新能力，提升學(xué)習(xí)的樂趣。3D打印技術(shù)被《時代》周刊譽(yù)為2014年25項年度最佳發(fā)明[2]。

腎臟腫瘤屬于泌尿外科常見病，發(fā)病率有逐漸增高趨勢，長期以來腎臟腫瘤手術(shù)代表了泌尿外科手術(shù)最高的手術(shù)難度，腎臟腫瘤的大小和位置決定了手術(shù)治療方式的選擇，腫瘤和腎臟動脈、靜脈及輸尿管的比鄰關(guān)系決定了手術(shù)的風(fēng)險。尤其近年來腎臟腫瘤腎部分切除手術(shù)的比重逐漸增加，在傳統(tǒng)臨床教學(xué)中，學(xué)生更多的是機(jī)械地利用一些評分系統(tǒng)(如：R.E.N.A.L評分)對腎臟腫瘤進(jìn)行打分，再評估手術(shù)難度，很難迅速直觀地對不同腎臟腫瘤產(chǎn)生感性認(rèn)識，包括腫瘤的邊界、重要血管的保護(hù)及切除的范圍，很難短期內(nèi)激發(fā)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)積極性。在進(jìn)行3D打印教學(xué)時，可以充分發(fā)揮空間結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，引導(dǎo)學(xué)生不斷調(diào)整自己的學(xué)習(xí)方法[3]。為此，我們將3D打印的腎臟腫瘤模型用于臨床實習(xí)期間的情景教學(xué)，探討其對教學(xué)的影響。

1 對象與方法

1.1研究對象與方法

選取2015年11月至2018年3月海軍軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院泌尿外科規(guī)培的住院醫(yī)師及實習(xí)生80名，都是初次進(jìn)入泌尿外科病房，沒有泌尿外科專科學(xué)習(xí)經(jīng)歷。其中，男生60名，女生20名。隨機(jī)分成2組，其中實驗組40名，對照組40名。實驗組采用3D打印模型來介紹腎臟腫瘤的相關(guān)信息，對照組采用傳統(tǒng)的方法介紹腎臟CT及超聲等資料。兩組為同一個教師授課。

1.2 3D打印模型的制備及研究方法

調(diào)取該院泌尿外科行腎腫瘤手術(shù)(包括腎腫瘤根治術(shù)和腎腫瘤腎部分切除術(shù))的患者資料20份，獲取患者的三維CT掃描數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)通常是以DICOM(digital imaging and communications in medicine)格式保存，需要將其轉(zhuǎn)換成為3D打印機(jī)可以識別的格式。將DICOM文件用Philips IntelliSpace Portal V5.0.1軟件進(jìn)行三維影像重建，得到的STL(stereolitho gra- phy)格式文件通過計算機(jī)輔助設(shè)計CAD(computer-aided design)對STL文件中的缺陷和錯誤進(jìn)行糾正。最后，完善后的STL格式文件用軟件行數(shù)字建模后，使用FormlabForm1+3D打印機(jī)對腎臟模型進(jìn)行分色打印[4]。3D打印機(jī)通過逐層累加的方法構(gòu)建所需要的物體，并可以把腫瘤、動脈、靜脈、輸尿管及正常腎臟組織按照不同的標(biāo)記打印出來(如圖1所示)。實驗組授課教師按照3D打印模型對腎臟腫瘤的大小、邊界、與動靜脈血管關(guān)系、與腎盂的距離、與輸尿管的關(guān)系等進(jìn)行評估，并結(jié)合RENAL評分進(jìn)行再評估；而對照組采用傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)法對患者的病例資料進(jìn)行教學(xué)。

圖1 3D打印實物圖

1.3 效果評價

臨床教學(xué)結(jié)束后，對兩組的住院醫(yī)師進(jìn)行考核，內(nèi)容包括腎腫瘤的大小、腫瘤位置、腫瘤的生長方式(內(nèi)生性生長或外生性生長)、腫瘤與血管的關(guān)系、腫瘤與集合系統(tǒng)的關(guān)系、RENAL評分的準(zhǔn)確性及手術(shù)方式的選擇。總分100分，85分以上為優(yōu)秀，70～85分為良好，70分以下為一般，分別進(jìn)行兩組間的比較；另外，考核結(jié)束后發(fā)放調(diào)查表，以不記名方式填寫，學(xué)員對于授課情況的滿意度也進(jìn)行評價(評價標(biāo)準(zhǔn)：不滿意1分、不太滿意2分、一般3分、較滿意4分、非常滿意5分，共5個評價等級。得分越高，說明滿意度越高)。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

2 結(jié)果

兩組學(xué)員在年齡、性別、學(xué)歷、既往成績等方面進(jìn)行比較，無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)，具有可比性。實驗組在腎臟腫瘤3D打印模型的情景教學(xué)下考核成績優(yōu)、良、差分別為18、18、4，而對照組分別為15、15、10，兩組間優(yōu)秀率及良好率的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義；實驗組在學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率、教學(xué)手段評價、綜合能力培養(yǎng)及總體評價方面和對照組相比均有不同程度提高(P<0.05)(如表1所示)。

表1 兩組住院醫(yī)師及實習(xí)醫(yī)師學(xué)習(xí)效果的比較

3 討論

3D打印快速成型技術(shù)在近年來快速發(fā)展，并迅速進(jìn)入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。3D打印模型在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用最早、最廣泛的是在骨科，也積累了一些經(jīng)驗。在泌尿外科的應(yīng)用起步較晚。2014年在瑞典舉行的歐洲泌尿外科年會上，就有外科醫(yī)師提出使用3D打印技術(shù)可以制作出腎臟腫瘤模型，此模型用于外科手術(shù)的培訓(xùn)及演示，取得了很好的效果。目前，3D打印技術(shù)在不斷進(jìn)步，先利用CT對腎臟進(jìn)行3D掃描，影像數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理后傳輸?shù)?D打印機(jī)，利用一些高分子材料作為原料，3D打印的模型就可以制作出來。如果在這個模型上能清晰地看到腎臟腫瘤、血管走向及比鄰關(guān)系，就可以為情景教學(xué)帶來極大的幫助。

3D打印的主要目的是將抽象的概念轉(zhuǎn)換成客觀有趣的存在，讓學(xué)員更容易掌握抽象的理論知識。3D打印的腎臟模型除了有助于手術(shù)操作外，還可以作為可視化教具和學(xué)具，一定程度上改進(jìn)了教學(xué)方式。原來的教學(xué)場景下，教師多使用語言和圖片描述教學(xué)內(nèi)容，多媒體課件中展示的教學(xué)內(nèi)容模型也無法使學(xué)生直接接觸和觀察教學(xué)實體對象，缺少形象直觀的立體教具。而且教學(xué)工具和儀器一般由專門的教學(xué)設(shè)備制作機(jī)構(gòu)制作發(fā)行，更新慢。3D打印則提供了更多的創(chuàng)造空間，帶教教師可以參與制作和打印教具，以有形的三維格式展示教科書中的二維信息，并可設(shè)計一些個性化的教學(xué)模型以適應(yīng)教學(xué)內(nèi)容的要求并在課堂上展示。學(xué)生也可以觀察、觸摸和組裝這些教具，這種方式顯然比原來的教學(xué)效果更好[5]。

醫(yī)學(xué)生的動手能力是實踐學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，在動手能力的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步發(fā)展其研究能力和創(chuàng)新能力，可以通過參與到腎臟3D模型的設(shè)計和打印中來，將抽象設(shè)計概念帶入現(xiàn)實世界，有效地激發(fā)其實踐的積極性，提高學(xué)習(xí)熱情，營造更愉快的學(xué)習(xí)體驗。

隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)的發(fā)展，3D打印模型為解決臨床與科研難題提供了巨大的便利[6]。3D打印模型始終貫穿整個臨床診療過程，從醫(yī)患溝通、專科診斷、術(shù)前規(guī)劃模擬，再到術(shù)中精確的導(dǎo)航與術(shù)后宣教，該模型均引領(lǐng)臨床醫(yī)學(xué)向個性化、精確化、微創(chuàng)化及高效化方向快速發(fā)展。同時，3D打印腎臟模型不僅可以解決尸體標(biāo)本來源不足或反復(fù)操作導(dǎo)致標(biāo)本損壞等問題，而且可以模擬手術(shù)操作，提高醫(yī)學(xué)生及年青醫(yī)師的積極性、主動性和創(chuàng)造性，大大縮短腎臟手術(shù)的學(xué)習(xí)曲線。

3D打印技術(shù)雖然在教育領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，但是在未來的發(fā)展中有一些方面仍然需要進(jìn)一步的思考和持續(xù)探索。首先，3D打印機(jī)器的軟件和硬件配置比較高，3D打印的腎臟模型材料價格相對比較昂貴，增加了患者及政府的負(fù)擔(dān)，為該項技術(shù)的普及帶來了困難；其次，“以教帶學(xué)，以學(xué)促教”，3D打印技術(shù)相對比較復(fù)雜，帶教教師更需要從技術(shù)和教學(xué)設(shè)計等層面進(jìn)行學(xué)習(xí)和提高，否則不能發(fā)揮出該項技術(shù)的全部優(yōu)勢；最后，全球的醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域發(fā)生著革命性的變化，我們只有不斷地對原有的教學(xué)課程進(jìn)行改革和創(chuàng)新，才能順應(yīng)時代變化，才能創(chuàng)造出更多的醫(yī)學(xué)創(chuàng)新性人才，才能在未來的競爭中保持優(yōu)勢。

結(jié)合該項研究我們發(fā)現(xiàn)，腎臟腫瘤3D打印模型在臨床情景教學(xué)中具有明顯的優(yōu)勢，可以提高學(xué)員的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)興趣，提升優(yōu)良率，最終提高學(xué)員的綜合能力，同時，該教學(xué)方式及手段也得到學(xué)員的充分肯定，值得進(jìn)一步推廣。