3D打印模型在心脏外科临床实践教学的应用

周伟 杨敏 桂莹晶 钱红波 张大发

[摘要] 目的 评估3D打印模型在心脏外科临床实践教学中的应用效果。方法 选取2017年1—7月在心脏外科轮转的60名临床医学本科实习生为教学对象，随机分为教学实验组和对照组。对照组30名采用传统教学方法，结合CT三维重建图片及心脏彩超讲解典型心脏外科病例的基本病因及疾病分型和病理生理过程，教学实验组30名在上述传统教学方法的基础上增加了3D打印心脏模型用于实践教学。科室轮转结束后对两组学生进行考核，试卷分3个部分：解剖学标志、疾病分类和治疗方式，并进行教学满意度问卷调查。采用SPSS 18.0统计学软件进行两组间t检验分析。结果 解剖学标志，疾病分类和治疗方式3个部分，教学实验组得分都高于对照组，但组间差异无统计学意义（P>0.05），教学实验组总分高于对照组，差异有统计学意义（t=2.368，P<0.05）。教学实验组评价得分高于对照组，结果差异有统计学意义（t=2.325，P<0.05）。结论 在心脏外科本科临床实践教学中应用3D打印心脏模型是可行的。

[关键词] 教学模式;心脏外科;3D打印;临床实习

[中图分类号] R-4 [文献标识码] A [文章编号] 1672-5654（2018）12（c）-0136-02

心脏外科是外科临床教学的重要组成部分，然而由于心脏大血管解剖及血流动力学机制较为复杂，学生普遍认为相关教学内容晦涩难懂或一知半解。即使是外科学研究生或低年资心脏外科医师也很难完全理解心脏畸形的病理生理过程及手术相关解剖特点。近几年来国内部分学者将3D打印模型应用于临床教学中，克服了传统辅助检查无法提供直观三维病理解剖的缺点，取得了令人满意的临床教学效果[1-3]。笔者从2015年开始学习制作3D打印模型，并且将其用于心脏外科本科临床实习教学中，取得了明显的教学效果。报道如下。

1  对象与方法

1.1  研究对象

选取2017年1—7月在弋矶山医院心脏外科轮转的60名临床医学本科实习生为教学对象。

1.2  3D打印模型制作

根据典型心脏大血管病例，从该院PACS系统（picture archiving and communication systems）中调取该患者的CT断层扫描DICOM格式数据，进行三维立体模型重建并生成STL（stereolithography）格式文件，使用CAD（computer-aided design）对获取的STL文件进行校正和纠错。将处理完善后的STL文件输入3D打印机中，打印1：1等比例心脏模型。

1.3  研究方法

采用随机双盲抽签法，从60名学生中抽取30名作为实验教学组，其余30名学生作为对照组，将教学实验组与对照组进行对比研究。

1.4  对照组的教学实施

講解典型心脏外科病例的基本病因、解剖学标志、疾病分类和病理生理过程及治疗方式，结合CT三维重建图片及心脏彩超，教学医生绘制示意图详细讲解剖特点，教学生识别重要的解剖标志。

1.5  教学实验组的教学实施

基于上述传统临床教学方法，使用准备好的典型病例，提供相应的3D打印心脏疾病模型，授课教师根据模型来讲解上述授课知识点，在模型上讲解相关解剖标志的识别，通过典型病例来分析疾病分类及治疗方式。

1.6  教学效果评价

在实习生结束心脏外科室实习的最后一天进行相关理论考核，内容主要为典型病例的解剖学标志、疾病分类及治疗方式。在出科后第1天发放教学满意度问卷调查表给两组实习生，让学生予以评价打分。问卷调查表满分为10分，分值越高体现学生对教学效果满意度越高，主要内容包括教学形式的灵活性、理解难易度、师生互动性等方面，并附有详细的评分细则，以纸质版形式发放，由教学秘书回收保存。

1.7  统计方法

数据结果采用SPSS 18.0统计学软件分析处理。平均数±标准差（x±s）表示对照组和教学实验组学生考试成绩及满意度调查结果，组间比较使用t检验（双侧检验），P<0.05为差异有统计学意义。

2  结果

2.1  两组学生考试成绩结果及组间比较

在考试所包括的3个部分，即解剖学标志，疾病分类和治疗方式，教学实验组得分高于对照组，但组间差异无统计学意义（P>0.05），教学实验组总分高于对照组，差异有统计学意义（P<0.05），见表1。

2.2  教学满意度评价

教学实验组教学满意度评分均值为（8.7±1.2）分，对照组评分结果为（7.2±0.8）分，教学实验组评价得分高于对照组，结果差异有统计学意义（t=2.325，P=0.015）。

3  讨论

传统心脏大血管外科传统临床实践教学主要采用心脏彩超、胸部CT及病例文字描述等教学方法，内容比较单一，学生兴趣不高。对于本科实习生来说，心脏及其瓣膜和周边相连的大血管的解剖是主要难点所在，同样是诊疗各种心脏畸形的基本功。虽然学生在校学习过系统解剖学和局部解剖学，有一定的解剖学基础，但缺少对立体空间结构的认识和想象，特别是比邻关系。普通的教学模型无法完全显露一些重要的解剖标志，比如冠状动脉窦，而且难以模拟心脏畸形，所以学生不能很好地学习各种疾病条件下的病变模型，进而对其病理生理过程一知半解。教学方法的革新显得尤为重要。随着超声技术的不断发展，医生对于结构性心脏病的认识也不断提高，思维也得到很好的锻炼。但超声产生的只是2D图像，心脏是三维立体结构，这种结构畸形的理解需要很大程度上依靠超声科医生的空间想象能力，低年资的医生往往无法完全领悟，需要坚实的心脏解剖学基础及多年的临床工作锻炼。对于同样一位患者，不同的超声科医生可能得出不同的心脏畸形诊断，临床手术指征的把握及手术方案的制定都受到严重制约，继而在教学活动中也无法实现同质化标准化教学目的。

3D打印技术是通过应用计算机进行实物模型的三维立体重建，使用塑料或金属粉末进行粘合材料的数字化逐层积累，在立体结构上精确进行还原重塑。随着科学的发展，3D打印成本也在不断降低，使得医务工作者可以利用三维立体模型来进行解剖、模拟手术的过程及进行相关的临床教学[4-5]。部分国外专家开始将其运用于心脏疾病的诊疗，比如风湿性心脏病瓣膜置换和成形[3，6]、各种复杂先天性心脏病及心脏肿瘤[3，7]。杨延坤等人[8]开始尝试将3D打印技术运用于国内心脏大血管疾病的诊断及治疗中，取得了良好的治疗效果。国内学者将3D打印带入临床教学当中，取得了较好的教学成果[1-2]，该研究团队开始逐步探索3D打印模型用于心脏外科临床教学，而且研究中使用标准化典型病例，使得不同的学生可以学习相同的典型病例，达到同质化教学的目的。研究表明使用新的教学方法后学生的成绩得到了明显提高，教学满意度调查提示广大学生更加喜欢3D模型教学，容易使学生理解关键解剖结构及病理生理过程。

由于3D打印心脏模型制作过程需要熟练运用相关图像处理软件，而且需要具备一定的计算机知识，因此对临床教学研究者有一定的门槛要求，不利于教学方法的全面施行。尽管目前打印费用较前明显下降，但考虑到教学成本，目前仍多用于常见病的临床教学。

综上所述，在心脏外科本科临床实践教学中应用3D打印心脏模型是可行的，值得借鉴推广，但各个临床科室应该制定本学科的常见病种的教学病例供学生学习。

[参考文献]

[1]  阮敏，季彤，张陈平.3D打印技术在口腔颌面-头颈肿瘤外科教学中的应用[J].上海口腔医学，2016，25（6）：762-765.

[2]  张敏，李庆元，王玮.3D打印在泌尿外科临床与教学中的新进展[J].中华泌尿外科杂志，2018（5）：395-400.

[3]  Oneill B， Wang DD， Pantelic M， et al. Transcatheter Caval Valve Implantation Using Multimodality Imaging ： Roles of TEE， CT， and 3D Printing[J].Jacc Cardiovascular Imaging，2015，8（2）：221-225.

[4]  葛宏偉，张弋，李宁忱，等.3D打印技术在肾肿瘤手术规划中的应用研究初探[J].中华泌尿外科杂志，2014，35（9）：659-663.

[5]  卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，42（4）：1-4.

[6]  Maragiannis D， Jackson MS， Igo SR， et al. Replicating Patient-Specific Severe Aortic Valve Stenosis With Functional 3D Modeling[J].Circulation Cardiovascular Imaging，2015，8：e003626.

[7]  Bauch T， Vijayaraman P， Dandamudi G， et al. Three-Dimensional Printing for InVivo Visualization of His Bundle Pacing Leads[J].American Journal of Cardiology，2015，116（3）：485-486.

[8]  杨延坤，郑宏，徐争鸣，等.3D打印技术辅助下经导管封堵主动脉窦瘤破裂一例[J].中国介入心脏病学杂志，2014，22（2）：135-136.

（收稿日期：2018-09-26）