3D打印技术在医学教学中的应用探索

张凯玥 薛春源 张桐桐 石河子大学医学院，新疆石河子市 832003

3D打印(Three dimensional printing，3D printing)技术最早起源于20世纪80年代[1]，是“第三次工业革命”的代表性技术，它是一种将计算机数字模型文件作为数据源，利用金属材料、高分子塑料、生物细胞、环氧树脂、光敏聚合物等材料来构建物体的快速堆砌成型技术。相较于传统的生产方法，3D打印是一种利用计算机辅助设计(Computer-assisted design，CAD)创建三维立体结构，通过软件将三维立体数据分层标记，将3D数据转化为2D切片数据并形成文件输入打印机。3D打印机利用一系列材料通过选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积建模(FDM)、Polyjet印刷等技术逐层铺设，最终构建出实体模型。

从1986 年Charles W. Hull 成功开发了第一台商业 3D打印机到如今[1]，3D打印技术早已在军事、航天、建筑、医疗领域得到了广泛的应用。通过3D打印技术，人们可以轻松地通过数字化的形式构建结构复杂，生产难度大且无大规模生产需要的产品，通过高分辨率的3D打印机打印出来。

尤其是在医学领域，几乎人体解剖的每一部分都可以利用3D打印技术制作模型。除此之外，打印临床上一些罕见病例患者的特定解剖模型，用于记录或术前会诊讨论，用以提高手术精确度和成功率；打印患者特定的医疗硬件，如植入物、假肢、外科夹板、手术器械；制作特殊的医学教学用品，都能够通过高分辨3D打印机制作完成。此外临床上使用的Cone Beam CT、CTA、MRA、PET、三维超声心动图、3D激光扫描系统，甚至iPhone手机上捕获的图像都可以作为数字化的源文件，进而制作相应的3D打印成品。

1 3D打印技术和本科基础医学教育

作为本科教学的基础学科，《解剖学》课程十分依赖大体标本进行理论知识的学习和解剖技能的训练。然而随着现代社会的发展，可供使用的尸源越来越少,再加之解剖学技能的训练本身对大体标本是一种破坏性操作，很多标本在新生进行操作后无法二次利用，这充分暴露了大体模型在教学过程中的局限性。值得一提的是，传统的尸体通常需要经过甲醛(福尔马林)固定和保存。福尔马林对人体黏膜具有较强的刺激性，直接接触还可能引发过敏反应。甲醛(福尔马林)同时也被认为是一种“可疑的致癌物质”，任课教师与学生长时间暴露在甲醛的气溶胶当中极易损害健康。

而3D打印技术可通过真实的三维人体数据，构建出极高仿真度的3D模型，替代传统的大体标本。3D打印模型应用在解剖教学当中，不仅能够激发出学生们的学习兴趣，同时3D打印模型能够更真实地显示内部器官和精细的组织结构。我们可以将人体内精细的结构如听骨链、耳蜗、半规管等比例放大进行显示，直观生动。在一项随机对照试验的研究中，Lim等人[2]进行了3D打印与大体标本学习心脏解剖的比较。他们将学生分为三组，一组利用3D打印模型进行学习，一组使用大体标本，最后一组将两种方法结合运用，结果显示依靠3D打印模型学习的学生在结课成绩上并没有低于传统教学。

在另外一些基础学科如《病理学》《免疫学》《病原微生物学》的教学当中，3D打印产品同样能够为教学模型的丰富提供很好的技术支持。在传统的教学当中，对于一些复杂的免疫机制，独特的组织病理状态，精细的病原微生物结构，往往依赖于flash动画或者是ppt演示的方法进行课堂教学，对学生而言并不能形成很直观的认识，教学效果有限。但是通过3D打印技术，医学院校可以通过现有的数据个性化的打印出所需要的教具。在医学教学中，胎儿、婴幼儿的解剖学标本十分的稀有和珍贵。英国学者创新性地利用了核磁共振技术对死去的胎儿、婴幼儿进行扫描，并应用 3D 打印技术成功制作了 6～30 周胚胎，婴幼儿，以及他们的器官的解剖模型[3]，极大地丰富了教学资源。 孔金海等人[4]将3D打印技术创新性的应用在八年制本科教学当中，并进行对照实验，实验结果显示学生们在3D打印技术支持的情景教学下对肿瘤结构、动静脉情况、神经穿经结构和肿瘤的侵袭等知识点的认识和掌握程度明显高于对照组。

此外，在“肾病综合征”章节的教学当中，3D打印的肾小球滤过膜结构以及不同病理状态下的免疫复合物沉积状态，能够帮助学生更好地了解疾病的发生过程。在《病原微生物》的教学当中，有针对性的制作如冠状病毒、霍乱弧菌等微生物的3D模型，也能够更好地帮助学生了解其内在结构和感染机制，调动学生兴趣，提升教学效果。

2 3D打印技术和本科临床医学教育

2.1 临床学科教学 在本科临床学科当中，最适合应用3D打印技术进行临床教学的当数《外科学》中的“骨科”。在传统教学活动中，像在“髋关节脱位”“胫骨平台骨折”“肘关节脱位”这样的章节的教学当中，尽管借助课本示意图、X线摄片、CT及MRI影像学的辅助，很多学生对骨折的分型分度，位移与周围结构的关系仍然不能形成很直观的理解，知识点记忆较慢。通过利用螺旋CT平扫采集临床上相关患者的图像导入3D打印机中，利用选择性激光烧结(SLS)技术打印出相应局部结构的1∶13D打印模型，进行临床课程教学。不仅可以直观形象地展示相关疾病的特点，更能够通过还原脱位过程向学生讲解相应临床特有体征的出现原因，例如：髋关节后脱位时病人为何会出现患肢缩短，髋关节屈曲，内收、内旋畸形。此外，在“肱骨干骨折”“肱骨髁上骨折”这样的章节中，利用3D打印技术构建的3D模型能够更形象地阐明相关神经、血管与骨的毗邻关系，对不同类型骨折产生的神经、血管损伤的知识点讲授更加详细，能够帮助学生快速记忆知识点，提高课程认识。

《耳鼻咽喉头颈外科学》是研究耳鼻咽喉与气管食管以及头颈部诸器官的解剖生理和疾病现象的一门科学。这一区域内的解剖结构十分精细，较多的腔隙、孔洞相互毗邻且关系复杂，很难通过直观的方法让学生了解学科所涉及的器官以及基本操作。少数教学医院通过应用耳鼻喉内窥镜技术积累下来的影像资料进行教学，一定程度上解决了临床见习无法直观的了解相关技能操作的弊端，但仍然存在着相关解剖结构了解不到位，对精细结构与周围组织整体关系把握不到位的问题。通过现有的3D技术构建“中耳仿真模型”“咽淋巴环模型”“喉腔精细解剖模型”等解剖模型，将晦涩的理论知识形象直观地展示给学生。此外，用不同颜色的材料构建血管、神经走行的3D打印模型，有助于加深学生对“鼻出血”“化脓性中耳炎并发症”等临床疾病的认识。由此可见，利用3D打印技术构建模型进行本科临床医学的教育，相较传统的教学方式而言更加的直观且能够引起学生兴趣，增加知识点的理解和记忆的深度。

在另外一些学科中如《内科学》的“循环系统疾病”中，3D模型能够很好地构建出特殊疾病状态下的心脏结构。Saunders等人[5]利用3D打印技术将1例罕见的结构性心脏病合并冠脉畸形的标本进行了MRI数字采集，并利用计算机虚拟 3D 技术进行了重建，通过3D打印机打印出了罕见异常结构的心脏模型用于临床教学。这一方式也在很大程度上弥补了传统影像学不能够很直观立体的显示内脏畸形病变的局限性，开创了教学新模式，新方法。

一些传统的心脏疾病如“法洛四联症”“动脉导管未闭”“主动脉夹层”“主动脉假性动脉瘤”等，以及颅内血管的畸形病变，也同样可以被先进的3D打印技术构建出来，让学生有机会更直观地了解结构性心脏病的血流动力学变化，不同的颅内血管所支配的脑功能区，提升教学效果，丰富教学形式。

2.2 临床基本技能操作 临床基本技能操作，是一名医学本科生向一名医生转变的重要教育实践环节，在医学本科教育中具有举足轻重的地位。在传统的技能课教学环节，教师往往是通过操作注意事项讲解，多媒体教学视频学习，模型动手操作，反馈与总结这样的教学模式来开展。但实际教学环节当中，临床基本技能操作环节往往受制于模型的质量和低仿真度，有些操作甚至无法采购到相应的模型供学生操作。学生在使用模型练习的过程中很难掌握操作要点，模型的低仿真度也在很大程度上削弱了学生的积极性。

使用3D打印技术能够通过选择材料，打印出高仿真结构的操作模型。且可以对操作部位进行模块化打印处理，只需更换操作模块即可更新模型，避免了模型损耗带来的经济成本。

利用热塑性弹性体(Thermo plastic elastomer，TPE)材料打印仿真皮肤，丙烯腈—丁二烯—苯乙烯(Acrylonitrile-butadiene-styrene，ABS)打印颅骨，混合硅胶和明胶打印组织和脏器，制作高仿真的技能操作模型供学生进行训练。虽然打印的模型与实际尚有一定差距，但相较于传统模型来说种类更加丰富，仿真程度更高。更容易让学生掌握操作要点，体会技能操作的感觉，增强学习的主动性。

3 展望

3D打印技术凭借其高仿真、高分辨的优点精确再现人体的解剖结构，将很多组成精细，结构复杂的亚临床结构、病理状态直观的展示出来，拥有着传统医学教学模式所无法比拟的优势。同时，通过现有的CT、MRI等技术采集临床患者信息与3D打印技术相结合，个体化地将很多罕见的病变打印保存，用作术前讨论或是临床教学，大大加深了学生的学习兴趣。在临床基本技能操作的教学过程中，3D打印技术提供的高仿真度操作模型，也为学生更熟练掌握操作要点提供了保障。近几年来随着3D打印新材料的不断突破，具有与人体组织结构高相似度的材料不断被应用，但是3D打印仍然存在着成本略高，产品质量良莠不齐的情况。未来，高性价比的3D打印技术被广泛地应用于医学教育、临床医疗指日可待。