3D打印技术在医学形态学教学中的应用展望

刘　锐，吴春云，李晓文，俞志成，杨丽娟，钱忠义昆明医科大学：基础医学院实验教学中心；解剖学与组织胚胎学系，昆明　650500



3D打印技术在医学形态学教学中的应用展望

刘锐1，吴春云2，李晓文2，俞志成1，杨丽娟1，钱忠义1
昆明医科大学：1基础医学院实验教学中心；2解剖学与组织胚胎学系，昆明650500

【摘要】：医学形态学是重要的医学基础课，课程要求学习者要通过大量的人体标本掌握正常人体的组织结构、病变组织的结构特征和变化，以便为将来学习临床课程，更好地服务于患者打下坚实的基础。但尸体剖验受传统观念等客观因素的影响数量减少，加上医学形态学标本的陈旧等问题，影响了医学形态学的教学质量。随着3D打印技术的出现和日渐成熟，给医学形态学的教学带来了新的契机。

【关键词】：3D打印；医学形态学；医学教育

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201602005

随着科技的发展及医疗技术水平的不断提高，曾经的一些多发病，如胆道蛔虫、乙脑等疾病得到了有效的预防和治疗；然而，随着环境和生态的变化，又有诸如SARS、MERS等新病毒引发的疾病不断被发现。受一些传统观念等客观因素的影响，尸检病理解剖数量的减少，遗体捐赠者的缺乏，使医学形态学的教学标本显得异常的稀缺和珍贵，一定程度上制约了医学形态学实践教学的发展，影响了教学效果。在此种情况下，我们思考是否能找到一种有效办法以解决标本数量减少与保障教学效果之间的矛盾。

1　医学形态学课程实验教学的现状

就我们形态实验教学中心而言，陈列室馆藏组织胚胎学和病理学大体标本有4 000余件［1］，其中，涵盖了标本数量较多的脂肪肝、胃溃疡，也包括了一些罕见疾病的大体病理标本，如大叶性肺炎、风湿性心肌炎、肠伤寒，这些均为实验教学中心几十年以前收集的。按照教学大纲要求，需要学习掌握、可用于示教的典型标本约800件。但随着医疗水平的不断提高，医疗保健体系的不断完善，据《2013年中国卫生统计年鉴》数据显示，1990年以来，新生儿死亡率、婴儿死亡率和5岁以下儿童死亡率呈下降趋势［2］，因此，实验教学中心从发育六周到足月的人胚及胎儿标本近15年来没能得到有效补充，而类似无脑儿、脊柱裂和脑积水等发育异常的标本，由于日趋完善的产前筛查和预防保健制度更显得弥足珍贵［3］。

就目前的教学情况来看，医学形态学实验室承担着病理学和组织胚胎学繁重的实践教学任务，其中组织胚胎学实践课共有56个教学标本需要课堂教学；病理学实习课共有105个大体标本需要学生学习掌握。每个学年有22个5年制本科教学班，2个全英文留学生班。2013年共有学生1 680人，2014年2 063人，2015年学生人数增加到了2 207人，每个教学班近百人，而在实习课教学时，每个教学班又分为32人的实验教学班3～4个。以病理实习课为例，相对典型的示教标本平均每32人只有2.5个，一个示教标本周围至少有12名学生观察学习。而且多数情况下由于病种稀少和标本陈旧破损、老化等客观因素，同时又不能顺利地获取新的标本进行补充，导致标本严重稀缺。为保证相对较好的教学质量，根据现有条件，虽然已把超百人的普通教学班级分为了32人的形态学实践课教学班，但二三十个学生围看一个标本的现状实属常见。医学形态学的学习目的就是要让医学生通过这些实物标本，学习掌握人类器官、组织结构的异常和变化，可不断增多的学生人数和标本缺乏的现实，严重影响了教与学的效果。

2　3D打印技术在医学领域应用的现状

3D打印技术起源于20世纪90年代的美国，根据其特点也被称为急速成型技能（rapid prototyping manufacturing）［4］。从名字不难看出，这项技术具有加工速度快、产品生产成本低、生产周期短、加工精密度高等特点［5-6］。因此，该技术从诞生到现在，短短20年左右的时间，已在考古、博物馆管理、工程设计、工业制造、食品加工、生物工程、国防和医学领域等诸多方面得到了应用［7-8］。

随着3D打印技术的发展，在整形领域、组织工程领域、医学设备领域以及医学模型制造领域都逐渐显现出了强劲优势。

在国外，Igami等［9］通过3D打印技术，打印出了需要实施手术的肝脏模型，通过该模型对其肿瘤所在空间位置和周围血管等的结构、解剖关系进行直观了解和熟悉，经过实际手术实践发现，借助3D无差别化医学形态学模型，了解到了术中B超未能发现的微小肿瘤，很好地指导肝切除手术的进行。Chapron等［10］通过患者的CT及MRI数据，利用3D打印技术制作出了患者的无差异化心脏形态学模型，了解接受手术患者心脏的血供及构造情况，指导手术顺利进行，并发现3D无差异化模型比心脏超声检查提供的信息和手术指导更直观、更直接，更具有指导意义。在国内，马立敏等［11］利用3D打印技术辅助颈椎高位多节段脊索瘤手术也取得了成功。并且他们在实践中发现，通过3D技术打印的无差异化形态学模型来辅助手术，可以通过形态学模型直观的制定术式，使得手术精确度更高，同时还具有手术时间短、出血少等优点。此外，2013年，Faulkner-Jones等［12］开展的实验显示，以细胞为基础的打印机可以打印出胚胎干细胞，并具有活性，而且保持着分化潜能。

3　3D打印技术在医学形态学课程中的现状与展望

在国外，早在2010年Schievano等［13］通过MRI对6～30周期间死亡的胚胎进行数据采集，利用3D打印技术打印出了相应的复制品模型。2014年McMenamin等［14］将3D打印技术应用到了解剖学中，他们通过高精度的64排CT对标本扫描进行数据采集，利用CAD及其他数据分析软件，对扫描所获得的形态学标本数据（包括血管、神经在内）多层次建模，并以塑化剂为材料，利用3D打印机成功复制出了人类手的标本。他们认为，应用3D打印技术能精确、快速地复制并再现的稀有形态学标本，将在病理学，解剖学、胚胎学的教学中发挥重要的作用。在国内，除了马立敏等［11］少数学者将3D打印出的形态学模型用于术前讨论和制订手术方案外，3D打印技术在基础医学形态学教学中的应用还未见报道。

就昆明医科大学基础医学院实验教学中心实际情况而言，无论是人胚胎正常或异常的胎儿标本，还是各种病理大体标本，都属于稀缺教学资源。原有标本的老化和破损，以及不断增长的接受教育的需求，更让这些形态学标本愈显珍贵。

通过上面的例子我们可以看出，如今已经能够在0.01 mm单层厚度上实现600dpi的精细分辨率的3D打印技术［8］，在生物医学领域和临床实践中得到了很好应用，并显现出了不可替代的优势。那么，3D打印技术应用到医学形态学课程的实践课教学中，必将显现出其强大优势。

首先，我们可以通过3D打印技术和相应的3D扫描技术，对现有的形态学标本进行采样，一来可以对类似于人胚和胎儿这些现有的经典标本进行数字化管理，便于保存；二来可以快捷地复制出教学标本，以提高人均拥有的经典形态学标本数量，让学生有更多机会更真实、更直接地接触到这些典型标本，以便进行更直观的学习。与此同时，还能改善教学环境，减少接触福尔马林的机会。

其次，由于3D打印技术除了具有精度高、成型速度快的特点，还具有可缩放的优点［15］。我们设想可以把类似于半规管、锤骨微小结构等比放大，以方便观察学习，也可以通过相应的仿生材料等比放大打印出诸如肾小球的结构，通过实验直观地理解肾小球的滤过作用。

再次，通过CT、MRI数据，依托3D打印技术及其优点，可以快速地打印出病例实体形态学标本，方便学习共享。例如：Saunders等［16］借助3D打印技术将罕见的一例心脏结构畸形合并冠脉病变的标本进行了比CT、MRI更为直观的计算机虚拟3D重建。此项技术不仅为最佳的手术方案选择提供了依据，同时还是年轻医师和医学生很好的学习教具。

由于通过CT和MRI采集的标本数据成本较高，并且采集的数据里不包含颜色数据；另外，打印材料的选择存在局限，就算是用制作标本常用的塑化剂也很难让复制品标本达到与真实形态学标本的触感无差异［14］。这些问题还有待继续研究和解决。我们相信，随着科技的不断创新和进步，这些问题将一一化解，未来通过3D打印技术快速制作出的具有真实触感和真实色彩的精致形态学标本，将更具教学价值。

医学形态学中的解剖学、组织胚胎学以及病理学，等，是现代医学教育及医学发展的难点和重点。我们相信，随着3D打印机的成熟与普及［17］，可以缓解学生人数增加和标本减少问题之间的矛盾，同时对提高医学形态学课程教学质量将起到重要作用。3D打印技术快速打印出来的高精度、等比、无差异化的医学形态学标本，能解决标本不足导致学习者不能细致观察的问题；通过与附属医院影像科的CT、MRI数据共享，依托3D打印技术打印出来的标本解决了标本陈旧的问题；3D打印技术与具有打破优质教学资源分配不均和不受地域、时间限制等优势的MOOC教学模式相结合［18］，将更加丰富教学资源，同时诸如心脏结构畸形合并冠脉病变这样的罕见标本也能很快与医学生分享。

由于人类的个体差异，生存环境的变化，每种病例会存在很多亚型。因此，医学是一个需要不断学习的学科。基于3D打印技术在医学形态学的应用，不仅仅能更好地服务于学习基础知识的医学生，还能为医师更好地继续学习提供保障，并且该技术还能提高学习效率，提升学习容量，也为医师更好地运用医学形态学知识服务于病患，提供了一个重要的学习和研究平台。

参考文献

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［2］谢幸，苟文丽.妇产科学［M］.8版.北京：人民卫生出版社，2014：10

［3］中国国家卫生和计划生育委员会.2013中国卫生统计年鉴［EB/OL］.http://www.nhfpc.gov.cn/htmlfiles/zwgkzt/ptjnj/year2013/index 2013.html，2014-04-26

［4］Evans B.解析3D打印机：3D打印机的科学与艺术［M］.北京：机械工业出版社，2014：1-24

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［6］张海荣，鱼泳.3D打印技术在医学领域的应用［J］.医疗卫生装备，2015，36（3）：118-120

［7］Time Owens.7things you should know about 3D printing［EB/OL］.http://net.edueause.edu/ir/library/pdf/ELI7086.pdf，2012-07-10

［8］王博.浅谈3D打印技术的发展与应用［J］.机电技术，2014 （5）：158-160

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［10］Chapron J，Hosny H，Torii R，et al.Lessons from patientspecific 3D models of the cardiac chambers after the Mustard operation［J］.Glob Cardiol Sci Pract，2013（4）：409-415

［11］马立敏，张余，周烨，等.3D打印技术辅助颈椎高位多节段脊索瘤手术［J］.中国数字医学，2014，9（6）：67-70

［12］Faulkner-Jones A，Greenhough S，King J A，et al.Development of a valve-based cell printer for the formation of human embryonic stemcell spheroid aggregates［J］.Biofabrication，2013，5（1）：13-15

［13］Schievano S，Sebire NJ，Robertson NJ，et al.Reconstruction of fetal and infant anatomy using rapid prototyping of postmortem MR images［J］.Insights Imaging，2010（1）：28I-286

［14］McMenamin PG，Quayl M Re，McHenry CR，et al.The Production of Anatomical Teaching Resources Using Three-Dimensional（3D）Printing Technology［J］.Anato Sci Edu，2014 （6）：1-7

［15］Torres K，Staskiewicz G，Sniezynski M，et al.Application of rapid prototyping techniques for modelling of anatomical structures in medical training and education［J］.Folia Morphol （Praha），2011（70）：1-4

［16］Saunders A B，Winter R L，Griffin J F，et al.Surgical management of an aberrant left subclavian artery originating from a left patent ductusarteriosus in a dog with a right aortic arch and abnormal branching［J］.J Vet Cardiol，2013（15）：153-159

［17］龙舟.我省首批3D打印机下线［N］.云南日报，2015-09-21（1，4）

［18］罗爱民.MOOC对高等教育的影响分析［J］.中国科教创新导刊，2014（8）：145-146

电话：13211626516；E-mail：qzhyqzhy@163.com

Prospects of 3D printing technology applied in medical morphology teaching

Liu Rui1，Wu Chunyun2，Li Xiaowen2，Yu Zhicheng1，Yang Lijuan1，Qian Zhongyi11Experimental Teaching Center of Basic Medical Sciences；2Department of Human Anatomy，
Histology & Embryology，Kunming Medical University，Kunming 650500，China

【Abstract】：Medical morphology is an important basic medical course.Students should gain understanding of the structure of normal human body as well as structural characteristics and changes in pathological conditions by studying many human specimens so that they can lay solid foundation for future studying of clinical courses and serving patients better.However，autopsy is practiced less and less due to the influence of the traditional concept.The quality of medical morphology teaching is also affected by the old medical teaching methods.The appearance and maturity of 3D printing technology bring new opportunities for medical morphology teaching.

【Key words】：3D printing；medical morphology；medical education

通信作者：钱忠义（1973-），男，昆明人，高级实验师，硕士，主要研究方向：形态学教学管理和综合开放实验教学工作。

作者简介：刘锐（1985-），男，昆明人，助理实验师，学士，主要研究方向：形态学教学和综合开放实验教学工作。

收稿日期：2015-12-11

基金项目：2014昆明医科大学校级教研教改课题（2014JY-Y-03）；2015年云南省高层次人才特殊支持计划教学名师质量工程项目。

【中图分类号】：G434

【文献标志码】：A

【文章编号】：1004-5287（2016）02-0132-03