3D打印技术在临床颅内动脉瘤教学中应用的随机对照研究

李珍珠，李泽福，杜洪澎，李　勐，刘鹏飞，王　波，王清波，陈　正，孙其凯，耿　鑫，丁向前

滨州医学院附属医院神经外科，山东 滨州 256600



3D打印技术在临床颅内动脉瘤
教学中应用的随机对照研究

李珍珠，李泽福，杜洪澎，李勐，刘鹏飞，王波，王清波，陈正，孙其凯，耿鑫，丁向前

滨州医学院附属医院神经外科，山东 滨州 256600

目的 探究3D打印技术在临床动脉瘤教学中的应用。方法 首先利用3D打印技术构建3例患者1∶1动脉瘤血管模型，再将60名临床医学生分层随机分组到基于传统三维重建影像教学组（3D）或基于3D打印模型教学组（3Dp），课后进行专业测试和自我评价分析。结果 相比3D组，3Dp组的学生专业测试分数明显占优（3D vs.3Dp：4.28±1.10 vs.6.61±0.92），并且答题所需要的时间更短（3D vs.3Dp 643.44±177.04 vs.355.79±109.14）；自我评价结果显示，3Dp更有利于提高医学生的学习兴趣，增加与人分享所学知识的自信心。结论 基于3D打印教学更利于提高临床医学生对颅内动脉瘤的理解，易于被医学生接受，可以进行临床教学推广。

3D打印；快速成型；颅内动脉瘤；颅内血管；神经外科；临床教学

由颅内动脉瘤破裂导致的脑出血是神经科常见的危重症之一，其死亡率较高［1］。如果对动脉瘤处理不及时，2周内25%的患者可发生动脉瘤再破裂，而其病死率会增加40%［2］。动脉瘤的诊断常需要借助影像学检查，如数字减影血管造影（DSA）、磁共振血管造影（MRA）和CT血管造影（CTA）。主要治疗方式为开颅动脉瘤夹闭术和介入动脉瘤栓塞术［3］。

目前的医学教育已经从传统的框架性知识结构记忆模式发展到了基于问题的教学模式（problem based learning，PBL）［4］，更加强调个体化和以患者为中心的教学模式［5］。然而，由于临床疾病的复杂性和尸体捐献率较低，国内的临床医学教育更多的还是基于教师的口头陈述和图像模拟［6-7］。3D打印技术在形态学方面有很好的展现能力，被认为可以弥补解剖标本缺乏的空白，有助于临床医学生对疾病的正确认识［8］。

3D打印技术是基于物体三维数字模型，采取分层加工、叠加成形的制作工艺［9］，可对经典或罕见临床病变进行真实记录和高度仿真复制，其在医学中的应用大致分为三步:第一步为获取病灶扫描图像数据，第二步为重建目标区域，第三步上机打印［10-11］。

颅内动脉系统较为复杂，颅底动脉分支较多，加上有变异的交通支存在，使其更难被医学生理解，而这些地方又是动脉瘤的好发区域。为探索3D打印技术对动脉瘤临床教学的影响，我们通过3D打印技术“克隆”出颅内动脉瘤血管的1∶1模型将其应用于教学，并基于此进行了一项随机对照试验。

1　资料和方法

1.13D打印技术构建1∶1仿真动脉瘤模型

首先收集3例就诊于滨州医学院附属医院神经外科的动脉瘤患者影像资料，保存为DICOM格式，利用MIMICS 17.0软件重建出颅内动脉，导出格式为STL文件，利用3D打印机（XYZPrinting，台湾）打印出颅内血管模型［12］，两名教授（LZF，LM）评判模型是否符合颅内动脉（包括动脉瘤）实际情况。

1.2教学方法

滨州医学院附属医院通过微信招募临床见习（30）、实习（18）、规范化培训医学生（12）共60名，所有学生均在本科第三年学习过《解剖学》及《影像学》。计算机辅助下进行分层随机分组为两组，然后进行教学，教学完毕后进行考试并统计数据。

两组教学模式分别为基于三维重建虚拟影像（如图1所示）教学（3D）和基于3D打印模型的教学（3Dp）。授课开始时都先通过PPT讲解动脉瘤相关知识包括DSA影像诊断），其次3D组通过电脑观察三维影像进一步讲解，而3Dp组则基于3D打印模型讲解，每组教师均负责现场技术解答。授课结束后进行专业知识测试和自我评价调查分析，由一名教师现场记录学生交卷时间。专业知识试卷设计基于典型左侧大脑中和后交通动脉瘤DSA造影胶片图像。主要评价指标为8个专业问题的正确回答总分（答对一题得一分）和答题所需要总时间，次要评价指标为4个自我评价性问题，所有问题均设为单项最佳选择题。

表1　入选动脉瘤患者一般资料

图1　动脉瘤三维重建不同视角截屏

该次试验获得滨州医学院附属医院伦理委员会同意，所有参与的医学生签署知情同意书，该试验不记录患者及医学生姓名、住址等与该试验不相关的信息。

1.3统计分析

利用SPSS 22.0统计软件进行数据分析，连续性数据进行正态分布及方差齐性检验后采用配对t检验，二分类数据采取卡方检验或纠正卡方检验，以P＜0.05为差异有统计学意义，作图采用Graphpad prism 6软件。

2　结果

2.13D打印构建颅内动脉瘤模型

该试验共收集3例动脉瘤患者影像数据，其中患者A为基底动脉顶分叉处动脉瘤，大小为8×10 mm，形态为宽颈球形，顶端指向后上；患者B为后交通动脉瘤，大小为6×10 mm，宽颈长杆状，顶端指向前下；患者C为右侧大脑中及前交通动脉瘤（如表1所示）。3D打印模型（如图2所示）均能如实反映动脉瘤，整个打印过程耗时平均为6 h，平均耗材费用约20元人民币。

图2　3D打印动脉瘤不同视角

2.2纳入医学生的一般特征

该次试验共纳入60名临床医学生，其中临床见习30人、实习生18人、规范化培训医学生12人，通过计算机辅助采用分层随机分组为3D组合和3Dp组，每组为30人；平均年龄为（24±2.37 vs.24±2.13）；平均接受医学教育时长分别为（5.07±1.60 vs.5.03± 1.54）年；各组无明显异质性，如表2所示。共纳入60名学生，7人未能完成整个试验过程，其中3D组有5人中途离场（2人病假、2人急诊手术及1人有重要考试），而3Dp组只有两人离场（1人病假和1人急诊手术）。

2.3不同教学模式下测试总分和答题所需总时间

最终53名临床医学生完成该次试验，结果发现:相比3D组，3Dp组的学生答题得分数明显占优（3D vs. 3Dp:4.28±1.10 vs.6.61±0.92），而答题所需要的时间更短（3D vs.3Dp:643.44±177.04 vs.355.79±109.14）。（如表2所示）

表2　纳入医学生一般资料及主要观察指标结果

2.4自我评价

53名学生进行了自我评价。当问及该次讲课内容是否生动形象时，3Dp组大约89%的学生选择“是”，而3D组只有48%，差异有统计学意义（z=2.969，P =0.003）；约有71%的3Dp组学生认为该次教学所用工具有助于理解动脉瘤疾病，3D组为64%，但差异无统计学意义（z=0.5784，P=0.5630）；所有学生都认为该次教学有利于提高学习效率，两组差异无统计学意义（z=1.743，P=0.081）；3Dp组86%的学生认为该次教学有助于增加自己与别人分享动脉瘤的相关知识的自信心，而3D组只有52%，差异有统计学意义（z =2.369，P=0.018）（如表3所示）。

表3　自我评价问题设计及回答结果

3　讨论

3D打印技术根据技术的原理及原料不同可分为以下几种:光固化（stereolithography apparatus，SLA），选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS），熔融沉积成型（fused depositionmodeling，FDM），叠层实体制造（laminated objectmanufacturing，LOM），喷墨印刷（inkjet printing）［13-14］。基于不同技术的打印机打印出的物品结构的韧性及分辨度均不相同。此次试验中我们使用的打印技术是基于FDM，其优点是设备占地较小、价格相对便宜、打印精度也较高［14］，所打印出包含颅内动脉瘤的颅内血管与三维重建影像高度一致，均得到了两位教授的认可，每个血管模型打印花费时间近6 h，相对较长，这也是3D打印技术目前瓶颈所在。

该次试验共纳入60名临床医学生，通过计算机辅助采用分层随机分组发分为3D组和3Dp组，每组为30人，7人未能完成整个试验过程，其中3D组有5人中途离场，而3Dp组只有2人离场，该试验组成员认为“失访率”较低，对最终统计结果影响较小，因而“ITT”统计分析，采用实际结果为最终结果。53名临床医学生完成该次试验。相比3D组，3Dp组的学生答题分数明显占优，答题所需要的时间更短；自我评价显示，3Dp提高了医学生学习兴趣，增加了其与人分享所学知识的自信心。

相比虚拟的3D图像，基于3D打印教学模式更有利于营造一个真实的疾病情境［15］。颅底动脉分支较多，交通支又往往存在变异现象，使其更难被医学生理解。传统的三维重建影像虽然包含了一些三维信息，但其最终的显示方式依然基于二维显示器，与现实的血管相差极大，更加上图像的任意放大缩小，即便是临床专业教师也只能借助比例尺判别动脉瘤的大小；而另一方面，动脉瘤观察需要利用鼠标调整血管的视角，而这些视角往往缺乏真实的空间感，容易受到后方血管的干扰，不利于动脉瘤的判别，而基于1∶1仿真动脉瘤模型的教学模式是基于实物的教学模式，能够很好克服以上缺陷［16］。

PBL的教学模式是基于具体的临床问题教学模式，虚拟的文字描述和三维影像都欠缺真实感和具体感。1∶1的个体化动脉瘤模型能够很好地展现出颅内动脉瘤的真实存在感，而且这些模型不受计算机屏幕的限制，可以任意角度、任何场景观摩［17］，更可以方便带入手术室结合术中所见进一步加强医学生对动脉瘤疾病诊疗的认知。

对于3D打印在临床教学中应用随机对照研究较为缺乏。Preece等［18］通过3D打印技术构建了复杂的肢体关节模型，并通过纳入64名医学生参与的一项随机对照研究发现:基于3D打印模型的教学模式不但能够有效提高学生对肢体关节的理解，还能有利于营造一个愉快的教学环境。我国李锋涛等［19］通过纳入60名医学生研究发现，相比传统的教学模式，3D打印模型的应用能够提高医学生对骨科知识的认识。我们课题组成员李珍珠等［12］曾通过基于一项随机对照研究发现:结合3D打印技术的教学模式能够提高医学生对脊柱骨折的理解力，同时这种教学模式相比传统基于CT等虚拟教学模式没有性别上的差异。

该试验为教学研究，无法做到双盲，为最大程度降低抽样误差，选择了分层随机分组方式，将临床医学生均衡分至两组。但由于纳入样本量少，未进一步分析学历对测试结果的影响，且受到3D打印技术的限制，无法重建出颅底神经、动脉细小分支及静脉等其他组织，希望将来有基于新的3D打印技术大样本、多中心研究进一步验证。

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Application of 3D printing technology in clinical teaching of intracranial aneurysm：a random ized controlled trial

Li Zhenzhu，Li Zefu，Du Hongpeng，LiMeng，Liu Pengfei，Wang Bo，Wang Qingbo，Chen Zheng，Sun Qikai，Geng Xin，Ding Xiangqian
Department of Neurosurgery，Binzhou Medical College Hospital，Binzhou 256600，China

Objective To explore the application of3D printing technology in clinical teaching of intracranial aneurysms.Methods First，three intracranial aneurysm simulation models（1∶1）were generated by 3D printing（3Dp）.Then 60 students of clinical medicine were randomized into two teachingmodule groups（3D and 3Dp）.Then they had a specialized test and self-evaluation.Results The students in 3Dp group significantly outperformed those in 3D group in specialized test score（3D vs. 3Dp：4.28±1.10 vs.6.61±0.92），and were significantly faster in terms of answering the anatomical questions（3D vs.3Dp：643.44±177.04 vs.355.79±109.14）.The self-evaluation results showed that the students exposed to 3Dp had more interest in learning and greater confidence in sharing the knowledge with others.Conclusion This randomized trial shows that the teaching model based on 3D printing technology can improve students'understanding of intracranial aneurysms and iswell accepted by them.Therefore，this teachingmodel isworth popularizing in medical teaching.

3D printing；rapid prototyping；intracranial aneurysm；intracranial vessel；neurosurgery；clinical teaching

G434；G642.0

A

1004-5287（2016）03-0322-04

10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201603024

国家自然科学基金资助项目（81171142和81171119）；滨州市科技发展项目（2015ZC0302）；滨州医学院校级课题（BY2014KJ52）

2016-03-01

李珍珠（1987-），男，山东滨州人，住院医师，硕士，主要研究方向:医学3D打印研究。

李泽福（1969-），男，山东滨州人，主任医师，博士，主要研究方向:神经外科临床研究。

电话:13954398400；E-mail:lizefu@bzmc.edu.cn