3D打印技术在儿童脑部MRI教学中的应用

李世俊，王懿，吕艳伟，马林

1.解放军总医院器械处，北京 100853；2.解放军总医院口腔科，北京 100853；3.北京积水潭医院临床流行病学研究室，北京100035；4.解放军总医院放射科，北京 100853；

3D打印技术以其成型精度高、分辨率高、可重复性好、易于集成、高效经济等优点，在基础解剖[1]、骨科手术模拟[2]、口腔牙体牙髓病学[3]、神外颅内动脉瘤[4]、介入放射股动脉穿刺[5]、儿童先天性心脏病心脏建模[6]等医学领域临床教学中应用广泛，并规范了医学人才培养考核[7-8]。脑部MRI是儿童神经系统发育障碍辅助诊断的重要影像学基础，通过对各类神经环路脑网络连接异常辅助诊断，探索儿童脑白质病变和神经发育障碍等脑功能受损情况及病因。3D打印神经环路可以精确显示大脑结构、扩散张量计算脑白质纤维束走向，评估胼胝体病变等手术前后白质纤维束变化，以及对手术规划的空间导航起到验证和辅助教学作用，帮助学生高效、形象地理解某些特定神经环路的功能。

1 资料与方法

1.1 研究对象 选取2017级解放军医学院研究生59例，其中男37例，女22例；平均年龄（27.4±3.8）岁。随机分成3D打印教学组和传统教学组，纳入学生特征见表1。

表1 纳入学生特征比较

1.2 教学方法 两组学生接受相同 3学时教学内容《医学影像技术与临床应用》，采用相同教材、书籍，授课内容结束进行临床考核和调查问卷。临床考核包括MRI读片要点、脑部解剖标志、MRI扫描参数、病例诊断描述、纤维束连接分区描述5个方面。调查问卷为面向学生的主观感受问卷，通过学生自我评价反映个人对儿童脑部解剖知识点把握程度、脑部AAL分区理解程度、DTI辅助诊断作用理解程度、儿童神经系统发育障碍特征理解程度及临床康复干预中的MRI定位作用5个方面，统计个人感受（较强、一般、模糊）的百分比。

1.2.1 传统教学组 传统教学组教具包括幻灯片投影仪、纸质版教材、参考书籍。根据教学大纲，主讲老师进行幻灯片讲授，对学生逐一进行知识点的提问、巩固，加深记忆；课后进行学生知识点考核和问卷调查。1.2.2 3D打印教学组 3D打印教学组教具包括广州华钛三维材料制造有限公司提供的3D打印机、3D打印模型、纸质版教材、参考书籍。主讲老师先对儿童进行MR 3D SFPGR序列与扩散张量成像（DTI）序列扫描，然后利用DSI Studio软件进行DTI数据的纤维束跟踪，得到数据后在3D打印机上进行等比例儿童颅脑3D打印、等比例儿童脑白质纤维束打印（图1）；结合幻灯片进行讲授，让学生动手感受3D打印模型，对照知识点，进行提问、巩固，加深记忆；利用模型进行病例分析讨论；结合模型和真实病例分析，再次加深知识点学习；课后进行学生知识点考核和问卷调查。

图1 儿童颅脑3D打印效果图（A）与脑白质纤维束效果图（B）

1.3 统计学方法 采用SPSS 23.0软件，无序计数资料比较采用χ2检验，有序计数资料比较采用秩和检验，P＜0.01表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 临床考核成绩 3D打印教学组的MRI读片要点、MRI扫描参数、病例诊断描述、纤维束连接分区描述临床考核成绩显著高于传统教学组，差异有统计学意义（P＜0.01），见表2。

2.2 调查问卷结果 3D打印教学组的脑部解剖知识点把握程度、脑部AAL分区理解程度等调查问卷结果按较强、一般、模糊的占比统计，显著高于传统教学组，差异有统计学意义（P＜0.01），见表3。

表2 3D打印教学和传统教学学生临床考核成绩比较（ ±s）

表2 3D打印教学和传统教学学生临床考核成绩比较（ ±s）

分组MRI读片要点脑部解剖标志MRI扫描参数病例诊断描述纤维束连接分区描述合计传统教学组15.00±2.75 19.00±1.66 15.13±2.57 15.20±2.51 15.27±2.48 79.60±10.73 3D打印教学组18.55±1.57 18.52±1.66 18.55±1.57 18.90±1.26 19.24±1.09 93.76±6.12 Z值-4.821-1.559-4.821-5.257-5.612-4.798 P值＜0.01 0.119＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01

3 讨论

儿童脑部结构随年龄变化具有一定的差异，发育成熟程度需要从脑功能与脑结构关联系统理解，基于MRI的快速成型3D打印对于理解解剖结构变化具有促进作用，激发临床医师主动开展儿童脑部疾病的深入细致研究和教学[8]。

本研究显示，与传统教学组相比，3D打印教学组在 MRI读片要点、MRI扫描参数、病例诊断描述、纤维束连接分区描述方面考核成绩高于传统教学组（P＜0.01），可能是空间、形象思维利于学术理解[1]；而脑部解剖标志考核成绩略低于传统教学组。（P＞0.01），可能是由于脑部解剖标志本身对于受试组易于掌握。与传统教学组相比，调查问卷显示 3D打印教学组在各个方面的掌握程度较强比例高于传统教学组（P＜0.01），可能是受试对于较新的教学方法更感兴趣，积极配合问卷调查；但3D打印教学组对于 DTI辅助诊断作用、儿童神经系统发育障碍特征及临床康复干预中MRI定位作用的理解模糊的比例依然存在，可能是专业性较强，学科之间跨度较大导致。

脑网络连接学习过程较长，传统教材和教学需要具备医学工程学知识背景，而3D打印大大缩短了学习时间，让学生尽快掌握DTI等新技术，并用于临床病例分析，从而促进了学科交叉融合和复合型医学科研人才的培养[8]。

针对儿童神经系统发育障碍的临床精准干预康复手段，不仅依赖于神经外科和神经内科的微创无创技术，而且依赖于以 MRI为主的导航系统，落实到个性化操作和伦理上可行的重要条件是 3D打印模型，能够辅助决策手术入路安全，明确临床康复预案，完成与受试监护人有效沟通。

当然，考虑到受试分组的局限性，即未进行交叉对照试验，故无法比较3D打印教学对于不同分组的的优劣，需要完善实验设计；需考虑受试脑部成像认知水平、3D打印认知水平、空间理解能力等综合因素对结果的影响；考核成绩与调查问卷的结果判断、记录存在主观性强的问题，需要进行改善。

总之，经过教学的反馈改进，3D打印模型的低成本和可塑性优势明显。未来将组织时间较长、随机交叉对照的教学实验，分享数字化3D打印模型，让学生自学，提高教学实效。

[1] 于敏, 张曙光, 邵海波. 3D打印技术在医学领域中的应用.解剖科学进展, 2016, 22(3): 351-354, 358.

[2] 李忠海, 唐家广, 王华东, 等. 3D打印技术在骨科临床教学中的应用初探. 中国医学教育技术, 2016, 30(2): 198-200.

[3] 王懿, 陈鹏, 冯晋, 等. 3D打印技术在口腔牙体牙髓病学教学中的应用. 中华老年口腔医学杂志, 2017, 15(4): 243-247.

[4] 李珍珠, 李泽福, 杜洪澎, 等. 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. 中国医学教育技术,2016, 30(3): 322-325.

[5] 金昌, 赵蒙, 吴常生. 3D打印技术在介入放射学教学中的应用. 中国卫生产业, 2017, 14(9): 54-55.

[6] 刘锐, 吴春云, 李晓文, 等. 3D打印技术在医学形态学教学中的应用展望. 中国医学教育技术, 2016, 30(2): 132-134.

[7] 胡立伟, 白凯, 钟玉敏, 等. 磁共振成像技术在3D打印先天性心脏病建模中的应用. 中国医学计算机成像杂志,2016, 22(4): 356-360.

[8] 张明, 吴媛, 王睿智, 等. 3D打印互动教学在神经外科医师规范化培训中的应用. 基础医学教育, 2016, 18(11):927-931.