3D打印技术在主动脉疾病临床教学中的应用

张 章，王 磊，郭松林，王 栋，阴继凯

空军军医大学唐都医院普通外科一病区(血管外科)， 西安 710038

血管外科是近年来从普外科逐渐衍生并发展出来的一门新兴学科。随着血管外科疾病发病率的迅速上升，国内很多医院已经开展了血管外科专业团队建设，但目前大多数医学院校血管外科专业人才培养速度相对滞后，造成专科人才极度稀缺。由于血管外科的专业性强，大部分术种为风险高、难度大的三级、四级手术，随着微创理念的普及，腔内治疗已成为血管外科的主要手术方式。与传统手术相比，腔内手术很难在保证手术安全的前提下，让学生有更深刻和直观的感受，这也是造成人才培养困难的原因之一。主动脉疾病是血管外科的常见危重疾病，在以往的教学实践中，大多通过术前阅读CT片或重建三维图像等进行测量、评估并讲解手术原理和过程，学生需要较强的空间想象能力才能理解病变的解剖学特点，很难对“看不见、摸不着”的病变主动脉产生深刻认识，更无法获得对手术操作的直接认知和直观感受，在一定程度上影响了学生的学习积极性并限制了教学效果。因此，血管外科专业人才培养面临着教学与实践脱节、专业发展快而人才培养相对滞后的困境。如何在现有的条件下，使血管外科临床教学变得更直观高效，是现阶段亟待解决的问题。

3D打印兴起于20世纪80年代末，又称快速成型(rapid prototyping)技术，近年来该技术被广泛应用于生物医学领域[1]。我们将患者术前CT等影像学数据经处理后直接打印出3D实体模型，使病变组织的解剖结构及特点一目了然，并利用模型进行体外模拟操作，采用此教学方法，不仅提高了学生对主动脉疾病的兴趣和认识程度，同时强化了实践技能，在一定程度上解决了主动脉疾病在血管外科临床教学中所面临的诸多困难。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取2016年1月至2017年1月在第四军医大学(现空军军医大学)唐都医院普外科一病区(血管外科)进修、规范化培养、轮转生及研究生共60人，所有研究对象均为非血管外科专业或对血管外科理论无深入了解者。入组对象随机分为2组(每组30人)，一组为传统教学组，另一组为3D打印教学组。

1.2 研究方法

将列入教学使用的患者CTA数据采用DICOM格式导出，用Minics和Unigraphics NX软件进行后处理，使用空军军医大学3D打印研究中心自行研制的医用3D打印机进行1 ∶ 1层叠打印，所用软性材料为聚氨酯(polyurethane),硬性材料为聚乳酸(polyla- ctice acid,PLA)。体外模拟所用的胸主、腹主动脉支架输送器由上海微创医疗器械有限公司馈赠。用于教学的病例共6例(主动脉夹层3例，腹主动脉瘤3例)，在进行3D打印前均告知患方并签署知情同意书。

两个教学组的基础理论教学方法相同，由指定的同一名教师上课，使学生首先了解主动脉疾病(主动脉瘤、主动脉夹层)的发病原理、临床表现、分型、病程进展、影像学特点、腔内治疗、围手术期管理等内容。基础理论教学完成后按照分组分别进行后续的深入教学。两个教学组长均为临床经验丰富的高年资主治医师。教学前均熟悉教学大纲要求，并对教学内容做标准化处理，以减少因带教因素所带来的统计偏倚。

传统教学组：患者入院后，受训学生全程参与患者管理及诊疗过程，学习并讨论病例、教学查房，术前根据患者主动脉CTA资料进行测量分析并讨论制定手术方案，结合CTA重建图像分析术中可能会遇到的难点及并发症；由带教教师画图、讲解解剖图谱并观看模拟动画了解手术过程，全程参观手术。

3D打印教学组：除完成传统教学组内容外，还需结合术前根据患者CTA数据打印的主动脉1 ∶ 1模型进行详细讲解，熟悉主动脉病变和解剖结构特点，术前使用支架输送器和3D打印软性模型进行手术过程模拟训练(如图1所示)。

图1 3D打印病变主动脉模型

教学结果评价：教学结束后对两组学生进行考核和问卷调查。考核指标包括：专业知识、复杂病变解剖结构掌握、基本操作及腔内手术器具熟悉程度，问卷调查使用中文版SEEQ调查表(student's evalua- tions of educational quality)，对整体教学效果和教学满意度进行评价，用SPSS 18.0进行统计学分析，组间采用t检验，以P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

如表1所示，我们对两组学生的教学效果进行了比较；采取闭卷考试和操作考试(均为百分制)评估学生对知识点的掌握情况，使用问卷调查表评估教学满意度。与传统教学组相比，3D打印教学组在专业知识、主动脉夹层复杂解剖结构方面的考核成绩更优(93.3±4.2 vs. 85.2±3.7；95.1±3.3 vs. 89.2±3.5，P<0.05)，对各种腔内手术器具更熟悉(97.9±2.0 vs. 80.7±5.8，P<0.05)。在模拟操作考核中，3D打印教学组学生的基本操作更为精准和熟练(91.8±5.1 vs. 77.5±6.9，P<0.05)，通过问卷调查结果分析，3D打印教学组的教学满意度较传统教学组更高(98.5±1.5 vs. 92.5±4.5，P<0.05)。通过对比，我们认为将3D打印模型运用于血管外科主动脉疾病的临床教学是可行的，并可以取得较传统教学方式更好的教学效果。

表1 两组教学模式教学效果评价分析

3 讨论

随着血管外科近年来的蓬勃发展，如何提高临床教学效果一直是困扰学科建设和后续人才培养的课题。主动脉疾病是血管外科常见病，起病急、进展迅速、类型多样、解剖结构复杂、手术风险高是该类疾病的共同特点；腔内治疗具有微创、简便的优点，但由于介入操作严重依赖各种耗材和设备，在临床教学中如何让学生对疾病和手术产生更直观的认识并深入掌握手术原理和技巧，是临床教学需要解决的重点问题。以往的教学模式很难使学生充分认识主动脉疾病的三维空间结构和特点，所有的术前规划和手术方案制定也严重依赖CTA等影像数据，特别是对一些短瘤颈、重度扭曲、累及重要分支的主动脉疾病，不仅学生难以掌握，对术者的空间结构理解和想象能力也有较高要求。

3D打印重建技术为上述问题提供了一个较好的解决方式。术前打印出精细的实体模型，可在最大程度上还原病变部位在体内的情况，在教学中可通过对模型的测量和分析使学生在最短时间内掌握主动脉疾病的病理生理特点，对复杂瘤颈、成角畸形、真假腔判别等解剖特征产生更深刻直观的理解。此外，利用模型进行手术模拟演示和操作，能够让学生初步认识和掌握该技术的要点，同时充分激发学生的学习积极性，使以往枯燥的学习过程变得更加生动有趣，提高了临床教学的效果和效率。该研究中，3D打印教学组较传统教学组的教学满意度更高，理论考核及操作考核等成绩更优，充分说明该教学法具有传统教学法所不具备的优势。近年来，3D打印技术被广泛应用于生物医学领域，诸多国外研究者已使用该方法进行主动脉疾病的术前评估和分析[2-3]，并肯定了其对手术的指导意义；而在教学领域，国内外也有部分学者进行了尝试和探索[4-5]，证实了其在临床教学中的巨大潜力[6-7]。

综上所述，该研究证实将3D打印重建应用于临床教学是可行且有效的，在提高教学效果的同时兼顾了精细化、实践化和实用性等临床教学要求；3D打印模型制作迅速且成本低廉，在不增加教学实施难度和经济负担的基础上，不但使术前评估更便捷和精准，也克服了传统教学中需要依靠学生发挥空间想象能力的缺点，能充分激发学生对血管外科的学习积极性和从事该专业的热情，加强年轻医师对主动脉疾病的认识和理解，并提高其对手术技巧的掌握能力和自信心。因此，将3D打印技术应用于各类主动脉疾病教学，是对传统教学模式的良好补充，在临床教学中有广阔的应用前景，有利于血管外科专科人才培养，并能在一定程度上加快学科建设的速度和水平。