关于3D打印技术在心脏超声教学中应用效果的随机对照试验

宋 光,任卫东

中国医科大学附属盛京医院超声科,沈阳 110004

心脏超声诊断学是超声医学教育的重点和难点。在既往教学反馈中,学生通常认为心脏超声基础知识抽象、不易理解,掌握起来比较困难。如何让本科生在有限的学时内了解和掌握心脏超声的基础知识,成为每个超声教育工作者的教学难题。3D打印技术是一种20世纪90年代中期发展起来的,以数字成像模型文件为基础,运用塑料等可粘合新型材料,通过逐层打印方式来构造物体的新兴技术[1]。

目前,医学教育已经从传统的框架式知识结构记忆模式发展到了以问题为基础的教学模式,更加强调个体化和以患者为中心的教学模式[2]。尽管我国的患者源丰富,病种齐全,但是尸体捐献率低,加之心脏教具工艺粗糙,超声医学教育更多的还是基于教师的口头陈述,辅以多媒体图像,教学内容较为局限。3D打印技术在解剖学方面有很好的展现潜力,被认为可以弥补解剖标本缺乏,有助于本科生更直观地了解正常和异常的心脏形态[3-4]。

1 材料与方法

1.1 研究对象

选取2016年4月开始接受心脏超声课程的中国医科大学影像班本科生60名作为研究对象。所有的研究对象在此之前学习过“人体形态学”。所有研究对象均签署知情同意书。研究对象的纳入标准:①专业均为五年制影像专业,无转专业和专业调剂、七年制降级等经历;②之前从没有接受过任何超声医学专业知识讲授,亦未在任何超声科诊室进行过临床实习。研究对象的排除标准:①“人体形态学”成绩不及格者;②常有旷课记录,不能保证完成该研究的学生。

1.2 研究方法

该次教学研究采用随机对照设计[5-6]:使用计算机将这60名学生随机分为两组,每组各30名学生。试验组30名学生,采用3D打印心脏模型的方法配合多媒体教学;对照组采用传统教具配合多媒体教学。两组为同一教师进行授课,具有丰富的临床和教学经验。教学研究后对两组学生采用相同的测验,包括心脏超声基础知识和典型图像的解读,以评价两组间教学效果的差异。所有学生均需完成学习满意度调查,以评价两组间学生教学满意度的差异。

1.3 教学方法

1.3.1 试验组①3D心脏教具的制备:采用GE Vivid E9彩色多普勒超声成像仪,使用M5S探头(频率1.5～4.5 MHz),记录典型的正常人和先天性心脏病患者的三维超声心动图图像,嘱受试者常规向左卧位,同步记录心电图。待其稳定呼吸时,于心尖部四腔心切面和心尖两腔心切面记录二维灰阶动态图像,存储连续3个心动周期于机器硬盘内,导入GE EchoPac工作站后获取3D容积图像,将其以DICOM格式导出。再使用MatLab2012b读取DICOM文件,获取断层图像信息。最后使用Mimics 17.0进行后处理,处理后的图像以标准镶嵌语言(standard tessellation language,STL)数据格式进行保存[7]。对STL文件按照1:1的比例,以聚乳酸(polylactic acid,PLA)为原料进行3D打印。②授课时首先讲授心脏超声基础知识,包括解剖学知识(使用3D打印出来的教具)、生理学以及声学知识,其次讲授正常心脏超声图像特点,最后讲授异常(先天性或后天性)心脏病的超声心动图特点(辅以3D打印出来的教具)。

1.3.2 对照组授课内容和试验组基本一致,唯一不同之处为使用传统教具代替3D打印出来的教具。

1.4 教学效果的评估

讲授课程结束后,采用测验和问卷回访的方式评估教学效果。测验包括心脏超声基础知识和典型图像的解读两部分内容,各自满分为50分。心脏超声基础知识的测验范围包括心脏的解剖学知识、生理学知识、超声的声学基础知识、心脏超声的检查手法、适应证和禁忌证等。典型图像的解读包括正常人体超声心动图各个切面,先天性心脏病(房间隔缺损、室间隔缺损以及动脉导管未闭)和后天性心脏病(风湿性心脏病和退行性心脏病)的典型切面的识别和描述。

该研究学生学习满意度调查参考既往研究的调查问卷[8],包括教学资源满意度、教学过程满意度、教学效果满意度以及总体满意度4个部分,每部分5个问题,满分25分,共计满分100分。问卷采用李克特量表(5级)计分[9],“5”分表示“非常满意”“4”分表示“比较满意”“3”分表示“一般”“2”分表示“不满意”“1”分表示“很不满意”。

1.5 统计分析

利用SPSS 17.0软件对数据进行分析,使用Graphpad 6.0软件绘制统计图。计量资料采用(±s)表示,组间比较采用t检验。计数资料采用频数(%)表示,组间比较采用卡方检验,以P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 两组学生一般情况的比较

两组学生在年龄、性别组成以及入学来平均成绩(包括“人体形态学”成绩)等相关指标上差异无统计学意义(P＞0.05)。两组在男女比例、年龄和入学来平均成绩等指标上,差异均无统计学意义(P＞0.05)(如表1所示)。

2.2 两组学生测验成绩

表1 两组学生一般情况的比较

所有学生均成功完成测验。实验组学生测验成绩为(83.53±6.13),高于对照组的测验成绩(78.47±6.86),二者的差异具有统计学意义(P＝0.004)。

2.3 两组学生学习满意度调查结果

发放60份问卷,全部完整回收。实验组学生学习满意度为(88.37±6.31),高于对照组(82.40±10.41),二者的差异具有统计学意义(P＝0.009)。

3 讨论

该教学研究将3D打印技术和超声心动图成像紧密结合起来,成功地融入到了日常的超声医学教学工作中去。超声医学教学之所以不同于其他学科,因为其教学手段往往需要依靠大量的生理、病理标本和图像,才能让学生切实感受到人体真正的病理生理变化,才能达到了解—熟知—掌握的学习境界。但随着社会的发展,火葬业的普及,标本的获取越来越难。虽然现在有许多辅助教学标本模型,但其在真实度、器官结构还与真实标本有很大差距;设计辅助教学标本的人员也往往不是临床一线医师[10],对于一些临床重要的标志结构也常缺失,不能完全满足现有教学要求。

3D打印技术使试验组学生的成绩提高,学生学习满意度提高。同时,我们发现学习满意度的提高大多数来源于学习成绩的提高,其余推测可能来源于3D打印技术所激发的学习兴致,与之前研究的结果相类似[11]。学生接受3D打印模型教学后,获得了学习的自信,同时成绩的提高也使他们获得了难得的成就感。每个学生对教学的满意都构成了教师教学的成就感的一部分,形成一种良性的循环。

在医学生的学习中,3D打印技术具有独特的优势:①制作3D打印教学模具类型多样,可以直接显示教具的内部结构(如:心脏模型可以直接观察心脏表面的血管结构);②3D打印教学模具可以以数字的形式存储,安全、低成本,且PLA材料较一般教学的塑料材质更环保;③3D打印技术可以承接PBL教学经验,结合PBL的影像数据,将抽象数据变成直观、形象的实体教学模具,丰富教学手段,增强教学的针对性和趣味性[12],同传统多媒体授课相比,3D打印模具三维立体感更强,可激发学生的学习兴致,夯实解剖学知识,提高学习效率;④3D打印模具的三维数据来源丰富,可同时结合PACS影像数据库,极大地扩充了教具的种类,可提高学生对异常超声图像的识别能力。

综上所述,该随机对照试验发现:将3D打印技术应用到超声医学教学中,有利于提高学生对超声图像的识别能力,提高学习成绩和学习满意度。所以,3D打印技术在超声医学教学中的应用前景广阔。