3D打印模型在肾脏肿瘤临床情景教学中的应用

干思舜，潘秀武，王 磊，叶剑青，崔心刚

海军军医大学第三附属医院泌尿外科， 上海 201805

3D打印技术是一种快速成型技术，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等高分子可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印(three dimension printing)模型是将虚拟的计算机辅助设计(computer-assisted design，CAD)模型快速、准确地转化为具有一定功能的实物原型，并可对原型实物进行试验、评价的新方法[1]。3D打印技术可以让抽象的医学知识更加形象化，可以使学生更加容易理解，直观生动地构建空间，提高创造能力、创新能力，提升学习的乐趣。3D打印技术被《时代》周刊誉为2014年25项年度最佳发明[2]。

肾脏肿瘤属于泌尿外科常见病，发病率有逐渐增高趋势，长期以来肾脏肿瘤手术代表了泌尿外科手术最高的手术难度，肾脏肿瘤的大小和位置决定了手术治疗方式的选择，肿瘤和肾脏动脉、静脉及输尿管的比邻关系决定了手术的风险。尤其近年来肾脏肿瘤肾部分切除手术的比重逐渐增加，在传统临床教学中，学生更多的是机械地利用一些评分系统(如：R.E.N.A.L评分)对肾脏肿瘤进行打分，再评估手术难度，很难迅速直观地对不同肾脏肿瘤产生感性认识，包括肿瘤的边界、重要血管的保护及切除的范围，很难短期内激发学生的兴趣和学习积极性。在进行3D打印教学时，可以充分发挥空间结构优势，引导学生不断调整自己的学习方法[3]。为此，我们将3D打印的肾脏肿瘤模型用于临床实习期间的情景教学，探讨其对教学的影响。

1 对象与方法

1.1研究对象与方法

选取2015年11月至2018年3月海军军医大学第三附属医院泌尿外科规培的住院医师及实习生80名，都是初次进入泌尿外科病房，没有泌尿外科专科学习经历。其中，男生60名，女生20名。随机分成2组，其中实验组40名，对照组40名。实验组采用3D打印模型来介绍肾脏肿瘤的相关信息，对照组采用传统的方法介绍肾脏CT及超声等资料。两组为同一个教师授课。

1.2 3D打印模型的制备及研究方法

调取该院泌尿外科行肾肿瘤手术(包括肾肿瘤根治术和肾肿瘤肾部分切除术)的患者资料20份，获取患者的三维CT扫描数据。该数据通常是以DICOM(digital imaging and communications in medicine)格式保存，需要将其转换成为3D打印机可以识别的格式。将DICOM文件用Philips IntelliSpace Portal V5.0.1软件进行三维影像重建，得到的STL(stereolitho gra- phy)格式文件通过计算机辅助设计CAD(computer-aided design)对STL文件中的缺陷和错误进行纠正。最后，完善后的STL格式文件用软件行数字建模后，使用FormlabForm1+3D打印机对肾脏模型进行分色打印[4]。3D打印机通过逐层累加的方法构建所需要的物体，并可以把肿瘤、动脉、静脉、输尿管及正常肾脏组织按照不同的标记打印出来(如图1所示)。实验组授课教师按照3D打印模型对肾脏肿瘤的大小、边界、与动静脉血管关系、与肾盂的距离、与输尿管的关系等进行评估，并结合RENAL评分进行再评估；而对照组采用传统的多媒体教学法对患者的病例资料进行教学。

图1 3D打印实物图

1.3 效果评价

临床教学结束后，对两组的住院医师进行考核，内容包括肾肿瘤的大小、肿瘤位置、肿瘤的生长方式(内生性生长或外生性生长)、肿瘤与血管的关系、肿瘤与集合系统的关系、RENAL评分的准确性及手术方式的选择。总分100分，85分以上为优秀，70～85分为良好，70分以下为一般，分别进行两组间的比较；另外，考核结束后发放调查表，以不记名方式填写，学员对于授课情况的满意度也进行评价(评价标准：不满意1分、不太满意2分、一般3分、较满意4分、非常满意5分，共5个评价等级。得分越高，说明满意度越高)。

1.4 统计学方法

2 结果

两组学员在年龄、性别、学历、既往成绩等方面进行比较，无统计学差异(P>0.05)，具有可比性。实验组在肾脏肿瘤3D打印模型的情景教学下考核成绩优、良、差分别为18、18、4，而对照组分别为15、15、10，两组间优秀率及良好率的差异具有统计学意义；实验组在学习兴趣、学习效率、教学手段评价、综合能力培养及总体评价方面和对照组相比均有不同程度提高(P<0.05)(如表1所示)。

表1 两组住院医师及实习医师学习效果的比较

3 讨论

3D打印快速成型技术在近年来快速发展，并迅速进入医学领域。3D打印模型在医学领域中应用最早、最广泛的是在骨科，也积累了一些经验。在泌尿外科的应用起步较晚。2014年在瑞典举行的欧洲泌尿外科年会上，就有外科医师提出使用3D打印技术可以制作出肾脏肿瘤模型，此模型用于外科手术的培训及演示，取得了很好的效果。目前，3D打印技术在不断进步，先利用CT对肾脏进行3D扫描，影像数据经过软件处理后传输到3D打印机，利用一些高分子材料作为原料，3D打印的模型就可以制作出来。如果在这个模型上能清晰地看到肾脏肿瘤、血管走向及比邻关系，就可以为情景教学带来极大的帮助。

3D打印的主要目的是将抽象的概念转换成客观有趣的存在，让学员更容易掌握抽象的理论知识。3D打印的肾脏模型除了有助于手术操作外，还可以作为可视化教具和学具，一定程度上改进了教学方式。原来的教学场景下，教师多使用语言和图片描述教学内容，多媒体课件中展示的教学内容模型也无法使学生直接接触和观察教学实体对象，缺少形象直观的立体教具。而且教学工具和仪器一般由专门的教学设备制作机构制作发行，更新慢。3D打印则提供了更多的创造空间，带教教师可以参与制作和打印教具，以有形的三维格式展示教科书中的二维信息，并可设计一些个性化的教学模型以适应教学内容的要求并在课堂上展示。学生也可以观察、触摸和组装这些教具，这种方式显然比原来的教学效果更好[5]。

医学生的动手能力是实践学习的基础，在动手能力的基础上，可以进一步发展其研究能力和创新能力，可以通过参与到肾脏3D模型的设计和打印中来，将抽象设计概念带入现实世界，有效地激发其实践的积极性，提高学习热情，营造更愉快的学习体验。

随着数字医学的发展，3D打印模型为解决临床与科研难题提供了巨大的便利[6]。3D打印模型始终贯穿整个临床诊疗过程，从医患沟通、专科诊断、术前规划模拟，再到术中精确的导航与术后宣教，该模型均引领临床医学向个性化、精确化、微创化及高效化方向快速发展。同时，3D打印肾脏模型不仅可以解决尸体标本来源不足或反复操作导致标本损坏等问题，而且可以模拟手术操作，提高医学生及年青医师的积极性、主动性和创造性，大大缩短肾脏手术的学习曲线。

3D打印技术虽然在教育领域的应用越来越广泛，但是在未来的发展中有一些方面仍然需要进一步的思考和持续探索。首先，3D打印机器的软件和硬件配置比较高，3D打印的肾脏模型材料价格相对比较昂贵，增加了患者及政府的负担，为该项技术的普及带来了困难；其次，“以教带学，以学促教”，3D打印技术相对比较复杂，带教教师更需要从技术和教学设计等层面进行学习和提高，否则不能发挥出该项技术的全部优势；最后，全球的医学教育领域发生着革命性的变化，我们只有不断地对原有的教学课程进行改革和创新，才能顺应时代变化，才能创造出更多的医学创新性人才，才能在未来的竞争中保持优势。

结合该项研究我们发现，肾脏肿瘤3D打印模型在临床情景教学中具有明显的优势，可以提高学员的学习效率和学习兴趣，提升优良率，最终提高学员的综合能力，同时，该教学方式及手段也得到学员的充分肯定，值得进一步推广。