3D打印端脑模型在人体解剖学实验教学中的应用

冯改丰，张 明，周劲松，吕海侠，杨 杰，胡 明，计胜峰，马延兵

(西安交通大学：A.医学部基础医学院人体解剖与组织胚胎学系;B.第一附属医院影像科;C.医学部基础医学院神经生物学系, 陕西 西安 710061)

3D打印(three-dimensional printing)技术是用三维扫描仪扫描或计算机三维重建获得数字化模型，再对模型进行分层切片，利用熔融沉积、光聚合等技术方式将塑料、光敏树脂、金属粉末等逐层固化堆积，使数字化模型转化为实体产品。该技术始于20世纪80 年代，近年来发展迅速，已被应用于多个领域。在医学领域，3D打印技术也被广泛地研究和应用。

人体解剖学研究人体的正常形态、位置和结构，是医学的基础。端脑是人体解剖学中结构和功能最复杂的部分之一，其形态和功能分区是学习的重点内容。为了探索能使学生快速有效地掌握端脑形态的方法，我们采用3D打印技术，制备了正常人端脑的模型，在护理学专业系统解剖学教学中试用，观察和分析其在实验教学中的应用效果。

1 材料与研究方法

1.1 3D 打印端脑模型的制备

从西安交通大学第一附属医院影像中心选取无器质性病变的正常成年人脑部CT扫描DICOM数据 (水平扫描，层厚0.1mm)，用三维重建软件Meshmixer将扫描数据转化成STL(Stereolithography) 文件，采 用1.75mm线径的乳白色及透明聚乳酸PLA(polylactic acid) 材料，使用 Ezau V-II桌面打印机(陕西东望科技有限公司，2016 年生产)进行层厚 0.2mm 的打印。设定打印头温度为215℃，打印平台温度为 55℃，内部填充设置为20%。共打印了4个与真实脑同等大小的人端脑模型(乳白色2个，透明2个)。

1.2 实验对象及分组

本研究的对象为西安交通大学医学部2019级护理学专业学生。采用抽签方式，53名学生随机分为实验观察组和对照组，实验观察组27名(男8名，女19名)，对照组26名(男9名，女17名)。两组均按照教学进度进行了端脑形态、结构的理论授课，随后按组进行实验课教学。实验观察组对照讲义、用3D打印模型、实物标本自主观察学习；对照组按照传统方式，对照讲义，观察实物标本学习。

1.3 测试

自主学习30分钟后进行无记名测试。本次实验设计测试10个结构，分别为人端脑的中央前沟、额中回、大脑纵裂、岛叶、角回、顶枕沟、胼胝体、钩(海马旁回)、枕颞外侧回、中央旁小叶。所有结构均为端脑的真实照片，通过幻灯片播放，每个结构限定时间为40秒。要求学生在规定时间内辨识结构，并将答案写在答题卡的相应位置。每个结构10分，共100分。

1.4 填写问卷表

本研究对实验组学生进行了关于3D打印的无记名问卷调查(表1)。填写完毕现场收回调查表。

1.5 统计学处理

2 结果

2.1 3D打印端脑模型的评判

选取正常成年人的CT数据，进行三维重建，3D打印。采用0.2mm层厚打印，打印时长约33小时，打印出的模型与正常人脑的形态结构一致，在大脑半球的背外侧面、内侧面和底面，均可见到清晰而典型的脑沟、脑回。在模型的内侧面，胼胝体及以上的额叶、顶叶结构清晰明确，后部的顶枕沟、距状沟典型，但间脑部分有些模糊。因此，整体来说，3D打印的端脑模型能够很好地展示人端脑的形态结构，可以满足教学的需要(图1)。

图1 3D打印端脑模型与脑标本ABC上面观；DEF 背外侧面；GHI内侧面；ADG透明PLA打印模型；BEH 乳白色PLA打印模型；GFI 脑标本

2.2 测试成绩

本实验共测试了10个人端脑结构。每个结构10分，共100分。实验组学生平均成绩为(76.67±7.21)；对照组平均成绩为(62.94±5.18)，实验组成绩明显高于对照组，统计分析显示，两组成绩有显著性差异(P<0.01)。每组中女性成绩略高于男性，但没有统计学意义(P>0.05)。除了平均成绩以外，我们也进行了各分数段的统计。统计可见实验组成绩80分及以上16人，占全组人数的59.3 %，不及格者2人，成绩峰值为80分；而传统对照组80分及以上仅7人，占全组人数的26.9%，不及格者4人，成绩峰值为60分。

2.3 问卷调查

问卷调查结果(表1)可见所有的学生均认为3D打印的端脑模型使用方便，27名学生中，除1人外，其余均认为与标本相比较，3D打印模型与脑结构高度一致。接近90%的学生认为打印模型能提高学习解剖学的兴趣，促进对解剖空间结构的理解，促进解剖学知识的记忆，可推广应用到解剖学其他章节的学习中。

3 讨论

3.1 人体解剖学实验教学的现状和存在的问题

人体解剖学是一门实践性很强的学科，很多知识必须在实践中学习或验证。观察人体标本、辨识结构是解剖学实践教学的重要环节。因此，不同于其他学科，人体解剖学教学需要大量的人体标本。而人体标本的来源涉及伦理、法律等严肃的社会问题。

随着社会的进步，医学解剖用的尸体主要依赖于遗体捐献。然而，由于受传统观念的束缚，捐献的数量远远不能满足教学需求。另外，随着人民生活质量的提高，人类寿命的延长，捐献的遗体主要是老年或因疾病而去世的人体，在质量上较难满足学习正常人体结构的解剖学课程的需要。

表1 问卷表评分统计[n(%)]

目前，教学所用的标本和尸体通常用福尔马林固定和保存，有些学生因为福尔马林有刺激气味，不愿主动观察标本或观察不认真细致，浪费了珍贵的资源和实践机会。

因此，人体解剖学实验教学中存在的主要问题是人体标本和尸体不足，现有的标本和尸体不能充分利用。研制既能真实展示人体结构，又无毒无味，使学生易于接受，乐于学习的人体替代品是保证和提高解剖学教学质量的一个重要的研究方向。

3.2 3D打印技术在人体解剖学教学中作用的研究

3D打印技术可根据需要选取正常人体的影像学数据，制作数字模型,通过逐层堆积可黏合材料而制造人体结构模型。该技术有望解决上述解剖学实践教学中存在的问题。国内、外部分院校和机构对此进行了尝试，并取得了满意的结果。

在国外，3D打印用于解剖学的主要有澳大利亚和新加坡等国家。澳大利亚Monash大学的McMenamin团队用表面扫描和CT获得人体结构的数据，构建数字人体，通过3D打印制造出含有不同颜色的血管(动脉为红色，静脉为蓝色)、肌肉(红褐色)和神经(黄色)等结构的上肢，并将其用于教学[1]。Curtin大学Garas等研究比较了不同性质的标本(心脏、肩部和股部的3D打印标本、固定后的人体标本)的学习效果，发现与人体标本相比，用3D打印模型学习的答题正确率更高，更受欢迎，证实了3D打印模型是一个很有效的解剖学学习工具[2]。英国Sussex大学解剖学系Smith等通过研究比较，应用3D打印人体模型，学生对解剖学知识掌握更快，更牢固[3]。新加坡南洋理工大学、国立大学等也用3D打印技术制备了上肢模型，可活动的膝关节模型等，并让部分学生与真实标本进行比较学习。学生都认为3D模型的解剖特征准确、结实耐用，有助于知识的理解和掌握[4-5]。

3D打印技术也引起了国内部分院校解剖学教师的关注，进行了3D 打印模型在脑血管解剖教学、3D 打印颅骨在颅底解剖教学中的应用方面的探索[6-8]。

3D打印可快速制备相同结构的多个标本(复制品)，可以根据需要进行按比例的缩放，可以减少师生暴露于福尔马林等有毒环境的时间。与传统的教学模式相比较，3D打印模型可以让学生直接全方位、多视角观察人体结构的形态特征。

3.3 3D打印端脑在解剖学教学中的效果分析及意义

在本实验中，我们用3D打印技术制备了人体端脑的模型，并在教学中试用。在自主学习后的测试中，应用3D打印模型的实验组学生平均成绩明显高于对照组，而且有两名学生成绩为满分，近60%的学生成绩在80分以上。与其形成鲜明对比的是，对照组没有满分试卷，仅26.9%的学生成绩在80分以上。我们分析可能与以下因素有关：①由于端脑表面沟回较多，在不同的个体之间有较大的差别，对于初学者，直接观察标本有一定的难度。我们制作的模型，选取典型人脑影像数据，打印出的脑形态、结构清晰典型。从较为典型的3D打印脑模型学起，有助于快速掌握各主要结构的空间位置和形态，对于辨识其他不典型标本和模型也可建立参考。②端脑标本存放于福尔马林等液中，观察时要戴手套，而且福尔马林有强烈的刺激气味，限制了学生观察学习的主动性，甚至有些学生不愿意接近标本。③作为易于接受新事物的青年学生，3D打印作为新生事物，很容易引起学生的好奇心，提高了学生的学习兴趣与效率。

由于观察福尔马林浸泡的脑标本需要戴手套，并且脑标本质地脆弱，易于损坏，观察时要轻拿轻放。而3D打印的模型无毒无气味，材质结实，不易受损，相对更为安全，更易为学生所接受。学习后的问卷调查表结果显示，所有学生均认为3D打印的端脑模型使用方便。

在调查结果中，接近90%的学生认为打印模型能提高学习解剖学的兴趣，促进对解剖空间结构的理解，促进解剖学知识的记忆，可推广应用到解剖学其他章节的学习中。这一结果与国内外文献报道的基本一致。协和医科大学吴颜延等采用 3D 打印技术建造颅底模型，并通过大三医学生对其实用性进行了评价，其中90%以上的学生认为3D打印模型有助于空间理解和解剖学习，84%的学生赞同将3D打印模型应用于解剖学教学[7]。Preece et al 分析了模型在学生学习中的效果。与教材和计算机模型相比，3D打印能使学生更准确地识别解剖学结构[9]。Lim 通过随机分组实验，比较了3D打印心模型与心标本实物的在本科生中的教学效果。发现在学习后的测试中，3D打印模型组成绩明显高于标本组[10]。

本研究是3D打印用于人体解剖学教学的初步探索，所选用的端脑，是具有代表性的解剖学结构，其形态结构上不规则，学习时需要一定的空间构想能力，模型具有很好的直观性，适合学生自主学习。本研究是3D打印技术在解剖学实验教学中应用的初步探索，为后期的研究积累经验和素材。

但也有不足之处：由于CT扫描的低分辨率，打印层厚设置为常用的0.2mm，一些细节在建模和打印过程中缺失；所选用的实验对象人数较少(共53人)，选用的课程内容相对简单，设计思路较为单一，应在以后的临床专业教学中加以改进。

4 小结与展望

本次教学实践，将3D打印制作的脑模型引入教学中，弥补了传统教学方式的不足，激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果，值得进行推广应用。

在解剖学实验教学方面,存在标本数量相对不足、防腐剂影响健康等问题。随着技术的改进，设备和软件的价格降低，数据文件的共享，3D打印有望解决这些问题。3D打印使解剖学结构以新的方式展现给学生，在人体解剖学教学中必将发挥更大的作用。