3D打印在骨学实验和临床教学中的研究进展

葛 尧,张建水,杨蓬勃,周劲松,高菱鸽,杨春莲,张艳芝,冯改丰△

(1西安交通大学医学部基础医学院人体解剖学与组织胚胎学系, 西安 710061; 2西安市儿童医院血液肿瘤科)

三维(three-dimensional,3D)打印技术在越来越多的领域得到了广泛的应用,如珠宝设计、土木建筑、航空航天、工程施工和基础教育。近年来,医学教育工作者和临床医生将3D打印技术应用于基础医学教育和临床诊疗,其在医疗领域应用主要是以计算机断层扫描(computed tomography,CT)或磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)影像学数据为基础,通过计算机数字建模、优化数据输出至外置3D打印机,通过将粉末状金属、工程材料、生物材料等可粘合材料逐层堆叠打印的方式构造器官或局部结构,其实质为增材制造[1]。

在骨科学相关领域,3D打印模型更多应用于复杂骨科手术病情分析、术前谈话、优化方案设计和术后康复治疗等,并逐渐应用于骨学专业知识基础教学和临床教学[2-4]。临床医学专业大三、大四实习生通常面临解剖知识遗忘过多、理论知识与临床实际结构衔接不紧密、手术实践机会少以及在理解认知上存在偏差等一系列问题。人体解剖学运动系统骨学内容作为骨科领域的重要支撑,一直是骨学临床教学和实验教学的重点和难点。临床专业医学生普遍存在对骨、关节和肌肉等结构三维空间转换认知障碍[5],不能够理解肌肉如何以关节为支点驱动骨的相对运动。这主要与传统教辅用具单一、教材解剖插图过于平面化、骨标本严重短缺且磨损严重相关,最终导致医学生骨学基础知识掌握不牢靠,进入临床岗位胜任力低下。

随着“健康中国行动”的不断推进和人口老龄化的持续加重,人们的健康状况稳定提升,医学院校事实上可获得的、“健康的”捐献遗体越来越少,而更多是恶性肿瘤晚期患者的捐赠。这就导致一定程度上人体解剖学“大体老师”的部分器官都是非生理状态的,显然违背了人体解剖学科学研究的初衷。恩格斯曾经说过:“没有解剖学,就没有医学。”人体解剖学作为临床医学专业最为重要的基础课程,在临床医学专业培养计划中举足轻重,其骨学相关术语最多、难以理解,加之实验教学对传统骨标本需求量大,且实验中骨标本易破损、难保存,难以长期反复使用;“病态”的脏器和日益损耗的骨标本已经无法满足大多数医学院校的解剖学实验需求,现有教辅用具和传统的培养模式更是难以满足新医科优秀医疗人才的培养需求。3D打印技术应运而生。3D打印骨模型作为骨标本的替代品,其保存条件简单、可批量生产、骨模型符合生理要求,长期反复用于不同学生教学研究具有高度的同质性,能够满足骨学实验和临床教学的基本需求。

1 3D打印的应用

1.1 3D打印在骨、关节基础和临床教学方面

西安交通大学第二附属医院时志斌团队将3D打印引入骨科住院医师规范化教学培训中[4],将3D打印先天性髋关节发育不良的模型用于临床教学:3D打印教学组医师理论和临床实践技能考核成绩均优于传统教学组,主要包括短时间内理解并掌握骨关节疾病的影像学特点、诊断和治疗方法,并对手术方案和手术技巧有基本理解。欧阳汉斌等认为:随着3D打印技术和材料科学的不断革新,骨关节退行性疾病、创伤、肿瘤导致的组织缺损修复重建将会出现更多新的选择,而3D打印的个性化、精准化、微创化元素将有力推动关节外科领域的持续发展[1]。

3D打印技术能够快速大量复制同尺寸等结构的颅骨模型,也能够清晰呈现精确结构和解剖细节,有利于本科生对复杂解剖结构的识别记忆,推进了3D打印在人体解剖学教学和研究应用[6]。进一步的研究表明,将3D打印、以问题为导向(problem-based learning,PBL)和以循证医学为基础的教学法(evidence-based learning,EBL)相结合能够提升学生掌握骨科理论知识和骨科基本操作技能,扩展临床思维,促进骨科实习的兴趣和积极性等[7,8],并改善了学生对传统教学的满意度。在具有代表性Lauge-Hansen分类的踝关节骨折[9]、腰椎椎弓根固定术中[10],3D打印模型的优点显而易见:①提升了学生对踝关节骨折的整体理解和满意度。②作为训练初学者,学生徒手椎弓根螺钉内固定辅助工具,提升螺钉固定准确性。上述成果均表明,若该技术推广至医学院校,可在一定程度上缓解骨标本不足的现状,并且能够改善教学效果和提升教学质量。

1.2 3D打印在骨肿瘤方面

Mediavilla-Santos L等在对复杂骨盆肿瘤患者制定手术方案时,将3D打印骨盆模型和手术导航系统相结合[11],提高了骨盆肿瘤手术操作的精确度和切除率[12,13]。国内学者对8例(其中:骨母细胞型骨肉瘤7例、毛细血管扩张型骨肉瘤1例)胫骨下段3D打印踝关节融合型肿瘤假体重建胫骨下段恶性骨肿瘤切除后骨缺损的安全性和早期临床疗效进行了随访观察,提示骨缺损安全、有效、融合率高,术后早期功能恢复满意[14]。3D打印技术结合虚拟复位在口腔颌面头颈肿瘤手术中疗效确切,不同程度地降低并发症和张口受限率的发生,同时提升了患者对容貌、咀嚼功能和发音的满意度[15]。天津胡永成团队对11例脊柱肿瘤进行椎体全切后,植入3D打印椎体发现术后稳定性高、并发症少、安全性较高,预后良好[16],且手术时间、出血量、住院时间均较前人研究结果更优[17]。3D打印人工椎体重建技术有助于临床医生根据肿瘤与周围神经、血管的实际情况,制定具有针对性、个体化的手术方案,在保证完整、精准地切除肿瘤的同时,能更好地减少神经及血管损伤[18]。

1.3 3D打印在颅脑教学和复杂颅脑手术方面

上海理工大学程云章课题组研究表明,3D打印技术在颅内动脉瘤(intracranial aneurysm,IA)特别是形状复杂且介入装置释放可能存在困难的IA手术方案设计和实施过程中发挥了重要作用,通过打印患者特异性动脉瘤模型,不仅使得术前预演、提高手术的成功率成为可能,而且对于治疗不理想的病例,也能起到回顾性分析、总结经验的作用,以指导临床工作,是目前辅助IA介入治疗发展的新方向[19]。另有研究也证实了3D打印模型能够帮助神经外科医生精确地为复杂IA选择治疗策略,也可以用于患者、进修医师、住院医师和神经外科医生对复杂血管解剖或解剖变异的理解[20]。

Marciuc,E A等为76例IA患者进行1∶1比例3D打印模型辅助设计治疗方案,并将该模型用于对高中低年资介入神经外科医生(10年、4年和1名住院医师)问卷调查[21]。结果显示:所有医生对于3D打印模型认可度高;对手术方案和治疗计划回顾分析后提示,3D打印模型能够为术者在两种不同的血管内技术之间提供可视化选择。另外,Cogswell PM团队对比分析了包括光聚合(VAT photo-polymerization)、粉末床融化(powder bed fusion,PBF)、粘结剂喷射(binder jetting,BJ)、材料喷射(material jetting,MJ)、层压(sheet lamination,SL)、材料挤出(material extrusion,ME)和直接能量沉积(directed energy deposition,DED)7种先进技术可用材料、平均打印成本、打印耗时、加工时间和打印层厚等重要细节[22],并发现:①DED和SL不利用构造颅内血管系统;②打印颅内血管系统的主要挑战包括打印真人尺寸的小结构,在不破坏模型的情况下移除支撑材料以及在必要时实现空腔;③用于训练模拟开颅、截骨和血管等不同手术需要时,医生应分别选择耐磨耐用的材料和透明材料打印模型;④在选择不同打印技术时,医生应结合目标结构全面考虑如下因素:可用材料和模型脆性、所需支撑结构、后处理或去除支撑结构、可用颜色、灭菌能力、耐温防潮能力和打印时间等。

中国科学院陈适团队利用3D打印技术制作颅骨解剖模型应用于颅底解剖学习,发现57%的试验参与者认为3D打印颅骨能够完整呈现颅底解剖结构,超过90%的参与者同意3D打印模型有助于空间理解和解剖学习,88%的参与者认为3D打印颅骨能够解决大体解剖标本带来的伦理学问题,84%的参与者赞同将3D打印模型应用于颅底解剖教学[23]。另外,四川大学华西医院和西安交通大学第二附属医院也有学者报道[24,25],应用3D打印颅骨于神经外科临床教学能够提升学生自学能力、学习兴趣、理解能力及临床实践操作能力,教学效果确切。笔者所在团队研究表明,将3D打印端脑模型(图1和图2)用于人体解剖学的实验教学中能提高绝大多数学生学习解剖学的兴趣,促进其对解剖空间结构的理解,加强解剖学知识的记忆,从而改善传统的实验教学质量[26]。

图1 团队制作端脑模型的过程

图2 团队制作的端脑模型

苏州大学Qing Lan课题组在应对复杂颅内病变时,通过收集脑肿瘤患者的CT/MRI图像,进行图像重建,构建颅底、脑血管、脑肿瘤和脑组织的3D打印模型[27];在显微镜下对模型进行49次模拟手术,经过多次论证和经验积累后进行实际手术;术后MRI影像复查显示,84%(21/25)的患者行肿瘤全切除,16%(4/25)行次全切除。这一结果充分证实:3D打印颅脑模型为复杂脑肿瘤手术提供了有效的模拟条件,有助于术前的手术设计、手术经验的积累和手术效果的验证,从而提高临床手术的成功率[28]。另外,德国神经外科Kosterhon M团队对于涉及颅底颞骨岩部骨肉瘤案例,尝试采用3D彩色BJ技术对颅内肿瘤和周围脑组织、血管等重要结构进行1∶1还原,实现了病灶和周围正常组织边界可视化[28];悉尼大学Kai Cheng团队将增强现实(augmented reality,AR)技术和3D打印相结合应用于复杂的颅底胆脂瘤术前会诊,使患者和医生充分掌握颅底和胆脂瘤复杂的解剖关系,通过计算机辅助设计软件(computer-aided design,CAD)对颞骨及周围结构建立三维模型,并推送至医患移动终端以便实时了解疾病动态[29]。手术医生还可以在该模型上进行模拟手术、对其切割和组织分离等操作,能够满足手术重要环节的多轮次反复验证,一定程度上提升了手术医生的操作技巧,降低手术中不可预知的风险,减少并发症和缩短手术时间[20,30]。

2 3D打印的优势及不足

3D打印模型使得复杂结构可视化、模拟手术、帮助理解解剖结构相对位置关系,提升手术安全性[31];便于向患者宣传教育和辅助术前谈话[22];一定程度上替代“大体老师”进行人体解剖学教学,缓解骨标本不足和尸体来源紧张现状。

但3D打印模型也存在一些不足之处:首先,颅骨整体打印时人为的涂色不均匀、不一致、易出现误差,不利于批量生产,如打印单个骨可避免此类问题;其次,进行3D建模时过程复杂多变,需要计算机专业技术人员、临床骨科医生、影像学医生和解剖学教师多方共同协作;最后,以往多是小样本、小范围的研究,需要推广更多临床教学和基础实验教学进一步验证。

3 3D打印的展望

3D打印不仅广泛应用于人体解剖学骨科教学,还在骨学相关临床教学和手术操作培训中扮演重要角色,增加了手术安全性的同时有助于拓展学生临床诊疗思维,便于医患沟通、术前谈话和手术风险评估等;为骨标本实验教学、临床教学和手术训练培训提供一种新方法和新思路。