2024年2月18日发(作者：)
3D打印颅骨在颅底解剖教学中的应用
吴颜延;税午阳;赵峻;古兆琦;潘周娴;李曼;陈适;潘慧;朱惠娟;沈震;姚勇
【摘 要】目的 旨在探究3D打印技术制作解剖教具应用于医学解剖教育的可行性.方法 用CT扫描获取大体颅骨标本影像数据,重建并采用3D打印技术构建颅骨模型.招募26名北京协和医学院三年级医学生,采用3D打印颅骨模型进行颅底解剖学习,并通过主观评价问卷对其在解剖教学中的实用性进行评价.结果57%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%参与者同意3D打印模型有助于空间理解和解剖学习,88%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%参与者赞同将3D打印模型应用于颅底解剖教学.结论3D打印模型在解剖教学中效果得到了肯定,3D打印技术在医学教育中的进一步应用亟待展开.%Objective This experiment aimed to find out the feasibility of
applying 3D printing technology to anato-my education. Methods We
constructed 3D printed skull using a cadaveric skull as template.26
participants were recruited from Peking Union Medical College. All
participants studied cranial anatomy with 3D printed skulls as teaching
materials,and then assessed practicability of 3D printed skulls by subjective
assessment questionnaires. Results 57% participants considered that 3D
printed skulls can present defined cranial anatomical than
90% participants agreed that 3D printed models helped spatial
comprehension and study of anatomy.88% par-ticipants suggested 3D
printing can solve the problem of ethics.84% participants agreed to apply
3D printed models into cranial anatomy education. Conclusions The
efficacy of 3D printing had been confirmed in anatomical educa-tion.
Further application of 3D printing technology in medical education needs
carrying out.
【期刊名称】《基础医学与临床》
【年(卷),期】2017(037)010
【总页数】5页(P1486-1490)
【关键词】3D打印;医学教育;解剖模型;颅骨
【作 者】吴颜延;税午阳;赵峻;古兆琦;潘周娴;李曼;陈适;潘慧;朱惠娟;沈震;姚勇
【作者单位】中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 临床医学八年制,北京100730;北京师范大学信息科学与技术学院,北京100875;中国医学科学院北京协和医学院 北京协和医院 国家级医学虚拟仿真实验教学中心,北京100730;中国医学科学院北京协和医学院 北京协和医院 教育处,北京100730;中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 临床医学八年制,北京100730;中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 临床医学八年制,北京100730;中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 临床医学八年制,北京100730;中国医学科学院北京协和医学院 北京协和医院 内分泌科 卫生部内分泌重点实验室,北京100730;中国医学科学院北京协和医学院 北京协和医院 国家级医学虚拟仿真实验教学中心,北京100730;中国医学科学院北京协和医学院 北京协和医院 内分泌科 卫生部内分泌重点实验室,北京100730;中国医学科学院北京协和医学院 北京协和医院 国家级医学虚拟仿真实验教学中心,北京100730;中国医学科学院北京协和医学院 北京协和医院 教育处,北京100730;中国医学科学院北京协和医学院 北京协和医院 内分泌科
卫生部内分泌重点实验室,北京100730;中国科学院 自动化研究所,北京100190;中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 神经外科,北京100730
【正文语种】中 文
【中图分类】R319
#对本文有相同贡献
3D(three-dimensional)打印技术起始于上世纪80年代，由于其在精确复制及形态学展现方面的优势，在医学领域有广阔的应用前景[1]，如外科手术操作模型的建立[2- 3]、病理形态标本的制作[4]、复杂解剖结构的放大[5]等等。而在人体解剖学习中，Monfared等将放大的3D打印模型用于砧骨、锤骨及耳蜗内复杂结构的学习，取得了较好评价[5]。颅底结构因其复杂的三维立体结构成为解剖学习中的一大难点，3D打印技术提供了一个新的方法精确展现颅底三维立体结构，同时易于保存和修复。国内尚未有将3D打印技术应用于医学解剖教学实例，且此前国内外均未有3D打印颅底模型的相关研究，本研究首次采用3D打印技术建造颅底模型，并招募处于解剖学习阶段的医学生对其实用性进行评价。
从北京协和医学院解剖学系选取一个保存最为完好的大体颅骨标本进行CT扫描(水平扫描，层厚0.1mm)，将扫描数据转化成STL(STereo Lithography)文件，使用ultimaker 2打印机(中国，2016年产)、采用1.75线径的乳白色PLA(polylactic acid)材料进行层厚0.1mm的打印。由于大体颅骨标本保存手段有限，存在部分结构缺失和损坏，如前床突、眶上裂等结构缺失，及额骨上可见不规则破孔。随后研究者对照奈特彩色图谱在STL文件中对颅骨模型的破损和缺失结构进行修复，通过geomagic studio进行错误面修复、破面修补和网格重新布局，sculptris alpha对模型的结构细节进行强化雕刻，最后采用meshmixer对STL文件进行了打印前检查，最后用ultimaker 2重新打印了5个修复后的颅骨模型。参考奈特图谱对5个3D打印颅骨模型用丙烯颜料上色。每个3D颅骨模型打印耗时28 h，上色耗时2.5 h。
研究者从北京协和医学院三年级共80名医学生中随机抽取了26名试验参与者，全部参与者均未接触过颅底解剖相关知识，且参与者均未参与本实验设计及3D颅骨打印过程。试验参与者被随机分成5组，每组5～6人共用一个3D打印颅骨模型，通过30 min课堂讲授向试验者介绍颅底相关结构，然后30 min自主对照讲义和3D颅骨模型学习，最后参与者独立填写“主观评价问卷”以对其在解剖学习中的实用性进行评价。该问卷包括3D模型解剖结构的精确度、完整度，对空间理解、记忆的帮助，能否激发学习兴趣，能否解决大体标本伦理学问题，是否应当推广该种教具等多个方面的评价(问卷问题见表1)，试验者就每个问题进行1～5分打分(其中5分代表非常同意，1分代表非常不同意)。共收集全部26份“主观评价问卷”进行统计分析。
本研究中的大体颅骨标本取自北京协和医学院人体解剖与组织胚胎学系的人体组织器官库(该器官库的建设已通过中国医学科学院基础医学研究所&北京协和医学院基础学院伦理审查委员会审查，项目编号：009- 2014)。26名试验参与者均签署知情同意书，试验过程中未登记参与者身份信息。
大体颅骨标本和3D打印颅骨模型的外观对比(图1)，修复细节对比(图2)。
本实验共纳入26名北京协和医学院三年级学生，其中12男14女，年龄在20～22岁。所有试验参与者均全程参与试验，包括课堂讲授、小组自主学习和问卷评价，无中途离场及退出情况。
主观评价问卷：26名参与者填写了问卷(表1)。针对3D打印颅骨是否能完整呈现颅底解剖结构，57%给予积极回复(19%完全赞同，28%赞同)。
88%参与者认为使用3D打印颅骨可以解决使用人体标本带来的伦理学问题。88%参与者喜欢该3D打印模型(65%表示非常喜欢)，认为3D打印模型增加了学习兴趣，便于记忆。96%参与者认为使用3D打印模型更加有助于空间理解(62%非常赞同这一看法)，92%参与者认为有助于解剖的学习。73%参与者认为3D打印相
比于真实颅骨和图谱更有利于学习。84%参与者希望将3D打印模型应用于颅底解剖教学，并推广到其他解剖教学中。96%参与者希望能多参与相关的教学活动。同时有6名同学提出3D打印模型的精确度有待提高，1名同学表示相比于真实人体颅骨，3D打印模型更加标准。
人体解剖教学是医学教育中最基础、最重要的一部分。传统医学解剖教学方式包括讲座形式的课堂教授、小组讨论学习、解剖图谱学习、大体标本解剖及交互式学习软件[6]等等，但平面图谱难以精确还原三维结构和空间位置关系，大体标本涉及医学伦理问题[7- 8]，保存过程中会有破损[9]影响结构辨认，虚拟3D软件受限于网络及设备难以推广。3D打印解剖教具直观反映三维结构，且具有易获得、易保存、批量生产成本低廉、便于推广等优点。
目前，已有国外研究者将3D打印技术应用于复杂解剖结构如眶周[10]、颞骨[11]、脑室[12]和牙齿[13]等教学研究，已有两个研究团队设计出3D打印脊椎[4]和心脏模型[14]进行教学实验，证实其在教学应用中的可行性，且对比图谱及真实人体结构具有一定的优势。颅底因其结构复杂性和在解剖学习中的重要性，3D打印完整颅骨用于教学研究亟待实现。
本研究中针对3D打印颅骨模型的主观评价问卷调查结果亦证实：1)相比于现有的二维图谱及真实颅骨标本这类传统解剖学习教具，3D打印颅骨基本呈现颅底结构，部分同学甚至认为3D打印拥有更舒适的手感，材料坚韧不易碎；2)3D打印利于记忆和空间理解，更利于学习；3)3D打印颅骨解决了真实颅骨使用过程中的潜在伦理学问题；4)参与者希望3D打印技术推广到其他解剖教学。
本研究仅局限于3D打印技术应用于医学生解剖学习，事实上，3D打印技术还可应用于临床住院医师巩固基础解剖知识、熟悉外科手术操作入路及毗邻结构，专科住院医师手术操作训练及手术模拟。神经外科手术复杂而精细，在进一步研究中，
3D打印技术可实现在颅底基础上增加垂体、血管等结构应用于专科医师模拟垂体瘤手术操作训练。此外，根据患者影像资料3D打印手术模型进行术前模拟操作，可有效降低手术风险。
3D打印颅骨模型存在一定局限性：1)采用整体颅骨打印而非单个颅骨；2)不同颅骨人工上色过程中易出现误差，不利于批量生产。在今后研究中，可尝试单个颅骨不同颜色材料打印组装成型。
本研究中，医学生对于3D打印颅骨模型有极高的热情，绝大多数医学生对3D打印模型的教学效果感到满意。希望3D打印可以应用到今后的医学教育中。
酒、加工肉增加胃癌风险
据美国WebMD医学新闻网(2016- 04- 07)报道，有篇最新评论发现，酒、加工肉(热狗、火腿、培根等)以及过重都是胃癌风险增加的因素。
每年全世界有近100万新的胃癌案例，占所有癌症的7%，5年幸存率是25%～28%，大部分是因为症状只出现在晚期。
研究指出，每天喝3杯以上的酒增加胃癌风险，根据美国国立卫生研究院的指南，1杯相当于约360 mL啤酒、150 mL红酒或45 mL烈酒。
每天吃50 g加工肉(相当于1个热狗或是2片腊肠)，胃部的癌症风险增加18%。加工肉在烟熏时含有硝酸盐以及食盐等防腐剂，或是多环芳香烃(PAHs)副产物，这些被认为与癌症风险有关。
身体质量指数(BMI)每增加5会造成胃部癌症风险增加23%。过重与肥胖增加胃部癌症风险，可能是因为过重造成胃酸反流，刺激胃部与食管的内层。也可能是过多的脂肪促进胰岛素等激素、生长因子或血管内的其他炎性因子释放，增加癌症风险。
这篇评论认为，如果每天喝酒不超过3杯、不吃加工肉以及维持健康BMI的话，可以减少1/7的胃癌案例，相当于每年4 000个胃癌案例。
然而，这篇报告并未证明这些因素会造成胃癌，它只显示出关联性。
teaching materials, and then assessed practicability of 3D printed skulls by
subjective assessment questionnaires. Results 57% participants considered
that 3D printed skulls can present defined cranial anatomical structures.
More than 90% participants agreed that 3D printed models helped spatial
comprehension and study of anatomy. 88% participants suggested 3D
printing can solve the problem of ethics. 84% participants agreed to apply
3D printed models into cranial anatomy education. Conclusions The
efficacy of 3D printing had been confirmed in anatomical education.
Further application of 3D printing technology in medical education needs
carrying out.
【相关文献】
[1] 潘周娴, 陈适, 刘巍, 等. 医学三维打印材料分类及应用介绍[J]. 基础医学与临床, 2015,35:702-
706.
[2] Waran V, Narayanan V, Karuppiah R, et al. Neurosurgical endoscopic training via a
realistic 3-dimensional model with pathology[J]. Simul Healthc, 2015,10:43- 48.
[3] Narayanan V, Narayanan P, Rajagopalan R, et al. Endoscopic skull base training using
3D printed models with pre-existing pathology[J]. Eur Arch Otorhinolaryngol,
2015,272:753- 757.
[4] Li Z, Li Z, Xu R, et al. Three-dimensional printing models improve understanding of
spinal fracture—A randomized controlled study in China[J]. Sci Rep, 2015,5:1- 9.
[5] Monfared A, Mitteramskogler G, Gruber S, et al. High-fidelity, inexpensive surgical
middle ear simulator[J]. Otol Neurotol, 2012,33:1573- 1577.
[6] Pujol S, Baldwin M, Nassiri J, et al. Using 3D Modeling Techniques to Enhance Teaching
of Difficult Anatomical Concepts[J]. Acad Radiol, 2016,23:507- 516.
[7] Zhang L, Xiao M, Gu M, et al. An overview of the roles and responsibilities of Chinese
medical colleges in body donation programs[J]. Anat Sci Educ, 2014,7:312- 320.
[8] Hasan T. Is dissection humane[J]. J Med Ethics Hist Med, 2011, 4:1- 4.
[9] Schmitt B, Wacker C, Ikemoto L, et al. A transparent oversight policy for human
anatomical specimen management: the University of California, Davis experience[J]. Acad
Med, 2014,89:410- 414.
[10] Lozano R, Stevens L, Thompson BC, et al. 3D printing of layered brain-like structures
using peptide modified gellan gum substrates[J]. Biomaterials, 2015,67:264- 273.
[11] Rose AS, Kimbell JS, Webster CE, et al. Multi-material 3D Models for Temporal Bone
Surgical Simulation[J]. Ann Otol Rhinol Laryngol, 2015,124:528- 536.
[12] Ryan JR, Chen T, Nakaji P, et al. Ventriculostomy Simulation Using Patient-Specific
Ventricular Anatomy, 3D Printing, and Hydrogel Casting[J]. World Neurosurg,
2015,84:1333- 1339.
[13] Ebert J, Ozkol E, Zeichner A, et al. Direct inkjet printing of dental prostheses made of
zirconia[J]. J Dent Res, 2009,88:673- 676.
[14] Lim KH, Loo ZY, Goldie SJ, et al. Use of 3D printed models in medical education: A
randomized control trial comparing 3D prints versus cadaveric materials for learning
external cardiac anatomy[J]. Anat Sci Educ, 2016,9:213- 221.
