張碧晗，方廠(chǎng)云，李家大，袁珊珊，浣晶晶，梁 燁*

(中南大學(xué) 1.湘雅醫(yī)院 口腔醫(yī)學(xué)中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410008； 2.生命科學(xué)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410078)

3D打印技術(shù)(3D printing technology，又稱(chēng)增材制造)是一種快速成形技術(shù)，是以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，用金屬或高分子材料，根據(jù)“分層制造，逐層疊加”的原理構(gòu)造產(chǎn)品的方法[1-2]。上世紀(jì)90年代初，3D打印技術(shù)正式申報(bào)專(zhuān)利，后廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥等各個(gè)領(lǐng)域[3]。

在人體中，頜骨的解剖結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，各類(lèi)骨源性腫瘤、牙源性腫瘤及腫瘤樣病變均可發(fā)生在此處[4]，臨床常借助影像學(xué)檢查輔助進(jìn)行診斷及教學(xué)，但在影像學(xué)上同種腫瘤可以有不同表現(xiàn)，不同種腫瘤可有相似形態(tài)[5]，常規(guī)的斷層影像由于缺乏立體構(gòu)造常發(fā)生誤判的情況。因此引入了錐形束CT(cone beam computer tomography，CBCT)掃描成像技術(shù)，由其生成的三維圖像可在冠狀面、矢狀面及軸面上進(jìn)行觀(guān)測(cè)分析，但仍有其無(wú)法克服的弊端，如對(duì)軟組織等密度低的部位顯像較差且對(duì)于剛剛?cè)腴T(mén)的學(xué)生來(lái)說(shuō)仍然難以把握診斷要點(diǎn)等，這些都給臨床教學(xué)帶來(lái)了困難。本研究通過(guò)引入3D打印技術(shù)輔助的教學(xué)新方法，評(píng)估其在頜骨腫瘤與腫瘤樣變臨床教學(xué)中的作用及其相較于傳統(tǒng)教學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)所在，為提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)醫(yī)療人才的培養(yǎng)作出貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 資料及模型制備

數(shù)據(jù)來(lái)源于2015年1月至2017年12月中南大學(xué)湘雅醫(yī)院口腔醫(yī)學(xué)中心經(jīng)手術(shù)、病理和臨床證實(shí)的頜骨腫瘤與腫瘤樣變患者資料共18例，其中2例根尖囊腫，8例成釉細(xì)胞瘤，3例牙源性角化囊性瘤，3例含牙囊腫，1例骨肉瘤，1例骨纖維異常增生癥，均經(jīng)患者知情同意后用于臨床教學(xué)?；颊呔M(jìn)行了口腔頜面CBCT(美國(guó)卡瓦Imaging Sciences International 17-19)檢查，將掃描獲得的頜面部骨骼斷層圖像導(dǎo)出為DICOM格式，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入E3D三維建模軟件，運(yùn)用閾值、區(qū)域增長(zhǎng)、團(tuán)塊分割等功能，分別重建出頜骨包括病變部位骨組織三維解剖模型，將模型以STL格式保存，然后使用多噴頭(MJP) 3D打印機(jī)(美國(guó)3D Systems公司，ProJet 3510 HD Plus打印機(jī))的專(zhuān)用切片排版軟件完成打印預(yù)處理，用樹(shù)脂材料打印出三維等尺寸實(shí)物模型(圖1，2)。圖1和圖2分別展示了成釉細(xì)胞瘤和牙源性角化囊性瘤CBCT影像及與患者下頜骨等尺寸的3D打印模型，其中A、B、C分別為CBCT全口曲面斷層影像、矢狀面影像、冠狀面影像，D、E、F分別是等尺寸3D打印模型俯視圖、側(cè)視圖及局部?jī)?nèi)側(cè)圖像。

1.2 臨床教學(xué)與評(píng)價(jià)方法

將參與臨床教學(xué)課程的4個(gè)班92名學(xué)生隨機(jī)分成兩組進(jìn)行教學(xué)，其中1班24人，2班23人，3班24人，4班21人。1班與2班作為第一組，3班和4班作為第二組，分別由同一名教師進(jìn)行2學(xué)時(shí)的教學(xué)，其中第一組學(xué)生在該教師的指導(dǎo)下首先根據(jù)教材的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)、病例的臨床表現(xiàn)及CBCT檢查等傳統(tǒng)教學(xué)方式正確描述頜骨腫瘤與腫瘤樣病變的部位、形態(tài)、大小、性質(zhì)和所累及的牙齒并作出診斷后完成第一學(xué)時(shí)課程問(wèn)卷調(diào)查，然后該教師利用3D打印教具對(duì)該組學(xué)生進(jìn)一步教學(xué)后完成第二學(xué)時(shí)課程問(wèn)卷調(diào)查；第二組學(xué)生先利用3D打印教具進(jìn)行相關(guān)學(xué)習(xí)后完成第一學(xué)時(shí)課程問(wèn)卷調(diào)查，該教師再根據(jù)教材的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)、病例的臨床表現(xiàn)及CBCT檢查等傳統(tǒng)教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)后完成第二學(xué)時(shí)課程問(wèn)卷調(diào)查。兩組的兩次問(wèn)卷調(diào)查內(nèi)容均一致，均使用10分制回答(10分為完全掌握)，問(wèn)題設(shè)置如下。

Q1：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，你認(rèn)為自己是否能正確掌握頜骨腫瘤與腫瘤樣變的診斷及鑒別？

Q2：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，你認(rèn)為自己是否能正確掌握頜骨腫瘤與腫瘤樣變的分型及鑒別？

Q3：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，你認(rèn)為自己是否能掌握病變的細(xì)節(jié)，如內(nèi)部結(jié)構(gòu)、與毗鄰處重要結(jié)構(gòu)的關(guān)系、累及的骨及軟組織病變特點(diǎn)等？

A.成釉細(xì)胞瘤CBCT全口曲面斷層影像；B.成釉細(xì)胞瘤CBCT矢狀面影像；C.成釉細(xì)胞瘤CBCT冠狀面影像；D.成釉細(xì)胞瘤下頜骨3D打印模型俯視圖；E.成釉細(xì)胞瘤下頜骨3D打印模型側(cè)視圖；F.成釉細(xì)胞瘤下頜骨3D打印模型局部?jī)?nèi)側(cè)視圖

圖1 成釉細(xì)胞瘤CBCT影像及3D打印模型
Fig 1 CBCT image and 3D printing model of adamantoblastoma

A.牙源性角化囊性瘤CBCT全口曲面斷層影像；B.牙源性角化囊性瘤CBCT矢狀面影像；C.牙源性角化囊性瘤CBCT冠狀面影像；D.牙源性角化囊性瘤下頜骨3D打印模型俯視圖；E.牙源性角化囊性瘤下頜骨3D打印模型側(cè)視圖；F.牙源性角化囊性瘤下頜骨3D打印模型局部?jī)?nèi)側(cè)視圖

圖2 牙源性角化囊性瘤CBCT影像及3D打印模型
Fig 2 CBCT image and 3D printing model of keratocystic odontogenic tumor

Q4：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，你認(rèn)為自己是否能完整地記憶并再現(xiàn)出腫瘤與腫瘤樣變的部位、形態(tài)、病變的范圍及毗鄰結(jié)構(gòu)的變化？

Q5：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，你認(rèn)為自己是否能從三維空間上去理解和掌握頜骨腫瘤與腫瘤樣變的解剖學(xué)特點(diǎn)？

Q6：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，你認(rèn)為自己是否能具象性、身臨其境地去思考腫瘤與腫瘤樣變真實(shí)的病損情況？

Q7：你是否認(rèn)為本課程內(nèi)容新穎、激發(fā)了你的興趣，并提高了學(xué)習(xí)效率？

Q8：你認(rèn)為本課程內(nèi)容生動(dòng)直觀(guān)嗎，是否將較難理解的概念變得簡(jiǎn)單？

本問(wèn)卷問(wèn)題中，Q1與Q2作為非主觀(guān)類(lèi)題目，主要調(diào)查的是學(xué)生對(duì)于頜骨腫瘤與腫瘤樣變基礎(chǔ)解剖知識(shí)點(diǎn)的掌握，如疾病名稱(chēng)、疾病發(fā)展過(guò)程、診斷方法、分型及鑒別等；Q3與Q6調(diào)查的內(nèi)容更為具體，旨在檢驗(yàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)思維中能否呈現(xiàn)整個(gè)病變的表現(xiàn)及細(xì)節(jié)，如內(nèi)部結(jié)構(gòu)、與毗鄰處重要結(jié)構(gòu)的關(guān)系等；Q4與Q5意在考量是否能建立起三維空間思維方式并在課后準(zhǔn)確回憶起該病變的特點(diǎn)；Q7與Q8作為主觀(guān)類(lèi)題目，主要借此反映兩種教學(xué)方法是否具有新穎性，學(xué)生是否對(duì)課程內(nèi)容保持興趣，以尋求可能提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和效率的方法。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

組內(nèi)分析結(jié)果顯示：1)對(duì)于第一組學(xué)生，Q3～Q8問(wèn)題第二次問(wèn)卷調(diào)查評(píng)分結(jié)果顯著高于第一次(P<0.05)(表1)。2)與前述結(jié)論不同的是，第二組學(xué)生對(duì)Q1、Q2的評(píng)分顯著增高(P<0.05)(表2)；與前面相似的現(xiàn)象是Q3-Q8在第一次課程后均已有較高評(píng)分。

表1 第一組學(xué)生兩學(xué)時(shí)后問(wèn)卷調(diào)查評(píng)分結(jié)果比較

*P<0.05 compared with the first period.

表2 第二組學(xué)生兩學(xué)時(shí)后問(wèn)卷調(diào)查評(píng)分結(jié)果比較

*P<0.05 compared with the first period.

組間分析結(jié)果顯示：1)第一次課程后，Q1～Q2第一組學(xué)生評(píng)分明顯更高(P<0.05)；Q3～Q6第二組學(xué)生評(píng)分明顯更高(P<0.05)(表3)。2)第二次課程后，除Q4、Q5評(píng)分更高外(P<0.05)，余問(wèn)題評(píng)分均無(wú)差異(表4)。

表3 兩組學(xué)生第一學(xué)時(shí)后問(wèn)卷調(diào)查評(píng)分結(jié)果比較

*P<0.05 compared with the group 2 students;#P<0.05 compared with the group 1 students.

表4 兩組學(xué)生第二學(xué)時(shí)后問(wèn)卷調(diào)查評(píng)分結(jié)果比較

*P<0.05 compared with the group 1 students.

3 討論

根據(jù)上述結(jié)果作如下分析：1)新教學(xué)方式在理解疾病細(xì)節(jié)、回憶疾病形態(tài)特點(diǎn)方面具有優(yōu)勢(shì)，且更具有課程吸引力，但新方法在基礎(chǔ)概念教學(xué)中存在一定不足，需要傳統(tǒng)課程補(bǔ)充教學(xué)后學(xué)生才得以掌握知識(shí)；2)傳統(tǒng)教學(xué)方法能更詳盡地講解頜骨腫瘤與腫瘤樣變的診斷、分型及鑒別等書(shū)本基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，但以3D打印技術(shù)輔助的教學(xué)新方法較之傳統(tǒng)教學(xué)方法更加細(xì)致具體，更能使學(xué)生感到有趣新穎，且鍛煉其建立三維空間思考模式，形成完整而準(zhǔn)確的記憶，說(shuō)明在傳統(tǒng)教學(xué)模式中引入3D打印技術(shù)能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性與配合度，提高教學(xué)效率與質(zhì)量；3)兩種課程的教學(xué)順序?qū)W(xué)生最終學(xué)習(xí)效果影響較小，但牽涉到知識(shí)記憶和空間形態(tài)的理解先進(jìn)行新課程讓學(xué)生有直觀(guān)概念，再深入講解疾病基礎(chǔ)概念獲得了相對(duì)更好的最終效果，更有利于讓學(xué)生完整地記憶并再現(xiàn)出腫瘤與腫瘤樣變的部位、形態(tài)、病變的范圍及毗鄰結(jié)構(gòu)的變化，并從三維空間上去理解和掌握頜骨腫瘤與腫瘤樣變的解剖學(xué)特點(diǎn)。因此，在進(jìn)行傳統(tǒng)教學(xué)之前，先引入3D打印技術(shù)進(jìn)行輔助存在一定意義。

頜骨腫瘤與腫瘤樣變3D打印技術(shù)輔助教學(xué)新方法的優(yōu)點(diǎn)在于：1)因其與實(shí)物一比一的比例，能真實(shí)反應(yīng)頜骨腫瘤與腫瘤樣變的特點(diǎn)，可真實(shí)地觸摸骨面的膨隆，幫助學(xué)生進(jìn)行具象性地記憶。2)打破了傳統(tǒng)教學(xué)模式，可激發(fā)其積極能動(dòng)性以及解決問(wèn)題的能力，繼而提高學(xué)習(xí)效率。有國(guó)內(nèi)學(xué)者使用3D打印顱骨作為教具并行調(diào)查，88%的學(xué)生認(rèn)為3D打印模型增加了學(xué)習(xí)興趣[6]。3)對(duì)于口腔頜面外科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，教師可利用頜骨腫瘤與腫瘤樣變3D打印模型指導(dǎo)手術(shù)前的學(xué)習(xí)及手術(shù)設(shè)計(jì)，相較于其他影像學(xué)檢查等比而真實(shí)地還原解剖形態(tài)，提供大量隱藏信息，減少主觀(guān)誤差，顯著提高診療質(zhì)量及教學(xué)效果。有學(xué)者[7]對(duì)學(xué)生進(jìn)行3D仿真頜骨模型上的模擬手術(shù)教學(xué)，100%的學(xué)生認(rèn)為其有助于直觀(guān)觀(guān)察潛在的解剖結(jié)構(gòu)且對(duì)患者真實(shí)骨情況的展示更加直觀(guān)。但根據(jù)本文分析結(jié)果，新方法也存在一定的不足，在傳統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)上，新方法不足以總結(jié)疾病特點(diǎn)，形成全面的診斷和鑒別診斷概念。

頜骨腫瘤與腫瘤樣變3D打印技術(shù)輔助教學(xué)新方法面臨的問(wèn)題有1)原材料限制：目前模型材料大多是均一材料，難以達(dá)到與真實(shí)頜骨和組織觸感無(wú)差異，目前尚難以實(shí)現(xiàn)切割鉆孔的真實(shí)質(zhì)感，因此尋找更多的適合臨床教學(xué)的3D打印原材料是急于解決的問(wèn)題[8]。2)缺乏相關(guān)人才：3D打印技術(shù)需要專(zhuān)業(yè)人員操作相關(guān)設(shè)備，故而需要進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的相關(guān)人才培養(yǎng)。3)花費(fèi)較大：目前3D打印精密模型的費(fèi)用仍然較高?？紤]其材料經(jīng)濟(jì)成本問(wèn)題，大量應(yīng)用于臨床教學(xué)壓力過(guò)大。迫切需要找尋更加廉價(jià)的原材料。

在頜骨腫瘤與腫瘤樣變臨床教學(xué)中引入3D打印模型增強(qiáng)了解剖結(jié)構(gòu)的直觀(guān)性和生動(dòng)性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與主觀(guān)能動(dòng)性，提高了學(xué)習(xí)效率并讓教學(xué)事半功倍，符合現(xiàn)代教育趨勢(shì)。盡管由于各項(xiàng)條件的約束，3D打印技術(shù)應(yīng)用于臨床教學(xué)仍未得到廣泛推行，但隨著科技的創(chuàng)新和進(jìn)步，我們終將突破這些限制，其前景不可估量。