3D打印技术在眼耳鼻咽喉科临床教学中的应用及展望
发布时间：2021-05-26
【摘要】：近年来，3D打印技术得到迅速发展，也给医学临床教学带来了新的革新。眼耳鼻咽喉科学解剖结构复杂精细、生理功能特异，教学中对教学模型和教学技术的使用依赖性较高、教学难度较大。文章在总结眼科及耳鼻咽喉科教学经验和不足的基础上，分析了3D打印技术在眼耳鼻咽喉教学各环节，如解剖模型、病例模型、临床训练模型以及科研创新模型中的应用前景。
【关键词】：3D打印;眼科;耳鼻咽喉科;教学模型;临床训练
医学教学实践中，教学对象的自主学习能力在教学中起主体作用，但教学手段和技术的改进仍在教学质量的提高中占有重要地位。随着现代科学技术的发展，丰富的教学图片、便捷的幻灯片和网络资料、传统的教学模型广泛应用于课堂理论教学和临床教学中，丰富了眼科和耳鼻咽喉科学生的课堂生活，为教师增添了新的教学手段。但对临床教学实践调查发现仍存在以下问题：理论知识枯燥乏味，临床操作机会少，患者及家属不配合教学，学生学习积极性不高、主动性不强、兴趣不足，教学后学生存在理解难、遗忘快的问题。眼耳鼻咽喉科教学在上述问题的基础上，又有着自身独有特点和现状，这要求教学中还须继续寻找新的教学手段和方式。近年来，三维(threedimen-sional，3D)打印技术蓬勃发展，逐渐渗透到社会各个领域，在医学临床和教学中也得到广泛应用，为眼耳鼻咽喉科教学带来了新的机遇和挑战。
1眼耳鼻咽喉科临床教学现状
眼耳鼻咽喉科具有独特的解剖生理特点，眼部、耳部、鼻部、咽喉部在解剖结构、生理功能及疾病发生发展上相互联系、相互影响。眼部范围狭小，结构精细，耳鼻咽喉部解剖复杂，部位隐匿，讲授和学习均非常抽象、枯燥。结构上彼此沟通，多为细小深长孔腔结构，不能进行直观的肉眼下观察，多需要借助光源设备和特殊检查器械来观察，学生在学习前对所学内容毫无感性认识，进一步加大了学习难度。同时，临床教学中，学生数量多，能理解并接受实习、规培教学的患者数量相对较少，通常不能满足较多学生学习的需要。示教过程中，因人眼、耳、鼻、咽喉对外界刺激较敏感，学生操作不熟练或较长时间示教均可极大地影响患者的主观感觉，难以得到患者较好的配合，影响学生的自信心，增加其临床操作的挫败感，同时也会带来医患纠纷的风险，可能导致示教失败。由此可见，眼耳鼻咽喉科教学是临床教学的难点，对教学模型和教学技术的依赖性更高。因此，寻找一种形象生动的、直观便捷的教学方法是眼耳鼻咽喉科教学发展的需求和趋势。
23D打印技术在教学中的应用
三维(threedimensional，3D)打印技术，作为一种快速成型技术，起步于20世纪80年代后期，它以数字模型文件为基础，运用金属粉末、光敏树脂等高分子可粘合材料，通过逐层叠加材料打印出3D实体模型。与传统制造业不同，它不再需要复杂的工艺、庞大的机床和大量的人力支持，3D打印技术具有精确度高、误差小、易操作等优点，利用塑料、金属、陶瓷、食品、纸张、木材和生物材料等材料就可打印出任何形状的物体[1]。该技术目前已广泛应用于汽车制造、航空航天、模具加工、电子电气等工业领域，并迅速渗透到生物医学领域，在体外医学模型、定制化医疗器械、组织工程、人工器官和组织等方面的应用不断发展[2]。
3D模型的引入也促进了教学方式的革新，在医学教育领域得到了极大关注。国际教育信息化《地平线报告》2013版将3D打印技术应用列入未来5年影响高等教育的六大技术之一。利用3D打印技术打印出的人体器官及组织模型更精确、直观，是医学教学的重大革新，可有效地解决既往教学模型铸型耗费大、工艺复杂、重复性差的问题。孔金海等[3]在临床八年制的情景教学中引入3D打印模型，在与传统教学法的对照试验中发现，3D打印模型组学员中对肿瘤大小、边界、动脉、毗邻神经等认知掌握程度明显提高，且该组学员学习兴趣、学习效率、注意力情况、分析解决问题能力、语言沟通能力、综合能力培养等方面评分较对照组提高;陈鹏等[4]利用颌骨数字化三维可视重建及3D打印技术制备模型，制备出上下颌骨缺损模型机修复体，通过对常见颌骨缺损重建体外模型模拟外科操作，让学生复习并加强对颌骨病变治疗原则的认识和理解，使学生充分认识颌骨解剖结构及修复重建方法。3D打印技术在医学教学中起到重要的媒介作用，那么依赖观察模型和检测设备的眼耳鼻咽喉科学也亟需3D打印技术的引入，这一技术可能弥补传统眼耳鼻喉科学教学中存在的不足。
33D打印技术在眼耳鼻喉科教学中的应用
3.1解剖模型
临床教学中，学习解剖和生理知识是了解眼耳鼻咽喉科疾病的基础，也是学习难点。眼耳鼻咽喉部解剖结构复杂，传统的教学模型以及数字化的图片不能满足临床学习需要，不能完全、真实、立体地展现解剖毗邻关系，而3D打印出的模型可以等比例、高分辨率的还原眼部、耳部、咽喉部的解剖结构，可广泛应用到眼耳鼻咽喉科教学中。肖嵛等[5]将数字化可视人体三维建模技术和计算机3D打印技术相结合，打印出耳蜗、大肠、脊柱、大脑等模型。所打印出的模型与人体器官标本实体大小比例为1∶1，外观结构清晰，这种来源于数字化人体技术的模型数据优于电子计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)，制作的解剖模型更可靠，在教学应用中更真实地还原人体解剖结构;XieP等[6]根据获得的眼球数据，利用3D技术打印出眼球物理模型，可用于医学院学生或住院医师的模拟训练。因此，也可以利用数据扫描出耳部、鼻部、咽喉部的等比例解剖模型，真实、立体地展现耳鼻咽喉部复杂的解剖结构，让学生能直观生动地学习和体会。PreeceD等[7]研究比较了使用3D模型进行学习的学生和使用数字模型或书本的学生在阅读MRI片解剖关系的差异，发现使用3D实体模型学习的学生对解剖结构及其毗邻关系理解更深刻和持久，学习积极性提高。因此，3D打印出的解剖模型可真实、立体地向学生展现眼、耳、鼻、咽喉复杂的解剖结构，弥补目前所用影像学获得数据或图片的不足，提高学生学习积极性，增强知识点记忆的准确性和持久性。
3.2病例模型
目前所使用的教学模型是预成型的、非个体化的、仿真度不高，而3D模型高仿真、等比例，可以根据教学需要设计教学模型，让学生更加直观、深刻地理解眼科和耳鼻咽喉科疾病。3D打印技术可以通过高分辨CT扫描获得患者眼部、耳鼻咽喉部疾病病变数据，经软件处理后形成3D图形，传输到3D打印机，再选择合适的材料打印出成品。针对不同的病例，可以打印出病变局部的3D实体模型，使学生和医师全方位地了解病变局部解剖关系和病变机制，引导学生主动思考出现此类病变可能的治疗方案，培养学生疾病诊断及治疗思维。
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以眼眶骨折为例，头面部外伤容易导致眼眶及周围组织骨折。眼眶是个三维立体结构，学生对解剖结构的不熟悉，病例示教时抽象难懂，可能导致对病变部位误判和错误解读，影响教学效果。临床中我们可以通过眼眶的CT三维重建来估计眶壁骨折的高度、深度、宽度，但是由于组织间密度不一样，会存在很多虚拟假象或缺损，不能真实地还原眶壁损伤的3D形态，进而影响医师手术方式的决定。张鹤等[8]根据每个眼眶骨折患者的CT影像数据，利用聚乳酸材料成功打印出个体化、等比例的三维立体眼眶骨折模型，使临床医师能够更加充分地了解骨折的形态、面积及其与周围骨骼的二维结构关系，从而使临床医师能直观的进行教学，指导临床工作。眼耳鼻喉科临床教学中，也可选择包括骨折病变外的其他病例，如眼眶、耳鼻咽喉部的炎症性疾病、肿瘤性疾病、阻塞性疾病等，结合3D打印出相应病例模型，让学生身临其境地体会患者复杂的病变体征和解剖关联，有助于眼耳鼻咽喉部疾病的学习，能更好地配合其他教学方法(如病例教学)的开展。
3.3临床训练模型
传统的临床训练尤其是手术训练须在带教教师和上级医师的严密监管下进行操作，但仍可能给患者、带教教师或医院带来巨大风险。而3D打印技术可以将患者信息转化成模型，学生只须在真实、可靠的模型上进行多次反复的临床模拟训练，当完全熟练后再进行实际临床操作，操作成功率明显提高、熟练程度也得到改善。研究显示，被训练的次数与操作者所积累手术经验的多少密切相关[9]。鼻部、耳部、颞骨解剖结构变异大、错综复杂，立体形态不规则、微观结构精细复杂，使用传统的二维图像进行示教均有相当的局限性，而解剖材料又极度匮乏，因此眼部、耳部手术、鼻部手术等手术训练难度大。3D打印技术的问世，使外科解剖训练领域也有了一定的发展。众所周知，耳内镜手术因单手解剖操作学习曲线较长，Bar-berSR等[10]通过3D打印技术制作了高保真、成本低廉的耳内镜手术模型，采用不同材质模拟骨质和软组织，操作者可模拟真实的耳内镜手术环境，该模型在精细度、真实性和力学触感反馈方面表现良好，得到业内的认可，并建议将此纳入住院医师训练指南。
以急慢性泪囊炎为例，内窥镜下泪囊鼻腔吻合术的问世进一步缩短了手术时间、提高了手术成功率、改善了患者就医体验，但初学者进行训练时需要大量的尸头试验，临床中尸头远远不能满足临床需要。若能利用3D打印技术打印出该疾病的手术训练模型，将会极大地缩短手术训练时间，使学生或住院医师能更直观、更便捷地训练内镜使用技术。3D打印技术形成的组织结构模型能最逼真地重现人体组织器官的解剖结构，打印出的病例模型能最大程度地还原疾病的结构病变和功能病变，因此，用3D技术建立个体化训练模型进行手术预演，能更真实地展现临床操作和手术技术的真实环境，提高学生对疾病的认知程度，促进学生对相应疾病手术经验和教训的积累，降低临床操作和手术的风险，使临床操作和手术技术得到更好的传承。
3.4科研创新模型
临床教学中，科研创新能力的培养是教学的重点，而对科研兴趣和科研思维的培养尤其重要。教学中若能让学生身临其境地体会人体医学科学奥秘，可以激发学生主动学习和主动感受的能力，培养医学研究和创新的精神。人体内环境由成千上万种相互作用的蛋白构成分子环境，结构错综复杂，电脑不能完全真实的还原其结构，化学家和分子生物学家可以通过3D打印技术打印出蛋白分子结构[11]，从而能更直观、立体地了解蛋白分子结构，同时有研究者利用特定的凝胶支架打印骨髓基质干细胞，再以特定的胶原纤维诱导其分化为骨细胞[12]，如果把这类分子和细胞结构打印应用到教学中，那么在临床规范化培训教学和研究生教学科研中，学生可以打印出任何一种分子结构和细胞，体会蛋白分子及细胞间的联系和作用，加深学习印象，也会使分子生物学相关理论的学习变得生动有趣。同理，我们也可以尝试性的建立信号通路、流行病学、病理机制、症状诊断、诊疗方案等一系列模型，增加学生学习兴趣，提升学生科研思维。
3D打印技术在医学中的应用前景广泛，活细胞、组织、器官等三维生物打印技术相关研究正逐步开展，在实现结构打印基础上，实现器官的功能打印研究还须进一步尝试。因此，医学教学中更多地引入这一技术，可以让更多的学生投入到这一技术革新中。KuruI等[13]利用微型计算机断层扫描数据分段打印出颞骨、听小骨、软组织，并人工设计出外耳道、鼓室、内耳，按照解剖位置组合成模型，测量镫骨板对声音的反应，进行声导抗测试，两项测试结果均提示中耳模型听力特性与正常人中耳相同。通过改变制作材料硅橡胶的硬度能制作不同机械性能的模型，包括正常和病理模型，在解剖打印的基础上有望实现中耳的功能打印。3D打印技术打印出的模型分辨率可达到600um，因此在眼耳鼻喉中应用前景巨大，有学者成功设计出一种利用3D打印技术打印出的眼内模型—3D瞳孔扩张装置，并应用到白内障手术中[14]。临床教学中，3D打印技术为创新观点转变、为发明创造提供了一种新的手段，带动了教学模型、教学技术、手术技术、手术工具、检查设备创新观点的新一轮更新，成为培养学生科研创新能力的“活教材”，可以广泛应用于临床科研及发明中，最终促进临床教学、医学、科研的共同进步。
综上所述，3D打印技术可以应用到眼耳鼻咽喉科临床教学中，利用3D打印技术，可以根据临床实际教学环境，打造出个体化的解剖模型、病例模型、临床训练模型、科研创新模型。让精细复杂的眼部、耳部、鼻部、咽喉部解剖结构更直观、便捷地展现在学生的面前，使临床教学更生动形象，从而加深学生对临床理论知识的印象;也可以使学生直观理解常见病、多发病的体征，增加学习兴趣，提高学生诊断疾病的能力;让学生更便捷地进行临床操作和手术训练，降低带教风险和带教成本，提升带教质量;同时也为新想法、新观点提供新的研究媒介和实现手段，提高学生的科研创新能力，促进学生主动创新和研究，极大地促进临床教学和医学的发展。——论文作者：刘成刚1，陈丽鸿2
