3D打印技術在頜骨腫瘤與腫瘤樣變臨床教學中的應用

張碧晗，方廠云，李家大，袁珊珊，浣晶晶，梁 燁*

(中南大學 1.湘雅醫(yī)院 口腔醫(yī)學中心， 湖南 長沙 410008； 2.生命科學學院， 湖南 長沙 410078)

3D打印技術(3D printing technology，又稱增材制造)是一種快速成形技術，是以數(shù)字化模型為基礎，用金屬或高分子材料，根據(jù)“分層制造，逐層疊加”的原理構造產品的方法[1-2]。上世紀90年代初，3D打印技術正式申報專利，后廣泛應用于生物醫(yī)藥等各個領域[3]。

在人體中，頜骨的解剖結構較復雜，各類骨源性腫瘤、牙源性腫瘤及腫瘤樣病變均可發(fā)生在此處[4]，臨床常借助影像學檢查輔助進行診斷及教學，但在影像學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，由其生成的三維圖像可在冠狀面、矢狀面及軸面上進行觀測分析，但仍有其無法克服的弊端，如對軟組織等密度低的部位顯像較差且對于剛剛入門的學生來說仍然難以把握診斷要點等，這些都給臨床教學帶來了困難。本研究通過引入3D打印技術輔助的教學新方法，評估其在頜骨腫瘤與腫瘤樣變臨床教學中的作用及其相較于傳統(tǒng)教學方法的優(yōu)勢所在，為提高教學質量，促進醫(yī)療人才的培養(yǎng)作出貢獻。

1 材料與方法

1.1 資料及模型制備

數(shù)據(jù)來源于2015年1月至2017年12月中南大學湘雅醫(yī)院口腔醫(yī)學中心經(jīng)手術、病理和臨床證實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?；颊呔M行了口腔頜面CBCT(美國卡瓦Imaging Sciences International 17-19)檢查，將掃描獲得的頜面部骨骼斷層圖像導出為DICOM格式，然后將數(shù)據(jù)導入E3D三維建模軟件，運用閾值、區(qū)域增長、團塊分割等功能，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(美國3D Systems公司，ProJet 3510 HD Plus打印機)的專用切片排版軟件完成打印預處理，用樹脂材料打印出三維等尺寸實物模型(圖1，2)。圖1和圖2分別展示了成釉細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、側視圖及局部內側圖像。

1.2 臨床教學與評價方法

將參與臨床教學課程的4個班92名學生隨機分成兩組進行教學，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行2學時的教學，其中第一組學生在該教師的指導下首先根據(jù)教材的相關知識點、病例的臨床表現(xiàn)及CBCT檢查等傳統(tǒng)教學方式正確描述頜骨腫瘤與腫瘤樣病變的部位、形態(tài)、大小、性質和所累及的牙齒并作出診斷后完成第一學時課程問卷調查，然后該教師利用3D打印教具對該組學生進一步教學后完成第二學時課程問卷調查；第二組學生先利用3D打印教具進行相關學習后完成第一學時課程問卷調查，該教師再根據(jù)教材的相關知識點、病例的臨床表現(xiàn)及CBCT檢查等傳統(tǒng)教學方式進行教學后完成第二學時課程問卷調查。兩組的兩次問卷調查內容均一致，均使用10分制回答(10分為完全掌握)，問題設置如下。

Q1：通過本課程的學習，你認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：通過本課程的學習，你認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：通過本課程的學習，你認為自己是否能掌握病變的細節(jié)，如內部結構、與毗鄰處重要結構的關系、累及的骨及軟組織病變特點等？

A.成釉細胞瘤CBCT全口曲面斷層影像；B.成釉細胞瘤CBCT矢狀面影像；C.成釉細胞瘤CBCT冠狀面影像；D.成釉細胞瘤下頜骨3D打印模型俯視圖；E.成釉細胞瘤下頜骨3D打印模型側視圖；F.成釉細胞瘤下頜骨3D打印模型局部內側視圖

圖1 成釉細胞瘤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打印模型側視圖；F.牙源性角化囊性瘤下頜骨3D打印模型局部內側視圖

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：通過本課程的學習，你認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構的變化？

Q5：通過本課程的學習，你認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特點？

Q6：通過本課程的學習，你認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的病損情況？

Q7：你是否認為本課程內容新穎、激發(fā)了你的興趣，并提高了學習效率？

Q8：你認為本課程內容生動直觀嗎，是否將較難理解的概念變得簡單？

本問卷問題中，Q1與Q2作為非主觀類題目，主要調查的是學生對于頜骨腫瘤與腫瘤樣變基礎解剖知識點的掌握，如疾病名稱、疾病發(fā)展過程、診斷方法、分型及鑒別等；Q3與Q6調查的內容更為具體，旨在檢驗學生在學習時思維中能否呈現(xiàn)整個病變的表現(xiàn)及細節(jié)，如內部結構、與毗鄰處重要結構的關系等；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確回憶起該病變的特點；Q7與Q8作為主觀類題目，主要借此反映兩種教學方法是否具有新穎性，學生是否對課程內容保持興趣，以尋求可能提升學生學習積極性和效率的方法。

1.3 統(tǒng)計學分析

2 結果

組內分析結果顯示：1)對于第一組學生，Q3～Q8問題第二次問卷調查評分結果顯著高于第一次(P<0.05)(表1)。2)與前述結論不同的是，第二組學生對Q1、Q2的評分顯著增高(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分。

表1 第一組學生兩學時后問卷調查評分結果比較

*P<0.05 compared with the first period.

表2 第二組學生兩學時后問卷調查評分結果比較

*P<0.05 compared with the first period.

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

表3 兩組學生第一學時后問卷調查評分結果比較

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

表4 兩組學生第二學時后問卷調查評分結果比較

*P<0.05 compared with the group 1 students.

3 討論

根據(jù)上述結果作如下分析：1)新教學方式在理解疾病細節(jié)、回憶疾病形態(tài)特點方面具有優(yōu)勢，且更具有課程吸引力，但新方法在基礎概念教學中存在一定不足，需要傳統(tǒng)課程補充教學后學生才得以掌握知識；2)傳統(tǒng)教學方法能更詳盡地講解頜骨腫瘤與腫瘤樣變的診斷、分型及鑒別等書本基礎知識點，但以3D打印技術輔助的教學新方法較之傳統(tǒng)教學方法更加細致具體，更能使學生感到有趣新穎，且鍛煉其建立三維空間思考模式，形成完整而準確的記憶，說明在傳統(tǒng)教學模式中引入3D打印技術能充分調動學生積極性與配合度，提高教學效率與質量；3)兩種課程的教學順序對學生最終學習效果影響較小，但牽涉到知識記憶和空間形態(tài)的理解先進行新課程讓學生有直觀概念，再深入講解疾病基礎概念獲得了相對更好的最終效果，更有利于讓學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構的變化，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特點。因此，在進行傳統(tǒng)教學之前，先引入3D打印技術進行輔助存在一定意義。

頜骨腫瘤與腫瘤樣變3D打印技術輔助教學新方法的優(yōu)點在于：1)因其與實物一比一的比例，能真實反應頜骨腫瘤與腫瘤樣變的特點，可真實地觸摸骨面的膨隆，幫助學生進行具象性地記憶。2)打破了傳統(tǒng)教學模式，可激發(fā)其積極能動性以及解決問題的能力，繼而提高學習效率。有國內學者使用3D打印顱骨作為教具并行調查，88%的學生認為3D打印模型增加了學習興趣[6]。3)對于口腔頜面外科專業(yè)的學生來說，教師可利用頜骨腫瘤與腫瘤樣變3D打印模型指導手術前的學習及手術設計，相較于其他影像學檢查等比而真實地還原解剖形態(tài)，提供大量隱藏信息，減少主觀誤差，顯著提高診療質量及教學效果。有學者[7]對學生進行3D仿真頜骨模型上的模擬手術教學，100%的學生認為其有助于直觀觀察潛在的解剖結構且對患者真實骨情況的展示更加直觀。但根據(jù)本文分析結果，新方法也存在一定的不足，在傳統(tǒng)基礎知識的教學上，新方法不足以總結疾病特點，形成全面的診斷和鑒別診斷概念。

頜骨腫瘤與腫瘤樣變3D打印技術輔助教學新方法面臨的問題有1)原材料限制：目前模型材料大多是均一材料，難以達到與真實頜骨和組織觸感無差異，目前尚難以實現(xiàn)切割鉆孔的真實質感，因此尋找更多的適合臨床教學的3D打印原材料是急于解決的問題[8]。2)缺乏相關人才：3D打印技術需要專業(yè)人員操作相關設備，故而需要進行專業(yè)的相關人才培養(yǎng)。3)花費較大：目前3D打印精密模型的費用仍然較高。考慮其材料經(jīng)濟成本問題，大量應用于臨床教學壓力過大。迫切需要找尋更加廉價的原材料。

在頜骨腫瘤與腫瘤樣變臨床教學中引入3D打印模型增強了解剖結構的直觀性和生動性，激發(fā)了學生的學習興趣與主觀能動性，提高了學習效率并讓教學事半功倍，符合現(xiàn)代教育趨勢。盡管由于各項條件的約束，3D打印技術應用于臨床教學仍未得到廣泛推行，但隨著科技的創(chuàng)新和進步，我們終將突破這些限制，其前景不可估量。