张碧晗，方厂云，李家大，袁珊珊，浣晶晶，梁 烨*

(中南大学 1.湘雅医院 口腔医学中心， 湖南 长沙 410008； 2.生命科学学院， 湖南 长沙 410078)

3D打印技术(3D printing technology，又称增材制造)是一种快速成形技术，是以数字化模型为基础，用金属或高分子材料，根据“分层制造，逐层叠加”的原理构造产品的方法[1-2]。上世纪90年代初，3D打印技术正式申报专利，后广泛应用于生物医药等各个领域[3]。

在人体中，颌骨的解剖结构较复杂，各类骨源性肿瘤、牙源性肿瘤及肿瘤样病变均可发生在此处[4]，临床常借助影像学检查辅助进行诊断及教学，但在影像学上同种肿瘤可以有不同表现，不同种肿瘤可有相似形态[5]，常规的断层影像由于缺乏立体构造常发生误判的情况。因此引入了锥形束CT(cone beam computer tomography，CBCT)扫描成像技术，由其生成的三维图像可在冠状面、矢状面及轴面上进行观测分析，但仍有其无法克服的弊端，如对软组织等密度低的部位显像较差且对于刚刚入门的学生来说仍然难以把握诊断要点等，这些都给临床教学带来了困难。本研究通过引入3D打印技术辅助的教学新方法，评估其在颌骨肿瘤与肿瘤样变临床教学中的作用及其相较于传统教学方法的优势所在，为提高教学质量，促进医疗人才的培养作出贡献。

1 材料与方法

1.1 资料及模型制备

数据来源于2015年1月至2017年12月中南大学湘雅医院口腔医学中心经手术、病理和临床证实的颌骨肿瘤与肿瘤样变患者资料共18例，其中2例根尖囊肿，8例成釉细胞瘤，3例牙源性角化囊性瘤，3例含牙囊肿，1例骨肉瘤，1例骨纤维异常增生症，均经患者知情同意后用于临床教学。患者均进行了口腔颌面CBCT(美国卡瓦Imaging Sciences International 17-19)检查，将扫描获得的颌面部骨骼断层图像导出为DICOM格式，然后将数据导入E3D三维建模软件，运用阈值、区域增长、团块分割等功能，分别重建出颌骨包括病变部位骨组织三维解剖模型，将模型以STL格式保存，然后使用多喷头(MJP) 3D打印机(美国3D Systems公司，ProJet 3510 HD Plus打印机)的专用切片排版软件完成打印预处理，用树脂材料打印出三维等尺寸实物模型(图1，2)。图1和图2分别展示了成釉细胞瘤和牙源性角化囊性瘤CBCT影像及与患者下颌骨等尺寸的3D打印模型，其中A、B、C分别为CBCT全口曲面断层影像、矢状面影像、冠状面影像，D、E、F分别是等尺寸3D打印模型俯视图、侧视图及局部内侧图像。

1.2 临床教学与评价方法

将参与临床教学课程的4个班92名学生随机分成两组进行教学，其中1班24人，2班23人，3班24人，4班21人。1班与2班作为第一组，3班和4班作为第二组，分别由同一名教师进行2学时的教学，其中第一组学生在该教师的指导下首先根据教材的相关知识点、病例的临床表现及CBCT检查等传统教学方式正确描述颌骨肿瘤与肿瘤样病变的部位、形态、大小、性质和所累及的牙齿并作出诊断后完成第一学时课程问卷调查，然后该教师利用3D打印教具对该组学生进一步教学后完成第二学时课程问卷调查；第二组学生先利用3D打印教具进行相关学习后完成第一学时课程问卷调查，该教师再根据教材的相关知识点、病例的临床表现及CBCT检查等传统教学方式进行教学后完成第二学时课程问卷调查。两组的两次问卷调查内容均一致，均使用10分制回答(10分为完全掌握)，问题设置如下。

Q1：通过本课程的学习，你认为自己是否能正确掌握颌骨肿瘤与肿瘤样变的诊断及鉴别？

Q2：通过本课程的学习，你认为自己是否能正确掌握颌骨肿瘤与肿瘤样变的分型及鉴别？

Q3：通过本课程的学习，你认为自己是否能掌握病变的细节，如内部结构、与毗邻处重要结构的关系、累及的骨及软组织病变特点等？

A.成釉细胞瘤CBCT全口曲面断层影像；B.成釉细胞瘤CBCT矢状面影像；C.成釉细胞瘤CBCT冠状面影像；D.成釉细胞瘤下颌骨3D打印模型俯视图；E.成釉细胞瘤下颌骨3D打印模型侧视图；F.成釉细胞瘤下颌骨3D打印模型局部内侧视图

图1 成釉细胞瘤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全口曲面断层影像；B.牙源性角化囊性瘤CBCT矢状面影像；C.牙源性角化囊性瘤CBCT冠状面影像；D.牙源性角化囊性瘤下颌骨3D打印模型俯视图；E.牙源性角化囊性瘤下颌骨3D打印模型侧视图；F.牙源性角化囊性瘤下颌骨3D打印模型局部内侧视图

图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：通过本课程的学习，你认为自己是否能完整地记忆并再现出肿瘤与肿瘤样变的部位、形态、病变的范围及毗邻结构的变化？

Q5：通过本课程的学习，你认为自己是否能从三维空间上去理解和掌握颌骨肿瘤与肿瘤样变的解剖学特点？

Q6：通过本课程的学习，你认为自己是否能具象性、身临其境地去思考肿瘤与肿瘤样变真实的病损情况？

Q7：你是否认为本课程内容新颖、激发了你的兴趣，并提高了学习效率？

Q8：你认为本课程内容生动直观吗，是否将较难理解的概念变得简单？

本问卷问题中，Q1与Q2作为非主观类题目，主要调查的是学生对于颌骨肿瘤与肿瘤样变基础解剖知识点的掌握，如疾病名称、疾病发展过程、诊断方法、分型及鉴别等；Q3与Q6调查的内容更为具体，旨在检验学生在学习时思维中能否呈现整个病变的表现及细节，如内部结构、与毗邻处重要结构的关系等；Q4与Q5意在考量是否能建立起三维空间思维方式并在课后准确回忆起该病变的特点；Q7与Q8作为主观类题目，主要借此反映两种教学方法是否具有新颖性，学生是否对课程内容保持兴趣，以寻求可能提升学生学习积极性和效率的方法。

1.3 统计学分析

2 结果

组内分析结果显示：1)对于第一组学生，Q3～Q8问题第二次问卷调查评分结果显著高于第一次(P<0.05)(表1)。2)与前述结论不同的是，第二组学生对Q1、Q2的评分显著增高(P<0.05)(表2)；与前面相似的现象是Q3-Q8在第一次课程后均已有较高评分。

表1 第一组学生两学时后问卷调查评分结果比较

*P<0.05 compared with the first period.

表2 第二组学生两学时后问卷调查评分结果比较

*P<0.05 compared with the first period.

组间分析结果显示：1)第一次课程后，Q1～Q2第一组学生评分明显更高(P<0.05)；Q3～Q6第二组学生评分明显更高(P<0.05)(表3)。2)第二次课程后，除Q4、Q5评分更高外(P<0.05)，余问题评分均无差异(表4)。

表3 两组学生第一学时后问卷调查评分结果比较

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

表4 两组学生第二学时后问卷调查评分结果比较

*P<0.05 compared with the group 1 students.

3 讨论

根据上述结果作如下分析：1)新教学方式在理解疾病细节、回忆疾病形态特点方面具有优势，且更具有课程吸引力，但新方法在基础概念教学中存在一定不足，需要传统课程补充教学后学生才得以掌握知识；2)传统教学方法能更详尽地讲解颌骨肿瘤与肿瘤样变的诊断、分型及鉴别等书本基础知识点，但以3D打印技术辅助的教学新方法较之传统教学方法更加细致具体，更能使学生感到有趣新颖，且锻炼其建立三维空间思考模式，形成完整而准确的记忆，说明在传统教学模式中引入3D打印技术能充分调动学生积极性与配合度，提高教学效率与质量；3)两种课程的教学顺序对学生最终学习效果影响较小，但牵涉到知识记忆和空间形态的理解先进行新课程让学生有直观概念，再深入讲解疾病基础概念获得了相对更好的最终效果，更有利于让学生完整地记忆并再现出肿瘤与肿瘤样变的部位、形态、病变的范围及毗邻结构的变化，并从三维空间上去理解和掌握颌骨肿瘤与肿瘤样变的解剖学特点。因此，在进行传统教学之前，先引入3D打印技术进行辅助存在一定意义。

颌骨肿瘤与肿瘤样变3D打印技术辅助教学新方法的优点在于：1)因其与实物一比一的比例，能真实反应颌骨肿瘤与肿瘤样变的特点，可真实地触摸骨面的膨隆，帮助学生进行具象性地记忆。2)打破了传统教学模式，可激发其积极能动性以及解决问题的能力，继而提高学习效率。有国内学者使用3D打印颅骨作为教具并行调查，88%的学生认为3D打印模型增加了学习兴趣[6]。3)对于口腔颌面外科专业的学生来说，教师可利用颌骨肿瘤与肿瘤样变3D打印模型指导手术前的学习及手术设计，相较于其他影像学检查等比而真实地还原解剖形态，提供大量隐藏信息，减少主观误差，显著提高诊疗质量及教学效果。有学者[7]对学生进行3D仿真颌骨模型上的模拟手术教学，100%的学生认为其有助于直观观察潜在的解剖结构且对患者真实骨情况的展示更加直观。但根据本文分析结果，新方法也存在一定的不足，在传统基础知识的教学上，新方法不足以总结疾病特点，形成全面的诊断和鉴别诊断概念。

颌骨肿瘤与肿瘤样变3D打印技术辅助教学新方法面临的问题有1)原材料限制：目前模型材料大多是均一材料，难以达到与真实颌骨和组织触感无差异，目前尚难以实现切割钻孔的真实质感，因此寻找更多的适合临床教学的3D打印原材料是急于解决的问题[8]。2)缺乏相关人才：3D打印技术需要专业人员操作相关设备，故而需要进行专业的相关人才培养。3)花费较大：目前3D打印精密模型的费用仍然较高。考虑其材料经济成本问题，大量应用于临床教学压力过大。迫切需要找寻更加廉价的原材料。

在颌骨肿瘤与肿瘤样变临床教学中引入3D打印模型增强了解剖结构的直观性和生动性，激发了学生的学习兴趣与主观能动性，提高了学习效率并让教学事半功倍，符合现代教育趋势。尽管由于各项条件的约束，3D打印技术应用于临床教学仍未得到广泛推行，但随着科技的创新和进步，我们终将突破这些限制，其前景不可估量。