3D打印技術(shù)在口腔頜面外科實(shí)驗教學(xué)中的應(yīng)用

作者：王珂    項濤    湯亞玲    梁新華  （口腔疾病研究國家重點(diǎn)實(shí)驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院）

口腔頜面外科學(xué)作為口腔外科學(xué)與頜面外科學(xué)的交叉學(xué)科, 在我國還是一門年輕且亟待發(fā)展的學(xué)科, 眾多醫(yī)務(wù)工作者為這項專業(yè)投入到臨床、科研的同時, 亦付出心血教育、引導(dǎo)著一批又一批新的從業(yè)者。如今, 正逢科技蓬勃發(fā)展的時期, 不斷革新的技術(shù)讓這項專業(yè)改變進(jìn)步神速, 3D打印技術(shù)目前已經(jīng)開始應(yīng)用于口腔頜面外科的臨床治療之中, 包括制作個性化手術(shù)導(dǎo)板、下頜骨缺損模型及修復(fù)模型、個性化植入物等。這不僅改進(jìn)了傳統(tǒng)的治療手段, 更為廣大的患者帶來了福音。然而, 當(dāng)前口腔頜面外科的專業(yè)教學(xué)仍以傳統(tǒng)的教師講授和考試考查為主, 盡管有多媒體教學(xué)手段及解剖標(biāo)本的輔助, 學(xué)生對于口腔頜面部的解剖關(guān)系、病變后軟硬組織的相對位置及各自狀態(tài)仍難以深刻理解。筆者認(rèn)為：3D打印應(yīng)用于口腔頜面外科實(shí)驗教學(xué)中, 有助于深化學(xué)生對于解剖位置的空間理解, 建立三維立體的形象思維, 提升學(xué)習(xí)樂趣及效率, 從而提高教學(xué)質(zhì)量。

1 3D打印應(yīng)用于基礎(chǔ)解剖及口腔頜面局部解剖教學(xué)
傳統(tǒng)解剖教學(xué)是以人體解剖圖譜結(jié)合教師講授, 輔以解剖尸體來學(xué)習(xí)。然而, 面對當(dāng)今尸體來源稀缺、成本高, 且定型過程中細(xì)微結(jié)構(gòu)模糊不清、存在解剖結(jié)構(gòu)變異等情況, 基礎(chǔ)與局部解剖學(xué)的學(xué)習(xí)面臨困境, 3D打印技術(shù)因其先天優(yōu)勢可以彌補(bǔ)上述的缺陷。

在Jones等的一項研究中, 他們向51名對象（包含50名醫(yī)生和1名醫(yī)學(xué)生）展示4種3D打印病理解剖模型[使用立體光固化成型技術(shù)（stereo li-thography apparatus, SLA）, 設(shè)備3D Systems, 美國, 材料聚碳酸酯類樹脂（Accura 60）; 以及聚合物噴射技術(shù)（PolyJet）, 設(shè)備Objet Geome-tries, 以色列, 材料丙烯酸樹脂], 90.2%的對象認(rèn)為這些模型可用于教授基礎(chǔ)解剖學(xué)。Suzuki等[4]使用3D打印而成的雙倍尺寸的顳骨模型[使用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（selective laser sintering, SLS）, 設(shè)備不詳, 材料為加入玻璃砂的聚酰胺尼龍]作為教學(xué)用具, 學(xué)生可從多方位觀看經(jīng)等比例放大后的顳骨細(xì)微結(jié)構(gòu), 同時, 在老師講授和教學(xué)手術(shù)視頻之后, 學(xué)生能夠更了解外科與解剖學(xué)的關(guān)系, 從手術(shù)醫(yī)生的角度學(xué)習(xí)手術(shù)定位和解剖定位。吳顏延等使用3D打印顱骨（使用設(shè)備為ultimaker 2, 中國, 材料為聚乳酸）作為26名隨機(jī)選擇的臨床本科生的顱底解剖教具, 盡管43%的參與者認(rèn)為3D打印顱骨不能完整呈現(xiàn)顱底解剖結(jié)構(gòu), 3D打印精度有待提高, 但是88%的參與者認(rèn)為3D打印模型增加了學(xué)習(xí)興趣, 96%的參與者認(rèn)為其更加有助于空間理解。

付麗等在結(jié)合3D打印技術(shù)進(jìn)行1例雙側(cè)下牙槽神經(jīng)移位同期牙種植術(shù)的手術(shù)模擬時, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：3D打印模型（使用技術(shù)、設(shè)備及材料不詳）神經(jīng)管后部的寬度明顯大于口腔頜面錐形束CT（cone beam computed tomography, CBCT）的測量數(shù)據(jù), 可用骨高度明顯更小, 術(shù)前以模型而非CBCT作手術(shù)設(shè)計, 術(shù)中觀察真實(shí)情況與3D打印模型一致。 CBCT作為斷層影像, 醫(yī)生以其作為手術(shù)設(shè)計時需要一定的空間想象力將斷層影像三維化, 可能造成對神經(jīng)管邊界的主觀描繪誤差, 而3D打印等比模型三維再現(xiàn)了下牙槽神經(jīng)管的解剖形態(tài), 可提供大量隱藏信息, 以此為參考可減少主觀誤差, 顯著提高診療質(zhì)量及教學(xué)效果。趙雪竹等對9名青年醫(yī)生進(jìn)行仿真頜骨模型（使用技術(shù)為PolyJet, 設(shè)備為PEDEN260, Objet Geome-tries, 以色列, 材料為MED610）上的模擬手術(shù)教學(xué), 100%的學(xué)生認(rèn)為仿真頜骨模型有助于直觀觀察并指出潛在的解剖結(jié)構(gòu)位置, 如與上后牙毗鄰的上頜竇結(jié)構(gòu)、與上前牙鄰近的切牙管結(jié)構(gòu)以及下頜骨的下牙槽神經(jīng)等; 100%的學(xué)生認(rèn)為相對CT影像, 仿真頜骨模型對患者真實(shí)骨情況的展示更直觀。傳統(tǒng)教學(xué)方式下, 醫(yī)學(xué)生僅能通過文字描述及二維圖像想象真實(shí)的頜骨外形, 且由于唇頰組織的遮擋, 口腔具有非開放性術(shù)區(qū)的特殊性, 極大影響了醫(yī)學(xué)生對患者骨條件的充分認(rèn)識, 減緩了其成長速度, 3D打印模型來自患者的真實(shí)影像學(xué)數(shù)據(jù)及石膏模型, 且采用具有透明性的樹脂材料（MED610）, 有助于學(xué)生深入認(rèn)識患者的真實(shí)骨結(jié)構(gòu)。

2 3D打印應(yīng)用于上下頜骨創(chuàng)傷、腫瘤、缺損重建教學(xué)
上下頜骨由于交通事故、運(yùn)動損傷等意外常發(fā)生骨折損傷, 臨床體征為骨折移位、骨折段異常移位、咬合關(guān)系錯亂、張口受限、牙齦撕裂等。然而在專業(yè)教學(xué)中, 因口腔頜面部解剖關(guān)系復(fù)雜、咀嚼肌附麗牽拉、外力作用的大小與方向多變等, 學(xué)生常對骨折移位方向、異常愈合只具有理論認(rèn)識而缺乏空間想象, 尤其是在頜面部多發(fā)骨折及陳舊骨折的情況下。姚志濤等使用各型骨折三維打印模型（使用技術(shù)為SLA, 設(shè)備及材料不詳）對2個年級口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行頜面部創(chuàng)傷的教學(xué), 使用四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院頜面部創(chuàng)傷學(xué)試題進(jìn)行測試, 結(jié)果顯示：使用三維打印模型教學(xué)的組別學(xué)生取得的成績更好, 對口腔頜面部創(chuàng)傷的認(rèn)識更加直觀、完整。

頜骨缺損常發(fā)生于創(chuàng)傷、炎癥、放射性骨壞死、腫瘤和瘤樣病變切除術(shù)后, 嚴(yán)重影響患者咀嚼、言語、吞咽等生理功能及心理狀態(tài)。劉冰等使用來自頜骨腫瘤患者術(shù)前及術(shù)后3個月的頜面部CT資料的3D打印模型（使用技術(shù)、設(shè)備及材料不詳）, 陳鵬等使用5例患者的頜骨缺損重建3D打印模型（使用設(shè)備為Replicator 2X, Maker-Bot, 美國, 材料為聚乳酸）行臨床教學(xué), 學(xué)生均被要求結(jié)合臨床及影像資料做出診斷并確定治療方案, 結(jié)果顯示：結(jié)合3D打印模型進(jìn)行教學(xué)的學(xué)生對頜骨重建認(rèn)識更加直觀, 對頜骨缺損解剖形態(tài)與面形恢復(fù)和咬合功能重建的復(fù)雜性有更深的理解, 通過模擬手術(shù)操作, 學(xué)生對頜骨缺損的治療原則和預(yù)后效果評價也有一定的認(rèn)識。

3 3D打印應(yīng)用于模擬手術(shù)操作實(shí)踐教學(xué)
年輕醫(yī)生的成長勢必為一個積累經(jīng)驗的過程, 在此同時, 醫(yī)生又肩負(fù)著自身對患者的責(zé)任和患者對自己的信任�？谇活M面部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、關(guān)鍵, 血管神經(jīng)分布密集, 手術(shù)視野局限, 年輕醫(yī)生需經(jīng)歷長時間的手術(shù)觀摩后, 在經(jīng)驗豐富的醫(yī)生指導(dǎo)下才得以上手。3D打印以其完美復(fù)制的特性, 可用于進(jìn)行模擬手術(shù)操作, 以期縮短青年醫(yī)生的訓(xùn)練時間, 使之迅速成長, 掌握手術(shù)技巧。

局部麻醉是口腔頜面外科醫(yī)生最常使用的操作之一, 但其可能導(dǎo)致的一些并發(fā)癥或許會造成口腔手術(shù)中斷、推遲, 甚至造成對患者的嚴(yán)重傷害, 例如血腫、局部麻醉失敗、面神經(jīng)麻痹等, 對頭頸部解剖學(xué)尤其是神經(jīng)解剖學(xué)的詳細(xì)知識是成功和安全地施用局部麻醉的基礎(chǔ)。Canellas等在人體頭骨上仔細(xì)地再現(xiàn)了頭面部的神經(jīng)血管, 尤其是三叉神經(jīng)及其分支, 并以此為基礎(chǔ)制作了包括上頜、下頜、下牙槽神經(jīng)阻滯麻醉在內(nèi)的麻醉技術(shù)的視頻, 提供給130名口腔醫(yī)學(xué)本科生學(xué)習(xí)麻醉技術(shù), 100%的人認(rèn)為此種教學(xué)手段可促進(jìn)正確麻醉手段的學(xué)習(xí), 并認(rèn)為3D解剖模型有利于回顧解剖結(jié)構(gòu)。鑒于目前3D打印技術(shù)的蓬勃發(fā)展, 且神經(jīng)在影像學(xué)如磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）中的顯像技術(shù)越發(fā)成熟, 以此為圖像基礎(chǔ)打印3D模型并在未來應(yīng)用于口腔頜面外科麻醉教學(xué)將成為可能。

一些學(xué)者在要求學(xué)生確定治療方案時, 要求在3D打印的原模型上確定截骨線和截骨類型, 明確骨缺損的范圍、移植骨的長度和重建所需的形態(tài), 以鏡像模型為模板, 制作修復(fù)導(dǎo)板或修復(fù)塊, 老師則是先在3D打印模型上進(jìn)行講解, 然后結(jié)合具體手術(shù)過程對照講解。袁偉等對17名陳舊性面部骨折病例行仿真3D模型打�。ㄊ褂眉夹g(shù)、設(shè)備及材料不詳）, 對術(shù)前設(shè)計、術(shù)中困難分析及術(shù)后咬合關(guān)系恢復(fù)的情況進(jìn)行模擬, 最終手術(shù)效果均滿意。有時, 由于骨折畸形造成患者張口受限, 難以完成取模研究咬合關(guān)系, 且陳舊性骨折存在錯位愈合, 具體畸形情況難以在斷層影像上準(zhǔn)確判斷, 增加了手術(shù)難度, 而3D打印模型可精確顯示陳舊性骨折錯位愈合的情況, 再現(xiàn)患者的咬合關(guān)系, 不僅實(shí)現(xiàn)了模擬手術(shù), 簡化手術(shù)過程, 縮短手術(shù)時間, 且便于和患者及家屬溝通。陳春艷等應(yīng)用三維頭顱模型及3D打印導(dǎo)板（使用技術(shù)、設(shè)備及材料不詳）對10例頜面部復(fù)雜骨折的病例進(jìn)行術(shù)前設(shè)計和模擬手術(shù), 使得醫(yī)生在術(shù)中定位精確, 節(jié)省了手術(shù)時間。Olsze-wski等應(yīng)用3D打印頭顱模型（使用設(shè)備為Z-Corp, 美國, 材料為丙烯酸）進(jìn)行模擬正頜手術(shù), 在實(shí)體模型頦部上設(shè)計截骨線并進(jìn)行切割移位和固定等操作, 證實(shí)模擬手術(shù)有助于避開牙根等重要結(jié)構(gòu); 趙雪竹等要求學(xué)生在仿真頜骨模型上進(jìn)行預(yù)手術(shù)及手術(shù)導(dǎo)板制作, 在通過3~5次的實(shí)踐操作之后進(jìn)行實(shí)際手術(shù)操作, 100%的學(xué)生認(rèn)為在仿真模型上進(jìn)行模擬手術(shù)有助于確定最佳的鉆孔位置。

4 3D打印應(yīng)用于口腔頜面外科實(shí)驗教學(xué)的展望
3D打印因其個性化定制、快速成型的特點(diǎn), 可作為立體標(biāo)本用于保存具有代表性的病例（腫瘤、創(chuàng)傷等）, 結(jié)合真實(shí)完整的臨床病歷、影像學(xué)資料、輔助檢查結(jié)果, 作為教學(xué)病例的儲備。孔金海等在使用3D打印模型對60名臨床八年制學(xué)生行情境教學(xué)后, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗組在學(xué)習(xí)興趣、效率、注意力、分析解決力、語言溝通能力等方面均優(yōu)于對照組, 這說明情景教學(xué)對于活躍教學(xué)氣氛、強(qiáng)化教學(xué)效果的意義重大。楊長偉等使用3D打印骨科病損模型對500余學(xué)員進(jìn)行教學(xué)后測試, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：相比對照組（實(shí)驗組學(xué)員）對知識掌握度有明顯提高, 學(xué)員學(xué)習(xí)興趣高漲, 對整體教學(xué)效果的評價也隨之提高。將3D打印模型教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方式融為一體, 實(shí)驗教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成, 實(shí)行以問題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)（problem-based learning, PBL）教學(xué)模式, 讓學(xué)生在教學(xué)中占據(jù)主導(dǎo)地位, 充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動性, 收獲知識的同時收獲樂趣, 老師則起引導(dǎo)輔助和答疑的作用。條件允許的情況下, 使學(xué)生盡可能都有在3D打印模型上模擬手術(shù)操作的機(jī)會, 鍛煉動手操作能力, 盡早獲得嫻熟的手術(shù)技巧與精確的操作能力。

5 3D打印應(yīng)用于口腔頜面外科實(shí)驗教學(xué)的優(yōu)越性與不足
3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù), 是在計算機(jī)輔助下根據(jù)物體模型或CT等數(shù)據(jù), 即刻分層制造、逐層疊加打印成立體結(jié)構(gòu)的技術(shù)。
3D打印分為3個步驟：
第一步為圖像獲取, CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像、反應(yīng)患者口內(nèi)情況的石膏模型、激光掃描模型等均可成為數(shù)據(jù)來源;
第二步為圖像后處理, 靈活運(yùn)用各類軟件建立圖像的三維重建;
第三步為快速打印制作實(shí)體模型, 根據(jù)所選用材料的不同, 分為不同的成型方法, 其中以SLA、熔融沉積成型（fused deposition modeling, FDM）在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛。

3D打印模型作為口腔頜面外科實(shí)驗教學(xué)的輔助教學(xué)工具, 具有極大的優(yōu)越性：1）因其來自患者或正常人的真實(shí)數(shù)據(jù), 且可根據(jù)材料選擇不同具備透明性, 學(xué)生將之作為解剖學(xué)學(xué)習(xí)工具時, 既可全方位觀察隱蔽的解剖位置, 建立空間感, 又可克服生理解剖標(biāo)本難以獲得的弊端及可能面臨的倫理道德問題;

2）3D打印的個人定制屬性使得其作為臨床病例輔助工具教學(xué)時, 學(xué)生對于病變區(qū)域三維立體結(jié)構(gòu)的改變認(rèn)識更加直觀、深刻;
3）3D打印模型用于模擬手術(shù)操作可使學(xué)生以術(shù)者的角度學(xué)習(xí)手術(shù)入路及操作手法, 縮短學(xué)生的培訓(xùn)時間, 加快成長。

然而, 在當(dāng)前階段, 3D打印技術(shù)應(yīng)用于口腔頜面外科教學(xué)尚有其不足之處：
1）3D打印需要專業(yè)設(shè)備與材料, 雖為即刻成型技術(shù)卻仍需制作周期, 資金與時間投入較多;
2）隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 3D打印雖然已可以實(shí)現(xiàn)在同一打印模型上使用不同材料、顏色體現(xiàn)不同解剖結(jié)構(gòu)的分離打印, 足以區(qū)分軟硬組織, 但其建模的復(fù)雜性以及當(dāng)前材料尚無法再現(xiàn)軟組織的特性, 使之難以在模型上模擬牙齦切開、翻瓣等操作;
3）3D打印模型模擬手術(shù)復(fù)雜、費(fèi)時, 且難以模擬復(fù)雜手術(shù), 進(jìn)行截骨等模擬手術(shù)操作后模型即廢棄, 也無法對比不同術(shù)式, 在多個模型上模擬則又太過費(fèi)時、費(fèi)力;

4）目前, 3D打印受打印機(jī)型、用材限制, 精度仍不能完全反映精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu), 模型空腔內(nèi)可見粉料、支撐材料殘留, 模擬手術(shù)時可能出現(xiàn)融化趨勢;
5）3D打印模型尚無法模擬顳下頜關(guān)節(jié)的運(yùn)動, 因而不能重現(xiàn)患者的咬合運(yùn)動。

6 小結(jié)
3D打印模型集解剖結(jié)構(gòu)、診斷分型及手術(shù)治療為一體, 完整地實(shí)現(xiàn)了知識的整合, 其打印出先天性疾病或其他病理學(xué)模型的可能性將改善臨床解剖教育模式, 符合現(xiàn)代教學(xué)趨勢。其在教學(xué)中的應(yīng)用增強(qiáng)了解剖結(jié)構(gòu)的直觀性和生動性, 且因?qū)嶒灲虒W(xué)互動性、實(shí)踐性的特性, 學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中可充分發(fā)揮主動性和積極性, 有利于學(xué)生思維方式和實(shí)際操作技巧的快速成長, 提高教學(xué)效率與質(zhì)量。盡管目前由于各項條件的限制, 3D打印模型在口腔頜面外科實(shí)驗教學(xué)中的應(yīng)用仍十分有限, 但相信隨著科技的發(fā)展, 打印技術(shù)與材料的革新, 成本下降, 其應(yīng)用前景將會十分廣闊。