3D打印结合VR技术在肿瘤外科本科生临床教学中的应用

［摘           要］  目的：探讨 3D打印结合VR技术在肿瘤外科本科生临床教学中的应用效果。方法：选取蚌埠医科大学临床医学专业某班49名本科生作为研究对象，将其随机分为实验组（25人）和对照组（24人），其中对照组学生接受常规“师带徒”教学方法，实验组学生在临床教学中应用3D打印结合VR技术进行临床教学，对比两组学生的理论考核成绩、临床实际技能操作考核成绩、学生的教学评价结果及对教学模式的主观评价。结果：实验组学生理论考核成绩显著优于对照组（P<0.05）；实验组学生临床实际技能操作考核成绩显著优于对照组（P<0.05）；实验组学生教学评价结果显著优于对照组（P<0.05）；实验组学生对该种教学方式的满意度达到96.00%，而对照组仅为75.00%，差异显著（P<0.05）。结论：3D打印结合VR技术用于肿瘤外科本科生临床教学中获得了较好的教学效果，强化了学生的理论知识，提升了其临床操作技能，使其综合能力得以提升。

［关    键   词］  3D打印技术；VR技术；肿瘤外科；临床教学；三维数字模型；医疗卫生

［中图分类号］  G642                   ［文献标志码］  A                   ［文章编号］  2096-0603（2024）36-0109-04

随着现代人生活习惯的改变，加上不断恶化的生存环境，使肿瘤患者越来越多，呈逐年增长趋势，且患者越来越低龄化，多数肿瘤恶性程度高，5年生存率低，给人类健康造成巨大影响[1]。而肿瘤外科疾病对诊断技术的要求较高，加上治疗理念创新速度快，以往常规“师带徒”教学方法下学生都是被动接受知识，带教教师是教学的主体，导致教学效果不尽如人意，因此教学改革势在必行。结合现有资源及医院实际情况，探索适宜的教学方法，是当前探索的重要方向[2]。目前，已出现多种符合现代医学教育模式的新型教学方法，其中虚拟现实技术（VR）作为一种新的教学方法，依托虚拟现实功能，可根据实际病患情况制定数量众多的相应的病灶解剖、手术模型，从而让学生获得真实的体验及感受，为其创造一个虚拟但逼真的场景，使其获得较好的体验感，其解决了侵入性操作在病人身上难以重复训练、昂贵器械难以重复的难题，不需要承担实际操作存在的风险，减少经济损伤的同时，不断提高学生的操作技能[3-4]。3D打印技术作为一种全新材料制作手段，在近二十余年时间中不断获得技术创新，并在医学领域内被广泛应用于组织建模、肿瘤等外科手术方案设计及训练、假体制作、临床教学等，该技术建立在三维数字模型的基础上，通过分层制造及逐层叠加的方法，将材料堆积起来，是一种新型的数字化技术，其打印出来的肿瘤模型空间立体感较好，1∶1还原病灶形态及周围血管情况，便于后续教学工作的开展[5]。为了适应医疗卫生事业发展需求，培育更多医学人才，近年来3D打印及VR技术在临床教学中不断受到青睐，并在耳鼻喉头颈外科及肺癌等肿瘤外科等教学中被逐步应用，基于此，我们尝试将3D打印结合VR技术用于肿瘤外科临床教学中，为探讨其教学效果及学生对教学模式的主观评价，本次研究选取蚌埠医科大学临床医学专业某班49名本科生作为研究对象，具体研究如下：

一、一般资料与方法

（一）一般资料

将选取蚌埠医科大学临床医学专业某班49名本科生作为研究对象。纳入标准：（1）临床医学专业5年制本科生；（2）均为在我院见习班学生；（3）基础及临床阶段各项考核均合格。排除标准：（1）特殊原因无法参与本次研究；（2）存在显著的沟通障碍。将以上学生随机分为实验组（25人）和对照组（24人）。对照组中男15名，女9名，年龄区间20～24岁，平均（22.23±1.45）岁。实验组中男16名，女9名，年龄区间20～24岁，平均（22.15±1.42）岁。研究对象均通过全国高等院校考试入学，前期主要医学基础课程成绩经统计学检验无明显差异，且以上年龄及性别等基线资料经统计学检验无明显差异（P>0.05）。

（二）方法

对照组学生接受常规“师带徒”教学方法，带教教师是教学的主体，一对多授课，以教学大纲作为指导，开展教学工作，利用典型病例，结合PPT及视频资料，向学生系统讲解恶性肿瘤疾病特点、病因、病理生理、临床表现、诊断及治疗等理论知识，让学生做好笔记，并对其操作技能加以指导，学生与带教教师同班次，跟随带教教师一同查房。

实验组学生在临床教学中应用3D打印结合VR技术进行临床教学，具体为：（1）教学方法：在我院肿瘤外科就诊的患者中，选取一个典型的病理，如胰腺肿瘤患者，实施胰腺磁共振增强及CT增强扫描后，获取病例资料、影像学信息，建立病患三维CT数字影像资料并以DICOM格式保存刻录，其次利用 3DS Max（3D Studio Max）等建模软件进行建模，将模型按操作说明书调整打印参数、导入 Unity3D 软件，赋予其肿瘤大小、肿瘤边界等物理特性以及肿瘤毗邻血管和脏器的相互关系等信息，由此带教教师即可结合本院3D及VR技术系统分析并向学生进行讲解、指导，继而协助学生使用虚拟现实硬件交互设备，在超高分辨画面及模拟真实的情境中，充分了解病变范围，进行手术方案设计、确定最佳手术入路，并在头显和手柄的协助下完成相应的模拟手术操作，进一步增强学生对肿瘤外科常见疾病的手术治疗过程的体验和提高学生的实际应用能力。临床教学应力求客观、形象、直接，带教教师充分讲明技术操作规范及手术规范，指导学生做好笔记。（2）该部分所应用到的软件主要有：3DS Max、Mimics（Materialise Interactive Medical Image Control System）和 Unity3D，应用到的虚拟现实硬件交互设备主要有HTC Vive 头显和VR 手柄。

（三）观察与评价指标

对比两组学生的理论考核成绩，均由同一名教师进行考核，包括出科理论及前沿知识，考试满分各100分。

对比两组学生的临床实际技能操作考核成绩，均由同一名教师进行考核，包括疾病诊断、治疗方案制订、突发事件处理、自信心、求知欲、认知成熟度等，各项满分100分。

学生的教学评价结果：课程结束后，向学生发放教学效果评价的问卷调查表，从是否提高自主学习能力、知识理解能力、临床工作能力、学习兴趣及积极性、学习效率、独立思考能力及医患沟通能力等项目进行调查，了解学生对此教学法的评价。调查问卷统一发放，现场回收，共发放问卷49份，回收有效问卷49份，有效回收率 100%。

学生对教学模式的主观评价：所有学生考核完毕后进行匿名问卷调查，了解其对教学方式的满意度，采用不记名的方式，共49名学生，回收49份调查问卷，分非常满意、满意及不满意三个等级。非常满意率+满意率即为总满意率。

（四）统计学方法

利用SPSS 25.0软件进行统计分析。计量资料以（±s）的形式表示，组间采用独立样本t检验、组内均采用配对样本t 检验；计数资料以“%”表示，组间比较采用χ2检验。记P<0.05为差异具有统计学意义。

二、结果

（一）对比两组学生的理论考核成绩

实验组学生理论考核成绩显著优于对照组（P<0.05），详见表1。

（二）对比两组学生的临床实际技能操作考核成绩

实验组学生临床实际技能操作考核成绩显著优于对照组（P<0.05），详见表2。

（三）对比两组学生的教学评价结果

实验组学生的教学评价结果显著优于对照组（P<0.05），详见表3。

（四）两组学生满意度调查结果比较

实验组学生对该种教学方式的满意度达到96.00%，而对照组仅为75.00%，差异显著（P<0.05），详见表4。

三、讨论

肿瘤外科病种多，与影像学、病理学及解剖学的关系密切，部分复杂的肿瘤症状不够典型，解剖结构及特点存在显著差别，不利于医学生真正意义上理解疾病，难以取得良好的教学效果，进而在日后病情诊断、病理分析、术前方案制订及手术操作等临床实践中出现恶性循环[6]。而当前肿瘤发病率在不断提高，肿瘤外科逐渐成为临床重点关注科室，如何将复杂的肿瘤外科疾病更形象、直观地呈现给学生，提升其学习兴趣，激发其学习热情，使其自主学习动力及解决问题的能力得以提高，是临床教学未来研究的重要方向。

由于肿瘤看不见、摸不着，且处于较深位置，学生对其认知较浅，只能在大脑形成初步印象，对立体感较差的学生来说，其学习起来较吃力，导致其学习热情减退[7]。3D打印技术的出现和发展，使制作程序更加简单，而打印出来的物体三维立体感强。当前工艺材料的不断改进，3D打印技术联合多种生物材料的创新，使其在骨科、口腔外科领域广泛使用，如姜大为等[8]指出3D打印假体在儿童股骨恶性肿瘤保骺保肢治疗中既有机械重建的短期稳定，也有生物重建的远期稳定。庞宝兴等[9]指出3D打印联合手术导航技术在口腔颌面肿瘤外科教学实践中具有更大的优势，为临床医学教学提供了一种新的教学手段。

近年来，3D打印技术在肿瘤外科教学中同样不断受到重视，如王婷安等[10]等探究3D打印技术联合CBL教学模式在胃肠肿瘤外科临床实习教学中的实际运用效果，结果显示，提高实习生的学习主动性，提升实习生分析、解决问题的能力，在胃肠肿瘤外科的实际教学中能明显提高教学效果。3D打印技术的主要原理是将二维影像通过三维模型展现出来，在肿瘤外科应用中可较好展现肿瘤的解剖结构，采用该种技术打印出的肿瘤模型具有较好的空间立体感，教学中能让学生看后留下深刻印象，对肿瘤有一个更全面的认识，从而为后续临床教学的顺利开展提供帮助[11-12]。而本次研究获取胰腺癌CT及磁共振等影像数据后，利用3D打印技术按1∶1比例还原了胰腺肿瘤的形状及结构，同时利用VR技术实施教学，使学生通过模型及虚拟情境可直观学习肿瘤解剖及周围器官组织的关系，熟悉胰腺肿瘤的解剖结构及周边血管，明确肿瘤的病理生理、临床表现、影像学特点及治疗方法等 [13]。在传统肿瘤外科教学中，多数学生对手术方案的制订、手术进路的选择及精细的操作手法等知识能力的获取，往往通过观看视频影像资料、听取实验室理论讲解联合实际观摩等获得，由于缺乏亲身实验，对病患病情无具体理解，所以在实际操作水平上大打折扣。本研究中，通过表1、表2可知，实验组理论成绩及临床实际技能操作成绩均优于对照组，实验组学生在自信心、求知欲、认知成熟度上均表现更好，可见3D打印结合VR技术用于临床教学中，可提高学生的理论及操作成绩，通过在模型上讲解，让学生更清楚地了解肿瘤病灶特点，加深其印象的同时，使其掌握更多知识，为其今后临床工作奠定基础，实际操作的专业技能得到很大提升。

传统的教学模式比较重视理论知识，较少重视学生思维能力的培养。3D打印结合VR技术开展临床教学，让学生成为教学主体，为其提供了一个生动的学习环境，鼓励其参与整个教学过程，可通过模型进行实操训练，让学生在虚拟仿真情境中完成临床诊治工作，让抽象的知识趣味化及形象化[14]。同时，其不断激发学生潜能，培养其分析及解决问题的能力，锻炼其沟通及团队协作能力，使其多角度思考问题，提高其职业素养[15]。从表3、表4可知，实验组学生对教学评价结果显著优于对照组，满意度优于对照组，可见3D打印结合VR技术用于临床教学中，让带教教师能更形象、贴切地授课，讲解各种手术措施，分析不同手术的利弊，以便学生今后遇到相同病例时有一定经验。然而该项技术也有其不足之处，部分细小的血管难以重建[16]。然而对肿瘤外科本科生而言，3D打印结合VR技术可展现肿瘤及周围血管的关系，让学生对肿瘤的相关知识有更深层次的理解，以达到教学目的。