3D打印技术在口腔颌面外科实验教学中的应用

作者：王珂    项涛    汤亚玲    梁新华  （口腔疾病研究国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心 四川大学华西口腔医院）

口腔颌面外科学作为口腔外科学与颌面外科学的交叉学科, 在我国还是一门年轻且亟待发展的学科, 众多医务工作者为这项专业投入到临床、科研的同时, 亦付出心血教育、引导着一批又一批新的从业者。如今, 正逢科技蓬勃发展的时期, 不断革新的技术让这项专业改变进步神速, 3D打印技术目前已经开始应用于口腔颌面外科的临床治疗之中, 包括制作个性化手术导板、下颌骨缺损模型及修复模型、个性化植入物等。这不仅改进了传统的治疗手段, 更为广大的患者带来了福音。然而, 当前口腔颌面外科的专业教学仍以传统的教师讲授和考试考查为主, 尽管有多媒体教学手段及解剖标本的辅助, 学生对于口腔颌面部的解剖关系、病变后软硬组织的相对位置及各自状态仍难以深刻理解。笔者认为：3D打印应用于口腔颌面外科实验教学中, 有助于深化学生对于解剖位置的空间理解, 建立三维立体的形象思维, 提升学习乐趣及效率, 从而提高教学质量。

1 3D打印应用于基础解剖及口腔颌面局部解剖教学
传统解剖教学是以人体解剖图谱结合教师讲授, 辅以解剖尸体来学习。然而, 面对当今尸体来源稀缺、成本高, 且定型过程中细微结构模糊不清、存在解剖结构变异等情况, 基础与局部解剖学的学习面临困境, 3D打印技术因其先天优势可以弥补上述的缺陷。

在Jones等的一项研究中, 他们向51名对象（包含50名医生和1名医学生）展示4种3D打印病理解剖模型[使用立体光固化成型技术（stereo li-thography apparatus, SLA）, 设备3D Systems, 美国, 材料聚碳酸酯类树脂（Accura 60）; 以及聚合物喷射技术（PolyJet）, 设备Objet Geome-tries, 以色列, 材料丙烯酸树脂], 90.2%的对象认为这些模型可用于教授基础解剖学。Suzuki等[4]使用3D打印而成的双倍尺寸的颞骨模型[使用选择性激光烧结技术（selective laser sintering, SLS）, 设备不详, 材料为加入玻璃砂的聚酰胺尼龙]作为教学用具, 学生可从多方位观看经等比例放大后的颞骨细微结构, 同时, 在老师讲授和教学手术视频之后, 学生能够更了解外科与解剖学的关系, 从手术医生的角度学习手术定位和解剖定位。吴颜延等使用3D打印颅骨（使用设备为ultimaker 2, 中国, 材料为聚乳酸）作为26名随机选择的临床本科生的颅底解剖教具, 尽管43%的参与者认为3D打印颅骨不能完整呈现颅底解剖结构, 3D打印精度有待提高, 但是88%的参与者认为3D打印模型增加了学习兴趣, 96%的参与者认为其更加有助于空间理解。

付丽等在结合3D打印技术进行1例双侧下牙槽神经移位同期牙种植术的手术模拟时, 结果发现：3D打印模型（使用技术、设备及材料不详）神经管后部的宽度明显大于口腔颌面锥形束CT（cone beam computed tomography, CBCT）的测量数据, 可用骨高度明显更小, 术前以模型而非CBCT作手术设计, 术中观察真实情况与3D打印模型一致。 CBCT作为断层影像, 医生以其作为手术设计时需要一定的空间想象力将断层影像三维化, 可能造成对神经管边界的主观描绘误差, 而3D打印等比模型三维再现了下牙槽神经管的解剖形态, 可提供大量隐藏信息, 以此为参考可减少主观误差, 显著提高诊疗质量及教学效果。赵雪竹等对9名青年医生进行仿真颌骨模型（使用技术为PolyJet, 设备为PEDEN260, Objet Geome-tries, 以色列, 材料为MED610）上的模拟手术教学, 100%的学生认为仿真颌骨模型有助于直观观察并指出潜在的解剖结构位置, 如与上后牙毗邻的上颌窦结构、与上前牙邻近的切牙管结构以及下颌骨的下牙槽神经等; 100%的学生认为相对CT影像, 仿真颌骨模型对患者真实骨情况的展示更直观。传统教学方式下, 医学生仅能通过文字描述及二维图像想象真实的颌骨外形, 且由于唇颊组织的遮挡, 口腔具有非开放性术区的特殊性, 极大影响了医学生对患者骨条件的充分认识, 减缓了其成长速度, 3D打印模型来自患者的真实影像学数据及石膏模型, 且采用具有透明性的树脂材料（MED610）, 有助于学生深入认识患者的真实骨结构。

2 3D打印应用于上下颌骨创伤、肿瘤、缺损重建教学
上下颌骨由于交通事故、运动损伤等意外常发生骨折损伤, 临床体征为骨折移位、骨折段异常移位、咬合关系错乱、张口受限、牙龈撕裂等。然而在专业教学中, 因口腔颌面部解剖关系复杂、咀嚼肌附丽牵拉、外力作用的大小与方向多变等, 学生常对骨折移位方向、异常愈合只具有理论认识而缺乏空间想象, 尤其是在颌面部多发骨折及陈旧骨折的情况下。姚志涛等使用各型骨折三维打印模型（使用技术为SLA, 设备及材料不详）对2个年级口腔医学专业的学生进行颌面部创伤的教学, 使用四川大学华西口腔医学院颌面部创伤学试题进行测试, 结果显示：使用三维打印模型教学的组别学生取得的成绩更好, 对口腔颌面部创伤的认识更加直观、完整。

颌骨缺损常发生于创伤、炎症、放射性骨坏死、肿瘤和瘤样病变切除术后, 严重影响患者咀嚼、言语、吞咽等生理功能及心理状态。刘冰等使用来自颌骨肿瘤患者术前及术后3个月的颌面部CT资料的3D打印模型（使用技术、设备及材料不详）, 陈鹏等使用5例患者的颌骨缺损重建3D打印模型（使用设备为Replicator 2X, Maker-Bot, 美国, 材料为聚乳酸）行临床教学, 学生均被要求结合临床及影像资料做出诊断并确定治疗方案, 结果显示：结合3D打印模型进行教学的学生对颌骨重建认识更加直观, 对颌骨缺损解剖形态与面形恢复和咬合功能重建的复杂性有更深的理解, 通过模拟手术操作, 学生对颌骨缺损的治疗原则和预后效果评价也有一定的认识。

3 3D打印应用于模拟手术操作实践教学
年轻医生的成长势必为一个积累经验的过程, 在此同时, 医生又肩负着自身对患者的责任和患者对自己的信任。口腔颌面部解剖结构复杂、关键, 血管神经分布密集, 手术视野局限, 年轻医生需经历长时间的手术观摩后, 在经验丰富的医生指导下才得以上手。3D打印以其完美复制的特性, 可用于进行模拟手术操作, 以期缩短青年医生的训练时间, 使之迅速成长, 掌握手术技巧。

局部麻醉是口腔颌面外科医生最常使用的操作之一, 但其可能导致的一些并发症或许会造成口腔手术中断、推迟, 甚至造成对患者的严重伤害, 例如血肿、局部麻醉失败、面神经麻痹等, 对头颈部解剖学尤其是神经解剖学的详细知识是成功和安全地施用局部麻醉的基础。Canellas等在人体头骨上仔细地再现了头面部的神经血管, 尤其是三叉神经及其分支, 并以此为基础制作了包括上颌、下颌、下牙槽神经阻滞麻醉在内的麻醉技术的视频, 提供给130名口腔医学本科生学习麻醉技术, 100%的人认为此种教学手段可促进正确麻醉手段的学习, 并认为3D解剖模型有利于回顾解剖结构。鉴于目前3D打印技术的蓬勃发展, 且神经在影像学如磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）中的显像技术越发成熟, 以此为图像基础打印3D模型并在未来应用于口腔颌面外科麻醉教学将成为可能。

一些学者在要求学生确定治疗方案时, 要求在3D打印的原模型上确定截骨线和截骨类型, 明确骨缺损的范围、移植骨的长度和重建所需的形态, 以镜像模型为模板, 制作修复导板或修复块, 老师则是先在3D打印模型上进行讲解, 然后结合具体手术过程对照讲解。袁伟等对17名陈旧性面部骨折病例行仿真3D模型打印（使用技术、设备及材料不详）, 对术前设计、术中困难分析及术后咬合关系恢复的情况进行模拟, 最终手术效果均满意。有时, 由于骨折畸形造成患者张口受限, 难以完成取模研究咬合关系, 且陈旧性骨折存在错位愈合, 具体畸形情况难以在断层影像上准确判断, 增加了手术难度, 而3D打印模型可精确显示陈旧性骨折错位愈合的情况, 再现患者的咬合关系, 不仅实现了模拟手术, 简化手术过程, 缩短手术时间, 且便于和患者及家属沟通。陈春艳等应用三维头颅模型及3D打印导板（使用技术、设备及材料不详）对10例颌面部复杂骨折的病例进行术前设计和模拟手术, 使得医生在术中定位精确, 节省了手术时间。Olsze-wski等应用3D打印头颅模型（使用设备为Z-Corp, 美国, 材料为丙烯酸）进行模拟正颌手术, 在实体模型颏部上设计截骨线并进行切割移位和固定等操作, 证实模拟手术有助于避开牙根等重要结构; 赵雪竹等要求学生在仿真颌骨模型上进行预手术及手术导板制作, 在通过3~5次的实践操作之后进行实际手术操作, 100%的学生认为在仿真模型上进行模拟手术有助于确定最佳的钻孔位置。

4 3D打印应用于口腔颌面外科实验教学的展望
3D打印因其个性化定制、快速成型的特点, 可作为立体标本用于保存具有代表性的病例（肿瘤、创伤等）, 结合真实完整的临床病历、影像学资料、辅助检查结果, 作为教学病例的储备。孔金海等在使用3D打印模型对60名临床八年制学生行情境教学后, 结果发现：实验组在学习兴趣、效率、注意力、分析解决力、语言沟通能力等方面均优于对照组, 这说明情景教学对于活跃教学气氛、强化教学效果的意义重大。杨长伟等使用3D打印骨科病损模型对500余学员进行教学后测试, 结果发现：相比对照组（实验组学员）对知识掌握度有明显提高, 学员学习兴趣高涨, 对整体教学效果的评价也随之提高。将3D打印模型教学与传统教学方式融为一体, 实验教学与理论教学相辅相成, 实行以问题为基础的学习（problem-based learning, PBL）教学模式, 让学生在教学中占据主导地位, 充分发挥学习的主动性, 收获知识的同时收获乐趣, 老师则起引导辅助和答疑的作用。条件允许的情况下, 使学生尽可能都有在3D打印模型上模拟手术操作的机会, 锻炼动手操作能力, 尽早获得娴熟的手术技巧与精确的操作能力。

5 3D打印应用于口腔颌面外科实验教学的优越性与不足
3D打印技术是一种快速成型技术, 是在计算机辅助下根据物体模型或CT等数据, 即刻分层制造、逐层叠加打印成立体结构的技术。
3D打印分为3个步骤：
第一步为图像获取, CT、MRI等医学影像、反应患者口内情况的石膏模型、激光扫描模型等均可成为数据来源;
第二步为图像后处理, 灵活运用各类软件建立图像的三维重建;
第三步为快速打印制作实体模型, 根据所选用材料的不同, 分为不同的成型方法, 其中以SLA、熔融沉积成型（fused deposition modeling, FDM）在医学领域应用最广泛。

3D打印模型作为口腔颌面外科实验教学的辅助教学工具, 具有极大的优越性：1）因其来自患者或正常人的真实数据, 且可根据材料选择不同具备透明性, 学生将之作为解剖学学习工具时, 既可全方位观察隐蔽的解剖位置, 建立空间感, 又可克服生理解剖标本难以获得的弊端及可能面临的伦理道德问题;

2）3D打印的个人定制属性使得其作为临床病例辅助工具教学时, 学生对于病变区域三维立体结构的改变认识更加直观、深刻;
3）3D打印模型用于模拟手术操作可使学生以术者的角度学习手术入路及操作手法, 缩短学生的培训时间, 加快成长。

然而, 在当前阶段, 3D打印技术应用于口腔颌面外科教学尚有其不足之处：
1）3D打印需要专业设备与材料, 虽为即刻成型技术却仍需制作周期, 资金与时间投入较多;
2）随着科学技术的发展, 3D打印虽然已可以实现在同一打印模型上使用不同材料、颜色体现不同解剖结构的分离打印, 足以区分软硬组织, 但其建模的复杂性以及当前材料尚无法再现软组织的特性, 使之难以在模型上模拟牙龈切开、翻瓣等操作;
3）3D打印模型模拟手术复杂、费时, 且难以模拟复杂手术, 进行截骨等模拟手术操作后模型即废弃, 也无法对比不同术式, 在多个模型上模拟则又太过费时、费力;

4）目前, 3D打印受打印机型、用材限制, 精度仍不能完全反映精细的解剖结构, 模型空腔内可见粉料、支撑材料残留, 模拟手术时可能出现融化趋势;
5）3D打印模型尚无法模拟颞下颌关节的运动, 因而不能重现患者的咬合运动。

6 小结
3D打印模型集解剖结构、诊断分型及手术治疗为一体, 完整地实现了知识的整合, 其打印出先天性疾病或其他病理学模型的可能性将改善临床解剖教育模式, 符合现代教学趋势。其在教学中的应用增强了解剖结构的直观性和生动性, 且因实验教学互动性、实践性的特性, 学生在学习的过程中可充分发挥主动性和积极性, 有利于学生思维方式和实际操作技巧的快速成长, 提高教学效率与质量。尽管目前由于各项条件的限制, 3D打印模型在口腔颌面外科实验教学中的应用仍十分有限, 但相信随着科技的发展, 打印技术与材料的革新, 成本下降, 其应用前景将会十分广阔。