Трехмерные печатные анатомические модели (3DPAM) представляются подходящим инструментом благодаря своей образовательной ценности и практической применимости. Цель данного обзора — описать и проанализировать методы, используемые для создания 3DPAM в целях обучения анатомии человека, и оценить их педагогический вклад.
В базе данных PubMed был проведен электронный поиск с использованием следующих терминов: образование, школа, обучение, преподавание, подготовка, преподавание, образование, трехмерный, 3D, трехмерный, печать, печать, печать, анатомия, анатомия, анатомия и анатомия. Результаты поиска включали характеристики исследования, дизайн модели, морфологическую оценку, образовательную эффективность, сильные и слабые стороны.
Среди 68 отобранных статей наибольшее количество исследований было посвящено черепной области (33 статьи); в 51 статье упоминается печать костей. В 47 статьях технология 3DPAM была разработана на основе компьютерной томографии. Перечислено пять процессов печати. В 48 исследованиях использовались пластмассы и их производные. Стоимость каждой модели варьируется от 1,25 до 2800 долларов. В 37 исследованиях сравнивалась технология 3DPAM с эталонными моделями. В 33 статьях рассматривались образовательные мероприятия. Основные преимущества включают визуальное и тактильное качество, эффективность обучения, повторяемость, возможность индивидуальной настройки и гибкость, экономию времени, интеграцию функциональной анатомии, лучшие возможности мысленного вращения, сохранение знаний и удовлетворенность преподавателей и учеников. Основные недостатки связаны с дизайном: единообразие, недостаток детализации или прозрачности, слишком яркие цвета, длительное время печати и высокая стоимость.
Данный систематический обзор показывает, что 3D-печать с использованием 3D-принтеров является экономически эффективной и действенной технологией для обучения анатомии. Более реалистичные модели требуют использования более дорогостоящих технологий 3D-печати и более длительного времени проектирования, что значительно увеличивает общую стоимость. Ключевым моментом является выбор подходящего метода визуализации. С педагогической точки зрения, 3D-печать с использованием 3D-принтеров является эффективным инструментом для обучения анатомии, оказывающим положительное влияние на результаты обучения и удовлетворенность студентов. Наилучший эффект от использования 3D-печати достигается, когда она воспроизводит сложные анатомические области, и студенты используют ее на ранних этапах своего медицинского обучения.
Вскрытие трупов животных проводилось еще в Древней Греции и является одним из основных методов обучения анатомии. Вскрытия трупов, проводимые во время практических занятий, используются в теоретической программе медицинских вузов и в настоящее время считаются золотым стандартом изучения анатомии [1,2,3,4,5]. Однако существует множество препятствий для использования человеческих трупных образцов, что побуждает к поиску новых инструментов обучения [6, 7]. К таким новым инструментам относятся дополненная реальность, цифровые инструменты и 3D-печать. Согласно недавнему обзору литературы, проведенному Сантосом и др. [8], с точки зрения ценности этих новых технологий для обучения анатомии, 3D-печать представляется одним из наиболее важных ресурсов как с точки зрения образовательной ценности для студентов, так и с точки зрения осуществимости внедрения [4,9,10].
3D-печать не нова. Первые патенты, связанные с этой технологией, датируются 1984 годом: А. Ле Меоте, О. Де Витте и Ж. К. Андре во Франции, а три недели спустя — К. Халлом в США. С тех пор технология продолжает развиваться, и ее применение расширилось во многих областях. Например, НАСА напечатало первый объект за пределами Земли в 2014 году [11]. Медицинская сфера также внедрила этот новый инструмент, что усилило стремление к развитию персонализированной медицины [12].
Многие авторы продемонстрировали преимущества использования анатомических моделей, напечатанных на 3D-принтере (3D-печать), в медицинском образовании [10, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]. При обучении анатомии человека необходимы непатологические и анатомически нормальные модели. В некоторых обзорах рассматривались патологические или медицинские/хирургические учебные модели [8, 20, 21]. Для разработки гибридной модели обучения анатомии человека, включающей новые инструменты, такие как 3D-печать, мы провели систематический обзор, чтобы описать и проанализировать, как создаются объекты, напечатанные на 3D-принтере, для обучения анатомии человека и как студенты оценивают эффективность обучения с использованием этих 3D-объектов.
Данный систематический обзор литературы был проведен в июне 2022 года без временных ограничений с использованием рекомендаций PRISMA (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses) [22].
Критериями включения были все исследовательские работы, использующие 3D-печать в преподавании/изучении анатомии. Исключались обзоры литературы, письма или статьи, посвященные патологическим моделям, моделям животных, археологическим моделям и моделям для медицинской/хирургической подготовки. Отбирались только статьи, опубликованные на английском языке. Статьи без доступных онлайн-аннотаций исключались. Включались статьи, включающие несколько моделей, по крайней мере одна из которых была анатомически нормальной или имела незначительные патологии, не влияющие на учебную ценность.
Для выявления релевантных исследований, опубликованных до июня 2022 года, был проведен поиск литературы в электронной базе данных PubMed (Национальная медицинская библиотека, NCBI). Использовались следующие поисковые термины: образование, школа, преподавание, обучение, преподавание, образование, трехмерный, 3D, 3D, печать, печать, печать, анатомия, анатомия, анатомия и анатомия. Был выполнен один запрос: (((education[Title/Abstract] OR school[Title/Abstract] ORlearning[Title/Abstract] OR teaching[Title/Abstract] OR training[Title/Abstract] OReach[Title/Abstract] ] OR Education [Title/Abstract]) AND (Three Dimensions [Title] OR 3D [Title] OR 3D [Title])) AND (Print [Title] OR Print [Title] OR Print [Title])) AND (Anatomy) [Title] ]/abstract] or anatomy [title/abstract] or anatomy [title/abstract] or anatomy [title/abstract]). Дополнительные статьи были выявлены путем ручного поиска в базе данных PubMed и анализа ссылок в других научных статьях. Ограничения по датам не применялись, но использовался фильтр «Человек».
Все найденные заголовки и аннотации были проверены на соответствие критериям включения и исключения двумя авторами (EBR и AL), и любое исследование, не отвечающее всем критериям отбора, было исключено. Полные тексты оставшихся исследований были получены и проанализированы тремя авторами (EBR, EBE и AL). При необходимости разногласия в отборе статей разрешались четвертым лицом (LT). В данный обзор были включены публикации, отвечающие всем критериям включения.
Извлечение данных проводилось независимо двумя авторами (EBR и AL) под руководством третьего автора (LT).
- Данные для проектирования модели: анатомические области, конкретные анатомические части, исходная модель для 3D-печати, метод получения данных, программное обеспечение для сегментации и моделирования, тип 3D-принтера, тип и количество материала, масштаб печати, цвет, стоимость печати.
- Морфологическая оценка моделей: модели, используемые для сравнения, медицинская оценка экспертов/преподавателей, количество экспертов, тип оценки.
- Учебная 3D-модель: оценка знаний студентов, метод оценки, количество студентов, количество сравнительных групп, рандомизация студентов, образование/тип студента.
В базе данных MEDLINE было выявлено 418 исследований, из которых 139 статей были исключены по «человеческому» фильтру. После анализа заголовков и аннотаций для полного прочтения текста было отобрано 103 исследования. 34 статьи были исключены, поскольку они представляли собой либо патологические модели (9 статей), модели для медицинской/хирургической подготовки (4 статьи), модели на животных (4 статьи), 3D-радиологические модели (1 статья), либо не являлись оригинальными научными статьями (16 глав). В общей сложности в обзор было включено 68 статей. На рисунке 1 представлен процесс отбора в виде блок-схемы.
Блок-схема, суммирующая этапы идентификации, отбора и включения статей в данный систематический обзор.
Все исследования были опубликованы в период с 2014 по 2022 год, в среднем в 2019 году. Из 68 включенных статей 33 (49%) исследования были описательными и экспериментальными, 17 (25%) — чисто экспериментальными, а 18 (26%) — чисто описательными. Из 50 (73%) экспериментальных исследований в 21 (31%) использовалась рандомизация. Только 34 исследования (50%) включали статистический анализ. В таблице 1 приведены характеристики каждого исследования.
В 33 статьях (48%) рассматривалась область головы, в 19 статьях (28%) — грудная область, в 17 статьях (25%) — брюшно-тазовая область, и в 15 статьях (22%) — конечности. В 51 статье (75%) упоминались кости, напечатанные на 3D-принтере, как анатомические модели или многослойные анатомические модели.
Что касается исходных моделей или файлов, использованных для разработки 3D-моделей и изображений, то в 23 статьях (34%) упоминалось использование данных пациентов, в 20 статьях (29%) — использование данных трупов, а в 17 статьях (25%) — использование баз данных, а в 7 исследованиях (10%) источник использованных документов не был указан.
В 47 исследованиях (69%) 3D-моделирование было разработано на основе компьютерной томографии, а в 3 исследованиях (4%) сообщалось об использовании микроКТ. В 7 статьях (10%) 3D-объекты проецировались с помощью оптических сканеров, в 4 статьях (6%) — с помощью МРТ, и в 1 статье (1%) — с помощью камер и микроскопов. В 14 статьях (21%) не упоминался источник исходных файлов для проектирования 3D-моделей. 3D-файлы создаются со средним пространственным разрешением менее 0,5 мм. Оптимальное разрешение составляет 30 мкм [80], а максимальное — 1,5 мм [32].
Было использовано шестьдесят различных программных приложений (сегментация, моделирование, проектирование или печать). Чаще всего использовалась программа Mimics (Materialise, Лёвен, Бельгия) (14 исследований, 21%), за ней следовали MeshMixer (Autodesk, Сан-Рафаэль, Калифорния) (13 исследований, 19%), Geomagic (3D System, Миссури, Северная Каролина, Лисвилл) (10 исследований, 15%), 3D Slicer (Slicer Developer Training, Бостон, Массачусетс) (9 исследований, 13%), Blender (Blender Foundation, Амстердам, Нидерланды) (8 исследований, 12%) и CURA (Geldemarsen, Нидерланды) (7 исследований, 10%).
Упомянуты шестьдесят семь различных моделей принтеров и пять процессов печати. Технология FDM (Fused Deposition Modeling) использовалась в 26 изделиях (38%), пескоструйная обработка материала — в 13 изделиях (19%), и, наконец, пескоструйная обработка связующего вещества — в 11 изделиях (16%). Наименее используемыми технологиями являются стереолитография (SLA) (5 изделий, 7%) и селективное лазерное спекание (SLS) (4 изделия, 6%). Наиболее часто используемый принтер (7 изделий, 10%) — Connex 500 (Stratasys, Реховот, Израиль) [27, 30, 32, 36, 45, 62, 65].
При указании материалов, используемых для изготовления 3D-алюминиевых композитов (51 статья, 75%), в 48 исследованиях (71%) использовались пластмассы и их производные. Основными используемыми материалами были полимолочная кислота (PLA) (n = 20, 29%), смола (n = 9, 13%) и АБС-пластик (акрилонитрилбутадиенстирол) (7 типов, 10%). В 23 статьях (34%) рассматривались 3D-алюминиевые композиты, изготовленные из нескольких материалов, в 36 статьях (53%) были представлены 3D-алюминиевые композиты, изготовленные только из одного материала, а в 9 статьях (13%) материал не был указан.
В двадцати девяти статьях (43%) сообщалось о соотношении печати от 0,25:1 до 2:1, в среднем 1:1. В двадцати пяти статьях (37%) использовалось соотношение 1:1. 28 3D-печатных изображений (41%) состояли из нескольких цветов, а 9 (13%) были окрашены после печати [43, 46, 49, 54, 58, 59, 65, 69, 75].
В тридцати четырех статьях (50%) упоминались затраты. В 9 статьях (13%) упоминалась стоимость 3D-принтеров и сырья. Цены на принтеры варьируются от 302 до 65 000 долларов. В случаях, когда это указано, цены на модели варьируются от 1,25 до 2800 долларов; эти крайние значения соответствуют скелетным образцам [47] и высокоточным ретроперитонеальным моделям [48]. В таблице 2 приведены сводные данные по моделям для каждого включенного исследования.
В 37 исследованиях (54%) сравнивалась 3D-модель с эталонной моделью. Среди этих исследований наиболее распространенным компаратором была анатомическая эталонная модель, использованная в 14 статьях (38%), пластинированные препараты — в 6 статьях (16%), пластинированные препараты — в 6 статьях (16%). Использование виртуальной реальности, компьютерной томографии — одна 3D-модель в 5 статьях (14%), другая 3D-модель в 3 статьях (8%), серьезных игр — в 1 статье (3%), рентгенограмм — в 1 статье (3%), бизнес-моделей — в 1 статье (3%) и дополненной реальности — в 1 статье (3%). В 34 исследованиях (50%) оценивалась 3D-модель. В 15 исследованиях (48%) подробно описывался опыт оценщиков (таблица 3). Оценка 3DPAM проводилась хирургами или лечащими врачами в 7 исследованиях (47%), специалистами по анатомии в 6 исследованиях (40%), студентами в 3 исследованиях (20%), преподавателями (дисциплина не указана) в 3 исследованиях (20%) для оценки, и еще одним экспертом в статье (7%). Среднее число экспертов составляет 14 (минимум 2, максимум 30). В 33 исследованиях (49%) морфология 3DPAM оценивалась качественно, а в 10 исследованиях (15%) — количественно. Из 33 исследований, в которых использовалась качественная оценка, в 16 использовались чисто описательные оценки (48%), в 9 — тесты/рейтинги/опросы (27%), а в 8 — шкалы Ликерта (24%). В таблице 3 приведена сводная информация о морфологических оценках моделей в каждом включенном исследовании.
В 33 (48%) статьях изучалась и сравнивалась эффективность обучения студентов работе с 3D-моделями. Из этих исследований в 23 (70%) статьях оценивалась удовлетворенность студентов, в 17 (51%) использовались шкалы Ликерта, а в 6 (18%) — другие методы. В 22 статьях (67%) обучение студентов оценивалось с помощью проверки знаний, из которых в 10 (30%) использовались предварительные и/или итоговые тесты. В 11 исследованиях (33%) для оценки знаний студентов использовались вопросы и тесты с множественным выбором, а в 5 исследованиях (15%) — маркировка изображений/анатомическая идентификация. В среднем в каждом исследовании участвовало 76 студентов (минимум 8, максимум 319). В 24 исследованиях (72%) была контрольная группа, из которых в 20 (60%) использовалась рандомизация. В отличие от этого, в одном исследовании (3%) анатомические модели были случайным образом распределены между 10 разными студентами. В среднем сравнивалось 2,6 группы (минимум 2, максимум 10). В двадцати трех исследованиях (70%) участвовали студенты-медики, из которых 14 (42%) были студентами первого курса. В шести исследованиях (18%) участвовали ординаторы, в четырех (12%) — студенты-стоматологи и в трех (9%) — студенты естественнонаучных специальностей. В шести исследованиях (18%) применялось и оценивалось автономное обучение с использованием 3DPAM. В таблице 4 приведены результаты оценки эффективности обучения с помощью 3DPAM для каждого включенного исследования.
Главные преимущества, отмеченные авторами при использовании 3D-анимации в качестве учебного пособия по нормальной анатомии человека, включают визуальные и тактильные характеристики, в том числе реализм [55, 67], точность [44, 50, 72, 85] и изменчивость согласованности [34, 45]. , 48, 64], цвет и прозрачность [28, 45], долговечность [24, 56, 73], образовательный эффект [16, 32, 35, 39, 52, 57, 63, 69, 79], стоимость [27, 41, 44, 45, 48, 51, 60, 64, 80, 81, 83], воспроизводимость [80], возможность улучшения или персонализации [28, 30, 36, 45, 48, 51, 53, 59, 61, 67, 80], возможность манипулирования студентами [30, 49], экономия учебного времени [61, 80], простота хранения [61], возможность интеграции функциональной анатомии или создания специфических структур [51, 53], 67], быстрое проектирование скелетных моделей [81], возможность совместно создавать модели и забирать их домой [49, 60, 71], улучшать навыки мысленного вращения [23] и запоминание знаний [32], а также удовлетворенность учителя [25, 63] и учеников [25, 45, 46, 52, 52, 57, 63, 66, 69, 84].
Основные недостатки связаны с дизайном: жесткость [80], однородность [28, 62], недостаток детализации или прозрачности [28, 30, 34, 45, 48, 62, 64, 81], слишком яркие цвета [45] и хрупкость пола [71]. Другие недостатки включают потерю информации [30, 76], длительное время, необходимое для сегментации изображения [36, 52, 57, 58, 74], время печати [57, 63, 66, 67], отсутствие анатомической изменчивости [25] и высокую стоимость [48].
Данный систематический обзор обобщает 68 статей, опубликованных за 9 лет, и освещает интерес научного сообщества к 3D-печати с использованием 3D-принтеров (3DPAM) как инструменту обучения нормальной анатомии человека. Каждая анатомическая область была изучена и напечатана на 3D-принтере. Из этих статей 37 сравнивали 3DPAM с другими моделями, а 33 статьи оценивали педагогическую значимость 3DPAM для студентов.
Учитывая различия в дизайне исследований анатомической 3D-печати, мы не сочли целесообразным проводить метаанализ. Метаанализ, опубликованный в 2020 году, в основном был посвящен тестам на знание анатомии после обучения, не анализируя технические и технологические аспекты проектирования и производства 3D-печатных моделей [10].
Область головы является наиболее изученной, вероятно, потому что сложность ее анатомии затрудняет студентам изображение этой анатомической области в трехмерном пространстве по сравнению с конечностями или туловищем. КТ является наиболее часто используемым методом визуализации. Эта методика широко используется, особенно в медицинских учреждениях, но имеет ограниченное пространственное разрешение и низкий контраст мягких тканей. Эти ограничения делают КТ-сканирование непригодным для сегментации и моделирования нервной системы. С другой стороны, компьютерная томография лучше подходит для сегментации/моделирования костной ткани; контраст костной и мягкой ткани помогает завершить эти этапы перед 3D-печатью анатомических моделей. С другой стороны, микроКТ считается эталонной технологией с точки зрения пространственного разрешения при визуализации костей [70]. Оптические сканеры или МРТ также могут использоваться для получения изображений. Более высокое разрешение предотвращает сглаживание поверхностей костей и сохраняет тонкость анатомических структур [59]. Выбор модели также влияет на пространственное разрешение: например, модели пластификации имеют более низкое разрешение [45]. Графическим дизайнерам приходится создавать индивидуальные 3D-модели, что увеличивает затраты (от 25 до 150 долларов в час) [43]. Получения высококачественных файлов .STL недостаточно для создания высококачественных анатомических моделей. Необходимо определить параметры печати, такие как ориентация анатомической модели на печатной форме [29]. Некоторые авторы предполагают, что для повышения точности 3DPAM следует по возможности использовать передовые технологии печати, такие как SLS [38]. Производство 3DPAM требует профессиональной помощи; наиболее востребованными специалистами являются инженеры [72], рентгенологи [75], графические дизайнеры [43] и анатомы [25, 28, 51, 57, 76, 77].
Программное обеспечение для сегментации и моделирования является важным фактором получения точных анатомических моделей, но стоимость этих программных пакетов и их сложность ограничивают их использование. В нескольких исследованиях сравнивалось использование различных программных пакетов и технологий печати, подчеркивались преимущества и недостатки каждой технологии [68]. Помимо программного обеспечения для моделирования, также требуется программное обеспечение для печати, совместимое с выбранным принтером; некоторые авторы предпочитают использовать онлайн-3D-печать [75]. Если будет напечатано достаточное количество 3D-объектов, инвестиции могут принести финансовую отдачу [72].
Пластик является наиболее часто используемым материалом. Широкий спектр текстур и цветов делает его предпочтительным материалом для 3D-печати. Некоторые авторы высоко оценили его высокую прочность по сравнению с традиционными моделями трупов или пластинированных моделей [24, 56, 73]. Некоторые виды пластика даже обладают свойствами изгиба или растяжения. Например, Filaflex, изготовленный по технологии FDM, может растягиваться до 700%. Некоторые авторы считают его предпочтительным материалом для воспроизведения мышц, сухожилий и связок [63]. С другой стороны, два исследования подняли вопросы об ориентации волокон во время печати. На самом деле, ориентация, прикрепление, иннервация и функция мышечных волокон имеют решающее значение при моделировании мышц [33].
Удивительно, но лишь немногие исследования упоминают масштаб печати. Поскольку многие считают соотношение 1:1 стандартным, автор, возможно, решил его не упоминать. Хотя увеличение масштаба было бы полезно для направленного обучения в больших группах, целесообразность масштабирования еще не исследована, особенно с учетом роста численности классов и важности физического размера модели. Конечно, полноразмерные модели облегчают поиск и передачу пациенту различных анатомических элементов, что может объяснить, почему их часто используют.
Среди множества принтеров, доступных на рынке, те, которые используют технологию PolyJet (струйная печать с использованием материала или связующего вещества) для обеспечения цветной и многослойной (и, следовательно, многотекстурной) печати высокого разрешения, стоят от 20 000 до 250 000 долларов США (https://www.aniwaa.com/). Эта высокая стоимость может ограничить продвижение 3D-печати в медицинских учебных заведениях. Помимо стоимости самого принтера, стоимость материалов, необходимых для струйной печати, выше, чем для SLA- или FDM-принтеров [68]. Цены на SLA- или FDM-принтеры также более доступны, варьируясь от 576 до 4999 евро в статьях, перечисленных в этом обзоре. По данным Триподи и его коллег, каждую часть скелета можно напечатать за 1,25 доллара США [47]. Одиннадцать исследований пришли к выводу, что 3D-печать дешевле, чем пластификация или коммерческие модели [24, 27, 41, 44, 45, 48, 51, 60, 63, 80, 81, 83]. Более того, эти коммерческие модели предназначены для предоставления информации о пациенте без достаточных деталей для обучения анатомии [80]. Эти коммерческие модели считаются менее качественными, чем 3D-печать [44]. Стоит отметить, что, помимо используемой технологии печати, конечная стоимость пропорциональна масштабу и, следовательно, конечному размеру 3D-печатной модели [48]. По этим причинам предпочтение отдается полноразмерным моделям [37].
Только одно исследование сравнивало 3DPAM с коммерчески доступными анатомическими моделями [72]. Наиболее часто используемым компаратором для 3DPAM являются трупные образцы. Несмотря на свои ограничения, трупные модели остаются ценным инструментом для обучения анатомии. Необходимо различать аутопсию, диссекцию и сухие кости. На основе тренировочных тестов два исследования показали, что 3DPAM был значительно эффективнее пластинированной диссекции [16, 27]. В одном исследовании сравнивали один час тренировки с использованием 3DPAM (нижняя конечность) с одним часом диссекции той же анатомической области [78]. Значимых различий между двумя методами обучения не было. Вероятно, исследований по этой теме мало, поскольку такие сравнения трудно проводить. Дисекция — это трудоемкая подготовка для студентов. Иногда требуется несколько десятков часов подготовки, в зависимости от того, что именно подготавливается. Третье сравнение можно провести с сухими костями. Исследование Цая и Смита показало, что результаты тестов были значительно лучше в группе, использующей 3DPAM [51, 63]. Чен и коллеги отметили, что студенты, использующие 3D-модели, лучше справлялись с идентификацией структур (черепов), но разницы в результатах тестов с множественным выбором не было [69]. Наконец, Таннер и коллеги продемонстрировали лучшие результаты посттестирования в этой группе, используя 3D-модели крылонебной ямки [46]. В этом обзоре литературы были выявлены и другие новые инструменты обучения. Наиболее распространенными среди них являются дополненная реальность, виртуальная реальность и серьезные игры [43]. По мнению Махруса и коллег, предпочтение анатомических моделей зависит от количества часов, которые студенты проводят за видеоиграми [31]. С другой стороны, основным недостатком новых инструментов обучения анатомии является тактильная обратная связь, особенно для чисто виртуальных инструментов [48].
Большинство исследований, оценивающих новую 3DPAM, использовали предварительные тесты знаний. Эти предварительные тесты помогают избежать предвзятости в оценке. Некоторые авторы, прежде чем проводить экспериментальные исследования, исключают всех студентов, набравших баллы выше среднего на предварительном тесте [40]. Среди предвзятостей, упомянутых Гарасом и коллегами, были цвет модели и выбор добровольцев в студенческом классе [61]. Окрашивание облегчает идентификацию анатомических структур. Чен и коллеги установили строгие экспериментальные условия без первоначальных различий между группами, и исследование было максимально слепым [69]. Лим и коллеги рекомендуют, чтобы посттестовая оценка проводилась третьей стороной, чтобы избежать предвзятости в оценке [16]. В некоторых исследованиях для оценки целесообразности 3DPAM использовались шкалы Ликерта. Этот инструмент подходит для оценки удовлетворенности, но все же существуют важные предвзятости, о которых следует помнить [86].
Образовательная значимость 3D-печати в основном оценивалась среди студентов-медиков, включая студентов первого курса, в 14 из 33 исследований. В своем пилотном исследовании Уилк и коллеги сообщили, что студенты-медики считают, что 3D-печать должна быть включена в их изучение анатомии [87]. 87% студентов, опрошенных в исследовании Черченелли, считали, что второй год обучения — лучшее время для использования 3D-печати [84]. Результаты Таннера и коллег также показали, что студенты демонстрировали лучшие результаты, если они никогда не изучали эту область [46]. Эти данные свидетельствуют о том, что первый год обучения в медицинском вузе — оптимальное время для включения 3D-печати в преподавание анатомии. Метаанализ Йе подтвердил эту идею [18]. В 27 статьях, включенных в исследование, были обнаружены значительные различия в результатах тестов между 3D-печатью и традиционными моделями у студентов-медиков, но не у ординаторов.
3D-печать как инструмент обучения улучшает успеваемость [16, 35, 39, 52, 57, 63, 69, 79], долговременное сохранение знаний [32] и удовлетворенность студентов [25, 45, 46, 52, 57, 63, 66]. [69, 84]. Группы экспертов также сочли эти модели полезными [37, 42, 49, 81, 82], а два исследования показали удовлетворенность учителей использованием 3D-печати [25, 63]. Из всех источников Бэкхаус и коллеги считают 3D-печать лучшей альтернативой традиционным анатомическим моделям [49]. В своем первом метаанализе Йе и коллеги подтвердили, что студенты, получившие инструкции по 3D-печати, показали лучшие результаты в итоговом тестировании, чем студенты, получившие инструкции по 2D-печати или на трупах [10]. Однако они различали 3D-печать не по сложности, а просто по строению сердца, нервной системы и брюшной полости. В семи исследованиях 3DPAM не превзошла другие модели по результатам тестов знаний, проведенных среди студентов [32, 66, 69, 77, 78, 84]. В своем метаанализе Салазар и коллеги пришли к выводу, что использование 3DPAM улучшает понимание сложной анатомии [17]. Эта концепция согласуется с письмом Хитаса в редакцию [88]. Некоторые анатомические области, считающиеся менее сложными, не требуют использования 3DPAM, тогда как более сложные анатомические области (такие как шея или нервная система) были бы логичным выбором для 3DPAM. Эта концепция может объяснить, почему некоторые 3DPAM не считаются превосходящими традиционные модели, особенно когда у студентов отсутствует знание в области, где производительность модели оказывается выше. Таким образом, представление простой модели студентам, уже имеющим некоторые знания по предмету (студентам-медикам или ординаторам), не способствует улучшению успеваемости студентов.
Из всех перечисленных образовательных преимуществ 11 исследований подчеркивали визуальные или тактильные качества моделей [27,34,44,45,48,50,55,63,67,72,85], а 3 исследования улучшили прочность и долговечность (33, 50-52, 63, 79, 85, 86). Другие преимущества заключаются в том, что студенты могут манипулировать структурами, учителя могут экономить время, их легче сохранять, чем трупы, проект может быть завершен в течение 24 часов, его можно использовать в качестве инструмента домашнего обучения, и его можно использовать для обучения большим объемам информации в группах [30, 49, 60, 61, 80, 81]. Многократная 3D-печать для обучения анатомии в больших объемах делает 3D-печать моделей более экономически эффективной [26]. Использование 3D-печати может улучшить возможности мысленного вращения [23] и улучшить интерпретацию поперечных изображений [23, 32]. Два исследования показали, что студенты, подвергшиеся воздействию 3D-печати, с большей вероятностью подвергались хирургическому вмешательству [40, 74]. Металлические соединители могут быть встроены для создания движения, необходимого для изучения функциональной анатомии [51, 53], или модели могут быть напечатаны с использованием триггерных конструкций [67].
3D-печать позволяет создавать регулируемые анатомические модели путем улучшения определенных аспектов на этапе моделирования [48, 80], создания подходящей основы [59], объединения нескольких моделей [36], использования прозрачности (49), цвета [45] или визуализации определенных внутренних структур [30]. Триподи и его коллеги использовали скульптурную глину в дополнение к своим 3D-печатным моделям костей, подчеркивая ценность совместно созданных моделей как учебных инструментов [47]. В 9 исследованиях цвет применялся после печати [43, 46, 49, 54, 58, 59, 65, 69, 75], но студенты применяли его только один раз [49]. К сожалению, в исследовании не оценивалось качество обучения с использованием моделей или последовательность обучения. Это следует учитывать в контексте анатомического образования, поскольку преимущества смешанного обучения и совместного создания хорошо известны [89]. Чтобы справиться с растущей рекламной активностью, самообучение неоднократно использовалось для оценки моделей [24, 26, 27, 32, 46, 69, 82].
Одно исследование пришло к выводу, что цвет пластикового материала слишком яркий[45], другое исследование пришло к выводу, что модель слишком хрупкая[71], а два других исследования указали на недостаток анатомической изменчивости в дизайне отдельных моделей[25, 45]. Семь исследований пришли к выводу, что анатомическая детализация 3DPAM недостаточна[28, 34, 45, 48, 62, 63, 81].
Для более детальных анатомических моделей больших и сложных областей, таких как забрюшинное пространство или шейный отдел позвоночника, время сегментации и моделирования считается очень длительным, а стоимость — очень высокой (около 2000 долларов США) [27, 48]. Ходжо и коллеги в своем исследовании заявили, что на создание анатомической модели таза потребовалось 40 часов [42]. Самое длительное время сегментации составило 380 часов в исследовании Уэзеролла и коллег, в котором несколько моделей были объединены для создания полной модели дыхательных путей у детей [36]. В девяти исследованиях время сегментации и печати рассматривалось как недостаток [36, 42, 57, 58, 74]. Однако в 12 исследованиях критиковались физические свойства их моделей, в частности, их консистенция [28, 62], отсутствие прозрачности [30], хрупкость и монохромность [71], отсутствие мягких тканей [66] или недостаток детализации [28, 34]. , 45, 48, 62, 63, 81]. Эти недостатки можно преодолеть, увеличив время сегментации или моделирования. Потеря и восстановление релевантной информации были проблемой, с которой столкнулись три команды [30, 74, 77]. Согласно отчетам пациентов, йодсодержащие контрастные вещества не обеспечивали оптимальной видимости сосудов из-за ограничений дозы [74]. Инъекция в трупную модель представляется идеальным методом, который отходит от принципа «как можно меньше» и ограничений дозы вводимого контрастного вещества.
К сожалению, во многих статьях не упоминаются некоторые ключевые особенности 3D-анимации. Менее половины статей явно указывали, была ли их 3D-анимация тонирована. Информация об объеме печати была непоследовательной (43% статей), и только 34% упоминали использование нескольких носителей. Эти параметры печати имеют решающее значение, поскольку они влияют на обучающие свойства 3D-анимации. Большинство статей не предоставляют достаточной информации о сложностях получения 3D-анимации (время проектирования, квалификация персонала, стоимость программного обеспечения, стоимость печати и т. д.). Эта информация имеет решающее значение и должна быть учтена перед началом проекта по разработке новой 3D-анимации.
Данный систематический обзор показывает, что проектирование и 3D-печать нормальных анатомических моделей осуществимы с низкими затратами, особенно при использовании FDM или SLA принтеров и недорогих одноцветных пластиковых материалов. Однако эти базовые модели можно улучшить, добавив цвет или элементы из различных материалов. Более реалистичные модели (напечатанные с использованием нескольких материалов разных цветов и текстур для точного воспроизведения тактильных качеств эталонной модели трупа) требуют более дорогостоящих технологий 3D-печати и более длительного времени проектирования. Это значительно увеличит общую стоимость. Независимо от выбранного процесса печати, выбор соответствующего метода визуализации является ключом к успеху 3D-печати. Чем выше пространственное разрешение, тем реалистичнее становится модель и тем больше возможностей для ее использования в передовых исследованиях. С педагогической точки зрения, 3D-печать является эффективным инструментом для обучения анатомии, о чем свидетельствуют результаты тестов, проводимых среди студентов, и их удовлетворенность. Наилучший эффект от обучения с помощью 3D-печати достигается, когда модель воспроизводит сложные анатомические области, и студенты используют ее на ранних этапах своего медицинского обучения.
Наборы данных, сгенерированные и/или проанализированные в данном исследовании, не являются общедоступными из-за языковых барьеров, но могут быть предоставлены соответствующим автором по обоснованному запросу.
Дрейк Р.Л., Лоури Д.Дж., Пруитт К.М. Обзор курсов общей анатомии, микроанатомии, нейробиологии и эмбриологии в учебных программах медицинских школ США. Anat Rec. 2002;269(2):118-22.
Гош СК. Препарирование трупов как образовательный инструмент для анатомической науки в XXI веке: Препарирование как образовательный инструмент. Анализ научного образования. 2017;10(3):286–99.
Дата публикации: 09.04.2024