人工智能联合3D打印技术在胰腺外科规培教学中的应用研究

Research on the application of artificial intelligence combined with 3D printing technology in the standardized training teaching of pancreatic surgery

摘要

目的 探究人工智能（artificial intelligence，AI）与3D打印技术在胰腺外科规培教学中的协同应用效果。 方法 选取华中科技大学同济医学院附属同济医院胰腺外科规培的学员共60名为研究对象，随机分为试验组（n=30）与对照组（n=30）。对照组采用传统教学模式，试验组在传统教学基础上引入AI联合3D打印技术。教学结束后统一组织闭卷理论测试、临床实践技能考核和满意度调查。 结果 试验组理论考核平均成绩为（90.17±3.49）分，高于对照组的（87.57±5.60）分，差异具有统计学意义（t=2.16，P<0.05）；在临床实践技能考核方面，试验组平均成绩为（87.07±4.81）分，高于对照组的（83.27±8.17）分，差异具有统计学意义（t=2.19，P<0.05）；学员满意度调查显示，试验组满意度为90.0%，对照组仅为63.3%，差异具有统计学意义（χ²=12.57，P<0.05）。 结论 人工智能联合3D打印技术在胰腺外科规培教学中，相较于传统教学模式，能明显提升学员理论成绩和临床实践能力，学员满意度高。

Abstract

Objective To explore the synergistic application effect of artificial intelligence (AI) and 3D printing technology in the standardized training teaching of pancreatic surgery. Methods A total of 60 trainees in the pancreatic surgery department of our hospital were selected as the research objects and randomly divided into an experimental group (n=30) and a control group (n=30). The control group adopted the traditional teaching model, while the experimental group introduced AI combined with 3D printing technology on the basis of traditional teaching. After the teaching, a closed-book theoretical test, practical skills assessment, and satisfaction survey were organized uniformly. Results The average score of the theoretical assessment in the experimental group was (90.17±3.49) points, while that in the control group was (87.57±5.60) points (t=2.16, P<0.05). In terms of clinical practical skills assessment, the average score of the experimental group was(87.07±4.81)points, which was higher than (83.27±8.17)points in the control group (t=2.19, P<0.05). The trainee satisfaction survey showed that the satisfaction rate of the experimental group was 90.0%, while that of the control group was only 63.3% (χ²=12.57, P<0.05). Conclusion In the standardized training teaching of pancreatic surgery, AI combined with 3D printing technology can significantly improve the theoretical performance and clinical practical ability of trainees compared with the traditional teaching model, and the trainees have a high satisfaction level.

关键词

人工智能 / 3D打印 / 胰腺外科 / 规培教学

Key words

artificial intelligence / 3D printing / pancreatic surgery / standardized training teaching

胰腺外科所涉及的疾病诊治极具挑战性。一方面，相关疾病种类繁多且病情隐匿，临床表现错综复杂，诊断时需综合多方面因素，而医学领域不断发展，诊疗指南更新速度快，医师必须时刻紧跟前沿知识，才能确保诊断精准、治疗科学。另一方面，胰腺手术堪称外科手术中的“珠穆朗玛峰”。胰腺作为人体重要器官，其解剖结构精细，周围血管、神经分布密集，手术操作空间狭小^[1]。胰腺外科规培学员结业要求其熟练掌握胰腺常见疾病的病因、诊断、鉴别诊断要点，熟练完成腹腔穿刺等基本操作，能在手术中担任助手，熟知胰腺手术步骤；做好围手术期管理，精准判断、处理胰瘘等并发症；有效地向患者及家属解释病情；具备独立临床思维，能分析复杂病例^[2]。然而，由于胰腺疾病和胰腺手术的特点，传统教学模式导致规培学员普遍存在理解困难、动手机会少的问题^[3]。在传统教学过程中，多依赖教材、幻灯片讲解以及有限的手术观摩机会，学员主要通过记忆吸收理解知识，理解深度受限，难以构建直观且全面的认知体系。胰腺的解剖结构复杂，其内部血管、导管系统纵横交错，传统二维图像教学难以清晰展现这些精细结构，这导致学员对胰腺疾病的诊断与手术处理关键环节把握不准。在实践操作训练方面，学员亲手操作实践的频次不足，技能熟练度提升缓慢。近年来，人工智能（artificial intelligence，AI）技术和3D打印技术蓬勃发展并融入医学教育。AI凭借其强大的数据分析与模拟能力，在临床教学中的多元应用，打破了传统教学的时空限制，丰富了教学手段，为培养高素质、高技能的医学人才开辟了新路径^[4]；3D打印可依据精准数据制作高仿真器官模型，学员能亲手触摸、全方位观察模型细节，真切感知器官的形态、毗邻关系及内部构造，将抽象知识具象化，极大提升解剖学习效果。在手术教学（实践操作）方面，3D打印模型能模拟手术场景，学员借此可提前熟悉手术流程、关键操作节点及可能遇到的解剖变异情况^[5]。二者结合可为胰腺外科规培教学突破困境、提升质量带来契机。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取2021年1月— 2024年12月在华中科技大学同济医学院附属同济医院胰腺外科参加规培的学员，挑选本科毕业后直接进入规培阶段的60名学员为研究对象，运用随机数字表法将其分为试验组（n=30）与对照组（n=30）。

1.2 教学方法

1.2.1 对照组

对照组严格遵循传统教学路径有条不紊地展开一系列教学活动。教学工作由医院内经验丰富、医术精湛的资深带教教师负责。在入科教育阶段，主要以小课形式，系统且全面地讲授胰腺外科的核心理论知识。带教教师借助人体模型、解剖图谱等工具讲授胰腺的解剖结构，将胰腺与周围血管、组织的空间关系清晰地呈现给学员。然后，讲授病理生理机制，如胰腺炎发作时胰腺组织的炎性变化过程；针对胰腺炎、胰腺肿瘤等常见疾病，详细阐述其诊断要点，比如通过症状、体征以及各项检查指标精准判断病情，还有对应的治疗原则，包括手术、药物治疗等方案的选择依据。在日常临床实践中，规培学员在带教教师的严格监督下，积极参与临床收治病人工作，开展常规的病房查房、病历书写、医嘱下达等病房工作。同时，医院合理安排学员跟台手术，让其能够近距离直观地观摩学习手术操作及流程，如手术切口的选择、组织的分离、器官的切除与缝合等。当学员在日常临床工作遇到困难时，需要自主查阅专业资料（如《黄家驷外科学》等经典著作），或者向带教教师请教。

1.2.2 试验组

试验组在传统教学基础上引入AI联合3D打印技术。AI采用文心一言的智慧医疗系统，它运用大模型模拟病患，为医学生打造仿真学习环境。通过多轮对话技术模拟人类对话，利用提示词模版与医学术语结合实现个性化学习。可创建丰富的模拟病例和场景，帮助医学生锻炼诊断等能力，还能对其诊疗过程实时评估打分，提供指导。

①AI应用

模拟虚拟患者 借助AI模拟胰腺疾病患者，规培学员借助AI练习病史采集、临床诊断、制定治疗方案等。病史采集时，面对不同症状、不同背景的虚拟患者反复练习，精准掌握询问技巧，留意细节，确保信息完整。在诊断环节，依据虚拟患者呈现的各类症状、检查结果，梳理多种诊断思路，再由AI验证，快速找准方向、弥补漏洞。制定治疗方案时，结合虚拟患者的病情、身体状况，尝试多种策略，对比预后，充分考虑个体差异，权衡手术治疗、非手术治疗等方案利弊，以此全方位提升临床诊治水平^[6]。

临床辅助决策 AI系统依据海量临床数据与医学知识图谱，可给规培学员实时提供诊断排序与治疗策略建议。在接诊初期，规培学员将患者症状、体征、初步检查结果输入AI，快速获取可能的疾病诊断范围，如面对腹痛、黄疸患者，AI提示胰腺肿瘤、胆管结石等多种可能，拓宽诊断思路。制定治疗规划时，AI依据患者年龄、身体状况等给出不同方案的预后评估，学员借此对比手术、非手术治疗的利弊，学会优化选择。术后管理阶段，AI能预测并发症风险，学员据此提前准备应对措施，在实践中逐步积累经验，提升临床综合能力^[7]。

治疗方案评估 规培学员在制定治疗计划后，将其输入AI系统，AI分析该方案在同类病例中的可行性，如针对胰腺癌手术方案，评估切除范围是否精准。另外，AI可模拟患者术后恢复情况，提示潜在并发症风险，学员便能提前规划预防与应对策略。而且，通过对比 AI给出的多种优化建议与自己的初始方案，规培学员能反思不足，精准把握不同病情下治疗方案的关键要点，进而提升临床决策水平^[8]。

②3D打印应用

运用先进的3D打印设备，选用生物相容性好、兼具柔韧性与质感的材料，依据精准数据制作高仿真胰腺器官模型。在术前规划阶段，学员利用3D打印技术将患者的胰腺及周围脏器结构精准复制出来。通过直观观察模型，详细了解胰腺肿瘤的位置、大小、与血管胆管的毗邻关系。在胰腺癌手术前，学员能精准判断肿瘤是否侵犯重要血管，从而提前规划手术切除路径，降低术中误操作风险，以提升其手术规划能力。在手术模拟训练中，学员使用3D打印的仿真胰腺器官模型，模拟手术操作流程，练习胰腺切除、吻合等精细动作，熟悉手术器械的使用手感，增加操作熟练度。在术后复盘环节，带教教师利用3D打印模型，对照患者实际手术情况，向学员讲解术中难点、重点以及处理方式，让学员更好地理解手术全过程，强化知识记忆，进一步提升其临床实践能力^[9]。

1.3 教学效果评估

①理论考核 规培结束后，统一组织闭卷理论测试。试卷内容全面覆盖胰腺外科的各个知识版块，包括胰腺解剖结构、生理病理机制、常见疾病（如胰腺炎、胰腺癌等）的诊疗知识等。测试满分设定为100分，题型包含选择、简答、病例分析等。

②实践技能考核 规培结束后，规培学员首先进行腹腔穿刺操作考核。接着在模拟手术室，考核规培学员的手术操作能力，学员独立完成胰腺手术部分关键操作，包括胰腺游离、组织切割等，由资深带教教师依标准化评分细则严格打分。综合以上两部分操作综合打分，满分100分，客观评估其实践动手能力。

③学员满意度调查 采用自制调查问卷，从学习兴趣激发、知识理解深度、技能提升帮助、自主学习动力唤醒等4个维度了解学员的教学满意度。选项分为非常满意（赋值为3）、满意（赋值为2）、不满意（赋值为1）三级。综合得分=学习兴趣激发得分×0.25+知识理解深度得分×0.25+技能提升帮助得分×0.25+自主学习动力得分×0.25。根据综合满意度得分判断整体满意度情况：当得分≥2.5分时，则认为学员对规培教学“非常满意”。当1.5≤得分<2.5时，则认为学员对规培教学“满意”。当得分<1.5时，则认为学员对规培教学“不满意”。

1.4 统计分析方法

运用SPSS 25.0软件进行数据处理。计量资料以(x±s)表示，组间比较采用独立样本t检验；计数资料以n(%)表示，组间比较采用χ²检验。以P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 研究对象一般情况

试验组与对照组在年龄均值[（23.5±1.2）岁vs.（23.2±1.3）岁，P>0.05]、性别（男/女）[（28/2 vs. 29/1）]等人口基本特征方面差异无统计学意义（均P>0.05）。试验组与对照组在本科阶段医学基础知识平均成绩[（78.3±5.6)分 vs.（77.9±6.1）分，P>0.05]和本科阶段毕业院校的层次（二本院校/三本院校）[27/3 vs.27/3]等基础条件方面差异无统计学意义。

2.2 理论考核和临床技能考核成绩

试验组理论考核平均成绩为（90.17±3.49）分，对照组为（87.57±5.60）分，差异具有统计学意义（t=2.16，P>0.05），如表1所示。在临床实践技能考核方面，试验组平均得分为（87.07±4.81）分，高于对照组的（83.27±8.17）分，差异具有统计学意义（t=2.19，P>0.05），如表1所示。

2.3 学员满意度

学员满意度调查显示，试验组选择非常满意或者满意的学员高达90%（非常满意20人，满意7人），对照组仅63.3%（非常满意10人，满意9人），经检验（χ²=12.57，P<0.05）显示，差异具有统计学意义，如表2所示。

3 讨论

胰腺外科知识晦涩难懂，规培教学难度较大，单纯的理论灌输、二维图像无法展现解剖结构的立体感，有限的手术观摩又难以让学员精准捕捉手术关键细节，这极大阻碍了学员专业素养的提升。AI 能够从多个维度提升胰腺外科规培教学的成效。在虚拟患者模拟上，能逼真呈现各类病症表现。临床决策时，提供辅助提供精准参考建议。在治疗方案评估方面，AI凭借强大的数据分析展现方案优劣^[10-11]。3D打印的胰腺模型可让规培学员直观地观察、理解胰腺及其周围组织的空间位置关系，突破传统二维图像的局限。规培学员能亲手触摸、拆解模型，以此加深对解剖知识的理解与记忆，提升学习效果，为后续临床实践奠定坚实基础。在胰腺手术方面，通过3D打印，规培学员能获得与患者胰腺高度相似的实体模型，清晰呈现其复杂的解剖结构、血管分布等，有助于术前精准规划手术方案，加深对手术方案的理解^[12-13]。AI和3D打印二者融合可以构建虚实结合教学模式。本研究结果揭示，人工智能结合3D打印在胰腺外科规培教学中相较于传统教学模式具有明显的优势。

理论考核结果显示，试验组成绩明显优于对照组。这表明新技术辅助下的教学能让学员更好地掌握胰腺外科知识体系。在复杂的解剖知识、病理生理以及诊疗策略学习中，AI多元功能与3D打印模型助力学员构建起系统认知，如AI的虚拟患者模拟可提供临床情境以加深学员对知识的理解；3D打印模型具象化解剖结构可强化学员对知识的记忆。在实践技能考核中，试验组成绩优于对照组。规培学员借助AI模拟手术评估、虚拟操作，提前熟悉手术流程与技巧应对，再结合3D打印实体模型实操演练，反复练习胰腺游离、血管结扎等精细步骤，可极大地提升学员的动手能力。最后，试验组学员具有更高的满意度，反映了新技术激发学习热情，契合现代教育理念。学员从被动听课转变为主动探索，主动思考虚拟患者病情、优化治疗方案，在互动中成长。

尽管目前AI联合3D打印技术在胰腺外科规培教学中的应用已取得一定成效，但仍存在诸多可改进之处。在技术层面，AI虚拟患者在外观、生理反应等方面的真实感仍有待大幅提升，以便学员能获得更贴近临床实际的体验。AI决策模型因数据来源复杂，易受数据偏差影响，导致其所提供的决策参考不够精准^[14-15]。3D打印材料的质地、力学性能等仿真度与真实组织相比，仍存在较大差距，无法完全满足教学与手术模拟需求^[16]。在教学层面，新的教学模式对带教教师提出了更高要求，他们需尽快适应并熟练运用这些新技术开展教学。而规培学员自身也不能仅依赖课堂教学，需要更主动地利用AI和3D打印资源进行练习，以提升自身的学习效果 。

4 结论

胰腺外科规培教学的目标在于为医学领域精心培育专业知识扎实、实践操作技能娴熟的高素质医学人才，学员在结业后就能立刻胜任胰腺外科医疗工作，并能在手术中担任助手。AI联合3D打印技术的应用，为这一教学过程带来了诸多革新。一方面，AI与3D打印技术相辅相成，将原本抽象晦涩的胰腺外科知识变得直观可视。通过3D打印技术，可将胰腺及其周围血管、组织等按比例精准打印出来，配合AI的动态演示，让学员能清晰把握其空间结构与生理病理关系，极大地提升了学员对知识的理解深度。在理论考核中，成绩得到了显著提高。另一方面，该教学方法弥补了传统教学在临床训练方面的短板。以往教学中学员临床训练量有限，动手机会稀缺。如今借助AI模拟的临床工作环境，学员能身临其境地应对各种虚拟病例，同时利用3D打印的胰腺模型进行实际操作练习，涵盖了从手术模拟到穿刺训练等方面，极大地增强了其实践能力。此外，这种创新性的教学方法，极大地激发了学员主动探索的欲望。新颖的教学形式让学员更积极地参与到学习中，契合了现代教育所倡导的以学生为中心、培养自主学习能力的理念。综上所述，AI联合3D打印技术与当下胰腺外科规培教学的迫切需求高度契合，在实际教学活动中取得了理想的效果，值得进一步推广。

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基金资助

华中科技大学第二临床学院教学研究基金(2021062)

华中科技大学教学研究项目(2024143)