个性化3D打印教具联合基于案例的学习在脑血管外科继续教育中的应用

Application of personalized 3D-printed teaching aids combined with CBL teaching method in continuing education for Cerebrovascular Surgery

摘要

目的 探讨个性化3D打印教具联合基于案例的学习（CBL）在脑血管外科继续教育中的应用效果，评估其对学员理论知识掌握、手术实践能力及学习满意度的影响。 方法 纳入40名具备神经外科执业资格且临床工作不少于3年的医师，随机分为试验组（n=20，采用3D打印教具联合CBL）和对照组（n=20，采用传统CBL），进行为期3个月的培训。通过理论知识考核、模拟手术实践考核及无记名问卷调查，对比两组学员的学习效果和满意度。 结果 试验组的理论知识考核成绩（88.2±3.13）分和模拟手术实践考核成绩（89.4±3.75）分均显著高于对照组［（82.8±2.95）分和（83.8±4.25）分，P<0.001］。此外，试验组学员在增加学习兴趣、加深入路理解、提高手术能力、加强学习自信、提升沟通能力等5个方面的满意度均优于对照组（P<0.05）。 结论 个性化3D打印教具联合CBL能够显著提高脑血管外科继续教育的效果，增强学员的解剖理解、手术规划及团队协作能力，为神经外科医师的进阶培训提供了有效工具。

Abstract

Objective To investigate the efficacy of personalized 3D-printed teaching aids combined with case-based learning (CBL) teaching method in enhancing continuing medical education for Cerebrovascular Surgery, and evaluate its influence on students’ mastery of theoretical knowledge, surgical competency, and learning satisfaction. Methods 40 neurosurgeons with practicing qualifications followed with at least 3 years of clinical experience were enrolled and randomly divided into the experimental group (n=20， using 3D-printed teaching aids combined with CBL) and the control group (n=20， using traditional CBL). The training lasted for 3 months thus learning outcomes and satisfaction were compared between the 2 groups through theoretical knowledge assessments, simulated surgical practice evaluations and anonymous questionnaires. Results The theoretical knowledge assessment score of the experimental group (88.2±3.13) and the simulated surgical practice assessment score (89.4±3.75) were significantly higher than those of the control group [(82.8±2.95) and (83.8±4.25), respectively; P<0.001]. Additionally, the experimental group showed higher satisfaction than the control group in all 5 aspects including increased learning interest, deeper understanding of surgical approaches, improved surgical skills, enhanced learning confidence and better communication skills (P<0.05). Conclusion The combination of personalized 3D-printed teaching aids and CBL significantly improve the effectiveness of continuing education in Cerebrovascular Surgery, enhancing anatomical understanding, surgical planning and teamwork skills of trainees, which may serve as an effective tool for advanced training of neurosurgeons.

Graphical abstract

关键词

个性化3D打印教具 / 基于案例的学习 / 脑血管外科 / 继续医学教育

Key words

personalized 3D-printed teaching aids / CBL / Cerebrovascular Surgery / continuing medical education

继续医学教育（continuing medical education，CME）是现代医师保持专业能力、掌握前沿技术并提升临床实践水平的核心途径^[1]。神经外科作为外科学中技术高度密集、专业性强的前沿学科，其手术区域解剖结构复杂，要求医师不仅要接受严格的解剖学、生理学和病理学训练，还要熟练掌握显微镜、神经导航等高精设备的使用^[2]。此外，神经外科手术技术难度大、操作空间狭小，手术方案往往需个体化设计，其手术策略的制定依赖于长期的手术观摩、模拟训练和临床实践积累。同时，神经外科疾病谱广泛，涵盖肿瘤、血管病、外伤及功能性疾病等，且随着机器人手术、神经调控等新技术的不断涌现，持续学习成为神经外科医师适应行业发展的必然选择^[3]。因此，继续医学教育对神经外科医师而言具有不可替代的重要意义。

在神经外科的众多亚专业中，脑血管外科手术因其解剖结构复杂（如穿支血管变异率达34%）、组织缺血耐受窗窄（缺血耐受时间仅4~6 min）及手术器械要求严苛，被视为神经外科最具挑战性的领域之一^[4]。然而，当前脑血管外科教学面临诸多瓶颈，如病例稀缺且多为急诊、术中实时指导困难（镜下操作示范受限）以及模拟训练精度不足（模型误差高达15%~20%）^[4]。尽管模拟显微操作、增强现实等技术在一定程度上提升了培训效果，但如何平衡临床风险与教学需求仍是亟待解决的核心难题。因此，构建智能教学与量化评估相结合的新型培训体系，成为突破当前困境的关键。

在神经外科住院医师规范化培训中，基于案例的学习（case-based learning，CBL）已得到广泛应用^[5]。与传统教学方法相比，CBL在神经外科尤其是脑血管外科手术教学中展现出显著优势：通过真实病例模拟临床决策，帮助学员深入理解复杂病变（如动脉瘤、动静脉畸形等）的解剖特点，提升手术策略（介入或开颅）选择及危机处理能力；同时，CBL整合多学科知识（如影像学、显微技术）与团队协作，结合虚拟现实等技术实现低风险训练，并以问题为导向激发学员主动学习，通过即时反馈纠正技术误区，从而有效衔接理论与高风险实操，增强个体化治疗能力和手术应变水平^[5-7]。然而，继续医学教育的学员多为具备主治医师以上职称的高年资从业者，虽已掌握一定的基础知识和手术技巧，但由于神经系统解剖结构复杂抽象、手术操作精细，加之学员空间想象能力有限，传统CBL所采用的经典解剖图谱和二维影像图片难以达到理想的教学效果。因此，亟需一种更加直观、高效的教学模式，以清晰展示术中复杂入路结构，增强学员学习信心，进而提升教学效果^[8]。3D打印技术可通过患者影像数据精准构建个性化血管模型，高度仿真血管病变，为学员提供真实的手术观感和操作体验。此外，3D打印模型能够最大程度地实现病例的个体化，允许学员在无风险环境中反复试错，并通过量化评估优化学习效果。联合CBL，3D打印技术可帮助学员在仿真解剖模型中深入理解并掌握专业知识和技能，在神经外科继续医学教育中展现出广阔的应用前景^[9]。本研究选择了脑血管外科手术中最具代表性的颅内动脉瘤夹闭术作为教学任务，探讨个性化3D打印教具联合CBL在脑血管外科手术继续医学教育中的应用效果，旨在提升教学效率，培养更多能够独立开展手术的高水平神经外科医师。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究选择了自2020年3月— 2024年12月在西安交通大学第一附属医院参加进修培训的40名神经外科学员。纳入标准：①具有神经外科执业医师资格且从事神经外科工作的年限≥3年；②认可教学方法及目标，同意参加考核并签署研究知情同意书；③沟通能力良好。排除标准：①非神经外科医师或神经外科从业时间小于3年；②不能配合教学方案实施；③既往培训中有不良记录者。采用SPSS 29.0生成随机序列，并据此将所有学员随机分为试验组（n=20）和对照组（n=20）。

1.2 研究方法

对照组 教学时长为3个月，采用传统CBL，教具包括常规DSA/CTA影像资料、手术图谱及3D Slicer、Radiant影像分析软件。根据教学任务预先选取典型病例（共5例，包括大脑中动脉动脉瘤1例、前交通动脉动脉瘤1例、后交通动脉动脉瘤1例、小脑后下动脉动脉瘤1例及多发性颅内动脉瘤1例）；授课形式包括讲座、病例讨论、教学查房、手术入路解析等；教学内容包括病史采集、体格检查、辅助检查分析、影像学结果分析、解剖结构分析、诊断与鉴别诊断、治疗策略、手术入路研讨等。

试验组 教学时长为3个月，采用3D打印教具联合CBL。教具的3D打印方法如下：选取与对照组相同的典型病例（共5例），从本院影像储存和传输系统上获取典型病例患者的DICOM格式二维影像数据，导入Mimics 21.0软件内进行数据转换，使用Mimics 21.0提取颅骨轮廓。从 CTA 数据中准确提取包含动脉瘤的血管部分，使用 Edit Masks进行三维影像重建及融合后使用中瑞&联泰 S800打印机以白色光敏树脂进行3D打印，精度为±0.05mm。3D打印教具示例如图1所示。与对照组相同，授课形式包括讲座、病例讨论、教学查房、手术入路解析等；教学内容包括病史采集、体格检查、辅助检查分析、影像学结果分析、解剖结构分析、诊断与鉴别诊断、治疗策略、手术入路研讨等。授课过程中，学员可结合3D打印教具进行影像学判读、学习解剖知识、模拟手术入路等，并可结合手术录像进一步深入了解相关解剖及入路。所有提供影像学资料打印3D仿真模型的患者，本人或代理人均签署了《医学信息样本获取知情同意书》和《医学教学志愿者知情同意书》。

1.3 观察指标

学员在完成教学内容后参加考核及评价，指标包括客观指标和主观指标。

客观指标分为理论知识考核和模拟手术实践考核。两种考核均由神经外科继续医学教育小组制定考题，满分均为100分。理论知识考核内容包括神经解剖知识、疾病概念、可能出现的并发症、诊断及鉴别诊断、治疗策略等方面；模拟手术实践考核内容包括神经系统重要解剖结构辨认、病灶位置、周边解剖结构辨认、手术入路选择、动脉瘤夹的选择及夹闭策略、术中可能的并发症及应急处理方案等。学员考核由教学秘书会同两名副高级职称以上的专家根据量化评分进行背靠背评价，当评分差异>10%时，由第三位具备高级职称的专家进行盲法复核。

主观指标采用无记名调查量表对学员进行问卷调查。调查量表包括增加学习兴趣、加深入路理解、提高手术能力、加强学习自信、提升沟通能力等五个方面。每个内容分为非常满意、满意、不满意，满意度=（非常满意人数+满意人数）/总人数×100%。调查结果由神经外科教学秘书及负责教学的住院总医师共同进行计票和统计。

1.4 统计分析方法

采用SPSS 29.0软件对数据进行统计学分析。计量资料以（x±s）表示，组间比较采用Shapiro-Wilk正态性检验和Levene’s方差齐性检验以证实其满足正态分布及方差齐性后，应用两独立样本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 研究对象一般资料

在试验组中，男性19人（95.00%），女性1人（5.00%）；本科学历16人（80.00%），硕士学历4人（20.00%）；年龄28~41岁，平均年龄（34.85±4.603）岁；初级职称2人（10.00%），中级职称14人（70.00%），高级职称4人（20.00%）；来自县级医疗机构13人（65.00%），市级医疗机构7人（35.00%）。在对照组中，男性20人（100.00%），无女性；本科学历15人（75.00%），硕士学历5人（25.00%）；年龄28~39岁，平均年龄（33.95±3.561）岁；初级职称1人（5.00%），中级职称16人（80.00%），高级职称3人（15.00%）；来自县级医疗机构12人（60.00%），市级医疗机构8人（40.00%）。两组学员在年龄、性别、学历、职称、原工作单位等方面相比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。结果如表1所示。

2.2 试验组与对照组的考核成绩比较

试验组的理论知识考核成绩和模拟手术实践考核成绩分布均满足正态分布（Shapiro-Wilk正态性检验，P>0.05）并满足方差齐性（Levene’s方差齐性检验，理论知识考核：F=0.346，P=0.560；模拟手术实践考核：F=0.257， P=0.615），故应用独立样本t检验进行比较。结果表明，试验组的理论知识考核成绩和模拟手术实践考核成绩均高于对照组，差异均具有统计学意义（P<0.001）。结果如表2所示。

2.3 试验组和对照组的满意度比较

本研究共发放40份调查问卷，回收40份调查问卷，回收率为100.00%。试验组在增加学习兴趣、加深入路理解、提高手术能力、加强学习自信、提升沟通能力等5个方面的满意度均高于对照组，差异均具有统计学意义（P<0.05）。结果如表3所示。

3 讨论

作为神经外科中难度最大、风险最高的脑血管外科手术，其教学始终受限于解剖结构复杂、手术难度高、实践机会少、容错率低等特点，导致神经外科医师继续教育的难度较高且教学效果难以令人满意^[10]。神经解剖学作为神经外科医师至关重要的知识储备，贯穿于整个神经外科学的教学过程，也是神经外科医师教学中最重要的部分。由于神经系统解剖复杂多变、空间立体结构强、结构晦涩难懂，且真实解剖标本严重匮乏，导致大部分学员缺少实践操作机会，因此很难理解及掌握各结构尤其是血管、神经在不同体位下的相对解剖关系^[8]。Thiong’o等的研究表明，3D打印模型可显著提升神经外科住院医师的解剖理解能力和临床决策能力^[11]。本研究将个性化3D打印教具与CBL教学模式相结合，应用于脑血管外科继续教育培训。结果显示，试验组学员的理论知识考核成绩（88.2±3.13）分较对照组（82.8±2.95）分显著提高（P<0.001），平均提升幅度达6.5%；模拟手术实践考核成绩（89.4±3.75）分较对照组（83.8±4.25）分显著提高（P<0.001），平均提升幅度达6.7%。这些数据表明，个性化3D打印教具联合CBL教学模式可显著提升学员的理论知识掌握水平和临床实践操作能力。通过对比传统教学方法，试验组学员在理论知识掌握、手术规划能力及学习满意度等方面均表现出显著优势。这一结果与近年来3D打印技术在医学教育中的应用趋势一致，进一步验证了个性化3D打印教具在提升教学效果方面的潜力。

传统的脑血管外科教学主要依赖二维影像（如CTA、DSA）和标准化解剖模型及图谱，但此类方法在展示个体化血管变异和手术路径时存在局限性。3D 打印相关技术已广泛应用于神经外科显微解剖教学培训，极大地提高了学员的定位准确性和自信心，减少了在实际手术中不必要的创伤^[12]。本研究采用的3D打印教具基于真实患者数据构建，可精确复现动脉瘤、血管狭窄等病变的解剖细节，使学员能够在术前进行逼真的模拟操作。触觉反馈是3D打印模型提升手术技能的关键因素，这与本研究中学员反馈的“模型操作增强了手术实践能力”高度吻合。此外，3D打印教具允许反复练习，降低了真实手术中的试错成本，在模拟手术训练研究中同样具有重要意义^[13]。

CBL强调以真实临床案例为导向，而个性化3D打印教具的引入进一步增强了案例教学的沉浸感和互动性。例如，本研究中，在讨论后交通动脉动脉瘤的治疗策略时，在3D模型的辅助下，学员可以在模拟真实手术体位的情况下直观观察动脉瘤颈与载瘤动脉的关系，预选动脉瘤夹型号并模拟不同夹闭策略的效果。这种“案例+模型”的教学模式不仅提高了学员的学习兴趣，还促进了其批判性思维的形成。相关研究表明，CBL结合三维可视化工具可显著提升外科培训效果^[14]，这与本研究的结果高度一致。此外，团队协作式案例讨论结合模型操作，有助于培养学员的沟通与协作能力，这在多学科联合诊疗（MDT）模式日益普及的背景下尤为重要。

综上所述，本研究证实了个性化3D打印教具联合CBL可显著提高脑血管外科手术继续教育的效果，尤其在增强解剖理解、手术规划和团队协作能力方面表现突出。尽管存在成本和技术挑战，但随着3D打印技术的普及和医学教育模式的创新，这一方法有望成为脑血管外科培训的重要工具。值得注意的是，由于本研究的时间跨度较大，尽管我们采用了同质化教学、一致性评价等多种措施，但仍无法完全规避医疗技术进步等外部因素的影响。另一方面，本研究为单中心研究，样本量有限，未能追踪评估学员的长期技能保留率且未进行成本-效益分析。因此，未来的研究将增加更频繁的纵向监测点并将学员的结业成绩与其参加国家级神经外科专科考试成绩进行相关性分析。同时，将录制标准化病例视频作为参考，并每年对评审导师进行一致性校准培训，以减少评价者主观波动。最后，未来的研究还会深度聚焦于技术优化、成本控制及长期效果评估，以推动其在更广泛医学教育领域的应用。

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基金资助

创新能力支撑计划-陕西省青年科技新星(2024ZC-KJXX-091)