Trójwymiarowe drukowane modele anatomiczne (3DPAM) wydają się być odpowiednim narzędziem ze względu na ich wartość edukacyjną i wykonalność. Celem niniejszego przeglądu jest opisanie i analiza metod wykorzystywanych do tworzenia modeli 3DPAM w nauczaniu anatomii człowieka oraz ocena ich wkładu dydaktycznego.
Przeprowadzono elektroniczne przeszukanie bazy PubMed, używając następujących haseł: edukacja, szkoła, nauka, nauczanie, szkolenie, nauczanie, edukacja, trójwymiarowy, 3D, trójwymiarowy, drukowanie, drukowanie, drukowanie, anatomia, anatomia, anatomia i anatomia. Wyniki obejmowały charakterystykę badań, projekt modelu, ocenę morfologiczną, wyniki w nauce, mocne i słabe strony.
Spośród 68 wybranych artykułów, najwięcej badań koncentrowało się na obszarze czaszki (33 artykuły); 51 artykułów wspomina o drukowaniu kości. W 47 artykułach opracowano technologię 3DPAM na podstawie tomografii komputerowej. Wymieniono pięć procesów drukowania. Tworzywa sztuczne i ich pochodne wykorzystano w 48 badaniach. Cena każdego projektu waha się od 1,25 do 2800 dolarów. W trzydziestu siedmiu badaniach porównywano technologię 3DPAM z modelami referencyjnymi. W trzydziestu trzech artykułach badano działania edukacyjne. Główne korzyści to jakość wizualna i dotykowa, efektywność uczenia się, powtarzalność, możliwość dostosowania i zwinność, oszczędność czasu, integracja anatomii funkcjonalnej, lepsze możliwości rotacji mentalnej, zapamiętywanie wiedzy i zadowolenie nauczyciela/ucznia. Główne wady są związane z projektem: spójność, brak szczegółów lub przejrzystości, zbyt jasne kolory, długi czas drukowania i wysoki koszt.
Niniejszy przegląd systematyczny pokazuje, że 3DPAM jest opłacalny i skuteczny w nauczaniu anatomii. Bardziej realistyczne modele wymagają zastosowania droższych technologii druku 3D i dłuższego czasu projektowania, co znacznie zwiększa całkowity koszt. Kluczem jest wybór odpowiedniej metody obrazowania. Z pedagogicznego punktu widzenia 3DPAM jest skutecznym narzędziem w nauczaniu anatomii, pozytywnie wpływającym na wyniki nauczania i satysfakcję. Efekt nauczania 3DPAM jest największy, gdy odtwarza złożone obszary anatomiczne, a studenci korzystają z niego na wczesnym etapie kształcenia medycznego.
Sekcja zwłok zwierzęcych była wykonywana od starożytnej Grecji i jest jedną z głównych metod nauczania anatomii. Sekcje zwłok wykonywane podczas praktyk są wykorzystywane w teoretycznym programie nauczania studentów medycyny i są obecnie uważane za złoty standard w nauce anatomii [1,2,3,4,5]. Istnieje jednak wiele barier w stosowaniu ludzkich zwłok, co skłania do poszukiwania nowych narzędzi szkoleniowych [6, 7]. Niektóre z tych nowych narzędzi obejmują rzeczywistość rozszerzoną, narzędzia cyfrowe i druk 3D. Według niedawnego przeglądu literatury przeprowadzonego przez Santos i in. [8], pod względem wartości tych nowych technologii w nauczaniu anatomii, druk 3D wydaje się być jednym z najważniejszych zasobów, zarówno pod względem wartości edukacyjnej dla studentów, jak i pod względem wykonalności wdrożenia [4,9,10].
Druk 3D nie jest nowością. Pierwsze patenty związane z tą technologią pochodzą z 1984 roku: A. Le Méhauté, O. De Witte i J.C. André we Francji, a trzy tygodnie później C. Hull w USA. Od tego czasu technologia ta stale się rozwija, a jej zastosowanie rozszerzyło się na wiele obszarów. Na przykład, NASA wydrukowała pierwszy obiekt poza Ziemią w 2014 roku [11]. To nowe narzędzie zostało również wdrożone w medycynie, co zwiększyło zapotrzebowanie na rozwój medycyny spersonalizowanej [12].
Wielu autorów wykazało korzyści płynące z wykorzystania drukowanych w 3D modeli anatomicznych (3DPAM) w edukacji medycznej [10, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]. Podczas nauczania anatomii człowieka potrzebne są modele niepatologiczne i anatomicznie prawidłowe. Niektóre przeglądy badały patologiczne lub medyczno-chirurgiczne modele szkoleniowe [8, 20, 21]. Aby opracować hybrydowy model nauczania anatomii człowieka, który obejmuje nowe narzędzia, takie jak druk 3D, przeprowadziliśmy systematyczny przegląd, aby opisać i przeanalizować, w jaki sposób tworzone są drukowane w 3D obiekty do nauczania anatomii człowieka i jak studenci oceniają skuteczność nauki z wykorzystaniem tych obiektów 3D.
Niniejszy systematyczny przegląd literatury przeprowadzono w czerwcu 2022 r. bez ograniczeń czasowych, korzystając z wytycznych PRISMA (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses) [22].
Kryteriami włączenia były wszystkie prace badawcze wykorzystujące 3DPAM w nauczaniu/uczeniu się anatomii. Wykluczono przeglądy literatury, listy lub artykuły dotyczące modeli patologicznych, modeli zwierzęcych, modeli archeologicznych oraz modeli do nauki medycyny/chirurgii. Wybrano wyłącznie artykuły opublikowane w języku angielskim. Wykluczono artykuły bez dostępnych streszczeń online. Włączono artykuły zawierające wiele modeli, z których co najmniej jeden był anatomicznie prawidłowy lub miał niewielką patologię niemającą wpływu na wartość dydaktyczną.
Przeprowadzono przeszukanie literatury w elektronicznej bazie danych PubMed (National Library of Medicine, NCBI) w celu zidentyfikowania odpowiednich badań opublikowanych do czerwca 2022 r. Użyj następujących haseł wyszukiwania: edukacja, szkoła, nauczanie, nauczanie, uczenie się, nauczanie, edukacja, trójwymiarowy, 3D, 3D, drukowanie, drukowanie, drukowanie, anatomia, anatomia, anatomia i anatomia. Wykonano pojedyncze zapytanie: (((education[Tytuł/Streszczenie] LUB school[Tytuł/Streszczenie] LUBlearning[Tytuł/Streszczenie] LUB teaching[Tytuł/Streszczenie] LUB training[Tytuł/Streszczenie] LUBReach[Tytuł/Streszczenie] ] LUB Education [Tytuł/Streszczenie]) AND (Three Dimensions [Tytuł] LUB 3D [Tytuł] LUB 3D [Tytuł])) AND (Print [Tytuł] LUB Print [Tytuł] LUB Print [Tytuł])) AND (Anatomy) [Tytuł] ]/abstract] lub anatomy [tytuł/streszczenie] lub anatomy [tytuł/streszczenie]). Dodatkowe artykuły zidentyfikowano poprzez ręczne przeszukanie bazy danych PubMed i sprawdzenie odniesień do innych artykułów naukowych. Nie zastosowano ograniczeń dotyczących dat, ale użyto filtra „Osoba”.
Wszystkie wyszukane tytuły i streszczenia zostały sprawdzone pod kątem kryteriów włączenia i wykluczenia przez dwóch autorów (EBR i AL), a każde badanie niespełniające wszystkich kryteriów kwalifikacyjnych zostało wykluczone. Pełne teksty publikacji pozostałych badań zostały wyszukane i zrecenzowane przez trzech autorów (EBR, EBE i AL). W razie potrzeby, rozbieżności w wyborze artykułów rozstrzygała czwarta osoba (LT). Publikacje spełniające wszystkie kryteria włączenia zostały uwzględnione w niniejszym przeglądzie.
Ekstrakcję danych przeprowadziło niezależnie dwóch autorów (EBR i AL) pod nadzorem trzeciego autora (LT).
- Dane projektu modelu: obszary anatomiczne, określone części anatomiczne, model początkowy do druku 3D, metoda akwizycji, oprogramowanie do segmentacji i modelowania, typ drukarki 3D, rodzaj i ilość materiału, skala druku, kolor, koszt druku.
- Ocena morfologiczna modeli: modele użyte do porównania, ocena medyczna ekspertów/nauczycieli, liczba oceniających, rodzaj oceny.
- Model 3D nauczania: ocena wiedzy ucznia, metoda oceny, liczba uczniów, liczba grup kontrolnych, randomizacja uczniów, wykształcenie/typ ucznia.
W bazie MEDLINE zidentyfikowano 418 badań, a 139 artykułów odrzucono filtrem „ludzkim”. Po przejrzeniu tytułów i streszczeń wybrano 103 badania do lektury pełnotekstowej. 34 artykuły odrzucono, ponieważ były to modele patologiczne (9 artykułów), modele szkoleń medyczno-chirurgicznych (4 artykuły), modele zwierzęce (4 artykuły), trójwymiarowe modele radiologiczne (1 artykuł) lub nie były oryginalnymi artykułami naukowymi (16 rozdziałów). Do przeglądu włączono łącznie 68 artykułów. Rysunek 1 przedstawia proces selekcji w formie schematu blokowego.
Schemat blokowy podsumowujący identyfikację, przesiew i włączenie artykułów do tego przeglądu systematycznego
Wszystkie badania opublikowano w latach 2014–2022, ze średnią datą publikacji 2019. Spośród 68 uwzględnionych artykułów, 33 (49%) badania miały charakter opisowo-eksperymentalny, 17 (25%) miało charakter czysto eksperymentalny, a 18 (26%) miało charakter czysto opisowy. Spośród 50 (73%) badań eksperymentalnych, 21 (31%) wykorzystało randomizację. Tylko 34 badania (50%) zawierały analizy statystyczne. Tabela 1 podsumowuje charakterystykę każdego badania.
33 artykuły (48%) dotyczyły obszaru głowy, 19 artykułów (28%) obszaru klatki piersiowej, 17 artykułów (25%) obszaru brzucha i miednicy, a 15 artykułów (22%) kończyn. W 51 artykułach (75%) wspomniano o kościach drukowanych w 3D jako modelach anatomicznych lub wielowarstwowych modelach anatomicznych.
Jeśli chodzi o modele źródłowe lub pliki wykorzystane do opracowania 3DPAM, w 23 artykułach (34%) wspomniano o wykorzystaniu danych pacjentów, w 20 artykułach (29%) wspomniano o wykorzystaniu danych ze zwłok, a w 17 artykułach (25%) wspomniano o wykorzystaniu baz danych. W 7 badaniach (10%) nie ujawniono źródła wykorzystanych dokumentów.
47 badań (69%) opracowało 3DPAM na podstawie tomografii komputerowej, a 3 badania (4%) zgłosiły użycie mikroCT. 7 artykułów (10%) przedstawiało obiekty 3D wyświetlane przy użyciu skanerów optycznych, 4 artykuły (6%) — przy użyciu MRI, a 1 artykuł (1%) — przy użyciu kamer i mikroskopów. 14 artykułów (21%) nie wspomniało o źródle plików źródłowych projektu modelu 3D. Pliki 3D są tworzone ze średnią rozdzielczością przestrzenną mniejszą niż 0,5 mm. Optymalna rozdzielczość wynosi 30 μm [80], a maksymalna — 1,5 mm [32].
Wykorzystano sześćdziesiąt różnych aplikacji (do segmentacji, modelowania, projektowania i drukowania). Najczęściej korzystano z Mimics (Materialise, Leuven, Belgia) (14 badań, 21%), następnie MeshMixer (Autodesk, San Rafael, Kalifornia) (13 badań, 19%), Geomagic (3D System, Missouri, Karolina Północna, Leesville) (10 badań, 15%), 3D Slicer (Slicer Developer Training, Boston, Massachusetts) (9 badań, 13%), Blender (Blender Foundation, Amsterdam, Holandia) (8 badań, 12%) i CURA (Geldemarsen, Holandia) (7 badań, 10%).
Wymieniono sześćdziesiąt siedem różnych modeli drukarek i pięć procesów drukowania. Technologia FDM (Fused Deposition Modeling) została wykorzystana w 26 produktach (38%), śrutowanie materiału w 13 produktach (19%), a śrutowanie spoiwa w 11 produktach (16%). Najrzadziej stosowanymi technologiami są stereolitografia (SLA) (5 artykułów, 7%) i selektywne spiekanie laserowe (SLS) (4 artykuły, 6%). Najczęściej używaną drukarką (7 artykułów, 10%) jest Connex 500 (Stratasys, Rechowot, Izrael) [27, 30, 32, 36, 45, 62, 65].
W przypadku określenia materiałów użytych do produkcji 3DPAM (51 artykułów, 75%), w 48 badaniach (71%) wykorzystano tworzywa sztuczne i ich pochodne. Głównymi użytymi materiałami były PLA (kwas polimlekowy) (n = 20, 29%), żywica (n = 9, 13%) i ABS (akrylonitryl-butadien-styren) (7 rodzajów, 10%). W 23 artykułach (34%) analizowano 3DPAM wykonane z wielu materiałów, w 36 artykułach (53%) prezentowano 3DPAM wykonane tylko z jednego materiału, a w 9 artykułach (13%) nie określono konkretnego materiału.
W dwudziestu dziewięciu artykułach (43%) podano współczynniki druku od 0,25:1 do 2:1, ze średnią 1:1. W dwudziestu pięciu artykułach (37%) zastosowano współczynnik 1:1. 28 drukarek 3DPAM (41%) składało się z wielu kolorów, a 9 (13%) zostało barwionych po wydrukowaniu [43, 46, 49, 54, 58, 59, 65, 69, 75].
W trzydziestu czterech artykułach (50%) wspomniano o kosztach. W dziewięciu artykułach (13%) wspomniano o kosztach drukarek 3D i surowców. Ceny drukarek wahają się od 302 do 65 000 dolarów. Po podaniu konkretnych danych, ceny modeli wahają się od 1,25 do 2800 dolarów; te skrajne wartości dotyczą preparatów szkieletowych [47] i modeli zaotrzewnowych o wysokiej wierności [48]. Tabela 2 podsumowuje dane modelowe dla każdego z uwzględnionych badań.
Trzydzieści siedem badań (54%) porównywało 3DAPM z modelem referencyjnym. Wśród tych badań najczęstszym komparatorem był anatomiczny model referencyjny, stosowany w 14 artykułach (38%), preparaty plastynowane w 6 artykułach (16%), preparaty plastynowane w 6 artykułach (16%). Wykorzystanie wirtualnej rzeczywistości, obrazowanie tomografii komputerowej jeden 3DPAM w 5 artykułach (14%), inny 3DPAM w 3 artykułach (8%), gry poważne w 1 artykule (3%), zdjęcia rentgenowskie w 1 artykule (3%), modele biznesowe w 1 artykule (3%) i rzeczywistość rozszerzona w 1 artykule (3%). Trzydzieści cztery (50%) badania oceniały 3DPAM. Piętnaście (48%) badań szczegółowo opisało doświadczenia oceniających (Tabela 3). Morfologia 3DPAM została przeprowadzona przez chirurgów lub lekarzy prowadzących w 7 badaniach (47%), specjalistów anatomii w 6 badaniach (40%), studentów w 3 badaniach (20%), nauczycieli (dyscyplina nieokreślona) w 3 badaniach (20%) w celu oceny oraz jednego dodatkowego ewaluatora w artykule (7%). Średnia liczba ewaluatorów wynosi 14 (minimum 2, maksimum 30). W trzydziestu trzech badaniach (49%) morfologię 3DPAM oceniano jakościowo, a w 10 badaniach (15%) oceniano ją ilościowo. Spośród 33 badań, w których zastosowano oceny jakościowe, w 16 zastosowano oceny czysto opisowe (48%), w 9 testy/oceny/ankiety (27%), a w 8 skale Likerta (24%). Tabela 3 podsumowuje oceny morfologiczne modeli w każdym uwzględnionym badaniu.
Trzydzieści trzy (48%) artykuły badały i porównywały skuteczność nauczania 3DPAM wśród studentów. Z tych badań, 23 (70%) artykuły oceniały satysfakcję studentów, 17 (51%) wykorzystało skale Likerta, a 6 (18%) wykorzystało inne metody. Dwadzieścia dwa artykuły (67%) oceniały naukę studentów za pomocą testów wiedzy, z czego 10 (30%) wykorzystało testy wstępne i/lub końcowe. Jedenaście badań (33%) wykorzystało pytania wielokrotnego wyboru i testy do oceny wiedzy studentów, a pięć badań (15%) wykorzystało oznaczanie obrazami/identyfikację anatomiczną. W każdym badaniu uczestniczyło średnio 76 studentów (minimum 8, maksimum 319). Dwadzieścia cztery badania (72%) miały grupę kontrolną, z czego 20 (60%) zastosowało randomizację. Natomiast w jednym badaniu (3%) losowo przydzielono modele anatomiczne 10 różnym studentom. Średnio porównano 2,6 grup (minimum 2, maksimum 10). W dwudziestu trzech badaniach (70%) uczestniczyli studenci medycyny, z czego 14 (42%) to studenci pierwszego roku. Sześć (18%) badań objęło rezydentów, 4 (12%) studentów stomatologii i 3 (9%) studentów nauk ścisłych. Sześć badań (18%) wdrożyło i oceniło autonomiczne uczenie się z wykorzystaniem 3DPAM. Tabela 4 podsumowuje wyniki oceny efektywności nauczania z wykorzystaniem 3DPAM dla każdego z uwzględnionych badań.
Głównymi zaletami, o których wspominają autorzy, wynikającymi ze stosowania 3DPAM jako narzędzia dydaktycznego do nauki anatomii człowieka, są cechy wizualne i dotykowe, w tym realizm [55, 67], dokładność [44, 50, 72, 85] i zmienność spójności [34, 45]. , 48, 64], kolor i przezroczystość [28, 45], trwałość [24, 56, 73], efekt edukacyjny [16, 32, 35, 39, 52, 57, 63, 69, 79], koszt [27, 41, 44, 45, 48, 51, 60, 64, 80, 81, 83], powtarzalność [80], możliwość udoskonalenia lub personalizacji [28, 30, 36, 45, 48, 51, 53, 59, 61, 67 , 80], możliwość manipulowania uczniami [30, 49], oszczędność czasu nauczania [61, 80], łatwość przechowywania [61], możliwość integracji anatomii funkcjonalnej lub tworzenia specyficznych struktur [51, 53], 67], szybkie projektowanie modeli szkieletowych [81], możliwość współtworzenia modeli i zabierania ich do domu [49, 60, 71], poprawa zdolności rotacji mentalnej [23] i zapamiętywania wiedzy [32], a także na nauczyciela [25, 63] i zadowolenie uczniów [25, 45, 46, 52, 52, 57, 63, 66, 69, 84].
Główne wady są związane z projektem: sztywność [80], spójność [28, 62], brak szczegółów lub przejrzystości [28, 30, 34, 45, 48, 62, 64, 81], zbyt jaskrawe kolory [45] i kruchość podłogi [71]. Inne wady obejmują utratę informacji [30, 76], długi czas potrzebny na segmentację obrazu [36, 52, 57, 58, 74], czas drukowania [57, 63, 66, 67], brak zmienności anatomicznej [25] i koszt. Wysoki [48].
Niniejszy przegląd systematyczny podsumowuje 68 artykułów opublikowanych w ciągu 9 lat i podkreśla zainteresowanie społeczności naukowej technologią 3DPAM jako narzędziem nauczania anatomii człowieka. Każdy obszar anatomiczny został zbadany i wydrukowany w technologii 3D. Spośród tych artykułów, 37 porównywało technologię 3DPAM z innymi modelami, a 33 artykuły oceniały znaczenie dydaktyczne technologii 3DPAM dla studentów.
Biorąc pod uwagę różnice w projektowaniu badań anatomicznego druku 3D, nie uznaliśmy za stosowne przeprowadzenia metaanalizy. Metaanaliza opublikowana w 2020 r. koncentrowała się głównie na testach wiedzy anatomicznej po szkoleniu, nie analizując aspektów technicznych i technologicznych projektowania i produkcji 3DPAM [10].
Obszar głowy jest najbardziej badany, prawdopodobnie dlatego, że złożoność jego anatomii utrudnia studentom przedstawienie tego obszaru anatomicznego w przestrzeni trójwymiarowej w porównaniu z kończynami lub tułowiem. TK jest zdecydowanie najczęściej stosowaną modalnością obrazowania. Ta technika jest szeroko stosowana, zwłaszcza w warunkach medycznych, ale ma ograniczoną rozdzielczość przestrzenną i niski kontrast tkanek miękkich. Te ograniczenia sprawiają, że tomografia komputerowa nie nadaje się do segmentacji i modelowania układu nerwowego. Z drugiej strony, tomografia komputerowa lepiej nadaje się do segmentacji/modelowania tkanki kostnej; Kontrast kości/tkanek miękkich pomaga wykonać te kroki przed drukowaniem 3D modeli anatomicznych. Z drugiej strony, mikroTK jest uważana za technologię referencyjną pod względem rozdzielczości przestrzennej w obrazowaniu kości [70]. Skanery optyczne lub MRI mogą być również używane do uzyskiwania obrazów. Wyższa rozdzielczość zapobiega wygładzaniu powierzchni kości i zachowuje subtelność struktur anatomicznych [59]. Wybór modelu wpływa również na rozdzielczość przestrzenną: na przykład modele plastyfikacyjne mają niższą rozdzielczość [45]. Projektanci graficzni muszą tworzyć niestandardowe modele 3D, co zwiększa koszty (od 25 do 150 dolarów za godzinę) [43]. Uzyskanie wysokiej jakości plików .STL nie wystarczy do stworzenia wysokiej jakości modeli anatomicznych. Konieczne jest określenie parametrów drukowania, takich jak orientacja modelu anatomicznego na płycie drukarskiej [29]. Niektórzy autorzy sugerują, że zaawansowane technologie drukowania, takie jak SLS, powinny być stosowane wszędzie tam, gdzie to możliwe, w celu poprawy dokładności 3DPAM [38]. Produkcja 3DPAM wymaga profesjonalnego wsparcia; najbardziej poszukiwanymi specjalistami są inżynierowie [72], radiolodzy [75], graficy [43] i anatomowie [25, 28, 51, 57, 76, 77].
Oprogramowanie do segmentacji i modelowania jest ważnym czynnikiem w uzyskiwaniu dokładnych modeli anatomicznych, ale koszt tych pakietów oprogramowania i ich złożoność utrudniają ich wykorzystanie. W kilku badaniach porównano wykorzystanie różnych pakietów oprogramowania i technologii drukowania, podkreślając zalety i wady każdej z nich [68]. Oprócz oprogramowania do modelowania wymagane jest również oprogramowanie do drukowania kompatybilne z wybraną drukarką; niektórzy autorzy preferują korzystanie z drukowania 3D online [75]. Jeśli wydrukowana zostanie wystarczająca liczba obiektów 3D, inwestycja może przynieść zwrot finansowy [72].
Plastik jest zdecydowanie najczęściej używanym materiałem. Jego szeroka gama tekstur i kolorów sprawia, że jest to materiał z wyboru dla 3DPAM. Niektórzy autorzy chwalą jego wysoką wytrzymałość w porównaniu z tradycyjnymi modelami zwłok lub modelami plastynowanymi [24, 56, 73]. Niektóre tworzywa sztuczne mają nawet właściwości zginania lub rozciągania. Na przykład Filaflex w technologii FDM może rozciągać się nawet o 700%. Niektórzy autorzy uważają go za materiał z wyboru do replikacji mięśni, ścięgien i więzadeł [63]. Z drugiej strony, dwa badania podniosły kwestie dotyczące orientacji włókien podczas drukowania. W rzeczywistości orientacja włókien mięśniowych, ich przyczep, unerwienie i funkcja mają kluczowe znaczenie w modelowaniu mięśni [33].
Co zaskakujące, niewiele badań wspomina o skali druku. Ponieważ wiele osób uważa proporcje 1:1 za standardowe, autor mógł zdecydować się na pominięcie tej kwestii. Chociaż skalowanie byłoby przydatne w przypadku ukierunkowanego nauczania w dużych grupach, wykonalność skalowania nie została jeszcze zbadana, zwłaszcza biorąc pod uwagę rosnącą liczebność klas i istotny wpływ rozmiaru modelu. Oczywiście, skale pełnowymiarowe ułatwiają lokalizację i przekazanie pacjentowi różnych elementów anatomicznych, co może wyjaśniać, dlaczego są często używane.
Spośród wielu drukarek dostępnych na rynku, te, które wykorzystują technologię PolyJet (materiał lub spoiwo atramentowe) do zapewnienia druku kolorowego i wielowarstwowego (a zatem wieloteksturowego) o wysokiej rozdzielczości kosztują od 20 000 do 250 000 USD (https://www.aniwaa.com/). Tak wysoki koszt może ograniczyć promocję 3DPAM w szkołach medycznych. Oprócz kosztu drukarki, koszt materiałów wymaganych do druku atramentowego jest wyższy niż w przypadku drukarek SLA lub FDM [68]. Ceny drukarek SLA lub FDM są również bardziej przystępne, wahając się od 576 do 4999 EUR w artykułach wymienionych w tym przeglądzie. Według Tripodi i współpracowników każdą część szkieletu można wydrukować za 1,25 USD [47]. Jedenaście badań wykazało, że drukowanie 3D jest tańsze niż plastyfikacja lub modele komercyjne [24, 27, 41, 44, 45, 48, 51, 60, 63, 80, 81, 83]. Co więcej, te modele komercyjne są zaprojektowane tak, aby dostarczać informacji o pacjencie bez wystarczającej ilości szczegółów do nauczania anatomii [80]. Te modele komercyjne są uważane za gorsze od 3DPAM [44]. Warto zauważyć, że oprócz zastosowanej technologii drukowania, ostateczny koszt jest proporcjonalny do skali, a zatem do ostatecznego rozmiaru 3DPAM [48]. Z tych powodów preferowana jest skala pełnowymiarowa [37].
Tylko jedno badanie porównywało 3DPAM z komercyjnie dostępnymi modelami anatomicznymi [72]. Próbki zwłok są najczęściej używanym komparatorem dla 3DPAM. Pomimo swoich ograniczeń, modele zwłok pozostają cennym narzędziem w nauczaniu anatomii. Należy dokonać rozróżnienia między autopsją, dysekcją i suchą kością. Na podstawie testów szkoleniowych dwa badania wykazały, że 3DPAM było istotnie bardziej skuteczne niż dysekcja plastynowana [16, 27]. W jednym badaniu porównywano godzinę szkolenia z wykorzystaniem 3DPAM (kończyna dolna) z godzinną dysekcją tego samego obszaru anatomicznego [78]. Nie było istotnych różnic między tymi dwiema metodami nauczania. Jest prawdopodobne, że istnieje niewiele badań na ten temat, ponieważ takie porównania są trudne do przeprowadzenia. Dysekcja jest czasochłonnym przygotowaniem dla studentów. Czasami wymagane są dziesiątki godzin przygotowań, w zależności od tego, co jest przygotowywane. Trzecie porównanie można przeprowadzić z suchymi kośćmi. Badanie przeprowadzone przez Tsai i Smith wykazało, że wyniki testów były istotnie lepsze w grupie stosującej 3DPAM [51, 63]. Chen i współpracownicy zauważyli, że studenci korzystający z modeli 3D uzyskali lepsze wyniki w identyfikowaniu struktur (czaszek), ale nie było różnicy w wynikach MCQ [69]. Wreszcie, Tanner i współpracownicy wykazali lepsze wyniki testu posttestowego w tej grupie, używając 3DPAM dołu skrzydłowo-podniebiennego [46]. W tym przeglądzie literatury zidentyfikowano inne nowe narzędzia dydaktyczne. Najczęstszymi z nich są rzeczywistość rozszerzona, rzeczywistość wirtualna i gry poważne [43]. Według Mahrousa i współpracowników, preferencja dla modeli anatomicznych zależy od liczby godzin, jakie uczniowie spędzają grając w gry wideo [31]. Z drugiej strony, główną wadą nowych narzędzi do nauczania anatomii jest sprzężenie zwrotne dotykowe, szczególnie w przypadku narzędzi czysto wirtualnych [48].
Większość badań oceniających nowy 3DPAM wykorzystała wstępne testy wiedzy. Te wstępne testy pomagają uniknąć stronniczości w ocenie. Niektórzy autorzy, przed przeprowadzeniem badań eksperymentalnych, wykluczają wszystkich studentów, którzy uzyskali wyniki powyżej średniej w teście wstępnym [40]. Wśród stronniczości, o których wspomnieli Garas i współpracownicy, znalazły się kolor modelu i dobór ochotników do klasy studenckiej [61]. Barwienie ułatwia identyfikację struktur anatomicznych. Chen i współpracownicy ustalili ścisłe warunki eksperymentalne bez początkowych różnic między grupami, a badanie było w maksymalnym możliwym stopniu zaślepione [69]. Lim i współpracownicy zalecają, aby ocena po teście była przeprowadzana przez osobę trzecią, aby uniknąć stronniczości w ocenie [16]. W niektórych badaniach wykorzystano skale Likerta do oceny wykonalności 3DPAM. Narzędzie to nadaje się do oceny satysfakcji, ale nadal istnieją istotne stronniczości, których należy być świadomym [86].
Znaczenie edukacyjne 3DPAM oceniano przede wszystkim wśród studentów medycyny, w tym studentów pierwszego roku medycyny, w 14 z 33 badań. W swoim badaniu pilotażowym Wilk i współpracownicy podali, że studenci medycyny uważali, że druk 3D powinien być uwzględniony w ich nauce anatomii [87]. 87% studentów ankietowanych w badaniu Cercenelli uważało, że drugi rok studiów to najlepszy czas na wykorzystanie 3DPAM [84]. Wyniki Tannera i współpracowników pokazały również, że studenci osiągali lepsze wyniki, jeśli nigdy nie studiowali w tej dziedzinie [46]. Dane te sugerują, że pierwszy rok studiów medycznych to optymalny czas na włączenie 3DPAM do nauczania anatomii. Metaanaliza Ye'a potwierdziła tę tezę [18]. W 27 artykułach uwzględnionych w badaniu stwierdzono istotne różnice w wynikach testów między 3DPAM a tradycyjnymi modelami dla studentów medycyny, ale nie dla rezydentów.
3DPAM jako narzędzie edukacyjne poprawia osiągnięcia akademickie [16, 35, 39, 52, 57, 63, 69, 79], długoterminowe zatrzymywanie wiedzy [32] i zadowolenie studentów [25, 45, 46, 52, 57, 63, 66]. , 69 , 84]. Panele ekspertów również uznały te modele za przydatne [37, 42, 49, 81, 82], a dwa badania wykazały zadowolenie nauczycieli z 3DPAM [25, 63]. Ze wszystkich źródeł Backhouse i współpracownicy uważają druk 3D za najlepszą alternatywę dla tradycyjnych modeli anatomicznych [49]. W swojej pierwszej metaanalizie Ye i współpracownicy potwierdzili, że studenci, którzy otrzymali instrukcje 3DPAM, mieli lepsze wyniki po teście niż studenci, którzy otrzymali instrukcje 2D lub na zwłokach [10]. Jednak zróżnicowali 3DPAM nie ze względu na złożoność, ale po prostu na serce, układ nerwowy i jamę brzuszną. W siedmiu badaniach 3DPAM nie przewyższył innych modeli w oparciu o testy wiedzy przeprowadzone wśród studentów [32, 66, 69, 77, 78, 84]. W swojej metaanalizie Salazar i współpracownicy doszli do wniosku, że wykorzystanie 3DPAM poprawia zrozumienie złożonej anatomii [17]. Koncepcja ta jest zgodna z listem Hitasa do redakcji [88]. Niektóre obszary anatomiczne uważane za mniej złożone nie wymagają zastosowania 3DPAM, podczas gdy bardziej złożone obszary anatomiczne (takie jak szyja lub układ nerwowy) byłyby logicznym wyborem dla 3DPAM. Koncepcja ta może wyjaśniać, dlaczego niektóre modele 3DPAM nie są uważane za lepsze od tradycyjnych modeli, zwłaszcza gdy studentom brakuje wiedzy w dziedzinie, w której wydajność modelu jest lepsza. Zatem prezentowanie prostego modelu studentom, którzy już mają pewną wiedzę na dany temat (studenci medycyny lub rezydenci), nie pomaga w poprawie wyników studentów.
Spośród wszystkich wymienionych korzyści edukacyjnych, 11 badań podkreśliło wizualne lub dotykowe właściwości modeli [27,34,44,45,48,50,55,63,67,72,85], a 3 badania poprawiły wytrzymałość i trwałość (33, 50 -52, 63, 79, 85, 86). Inne zalety to to, że uczniowie mogą manipulować strukturami, nauczyciele mogą zaoszczędzić czas, są łatwiejsze do zachowania niż zwłoki, projekt można ukończyć w ciągu 24 godzin, może być używany jako narzędzie do edukacji domowej i może być używany do nauczania dużych ilości informacji. grupy [30, 49, 60, 61, 80, 81]. Wielokrotne drukowanie 3D do nauczania anatomii w dużych ilościach sprawia, że modele drukowania 3D są bardziej opłacalne [26]. Zastosowanie 3DPAM może poprawić zdolności rotacji mentalnej [23] i poprawić interpretację obrazów przekrojowych [23, 32]. W dwóch badaniach stwierdzono, że studenci narażeni na działanie 3DPAM częściej poddawali się zabiegom chirurgicznym [40, 74]. Można wbudować metalowe łączniki, aby uzyskać ruch niezbędny do nauki anatomii funkcjonalnej [51, 53], lub wydrukować modele przy użyciu konstrukcji wyzwalających [67].
Drukowanie 3D umożliwia tworzenie regulowanych modeli anatomicznych poprzez poprawę pewnych aspektów na etapie modelowania, [48, 80], tworzenie odpowiedniej bazy, [59] łączenie wielu modeli, [36] używanie przezroczystości, (49) koloru, [45] lub uwidacznianie pewnych struktur wewnętrznych [30]. Tripodi i współpracownicy użyli gliny rzeźbiarskiej do uzupełnienia swoich drukowanych w 3D modeli kości, podkreślając wartość współtworzonych modeli jako narzędzi dydaktycznych [47]. W 9 badaniach kolor został zastosowany po wydrukowaniu [43, 46, 49, 54, 58, 59, 65, 69, 75], ale studenci zastosowali go tylko raz [49]. Niestety, badanie nie oceniało jakości szkolenia modelu ani kolejności szkoleń. Należy to rozważyć w kontekście edukacji anatomicznej, ponieważ korzyści płynące z mieszanego uczenia się i współtworzenia są dobrze udokumentowane [89]. Aby sprostać rosnącej aktywności reklamowej, w celu oceny modeli wielokrotnie stosowano metodę samouczenia [24, 26, 27, 32, 46, 69, 82].
Jedno z badań wykazało, że kolor materiału plastikowego jest zbyt jasny[45], inne badanie wykazało, że model jest zbyt delikatny[71], a dwa inne badania wskazały na brak zmienności anatomicznej w projektowaniu poszczególnych modeli[25, 45]. Siedem badań wykazało, że szczegółowość anatomiczna 3DPAM jest niewystarczająca [28, 34, 45, 48, 62, 63, 81].
W przypadku bardziej szczegółowych modeli anatomicznych dużych i złożonych regionów, takich jak przestrzeń zaotrzewnowa lub kręgosłup szyjny, czas segmentacji i modelowania jest uważany za bardzo długi, a koszty są bardzo wysokie (około 2000 USD) [27, 48]. Hojo i współpracownicy stwierdzili w swoim badaniu, że stworzenie anatomicznego modelu miednicy zajęło 40 godzin [42]. Najdłuższy czas segmentacji wyniósł 380 godzin w badaniu przeprowadzonym przez Weatherall i współpracowników, w którym połączono wiele modeli w celu stworzenia kompletnego modelu dróg oddechowych u dzieci [36]. W dziewięciu badaniach segmentacja i czas drukowania uznano za wady [36, 42, 57, 58, 74]. Jednak 12 badań skrytykowało właściwości fizyczne ich modeli, w szczególności ich spójność [28, 62], brak przejrzystości [30], kruchość i monochromatyczność [71], brak tkanek miękkich [66] lub brak szczegółów [28, 34]. , 45, 48, 62, 63, 81]. Te niedogodności można przezwyciężyć, wydłużając czas segmentacji lub symulacji. Utrata i odzyskiwanie istotnych informacji stanowiło problem, z którym borykały się trzy zespoły [30, 74, 77]. Według raportów pacjentów, jodowe środki kontrastowe nie zapewniały optymalnej widoczności naczyń ze względu na ograniczenia dawkowania [74]. Wstrzyknięcie do modelu zwłok wydaje się idealną metodą, która odchodzi od zasady „jak najmniej” i ograniczeń dawki wstrzykiwanego środka kontrastowego.
Niestety, wiele artykułów nie wspomina o kluczowych cechach technologii 3DPAM. Mniej niż połowa artykułów wyraźnie określa, czy ich 3DPAM jest barwiony. Zakres druku był niejednolity (43% artykułów), a tylko 34% wspomniało o wykorzystaniu wielu mediów. Te parametry drukowania są kluczowe, ponieważ wpływają na właściwości uczenia się technologii 3DPAM. Większość artykułów nie zawiera wystarczających informacji na temat złożoności procesu uzyskiwania 3DPAM (czas projektowania, kwalifikacje personelu, koszty oprogramowania, koszty druku itp.). Informacje te są kluczowe i należy je uwzględnić przed rozpoczęciem projektu opracowania nowej technologii 3DPAM.
Niniejszy przegląd systematyczny pokazuje, że projektowanie i drukowanie 3D normalnych modeli anatomicznych jest wykonalne przy niskich kosztach, szczególnie przy użyciu drukarek FDM lub SLA i niedrogich jednokolorowych materiałów plastikowych. Jednakże, te podstawowe projekty mogą być ulepszone poprzez dodanie koloru lub dodanie projektów z różnych materiałów. Bardziej realistyczne modele (drukowane przy użyciu wielu materiałów o różnych kolorach i fakturach, aby wiernie odtworzyć właściwości dotykowe modelu referencyjnego zwłok) wymagają droższych technologii druku 3D i dłuższego czasu projektowania. To znacznie zwiększy całkowity koszt. Niezależnie od wybranego procesu drukowania, wybór odpowiedniej metody obrazowania jest kluczem do sukcesu 3DPAM. Im wyższa rozdzielczość przestrzenna, tym bardziej realistyczny staje się model i może być używany do zaawansowanych badań. Z pedagogicznego punktu widzenia 3DPAM jest skutecznym narzędziem do nauczania anatomii, o czym świadczą testy wiedzy przeprowadzane wśród studentów i ich zadowolenie. Efekt nauczania 3DPAM jest najlepszy, gdy odtwarza złożone obszary anatomiczne, a studenci wykorzystują go na wczesnym etapie swojego szkolenia medycznego.
Zestawy danych wygenerowane i/lub analizowane w ramach niniejszego badania nie są publicznie dostępne ze względu na bariery językowe, ale można je uzyskać u autora korespondencyjnego na uzasadnione żądanie.
Drake RL, Lowry DJ, Pruitt CM. Przegląd kursów anatomii makroskopowej, mikroanatomii, neurobiologii i embriologii w programach nauczania amerykańskich uczelni medycznych. Anat Rec. 2002;269(2):118-22.
Ghosh SK Sekcja zwłok jako narzędzie edukacyjne w naukach anatomicznych XXI wieku: Sekcja jako narzędzie edukacyjne. Analiza edukacji naukowej. 2017;10(3):286–99.
Czas publikacji: 09-04-2024