Kolmiulotteiset painetut anatomiset mallit (3DPAM) näyttävät olevan sopiva työkalu niiden koulutuksellisen arvon ja toteutettavuuden vuoksi. Tämän katsauksen tarkoituksena on kuvata ja analysoida menetelmiä, joita käytetään 3DPAM-mallien luomiseen ihmisen anatomian opetuksessa, ja arvioida niiden pedagogista panosta.
PubMed-tietokannassa tehtiin sähköinen haku käyttäen seuraavia termejä: koulutus, koulu, oppiminen, opettaminen, koulutus, opetus, kolmiulotteinen, 3D, 3-ulotteinen, tulostaminen, tulostaminen, tulostaminen, anatomia, anatomia ja anatomia. Tuloksiin sisältyivät tutkimuksen ominaisuudet, mallin suunnittelu, morfologinen arviointi, koulumenestys sekä vahvuudet ja heikkoudet.
Valituista 68 artikkelista suurin osa tutkimuksista keskittyi kallon alueeseen (33 artikkelia); 51 artikkelissa mainitaan luupainatus. 47 artikkelissa kehitettiin 3DPAM tietokonetomografiaan perustuen. Viisi painoprosessia on lueteltu. Muoveja ja niiden johdannaisia käytettiin 48 tutkimuksessa. Kunkin mallin hinta vaihtelee 1,25 dollarista 2 800 dollariin. 37 tutkimuksessa verrattiin 3DPAM:ia referenssimalleihin. 33 artikkelissa tarkasteltiin koulutustoimintaa. Tärkeimmät hyödyt ovat visuaalinen ja tuntoinen laatu, oppimisen tehokkuus, toistettavuus, muokattavuus ja ketteryys, ajansäästö, toiminnallisen anatomian integrointi, paremmat mielessäpito-ominaisuudet, tiedon muistaminen sekä opettajan/oppilaan tyytyväisyys. Tärkeimmät haitat liittyvät suunnitteluun: johdonmukaisuus, yksityiskohtien tai läpinäkyvyyden puute, liian kirkkaat värit, pitkät tulostusajat ja korkeat kustannukset.
Tämä systemaattinen katsaus osoittaa, että 3DPAM on kustannustehokas ja tehokas anatomian opetuksessa. Realistisempien mallien luominen vaatii kalliimpien 3D-tulostustekniikoiden käyttöä ja pidempiä suunnitteluaikoja, mikä lisää merkittävästi kokonaiskustannuksia. Ratkaisevaa on valita sopiva kuvantamismenetelmä. Pedagogisesta näkökulmasta 3DPAM on tehokas työkalu anatomian opetukseen, jolla on positiivinen vaikutus oppimistuloksiin ja opiskelijatyytyväisyyteen. 3DPAM:n opetusvaikutus on paras, kun se toistaa monimutkaisia anatomisia alueita ja opiskelijat käyttävät sitä lääketieteellisen koulutuksensa alkuvaiheessa.
Eläinten ruhojen dissektioita on tehty antiikin Kreikasta lähtien, ja se on yksi anatomian opetusmenetelmistä. Käytännön harjoittelun aikana suoritettavia ruumiin dissektioita käytetään yliopistojen lääketieteen opiskelijoiden teoreettisessa opetussuunnitelmassa, ja niitä pidetään tällä hetkellä anatomian tutkimuksen kultaisena standardina [1,2,3,4,5]. Ihmisistä peräisin olevien ruumiiden käytölle on kuitenkin monia esteitä, jotka kannustavat uusien koulutustyökalujen etsimiseen [6, 7]. Joitakin näistä uusista työkaluista ovat lisätty todellisuus, digitaaliset työkalut ja 3D-tulostus. Santos et al.:n äskettäisen kirjallisuuskatsauksen mukaan [8] näiden uusien teknologioiden arvon kannalta anatomian opetuksessa 3D-tulostus näyttää olevan yksi tärkeimmistä resursseista sekä opiskelijoiden koulutusarvon että toteutuksen toteutettavuuden kannalta [4,9,10].
3D-tulostus ei ole uusi ilmiö. Ensimmäiset tähän teknologiaan liittyvät patentit ovat peräisin vuodelta 1984: A. Le Méhauté, O. De Witte ja J. C. André Ranskassa ja kolme viikkoa myöhemmin C. Hull Yhdysvalloissa. Siitä lähtien teknologia on kehittynyt jatkuvasti ja sen käyttö on laajentunut monille alueille. Esimerkiksi NASA tulosti ensimmäisen Maan ulkopuolisen objektin vuonna 2014 [11]. Myös lääketieteen ala on ottanut käyttöön tämän uuden työkalun, mikä on lisännyt halua kehittää yksilöllistä lääketiedettä [12].
Monet kirjoittajat ovat osoittaneet 3D-tulostettujen anatomisten mallien (3DPAM) käytön hyödyt lääketieteellisessä koulutuksessa [10, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]. Ihmisen anatomian opetuksessa tarvitaan sekä ei-patologisia että anatomisesti normaaleja malleja. Joissakin katsauksissa on tarkasteltu patologisia tai lääketieteellisiä/kirurgisia koulutusmalleja [8, 20, 21]. Kehittääksemme ihmisen anatomian opetukseen hybridimallin, joka sisältää uusia työkaluja, kuten 3D-tulostuksen, teimme systemaattisen katsauksen kuvaillaksemme ja analysoidaksemme, miten 3D-tulostettuja objekteja luodaan ihmisen anatomian opetukseen ja miten opiskelijat arvioivat näiden 3D-objektien avulla oppimisen tehokkuutta.
Tämä systemaattinen kirjallisuuskatsaus tehtiin kesäkuussa 2022 ilman aikarajoituksia PRISMA-ohjeita (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses) [22] käyttäen.
Sisäänottokriteereinä olivat kaikki anatomian opetuksessa/oppimisessa 3DPAM-menetelmää käyttävät tutkimuspaperit. Kirjallisuuskatsaukset, kirjeet tai artikkelit, jotka keskittyivät patologisiin malleihin, eläinmalleihin, arkeologisiin malleihin ja lääketieteellisiin/kirurgisiin koulutusmalleihin, suljettiin pois. Vain englanniksi julkaistut artikkelit valittiin. Artikkelit, joista ei ollut saatavilla verkkoabstrakteja, suljettiin pois. Mukana olivat artikkelit, jotka sisälsivät useita malleja, joista ainakin yksi oli anatomisesti normaali tai jolla oli lievä patologia, joka ei vaikuttanut opetusarvoon.
Kirjallisuushaku tehtiin sähköisessä PubMed-tietokannassa (National Library of Medicine, NCBI) kesäkuuhun 2022 mennessä julkaistujen asiaankuuluvien tutkimusten löytämiseksi. Käytä seuraavia hakusanoja: koulutus, koulu, opetus, opetus, oppiminen, opetus, koulutus, kolmiulotteinen, 3D, 3D, tulostus, tulostus, anatomia, anatomia ja anatomia. Suoritettiin yksi kysely: (((education[Title/Abstract] TAI school[Title/Abstract] TAIlearning[Title/Abstract] TAI teaching[Title/Abstract] TAI training[Title/Abstract] ORreach[Title/Abstract] ] TAI Education [Title/Abstract]) AND (Three Dimensions [Title] TAI 3D [Title] TAI 3D [Title])) AND (Print [Title] OR Print [Title] OR Print [Title])) AND (Anatomia) [Title] ]/abstract] tai anatomy [title/abstract] tai anatomy [title/abstract] tai anatomy [title/abstract]). Lisäartikkeleita tunnistettiin hakemalla manuaalisesti PubMed-tietokannasta ja tarkastelemalla muiden tieteellisten artikkelien viitteitä. Päivämäärärajoituksia ei käytetty, mutta käytettiin ”Person”-suodatinta.
Kaksi kirjoittajaa (EBR ja AL) seuloi kaikki haetut otsikot ja tiivistelmät sisäänotto- ja poissulkukriteerejä vasten, ja kaikki tutkimukset, jotka eivät täyttäneet kaikkia kelpoisuuskriteerejä, suljettiin pois. Jäljellä olevien tutkimusten kokotekstijulkaisut haki ja tarkisti kolme kirjoittajaa (EBR, EBE ja AL). Tarvittaessa artikkelien valinnassa syntyneet erimielisyydet ratkaisi neljäs henkilö (LT). Tähän katsaukseen sisällytettiin julkaisut, jotka täyttivät kaikki sisäänottokriteerit.
Kaksi kirjoittajaa (EBR ja AL) suorittivat tiedonkeruun itsenäisesti kolmannen kirjoittajan (LT) valvonnassa.
- Mallin suunnittelutiedot: anatomiset alueet, tietyt anatomiset osat, alkuperäinen malli 3D-tulostusta varten, tiedonkeruumenetelmä, segmentointi- ja mallinnusohjelmisto, 3D-tulostimen tyyppi, materiaalin tyyppi ja määrä, tulostusmittakaava, väri, tulostuskustannukset.
- Mallien morfologinen arviointi: vertailussa käytetyt mallit, asiantuntijoiden/opettajien lääketieteellinen arviointi, arvioijien lukumäärä, arvioinnin tyyppi.
- Opetusmallin 3D-malli: opiskelijoiden tiedon arviointi, arviointimenetelmä, opiskelijoiden lukumäärä, vertailuryhmien lukumäärä, opiskelijoiden satunnaistaminen, koulutus/opiskelijatyyppi.
MEDLINE-tietokannassa tunnistettiin 418 tutkimusta, ja ”ihmis”-suodatin sulki pois 139 artikkelia. Otsikoiden ja tiivistelmien tarkastelun jälkeen kokotekstilukemiseen valittiin 103 tutkimusta. 34 artikkelia suljettiin pois, koska ne olivat joko patologisia malleja (9 artikkelia), lääketieteellisiä/kirurgisia koulutusmalleja (4 artikkelia), eläinmalleja (4 artikkelia), 3D-radiologisia malleja (1 artikkeli) tai eivät olleet alkuperäisiä tieteellisiä artikkeleita (16 lukua). Katsaukseen sisällytettiin yhteensä 68 artikkelia. Kuva 1 esittää valintaprosessin vuokaaviona.
Vuokaavio, joka tiivistää artikkelien tunnistamisen, seulonnan ja sisällyttämisen tähän systemaattiseen katsaukseen
Kaikki tutkimukset julkaistiin vuosien 2014 ja 2022 välillä, ja keskimääräinen julkaisuvuosi oli 2019. Mukana olleista 68 artikkelista 33 (49 %) oli kuvailevia ja kokeellisia, 17 (25 %) oli puhtaasti kokeellisia ja 18 (26 %) oli kokeellisia. Puhtaasti kuvailevia. 50:stä (73 %) kokeellisesta tutkimuksesta 21 (31 %) käytti satunnaistamista. Vain 34 tutkimuksessa (50 %) oli mukana tilastollisia analyysejä. Taulukossa 1 on yhteenveto kunkin tutkimuksen ominaispiirteistä.
Pään aluetta tarkasteli 33 artikkelia (48 %), rintakehää 19 artikkelia (28 %), vatsaonteloaluetta 17 artikkelia (25 %) ja raajoja 15 artikkelia (22 %). Viisikymmentäyksi artikkelia (75 %) mainitsi 3D-tulostetut luut anatomisina malleina tai monileikeisinä anatomisina malleina.
3DPAM-kehityksessä käytettyjen lähdemallien tai -tiedostojen osalta 23 artikkelissa (34 %) mainittiin potilastietojen käyttö, 20 artikkelissa (29 %) ruumiinavaustietojen käyttö ja 17 artikkelissa (25 %) tietokantojen käyttö. 7 tutkimuksessa (10 %) ei paljastanut käytettyjen asiakirjojen lähdettä.
47 tutkimuksessa (69 %) kehitettiin tietokonetomografiaan perustuva 3DPAM, ja 3 tutkimuksessa (4 %) raportoitiin mikroTT:n käytöstä. 7 artikkelissa (10 %) projisoitiin 3D-objekteja optisilla skannereilla, 4 artikkelissa (6 %) magneettikuvauksella ja 1 artikkelissa (1 %) kameroilla ja mikroskoopeilla. 14 artikkelissa (21 %) ei mainittu 3D-mallin suunnittelun lähdetiedostojen lähdettä. 3D-tiedostot luodaan keskimääräisellä spatiaalisella resoluutiolla, joka on alle 0,5 mm. Optimaalinen resoluutio on 30 μm [80] ja suurin resoluutio on 1,5 mm [32].
Käytettiin kuuttakymmentä erilaista ohjelmistosovellusta (segmentointiin, mallinnukseen, suunnitteluun tai tulostukseen). Mimicsiä (Materialise, Leuven, Belgia) käytettiin useimmin (14 tutkimusta, 21 %), jota seurasivat MeshMixer (Autodesk, San Rafael, CA) (13 tutkimusta, 19 %), Geomagic (3D System, MO, NC, Leesville) (10 tutkimusta, 15 %), 3D Slicer (Slicer Developer Training, Boston, MA) (9 tutkimusta, 13 %), Blender (Blender Foundation, Amsterdam, Alankomaat) (8 tutkimusta, 12 %) ja CURA (Geldemarsen, Alankomaat) (7 tutkimusta, 10 %).
Mainitaan 67 erilaista tulostinmallia ja viisi painoprosessia. FDM-teknologiaa (Fused Deposition Modeling) käytettiin 26 tuotteessa (38 %), materiaalisuihkupuhdistusta 13 tuotteessa (19 %) ja lopuksi sideainesuihkupuhdistusta (11 tuotetta, 16 %). Vähiten käytetyt teknologiat ovat stereolitografia (SLA) (5 artikkelia, 7 %) ja selektiivinen lasersintraus (SLS) (4 artikkelia, 6 %). Yleisimmin käytetty tulostin (7 artikkelia, 10 %) on Connex 500 (Stratasys, Rehovot, Israel) [27, 30, 32, 36, 45, 62, 65].
Määritellessään 3DPAM-materiaalien valmistusta (51 artikkelia, 75 %), 48 tutkimuksessa (71 %) käytettiin muoveja ja niiden johdannaisia. Pääasialliset käytetyt materiaalit olivat PLA (polymaitohappo) (n = 20, 29 %), hartsi (n = 9, 13 %) ja ABS (akrylonitriilibutadieenistyreeni) (7 tyyppiä, 10 %). 23 artikkelissa (34 %) tutkittiin useista materiaaleista valmistettuja 3DPAM-materiaaleja, 36 artikkelissa (53 %) esiteltiin vain yhdestä materiaalista valmistettuja 3DPAM-materiaaleja, ja 9 artikkelissa (13 %) ei määritelty materiaalia.
Kaksikymmentäyhdeksän artikkelia (43 %) ilmoitti painatussuhteiden vaihteleviksi välillä 0,25:1–2:1, keskimäärin 1:1. Kaksikymmentäviisi artikkelia (37 %) käytti suhdetta 1:1. 28 3DPAM-mallia (41 %) koostui useista väreistä, ja 9 (13 %) värjättiin painatuksen jälkeen [43, 46, 49, 54, 58, 59, 65, 69, 75].
Kolmessakymmenessäneljässä artikkelissa (50 %) mainittiin kustannukset. Yhdeksässä artikkelissa (13 %) mainittiin 3D-tulostimien ja raaka-aineiden kustannukset. Tulostimien hinta vaihtelee 302 dollarista 65 000 dollariin. Mallien hinnat vaihtelevat 1,25 dollarista 2 800 dollariin; nämä ääripäät vastaavat luurankonäytteitä [47] ja korkean tarkkuuden retroperitoneaalisia malleja [48]. Taulukossa 2 on yhteenveto kunkin mukaan otetun tutkimuksen mallitiedoista.
Kolmessakymmenessäseitsemässä tutkimuksessa (54 %) verrattiin 3-DAPM-mallia referenssimalliin. Näistä tutkimuksista yleisin vertailukohde oli anatominen referenssimalli, jota käytettiin 14 artikkelissa (38 %), plastinoituja preparaatteja 6 artikkelissa (16 %) ja plastinoituja preparaatteja 6 artikkelissa (16 %). Virtuaalitodellisuuden käyttö, tietokonetomografiakuvaus yhdessä 3DPAM-mallissa 5 artikkelissa (14 %), toinen 3DPAM-malli 3 artikkelissa (8 %), vakavat pelit 1 artikkelissa (3 %), röntgenkuvat 1 artikkelissa (3 %), liiketoimintamallit 1 artikkelissa (3 %) ja lisätty todellisuus 1 artikkelissa (3 %). Kolmessakymmenessäneljässä (50 %) tutkimuksessa arvioitiin 3DPAM-mallia. Viidessätoista (48 %) tutkimuksessa kuvattiin arvioijien kokemuksia yksityiskohtaisesti (taulukko 3). 3DPAM-mallin suorittivat kirurgit tai hoitavat lääkärit 7 tutkimuksessa (47 %), anatomian asiantuntijat 6 tutkimuksessa (40 %), opiskelijat 3 tutkimuksessa (20 %), opettajat (tieteenalaa ei määritelty) 3 tutkimuksessa (20 %) arviointia varten ja yksi arvioija lisää artikkelissa (7 %). Arvioijien keskimääräinen lukumäärä on 14 (vähintään 2, enintään 30). Kolmekymmentäkolme tutkimusta (49 %) arvioi 3DPAM-morfologiaa kvalitatiivisesti ja 10 tutkimusta (15 %) kvantitatiivisesti. Niistä 33 tutkimuksesta, joissa käytettiin kvalitatiivisia arviointeja, 16:ssa käytettiin puhtaasti kuvailevia arviointeja (48 %), 9:ssä testejä/arviointeja/kyselyitä (27 %) ja 8:ssa Likert-asteikkoja (24 %). Taulukossa 3 on yhteenveto mallien morfologisista arvioinneista kussakin tutkimuksessa.
Kolmekymmentäkolmessa (48 %) artikkelissa tarkasteltiin ja vertailtiin 3DPAM-opetuksen tehokkuutta opiskelijoille. Näistä tutkimuksista 23 (70 %) artikkelia arvioi opiskelijoiden tyytyväisyyttä, 17 (51 %) käytti Likert-asteikkoja ja 6 (18 %) muita menetelmiä. Kaksikymmentäkaksi artikkelia (67 %) arvioi opiskelijoiden oppimista tietotestien avulla, joista 10 (30 %) käytti alku- ja/tai jälkitestejä. Yksitoista tutkimusta (33 %) käytti monivalintakysymyksiä ja testejä opiskelijoiden tiedon arvioimiseksi, ja viisi tutkimusta (15 %) käytti kuvamerkintöjä/anatomista tunnistamista. Keskimäärin 76 opiskelijaa osallistui jokaiseen tutkimukseen (vähintään 8, enintään 319). Kahdessakymmenessäneljässä tutkimuksessa (72 %) oli kontrolliryhmä, joista 20 (60 %) käytti satunnaistamista. Sitä vastoin yhdessä tutkimuksessa (3 %) anatomiset mallit jaettiin satunnaisesti 10 eri opiskelijalle. Keskimäärin verrattiin 2,6 ryhmää (vähintään 2, enintään 10). Lääketieteen opiskelijoita osallistui 23 tutkimukseen (70 %), joista 14 (42 %) oli ensimmäisen vuoden lääketieteen opiskelijoita. Kuudessa (18 %) tutkimuksessa oli mukana erikoistuvia lääkäreitä, 4 (12 %) hammaslääketieteen opiskelijoita ja 3 (9 %) luonnontieteiden opiskelijoita. Kuudessa tutkimuksessa (18 %) toteutettiin ja arvioitiin itsenäistä oppimista 3DPAM-ohjelmistolla. Taulukossa 4 on yhteenveto 3DPAM-opetuksen tehokkuusarvioinnin tuloksista kussakin tutkimuksessa.
Kirjoittajien raportoimat tärkeimmät edut 3DPAM:n käytössä normaalin ihmisen anatomian opetusvälineenä ovat visuaaliset ja taktiiliset ominaisuudet, mukaan lukien realismi [55, 67], tarkkuus [44, 50, 72, 85] ja yhdenmukaisuuden vaihtelu [34, 45]. , 48, 64], väri ja läpinäkyvyys [28, 45], kestävyys [24, 56, 73], koulutusvaikutus [16, 32, 35, 39, 52, 57, 63, 69, 79], kustannukset [27, 41, 44, 45, 48, 51, 60, 64, 80, 81, 83], toistettavuus [80], parantamisen tai personoinnin mahdollisuus [28, 30, 36, 45, 48, 51, 53, 59, 61, 67, 80], kyky manipuloida oppilaita [30, 49], opetusajan säästäminen [61, 80], säilytyksen helppous [61], kyky integroida toiminnallista anatomiaa tai luoda erityisiä rakenteita [51, 53], 67], luuston nopea suunnittelu mallit [81], kyky yhteisluoda malleja ja viedä ne kotiin [49, 60, 71], parantaa ajatusten kiertotaitoja [23] ja tiedon muistamista [32], sekä opettajaan [25, 63] ja opiskelijoiden tyytyväisyyteen [25, 45, 46, 52, 52, 57, 63, 66, 69, 84].
Pääasialliset haitat liittyvät suunnitteluun: jäykkyys [80], yhdenmukaisuus [28, 62], yksityiskohtien tai läpinäkyvyyden puute [28, 30, 34, 45, 48, 62, 64, 81], liian kirkkaat värit [45] ja lattian hauraus [71]. Muita haittoja ovat tiedon menetys [30, 76], kuvan segmentointiin kuluva pitkä aika [36, 52, 57, 58, 74], tulostusaika [57, 63, 66, 67], anatomisen vaihtelevuuden puute [25] ja korkeat kustannukset [48].
Tämä systemaattinen katsaus yhteenvetää 68 artikkelia, jotka on julkaistu 9 vuoden aikana, ja korostaa tiedeyhteisön kiinnostusta 3DPAM-mallinnukseen normaalin ihmisen anatomian opetuksen työkaluna. Jokainen anatominen alue tutkittiin ja 3D-tulostettiin. Näistä artikkeleista 37 artikkelia verrattiin 3DPAM-mallinnukseen muihin malleihin, ja 33 artikkelia arvioi 3DPAM-mallinnuksen pedagogista merkitystä opiskelijoille.
Anatomisen 3D-tulostuksen tutkimusten suunnittelun erojen vuoksi emme pitäneet meta-analyysin tekemistä tarkoituksenmukaisena. Vuonna 2020 julkaistu meta-analyysi keskittyi pääasiassa anatomisen tiedon testeihin koulutuksen jälkeen analysoimatta 3D-tulostuksen suunnittelun ja tuotannon teknisiä ja teknologisia näkökohtia [10].
Pään aluetta tutkitaan eniten, luultavasti siksi, että sen anatomian monimutkaisuus tekee opiskelijoille vaikeammaksi kuvata tätä anatomista aluetta kolmiulotteisessa tilassa verrattuna raajoihin tai vartaloon. TT on ylivoimaisesti yleisimmin käytetty kuvantamismenetelmä. Tätä tekniikkaa käytetään laajalti, erityisesti lääketieteellisissä ympäristöissä, mutta sillä on rajallinen spatiaalinen resoluutio ja alhainen pehmytkudoskontrasti. Nämä rajoitukset tekevät TT-kuvauksista sopimattomia hermoston segmentointiin ja mallintamiseen. Toisaalta tietokonetomografia sopii paremmin luukudoksen segmentointiin/mallintamiseen; Luu-/pehmytkudoskontrasti auttaa suorittamaan nämä vaiheet ennen anatomisten mallien 3D-tulostusta. Toisaalta mikroTT:tä pidetään referenssiteknologiana luukuvantamisen spatiaalisen resoluution kannalta [70]. Kuvien saamiseksi voidaan käyttää myös optisia skannereita tai magneettikuvausta. Korkeampi resoluutio estää luupintojen tasoittumisen ja säilyttää anatomisten rakenteiden hienovaraisuuden [59]. Mallin valinta vaikuttaa myös spatiaaliseen resoluutioon: esimerkiksi plastisointimalleilla on alhaisempi resoluutio [45]. Graafisten suunnittelijoiden on luotava räätälöityjä 3D-malleja, mikä lisää kustannuksia (25–150 dollaria tunnissa) [43]. Korkealaatuisten .STL-tiedostojen hankkiminen ei riitä korkealaatuisten anatomisten mallien luomiseen. On tarpeen määrittää tulostusparametrit, kuten anatomisen mallin suunta tulostuslevyllä [29]. Jotkut kirjoittajat ehdottavat, että edistyneitä tulostustekniikoita, kuten SLS:ää, tulisi käyttää aina kun mahdollista 3DPAM-mallien tarkkuuden parantamiseksi [38]. 3DPAM-mallien tuottaminen vaatii ammattilaisen apua; kysytyimpiä asiantuntijoita ovat insinöörit [72], radiologit [75], graafiset suunnittelijat [43] ja anatomit [25, 28, 51, 57, 76, 77].
Segmentointi- ja mallinnusohjelmistot ovat tärkeitä tekijöitä tarkkojen anatomisten mallien saamisessa, mutta näiden ohjelmistopakettien hinta ja monimutkaisuus haittaavat niiden käyttöä. Useissa tutkimuksissa on vertailtu eri ohjelmistopakettien ja tulostustekniikoiden käyttöä ja korostettu kunkin tekniikan etuja ja haittoja [68]. Mallinnusohjelmiston lisäksi tarvitaan myös valitun tulostimen kanssa yhteensopiva tulostusohjelmisto; jotkut kirjoittajat suosivat online-3D-tulostusta [75]. Jos 3D-objekteja tulostetaan riittävästi, investointi voi johtaa taloudelliseen tuottoon [72].
Muovi on ylivoimaisesti yleisimmin käytetty materiaali. Sen laaja tekstuuri- ja värivalikoima tekee siitä ensisijaisen materiaalin 3DPAM-mallinnukseen. Jotkut kirjoittajat ovat ylistäneet sen korkeaa lujuutta verrattuna perinteisiin ruumiinavaus- tai plastinoituihin malleihin [24, 56, 73]. Joillakin muoveilla on jopa taivutus- tai venytysominaisuuksia. Esimerkiksi FDM-teknologialla varustettu Filaflex voi venyä jopa 700 %. Jotkut kirjoittajat pitävät sitä ensisijaisena materiaalina lihasten, jänteiden ja nivelsiteiden replikointiin [63]. Toisaalta kaksi tutkimusta on herättänyt kysymyksiä kuitujen suunnasta tulostuksen aikana. Itse asiassa lihaskuitujen suuntautuminen, kiinnittyminen, hermotus ja toiminta ovat kriittisiä lihasten mallinnuksessa [33].
Yllättävää kyllä, vain harvat tutkimukset mainitsevat tulostuksen mittakaavan. Koska monet ihmiset pitävät 1:1-suhdetta standardina, kirjoittaja on saattanut päättää olla mainitsematta sitä. Vaikka skaalaus olisi hyödyllistä ohjatussa oppimisessa suurissa ryhmissä, skaalauksen toteutettavuutta ei ole vielä tutkittu, etenkään kasvavien luokkakokojen ja mallin fyysisen koon ollessa tärkeä tekijä. Täysikokoiset vaa'at tietenkin helpottavat erilaisten anatomisten elementtien paikantamista ja viestimistä potilaalle, mikä voi selittää, miksi niitä käytetään usein.
Markkinoilla olevista monista tulostimista PolyJet-teknologiaa (materiaali- tai sideainemustesuihkutulostus) käyttävät tulostimet, jotka tarjoavat väri- ja monikerroksisen (ja siten monitekstuurisen) teräväpiirtotulostuksen, maksavat 20 000–250 000 Yhdysvaltain dollaria (https://www.aniwaa.com/). Tämä korkea hinta voi rajoittaa 3DPAM:n mainostamista lääketieteellisissä tiedekunnissa. Tulostimen kustannusten lisäksi mustesuihkutulostukseen tarvittavien materiaalien hinta on korkeampi kuin SLA- tai FDM-tulostimissa [68]. SLA- tai FDM-tulostimien hinnat ovat myös edullisempia, vaihdellen tässä katsauksessa luetelluissa artikkeleissa 576 eurosta 4 999 euroon. Tripodin ja kollegoiden mukaan jokainen luuranko-osa voidaan tulostaa 1,25 Yhdysvaltain dollarilla [47]. Yksitoista tutkimusta päätteli, että 3D-tulostus on halvempaa kuin plastisointi tai kaupalliset mallit [24, 27, 41, 44, 45, 48, 51, 60, 63, 80, 81, 83]. Lisäksi nämä kaupalliset mallit on suunniteltu tarjoamaan potilastietoja ilman riittäviä yksityiskohtia anatomian opetukseen [80]. Näitä kaupallisia malleja pidetään 3DPAM-malleja huonompina [44]. On syytä huomata, että käytetyn tulostustekniikan lisäksi lopulliset kustannukset ovat verrannollisia mittakaavaan ja siten 3DPAM-mallin lopulliseen kokoon [48]. Näistä syistä täysikokoinen mittakaava on parempi [37].
Vain yhdessä tutkimuksessa verrattiin 3DPAM-menetelmää kaupallisesti saatavilla oleviin anatomisiin malleihin [72]. Ruumiinavausnäytteet ovat yleisimmin käytetty vertailukohta 3DPAM-menetelmälle. Rajoituksistaan huolimatta ruumiinavausmallit ovat edelleen arvokas työkalu anatomian opetuksessa. On tehtävä ero ruumiinavauksen, dissektion ja kuivan luun välillä. Harjoittelutestien perusteella kaksi tutkimusta osoitti, että 3DPAM oli merkittävästi tehokkaampi kuin plastinoitu dissektio [16, 27]. Yhdessä tutkimuksessa verrattiin yhden tunnin harjoittelua 3DPAM-menetelmällä (alaraaja) yhden tunnin dissektioon samasta anatomisesta alueesta [78]. Näiden kahden opetusmenetelmän välillä ei ollut merkittäviä eroja. On todennäköistä, että tästä aiheesta on vähän tutkimusta, koska tällaisia vertailuja on vaikea tehdä. Dissektio on aikaa vievä valmistautuminen opiskelijoille. Joskus tarvitaan kymmeniä tunteja valmistautumista riippuen siitä, mitä valmistellaan. Kolmas vertailu voidaan tehdä kuivilla luilla. Tsain ja Smithin tutkimuksessa havaittiin, että testitulokset olivat merkittävästi paremmat 3DPAM-menetelmää käyttäneessä ryhmässä [51, 63]. Chen ja kollegat totesivat, että 3D-malleja käyttävät oppilaat suoriutuivat paremmin rakenteiden (kallojen) tunnistamisessa, mutta monivalintakysymyksissä ei ollut eroa [69]. Lopuksi Tanner ja kollegat osoittivat parempia jälkitestituloksia tässä ryhmässä käyttäen pterygopalatine fossan 3DPAM-kuvausta [46]. Tässä kirjallisuuskatsauksessa tunnistettiin muita uusia opetustyökaluja. Yleisimpiä niistä ovat lisätty todellisuus, virtuaalitodellisuus ja vakavat pelit [43]. Mahrousin ja kollegoiden mukaan anatomisten mallien suosiminen riippuu siitä, kuinka monta tuntia oppilaat pelaavat videopelejä [31]. Toisaalta uusien anatomian opetustyökalujen merkittävä haittapuoli on haptinen palaute, erityisesti puhtaasti virtuaalisten työkalujen kohdalla [48].
Useimmissa uutta 3DPAM-menetelmää arvioivissa tutkimuksissa on käytetty tiedon esitestejä. Nämä esitestit auttavat välttämään arvioinnin harhaa. Jotkut kirjoittajat sulkevat ennen kokeellisten tutkimusten suorittamista pois kaikki opiskelijat, jotka saivat alustavassa testissä keskiarvon yläpuolella olevan tuloksen [40]. Garas ja kollegat mainitsivat harhoista mallin värin ja vapaaehtoisten valinnan opiskelijaluokassa [61]. Värjäys helpottaa anatomisten rakenteiden tunnistamista. Chen ja kollegat loivat tiukat koeolosuhteet, joissa ryhmien välillä ei ollut aluksi eroja, ja tutkimus sokkoutettiin mahdollisimman pitkälle [69]. Lim ja kollegat suosittelevat, että jälkitestin arvioinnin suorittaa kolmas osapuoli arvioinnin harhan välttämiseksi [16]. Joissakin tutkimuksissa on käytetty Likert-asteikkoja 3DPAM:n toteutettavuuden arvioimiseen. Tämä väline soveltuu tyytyväisyyden arviointiin, mutta on silti olemassa tärkeitä vinoumia, jotka on otettava huomioon [86].
3D-tulostuksen koulutuksellista merkitystä arvioitiin ensisijaisesti lääketieteen opiskelijoiden, mukaan lukien ensimmäisen vuoden lääketieteen opiskelijat, keskuudessa 14:ssä 33 tutkimuksesta. Pilottitutkimuksessaan Wilk ja kollegat raportoivat, että lääketieteen opiskelijat uskoivat, että 3D-tulostus tulisi sisällyttää heidän anatomian oppimiseensa [87]. Cercenellin tutkimuksessa 87 % opiskelijoista uskoi, että toinen opiskeluvuosi oli paras aika käyttää 3D-tulostusta [84]. Tannerin ja kollegoiden tulokset osoittivat myös, että opiskelijat suoriutuivat paremmin, jos he eivät olleet koskaan opiskelleet alaa [46]. Nämä tiedot viittaavat siihen, että lääketieteellisen tiedekunnan ensimmäinen vuosi on optimaalinen aika sisällyttää 3DPAM anatomian opetukseen. Yen meta-analyysi tuki tätä ajatusta [18]. Tutkimukseen sisältyneissä 27 artikkelissa oli merkittäviä eroja 3D-tulostuksen ja perinteisten mallien testituloksissa lääketieteen opiskelijoilla, mutta ei erikoistuvilla lääkäreillä.
3DPAM oppimisvälineenä parantaa akateemista menestystä [16, 35, 39, 52, 57, 63, 69, 79], pitkäaikaista tiedon säilyttämistä [32] ja opiskelijoiden tyytyväisyyttä [25, 45, 46, 52, 57, 63, 66]. , 69, 84]. Myös asiantuntijapaneelit pitivät näitä malleja hyödyllisinä [37, 42, 49, 81, 82], ja kahdessa tutkimuksessa havaittiin opettajien tyytyväisyyttä 3DPAM:ään [25, 63]. Kaikista lähteistä Backhouse ja kollegat pitävät 3D-tulostusta parhaana vaihtoehtona perinteisille anatomisille malleille [49]. Ensimmäisessä meta-analyysissään Ye ja kollegat vahvistivat, että 3DPAM-ohjeita saaneilla opiskelijoilla oli paremmat jälkitestitulokset kuin 2D- tai ruumiinohjaohjeita saaneilla opiskelijoilla [10]. He eivät kuitenkaan erotelleet 3DPAM:ia monimutkaisuuden, vaan yksinkertaisesti sydämen, hermoston ja vatsaontelon perusteella. Seitsemässä tutkimuksessa 3DPAM ei suoriutunut paremmin kuin muut opiskelijoille tehdyissä tietotesteissä käytetyt mallit [32, 66, 69, 77, 78, 84]. Meta-analyysissään Salazar ja kollegat päättelivät, että 3DPAM:n käyttö parantaa erityisesti monimutkaisen anatomian ymmärrystä [17]. Tämä käsite on yhdenmukainen Hitasin toimittajalle lähettämän kirjeen [88] kanssa. Jotkut vähemmän monimutkaisiksi pidetyt anatomiset alueet eivät vaadi 3DPAM:n käyttöä, kun taas monimutkaisemmat anatomiset alueet (kuten kaula tai hermosto) olisivat looginen valinta 3DPAM:lle. Tämä käsite voi selittää, miksi joitakin 3DPAM-malleja ei pidetä perinteisiä malleja parempina, varsinkin kun opiskelijoilta puuttuu tietoa alueelta, jolla mallin suorituskyvyn havaitaan olevan parempi. Näin ollen yksinkertaisen mallin esittäminen opiskelijoille, joilla on jo jonkin verran tietoa aiheesta (lääketieteen opiskelijat tai erikoistuvat lääkärit), ei ole hyödyllistä opiskelijoiden suoriutumisen parantamisessa.
Kaikista luetelluista koulutuksellisista hyödyistä 11 tutkimusta korosti mallien visuaalisia tai taktiilisia ominaisuuksia [27,34,44,45,48,50,55,63,67,72,85], ja 3 tutkimusta paransi lujuutta ja kestävyyttä (33, 50-52, 63, 79, 85, 86). Muita etuja ovat, että oppilaat voivat manipuloida rakenteita, opettajat voivat säästää aikaa, ne on helpompi säilyttää kuin ruumiit, projekti voidaan suorittaa 24 tunnissa, sitä voidaan käyttää kotiopetuksen työkaluna ja sitä voidaan käyttää suurten tietomäärien opettamiseen. ryhmissä [30, 49, 60, 61, 80, 81]. Toistuva 3D-tulostus suurten anatomian opetusmäärien yhteydessä tekee 3D-tulostusmalleista kustannustehokkaampia [26]. 3DPAM:n käyttö voi parantaa ajatuskiertokykyä [23] ja parantaa poikkileikkauskuvien tulkintaa [23, 32]. Kahdessa tutkimuksessa havaittiin, että 3DPAM-tekniikalle altistuneet opiskelijat joutuivat todennäköisemmin leikkaukseen [40, 74]. Metalliliittimiä voidaan upottaa toiminnallisen anatomian tutkimiseen tarvittavan liikkeen aikaansaamiseksi [51, 53], tai malleja voidaan tulostaa liipaisinmalleja käyttäen [67].
3D-tulostus mahdollistaa säädettävien anatomisten mallien luomisen parantamalla tiettyjä näkökohtia mallinnusvaiheessa [48, 80] luomalla sopivan pohjan, [59] yhdistämällä useita malleja [36], käyttämällä läpinäkyvyyttä, (49) väriä [45] tai tekemällä tiettyjä sisäisiä rakenteita näkyviksi [30]. Tripodi ja kollegat käyttivät veistossavea täydentämään 3D-tulostettuja luumallejaan korostaen yhteisluotujen mallien arvoa opetusvälineinä [47]. Yhdeksässä tutkimuksessa väriä lisättiin tulostuksen jälkeen [43, 46, 49, 54, 58, 59, 65, 69, 75], mutta opiskelijat käyttivät sitä vain kerran [49]. Valitettavasti tutkimuksessa ei arvioitu mallikoulutuksen laatua tai koulutusjärjestystä. Tätä tulisi tarkastella anatomian koulutuksen yhteydessä, sillä yhdistelmäoppimisen ja yhteisluomisen hyödyt ovat vakiintuneita [89]. Mainonnan kasvavan määrän vuoksi itseoppimista on käytetty useita kertoja mallien arviointiin [24, 26, 27, 32, 46, 69, 82].
Yhdessä tutkimuksessa pääteltiin, että muovimateriaalin väri oli liian kirkas[45], toisessa tutkimuksessa mallin liian hauras[71] ja kahdessa muussa tutkimuksessa osoitettiin, ettei yksittäisten mallien suunnittelussa ollut anatomista vaihtelua[25, 45]. Seitsemässä tutkimuksessa pääteltiin, että 3DPAM:n anatominen yksityiskohtaisuus on riittämätön [28, 34, 45, 48, 62, 63, 81].
Yksityiskohtaisempien anatomisten mallien, kuten retroperitoneumin tai kaularangan, osalta segmentointi- ja mallinnusaikaa pidetään erittäin pitkänä ja kustannuksia erittäin korkeana (noin 2000 Yhdysvaltain dollaria) [27, 48]. Hojo ja kollegat totesivat tutkimuksessaan, että lantion anatomisen mallin luominen kesti 40 tuntia [42]. Pisin segmentointiaika oli 380 tuntia Weatherallin ja kollegoiden tutkimuksessa, jossa useita malleja yhdistettiin täydellisen pediatrisen hengitystiemallin luomiseksi [36]. Yhdeksässä tutkimuksessa segmentointi- ja tulostusaikaa pidettiin haittana [36, 42, 57, 58, 74]. Kahdessatoista tutkimuksessa kuitenkin kritisoitiin mallien fyysisiä ominaisuuksia, erityisesti niiden johdonmukaisuutta [28, 62], läpinäkyvyyden puutetta [30], haurautta ja yksivärisyyttä [71], pehmytkudoksen puutetta [66] tai yksityiskohtien puutetta [28, 34]. , 45, 48, 62, 63, 81]. Nämä haitat voidaan poistaa pidentämällä segmentointi- tai simulointiaikaa. Kolme tiimiä kohtasi ongelmana asiaankuuluvan tiedon menettämisen ja hakemisen [30, 74, 77]. Potilasraporttien mukaan jodivarjoaineet eivät antaneet optimaalista verisuonten näkyvyyttä annosrajoitusten vuoksi [74]. Ruumiinmallin injektointi näyttää olevan ihanteellinen menetelmä, joka siirtyy pois "mahdollisimman vähän" -periaatteesta ja injektoidun varjoaineen annoksen rajoituksista.
Valitettavasti monet artikkelit eivät mainitse joitakin 3DPAM:n keskeisiä ominaisuuksia. Alle puolet artikkeleista mainitsi nimenomaisesti, oliko niiden 3DPAM sävytetty. Tulostuksen laajuuden kattavuus oli epäjohdonmukainen (43 % artikkeleista), ja vain 34 % mainitsi useiden medioiden käytön. Nämä tulostusparametrit ovat kriittisiä, koska ne vaikuttavat 3DPAM:n oppimisominaisuuksiin. Useimmat artikkelit eivät anna riittävästi tietoa 3DPAM:n hankkimisen monimutkaisuudesta (suunnitteluaika, henkilöstön pätevyys, ohjelmistokustannukset, tulostuskustannukset jne.). Nämä tiedot ovat kriittisiä ja ne tulisi ottaa huomioon ennen kuin harkitaan uuden 3DPAM:n kehitysprojektin aloittamista.
Tämä systemaattinen katsaus osoittaa, että normaalien anatomisten mallien suunnittelu ja 3D-tulostus on mahdollista alhaisin kustannuksin, erityisesti käytettäessä FDM- tai SLA-tulostimia ja edullisia yksivärisiä muovimateriaaleja. Näitä perusmalleja voidaan kuitenkin parantaa lisäämällä värejä tai eri materiaaleista valmistettuja malleja. Realistisemmat mallit (jotka on tulostettu useista eri värisistä ja tekstuureista koostuvista materiaaleista ruumiin vertailumallin tunto-ominaisuuksien jäljittelemiseksi) vaativat kalliimpia 3D-tulostustekniikoita ja pidempiä suunnitteluaikoja. Tämä lisää merkittävästi kokonaiskustannuksia. Riippumatta siitä, mikä tulostusprosessi valitaan, sopivan kuvantamismenetelmän valinta on avainasemassa 3DPAM:n menestyksen kannalta. Mitä korkeampi spatiaalinen resoluutio on, sitä realistisempi mallista tulee ja sitä voidaan käyttää edistyneessä tutkimuksessa. Pedagogisesta näkökulmasta 3DPAM on tehokas työkalu anatomian opetukseen, kuten opiskelijoille tehdyt tietotestit ja heidän tyytyväisyytensä osoittavat. 3DPAM:n opetusvaikutus on paras, kun se toistaa monimutkaisia anatomisia alueita ja opiskelijat käyttävät sitä lääketieteellisen koulutuksensa alkuvaiheessa.
Tässä tutkimuksessa luodut ja/tai analysoidut aineistot eivät ole julkisesti saatavilla kielimuurien vuoksi, mutta ne ovat saatavilla vastaavalta kirjoittajalta kohtuullisesta pyynnöstä.
Drake RL, Lowry DJ, Pruitt CM. Katsaus Yhdysvaltojen lääketieteellisten tiedekuntien karkeaan anatomian, mikroanatomian, neurobiologian ja embryologian kursseihin. Anat Rec. 2002;269(2):118-22.
Ghosh SK Ruumiin dissektio anatomian opetusvälineenä 2000-luvulla: Dissektio opetusvälineenä. Tiedekasvatuksen analyysi. 2017;10(3):286–99.
Julkaisun aika: 09.04.2024