3D打印医工结合门诊在数字医学临床实践教学中的应用

doi:10.12307/2022.583

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (15): 2317-2322.doi: 10.12307/2022.583

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3D打印医工结合门诊在数字医学临床实践教学中的应用

郑坤1，2，许苑晶1，于文强1，2，任富超1，2，邓迁1，王金武1，3，戴尅戎1，3

1上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科，上海市 200011；2潍坊医学院康复医学院，山东省潍坊市 261053；3上海交通大学数字医学临床转化教育部工程研究中心，上海市 200030

收稿日期:2021-08-12 修回日期:2021-09-04 接受日期:2021-09-18 出版日期:2022-05-28 发布日期:2022-01-05
通讯作者: 王金武，博士，教授，主任医师，上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科，上海市 200011；上海交通大学数字医学临床转化教育部工程研究中心，上海市 200030
作者简介:郑坤，男，1995年生，汉族，四川省人，潍坊医学院在读硕士，主要从事3D打印个性化康复辅具研究。
基金资助:
上海交通大学医学院地高大双百人计划(20152224)，项目负责人：王金武；上海交通大学医学院附属第九人民医院临床研究型MDT项目(201914)，项目负责人：王金武

Application of three-dimensional printing medical-industrial outpatient clinics in digital medical education

Zheng Kun1, 2, Xu Yuanjing1, Yu Wenqiang1, 2, Ren Fuchao1, 2, Deng Qian1, Wang Jinwu1, 3, Dai Kerong1, 3

1Department of Orthopaedic Surgery, Shanghai Ninth People’s Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai 200011, China; 2School of Rehabilitation Medicine, Weifang Medical University, Weifang 261053, Shandong Province, China; 3China Engineering Research Center of Digital Medicine and Clinical Transformation, Ministry of Education, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China

Received:2021-08-12 Revised:2021-09-04 Accepted:2021-09-18 Online:2022-05-28 Published:2022-01-05
Contact: Wang Jinwu, MD, Professor, Chief physician, Department of Orthopaedic Surgery, Shanghai Ninth People’s Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai 200011, China; China Engineering Research Center of Digital Medicine and Clinical Transformation, Ministry of Education, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China
About author:Zheng Kun, Master candidate, Department of Orthopaedic Surgery, Shanghai Ninth People’s Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai 200011, China; School of Rehabilitation Medicine, Weifang Medical University, Weifang 261053, Shandong Province, China
Supported by:
Two-Hundred Talents Program for Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, No. 20152224 (to WJW); Clinical Research Project of Multi-Disciplinary Team of Shanghai Ninth People’s Hospital affiliated to Shanghai Jiao Tong University, No. 201914 (to WJW)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
3D打印医工结合门诊：是以医务人员、患者以及多学科的理工科研教学人员为主体的医工结合门诊，它将3D打印理论研究、医工实践以及科研成果转化相结合，旨在培养3D打印理论与实践兼并，创新与科研思维并存的医工交互人才。
数字医学：是信息科学与医学交叉的前沿学科，包括影像、数字解剖，计算机辅助设计/制造的临床应用、数字化医学建设、远程会诊与医学教育等各个分支，如今已交叉渗透到了整个医学科技领域。

背景：3D打印医工结合门诊和数字医学教育正在不断完善和发展，将3D打印医工结合门诊模式应用于数字医学的临床实践教学当中将会是3D打印在快速发展道路上的一个创新结合点，同时该新模式也将为应用医学的发展做出进一步的推动作用。
目的：对比3D打印医工结合门诊与传统医学教学及3D打印医学教学的优势，同时详细阐明上海交通大学医学院附属第九人民医院3D打印医工结合门诊的临床实践教学案例。
方法：对传统医学教学、3D打印医学教学方式进行调研，将其与上海交通大学医学院附属第九人民医院3D打印医工结合门诊在“教学、教育、数字医学”等内容进行归纳分析比较；对3D打印医工结合门诊的组成建立、开展3D打印项目进行探讨研究，并总结于2018年1月至2021年1月在该院3D打印接诊中心参与3D打印医工结合门诊学习培训的学习人次以及举办的国际会议次数，阐明3D打印医工结合门诊在数字医学教育发展中的重要作用。
结果与结论：①传统医学教育模式大课堂授课氛围枯燥，学生容易注意力不集中，难以全面掌握知识点；3D打印医学教育可提高医学教育中抽象内容的理解，但缺乏对3D打印以临床为导向的科研转化研究；而3D打印医工结合门诊可以培养医工交叉人才的转化思维，训练学生的科研成果转化能力，帮助临床研究成果顺利落地。②上海交通大学医学院附属第九人民医院的3D打印医工结合门诊，面向患者顺利开展了个性化的矫形器的制作，具有多学科交叉、医工人才交互及系统培养等特点，率先进行了3D打印医工结合门诊应用于数字医学临床实践教学的开展和探索，并且取得了良好的效果。③目前该3D打印医工结合门诊已培养和在读的博硕士人员42人、实习进修人员137人，已举办国际康复医学与工程大会10次，国际康复医学与康复工程前沿技术临床转化会议6次，对国内外3D打印数字医学教育的发展具有深远的影响。④3D打印医工结合门诊教学模式不仅有利于培养学生拥有以临床需求为导向的科研创新能力，更有利于转化医学、组织工程、康复工程和生物医学工程等前沿学科的发展。

https://orcid.org/0000-0003-1411-057X (王金武)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 3D打印门诊, 医工结合, 组织工程, 数字医学教育, 教学模式, 临床实践教学, 科研创新, 成果转化

Abstract: BACKGROUND: The combination of three-dimensional (3D) printing and medical workers in outpatient and digital medical education is constantly improving and developing. The application of 3D printing medical-industrial outpatient mode to the clinical practice and teaching of digital medicine will be an innovative combination during the rapid development of 3D printing. This new mode will also further promote the development of applied medicine.
OBJECTIVE: To compare the advantages of 3D printing integrated medicine-industry outpatient clinic with traditional medical teaching and 3D printing medical teaching, and expounds in detail the clinical practice teaching case of 3D printing medical worker combination clinic of the Ninth People's Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University School of Medicine.
METHODS: The teaching methods of traditional medicine and 3D printing medicine were investigated and compared with 3D printing integrated medicine-industry outpatient clinic at Shanghai Ninth People’s Hospital affiliated to Shanghai Jiao Tong University in terms of “teaching, education, digital medicine”. We discussed the composition of 3D printing integrated medicine-industry outpatient clinic, investigated the development of 3D printing items, and summarized the number of participants who had participated in the training of 3D printing integrated medicine-industry outpatient clinic as well as the number of international conferences held in the 3D printing clinic center of Shanghai Ninth People’s Hospital from January 2018 to January 2021, thereby expounding the important role of 3D printing integrated medicine-industry outpatient clinic in the development of digital medical education.
RESULTS AND CONCLUSION: The traditional medical education that proceeds in a large classroom is boring, in which students are easy to lose their attention and difficult to master knowledge comprehensively. 3D printing medical education could improve the understanding of abstract content in medical education, but there is a lack of clinical translation potential in 3D printing. 3D printing medical-industrial outpatient clinics could cultivate the transformation thinking of medical-industrial talents, train the students’ ability to transform scientific research achievements, and help the smooth implementation of clinical research achievements. 3D printing medical-industrial outpatient clinics at Shanghai Ninth People’s Hospital has successfully produced personalized orthoses for patients, with the characteristics of interdisciplinary interaction, medical and industrial talent interaction, and system training. It took the lead in the development and exploration of 3D printing medical-industrial outpatient clinic in the clinical practice and teaching of digital medicine, and has achieved good results. At present, there are 42 Master/MD candidates and 137 trainees in the 3D printing medical-industrial outpatient clinic. It has held 10 international conferences on rehabilitation medicine and engineering, and 6 international conferences on the clinical transformation of advanced technologies in rehabilitation medicine and engineering, all of which have a profound impact on the development of 3D printing digital medicine education over the world. To conclude, the teaching mode based on 3D printing medical-industrial outpatient clinics is not only beneficial to training students’ scientific research and innovation ability guided by clinical needs, but also conducive to the development of cutting-edge disciplines such as translational medicine, tissue engineering, rehabilitation engineering and biomedical engineering.

Key words: 3D printing outpatient, medical-industrial combination, tissue engineering, digital medical education, teaching mode, clinical teaching, scientific research innovation, achievement transformation

中图分类号:

郑坤, 许苑晶, 于文强, 任富超, 邓迁, 王金武, 戴尅戎. 3D打印医工结合门诊在数字医学临床实践教学中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(15): 2317-2322.

Zheng Kun, Xu Yuanjing, Yu Wenqiang, Ren Fuchao, Deng Qian, Wang Jinwu, Dai Kerong. Application of three-dimensional printing medical-industrial outpatient clinics in digital medical education[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(15): 2317-2322.

图/表（结果） 4

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引言

数字医学是信息科学与医学交叉的前沿学科，正作为一个全新探索领域而受到广泛的关注与重视。它如今已融入覆盖医学的各个领域，包括影像/数字解剖、计算机辅助设计/制造的临床应用、数字化医学建设、远程会诊与医学教育等各个分支。由于中国数字医学教育起步晚，还存在教学系统不完善、模式不明确、师资不充裕等问题[1]。3D打印医工结合门诊是以医务人员、患者以及多学科的理工科研教学人员为主体的医工结合门诊，不同于其他医学教学、3D打印教学的门诊，它将3D打印理论研究、医工实践以及科研成果转化相结合，注重培养医学生的实践创新与成果转化思维。现阶段3D打印广泛应用于骨科、口腔科、整复外科等科室的临床应用与年轻医生的带教[2-6]，有大量的研究主要聚焦的是以3D打印为代表的新兴信息技术作为医学教学手段或媒介的优势或劣势[7-15]，但并未系统性地探讨3D打印医工交叉门诊培养多学科复合人才的作用。考虑到开展3D打印医工结合门诊需要配套较多的人员、设施设备、场地等,许多院校还未开展完善的涵盖临床、实验室、实践的教学内容，难以系统性地提出医工交叉培养模式，这可能和3D打印医工结合门诊并未在中国的医院普及有关。
上海交通大学医学院附属第九人民医院(下文简称：上海九院)在中国首次成立了专门的3D打印医工结合门诊，该门诊成员不仅仅是以医护人员和患者为主体，而且包括了设计师、机械工程师、设备操作员等理工科背景的科研教学人员。文章系统性地探讨了3D打印医工结合门诊在数字医学、生物3D打印实践教学与科研中的应用，旨在培养3D打印理论与实践兼并、创新与科研思维并存的医工交互人才，为3D打印医疗领域的发展做出贡献，从而进一步推动医学3D打印的教育发展。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计基于3D打印医工结合门诊建立及开展项目的临床实践教学分析。
1.2 时间及地点于2018年1月至2021年1月在上海九院3D打印接诊中心完成。
1.3 对象纳入上海九院3D打印接诊中心参与3D打印医工结合门诊教学活动的人员共179人，包括已培养和在读的硕士、博士人员和实习进修人员以及举办的国际会议；通过调研传统教学、3D打印教学模式，对上海九院3D打印医工结合门诊进行分析讨论，探讨3D打印医工结合门诊在数字医学临床实践教学中的应用。所有参与者对此次研究均知情并签署知情同意书，该研究实施符合《赫尔辛基宣言》要求，并通过上海交通大学医学院附属第九人民医院伦理委员会批准，批准号：沪九院伦审2016-124-T73号。
1.3.1 纳入标准 ①完整参与3D打印医工结合门诊教学的硕士、博士人员和实习进修人员；②该院举办的国际会议参会人员。
1.3.2 排除标准在教学途中离开及退出者。
1.4 方法
1.4.1 3D打印门诊及传统、3D打印教学方式调研在PubMed，中国知网、万方等数据库搜索传统教学、3D打印教学模式，将其与3D打印医工结合门诊进行对比分析。
1.4.2 上海九院3D打印医工结合门诊的建立 2018年上海九院成立3D打印医工结合门诊，其采用多学科会诊模式，整合了骨科、康复科、影像科等多科室临床资源，开展术前模型、个体植入器械、个性化康复辅具和生物打印支架等服务项目。在康复辅具方面，致力于3D打印制作骨关节疾病的相关辅助器具的研发、应用以及做出相应流程标准规范化[16-19]，该医工结合门诊作为患者对接窗口，也承接着以临床需求为导向的科技研究项目，比如由上海九院主持的国家科技部重点研发项目“血管化仿生关节多细胞精准3D打印技术与装备的开发及应用”，针对临床对仿生关节的需求，开展了一系列生物组织工程研究。
上海九院的3D打印医工结合门诊不同于常规门诊，通过整合上海交通大学和上海九院的医工交叉优势以及聚焦3D打印技术，建立了杰出的多学科交叉研发3D打印医工结合团队。该3D打印医工结合门诊研发团队的成员组成不仅有医护人员和患者，还包括包括骨科医师、康复师、软件材料专业设计人员、矫形师及工程师。此外，该3D打印中心多年来以“产学研医学”为理念模式，注重将医工进行结合，致力于培养医学生的医工创新思维以及科研成果转化能力[20]。
1.4.3 3D打印医工门诊临床实践创新能力培养方式该医工结合团队拥有独特的培养模式，注重对学生自主学习以及临床创新思维能力提升的培养。通常从门诊病历收集开始到3D打印矫形器交给患者的整个进程当中，学生会参与到每个环节当中，学习并协助老师对每位需制作矫形器的患者进行扫描、设计制作和适配。学生由相应的指导老师负责，对门诊患者的基本信息、病例情况以及特殊情况做仔细的病案登记和备注。随后，在每次团队基础学习的过程当中将收集的典型患者病历融入到案例教学当中，以幻灯方式展现出来，供师生一起讨论学习和制定相关的临床治疗方案，如矫形器的选择、设计以及大小、厚度和宽度等的探讨，在此之后学生往往还会主动参与到对患者制作矫形器前的相关扫描和设计。

1.4.4 数字医学教育培养方式上海九院3D打印中心拥有数字化远程会议室以及自主首创的云康复系统，见图1。

远程会议室可以与患者进行线上连接会诊，云康复系统可以对患者在家使用云康复设备情况进行在线指导，包括患者每天康复训练的实施方案数据、时间、恢复情况等。医生、工程师，矫形师等带教老师以及学生在远程会议室跟患者进行远程视频连接后，医生们对患者通过使用远程康复设备后上传的实时数据进行分析和指导，随后讨论患者的改善情况，安排下一个康复计划。
1.4.5 科研创新、临床与实验室研究为一体培养方式对于门诊的临床需求与问题，按照学生的专长与兴趣，以科研课题的方式开展药物筛选、微尺度血管、高生物活性支架以及仿生关节等生物组织工程的实验室研究与动物、临床试验，在研究中创新所得的成果通过专利发布与使用，可以成为一项新的服务患者的产品或技术服务。在每周的课题学习会议上，学生还将以Journal club的形式进行相关文献学习和汇报，同时提出在一周学习当中所遇到的困难和瓶颈，学生和老师共同探讨以寻找解决方案。
1.5 观察指标 3D打印医工结合门诊的优势、开展的3D打印辅具项目、教学实施以及培养人才数和举办会议次数。

讨论

美国著名的梅奥诊所于2009年在世界上率先开展3D打印技术，该诊所将3D打印技术用于一对连体婴儿的分离手术，医生们使用立体的实物模型来进行术前规划并成功地完成了手术[24-25]。2012年，美国的克利夫兰医院便开始应用3D打印，并成为全球首家将3D打印肝脏模型用于医疗实践的医院，同年，克利夫兰知名肝脏医生Nizar Zein使用3D打印肝脏模型让其团队在手术前进行操刀练习，如今这已经成为外科手术中较为常见的辅助手段[26]。
在中国，为了能使医学3D打印转化为高诊疗水平的技术，实现精准、个性化的诊疗目标，推进3D打印技术的研究与应用转化来更好地造福患者，2018年，上海九院的3D打印医工结合门诊正式开放，该医工结合门诊作为患者对接窗口，也承接着以临床需求为导向的科技研究项目，比如由上海九院主持的国家科技部重点研发项目“血管化仿生关节多细胞精准3D打印技术与装备的开发及应用”，针对临床对仿生关节的需求，开展了一系列生物组织工程研究[27-28]。依托于临床对高端诊疗技术的需求、以及国家鼓励发展计算机技术与数字医学等政策，该3D打印医工结合门诊拥有3D打印接诊中心、3D打印创新研发中心和3D打印后处理中心，通过远程会诊等技术交流方式加强中国数字医学的合作与发展，并在全国多个省市成立分中心。目前3D打印已经广泛用于患者解剖模型教学[23]、牙科、骨科、心胸外科教学培训[2-4，29]、手术教学以及影像科教学等的人才教育培养当中[30-33]。而数字医学和3D打印医学教育的发展，不应局限于手术、模型教学方面，还应将3D打印与工程理论、医学门诊和科研创新相结合作为医学教育的模式，这样才能更好地促进3D打印、医、工三者的结合，从而培养出知识更加全面的3D打印医工交叉的人才，从而推动数字医学的发展。
上海九院的3D打印医工结合门诊不同于常规门诊，既包含临床医学的诊疗流程，也包含扫描、打印、设计、制造等一系列工艺流程[34-36]。因此，需要学生在熟练掌握患者疾病的诊断治疗的同时也需要熟知传统制造和3D打印制造的差异性，并能对不同打印技术所需的工艺、材料性质等有一定的认识，才能为医工结合带来更多的创新和技术优化。另外，三维设计是3D打印的核心关键技术之一，医工结合要求医学生学习并熟悉相关软件的应用和设计，从而才能为患者设计和制造出个性化的产品，达到“量体裁衣”的效果。此外，在缺乏增材制造标准规范的背景下[37]，3D打印制作的产品常常参照的是传统制造标准，缺乏独立的评价体系，而3D打印要想进一步完善和做出突破，就要求医学生需亲自投入到实践中去[38]，然后大胆猜想和假设，小心求证，这样才能打破原有的思维观念，进一步开拓视野，散发医工结合思维。
为了推广3D医工结合门诊在数字医学的应用，就必须要打破传统观念，建立系统的团队协作教学机制，培养数字医学医工交叉人才。传统的临床教学方式当中，多在教室用书本、图文幻灯、影音视频播放以及教学模具的形式对学生进行授课宣讲，这样的教学方式虽然内容丰富，但是对于比较抽象和难以理解的知识点，授课氛围会显得比较枯燥，久而久之，学生会缺乏兴趣，致使学习效率下降，达不到理想的教学效果[21-22]。而3D打印医工结合门诊教学不仅能让医学生在医工结合门诊进行问诊了解患者病情，还能亲自参与到3D打印的设计制作和打印过程当中，如软件设计、建模优化以及打印实施，包括对材料的选择，打印参数以及打印填充率的设定等方面，来更加深入地了解3D打印技术，从而将难以理解的知识信息形象具体化。
通过3D打印医工结合门诊，医生、工程师以及学员具备了基于临床需求的交流平台，有利于在科研工作中进一步发挥协同作用，在仿生人工关节的研究项目中，临床医生和科研学员提出满足骨、软骨和血管等不同组织打印需求的设备要求，工程师则根据医生的要求开发骨、软骨和关节的数字仿生模型和3D打印精准建模方法和软件、细胞存活维持系统等，通过医工交互，有利于前沿科研技术的开发与应用，因此3D打印医工结合门诊在数字医学教育、医工交互科研当中实施的必要性非常显著。在药物筛选研究中，该项目基于临床对新药、靶向药的需求，在获得伦理获批后，医生、工程师及医学生通过门诊搜集患者的医学数据与病理组织；将组织块送到细胞实验室由临床研究人员进行筛选、培养与扩增制取生物墨水；工程师进行建模与设备操作，通过高通量生物打印的方式高效获取大量同质的组织单元，最终用于药物筛选。3D打印医工结合门诊作为医工交叉的临床平台，承担了科研技术的前沿开发与应用的任务，且在3D打印应用于临床的高阶发展以制造出具有功能性的人体组织器官的目标下，有利于培养医工交叉人员开展以临床需求为导向的科研研究，更有利于组织与康复工程、生物医学及转化医学工程等生物医药前沿学科的发展。
将3D打印医工结合门诊应用于数字医学技术临床实践教学中是一项崭新的教育模式，未来也必将成为数字医学教育的一项热点。该教育模式有以下优势：①3D打印医工结合门诊注重训练医工交叉人才的转化思维。中国当前科研人员创新转化的研究达到新的高度，在中国陆续开展医疗器械注册人制度、高校科研成果转化方法等举措背景下通过该教育模式学生的自主学习和医工结合科研创新能力将得到新的拓展和提高[39-40]。②转化医学旨在将实验室的研究成果切实地应用于患者，实现基于临床需求提出问题、解决问题的成效，能以药物、医疗器械和诊疗方案等形式实现临床应用，开展3D打印医工结合门诊[41-42]，可以训练学生的转化能力，通过门诊搜集的临床需求与问题，按照学生的专长与兴趣，以科研课题的方式开展实验室研究与临床试验，研究成果通过专利的发布与使用，可以成为一项新的服务患者的产品或技术服务。③在以往的医学生教学中相关环节的指导或培训存在欠缺，在专利撰写及成果转化均容易遇到瓶颈，引入系统性的医工交叉培养，则可以在机械工程师、专利工程师的协助下完成临床研究成果的落地[43-46]。
此次探讨性研究，将3D打印医工结合门诊教学模式运用于3D打印的医学教育中，具有示范性和独创性。但在一些缺乏配套的科研与技术开发人员、场地等配套要求的地区开展会相对困难。虽然3D打印技术在临床实践教学应用的全面普及面临着阻力，但在小范围内开展3D打印医工结合门诊的临床实践教学仍是可行且效果良好的。另外，此次研究是对上海九院3D打印医工结合门诊在数字医学教育中的实际应用和开展进行的探讨性研究，未来还可以进一步对传统教育、3D打印医学教育、3D打印医工结合门诊3种教育模式下的教学质量差异进行探讨研究。相信随着3D打印技术以及预防、医疗、康复一体化诊疗的进一步发展，今后3D打印医工结合门诊模式在临床实践教学中的应用会成为数字医学教育发展的方向。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

3D打印医工结合门诊在数字医学临床实践教学中的应用

Application of three-dimensional printing medical-industrial outpatient clinics in digital medical education

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