综述：解剖学教学中的三维建模：应用现状与试点研究

　　本综述系统探讨了3D建模技术（包括3D打印、虚拟现实（VR）及交互式3D PDF等）在解剖学教育中的应用现状与挑战。文章结合文献综述与试点研究，指出3D技术可显著提升学生对复杂解剖结构（如脊柱、神经系统）的空间理解能力，增强学习 engagement，并弥补传统解剖资源（如遗体捐赠不足）的局限性。尽管存在成本高、触感真实性不足及文件兼容性问题，3D技术仍被证明是传统解剖教学（如遗体解剖）的有效补充（而非替代），尤其适用于胚胎学、肌肉骨骼系统等领域的教学优化。

　　

引言

解剖学与形态学教学是医学教育的基石，传统上依赖遗体解剖和二维资源。然而，随着3D成像技术（包括3D建模和3D打印）的发展，解剖学教育正经历革命性变革。许多机构开始引入“虚拟解剖”作为传统解剖的补充或替代方案，通过交互式、高分辨率的可视化工具提升学习效果。本文综述了3D技术在解剖学教育中的应用现状，并介绍了洛桑-日内瓦法医学大学中心（CURML）形态学解剖学教研室（UFAM）在肌肉骨骼系统和胚胎学教学中的试点项目。

三维建模在解剖学教育中的优势

空间理解能力的提升

3D模型最显著的优势在于改善学生对复杂、微小或视觉上难以直接观察的解剖结构（如内耳、眼动系统、心脏和头颈部动脉系统）的空间理解。例如，Tanner等的研究显示，使用3D打印的翼腭窝（PPF）模型的学生在后测测验中表现显著优于使用传统半颅骨模型的学生。学生认为3D模型在实用性和清晰度方面更优，因为它能够完整展示PPF的边界、连通孔和神经血管内容，将抽象的解剖空间转化为可操作、易理解的结构。类似地，Cheung等使用定制化的头颈部动脉3D打印模型，帮助学生更好地理解动脉走向和分支关系。

学习动机与参与度的增强

多项研究表明，3D模型显著提高了学生的参与度、动机和自信心。交互式和触觉学习模式在解剖学教育中广受好评。例如，Silén等发现，基于真实临床影像（如CT和MRI）的3D可视化工具激发了学生的学习动机，促进了他们对生物变异、空间维度和器官间关系的洞察。虚拟解剖被认为比传统解剖更清晰，而操纵解剖结构的能力被视为高度指导性。Loke等的随机对照试验显示，尽管3D模型组和2D图解组在知识测试得分上无显著差异，但3D模型组的学习者满意度和自我效能感显著更高。

教育资源的可及性与可扩展性

3D打印技术能够快速、经济地复制高精度解剖模型，使多份高保真副本的同步使用成为可能，特别适用于遗体资源有限的大型教学机构。McMenamin等指出，3D打印可以基于CT或表面扫描数据快速生产解剖学精确模型，实现大规模学生群体的同步访问。Bartikian等进一步证明，使用消费级3D打印机可以低成本、高分辨率地打印个体颅骨，学生甚至可以在家中研究详细的骨结构。Young等还将这一优势扩展至人类发育解剖学，通过打印胚胎和胎儿阶段的模型，为使用真实标本提供了伦理替代方案。

学习成果的量化改善

在可衡量的学习成果方面，3D模型显示出显著益处。Lim等的随机对照试验表明，使用3D打印模型学习心脏外部解剖的医学生后测得分（平均60.83%）显著高于使用遗体材料（44.81%）或混合材料（44.62%）的组。Chen等的研究也显示，使用3D打印颅骨的学生在总分和实践测试得分上均优于使用遗体或图谱的学生。此外，Al-Badri等发现，使用3D打印的颅缝早闭模型的学生在干预三周后的长期保留效果优于传统2D学习方法。

三维建模的挑战与局限性

触感真实性的缺失

尽管3D打印模型在教学中有诸多优势，但其触感反馈无法与真实遗体标本相媲美。Cheung等指出，学生在使用3D打印的头颈部血管模型后，在湿标本上识别结构时遇到更多困难，部分原因是打印材料的过度简化和刚性。Young等也承认，3D打印的胎儿标本虽然允许重复操作并保护脆弱原件，但材料的生物一致性不足限制了其真实性。Aimar等总结称，大多数3D打印材料无法准确模拟软组织的弹性和力学行为，当前的刚性聚合物无法复制外科和解剖训练中至关重要的触觉特性。

高昂的初始成本

实施3D技术的高初始成本是另一大限制因素。McMenamin等提到，一台高分辨率、全彩色3D打印机的价格在6.5万至40万美元之间，具体取决于型号和功能。此外，还需要专用软件、技术人员、扫描设备和耗材，这些共同构成了机构的重大财务投资。尽管单模型材料成本较低，但启动费用和技术要求可能对资源有限的小型机构构成障碍。Mahmoud和Bennett也承认，尽管桌面3D打印越来越经济，生产准确、耐用的解剖模型仍需要专业设备、后处理和设计专业知识，这可能进一步推高成本。

解剖结构复杂性的影响

3D模型的教育效果受解剖结构复杂性的影响。例如，Mogali等的研究显示，学生从上肢多材料3D模型中获益良多，尤其是在理解肌肉、血管和神经之间的复杂空间关系时。然而，他们也承认在精细解剖细节（如肌纤维方向或中空血管结构）方面的局限性。这些发现表明，3D模型在2D资源或传统塑料模型无法传达空间复杂性的区域（如肘部或肘窝）特别有用，而对于较简单的解剖结构，其教学优势可能不那么显著。

研究方法的不一致性

许多研究试图评估3D模型和打印的效果，但研究方法的不一致性限制了结果的解释性和普适性。Wang等的荟萃分析发现，尽管3D可视化技术显著提高了满意度和愉悦感，但对测试得分的影响因地区而异，尤其是中国研究存在强烈的阳性偏倚。Chytas等强调，3D模型的教育效果可能取决于所研究解剖区域的复杂性，但大多数比较研究未能相应分层结果。Zargaran等进一步指出，尽管许多学生对技术工具报告高满意度，但这并不总是转化为学业表现的改善，表明感知学习和实测学习之间存在差异。

洛桑形态学解剖学教研室的试点项目

肌肉骨骼系统实践中的3D打印椎骨

UFAM利用高分辨率3D表面扫描（GOM ATOS COMPACT SCAN 5M）和打印（ProJet SD 3510打印机）技术，复制了椎骨模型，用于一年级医学生的肌肉骨骼系统实践。这些打印模型在多次实践课程中成功使用，未出现损坏。学生和教师均赞赏打印质量，认为所有结构都可以在模型上清晰可视化，与真实部分无异。这些复制品有助于保护难以替换的脆弱解剖标本，并且通过生产多个副本，使更多学生能够同时访问这些结构。

胚胎学实践中的3D模型

在胚胎学教学中，UFAM通过摄影测量法创建了生殖器、大脑半球和胸椎段的3D模型，并转换为交互式3D PDF文件供学生使用。学生提前通过电子学习平台访问这些文件和相关使用指南。反馈问卷（76份回复）显示，大多数学生认为3D模型有助于实践准备（80%肯定回答），并提供了更好的空间表征（95%肯定回答）。然而，42%的学生报告了3D PDF文件过大导致的下载和操作技术问题。教师观察到，使用3D模型预习的学生在实践课上提出了更相关的问题。

讨论

UFAM的试点项目证实了3D打印椎骨在肌肉骨骼实践中的教学价值，模型质量符合教师预期，并受到学生欢迎。这与O’Reilly、Backhouse和McMenamin等的研究一致，强调3D打印模型的可扩展性、解剖准确性和耐用性。然而，项目也凸显了资源密集型生产的挑战，包括高级成像设备、专业软件和技术人员的时间投入，这与McMenamin、Leung和Mahmoud等提到的成本障碍相符。

在胚胎学方面，3D模型显著增强了学生的空间理解和实践准备效果，与Eroglu、Garg和Loke等的研究一致。值得注意的是，Loke等发现，尽管3D模型组在即时测试得分上无显著优势，但其更高的满意度和自我效能感与长期保留改善相关。

整体而言，UFAM的经验支持了结合传统遗体解剖和3D技术的混合教学模式。这种模式在空间复杂性高的领域（如神经解剖学和胚胎学）尤为有效，但3D技术应作为补充而非替代方案。未来研究需采用更严格的方法设计，控制混杂变量，并探索更安全的3D数据访问方式（如基于浏览器的安全查看器），以解决文件大小和数据安全問題。

结论

3D打印椎骨在肌肉骨骼系统实践中证明有益，激励UFAM进一步开发其他复杂或脆弱解剖结构的3D打印模型。3D模型在胚胎学预习中也显示出价值，但需优化文件格式以确保数据安全并提升用户体验。尽管3D建模是形态学教学的强大工具，它必须作为遗体解剖的补充而非替代。真实遗体和解剖标本仍然是学习人体解剖学的金标准，是医学生为未来临床工作做准备的最佳方式。