Anwendung von weiteren drei

Jun 01, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 9973 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Wir haben diese Studie durchgeführt, um die Auswirkungen zusätzlicher Schulungen mithilfe von 3D-Visualisierung (3DV) und 3D-Druck (3DP) nach der Anwendung von 2D-Bildern zur anatomischen Schulung bei normalen pädiatrischen Strukturen und angeborenen Anomalien zu untersuchen. Für die Erstellung von 3DV und 3DP der anatomischen Strukturen wurden Computertomographiebilder (CT) der vier Themen (normaler Ober-/Unterbauch, Choledochuszyste und nicht perforierter Anus) verwendet. Mit diesen Modulen wurden insgesamt 15 Medizinstudenten im dritten Studienjahr anatomisches Selbststudium und Tests durchgeführt. Im Anschluss an die Tests wurden Umfragen durchgeführt, um die Zufriedenheit der Studierenden zu ermitteln. In allen vier Themenbereichen kam es zu signifikanten Steigerungen der Testergebnisse mit zusätzlicher Ausbildung mit 3DV nach anfänglichem Selbststudium mit CT (P < 0,05). Der Unterschied in den Werten war beim nicht perforierten Anus am höchsten, als 3DV das Selbststudium ergänzte. In der Umfrage zu den Lehrmodulen betrug die Gesamtzufriedenheit für 3DV und 3DP 4,3 bzw. 4,0 von 5. Als 3DV zur pädiatrischen Bauchanatomieausbildung hinzugefügt wurde, stellten wir eine Verbesserung des Verständnisses normaler Strukturen und angeborener Anomalien fest. Wir können davon ausgehen, dass der Einsatz von 3D-Materialien in der anatomischen Ausbildung in verschiedenen Bereichen immer häufiger zum Einsatz kommt.

In jüngster Zeit wird die 3D-Drucktechnologie im Anatomieunterricht von Medizinstudenten eingesetzt und genutzt1,2,3,4. Es wurden Versuche unternommen, den Anatomieunterricht anhand von Leichen zu ersetzen, indem nicht nur ein einzelnes Organ, sondern ein ganzes System wie Kopf und Hals, Brusthöhle oder Blutgefäße gedruckt wurden5,6,7. Darüber hinaus wurde kürzlich berichtet, dass die auf Simulationen basierende Ausbildung von Studenten mithilfe von 3D-gedruckten Objekten das medizinische Verständnis verbessert2,8.

Bei der Ausbildung von Studierenden in der Anatomie angeborener Baucherkrankungen bei Kindern wurden vorhandene Atlanten und Lehrbücher der menschlichen Anatomie als Grundlage verwendet, und in der Ausbildung in der klinischen Praxis wird Anatomie durch radiologische Bildgebung vermittelt. Aufgrund der Natur angeborener Krankheiten ist es jedoch nicht einfach, das Verständnis der Schüler dadurch zu verbessern, dass sie nur mit 2D-Medien unterrichtet werden9,10. Daher wurden im Bereich der angeborenen Krankheiten Studien mit 3D-Druck für die Anatomieausbildung bei angeborenen Herzfehlern gemeldet4,10,11,12. Allerdings haben nur wenige Studien die Wirksamkeit des 3D-Drucks bei der Aufklärung angeborener Baucherkrankungen untersucht.

Zusätzlich zu den bestehenden Methoden des Anatomieunterrichts durch Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT) und Kontraststudien, die in der klinischen Ausbildung verwendet wurden, haben wir versucht festzustellen, ob zusätzliches Lernen durch 3D-Visualisierung (3DV) und 3D-Druck möglich ist (3DP) ist hilfreich beim Verständnis der anatomischen Struktur angeborener pädiatrischer Baucherkrankungen. Im Detail wollten wir die Auswirkungen des zusätzlichen Lernens bei Themen normaler anatomischer Bauchstrukturen bei Kindern sowie bei Bauchanomalien, insbesondere Choledochuszysten und nicht perforiertem Anus, ermitteln.

An dieser Studie nahmen 15 Medizinstudenten im dritten Studienjahr teil, die zwischen dem 1. Oktober und dem 31. Dezember 2020 in der Abteilung für Kinderchirurgie unseres Zentrums praktizierten.

Mit 15 Studierenden wurde ein 1:1-Präsenztest durchgeführt. Jeder Student wurde in vier Sitzungen getestet, die jeweils ein anderes anatomisches Thema behandelten (normaler Oberbauch, normaler Unterbauch, Choledochuszyste und nicht perforierter Anus). In jeder Sitzung wurde zunächst 5 Minuten lang ein Selbststudium anhand von CT-Bildern durchgeführt und ein Anatomietest als Basisbewertung durchgeführt (Ergänzungsdaten 1). Als nächstes folgte einem zusätzlichen Selbststudium mit 3DV ein weiterer Anatomietest mit denselben Gegenständen. Schließlich wurde 3DP für den letzten zusätzlichen Selbstbildungsschritt verwendet und der Abschlusstest wurde mit denselben Fragen durchgeführt (Abb. 1). Wenn alle oben genannten Tests für eine Sitzung durchgeführt wurden, wurde derselbe Vorgang wiederholt, indem zur nächsten Sitzung übergegangen wurde. Die Ergebnisse der anatomischen Tests wurden auf eine 10-Punkte-Skala umgerechnet.

Diagramm des Studienprotokolls.

Nach Abschluss der Anatomietests führte jeder Schüler eine Benutzerumfrage zur Effizienz, Authentizität, Nützlichkeit und Gesamtzufriedenheit des Anatomieunterrichts durch 3DV und 3DP durch (Ergänzungsdaten 2). Die Benutzerumfrage wurde mithilfe einer 5-stufigen Likert-Skala durchgeführt, bei der die Befragten gebeten wurden, ihren Zustimmungsgrad auf einer Skala von 1 bis 5 zu bewerten, wobei 1 „stimme überhaupt nicht zu“ und 5 „stimme völlig zu“ bedeutet. Dieser Ansatz wurde durch mehrere frühere Studien13,14,15 untermauert.

Zur 3D-Rekonstruktion angeborener Anomalien und normaler Strukturen des Ober- und Unterbauchs wurden CT-Bilder von Choledochuszysten (CC), Anus imperforata (IA) und normalem Ober- und Unterbauch von vier verschiedenen Patienten angefertigt. Aus dem Rekonstruktionsprozess wurden dreidimensionale Visualisierungen erstellt und 3DP-Produkte auf Basis von 3DV-Bildern erstellt.

Die CT-Bilder dieser vier Patienten wurden an eine 3D-Druckagentur geschickt. Die Agentur implementierte 3DV mithilfe der MEDIP-Software und dieser Prozess erfolgte unter der Bestätigung eines Kinderradiologen. Das 3DV kann vom Benutzer um 360° gedreht und in jede Richtung vergrößert oder verkleinert werden, außerdem kann die Transparenz jedes Organs von 0 bis 100 % eingestellt werden (Abb. 2a). Nachdem das 3DV bestätigt wurde, wurde ein 3DP-Modell im Maßstab 1:1 erstellt (Abb. 2b). Die Modelle wurden mit Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)-Copolymeren (400–500 g pro Karton) und Harz (800–1200 g pro Karton) nach der Polyjet-Methode (J750 [Stratasys; 7665 Commerce Way Eden Prairie, MN 55,344, USA]) gedruckt. .

(a) 3D-Visualisierung und (b) 3D-Druck der Choledochuszyste und des nicht perforierten Anus.

Kontinuierliche Variablen werden als Mittelwert ± Standardabweichung angegeben. Für alle statistischen Analysen wurde das Statistiksoftwarepaket IBM SPSS Statistics 20.0 (SPSS Inc., Chicago, Illinois, USA) verwendet. Der Kruskal-Wallis-Test wurde verwendet, um zu bestätigen, dass es einen signifikanten Unterschied in den Testergebnissen der drei Gruppen (CT, 3DV und 3DP) gab, und die Vergleiche zwischen zwei Gruppen wurden mithilfe des Mann-Whitney-Tests analysiert. Danach wurden die Ergebnisse gemäß der Methode von Bonferroni als signifikant beurteilt, wenn der p-Wert < 0,017 war.

Diese Studie wurde nach Genehmigung durch den Ethikausschuss des Seoul National University Hospital (IRB-Nummer: 2003-135-1110) durchgeführt und alle Methoden wurden in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt. Diese Studie wurde vom SNUH Research Fund (Fördernummer 0420202230) unterstützt. Die Teilnahme der Studierenden war freiwillig und vor der Studie wurde von jedem Studierenden eine Einverständniserklärung eingeholt.

Beim Vergleich der Testergebnisse nach der Schulung mithilfe von CT-Bildern, 3DV und 3DP gab es in allen vier Sitzungen einen signifikanten Unterschied. Beim Vergleich der Ergebnisse nach dem CT-Training und den Ergebnissen des zusätzlichen 3DV-Trainings zeigte sich ein signifikanter Unterschied in den Ergebnissen in allen vier Sitzungen. Dies war auch statistisch signifikant, wenn die gesamte normale Struktur und die gesamte angeborene Krankheit auf einmal verglichen wurden. Wenn jedoch nach der 3DV-Schulung zusätzliche Schulungen mit 3DP durchgeführt wurden, gab es in keiner der Sitzungen signifikante Unterschiede. (Tabelle 1 und Abb. 3).

Testergebnisse gemäß 3D-Rekonstruktionsmodellen unter Verwendung jedes Modulsatzes. *Statistisch signifikant, **Statistisch nicht signifikant.

Beim Vergleich der Punktedifferenz zwischen CT-Training und zusätzlichem 3DV-Training zeigten vier Themen einen statistisch signifikanten Unterschied, wobei der größte Unterschied bei der IA auftrat. Der Unterschied in den Ergebnissen zwischen 3DV- und zusätzlichem 3DP-Training war in keiner der vier Sitzungen statistisch unterschiedlich (Tabelle 2).

Aus dem Fragebogen zur Benutzerbefragung ergaben, dass Effizienz, Authentizität, Nützlichkeit und Gesamtzufriedenheit des Anatomieunterrichts durch 3DV und 3DP höher als 4,0 waren und sich statistisch nicht voneinander unterschieden (Tabelle 3).

Die Anatomie von Kindern ist schwieriger zu verstehen als die von Erwachsenen und insbesondere bei Patienten mit angeborenen Krankheiten ist sie auf Schülerniveau noch schwieriger zu verstehen9,10,16. Bei der Behandlung von Patienten mit angeborenen Kinderkrankheiten in der Klinik besteht der erste Schritt darin, bildgebende Untersuchungen durchzuführen und dann schrittweise die spezifischen anatomischen Unterschiede dieser Patienten mit angeborenen Krankheiten zu verstehen.

Im Rahmen dieser anatomischen Strukturausbildung wurde der 3D-Druck auf verschiedene Weise eingesetzt, und über die Ergebnisse der Verwendung des 3D-Drucks für die Ausbildung fast aller anatomischen Strukturen, wie Leber, Lunge, Wirbelsäule, Gehirn sowie Kopf und Hals, wurde aktiv berichtet im Bildungsbereich17,18,19,20,21. Es wurden Anstrengungen unternommen, den 3D-Druck nicht nur für die Ausbildung normaler Strukturen, sondern auch für Krankheiten, komplexe Strukturen und sogar angeborene Anomalien einzusetzen22,23,24.

Zu den angeborenen Krankheiten wurden zahlreiche Studien veröffentlicht, die sich mit der Aufklärung über angeborene Anomalien des Herzens befassen4,10,12,25. Eine französische Studie führte 3D-Druck durch und verglich die pädagogischen Auswirkungen von 3D-gedruckten Modellen mit 2D-Bildern von Vorhofseptumdefekten, Ventrikelseptumdefekten, Aortenisthmusstenose und Fallot-Tetralogie für 347 Studenten. Es wurde beobachtet, dass der Unterricht mithilfe des 3D-Drucks nicht nur das objektive Wissen, sondern auch die Zufriedenheit der Schüler verbesserte25. Ähnliche Studien wurden mit Studenten und Bewohnern verschiedener Größenordnungen durchgeführt und die Ähnlichkeit der Ergebnisse wurde bestätigt4,26. Es gibt auch Berichte, dass der 3D-Druck zur Verbesserung chirurgischer Techniken bei angeborenen Herzfehlern eingesetzt werden kann, die über die einfache Strukturerziehung hinausgehen27.

Ähnliche Ergebnisse wurden bei der Aufklärung über angeborene Kopf-Hals-Anomalien außer angeborenen Herzfehlern berichtet. Beispielsweise wurden in Studien zu maxillofazialen Deformitäten wie Lippen-Kiefer-Gaumenspalten oder Kraniosynostose 3D-Rekonstruktionen und 3D-Drucke für die Ausbildung von Studierenden durchgeführt und ihre pädagogische Wirkung wurde als positiv bestätigt28,29.

Es wurden jedoch nur wenige Studien zur Aufklärung mithilfe von 3D-Materialien bei angeborenen Baucherkrankungen wie Choledochuszysten oder Zwölffingerdarmatresie veröffentlicht. Natürlich haben Studien zur Bauchanatomie von Erwachsenen im Bereich der Ausbildung zur Anatomie der Bauchorgane positive Auswirkungen des 3D-Drucks gezeigt. Im Jahr 2015 stellten Xiangxue et al. untersuchten die Wirksamkeit von 3D-Visualisierungsbildern und 3D-Druck beim Unterrichten der Anatomie des Lebersegments bei Erwachsenen und berichteten über deren Wirksamkeit30. Eine weitere aktuelle Studie zur anatomischen Ausbildung des Magen-Darm-Rumpfes mithilfe des 3D-Drucks berichtete von guten Ausbildungsergebnissen5. Allerdings ist es, wie oben erwähnt, unüblich, den 3D-Druck für die anatomische Ausbildung angeborener Bauchanomalien bei Kindern einzusetzen. Daher haben wir versucht, die Wirkung zusätzlicher Bildung mit 3D-Materialien zu bestimmen, nachdem wir die Strukturen mit radiologischer Bildgebung wie CT verstanden hatten, was zuvor noch nicht veröffentlicht wurde.

Die Ergebnisse unserer Studie zeigten, dass sich der Bildungseffekt in allen Kategorien verbesserte, wenn das 3D-Modultraining nach dem Selbststudium mit CT hinzugefügt wurde. Dies ist auf einen Effekt der zusätzlichen Bildung selbst zurückzuführen; Aber auch die Tatsache, dass 3D-Lehrmaterialien anstelle von 2D-Lehrbüchern verwendet werden, ist effektiv. Dies korreliert mit früheren Berichten über die Wirkung von 3D-Materialien in der Bildung. Im Bereich der medizinischen Ausbildung haben 3D-Visualisierungsbilder oder -Drucke das Potenzial, das Verständnis der Studierenden für die komplexen Strukturen der menschlichen Anatomie zu verbessern6.

Durch eine zusätzliche Analyse wurde festgestellt, dass der pädagogische Effekt von 3D-Visualisierungsbildern bei IA am größten ist. IA wird normalerweise nicht durch herkömmliche CT-Scans diagnostiziert und die Informationen, die durch CT gewonnen werden können, sind begrenzt. Da die Beckenhöhle von Kindern außerdem sehr eng ist, ist es schwierig, die anogenitale Struktur mittels CT zu bestimmen; Daher können diese Einschränkungen durch 3D-Visualisierungsbilder behoben werden.

In dieser Studie zeigten sowohl 3DV als auch 3DP sowohl in Bezug auf die Ausbildung in der normalen Anatomie von Kindern als auch in Bezug auf die Anatomie angeborener Krankheiten eine signifikante pädagogische Wirksamkeit. Der Effekt einer zusätzlichen 3D-Druck-basierten Ausbildung im Anschluss an die 3D-Visualisierungs-basierte Ausbildung war jedoch statistisch nicht signifikant. Die 3D-Visualisierungstechnologie ist derzeit auf einem hohen Niveau und kann Studierenden, die regelmäßig Tablets oder Hochleistungs-PCs verwenden, vertraute und qualitativ hochwertige Informationen liefern. Darüber hinaus wäre im Fall des in dieser Studie verwendeten 3D-Visualisierungsprogramms die Möglichkeit zum Vergrößern und Verkleinern und zum Steuern der Opazität für jedes Organ ein großer Vorteil für die Ausbildung gewesen. Im Gegensatz dazu gibt es beim 3D-Druck noch Verbesserungspotenzial. Es gibt Einschränkungen bei der Darstellung verschiedener Farben innerhalb eines einzelnen Organs sowie Unvollkommenheiten bei der Darstellung kleiner Organe oder feiner struktureller Beziehungen31. Auch die Vielfalt der Objekttexturen, die durch 3D-Druck erzielt werden können, unterliegt Einschränkungen, und es wird über Forschungsanstrengungen zur Überwindung dieser Einschränkungen berichtet32,33,34. Beispielsweise hat eine aktuelle Studie erfolgreich den Druck von Strukturen aus mehreren Materialien mit einem einzigen 3D-Drucker demonstriert, der sowohl weiche als auch harte Materialien umfasst35. Wenn sich diese Versuche weiter verbreiten, wird erwartet, dass Hürden beim 3D-Druck in naher Zukunft überwunden werden können.

Zu den Einschränkungen dieser Studie gehören die geringe Anzahl studentischer Teilnehmer und die Tatsache, dass nur Selbststudium durchgeführt wurde; eine gesonderte Unterrichtseinheit gab es nicht. Wie oben erwähnt, können 3D-gedruckte Materialien auch als Einschränkung der Forschung mit dieser Technologie angesehen werden, und die Tatsache, dass es keine Möglichkeit gibt, Weichgewebe in die 3D-Visualisierung von CT-Bildern einzubeziehen, ist eine weitere Einschränkung.

Zukünftige Forschung könnte in zwei Hauptkategorien unterteilt werden. Man würde die Wirkung des Unterrichts in angeborener Anatomie nur mit 2D-CT im Vergleich zum 3D-Druck untersuchen, nicht mit seriellem Unterricht, wie er in dieser Studie verwendet wird. Eine andere Kategorie würde chirurgisches Training angeborener Anomalien anhand von 3D-gedruckten Modellen durchführen und deren Wirksamkeit überprüfen. Zu den Zielkrankheiten gehören Ösophagus-Atresie, Zwölffingerdarm-Atresie und Choledochuszysten.

Wir fanden heraus, dass zusätzliche Schulungen mithilfe von 3D-Modulen nach der Selbsterlernung mit 2D-CT bei der normalen Anatomie von Kindern und angeborenen Anomalien wirksam waren. In Anbetracht des Zeit- und Kostenaufwands für die Herstellung von 3D-gedruckten Modellen ist die auf 3D-Drucken basierende Ausbildung der auf 3D-Visualisierung basierenden Ausbildung in der Ausbildung der Bauchanatomie bei Kindern noch nicht überlegen. Allerdings hat das 3D-Druckmodell im Vergleich zum 3D-Visualisierungsmodell den unersetzlichen Vorteil, dass Studierende es direkt anfassen und fühlen können. Wenn sich die Technologie verbessert und jedes Organ ähnlich der tatsächlichen Textur umgesetzt werden kann und sogar die feinen Strukturbeziehungen reproduziert werden kann, werden durch den Ersatz der Leichenausbildung die Einschränkungen der bestehenden Anatomieausbildung durch 3D-Materialien überwunden.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Studie wurde vom SNUH Research Fund (Fördernummer 0420202230) unterstützt. Die Institution und das Komitee genehmigten die Experimente einschließlich aller relevanten Details.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Joong Kee Youn und Han Sang Park.

Abteilung für Kinderchirurgie, Seoul National University Hospital, Seoul, Korea

Das Beste von Joong Kee Youn, Han Sang Park, Dayoung Ko und Hyun-Young Kim

Abteilung für Kinderchirurgie, Seoul National University College of Medicine, 101 Daehak-Ro, Jongro-Gu, Seoul, 03080, Korea

Joong Kee Youn & Hyun-Young Kim

Abteilung für Chirurgie, Seoul National University Bundang Hospital, Seongnam, Gyounggi, Korea

Hee Beom Yang

Büro für medizinische Ausbildung, Seoul National University College of Medicine, Seoul, Korea

Hyun Bae Yoon

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JKY, HSP und H.-YK haben die Studie entworfen und das Manuskript verfasst. DK und HBY führten eine Datenerfassung durch. JKY, H.-YK und HBY analysierten die Ergebnisse. Alle Autoren haben die Manuskripte überprüft und genehmigt.

Korrespondenz mit Hyun-Young Kim.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Youn, JK, Park, HS, Ko, D. et al. Anwendung zusätzlicher dreidimensionaler Materialien für die Ausbildung in Kinderanatomie. Sci Rep 13, 9973 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36912-9

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Eingegangen: 14. Januar 2023

Angenommen: 12. Juni 2023

Veröffentlicht: 20. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36912-9

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