Driedimensionaal geprinte anatomische modellen (3D-printmodellen) lijken een geschikt hulpmiddel te zijn vanwege hun educatieve waarde en uitvoerbaarheid. Het doel van dit overzicht is om de methoden te beschrijven en te analyseren die worden gebruikt om 3D-printmodellen te maken voor het onderwijzen van menselijke anatomie en om de pedagogische bijdrage ervan te evalueren.
Er werd een elektronische zoekopdracht uitgevoerd in PubMed met behulp van de volgende termen: education, school, learning, teaching, training, teaching, education, three-dimensional, 3D, 3-dimensional, printing, printing, printing, anatomy, anatomy, anatomy, and anatomy. De bevindingen omvatten studiekenmerken, modelontwerp, morfologische beoordeling, onderwijsprestaties, sterke en zwakke punten.
Van de 68 geselecteerde artikelen richtte het grootste aantal studies zich op het craniale gebied (33 artikelen); 51 artikelen vermelden botprinten. In 47 artikelen werd 3D-printen ontwikkeld op basis van computertomografie. Vijf printprocessen worden genoemd. Kunststoffen en hun derivaten werden in 48 studies gebruikt. De prijs van elk ontwerp varieert van $ 1,25 tot $ 2.800. Zevenendertig studies vergeleken 3D-printen met referentiemodellen. Drieëndertig artikelen onderzochten educatieve activiteiten. De belangrijkste voordelen zijn visuele en tactiele kwaliteit, leerrendement, herhaalbaarheid, aanpasbaarheid en flexibiliteit, tijdsbesparing, integratie van functionele anatomie, betere mentale rotatiemogelijkheden, kennisbehoud en tevredenheid van docenten en leerlingen. De belangrijkste nadelen hebben betrekking op het ontwerp: consistentie, gebrek aan detail of transparantie, te felle kleuren, lange printtijden en hoge kosten.
Deze systematische review toont aan dat 3D-printen van anatomie kosteneffectief en effectief is voor het onderwijzen van anatomie. Realistischere modellen vereisen duurdere 3D-printtechnologieën en langere ontwerptijden, wat de totale kosten aanzienlijk verhoogt. De sleutel is het kiezen van de juiste beeldvormingsmethode. Vanuit pedagogisch oogpunt is 3D-printen een effectief hulpmiddel voor het onderwijzen van anatomie, met een positieve impact op leerresultaten en tevredenheid. Het onderwijseffect van 3D-printen is het grootst wanneer het complexe anatomische gebieden reproduceert en studenten het vroeg in hun medische opleiding gebruiken.
Het ontleden van dierenlijken wordt al sinds het oude Griekenland gedaan en is een van de belangrijkste methoden voor het onderwijzen van anatomie. Lijkdissecties die tijdens de praktijkopleiding worden uitgevoerd, worden gebruikt in het theoretische curriculum van medische studenten aan de universiteit en worden momenteel beschouwd als de gouden standaard voor de studie van anatomie [1,2,3,4,5]. Er zijn echter veel belemmeringen voor het gebruik van menselijke lijkpreparaten, wat de zoektocht naar nieuwe trainingsinstrumenten stimuleert [6, 7]. Enkele van deze nieuwe instrumenten zijn augmented reality, digitale tools en 3D-printing. Volgens een recent literatuuronderzoek van Santos et al. [8] lijkt 3D-printing, wat betreft de waarde van deze nieuwe technologieën voor het onderwijzen van anatomie, een van de belangrijkste hulpmiddelen te zijn, zowel wat betreft de educatieve waarde voor studenten als wat betreft de uitvoerbaarheid van de implementatie [4,9,10].
3D-printen is niet nieuw. De eerste patenten met betrekking tot deze technologie dateren al uit 1984: A. Le Méhauté, O. De Witte en J.C. André in Frankrijk, en drie weken later C. Hull in de VS. Sindsdien is de technologie blijven evolueren en is het gebruik ervan uitgebreid naar vele gebieden. Zo printte NASA in 2014 het eerste object buiten de aarde [11]. Ook de medische sector heeft dit nieuwe instrument omarmd, waardoor de wens om gepersonaliseerde geneeskunde te ontwikkelen is toegenomen [12].
Veel auteurs hebben de voordelen aangetoond van het gebruik van 3D-geprinte anatomische modellen (3DPAM) in medisch onderwijs [10, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]. Bij het onderwijzen van menselijke anatomie zijn niet-pathologische en anatomisch normale modellen nodig. Sommige overzichten hebben pathologische of medische/chirurgische trainingsmodellen onderzocht [8, 20, 21]. Om een hybride model voor het onderwijzen van menselijke anatomie te ontwikkelen dat nieuwe hulpmiddelen zoals 3D-printen integreert, hebben we een systematische review uitgevoerd om te beschrijven en te analyseren hoe 3D-geprinte objecten worden gemaakt voor het onderwijzen van menselijke anatomie en hoe studenten de effectiviteit van het leren met behulp van deze 3D-objecten evalueren.
Deze systematische literatuurstudie werd uitgevoerd in juni 2022 met behulp van de PRISMA-richtlijnen (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses) zonder tijdsbeperkingen [22].
Inclusiecriteria waren alle onderzoeksartikelen die 3DPAM gebruikten in het anatomieonderwijs. Literatuuroverzichten, brieven of artikelen gericht op pathologische modellen, diermodellen, archeologische modellen en medische/chirurgische trainingsmodellen werden uitgesloten. Alleen Engelstalige artikelen werden geselecteerd. Artikelen zonder online beschikbare samenvattingen werden uitgesloten. Artikelen die meerdere modellen bevatten, waarvan er ten minste één anatomisch normaal was of een lichte pathologie vertoonde die de onderwijswaarde niet beïnvloedde, werden opgenomen.
Er werd een literatuuronderzoek uitgevoerd in de elektronische database PubMed (National Library of Medicine, NCBI) om relevante studies te identificeren die tot juni 2022 waren gepubliceerd. De volgende zoektermen werden gebruikt: education, school, teaching, teaching, learning, teaching, education, three-dimensional, 3D, 3D, printing, printing, printing, anatomy, anatomy, anatomy and anatomy. Er werd één zoekopdracht uitgevoerd: (((education[Title/Abstract] OR school[Title/Abstract] OR learning[Title/Abstract] OR teaching[Title/Abstract] OR training[Title/Abstract] OR education[Title/Abstract]) AND (Three Dimensions [Title] OR 3D [Title] OR 3D [Title])) AND (Print [Title] OR Print [Title] OR Print [Title])) AND (Anatomy) [Title] ]/abstract] or anatomy [title/abstract] or anatomy [title/abstract] or anatomy [title/abstract]). Aanvullende artikelen werden gevonden door handmatig de PubMed-database te doorzoeken en de referenties van andere wetenschappelijke artikelen te bekijken. Er werden geen datumbeperkingen toegepast, maar er werd wel gebruikgemaakt van het filter "Persoon".
Alle gevonden titels en samenvattingen werden door twee auteurs (EBR en AL) gescreend op basis van inclusie- en exclusiecriteria. Studies die niet aan alle criteria voldeden, werden uitgesloten. De volledige teksten van de overgebleven studies werden opgevraagd en beoordeeld door drie auteurs (EBR, EBE en AL). Indien nodig werden meningsverschillen over de selectie van artikelen opgelost door een vierde persoon (LT). Publicaties die aan alle inclusiecriteria voldeden, werden in dit overzicht opgenomen.
De gegevensextractie werd onafhankelijk uitgevoerd door twee auteurs (EBR en AL) onder supervisie van een derde auteur (LT).
- Modelontwerpgegevens: anatomische regio's, specifieke anatomische onderdelen, initieel model voor 3D-printen, acquisitiemethode, segmentatie- en modelleringssoftware, type 3D-printer, materiaalsoort en -hoeveelheid, printformaat, kleur, printkosten.
- Morfologische beoordeling van modellen: modellen gebruikt voor vergelijking, medische beoordeling door experts/docenten, aantal beoordelaars, type beoordeling.
- Lesgeven met behulp van een 3D-model: beoordeling van de kennis van de leerling, beoordelingsmethode, aantal leerlingen, aantal vergelijkingsgroepen, randomisatie van leerlingen, opleiding/type leerling.
In MEDLINE werden 418 studies gevonden, waarvan 139 artikelen werden uitgesloten op basis van het filter 'mens'. Na beoordeling van de titels en samenvattingen werden 103 studies geselecteerd voor volledige tekstlezing. 34 artikelen werden uitgesloten omdat het pathologische modellen (9 artikelen), medische/chirurgische trainingsmodellen (4 artikelen), diermodellen (4 artikelen), 3D-radiologische modellen (1 artikel) betrof of omdat het geen originele wetenschappelijke artikelen waren (16 hoofdstukken). In totaal werden 68 artikelen in de review opgenomen. Figuur 1 toont het selectieproces als een stroomschema.
Stroomschema dat de identificatie, screening en inclusie van artikelen in dit systematische overzicht samenvat.
Alle onderzoeken werden gepubliceerd tussen 2014 en 2022, met een gemiddeld publicatiejaar van 2019. Van de 68 opgenomen artikelen waren 33 (49%) onderzoeken beschrijvend en experimenteel, 17 (25%) puur experimenteel en 18 (26%) puur beschrijvend experimenteel. Van de 50 (73%) experimentele onderzoeken maakten 21 (31%) gebruik van randomisatie. Slechts 34 onderzoeken (50%) bevatten statistische analyses. Tabel 1 vat de kenmerken van elk onderzoek samen.
33 artikelen (48%) onderzochten het hoofdgebied, 19 artikelen (28%) het borstgebied, 17 artikelen (25%) het buik- en bekkengebied en 15 artikelen (22%) de ledematen. Eenenvijftig artikelen (75%) vermeldden 3D-geprinte botten als anatomische modellen of anatomische modellen met meerdere doorsneden.
Wat betreft de bronmodellen of -bestanden die gebruikt zijn voor de ontwikkeling van 3DPAM, vermeldden 23 artikelen (34%) het gebruik van patiëntgegevens, 20 artikelen (29%) het gebruik van gegevens van menselijke kadavers en 17 artikelen (25%) het gebruik van databases. In 7 studies (10%) werd de bron van de gebruikte documenten niet vermeld.
In 47 studies (69%) werd 3DPAM ontwikkeld op basis van computertomografie, en in 3 studies (4%) werd het gebruik van microCT gerapporteerd. In 7 artikelen (10%) werden 3D-objecten geprojecteerd met behulp van optische scanners, in 4 artikelen (6%) met behulp van MRI en in 1 artikel (1%) met behulp van camera's en microscopen. In 14 artikelen (21%) werd de bron van de ontwerpbestanden voor het 3D-model niet vermeld. 3D-bestanden worden gemaakt met een gemiddelde ruimtelijke resolutie van minder dan 0,5 mm. De optimale resolutie is 30 μm [80] en de maximale resolutie is 1,5 mm [32].
Er werden zestig verschillende softwareprogramma's gebruikt (voor segmentatie, modellering, ontwerp of printen). Mimics (Materialise, Leuven, België) werd het vaakst gebruikt (14 studies, 21%), gevolgd door MeshMixer (Autodesk, San Rafael, CA) (13 studies, 19%), Geomagic (3D System, MO, NC, Leesville) (10 studies, 15%), 3D Slicer (Slicer Developer Training, Boston, MA) (9 studies, 13%), Blender (Blender Foundation, Amsterdam, Nederland) (8 studies, 12%) en CURA (Geldemarsen, Nederland) (7 studies, 10%).
Er worden 67 verschillende printermodellen en vijf printprocessen genoemd. FDM-technologie (Fused Deposition Modeling) werd gebruikt in 26 producten (38%), materiaalstralen in 13 producten (19%) en ten slotte bindmiddelstralen (11 producten, 16%). De minst gebruikte technologieën zijn stereolithografie (SLA) (5 artikelen, 7%) en selectief lasersinteren (SLS) (4 artikelen, 6%). De meest gebruikte printer (7 artikelen, 10%) is de Connex 500 (Stratasys, Rehovot, Israël) [27, 30, 32, 36, 45, 62, 65].
Bij het specificeren van de materialen die gebruikt worden voor het maken van 3D-geprinte kunststoffen (51 artikelen, 75%), gebruikten 48 studies (71%) kunststoffen en hun derivaten. De belangrijkste gebruikte materialen waren PLA (polymelkzuur) (n = 20, 29%), hars (n = 9, 13%) en ABS (acrylonitril-butadieen-styreen) (7 soorten, 10%). 23 artikelen (34%) onderzochten 3D-geprinte kunststoffen gemaakt van meerdere materialen, 36 artikelen (53%) presenteerden 3D-geprinte kunststoffen gemaakt van slechts één materiaal en 9 artikelen (13%) specificeerden geen materiaal.
Negenentwintig artikelen (43%) rapporteerden printverhoudingen variërend van 0,25:1 tot 2:1, met een gemiddelde van 1:1. Vijfentwintig artikelen (37%) gebruikten een verhouding van 1:1. Achttien 3D-prints (41%) bestonden uit meerdere kleuren en negen (13%) werden na het printen geverfd [43, 46, 49, 54, 58, 59, 65, 69, 75].
Vierendertig artikelen (50%) vermeldden kosten. Negen artikelen (13%) vermeldden de kosten van 3D-printers en grondstoffen. Printers variëren in prijs van $302 tot $65.000. Indien gespecificeerd, variëren de modelprijzen van $1,25 tot $2.800; deze extremen corresponderen met skeletpreparaten [47] en zeer nauwkeurige retroperitoneale modellen [48]. Tabel 2 vat de modelgegevens voor elke opgenomen studie samen.
Zevenendertig studies (54%) vergeleken het 3D-model met een referentiemodel. In deze studies was de meest voorkomende vergelijkingsmaatstaf een anatomisch referentiemodel, gebruikt in 14 artikelen (38%), geplastineerde preparaten in 6 artikelen (16%) en geplastineerde preparaten in 6 artikelen (16%). Het gebruik van virtual reality, computertomografie (CT) in 5 artikelen (14%), een ander 3D-model in 3 artikelen (8%), serious games in 1 artikel (3%), röntgenfoto's in 1 artikel (3%), bedrijfsmodellen in 1 artikel (3%) en augmented reality in 1 artikel (3%) werd ook genoemd. Vierendertig (50%) studies beoordeelden het 3D-model. Vijftien (48%) studies beschreven de ervaringen van de beoordelaars (Tabel 3). 3DPAM werd uitgevoerd door chirurgen of behandelend artsen in 7 studies (47%), anatomische specialisten in 6 studies (40%), studenten in 3 studies (20%), docenten (discipline niet gespecificeerd) in 3 studies (20%) voor beoordeling en één extra beoordelaar in het artikel (7%). Het gemiddelde aantal beoordelaars is 14 (minimum 2, maximum 30). Drieëndertig studies (49%) beoordeelden de 3DPAM-morfologie kwalitatief en 10 studies (15%) beoordeelden de 3DPAM-morfologie kwantitatief. Van de 33 studies die kwalitatieve beoordelingen gebruikten, gebruikten 16 puur beschrijvende beoordelingen (48%), 9 tests/beoordelingen/enquêtes (27%) en 8 Likert-schalen (24%). Tabel 3 vat de morfologische beoordelingen van de modellen in elke opgenomen studie samen.
Drieëndertig (48%) artikelen onderzochten en vergeleken de effectiviteit van het onderwijzen van 3D-beeldvorming aan studenten. Van deze studies beoordeelden 23 (70%) artikelen de studenttevredenheid, 17 (51%) gebruikten Likert-schalen en 6 (18%) gebruikten andere methoden. Tweeëntwintig artikelen (67%) beoordeelden het leerproces van studenten door middel van kennistoetsen, waarvan 10 (30%) gebruik maakten van voor- en/of na-toetsen. Elf studies (33%) gebruikten meerkeuzevragen en -toetsen om de kennis van studenten te beoordelen, en vijf studies (15%) gebruikten beeldlabeling/anatomische identificatie. Gemiddeld namen 76 studenten deel aan elke studie (minimum 8, maximum 319). Vierentwintig studies (72%) hadden een controlegroep, waarvan 20 (60%) gebruik maakten van randomisatie. Daarentegen wees één studie (3%) willekeurig anatomische modellen toe aan 10 verschillende studenten. Gemiddeld werden 2,6 groepen vergeleken (minimum 2, maximum 10). Drieëntwintig studies (70%) betroffen geneeskundestudenten, waarvan 14 (42%) eerstejaars geneeskundestudenten. Zes (18%) studies betroffen artsen in opleiding, 4 (12%) tandheelkundestudenten en 3 (9%) studenten in de natuurwetenschappen. Zes studies (18%) implementeerden en evalueerden autonoom leren met behulp van 3DPAM. Tabel 4 vat de resultaten samen van de evaluatie van de effectiviteit van het 3DPAM-onderwijs voor elke opgenomen studie.
De belangrijkste voordelen van het gebruik van 3DPAM als leermiddel voor het onderwijzen van de normale menselijke anatomie, zoals gerapporteerd door de auteurs, zijn de visuele en tactiele kenmerken, waaronder realisme [55, 67], nauwkeurigheid [44, 50, 72, 85] en consistentievariabiliteit [34]. , 45, 48, 64], kleur en transparantie [28, 45], betrouwbaarheid [24, 56, 73], educatief effect [16, 32, 35, 39, 52, 57, 63, 69, 79], kosten [ 27, 41, 44, 45, 48, 51, 60, 64, 80, 81, 83], reproduceerbaarheid [80], mogelijkheid tot verbetering of personalisatie [28, 30, 36, 45, 48, 51, 53, 59, 61 , 67, 80], de mogelijkheid om studenten te manipuleren [30, 49], tijdsbesparing bij het lesgeven [61, 80], gemakkelijke opslag [61], de mogelijkheid om functionele anatomie te integreren of specifieke structuren te creëren [51, 53], 67], snelle ontwerp van modellen skelet [81], het vermogen om in samenwerking huismodellen te creëren en te gebruiken [49, 60, 71], verbeterde mentale rotatievaardigheden [23] en kennisbehoud [32], evenals de tevredenheid van de docent [25, 63] en de student [25, 63]. 45, 46, 52, 52, 57, 63, 66, 69, 84].
De belangrijkste nadelen hebben betrekking op het ontwerp: stijfheid [80], consistentie [28, 62], gebrek aan detail of transparantie [28, 30, 34, 45, 48, 62, 64, 81], te felle kleuren [45] en de kwetsbaarheid van de vloer [71]. Andere nadelen zijn onder meer informatieverlies [30, 76], de lange tijd die nodig is voor beeldsegmentatie [36, 52, 57, 58, 74], de printtijd [57, 63, 66, 67], gebrek aan anatomische variabiliteit [25] en hoge kosten [48].
Deze systematische review vat 68 artikelen samen die over een periode van 9 jaar zijn gepubliceerd en belicht de interesse van de wetenschappelijke gemeenschap in 3D-printen als hulpmiddel voor het onderwijzen van de normale menselijke anatomie. Elk anatomisch gebied werd bestudeerd en 3D-geprint. Van deze artikelen vergeleken 37 artikelen 3D-printen met andere modellen en 33 artikelen beoordeelden de pedagogische relevantie van 3D-printen voor studenten.
Gezien de verschillen in het ontwerp van anatomische 3D-printstudies, achtten we het niet gepast om een meta-analyse uit te voeren. Een meta-analyse die in 2020 werd gepubliceerd, richtte zich voornamelijk op anatomische kennistests na training, zonder de technische en technologische aspecten van 3DPAM-ontwerp en -productie te analyseren [10].
Het hoofdgebied is het meest bestudeerd, waarschijnlijk omdat de complexiteit van de anatomie het voor studenten moeilijker maakt om dit anatomische gebied in driedimensionale ruimte weer te geven dan de ledematen of de romp. CT is verreweg de meest gebruikte beeldvormingsmethode. Deze techniek wordt veel gebruikt, vooral in medische omgevingen, maar heeft een beperkte ruimtelijke resolutie en een laag contrast van zacht weefsel. Deze beperkingen maken CT-scans ongeschikt voor segmentatie en modellering van het zenuwstelsel. Aan de andere kant is computertomografie beter geschikt voor segmentatie/modellering van botweefsel; het contrast tussen bot en zacht weefsel helpt bij het voltooien van deze stappen vóór het 3D-printen van anatomische modellen. MicroCT wordt daarentegen beschouwd als de referentietechnologie wat betreft ruimtelijke resolutie bij botbeeldvorming [70]. Optische scanners of MRI kunnen ook worden gebruikt om beelden te verkrijgen. Een hogere resolutie voorkomt het gladmaken van botoppervlakken en behoudt de subtiliteit van anatomische structuren [59]. De keuze van het model beïnvloedt ook de ruimtelijke resolutie: plasticiteitsmodellen hebben bijvoorbeeld een lagere resolutie [45]. Grafisch ontwerpers moeten aangepaste 3D-modellen maken, wat de kosten verhoogt (25 tot 150 dollar per uur) [43]. Het verkrijgen van hoogwaardige .STL-bestanden is niet voldoende om hoogwaardige anatomische modellen te maken. Het is noodzakelijk om printparameters te bepalen, zoals de oriëntatie van het anatomische model op de printplaat [29]. Sommige auteurs suggereren dat geavanceerde printtechnologieën zoals SLS waar mogelijk gebruikt moeten worden om de nauwkeurigheid van 3D-geprinte anatomische modellen te verbeteren [38]. De productie van 3D-geprinte anatomische modellen vereist professionele hulp; de meest gevraagde specialisten zijn ingenieurs [72], radiologen [75], grafisch ontwerpers [43] en anatomen [25, 28, 51, 57, 76, 77].
Segmentatie- en modelleringssoftware zijn belangrijke factoren bij het verkrijgen van nauwkeurige anatomische modellen, maar de kosten en complexiteit van deze softwarepakketten belemmeren het gebruik ervan. Verschillende studies hebben het gebruik van verschillende softwarepakketten en printtechnologieën vergeleken en daarbij de voor- en nadelen van elke technologie belicht [68]. Naast modelleringssoftware is ook printsoftware nodig die compatibel is met de gekozen printer; sommige auteurs geven de voorkeur aan online 3D-printen [75]. Als er voldoende 3D-objecten worden geprint, kan de investering financieel rendement opleveren [72].
Kunststof is verreweg het meest gebruikte materiaal. De grote verscheidenheid aan texturen en kleuren maakt het tot het materiaal bij uitstek voor 3D-printen. Sommige auteurs hebben de hoge sterkte ervan geprezen in vergelijking met traditionele modellen van kadavers of platen [24, 56, 73]. Sommige kunststoffen hebben zelfs buig- of rekeigenschappen. Zo kan Filaflex met FDM-technologie tot 700% uitrekken. Sommige auteurs beschouwen het als het materiaal bij uitstek voor de replicatie van spieren, pezen en ligamenten [63]. Aan de andere kant hebben twee studies vragen opgeroepen over de vezeloriëntatie tijdens het printen. De oriëntatie, aanhechting, innervatie en functie van spiervezels zijn namelijk cruciaal bij spiermodellering [33].
Verrassend genoeg vermelden weinig studies de schaal van het afdrukken. Omdat veel mensen de 1:1-verhouding als standaard beschouwen, heeft de auteur er wellicht voor gekozen om dit niet te vermelden. Hoewel opschalen nuttig is voor gerichte lessen in grote groepen, is de haalbaarheid van opschalen nog niet goed onderzocht, vooral niet met het oog op groeiende klasgroottes en de fysieke grootte van het model als belangrijke factor. Natuurlijk maken schalen op ware grootte het gemakkelijker om verschillende anatomische elementen te lokaliseren en aan de patiënt uit te leggen, wat wellicht verklaart waarom ze vaak worden gebruikt.
Van de vele printers die op de markt verkrijgbaar zijn, kosten de printers die gebruikmaken van PolyJet-technologie (materiaalinkjet of bindmiddelinkjet) voor het printen in hoge resolutie, met kleuren en meerdere materialen (en dus meerdere texturen), tussen de 20.000 en 250.000 dollar (https://www.aniwaa.com/). Deze hoge kosten kunnen de promotie van 3D-printen in medische faculteiten beperken. Naast de kosten van de printer zelf, zijn de materiaalkosten voor inkjetprinten hoger dan voor SLA- of FDM-printers [68]. De prijzen voor SLA- of FDM-printers zijn ook betaalbaarder, variërend van 576 tot 4.999 euro in de artikelen die in dit overzicht worden genoemd. Volgens Tripodi en collega's kan elk skeletonderdeel worden geprint voor 1,25 dollar [47]. Elf onderzoeken concludeerden dat 3D-printen goedkoper is dan plasticering of commerciële modellen [24, 27, 41, 44, 45, 48, 51, 60, 63, 80, 81, 83]. Bovendien zijn deze commerciële modellen ontworpen om patiënteninformatie te verstrekken zonder voldoende details voor anatomieonderwijs [80]. Deze commerciële modellen worden als inferieur beschouwd aan 3D-geprinte anatomische modellen (3DPAM) [44]. Het is belangrijk op te merken dat, naast de gebruikte printtechnologie, de uiteindelijke kosten evenredig zijn met de schaal en dus de uiteindelijke grootte van het 3D-geprinte anatomische model [48]. Om deze redenen heeft de volledige schaal de voorkeur [37].
Slechts één onderzoek vergeleek 3DPAM met commercieel verkrijgbare anatomische modellen [72]. Cadavermodellen worden het meest gebruikt als vergelijkingsmateriaal voor 3DPAM. Ondanks hun beperkingen blijven cadavermodellen een waardevol hulpmiddel voor het onderwijzen van anatomie. Er moet onderscheid worden gemaakt tussen autopsie, dissectie en droge botten. Op basis van trainingstests toonden twee onderzoeken aan dat 3DPAM significant effectiever was dan dissectie met geplastineerde botten [16, 27]. Een onderzoek vergeleek een uur training met 3DPAM (onderste extremiteit) met een uur dissectie van hetzelfde anatomische gebied [78]. Er waren geen significante verschillen tussen de twee lesmethoden. Het is waarschijnlijk dat er weinig onderzoek naar dit onderwerp is gedaan omdat dergelijke vergelijkingen moeilijk te maken zijn. Dissectie is een tijdrovende voorbereiding voor studenten. Soms zijn tientallen uren voorbereiding nodig, afhankelijk van wat er geprepareerd wordt. Een derde vergelijking kan worden gemaakt met droge botten. Een onderzoek van Tsai en Smith toonde aan dat de testscores significant beter waren in de groep die 3DPAM gebruikte [51, 63]. Chen en collega's merkten op dat studenten die 3D-modellen gebruikten beter presteerden bij het identificeren van structuren (schedels), maar dat er geen verschil was in MCQ-scores [69]. Ten slotte toonden Tanner en collega's betere resultaten na de toets in deze groep aan met behulp van 3DPAM van de fossa pterygopalatina [46]. Andere nieuwe leermiddelen werden in dit literatuuronderzoek geïdentificeerd. De meest voorkomende zijn augmented reality, virtual reality en serious games [43]. Volgens Mahrous en collega's hangt de voorkeur voor anatomische modellen af van het aantal uren dat studenten videogames spelen [31]. Aan de andere kant is een belangrijk nadeel van nieuwe hulpmiddelen voor anatomieonderwijs haptische feedback, vooral bij puur virtuele hulpmiddelen [48].
De meeste onderzoeken die de nieuwe 3DPAM evalueren, hebben gebruikgemaakt van kennistoetsen. Deze toetsen helpen om vertekening in de beoordeling te voorkomen. Sommige auteurs sluiten, voordat ze experimentele studies uitvoeren, alle studenten uit die boven het gemiddelde scoorden op de voortoets [40]. Onder de vertekeningen die Garas en collega's noemden, waren de kleur van het model en de selectie van vrijwilligers in de studentenklas [61]. Kleuring vergemakkelijkt de identificatie van anatomische structuren. Chen en collega's stelden strikte experimentele omstandigheden vast zonder initiële verschillen tussen groepen en de studie was zoveel mogelijk geblindeerd [69]. Lim en collega's bevelen aan dat de posttestbeoordeling door een derde partij wordt uitgevoerd om vertekening in de beoordeling te voorkomen [16]. Sommige onderzoeken hebben Likert-schalen gebruikt om de haalbaarheid van 3DPAM te beoordelen. Dit instrument is geschikt voor het beoordelen van tevredenheid, maar er zijn nog steeds belangrijke vertekeningen waar men rekening mee moet houden [86].
De educatieve relevantie van 3D-printen werd voornamelijk beoordeeld onder geneeskundestudenten, waaronder eerstejaars geneeskundestudenten, in 14 van de 33 onderzoeken. In hun pilotstudie rapporteerden Wilk en collega's dat geneeskundestudenten van mening waren dat 3D-printen onderdeel moest uitmaken van hun anatomieonderwijs [87]. 87% van de studenten die werden ondervraagd in het onderzoek van Cercenelli was van mening dat het tweede studiejaar het beste moment was om 3D-printen te gebruiken [84]. De resultaten van Tanner en collega's lieten ook zien dat studenten beter presteerden als ze het vakgebied nog nooit hadden bestudeerd [46]. Deze gegevens suggereren dat het eerste jaar van de geneeskundeopleiding het optimale moment is om 3D-printen in het anatomieonderwijs te integreren. De meta-analyse van Ye ondersteunde dit idee [18]. In de 27 artikelen die in het onderzoek waren opgenomen, waren er significante verschillen in de prestaties van 3D-printen vergeleken met traditionele modellen bij geneeskundestudenten, maar niet bij artsen in opleiding.
3D-printen als leermiddel verbetert de academische prestaties [16, 35, 39, 52, 57, 63, 69, 79], het behoud van kennis op de lange termijn [32] en de tevredenheid van studenten [25, 45, 46, 52, 57, 63, 66, 69, 84]. Expertpanels vonden deze modellen ook nuttig [37, 42, 49, 81, 82], en twee studies toonden aan dat docenten tevreden waren met 3D-printen [25, 63]. Van alle bronnen beschouwen Backhouse en collega's 3D-printen als het beste alternatief voor traditionele anatomische modellen [49]. In hun eerste meta-analyse bevestigden Ye en collega's dat studenten die instructies met 3D-printen kregen, betere scores behaalden op de posttest dan studenten die instructies met 2D-modellen of kadavers kregen [10]. Ze maakten echter geen onderscheid tussen 3D-printen op basis van complexiteit, maar simpelweg op basis van het hart, het zenuwstelsel en de buikholte. In zeven onderzoeken presteerde 3DPAM niet beter dan andere modellen op basis van kennistoetsen die aan studenten werden afgenomen [32, 66, 69, 77, 78, 84]. In hun meta-analyse concludeerden Salazar en collega's dat het gebruik van 3DPAM specifiek het begrip van complexe anatomie verbetert [17]. Dit concept is consistent met de brief van Hitas aan de redactie [88]. Sommige anatomische gebieden die als minder complex worden beschouwd, vereisen geen gebruik van 3DPAM, terwijl complexere anatomische gebieden (zoals de nek of het zenuwstelsel) een logische keuze zouden zijn voor 3DPAM. Dit concept kan verklaren waarom sommige 3DPAM's niet als superieur aan traditionele modellen worden beschouwd, vooral wanneer studenten geen kennis hebben van het domein waar de prestaties van het model superieur blijken te zijn. Het presenteren van een eenvoudig model aan studenten die al enige kennis van het onderwerp hebben (medische studenten of artsen in opleiding) is dus niet nuttig om de prestaties van studenten te verbeteren.
Van alle genoemde educatieve voordelen benadrukten 11 studies de visuele of tactiele kwaliteiten van modellen [27,34,44,45,48,50,55,63,67,72,85], en 3 studies verbeterden de sterkte en duurzaamheid (33, 50-52, 63, 79, 85, 86). Andere voordelen zijn dat studenten de structuren kunnen manipuleren, docenten tijd kunnen besparen, ze gemakkelijker te bewaren zijn dan kadavers, het project binnen 24 uur kan worden voltooid, het kan worden gebruikt als hulpmiddel voor thuisonderwijs en het kan worden gebruikt om grote hoeveelheden informatie aan groepen te onderwijzen [30, 49, 60, 61, 80, 81]. Herhaaldelijk 3D-printen voor anatomieonderwijs op grote schaal maakt 3D-printmodellen kosteneffectiever [26]. Het gebruik van 3D-printen kan het vermogen tot mentale rotatie verbeteren [23] en de interpretatie van dwarsdoorsnedebeelden verbeteren [23, 32]. Uit twee onderzoeken bleek dat studenten die aan 3D-printen werden blootgesteld, een grotere kans hadden om een operatie te ondergaan [40, 74]. Metalen verbindingsstukken kunnen worden ingebouwd om de beweging te creëren die nodig is om functionele anatomie te bestuderen [51, 53], of modellen kunnen worden geprint met behulp van triggerontwerpen [67].
3D-printen maakt het mogelijk om aanpasbare anatomische modellen te creëren door bepaalde aspecten tijdens de modelleringsfase te verbeteren [48, 80], een geschikte basis te creëren [59], meerdere modellen te combineren [36], transparantie te gebruiken [49], kleur toe te passen [45] of bepaalde interne structuren zichtbaar te maken [30]. Tripodi en collega's gebruikten boetseerklei als aanvulling op hun 3D-geprinte botmodellen, waarbij ze de waarde van gezamenlijk gecreëerde modellen als leermiddelen benadrukten [47]. In 9 studies werd kleur aangebracht na het printen [43, 46, 49, 54, 58, 59, 65, 69, 75], maar studenten brachten het slechts één keer aan [49]. Helaas evalueerde de studie niet de kwaliteit van de modeltraining of de trainingsvolgorde. Dit zou in de context van anatomieonderwijs moeten worden overwogen, aangezien de voordelen van blended learning en co-creatie goed zijn aangetoond [89]. Om de groeiende reclameactiviteit het hoofd te bieden, is zelflerend vermogen al vaak gebruikt om modellen te evalueren [24, 26, 27, 32, 46, 69, 82].
Uit één onderzoek bleek dat de kleur van het plastic materiaal te fel was[45], uit een ander onderzoek bleek dat het model te fragiel was[71], en uit twee andere onderzoeken bleek dat er een gebrek aan anatomische variabiliteit was in het ontwerp van de individuele modellen[25, 45]. Zeven onderzoeken concludeerden dat de anatomische details van 3D-geprinte modellen onvoldoende zijn [28, 34, 45, 48, 62, 63, 81].
Voor meer gedetailleerde anatomische modellen van grote en complexe gebieden, zoals het retroperitoneum of de cervicale regio, wordt de tijd voor segmentatie en modellering als zeer lang beschouwd en zijn de kosten zeer hoog (ongeveer 2000 dollar) [27, 48]. Hojo en collega's rapporteerden in hun studie dat het maken van een anatomisch model van het bekken 40 uur duurde [42]. De langste segmentatietijd bedroeg 380 uur in een studie van Weatherall en collega's, waarin meerdere modellen werden gecombineerd om een compleet model van de luchtwegen van een kind te creëren [36]. In negen studies werden de segmentatie- en printtijd als nadelen beschouwd [36, 42, 57, 58, 74]. Twaalf studies bekritiseerden echter de fysieke eigenschappen van hun modellen, met name hun consistentie [28, 62], gebrek aan transparantie [30], fragiliteit en monochromaticiteit [71], gebrek aan zacht weefsel [66] of gebrek aan detail [28, 34]. [45, 48, 62, 63, 81]. Deze nadelen kunnen worden ondervangen door de segmentatie- of simulatietijd te verlengen. Het verliezen en terughalen van relevante informatie was een probleem waar drie teams mee te maken kregen [30, 74, 77]. Volgens patiëntenrapporten leverden gejodeerde contrastmiddelen geen optimale vasculaire zichtbaarheid op vanwege dosisbeperkingen [74]. Injectie in een cadavermodel lijkt een ideale methode die afwijkt van het principe van "zo min mogelijk" en de beperkingen van de geïnjecteerde dosis contrastmiddel.
Helaas vermelden veel artikelen enkele belangrijke kenmerken van 3D-printen niet. Minder dan de helft van de artikelen gaf expliciet aan of hun 3D-print getint was. De dekking van de printmogelijkheden was inconsistent (43% van de artikelen), en slechts 34% noemde het gebruik van meerdere media. Deze printparameters zijn cruciaal omdat ze de leereigenschappen van 3D-printen beïnvloeden. De meeste artikelen geven onvoldoende informatie over de complexiteit van het verkrijgen van 3D-printen (ontwerptijd, personeelskwalificaties, softwarekosten, printkosten, enz.). Deze informatie is essentieel en moet worden overwogen voordat men een project start om een nieuwe 3D-print te ontwikkelen.
Deze systematische review toont aan dat het ontwerpen en 3D-printen van normale anatomische modellen haalbaar is tegen lage kosten, met name bij gebruik van FDM- of SLA-printers en goedkope, effen plastic materialen. Deze basisontwerpen kunnen echter worden verbeterd door kleur toe te voegen of door ontwerpen in verschillende materialen te maken. Realistischere modellen (geprint met meerdere materialen in verschillende kleuren en texturen om de tactiele eigenschappen van een cadaverreferentiemodel zo goed mogelijk na te bootsen) vereisen duurdere 3D-printtechnologieën en langere ontwerptijden. Dit verhoogt de totale kosten aanzienlijk. Ongeacht het gekozen printproces is de juiste beeldvormingsmethode cruciaal voor het succes van 3D-printen. Hoe hoger de ruimtelijke resolutie, hoe realistischer het model wordt en hoe beter het geschikt is voor geavanceerd onderzoek. Vanuit pedagogisch oogpunt is 3D-printen een effectief hulpmiddel voor het onderwijzen van anatomie, zoals blijkt uit de kennistoetsen die aan studenten zijn afgenomen en hun tevredenheid. Het educatieve effect van 3D-printen is het grootst wanneer het complexe anatomische gebieden reproduceert en studenten het vroeg in hun medische opleiding gebruiken.
De datasets die in dit onderzoek zijn gegenereerd en/of geanalyseerd, zijn vanwege taalbarrières niet openbaar beschikbaar, maar kunnen op redelijk verzoek worden opgevraagd bij de corresponderende auteur.
Drake RL, Lowry DJ, Pruitt CM. Een overzicht van de vakken macroscopische anatomie, microanatomie, neurobiologie en embryologie in de curricula van Amerikaanse medische faculteiten. Anat Rec. 2002;269(2):118-22.
Ghosh SK. Cadaverdissectie als educatief hulpmiddel voor anatomische wetenschap in de 21e eeuw: Dissectie als educatief hulpmiddel. Analyse van wetenschapseducatie. 2017;10(3):286–99.
Geplaatst op: 1 november 2023