Dreidimensional gedruckte anatomische Modelle (3DPAMs) scheinen aufgrund ihres pädagogischen Werts und ihrer praktischen Anwendbarkeit ein geeignetes Werkzeug zu sein. Ziel dieses Reviews ist es, die Methoden zur Erstellung von 3DPAMs für den Anatomieunterricht zu beschreiben und zu analysieren sowie ihren pädagogischen Beitrag zu bewerten.
Es wurde eine elektronische Suche in PubMed mit folgenden Suchbegriffen durchgeführt: Bildung, Schule, Lernen, Lehre, Ausbildung, dreidimensional, 3D, 3-dimensional, Druck, Anatomie. Die Ergebnisse umfassten Studienmerkmale, Modelldesign, morphologische Beurteilung, pädagogische Leistung sowie Stärken und Schwächen.
Von den 68 ausgewählten Artikeln befassten sich die meisten Studien mit der Schädelregion (33 Artikel); 51 Artikel erwähnen den Knochendruck. In 47 Artikeln wurde 3DPAM auf Basis von Computertomographie entwickelt. Fünf Druckverfahren werden aufgeführt. In 48 Studien wurden Kunststoffe und deren Derivate verwendet. Die Preise der einzelnen Designs reichen von 1,25 $ bis 2.800 $. 37 Studien verglichen 3DPAM mit Referenzmodellen. 33 Artikel untersuchten pädagogische Aktivitäten. Zu den Hauptvorteilen zählen die visuelle und haptische Qualität, die Lerneffizienz, die Wiederholbarkeit, die Anpassbarkeit und Flexibilität, die Zeitersparnis, die Integration der funktionellen Anatomie, die verbesserte mentale Rotationsfähigkeit, die Wissensspeicherung und die Zufriedenheit von Lehrenden und Lernenden. Die Hauptnachteile sind designbedingt: Inkonsistenz, mangelnde Detailgenauigkeit oder Transparenz, zu helle Farben, lange Druckzeiten und hohe Kosten.
Diese systematische Übersichtsarbeit zeigt, dass 3D-Druck (3DPAM) kosteneffektiv und wirksam für den Anatomieunterricht ist. Realistischere Modelle erfordern jedoch teurere 3D-Drucktechnologien und längere Entwicklungszeiten, was die Gesamtkosten deutlich erhöht. Entscheidend ist die Wahl des geeigneten Bildgebungsverfahrens. Aus pädagogischer Sicht ist 3DPAM ein effektives Werkzeug für den Anatomieunterricht mit positiven Auswirkungen auf Lernergebnisse und Zufriedenheit. Der Lerneffekt von 3DPAM ist am größten, wenn komplexe anatomische Regionen abgebildet werden und Studierende es früh in ihrer medizinischen Ausbildung einsetzen.
Die Sektion von Tierkadavern wird seit dem antiken Griechenland durchgeführt und ist eine der wichtigsten Methoden im Anatomieunterricht. Leichensektionen im Rahmen der praktischen Ausbildung sind Bestandteil des theoretischen Curriculums von Medizinstudierenden und gelten aktuell als Goldstandard des Anatomiestudiums [1,2,3,4,5]. Die Verwendung menschlicher Leichenpräparate ist jedoch mit zahlreichen Hürden verbunden, was die Suche nach neuen Lehrmitteln vorantreibt [6,7]. Zu diesen neuen Werkzeugen zählen Augmented Reality, digitale Werkzeuge und 3D-Druck. Laut einer aktuellen Literaturübersicht von Santos et al. [8] erweist sich der 3D-Druck hinsichtlich des Nutzens dieser neuen Technologien für den Anatomieunterricht als eine der wichtigsten Ressourcen, sowohl in Bezug auf den pädagogischen Wert für Studierende als auch auf die praktische Umsetzbarkeit [4,9,10].
Der 3D-Druck ist nicht neu. Die ersten Patente zu dieser Technologie stammen aus dem Jahr 1984: A. Le Méhauté, O. De Witte und J. C. André in Frankreich und drei Wochen später C. Hull in den USA. Seitdem hat sich die Technologie stetig weiterentwickelt und findet in vielen Bereichen Anwendung. So druckte die NASA beispielsweise 2014 das erste Objekt außerhalb der Erde [11]. Auch die Medizin hat dieses neue Verfahren übernommen und damit den Wunsch nach personalisierter Medizin verstärkt [12].
Zahlreiche Autoren haben die Vorteile des Einsatzes von 3D-gedruckten anatomischen Modellen (3DPAM) in der medizinischen Ausbildung aufgezeigt [10, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]. Für den Anatomieunterricht werden nicht-pathologische und anatomisch normale Modelle benötigt. Einige Übersichtsarbeiten befassten sich mit pathologischen oder medizinisch-chirurgischen Trainingsmodellen [8, 20, 21]. Um ein hybrides Modell für den Anatomieunterricht zu entwickeln, das neue Werkzeuge wie den 3D-Druck integriert, führten wir eine systematische Übersichtsarbeit durch. Ziel war es, zu beschreiben und zu analysieren, wie 3D-gedruckte Objekte für den Anatomieunterricht erstellt werden und wie Studierende die Effektivität des Lernens mit diesen 3D-Objekten bewerten.
Diese systematische Literaturrecherche wurde im Juni 2022 ohne zeitliche Einschränkungen unter Anwendung der PRISMA-Richtlinien (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses) [22] durchgeführt.
Einschlusskriterium waren alle Forschungsarbeiten, die 3D-Digitale Mikroskopie (3DPAM) im Anatomieunterricht einsetzten. Literaturübersichten, Leserbriefe und Artikel zu pathologischen, tierischen, archäologischen oder medizinisch-chirurgischen Modellen wurden ausgeschlossen. Es wurden ausschließlich englischsprachige Artikel berücksichtigt. Artikel ohne verfügbare Online-Abstracts wurden ebenfalls ausgeschlossen. Artikel mit mehreren Modellen, von denen mindestens eines anatomisch unauffällig war oder nur geringfügige pathologische Veränderungen aufwies, die den didaktischen Wert nicht beeinträchtigten, wurden eingeschlossen.
Es wurde eine Literaturrecherche in der elektronischen Datenbank PubMed (National Library of Medicine, NCBI) durchgeführt, um relevante Studien zu identifizieren, die bis Juni 2022 veröffentlicht wurden. Verwenden Sie die folgenden Suchbegriffe: Bildung, Schule, Lehre, Lernen, dreidimensional, 3D, 3D, Druck, Anatomie, Anatomie und Anatomie. Es wurde eine einzelne Suchanfrage ausgeführt: (((education[Title/Abstract] OR school[Title/Abstract] ORlearning[Title/Abstract] OR teaching[Title/Abstract] OR training[Title/Abstract] OReach[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]). Weitere Artikel wurden durch manuelle Suche in der PubMed-Datenbank und durch Durchsicht der Literaturverzeichnisse anderer wissenschaftlicher Artikel identifiziert. Es wurden keine Datumsbeschränkungen angewendet, jedoch der Filter „Person“ verwendet.
Alle gefundenen Titel und Abstracts wurden von zwei Autoren (EBR und AL) anhand der Ein- und Ausschlusskriterien geprüft. Studien, die nicht alle Kriterien erfüllten, wurden ausgeschlossen. Die Volltexte der verbleibenden Studien wurden von drei Autoren (EBR, EBE und AL) begutachtet. Bei Unstimmigkeiten in der Artikelauswahl wurde gegebenenfalls eine vierte Person (LT) hinzugezogen. Publikationen, die alle Einschlusskriterien erfüllten, wurden in diese Übersichtsarbeit aufgenommen.
Die Datenextraktion wurde von zwei Autoren (EBR und AL) unabhängig voneinander unter der Aufsicht eines dritten Autors (LT) durchgeführt.
- Modelldesigndaten: anatomische Regionen, spezifische anatomische Teile, Ausgangsmodell für den 3D-Druck, Erfassungsmethode, Segmentierungs- und Modellierungssoftware, 3D-Druckertyp, Materialart und -menge, Druckmaßstab, Farbe, Druckkosten.
- Morphologische Beurteilung der Modelle: zum Vergleich verwendete Modelle, medizinische Beurteilung durch Experten/Lehrer, Anzahl der Gutachter, Art der Beurteilung.
- Unterrichtsmodell für 3D-Modelle: Beurteilung des Wissensstands der Schüler, Beurteilungsmethode, Anzahl der Schüler, Anzahl der Vergleichsgruppen, Randomisierung der Schüler, Bildungsstand/Schülertyp.
In MEDLINE wurden 418 Studien identifiziert, von denen 139 aufgrund des Filters „Humanstudien“ ausgeschlossen wurden. Nach Sichtung von Titeln und Abstracts wurden 103 Studien für die Volltextanalyse ausgewählt. 34 Artikel wurden ausgeschlossen, da es sich entweder um pathologische Modelle (9 Artikel), medizinisch-chirurgische Trainingsmodelle (4 Artikel), Tiermodelle (4 Artikel), radiologische 3D-Modelle (1 Artikel) oder nicht um Originalarbeiten (16 Kapitel) handelte. Insgesamt wurden 68 Artikel in die Übersichtsarbeit aufgenommen. Abbildung 1 veranschaulicht den Auswahlprozess als Flussdiagramm.
Flussdiagramm zur Zusammenfassung der Identifizierung, Prüfung und Einbeziehung von Artikeln in diese systematische Übersichtsarbeit
Alle Studien wurden zwischen 2014 und 2022 veröffentlicht, das durchschnittliche Publikationsjahr war 2019. Von den 68 eingeschlossenen Artikeln waren 33 (49 %) deskriptiv und experimentell, 17 (25 %) rein experimentell und 18 (26 %) rein deskriptiv. Von den 50 (73 %) experimentellen Studien verwendeten 21 (31 %) eine Randomisierung. Nur 34 Studien (50 %) enthielten statistische Analysen. Tabelle 1 fasst die Merkmale der einzelnen Studien zusammen.
33 Artikel (48 %) befassten sich mit dem Kopfbereich, 19 Artikel (28 %) mit dem Thoraxbereich, 17 Artikel (25 %) mit dem Abdomen-Becken-Bereich und 15 Artikel (22 %) mit den Extremitäten. 51 Artikel (75 %) erwähnten 3D-gedruckte Knochen als anatomische Modelle oder mehrschichtige anatomische Modelle.
Bezüglich der zur Entwicklung von 3DPAM verwendeten Quellmodelle oder -dateien erwähnten 23 Artikel (34 %) die Verwendung von Patientendaten, 20 Artikel (29 %) die Verwendung von Leichendaten und 17 Artikel (25 %) die Verwendung von Datenbanken. In 7 Studien (10 %) wurde die Quelle der verwendeten Dokumente nicht offengelegt.
47 Studien (69 %) entwickelten 3D-basiertes 3D-Modellieren (3DPAM) auf Basis von Computertomographie, 3 Studien (4 %) berichteten über die Verwendung von Mikro-Computertomographie (µCT). 7 Artikel (10 %) projizierten 3D-Objekte mithilfe optischer Scanner, 4 Artikel (6 %) mithilfe von Magnetresonanztomographie (MRT) und 1 Artikel (1 %) mithilfe von Kameras und Mikroskopen. 14 Artikel (21 %) machten keine Angaben zur Quelle der 3D-Modelldateien. Die 3D-Dateien werden mit einer durchschnittlichen räumlichen Auflösung von unter 0,5 mm erstellt. Die optimale Auflösung beträgt 30 µm [80], die maximale Auflösung 1,5 mm [32].
Es wurden 60 verschiedene Softwareanwendungen (Segmentierung, Modellierung, Design oder Druck) eingesetzt. Mimics (Materialise, Leuven, Belgien) wurde am häufigsten verwendet (14 Studien, 21 %), gefolgt von MeshMixer (Autodesk, San Rafael, CA) (13 Studien, 19 %), Geomagic (3D Systems, Leesville, MO, NC) (10 Studien, 15 %), 3D Slicer (Slicer Developer Training, Boston, MA) (9 Studien, 13 %), Blender (Blender Foundation, Amsterdam, Niederlande) (8 Studien, 12 %) und CURA (Geldemarsen, Niederlande) (7 Studien, 10 %).
Es werden 67 verschiedene Druckermodelle und fünf Druckverfahren erwähnt. Die FDM-Technologie (Fused Deposition Modeling) kam bei 26 Produkten (38 %) zum Einsatz, das Materialstrahlen bei 13 Produkten (19 %) und das Binderstrahlen bei 11 Produkten (16 %). Am seltensten wurden Stereolithographie (SLA) (5 Artikel, 7 %) und selektives Lasersintern (SLS) (4 Artikel, 6 %) verwendet. Der am häufigsten eingesetzte Drucker (7 Artikel, 10 %) ist der Connex 500 (Stratasys, Rehovot, Israel) [27, 30, 32, 36, 45, 62, 65].
Bei der Spezifizierung der für die Herstellung von 3D-gedruckten amorphen Materialien (3DPAM) verwendeten 48 Studien (71 %) Kunststoffe und deren Derivate. Die am häufigsten verwendeten Materialien waren PLA (Polymilchsäure) (n = 20, 29 %), Harz (n = 9, 13 %) und ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) (7 Typen, 10 %). 23 Artikel (34 %) untersuchten 3DPAM aus mehreren Materialien, 36 Artikel (53 %) stellten 3DPAM aus nur einem Material vor, und 9 Artikel (13 %) machten keine Materialangaben.
Neunundzwanzig Artikel (43 %) berichteten über Druckverhältnisse von 0,25:1 bis 2:1 mit einem Durchschnitt von 1:1. Fünfundzwanzig Artikel (37 %) verwendeten ein Verhältnis von 1:1. 28 3DPAMs (41 %) bestanden aus mehreren Farben, und 9 (13 %) wurden nach dem Drucken eingefärbt [43, 46, 49, 54, 58, 59, 65, 69, 75].
In 34 Artikeln (50 %) wurden die Kosten erwähnt. Neun Artikel (13 %) nannten die Kosten für 3D-Drucker und Rohmaterialien. Die Preise für Drucker reichen von 302 $ bis 65.000 $. Die Modellpreise, sofern angegeben, liegen zwischen 1,25 $ und 2.800 $; diese Extremwerte beziehen sich auf Skelettpräparate [47] und hochpräzise retroperitoneale Modelle [48]. Tabelle 2 fasst die Modelldaten der einzelnen Studien zusammen.
Siebenunddreißig Studien (54 %) verglichen das 3D-Atommodell mit einem Referenzmodell. Am häufigsten wurde dabei ein anatomisches Referenzmodell verwendet (14 Artikel, 38 %), gefolgt von plastinierten Präparaten (6 Artikel, 16 %). Weitere verwendete Technologien waren Virtual Reality, Computertomographie (CT) mit einem 3D-Atommodell (5 Artikel, 14 %), ein anderes 3D-Atommodell (3 Artikel, 8 %), Serious Games (1 Artikel, 3 %), Röntgenaufnahmen (1 Artikel, 3 %), Geschäftsmodelle (1 Artikel, 3 %) und Augmented Reality (1 Artikel, 3 %). Vierunddreißig Studien (50 %) bewerteten das 3D-Atommodell. Fünfzehn Studien (48 %) beschrieben die Erfahrungen der Beurteiler detailliert (Tabelle 3). Die 3D-Polymorphologie-Angiographie (3DPAM) wurde in 7 Studien (47 %) von Chirurgen oder Oberärzten, in 6 Studien (40 %) von Anatomen, in 3 Studien (20 %) von Studierenden, in 3 Studien (20 %) von Lehrenden (Fachrichtung nicht spezifiziert) und in 7 % der Studien von einem weiteren Gutachter durchgeführt. Die durchschnittliche Anzahl der Gutachter betrug 14 (Minimum 2, Maximum 30). In 33 Studien (49 %) wurde die 3DPAM-Morphologie qualitativ und in 10 Studien (15 %) quantitativ beurteilt. Von den 33 Studien mit qualitativen Beurteilungen verwendeten 16 rein deskriptive Methoden (48 %), 9 Tests/Bewertungen/Umfragen (27 %) und 8 Likert-Skalen (24 %). Tabelle 3 fasst die morphologischen Beurteilungen der Modelle in den einzelnen Studien zusammen.
Dreiunddreißig (48 %) der Artikel untersuchten und verglichen die Effektivität des 3D-Druckmodellierens im Unterricht. Von diesen Studien erfassten 23 (70 %) die Studentenzufriedenheit, 17 (51 %) verwendeten Likert-Skalen und 6 (18 %) andere Methoden. Zweiundzwanzig Artikel (67 %) evaluierten den Lernerfolg durch Wissenstests, davon 10 (30 %) mit Vor- und/oder Nachtests. Elf Studien (33 %) nutzten Multiple-Choice-Fragen und -Tests zur Wissensüberprüfung, und fünf Studien (15 %) verwendeten Bildbeschriftung/anatomische Identifizierung. Im Durchschnitt nahmen 76 Studierende pro Studie teil (Minimum 8, Maximum 319). Vierundzwanzig Studien (72 %) hatten eine Kontrollgruppe, davon 20 (60 %) mit Randomisierung. In einer Studie (3 %) wurden die anatomischen Modelle hingegen zufällig 10 verschiedenen Studierenden zugeteilt. Im Durchschnitt wurden 2,6 Gruppen verglichen (Minimum 2, Maximum 10). Dreiundzwanzig Studien (70 %) bezogen Medizinstudierende ein, davon 14 (42 %) im ersten Studienjahr. Sechs Studien (18 %) umfassten Assistenzärzte, vier (12 %) Zahnmedizinstudierende und drei (9 %) Studierende der Naturwissenschaften. Sechs Studien (18 %) implementierten und evaluierten autonomes Lernen mithilfe von 3DPAM. Tabelle 4 fasst die Ergebnisse der Bewertung der Lehrwirksamkeit von 3DPAM für jede eingeschlossene Studie zusammen.
Die von den Autoren genannten Hauptvorteile der Verwendung von 3DPAM als Lehrmittel für die normale menschliche Anatomie sind visuelle und taktile Eigenschaften, darunter Realismus [55, 67], Genauigkeit [44, 50, 72, 85] und Konsistenzvariabilität [34, 45]. , 48, 64], Farbe und Transparenz [28, 45], Haltbarkeit [24, 56, 73], pädagogischer Effekt [16, 32, 35, 39, 52, 57, 63, 69, 79], Kosten [27, 41, 44, 45, 48, 51, 60, 64, 80, 81, 83], Reproduzierbarkeit [80], Möglichkeit der Verbesserung oder Personalisierung [28, 30, 36, 45, 48, 51, 53, 59, 61, 67, 80], die Möglichkeit der Manipulation von Schülern [30, 49], Zeitersparnis im Unterricht [61, 80], einfache Lagerung [61], die Möglichkeit der Integration funktioneller Anatomie oder der Erstellung spezifischer Strukturen [51, 53, 67], schnelles Design von Skelettmodelle [ 81 ], die Möglichkeit, Modelle gemeinsam zu erstellen und mit nach Hause zu nehmen [49, 60, 71 ], die Verbesserung der mentalen Rotationsfähigkeit [23 ] und des Wissenserhalts [32 ] sowie die Zufriedenheit der Lehrenden [25, 63 ] und der Studierenden [25, 45, 46, 52, 52, 57, 63, 66, 69, 84 ].
Die Hauptnachteile sind designbedingt: Starrheit [80], mangelnde Konsistenz [28, 62], fehlende Details oder Transparenz [28, 30, 34, 45, 48, 62, 64, 81], zu helle Farben [45] und die Empfindlichkeit des Untergrunds [71]. Weitere Nachteile sind Informationsverlust [30, 76], lange Zeit für die Bildsegmentierung [36, 52, 57, 58, 74], lange Druckzeiten [57, 63, 66, 67], mangelnde anatomische Variabilität [25] und hohe Kosten [48].
Diese systematische Übersichtsarbeit fasst 68 Artikel aus neun Jahren zusammen und unterstreicht das Interesse der wissenschaftlichen Gemeinschaft an 3D-gedruckten Modellen (3DPAM) als Lehrmittel für die menschliche Anatomie. Jede anatomische Region wurde untersucht und 3D-gedruckt. 37 dieser Artikel verglichen 3DPAM mit anderen Modellen, und 33 Artikel bewerteten die pädagogische Relevanz von 3DPAM für Studierende.
Aufgrund der unterschiedlichen Studiendesigns anatomischer 3D-Druckstudien hielten wir eine Metaanalyse für unangebracht. Eine 2020 veröffentlichte Metaanalyse konzentrierte sich hauptsächlich auf anatomische Wissenstests nach Schulungen, ohne die technischen und technologischen Aspekte von 3D-Druck- und -Produktionsprozessen zu analysieren [10].
Die Kopfregion ist am häufigsten untersucht, vermutlich weil die komplexe Anatomie es Studierenden erschwert, diese Region im dreidimensionalen Raum darzustellen, im Vergleich zu den Extremitäten oder dem Rumpf. Die Computertomographie (CT) ist mit Abstand das am häufigsten verwendete Bildgebungsverfahren. Diese Technik findet breite Anwendung, insbesondere im medizinischen Bereich, weist jedoch eine begrenzte räumliche Auflösung und einen geringen Weichteilkontrast auf. Aufgrund dieser Einschränkungen eignen sich CT-Scans nicht für die Segmentierung und Modellierung des Nervensystems. Die Computertomographie ist hingegen besser für die Segmentierung und Modellierung von Knochengewebe geeignet; der Knochen-Weichteilkontrast erleichtert diese Schritte vor dem 3D-Druck anatomischer Modelle. Die Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) gilt hinsichtlich der räumlichen Auflösung in der Knochenbildgebung als Referenztechnologie [70]. Optische Scanner oder Magnetresonanztomographie (MRT) können ebenfalls zur Bildgebung eingesetzt werden. Eine höhere Auflösung verhindert die Glättung von Knochenoberflächen und erhält die Feinheiten anatomischer Strukturen [59]. Auch die Wahl des Modells beeinflusst die räumliche Auflösung: Beispielsweise weisen plastifizierte Modelle eine geringere Auflösung auf [45]. Grafikdesigner müssen individuelle 3D-Modelle erstellen, was die Kosten erhöht (25 bis 150 US-Dollar pro Stunde) [43]. Hochwertige STL-Dateien allein reichen nicht aus, um qualitativ hochwertige anatomische Modelle zu erstellen. Es ist notwendig, Druckparameter wie die Ausrichtung des anatomischen Modells auf der Druckplatte festzulegen [29]. Einige Autoren empfehlen, nach Möglichkeit fortschrittliche Drucktechnologien wie SLS einzusetzen, um die Genauigkeit von 3DPAM zu verbessern [38]. Die Herstellung von 3DPAM erfordert professionelle Unterstützung; besonders gefragt sind Ingenieure [72], Radiologen [75], Grafikdesigner [43] und Anatomen [25, 28, 51, 57, 76, 77].
Segmentierungs- und Modellierungssoftware sind wichtige Faktoren für die Erstellung präziser anatomischer Modelle. Die Kosten und die Komplexität dieser Softwarepakete schränken jedoch deren Einsatz ein. Mehrere Studien haben verschiedene Softwarepakete und Drucktechnologien verglichen und deren Vor- und Nachteile herausgearbeitet [68]. Neben der Modellierungssoftware wird auch eine mit dem gewählten Drucker kompatible Drucksoftware benötigt; einige Autoren bevorzugen den Online-3D-Druck [75]. Bei einer ausreichenden Anzahl gedruckter 3D-Objekte kann sich die Investition finanziell rentieren [72].
Kunststoff ist mit Abstand das am häufigsten verwendete Material. Seine große Auswahl an Texturen und Farben macht ihn zum bevorzugten Material für 3D-Druck. Einige Autoren loben seine hohe Festigkeit im Vergleich zu traditionellen Leichen- oder Plastinationsmodellen [24, 56, 73]. Manche Kunststoffe sind sogar biegsam oder dehnbar. Filaflex beispielsweise kann mit FDM-Technologie um bis zu 700 % gedehnt werden. Einige Autoren halten ihn für das Material der Wahl zur Nachbildung von Muskeln, Sehnen und Bändern [63]. Andererseits haben zwei Studien Fragen zur Faserorientierung während des Druckvorgangs aufgeworfen. Tatsächlich sind Muskelfaserorientierung, -ansatz, -innervation und -funktion entscheidend für die Muskelmodellierung [33].
Überraschenderweise erwähnen nur wenige Studien den Maßstab des Drucks. Da viele das Verhältnis 1:1 als Standard betrachten, hat der Autor dies möglicherweise bewusst weggelassen. Obwohl eine Vergrößerung für gezieltes Lernen in großen Gruppen hilfreich wäre, wurde die Machbarkeit einer solchen Vergrößerung bisher nicht untersucht, insbesondere angesichts wachsender Klassengrößen und der Bedeutung der physischen Größe des Modells. Selbstverständlich erleichtern Modelle in Originalgröße das Auffinden und Vermitteln verschiedener anatomischer Elemente an den Patienten, was ihre häufige Verwendung erklären mag.
Von den zahlreichen auf dem Markt erhältlichen Druckern kosten diejenigen, die PolyJet-Technologie (Material- oder Binder-Tintenstrahldruck) für farbigen und mehrschichtigen (und damit multitexturierten) hochauflösenden Druck nutzen, zwischen 20.000 und 250.000 US-Dollar (https://www.aniwaa.com/). Diese hohen Kosten könnten die Verbreitung von 3DPAM an medizinischen Fakultäten einschränken. Zusätzlich zu den Druckerkosten sind die Materialkosten für den Tintenstrahldruck höher als für SLA- oder FDM-Drucker [68]. SLA- oder FDM-Drucker sind zudem günstiger und liegen laut den in diesem Review aufgeführten Artikeln zwischen 576 € und 4.999 €. Tripodi et al. zufolge kann jedes Skelettteil für 1,25 US-Dollar gedruckt werden [47]. Elf Studien kamen zu dem Schluss, dass 3D-Druck kostengünstiger ist als die Verwendung von Kunststoff oder kommerziellen Modellen [24, 27, 41, 44, 45, 48, 51, 60, 63, 80, 81, 83]. Darüber hinaus sind diese kommerziellen Modelle zwar für die Patienteninformation konzipiert, bieten aber nicht genügend Details für den Anatomieunterricht [80]. Sie gelten daher als dem 3D-Druckmodell unterlegen [44]. Es ist anzumerken, dass die Endkosten neben der verwendeten Drucktechnologie auch proportional zum Maßstab und somit zur endgültigen Größe des 3D-Druckmodells sind [48]. Aus diesen Gründen wird die Verwendung eines Modells in Originalgröße bevorzugt [37].
Nur eine Studie verglich 3D-Digitale Partikelmodellierung (3DPAM) mit kommerziell erhältlichen anatomischen Modellen [72]. Leichenpräparate sind der am häufigsten verwendete Vergleichsmaßstab für 3DPAM. Trotz ihrer Einschränkungen bleiben Leichenmodelle ein wertvolles Hilfsmittel im Anatomieunterricht. Es muss zwischen Autopsie, Dissektion und Trockenknochen unterschieden werden. Zwei Studien zeigten anhand von Trainingstests, dass 3DPAM deutlich effektiver war als die Dissektion mit plastinierten Knochen [16, 27]. Eine Studie verglich eine Stunde Training mit 3DPAM (untere Extremität) mit einer Stunde Dissektion derselben anatomischen Region [78]. Es zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Lehrmethoden. Wahrscheinlich gibt es zu diesem Thema wenig Forschung, da solche Vergleiche schwierig durchzuführen sind. Die Dissektion ist eine zeitaufwändige Vorbereitung für Studierende. Je nach Präparat sind mitunter Dutzende von Stunden Vorbereitung nötig. Ein dritter Vergleich kann mit Trockenknochen angestellt werden. Eine Studie von Tsai und Smith ergab, dass die Testergebnisse in der Gruppe, die 3DPAM nutzte, signifikant besser waren [51, 63]. Chen und Kollegen stellten fest, dass Studierende, die 3D-Modelle nutzten, bei der Identifizierung von Strukturen (Schädeln) besser abschnitten, es jedoch keinen Unterschied in den MCQ-Ergebnissen gab [69]. Tanner und Kollegen zeigten schließlich bessere Ergebnisse im Nachtest in dieser Gruppe mit 3DPAM der Fossa pterygopalatina [46]. Weitere neue Lehrmittel wurden in dieser Literaturübersicht identifiziert. Zu den gängigsten zählen Augmented Reality, Virtual Reality und Serious Games [43]. Laut Mahrous und Kollegen hängt die Präferenz für anatomische Modelle von der Anzahl der Stunden ab, die Studierende mit Videospielen verbringen [31]. Ein wesentlicher Nachteil neuer Anatomie-Lehrmittel ist jedoch das fehlende haptische Feedback, insbesondere bei rein virtuellen Werkzeugen [48].
Die meisten Studien zur Evaluierung des neuen 3DPAM-Verfahrens verwendeten Vortests. Diese Vortests tragen dazu bei, Verzerrungen in der Bewertung zu vermeiden. Einige Autoren schlossen vor der Durchführung experimenteller Studien alle Studierenden aus, die im Vortest überdurchschnittlich abschnitten [40]. Zu den von Garas et al. genannten Verzerrungen zählten die Farbe des Modells und die Auswahl der Probanden in der Studierendengruppe [61]. Die Färbung erleichtert die Identifizierung anatomischer Strukturen. Chen et al. etablierten strenge experimentelle Bedingungen ohne anfängliche Unterschiede zwischen den Gruppen, und die Studie wurde so weit wie möglich verblindet durchgeführt [69]. Lim et al. empfehlen, die Bewertung nach dem Test von einer dritten Person durchführen zu lassen, um Verzerrungen in der Bewertung zu vermeiden [16]. Einige Studien verwendeten Likert-Skalen zur Beurteilung der Machbarkeit von 3DPAM. Dieses Instrument eignet sich zur Messung der Zufriedenheit, birgt aber dennoch wichtige Verzerrungspotenziale, die beachtet werden müssen [86].
Die pädagogische Relevanz von 3D-Druckmodellen (3DPAM) wurde in 14 von 33 Studien primär bei Medizinstudierenden, einschließlich Erstsemestern, untersucht. In ihrer Pilotstudie berichteten Wilk et al., dass Medizinstudierende die Integration des 3D-Drucks in den Anatomieunterricht befürworteten [87]. 87 % der in der Cercenelli-Studie befragten Studierenden hielten das zweite Studienjahr für den optimalen Zeitpunkt für den Einsatz von 3DPAM [84]. Auch die Ergebnisse von Tanner et al. zeigten, dass Studierende bessere Leistungen erzielten, wenn sie sich zuvor noch nicht mit diesem Gebiet befasst hatten [46]. Diese Daten legen nahe, dass das erste Studienjahr der optimale Zeitpunkt für die Integration von 3DPAM in den Anatomieunterricht ist. Yes Metaanalyse bestätigte diese Annahme [18]. In den 27 in die Studie einbezogenen Artikeln zeigten sich signifikante Unterschiede in den Testergebnissen zwischen 3DPAM und traditionellen Modellen für Medizinstudierende, nicht jedoch für Assistenzärzte.
3D-gedruckte anatomische Modelle (3DPAM) als Lernwerkzeug verbessern den akademischen Erfolg [16, 35, 39, 52, 57, 63, 69, 79], den langfristigen Wissenserhalt [32] und die Zufriedenheit der Studierenden [25, 45, 46, 52, 57, 63, 66, 69, 84]. Expertengremien bewerteten diese Modelle ebenfalls als nützlich [37, 42, 49, 81, 82], und zwei Studien belegten die Zufriedenheit von Lehrenden mit 3DPAM [25, 63]. Backhouse et al. sehen im 3D-Druck die beste Alternative zu traditionellen anatomischen Modellen [49]. In ihrer ersten Metaanalyse bestätigten Ye et al., dass Studierende, die mit 3DPAM arbeiteten, bessere Testergebnisse erzielten als Studierende, die mit 2D-Modellen oder Leichenpräparaten arbeiteten [10]. Sie differenzierten 3DPAM jedoch nicht nach Komplexität, sondern lediglich nach Herz, Nervensystem und Bauchhöhle. In sieben Studien schnitt 3DPAM im Vergleich zu anderen Modellen in Wissenstests mit Studierenden nicht besser ab [32, 66, 69, 77, 78, 84]. Salazar et al. kamen in ihrer Metaanalyse zu dem Schluss, dass die Verwendung von 3DPAM insbesondere das Verständnis komplexer Anatomie verbessert [17]. Diese Annahme deckt sich mit Hitas' Leserbrief [88]. Für weniger komplexe anatomische Bereiche ist der Einsatz von 3DPAM nicht erforderlich, während komplexere Bereiche (wie Hals oder Nervensystem) eine sinnvolle Wahl für 3DPAM darstellen. Dies erklärt möglicherweise, warum manche 3DPAMs nicht als überlegen gegenüber traditionellen Modellen gelten, insbesondere wenn Studierenden Kenntnisse in dem Bereich fehlen, in dem die Modellleistung überlegen ist. Daher ist es nicht hilfreich, Studierenden mit Vorkenntnissen (z. B. Medizinstudierenden oder Assistenzärzten) ein einfaches Modell zu präsentieren, um ihre Leistungen zu verbessern.
Von allen aufgeführten pädagogischen Vorteilen hoben elf Studien die visuellen oder taktilen Qualitäten der Modelle hervor [27, 34, 44, 45, 48, 50, 55, 63, 67, 72, 85], und drei Studien verbesserten Festigkeit und Haltbarkeit (33, 50–52, 63, 79, 85, 86). Weitere Vorteile sind die Möglichkeit für Schüler, die Strukturen zu manipulieren, die Zeitersparnis für Lehrkräfte, die einfachere Konservierung im Vergleich zu Leichen, die Möglichkeit, das Projekt innerhalb von 24 Stunden abzuschließen, die Eignung als Hilfsmittel für den Heimunterricht und die Möglichkeit, große Informationsmengen zu vermitteln [30, 49, 60, 61, 80, 81]. Wiederholtes 3D-Drucken für den Anatomieunterricht mit hohem Durchsatz macht 3D-Druckmodelle kostengünstiger [26]. Der Einsatz von 3D-Druckverfahren kann die Fähigkeit zur mentalen Rotation [23] und die Interpretation von Querschnittsbildern verbessern [23, 32]. Zwei Studien ergaben, dass Studierende, die mit 3D-Druckmikroskopie (3DPAM) in Kontakt kamen, häufiger operiert werden mussten [40, 74]. Metallverbinder können integriert werden, um die für das Studium der funktionellen Anatomie notwendigen Bewegungen zu erzeugen [51, 53], oder es können Modelle mithilfe von Triggerdesigns gedruckt werden [67].
Der 3D-Druck ermöglicht die Erstellung anpassbarer anatomischer Modelle durch die Verbesserung bestimmter Aspekte während der Modellierungsphase [48, 80], die Schaffung einer geeigneten Basis [59], die Kombination mehrerer Modelle [36], den Einsatz von Transparenz [49], Farbe [45] oder die Visualisierung bestimmter innerer Strukturen [30]. Tripodi et al. verwendeten Modelliermasse als Ergänzung zu ihren 3D-gedruckten Knochenmodellen und betonten den Wert gemeinsam erstellter Modelle als Lehrmittel [47]. In neun Studien wurde die Farbe nach dem Druck aufgetragen [43, 46, 49, 54, 58, 59, 65, 69, 75], die Studierenden jedoch nur einmal [49]. Leider wurden in dieser Studie weder die Qualität des Modelltrainings noch die Trainingsreihenfolge evaluiert. Dies sollte im Kontext der Anatomieausbildung berücksichtigt werden, da die Vorteile von Blended Learning und Co-Creation gut belegt sind [89]. Um mit der zunehmenden Werbeaktivität Schritt zu halten, wurde Selbstlernen viele Male zur Bewertung von Modellen eingesetzt [24, 26, 27, 32, 46, 69, 82].
Eine Studie kam zu dem Schluss, dass die Farbe des Kunststoffmaterials zu grell sei[45], eine andere, dass das Modell zu zerbrechlich sei[71], und zwei weitere Studien wiesen auf einen Mangel an anatomischer Variabilität im Design der einzelnen Modelle hin[25, 45]. Sieben Studien kamen zu dem Schluss, dass die anatomischen Details von 3DPAM unzureichend seien[28, 34, 45, 48, 62, 63, 81].
Für detailliertere anatomische Modelle großer und komplexer Regionen, wie beispielsweise des Retroperitoneums oder der Halswirbelsäule, ist die Segmentierungs- und Modellierungszeit sehr lang und die Kosten sind sehr hoch (ca. 2000 US-Dollar) [27, 48]. Hojo et al. gaben in ihrer Studie an, dass die Erstellung des anatomischen Beckenmodells 40 Stunden in Anspruch nahm [42]. Die längste Segmentierungszeit betrug 380 Stunden in einer Studie von Weatherall et al., in der mehrere Modelle zu einem vollständigen Atemwegsmodell für Kinder kombiniert wurden [36]. In neun Studien wurden die Segmentierungs- und Druckzeit als Nachteile angesehen [36, 42, 57, 58, 74]. Zwölf Studien kritisierten jedoch die physikalischen Eigenschaften ihrer Modelle, insbesondere deren Konsistenz [28, 62], mangelnde Transparenz [30], Fragilität und Monochromasie [71], fehlendes Weichgewebe [66] oder mangelnde Detailgenauigkeit [28, 34]. , 45, 48, 62, 63, 81]. Diese Nachteile lassen sich durch eine Verlängerung der Segmentierungs- oder Simulationszeit beheben. Der Verlust und die Wiederherstellung relevanter Informationen stellten ein Problem dar, mit dem drei Teams konfrontiert waren [30, 74, 77]. Laut Patientenberichten boten jodhaltige Kontrastmittel aufgrund von Dosisbeschränkungen keine optimale Gefäßdarstellung [74]. Die Injektion in ein Leichenmodell erscheint als ideale Methode, da sie das Prinzip „so wenig wie möglich“ und die Beschränkungen der injizierten Kontrastmitteldosis überwindet.
Leider werden in vielen Artikeln einige wichtige Merkmale von 3DPAM nicht erwähnt. Weniger als die Hälfte der Artikel gab explizit an, ob ihr 3DPAM eingefärbt war. Die Abdeckung des Druckspektrums war uneinheitlich (43 % der Artikel), und nur 34 % erwähnten die Verwendung mehrerer Medien. Diese Druckparameter sind entscheidend, da sie die Lerneigenschaften von 3DPAM beeinflussen. Die meisten Artikel liefern keine ausreichenden Informationen über die Komplexität der 3DPAM-Entwicklung (Entwicklungszeit, Qualifikation des Personals, Softwarekosten, Druckkosten usw.). Diese Informationen sind unerlässlich und sollten berücksichtigt werden, bevor ein Projekt zur Entwicklung eines neuen 3DPAM in Angriff genommen wird.
Diese systematische Übersichtsarbeit zeigt, dass die Entwicklung und der 3D-Druck normaler anatomischer Modelle kostengünstig realisierbar sind, insbesondere mit FDM- oder SLA-Druckern und preiswerten, einfarbigen Kunststoffen. Diese Basismodelle lassen sich jedoch durch Farbe oder die Verwendung unterschiedlicher Materialien erweitern. Realistischere Modelle (gedruckt mit mehreren Materialien unterschiedlicher Farben und Texturen, um die haptischen Eigenschaften eines Leichenmodells möglichst genau nachzubilden) erfordern teurere 3D-Drucktechnologien und längere Entwicklungszeiten. Dies erhöht die Gesamtkosten erheblich. Unabhängig vom gewählten Druckverfahren ist die Auswahl des geeigneten Bildgebungsverfahrens entscheidend für den Erfolg der 3D-gedruckten Anatomie (3DPAM). Je höher die räumliche Auflösung, desto realistischer wird das Modell und desto besser eignet es sich für fortgeschrittene Forschung. Aus pädagogischer Sicht ist 3DPAM ein effektives Werkzeug für den Anatomieunterricht, wie die Ergebnisse von Wissenstests und die Zufriedenheit der Studierenden belegen. Der Lerneffekt von 3DPAM ist am größten, wenn komplexe anatomische Regionen dargestellt werden und die Studierenden es früh in ihrer medizinischen Ausbildung einsetzen.
Die in der vorliegenden Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind aufgrund von Sprachbarrieren nicht öffentlich zugänglich, können aber auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor angefordert werden.
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Ghosh SK. Leichensektion als Lehrmittel für die Anatomie im 21. Jahrhundert: Dissektion als Lehrmittel. Analyse der naturwissenschaftlichen Bildung. 2017;10(3):286–99.
Veröffentlichungsdatum: 09.04.2024