由墨爾本大學及蒙納許大學的解剖學・發育生物學系、人體解剖學教育中心(Centre for Human Anatomy Education)所併設的3D創新設計工作室(3D Innovation and Design Studio),早在2015年就和德國的解剖學模型供應商Erler-Zimmer合作而引起熱烈討論。透過此合作,正式發表解剖學領域也能使用全彩3D列印模型製作人體模型,證明醫學生的教育即將產生革命性的變化。
為達到人體解剖學領域的「黃金標準」,通常採「獻體(指提供解剖用的大體)」,但這種舊式教育方法,不僅難以募得大體,且伴隨著倫理、成本等諸多課題。
大體防腐雖能延長耐用期限,自然人體組織的顏色、質感卻會產生變化,醫學價值也隨之下降。
此外,站在教學一致性的觀點來看,每位大體老師皆擁有個體差異,學生們必須學習如何分辨實體與學術性知識的差異,因為對於患有罕見疾病的病例,缺少了查明特定病徵的機會,所以很難進行研究。
蒙納許大學看見全彩3D列印技術的潛力,有可能不失精準地生產出無個體差異的人體解剖模型,這對於取得一致的學習成果是不可或缺的。
既有方法所面臨的課題
第一代的人體模型是使用石膏全彩3D列印機製成的(於石膏粉上用黏著劑和彩色顏料墨水上色並堆疊的方式),色彩重現度低,且容易損壞,為了加強強度必須進行後處理,可想而知製作模型非常耗時,完成品也欠缺逼真度及耐久性。
因此,蒙納許大學的研究團隊希望能擁有更精準的色彩表現、重現人體組織各種質感的解剖模型。
將教科書上所寫的人體模型標準型「靜脈是綠色,動脈是紅色」,置換到解剖學的3D模型上,有助於醫學生第一次認識正確、具體的解剖學。但不只是形狀,研究團隊希望色彩、實體人體組織都能更逼真。
對於石膏方式製作的第一代人體模型,客戶表示零件實在太容易損壞,若是在學生實際操作的教學場合用幾次模型,其後果可想而知。
且3D列印機的印刷平台尺寸有限,若要製作一體的解剖模型,有時最多必須要分割成11個3D輸出零件,再使用黏著劑組裝零件,不僅需花許多時間,接合面也會受到模型強度的影響,使用或運送途中很有可能產生毀損。
此外,石膏零件有重量,為了要把大型零件內部的粉體排出來,須把取出口設計成中空形狀。蒙納許大學的研究團隊發現,需要維持足夠的強度且符合用途的中空結構設計,還要從中空結構的內部排出剩餘的粉體,三者兼具十分困難。因此,他們不斷摸索、實驗取代石膏方式的技術,但候補方法的色彩重現度低,原料也較昂貴,遲遲找不到理想的解決辦法。
在這種時候,他們看見了Mimaki 3DUJ-553的展示,狀況就此改變。
賦予解剖模型生命
討論了幾個選項的研究團隊,在雪梨參觀Mimaki 3DUJ-553時,深刻感受到其精準的色彩重現度。
再進一步討論時,發現3D輸出的完成品零件非常堅固,手感也很好,也沒有失去細小的模型特徵辨識度,連用來加強支撐的透明零件也可以造形。
3DUJ-553超過1,000萬色的色彩重現能力,可以製作接近實體的逼真模型。
蒙納許大學研究團隊將CT掃描獲得的3D數據,和全彩3D外觀數據相結合,精準重現健康及生病狀態分別在解剖學的人體組織表現。
此外,可以3D印刷呈現內部構造的透明零件,學生學習使用這些人體模型,更接近實際患者所面臨的臨床經驗,神經、血管的細微構造也使用透明零件做支撐保護,所以不會喪失辨識度,大幅降低使用過程中模型毀損的風險,在教育環境中,模型的耐久性也得到提升。
3DUJ-553擁有大印刷平台,不用分割大型零件,可以直接一體輸出,再加上快速排版多個小零件,發揮高生產效率。
改善教育機會
過去的3D列印技術不可能做到,但蒙納許大學團隊運用Mimaki 3DUJ-553,現在做到與實物一模一樣的解剖模型,可以製作嶄新的第二代模型。
配色和形狀都很重要,也可以將罕見病徵製成模型。因此,因宗教因素無法解剖大體時,或者為確認極罕見病徵但大體供應不足時,3D模型都大大擴展了解剖學的教學機會。
由於印刷平台變大,以往分成11等份再組裝的模型,現在可做成2等份,更容易黏著,如此一來,3D模型就少掉大部分的連接線,觸感和強度將變得更優質。
此外,活用精密的3D列印技術和堅固的素材,可將中空零件設計成最厚3mm的薄度,在使用時維持足夠的強度,還可輕鬆拿取,擁有適當的手感及重量感。
今天,3D創新設計工作室的團隊與許多學術機構、臨床研究組織、商業夥伴的協力之下,使用3D捕捉技術製作3D模型。
在大學內外的影響
人體解剖學教育中心 3D創新設計工作室的領導人Justin W Adams準教授解釋:
「我們不只做課業內的研究,課外也有和商業夥伴合作,必須有成本意識,並為客戶提供價值。因此,對於3D列印的投資報酬率,是用比單純的課內研究事務更嚴苛的標準做計算,即便如此,3DUJ-553的品質性能、印刷平台大小和信任度相匹配,滿足了我們要求的條件。」
蒙納許大學技術主任 Michelle Quayle:
「在課業內也多虧了3DUJ-553,提高了許多人對課內學術的興趣。例如:考古學系希望用全彩印刷一個古希臘陶器;古生物學家希望複製全彩3D掃描後的化石表面;用不到全彩3D輸出的領域,像工程領域,雖然沒有必要全彩輸出,也會用單色製作3D模型。」
Adams準教授繼續說道:
「我們認為,今後Mimaki技術的用途會更加廣大,例如:外科領域的培訓與模擬手術。外科醫生學到一些罕見、複雜的手法,就要在實際手術中運用自己學到的技術,為此他們必須不斷練習;另一方面,下一代的外科醫生依舊需要反覆適當地訓練,以學習新技術,且為了接班現任外科醫生,須不斷進行臨床實作,以確保他們有能力接任。但關鍵問題來了,我們目前能提供的實作環境太少了。在澳洲,培養一位外科醫生不含薪水,光培育費就要花費100萬美金,所以,培養外科醫生運用高精度3D模型,能確保學習不會受到病例數、特定病症等限制。」
企業或團體的資訊
- 名稱3D Innovation and Design Studio Lab of Monash University
- 地址10 Chancellor's Walk, Wellington Road, Clayton Campus, Melbourne VIC 3800 Australia
- URLhttps://www.monash.edu/discovery-institute/chae/services-and-facilities/monash-3d-printing