الطباعة ثلاثية الأبعاد كأداة تعليمية لعلم التشريح البشري الطبيعي: مراجعة منهجية | بي إم سي للتعليم الطبي

تُعدّ النماذج التشريحية المطبوعة ثلاثية الأبعاد أداةً مناسبةً لما تتمتع به من قيمة تعليمية وسهولة في الاستخدام. يهدف هذا الاستعراض إلى وصف وتحليل الطرق المستخدمة لإنشاء هذه النماذج لتدريس علم التشريح البشري، وتقييم إسهامها التربوي.
أُجري بحث إلكتروني في قاعدة بيانات PubMed باستخدام المصطلحات التالية: التعليم، المدرسة، التعلم، التدريس، التدريب، التعليم، ثلاثي الأبعاد، الطباعة، علم التشريح. وشملت النتائج خصائص الدراسة، وتصميم النموذج، والتقييم المورفولوجي، والأداء التعليمي، ونقاط القوة والضعف.
من بين المقالات الـ 68 المختارة، ركزت معظم الدراسات على منطقة الجمجمة (33 مقالة)؛ بينما أشارت 51 مقالة إلى طباعة العظام. وفي 47 مقالة، طُوّرت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (3DPAM) بالاعتماد على التصوير المقطعي المحوسب. وتم سرد خمس عمليات طباعة. واستُخدمت المواد البلاستيكية ومشتقاتها في 48 دراسة. وتراوحت أسعار كل تصميم بين 1.25 دولار و2800 دولار. وقارنت 37 دراسة تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بنماذج مرجعية. وفحصت 33 مقالة الأنشطة التعليمية. وتتمثل المزايا الرئيسية في الجودة البصرية واللمسية، وكفاءة التعلم، وإمكانية التكرار، والتخصيص، والمرونة، وتوفير الوقت، ودمج التشريح الوظيفي، وتحسين قدرات التناوب الذهني، واستيعاب المعرفة، ورضا المعلمين والطلاب. أما العيوب الرئيسية فتتعلق بالتصميم: الاتساق، ونقص التفاصيل أو الشفافية، والألوان الساطعة جدًا، وطول مدة الطباعة، والتكلفة العالية.
تُظهر هذه المراجعة المنهجية أن تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (3DPAM) فعّالة من حيث التكلفة ومجدية في تدريس علم التشريح. تتطلب النماذج الأكثر واقعية استخدام تقنيات طباعة ثلاثية الأبعاد أكثر تكلفة وفترات تصميم أطول، مما يزيد التكلفة الإجمالية بشكل ملحوظ. يكمن الحل في اختيار طريقة التصوير المناسبة. من الناحية التربوية، تُعد تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أداة فعّالة لتدريس علم التشريح، ولها تأثير إيجابي على مخرجات التعلم ورضا الطلاب. يكون تأثيرها التعليمي في أفضل حالاته عندما تُحاكي مناطق تشريحية معقدة، ويستخدمها الطلاب في المراحل الأولى من تدريبهم الطبي.
يُعدّ تشريح جثث الحيوانات ممارسةً شائعةً منذ اليونان القديمة، وهو أحد الأساليب الرئيسية لتدريس علم التشريح. وتُستخدم عمليات التشريح التي تُجرى على الجثث خلال التدريب العملي في المناهج النظرية لطلاب الطب الجامعيين، وتُعتبر حاليًا المعيار الذهبي لدراسة علم التشريح [1، 2، 3، 4، 5]. مع ذلك، توجد العديد من العوائق التي تحول دون استخدام عينات الجثث البشرية، مما يدفع إلى البحث عن أدوات تدريبية جديدة [6، 7]. تشمل بعض هذه الأدوات الجديدة الواقع المعزز، والأدوات الرقمية، والطباعة ثلاثية الأبعاد. ووفقًا لمراجعة أدبية حديثة أجراها سانتوس وآخرون [8]، تُعدّ الطباعة ثلاثية الأبعاد من أهم الموارد في تدريس علم التشريح، سواءً من حيث قيمتها التعليمية للطلاب أو من حيث سهولة تطبيقها [4، 9، 10].
الطباعة ثلاثية الأبعاد ليست تقنية جديدة. تعود أولى براءات الاختراع المتعلقة بها إلى عام 1984، حيث حصل عليها كل من أ. لو ميهاوتيه، و أ. دي ويت، و ج. س. أندريه في فرنسا، وبعد ثلاثة أسابيع حصل عليها س. هول في الولايات المتحدة الأمريكية. ومنذ ذلك الحين، استمرت هذه التقنية في التطور وتوسع استخدامها ليشمل العديد من المجالات. فعلى سبيل المثال، طبعت وكالة ناسا أول جسم خارج كوكب الأرض في عام 2014 [11]. كما اعتمد المجال الطبي هذه الأداة الجديدة، مما زاد من الرغبة في تطوير الطب الشخصي [12].
أظهر العديد من الباحثين فوائد استخدام النماذج التشريحية المطبوعة ثلاثية الأبعاد في التعليم الطبي [10، 13، 14، 15، 16، 17، 18، 19]. عند تدريس تشريح جسم الإنسان، تُعدّ النماذج غير المرضية والسليمة تشريحيًا ضرورية. وقد تناولت بعض الدراسات نماذج التدريب المرضية أو الطبية/الجراحية [8، 20، 21]. ولتطوير نموذج هجين لتدريس تشريح جسم الإنسان يدمج أدوات حديثة كالطباعة ثلاثية الأبعاد، أجرينا مراجعة منهجية لوصف وتحليل كيفية إنشاء الأجسام المطبوعة ثلاثية الأبعاد لتدريس تشريح جسم الإنسان، وكيف يُقيّم الطلاب فعالية التعلّم باستخدام هذه الأجسام.
تم إجراء هذه المراجعة المنهجية للأدبيات في يونيو 2022 دون قيود زمنية باستخدام إرشادات PRISMA (بنود الإبلاغ المفضلة للمراجعات المنهجية والتحليلات التلوية) [22].
شملت معايير الإدراج جميع الأبحاث التي تستخدم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في تدريس/تعلم علم التشريح. واستُبعدت المراجعات الأدبية والرسائل والمقالات التي تركز على النماذج المرضية، والنماذج الحيوانية، والنماذج الأثرية، ونماذج التدريب الطبي/الجراحي. واقتصر الاختيار على المقالات المنشورة باللغة الإنجليزية فقط. واستُبعدت المقالات التي لا تتوفر لها ملخصات إلكترونية. وشملت المقالات التي تضمنت نماذج متعددة، على أن يكون أحدها على الأقل سليمًا تشريحيًا أو يعاني من حالة مرضية طفيفة لا تؤثر على القيمة التعليمية.
أُجري بحث في الأدبيات في قاعدة البيانات الإلكترونية PubMed (المكتبة الوطنية للطب، NCBI) لتحديد الدراسات ذات الصلة المنشورة حتى يونيو 2022. استخدم مصطلحات البحث التالية: التعليم، المدرسة، التدريس، التعلم، التعليم، ثلاثي الأبعاد، الطباعة، التشريح. تم تنفيذ استعلام واحد: (((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] OR Print [Title])) AND (Anatomy) [Title] ]/abstract] or anatomy [title/abstract] or anatomy [title/abstract] or anatomy [title/abstract]). تم تحديد مقالات إضافية من خلال البحث اليدوي في قاعدة بيانات PubMed ومراجعة مراجع المقالات العلمية الأخرى. لم تُفرض أي قيود على التاريخ، ولكن تم استخدام مُرشِّح "الشخص".
قام اثنان من المؤلفين (EBR وAL) بفحص جميع العناوين والملخصات المسترجعة وفقًا لمعايير الإدراج والاستبعاد، واستُبعدت أي دراسة لم تستوفِ جميع معايير الأهلية. ثم استُرجعت النصوص الكاملة للدراسات المتبقية وراجعها ثلاثة مؤلفين (EBR وEBE وAL). وعند الضرورة، حُلّت الخلافات في اختيار المقالات بواسطة شخص رابع (LT). وشملت هذه المراجعة المنشورات التي استوفت جميع معايير الإدراج.
تم استخراج البيانات بشكل مستقل من قبل مؤلفين (EBR و AL) تحت إشراف مؤلف ثالث (LT).
- بيانات تصميم النموذج: المناطق التشريحية، الأجزاء التشريحية المحددة، النموذج الأولي للطباعة ثلاثية الأبعاد، طريقة الاستحواذ، برنامج التجزئة والنمذجة، نوع الطابعة ثلاثية الأبعاد، نوع المادة وكميتها، مقياس الطباعة، اللون، تكلفة الطباعة.
- التقييم المورفولوجي للنماذج: النماذج المستخدمة للمقارنة، والتقييم الطبي للخبراء/المعلمين، وعدد المقيمين، ونوع التقييم.
- تدريس النموذج ثلاثي الأبعاد: تقييم معرفة الطالب، طريقة التقييم، عدد الطلاب، عدد مجموعات المقارنة، التوزيع العشوائي للطلاب، تعليم/نوع الطالب.
تم تحديد 418 دراسة في قاعدة بيانات MEDLINE، واستُبعدت 139 مقالة بناءً على معيار "الدراسات على البشر". بعد مراجعة العناوين والملخصات، تم اختيار 103 دراسات لقراءة نصوصها الكاملة. استُبعدت 34 مقالة لكونها إما نماذج مرضية (9 مقالات)، أو نماذج تدريب طبي/جراحي (4 مقالات)، أو نماذج حيوانية (4 مقالات)، أو نماذج إشعاعية ثلاثية الأبعاد (مقالة واحدة)، أو لكونها غير أصلية (16 فصلاً). وبذلك، شملت المراجعة 68 مقالة. يوضح الشكل 1 عملية الاختيار في مخطط انسيابي.
مخطط انسيابي يلخص عملية تحديد وفحص وإدراج المقالات في هذه المراجعة المنهجية
نُشرت جميع الدراسات بين عامي 2014 و2022، بمتوسط ​​عام نشر 2019. من بين المقالات الـ 68 المُدرجة، كانت 33 دراسة (49%) وصفية وتجريبية، و17 دراسة (25%) تجريبية بحتة، و18 دراسة (26%) تجريبية وصفية بحتة. من بين الدراسات التجريبية الـ 50 (73%)، استخدمت 21 دراسة (31%) أسلوب التوزيع العشوائي. تضمنت 34 دراسة فقط (50%) تحليلات إحصائية. يلخص الجدول 1 خصائص كل دراسة.
تناولت 33 مقالة (48%) منطقة الرأس، و19 مقالة (28%) منطقة الصدر، و17 مقالة (25%) منطقة البطن والحوض، و15 مقالة (22%) الأطراف. وأشارت 51 مقالة (75%) إلى استخدام عظام مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد كنماذج تشريحية أو نماذج تشريحية متعددة الشرائح.
فيما يتعلق بنماذج أو ملفات المصدر المستخدمة لتطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد، ذكرت 23 مقالة (34%) استخدام بيانات المرضى، وذكرت 20 مقالة (29%) استخدام بيانات الجثث، وذكرت 17 مقالة (25%) استخدام قواعد البيانات، بينما لم تكشف 7 دراسات (10%) عن مصدر الوثائق المستخدمة.
طوّرت 47 دراسة (69%) تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام التصوير المقطعي المحوسب، بينما أشارت 3 دراسات (4%) إلى استخدام التصوير المقطعي المحوسب الدقيق. استخدمت 7 مقالات (10%) الماسحات الضوئية لعرض الأجسام ثلاثية الأبعاد، و4 مقالات (6%) باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي، ومقالة واحدة (1%) باستخدام الكاميرات والمجاهر. لم تذكر 14 مقالة (21%) مصدر ملفات تصميم النموذج ثلاثي الأبعاد. تُنشأ الملفات ثلاثية الأبعاد بمتوسط ​​دقة مكانية أقل من 0.5 مم. تبلغ الدقة المثلى 30 ميكرومتر [80]، بينما تبلغ الدقة القصوى 1.5 مم [32].
استُخدمت ستون تطبيقًا برمجيًا مختلفًا (للتجزئة، والنمذجة، والتصميم، والطباعة). وكان برنامج Mimics (من شركة Materialise، لوفين، بلجيكا) الأكثر استخدامًا (14 دراسة، 21%)، يليه MeshMixer (من شركة Autodesk، سان رافائيل، كاليفورنيا) (13 دراسة، 19%)، ثم Geomagic (من شركة 3D System، ميزوري، كارولاينا الشمالية، ليزفيل) (10 دراسات، 15%)، ثم 3D Slicer (من شركة Slicer Developer Training، بوسطن، ماساتشوستس) (9 دراسات، 13%)، ثم Blender (من مؤسسة Blender، أمستردام، هولندا) (8 دراسات، 12%)، وأخيرًا CURA (من شركة Geldemarsen، هولندا) (7 دراسات، 10%).
ذُكرت سبعة وستون طرازًا مختلفًا من الطابعات وخمس عمليات طباعة. استُخدمت تقنية الترسيب المنصهر (FDM) في 26 منتجًا (38%)، والتفجير بالمواد في 13 منتجًا (19%)، وأخيرًا التفجير بالمواد الرابطة (11 منتجًا، 16%). أما التقنيات الأقل استخدامًا فهي الطباعة المجسمة الضوئية (SLA) (5 منتجات، 7%) والتلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) (4 منتجات، 6%). الطابعة الأكثر استخدامًا (7 منتجات، 10%) هي Connex 500 (Stratasys، رحوفوت، إسرائيل) [27، 30، 32، 36، 45، 62، 65].
عند تحديد المواد المستخدمة في تصنيع الطباعة ثلاثية الأبعاد (51 مقالة، 75%)، استخدمت 48 دراسة (71%) البلاستيك ومشتقاته. وكانت المواد الرئيسية المستخدمة هي حمض البوليلاكتيك (PLA) (20 مقالة، 29%)، والراتنج (9 مقالات، 13%)، وأكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS) (7 أنواع، 10%). تناولت 23 مقالة (34%) الطباعة ثلاثية الأبعاد المصنوعة من مواد متعددة، بينما عرضت 36 مقالة (53%) الطباعة ثلاثية الأبعاد المصنوعة من مادة واحدة فقط، ولم تحدد 9 مقالات (13%) نوع المادة المستخدمة.
أفادت 29 مقالة (43%) بنسب طباعة تتراوح بين 0.25:1 و2:1، بمتوسط ​​1:1. واستخدمت 25 مقالة (37%) نسبة 1:1. واحتوت 28 من نماذج الطباعة ثلاثية الأبعاد (41%) على ألوان متعددة، بينما تم صبغ 9 منها (13%) بعد الطباعة [43، 46، 49، 54، 58، 59، 65، 69، 75].
أشارت 34 مقالة (50%) إلى التكاليف. وذكرت 9 مقالات (13%) تكلفة طابعات ثلاثية الأبعاد والمواد الخام. وتتراوح أسعار الطابعات بين 302 دولارًا و65000 دولارًا. وعند تحديدها، تتراوح أسعار النماذج بين 1.25 دولارًا و2800 دولارًا؛ وتتوافق هذه الأسعار القصوى مع عينات الهياكل العظمية [47] ونماذج التجويف خلف الصفاق عالية الدقة [48]. يلخص الجدول 2 بيانات النماذج لكل دراسة مُدرجة.
قارنت 37 دراسة (54%) نموذج 3DPAM بنموذج مرجعي. وكان النموذج المرجعي التشريحي هو الأكثر شيوعًا بين هذه الدراسات، حيث استُخدم في 14 مقالة (38%)، تلتها العينات المُعالجة بالبلاستيك في 6 مقالات (16%). كما استُخدمت تقنيات الواقع الافتراضي والتصوير المقطعي المحوسب في 5 مقالات (14%)، و3 مقالات (8%)، بالإضافة إلى الألعاب الجادة والأشعة السينية ونماذج الأعمال والواقع المعزز في مقالة واحدة (3%). قيّمت 34 دراسة (50%) نموذج 3DPAM، بينما وصفت 15 دراسة (48%) تجارب المُقيّمين بالتفصيل (الجدول 3). أُجريت عملية بناء النماذج ثلاثية الأبعاد (3DPAM) بواسطة جراحين أو أطباء استشاريين في 7 دراسات (47%)، وأخصائيي تشريح في 6 دراسات (40%)، وطلاب في 3 دراسات (20%)، ومعلمين (لم يُحدد تخصصهم) في 3 دراسات (20%) للتقييم، بالإضافة إلى مُقيِّم واحد في المقالة (7%). بلغ متوسط ​​عدد المُقيِّمين 14 (بحد أدنى 2، وحد أقصى 30). قيّمت 33 دراسة (49%) مورفولوجيا النماذج ثلاثية الأبعاد نوعيًا، بينما قيّمتها 10 دراسات (15%) كميًا. من بين الدراسات الـ 33 التي استخدمت التقييمات النوعية، استخدمت 16 دراسة تقييمات وصفية بحتة (48%)، و9 دراسات استخدمت اختبارات/تقييمات/استبيانات (27%)، و8 دراسات استخدمت مقاييس ليكرت (24%). يلخص الجدول 3 التقييمات المورفولوجية للنماذج في كل دراسة مُدرجة.
تناولت 33 دراسة (48%) فعالية تدريس الطباعة ثلاثية الأبعاد للطلاب وقارنت بينها. من بين هذه الدراسات، قيّمت 23 دراسة (70%) رضا الطلاب، واستخدمت 17 دراسة (51%) مقياس ليكرت، بينما استخدمت 6 دراسات (18%) أساليب أخرى. قيّمت 22 دراسة (67%) تعلم الطلاب من خلال اختبارات المعرفة، منها 10 دراسات (30%) استخدمت اختبارات قبلية و/أو بعدية. استخدمت 11 دراسة (33%) أسئلة واختبارات متعددة الخيارات لتقييم معرفة الطلاب، بينما استخدمت 5 دراسات (15%) تصنيف الصور/التعرف التشريحي. شارك في كل دراسة 76 طالبًا في المتوسط ​​(بحد أدنى 8 طلاب، وحد أقصى 319 طالبًا). احتوت 24 دراسة (72%) على مجموعة ضابطة، منها 20 دراسة (60%) استخدمت التوزيع العشوائي. في المقابل، قامت دراسة واحدة (3%) بتوزيع النماذج التشريحية عشوائيًا على 10 طلاب مختلفين. في المتوسط، تمت مقارنة 2.6 مجموعة (بحد أدنى مجموعتين، وحد أقصى 10 مجموعات). شملت 23 دراسة (70%) طلاب الطب، منهم 14 طالبًا (42%) في السنة الأولى. وشملت 6 دراسات (18%) أطباء مقيمين، و4 دراسات (12%) طلاب طب أسنان، و3 دراسات (9%) طلاب علوم. طبقت 6 دراسات (18%) التعلم الذاتي باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (3DPAM) وقامت بتقييمه. يلخص الجدول 4 نتائج تقييم فعالية التدريس باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (3DPAM) لكل دراسة من الدراسات المشمولة.
تتمثل المزايا الرئيسية التي ذكرها المؤلفون لاستخدام 3DPAM كأداة تعليمية لتشريح الإنسان الطبيعي في الخصائص البصرية واللمسية، بما في ذلك الواقعية [55، 67]، والدقة [44، 50، 72، 85]، وتفاوت الاتساق [34، 45]. [48، 64]، اللون والشفافية [28، 45]، المتانة [24، 56، 73]، الأثر التعليمي [16، 32، 35، 39، 52، 57، 63، 69، 79]، التكلفة [27، 41، 44، 45، 48، 51، 60، 64، 80، 81، 83]، إمكانية التكرار [80]، إمكانية التحسين أو التخصيص [28، 30، 36، 45، 48، 51، 53، 59، 61، 67، 80]، القدرة على التفاعل مع الطلاب [30، 49]، توفير وقت التدريس [61، 80]، سهولة التخزين [61]، القدرة على دمج التشريح الوظيفي أو إنشاء هياكل محددة [51، 53]، 67]، السرعة تصميم النماذج الهيكلية [81]، والقدرة على المشاركة في إنشاء النماذج وأخذها إلى المنزل [49، 60، 71]، وتحسين قدرات التدوير الذهني [23] والاحتفاظ بالمعرفة [32]، وكذلك على رضا المعلم [25، 63] ورضا الطالب [25، 45، 46، 52، 52، 57، 63، 66، 69، 84].
تتعلق العيوب الرئيسية بالتصميم: الصلابة [80]، وعدم الاتساق [28، 62]، ونقص التفاصيل أو الشفافية [28، 30، 34، 45، 48، 62، 64، 81]، وسطوع الألوان المفرط [45]، وهشاشة الأرضية [71]. تشمل العيوب الأخرى فقدان المعلومات [30، 76]، وطول الوقت اللازم لتجزئة الصورة [36، 52، 57، 58، 74]، ووقت الطباعة [57، 63، 66، 67]، ونقص التنوع التشريحي [25]، والتكلفة المرتفعة [48].
تُقدّم هذه المراجعة المنهجية ملخصًا لـ 68 مقالة نُشرت على مدار 9 سنوات، وتُسلّط الضوء على اهتمام المجتمع العلمي بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد كأداة لتدريس تشريح جسم الإنسان الطبيعي. وقد دُرست كل منطقة تشريحية وطُبعت بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. ومن بين هذه المقالات، قارنت 37 مقالة تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بنماذج أخرى، بينما قيّمت 33 مقالة أخرى أهميتها التربوية للطلاب.
نظراً للاختلافات في تصميم دراسات الطباعة ثلاثية الأبعاد التشريحية، لم نرَ من المناسب إجراء تحليل تجميعي. وقد ركز تحليل تجميعي نُشر عام 2020 بشكل أساسي على اختبارات المعرفة التشريحية بعد التدريب دون تحليل الجوانب التقنية والتكنولوجية لتصميم وإنتاج الطباعة ثلاثية الأبعاد [10].
تُعدّ منطقة الرأس الأكثر دراسةً، ربما لأنّ تعقيد تشريحها يجعل من الصعب على الطلاب تصوير هذه المنطقة التشريحية في الفضاء ثلاثي الأبعاد مقارنةً بالأطراف أو الجذع. يُعدّ التصوير المقطعي المحوسب (CT) أكثر تقنيات التصوير استخدامًا. تُستخدم هذه التقنية على نطاق واسع، لا سيما في المجالات الطبية، ولكنّها تتميّز بدقة مكانية محدودة وتباين منخفض في الأنسجة الرخوة. هذه القيود تجعل صور الأشعة المقطعية غير مناسبة لتجزئة ونمذجة الجهاز العصبي. من ناحية أخرى، يُعدّ التصوير المقطعي المحوسب (CT) أنسب لتجزئة/نمذجة أنسجة العظام؛ إذ يُساعد تباين العظام/الأنسجة الرخوة على إتمام هذه الخطوات قبل طباعة النماذج التشريحية ثلاثية الأبعاد. من جهة أخرى، يُعتبر التصوير المقطعي المحوسب الدقيق (microCT) التقنية المرجعية من حيث الدقة المكانية في تصوير العظام [70]. يُمكن أيضًا استخدام الماسحات الضوئية أو التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) للحصول على الصور. تمنع الدقة العالية تنعيم أسطح العظام وتحافظ على دقة التراكيب التشريحية [59]. يؤثر اختيار النموذج أيضًا على الدقة المكانية: على سبيل المثال، تتميّز نماذج التلدين بدقة أقل [45]. يضطر مصممو الجرافيك إلى إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد مخصصة، مما يزيد التكاليف (من 25 إلى 150 دولارًا أمريكيًا في الساعة) [43]. ولا يكفي الحصول على ملفات STL عالية الجودة لإنشاء نماذج تشريحية عالية الجودة، بل من الضروري تحديد معايير الطباعة، مثل اتجاه النموذج التشريحي على لوحة الطباعة [29]. ويقترح بعض الباحثين استخدام تقنيات الطباعة المتقدمة، مثل تقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS)، كلما أمكن ذلك لتحسين دقة الطباعة ثلاثية الأبعاد [38]. ويتطلب إنتاج الطباعة ثلاثية الأبعاد مساعدةً متخصصة؛ ومن أبرز المتخصصين المطلوبين المهندسون [72]، وأخصائيو الأشعة [75]، ومصممو الجرافيك [43]، وعلماء التشريح [25، 28، 51، 57، 76، 77].
تُعدّ برامج التجزئة والنمذجة من العوامل المهمة في الحصول على نماذج تشريحية دقيقة، إلا أن تكلفة هذه البرامج وتعقيدها يُعيقان استخدامها. وقد قارنت العديد من الدراسات استخدام برامج وتقنيات طباعة مختلفة، مُسلطةً الضوء على مزايا وعيوب كل تقنية [68]. إضافةً إلى برامج النمذجة، يلزم أيضًا برنامج طباعة متوافق مع الطابعة المُختارة؛ ويُفضّل بعض الباحثين استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد عبر الإنترنت [75]. وإذا طُبع عدد كافٍ من المجسمات ثلاثية الأبعاد، فقد يُحقق الاستثمار عوائد مالية [72].
يُعدّ البلاستيك المادة الأكثر استخدامًا على الإطلاق. فبفضل تنوّعه الكبير في الملمس واللون، يُصبح الخيار الأمثل في الطباعة ثلاثية الأبعاد. وقد أشاد بعض الباحثين بقوته العالية مقارنةً بالنماذج التقليدية المُستخدَمة في الجثث أو النماذج المُعالَجة بالبلاستيك [24، 56، 73]. بل إنّ بعض أنواع البلاستيك تتمتّع بخاصية الانحناء أو التمدّد. فعلى سبيل المثال، يمكن لـ Filaflex المُصنَّع بتقنية FDM أن يتمدّد بنسبة تصل إلى 700%. ويعتبره بعض الباحثين المادة المُفضّلة لمحاكاة العضلات والأوتار والأربطة [63]. من جهة أخرى، أثارت دراستان تساؤلات حول اتجاه الألياف أثناء الطباعة. في الواقع، يُعدّ اتجاه ألياف العضلات، وموضع ارتكازها، وتعصيبها، ووظيفتها عوامل حاسمة في نمذجة العضلات [33].
من المثير للدهشة أن قلة من الدراسات تتطرق إلى مقياس الطباعة. ولأن الكثيرين يعتبرون نسبة 1:1 هي النسبة القياسية، فربما يكون المؤلف قد تغاضى عن ذكرها. ورغم أن تكبير المجسمات سيكون مفيدًا للتعلم الموجه في مجموعات كبيرة، إلا أن جدوى هذا التكبير لم تُدرس بعد، لا سيما مع تزايد أعداد الطلاب في الفصول الدراسية، حيث يُعد الحجم المادي للنموذج عاملًا مهمًا. بالطبع، تُسهّل المجسمات بالحجم الطبيعي تحديد مواقع العناصر التشريحية المختلفة وشرحها للمريض، وهو ما قد يفسر شيوع استخدامها.
من بين الطابعات العديدة المتوفرة في السوق، تتراوح تكلفة الطابعات التي تستخدم تقنية PolyJet (طباعة نفث الحبر للمواد أو المواد الرابطة) لتوفير طباعة ملونة ومتعددة الطبقات (وبالتالي متعددة الأنسجة) عالية الدقة بين 20,000 و250,000 دولار أمريكي (https://www.aniwaa.com/). قد تحدّ هذه التكلفة المرتفعة من الترويج لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في كليات الطب. إضافةً إلى تكلفة الطابعة، فإن تكلفة المواد اللازمة للطباعة بنفث الحبر أعلى من تكلفة طابعات SLA أو FDM [68]. كما أن أسعار طابعات SLA أو FDM أقل، حيث تتراوح بين 576 و4,999 يورو في المقالات المذكورة في هذه المراجعة. ووفقًا لتريبودي وزملائه، يمكن طباعة كل جزء من الهيكل العظمي مقابل 1.25 دولار أمريكي [47]. خلصت إحدى عشرة دراسة إلى أن الطباعة ثلاثية الأبعاد أقل تكلفة من استخدام البلاستيك أو النماذج التجارية [24، 27، 41، 44، 45، 48، 51، 60، 63، 80، 81، 83]. علاوة على ذلك، صُممت هذه النماذج التجارية لتوفير معلومات للمريض دون تفاصيل كافية لتدريس علم التشريح [80]. وتُعتبر هذه النماذج التجارية أقل جودة من الطباعة ثلاثية الأبعاد [44]. تجدر الإشارة إلى أنه بالإضافة إلى تقنية الطباعة المستخدمة، تتناسب التكلفة النهائية طرديًا مع المقياس، وبالتالي مع الحجم النهائي للطباعة ثلاثية الأبعاد [48]. لهذه الأسباب، يُفضل استخدام الحجم الكامل [37].
قارنت دراسة واحدة فقط بين تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد والنماذج التشريحية المتوفرة تجاريًا [72]. تُعدّ عينات الجثث أكثر أدوات المقارنة شيوعًا لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. ورغم محدوديتها، تظل نماذج الجثث أداة قيّمة لتدريس علم التشريح. يجب التمييز بين التشريح، والتشريح الجراحي، والعظام الجافة. استنادًا إلى اختبارات تدريبية، أظهرت دراستان أن تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد كانت أكثر فعالية بشكل ملحوظ من التشريح باستخدام البلاستيك [16، 27]. قارنت إحدى الدراسات ساعة واحدة من التدريب باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (للطرف السفلي) مع ساعة واحدة من تشريح نفس المنطقة التشريحية [78]. لم تكن هناك فروق ذات دلالة إحصائية بين طريقتي التدريس. من المرجح أن الأبحاث حول هذا الموضوع قليلة لأن مثل هذه المقارنات صعبة. يُعدّ التشريح الجراحي تحضيرًا مُرهقًا للطلاب، إذ يتطلب أحيانًا عشرات الساعات من التحضير، حسب نوع العينة. يمكن إجراء مقارنة ثالثة باستخدام العظام الجافة. وجدت دراسة أجراها تساي وسميث أن نتائج الاختبارات كانت أفضل بشكل ملحوظ في المجموعة التي استخدمت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد [51، 63]. لاحظ تشن وزملاؤه أن الطلاب الذين استخدموا نماذج ثلاثية الأبعاد حققوا أداءً أفضل في تحديد التراكيب التشريحية (كالجمجمة)، ولكن لم يكن هناك فرق في درجات أسئلة الاختيار من متعدد [69]. وأظهر تانر وزملاؤه نتائج أفضل في الاختبارات اللاحقة لهذه المجموعة باستخدام نموذج ثلاثي الأبعاد للحفرة الجناحية الحنكية [46]. وتم تحديد أدوات تعليمية جديدة أخرى في هذه المراجعة الأدبية، وأكثرها شيوعًا هي الواقع المعزز والواقع الافتراضي والألعاب التعليمية الجادة [43]. ووفقًا لمهروس وزملاؤه، فإن تفضيل النماذج التشريحية يعتمد على عدد الساعات التي يقضيها الطلاب في لعب ألعاب الفيديو [31]. ومن ناحية أخرى، يتمثل أحد أبرز عيوب أدوات تدريس التشريح الجديدة في ردود الفعل اللمسية، لا سيما بالنسبة للأدوات الافتراضية البحتة [48].
استخدمت معظم الدراسات التي قيّمت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الجديدة اختباراتٍ تمهيدية للمعرفة. تساعد هذه الاختبارات التمهيدية على تجنب التحيز في التقييم. يستبعد بعض الباحثين، قبل إجراء الدراسات التجريبية، جميع الطلاب الحاصلين على درجات أعلى من المتوسط ​​في الاختبار التمهيدي [40]. من بين التحيزات التي ذكرها غاراس وزملاؤه لون النموذج واختيار المتطوعين من بين الطلاب [61]. يُسهّل التلوين تحديد التراكيب التشريحية. وضع تشين وزملاؤه شروطًا تجريبية صارمة دون وجود فروق أولية بين المجموعات، وتمّت حجب المعلومات عن المشاركين في الدراسة إلى أقصى حد ممكن [69]. يوصي ليم وزملاؤه بأن يُجري طرف ثالث تقييم ما بعد الاختبار لتجنب التحيز في التقييم [16]. استخدمت بعض الدراسات مقاييس ليكرت لتقييم جدوى تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. يُعدّ هذا المقياس مناسبًا لتقييم الرضا، ولكن لا تزال هناك تحيزات مهمة يجب الانتباه إليها [86].
تم تقييم الأهمية التعليمية للطباعة ثلاثية الأبعاد والتصنيع بمساعدة الحاسوب (3DPAM) بشكل أساسي بين طلاب الطب، بمن فيهم طلاب السنة الأولى، في 14 دراسة من أصل 33. في دراستهم التجريبية، أفاد ويلك وزملاؤه أن طلاب الطب يعتقدون بضرورة إدراج الطباعة ثلاثية الأبعاد في مناهجهم الدراسية لعلم التشريح [87]. كما اعتقد 87% من الطلاب الذين شملهم استطلاع سيرسينيلي أن السنة الثانية من الدراسة هي الأنسب لاستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد والتصنيع بمساعدة الحاسوب [84]. وأظهرت نتائج تانر وزملاؤه أيضًا أن أداء الطلاب كان أفضل إذا لم يسبق لهم دراسة هذا المجال [46]. تشير هذه البيانات إلى أن السنة الأولى من كلية الطب هي الوقت الأمثل لدمج الطباعة ثلاثية الأبعاد والتصنيع بمساعدة الحاسوب في تدريس علم التشريح. وقد أيّد التحليل التلوي الذي أجراه يي هذه الفكرة [18]. في المقالات الـ 27 التي شملتها الدراسة، وُجدت فروق دالة إحصائيًا في نتائج الاختبارات بين الطباعة ثلاثية الأبعاد والتصنيع بمساعدة الحاسوب والنماذج التقليدية لطلاب الطب، ولكن ليس للأطباء المقيمين.
تُحسّن تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد كأداة تعليمية التحصيل الدراسي [16، 35، 39، 52، 57، 63، 69، 79]، واستيعاب المعرفة على المدى الطويل [32]، ورضا الطلاب [25، 45، 46، 52، 57، 63، 66، 69، 84]. كما وجدت لجان من الخبراء أن هذه النماذج مفيدة [37، 42، 49، 81، 82]، وأظهرت دراستان رضا المعلمين عن تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد [25، 63]. ومن بين جميع المصادر، يعتبر باكهاوس وزملاؤه الطباعة ثلاثية الأبعاد أفضل بديل للنماذج التشريحية التقليدية [49]. في تحليلهم التلوي الأول، أكد يي وزملاؤه أن الطلاب الذين تلقوا تعليمات باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد حققوا درجات أفضل في الاختبارات اللاحقة مقارنةً بالطلاب الذين تلقوا تعليمات باستخدام نماذج ثنائية الأبعاد أو نماذج تشريحية [10]. ومع ذلك، فقد ميّزوا بين نماذج الطباعة ثلاثية الأبعاد ليس بناءً على درجة التعقيد، بل بناءً على القلب والجهاز العصبي وتجويف البطن فقط. في سبع دراسات، لم يتفوق نموذج 3DPAM على النماذج الأخرى بناءً على اختبارات المعرفة التي أُجريت على الطلاب [32، 66، 69، 77، 78، 84]. وفي تحليلهم التلوي، خلص سالازار وزملاؤه إلى أن استخدام نموذج 3DPAM يُحسّن فهم التشريح المعقد تحديدًا [17]. ويتفق هذا المفهوم مع رسالة هيتاس إلى المحرر [88]. بعض المناطق التشريحية الأقل تعقيدًا لا تتطلب استخدام نموذج 3DPAM، بينما تُعد المناطق التشريحية الأكثر تعقيدًا (مثل الرقبة أو الجهاز العصبي) خيارًا منطقيًا لاستخدامه. قد يُفسر هذا المفهوم سبب عدم اعتبار بعض نماذج 3DPAM متفوقة على النماذج التقليدية، خاصةً عندما يفتقر الطلاب إلى المعرفة في المجال الذي يُظهر فيه النموذج أداءً أفضل. وبالتالي، فإن تقديم نموذج بسيط للطلاب الذين لديهم بالفعل بعض المعرفة بالموضوع (طلاب الطب أو الأطباء المقيمين) لا يُسهم في تحسين أدائهم.
من بين جميع الفوائد التعليمية المذكورة، أكدت 11 دراسة على الجوانب البصرية أو اللمسية للنماذج [27، 34، 44، 45، 48، 50، 55، 63، 67، 72، 85]، بينما حسّنت 3 دراسات أخرى من قوة ومتانة النماذج [33، 50-52، 63، 79، 85، 86]. وتشمل المزايا الأخرى إمكانية تفاعل الطلاب مع الهياكل، وتوفير وقت المعلمين، وسهولة حفظها مقارنةً بالجثث، وإمكانية إنجاز المشروع في غضون 24 ساعة، وإمكانية استخدامها كأداة للتعليم المنزلي، وقدرتها على تدريس كميات كبيرة من المعلومات [30، 49، 60، 61، 80، 81]. كما أن الطباعة ثلاثية الأبعاد المتكررة لتدريس علم التشريح بكميات كبيرة تجعل نماذج الطباعة ثلاثية الأبعاد أكثر فعالية من حيث التكلفة [26]. ويمكن أن يُحسّن استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد من قدرات التناوب الذهني [23]، ويُحسّن من تفسير الصور المقطعية [23، 32]. أظهرت دراستان أن الطلاب الذين تعرضوا لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد كانوا أكثر عرضة للخضوع لعمليات جراحية [40، 74]. ويمكن تضمين موصلات معدنية لخلق الحركة اللازمة لدراسة التشريح الوظيفي [51، 53]، أو يمكن طباعة النماذج باستخدام تصميمات الزناد [67].
تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد إنشاء نماذج تشريحية قابلة للتعديل من خلال تحسين جوانب معينة أثناء مرحلة النمذجة [48، 80]، وإنشاء قاعدة مناسبة [59]، ودمج نماذج متعددة [36]، واستخدام الشفافية [49]، والألوان [45]، أو إظهار بعض التراكيب الداخلية [30]. استخدم تريبودي وزملاؤه طين النحت لتكملة نماذج العظام المطبوعة ثلاثية الأبعاد، مؤكدين على قيمة النماذج التي يتم إنشاؤها بشكل تشاركي كأدوات تعليمية [47]. في 9 دراسات، تم تطبيق اللون بعد الطباعة [43، 46، 49، 54، 58، 59، 65، 69، 75]، لكن الطلاب قاموا بتطبيقه مرة واحدة فقط [49]. لسوء الحظ، لم تقيّم الدراسة جودة التدريب على النماذج أو تسلسل التدريب. ينبغي مراعاة ذلك في سياق تعليم التشريح، حيث أن فوائد التعلم المدمج والإبداع التشاركي راسخة [89]. ولمواجهة النشاط الإعلاني المتزايد، تم استخدام التعلم الذاتي مرات عديدة لتقييم النماذج [24، 26، 27، 32، 46، 69، 82].
خلصت إحدى الدراسات إلى أن لون المادة البلاستيكية كان ساطعًا جدًا[45]، وخلصت دراسة أخرى إلى أن النموذج كان هشًا للغاية[71]، وأشارت دراستان أخريان إلى نقص التنوع التشريحي في تصميم النماذج الفردية[25، 45]. وخلصت سبع دراسات إلى أن التفاصيل التشريحية في الطباعة ثلاثية الأبعاد غير كافية[28، 34، 45، 48، 62، 63، 81].
بالنسبة للنماذج التشريحية الأكثر تفصيلاً للمناطق الكبيرة والمعقدة، مثل خلف الصفاق أو العمود الفقري العنقي، يُعتبر وقت التجزئة والنمذجة طويلاً جداً، والتكلفة باهظة (حوالي 2000 دولار أمريكي) [27، 48]. ذكر هوجو وزملاؤه في دراستهم أن إنشاء النموذج التشريحي للحوض استغرق 40 ساعة [42]. أما أطول وقت للتجزئة فكان 380 ساعة في دراسة أجراها ويذرال وزملاؤه، حيث جُمعت نماذج متعددة لإنشاء نموذج كامل للمجرى الهوائي لدى الأطفال [36]. في تسع دراسات، اعتُبر وقت التجزئة والطباعة من العيوب [36، 42، 57، 58، 74]. مع ذلك، انتقدت 12 دراسة الخصائص الفيزيائية لنماذجها، ولا سيما اتساقها [28، 62]، وافتقارها للشفافية [30]، وهشاشتها، وتجانس ألوانها [71]، ونقص الأنسجة الرخوة [66]، أو نقص التفاصيل [28، 34]. [45، 48، 62، 63، 81]. يمكن التغلب على هذه العيوب بزيادة وقت التجزئة أو المحاكاة. وقد واجهت ثلاثة فرق مشكلة فقدان المعلومات ذات الصلة واسترجاعها [30، 74، 77]. ووفقًا لتقارير المرضى، لم توفر عوامل التباين اليودية رؤية مثالية للأوعية الدموية بسبب قيود الجرعة [74]. ويبدو أن حقن نموذج جثة هو طريقة مثالية تتجاوز مبدأ "أقل قدر ممكن" وقيود جرعة عامل التباين المحقون.
لسوء الحظ، لا تتناول العديد من المقالات بعض الميزات الرئيسية للتصنيع الرقمي ثلاثي الأبعاد. أقل من نصف المقالات ذكرت صراحةً ما إذا كان نموذجها ثلاثي الأبعاد ملونًا. كان تناول نطاق الطباعة غير متسق (43% من المقالات)، ولم تذكر سوى 34% استخدام وسائط متعددة. تُعدّ معايير الطباعة هذه بالغة الأهمية لأنها تؤثر على خصائص التعلم في التصنيع الرقمي ثلاثي الأبعاد. لا تُقدّم معظم المقالات معلومات كافية حول تعقيدات الحصول على هذا النوع من التصنيع (مدة التصميم، ومؤهلات الموظفين، وتكاليف البرامج، وتكاليف الطباعة، إلخ). هذه المعلومات ضرورية ويجب أخذها في الاعتبار قبل البدء في أي مشروع لتطوير نموذج رقمي ثلاثي الأبعاد جديد.
تُظهر هذه المراجعة المنهجية أن تصميم وطباعة نماذج تشريحية طبيعية ثلاثية الأبعاد أمر ممكن بتكلفة منخفضة، خاصةً عند استخدام طابعات FDM أو SLA ومواد بلاستيكية أحادية اللون رخيصة الثمن. مع ذلك، يمكن تحسين هذه التصاميم الأساسية بإضافة ألوان أو تصميمات بمواد مختلفة. تتطلب النماذج الأكثر واقعية (المطبوعة باستخدام مواد متعددة بألوان وقوام مختلفة لمحاكاة الخصائص الملموسة لنموذج مرجعي لجثة) تقنيات طباعة ثلاثية الأبعاد أكثر تكلفة وفترات تصميم أطول، مما يزيد التكلفة الإجمالية بشكل ملحوظ. بغض النظر عن عملية الطباعة المختارة، يُعد اختيار طريقة التصوير المناسبة أساسيًا لنجاح الطباعة ثلاثية الأبعاد. كلما زادت الدقة المكانية، أصبح النموذج أكثر واقعية ويمكن استخدامه في البحوث المتقدمة. من الناحية التربوية، تُعد الطباعة ثلاثية الأبعاد أداة فعالة لتدريس علم التشريح، كما يتضح من اختبارات المعرفة التي أُجريت للطلاب ورضاهم. يكون تأثير الطباعة ثلاثية الأبعاد التعليمي في أفضل حالاته عندما يُعيد إنتاج مناطق تشريحية معقدة ويستخدمه الطلاب في وقت مبكر من تدريبهم الطبي.
إن مجموعات البيانات التي تم إنشاؤها و/أو تحليلها في الدراسة الحالية غير متاحة للجمهور بسبب حواجز اللغة، ولكنها متاحة من المؤلف المسؤول عند الطلب المعقول.
دريك آر إل، لوري دي جيه، برويت سي إم. مراجعة لمقررات التشريح الإجمالي، والتشريح المجهري، وعلم الأحياء العصبية، وعلم الأجنة في مناهج كليات الطب الأمريكية. سجل التشريح. 2002؛269(2):118-22.
غوش إس كيه. تشريح الجثث كأداة تعليمية لعلم التشريح في القرن الحادي والعشرين: التشريح كأداة تعليمية. تحليل تعليم العلوم. 2017؛10(3):286-99.