口腔顎顔面外科実験教育における3Dプリント技術の応用

著者: 王柯、翔涛、唐亜玲、梁新華 (四川大学口腔疾患国家重点研究室、国立口腔疾患臨床研究センター、華西口腔病学病院)

口腔外科と顎顔面外科の学際的な分野である口腔顎顔面外科は、我が国ではまだ発展が急務となっている若い分野です。多くの医療従事者がこの専門分野の臨床研究や科学研究に従事する一方で、新しい医療従事者の教育と指導にも力を注いでいます。昨今、科学技術が急成長を遂げており、技術の継続的な革新により、この職業は急速に変化し、進歩しています。3D プリント技術は現在、パーソナライズされた手術ガイド、下顎欠損モデルと修復モデル、パーソナライズされたインプラントなどの製造を含む、口腔および顎顔面外科の臨床治療に使用され始めています。これは従来の治療法を改善するだけでなく、多くの患者に朗報をもたらします。しかし、現在の口腔顎顔面外科の専門教育は、依然として伝統的な教師の講義と試験が中心です。マルチメディア教育法や解剖標本の支援にもかかわらず、学生が口腔顎顔面領域の解剖学的関係、損傷後の軟部組織と硬組織の相対的な位置、およびそれぞれの状態を深く理解することは依然として困難です。著者は、口腔顎顔面外科の実験教育に 3D プリントを応用することで、学生の解剖学的位置の空間理解を深め、3 次元イメージ思考を確立し、学習の楽しさと効率を高め、教育の質を向上させることができると考えています。

1 3D プリントは基礎解剖学や口腔および顎顔面の局所解剖学の教育に使用されています<br /> 伝統的な解剖学の教育は、人体解剖図と教師の講義を組み合わせ、死体の解剖を補足するものでした。しかし、今日では死体ソースの不足と高コスト、およびモデリングプロセス中の微妙な構造と解剖学的変化の曖昧さに直面しており、基礎解剖学と局所解剖学の研究は困難に直面しています。3Dプリント技術は、その固有の利点により、上記の欠点を補うことができます。

Jones らによる研究では、51 人の被験者 (医師 50 人と医学生 1 人) に 4 つの 3D プリント病理解剖モデル (ステレオリソグラフィー装置 (SLA)、機器 3D Systems、米国、材料ポリカーボネート樹脂 (Accura 60)、およびポリマージェッティング技術 (PolyJet)、機器 Objet Geome-tries、イスラエル、材料アクリル樹脂を使用) を見せたところ、被験者の 90.2% がこれらのモデルを使用して基礎解剖学を教えることができると考えました。鈴木ら[4]は、3Dプリント（選択的レーザー焼結（SLS）技術を使用、機器は不明、材料はガラス砂を加えたポリアミドナイロン）で作られた2倍の大きさの側頭骨モデルを教材として使用しました。学生は、比例拡大後の側頭骨の微視的構造を複数の角度から見ることができます。同時に、教師の講義と教育手術ビデオの後、学生は手術と解剖学の関係をよりよく理解し、外科医の視点から手術の位置決めと解剖学的位置決めを学ぶことができます。 Wu Yanyanらは、無作為に選ばれた26名の臨床学部生の頭蓋底解剖学の教材として、3Dプリントされた頭蓋骨（使用機器：ultimaker 2、中国、材質：ポリ乳酸）を使用しました。参加者の43％は、3Dプリントされた頭蓋骨では頭蓋底の解剖学的構造を十分に表現できず、3Dプリントの精度を向上させる必要があると考えていましたが、参加者の88％は、3Dプリントモデルによって学習への関心が高まったと考えており、参加者の96％は、空間理解に役立ったと考えていました。

Fu Liらは、3Dプリント技術を組み合わせて、両側下歯槽神経転位術と同時歯インプラント手術をシミュレーションしました。その結果、3Dプリントモデル（使用された技術、設備、材料は不明）の神経管後部の幅は、口腔および顎顔面円錐ビームコンピュータ断層撮影（CBCT）の測定データよりも大幅に広く、利用可能な骨の高さは大幅に小さいことがわかりました。手術前の手術計画にはCBCTの代わりにモデルが使用され、手術中に観察された実際の状況は3Dプリントモデルと一致していました。 CBCTは断層画像です。医師は手術を計画する際に断層画像を3次元画像に変換するためにある程度の空間想像力を必要とし、神経管の境界の描写に主観的な誤差が生じる可能性があります。3Dプリントされた比例モデルは、下歯槽神経管の解剖学的形態を3次元で再現し、大量の隠れた情報を提供できます。これを参考にすることで、主観的な誤差を減らし、診断と治療の質と教育効果を大幅に向上させることができます。 Zhao Xuezhu らは、9 人の若い医師を対象に、模擬顎モデル (PolyJet 技術、PEDEN260、Objet Geome-tries、イスラエル、および MED610 材料を使用) による模擬手術の指導を実施しました。学生の 100% が、模擬顎モデルは、上顎奥歯に隣接する上顎洞構造、上顎前歯に隣接する切歯管構造、下顎の下歯槽神経などの潜在的な解剖学的構造の位置を視覚的に観察して指摘するのに役立ったと考えました。また、CT 画像と比較して、模擬顎モデルは患者の実際の骨の状態をより直感的に示すことができると学生の 100% が考えました。従来の教育方法では、医学生は文字による説明と2次元画像を通じてしか実際の顎の形状を想像することができませんでした。また、唇と頬の組織が閉塞しているため、口腔は手術領域が開かれないという特殊性があり、医学生が患者の骨の状態を十分に理解するのに大きく影響し、骨の成長速度を遅くします。3Dプリントモデルは、患者の実際の画像データと石膏模型から作成され、透明な樹脂材料（MED610）を使用しており、学生が患者の実際の骨構造を深く理解するのに役立ちます。

2 3D プリントは、上顎および下顎の外傷、腫瘍、欠損再建の教育に使用されています<br /> 交通事故、スポーツ傷害、その他の事故により、上顎骨と下顎骨が骨折することがよくあります。臨床症状としては、骨折のずれ、骨折片の異常なずれ、咬合障害、開口制限、歯肉裂傷などがあります。しかし、専門的な指導においては、口腔および顎顔面領域の複雑な解剖学的関係、咀嚼筋付着部の牽引、外力の大きさと方向の変動などにより、学生は骨折の変位と異常治癒の方向について理論的な理解しか持たず、特に顎顔面領域の多重骨折や古い骨折の場合、空間的な想像力が欠如していることが多い。 Yao Zhitao らは、様々な種類の骨折の 3D プリントモデル (使用された技術は SLA で、機器と材料は不明) を使用して、口腔医学の 2 学年の学生に顎顔面外傷を教え、テストには四川大学中国西部口腔学院の顎顔面外傷テスト問題を使用しました。結果は、3D プリントモデルを使用して指導されたグループの学生はより良い成績を達成し、口腔および顎顔面外傷についてより直感的で完全な理解を示したことを示しました。

顎の欠損は、外傷、炎症、放射線性骨壊死、腫瘍、腫瘍様病変の切除後に発生することが多く、患者の咀嚼、発話、嚥下などの生理機能や心理状態に深刻な影響を及ぼします。 Liu Bingらは、顎腫瘍患者の手術前と手術後3か月の顎顔面CTデータの3Dプリントモデル（使用された技術、機器、材料は不明）を使用し、Chen Pengらは5人の患者の顎欠損再建の3Dプリントモデル（使用された機器はReplicator 2X、Maker-Bot、米国、材料はポリ乳酸）を臨床教育に使用しました。学生は臨床データと画像データに基づいて診断を行い、治療計画を決定する必要がありました。結果は、3Dプリントモデルで教育を受けた学生は、顎再建をより直感的に理解し、顎欠損の解剖学的形態、顔の形の修復と咬合機能の再建の複雑さをより深く理解し、模擬手術を通じて、学生は顎欠損の治療原理と予後評価についても一定の理解をしていたことを示しまし

3. 3D プリントは、模擬手術の実習指導に使用されています<br /> 若い医師の成長は経験を積む過程であると同時に、医師は患者に対する責任と患者からの信頼を背負うことになります。口腔および顎顔面領域の解剖学的構造は複雑かつ重要であり、血管や神経が密集しており、手術視野は限られています。若い医師は手術を始める前に、長期間手術を観察し、経験豊富な医師の指導を受ける必要があります。完璧な複製特性を持つ 3D プリントは、シミュレーション手術を実行するために使用でき、若い医師のトレーニング時間を短縮し、急速に成長して外科手術のスキルを習得できるようにします。

局所麻酔は、口腔外科医が最もよく使用する処置の 1 つですが、局所麻酔によって生じる合併症によっては、口腔外科手術が中断または遅延したり、血腫、局所麻酔の失敗、顔面神経麻痺など、患者に深刻な危害を及ぼすこともあります。頭頸部の解剖学、特に神経解剖学に関する詳細な知識は、局所麻酔を安全かつ効果的に適用するための基礎となります。 Canellasらは、頭部と顔面の神経と血管、特に三叉神経とその枝を人間の頭蓋骨に精巧に再現し、これを基に上顎神経、下顎神経、下顎神経ブロック麻酔を含む麻酔法のビデオを作成し、130名の口腔医学部の学部生に麻酔法の学習のために提供しました。彼らの100%が、この指導法は正しい麻酔法の学習を促進し、3D解剖モデルは解剖学的構造の復習に役立ったと信じていました。 3Dプリント技術の急速な発展と、磁気共鳴画像法（MRI）などの画像診断における神経の画像化技術の成熟を考慮すると、将来的にはこれらの画像に基づいて3Dモデルを印刷し、口腔外科の麻酔指導に応用することが可能になるでしょう。

学生に治療計画を決定させる際、一部の学者は、3Dプリントされた原型モデル上で骨切り線とタイプを決定し、骨欠損の範囲、移植骨の長さ、再建に必要な形状を明確にし、ミラーモデルをテンプレートとして使用して修復ガイドまたは修復ブロックを作成するように要求します。教師は最初に3Dプリントモデルで説明し、次に具体的な手術プロセスと併せて説明します。 Yuan Weiらは、慢性顔面骨折17例（使用された技術、設備、材料は不明）に対してシミュレーション3Dモデル印刷を実施し、術前設計、術中難度分析、術後咬合関係修復をシミュレーションし、最終的な手術結果は満足のいくものでした。場合によっては、骨折の変形により患者の口の開きが制限され、型取りや咬合関係の調査が困難になります。また、古い骨折はずれたまま治癒することがあり、断層画像では具体的な変形を正確に判断することが難しく、手術の難易度が高まります。3Dプリントモデルは、古い骨折のずれたままの治癒を正確に表示し、患者の咬合関係を再現できます。シミュレーション手術を実現し、手術プロセスを簡素化し、手術時間を短縮するだけでなく、患者とその家族とのコミュニケーションも容易になります。 Chen Chunyan らは、3 次元の頭蓋骨モデルと 3D プリントされたガイド (使用された技術、機器、材料は不明) を使用して、複雑な顎顔面骨折の 10 例に対して術前設計とシミュレーション手術を実施し、医師が手術中にその領域を正確に位置決めし、手術時間を節約できるようにしました。 Olsze-wski らは、3D プリントされた頭蓋骨モデル (使用装置は米国 Z-Corp 社、材質はアクリル) を使用して顎矯正手術をシミュレートし、物理モデルの顎に骨切り線を設計し、切断、移動、固定操作を実行して、シミュレーション手術が歯根などの重要な構造を回避するのに役立つことを証明しました。Zhao Xuezhu らは、学生にシミュレーション顎モデルで手術前および手術ガイドプレートの製作を行わせ、3 ～ 5 回の実際の手術後に実際の手術を実施しました。学生の 100% が、シミュレーションモデルでのシミュレーション手術が最適な掘削位置の決定に役立つと考えました。

4 口腔外科実験教育における3Dプリントの展望
3D プリントは、パーソナライズされたカスタマイズと迅速なプロトタイピングの特性により、代表的な症例 (腫瘍、外傷など) を保存するための 3 次元標本として使用でき、実際の完全な臨床医療記録、画像データ、補助検査結果と組み合わせて、教育症例の保存として使用できます。孔金海らは、3Dプリントモデルを使用して、8年間の臨床学生60名を対象に状況指導を実施しました。その結果、学習への関心、効率、注意力、分析および問題解決能力、言語コミュニケーション能力の点で、実験群が対照群よりも優れていることが示されました。これは、状況指導が教育の雰囲気を活性化し、教育効果を強化する上で大きな意義を持っていることを示しています。 Yang Changweiらは、3Dプリントされた整形外科病変モデルを使用して、500人以上の研修生を対象に教育後のテストを実施しました。その結果、対照群（実験群の研修生）と比較して、知識の習得が大幅に向上し、研修生の学習への関心が高く、全体的な教育効果の評価もそれに応じて向上したことが示されました。 3Dプリントモデル教育は伝統的な教育方法と統合され、実験教育と理論教育が相互に補完し合います。問題解決型学習（PBL）教育モードが実装されているため、学生は教育の主導的役割を果たし、学習の自発性を十分に発揮し、知識を獲得すると同時に楽しみながら学ぶことができ、教師は指導、支援、質問への回答の役割を果たします。条件が許せば、学生にはできる限り 3D プリントされたモデルで外科手術をシミュレーションする機会を与え、実践的なスキルを訓練し、高度な外科技術と正確な手術能力をできるだけ早く習得できるようにする必要があります。

口腔外科実験教育における3Dプリントの5つの利点と欠点
3D 印刷技術は、コンピューター支援方式を使用して、オブジェクトモデルまたは CT データに基づいて 3 次元構造を層ごとに瞬時に製造および印刷するラピッドプロトタイピング技術です。
3D プリントは 3 つのステップに分かれています。
最初のステップは画像の取得です。CTやMRIなどの医療画像、患者の口腔状態を反映した石膏模型、レーザースキャンモデルなどはすべてデータソースになります。
2 番目のステップは画像後処理であり、さまざまなソフトウェアを使用して画像の 3 次元再構築を柔軟に確立します。
3 番目のステップは、物理モデルをすばやく印刷して作成することです。選択した材料に応じて、さまざまな成形方法があります。その中でも、SLA と熱溶解積層法 (FDM) は医療分野で最も広く使用されています。

口腔外科実験指導の補助教材として、3Dプリントモデルには大きな利点があります。1) 患者や健常者の実際のデータから作成され、さまざまな材料の選択に応じて透明にできるため、学生が解剖学の学習ツールとして使用すると、隠れた解剖学的位置を全方向から観察して空間感覚を確立できるだけでなく、生理学的および解剖学的標本の入手が困難であるという欠点や、直面する可能性のある倫理的および道徳的問題を克服できます。

2) 3Dプリントのパーソナライズされたカスタマイズにより、臨床事例の教育ツールとして使用した場合、学生は病変領域の3次元構造の変化をより直感的かつ深く理解できるようになります。
3) 3Dプリントモデルを使用して外科手術をシミュレーションすることで、学生は外科医の視点から外科手術のアプローチや手術技術を学ぶことができ、学生のトレーニング時間が短縮され、成長が加速されます。

しかし、現段階では、口腔外科教育における 3D プリント技術の応用には依然として欠点があります。
1) 3Dプリントには専門的な設備と材料が必要です。即時成形技術ではありますが、それでも生産サイクルが必要であり、多額の費用と時間の投資が必要です。
2) 科学技術の発展により、3Dプリントでは、同じプリントモデル上で異なる材料と色を使用して異なる解剖学的構造を分離できるようになり、軟部組織と硬部組織を区別するのに十分になりました。しかし、モデリングの複雑さと現在の材料では軟部組織の特性を再現できないため、モデル上で歯肉切開やフラップ開口などの手術をシミュレートすることは困難です。
3) 3Dプリントモデルは手術をシミュレートするのに複雑で時間がかかり、複雑な手術をシミュレートすることは困難です。骨切り術やその他のシミュレーションされた外科手術の後、モデルは破棄され、異なる手術手順を比較することは不可能です。複数のモデルでシミュレーションを行うのは時間がかかり、面倒です。
4) 現在、3Dプリントはプリンターの種類と使用する材料によって制限されており、精度は依然として微細な解剖学的構造を完全に反映することができません。モデルの空洞内に粉末やサポート材料の残留物が見られ、シミュレーション手術中に溶ける傾向がある可能性があります。
5) 3D プリントモデルでは顎関節の動きをシミュレートすることができないため、患者の咬合運動を再現することはできません。

6 まとめ
3Dプリントモデルは、解剖学的構造、診断分類、外科的治療を統合し、知識の統合を完全に実現します。先天性疾患やその他の病状のモデルを印刷する可能性は、臨床解剖学教育モデルを改善し、現代の教育動向に適合します。教育に応用することで、解剖学的構造の直観性と鮮明さが向上します。実験教育のインタラクティブで実践的な性質により、学生は学習プロセスで自発性と熱意を十分に発揮することができ、学生の思考モードと実践的な操作スキルの急速な成長に役立ち、教育の効率と品質が向上します。口腔顎顔面外科の実験教育における 3D プリントモデルの応用は、さまざまな制限によりまだ非常に限られていますが、科学技術の発展、印刷技術と材料の革新、コストの削減により、その応用展望は非常に広くなると考えられています。

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