정상 인체 해부학 교육 도구로서의 3D 프린팅: 체계적 문헌고찰 | BMC Medical Education

3D 프린팅 해부학 모형(3DPAM)은 교육적 가치와 실용성 측면에서 적합한 도구로 여겨진다. 본 연구의 목적은 인체 해부학 교육을 위한 3DPAM 제작 방법을 기술 및 분석하고, 그 교육적 기여도를 평가하는 것이다.
PubMed에서 다음 용어를 사용하여 전자 검색을 수행했습니다. education, school, learning, teaching, training, teaching, education, three-dimensional, 3D, 3-dimensional, printing, printing, printing, anatomy, anatomy, anatomy, and anatomy. 검색 결과에는 연구 특성, 모델 설계, 형태학적 평가, 교육적 성과, 장점 및 단점이 포함되었습니다.
선정된 68개 논문 중 두개골 부위에 초점을 맞춘 연구가 가장 많았으며(33개 논문), 51개 논문에서 뼈 프린팅을 언급했습니다. 47개 논문에서는 컴퓨터 단층 촬영(CT)을 기반으로 3D 프린팅(3DPAM) 기술을 개발했습니다. 다섯 가지 프린팅 공정이 사용되었으며, 48개 연구에서는 플라스틱 및 그 파생물을 사용했습니다. 각 디자인의 가격은 1.25달러에서 2,800달러까지 다양합니다. 37개 연구에서는 3D 프린팅을 기준 모델과 비교했습니다. 33개 논문에서는 교육 활동을 살펴보았습니다. 주요 장점으로는 시각적 및 촉각적 품질, 학습 효율성, 반복성, 맞춤 제작 가능성 및 유연성, 시간 절약, 기능 해부학 통합, 향상된 암산 능력, 지식 습득 및 교사/학생 만족도 등이 있습니다. 주요 단점은 디자인과 관련된 것으로, 일관성 부족, 세부 묘사 또는 투명도 부족, 지나치게 밝은 색상, 긴 프린팅 시간 및 높은 비용 등이 있습니다.
본 체계적 문헌고찰은 3D 프린팅 영상 장비(3DPAM)가 해부학 교육에 비용 효율적이고 효과적임을 보여줍니다. 보다 사실적인 모델을 제작하려면 더 고가의 3D 프린팅 기술과 더 긴 설계 시간이 필요하며, 이는 전체 비용을 크게 증가시킬 수 있습니다. 핵심은 적절한 영상 촬영 방법을 선택하는 것입니다. 교육학적 관점에서 볼 때, 3D 프린팅 영상 장비는 학습 성과와 만족도에 긍정적인 영향을 미치는 효과적인 해부학 교육 도구입니다. 3D 프린팅 영상 장비의 교육 효과는 복잡한 해부학적 부위를 재현할 때, 그리고 학생들이 의학 교육 초기에 이를 활용할 때 가장 뛰어납니다.
동물 사체 해부는 고대 그리스 시대부터 행해져 왔으며 해부학 교육의 주요 방법 중 하나입니다. 실습 교육 중 수행되는 사체 해부는 의과대학 학생들의 이론 교육 과정에 활용되며 현재 해부학 학습의 표준으로 여겨지고 있습니다[1,2,3,4,5]. 그러나 인체 사체 표본 사용에는 여러 가지 제약이 있어 새로운 교육 도구에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다[6, 7]. 이러한 새로운 도구에는 증강 현실, 디지털 도구, 3D 프린팅 등이 있습니다. Santos 등[8]의 최근 문헌 검토에 따르면, 해부학 교육에 있어 이러한 신기술의 가치 측면에서 3D 프린팅은 교육적 가치와 구현 가능성 측면 모두에서 가장 중요한 자원 중 하나로 꼽힙니다[4,9,10].
3D 프린팅은 새로운 기술이 아닙니다. 이 기술과 관련된 최초의 특허는 1984년 프랑스의 A Le Méhauté, O De Witte, JC André가, 그리고 3주 후 미국의 C Hull이 출원했습니다. 그 이후로 이 기술은 계속 발전해 왔으며 그 활용 분야도 여러 영역으로 확대되었습니다. 예를 들어, NASA는 2014년에 지구 밖 우주로 최초의 물체를 프린팅했습니다[11]. 의료 분야에서도 이 새로운 도구를 도입하여 맞춤형 의학 개발에 대한 수요가 증가하고 있습니다[12].
많은 연구자들이 의학 교육에서 3D 프린팅 해부학적 모델(3DPAM) 사용의 이점을 입증해 왔습니다[10, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]. 인체 해부학을 가르칠 때는 병리학적이지 않고 해부학적으로 정상적인 모델이 필요합니다. 일부 연구에서는 병리학적 또는 의학/외과 훈련 모델을 검토했습니다[8, 20, 21]. 3D 프린팅과 같은 새로운 도구를 통합한 인체 해부학 교육을 위한 하이브리드 모델을 개발하기 위해, 본 연구에서는 3D 프린팅 물체가 인체 해부학 교육을 위해 어떻게 제작되는지, 그리고 학생들이 이러한 3D 물체를 사용한 학습의 효과를 어떻게 평가하는지 체계적인 문헌 고찰을 통해 분석했습니다.
이 체계적인 문헌 검토는 PRISMA(체계적 검토 및 메타분석을 위한 선호 보고 항목) 지침[22]을 사용하여 시간 제한 없이 2022년 6월에 수행되었습니다.
본 연구의 포함 기준은 해부학 교육/학습에 3D 프린팅 영상 보조 장치(3DPAM)를 활용한 모든 연구 논문이었다. 문헌 고찰, 서신, 병리학적 모델, 동물 모델, 고고학적 모델, 의학/외과 훈련 모델에 초점을 맞춘 논문은 제외하였다. 영어로 출판된 논문만을 선정하였다. 온라인에서 초록을 확인할 수 없는 논문도 제외하였다. 해부학적으로 정상이거나 교육적 가치에 영향을 미치지 않는 경미한 병변을 가진 모델을 하나 이상 포함하는 논문은 포함하였다.
2022년 6월까지 발표된 관련 연구를 찾기 위해 전자 데이터베이스인 PubMed(미국 국립 의학 도서관, NCBI)에서 문헌 검색을 수행했습니다. 다음 검색어를 사용했습니다. education, school, teaching, teaching, learning, teaching, education, three-dimensional, 3D, printing, printing, anatomy, anatomy, anatomy, anatomy. 다음 단일 쿼리를 실행했습니다: (((education[Title/Abstract] OR school[Title/Abstract] OR learning[Title/Abstract] OR teaching[Title/Abstract] OR training[Title/Abstract] OR reach[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]). 추가 논문은 PubMed 데이터베이스를 수동으로 검색하고 다른 과학 논문의 참고 문헌을 검토하여 확인했습니다. 날짜 제한은 적용하지 않았지만 "인물" 필터를 사용했습니다.
검색된 모든 제목과 초록은 두 명의 저자(EBR 및 AL)가 포함 및 제외 기준에 따라 검토했으며, 모든 적격 기준을 충족하지 못하는 연구는 제외했습니다. 나머지 연구의 전문은 세 명의 저자(EBR, EBE 및 AL)가 검토했습니다. 필요한 경우, 논문 선정에 대한 의견 불일치는 네 번째 사람(LT)이 해결했습니다. 모든 포함 기준을 충족하는 논문들이 본 검토에 포함되었습니다.
데이터 추출은 세 번째 저자(LT)의 감독 하에 두 명의 저자(EBR 및 AL)가 독립적으로 수행했습니다.
- 모델 설계 데이터: 해부학적 부위, 특정 해부학적 부분, 3D 프린팅용 초기 모델, 획득 방법, 분할 및 모델링 소프트웨어, 3D 프린터 유형, 재료 유형 및 수량, 프린팅 크기, 색상, 프린팅 비용.
- 모델의 형태학적 평가: 비교에 사용된 모델, 전문가/교사의 의학적 평가, 평가자 수, 평가 유형.
- 3D 모델 교육: 학생 지식 평가, 평가 방법, 학생 수, 비교 집단 수, 학생 무작위 배정, 학생의 교육 수준/유형.
MEDLINE에서 총 418편의 연구를 검색했으며, "인간 대상" 필터를 적용하여 139편을 제외했습니다. 제목과 초록을 검토한 후, 103편의 연구를 선정하여 전문을 검토했습니다. 이 중 병리학적 모델(9편), 의학/외과 훈련 모델(4편), 동물 모델(4편), 3D 방사선 모델(1편)에 관한 연구이거나, 원저 과학 논문이 아닌 논문(16편) 34편을 제외했습니다. 최종적으로 68편의 논문을 검토에 포함했습니다. 그림 1은 선정 과정을 흐름도로 나타낸 것입니다.
본 체계적 문헌고찰에 포함된 논문의 식별, 선별 및 포함 과정을 요약한 흐름도
모든 연구는 2014년에서 2022년 사이에 발표되었으며, 평균 발표 연도는 2019년입니다. 포함된 68편의 논문 중 33편(49%)은 서술적 및 실험적 연구였고, 17편(25%)은 순수 실험적 연구, 18편(26%)은 순수 서술적 실험 연구였습니다. 실험 연구 50편(73%) 중 21편(31%)에서 무작위 배정을 사용했습니다. 통계 분석을 포함한 연구는 34편(50%)뿐이었습니다. 표 1은 각 연구의 특징을 요약한 것입니다.
33개 논문(48%)은 머리 부위를, 19개 논문(28%)은 흉부 부위를, 17개 논문(25%)은 복부골반 부위를, 그리고 15개 논문(22%)은 사지를 조사했습니다. 51개 논문(75%)은 3D 프린팅된 뼈를 해부학적 모델 또는 다중 슬라이스 해부학적 모델로 언급했습니다.
3D 프린팅 영상 모델(3DPAM) 개발에 사용된 원본 모델 또는 파일과 관련하여, 23개 논문(34%)은 환자 데이터를, 20개 논문(29%)은 사체 데이터를, 17개 논문(25%)은 데이터베이스를 사용했다고 언급했으며, 7개 연구(10%)는 사용된 문서의 출처를 밝히지 않았습니다.
47개 연구(69%)는 컴퓨터 단층 촬영(CT)을 기반으로 3DPAM을 개발했으며, 3개 연구(4%)는 마이크로CT를 사용했다고 보고했습니다. 7개 논문(10%)은 광학 스캐너를 사용하여 3D 객체를 투영했고, 4개 논문(6%)은 MRI를, 1개 논문(1%)은 카메라와 현미경을 사용했습니다. 14개 논문(21%)은 3D 모델 설계 소스 파일의 출처를 언급하지 않았습니다. 3D 파일은 평균 공간 해상도가 0.5mm 미만으로 생성됩니다. 최적 해상도는 30μm[80]이고 최대 해상도는 1.5mm[32]입니다.
60가지의 다양한 소프트웨어 응용 프로그램(분할, 모델링, 디자인 또는 프린팅)이 사용되었습니다. Mimics(Materialise, Leuven, Belgium)가 가장 많이 사용되었으며(14건, 21%), 그 다음으로 MeshMixer(Autodesk, San Rafael, CA)(13건, 19%), Geomagic(3D System, MO, NC, Leesville)(10건, 15%), 3D Slicer(Slicer Developer Training, Boston, MA)(9건, 13%), Blender(Blender Foundation, Amsterdam, Netherlands)(8건, 12%), CURA(Geldemarsen, Netherlands)(7건, 10%) 순으로 사용되었습니다.
67가지의 서로 다른 프린터 모델과 5가지 인쇄 공정이 언급되었습니다. FDM(Fused Deposition Modeling) 기술은 26개 제품(38%)에 사용되었고, 재료 블라스팅은 13개 제품(19%), 바인더 블라스팅은 11개 제품(16%)에 사용되었습니다. 가장 적게 사용된 기술은 SLA(Stereolithography)(5개 제품, 7%)와 SLS(Selective Laser Sintering)(4개 제품, 6%)입니다. 가장 많이 사용된 프린터는 Connex 500(Stratasys, Rehovot, Israel)(7개 제품, 10%)입니다[27, 30, 32, 36, 45, 62, 65].
3D 프린팅 재료에 대해 기술한 논문 51편(75%) 중 48편(71%)에서 플라스틱 및 그 파생물을 사용했다. 주요 재료로는 PLA(폴리락트산)(n=20, 29%), 수지(n=9, 13%), ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌)(7종, 10%) 등이 있었다. 23편(34%)은 여러 재료로 만든 3D 프린팅을, 36편(53%)은 한 가지 재료로 만든 3D 프린팅을 연구했으며, 9편(13%)은 재료를 명시하지 않았다.
29개 논문(43%)에서 인쇄 비율이 0.25:1~2:1 범위로 보고되었으며 평균은 1:1이었다. 25개 논문(37%)은 1:1 비율을 사용했다. 28개의 3DPAM(41%)은 여러 색상으로 구성되었고 9개(13%)는 인쇄 후 염색되었다[43, 46, 49, 54, 58, 59, 65, 69, 75].
34개 논문(50%)에서 비용을 언급했습니다. 9개 논문(13%)에서는 3D 프린터와 원자재 비용을 언급했습니다. 프린터 가격은 302달러에서 65,000달러까지 다양합니다. 모델 가격이 명시된 경우, 1.25달러에서 2,800달러까지 다양하며, 이러한 극단적인 가격은 골격 표본[47]과 고정밀 후복막 모델[48]에 해당합니다. 표 2는 포함된 각 연구의 모델 데이터를 요약합니다.
37개 연구(54%)에서 3D 프린팅 모형(3DPAM)을 참조 모형과 비교했습니다. 이 연구들 중 가장 흔한 비교 대상은 해부학적 참조 모형으로 14개 논문(38%)에서 사용되었으며, 플라스티네이션 처리된 표본이 6개 논문(16%)에서 사용되었습니다. 가상 현실, 컴퓨터 단층 촬영 영상이 5개 논문(14%)에서 3DPAM과 함께 사용되었고, 다른 3DPAM은 3개 논문(8%)에서 사용되었습니다. 시뮬레이션 게임은 1개 논문(3%), 방사선 사진은 1개 논문(3%), 비즈니스 모델은 1개 논문(3%), 증강 현실은 1개 논문(3%)에서 사용되었습니다. 34개 연구(50%)에서 3DPAM을 평가했으며, 15개 연구(48%)에서는 평가자의 경험을 자세히 기술했습니다(표 3). 3D 프린팅 영상 평가는 7개 연구(47%)에서 외과의 또는 담당의, 6개 연구(40%)에서 해부학 전문의, 3개 연구(20%)에서 학생, 3개 연구(20%)에서 교사(전공 미상)가 수행했으며, 논문에 추가 평가자가 참여한 경우도 7%였다. 평균 평가자 수는 14명(최소 2명, 최대 30명)이었다. 33개 연구(49%)는 3D 프린팅 영상의 형태를 정성적으로 평가했고, 10개 연구(15%)는 정량적으로 평가했다. 정성적 평가를 사용한 33개 연구 중 16개는 순수 서술적 평가(48%), 9개는 검사/평가/설문조사(27%), 8개는 리커트 척도(24%)를 사용했다. 표 3은 포함된 각 연구에서 사용된 모델의 형태학적 평가 방법을 요약한 것이다.
총 33편(48%)의 논문에서 3D 프린팅 영상화(3DPAM) 교육의 효과를 비교 분석했습니다. 이 중 23편(70%)은 학생 만족도를 평가했고, 17편(51%)은 리커트 척도를, 6편(18%)은 기타 방법을 사용했습니다. 22편(67%)의 논문은 지식 평가를 통해 학생들의 학습 성과를 측정했으며, 이 중 10편(30%)은 사전 평가 및/또는 사후 평가를 실시했습니다. 11편(33%)은 객관식 문항과 시험을 통해 학생들의 지식을 평가했고, 5편(15%)은 이미지 라벨링/해부학적 식별을 활용했습니다. 각 연구에는 평균 76명의 학생이 참여했으며(최소 8명, 최대 319명), 24편(72%)의 연구에는 대조군이 포함되었습니다. 이 중 20편(60%)은 무작위 배정을 사용했고, 1편(3%)은 10명의 학생에게 해부학적 모형을 무작위로 배정했습니다. 평균적으로 2.6개의 집단이 비교되었으며(최소 2개, 최대 10개), 각 연구마다 평균 76명의 학생이 참여했습니다. 총 23개 연구(70%)에 의대생이 참여했으며, 그중 14개 연구(42%)는 의대 1학년생이었습니다. 6개 연구(18%)에는 레지던트, 4개 연구(12%)에는 치대생, 3개 연구(9%)에는 이공계열 학생이 참여했습니다. 6개 연구(18%)는 3DPAM을 활용한 자율 학습을 시행하고 평가했습니다. 표 4는 포함된 각 연구에 대한 3DPAM 교육 효과 평가 결과를 요약한 것입니다.
저자들이 보고한 일반적인 인체 해부학 교육 도구로서 3DPAM을 사용하는 주요 이점은 사실성[55, 67], 정확성[44, 50, 72, 85], 일관성 가변성[34, 45]을 포함한 시각적 및 촉각적 특성입니다. [48, 64], 색상 및 투명도 [28, 45], 내구성 [24, 56, 73], 교육 효과 [16, 32, 35, 39, 52, 57, 63, 69, 79], 비용 [27, 41, 44, 45, 48, 51, 60, 64, 80, 81, 83], 재현성 [80], 개선 또는 개인화 가능성 [28, 30, 36, 45, 48, 51, 53, 59, 61, 67, 80], 학생 조작 능력 [30, 49], 수업 시간 절약 [61, 80], 보관 용이성 [61], 기능 해부학 통합 또는 특정 구조 생성 능력 [51, 53, 67], 빠른 설계 골격 모형[81], 모형을 공동 제작하고 집으로 가져갈 수 있는 능력[49, 60, 71], 정신 회전 능력[23] 및 지식 유지[32]를 향상시키고 교사[25, 63]와 학생 만족도[25, 45, 46, 52, 52, 57, 63, 66, 69, 84]에도 영향을 미칩니다.
주요 단점은 디자인과 관련된 것으로, 경직성[80], 일관성[28, 62], 세부 사항이나 투명성 부족[28, 30, 34, 45, 48, 62, 64, 81], 지나치게 밝은 색상[45], 그리고 바닥의 취약성[71] 등이 있습니다. 다른 단점으로는 정보 손실[30, 76], 이미지 분할에 소요되는 긴 시간[36, 52, 57, 58, 74], 인쇄 시간[57, 63, 66, 67], 해부학적 다양성 부족[25], 그리고 높은 비용[48] 등이 있습니다.
본 체계적 문헌고찰은 지난 9년간 발표된 68편의 논문을 종합하여, 정상 인체 해부학 교육 도구로서 3D 프린팅 적층 제조(3DPAM)에 대한 과학계의 관심을 조명합니다. 각 해부학적 부위를 연구 대상으로 삼아 3D 프린팅 모델을 제작했습니다. 이 중 37편은 3DPAM을 다른 모델과 비교했고, 33편은 3DPAM이 학생들에게 미치는 교육적 효과를 평가했습니다.
해부학적 3D 프린팅 연구의 설계 차이로 인해 메타분석을 수행하는 것이 적절하지 않다고 판단했습니다. 2020년에 발표된 메타분석은 3DPAM 설계 및 생산의 기술적 측면을 분석하지 않고 주로 훈련 후 해부학적 지식 테스트에 초점을 맞추었습니다[10].
머리 부위는 가장 많이 연구되는 부위인데, 아마도 해부학적 구조가 복잡하여 학생들이 사지나 몸통에 비해 3차원 공간에서 이 해부학적 영역을 묘사하기가 더 어렵기 때문일 것입니다. CT는 단연 가장 일반적으로 사용되는 영상 기법입니다. 이 기술은 특히 의료 분야에서 널리 사용되지만, 공간 해상도가 제한적이고 연조직 대비가 낮습니다. 이러한 한계로 인해 CT 스캔은 신경계의 분할 및 모델링에 적합하지 않습니다. 반면, CT는 뼈 조직의 분할/모델링에 더 적합합니다. 뼈와 연조직의 대비는 해부학적 모델을 3D 프린팅하기 전에 이러한 단계를 완료하는 데 도움이 됩니다. 한편, 마이크로CT는 뼈 영상에서 공간 해상도 측면에서 기준 기술로 간주됩니다[70]. 광학 스캐너나 MRI를 사용하여 이미지를 얻을 수도 있습니다. 높은 해상도는 뼈 표면의 평활화를 방지하고 해부학적 구조의 미묘함을 보존합니다[59]. 모델의 선택 또한 공간 해상도에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 가소화 모델은 해상도가 낮습니다[45]. 그래픽 디자이너는 맞춤형 3D 모델을 제작해야 하므로 비용이 증가합니다(시간당 $25~$150)[43]. 고품질 해부학적 모델을 제작하기 위해서는 고품질 .STL 파일을 얻는 것만으로는 충분하지 않습니다. 인쇄판에서 해부학적 모델의 방향과 같은 인쇄 매개변수를 결정해야 합니다[29]. 일부 저자는 3DPAM의 정확도를 향상시키기 위해 가능한 한 SLS와 같은 고급 인쇄 기술을 사용해야 한다고 제안합니다[38]. 3DPAM 제작에는 전문가의 도움이 필요하며, 가장 많이 찾는 전문가는 엔지니어[72], 방사선 전문의[75], 그래픽 디자이너[43] 및 해부학자[25, 28, 51, 57, 76, 77]입니다.
분할 및 모델링 소프트웨어는 정확한 해부학적 모델을 얻는 데 중요한 요소이지만, 이러한 소프트웨어 패키지의 비용과 복잡성으로 인해 사용이 제한됩니다. 여러 연구에서 다양한 소프트웨어 패키지와 프린팅 기술의 사용을 비교하여 각 기술의 장단점을 강조했습니다[68]. 모델링 소프트웨어 외에도 선택한 프린터와 호환되는 프린팅 소프트웨어가 필요하며, 일부 저자는 온라인 3D 프린팅을 선호합니다[75]. 충분한 양의 3D 객체를 프린팅할 경우 투자 대비 수익을 얻을 수 있습니다[72].
플라스틱은 단연코 가장 흔하게 사용되는 재료입니다. 다양한 질감과 색상 덕분에 3D 프린팅 적층 제조(3DPAM)에 가장 적합한 재료로 여겨집니다. 일부 연구자들은 기존의 사체 모형이나 플라스티네이션 모형에 비해 플라스틱의 높은 강도를 높이 평가했습니다[24, 56, 73]. 어떤 플라스틱은 굽힘이나 늘림 특성까지 갖추고 있습니다. 예를 들어, FDM 기술로 제작된 Filaflex는 최대 700%까지 늘어날 수 있습니다. 일부 연구자들은 Filaflex를 근육, 힘줄, 인대 복제에 가장 적합한 재료로 간주합니다[63]. 반면, 두 연구에서는 프린팅 과정에서 섬유 배향에 대한 의문을 제기했습니다. 실제로 근육 모델링에서 근섬유의 배향, 부착 부위, 신경 분포 및 기능은 매우 중요합니다[33].
놀랍게도, 인쇄 크기에 대해 언급한 연구는 거의 없습니다. 많은 사람들이 1:1 비율을 표준으로 여기기 때문에 저자들이 이를 언급하지 않았을 수도 있습니다. 대규모 집단에서 집중적인 학습을 위해서는 크기를 키우는 것이 유용할 수 있지만, 특히 학급 규모가 커지고 모형의 물리적 크기가 중요한 요소가 되는 상황에서 크기 확대의 실현 가능성은 아직 충분히 연구되지 않았습니다. 물론, 실물 크기의 모형은 환자에게 다양한 해부학적 요소를 더 쉽게 설명하고 위치를 파악할 수 있도록 해주기 때문에 자주 사용되는 이유일 것입니다.
시중에 나와 있는 여러 프린터 중 컬러 및 다층(따라서 다중 질감) 고해상도 인쇄를 제공하는 PolyJet(재료 또는 바인더 잉크젯) 기술을 사용하는 프린터는 20,000달러에서 250,000달러 사이의 비용이 듭니다(https://www.aniwaa.com/). 이러한 높은 비용은 의과대학에서 3D 프린팅 적층 제조(3DPAM)의 보급을 제한할 수 있습니다. 프린터 비용 외에도 잉크젯 인쇄에 필요한 재료 비용은 SLA 또는 FDM 프린터보다 높습니다[68]. SLA 또는 FDM 프린터의 가격 또한 이 리뷰에 나열된 논문에서 576유로에서 4,999유로 사이로 더 저렴합니다. Tripodi와 동료들에 따르면 각 골격 부품을 1.25달러에 인쇄할 수 있습니다[47]. 11개의 연구에서 3D 프린팅이 가소화 또는 상용 모델보다 저렴하다는 결론을 내렸습니다[24, 27, 41, 44, 45, 48, 51, 60, 63, 80, 81, 83]. 더욱이 이러한 상용 모델은 해부학 교육에 필요한 충분한 세부 정보 없이 환자 정보만 제공하도록 설계되었습니다[80]. 이러한 상용 모델은 3D 프린팅 적층 제조(3DPAM)보다 품질이 떨어지는 것으로 간주됩니다[44]. 사용된 프린팅 기술 외에도 최종 비용은 규모에 비례하므로 3D 프린팅 적층 제조의 최종 크기에 따라 달라진다는 점에 주목할 필요가 있습니다[48]. 이러한 이유로 실물 크기 모형이 선호됩니다[37].
단 하나의 연구만이 3DPAM을 시판되는 해부학적 모델과 비교했습니다[72]. 3DPAM의 비교 대상으로는 사체 표본이 가장 일반적으로 사용됩니다. 한계점에도 불구하고 사체 모델은 해부학 교육에 여전히 유용한 도구입니다. 부검, 해부, 건조 뼈는 구분해야 합니다. 훈련 테스트를 기반으로 한 두 연구에서는 3DPAM이 플라스티네이션 처리된 해부보다 훨씬 효과적이라는 것을 보여주었습니다[16, 27]. 한 연구에서는 3DPAM(하지)을 사용한 1시간 훈련과 동일한 해부학적 부위의 1시간 해부를 비교했습니다[78]. 두 교육 방법 간에 유의미한 차이는 없었습니다. 이러한 비교가 어렵기 때문에 이 주제에 대한 연구가 부족한 것으로 보입니다. 해부는 학생들에게 많은 시간을 요구하는 준비 과정입니다. 준비 대상에 따라 수십 시간의 준비가 필요한 경우도 있습니다. 건조 뼈를 이용한 비교도 가능합니다. Tsai와 Smith의 연구에 따르면 3DPAM을 사용한 그룹의 시험 점수가 유의미하게 더 높았습니다[51, 63]. Chen과 동료들은 3D 모델을 사용한 학생들이 구조(두개골) 식별에서 더 나은 성과를 보였지만 객관식 문제 점수에는 차이가 없었다고 언급했습니다[69]. 마지막으로 Tanner와 동료들은 익상구개와(pterygopalatine fossa)의 3DPAM을 사용한 그룹에서 사후 시험 결과가 더 우수함을 보여주었습니다[46]. 이 문헌 검토에서는 다른 새로운 교육 도구들도 확인되었습니다. 그중 가장 일반적인 것은 증강 현실, 가상 현실, 그리고 진지한 게임입니다[43]. Mahrous와 동료들에 따르면 해부학적 모델에 대한 선호도는 학생들이 비디오 게임을 하는 시간에 따라 달라집니다[31]. 한편, 새로운 해부학 교육 도구의 주요 단점은 햅틱 피드백, 특히 순수 가상 도구의 경우 햅틱 피드백이 부족하다는 점입니다[48].
새로운 3DPAM을 평가하는 대부분의 연구에서는 사전 지식 테스트를 활용했습니다. 이러한 사전 테스트는 평가의 편향을 방지하는 데 도움이 됩니다. 일부 연구자들은 실험 연구를 수행하기 전에 예비 테스트에서 평균 이상의 점수를 받은 학생들을 모두 제외했습니다[40]. Garas와 동료들이 언급한 편향 요인으로는 모델의 색상과 학생 수업에서 자원 참가자를 선정하는 방식이 있습니다[61]. 염색은 해부학적 구조를 식별하는 데 도움이 됩니다. Chen과 동료들은 그룹 간 초기 차이가 없도록 엄격한 실험 조건을 설정하고 가능한 한 최대한 맹검법을 적용했습니다[69]. Lim과 동료들은 평가의 편향을 방지하기 위해 사후 평가를 제3자가 수행할 것을 권장합니다[16]. 일부 연구에서는 3DPAM의 실현 가능성을 평가하기 위해 리커트 척도를 사용했습니다. 이 도구는 만족도를 평가하는 데 적합하지만, 여전히 주의해야 할 중요한 편향 요인이 존재합니다[86].
33개 연구 중 14개 연구에서 3D 프린팅 조립체(3DPAM)의 교육적 유용성은 주로 의대생, 특히 1학년 의대생을 대상으로 평가되었습니다. Wilk와 동료들은 예비 연구에서 의대생들이 해부학 학습에 3D 프린팅을 활용해야 한다고 생각한다고 보고했습니다[87]. Cercenelli 연구에서 설문 조사에 참여한 학생의 87%는 2학년이 3D 프린팅 조립체를 사용하기에 가장 좋은 시기라고 생각했습니다[84]. Tanner와 동료들의 연구 결과 또한 해당 분야를 공부한 적이 없는 학생들이 더 나은 성적을 보였다는 것을 보여주었습니다[46]. 이러한 데이터는 의대 1학년이 해부학 교육에 3D 프린팅 조립체를 도입하기에 가장 적절한 시기임을 시사합니다. Ye의 메타 분석도 이러한 생각을 뒷받침합니다[18]. 연구에 포함된 27개 논문에서 의대생의 경우 3D 프린팅 조립체와 기존 모형 간의 시험 점수에 유의미한 차이가 있었지만, 전공의의 경우에는 그렇지 않았습니다.
3D 프린팅 해부학적 모델(3DPAM)은 학습 도구로서 학업 성취도[16, 35, 39, 52, 57, 63, 69, 79], 장기적인 지식 유지[32], 그리고 학생 만족도[25, 45, 46, 52, 57, 63, 66]를 향상시킨다[69, 84]. 전문가 패널 또한 이러한 모델의 유용성을 인정했으며[37, 42, 49, 81, 82], 두 연구에서는 교사들이 3D 프린팅 해부학적 모델에 만족한다는 결과가 나왔다[25, 63]. Backhouse와 동료들은 3D 프린팅이 전통적인 해부학적 모델을 대체할 수 있는 최상의 대안이라고 평가했다[49]. Ye와 동료들은 첫 번째 메타분석에서 3D 프린팅 해부학적 모델을 활용한 교육을 받은 학생들이 2D 모델이나 해부도 자료를 활용한 교육을 받은 학생들보다 사후 시험 점수가 더 높았음을 확인했다[10]. 그러나 연구자들은 3DPAM을 복잡성이 아닌 심장, 신경계, 복강 등의 영역으로 구분했습니다. 7개의 연구에서 3DPAM은 학생들에게 실시한 지식 테스트에서 다른 모델보다 우수한 성능을 보이지 않았습니다[32, 66, 69, 77, 78, 84]. Salazar와 동료들은 메타분석을 통해 3DPAM의 사용이 특히 복잡한 해부학적 구조에 대한 이해도를 향상시킨다고 결론지었습니다[17]. 이러한 개념은 Hitas의 편집자에게 보낸 편지[88]와 일치합니다. 덜 복잡한 해부학적 영역은 3DPAM을 사용할 필요가 없지만, 목이나 신경계와 같은 더 복잡한 해부학적 영역은 3DPAM을 사용하는 것이 논리적인 선택입니다. 이러한 개념은 특히 학생들이 모델의 성능이 우수한 것으로 나타난 영역에 대한 지식이 부족할 때 일부 3DPAM이 기존 모델보다 우수하다고 여겨지지 않는 이유를 설명할 수 있습니다. 따라서 이미 해당 주제에 대한 어느 정도의 지식을 가진 학생(의대생이나 레지던트)에게 간단한 모델을 제시하는 것은 학생들의 학습 성과 향상에 도움이 되지 않습니다.
나열된 모든 교육적 이점 중 11개 연구는 모델의 시각적 또는 촉각적 특성을 강조했고[27,34,44,45,48,50,55,63,67,72,85], 3개 연구는 강도와 내구성 향상을 강조했습니다(33, 50-52, 63, 79, 85, 86). 다른 장점으로는 학생들이 구조물을 조작할 수 있고, 교사는 시간을 절약할 수 있으며, 시체보다 보존이 용이하고, 프로젝트를 24시간 이내에 완료할 수 있고, 홈스쿨링 도구로 활용할 수 있으며, 많은 양의 정보를 그룹에게 교육하는 데 사용할 수 있다는 점 등이 있습니다[30, 49, 60, 61, 80, 81]. 대량 해부학 교육을 위한 반복적인 3D 프린팅은 3D 프린팅 모델의 비용 효율성을 높여줍니다[26]. 3D 프린팅 모델(3DPAM)을 사용하면 정신 회전 능력을 향상시키고[23], 단면 이미지 해석 능력을 향상시킬 수 있습니다[23, 32]. 두 연구에서는 3DPAM에 노출된 학생들이 수술을 받을 가능성이 더 높다는 것을 발견했습니다[40, 74]. 금속 커넥터를 내장하여 기능 해부학 연구에 필요한 움직임을 만들거나[51, 53] 트리거 디자인을 사용하여 모델을 인쇄할 수 있습니다[67].
3D 프린팅은 모델링 단계에서 특정 측면을 개선하여 조정 가능한 해부학적 모델을 제작할 수 있도록 합니다. [48, 80] 적절한 기반을 만들거나, [59] 여러 모델을 결합하거나, [36] 투명도를 사용하거나, (49) 색상을 적용하거나, [45] 특정 내부 구조를 보이게 하는 등의 방법을 사용할 수 있습니다. [30] Tripodi와 동료들은 3D 프린팅된 뼈 모델을 보완하기 위해 조형 점토를 사용했으며, 공동 제작 모델이 교육 도구로서 가치가 있음을 강조했습니다. [47] 9개의 연구에서 프린팅 후 색상을 적용했지만, [43, 46, 49, 54, 58, 59, 65, 69, 75] 학생들은 한 번만 적용했습니다. [49] 이 연구는 모델 교육의 질이나 교육 순서를 평가하지 않았습니다. 혼합 학습과 공동 제작의 이점이 잘 알려져 있는 해부학 교육의 맥락에서 이러한 점을 고려해야 합니다. [89] 증가하는 광고 활동에 대처하기 위해 자기 학습은 모델을 평가하는 데 여러 번 사용되었습니다[24, 26, 27, 32, 46, 69, 82].
한 연구에서는 플라스틱 재질의 색상이 너무 밝다고 결론지었고[45], 다른 연구에서는 모델이 너무 약하다고 결론지었으며[71], 또 다른 두 연구에서는 개별 모델 디자인의 해부학적 다양성이 부족하다고 지적했습니다[25, 45]. 7개의 연구에서는 3DPAM의 해부학적 세부 사항이 불충분하다고 결론지었습니다[28, 34, 45, 48, 62, 63, 81].
후복막이나 경추와 같이 크고 복잡한 부위의 해부학적 모델을 더욱 상세하게 제작하려면 분할 및 모델링 시간이 매우 오래 걸리고 비용도 상당히 많이 든다고 알려져 있습니다(약 2000달러)[27, 48]. Hojo와 동료들은 골반 해부학적 모델을 만드는 데 40시간이 걸렸다고 보고했습니다[42]. Weatherall과 동료들의 연구에서는 여러 모델을 결합하여 완전한 소아 기도 모델을 만들었는데, 이 연구에서는 분할 시간이 380시간으로 가장 길었습니다[36]. 9개 연구에서는 분할 및 출력 시간을 단점으로 지적했습니다[36, 42, 57, 58, 74]. 그러나 12개 연구에서는 모델의 물리적 특성, 특히 일관성[28, 62], 투명도 부족[30], 취약성 및 단색성[71], 연조직 부족[66], 또는 세부 묘사 부족[28, 34]을 비판했습니다. [45, 48, 62, 63, 81]. 이러한 단점은 분할 또는 시뮬레이션 시간을 늘림으로써 극복할 수 있습니다. 관련 정보의 손실 및 복구는 세 팀이 직면한 문제였습니다[30, 74, 77]. 환자 보고에 따르면, 요오드화 조영제는 용량 제한으로 인해 최적의 혈관 가시성을 제공하지 못했습니다[74]. 사체 모델에 주입하는 것은 "가능한 한 적게"라는 원칙과 주입된 조영제 용량의 제한에서 벗어나는 이상적인 방법으로 보입니다.
아쉽게도 많은 논문에서 3D 프린터의 주요 특징들을 언급하지 않고 있습니다. 논문의 절반 미만이 3D 프린터의 색상 유무를 명시적으로 언급했습니다. 인쇄 범위에 대한 설명도 일관성이 없었고(43%), 여러 매체를 사용한 사례를 언급한 논문은 34%에 불과했습니다. 이러한 인쇄 매개변수는 3D 프린터의 학습 특성에 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다. 또한 대부분의 논문은 3D 프린터 개발 프로젝트를 시작하기 전에 고려해야 할 중요한 요소인 3D 프린터 제작 과정의 복잡성(설계 시간, 인력 자격, 소프트웨어 비용, 인쇄 비용 등)에 대한 충분한 정보를 제공하지 않습니다.
본 체계적 문헌고찰은 특히 FDM 또는 SLA 프린터와 저렴한 단색 플라스틱 재료를 사용할 경우, 일반 해부학적 모델을 설계하고 3D 프린팅하는 것이 저비용으로 가능하다는 것을 보여줍니다. 그러나 이러한 기본 디자인은 색상을 추가하거나 다양한 재료를 사용하여 디자인을 보완함으로써 개선될 수 있습니다. 보다 사실적인 모델(사체 참조 모델의 촉감을 최대한 재현하기 위해 다양한 색상과 질감의 여러 재료를 사용하여 프린팅하는 모델)은 더 고가의 3D 프린팅 기술과 더 긴 설계 시간을 필요로 하며, 이는 전체 비용을 크게 증가시킵니다. 어떤 프린팅 방식을 선택하든, 적절한 이미징 방법을 선택하는 것이 3D 프린팅 영상 제작(3DPAM)의 성공에 핵심입니다. 공간 해상도가 높을수록 모델은 더욱 사실적으로 표현되며, 고급 연구에 활용될 수 있습니다. 교육적 관점에서 볼 때, 3D 프린팅 영상 제작은 해부학 교육에 효과적인 도구이며, 학생들의 지식 평가 결과와 만족도가 이를 뒷받침합니다. 3D 프린팅 영상 제작의 교육적 효과는 복잡한 해부학적 부위를 재현하고 학생들이 의학 교육 초기에 활용할 때 가장 극대화됩니다.
본 연구에서 생성 및/또는 분석된 데이터 세트는 언어 장벽으로 인해 공개적으로 이용할 수 없지만, 합리적인 요청이 있을 경우 해당 저자에게서 제공받을 수 있습니다.
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