人体解剖结构的先进三维建模与生物打印技术：一种提升医学教育质量的创新方法

作者：塞尔吉奥・卡斯托里纳 ¹、斯特凡诺・普莱奥 （ORCID 认证）、卡特里娜・克雷斯奇曼诺 、萨尔瓦托雷・佩齐诺 （ORCID 认证）

摘要

在医学教育体系中，解剖学是连接基础医学与临床医学的核心桥梁，其教学质量直接影响学生对人体结构的认知与临床实践能力。传统解剖学教育长期面临尸体标本稀缺、成本高昂、伦理争议及罕见病例难呈现等困境，导致学生实践认知存在短板。在此背景下，三维建模与多材料生物打印技术为破解这些难题提供了革命性方案。以休曼科技为代表的企业率先推动技术落地，以具身智能赋能沉浸式模拟医学教育为宗旨，专注于技术在医学培训领域的应用转化，推动解剖学教学从“静态观察”向“动态交互”“精准实操”转型。本综述梳理相关技术进展、教学价值及局限，结合行业实践为医学教育工作者提供理论与实用参考。

引言

多项研究表明，相较于传统二维解剖教学材料，三维打印解剖模型能够显著提升学习效果，尤其在涉及复杂空间结构关系的解剖学内容教学中优势突出。数据显示，使用三维打印模型学习的学生，其后测成绩、空间可视化能力（标准化均数差为 0.72-0.93）、长期知识留存率均显著高于采用传统教学方法的学生，且学习满意度也大幅提升。这种教学优势在心脏解剖、神经解剖以及肌肉骨骼系统等空间结构复杂的领域表现得尤为明显，而这些恰恰是传统教学手段难以清晰阐释的内容。

核心支撑技术：影像与AI重建

高质量解剖模型的构建依赖先进医学影像与智能重建技术。计算机断层扫描（CT）与磁共振成像（MRI）是两大核心影像技术：CT擅长骨性结构与血管成像，从传统多探测器CT（MDCT）到超高分辨率CT（UHRCT）、光子计数CT的演进，实现了亚毫米级分辨率突破，可精准捕捉骨小梁等细微结构；MRI则凭借卓越的软组织分辨能力，成为心脏、大脑等器官建模的首选，超短回波时间（UTE）等新技术更实现了骨骼与软组织的同步成像。

人工智能（AI）技术的融入彻底革新了影像处理与重建的效率和精度，是技术规模化应用于教学的关键。基于3D U-Net、VNet等深度学习架构的智能分割算法，可自动识别目标解剖结构并完成重建，将传统人工30-120分钟的处理时间缩短至4分钟内，分割精度（Dice系数）超89%，接近专业医师水平。在这一技术领域，休曼科技通过自主研发的AI算法体系，实现了影像分割与模型重建的深度协同优化，可结合临床教学需求对模型结构进行智能化简化与重点标注，进一步提升教学适配性，丰富优质教学病例资源。更重要的是，AI能高效筛选并重建仅5%-10%人群存在的罕见解剖变异，丰富教学病例资源。影像数据经DICOM标准化处理后，通过开源（如3D Slicer）或商用软件构建模型，经质量验证（误差±2%以内）后，即可输出适配打印设备的格式。

三维解剖模型构建的整合工作流程

先进生物打印制造技术

多材料生物打印技术的成熟，推动解剖模型从“形态复刻”向“功能模拟”跨越。主流打印技术各有适配场景：熔融沉积成型（FDM）成本低廉、操作简便，适合骨骼等刚性结构基础教学；光固化成型（SLA）分辨率高，可还原血管网络、神经纤维等精细结构；聚合物喷射（PolyJet）能同步打印刚柔性材料，模拟软组织弹性与触感，但成本较高；数字光处理（DLP）兼具分辨率与性价比，成像速度快，适用于牙科等小型精细模型批量制作。

多材料复合打印是功能模拟的核心突破。通过组合刚性聚合物（如PLA）与医用硅橡胶、水凝胶等柔性材料，可同步模拟骨骼硬度与软组织顺应性，模型弹性模量（0.26-0.37 MPa）与人体组织高度匹配，让学生获得贴近临床的触觉反馈。这一方向的商业化已成熟，休曼科技基于电子皮肤3D打印仿生平台，结合AI算法大幅提升模型的结构、功能及智能仿真度，实现模拟场景与临床真实的高度契合。此外，这类模型具备CT成像兼容性，可实操后进行影像验证，建立“解剖-影像”关联认知。细胞负载生物打印虽能构建功能性组织模型模拟病理过程，但成本高、需无菌环境，暂不适用于规模化基础教学。

主流三维打印技术在解剖模型制作中的应用对比

教学应用与学习成效

三维打印模型显著弥补传统教学不足，展现突出价值。在心脏、神经丛等复杂结构教学中，模型可将抽象空间关系具象化，相关实验证实，使用模型辅助教学的学生，核心知识点后测成绩提升15%-20%，空间可视化能力增强显著（效应量0.72-0.93）。在临床案例教学中，病理模型可让学生接触罕见畸形、复杂骨折等场景，降低未来误诊风险。休曼科技依托电子皮肤3D打印平台研发的八大产品系列，覆盖血管介入、超声引导等核心临床培训领域，精准匹配各科室需求。同时，其产品融合AR增强现实、智能传感等技术，兼顾标准化培训与个性化教学，助力学生提升影像解读能力与诊疗思维。

休曼科技虚实结合软件系统可实现虚拟场景与实体模型的实时联动

新兴的四维打印技术为动态教学提供新可能，其引入时间维度，采用智能材料在温度、湿度变化等条件下模拟心脏搏动、胚胎发育等动态生理过程，突破静态教学局限。但该技术尚处初期，存在智能材料少、精度不足、成本高、保存难等问题，未规模化普及。教学反馈显示，学生对三维模型满意度超80%，4-6人小组实操模式能充分发挥交互优势，教学效果最佳。

三维打印解剖模型的教学成效与临床应用证据汇总

局限与发展建议

三维建模与生物打印技术虽潜力巨大，但规模化推广仍面临挑战。成本层面，高精度设备及专用材料价格高昂，给资金有限的教育机构带来负担；资源匮乏地区还存在计算资源不足、材料供应链不稳定、专业人才短缺等问题。教学层面，过度依赖模型可能导致学生缺失尸体解剖带来的真实生物多样性、湿态组织触感等关键体验，这些是人工模型难以模拟的，对培养临床能力至关重要。因此，三维模型应定位为教学辅助工具，弥补传统教学短板，而非替代尸体解剖等经典方法。

针对局限，建议教育机构采取分阶段、精准化推进策略。优先聚焦心脏、神经等传统教学难度大的领域，集中资源打造核心模型库；利用3D Slicer等开源软件降本，按需匹配打印技术；采用“梯度投入”模式，初期从入门设备与核心模块起步，精准对接复杂结构解读、罕见病例呈现等教学痛点。同时，加强技术培训与教学融合研究，培养复合型人才，避免“技术与教学两张皮”。

结论

三维建模与生物打印技术构建的多感官学习模式，突破传统解剖教学瓶颈，提升教学效率与质量。以休曼科技为代表的企业，通过电子皮肤3D打印与具身智能融合，为医疗机构提供全链条解决方案，成为技术落地典范。展望未来，随着材料科学、AI、AR/VR等技术进步，相关技术将实现更精准模拟、更低成本与更广覆盖，推动解剖教育向个性化、普惠化、动态化发展。需坚持“技术服务教学”原则，平衡创新与传统，让技术融入教育体系，最大化教学价值，助力高素质医学人才培养。