輔仁大學附設醫院 教學部副主任
林重佑

3D 列印於輔大附醫心臟科臨床教學與研究

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一、前言

  每一位學員在接受新的領域時，腦袋常常會是一片空白：因為過往經驗無法與所學的知識技能連結，因此無法描繪出現實的輪廓。每一位曾在導管室見習的醫學生或住院醫師，大概都有類似的經驗：透視螢幕上呈現的是二維灰階影像，醫師口中談的卻是三維解剖與器械路徑。導管從何處進入、如何跨越主動脈進入冠狀動脈，對缺乏空間概念的初學者而言，往往難以僅靠投影片、透視影像與口頭講解真正理解。

  這正是臨床操作教學長期面對的核心困境：單靠傳統講授，往往難以讓學員將抽象的解剖構造與操作流程具體化。因此，如何運用適當的教學工具促進理解、降低學習門檻，已成為臨床教學設計中的重要環節。

  模擬訓練（simulation-based training）正是為了填補此一缺口而發展。Cook 等人於 2011 年整合 609 篇研究、超過 3.5 萬名學員的系統性回顧與統合分析指出，相較於無介入，科技輔助模擬訓練可顯著改善知識、技能與部分病人照護結果[1]。McGaghie 等人進一步以mastery learning架構證明，模擬訓練的效果可轉移至臨床照護；最具代表性的例子是中心靜脈導管模擬訓練與導管相關血流感染率下降有關[2,3]。

  然而，商用模型價格可達數十萬甚至數百萬元，且多採固定的標準解剖結構，未必能反映真實病人的解剖變異，也無法滿足多元的教學需求。相對地，3D 列印（3D printing）技術的進步提供了另一種可行途徑：以相對可負擔的成本製作可觀察、可操作，甚至可反覆練習的教具，成為教學選擇的另一個解答。本文將回顧相關國際實證，分享輔大附醫近年在心臟科教學上執行的兩項隨機對照試驗，並嘗試從中擷取出可供其他教學單位參考的經驗與限制。

二、為什麼是 3D 列印？從認知負荷理論談起

  要理解 3D 列印教具的教育價值，必須先回到認知負荷理論（cognitive load theory, CLT）。CLT 的核心主張是：人類工作記憶容量有限，學習設計應盡量減少與學習目標無關的負荷，將有限的認知資源投入於理解概念與建立系統性知識架構[4]。

  傳統臨床教學往往要求初學者同時完成三項任務：從二維影像重建三維結構、理解各結構間的空間關係，並將這些關係連結至實際臨床治療過程。對學員而言，最困難的速率決定步驟仍是「由二維轉換為三維」的這個過程。模擬訓練乃至 3D 列印模型的教育價值，即在於將部分高負荷的空間轉換工作，轉化為可直接觀察與觸摸的實體資訊。當學員透過透明的 3D 列印模型實際操作時，更能快速建構立體結構的概念。以心臟模型為例：當學員實際操作模型時，上腔靜脈、右心房、卵圓窩與左心房之間的關係不再只存在於腦中想像；導線從何處進入、氣球與支架如何置放、電燒治療的心房中膈穿刺如何進行，都能透過實際操作加以理解。

  相較於其他教學資源，3D 列印模型具有特殊的教學角色：書本與數位圖像最容易取得，但本質上是平面資訊；電腦三維影像甚至混合實境（mixed reality, MR）影像可旋轉與縮放，卻缺乏觸覺與器械操作回饋；大體標本擬真度高，但取得不易、難以個人化，亦不適合反覆穿刺；市售解剖模型則常受限於固定規格與成本。3D 列印則提供安全、可重複、可個人化且相對可負擔的選項：

• 安全：失敗不會傷害病人。學員可在無臨床風險的情境下反覆嘗試、犯錯並修正。
• 可重複訓練：以可替換耗材設計，可支持刻意練習（deliberate practice）所需的多次操作。
• 可個人化：可依個別病人的影像重建，呈現導管室中實際可能遇到的解剖變異與病灶。
• 成本可負擔：相較高價商用模擬器，3D 列印模型較易於自製與複製，有機會降低專業教具的進入門檻。

三、國際實證的經驗

  在心臟科的教學證據方面，Karsenty 等人於 2021 年發表的隨機試驗納入 347 位醫學生，比較投影影像講授與「講授加 3D 列印模型」於四種先天性心臟病教學的效果。模型組在課後測驗得分顯著較高（16.3 ± 2.6 vs. 14.8 ± 2.8，滿分 20 分；p < 0.0001），自評理解程度亦較佳（4.2 ± 0.5 vs. 3.8 ± 0.4，滿分 5 分；p < 0.0001）[5]。Tarca 等人於 2023 年發表的隨機對照研究，亦支持 3D 列印心臟模型作為先天性心臟病解剖教學的輔助工具[6]。Lim 等人則發現，在外部心臟解剖的學習上，3D 列印模型的表現不遜於大體標本，部分指標甚至較佳[7]。

  然而，Lau 與 Sun 於 2022 年比較 3D 列印模型與傳統教材對醫學生立即知識獲得及六週後知識保留的影響，兩項主要結果皆未達統計顯著；但有 85% 的學生主觀認為模型改善了學習經驗[8]。

  綜合上述研究，我們歸納出兩點結論：

  第一，3D 列印教具的效益高度取決於教學內容與學習者的既有經驗及專業知識。對於空間關係複雜、傳統平面教材不易呈現的內容，例如先天性心臟病的心內解剖或房中膈的相對位置，模型較可能具有明顯的加成效果。對於尚未建立空間知識的學員，模型可作為學習的催化劑；但對具豐富經驗的操作者，模型則更適合用於治療策略的擬定或特殊解剖的術前規劃。

  第二，3D 列印模型的定位應是輔助或加成，而非取代傳統教學。多數正向研究比較的是「傳統教學加模型」與「傳統教學」的差異，而非以模型取代講授、示範與教師回饋。3D 列印模型無法取代基礎課堂所給予的知識架構，其價值在於成為既有教學設計中的額外槓桿，催化立體空間概念的建立。

  在臨床應用端，目前已有充足的經驗將 3D 列印模型用於左心耳封堵的裝置選型、結構性心臟病介入的術前規劃，以及複雜先天性心臟病的手術規劃[9]。

四、輔大醫院經驗（一）：3D 列印心臟模型於心導管教學

  本院第一項心臟科 3D 列印模型教學專案，是以真人心臟電腦斷層影像重建透明心臟模型，應用於心導管教學（圖一）。模型以透明樹脂列印全心結構與冠狀動脈，使學員可由外部直接觀察導管進入主動脈、並進入左右冠狀動脈開口的完整路徑。模型可注入有色顏料以加強擬真並幫助學員觀察。對從未進入導管室的學員而言，他們可以直接觀察心導管相關醫材（例如導線、氣球、支架）在心臟中實際置放及治療的處置過程。

  為檢驗模型的教學效益，我們進行一項隨機對照試驗。39 位學員接受資格評估後，35 位納入分析，隨機分派至 3D 模型組（n = 18；投影片教學加模型實作）與對照組（n = 17；僅投影片教學）。兩組在年齡、性別、訓練階段及教學前測驗成績上均無顯著差異；前測中位數分別為 60% 與 80%（p = 0.32）。

  整體分析顯示，兩組教學後測驗成績未達統計顯著差異（中位數皆為 80%，p = 0.63）。然而，依訓練階段進行探索性分層分析後，出現值得注意的結果：在畢業前醫學生中，3D 模型組的教學後分數顯著高於對照組（中位數 100% vs. 80%，p = 0.03）；在畢業後學員中，兩組則無顯著差異（中位數 80% vs. 100%，p = 0.09）。

  這項結果並不表示模型對畢業後學員沒有價值，而較可能反映其效益與學習者原有經驗有關。畢業後學員已在臨床學習中具備較為充足的空間概念與治療流程認識，因此 3D 列印模型所提供的邊際效益可能較低；相較之下，較為資淺且尚未建立基本空間概念的醫學生，可能更能從模型的立體資訊中受益。此結果也與既有文獻所指出的「模型效益取決於學習經驗與學習階段」的概念互相呼應。

五、輔大醫院經驗（二）：3D 列印房中膈穿刺模擬器

  本院心臟內科第二項專案進一步探討：3D 列印模型是否能在一項多數非心臟專科學員更不熟悉的技術及知識——心房中膈穿刺——上帶來額外的學習效益。心房中膈穿刺是心房顫動電燒、二尖瓣心導管瓣膜成形術與左心耳封堵等治療的重要步驟，但因解剖結構較為複雜，長期缺乏實用且可反覆練習的教學模具。

  因此我們設計了一具 3D 列印模型，以真實病人影像重建雙心房結構，並採用可替換的穿刺區（模擬心房中膈）設計，使同一具模型可承受多次練習而無須整體汰換（圖二）。學員可完整執行自上腔靜脈下拉、定位卵圓窩、再進行穿刺與導管送入左心房等臨床治療步驟。

  此設計概念與國際發展趨勢一致。Zeidan 等人於 2024 年發表的擬人化房中膈穿刺模型，同樣採用可替換卵圓窩插件，並以矽膠調整材料硬度，以接近真實組織的楊氏模數；其驗證研究發現，具經驗操作者的穿刺點更集中於理想位置[10]。

  本研究納入 50 位自願學員，隨機分派至兩組，各 25 人。研究採用兼顧教育倫理的設計：所有學員均接受相同的完整課程，包括 30 分鐘標準講授、第一次測驗、60 分鐘 3D 模擬器實作及第二次測驗。兩組差異僅在分析的時間點：實驗組採模擬實作後的成績，對照組採講授後的成績。換言之，所有參與者最終均接受完整訓練，而未使任何學員失去學習機會。

  參與者包括專科護理師 29 人（58%）、住院醫師 13 人（26%）及醫學生 8 人（16%）。兩組在訓練階段（p = 0.542）、基線知識測驗成績（45.60 ± 22.00 vs. 48.00 ± 25.82，p = 0.725）及教學前自我效能（2.87 ± 0.79 vs. 2.82 ± 0.98，p = 0.824）均無顯著差異。

  在客觀知識測驗中，模擬後組的教學後分數顯著高於講授後組（68.8 vs. 56.0 分，p = 0.035），Cohen's d 為 0.61，屬中等程度的效果量。以進步幅度分析，模擬後組平均增加 23.2 分，講授後組僅增加 8.0 分，兩組差異同樣達統計顯著（p = 0.035）。組內比較顯示，模擬後組自教學前至教學後的提升達統計顯著（paired t-test，p < 0.001），講授後組則未達顯著（p = 0.096）。

  另一方面，兩組的自評理解程度均顯著提升，但組間差異未達統計顯著（p = 0.25）。這樣的結果告訴我們，良好的講授本身即可提高學員的主觀信心；但學員可能不知道自己不懂，而作為師資，我們需要理解真正拉開客觀知識表現差距的，似乎是其後的3D列印模型的動手操作，去建構他們心中的3D空間感。這種「信心同步增加、客觀能力差異卻逐漸出現」的現象，呼應模擬教育文獻中對自我評估偏誤的提醒，也說明教學成效評量不應僅依賴滿意度或自評問卷。

  當然本研究仍有若干限制。主要結果為知識測驗，尚非實際操作能力；亦未評估長期保留與臨床能力的轉化。未來研究宜納入結構化操作評量，例如直接觀察操作技能（direct observation of procedural skills, DOPS）、能力導向醫學教育（competency-based medical education, CBME）架構下的評估工具，以及操作時間與失誤次數等客觀指標，並延長追蹤期。

六、兩項研究與國際文獻帶給我們的三點經驗

（一）介入時機：3D 列印教材宜在學習的啟蒙階段導入

  第一項試驗顯示，同一具心導管模型對醫學生可能有明顯助益，對已有臨床經驗的畢業後學員則未必呈現相同效果。這樣的結論呼應先前的研究：較早導入 3D 列印模型，可以在學習的早期協助建立完整的立體概念，讓學員及早度過圖形化記憶建立的階段。反過來說，教具的型態與擬真度也應隨學習階段調整——對醫學生而言，需要的是解剖理解取向的透明模型；對 PGY 與住院醫師，需要的是可反覆操作、耗材可替換的技術模擬器；對次專科學員，則是能進行策略預演的病人特異性模型。

（二）角色定位：並非獨立的教學模式，而是與課堂講授互相呼應的加成

  兩項試驗刻意讓所有學員先接受同一套標準講授，再評估加入模擬實作後的額外效果。研究回答的問題不是「模型能否取代教師」，而是「當基礎講解已經完成後，模型能帶來多少附加價值」。結果顯示，加入模擬後可帶來中等程度的客觀知識增益。

（三）成效評量：應著重客觀指標，不能停留於滿意度

  兩項研究均同時蒐集客觀測驗與主觀量表，而兩者結論並不完全一致。Lau 與 Sun 的研究也告訴我們：即使多數學生主觀認為模型有幫助，客觀學習成效仍可能未見顯著差異[8]。

  對推動 3D 列印教材的團隊而言，若只蒐集滿意度問卷，通常容易得到正向結果，但這些結果不足以說明此一介入是否真的改善知識、操作表現、技能保留或病人照護。未來的評估應逐步從滿意度，走向技能、行為與臨床結果。

七、限制與下一步

  本文所報告的兩項試驗均具有方法學限制：樣本數有限、單一中心、主要結果偏重知識而非實際操作表現，且缺乏長期保留與臨床轉移的追蹤。若以 Kirkpatrick 四層次架構檢視，目前證據主要落在第二層「學習」，尚不足以證明第三層「行為改變」或第四層「病人結果」。

  我們也希望改進將來的研究方向。第一，應提升成效指標的評估，納入更精確的結構化操作評分與客觀量測，例如實際操作技術的流程、器械操作的熟悉度與時間，以及長期追蹤的知識與技能保留比例等。

  第二，應推動跨科部、跨院合作。次專科技術訓練的單一中心樣本數通常有限，跨科部甚至跨院共同收案，是提升教學推廣、並在文獻上提高統計檢定力與外部效度最有效的方式。

  第三，應探索與新興技術的整合。混合實境（MR）與 3D 列印可能並非競爭關係：MR 能提供多角度視覺化、可重複的虛擬情境與即時資訊解說；3D 列印則提供難以取代的觸覺回饋與真實器械操作。將來或許我們可以努力的，是綜合 MR 與 3D 列印模型於醫學教育之中，希望帶給學員最好的學習體驗。

八、結語

  教學的初衷，還是要回到假設自己是最原始、最資淺、最戒慎恐懼的那個心情。什麼樣的教學可以幫助年輕的學員快速通過他們的學習困境，走過愚昧山丘（Mount Stupid）與絕望之谷（Valley of Despair），最終爬上開悟之坡（Slope of Enlightenment），到達穩定高原（Plateau of Sustainability）。

  每一種教學方法都有其重要且不可取代的地方。3D 列印技術製作的教材，是我們多種教學方法中的一環；而如何更智慧且有效率地使用它，則是我們醫學教育工作者需要持續思考與努力的課題。

參考文獻

1. Cook DA, Hatala R, Brydges R, et al. Technology-enhanced simulation for health professions education: a systematic review and meta-analysis.JAMA. 2011;306(9):978-988. doi:10.1001/jama.2011.1234
2. McGaghie WC, Issenberg SB, Barsuk JH, Wayne DB. A critical review of simulation-based mastery learning with translational outcomes.Med Educ. 2014;48(4):375-385. doi:10.1111/medu.12391
3. Barsuk JH, Cohen ER, Feinglass J, McGaghie WC, Wayne DB. Use of simulation-based education to reduce catheter-related bloodstream infections.Arch Intern Med. 2009;169(15):1420-1423. doi:10.1001/archinternmed.2009.215
4. Young JQ, Van Merrienboer J, Durning S, Ten Cate O. Cognitive Load Theory: implications for medical education: AMEE Guide No. 86.Med Teach. 2014;36(5):371-384. doi:10.3109/0142159X.2014.889290 doi:10.3109/0142159X.2014.889290
5. Karsenty C, Guitarte A, Dulac Y, et al. The usefulness of 3D printed heart models for medical student education in congenital heart disease.BMC Med Educ. 2021;21(1):480. Published 2021 Sep 8. doi:10.1186/s12909-021-02917-z
6. Tarca A, Woo N, Bain S, Crouchley D, McNulty E, Yim D. 3D Printed Cardiac Models as an Adjunct to Traditional Teaching of Anatomy in Congenital Heart Disease-A Randomised Controlled Study.Heart Lung Circ. 2023;32(12):1443-1450. doi:10.1016/j.hlc.2023.09.021
7. Lim KH, Loo ZY, Goldie SJ, Adams JW, McMenamin PG. Use of 3D printed models in medical education: A randomized control trial comparing 3D prints versus cadaveric materials for learning external cardiac anatomy.Anat Sci Educ. 2016;9(3):213-221. doi:10.1002/ase.1573
8. Lau I, Sun Z. The role of 3D printed heart models in immediate and long-term knowledge acquisition in medical education.Rev Cardiovasc Med. 2022;23(1):22. doi:10.31083/j.rcm2301022
9. Sun Z. Patient-Specific 3D-Printed Models in Pediatric Congenital Heart Disease.Children (Basel). 2023;10(2):319. Published 2023 Feb 7. doi:10.3390/children10020319
10. Zeidan AM, Xu Z, Leung L, et al. An anthropomorphic phantom for atrial transseptal puncture simulation training.3D Print Med. 2024;10(1):34. Published 2024 Oct 30. doi:10.1186/s41205-024-00241-y