The Clinical Teacher's Toolbox: 3D Printing in Medical Education
Oliver Edward Burton, Aqua Asif, Ryan Beazley, Cherry Choudhary, Stasa Tumpa, Brandon G. Smith
First published: 08 March 2025 https://doi.org/10.1111/tct.70060
1. 従来の医学教育方法の限界
従来手法の問題点
- カダバー（遺体）: 入手困難、高コスト、保管に特殊施設が必要、文化的・倫理的制約あり
- 教科書の図解: 平面的で立体構造の理解が難しい、触覚フィードバックがない
- デジタルシミュレーション: 触感体験がなく、現実感に欠ける
3Dプリントの役割
- 教育格差を埋め、包括的で実践的な学習体験を提供
- 医学生が実世界のシナリオに備えるための準備を強化
2. 3Dプリント技術の進化
技術の基本原理
- 付加製造（AM）: 材料を層ごとに積み上げて造形する方式
- 従来の「除去」方式との違い: 大理石から彫刻するように材料を削る方式ではなく、インクジェットプリンターのように材料を配置
主要な3Dプリンティング手法
- FDM（溶融積層造形）: 最も一般的で、熱可塑性フィラメントを層状に堆積
- SLA（ステレオリソグラフィー）: 液体樹脂に紫外線を照射して硬化させる方式
- MJ（材料噴射）: インクジェット技術を使って材料を噴射する方式
医療分野での優位性
- 精度の高さ
- 寸法精度
- 表面仕上げの滑らかさが手術シミュレーターや手術計画ツールに適している
3. 医学教育における具体的応用例
解剖学教育の向上
- 神経解剖学、心臓解剖学、腹部解剖学の3次元構造の具体的な理解
- テスト結果の向上と反応時間の短縮が研究で実証済み
病理学環境のシミュレーション
- 視床病変など特殊な症例の再現
- 手技スキルの開発と実際の手術経験に近い挑戦の提供
患者固有の解剖再現
- 生体ドナー肝移植・腎移植での血管・胆管構造の正確なマッピング
- 術中の方向感覚を助け、手術精度と結果を向上
費用対効果と教育効率
- 教育モデルをカスタマイズ可能で経済的
- 神経外科や顎顔面外科での教育・手術計画に特に有用
- 薬学的・神経学的応用（ポリピルや薬物送達用鼻腔キャスト）も可能
4. 実際の研究事例と成果
McMenaminらの研究
- 3Dスキャンツールを使用して腎臓などの病理標本のデジタルレプリカを作成
- 教育用に大量複製し、ドナー組織の必要性や冷蔵保存の課題を克服
- 有害な保存化学物質への曝露を減らし、文化的・倫理的問題を解決
Suらの心疾患教育研究
- 構造的心疾患の3種類の心室中隔欠損を示す高忠実度モデルを作成
- 標準化MCQスコアが向上し、既存の専門家が活用することで効果が高いことを実証
Chandak医師の移植手術応用
- 移植前の試験臓器を生成し、最終手術前にシミュレーション実施
- 成人から小児への腎臓移植など複雑な外科的課題への取り組みを容易にした
Waranらの神経外科研修
- 実際の患者の頭蓋骨をCTデータから3Dプリント
- 異なる硬さと質感の材料を組み合わせて頭蓋骨と脳の層を模倣
- 神経外科研修医に対して穿孔器や外科用器具を使用した生き生きとした経験を提供
5. 実践的な導入ガイドライン
初期セットアップ
- プリンター選択: 自己校正機能付き（Bambu LabやPrusa製）が初心者に推奨
- 材料選択: ポリ乳酸（PLA）から始める（約10-15ポンド/kg、生分解性）
- 材料特性:
- PLA: 初心者向け、多色展開
- PETG: より剛性が高く強度のあるプリントに
- TPU: 血管など柔軟な構造に適した熱可塑性ポリウレタン
モデル入手先
- Wikimedia Commons: 人体解剖学モデルの無料ライブラリを提供
- Makerworld, Printables.com, Thingiverse: 幅広い無料モデルを提供
- ライセンス考慮: 非商用クリエイティブ・コモンズライセンスなどの利用条件を確認
ソフトウェア活用
- スライサーソフトウェア: CuraやBambuSlicerなどがプリンター付属
- モデルプリント準備: 温度制御や層ごとのフィラメント配置の正確な座標を設定
- モデル密度と構造剛性: 軟骨や骨などの構造物を模倣する際に調整可能
6. 印刷プロセス事例
モデル選択と準備
- オンラインデータベースで「解剖学教育」を検索
- 「Upper Airway Model」を選択（非商用クリエイティブ・コモンズライセンス）
- スライサーにモデルをインポートし、サポート構造を自動生成（緑色で表示）
- PLA材料を選択（教育用途には十分）
印刷と後処理
- オーバーハング部分や突出部分のサポート材を設置
- 約3.5時間かけて約57gのフィラメント材料を使用して印刷
- モデル冷却後にサポート材を手動で除去
7. 安全性と運用上の注意点
スキル向上と実験
- 基本的な操作習得から始め、教育的課題へ応用するための創造性を養う
- 適切な時間を確保し、試行錯誤を許容する学習環境を構築
機器特性と危険性
- 高ワット機器で内蔵加熱要素を持つため火災リスクがある
- 樹脂やABS（アクリロニトリルブタジエンスチレン）などの材料は有毒ガスを放出する可能性
- 製造元の安全勧告に従い、適切な個人用保護具を使用し、換気の良い環境で作業
メンテナンスと監視
- 加熱要素と電気部品のリスクを最小限に抑えるため定期的な保守と機能検査が必要
- 印刷中の継続的な監視が推奨され、臨床教育者は他の職務と並行してモニタリングする能力を考慮すべき
8. 今後の展望と結論
3Dプリンティングは医学教育に変革をもたらし、前例のない高忠実度でカスタマイズ可能なモデルを提供します。教育者はこの技術の統合により：
- アクセス拡大: 手頃な価格のプリンターから始め、技術的課題を最小限に
- 段階的学習: PLAなどの初心者向け材料から始め、徐々にPETGやTPUなどの専門材料を探求
- 基本スキル習得: 基本的な3Dモデリングとスライスソフトウェアに慣れる
- 既存教育の補完: 既存の教育方法のギャップを特定し、希少な病理のシミュレーションや外科スキル向上など具体的な利点を提供
