保健科学研究11(2)：21-29，2020【報告】
保健学系学生向け 3D モデリング技術教育プログラムの検討－臨床検査専攻学生における教育効果評価と学習意欲の調査－
野坂大喜*1 藤岡美幸*1

中野学*1

葛西宏介*1

山形和史*1（2020 年 9 月 29 日受付，2021 年 1 月 18 日受理）
要旨：医療における 3D プリンタの利用は医療資材製造から再生医療へと拡大しており，3D 製造も医療系企業から病院内へと移行しつつあることから，保健学系学生を対象とする 3D データ設計教育が今後必要となると考えられる。
そこで本研究では保健系学生向け 3D モデリング技術基礎教育プログラムを開発し，その実践と評価を行った。臨床検査専攻学生 42 名を対象とした受講前後でのアンケート調査の結果，3D モデリング技術に対する興味を示す学生割合は，40.5%から 87.9%へと有意に上昇した。また臨床検査技師教育において 3D モデリング技術の習得が必要と回答した割合は 81.8%であった。教育プログラムの検証においては，技術的要件基準を満たした割合は 95.2%であった一方，プロセス要件基準を満たした割合は 54.2%にとどまり，ユーザー視点から課題を捉え技術的課題解決を図る教育プログラムへの改良が必要であると考えられた。3D モデリング技術は医療専門分野を問わず広く適用される可能性が高いことから，各専門領域に応じた医用 3D モデリング技術の体系的教育プログラムの確立が求められる。
キーワード：3D モデリング，3D プリンタ，医用工学

Ⅰ．はじめに要に対する供給量不足分を 3D プリント品で賄った事例が数多く報告されている 5)。米国 National Institutes of Health

近年，3D モデリングデータを容易に造形可能な 3D プリ(NIH)は N95 マスクやフェイスシールドの 3D モデルデータンティング技術が確立され，業務用から家庭用まで多くのを公式ウェブサイトで公開しているほか，米国 Food andハードウェア製品が市販されたことにより，3D プリント品

Drug Administration（FDA）は公開データの一部モデルにつはプロトタイプ開発にとどまらず実製品製造まで多くの産いて COVID-19 対策用 3D プリントマスクとしても認証し業分野で活用されている 1, 2)。また 3D プリンティング用素ており，我が国においても工業系大学や企業から種々の 3D

材 に つ い て も ， Poly-Lactic Acid 樹 脂 や Acrylonitrile

モデルデータが提供されたことで 3D プリンティング技術

Butadiene Styrene 樹脂を原料とする硬質 3D プリンティングや 3D プリント品の有用性は高く評価されている 5, 6)。3D素材から，Thermo Plastic Urethane を原料とする軟質 3D プ

プリンティングによる製品開発は，使用者自らが多様な形リンティング素材や金属素材に至るまで造形素材が多様化状をモデリングし，低コスト・短時間・小ロットで製造可したことでその産業応用範囲も拡大している 3)。医療分野能な点において他の製造技術に比較優位であり，今後多くにおける 3D モデリングや 3D プリンティング技術の利用もの産業分野において｢ものづくり｣技術のデジタル化やテイ年々拡大しており，従来 Computer Tomography や Magnetic

ラーメイド化が加速化することから関連人材の育成が急務

Resonance Imaging などのモダリティで撮影した 3 次元画像となっている。2014 年 2 月にまとめられた経済産業省｢新データの閲覧は 2 次元モニター上で擬似的に 3 次元表示をものづくり研究会｣報告書によると，大学などの高等教育機行うに過ぎなかったが，軟質素材を用いた 3D プリンティ

関において，各専門分野と融合させたハイブリッド人材育

ング造形技術の確立によって，個々の患者データに基づい成の重要性が述べられている 7)。工学分野では既に 3D モ

た立体オブジェクトを得ることが可能となり，術前シミュ

デリング技術者育成のための教育プログラムが開始されてレーションモデルやトレーニング用モデルとして既に臨床いるものの，医療用資材等のデザインを医療者自らが 3D応用化がなされている 4)。近年では，Severe acute respiratory

モデリングするための医用工学技術教育は我が国の医学教

syndrome coronavirus 2（SARS-CoV-2）を原因ウイルスとす

育においては開始されておらず，体系的な医療者向け 3D

る Coronavirus disease 2019（COVID-19）が 2020 年 1 月にモデリング技術教育プログラムも確立していない。医療に中国・武漢においてアウトブレイクし，世界中に本疾患がおける 3D プリンタの利用は医療資材製造から再生医療へ拡散したことによって，個人感染防御資材（PPE）や人工と拡大しており，3D 製造も医療系企業から病院内へと移行

呼吸器用接続部品が世界中で逼迫したが，日々増加する需しつつあることから，保健学系学生を対象とする 3D デー
タ設計教育が今後必要となると考えられる。そこで本研究*1 弘前大学大学院保健学研究科
Hirosaki University Graduate School of Health sciences〒036-8564 青森県弘前市本町 66-1 TEL:0172-39-5918
66-1, Honcho, Hirosaki-shi, Aomori, 036-8564, Japan
Correspondence Author hnozaka@hirosaki-u.ac.jpⓒ2020Health sciences Research.

では，保健学系学生向けの 3D モデリング技術教育のため，プロトタイピング手法を用いた基礎教育プログラムを開発し，臨床検査学生を対象とした医用工学教育において実践21

保健学系学生向け 3D モデリング技術教育プログラムの検討 －臨床検査専攻学生における教育効果評価と学習意欲の調査－と検証を行ったので報告する。

を基にマウスまたはスタイラスペンでスケッチを行い，下Ⅱ．医療系学生向け 3D モデリング基礎教育プログラムの開発

絵からの 3D モデリングと加工・修正技術を学習する。第 3回目は簡単な形状の医療用資材について，学生自身がオリ

1．医療系学生向け 3D モデリング基礎教育プログラム構成

ジナル 3D モデルを作成する。第 4 回目は 3D プリンタから本研究では基礎レベルの医療用 3D モデリング技術習得の出力方法として素材選択，造形方法の選択，出力条件設を目的として，モデリングからプリンティングまでのプロ定（スライス厚さ，速度など）について学習する。第 1 回

セスを学習する講義･実習･課題学習の 3 部から構成されるから 2 回目までの実習は，指導者が練習課題と模範操作を

3D モデリング技術基礎教育プログラムを開発した。表 1

提示した後，受講者全員が同一操作を行うことで基本操作に本教育プログラムの構成内容を示す。

を学習し，類似練習課題をトレーニングすることで操作方

2．医療系学生向け 3D モデリング基礎教育カリキュラム

法を習熟させた。

（1）講義（3）課題学習講義は 3 回（40 分/回），合計 2 時間で構成される。図 1A

受講者には各実習終了後に実習内容に沿った追加トレに講義内容の一部を示す。第 1 回目は 3D モデリング技術ーニング課題が提示される。受講者は課題学習成果としての概要および 3D スキャナの原理と特徴を学習する。第 2

3D モデリングデータをレポートとして提出する。指導者は

回目は 3D プリンティングにおいて使用される各種出力用モデリングデータとレポートを基に 3D モデリング技術のハードウェアの原理と特徴を学習する。また 3D プリンテ

操作技術習熟度や設計プロセスの確認を行い，技術的仕様

ィングにおいて使用される代表的な原材料とその特性（耐基準や使用基準または運用基準に達していないと判断され熱性，強度，温度特性など），特性に応じた素材の選択，取た受講者に対しては復習課題を提示する。

扱い方法についての学習を行う。第 3 回目は 3D モデリン
グ技術とプリンティング技術の医療分野への応用として，医療向け 3D プリント素材のオートクレーブ滅菌や消毒薬耐性の有無など特性を学習するとともに，培養細胞や接着材料などの生体由来素材の利用について学習する。また実例として，全身 3D スキャンニングによる健康管理技術，Ⅲ．医療系学生向け 3D モデリング基礎教育プロ
グラムの実践と評価
1．対象
H 大学医学部保健学科検査技術科学専攻に在籍し，医用患者データからのシミュレーション用立体モデルの作製技

情報機器工学実習を受講する学生 42 名を対象とした。

術，バイオプリンティング技術を学習する。

2．教育方法本研究において開発した 3D モデリング基礎教育教材を（2）実習
実習は 4 回（90 分/回），合計 6.0 時間で構成される。図使用し，表 1 に示す教育カリキュラムに沿って講義，実習，1B に実習の様子を示す。受講者は第 1 回目において 3D モ

課題学習を行った。3D モデリングソフトウェアは Fusion

デリングソフトウェアの基本的な操作として，簡単な形状360（Autodesk 社）を 3D プリンタは Dreamer（Flashforgeの 3D モデルを作成し，モデリング加工・修正技術を学習社）を使用した。調査期間は 2020 年 6 月から 7 月までの 2する。第 2 回目は 2 次元データである写真やイラスト画像ヶ月間である。

表1ⓒ2020Health sciences Research.

3D モデリング基礎教育プログラムの構成

22

野坂，

図1

藤岡，

山形

1B：3D モデリング実習（上）とプリンティング操作実習（下）3D モデリング基礎教育プログラム受講前後でのアンケート調査項目
2A：受講前アンケート調査項目ⓒ2020Health sciences Research.

葛西，

3D モデリング基礎教育プログラム講義内容と学生実習の様子

1A：3D モデリング基礎教育講義スライドの一例

図2

中野，

2B：受講後アンケート調査項目

23保健学系学生向け 3D モデリング技術教育プログラムの検討 －臨床検査専攻学生における教育効果評価と学習意欲の調査－

図3

3D モデリング教育プログラム受講学生の学習経験と興味･知識

3A：3D モデリング技術に対する興味の有無

3B：3D モデリング・プリンティング学習経験の有無

3C：3D プリント原理に関する知識の有無

3D：臨床検査分野での 3D モデリング技術活用意欲の有無

3E：3D プリント技術の利用分野に関する知識

3F：医療分野における 3D プリント技術利用に関する知識

3．評価方法
受講者の研修効果の評価は，カークパトリックの 4 段階

回収段階において匿名化し，個人特定情報については一切収集しないことで個人情報保護に配慮した。

評価 8)に基づき，レベル 1（反応）とレベル 2（学習）について検証した。レベル 1（反応）では，受講前後において無記名のアンケート調査によって評価した。教育プログラ

Ⅳ．結果

ム受講前アンケート調査項目と受講後アンケート調査項目

1．3D モデリング教育プログラム受講学生の受講前スキルを図 2 に示す。本調査において 3D モデリングおよび 3D プ

分析

リンティングに関する受講前スキルと知識を確認するとと

図 3 に受講学生の 3D モデリングおよび 3D プリンティン

もに，受講前後での意識変化，受講後の習得技術の活用意

グに関する学習経験，興味，知識に関する調査結果を示す。

欲について検証した。レベル 2（学習）では提出された最3D モデリングおよび 3D プリンティングに関しては全員が終課題学習モデリングデータをもとに，①技術的要件（技未経験者であった。3D モデリング・プリンティング技術の術力）：デザインは提示条件を満たしたモデリングデータで習得に興味を示した学生は全体の 40.5%，臨床検査においあるか②プロセス要件（思考力）：デザインは非提示要件て 3D モデリング・プリンティング技術を活用してみたい（形状や強度など）を考慮し実利用条件を満たしたモデリと考える学生は 45.2%であった（図 3A，3B，3D）。3D プングデータであるかの 2 項目について検証した。

リント技術の原理を知っている学生の割合は 7%であった

4．倫理的配慮（図 3C）。3D プリンタの利用分野については全学生がいず

本研究は，弘前大学大学院保健学研究科倫理委員会の承れかの産業分野についての実例を知っていた一方，医療分認を得て行われた（承認番号 2020-043）。調査時に対象者

野での実例を知っている学生の割合は 73.8%であった。まに対して調査の趣旨を説明し同意を得たほか，調査結果のたその内訳は，医療用消耗剤の製造が 83.9%であり，他のⓒ2020Health sciences Research.

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野坂，

図4

藤岡，中野，葛西，

山形

3D モデリング課題と学生のモデリングスキル評価結果

4A：技術的要件とプロセス要件の双方の基準を満たしたモデリングデータの例
4B：技術的要件は満たしているが，ループ－手持ち部分間が細く（0.5mm），塗抹操作時に必要な強度が不足しており，プロセス要件を満たしていない。
4C：技術的要件は満たしているが、全体の太さが 1mm であるために持つことが出来ない上，持ち手部分が明示されていないため，手が細菌汚染される危険性がある。
4D：受講後の 3D モデリングスキル評価結果

4E：本教育プログラムに対するユーザー難易度評価

医療分野利用に関してはいずれも 20%未満であった（図 3E，径などの最低限遵守すべきモデリング条件が明示される3F）。

（技術的要件）。その他の設計条件については明示されず，

2．3D モデリング教育プログラムでの学生習熟度と難易度

学生は臨床検査での使用環境を踏まえてデザイン設計を行分析う（プロセス要件）。図 4A は技術的要件とプロセス要件を

図 4 に課題学習の例と学生が作成したモデリングデータ満たしたモデリングデータ，図 4B と 4C は技術的要件を満例，スキル評価結果を示す。課題例は細菌検査に使用されたしたが，プロセス要件を満たしていないモデリングデーる白金耳であり，設計基準仕様として使用素材，ループ内タである。評価の結果，技術的要件を満たすモデリングデⓒ2020Health sciences Research.

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保健学系学生向け 3D モデリング技術教育プログラムの検討 －臨床検査専攻学生における教育効果評価と学習意欲の調査－

図5

3D モデリング教育プログラム受講後の学生意識の変化

5A：3D モデリング技術への興味と受講前後での変化

5B：臨床検査技師教育における 3D モデリング技術の必要性

5C：臨床検査技師教育において習得すべきスキルレベル 5D：取り組んでみたいと考える 3D モデリング医療分野ータを作成した学生は 95.2%であったが，プロセス要件を試してみたい分野として医療用消耗剤（44.4%）とバイオ満たすモデリングデータを作成した学生は 52.4%であった

プリンティング（44.4%）が最も高い回答を示した（図 5C，（図 4D）。本教育プログラムの 5 段階での難易度評価（図5D）。

4E）においては，｢3:ちょうど良い｣を回答した学生の割合は 51.5%，｢4:やや難しかった｣を回答した学生の割合は36.4%，全体の 5 段階評価ポイントは 3.48±0.66 ポイント（平均±S.D.）であった。
3．3D モデリング教育プログラム受講学生の受講前後での意識変化と将来への活用意欲分析

Ⅴ．考察
3D モデリング技術教育に対する受講者の意識調査においては，受講前時点で全員が 3D モデリングや 3D プリンティングの未経験者であり，3D モデリング技術に対して興味

図 5 に 3D モデリング教育プログラム受講後の学生意識を有する学生は 4 割に過ぎなかったのに対し，受講後は 8の評価結果を示す。受講後に 3D モデリングに｢非常に興味割以上の学生が興味を示しておりその活用意欲が明らかにがわいた｣または｢やや興味がわいた｣と回答した学生はなった。工学系分野における楠林の取り組み 9)でも，同様87.9%であり，興味を持つ学生の割合は受講前と比較しての効果が報告されており，臨床検査技師としての知識や技χ2 検定において有意（p<.001）に上昇した（図 5A）。臨床術の新たな活用場面が示されたこと，目に見えた形で成果

検査技師教育において 3D モデリングや 3D プリンティング物が得られることにより学習意欲の向上につながった可能に関する講義や実習が必要と考えた学生は 82.8%であり性が考えられ，本教育プログラムはモデリング技術力の習（図 5B），必要と考えるスキルレベルとして 87.8%が初級

熟のみならず学生の意識変化を促す手段としても有効であレベルを選択した。一方，将来において興味があるまたはるといえる。一方，今回我々が行った保健学系学生向け 3Dⓒ2020Health sciences Research.

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野坂，

藤岡，

中野，

葛西，

山形

モデリング基礎教育プログラムにおいて，検証の結果，技の課題を提起している。これは従来の一般医療機器は製品術的基準を満たすことができた学生は 95.2%であったのに出荷段階で品質チェックがなされるのに対し，3D プリント

対し，プロセス基準を満たすことが出来た学生は 52.4%に品は臨床現場での製作となり従来の品質チェックは適用不とどまることが明らかとなった。このことは学生が 3D モ可能なことにある。我が国では医療用品の安全性に関してデリングソフトウェアの操作技術に関する習熟度はその多「医薬品，医療機器等の品質，有効性及び安全性の確保等くが基準レベルにまで至っている一方，形状を思考する過に関する法律」に基づいて認定を受けた医療用品に関する程において使用場面を充分想定出来ず，ユーザー視点が設事故や障害発生は，日本医療機能評価機構によってデータ計に反映できていないことを示している。辻らによると，ベース化され，安全性情報として医療職能団体や各医療機プロトタイピング手法を用いた技術実践教育は，プロトタ

関に対して通知されているものの，2020 年 7 月時点においイプを用いて問題点を発見して早急に改善をはかることがて 3D プリント品に関する報告はなく，製造ガイドライン基本的な考えにあるとしており，取り組みの成果として受も経済産業省が示した｢積層造形医療機器ガイドライン

講者の自発的な学習意欲を引き出せ，課題発見能力や課題2015（総論）｣13)に限定されており，未だ明確なガイドライ解決能力の向上が伺えたことを報告している 10)。今回我々ンは示されていない。米国においては，FDA は 3D プリンが行った教育プログラムの目的の 1 つは，保健学系学生自ト品開発ガイドライン｢Technical Considerations for Additive

身がニーズや使用環境を踏まえて，医療業務において理想Manufactured Medical Devices｣ 13) において設計・製造・試的なツールを得ることにあることから，プロセス要件対応験・バリデーションまでを示していることからも，医療でスキルの向上は，本教育プログラムが解決すべき課題であのカスタムメイド品に関して設計・製造者のスキルレベルるといえる。プロトタイピング手法の適用に際して辻らは，評価方法についても教育プログラム内に含めるべく検討す｢開発に対する目的や目標を明確にする｣，｢プロトタイプのる必要があるものと考えられる。

製作に充分な時間を確保する｣，｢対象に合わせてレベルを調節する｣，｢短い期間内にフィードバックをして改善をはⅥ．結語かる｣ことが重要であるとしており，加えてプロトタイピン

3D モデリング技術基礎教育プログラムにより，保健学系グ手法において理想的な講座に近づけるためには，多くの学生の操作技術に関する習熟度は基準レベルを満たしたと試行錯誤が伴うとしている。辻らが示した 4 つのポイント考えられる一方，製作されたモデルは医療環境下を想定しと本アンケート結果とを照らし合わせた場合，難易度設定た設計プロセス思考には至っておらず，今後臨床専門実習においては半数が｢ちょうど良い｣を選択し，復習のための科目との連携を通じて，自身の製作物を評価・修正するな

短期間内のフィードバック学習機会を教育プログラム中にどし，ユーザー視点からの技術的課題解決能力や思考力向含んでいることから，本教育プログラムにおいては，｢開発上を図る教育プログラムへの改善が必要と考えられた。3Dに対する目的や目標を明確にする｣点が改善すべき課題とモデリング技術や 3D プリンティング技術は，医療分野に推察される。保健学系学生において｢目的・目標を明確にすおいて職種を問わず共通スキルとして必要となる可能性をる｣ことは，自身の専門分野業務における利用目的を明確に有しており，これらの技術教育は学生の学習意欲向上にも位置づけることであることを踏まえると，本教育プログラつながる有用な教育であると考えられていることからも，ムを改善するための方法の 1 つとして，実践的技術教育を基礎教育プログラムに加えて，3D モデリング技術教育プロ

他の臨床専門実習教育と有機連携させることによる改良のグラムと臨床専門実習との連携による各医療職の特性を考可能性が考えられる。今回我々が実施した教育プログラム

慮した発展的専門教育プログラムの確立が必要であると考は，独立した医用工学実習の範囲内で設計・製作までの過える。

程を行ったにすぎず，モデリング者自身が実環境下で評価し，その評価に基づいて再設計を行ったものではない。日

利益相反

開示すべき利益相反はありません。

本産業技術教育学会が示す｢21 世紀の技術教育｣11)によると，技術教育固有の方法知として｢設計・計画｣，｢製作・制作｣，引用文献｢成果の評価｣の各プロセスにおいて評価と修正がなされる

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べきであることが示されており，臨床専門実習教育との連携により自身の製作物を実習で使用することで，｢評価と修正｣が加えられ，技術的課題解決能力や思考力向上が図れるものと考えられる。一方，スキル以外において考慮すべきプロセスの 1 つとして安全性の検証が残されている。3D プ
リント品の安全性に対しては蛯原 12)は，安全性・有効性担保の評価方法に加え，医療機器のカテゴリの判断についてⓒ2020Health sciences Research.

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保健学系学生向け 3D モデリング技術教育プログラムの検討 －臨床検査専攻学生における教育効果評価と学習意欲の調査－

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野坂，藤岡，中野，葛西，山形【Report】
Examination of a 3D modeling technology education program forhealth sciences students -Evaluation of educational effectiveness andmotivation to learn among clinical laboratory students
HIROYUKI NOZAKA*1 MIYUKI FUJIOKA*1 MANABU NAKANO*1
KOUSUKE KASAI*1 KAZUFUMI YAMAGATA*1（Received September 29, 2020 ; Accepted January 18, 2021）

Abstract: The use of 3D printers in medicine is expanding from medical parts manufacturing to regenerative medicine. 3D
manufacturing is shifting from medical companies to hospitals, and it is expected that 3D modeling education for healthscience students will be necessary in the future. In this study, we developed a basic education program of 3D modelingtechnology for health science students and evaluated it in practice. As a result of a questionnaire survey of 42 clinicallaboratory students before and after our program, the percentage of students who were interested in 3D modeling technology
increased significantly from 40.5% to 87.9%. 81.8% of the respondents thought that 3D modeling technology is necessary forclinical laboratory technologist education. In the verification of the educational program, 95.2% of the participants satisfied
the technical standards, while only 54.2% satisfied the process standards. It was considered necessary to improve theeducational program to understand the issues from the user's point of view and to solve technical problems. There is a highpossibility that 3D modeling technology will be widely applied in the medical field in the future, regardless of specialty.
Therefore, it is necessary to establish a systematic educational program for learning 3D modeling technology for eachspecialized field in the future.

Keywords: 3D modeling, 3D printing, Medical engineering*1

Hirosaki University Graduate School of Health Sciences, 66-1, Honcho, Hirosaki-shi, Aomori 036-8564, Japan
E-mail: hnozaka@hirosaki-u.ac.jpⓒ2020Health sciences Research.

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