内耳およびその周辺構造の3Dモデル教材の開発とその教育効果の検討

• Project/Area Number: 22K02978
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 09080:Science education-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 石黒 聡尚 筑波大学, 医学医療系, 講師 (70869049)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡本 嘉一 筑波大学, 医学医療系, 講師 (90420083)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2026: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2025: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2024: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000); Fiscal Year 2023: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 三次元モデル / 内耳 / 教育 / アクティブラーニング / 医療 / 3次元モデル / 教育効果 / CT / MRI

Outline of Research at the Start

聴覚は人間の重要な五感の一つであるが、蝸牛（うずまき管）を含む内耳とその周囲の構造が巧妙に連携して初めてその役を成しており、その複雑さが初学者の学習における理解を難しくしている。本研究では、まず、CTやMRIの画像データから3Dプリンターを用いて3次元モデルを作成し、次いで、この3次元モデルを「使用する」・「使用しない」の2種類の授業を小学生・中学生・高校生・医学生・初期研修医を対象に行い、3次元モデルの使用が学習効果を向上するか否かを客観的な指標を使って評価する。

Outline of Annual Research Achievements

【設備の準備】光造形3Dプリンター Form3+を購入し、設置した。正常患者の側頭骨CTのDICOMデータを医用画像解析ワークステーション(AZE)に取り込み、耳小骨、内耳(蝸 牛、前庭、半器官)および内耳道、顔面神経管を自動、手動の両方で領域抽出し、STLファイルに変換した。次いで、フリーの3DCGソフト(Blender)を用いて、 3Dプリントしやすいようにデータを修正した。その後、Form3+を用いた3Dプリントを行い、三次元モデルのプロトタイプを作成した。また、CT画像とMRI画像 に対して画像処理ソフトで低解像度化の処理を行い、元画像と低解像度化された画像とのペアで機械学習させることで、低解像度の画像の高解像度化を検討している。
【研究計画準備】蝸牛および聴神経、2前庭・半規管、3耳小骨、4側頭骨(乳突蜂巣などを含む)の4つのパートに分けて、3Dプリンタを用い て3次元モデルを作成する。
【教育内容の計画】授業およびテスト、評価指標を作成する。学習者に2回の授業(それぞれ30分)を行い、それぞれその直後に2回の テストを実施する。1回目の授業は講義のみのもので3次元モデルを使用しない。2回目の授業は実際に3次元モデルを個人ごともしくはグループ ごとに触ってもらい、授業を行う。または、アクティブラーニングの手法を取り入れ、学習者に質問してもらうことも考慮する。テストの内容 については、内耳および周囲構造の解剖や生理機能から出題し、2種類(Aテスト・Bテスト)用意して、半数は1回目のあとにAテストかBテスト 、半数は2回目のあとに受けていない方のテストを受けてもらう。テストでは、1回目の学習効果・2回目の復習効果により、客観的な評価が出 来ない可能性もあるため、学習対象者を2群に分けて、予め作成したルーブリックを用いて達成度を評価していく方法も検討する。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

コロナが5類になるのが年度の途中であったため、教育機関への連絡が難しかったため。

Strategy for Future Research Activity

小学校・中学校・高校・大学(筑波大学)・初期研修医のそれぞれに対して、授業、テストを行う。協力していただく小学校 ・中学校・高校とは研究分担者を介して連携をとる。得られた結果を集計して統計学的検討を行い、各対象者群や内耳構造の領域などにより有 意差がないか検証する。この結果・傾向を学習者にフィードバックし、今後の個人の学習に活かしてもらう。他の部位や他の自然科学の分野で も同じように評価ができるか、考察を行う。