3D 打印技術在麻醉領域的應用現狀

張宏偉，朱易豪，鄒 江

（四川省腫瘤臨床醫學研究中心/四川省腫瘤醫院·研究所/四川省癌癥防治中心/電子科技大學附屬腫瘤醫院麻醉科，四川 成都 610041）

3D 打印技術（3D printing technology）又稱為增材制造技術，它是基于三維數字模型數據，利用不同的3D 打印材料逐漸增加，逐層打印，制造出三維實物模型。3D 打印過程無需傳統的刀具或模具，制造工序簡單，生產效率高，周期短，并且可快速制造出傳統工藝難以快速完成的復雜結構。自上個世紀90年代問世以來，因其操作簡單，方便獲取和具有創新性，在建筑、航天、軍事、醫學、工業等領域應用廣泛，被視為第四次工業革命的標志[1，2]，促進了新的制造范式的變革。近年來，3D 打印技術在醫學領域取得了令人矚目的成果，包括外科術前評估、手術方案制定、腫瘤定位、模擬教學、人工假體、再生醫學等[3，4]。3D 打印在麻醉領域的應用較少，但發展勢頭強勁[4，5]，應用領域不斷拓展，如模擬教學、氣道評估和管理、基礎科研等。本文就3D 打印技術在麻醉學科模擬教學、臨床麻醉、基礎科研與公共衛生危機事件中的應用情況做一綜述，分析其在麻醉學科所面臨的困難與發展前景，闡明其在麻醉領域的應用現狀，以期為后續研究提供新方向和新思路。

1 3D 打印技術與麻醉學科模擬教學

在麻醉醫生培養過程中，需要使其掌握多種臨床技能，尤其是多種精細的有創操作技能。反復訓練是保證學員熟練掌握臨床技能的必要條件，模擬教學可以提供較為真實的操作場景，更多的操作訓練機會。麻醉模擬教學是快速培養優秀麻醉醫師的重要方法。然而，麻醉模擬教學高仿真教具價格昂貴、個性化定制困難、操作痕跡不可消除等缺點，無法做到一人一換一全新的要求。而3D 打印技術制作模擬教學器材具有仿真度更高、成本低廉、制作方便、可個性化定制、便于復制等優點，可以有效彌補傳統方法制作模擬教學器材的不足。

1.1 椎管內麻醉模擬教學 腰椎穿刺和硬膜外阻滯是廣泛應用且最難掌握的麻醉操作技術之一，模擬教學大大降低了該技術的試錯成本。3D 打印是一種潛在的可量產低成本教學模型的方法，提高模擬教學的效率，甚至均質化醫學教育。早在2014 年，West SJ 等[6]就已報道了3D 打印模型在超聲引導椎管內麻醉模擬教學中的應用。3D 打印技術可以構建與正常人體超聲圖像高度一致的教學模型并替代人體進行高度仿真的模擬教學，能有效提高椎管內麻醉的教學質量與效率，降低教學成本[7]?；?D 打印技術編輯的靈活性及可量產性，醫療教學無需局限于操作對象的不可預測性，可構建各類常見、罕見及特制穿刺模型的大量集中性及考證性訓練滿足各階段教學需求[11]，利于促進醫學生對理論知識的理解及技術的掌握。

3D 打印可極大地提高教學靈活性、實踐性，通過不同節段、不同入路、不同人群、不同解剖變異、不同可視化技術引導下穿刺等教學內容的普及，如高位椎管內麻醉等穿刺難度大、風險高的麻醉技術，有望重新煥發活力，使麻醉方案更加完善與精準。

1.2 環甲膜穿刺、氣管切開與纖維支氣管鏡模擬教學氣道管理是麻醉管理的重要內容，環甲膜穿刺與氣管切開是通氣困難事件的唯一急救措施，也是各國指南推薦的標準應對策略[8]。臨床實際操作機會少和傳統教學模型成本高是麻醉住院醫生技術不熟練的主要影響因素。低成本的3D 打印技術可量產具有甲狀軟骨、環狀軟骨、氣管環等真實解剖標志和與人體組織相似觸感和穿刺感的模擬教學模型[9]，從而提高麻醉醫生環甲膜穿刺與氣管切開技術的熟練度，提升住院醫生緊急情況下的應變能力[9，10]。

纖維支氣管鏡（fiberoptic bronchoscope，FOB）是處理困難氣道和快速實現肺隔離的重要工具。由于纖維支氣管鏡是通過二維圖像、視覺提示和觸覺反饋來探索三維支氣管樹環境，因此，良好的氣管支氣管解剖知識和理解以及豐富的培訓經驗是熟練掌握該技術的核心要素。3D 打印的氣管支氣管樹比市售氣管支氣管樹模型更真實[11]，并可根據疾病和解剖變異數據靈活構建腫瘤阻塞、甲狀腺腫壓迫等各種類型氣管支氣管模型用于模擬教學[12]，縮短教學周期，提升教學質量[13，14]。Pederson TH 等[15]進行了一項單盲、隨機對照試驗，研究結果表明與市售模型相比，3D 打印模型在右肺上葉支氣管腔定位方面仿真度最高（P=0.002），在放置支氣管阻塞器與抽吸液體方面無差異（P=0.792、0.057）。運用3D 打印模型進行FOB 教學可提高仿真度，增加訓練樣本多樣性、獨特性、難度分層，甚至做到一學員一模型。盡管一些小樣本、單中心試驗顯示了3D 打印模型在FOB教學中的優越性，但還缺乏多中心、大樣本隨機對照試驗進一步明確其優于傳統教學模型。

1.3 經食道超聲心動圖模擬教學 掌握全面、精準的循環功能監測技能是麻醉醫生規范化培訓的必修課。經食道超聲心動圖（transesophageal echocardiography，TEE）是監測心功能及容量管理的重要手段。運用3D 打印技術制作3D 心臟模型，配合心臟收縮模擬系統，可使用真實的TEE 設備對心臟解剖結構和心臟活動狀態進行TEE 掃查培訓[16]。Mashari A等[17]術中使用TEE 采集二尖瓣鉗夾術患者數據，打印3D 模型，配合封閉式脈沖模擬系統，準確測量進行二尖瓣鉗夾后二尖瓣反流連續多普勒頻譜以及舒張期心房心室壓力。3D 打印將為TEE 模擬教學提供結構豐富、功能全面的教學新工具，推廣TEE 的廣泛應用。

2 3D 打印技術與臨床麻醉實踐

2.1 氣道管理與評估 氣道評估與管理是保證麻醉安全的關鍵要素之一。3D 打印可將二維影像資料轉換為三維立體模型，有助于麻醉醫生直觀掌握氣道及毗鄰組織結構。Han B 等[18]報道1 例氣管切開病史、全喉切除術術后患者，氣管切開切口處已形成瘺管；氣道周圍的軟組織在舌骨下方不對稱，左側增厚，氣管切開處可能存在氣管內瘢痕；通過應用3D打印制作三維氣管模型，精確測量模型的氣管結構后進行插管訓練，最終實現一次插管成功。2015 年，Willson CA 等[19]根據1 例肺泡蛋白沉積癥患兒的CT 數據，應用3D 打印技術構建了該患兒氣管支氣管模型及配套的支氣導管，實現患兒左右交替單肺通氣?？梢?，3D 打印可將CT 等二維圖像數據轉換為更加直觀的三維模型，有助于困難氣道的評估和管理，但目前還主要停留在少量的個案報道中，其在更廣泛人群中的應用有待進一步研究。除了用于困難氣道的評估，還可用于雙腔管型號選擇、肺隔離技術、解剖變異患者模擬插管等領域，這些均有待臨床進一步探究。

3D 打印技術聯合特殊材料可以用于氣道疾病的治療。Zopf DA 等[20]使用可吸收生物材料聯合3D打印技術設計出早產兒氣管支氣管軟化癥的特殊氣管導管，并獲得了美國FDA 緊急使用批準；經過1 年隨訪，發現該類型支氣管導管保持通暢，并預計可吸收材料可在3 年內吸收完畢。Cheng GZ 等[21]成功應用硅膠聯合3D 打印技術構建可植入氣道支架，用于治療氣管支氣管狹窄。依托材料科學的突破，3D 打印技術可衍生出許多新型的治療方式，為以往傳統療法難以治療或者治療效果較差的疾病提供新的有效治療方案，甚至產生全新的治療模式，促進醫學技術高質量發展。后續研究可從運用3D 打印技術拓展麻醉治療的范圍和新技術方面著手，豐富麻醉治療的手段及內涵。

2.2 超聲引導神經阻滯與疼痛診療 神經阻滯在術后鎮痛、減少阿片類藥物用量等方面發揮愈加重要的作用，超聲引導下神經阻滯因其可視化、定位準確、并發癥少等優勢得到廣泛應用。Bigeleisen PE 等[22]使用3D 打印技術制造了一種由超聲探頭固定支架和穿刺針放置導向器組成的一次性穿刺引導器，可保證穿刺針與超聲在同一平面。這類裝置的出現，即使是初學者也可以快速、方便的對穿刺針進行顯影，這將會極大地降低難度，推動超聲引導下神經阻滯的廣泛應用。

射頻熱凝術（radiofrequency thermocoagulation，RFT）和經皮微球囊加壓（percutaneous microballooncompression，PMC）廣泛用于各種疼痛疾病治療，例如特發性三叉神經痛、帶狀皰疹后神經痛等，治療的效果與技術的精準性密切相關。Deng M 等[23]收集患者面部特征并應用3D 打印技術制作了一種個體化的穿刺導航模板，極大提高了特發性三叉神經痛患者RFT 治療的首次穿刺成功率和效果。Zhang LG[24]進行了一項翼腭窩穿刺治療的雙盲、隨機對照試驗，發現與傳統治療方法相比，3D 打印穿刺導航模板引導下的穿刺次數顯著降低。RFT 的療效較大程度上依賴于準確的穿刺，3D 打印模板提高穿刺準確率，降低穿刺時間和損傷，但尚無研究表明使用3D 打印模板可提高RFT 的臨床療效，還需進一步的研究明確。

PMC 的難點在于準確快速地穿刺卵圓孔。Peng YL 等[25]比較了個體化3D 打印導航模板引導穿刺和Hartel 定位穿刺方法在三叉神經PMC 手術中的應用，不管卵圓孔穿刺時間、手術時間和CT 掃描次數方面，3D 導航模板方法比傳統方法都取得了更好的效果，同時手術的療效和術后并發癥沒有明顯差異。Wei WB 等[26]的研究也表明，應用個性化的3D 打印牙托導航模板進行PMC，可避免使用口外切口，降低穿刺難度，減少患者創傷。卵圓孔穿刺難度大，容易造成嚴重的副損傷，3D 打印模板不僅可以幫助快速定位穿刺點、進針角度，還可以提前規劃穿刺路徑及深度，最大程度提前規劃，減少穿刺損傷。3D 打印技術極大地降低了PMC 的技術難度，有助于該技術的推廣，促進優質醫療資源下沉。

3D 打印穿刺導航模板可提高手術成功率，縮短手術時間，降低并發癥發生率。3D 打印穿刺導航模板還可與人工智能、互聯網等技術結合，實現自動規劃穿刺路徑，減少并發癥；促進遠程醫療的發展，提高基層醫療水平。

3 3D 打印技術與基礎科研

近年來，3D 打印不僅在教學和臨床中的應用發展迅速，在基礎科研的應用同樣取得了令人矚目的進步。3D 生物打印是指利用細胞、細胞外基質和生物材料為原料，打印具有組織、器官生理功能的三維生物結構。

類器官是一種新的研究工具，3D 打印類腦組織比傳統的2D 體外培養更準確地概括了大腦的關鍵特征，包括形態、細胞-細胞和細胞-細胞外基質的相互作用[27，28]。Dingle YT 等[29]利用絲素蛋白先打印出三維支架，用細胞外基質包裹支架，最后將小鼠皮質細胞填充入支架，培養形成體外類腦組織。3D 類腦組織與在體腦組織一樣具有電生理活性，神經元細胞之間形成廣泛的突觸神經網絡；當類腦組織受損時，也會發生與活體腦組織相似的電生理改變。類腦組織的運用，為研究腦科學提供了全新的工具，可實時追蹤腦組織發育、生理、病理及修復過程中的各種變化[28，30]，有望在全麻藥物作用機制及對腦發育影響的研究中取得突破性進展[27，30]。

麻醉藥物的開發與改進是推動麻醉學科發展的重要動力。目前3D 打印已在藥物分子設計、高通量篩選、藥代動力學、毒理學等方面得到廣泛應用[31]。與傳統方法相比，3D 打印具有篩選速度快、成本低、結果可靠、與在體試驗差異小等優點[32]，將會推動新型麻醉藥物研發高速發展。

4 3D 打印技術與公共衛生危機事件

2019 年，新型冠狀病毒大流行導致對醫療物資和人力資源的需求呈指數級增長，使許多國家的衛生系統瀕臨崩潰，大量個人防護用品、設備和其他基本醫療用品長期短缺[33]。3D 打印是一種可以引領制造范式變革的技術，它允許在世界任何地方進行設計與產品制造，不再局限于工廠內生產。其產品設計以數字形式存在，可快速傳輸與存儲，只需使用3D 打印機即可直接生產[2，31]。事實上，許多研究已經利用3D 打印來克服許多醫院面臨的資源稀缺問題，例如：Callahan CJ 等[34]使用3D 打印制造出商業級鼻拭子。3D 打印的其他用途包括生產面罩、N95口罩、護耳器、防護面屏、一次性喉鏡、呼吸機閥門、和環境保護設備等（例如免提門把手）[35-38]。因此，3D打印有望改變重大公共衛生背景下的制造業生產方式，促進新工業、新制造的發展[39]。

5 總結

3D 打印基于CT 或者MRI 等影像數據構建數字模型，而這只能反映某個時間點患者的靜態情況，通常是仰臥位時所處狀態。而所采集的數據并不一定能準確的反映半臥位或麻醉誘導后肌肉張力消失時的情況。患者仰臥位CT 數據也可能夸大脊椎前突的情況。實現3D 打印的首要步驟就是完成三維模型構建，市面上有一些功能全面、集成度高的三維建模編輯軟件，但其通常價格昂貴。盡管也有不少的免費開源軟件可供使用，但對于初學者來說，選擇出最適合自己項目的軟件需要付出較多的時間和試錯成本。理想材料對于3D 打印的成功至關重要。理想材料不僅需要與研究的組織十分接近，還需要滿足價格低廉、易于保存、易于回收利用等要求。然而目前還沒有這樣的材料面市，有待材料科學領域的進一步研究。