3D打印在麻醉中的应用

【综述】

3D打印技术基于数字影像学，利用特定的生物材料以逐层打印的方式构建三维实物模型 。近年来3D打印技术迅速发展，已成为一种易于使用且用途广泛的技术，在各个行业中都有广泛的应用，已经成熟地应用于骨科、脑外科和颌面部外科手术。然而其在麻醉中的用途并不是很广泛，尚待正式探讨。本文就麻醉实践有关的3D打印应用进行综述，包括术前访视与气道评估、麻醉方案实施以及麻醉工具制作、麻醉教学与解剖训练等方面的应用及其在麻醉学的发展前景和潜在用途。

1 医学领域中3D打印技术的基本原理        

最早的3D打印技术在医学领域的应用要追溯到1985年，Brix等 开创性地将立体光刻技术（stereo lithography, SL）用于口腔和颌面外科手术。紧接着，Mankovich等  在1990年通过计算机断层扫描，利用SL技术打印出颅骨解剖模型，利用完整颅骨的解剖结构来治疗患者的颅面畸形。目前，3D打印技术已在骨科、口腔科、神经外科、颌面部外科及临床教学、医患沟通等方面起着重要的作用 。

3D打印最终完成打印模型需要5个技术步骤，包括：选择解剖目标区域，通过处理来自CT/MRI扫描的医学图像来开发3D几何形状，优化用于物理打印的文件，适当的3D打印机和材料，最终以“分层制造、逐层叠加”的方式完成制造。3D打印有许多不同的技术，包括黏合剂喷射、电子束熔化、熔融沉积建模、间接工艺、金属激光熔融沉积、电子束熔丝沉积成形、激光熔化、激光烧结、分层实体制造、材料喷射、光聚合物喷射以及光固化立体成形三维打印都被认为是公认的技术 ，其中激光烧结、熔融沉积建模以及光聚合物喷射这三种3D打印技术在医疗领域应用最多 。 

2 3D打印技术在临床麻醉中的应用        

2.1　3D打印在气道评估中的作用

困难气道导致的气管插管失败常会导致致命的麻醉相关并发症 ，因此完善的术前气道评估对于特殊患者十分重要，不少学者对特殊患者利用3D打印技术进行了气道评估，成功地进行了气管插管。有学者报道了一例既往有全喉切除手术病史的77岁患者需要进行盆腔肿块切除术，术前患者的气道评估变得十分困难，常规方法评估气道并不合适。因此他们通过计算机断层扫描成像数据，利用立体光刻技术打印出患者的三维气道结构，这样使得医师更充分了解患者气管形态，能选择合适的气管导管，提前设计更为稳妥的插管路径，最终在实际操作时缩短了插管时间，提高插管成功率，并避免因反复插管而造成的伤害 。

卡塔格内综合征又称家族性支气管扩张症，是原发纤毛运动障碍综合征的一种，是少见的先天遗传性疾病，主要表现为慢性三联症候群，支气管炎导致支气管扩张、慢性鼻窦炎和完全性内脏转位 。这类患者通常会进行胸科手术，因此有许多文献对完全性内脏转位患者胸外科手术麻醉管理进行探讨。由于此类患者常因软骨发育不全或弹性纤维不足，导致局部管壁薄弱，并且左右支气管开口和常规不一样，因此插双腔支气管导管时常发生对位不良，导致部分通气孔阻塞，引起气道压力升高，最终手术时间的延长或频繁调整双腔支气管导管可能进一步导致支气管黏膜损伤。有学者对一例全内脏转位患者进行了气管支气管计算机断层扫描并获得了3D重建图像，制作出气管支气管3D打印模型，在此3D打印模型中，他们模拟了在右主支气管内放置右侧双腔支气管导管，发现这种方法更适合这例患者，并且右侧双腔支气管导管上叶开口并不会影响通气 。

综上，3D模型气道能更好地显示气管的解剖结构及其与周围组织的关系，更容易被麻醉医师理解，麻醉医师能更为直观地评估麻醉风险，提前拟定麻醉计划，这将有助于缩短插管时间，减少插管并发症。另外，3D模型气道也有局限性，目前的技术并不能显示气道黏膜的颜色改变，因此并不能区分气道的炎症改变，所以纤维支气管镜（纤支镜）检查可以作为3D打印气道评估的一种补充手段。

2.2　3D个性化定制气道工具

对于有面部复杂畸形的患者来说，通常会面临有限的麻醉和安全诱导插管的选择。文献报道了一例19年前曾行右下颌骨切除术、游离腓骨瓣重建术的73岁患者需要行开胸手术 。由于先前的下颌骨切除和术后放疗，患者有严重的面部畸形，是可以预计的困难气道，包括Mallampati分级3级、甲颏距离短、面部轮廓凹陷和下颌下间隙拥挤。医师利用移动三维扫描多角度采集技术，制作了分辨率和精度分别为0.1 mm和0.5 mm的面部深度数据集，设计和快速生产精确复杂的有机几何形状，3D打印出十分贴合患者面部的面罩，这样就能在麻醉诱导期有更好的面罩通气和氧合，允许麻醉医师有更充足的时间进行双腔支气管插管，保证患者的安全。

目前，气道管理设备包括从喉镜到纤支镜等一系列设备，在大多数情况下，这些装置的尺寸范围有限，现有装置不符合儿童的解剖结构。有学者为儿童设计了可以插管的口咽通气道，以15岁患者为模型3D打印出一种可插管的口咽通气道，口咽通气道直接位于声门上方，由纤支镜引导，通过口咽通气道后可以看到声门，直接引导气管导管插入 。

2.3　术前麻醉方案制定

Wilson等 通过立体光刻技术，以透明的硬质树脂作为材料3D打印出儿童患者的三维气道，并尝试在3D打印的气道模型中模拟患儿单肺通气的情况。3D打印的模型使麻醉医师能够在术前试用各种气道装置和气管插管技术，确定最合适的插管深度。他们认为这种方法是十分有益的，并且使用计划的方法成功实现了术中单肺通气。

与气管插管、动静脉穿刺、臂丛神经阻滞等麻醉操作相比，硬膜外阻滞是初学麻醉医师最难上手的操作 。目前已经有技术可以真实地模拟出患者的3D脊柱模型 ，对于特殊的患者，特别是有解剖学异常（脊柱后凸或强直性脊柱炎）或者晚期退行性关节炎的患者，麻醉医师可以从3D打印模型上预先确定并计划最合适的穿刺部位和角度，与外科手术计划一样，可以在实施麻醉时实时引用该模型。

2.4　3D打印用于制作麻醉相关工具

麻醉医师的工作台面是一个容易让人忽视的交叉感染区域，注射器有一定概率被潜在致病细菌污染，患者之间注射器的交叉污染和药物互换会对患者的安全造成严重危害，因此常用麻醉药物的制备和储存需要工作环境标准化。有文献报道，可以3D打印出一个定制注射器安放装置，在麻醉工作区使用简单的定制3D打印注射器安放装置有许多优点，能让麻醉医师工作更加有效率，人为的医疗错误大大减少，也能避免注射器污染，并能杜绝注射器的交叉使用 。

麻醉医师每天使用的喉镜通常由一次性电池或充电电池供电，大量的电池消耗不仅可能导致环境污染，还难以在电力极度缺乏的非洲推广，因此有学者利用3D打印创造出一种能够完全利用可再生能源的新型喉镜，只需要将麻醉医师手部的热量转换为电能就可以为喉镜供电 。

Lambert等 介绍了一种低成本3D打印的视频喉镜，可以安装在各种智能手机和平板电脑上。与Macintosh直接喉镜相比，这种3D打印的视频喉镜更容易显露声门，而且在插管过程中能够实时获取视频和照片。同样有学者也制造出另外一种低成本的3D打印视频喉镜，他们在模拟条件下将其用于教学喉镜检查，认为这种物美价廉的3D打印视频喉镜最终可发展成为一种通用的临床工具 。 

3 3D打印在麻醉教学中的应用        

3D打印技术不仅有助于临床诊断和治疗，在教学和科研方面也逐步得到应用。传统的气道管理教学大多采用文字讲述和模拟人实践的方式，无论哪种方式都无法让学生直观地学习气道的解剖以及气管插管所需要注意的要点。目前，国内已经有不少教学中心将3D打印技术应用到气道教学中，让学生更加直观、更为立体地了解气道解剖结构，特别是对于困难气道的教学更加有帮助，能够真实地打印出困难气道模型，让学生真实地了解处理困难气道的流程、麻醉插管技术以及纤支镜的使用方法，这样能大大提高教学成效和学生的满意度 。

早在2014 年就有研究将3D 打印的椎体模型应用于超声引导下椎管内阻滞的教学 ，2017年有学者做了3D打印胸椎模型，进行胸椎硬膜外穿刺教学。3D打印模型应用于椎管内阻滞模拟教学的可行性是毋庸置疑的，有了这一有力工具，椎管内模拟教学的灵活性可以大大提升，教学内容可以包括不同入路（正中入路和旁正中入路）、不同节段、异常解剖（脊柱侧后凸）的椎管内阻滞 。华中科技大学同济医学院附属同济医院麻醉科也尝试基于薄层CT重建脊柱的三维结构，再利用3D打印制作腰椎模型，然后用于实时超声引导椎管内穿刺的教学（图1）。

2020年，新型冠状病毒导致的全球疫情消耗了大量医疗资源，给全球医疗系统带来极大挑战，不过疫情也激发了广大医务工作者无穷的创造力 。为了缓解资源紧缺的矛盾，许多医师使用3D打印技术制造个人防护设备。华中科技大学同济医学院附属同济医院麻醉科“插管小分队”负责了大量新型冠状病毒肺炎危重症患者的气管插管任务，但是在疫情初期也面临了医疗资源缺乏的问题，当时我们使用3D打印技术制作了面屏、护目镜、口罩等个人防护设备，尽可能为一线麻醉医师提供足够的保护（图2、图3）。

在疫情最严重的美国，不仅医护人员缺乏防护设备、各种呼吸机及零配件，检测机构也急需大量病毒核酸测试用棉签 。迫于各种医疗资源缺乏的压力，美国食品药品监督局也临时允许3D打印制作疫情急需的设备，例如棉签、口罩、面罩、护目镜、防护服等，甚至允许3D打印技术用来制作临床上紧缺的呼吸机和其他医疗设备零件。越来越多拥有3D打印技术的公司也开始加入抗击新型冠状病毒疫情的战斗中。以Formlabs为例，该公司动用250台3D打印机，每天能为医院提供10万个3D打印的病毒核酸检测用棉签棒。 

5 小 结        

3D打印在麻醉领域的应用仍处于起步阶段，存在一些问题：缺乏大样本和长时间随访数据；人体组织器官极其复杂，往往我们所获得的CT扫描是患者处于静态位置，仅通过打印图像很难产生其全部运动范围，因此再现其复杂的运动功能需要一个与3D打印分开的独特设计；目前尚无明确法律、法规来监管个性化3D打印产品及应用，也缺乏相应的制作标准。目前有许多大型医疗中心开展了3D打印的临床试验，未来的应用还有待更多临床证据支持，但我们相信3D打印技术将在21世纪改变我们麻醉医师的临床工作和教学方式。