3D打印技术在麻醉学科中的应用进展

2021
08/25

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古麻今醉
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3D打印技术在麻醉科研中的应用


刘婧 刘光跃

四川大学华西医院麻醉手术中心,成都 610041

国际麻醉学与复苏杂志,2021,42(07):753-756.

DOI:10.3760/cma.j.cn321761-20200629‑00334

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【综述】

3D打印(three‑dimensional printing)技术又称增材制造技术,是“快速成型”技术的一种。它基于三维模型数据,通过增加材料、逐层打印,制造出与相应数字模型完全一致的三维实体模型。3D打印制造过程无需传统的刀具或模具,生产工序简单、制造周期较短,并可实现传统工艺难以完成的复杂结构的制造 。因其便捷性和创新性,3D打印技术在社会经济各领域应用越来越广泛,涵盖航天航空、机械设计、汽车制造、医疗卫生、生命科学等多个行业。本文拟对3D打印技术在麻醉学科教学、临床及科研中的应用进行综述,并分析其在麻醉学科中应用时所面临的困难与未来前景。

 

1 3D打印技术在麻醉学科教学中的应用

麻醉临床技能与思维的培养需要经过传授、模仿、操作、多种操作协调的递进过程,而模拟教学因其安全、逼真、高效、标准化和可重复性等优点成为目前培养临床医师的重要途径。3D打印技术可制造高仿真局部或系统模型,提高模拟教学的仿真度和教学质量。


1.1 区域阻滞模拟教学

早在1998年便有学者利用快速成型技术将脊柱三维重建图像制作成脊柱实物模型,以便于椎体形态评估、手术计划制定及手术演练 。2014年,West等 利用椎体结构正常患者的CT影像资料重建L1~L4节段椎体和黄韧带的三维图像,采用3D打印技术制作出脊柱模型,然后将模型浸泡在5%琼脂凝胶中,待其冷却凝固后便可用于超声引导椎管内穿刺的模拟教学。作者特意对比了模型与真实人体椎体的超声成像特点,结果表明,该模型的超声成像可清晰显示椎体棘突、椎板、横突及黄韧带结构,并可清晰显示穿刺针及其行进轨迹。不足之处在于琼脂凝胶结构强度有限,易于破坏,穿刺痕迹残留明显,限制了模型的使用次数。Jeganathan等 和Bortman等 在此基础上进行了改进。他们使用3D打印技术打印出脊柱模型后,填充上不同的硅胶材料以模拟黄韧带、肌肉及皮肤组织;同时,在椎管内安置了装有黄色液体的塑料管,模拟蛛网膜下隙及脑脊液。经评估,该模型在棘突体表触感、穿刺针进针阻力感、黄韧带突破感及超声仿真度方面均获得较高评价。


目前尚未检索到有关3D打印技术在外周神经阻滞模型上应用的文献,或是未来3D打印技术在麻醉学科中应用的一个方向。


1.2 气道管理模拟教学

气道管理是麻醉科医师的核心技能之一。基于模型的模拟教学可让学员迅速掌握气道管理常见工具的使用方法及操作技巧 。纤维支气管镜是处理困难气道最常用的无创工具之一,适用于多种困难气道情况的处理,也可用于双腔支气管插管的定位,但对气道解剖的识别和操作技能的熟练程度具有一定要求。Bustamante等 和Parotto等 借助3D打印技术制作出仿真气管‑支气管树模型,以供住院医师临床教学使用,促进其对气管‑支气管解剖知识、纤维支气管镜操作及肺隔离技术的熟练掌握。此外,3D打印技术还可模拟气道解剖异常与病变的真实案例,从而提高学员的病情处理能力 。值得一提的是,3D打印模型造价仅有目前商品化模型(如Laerdal气道模型或AirSim气道模型)的1/30~1/20,这将大大降低医疗教育成本,因而极具推广潜力 。


环甲膜穿刺及环甲膜切开为紧急气道标准处理措施,也常是困难气道处理最后的退路,但不熟练者容易操作失败或操作时间过长,导致更为严重的并发症。既往国内外医疗机构常使用呼吸回路等材料自制环甲膜切开模型以进行模拟培训,但其仿真度极低,难以保证规范教学 。3D打印技术可高度还原真实解剖结构,区分甲状软骨、环状软骨、气管环及体表标志,皮肤触感及针感较为真实且造价低廉,还可进行气管切开、逆行气管插管等其他有创操作的培训,完美取代目前的简易模型,提高教学质量 。


1.3 经食管心脏超声模拟教学

全面、深入掌握血流动力学监控,是麻醉医师规范化培训的必须要求。Mashari等 和Baribeau等 使用经食管超声心动图采集图像,通过3D打印技术构建二尖瓣三维模型后,配合封闭脉冲式心脏模拟系统,不仅可用于经食管超声心动图二尖瓣结构扫查的模拟培训,还可模拟人体二尖瓣在心动周期中的规律性活动及心房、心室压力的周期性变化。同样,Markert等 学者使用弹性材料打印出心脏模型,在压力作用下,可模拟心脏的收缩与舒张。这些发明与改进,将为血流动力学模拟教学提供结构更逼真、功能更全面的教学工具。

 

2 3D打印技术在麻醉临床中的应用

对三维空间结构的准确估计和无限制设计是3D打印技术的独特优势。麻醉医师在临床中也常面临三维结构上的难题,3D打印技术在这些问题的处理上也显示出其固有的作用。


2.1 临床气道管理中的应用

3D打印技术可以利用气道CT或MRI结果模拟重建三维气道模型,可将抽象的影像学资料转换为仿真实物,有助于医师更直观地掌握异常气道及毗邻结构。Han等 报道了1例3D打印技术用于喉全切除术后患者行盆腔手术前气道评估的案例。该患者于37年前因喉癌行喉全切除术,本次术前CT提示气管切开处有软组织块影。麻醉医师采用3D打印技术将CT影像制作成仿真气道实物,发现气管切开口周围存在瘢痕收缩,切口下方呈轻度缩窄。在实体模型指导及模拟练习下,他们最终选择了合适型号的气管切开导管经气管切开口行导管置入,完成了气道控制。同样,国内医院采用3D打印技术帮助气道狭窄患者重建气道模型,在模型指导下制定气管支架长度、直径和植入位置计划并最终获得成功 。相比于单腔气管插管而言,双腔气管插管操作难度更高。原因在于双腔气管导管材质更硬,导管管径更大,用现有的喉镜进行插管时,喉镜与导管是并排放置的,大大缩减了口腔内的可操作空间,增加了插管难度,降低了一次插管成功率,且容易导致患者口腔软组织损伤。Walker和Maracaja 设计并构建了一种金属3D打印喉镜,实现了双腔气管导管在喉镜内部推进的设想,增加了插管时的操作空间,且使用该3D喉镜插管时不需要借助气管导管管芯来对导管进行塑形,进一步减少了患者口腔损伤的风险。


喉罩是一种根据人咽喉结构所研制的声门上气道工具。喉罩与喉周围结构的贴合程度决定了气道密闭和漏气的程度。Kimijima等 通过监测喉罩腹面压力发现,对于亚洲女性而言,目前通用的3号I‑gel喉罩实际上仍偏大,尤其是喉罩前端和后端部分。他们通过扫描I‑gel喉罩,构建三维模型,并将模型套囊前部和后部厚度减少2 mm,将套囊中间部分厚度减小1 mm,宽度减少5 mm,使用3D打印机制作出改良型喉罩。试验结果表明,使用改良型喉罩进行通气,气道密闭性更好,在较小气道压力下可获得较大潮气量。低氧血症是麻醉胃镜检查过程中最常见的并发症之一,目前常用的经鼻导管给氧法提高吸入氧浓度效果欠佳,而经面罩给氧法则在一定程度上会阻碍胃镜的操作。因此,Teng等 利用3D打印技术发明了一款胃肠镜咬口。除了内镜进出的开口外,该咬口还有两个通道,以供氧气分别流向鼻腔和口腔。在同样氧流量下,与单纯鼻导管和面罩给氧相比,使用该新型咬口可显著提高咽部吸入氧浓度,降低患者的低氧血症风险,确保医疗安全。


2.2 区域阻滞与疼痛治疗中的应用

在区域阻滞的应用上,3D打印技术可用于制作个体化脊柱模型,尤其对于脊柱畸形患者,3D打印模型可给麻醉医师提供重要的解剖信息,从而帮助其进行麻醉计划,选择最佳进针入路与穿刺角度,提高椎管穿刺成功率 。在超声引导神经阻滞方面,Bigeleisen 利用3D打印技术制作出角度可调的一次性超声探头穿刺引导架,使用时将引导架套在超声探头外,可确保穿刺针在行进过程中始终处于超声平面内,从而使穿刺针清晰显影。经皮卵圆孔穿刺射频热凝术是三叉神经第二支疼痛的优选治疗方案,但穿刺难度大,对操作者技术要求较高。国内韩影等 采集患者头颅薄层CT,进行三维重建后,精确设计进针路径并制作出导航模板。治疗时使用射频针沿穿刺柱行进至预订深度,经CT扫描确认,导航模板可显著提高一次穿刺成功率,减少手术时间,减少穿刺并发症。

 

3 3D打印技术在麻醉科研中的应用

近年来3D打印技术在基础生命科学研究中也取得了令人瞩目的成就。利用活细胞、蛋白质及细胞外基质作为原材料,打印三维生物结构体,被称为生物3D打印技术。研究人员利用水凝胶先打印出三维支架,然后用胶原蛋白包裹支架,最后将脑细胞填充入支架中,形成类脑组织 。该类脑组织也跟正常脑组织一样具有电生理活性;同样,当受到损伤时,也会发生与活体脑组织类似的生化和电生理改变。这意味着脑科学研究进入组织模型时代,今后可实时追踪脑组织在生理、病理及修复过程中的各种变化,从而有望在脑生理及疾病研究中取得突破性进展 。外周神经损伤的修复仍是临床亟待解决的难题之一。Tao等 采用3D打印技术制作出一种功能性纳米微粒增强型神经导管,导管中含有促进神经生长的药物,可有效促进损伤的坐骨神经在形态、病理及功能上的修复。麻醉药物的发明和改进是促进麻醉学科发展的重要推动力,而高通量药物筛选是研发新药的重要方法。目前研究者们已将生物3D打印技术应用于药物筛选领域。与传统方法相比,使用体外生物3D打印组织进行药物筛选成本低、结果可靠,在药物研发的应用中具有巨大潜力和发展前景 。此外,3D打印技术在药物自动化合成中的成功应用,也将引领药物科学领域进一步向高效、个体化方向发展 。


综上所述,3D打印技术在医学领域的应用为医学进步开辟了新的道路,在麻醉教学、临床、科研方面均取得良好进展。目前其在麻醉学科的应用属起步阶段,尚存在许多局限之处,如打印精度有待改进、可选打印材料十分有限等。但随着技术和材料科学的不断发展,相信3D打印技术在麻醉学科的未来发展中将有更为广阔的前景。

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关键词:
打印,技术,模型,气道,模拟

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