3D 打印技术在麻醉领域的应用现状

摘要3D

打印技术自上世纪问世以来，已在建筑、航空、制造等多个领域得到广泛应用，被视为第四次工业革命的标志。近年来，3D

打印技术在医学领域取得了令人瞩目的成果，包括外科术前评估、手术方案制定、肿瘤定位、模拟教学、人工假体、再生医学、基础科研等。近年来，3D

打印在麻醉领域的应用发展迅速，取得了长足发展。本文就

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打印技术在麻醉学科模拟教学、临床麻醉、基础科研与公共卫生危机事件中的应用情况作一综述，以期为后续相关研究的开展提供新方向和新思路。3D

打印技术（3Dprintingtechnology）又称为增材制造技术，它是基于三维数字模型数据，利用不同的

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打印材料逐渐增加，逐层打印，制造出三维实物模型。3D

打印过程无需传统的刀具或模具，制造工序简单，生产效率高，周期短，并且可快速制造出传统工艺难以快速完成的复杂结构。自上个世纪90年代问世以来，因其操作简单，方便获取和具有创新性，在建筑、航天、军事、医学、工业等领域应用广泛，被视为第四次工业革命的标志，促进了新的制造范式的变革。近年来，3D

打印技术在医学领域取得了令人瞩目的成果，包括外科术前评估、手术方案制定、肿瘤定位、模拟教学、人工假体、再生医学等。3D

打印在麻醉领域的应用较少，但发展势头强劲，应用领域不断拓展，如模拟教学、气道评估和管理、基础科研等。本文就

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打印技术在麻醉学科模拟教学、临床麻醉、基础科研与公共卫生危机事件中的应用情况做一综述，分析其在麻醉学科所面临的困难与发展前景，阐明其在麻醉领域的应用现状，以期为后续研究提供新方向和新思路。13D打印技术与麻醉学科模拟教学在麻醉医生培养过程中，需要使其掌握多种临床技能，尤其是多种精细的有创操作技能。反复训练是保证学员熟练掌握临床技能的必要条件，模拟教学可以提供较为真实的操作场景，更多的操作训练机会。麻醉模拟教学是快速培养优秀麻醉医师的重要方法。然而，麻醉模拟教学高仿真教具价格昂贵、个性化定制困难、操作痕迹不可消除等缺点，无法做到一人一换一全新的要求。而

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打印技术制作模拟教学器材具有仿真度更高、成本低廉、制作方便、可个性化定制、便于复制等优点，可以有效弥补传统方法制作模拟教学器材的不足。1.1椎管内麻醉模拟教学腰椎穿刺和硬膜外阻滞是广泛应用且最难掌握的麻醉操作技术之一，模拟教学大大降低了该技术的试错成本。3D打印是一种潜在的可量产低成本教学模型的方法，提高模拟教学的效率，甚至均质化医学教育。早在

2014

年，就已报道了3D打印模型在超声引导椎管内麻醉模拟教学中的应用。3D打印技术可以构建与正常人体超声图像高度一致的教学模型并替代人体进行高度仿真的模拟教学，能有效提高椎管内麻醉的教学质量与效率，降低教学成本。基于3D打印技术编辑的灵活性及可量产性，医疗教学无需局限于操作对象的不可预测性，可构建各类常见、罕见及特制穿刺模型的大量集中性及考证性训练满足各阶段教学需求，利于促进医学生对理论知识的理解及技术的掌握。3D打印可极大地提高教学灵活性、实践性，通过不同节段、不同入路、不同人群、不同解剖变异、不同可视化技术引导下穿刺等教学内容的普及，如高位椎管内麻醉等穿刺难度大、风险高的麻醉技术，有望重新焕发活力，使麻醉方案更加完善与精准。1.2环甲膜穿刺、气管切开与纤维支气管镜模拟教学气道管理是麻醉管理的重要内容，环甲膜穿刺与气管切开是通气困难事件的唯一急救措施，也是各国指南推荐的标准应对策略。临床实际操作机会少和传统教学模型成本高是麻醉住院医生技术不熟练的主要影响因素。低成本的

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打印技术可量产具有甲状软骨、环状软骨、气管环等真实解剖标志和与人体组织相似触感和穿刺感的模拟教学模型，从而提高麻醉医生环甲膜穿刺与气管切开技术的熟练度，提升住院医生紧急情况下的应变能力。纤维支气管镜（fiberopticbronchoscope，FOB）是处理困难气道和快速实现肺隔离的重要工具。由于纤维支气管镜是通过二维图像、视觉提示和触觉反馈来探索三维支气管树环境，因此，良好的气管支气管解剖知识和理解以及丰富的培训经验是熟练掌握该技术的核心要素。3D

打印的气管支气管树比市售气管支气管树模型更真实，并可根据疾病和解剖变异数据灵活构建肿瘤阻塞、甲状腺肿压迫等各种类型气管支气管模型用于模拟教学，缩短教学周期，提升教学质量。PedersonTH

等进行了一项单盲、随机对照试验，研究结果表明与市售模型相比，3D

打印模型在右肺上叶支气管腔定位方面仿真度最高（P=0.002），在放置支气管阻塞器与抽吸液体方面无差异（P=0.792、0.057）。运用3D打印模型进行FOB教学可提高仿真度，增加训练样本多样性、独特性、难度分层，甚至做到一学员一模型。尽管一些小样本、单中心试验显示了

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打印模型在

FOB教学中的优越性，但还缺乏多中心、大样本随机对照试验进一步明确其优于传统教学模型。1.3经食道超声心动图模拟教学掌握全面、精准的循环功能监测技能是麻醉医生规范化培训的必修课。经食道超声心动图（transesophagealechocardiography，TEE）是监测心功能及容量管理的重要手段。运用3D打印技术制作3D心脏模型，配合心脏收缩模拟系统，可使用真实的TEE设备对心脏解剖结构和心脏活动状态进行TEE扫查培训。术中使用TEE采集二尖瓣钳夹术患者数据，打印3D模型，配合封闭式脉冲模拟系统，准确测量进行二尖瓣钳夹后二尖瓣反流连续多普勒频谱以及舒张期心房心室压力。3D打印将为TEE模拟教学提供结构丰富、功能全面的教学新工具，推广TEE的广泛应用。23D打印技术与临床麻醉实践2.1气道管理与评估气道评估与管理是保证麻醉安全的关键要素之一。3D

打印可将二维影像资料转换为三维立体模型，有助于麻醉医生直观掌握气道及毗邻组织结构。报道

1

例气管切开病史、全喉切除术术后患者，气管切开切口处已形成瘘管；气道周围的软组织在舌骨下方不对称，左侧增厚，气管切开处可能存在气管内瘢痕；通过应用

3D打印制作三维气管模型，精确测量模型的气管结构后进行插管训练，最终实现一次插管成功。2015

年，根据

1

例肺泡蛋白沉积症患儿的CT

数据，应用

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打印技术构建了该患儿气管支气管模型及配套的支气导管，实现患儿左右交替单肺通气。可见，3D

打印可将

CT

等二维图像数据转换为更加直观的三维模型，有助于困难气道的评估和管理，但目前还主要停留在少量的个案报道中，其在更广泛人群中的应用有待进一步研究。除了用于困难气道的评估，还可用于双腔管型号选择、肺隔离技术、解剖变异患者模拟插管等领域，这些均有待临床进一步探究。3D

打印技术联合特殊材料可以用于气道疾病的治疗。使用可吸收生物材料联合

3D打印技术设计出早产儿气管支气管软化症的特殊气管导管，并获得了美国

FDA

紧急使用批准；经过1

年随访，发现该类型支气管导管保持通畅，并预计可吸收材料可在

3

年内吸收完毕。成功应用硅胶联合

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打印技术构建可植入气道支架，用于治疗气管支气管狭窄。依托材料科学的突破，3D

打印技术可衍生出许多新型的治疗方式，为以往传统疗法难以治疗或者治疗效果较差的疾病提供新的有效治疗方案，甚至产生全新的治疗模式，促进医学技术高质量发展。后续研究可从运用

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打印技术拓展麻醉治疗的范围和新技术方面着手，丰富麻醉治疗的手段及内涵。2.2超声引导神经阻滞与疼痛诊疗神经阻滞在术后镇痛、减少阿片类药物用量等方面发挥愈加重要的作用，超声引导下神经阻滞因其可视化、定位准确、并发症少等优势得到广泛应用。使用

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打印技术制造了一种由超声探头固定支架和穿刺针放置导向器组成的一次性穿刺引导器，可保证穿刺针与超声在同一平面。这类装置的出现，即使是初学者也可以快速、方便的对穿刺针进行显影，这将会极大地降低难度，推动超声引导下神经阻滞的广泛应用。射频热凝术（radiofrequencythermocoagulation，RFT）和经皮微球囊加压（percutaneousmicroballoon－compression，PMC）广泛用于各种疼痛疾病治疗，例如特发性三叉神经痛、带状疱疹后神经痛等，治疗的效果与技术的精准性密切相关。收集患者面部特征并应用

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打印技术制作了一种个体化的穿刺导航模板，极大提高了特发性三叉神经痛患者

RFT

治疗的首次穿刺成功率和效果。进行了一项翼腭窝穿刺治疗的双盲、随机对照试验，发现与传统治疗方法相比，3D

打印穿刺导航模板引导下的穿刺次数显著降低。RFT

的疗效较大程度上依赖于准确的穿刺，3D

打印模板提高穿刺准确率，降低穿刺时间和损伤，但尚无研究表明使用

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打印模板可提高

RFT

的临床疗效，还需进一步的研究明确。PMC

的难点在于准确快速地穿刺卵圆孔。比较了个体化

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打印导航模板引导穿刺和

Hartel

定位穿刺方法在三叉神经

PMC

手术中的应用，不管卵圆孔穿刺时间、手术时间和

CT

扫描次数方面，3D

导航模板方法比传统方法都取得了更好的效果，同时手术的疗效和术后并发症没有明显差异。研究也表明，应用个性化的3D

打印牙托导航模板进行

PMC，可避免使用口外切口，降低穿刺难度，减少患者创伤。卵圆孔穿刺难度大，容易造成严重的副损伤，3D

打印模板不仅可以帮助快速定位穿刺点、进针角度，还可以提前规划穿刺路径及深度，最大程度提前规划，减少穿刺损伤。3D

打印技术极大地降低了

PMC

的技术难度，有助于该技术的推广，促进优质医疗资源下沉。3D

打印穿刺导航模板可提高手术成功率，缩短手术时间，降低并发症发生率。3D

打印穿刺导航模板还可与人工智能、互联网等技术结合，实现自动规划穿刺路径，减少并发症；促进远程医疗的发展，提高基层医疗水平。33D打印技术与基础科研近年来，3D

打印不仅在教学和临床中的应用发展迅速，在基础科研的应用同样取得了令人瞩目的进步。3D

生物打印是指利用细胞、细胞外基质和生物材料为原料，打印具有组织、器官生理功能的三维生物结构。类器官是一种新的研究工具，3D

打印类脑组织比传统的

2D

体外培养更准确地概括了大脑的关键特征，包括形态、细胞-细胞和细胞-细胞外基质的相互作用。利用丝素蛋白先打印出三维支架，用细胞外基质包裹支架，最后将小鼠皮质细胞填充入支架，培养形成体外类脑组织。3D

类脑组织与在体脑组织一样具有电生理活性，神经元细胞之间形成广泛的突触神经网络；当类脑组织受损时，也会发生与活体脑组织相似的电生理改变。类脑组织的运用，为研究脑科学提供了全新的工具，可实时追踪脑组织发育、生理、病理及修复过程中的各种变化，有望在全麻药物作用机制及对脑发育影响的研究中取得突破性进展。麻醉药物的开发与改进是推动麻醉学科发展的重要动力。目前3D打印已在药物分子设计、高通量筛选、药代动力学、毒理学等方面得到广泛应用。与传统方法相比，3D打印具有筛选速度快、成本低、结果可靠、与在体试验差异小等优点，将会推动新型麻醉药物研发高速发展。43D打印技术与公共卫生危机事件2019

年，新型冠状病毒大流行导致对医疗物资和人力资源的需求呈指数级增长，使许多国家的卫生系统濒临崩溃，大量个人防护用品、设备和其他基本医疗用品长期短缺。3D

打印是一种可以引领制造范式变革的技术，它允许在世界任何地方进行设计与产品制造，不再局限于工厂内生产。其产品设计以数字形式存在，可快速传输与存储，只需使用3D

打印机即可直接生产。事实上，许多研究已经利用

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打印来克服许多医院面临的资源稀缺问题，例如：使用

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打印制造出商业级鼻拭子。3D打印的其他用途包括生产面罩、N95口罩、护耳器、防护面屏、一次性喉镜、呼吸机阀门、和环境保护设备等（例如免提门把手）。因此，3D打印有望改变重大公共卫生背景下的制造业生产方式，促进新工业、新制造的发展。5总结3D

打印基于

CT

或者

MRI等影像数据构建数字模型，而这只能反映某个时间点患者的静态情况，通常是仰卧位时所处状态。而所采集的数据