3D打印技術(shù)在麻醉模擬教學(xué)中的應(yīng)用

袁 青，崔旭蕾，阮 俠，易 杰，黃宇光

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院 麻醉科，北京 100730)

3D打印技術(shù)(three-dimensional printing technique)也稱為增材制造技術(shù)(additive manufacturing technique)，這種技術(shù)通過分層加工、迭加成形的方式幾乎可以制造任何形狀的立體實(shí)物。自誕生于20世紀(jì)80年代以來，這一革新性的技術(shù)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，其中在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用更是令人矚目，包括用于外科術(shù)前制定手術(shù)方案，制造人工植入假體，等等。麻醉學(xué)科應(yīng)用3D打印技術(shù)剛剛開始不久，目前主要的應(yīng)用方向是制造高仿真模擬教具用于麻醉模擬教學(xué)。

麻醉模擬教學(xué)可以提供臨床操作的動(dòng)手機(jī)會(huì)，使得住院醫(yī)生能夠在患者身上實(shí)際操作之前充分熟悉有創(chuàng)操作，提高操作熟練度和臨床安全性，是培養(yǎng)合格麻醉醫(yī)生的重要途徑[1]。目前市面上的高仿真麻醉模擬教具因價(jià)格昂貴、使用壽命有限等缺點(diǎn)在一定程度上限制了其在臨床中的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的高仿真麻醉模擬教具相比， 3D打印模擬教具擁有多項(xiàng)優(yōu)勢：1)3D打印可以根據(jù)患者的真實(shí)解剖圖像制作教具，將患者的CT或MRI結(jié)果輸入相關(guān)軟件處理后即可得到相應(yīng)的模型，從而可以提高教具的仿真度，并且能夠個(gè)體化制作異常解剖結(jié)構(gòu)的模型，幫助住院醫(yī)生熟悉異常解剖結(jié)構(gòu)下的有創(chuàng)操作；2)制作成本相對低廉，模擬教具損壞后可以即時(shí)制作，使用便捷；3)可以根據(jù)住院醫(yī)生的培訓(xùn)需求制作教具，不受限于市面所售模擬教具的有限選擇范圍；4)在大規(guī)模培訓(xùn)中易于復(fù)制，可以按需制作多個(gè)教具提高培訓(xùn)效率，增加住院醫(yī)生的實(shí)踐機(jī)會(huì)。

3D打印技術(shù)制作模擬教具的過程相對簡單易行。首先是將標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(digital imaging and communications in medicine, DICOM)格式的醫(yī)學(xué)影像資料轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)三角片語言(standard triangle language, STL)格式的3D模型文件，也就是虛擬3D模型。目前市面上有多個(gè)軟件都具有這種功能，其中有一些開源程序是完全免費(fèi)的，這些軟件可以將CT及MRI影像資料轉(zhuǎn)化為虛擬3D模型。其次是選擇塑料介質(zhì)，目前常用的塑料介質(zhì)包括ABS樹脂(acrylonite butadiene styrene，丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)和生物可降解塑料聚乳酸。最后一步就是使用3D打印機(jī)將這一虛擬3D模型打印出來，目前市面上3D打印機(jī)的價(jià)格主要取決于其分辨率，一般而言數(shù)千元即可購買到滿足臨床分辨率需求的3D打印機(jī)，應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。本文將就3D打印技術(shù)在麻醉模擬教學(xué)不同領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行簡單介紹。

1 神經(jīng)阻滯模擬教學(xué)

早在2004年就有研究將3D打印的椎體模型應(yīng)用于超聲引導(dǎo)下椎管內(nèi)阻滯的教學(xué)[2]，該研究利用解剖結(jié)構(gòu)正常的患者椎體CT結(jié)果制作3D打印椎體模型，然后將模型浸泡在凝膠中，待凝膠凝固后便可模擬軟組織的觸感，用于超聲引導(dǎo)下椎管內(nèi)阻滯教學(xué)，結(jié)果表明3D打印椎體模型的超聲回聲特性與人體正常組織相似度很好，而且模擬軟組織的凝膠也適于穿刺針進(jìn)入。2017年的一項(xiàng)研究利用這一方法進(jìn)行了胸椎硬膜外麻醉的教學(xué)研究，并制作了更為精細(xì)的模型[3]。由于胸椎硬膜外麻醉的失敗率高，住院醫(yī)師難于獲得充分的鍛煉機(jī)會(huì)，而臨床中很多異常解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加大了這一操作的難度，因此胸椎硬膜外穿刺的模擬教學(xué)對于住院醫(yī)生就顯得更為重要。此研究首先通過3D打印制作正常解剖和后凸的胸椎椎體模型，將硅膠材料注入椎體模型的椎間孔中模擬黃韌帶，椎管內(nèi)有一塑料管可灌入淺黃色液體以模擬蛛網(wǎng)膜下腔和腦脊液，然后將此模型放入一個(gè)特制的盒子中灌入凝膠模擬體表組織。14名住院醫(yī)生使用這一模型接受了培訓(xùn)，對于此模型的棘突觸感、穿刺針進(jìn)針感覺、黃韌帶突破感和超聲仿真性均給予了高度評價(jià)。從這兩項(xiàng)研究可以看出，3D打印模型應(yīng)用于椎管內(nèi)阻滯模擬教學(xué)的可行性是毋庸置疑的，有了這一有力工具，椎管內(nèi)模擬教學(xué)的靈活性可以大大提升，教學(xué)內(nèi)容可以包括不同入路(正中入路和旁正中入路)、不同節(jié)段、異常解剖(脊柱側(cè)后凸)的椎管內(nèi)阻滯。另外，這一工具還可以幫助麻醉醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前麻醉計(jì)劃，根據(jù)3D模型預(yù)穿刺的結(jié)果規(guī)劃成功率最高的進(jìn)針點(diǎn)、進(jìn)針角度與進(jìn)針路徑。

2 困難氣道及氣管切開模擬教學(xué)

困難氣道是麻醉中最棘手和緊迫的臨床難題，在術(shù)前對困難氣道的充分認(rèn)識(shí)與準(zhǔn)備是非常重要的。無法通氣無法插管的困難氣道留給麻醉醫(yī)生的處理時(shí)間往往只有數(shù)分鐘，而這種情況下氣管切開往往是建立氣道挽救生命的最后方法[4]。一例病例報(bào)道曾介紹了臨床醫(yī)生利用3D打印技術(shù)進(jìn)行全喉切除術(shù)后的困難氣道的術(shù)前模擬及教學(xué)[5]。這一病例中的患者37年前曾行全喉切除術(shù)，因盆腔包塊需再次手術(shù)治療，術(shù)前3月其氣切管被取出，查體發(fā)現(xiàn)氣切處已形成瘺道，CT提示氣切處有軟組織團(tuán)塊影，為了判斷其氣切處及下方氣道是否有狹窄，研究者使用3D打印技術(shù)制作了該患者的氣道模型，發(fā)現(xiàn)氣切處有瘢痕形成而且下方有輕微狹窄，這一模型幫助其選擇了合適的氣切管并在這一模型上進(jìn)行了氣切插管的步驟練習(xí)，最終成功完成了氣切插管的操作。目前麻醉教學(xué)中缺乏針對氣管切開的教學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物是一可選擇的氣管切開教學(xué)模型，但是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的氣道難以模擬人類氣道的形態(tài)與觸感，而且來源、儲(chǔ)存、丟棄、污染和疾病傳播等問題也在一定程度上限制其應(yīng)用。而使用人類尸體解剖標(biāo)本作為練習(xí)也不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)榻馄蕵?biāo)本數(shù)量稀缺，練習(xí)機(jī)會(huì)十分有限。目前3D打印技術(shù)的出現(xiàn)可以有效解決這些難題，3D打印正常解剖結(jié)構(gòu)的氣道并不昂貴，而且可以批量制造，觸感與可穿刺性均非常良好，可以應(yīng)用于環(huán)甲膜穿刺及氣管切開的模擬教學(xué)，填補(bǔ)這一領(lǐng)域模擬教具的空白。

3 纖維支氣管鏡及雙腔氣管插管模擬教學(xué)

纖維支氣管鏡在臨床麻醉中應(yīng)用廣泛，不僅可用于困難氣道時(shí)引導(dǎo)氣管插管，也可用于雙腔氣管插管時(shí)鑒別左右支氣管、幫助雙腔氣管插管定位。雙腔氣管插管是胸科手術(shù)時(shí)必備的氣道裝置，可以實(shí)現(xiàn)肺隔離與單肺通氣。因此要獨(dú)立完成胸科麻醉，熟練掌握纖維支氣管鏡的操作和雙腔管的插管技術(shù)是非常重要的。但由于纖維支氣管鏡和雙腔氣管插管操作難度大、學(xué)習(xí)曲線長，住院醫(yī)生對于這兩項(xiàng)技術(shù)的掌握普遍較差，有研究表明住院醫(yī)生的雙腔氣管插管正確到位率僅達(dá)到61%[6]。國外一項(xiàng)研究提出3D打印的支氣管模型可以應(yīng)用于纖維支氣管鏡和雙腔氣管插管的教學(xué)，使得住院醫(yī)生熟悉從纖維支氣管鏡置入氣道和在氣道內(nèi)尋找方向前行并最終找到左右支氣管開口的這一過程。而且可根據(jù)不同患者的解剖特點(diǎn)制作特殊的3D打印模型，如氣道狹窄、腫瘤等。根據(jù)實(shí)踐結(jié)果，制作這樣的教學(xué)模型僅需20 h即可完成，而且造價(jià)低廉[7]，其后有研究則將此想法付諸實(shí)踐，并獲得了住院醫(yī)生的正面反饋[8]。另外3D打印技術(shù)也可以用于胸科手術(shù)的術(shù)前麻醉計(jì)劃，幫助麻醉醫(yī)生選擇合適型號的雙腔氣管插管，研究證實(shí)利用3D打印技術(shù)制作的兒科氣道模型，可以幫助選擇合適的雙腔管型號，并且在臨床中可獲得良好的肺隔離效果[9]。

3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)新興科技，在醫(yī)學(xué)的許多領(lǐng)域中均展現(xiàn)出了蓬勃的發(fā)展態(tài)勢，而目前3D打印技術(shù)在麻醉教學(xué)中的應(yīng)用尚處在起步探索階段，限制其廣泛應(yīng)用的原因主要包括對這一技術(shù)不熟悉，缺乏3D打印設(shè)備和對價(jià)格昂貴的擔(dān)憂。事實(shí)上，目前國內(nèi)外的3D打印技術(shù)已非常成熟，而且這一技術(shù)目前已經(jīng)超過了專利保護(hù)期，因此3D打印機(jī)的價(jià)格已經(jīng)大幅下降，而且國內(nèi)也有大批3D打印機(jī)的生產(chǎn)商，可以方便地購買到經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的3D打印機(jī)，滿足麻醉模擬教具所需要的分辨率。另外，3D打印耗時(shí)長也是限制其在大規(guī)模模擬教學(xué)中應(yīng)用的一個(gè)問題，但是隨著打印軟件的發(fā)展，用戶友好度的提升，這一問題也將逐漸得到解決。因此，未來應(yīng)該進(jìn)一步拓展3D打印技術(shù)在麻醉模擬教學(xué)中的應(yīng)用，充分利用這一技術(shù)為教學(xué)與臨床服務(wù)，制作出高質(zhì)量、高仿真的模擬教具，提升麻醉教學(xué)的趣味性和實(shí)用性，幫助住院醫(yī)生更好地掌握重要的臨床操作技能。