3D打印技术在麻醉模拟教学中的应用

袁 青，崔旭蕾，阮 侠，易 杰，黄宇光

(中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 麻醉科，北京 100730)

3D打印技术(three-dimensional printing technique)也称为增材制造技术(additive manufacturing technique)，这种技术通过分层加工、迭加成形的方式几乎可以制造任何形状的立体实物。自诞生于20世纪80年代以来，这一革新性的技术在各行各业得到了广泛的应用，其中在医学方面的应用更是令人瞩目，包括用于外科术前制定手术方案，制造人工植入假体，等等。麻醉学科应用3D打印技术刚刚开始不久，目前主要的应用方向是制造高仿真模拟教具用于麻醉模拟教学。

麻醉模拟教学可以提供临床操作的动手机会，使得住院医生能够在患者身上实际操作之前充分熟悉有创操作，提高操作熟练度和临床安全性，是培养合格麻醉医生的重要途径[1]。目前市面上的高仿真麻醉模拟教具因价格昂贵、使用寿命有限等缺点在一定程度上限制了其在临床中的应用。与传统的高仿真麻醉模拟教具相比， 3D打印模拟教具拥有多项优势：1)3D打印可以根据患者的真实解剖图像制作教具，将患者的CT或MRI结果输入相关软件处理后即可得到相应的模型，从而可以提高教具的仿真度，并且能够个体化制作异常解剖结构的模型，帮助住院医生熟悉异常解剖结构下的有创操作；2)制作成本相对低廉，模拟教具损坏后可以即时制作，使用便捷；3)可以根据住院医生的培训需求制作教具，不受限于市面所售模拟教具的有限选择范围；4)在大规模培训中易于复制，可以按需制作多个教具提高培训效率，增加住院医生的实践机会。

3D打印技术制作模拟教具的过程相对简单易行。首先是将标准医学数字成像和通信(digital imaging and communications in medicine, DICOM)格式的医学影像资料转化为标准三角片语言(standard triangle language, STL)格式的3D模型文件，也就是虚拟3D模型。目前市面上有多个软件都具有这种功能，其中有一些开源程序是完全免费的，这些软件可以将CT及MRI影像资料转化为虚拟3D模型。其次是选择塑料介质，目前常用的塑料介质包括ABS树脂(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打印机将这一虚拟3D模型打印出来，目前市面上3D打印机的价格主要取决于其分辨率，一般而言数千元即可购买到满足临床分辨率需求的3D打印机，应用中可以根据实际需求进行选择。本文将就3D打印技术在麻醉模拟教学不同领域中的应用进行简单介绍。

1 神经阻滞模拟教学

早在2004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[2]，该研究利用解剖结构正常的患者椎体CT结果制作3D打印椎体模型，然后将模型浸泡在凝胶中，待凝胶凝固后便可模拟软组织的触感，用于超声引导下椎管内阻滞教学，结果表明3D打印椎体模型的超声回声特性与人体正常组织相似度很好，而且模拟软组织的凝胶也适于穿刺针进入。2017年的一项研究利用这一方法进行了胸椎硬膜外麻醉的教学研究，并制作了更为精细的模型[3]。由于胸椎硬膜外麻醉的失败率高，住院医师难于获得充分的锻炼机会，而临床中很多异常解剖结构进一步加大了这一操作的难度，因此胸椎硬膜外穿刺的模拟教学对于住院医生就显得更为重要。此研究首先通过3D打印制作正常解剖和后凸的胸椎椎体模型，将硅胶材料注入椎体模型的椎间孔中模拟黄韧带，椎管内有一塑料管可灌入浅黄色液体以模拟蛛网膜下腔和脑脊液，然后将此模型放入一个特制的盒子中灌入凝胶模拟体表组织。14名住院医生使用这一模型接受了培训，对于此模型的棘突触感、穿刺针进针感觉、黄韧带突破感和超声仿真性均给予了高度评价。从这两项研究可以看出，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。另外，这一工具还可以帮助麻醉医生进行术前麻醉计划，根据3D模型预穿刺的结果规划成功率最高的进针点、进针角度与进针路径。

2 困难气道及气管切开模拟教学

困难气道是麻醉中最棘手和紧迫的临床难题，在术前对困难气道的充分认识与准备是非常重要的。无法通气无法插管的困难气道留给麻醉医生的处理时间往往只有数分钟，而这种情况下气管切开往往是建立气道挽救生命的最后方法[4]。一例病例报道曾介绍了临床医生利用3D打印技术进行全喉切除术后的困难气道的术前模拟及教学[5]。这一病例中的患者37年前曾行全喉切除术，因盆腔包块需再次手术治疗，术前3月其气切管被取出，查体发现气切处已形成瘘道，CT提示气切处有软组织团块影，为了判断其气切处及下方气道是否有狭窄，研究者使用3D打印技术制作了该患者的气道模型，发现气切处有瘢痕形成而且下方有轻微狭窄，这一模型帮助其选择了合适的气切管并在这一模型上进行了气切插管的步骤练习，最终成功完成了气切插管的操作。目前麻醉教学中缺乏针对气管切开的教学模型，实验动物是一可选择的气管切开教学模型，但是实验动物的气道难以模拟人类气道的形态与触感，而且来源、储存、丢弃、污染和疾病传播等问题也在一定程度上限制其应用。而使用人类尸体解剖标本作为练习也不现实，因为解剖标本数量稀缺，练习机会十分有限。目前3D打印技术的出现可以有效解决这些难题，3D打印正常解剖结构的气道并不昂贵，而且可以批量制造，触感与可穿刺性均非常良好，可以应用于环甲膜穿刺及气管切开的模拟教学，填补这一领域模拟教具的空白。

3 纤维支气管镜及双腔气管插管模拟教学

纤维支气管镜在临床麻醉中应用广泛，不仅可用于困难气道时引导气管插管，也可用于双腔气管插管时鉴别左右支气管、帮助双腔气管插管定位。双腔气管插管是胸科手术时必备的气道装置，可以实现肺隔离与单肺通气。因此要独立完成胸科麻醉，熟练掌握纤维支气管镜的操作和双腔管的插管技术是非常重要的。但由于纤维支气管镜和双腔气管插管操作难度大、学习曲线长，住院医生对于这两项技术的掌握普遍较差，有研究表明住院医生的双腔气管插管正确到位率仅达到61%[6]。国外一项研究提出3D打印的支气管模型可以应用于纤维支气管镜和双腔气管插管的教学，使得住院医生熟悉从纤维支气管镜置入气道和在气道内寻找方向前行并最终找到左右支气管开口的这一过程。而且可根据不同患者的解剖特点制作特殊的3D打印模型，如气道狭窄、肿瘤等。根据实践结果，制作这样的教学模型仅需20 h即可完成，而且造价低廉[7]，其后有研究则将此想法付诸实践，并获得了住院医生的正面反馈[8]。另外3D打印技术也可以用于胸科手术的术前麻醉计划，帮助麻醉医生选择合适型号的双腔气管插管，研究证实利用3D打印技术制作的儿科气道模型，可以帮助选择合适的双腔管型号，并且在临床中可获得良好的肺隔离效果[9]。

3D打印技术作为一项新兴科技，在医学的许多领域中均展现出了蓬勃的发展态势，而目前3D打印技术在麻醉教学中的应用尚处在起步探索阶段，限制其广泛应用的原因主要包括对这一技术不熟悉，缺乏3D打印设备和对价格昂贵的担忧。事实上，目前国内外的3D打印技术已非常成熟，而且这一技术目前已经超过了专利保护期，因此3D打印机的价格已经大幅下降，而且国内也有大批3D打印机的生产商，可以方便地购买到经济实惠的3D打印机，满足麻醉模拟教具所需要的分辨率。另外，3D打印耗时长也是限制其在大规模模拟教学中应用的一个问题，但是随着打印软件的发展，用户友好度的提升，这一问题也将逐渐得到解决。因此，未来应该进一步拓展3D打印技术在麻醉模拟教学中的应用，充分利用这一技术为教学与临床服务，制作出高质量、高仿真的模拟教具，提升麻醉教学的趣味性和实用性，帮助住院医生更好地掌握重要的临床操作技能。