【応用】気道管理における3Dプリント技術の応用の進歩

私の国の医療業界における 3D プリント技術の応用は 1980 年代に始まり、当初は主に 3 次元医療モデルの製造に使用されていました。精密医療と個別化医療の発展に伴い、医療業界における3Dプリント技術の応用はますます広範になっています。3次元モデルや手術器具から生体移植組織や人体臓器に至るまで、3Dプリント技術は徐々に成熟、向上し、医療分野で重要な位置を占めています。気道管理は、周術期管理の重要な項目の一つとして、常に注目を集めています。3Dプリント技術の登場により、気道管理を視覚化し、個別化することができるため、その応用空間と発展の見通しは非常に広いです。この記事では、気道管理における 3D プリント技術の応用に関する文献を要約します。

1. 気道評価のための 3D プリント技術<br /> 現在、気道管理における 3D プリント技術の最も広く使用されている用途は、術前準備段階での気道評価です。臨床現場で一般的に使用されている気道評価方法には、マランパティ分類、喉頭鏡検査、甲状頤間距離と口の開きの測定、首の可動域の観察などがあります。これらの方法は低コストで迅速かつ便利ですが、特に気道困難の患者の場合、患者の気道状態を完全かつ直感的に把握できないという欠点があります。気道困難の発生を予測することはできますが、正確な位置決めと具体的な状況分析はまだ不可能です。

3Dプリント技術は上記の欠点を非常にうまく補い、患者の気道のCT、MRI、超音波検査結果を通じて呼吸器の3Dモデルをシミュレートして再構築し、実際の気道構造を復元し、患者の気道の解剖学的異常や換気機能の制限の原因を直感的に理解します。個別的な気道再建は、Amira、3Diagnosys、On demand 3D (上気道再建)、OsiriX、Mimics、BrainLab (下気道) などのソフトウェアパッケージのサポートを受け、選択的レーザー焼結 (SLS) およびステレオリソグラフィープリンターを使用して行われます。気道と隣接構造、特に甲状腺、食道、頸椎、縦隔などの隣接構造の解剖学的異常によって引き起こされる構造が修復され、患者の気道解剖学を最大限に理解できるようになります。

近年、3D プリント技術は産科および小児科患者の気道評価に広く使用されています。出生前超音波検査では、先天性気道欠陥や顎顔面異常のある胎児を検出できます。超音波画像に基づいて 3D プリントされた胎児気道モデルは、解剖学的異常を明確に検出でき、気道管理計画や気道再建計画を予測して策定するために使用されます。 2015年、ウィルソンらは3Dプリントモデルを使用して小児患者の気道の実際のサイズを把握し、片肺換気に適した換気装置を選択しました。このモデルにより、麻酔科医は手術前に小児の気道の実際の状態を理解し、適切な気管および気管支気管内チューブを選択できるようになります。上海小児病院は、3Dプリント技術を使用して乳幼児の気道狭窄の矯正手術を評価し、外科的治療の成功率を大幅に向上させました。2015年以来、同病院の心臓センターにおける小児の気管狭窄の外科的治療の成功率は90％近くになっています。

先天性心疾患の患者、特に小児患者の場合、手術前に気道と血管系の関係を詳細に理解することが重要です。3Dプリント技術は、心房、心室、大血管と気管、気管支、気管支樹との解剖学的関係を良好に表示し、心臓胸部手術などの大手術の術前準備を改善し、最も合理的な手術計画を策定することができます。 3D プリント技術は、乳児や幼児の気道の評価と治療に使用されるだけでなく、成人の気道の評価と関連する気道疾患の治療にも役立ちます。 2011年から現在に至るまで、3Dプリント技術は術前気道評価に徐々に応用されてきました。気道確保が困難な場合、気道の解剖学的変化がある場合、または気道が手術部位である場合、従来の気道評価方法は適用できなくなります。3D プリントモデルは、気道病変、気道腫瘍の形状、サイズ、位置、病変と隣接臓器の解剖学的位置、重要な血管、およびその他の情報を理解するのに役立ちます。これらは、麻酔科医が気道評価、気道挿管困難、および片肺換気の気道管理計画を策定する際に特に役立ちます。

整形外科では、3Dプリント技術を使用して、鼻の手術後の顔や気道の変化をシミュレートするなど、整形外科手術後の顔の構造をシミュレートし、整形外科手術の実現可能性を評価および判断することができます。さらに、3Dプリント技術は、術後の手術効果や気道の評価、術後の肉芽組織過形成による気道狭窄の予防、多発性軟骨炎の再発を検出して気管気管支軟化症の発生を予防するためにも使用できます。

3Dプリント技術は、正確な位置決めと3次元の微細切断により、個別の解剖学的シミュレーションモデルを作成でき、さまざまな個人の気道疾患をより直感的に理解できます。気道疾患を併発する非気道手術患者に対して正確な気道手術計画と気道管理計画を策定し、手術空間を合理的に計画し、手術時間を短縮し、手術中に起こり得る問題を予測し、気道への過度の損傷による術後合併症を回避し、麻酔管理の質と手術治療効果を大幅に向上させることができます。北京大学第三病院麻酔科は、喉頭がん手術後の気管切開における気道評価に初めて 3D プリント技術を使用しました。 CTを使用して患者の気道をスキャンし、CT内の薄層画像データを使用して3次元コンピューティング機能の再構築を行いました。気管の3D画像を3Dプリンターにインポートし、生分解性のグリーンポリマー材料ポリ乳酸（PLA）を使用して気管モデルを作成しました。3D気道モデルは患者の気道に合わせて印刷され、3D気道モデルはCT画像内の気道外径に合わせて印刷され、3D気道モデルはCT画像に印刷された気道内視鏡に基づいて作成されました。このモデルにより、患者の気道状態を直感的かつ総合的に評価し、モデルに基づいて麻酔と手術のニーズを満たす気管チューブを選択することができます。麻酔と手術はスムーズに完了し、手術後の患者の予後は良好です。

2.3Dプリント気道ステント<br /> 近年では、気道評価の役割を果たすだけでなく、呼吸器疾患の患者に埋め込まれる 3D プリント気道ステントの数も年々増加しています。気道ステントは、気道狭窄または虚脱の患者に使用される、気道用内部または外部環状メッシュサポートの一種です。気道ステントは、狭窄を緩和するという治療目的を達成するために、気道を拡張およびサポートするために使用されます。現在、臨床現場で最も一般的に使用されている気道ステントは、デュモンシリコンステントとニッケルチタン形状記憶合金ステントです。 Dumon シリコンステントは、ずれやすい、気道に完全にフィットせず細菌が繁殖しやすい、湾曲した病変には適さないなどの欠点があります。ニッケルチタン形状記憶合金ステントは、潰れて気道閉塞を引き起こす、過度に膨張して気道壁を圧迫する、取り外しが難しいなどの欠点があります。これは、大量生産された気道ステントがさまざまな患者の医療ニーズを完全に満たすことができないためです。

3D プリント技術は、このようなステントの設計品質を評価するだけでなく、パーソナライズされた気道ステントを製造するためにも使用できます。睡眠時無呼吸症候群の治療に使用される従来の口腔矯正器具は、定期的な経過観察が必要で、癒着率が高く、副作用もあります。そのため、薄くて快適で癒着率が低い、パーソナライズされた 3D プリント口腔矯正器具が誕生し、気道ステントの前例が生まれました。 3Dプリント技術は気道ステントの生産効率も大幅に向上させました。従来のステントの生産サイクルは数か月かかることがよくあります。患者のCT、MRI、超音波などの画像データに基づく3Dプリント技術は、3〜4日以内にパーソナライズされた気道ステントを生産することができ、幅広い応用の見通しがあります。近年、3D プリント技術が徐々に成熟し、気管や気管支の外表面に埋め込まれる 3D プリントステントが登場しました。気道サポートの役割も果たしますが、通常の気道極薄ステントとは異なり、その形状は患者の気道経路と一致し、気道によくフィットし、サポート効果を高めます。

Zopfらは、SLS技術と吸収性材料を使用して気道サポートシートを印刷し、未熟児の気管支軟化症を治療し、生命を脅かす気道虚脱を効果的に緩和しました。1年間の臨床追跡調査の後、気道開放効果は良好で、ステントは3年以内に自動的に吸収されると予想されています。気道軟化症の小児に 3D プリント気道ステントを使用する場合、気道ステントが気道組織の動的成長に適応する必要があることにも留意することが重要です。ポリカプロラクトン (PCL) はより適した材料です。 Kaye らは、in vitro 実験用に気道の外側に 270° 環状の 3D プリント薄膜ステントを設計しました。実験結果では、軟化した気管の潰れ率はステントの植え込み後に大幅に減少し (P < 0.01)、正常な気管と比較して潰れ率に統計的な差は見られませんでした (P = 0.13)。

外科的気道再建は、複雑で重篤な気道問題を抱える患者の 80% ～ 90% に良好な結果をもたらしますが、3D プリントされた気道サポートシートは個別に再建することができ、治療結果を改善する余地がまだあります。将来の3Dプリント気道ステントは、組織工学と3D技術の完璧な組み合わせになります。厳格な気密性と気道への良好なフィット感を備えているだけでなく、長期サポートを提供し、移植片対宿主反応がなく、組織適合性が良好で、肉芽組織の過形成を防ぎ、新しい血管の形成を促進することができます。

3. 気道の修復<br /> 気道管理においては、先天性気道異形成症や、気道軟化、気道虚脱、気道関連手術後の気道損傷などの組織欠損のある患者は、いずれも適時に気道を修復する必要があります。気道修復プロセスは修復材料、外科手術、患者の免疫反応などの複数の要因の影響を受けるため、重度の気道欠損を持つ患者の死亡率は高くなります。組織工学と 3D 印刷技術の組み合わせにより、この状況は改善され、徐々に個別化気道修復の研究と応用のホットスポットになりつつあります。組織工学と統合された 3D プリント技術は、気道の欠損を正確に修復し、修復材料を個別に準備できるという利点があり、患者の気道に適合し、拒絶反応を減らし、気道内の組織の成長を妨げない修復材料を製造できるため、気道修復の有効性が向上します。

近年、気道ステントと細胞療法および生体活性因子の併用が、気道の再生および修復においてますます多く使用されるようになっています。組織工学と3D印刷技術を組み合わせた3Dバイオプリンティング技術の出現により、より生体活性の高い移植片やパッチが提供されるようになりました。将来的には、3D印刷技術をマトリックス細胞、幹細胞、成長因子のキャリアとして使用したり、個人のニーズを満たす生体組織を直接印刷したりすることができます。喉頭と気管の再建における3Dプリントの応用は大きな可能性を秘めており、これは3Dバイオプリンティング技術の出現に由来しています。3Dバイオプリンティングは、さまざまな生体材料の空間構成を正確に制御できます。ウサギの喉頭気管再建モデルでは、研究者は3Dバイオプリントされた喉頭気管移植片を使用して、喉頭を切除した実験用ウサギ32匹に再建手術を行いました。術後のin vitro細胞増殖試験の結果、修復の初期平均生存率は87.5％で、移植された細胞は7日以内に2倍に増加しました。さらに、移植後の実験動物に呼吸異常は見られず、修復された軟骨組織は組織適合性が良好でした。

現在、医療用 3D プリント材料として一般的に使用されているのは、主に PCL とポリ乳酸グリコール酸 (PLGA) の 2 種類の繊維ポリマーです。上記 2 つの材料は、気道ステントの準備や気道の修復において、単独で、または重ねて、あるいは混合して使用することができます。 PCL は医療分野で広く使用されています。機械的特性の面では、融点が低い (約 60°C) ため、3D プリント材料の溶融が容易です。また、PCL はステントの機械的特性を向上させ、長期間にわたって安定したサポートを維持できます。 PCL は、患者の気道の成長に合わせて時間の経過とともに変形および変性するため、「4D バイオマテリアル」とも呼ばれています。そのため、小児の気道欠損患者の気道サポートと修復に特に適しています。 PLGAは、機械的なサポートを提供できる比較的新しい素材であり、体内で徐々に加水分解される分解性素材でもあるため、持続的な薬剤放出のためのキャリアや一時的なステントとして使用することができます。

3Dプリント複合気道ステントは、繊維の直径、孔サイズ、多孔度、繊維の配線パターンに応じて、気道細胞の修復に異なる効果をもたらします。これら2つの繊維ポリマーを最適に混合して製造された3Dプリントステントの引張および半径方向の圧縮耐性は、他のテストグループの3〜8.5倍であり、修復材料に対する医師と患者のニーズをよりよく満たすことができます。さまざまな治療ニーズに応じて、吸収性、非吸収性、または部分的に吸収される修復材料を使用できます。3Dプリント製品の機械的特性も気道修復プロセスに大きな影響を与えます。気道管理への応用は大きな可能性を秘めており、さらなる研究に値します。

4. 3Dプリント技術は臨床教育や補助研究に利用されている
3D プリント技術は臨床診断や治療に役立つだけでなく、教育や科学研究にも徐々に使用されるようになっています。通常の気道管理教育では、テキストによる説明と臨床操作が主に用いられます。前者は実用的ではなく、学生に直感的な体験を与えることができません。後者は現在の医療環境では一定のリスクを伴います。実験動物を手術に使用する場合、動物資源の利用、管理、廃棄、さらには倫理的問題が生じます。現在、中国では3Dプリント技術を気道教育に応用している人はまだ少ない。3Dプリントモデルのほとんどは、気道評価後の臨床教育に使用されている。しかし、これは優れた視覚教育モデルを提供し、学生がさまざまな個人の気道解剖をより直感的かつ現実的に理解できるようにし、従来の抽象的な2次元教育から脱却し、教育の有効性と満足度を大幅に向上させ、学生の臨床思考を訓練し向上させるための優れたツールとなっている。

さらに、このモデルは患者とその家族に病状や治療計画を説明するのにも役立ち、医師と患者間のコミュニケーションの効率を向上させます。ファイバースコープ気管支鏡検査の指導では、無料でオープンな 3D シミュレーションソフトウェアと低コストの 3D プリント気道モデルを使用できます。この方法は指導に導入され、顕著な成果を上げています。教材のコストを大幅に削減できるだけでなく、学生の解剖学的構造に対する認識を良好に維持できます。低価格の3Dプリント教育モデルは、気道再建軟骨移植のシミュレーショントレーニングにも使用できます。研修生の56％は、モデルが実際の状況に非常に似ていると考えました。他の人が高度に似ていると思わなかった主な理由は、3D素材の不均一性と手触りの不慣れさでした。しかし、一般的に、その低コスト（約0.6ドル）と、標準的な人体構造に適合した形状と機能により、気道手術における外科医のトレーニングに優れた応用見通しがあります。

3D プリントされた気道モデルは、in vitro シミュレーション実験モデルの作成などの実験研究にも使用できます。 3D プリント技術は、未熟児の呼吸器系をシミュレートするエアロゾル療法の研究に応用されています。さまざまな週数の胎児の上気道モデルをプリントすることで、実験のニーズを満たします。人間の臓器や組織を使用しないため、医療倫理の面で明らかな利点があります。さらに、3D プリントされた気道モデルは、気道内のエアロゾル、造影剤、薬物などの分布を研究するためにも使用できます。 3Dプリント技術の継続的な成熟により、ホットメルト3Dプリント材料は繰り返し再利用できるため、従来の教育モデルの紛失や更新によって発生する膨大な費用を回避できます。将来的には、ホットメルト材料で作成された3Dプリント教育モデルは、市場に出回っている従来の教育モデルよりも経済的で環境に優しく、優れた応用見通しを持つ可能性があります。

5 展望
3Dプリント技術は現在、精密医療の一部となっており、気道管理への応用は絶えず改善とアップグレードが進んでいますが、この技術には依然として一定の限界があります。印刷材料の機械的特性や化学的特性は、理想的な気道サポートと修復の要件を完全に満たすことができません。個別化された3Dプリント製品の品質検査基準が欠如しています。インプラントの長期生体内実験観察が欠如しており、長期インプラント後の副作用を予測することは困難です。3Dプリント製品の消毒対策は限られています（ほとんどの印刷材料は高温高圧消毒に耐えられません）。現在、エチレンオキシド、過酸化水素、ガンマ線が消毒に使用できますが、これらの限界は3Dプリント技術と組織工学の発展により最終的に減少するでしょう。

将来の気道管理では、気道評価における 3D プリント技術の応用が徐々に日常的になり、困難な気道に限定されなくなるでしょう。気道ステントと気道修復の面では、組織工学研究を組み合わせて、人工ポリマーから生体活性組織までの印刷材料を最適化し、さまざまな患者と医師のニーズをよりよく満たすことができます。そのため、手術中や麻酔中の呼吸管理に大きな応用の見通しがあります。 3D プリント技術は精密医療や個別化医療のニーズをほぼ満たしているため、気管チューブや気道ステントの大量生産は将来的に徐々に減少するか、消滅する可能性があります。気道管理の教育の面では、3D医療画像リソースライブラリを確立し、そこから直接3Dプリントできる気道データと画像を取得することで、さまざまな教育機関と医療機関がリソースを共有しやすくなり、コミュニケーションと学習を通じてより完全な教育および科学研究環境を構築し、3Dプリント技術を気道管理で最大限に活用できるようになります。

近年、製造業の情報化とグローバル化の進展に伴い、製品の更新が加速し、製造方法に対する要求も高まっています。 3Dプリント技術は新たな製造技術として近年急速に発展し、航空宇宙、医療、金型などの産業の生産・製造に広く利用されています。特に、印刷速度、パーソナライズされたデザイン、時間と労力の節約、低コストなどの利点により、新しい時代の金型製造の要件を大幅に満たしており、金型製造業界で好まれています。同時に、3D プリント技術の登場により、金型製造モデルにも新たな課題が生じています。

このような状況において、2018年江門スマート博覧会の主催者は、2018年9月14日に2018年中国（江門）金型3Dプリント応用サミットフォーラムを開催することを決定し、業界の専門家、エンドユーザー、企業を集めて金型製造分野における3Dプリント技術の応用について議論し、金型製造分野におけるこの技術の応用の徹底的な開発を促進しました。詳細は原文をクリックしてください。

出典：中国低侵襲手術ジャーナル

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