Summary
We beschrijven een procedure om computertomografie (CT) -scans te verwerken tot high-fidelity, reclaimable en goedkope procedurele taaktrainers. De CT-scanidentificatieprocessen, export, segmentatie, modellering en 3D-printen worden allemaal beschreven, samen met de problemen en lessen die in het proces zijn geleerd.
Abstract
De beschrijving van procedurele taaktrainers omvat hun gebruik als een trainingsinstrument om technische vaardigheden aan te scherpen door herhaling en repetitie van procedures in een veilige omgeving voordat uiteindelijk de procedure op een patiënt wordt uitgevoerd. Veel procedurele taaktrainers die tot nu toe beschikbaar zijn, lijden aan verschillende nadelen, waaronder onrealistische anatomie en de neiging om door de gebruiker gecreëerde 'oriëntatiepunten' te ontwikkelen nadat het weefsel van de trainer herhaalde manipulaties ondergaat, wat mogelijk leidt tot ongepaste ontwikkeling van psychomotorische vaardigheden. Om deze nadelen te verbeteren, werd een proces gecreëerd om een high-fidelity procedurele taaktrainer te produceren, gemaakt van anatomie verkregen uit computertomografie (CT) -scans, die alomtegenwoordige driedimensionale (3D) printtechnologie en kant-en-klare commodity-benodigdheden gebruiken.
Deze methode omvat het maken van een 3D-geprinte weefselvorm die de weefselstructuur rond het skeletelement van belang vastlegt om de benige skeletstructuur te omhullen die in het weefsel hangt, die ook 3D-geprint is. Een weefselmediummengsel, dat weefsel benadert in zowel high-fidelity geometrie als weefseldichtheid, wordt vervolgens in een mal gegoten en mag worden uitgezet. Nadat een taaktrainer is gebruikt om een procedure te oefenen, zoals intraossale lijnplaatsing, zijn de weefselmedia, schimmels en botten terugwinbaar en kunnen ze worden hergebruikt om een nieuwe taaktrainer te maken, vrij van punctieplaatsen en manipulatiedefecten, voor gebruik in volgende trainingssessies.
Introduction
Patiëntenzorgcompetentie van procedurele vaardigheden is een cruciaal onderdeel voor het ontwikkelen van stagiairs in civiele en militaire gezondheidszorg 1,2-omgevingen. Procedurele vaardigheidsontwikkeling is vooral belangrijk voor procedure-intensieve specialismen zoals anesthesiologie3 en eerstelijns medisch personeel. Taaktrainers kunnen worden gebruikt om tal van procedures te oefenen met vaardigheidsniveaus, variërend van die van een eerstejaars medische student of medisch technicus tot een oudere bewoner of fellow. Hoewel veel medische procedures een aanzienlijke training vereisen om te voltooien, is de taak die hier wordt gepresenteerd - plaatsing van een interossale (IO) lijn - eenvoudig en vereist minder technische vaardigheden. Succesvolle plaatsing van een IO-lijn kan worden bereikt na een relatief korte periode van training. Het gebruik van simulatie tijdens medische training, waaronder het gebruik van taaktrainers, wordt erkend als een hulpmiddel om technische procedurele vaardigheden te verwerven door de herhaling en de repetitie van een klinische procedure in een veilige, stressarme omgeving, voordat uiteindelijk de procedure bij patiënten wordt uitgevoerd 2,4,5.
Het is begrijpelijk dat simulatietraining in medische onderwijsomgevingen algemeen geaccepteerd is geworden en een steunpilaar lijkt te zijn, ondanks het gebrek aan gegevens over eventuele impact op patiëntresultaten 6,7. Bovendien tonen recente publicaties aan dat simulatie de teamprestaties en patiëntresultaten verbetert als gevolg van verbeterde teamdynamiek en besluitvorming. Toch zijn er weinig gegevens die suggereren dat simulatie de tijd of het slagingspercentage verbetert om kritieke, levensreddende procedures uit te voeren 8,9 wat suggereert dat simulatie complex en veelzijdig is in het onderwijs van zorgverleners. Bij patiënten bij wie standaard intraveneuze toegang niet mogelijk of geïndiceerd is, kan IO-lijnplaatsing worden gebruikt om snel vasculaire toegang te bereiken, wat minimale vaardigheid vereist. Tijdige en succesvolle uitvoering van deze procedure is van cruciaal belang, met name in de perioperatieve omgeving of een traumascenario 10,11,12. Omdat IO-lijnplaatsing een zelden uitgevoerde procedure in het perioperatieve gebied is en een levensreddende procedure kan zijn, is training in een niet-klinische omgeving van cruciaal belang. Een anatomisch nauwkeurige taaktrainer specifiek voor IO-lijnplaatsing is een ideaal hulpmiddel voor het bieden van voorspelbare trainingsfrequentie en ontwikkeling van vaardigheden voor deze procedure.
Hoewel veel gebruikt, lijden momenteel beschikbare commerciële taaktrainers aan verschillende belangrijke nadelen. Ten eerste zijn taaktrainers die meerdere pogingen van een procedure mogelijk maken duur, niet alleen voor de eerste aankoop van de taaktrainer, maar ook voor het aanvullen van de vervangbare onderdelen zoals siliconen huidpleisters. Het resultaat is vaak niet vaak vervangen onderdelen, waardoor prominente oriëntatiepunten overblijven die de stagiair een suboptimale trainingservaring bieden; patiënten zullen niet vooraf gemarkeerd zijn waar men de procedure moet uitvoeren. Een ander nadeel is dat de hoge kosten van traditionele taaktrainers kunnen leiden tot beperkte toegang door gebruikers wanneer de apparaten worden 'opgesloten' in beschermde opslaglocaties om verlies of schade aan de apparaten te voorkomen. Het resultaat is dat er strengere en minder beschikbare geplande oefentijd nodig is, het beperken van het gebruik ervan kan ongeplande training zeker moeilijk maken. Ten slotte worden de meeste trainers beschouwd als low-fidelity 5,13,14 en gebruiken ze alleen representatieve anatomie, wat mogelijk leidt tot ongepaste ontwikkeling van psychomotorische vaardigheden of trainingslittekens. Low-fidelity trainers maken ook de grondige beoordeling van vaardigheidsverwerving, meesterschap en degradatie erg moeilijk, omdat training op een low-fidelity-apparaat de werkelijke real-world procedure mogelijk niet adequaat nabootst.
Representatieve anatomie belemmert ook de juiste evaluatie van de verwerving en beheersing van psychomotorische vaardigheden. Bovendien wordt het beoordelen van de overdracht van psychomotorische vaardigheden tussen gesimuleerde medische omgevingen naar patiëntenzorg bijna onmogelijk als sommige psychomotorische vaardigheden niet worden weerspiegeld in de klinische taak. Dit resulteert in het voorkomen van consensus over het vermogen van medische simulatie en training om de uitkomsten van patiënten te beïnvloeden. Om de uitdagingen van kosten, anatomische nauwkeurigheid en toegang het hoofd te bieden, hebben we een goedkope, high-fidelity IO-lijntaaktrainer ontwikkeld. De taaktrainer is ontworpen op basis van een echte CT-scan van de patiënt, wat resulteert in een nauwkeurige anatomie (figuur 1). De gebruikte materialen zijn alomtegenwoordig en gemakkelijk te verkrijgen, met componenten die relatief gemakkelijk terug te winnen zijn. In vergelijking met veel andere commercieel verkrijgbare trainers, verminderen de bescheiden kosten van het hier beschreven taaktrainerontwerp de wens om de trainers op een minder toegankelijke, beschermde locatie te plaatsen drastisch en maken ze meerdere herhalingen mogelijk zonder toonaangevende oriëntatiepunten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
OPMERKING: De University of Nebraska Medical Center Institutional Review Board heeft vastgesteld dat onze studie geen onderzoek bij mensen vormde. De lokale IRB verkreeg ethische goedkeuring en afstand van geïnformeerde toestemming. Volledige anonimisering van beeldgegevens werd gedaan vóór analyse volgens het de-identificatieprotocol van het ziekenhuis.
1. Gegevens
- Verkrijg een CT-scan die de anatomie van belang voor de geplande taaktrainer vastlegt. Houd rekening met de beperkingen van het werkvolume van de gebruikte 3D-printer en de vereiste oriëntatiepunten voor procedurele stappen.
- Als de scan is verkregen in een Digital Imaging and Communications in Medicine-indeling (DICOM), converteert u naar een Neuroimaging Informatics Technology Initiative (NiFTi)15-indeling (.nii).
2. Segmentatie
- Gebruik 3D Slicer-software (http://www.slicer.org) om de CT-beelden te segmenteren. Importeer het NIfTi-bestand uit stap 1.2 in 3D Slicer.
- Selecteer de module Segmenteditor om de segmenten te genereren die nodig zijn om de trainer te modelleren.
- Voeg een segment toe voor de 1) Bot- en 2) Weefselcomponenten van de taaktrainer.
OPMERKING: De ontwikkeling van sommige trainers, zoals die worden gebruikt om het inbrengen van borstbuizen te trainen, kan extra segmenten vereisen. - Selecteer segment 1) Bone. Wijzig met behulp van het drempeleffect het intensiteitsbereik totdat het gedefinieerde vensterbereik de relevante botcomponent identificeert.
OPMERKING: Voor botsegmenten ligt het gebruikelijke bereik tussen 100 en 175 HU (Hounsfield Units) tot de beschikbare maximale waarde en voor weefsel, dat doorgaans -256 HU tot het beschikbare maximum is. - Gebruik de functie Drempel om de component 1) Bone te markeren en pas deze toe op de scan met de opdracht Toepassen .
- Gebruik de schaarfunctie om gebieden van de scan te verwijderen die niet nodig zijn om de taaktrainer te maken. Wees voorzichtig om ervoor te zorgen dat de beenmergruimte hol blijft voor IO-trainers.
OPMERKING: Deze stap is de eerste vermindering van het segment van belang tot de gewenste afmetingen van de trainer. De beperkingen van het bouwvolume van de te gebruiken 3D-printer moeten hier worden overwogen; het segment kan echter verder worden verkleind in punt 3.
- Voeg een segment toe voor de 1) Bot- en 2) Weefselcomponenten van de taaktrainer.
- Herhaal stap 2.2.1-2.2.4 voor de component 2) Weefsel.
- Met behulp van de segmentatiemodule ; exporteer elke component als een STL-bestand.
3.3D Modellering
- Gebruik AutoDesk Meshmixer om de 3D-segmenten verder bij te snijden en de resolutie van elk segment te verlagen, in termen van het aantal geometrische elementen, voor optimale prestaties binnen Fusion360.
- Controleer of geïmporteerde STL-bestanden de juiste driehoek normale oriëntatie hebben. Zorg ervoor dat de normalen van elke driehoek in de richting van het buitenoppervlak van het gaas wijzen. Als de driehoekstand onjuist is, draait u de driehoek normaal door de optie Selecteren | | wijzigen Selecteer de functie Alles en vervolgens de | | bewerken Flip Normals functie.
- Elimineer ongewenste structuren (bijv. Ongewenste segmenten van weefsel of vasculatuur die door de CT zijn vastgelegd vanwege het gebruik van contrast) van de geïmporteerde STL-segmenten en verfijn de modellen die nodig zijn om de taaktrainer te maken. Als u het model wilt verfijnen door ongewenste structuren binnen de segmenten te verwijderen die mogelijk per ongeluk binnen het drempelbereik van het geëxporteerde segment zijn opgenomen, gebruikt u de bewerking Selecteren , selecteert u de driehoeken op de ongewenste structuren en vervolgens | Weggooien.
- Gebruik na 3.1.2 de | Bewerken Plane Cut tool om het model bij te snijden zodat het past binnen de grenzen van het buildvolume van de 3D-printer. Om de computationele overhead als gevolg van overmatige geometrische resolutie te verminderen, vermindert u het aantal driehoeken dat wordt gebruikt om het model te definiëren om optimale prestaties in Fusion360 mogelijk te maken. Klik op Selecteren, dubbelklik ergens op het net om het hele net te selecteren en vervolgens op | Verminderen. Voor Reduce Target verlaagt u naar een driehoeksbudget van minder dan ongeveer 10.000 gezichten.
OPMERKING: De printer die momenteel door de auteurs wordt gebruikt, heeft een maximaal bouwvolume van 250 x 210 x 210 mm; zo werd het model gesneden tot een maximale lengte van 220-230 mm om de mal binnen het bouwvolume van de printer te laten passen. Het bouwvolume van de printer moet de lengte van de lange as bepalen door het model ongeveer 20-30 mm korter te maken. De geometrie kan gemakkelijk worden teruggebracht tot ~ 10K driehoeken zonder verlies van klinisch relevante details om high-fidelity taaktrainers te ontwikkelen. - Verwijder of verminder gaten en onregelmatigheden in het oppervlak met het gereedschap Selecteren . Zodra de driehoeken van het net rond het defect zijn geselecteerd, gebruikt u de opdracht Selecteren | Bewerken| Erase&Fill om oppervlaktegaten en onregelmatigheden te verbeteren. Exporteer en sla de voltooide modellen op met behulp van het BESTANDSTYPE STL.
OPMERKING: Het buitenoppervlak van het doelbot voor de interossale lijntaaktrainers moet volledig worden gesloten; anders zullen de gesmolten weefselmedia de mergruimte binnendringen en de prestaties van de taaktrainer verslechteren.
- Gebruik AutoDesk Fusion360 en importeer de bot- en weefselmodellen door de . STL-bestanden in de werkruimte als een mesh met behulp van de Insert | Net invoegen , opdracht.
- Converteer de geïmporteerde netten in BRep-vaste stoffen door de Fusion360-tijdlijn uit te schakelen en het aantal driehoeken in het doelnet te verminderen tot <10.000.Selecteer de geïmporteerde mesh-behuizing en klik met de rechtermuisknop. Kies de optie Mesh to BRep . Nadat de mazen zijn geconverteerd naar BReps-vaste stoffen, hervat u de Fusion360-tijdlijn.
- Wijzig de vaste stof om de mal van de Taaktrainer te maken door de rechthoekige vaste stof langs de lange as van de Tissue BRep te splitsen.
OPMERKING: De mal wordt rond de Tissue BRep gemaakt door de schetsfunctie te gebruiken om een kubus of rechthoekige vaste stof te bouwen die de tissue-vaste stof omvat. De matrijsgrootte moet worden aangepast om te voldoen aan het maximale bouwvolume van de geselecteerde 3D-printer. Omdat de mal in tweeën wordt gesplitst, is de langste afgedrukte dimensie mogelijk niet de grootste dimensie van de uiteindelijke mal omdat ze zijn samengevoegd. - Selecteer 2-3 locaties voor steunpennen en plaats de vooraf ontworpen onderdelen van de assemblagegroep om de botten van de taaktrainer te bevestigen. Zorg ervoor dat de locaties die zijn geselecteerd voor de steunpennen een ruime ondersteuningsstructuur hebben in het bot rond de kop van de pin.
OPMERKING: Het bot rond de geselecteerde pinkop hoeft niet perfect uniform te zijn, omdat de assemblagegroep ook een solide cilindrische ondersteuningsstructuur bevat, die met het bot wordt gesmolten. Deze structuur ondersteunt de kop van de pin voldoende en behoudt de juiste anatomische plaatsing van de botten in de weefselmedia. - Importeer en plaats een botplug op de open mergruimte van de Bone BRep om te voorkomen dat weefselmedia de mergruimte binnendringen en voorkomen dat het gesimuleerde beenmerg uitloopt.
- Genereer een opening (meestal 4-6 cm in diameter) door de mallen in de ruimte die wordt vertegenwoordigd door de Tissue BRep-vaste stof om het gieten van de vloeibare weefselmedia in de mal mogelijk te maken.
- Zodra de componenten van de vooraf ontworpen assemblagegroepen zijn gepositioneerd om de botten in de ruimte te fixeren, voert u Boolean Combine-functies uit om de verschillende assemblagegroepen aan de modellen toe te voegen of te snijden.
- Voer vóór stap 3.2.6 een spiegel van de objecten uit om de taaktrainer voor de ipsilaterale zijde te maken. Herhaal stap 3.2.3-3.2.5 vóór 3.2.6.
- Exporteer de laatste componenten voor afdrukken. Selecteer de gewenste body in de werkruimte en genereer een STL-bestand via | Opslaan als STL.
4.3D Afdrukken
- Plaats het STL-bestand met Simplify 3D op het bed van de 3D-printer, zodat het snijprogramma de GCODE kan genereren die nodig is om het item af te drukken. Print de componenten met polymelkzuur (PLA) 3D-printermediafilament met behulp van een mondstuk van 0,4 mm bij een warme eindtemperatuur van 210 °C. Zorg ervoor dat de instellingen 4 bovenste en onderste lagen en 3 perimetershells gebruiken.
- Oriënteer de botten verticaal om het benodigde ondersteuningsmateriaal in de mergholte te minimaliseren. Druk af met een vlot, 0,2 mm laaghoogte, 20% infill en volledig ondersteunend materiaal (vanaf het printbed en in de print). Bij het afdrukken van de weefselvormen, oriënteer de schimmelcomponenten met het weefseloppervlak naar boven gericht. Print de weefselvormen zonder vlot, 0,3 mm laaghoogte, 15% infill en volledig ondersteunend materiaal.
- Rangschik de steunpennen en andere componenten om het ondersteuningsmateriaal te minimaliseren - print alle pinondersteuningsonderdelen met een vlot, 0,2 mm laaghoogte en 20% infill. Print de componenten met schroefdraad zonder ondersteuningsmateriaal met een lagere snelheid om de getrouwheid van de schroefdraadstructuren te maximaliseren.
- Zodra de parameters van elke component zijn geselecteerd, bereidt u het GCODE-bestand dat is gegenereerd door Simplify 3D voor en exporteert u het naar een SD-kaart. Selecteer met behulp van een Prusa i3 MK3 het opgeslagen GCODE-bestand van de SD-kaart en druk af met 1,75 mm PLA 3D-printermediafilament.
5. Montage
- Bereid het weefselmedium voor.
OPMERKING: Het huidige niveau van vaardigheidsbeheersing van de cursist kan bepalen of ondoorzichtig of transparant weefselmedium vereist is. Transparant medium stelt de cursist in staat om zijn voortgang tijdens het invoegen van IO visueel te volgen en gemakkelijker benige oriëntatiepunten te identificeren, terwijl ondoorzichtig medium de werkelijke klinische ervaring beter simuleert.- Meet de volgende bestanddelen die moeten worden gebruikt om de weefselmedia te maken en zet 260 g niet-gearomatiseerde gelatine opzij (deze hoeveelheden kunnen naar behoefte worden geschaald); indien nodig, 140 g fijngemalen psylliumschilvezel, sinaasappelsmaak, suikervrij (laat deze stap weg om een transparant medium te creëren); 42 g van 4% w/v chloorhexidine.
OPMERKING: Psyllium husk vezel kan worden gebruikt om een ondoorzichtig medium te maken. Deze component moet onmiddellijk na de gelatine worden toegevoegd als een ondoorzichtig medium gewenst is16. - Verwarm 1000 ml water (kraan is acceptabel) tot 85 °C.Voeg het water toe aan een mengcontainer die meerdere malen groter is dan het volume ingrediënten, zoals een emmer van 18,9 l.
- Terwijl u de weefselmediumoplossing krachtig mengt, voegt u de gelatine, psylliumschilvezel en chloorhexidine-oplossing in volgorde toe aan het water en wacht u voordat u het volgende ingrediënt toevoegt nadat het vorige is opgenomen.
OPMERKING: Voeg geen psylliumschilvezel toe als u transparant medium maakt.
- Terwijl u de weefselmediumoplossing krachtig mengt, voegt u de gelatine, psylliumschilvezel en chloorhexidine-oplossing in volgorde toe aan het water en wacht u voordat u het volgende ingrediënt toevoegt nadat het vorige is opgenomen.
- Verwarm het mengsel in een waterbad van 71 °C gedurende minimaal 4 uur om de bubbels uit de oplossing te laten verdwijnen. Plaats de mengcontainer direct in het warmwaterbad of breng het mengsel over in een aparte container, zoals plastic opbergzakken.
- Bereid het weefselmedium voor om in de geassembleerde mal te gieten. Zorg ervoor dat het mengsel homogeen en vloeibaar is. Houd de temperatuur van het mengsel op 46 °C.
OPMERKING: Als het weefselmedium niet onmiddellijk nodig is, kan het bij 4 °C of -20 °C in een opslagcontainer worden bewaard totdat het nodig is.
- Meet de volgende bestanddelen die moeten worden gebruikt om de weefselmedia te maken en zet 260 g niet-gearomatiseerde gelatine opzij (deze hoeveelheden kunnen naar behoefte worden geschaald); indien nodig, 140 g fijngemalen psylliumschilvezel, sinaasappelsmaak, suikervrij (laat deze stap weg om een transparant medium te creëren); 42 g van 4% w/v chloorhexidine.
- Bereid de gesimuleerde beenmergoplossing.
OPMERKING: De gesimuleerde beenmergoplossing kan van tevoren worden bereid en in een afgedekte container bij kamertemperatuur worden bewaard totdat deze klaar is voor gebruik.- Meet en meng grondig 100 g koud water (kraan is prima); 100 g ultrasone gel; en 5 ml rode voedselkleurstof (optioneel, gebruikt om de simulatie te verbeteren). Zorg ervoor dat het eindproduct dik maar vloeibaar genoeg is om snel over te brengen.
- Bevestig het bot aan de onderkant van de mal en monteer de mal.
- Spuit elke kant van de binnenoppervlakken van de mal met een niet op siliconen gebaseerd afgiftemiddel, zoals antiaanbakspray. Bevestig het bot met behulp van de steunpennen om de juiste positie in de weefselruimte te behouden. Bevestig de botten/pinnen aan de onderkant van de mal.
- Lijn de bovenkant van de mal uit op het onderste gedeelte en sluit de twee helften van de mal aan elkaar vast. Controleer of de botplug op zijn plaats is om te voorkomen dat weefselmedium tijdens het gieten de mergruimte binnendringt.
- Plaats de mal zo dat de opening naar boven is gericht en giet het weefselmedium van 46 °C in de holte van de mal. Verhelp eventuele lekkage van het weefselmedium uit de mal met behulp van een omgekeerde luchtbus door het warme weefselmedium rechtstreeks met de bus te besproeien om het snel af te koelen. Breng de gevulde mal over in een koelkast van 4 °C gedurende minimaal 6 uur, of totdat het weefselmedium is uitgehard.
- Demonteer de mal en verwijder de taaktrainer en de steunpennen. Verwijder de botplug, vul de mergruimte met gesimuleerd 'beenmerg' gemaakt in 5.2 en vervang de botplug. Plaats de taaktrainers in een plastic opbergzak en bewaar de assemblage bij 4 °C of -20 °C totdat ze nodig zijn voor de training.
6. Taaktraining
- Verwijder de taaktrainer uit de opslag en laat deze op kamertemperatuur komen. Als u nog niet op zijn plaats bent, voegt u gesimuleerd beenmergmateriaal uit stap 5.2 toe per instructie in 5.5.
OPMERKING: Door de trainer te laten opwarmen tot kamertemperatuur, verbetert de simulatie-ervaring. - Voer training uit op de taaktrainers. Instrueer de cursisten om IO-naalden te plaatsen (figuur 2A) en gesimuleerd beenmerg te aspirateren (figuur 2B) volgens de gebruikelijke stappen van de IO-lijnplaatsing.
- Na de training demonteer je de taaktrainers om weefsel, het medium en de botten terug te winnen.
OPMERKING: Na manipulatie zullen de botten van de IO-trainer gaten hebben die zijn ontstaan door het inbrengen van de IO-lijncanula. Deze gaten kunnen worden gevuld met PLA met behulp van een handheld 3D-printerpen, of als alternatief kunnen de botten worden weggegooid. - Teruggewonnen materialen opnieuw monteren en hergebruiken voor latere training overeenkomstig punt 5.U kunt het weefselmedium ook smelten, terugwinnen per 5.1.4 en opslaan bij 4 °C of -20 °C, indien niet onmiddellijk nodig.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Volgens het protocol gebruikte de modellering van de taaktrainer een CT-scan van een niet-geïdentificeerde patiënt. Segmentatie van de CT-beelden maakte gebruik van 3D Slicer-software en Auto Meshmixer voor 3D-modellering. Voor 3D-printen werden zowel 3D Simplify als de Prusa i3 MK3 gebruikt (figuur 1). Vervolgens hebben we de assemblage van de 3D-geprinte onderdelen voltooid, het weefselmediamengsel voorbereid en het mediamengsel in de geassembleerde taaktrainervorm gegoten. Na een trainingsperiode met de taaktrainer werd het weefselmedium teruggewonnen en hergebruikt in de assemblage van verse taaktrainers.
De CT-scan van het linkerkniegewricht van een patiënt die werd gebruikt voor de 3D-modellering bestond uit 6-7 cm tibia- en kuitbeenderen onder de knie, 2-3 cm dijbeen boven de knie en de patella. Tijdens de uitvoering van dit protocol werden de artefacten die in de CT-scan werden gezien als gevolg van de overlap tussen verschillende anatomische segmenten handmatig weggegooid in Meshmixer na het exporteren van elk segment naar STLs en het uitvoeren van de 'flip normals'-bewerking. De stl-mazen van het linker tibiale bot en weefsel werden aangepast om de anatomische complexiteit van het mergholteoppervlak te verminderen. Ondersteunende structuren werden gegenereerd om het dijbeen, het scheenbeen, het kuitbeen en het patella aan elkaar te bevestigen. Een ondersteunende "brace-structuur" werd toegevoegd aan de Fusion 360 om de dunne fibulastructuur van het bot naar het scheenbeen te helpen boosteren, waardoor dit bot niet kon afbreken.
De schimmelstructuur bestond uit een rechthoekige vaste stof, gescheiden in een boven- en onderstructuur, en een kanaal van 2,5 mm om het siliconenschuimkoord op de omtrek van het weefselsegment te houden. Ondersteunende pinstructuren, uitlijningspenkanalen en de botplugontvanger werden toegevoegd aan de bot- en schimmelstructuren door hun toepasselijke structuren in het model te importeren (figuur 3). De mal is zo ontworpen dat twee 41 mm Ondersteunende Pin Assembly-groepen voldoende zouden zijn om de botstructuren in de weefselholte goed te ondersteunen en op te hangen. Een opening gemaakt om de weefselholte bloot te leggen, vergemakkelijkte het gieten van het weefselmedium door een cilindrische lichaamsstructuur van de voorkant van de schimmelstructuur te snijden.
Na het voltooien van de mal en botstructuren in Fusion 360, de volgende vier . STL-segmenten zijn gemaakt door het model te exporteren: 1) Botten, 2) Onderste maldoos, 3) Bovenste maldoos en 4) modelhardware (2 x 41 mm ondersteunende pinnen, 2x ondersteunende pinbodems en 1x botplug). Vervolgens werden vier STL-segmenten geïmporteerd in Simplify 3D en de representatieve GCODE-bestanden werden gegenereerd voor deze segmenten voor afdrukken met een 0,4 mm mondstuk en 0,3 mm laaghoogte bij een afdruksnelheid van 100 mm / s. Tabel 1 geeft een overzicht van de afdruktijden en schattingen van de behoeften aan PLA-filamentmateriaal met behulp van de eerder genoemde instellingen wanneer alle segmenten werden afgedrukt op originele Prusa MK3-printers. Snelle integratie van de weefselmedium (gelatine) componenten is essentieel om een consistent en homogeen eindproduct te bereiken. De hoeveelheid weefselmedium die wordt gebruikt, varieert afhankelijk van het model van de geassembleerde taaktrainer. Een voorbeeld van het ontwerp en de werkelijke volumes van weefselmedium dat wordt gebruikt in het tibiale IO-insertie Task Trainer-model is weergegeven in tabel 2.
Om de taaktrainer te de-schimmelen, werden de compressieapparaten losgemaakt, de mal boven en onder werden gescheiden en de 2 x 41 mm steunpennen werden gedraaid en van de botten verwijderd. De beenmergholte werd vervolgens gevuld met gesimuleerde mergoplossing en een botplug werd veilig ingebracht. De laatste taaktrainer werd vervolgens in beeld gebracht met een CT-scan voor het meten van anatomische oriëntatiepunten en segmenten. De resultaten tonen een high-fidelity task trainer IO lijnplaatsing (figuur 4). De nieuw gevormde taaktrainer werd vervolgens in een ziplock-zak geplaatst, teruggebracht naar de koelkast en opgeslagen voor gebruik in een toekomstige trainingssessie.
Transparante en ondoorzichtige taaktrainers werden samengesteld (figuur 5) voor IO-lijnplaatsingstrainingen. Een totaal van 40 taaktrainers (20 tibia en 20 humeri) werden gebruikt tijdens een training van een halve dag van IO-lijnplaatsing aangeboden aan de afdeling Anesthesiologie van onze instelling. Zowel docenten als stagiairs hebben deze training gevolgd. Elke deelnemer had 15 minuten hands-on interactie met zowel taaktrainers (scheenbeen en opperarmbeen) als de apparatuur die nodig is om de IO-lijnplaatsing uit te voeren. Voorlopige gegevens over de voor- en nadelen van de taaktrainers en de verbeteringen van de taaktrainer werden onmiddellijk daarna verzameld.
Voordelen geïdentificeerd door deelnemers die specifiek zijn voor het gebruik van de taaktrainer waren onder meer: a) hoge mate van anatomische gelijkenis, b) het vermogen om anatomische oriëntatiepunten te vinden, c) tactiele sensatie die lijkt op weefsel, d) reproduceerbaarheid van de geoefende procedure, e) het vermogen om beenmerg te aspirateren om feedback te geven over het voltooien van taken, en f) geschikte tactiele feedback bij het boren in het bot. De mogelijkheid om de taaktrainer terug te winnen en te hergebruiken en de lage kosten van de trainer waren belangrijke kenmerken die door de aanwezigen werden geïdentificeerd. Verder stelden docenten en stagiairs voor om een huid- of stoflaag toe te voegen om meer op de tactiele feedback van de huid te lijken en de ledemaatlengte te vergroten. Na de training werd het weefselmedium teruggewonnen en hergebruikt (figuur 1).
Figuur 1: Stroomdiagram met het proces om een intraossale lijnplaatsingstaaktrainer te maken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Intraossale lijnplaatsing met een tibiale taaktrainer uitgevoerd met behulp van een trainer met ondoorzichtig weefselmedium. (A) Boren in het bot met een in de handel verkrijgbare IO-plaatsingsboor. (B) Aspiratie van merg bij succesvolle plaatsing van de IO-lijn. Afkorting: IO = intraosseous. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: 3D-ontworpen en 3D-geprinte componenten waaruit de tibiale taaktrainer bestaat. (A) 3D ontworpen scheenbeen; B) 3D-geprint scheenbeen; C) 3D ontworpen mal en van het weefsel rond het scheenbeen en de pennen; (D) 3D-geprinte mal van het weefsel rond het scheenbeen en de pinnen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Ondoorzichtige en transparante weefselmedia maken aanpassing van de training mogelijk. (A) en (C) vertegenwoordigen een opperarmbeen- en tibiale taaktrainer gemaakt met ondoorzichtig weefselmedium. (B) en (D) vertegenwoordigen een opperarmbeen en tibiale taaktrainer gemaakt met transparant medium. Let op de zichtbaarheid van skeletstructuren met transparant weefselmedium. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Anatomische afstanden zijn vergelijkbaar tussen CT-scangegevens die worden gebruikt om de taaktrainer te maken en van de volledig geassembleerde IO-lijnplaatsing opperarmaktaaktrainer. (A) Botdikte (mm), (B) huiddiepte (mm) en (C) de peesgroef (mm) uit de CT-scangegevens zijn anatomisch vergelijkbaar met de (D) Botdikte (mm), (E) huiddiepte (mm), en (F) peesgroef in CT-scan van de volledig geassembleerde opperarmbeentaaktrainers. Afkortingen: CT = computertomografie; IO = intraosse. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Structuur | Geschatte afdruktijd (h) | Pla-filamentvereisten (geschat, in g) | Materiaalkosten (dollars) |
| Bovenkant van de doos | 32 | 800 | 16.00 |
| Bodem van de doos | 17 | 450 | 9.00 |
| Beenderen | 9 | 200 | 4.00 |
| Hardware | 2 | 16 | 0.32 |
Tabel 1: Lijst van tijd en kosten van elk vereist onderdeel.
| Structuur | Volume (L) | Geschatte kosten |
| Weefselholte | 2,06 l | n.v.t |
| Botstructuur | 0,313 l | n.v.t |
| Weefselholte – Botstructuur | 1,747 l | $ 35 (terugvorderbaar) |
| Mergholte | 0,075 l | 0,25 dollar |
Tabel 2: Volumes van weefselmedia.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In dit protocol beschrijven we het ontwikkelingsproces van een 3D-taaktrainer om de zelden uitgevoerde en levensreddende procedure van IO-lijnplaatsing te trainen. Dit zelfgeleide protocol maakt gebruik van 3D-printen om het grootste deel van de modelstructuren te produceren, terwijl de rest van de componenten die worden gebruikt om de taaktrainer samen te stellen alomtegenwoordige, gemakkelijk verkrijgbare en niet-giftige materialen zijn die kunnen worden teruggewonnen en hergebruikt. De 3D-taaktrainer is goedkoop en vereist minimale expertise om te creëren en te assembleren. We hebben met succes onze 3D IO-lijnplaatsingstaaktrainer gebruikt in unmc-trainingssessies van de afdeling Anesthesiologie, waaronder een demonstratie en hands-on praktijk door docenten en aanwezige stagiairs. De haalbaarheidsgegevens die tijdens de training werden verzameld, gaven aan dat de aanwezigen het erover eens waren dat de taaktrainers een hoge mate van anatomische trouw hadden aan de werkelijke anatomie van de patiënt, en ze waren verder tevreden met de tactiele feedback van het apparaat.
Kritieke stappen in de productie van een taaktrainer zijn verdeeld in twee secties: 3D-ontwerp en fabricage; taak trainer montage. Bij het maken van de 3D-modellen die werden gebruikt om de taaktrainers te vormen, was adequate segmentatie van cruciaal belang. Zonder naleving van anatomische nauwkeurigheid is het eindproduct mogelijk niet correct. Drempelsegmentatie vereist aandacht voor het interessegebied van de taaktrainer om ervoor te zorgen dat oppervlaktedetails aanwezig zijn om de modellen de juiste vorm en dikte te geven. Tibia en humerusdikte zijn vooral belangrijk om voldoende tactiele feedback te geven tijdens gesimuleerde IO-lijnplaatsing. Het proces voor het segmenteren van weefsel- en botcomponenten kan ongelooflijk tijdrovend zijn, omdat CT-scans vaak gejodeerde contrastmiddelen gebruiken, die overlappende HU-bereiken hebben met die van bot. Anatomische structuren doordrongen van gejodeerd contrast kunnen dus ten onrechte worden opgenomen in botsegmenten.
Een goede voorbereiding en opslag van de weefselmedia zijn van cruciaal belang. Naleving van de in het protocol voorgeschreven temperaturen is noodzakelijk om schade aan de 3D-geprinte structuren te voorkomen en een maximale levensduur van de weefselmedia te garanderen. Met name moeten de weefselmedia koud of bevroren blijven en bedekt zijn met plastic wanneer ze niet worden gebruikt om microbiële groei en uitdroging te voorkomen. De beschikbaarheid en nauwkeurigheid van ct-scans van de patiënt kan beperkingen opleggen aan het maken van de IO-lijntaaktrainer. Er lijken grenzen te zijn aan het genereren van modellen met betrekking tot de vereisten voor 3D-printen. Tijdens het 3D-printproces worden lagen thermoplasten afgezet op eerdere lagen of ondersteunend materiaal. Sommige modellen en voorgestelde trainers die door dit proces worden geproduceerd, kunnen de groottelimieten van een 3D-printer overschrijden en vereisen een aanpassing van de printergrootte of componenten om afdrukken mogelijk te maken met behoud van de kritieke aspecten van de trainer (zoals de mergruimte voor IO-modellen). Andere formaten die geschikt zijn voor het maken van taaktrainers zijn magnetische resonantie beeldvorming. De imaging-modaliteit geeft echter verschillende gegevenstypen weer, waarvoor wijzigingen in dit protocol nodig zijn.
Deze IO-lijnplaatsingstaaktrainer heeft verschillende innovatieve functies, waaronder lagere kosten in vergelijking met andere taaktrainers en de mogelijkheid om de taaktrainer aan te passen aan verschillende anatomische locaties (opperarmbeen en scheenbeen) en verschillende anatomieën, waaronder mannelijk of vrouwelijk, en hoge en lage body mass index. Verder kan het weefselmediamengsel in verschillende opaciteiten worden bereid, waardoor indien gewenst verschillende niveaus van visualisatie van skeletstructuren of oriëntatiepunten mogelijk zijn. Gezien de anatomische nauwkeurigheid en herbruikbare aard van de subcomponenten, biedt deze taaktrainer unieke training in medische procedures en simulatieonderzoeksmogelijkheden, waaronder de overdracht van procedurele vaardigheden van een simulatie- of trainingsomgeving naar een test- of klinische omgeving. De high-fidelity en low-cost attributen van deze taaktrainer maken het een uitstekende keuze voor het evalueren van procedurele vaardigheidsverwerving en -degradatie bij stagiairs en zorgverleners in de gezondheidszorg. Verder biedt de superieure anatomische betrouwbaarheid van de trainer mogelijkheden om de impact van ergonomie op trainingslittekens en degradatie van de trainerstructuur te evalueren, wat een snel opkomend onderwerp van belang is op dit gebied17. Over het algemeen kan het gebruik van deze tool een beter begrip van best practices in medische simulatie bevorderen18.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De financiering voor dit project werd uitsluitend verstrekt uit institutionele of departementale middelen.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D printer filament, poly-lactic acid (PLA), 1.75 mm | N/A / Hatchbox | Base for 3D printing molds, bone structures, and bone / mold hardware | |
| 3D printer, Original Prusa i3 MK3 | Prusa | To print molds, bone structures, and bone / mold hardware | |
| bolts, 1/4”, flat / countersunk or round head, various lengths | N/A | Hardware used to hold mold casing halves together during casting | |
| Bucket, 5 gallon, plastic | N/A | To hold tissue media during media preparation | |
| chlorhexidine, 4% solution w/v | Animicrobial additive for tissue media | ||
| drill, household 3/8’ chuck | N/A | To stir tissue media during media preparation | |
| food coloring, red (optional) | N/A | Coloring additive for simulated bone marrow | |
| gelatin, unflavored | Knox | Base for tissue media | |
| hex nuts, 1/4” | N/A | Hardware used to hold mold casing halves together during casting | |
| Non-stick cooking spray | N/A | Mold releasing agent | |
| plastic bags, ziplock | Ziplock | To store tissue media | |
| psyllium husk fiber, finely ground, orange flavored, sugar free (optional) | Procter & Gamble | Metamucil | Opacity / Echogenicity additive for tissue media |
| screwdriver, flat / Phillips (matching bolt hardware) | N/A | To tighten mold casing hardware | |
| silicone gasket cord stock, 3 mm, round, various lengths | N/A | Gasket media for mold casings | |
| spray adhesive, Super 77 (optional) | 3M | Agent used to improve bed adhesion during 3D printing | |
| stirring paddle / rod | To stir tissue media during media preparation | ||
| turkey baster, household, 60 mL | N/A | To inject simulated bone marrow into bone marrow cavity | |
| ultrasound gel | Base for simulated bone marrow | ||
| water, tap | Used in both tissue media and simulated bone marrow |
References
- Farrow, D. R. Reducing the risks of military aircrew training through simulation technology. Performance and Instruction. 21 (2), 13-18 (1982).
- Lateef, F. Simulation-based learning: Just like the real thing. Journal of Emergencies, Trauma, Shock. 3 (4), 348-352 (2010).
- Gaba, D. M. Crisis resource management and teamwork training in anaesthesia. British Journal of Anaesthesia. 105 (1), 3-6 (2010).
- Al-Elq, A. H. Simulation-based medical teaching and learning. Journal of Family & Community Medicine. 17 (1), 35-40 (2010).
- Hays, R. T., Singer, M. J. Simulation fidelity in training system design: Bridging the gap between reality and training. , Springer Science & Business Media. (2012).
- Green, M., Tariq, R., Green, P. Improving patient safety through simulation training in anesthesiology: Where are we. Anesthesiology Research and Practice. , 4237523 (2016).
- Olympio, M. A.
- Murphy, M., et al. Simulation-based multidisciplinary team training decreases time to critical operations for trauma patients. Injury. 49 (5), 953-958 (2018).
- Jensen, A. R., et al. Simulation-based training is associated with lower risk-adjusted mortality in ACS pediatric TQIP centers. Journal of Trauma and Acute Care Surgery. 87 (4), 841-848 (2019).
- Gupta, A., Peckler, B., Schoken, D. Introduction of hi-fidelity simulation techniques as an ideal teaching tool for upcoming emergency medicine and trauma residency programs in India. Journal of Emergencies, Trauma, and Shock. 1 (1), 15-18 (2008).
- Risser, D. T., et al. The potential for improved teamwork to reduce medical errors in the emergency department. Annals of Emergency Medicine. 34 (3), 373-383 (1999).
- Shapiro, M. J., et al. Simulation based teamwork training for emergency department staff: Does it improve clinical team performance when added to an existing didactic teamwork curriculum. Quality and Safety in Health Care. 13 (6), 417-421 (2004).
- Schebesta, K., et al. Degrees of reality: Airway anatomy of high-fidelity human patient simulators and airway trainers. Anesthesiology. 116 (6), 1204-1209 (2012).
- Crofts, J. F., et al. Training for shoulder dystocia: A trial of simulation using low-fidelity and high-fidelity mannequins. Obstetrics and Gynecology. 108 (6), 1477-1485 (2006).
- Cox, R. W., et al. A (sort of) new image data format standard: NiFTI-1. 10th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping. , 22 (2004).
- Bude, R., Adler, R. An easily made, low-cost, tissue-like ultrasound phantom material. Journal of Clinical Ultrasound. 23 (4), 271-273 (1995).
- Fisher, J., et al. Clinical skills temporal degradation assessment in undergraduate medical education. Journal of Advances in Medical Education & Professionalism. 6 (1), 1-5 (2018).
- Buzink, S. N., Goossens, R. H., Schoon, E. J., de Ridder, H., Jakimowicz, J. J. Do basic psychomotor skills transfer between different image-based procedures. World Journal of Surgery. 34 (5), 933-940 (2010).
