Summary
Wir beschreiben ein Verfahren zur Verarbeitung von Computertomographie (CT) -Scans zu High-Fidelity, reclaimable und kostengünstigen prozeduralen Aufgabentrainern. Die CT-Scan-Identifizierungsprozesse, der Export, die Segmentierung, die Modellierung und der 3D-Druck werden zusammen mit den dabei gewonnenen Problemen und Erkenntnissen beschrieben.
Abstract
Die Beschreibung von prozeduralen Aufgabentrainern umfasst ihre Verwendung als Trainingswerkzeug, um technische Fähigkeiten durch Wiederholung und Proben von Verfahren in einer sicheren Umgebung zu verbessern, bevor das Verfahren schließlich an einem Patienten durchgeführt wird. Viele bisher verfügbare prozedurale Aufgabentrainer leiden unter mehreren Nachteilen, darunter unrealistische Anatomie und die Tendenz, vom Benutzer geschaffene "Landmarken" zu entwickeln, nachdem das Trainergewebe wiederholten Manipulationen unterzogen wurde, was möglicherweise zu einer unangemessenen Entwicklung psychomotorischer Fähigkeiten führt. Um diese Nachteile zu beheben, wurde ein Prozess entwickelt, um einen High-Fidelity-Prozedur-Task-Trainer zu erstellen, der aus Anatomie erstellt wurde, die aus Computertomographie (CT) -Scans gewonnen wurde, die allgegenwärtige dreidimensionale (3D) Drucktechnologie und handelsübliche Verbrauchsmaterialien verwenden.
Diese Methode umfasst die Erstellung einer 3D-gedruckten Gewebeform, die die Gewebestruktur erfasst, die das gewünschte Skelettelement umgibt, um die knöcherne Skelettstruktur zu umhüllen, die im Gewebe suspendiert ist und ebenfalls 3D-gedruckt wird. Eine Gewebemediummischung, die sich dem Gewebe sowohl in der High-Fidelity-Geometrie als auch in der Gewebedichte annähert, wird dann in eine Form gegossen und aushärten gelassen. Nachdem ein Aufgabentrainer verwendet wurde, um ein Verfahren wie die intraossäre Linienplatzierung zu üben, sind die Gewebemedien, Schimmelpilze und Knochen zurückgewinnbar und können wiederverwendet werden, um einen neuen Aufgabentrainer zu erstellen, der frei von Einstichstellen und Manipulationsfehlern ist, der in nachfolgenden Trainingseinheiten verwendet werden kann.
Introduction
Die Kompetenz der Patientenversorgung mit prozeduralen Fähigkeiten ist eine entscheidende Komponente für die Entwicklung von Auszubildenden im zivilen und militärischen Gesundheitswesen 1,2 Umgebungen. Die Entwicklung prozeduraler Fähigkeiten ist besonders wichtig für verfahrensintensive Fachgebiete wie Anästhesiologie3 und medizinisches Personal an vorderster Front. Task Trainer können verwendet werden, um zahlreiche Verfahren mit Fähigkeiten zu üben, die von einem Medizinstudenten oder Medizintechniker im ersten Jahr bis hin zu einem Senior Resident oder Fellow reichen. Während viele medizinische Verfahren eine erhebliche Schulung erfordern, ist die hier vorgestellte Aufgabe - die Platzierung einer interossären (IO) Linie - unkompliziert und erfordert weniger technische Fähigkeiten. Die erfolgreiche Platzierung einer IO-Linie kann nach relativ kurzer Einarbeitungszeit erreicht werden. Der Einsatz von Simulation während der medizinischen Ausbildung, der den Einsatz von Tasktrainern einschließt, wird als Werkzeug anerkannt, um technische Verfahrensfähigkeiten durch die Wiederholung und das Üben eines klinischen Verfahrens in einer sicheren, stressarmen Umgebung zu erwerben, bevor das Verfahren schließlich an Patientendurchgeführt wird 2,4,5.
Verständlicherweise hat sich Simulationstraining in medizinischen Ausbildungsumgebungen weitgehend durchgesetzt und scheint trotz des Mangels an Daten über Auswirkungen auf die Patientenergebnisse eine tragende Säule zu sein 6,7. Darüber hinaus zeigen neuere Publikationen, dass Simulation die Teamleistung und die Patientenergebnisse als Ergebnis einer verbesserten Teamdynamik und Entscheidungsfindung verbessert. Dennoch gibt es nur wenige Daten, die darauf hindeuten, dass die Simulation die Zeit oder Erfolgsrate für die Durchführung kritischer, lebensrettender Verfahren verbessert8,9, was darauf hindeutet, dass die Simulation in der Ausbildung von Gesundheitsdienstleistern komplex und facettenreich ist. Bei Patienten, bei denen ein intravenöser Standardzugang nicht möglich oder indiziert ist, kann die IO-Linienplatzierung verwendet werden, um einen schnellen Gefäßzugang zu erreichen, was nur minimale Fähigkeiten erfordert. Die rechtzeitige und erfolgreiche Durchführung dieses Eingriffs ist entscheidend, insbesondere in der perioperativen Umgebung oder in einem Traumaszenario10,11,12. Da die IO-Linienplatzierung ein selten durchgeführter Eingriff im perioperativen Bereich ist und ein lebensrettendes Verfahren sein kann, ist das Training in einer nicht-klinischen Umgebung von entscheidender Bedeutung. Ein anatomisch genauer Aufgabentrainer speziell für die Platzierung von IO-Linien ist ein ideales Werkzeug, um eine vorhersagbare Trainingsfrequenz und Kompetenzentwicklung für dieses Verfahren anzubieten.
Obwohl weit verbreitet, leiden die derzeit verfügbaren kommerziellen Tasktrainer unter mehreren erheblichen Nachteilen. Erstens sind Task-Trainer, die mehrere Versuche eines Verfahrens ermöglichen, nicht nur für den Erstkauf des Task-Trainers, sondern auch für das Auffüllen der austauschbaren Teile wie Silikon-Hautpflaster. Das Ergebnis sind oft selten ausgetauschte Teile, die markante Orientierungspunkte hinterlassen, die dem Auszubildenden eine suboptimale Trainingserfahrung bieten. Patienten werden nicht vormarkiert kommen, wo man das Verfahren durchführen sollte. Ein weiterer Nachteil ist, dass die hohen Kosten herkömmlicher Tasktrainer zu einem eingeschränkten Zugriff durch Benutzer führen können, wenn die Geräte an geschützten Speicherorten "gesperrt" sind, um Verlust oder Beschädigung der Geräte zu vermeiden. Das Ergebnis ist, dass strengere und weniger verfügbare geplante Übungszeiten erforderlich sind, deren Verwendung durch die Einschränkung ihres Einsatzes sicherlich ungeplantes Training erschweren kann. Schließlich gelten die meisten Trainer als Low-Fidelity 5,13,14 und verwenden nur repräsentative Anatomie, was möglicherweise zu unangemessenen psychomotorischen Fähigkeiten oder Trainingsnarben führt. Low-Fidelity-Trainer machen auch die gründliche Beurteilung des Erwerbs von Fähigkeiten, der Beherrschung und der Verschlechterung sehr schwierig, da das Training auf einem Low-Fidelity-Gerät das tatsächliche reale Verfahren möglicherweise nicht angemessen nachahmt.
Die repräsentative Anatomie behindert auch die richtige Beurteilung des Erwerbs und der Beherrschung psychomotorischer Fähigkeiten. Darüber hinaus wird die Beurteilung des Transfers psychomotorischer Fähigkeiten zwischen simulierten medizinischen Umgebungen auf die Patientenversorgung nahezu unmöglich, wenn einige der psychomotorischen Fähigkeiten nicht in der klinischen Aufgabe berücksichtigt werden. Dies führt dazu, dass ein Konsens über die Fähigkeit medizinischer Simulation und Training verhindert wird, die Patientenergebnisse zu beeinflussen. Um die Herausforderungen in Bezug auf Kosten, anatomische Genauigkeit und Zugang zu meistern, haben wir einen kostengünstigen High-Fidelity-IO-Line-Task-Trainer entwickelt. Der Aufgabentrainer basiert auf einem echten CT-Scan des Patienten, was zu einer genauen Anatomie führt (Abbildung 1). Die verwendeten Materialien sind allgegenwärtig und leicht zu beschaffen, mit Komponenten, die relativ einfach zurückzugewinnen sind. Im Vergleich zu vielen anderen kommerziell erhältlichen Trainern reduzieren die geringen Kosten des hier beschriebenen Task-Trainer-Designs den Wunsch, die Trainer an einem weniger zugänglichen, geschützten Ort zu sequestrieren, drastisch und ermöglichen mehrfache Wiederholungen ohne führende Orientierungspunkte.
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Protocol
HINWEIS: Das University of Nebraska Medical Center Institutional Review Board stellte fest, dass unsere Studie keine Forschung am Menschen darstellt. Das lokale IRB erhielt eine ethische Genehmigung und einen Verzicht auf die Einwilligung nach Aufklärung. Die vollständige Anonymisierung der Bilddaten erfolgte vor der Analyse gemäß dem De-Identifikationsprotokoll des Krankenhauses.
1. Daten
- Erhalten Sie einen CT-Scan, der die Anatomie erfasst, die für den geplanten Aufgabentrainer von Interesse ist. Achten Sie darauf, die Arbeitsvolumenbeschränkungen des verwendeten 3D-Druckers und die erforderlichen Orientierungspunkte für Verfahrensschritte zu berücksichtigen.
- Wenn der Scan im DICOM-Format (Digital Imaging and Communications in Medicine) erstellt wurde, konvertieren Sie ihn in das Format Neuroimaging Informatics Technology Initiative (NiFTi)15 (.nii).
2. Segmentierung
- Verwenden Sie die 3D Slicer-Software (http://www.slicer.org), um die CT-Bilder zu segmentieren. Importieren Sie die NIfTi-Datei aus Schritt 1.2 in 3D Slicer.
- Wählen Sie das Modul Segmenteditor aus, um die Segmente zu generieren, die für die Modellierung des Trainers erforderlich sind.
- Fügen Sie ein Segment für die Komponenten 1) Knochen und 2) Gewebe des Aufgabentrainers hinzu.
HINWEIS: Die Entwicklung einiger Trainer, z. B. zum Trainieren der Einführung von Thoraxschläuchen, erfordert möglicherweise zusätzliche Segmente. - Wählen Sie Segment 1) Knochen. Ändern Sie mit dem Schwellenwerteffekt den Intensitätsbereich, bis der definierte "Fenster"-Bereich die interessierende Knochenkomponente identifiziert.
HINWEIS: Für Knochensegmente liegt der übliche Bereich zwischen 100 und 175 HU (Hounsfield-Einheiten) zum verfügbaren Maximalwert und für Gewebe, der typischerweise -256 HU zum verfügbaren Maximum beträgt. - Verwenden Sie die Threshold-Funktion , um die Komponente 1) Bone zu markieren und mit dem Befehl Apply auf den Scan anzuwenden.
- Verwenden Sie die Funktion Schere , um alle Bereiche des Scans zu entfernen, die zum Erstellen des Tasktrainers nicht benötigt werden. Achten Sie darauf, dass der Knochenmarkraum für IO-Trainer hohl bleibt.
HINWEIS: Dieser Schritt ist die erste Reduktion des interessierenden Segments auf die gewünschten Abmessungen des Trainers. Die Beschränkungen des Bauvolumens des zu verwendenden 3D-Druckers sollten hier berücksichtigt werden. Das Segment kann jedoch in Abschnitt 3 weiter reduziert werden.
- Fügen Sie ein Segment für die Komponenten 1) Knochen und 2) Gewebe des Aufgabentrainers hinzu.
- Wiederholen Sie die Schritte 2.2.1-2.2.4 für die Komponente 2) Gewebe.
- Verwenden des Moduls Segmentierungen ; Exportieren Sie jede Komponente als STL-Datei.
3.3D Modellierung
- Verwenden Sie AutoDesk Meshmixer, um die 3D-Segmente weiter zuzuschneiden und die Auflösung jedes Segments in Bezug auf die Anzahl der geometrischen Elemente zu reduzieren, um eine optimale Leistung in Fusion360 zu erzielen.
- Vergewissern Sie sich, dass importierte STL-Dateien die richtige normale Ausrichtung des Dreiecks aufweisen. Stellen Sie sicher, dass die Normalen jedes Dreiecks in Richtung der äußeren Oberfläche des Netzes zeigen. Wenn die Ausrichtung des Dreiecks falsch ist, kehren Sie das Dreieck senkrecht um, indem Sie die Option Auswählen | Ändern | Wählen Sie Alle und dann die Funktion Auswählen | | bearbeiten Flip Normals-Funktion .
- Eliminieren Sie unerwünschte Strukturen (z. B. unerwünschte Gewebesegmente oder Gefäße, die durch die Verwendung von Kontrast vom CT erfasst werden) der importierten STL-Segmente und verfeinern Sie die Modelle, die zur Erstellung des Aufgabentrainers erforderlich sind. Um das Modell zu verfeinern, indem unerwünschte Strukturen innerhalb der Segmente entfernt werden, die möglicherweise versehentlich in den Schwellenwertbereich des exportierten Segments aufgenommen wurden, verwenden Sie den Vorgang Auswählen , wählen Sie die Dreiecke auf den unerwünschten Strukturen aus, und bearbeiten Sie | Verwerfen.
- Verwenden Sie nach 3.1.2 die | Bearbeiten Planzuschnitt-Werkzeug , um das Modell so zuzuschneiden, dass es in die Grenzen des 3D-Drucker-Bauvolumens passt. Um den Rechenaufwand zu reduzieren, der durch eine übermäßige geometrische Auflösung entsteht, reduzieren Sie die Anzahl der Dreiecke, die zum Definieren des Modells verwendet werden, um eine optimale Leistung in Fusion360 zu ermöglichen. Klicken Sie auf Auswählen, doppelklicken Sie auf eine beliebige Stelle im Netz, um das gesamte Netz auszuwählen, und bearbeiten Sie dann | Reduzieren. Reduzieren Sie für "Ziel reduzieren" auf ein Dreiecksbudget von unter ca. 10.000 Gesichtern.
HINWEIS: Der derzeit von den Autoren verwendete Drucker hat ein maximales Bauvolumen von 250 x 210 x 210 mm; So wurde das Modell auf eine maximale Längenachslänge von 220-230 mm zugeschnitten, damit die Form in das Bauvolumen des Druckers passt. Das Bauvolumen des Druckers sollte die Länge der langen Achsen bestimmen, indem das Modell ca. 20-30 mm kürzer wird. Die Geometrie kann leicht auf ~10K-Dreiecke reduziert werden, ohne klinisch relevante Details zu verlieren, um High-Fidelity-Task-Trainer zu entwickeln. - Beseitigen oder reduzieren Sie Löcher und Oberflächenunebenheiten mit dem Auswahlwerkzeug . Sobald die Dreiecke des Netzes um den Defekt ausgewählt sind, verwenden Sie den Befehl Select | Bearbeiten| Erase&Fill zur Verbesserung von Oberflächenlöchern und Unregelmäßigkeiten. Exportieren und speichern Sie die fertigen Modelle mit dem Dateityp STL.
HINWEIS: Die äußere Oberfläche des Zielknochens für die interossären Line-Task-Trainer muss vollständig geschlossen werden; Andernfalls gelangen die geschmolzenen Gewebemedien in den Knochenmarkraum und beeinträchtigen die Leistung des Tasktrainers.
- Verwenden Sie AutoDesk Fusion360, und importieren Sie die Knochen- und Gewebemodelle, indem Sie die . STL-Dateien in den Arbeitsbereich als Netz mit dem Einfügen | Befehl "Netz einfügen ".
- Konvertieren Sie die importierten Netze in BRep-Volumenkörper, indem Sie die Fusion360-Zeitleiste deaktivieren und die Anzahl der Dreiecke im Zielnetz auf <10.000 reduzieren.Wählen Sie den importierten Netzkörper aus, und klicken Sie mit der rechten Maustaste. Wählen Sie die Option Mesh to BRep . Nachdem die Netze in BReps-Volumenkörper konvertiert wurden, setzen Sie die Fusion360-Zeitleiste fort.
- Ändern Sie den Volumenkörper, um die Form des Task Trainers zu erstellen, indem Sie den rechteckigen Volumenkörper entlang der Längsachse des Gewebe-BRep teilen.
HINWEIS: Die Form wird um den Gewebe-BRep herum erstellt, indem mit der Skizzenfunktion ein Würfel oder rechteckiger Körper erstellt wird, der den Gewebekörper umfasst. Die Formgröße sollte geändert werden, um das maximale Bauvolumen des ausgewählten 3D-Druckers zu erreichen. Da die Form in zwei Teile geteilt wird, ist die längste gedruckte Dimension möglicherweise nicht die größte Dimension der endgültigen Form, wenn sie verbunden werden. - Wählen Sie 2-3 Positionen für Stützstifte aus, und platzieren Sie die vordefinierten Baugruppenkomponenten, um die Knochen des Tasktrainers zu fixieren. Stellen Sie sicher, dass die für die Stützstifte ausgewählten Stellen eine ausreichende Stützstruktur im Knochen um den Kopf des Stifts haben.
HINWEIS: Der Knochen um den ausgewählten Stiftkopf muss nicht perfekt einheitlich sein, da die Montagegruppe auch eine feste zylindrische Stützstruktur enthält, die mit dem Knochen verschmolzen wird. Diese Struktur stützt den Kopf des Stiftes angemessen und bewahrt die korrekte anatomische Platzierung der Knochen innerhalb der Gewebemedien. - Importieren und positionieren Sie einen Knochenpfropfen auf den offenen Knochenmarkraum des Knochen-BRep, um zu verhindern, dass Gewebemedien in den Knochenmarkraum eindringen und das simulierte Knochenmark nicht abfließen.
- Erzeugen Sie eine Öffnung (typischerweise 4-6 cm Durchmesser) durch die Formen in dem Raum, der durch den Tissue BRep-Feststoff dargestellt wird, um das Gießen des flüssigen Gewebemediums in die Form zu ermöglichen.
- Sobald die Komponenten der vordefinierten Baugruppengruppen positioniert sind, um die Knochen im Raum zu fixieren, führen Sie boolesche Kombinationsfunktionen aus, um die verschiedenen Baugruppengruppen entweder zu den Modellen hinzuzufügen oder zu schneiden.
- Führen Sie vor Schritt 3.2.6 eine Spiegelung der Objekte durch, um den Tasktrainer für die ipsilaterale Seite zu erstellen. Wiederholen Sie die Schritte 3.2.3-3.2.5 vor 3.2.6.
- Exportieren Sie die endgültigen Komponenten zum Drucken. Wählen Sie den gewünschten Text innerhalb des Arbeitsbereichs aus und generieren Sie eine STL-Datei per Rechtsklick | Als STL speichern.
4.3D Drucken
- Positionieren Sie die STL-Datei mit Simplify 3D auf dem Bett des 3D-Druckers, damit das Slicing-Programm den zum Drucken des Objekts erforderlichen GCODE generieren kann. Drucken Sie die Komponenten mit Polymilchsäure (PLA) 3D-Drucker-Medienfilament mit einer 0,4-mm-Düse bei einer heißen Endtemperatur von 210 °C. Stellen Sie sicher, dass die Einstellungen 4 obere und untere Schichten und 3 umlaufende Schalen verwenden.
- Richten Sie die Knochen vertikal aus, um das erforderliche Stützmaterial in der Markhöhle zu minimieren. Drucken Sie mit einem Floß, 0,2 mm Schichthöhe, 20 % Füllung und vollständigem Trägermaterial (aus dem Druckbett und innerhalb des Drucks). Richten Sie beim Drucken der Gewebeformen die Formkomponenten mit der Gewebeoberfläche nach oben aus. Drucken Sie die Gewebeformen ohne Floß, 0,3 mm Schichthöhe, 15% Füllung und volles Stützmaterial.
- Ordnen Sie die Stützstifte und andere Komponenten an, um das Stützmaterial zu minimieren - drucken Sie alle Stiftstützteile mit einem Floß, 0,2 mm Schichthöhe und 20% Füllung. Drucken Sie die Gewindekomponenten ohne Stützmaterial mit reduzierter Geschwindigkeit, um die Genauigkeit der Gewindestrukturen zu maximieren.
- Sobald die Parameter jeder Komponente ausgewählt sind, bereiten Sie die von Simplify 3D generierte GCODE-Datei vor und exportieren Sie sie auf eine SD-Karte. Wählen Sie mit einem Prusa i3 MK3 die gespeicherte GCODE-Datei von der SD-Karte aus und drucken Sie mit 1,75 mm PLA 3D-Drucker-Medienfilament.
5. Montage
- Bereiten Sie das Gewebemedium vor.
HINWEIS: Der aktuelle Grad der Beherrschung der Fähigkeiten des Auszubildenden kann bestimmen, ob ein undurchsichtiges oder transparentes Gewebemedium erforderlich ist. Das transparente Medium ermöglicht es dem Auszubildenden, seinen Fortschritt während der IO-Insertion visuell zu verfolgen und knöcherne Orientierungspunkte leichter zu identifizieren, während das undurchsichtige Medium die tatsächliche klinische Erfahrung besser simuliert.- Messen Sie die folgenden Komponenten, die zur Herstellung der Gewebemedien verwendet werden sollen, und legen Sie 260 g nicht aromatisierte Gelatine beiseite (diese Mengen können nach Bedarf skaliert werden). bei Bedarf 140 g fein gemahlene Flohsamenschalenfaser, orangenaromatisiert, zuckerfrei (diesen Schritt weglassen, um ein transparentes Medium zu schaffen); 42 g 4% w/v Chlorhexidin.
HINWEIS: Flohsamenschalenfaser kann verwendet werden, um ein undurchsichtiges Medium herzustellen. Diese Komponente sollte unmittelbar nach der Gelatine hinzugefügt werden, wenn ein undurchsichtiges Medium gewünscht wird16. - Erhitzen Sie 1000 ml Wasser (Wasserhahn ist akzeptabel) auf 85 °C.Geben Sie das Wasser in einen Mischbehälter, der mehrmals größer ist als das Volumen der Zutaten, z. B. einen 18,9-Liter-Eimer.
- Während Sie die Gewebemediumlösung kräftig mischen, fügen Sie die Gelatine, die Flohsamenschalenfaser und die Chlorhexidinlösung dem Wasser in der richtigen Reihenfolge hinzu und warten Sie, bevor Sie die nächste Zutat hinzufügen, nachdem die vorherige eingearbeitet wurde.
HINWEIS: Fügen Sie keine Flohsamenschalenfaser hinzu, wenn Sie ein transparentes Medium herstellen.
- Während Sie die Gewebemediumlösung kräftig mischen, fügen Sie die Gelatine, die Flohsamenschalenfaser und die Chlorhexidinlösung dem Wasser in der richtigen Reihenfolge hinzu und warten Sie, bevor Sie die nächste Zutat hinzufügen, nachdem die vorherige eingearbeitet wurde.
- Erhitzen Sie die Mischung in einem 71 °C warmen Wasserbad für mindestens 4 Stunden, damit sich die Blasen aus der Lösung lösen können. Stellen Sie den Mischbehälter direkt in das heiße Wasserbad oder geben Sie die Mischung in einen separaten Behälter, z. B. Plastikbeutel.
- Bereiten Sie das Gewebemedium für das Eingießen in die zusammengesetzte Form vor. Stellen Sie sicher, dass die Mischung homogen und flüssig ist. Halten Sie die Temperatur der Mischung bei 46 °C.
HINWEIS: Wenn das Gewebemedium nicht sofort benötigt wird, kann es bei 4 °C oder -20 °C in einem Aufbewahrungsbehälter gelagert werden, bis es benötigt wird.
- Messen Sie die folgenden Komponenten, die zur Herstellung der Gewebemedien verwendet werden sollen, und legen Sie 260 g nicht aromatisierte Gelatine beiseite (diese Mengen können nach Bedarf skaliert werden). bei Bedarf 140 g fein gemahlene Flohsamenschalenfaser, orangenaromatisiert, zuckerfrei (diesen Schritt weglassen, um ein transparentes Medium zu schaffen); 42 g 4% w/v Chlorhexidin.
- Bereiten Sie die simulierte Knochenmarklösung vor.
HINWEIS: Die simulierte Knochenmarklösung kann im Voraus vorbereitet und in einem abgedeckten Behälter bei Raumtemperatur gelagert werden, bis sie gebrauchsfertig ist.- Messen und mischen Sie gründlich 100 g kaltes Wasser (Wasserhahn ist in Ordnung); 100 g Ultraschallgel; und 5 ml rote Lebensmittelfarbe (optional, zur Verbesserung der Simulation). Stellen Sie sicher, dass das Endprodukt dick, aber flüssig genug ist, um schnell übertragen zu werden.
- Befestigen Sie den Knochen am Boden der Form und montieren Sie die Form.
- Besprühen Sie jede Seite der inneren Oberflächen der Form mit einem silikonfreien Trennmittel, z. B. Antihaft-Kochspray. Sichern Sie den Knochen mit den Stützstiften, um die richtige Position im Geweberaum beizubehalten. Befestigen Sie die Knochen / Stifte am Boden der Form.
- Richten Sie die Oberseite der Form am unteren Teil aus und befestigen Sie die beiden Hälften der Form miteinander. Stellen Sie sicher, dass der Knochenpfropfen in Position ist, um zu verhindern, dass Gewebemedium während des Gießens in den Knochenmarkraum gelangt.
- Positionieren Sie die Form so, dass die Öffnung nach oben zeigt, und gießen Sie das 46 °C warme Gewebemedium in den Werkzeughohlraum. Beheben Sie jedes Auslaufen des Gewebemediums aus der Form mit einem invertierten Staubwedelbehälter, indem Sie das warme Gewebemedium direkt mit dem Kanister besprühen, um es schnell abzukühlen. Die gefüllte Form für mindestens 6 h in einen 4 °C-Kühlschrank geben oder bis das Gewebemedium fest geworden ist.
- Zerlegen Sie die Form und entfernen Sie den Tasktrainer und die Stützstifte. Entfernen Sie den Knochenpfropfen, füllen Sie den Knochenmarkraum mit dem simulierten "Knochenmark", das in 5.2 erstellt wurde, und ersetzen Sie den Knochenpfropfen. Legen Sie die Tasktrainer in einen Aufbewahrungsbeutel aus Kunststoff und lagern Sie die Baugruppe entweder bei 4 °C oder -20 °C, bis sie für das Training benötigt wird.
6. Aufgabenschulung
- Nehmen Sie den Tasktrainer aus dem Lager und lassen Sie ihn Raumtemperatur erreichen. Falls noch nicht vorhanden, fügen Sie simuliertes Knochenmarkmaterial aus Schritt 5.2 pro Anweisung in 5.5 hinzu.
HINWEIS: Wenn Sie dem Trainer erlauben, sich auf Raumtemperatur zu erwärmen, wird die Simulationserfahrung verbessert. - Führen Sie Schulungen an den Aufgabentrainern durch. Weisen Sie die Auszubildenden an, IO-Nadeln (Abbildung 2A) zu platzieren und simuliertes Knochenmark (Abbildung 2B) gemäß den üblichen Schritten der IO-Linienplatzierung abzusaugen.
- Zerlegen Sie nach dem Training die Aufgabentrainer, um Gewebe, das Medium und die Knochen zurückzugewinnen.
HINWEIS: Nach der Manipulation haben die Knochen des IO-Trainers Löcher, die durch Einführen der IO-Linienkanüle entstehen. Diese Löcher können entweder mit einem tragbaren 3D-Druckerstift mit PLA gefüllt werden, oder alternativ können die Knochen verworfen werden. - Wiederaufbereitung und Wiederverwendung von aufbereiteten Materialien für die anschließende Ausbildung gemäß Abschnitt 5.Alternativ kann das Gewebemedium eingeschmolzen, gemäß 5.1.4 zurückgewonnen und bei 4 °C oder -20 °C gelagert werden, falls dies nicht sofort erforderlich ist.
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Representative Results
Nach dem Protokoll verwendete die Modellierung des Aufgabentrainers einen CT-Scan eines anonymisierten Patienten. Die Segmentierung der CT-Bilder verwendete die 3D-Slicer-Software und Auto Meshmixer für die 3D-Modellierung. Für den 3D-Druck wurden sowohl 3D Simplify als auch der Prusa i3 MK3 verwendet (Abbildung 1). Anschließend haben wir die Montage der 3D-gedruckten Teile abgeschlossen, die Tissue-Medienmischung vorbereitet und die Medienmischung in die zusammengebaute Task-Trainer-Form gegossen. Nach einer Einarbeitungszeit mit dem Tasktrainer wurde das Gewebemedium zurückgewonnen und bei der Montage frischer Tasktrainer wiederverwendet.
Der CT-Scan des linken Kniegelenks eines Patienten, der für die 3D-Modellierung verwendet wurde, umfasste 6-7 cm Tibia- und Wadenbeinknochen unterhalb des Knies, 2-3 cm Oberschenkelknochen über dem Knie und die Patella. Während der Ausführung dieses Protokolls wurden die Artefakte, die im CT-Scan zu sehen sind, die sich aus der Überlappung zwischen verschiedenen anatomischen Segmenten ergeben, manuell in Meshmixer verworfen, nachdem jedes Segment in STLs exportiert und die Operation "Flip Normals" durchgeführt wurde. Die STL-Netze des linken Tibiaknochens und des Gewebes wurden modifiziert, um die anatomische Komplexität der Oberfläche der Knochenmarkhöhle zu reduzieren. Es wurden Stützstrukturen erzeugt, um Femur, Tibia, Fibula und Patella aneinander zu fixieren. Eine unterstützende "Orthesenstruktur" wurde in die Fusion 360 eingefügt, um die dünne Fibulastruktur des Knochens auf die Tibia zu verstärken und so zu verhindern, dass dieser Knochen abbricht.
Die Formstruktur bestand aus einem rechteckigen Festkörper, getrennt in eine obere und untere Struktur, und einem 2,5 mm langen Kanal, um die Silikonschaumschnur am Umrissumfang des Gewebesegments zu halten. Unterstützende Stiftstrukturen, Ausrichtungsstiftkanäle und der Knochensteckerempfänger wurden den Knochen- und Formstrukturen hinzugefügt, indem die entsprechenden Strukturen in das Modell importiert wurden (Abbildung 3). Die Form wurde so konstruiert, dass zwei 41 mm Supporting Pin Assembly Gruppen ausreichen würden, um die Knochenstrukturen innerhalb der Gewebehöhle richtig zu stützen und aufzuhängen. Eine Öffnung zur Freilegung der Gewebehöhle erleichterte das Gießen des Gewebemediums, indem eine zylindrische Körperstruktur von der Vorderseite der Formstruktur geschnitten wurde.
Nach der Fertigstellung der Schimmel- und Knochenstrukturen in Fusion 360 werden die folgenden vier . STL-Segmente wurden durch den Export des Modells erstellt: 1) Knochen, 2) Unterer Formkasten, 3) Oberer Formkasten und 4) Modellhardware (2 x 41 mm Stützstifte, 2x Stützstiftböden und 1x Knochenstecker). Als nächstes wurden vier STL-Segmente in Simplify 3D importiert, und die repräsentativen GCODE-Dateien wurden für diese Segmente für den Druck mit einer 0,4-mm-Düse und 0,3 mm Schichthöhe bei einer Druckrate von 100 mm / s generiert. Tabelle 1 listet die Druckzeiten und die Schätzungen des Bedarfs an PLA-Filamentmaterialien unter Verwendung der zuvor genannten Einstellungen auf, als alle Segmente auf Original Prusa MK3-Druckern gedruckt wurden. Die schnelle Einarbeitung der Komponenten des Gewebemediums (Gelatine) ist unerlässlich, um ein konsistentes und homogenes Endprodukt zu erzielen. Die Menge des verwendeten Gewebemediums variiert je nach Modell des zusammengebauten Tasktrainers. Ein Beispiel für das Design und die tatsächlichen Volumina des Gewebemediums, das im Tibia-IO-Insertions-Task-Trainer-Modell verwendet wird, ist in Tabelle 2 dargestellt.
Um den Tasktrainer zu entformen, wurden die Kompressionsvorrichtungen gelöst, die Formober- und -unterseite getrennt und die 2 x 41 mm großen Stützstifte gedreht und von den Knochen entfernt. Die Knochenmarkhöhle wurde dann mit simulierter Knochenmarklösung gefüllt und ein Knochenpfropfen sicher eingeführt. Der finale Aufgabentrainer wurde dann mit einem CT-Scan zur Messung anatomischer Landmarken und Segmente abgebildet. Die Ergebnisse zeigen eine High-Fidelity-Task-Trainer-E/A-Platzierung (Abbildung 4). Der neu geformte Aufgabentrainer wurde dann in einen Zip-Lock-Beutel gelegt, in den Kühlschrank zurückgebracht und für eine zukünftige Trainingseinheit aufbewahrt.
Für IO-Line-Placement-Schulungen wurden transparente und undurchsichtige Task-Trainer zusammengestellt (Abbildung 5). Insgesamt 40 Tasktrainer (20 Tibia und 20 Humeri) wurden während eines halbtägigen Trainings zur IO-Linienplatzierung eingesetzt, das der Abteilung für Anästhesiologie unserer Einrichtung angeboten wurde. Sowohl Dozenten als auch Praktikanten nahmen an dieser Schulung teil. Jeder Teilnehmer hatte 15 Minuten praktische Interaktion mit beiden Task-Trainern (Tibia und Humerus) und der Ausrüstung, die für die IO-Line-Platzierung erforderlich ist. Unmittelbar danach wurden vorläufige Daten zu den Vor- und Nachteilen der Aufgabentrainer und Verbesserungen der Aufgabentrainer erhoben.
Zu den Vorteilen, die von den Teilnehmern speziell für die Verwendung des Aufgabentrainers identifiziert wurden, gehörten: a) hohe anatomische Ähnlichkeit, b) Fähigkeit, anatomische Orientierungspunkte zu finden, c) taktiles Gefühl, das Gewebe ähnelt, d) Reproduzierbarkeit des praktizierten Verfahrens, e) Fähigkeit, Knochenmark abzusaugen, um Feedback zur Aufgabenerfüllung zu geben, und f) angemessenes taktiles Feedback beim Bohren in den Knochen. Die Fähigkeit, den Aufgabentrainer zurückzugewinnen und wiederzuverwenden, und die niedrigen Kosten des Trainers waren wichtige Merkmale, die von den Teilnehmern identifiziert wurden. Darüber hinaus schlugen Dozenten und Auszubildende vor, eine Haut- oder Stoffschicht hinzuzufügen, um dem taktilen Feedback der Haut näher zu kommen und die Länge der Gliedmaßen zu erhöhen. Nach dem Training wurde das Gewebemedium zurückgewonnen und wiederverwendet (Abbildung 1).
Abbildung 1: Flussdiagramm, das den Prozess zur Erstellung eines Trainers für die intraossäre Linienplatzierung darstellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Intraossäre Linienplatzierung mit einem Tibia-Aufgabentrainer unter Verwendung eines Trainers mit opakem Gewebemedium. (A) Bohren in den Knochen mit einem handelsüblichen IO-Bestückungsbohrer. (B) Aspiration des Knochenmarks bei erfolgreicher Platzierung der IO-Linie. Abkürzung: IO = intraossär. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: 3D-entworfene und 3D-gedruckte Komponenten, aus denen der Tibia-Tasktrainer besteht. (A) 3D-entworfene Tibia; (B) 3D-gedruckte Tibia; (C) 3D-entworfene Form und des Gewebes, das das Schienbein und die Stifte umgibt; (D) 3D-gedruckte Form des Gewebes, das die Tibia und die Stifte umgibt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Undurchsichtige und transparente Gewebemedien ermöglichen die Anpassung des Trainings . (A) und (C) stellen einen Humerus- und Tibia-Tasktrainer dar, der aus undurchsichtigem Gewebemedium hergestellt wurde. (B) und (D) stellen einen Humerus- und Tibia-Aufgabentrainer dar, der mit transparentem Medium hergestellt wurde. Beachten Sie die Sichtbarkeit von Skelettstrukturen mit transparentem Gewebemedium. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 5: Die anatomischen Abstände zwischen den CT-Scandaten, die zur Erstellung des Tasktrainers verwendet wurden, und dem vollständig montierten IO-Line-Placement-Humerus-Aufgabentrainer sind ähnlich. (A) Knochendicke (mm), (B) Hauttiefe (mm) und (C) die Sehnenrille (mm) aus den CT-Scandaten sind anatomisch ähnlich der (D) Knochendicke (mm), (E) Hauttiefe (mm), und (F) Sehnenrille im CT-Scan der fertig montierten Humerus-Tasktrainer. Abkürzungen: CT = Computertomographie; IO = intraossär. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
| Struktur | Ungefähre Druckzeit (h) | Anforderungen an PLA Filament (geschätzt, in g) | Materialkosten (Dollar) |
| Box Top | 32 | 800 | 16.00 |
| Box-Boden | 17 | 450 | 9.00 |
| Knochen | 9 | 200 | 4.00 |
| Hardware | 2 | 16 | 0.32 |
Tabelle 1:Liste des Zeit- und Kostenaufwands für jede erforderliche Komponente.
| Struktur | Volumen (L) | Geschätzte Kosten |
| Gewebehöhle | 2,06 L | n.a. |
| Knochenstruktur | 0,313 L | n.a. |
| Gewebehöhle – Knochenstruktur | 1.747 L | $35 (rückforderbar) |
| Markhöhle | 0,075 L | 0,25 $ |
Tabelle 2: Volumen der Gewebemedien.
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Discussion
In diesem Protokoll beschreiben wir den Entwicklungsprozess eines 3D-Tasktrainers, um das selten durchgeführte und lebensrettende Verfahren der IO-Linienplatzierung zu trainieren. Dieses selbstgesteuerte Protokoll verwendet 3D-Druck, um den Großteil der Modellstrukturen herzustellen, während der Rest der Komponenten, die zur Montage des Tasktrainers verwendet werden, allgegenwärtige, leicht erhältliche und ungiftige Materialien sind, die zurückgewonnen und wiederverwendet werden können. Der 3D-Tasktrainer ist kostengünstig und erfordert minimales Fachwissen zum Erstellen und Zusammenbauen. Wir haben unseren 3D-IO-Linienplatzierungsaufgabentrainer erfolgreich in Schulungen der UNMC-Abteilung für Anästhesiologie eingesetzt, die eine Demonstration und praktische Übungen von Dozenten und Auszubildenden umfassten. Die während des Trainings gesammelten Machbarkeitsdaten zeigten, dass die Teilnehmer sich einig waren, dass die Aufgabentrainer ein hohes Maß an anatomischer Treue zur tatsächlichen Patientenanatomie hatten, und sie waren weiterhin mit dem taktilen Feedback des Geräts zufrieden.
Kritische Schritte bei der Herstellung eines Tasktrainers wurden in zwei Abschnitte unterteilt: 3D-Design und Fertigung; Task Trainer Montage. Bei der Erstellung der 3D-Modelle, die zur Bildung der Aufgabentrainer verwendet wurden, war eine angemessene Segmentierung von entscheidender Bedeutung. Ohne Einhaltung der anatomischen Genauigkeit ist das Endprodukt möglicherweise nicht korrekt. Bei der Schwellenwertsegmentierung muss auf den Interessenbereich des Aufgabentrainers geachtet werden, um sicherzustellen, dass Oberflächendetails vorhanden sind, um den Modellen die richtige Form und Dicke zu verleihen. Tibia und Humerusdicke sind besonders wichtig, um eine ausreichende taktile Rückmeldung während der simulierten IO-Linienplatzierung zu liefern. Der Prozess zur Segmentierung von Gewebe- und Knochenkomponenten kann unglaublich zeitaufwendig sein, da CT-Scans häufig jodhaltige Kontrastmittel verwenden, die überlappende HU-Bereiche mit denen von Knochen haben. So können anatomische Strukturen, die mit jodiertem Kontrast durchdrungen sind, unangemessen in Knochensegmente einbezogen werden.
Die richtige Vorbereitung und Lagerung der Gewebemedien ist entscheidend. Die Einhaltung der im Protokoll festgelegten Temperaturen ist notwendig, um Schäden an den 3D-gedruckten Strukturen zu vermeiden und eine maximale Langlebigkeit der Gewebemedien zu gewährleisten. Insbesondere müssen die Gewebemedien kalt oder gefroren bleiben und mit Kunststoff bedeckt sein, wenn sie nicht verwendet werden, um mikrobielles Wachstum und Austrocknung zu verhindern. Die Verfügbarkeit und Genauigkeit der CT-Scans des Patienten kann die Erstellung des IO-Line-Task-Trainers einschränken. Bei der Erstellung von Modellen scheint es hinsichtlich der Anforderungen an den 3D-Druck Grenzen zu geben. Während des 3D-Druckprozesses werden thermoplastische Schichten auf vorherigen Schichten oder Trägermaterialien abgeschieden. Einige Modelle und vorgeschlagene Trainer, die durch diesen Prozess hergestellt werden, können die Größenbeschränkungen eines 3D-Druckers überschreiten und erfordern eine Änderung der Druckergröße oder der Komponenten, um das Drucken zu ermöglichen, das die kritischen Aspekte des Trainers beibehält (z. B. den Markraum für IO-Modelle). Andere Formate, die für die Erstellung von Aufgabentrainern geeignet sind, sind die Magnetresonanztomographie. Die Imaging-Modalität zeigt jedoch verschiedene Datentypen an, die Änderungen an diesem Protokoll erfordern.
Dieser IO-Line-Placement-Aufgabentrainer verfügt über mehrere innovative Funktionen, darunter reduzierte Kosten im Vergleich zu anderen Tasktrainern und die Möglichkeit, den Aufgabentrainer an verschiedene anatomische Stellen (Humerus und Tibia) und verschiedene Anatomien, einschließlich männlich oder weiblich, sowie einen hohen und niedrigen Body-Mass-Index anzupassen. Darüber hinaus kann die Gewebemedienmischung in verschiedenen Opazitäten hergestellt werden, was auf Wunsch unterschiedliche Visualisierungsebenen von Skelettstrukturen oder Landmarken ermöglicht. Aufgrund seiner anatomischen Genauigkeit und wiederverwendbaren Natur seiner Unterkomponenten bietet dieser Task Trainer einzigartige Trainings- und Simulationsforschungsmöglichkeiten für medizinische Verfahren, einschließlich der Übertragung prozeduraler Fähigkeiten von einer Simulations- oder Trainingsumgebung in eine Test- oder klinische Umgebung. Die High-Fidelity- und Low-Cost-Eigenschaften dieses Task-Trainers machen ihn zu einer ausgezeichneten Wahl für die Bewertung des Erwerbs und der Verschlechterung prozeduraler Fähigkeiten bei Auszubildenden und Anbietern im Gesundheitswesen. Darüber hinaus bietet die überlegene anatomische Genauigkeit des Trainers die Möglichkeit, die Auswirkungen der Ergonomie auf Trainingsnarben und die Verschlechterung der Trainerstruktur zu bewerten, was ein schnell wachsendes Thema von Interesse in diesem Bereich ist17. Insgesamt kann die Verwendung dieses Tools ein besseres Verständnis von Best Practices in der medizinischen Simulation fördern18.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Acknowledgments
Die Finanzierung für dieses Projekt erfolgte ausschließlich aus institutionellen oder abteilungsbezogenen Ressourcen.
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
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