Summary
Descriviamo una procedura per elaborare le scansioni di tomografia computerizzata (TC) in formatori di attività procedurali ad alta fedeltà, recuperabili e a basso costo. I processi di identificazione della scansione CT, l'esportazione, la segmentazione, la modellazione e la stampa 3D sono tutti descritti, insieme ai problemi e alle lezioni apprese nel processo.
Abstract
La descrizione dei formatori di compiti procedurali include il loro uso come strumento di formazione per affinare le competenze tecniche attraverso la ripetizione e la prova delle procedure in un ambiente sicuro prima di eseguire la procedura su un paziente. Molti formatori di compiti procedurali disponibili fino ad oggi soffrono di diversi inconvenienti, tra cui l'anatomia irrealistica e la tendenza a sviluppare "punti di riferimento" creati dall'utente dopo che il tessuto del trainer subisce ripetute manipolazioni, portando potenzialmente a uno sviluppo inappropriato delle abilità psicomotorie. Per migliorare questi inconvenienti, è stato creato un processo per produrre un trainer di attività procedurali ad alta fedeltà, creato dall'anatomia ottenuta da scansioni di tomografia computerizzata (TC), che utilizza l'onnipresente tecnologia di stampa tridimensionale (3D) e forniture di materie prime pronte all'uso.
Questo metodo include la creazione di uno stampo di tessuto stampato in 3D che cattura la struttura del tessuto che circonda l'elemento scheletrico di interesse per racchiudere la struttura scheletrica ossea sospesa all'interno del tessuto, che è anche stampata in 3D. Una miscela di terreno tissutale, che approssima il tessuto sia nella geometria ad alta fedeltà che nella densità del tessuto, viene quindi versata in uno stampo e lasciata fissare. Dopo che un task trainer è stato utilizzato per praticare una procedura, come il posizionamento della linea intraossea, i mezzi di tessuto, gli stampi e le ossa sono recuperabili e possono essere riutilizzati per creare un nuovo trainer di attività, privo di siti di puntura e difetti di manipolazione, da utilizzare nelle sessioni di allenamento successive.
Introduction
La competenza di cura del paziente delle abilità procedurali è una componente fondamentale per lo sviluppo di tirocinanti in ambienti sanitari civili e militari 1,2. Lo sviluppo delle competenze procedurali è particolarmente importante per le specialità ad alta intensità di procedure come l'anestesiologia3 e il personale medico in prima linea. I formatori di compiti possono essere utilizzati per provare numerose procedure con livelli di abilità che vanno da quelli di uno studente di medicina del primo anno o di un tecnico medico a un residente o borsista senior. Mentre molte procedure mediche richiedono una formazione significativa per essere completate, il compito qui presentato - posizionamento di una linea interossea (IO) - è semplice e richiede meno abilità tecniche. Il posizionamento di successo di una linea IO può essere realizzato dopo un periodo relativamente breve di formazione. L'uso della simulazione durante la formazione medica, che include l'uso di istruttori di compiti, è riconosciuto come uno strumento per acquisire competenze tecnico-procedurali attraverso la ripetizione e la prova di una procedura clinica in un ambiente sicuro e a basso stress, prima di eseguire definitivamente la procedura sui pazienti 2,4,5.
Comprensibilmente, la formazione alla simulazione in ambienti di educazione medica è diventata ampiamente accettata e sembra essere un pilastro, nonostante la scarsità di dati riguardanti qualsiasi impatto sugli esiti dei pazienti 6,7. Inoltre, recenti pubblicazioni dimostrano che la simulazione migliora le prestazioni del team e i risultati dei pazienti come risultato di migliori dinamiche di squadra e processi decisionali. Tuttavia, ci sono pochi dati che suggeriscono che la simulazione migliori il tempo o il tasso di successo per eseguire procedure critiche e salvavita 8,9 suggerendo che la simulazione è complessa e sfaccettata nella formazione degli operatori sanitari. Nei pazienti in cui l'accesso endovenoso standard non è possibile o indicato, il posizionamento della linea IO può essere utilizzato per ottenere rapidamente l'accesso vascolare, richiedendo competenze minime. L'esecuzione tempestiva e di successo di questa procedura è fondamentale, in particolare nell'ambiente perioperatorio o in uno scenario traumatico10,11,12. Poiché il posizionamento della linea IO è una procedura eseguita raramente nell'area perioperatoria e può essere una procedura salvavita, la formazione in un ambiente non clinico è fondamentale. Un trainer anatomicamente accurato specifico per il posizionamento della linea IO è uno strumento ideale per offrire una frequenza di formazione prevedibile e lo sviluppo delle competenze per questa procedura.
Sebbene ampiamente utilizzati, i formatori di attività commerciali attualmente disponibili soffrono di diversi inconvenienti significativi. In primo luogo, i task trainer che consentono più tentativi di una procedura sono costosi, non solo per l'acquisto iniziale del task trainer, ma anche per il rifornimento delle parti sostituibili come i cerotti di pelle in silicone. Il risultato è spesso la sostituzione rara delle parti, lasciando punti di riferimento importanti che forniscono al tirocinante un'esperienza di formazione non ottimale; I pazienti non verranno pre-contrassegnati dove si dovrebbe fare la procedura. Un altro svantaggio è che l'alto costo dei task trainer tradizionali può comportare un accesso limitato da parte degli utenti quando i dispositivi sono "bloccati" in posizioni di archiviazione protette per prevenire perdite o danni ai dispositivi. Il risultato è che richiedere più rigorosamente e meno tempo di pratica programmato disponibile, limitarne l'utilizzo può sicuramente rendere difficili gli allenamenti non programmati. Infine, la maggior parte degli allenatori sono considerati a bassa fedeltà 5,13,14 e usano solo anatomia rappresentativa, portando potenzialmente a uno sviluppo inappropriato delle abilità psicomotorie o cicatrici da allenamento. I formatori a bassa fedeltà rendono anche molto difficile la valutazione approfondita dell'acquisizione, della padronanza e del degrado delle abilità, poiché l'addestramento su un dispositivo a bassa fedeltà potrebbe non imitare adeguatamente la procedura del mondo reale.
L'anatomia rappresentativa impedisce inoltre la corretta valutazione dell'acquisizione e della padronanza delle capacità psicomotorie. Inoltre, valutare il trasferimento delle abilità psicomotorie tra ambienti medici simulati alla cura del paziente diventa quasi impossibile se alcune delle abilità psicomotorie non si riflettono nel compito clinico. Ciò si traduce nella prevenzione del consenso sulla capacità della simulazione medica e della formazione di influenzare i risultati dei pazienti. Per superare le sfide in termini di costi, precisione anatomica e accesso, abbiamo sviluppato un trainer di attività IO line a basso costo e ad alta fedeltà. Il trainer è progettato a partire dalla scansione TC di un paziente reale, con conseguente anatomia accurata (Figura 1). I materiali utilizzati sono onnipresenti e facili da ottenere, con componenti relativamente facili da recuperare. Rispetto a molti altri formatori disponibili in commercio, il costo modesto del design del trainer di attività qui descritto riduce drasticamente il desiderio di sequestrare i formatori in un luogo meno accessibile e protetto e rende possibili più ripetizioni senza punti di riferimento principali.
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Protocol
NOTA: Il comitato di revisione istituzionale del centro medico dell'Università del Nebraska ha stabilito che il nostro studio non costituiva una ricerca su soggetti umani. L'IRB locale ha ottenuto l'approvazione etica e la rinuncia al consenso informato. L'anonimizzazione completa dei dati di imaging è stata eseguita prima dell'analisi secondo il protocollo di de-identificazione dell'ospedale.
1. Dati
- Ottenere una scansione TC che cattura l'anatomia di interesse per il trainer di attività pianificato. Fare attenzione a prendere in considerazione i limiti del volume di lavoro della stampante 3D utilizzata e i punti di riferimento richiesti per le fasi procedurali.
- Se la scansione viene ottenuta in formato DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), convertirla in un formato NiFTi)15 (.nii) della Neuroimaging Informatics Technology Initiative.
2. Segmentazione
- Utilizzare il software 3D Slicer (http://www.slicer.org) per segmentare le immagini CT. Importare il file NIfTi dal passaggio 1.2 in 3D Slicer.
- Selezionare il modulo Editor segmenti per generare i segmenti necessari per modellare il trainer.
- Aggiungi un segmento per i componenti 1) Bone e 2) Tissue del task trainer.
NOTA: lo sviluppo di alcuni trainer, come quelli utilizzati per addestrare l'inserimento del tubo toracico, può richiedere segmenti aggiuntivi. - Selezionare il segmento 1) Osso. Utilizzando l'effetto soglia , modificate l'intervallo di intensità fino a quando l'intervallo "finestra" definito identifica il componente osseo di interesse.
NOTA: Per i segmenti ossei l'intervallo usuale è compreso tra 100 e 175 HU (unità di Hounsfield) al valore massimo disponibile e per il tessuto, che è tipicamente -256 HU al massimo disponibile. - Utilizzare la funzione Soglia per evidenziare il componente 1) Osso e applicarlo alla scansione utilizzando il comando Applica .
- Utilizzare la funzione Forbici per rimuovere tutte le aree della scansione non necessarie per creare il trainer delle attività. Prestare attenzione per assicurarsi che lo spazio del midollo osseo rimanga vuoto per gli allenatori IO.
NOTA: Questo passaggio è la prima riduzione del segmento di interesse alle dimensioni desiderate del trainer. I limiti del volume di costruzione della stampante 3D da utilizzare dovrebbero essere considerati qui; tuttavia il segmento può essere ulteriormente ridotto nella sezione 3.
- Aggiungi un segmento per i componenti 1) Bone e 2) Tissue del task trainer.
- Ripetere i passaggi 2.2.1-2.2.4 per la componente 2) Tessuto.
- Utilizzo del modulo Segmentazioni ; esportare ogni componente come file STL.
3.3D Modellazione
- Utilizzare AutoDesk Meshmixer per ritagliare ulteriormente i segmenti 3D e ridurre la risoluzione di ciascun segmento, in termini di numero di elementi geometrici, per prestazioni ottimali all'interno di Fusion360.
- Verificate che i file STL importati abbiano l'orientamento normale del triangolo corretto. Assicuratevi che le normali di ciascun triangolo puntino nella direzione della superficie esterna della mesh. Se l'orientamento del triangolo non è corretto, invertite la normale del triangolo eseguendo il comando Seleziona | Modificare | Selezionare la funzione Tutti e quindi selezionare | Modifica | Funzione Inverti normali .
- Eliminare le strutture indesiderate (ad esempio, segmenti indesiderati di tessuto o vascolarizzazione catturati dalla TC a causa dell'uso del contrasto) dei segmenti STL importati e perfezionare i modelli necessari per creare il trainer delle attività. Per perfezionare il modello rimuovendo le strutture indesiderate all'interno dei segmenti che potrebbero essere state inavvertitamente incluse nell'intervallo di soglia del segmento esportato, utilizzate l'operazione Seleziona (Select ), selezionate i triangoli sulle strutture indesiderate, quindi Modifica | Scartare.
- Seguendo la versione 3.1.2, utilizzare il | Modifica Strumento Taglio piano per ritagliare il modello in modo che rientri nei limiti del volume di costruzione della stampante 3D. Per ridurre il sovraccarico computazionale dovuto all'eccessiva risoluzione geometrica, ridurre il numero di triangoli utilizzati per definire il modello per consentire prestazioni ottimali in Fusion360. Fare clic su Seleziona, fare doppio clic in un punto qualsiasi della mesh per selezionare l'intera trama, quindi su Modifica | Ridurre. Per ridurre l'obiettivo, ridurre a un budget triangolare inferiore a circa 10.000 facce.
NOTA: la stampante attualmente utilizzata dagli autori ha un volume di costruzione massimo di 250 x 210 x 210 mm; In questo modo il modello è stato tagliato a una lunghezza massima dell'asse lungo di 220-230 mm per consentire allo stampo di adattarsi al volume di costruzione della stampante. Il volume di costruzione della stampante dovrebbe dettare la lunghezza dell'asse lungo rendendo il modello più corto di circa 20-30 mm. La geometria può essere facilmente ridotta a ~ 10K triangoli senza perdita di dettagli clinicamente rilevanti per sviluppare istruttori di attività ad alta fedeltà. - Eliminate o riducete i fori e le irregolarità della superficie con lo strumento Seleziona. Una volta selezionati i triangoli della mesh attorno al difetto, utilizzare il comando Seleziona | Modifica| Cancella e riempi per migliorare i fori superficiali e le irregolarità. Esportare e salvare i modelli finiti utilizzando il tipo di file STL.
NOTA: La superficie esterna dell'osso bersaglio per i formatori della linea interossea richiede una chiusura completa; In caso contrario, il mezzo di tessuto fuso entrerà nello spazio del midollo e degraderà le prestazioni del task trainer.
- Utilizzare AutoDesk Fusion360 e importare i modelli ossei e tissutali aggiungendo . File STL nell'area di lavoro come mesh utilizzando il | Inserisci Inserisci mesh , comando.
- Convertire le mesh importate in solidi BRep disattivando la timeline di Fusion360 e riducendo il numero di triangoli nella mesh di destinazione a <10.000.Selezionare il corpo mesh importato e fare clic con il pulsante destro del mouse. Scegliete l'opzione Mesh to BRep . Dopo che le mesh sono state convertite in solidi BReps, riprendere la sequenza temporale di Fusion360.
- Modificate il solido per creare lo stampo del Task Trainer dividendo il solido rettangolare lungo l'asse lungo del BRep del tessuto.
NOTA: lo stampo viene creato attorno al BRep del tessuto utilizzando la feature di sketch per creare un cubo o un solido rettangolare che comprende il solido di tessuto. La dimensione dello stampo deve essere modificata per soddisfare il volume massimo di costruzione della stampante 3D selezionata. Poiché lo stampo è diviso in due, la dimensione più lunga stampata potrebbe non essere la dimensione più grande dello stampo finale quando vengono uniti. - Selezionare 2-3 posizioni per i perni di supporto e posizionare i componenti del gruppo di assiemi predefiniti per fissare le ossa del formatore di attività. Assicurarsi che le posizioni selezionate per i perni di supporto abbiano un'ampia struttura di supporto nell'osso attorno alla testa del perno.
NOTA: L'osso attorno alla testa del perno selezionato non deve essere perfettamente uniforme poiché il gruppo di assemblaggio contiene anche una solida struttura di supporto cilindrica, che verrà fusa con l'osso. Questa struttura supporta adeguatamente la testa del perno e preserva il corretto posizionamento anatomico delle ossa all'interno del supporto tissutale. - Importare e posizionare un tappo osseo sullo spazio del midollo aperto del BRep osseo per impedire ai media tissutali di entrare nello spazio del midollo e impedire al midollo osseo simulato di drenare.
- Generare un'apertura (tipicamente 4-6 cm di diametro) attraverso gli stampi nello spazio rappresentato dal solido Tissue BRep per consentire il versamento del mezzo di tessuto liquido nello stampo.
- Una volta posizionati i componenti dei gruppi di assiemi predefiniti in modo da fissare le ossa nello spazio, eseguite le funzioni di combinazione booleana per aggiungere o tagliare i vari gruppi di assiemi nei modelli.
- Eseguire un mirror degli oggetti prima del punto 3.2.6 per creare il trainer delle attività per il lato omolaterale. Ripetere i passaggi 3.2.3-3.2.5 prima del punto 3.2.6.
- Esportare i componenti finali per la stampa. Selezionare il corpo desiderato all'interno dell'area di lavoro e generare un file STL facendo clic con il pulsante destro del mouse | Salva come STL.
4.3D Stampa
- Utilizzando Simplify 3D, posizionare il file STL sul piano della stampante 3D in modo che il programma di slicing possa generare il codice GCODE necessario per stampare l'elemento. Stampare i componenti con il filamento multimediale della stampante 3D all'acido polilattico (PLA) utilizzando un ugello da 0,4 mm a una temperatura di fine caldo di 210 °C. Assicurati che le impostazioni utilizzino 4 strati superiore e inferiore e 3 gusci perimetrali.
- Orientare le ossa verticalmente per ridurre al minimo il materiale di supporto richiesto all'interno della cavità del midollo. Stampare utilizzando una zattera, altezza dello strato di 0,2 mm, riempimento al 20% e materiale di supporto completo (dal piano di stampa e all'interno della stampa). Quando si stampano gli stampi di tessuto, orientare i componenti dello stampo con la superficie del tessuto rivolta verso l'alto. Stampa gli stampi in tessuto senza zattera, altezza dello strato di 0,3 mm, riempimento del 15% e materiale di supporto completo.
- Disporre i perni di supporto e altri componenti per ridurre al minimo il materiale di supporto: stampare tutte le parti di supporto del perno con una zattera, un'altezza dello strato di 0,2 mm e un riempimento del 20%. Stampare i componenti filettati senza materiale di supporto a una velocità ridotta, per massimizzare la fedeltà delle strutture filettate.
- Una volta selezionati i parametri di ciascun componente, preparare ed esportare il file GCODE generato da Simplify 3D su una scheda SD. Utilizzando una Prusa i3 MK3, selezionare il file GCODE salvato dalla scheda SD e stampare con un filamento di supporto per stampante 3D PLA da 1,75 mm.
5. Assemblaggio
- Preparare il mezzo tissutale.
NOTA: l'attuale livello di padronanza delle abilità del tirocinante può determinare se è necessario un supporto tissutale opaco o trasparente. Il mezzo trasparente consente al tirocinante di monitorare visivamente i propri progressi durante l'inserimento dell'IO e identificare più facilmente i punti di riferimento ossei, mentre il mezzo opaco simula meglio l'esperienza clinica reale.- Misurare i seguenti componenti da utilizzare per creare i terreni di tessuto e mettere da parte (queste quantità possono essere scalate secondo necessità) 260 g di gelatina non aromatizzata; se necessario, 140 g di fibra di buccia di psillio finemente macinata, aromatizzata all'arancia, senza zucchero (omettere questo passaggio per creare un mezzo trasparente); 42 g di clorexidina al 4% p/v.
NOTA: La fibra di buccia di psillio può essere utilizzata per creare un mezzo opaco. Questo componente deve essere aggiunto immediatamente dopo la gelatina se si desidera un mezzo opaco16. - Riscaldare 1000 ml di acqua (il rubinetto è accettabile) a 85 °C.Aggiungere l'acqua in un contenitore di miscelazione più volte più grande del volume degli ingredienti, ad esempio un secchio da 18,9 litri.
- Mentre si mescola vigorosamente la soluzione di terreno tissutale, aggiungere la gelatina, la fibra di buccia di psillio e la soluzione di clorexidina all'acqua, in ordine, e attendere prima di aggiungere l'ingrediente successivo dopo che il precedente è stato incorporato.
NOTA: Non aggiungere fibra di buccia di psillio se si rende trasparente il mezzo.
- Mentre si mescola vigorosamente la soluzione di terreno tissutale, aggiungere la gelatina, la fibra di buccia di psillio e la soluzione di clorexidina all'acqua, in ordine, e attendere prima di aggiungere l'ingrediente successivo dopo che il precedente è stato incorporato.
- Riscaldare la miscela a bagnomaria a 71 °C per un minimo di 4 ore per consentire alle bolle di dissiparsi dalla soluzione. Posizionare direttamente il contenitore di miscelazione nel bagno di acqua calda o trasferire la miscela in un contenitore separato, ad esempio sacchetti di plastica.
- Preparare il mezzo di tessuto per il versamento nello stampo assemblato. Assicurarsi che la miscela sia omogenea e fluida. Mantenere la temperatura della miscela a 46 °C.
NOTA: Se il mezzo di tessuto non è immediatamente necessario, può essere conservato a 4 °C o -20 °C all'interno di un contenitore fino al momento del bisogno.
- Misurare i seguenti componenti da utilizzare per creare i terreni di tessuto e mettere da parte (queste quantità possono essere scalate secondo necessità) 260 g di gelatina non aromatizzata; se necessario, 140 g di fibra di buccia di psillio finemente macinata, aromatizzata all'arancia, senza zucchero (omettere questo passaggio per creare un mezzo trasparente); 42 g di clorexidina al 4% p/v.
- Preparare la soluzione simulata di midollo osseo.
NOTA: La soluzione simulata di midollo osseo può essere preparata in anticipo e conservata in un contenitore coperto a temperatura ambiente fino al momento dell'uso.- Misurare e mescolare accuratamente 100 g di acqua fredda (il rubinetto va bene); 100 g di gel per ultrasuoni; e 5 ml di colorante alimentare rosso (opzionale, utilizzato per migliorare la simulazione). Assicurarsi che il prodotto finale sia denso ma abbastanza fluido da trasferirsi rapidamente.
- Fissare l'osso sul fondo dello stampo e assemblare lo stampo.
- Spruzzare ogni lato delle superfici interne dello stampo con un agente distaccante non a base di silicone, come uno spray da cucina antiaderente. Fissare l'osso utilizzando i perni di supporto per mantenere la posizione corretta all'interno dello spazio tissutale. Fissare le ossa / perni sul fondo dello stampo.
- Allineare la parte superiore dello stampo alla parte inferiore e fissare insieme le due metà dello stampo. Verificare che il tappo osseo sia in posizione per impedire al terreno di tessuto di entrare nello spazio del midollo durante il versamento.
- Posizionare lo stampo in modo che l'apertura sia rivolta verso l'alto e versare il mezzo di tessuto a 46 °C nella cavità dello stampo. Rimediare a qualsiasi perdita del mezzo di tessuto dallo stampo utilizzando un contenitore di spolverino d'aria rovesciato spruzzando direttamente il mezzo di tessuto caldo con il contenitore per raffreddarlo rapidamente. Trasferire lo stampo riempito in un frigorifero a 4 °C per almeno 6 ore o fino a quando il mezzo di tessuto non si è stabilizzato.
- Smontare lo stampo e rimuovere il trainer e i perni di supporto. Rimuovere il tappo osseo, riempire lo spazio del midollo con il "midollo osseo" simulato creato in 5.2 e sostituire il tappo osseo. Posizionare i trainer in un sacchetto di plastica e conservare l'assemblaggio a 4 °C o -20 °C fino al momento necessario per l'allenamento.
6. Formazione dei compiti
- Rimuovere il trainer di attività dalla conservazione e lasciarlo raggiungere la temperatura ambiente. Se non è già sul posto, aggiungere materiale midollare simulato dal passaggio 5.2 per istruzione in 5.5.
NOTA: Consentire al trainer di riscaldarsi a temperatura ambiente migliora l'esperienza di simulazione. - Esegui la formazione sui formatori delle attività. Istruire i tirocinanti a posizionare aghi IO (Figura 2A) e aspirare il midollo osseo simulato (Figura 2B) secondo i normali passaggi del posizionamento della linea IO.
- Dopo l'allenamento, smontare i formatori per recuperare il tessuto, il mezzo e le ossa.
NOTA: Dopo la manipolazione, le ossa del trainer IO avranno fori creati dall'inserimento della cannula della linea IO. Questi fori possono essere riempiti con PLA utilizzando una penna per stampante 3D portatile, o in alternativa le ossa possono essere scartate. - Rimontare e riutilizzare i materiali rigenerati per l'addestramento successivo come da sezione 5.In alternativa, fondere il mezzo di tessuto verso il basso, recuperare secondo 5.1.4 e conservare a 4 °C o -20 °C, se non immediatamente necessario.
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Representative Results
Seguendo il protocollo, la modellazione del task trainer ha utilizzato una TAC di un paziente de-identificato. La segmentazione delle immagini CT ha utilizzato il software 3D Slicer e Auto Meshmixer per la modellazione 3D. Per la stampa 3D, sono stati utilizzati sia 3D Simplify che Prusa i3 MK3 (Figura 1). Successivamente, abbiamo completato l'assemblaggio delle parti stampate in 3D, preparato la miscela di supporti di tessuto e versato la miscela di supporti nello stampo del trainer di attività assemblato. Dopo un periodo di formazione con il task trainer, il terreno tessuto è stato recuperato e riutilizzato nell'assemblaggio di nuovi trainer.
La scansione TC dell'articolazione del ginocchio sinistro di un paziente utilizzata per la modellazione 3D comprendeva 6-7 cm di ossa della tibia e del perone sotto il ginocchio, 2-3 cm di osso del femore sopra il ginocchio e la rotula. Durante l'esecuzione di questo protocollo, gli artefatti visti nella scansione CT risultanti dalla sovrapposizione tra diversi segmenti anatomici sono stati scartati manualmente in Meshmixer dopo aver esportato ciascun segmento in STL ed eseguito l'operazione "flip normals". Le maglie STL dell'osso tibiale sinistro e del tessuto sono state modificate per ridurre la complessità anatomica della superficie della cavità midollare. Sono state generate strutture di supporto per fissare il femore, la tibia, il perone e la rotula l'uno all'altro. Una "struttura del tutore" di supporto è stata aggiunta in Fusion 360 per aiutare a potenziare la sottile struttura del perone dell'osso alla tibia, impedendo così che questo osso si rompa.
La struttura dello stampo era costituita da un solido rettangolare, separato in una struttura superiore e inferiore, e da un canale di 2,5 mm per contenere il cavo di schiuma di silicone sul perimetro del profilo del segmento di tessuto. Le strutture dei perni di supporto, i canali dei pin di allineamento e il ricevitore del tappo osseo sono stati aggiunti alle strutture ossee e dello stampo importando le strutture applicabili nel modello (Figura 3). Lo stampo è stato progettato in modo tale che due gruppi di 41 mm di Supporting Pin Assembly fossero sufficienti per supportare e sospendere correttamente le strutture ossee all'interno della cavità tissutale. Un'apertura fatta per esporre la cavità del tessuto facilitava il versamento del mezzo di tessuto tagliando una struttura cilindrica del corpo dalla parte anteriore della struttura dello stampo.
Dopo aver finalizzato lo stampo e le strutture ossee in Fusion 360, i seguenti quattro . I segmenti STL sono stati creati esportando il modello: 1) ossa, 2) scatola dello stampo inferiore, 3) scatola dello stampo superiore e 4) hardware del modello (2 x 41 mm che supportano i perni, 2x i fondi dei perni di supporto e 1x il tappo osseo). Successivamente, quattro segmenti STL sono stati importati in Simplify 3D e sono stati generati i file GCODE rappresentativi per questi segmenti per la stampa utilizzando un ugello da 0,4 mm e un'altezza dello strato di 0,3 mm a una velocità di stampa di 100 mm/s. La tabella 1 elenca i tempi di stampa e le stime del fabbisogno di materiale del filamento PLA utilizzando le impostazioni precedentemente menzionate quando tutti i segmenti sono stati stampati su stampanti Original Prusa MK3. La rapida incorporazione dei componenti del mezzo tissutale (gelatina) è essenziale per ottenere un prodotto finale coerente e omogeneo. La quantità di terreno tessuto utilizzato varia a seconda del modello di trainer assemblato. Un esempio del design e dei volumi effettivi del mezzo tissutale utilizzato nel modello Task Trainer per l'inserimento di IO tibiale è mostrato nella Tabella 2.
Per sformare il trainer delle attività, i dispositivi di compressione sono stati allentati, la parte superiore e inferiore dello stampo sono state separate e i perni di supporto 2 x 41 mm sono stati ruotati e rimossi dalle ossa. La cavità del midollo osseo è stata quindi riempita con una soluzione midollare simulata e un tappo osseo è stato inserito saldamente. Il formatore finale è stato quindi ripreso con una scansione TC per la misurazione di punti di riferimento e segmenti anatomici. I risultati dimostrano il posizionamento di una linea IO di un formatore di attività ad alta fedeltà (Figura 4). Il trainer di attività appena modellato è stato quindi inserito in un sacchetto con chiusura a cerniera, restituito al frigorifero e conservato per l'uso in una futura sessione di allenamento.
Sono stati assemblati formatori di compiti trasparenti e opachi (Figura 5) per le sessioni di formazione sul posizionamento della linea IO. Un totale di 40 istruttori di compiti (20 tibia e 20 humeri) sono stati utilizzati durante una formazione di mezza giornata sul posizionamento della linea IO offerta al Dipartimento di Anestesiologia presso la nostra istituzione. Sia i docenti che i tirocinanti hanno partecipato a questa formazione. Ogni partecipante ha avuto 15 minuti di interazione pratica con entrambi i task trainer (tibia e omero) e l'attrezzatura necessaria per eseguire il posizionamento della linea IO. I dati preliminari sui vantaggi e gli svantaggi dei formatori e sui miglioramenti dei formatori di compiti sono stati raccolti immediatamente dopo.
I vantaggi identificati dai partecipanti specifici per l'uso del trainer includevano: a) alto livello di somiglianza anatomica, b) capacità di trovare punti di riferimento anatomici, c) sensazione tattile simile al tessuto, d) riproducibilità della procedura praticata, e) capacità di aspirare il midollo osseo per fornire feedback sul completamento del compito e f) feedback tattile appropriato durante la perforazione nell'osso. La capacità di recuperare e riutilizzare il trainer e il basso costo del trainer sono state caratteristiche importanti identificate dai partecipanti. Inoltre, docenti e tirocinanti hanno suggerito di aggiungere uno strato di pelle o tessuto per assomigliare più da vicino al feedback tattile della pelle e aumentare la lunghezza degli arti. Dopo la formazione, il terreno di coltura è stato recuperato e riutilizzato (Figura 1).
Figura 1: Diagramma di flusso raffigurante il processo per creare un trainer di attività di posizionamento della linea intraossea. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Posizionamento della linea intraossea con un trainer tibiale eseguito utilizzando un trainer con mezzo di tessuto opaco. (A) Perforazione nell'osso con un trapano di posizionamento IO disponibile in commercio. (B) Aspirazione del midollo in caso di successo del posizionamento della linea IO. Abbreviazione: IO = intraosseo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 3: componenti progettati in 3D e stampati in 3D che compongono il trainer tibiale del compito. (A) tibia progettata in 3D; (B) tibia stampata in 3D; (C) stampo progettato in 3D e del tessuto che circonda la tibia e gli spilli; (D) Stampo stampato in 3D del tessuto che circonda la tibia e gli spilli. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 4: I supporti tissue opachi e trasparenti consentono la personalizzazione dell'allenamento . (A) e (C) rappresentano un trainer per compiti omero e tibiale realizzato con mezzo di tessuto opaco. (B) e (D) rappresentano un addestratore di omero e tibiale realizzato con mezzo trasparente. Si noti la visibilità delle strutture scheletriche con mezzo di tessuto trasparente. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 5: Le distanze anatomiche sono simili tra i dati di scansione TC utilizzati per creare il trainer di attività e dal trainer di omero di posizionamento della linea IO completamente assemblato. (A) Spessore osseo (mm), (B) profondità della pelle (mm) e (C) il solco tendineo (mm) dei dati della TAC è anatomicamente simile al (D) Spessore osseo (mm), (E) profondità della pelle (mm), e (F) solco tendineo nella TAC dei formatori di omero completamente assemblati. Abbreviazioni: CT = tomografia computerizzata; IO = intraosseo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
| Struttura | Tempo di stampa approssimativo (h) | Requisiti di filamento PLA (stimati, in g) | Costo del materiale (dollari) |
| Scatola Top | 32 | 800 | 16.00 |
| Fondo scatola | 17 | 450 | 9.00 |
| Ossa | 9 | 200 | 4.00 |
| Hardware | 2 | 16 | 0.32 |
Tabella 1:Elenco dei tempi e dei costi di ciascun componente richiesto.
| Struttura | Volume (L) | Costo stimato |
| Cavità tissutale | 2,06 L | n/d |
| Struttura ossea | 0,313 L | n/d |
| Cavità tissutale – Struttura ossea | 1,747 L | $35 (recuperabile) |
| Cavità del midollo | 0,075 L | US$ 0,25 |
Tabella 2: Volumi dei supporti tissutali.
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Discussion
In questo protocollo descriviamo in dettaglio il processo di sviluppo di un task trainer 3D per addestrare la procedura raramente eseguita e salvavita del posizionamento della linea IO. Questo protocollo autoguidato utilizza la stampa 3D per produrre la maggior parte delle strutture del modello, mentre il resto dei componenti utilizzati per assemblare il trainer sono materiali onnipresenti, facilmente ottenibili e non tossici che possono essere recuperati e riutilizzati. Il trainer di attività 3D è a basso costo e richiede competenze minime per creare e assemblare. Abbiamo utilizzato con successo il nostro formatore di attività di posizionamento della linea 3D IO nelle sessioni di formazione del Dipartimento di Anestesiologia dell'UNMC, che includevano una dimostrazione e una pratica pratica da parte di docenti e tirocinanti presenti. I dati di fattibilità raccolti durante la formazione hanno indicato che i partecipanti concordavano sul fatto che i formatori avevano un alto grado di fedeltà anatomica all'anatomia reale del paziente ed erano ulteriormente soddisfatti del feedback tattile del dispositivo.
Le fasi critiche nella produzione di un task trainer sono state suddivise in due sezioni: progettazione e fabbricazione 3D; Assemblaggio del formatore di attività. Durante la creazione dei modelli 3D utilizzati per formare i formatori delle attività, è stata fondamentale un'adeguata segmentazione. Senza il rispetto della precisione anatomica, il prodotto finale potrebbe non essere corretto. La segmentazione della soglia richiede attenzione all'area di interesse del formatore delle attività per garantire che i dettagli della superficie siano presenti per dare ai modelli la forma e lo spessore corretti. Lo spessore della tibia e dell'omero è particolarmente importante per fornire un feedback tattile sufficiente durante il posizionamento simulato della linea IO. Il processo di segmentazione dei componenti tissutali e ossei può richiedere incredibilmente tempo poiché le scansioni TC utilizzano spesso agenti di contrasto iodati, che hanno intervalli HU sovrapposti con quelli dell'osso. Pertanto, le strutture anatomiche permeate di contrasto iodato possono essere incluse in modo inappropriato all'interno dei segmenti ossei.
La preparazione e la conservazione appropriate dei terreni di tessuto sono fondamentali. Il rispetto delle temperature stabilite all'interno del protocollo è necessario per prevenire danni alle strutture stampate in 3D e garantire la massima longevità dei supporti tissutali. In particolare, i terreni tissutali devono rimanere freddi o congelati e coperti di plastica quando non vengono utilizzati per prevenire la crescita microbica e la disidratazione. La disponibilità e l'accuratezza delle scansioni TC del paziente possono imporre limitazioni alla creazione del trainer di attività della linea IO. Sembrano esserci limiti alla generazione di modelli per quanto riguarda i requisiti per la stampa 3D. Durante il processo di stampa 3D strati di termoplastica vengono depositati sopra strati precedenti o materiale di supporto. Alcuni modelli e formatori proposti prodotti da questo processo possono superare i limiti di dimensione di una stampante 3D e richiedere la modifica delle dimensioni della stampante o dei componenti per consentire una stampa che mantenga gli aspetti critici del trainer (come lo spazio del midollo per i modelli IO). Altri formati adatti per la creazione di task trainer includono la risonanza magnetica. Tuttavia, la modalità di imaging visualizza diversi tipi di dati, che richiedono modifiche a questo protocollo.
Questo trainer di posizionamento della linea IO ha diverse caratteristiche innovative, tra cui un costo ridotto rispetto ad altri istruttori di attività e la possibilità di personalizzare il trainer di attività in diversi siti anatomici (omero e tibia) e varie anatomie, tra cui maschio o femmina, e indice di massa corporea alto e basso. Inoltre, la miscela di supporti tissutali può essere preparata in diverse opacità, consentendo diversi livelli di visualizzazione di strutture scheletriche o punti di riferimento, se lo si desidera. Data la sua accuratezza anatomica e la natura riutilizzabile dei suoi sottocomponenti, questo task trainer offre opportunità uniche di formazione sulle procedure mediche e di ricerca sulla simulazione, incluso il trasferimento di competenze procedurali da un ambiente di simulazione o formazione a un ambiente di test o clinico. Gli attributi ad alta fedeltà e a basso costo di questo task trainer lo rendono una scelta eccellente per valutare l'acquisizione e il degrado delle abilità procedurali nei tirocinanti e nei fornitori di assistenza sanitaria. Inoltre, la superiore fedeltà anatomica del formatore offre l'opportunità di valutare l'impatto dell'ergonomia sulle cicatrici dell'allenamento e sul degrado della struttura del formatore, che è un argomento di interesse in rapida evoluzione in questo campo17. Nel complesso, l'uso di questo strumento può promuovere una migliore comprensione delle migliori pratiche nella simulazione medica18.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Il finanziamento per questo progetto è stato fornito esclusivamente da risorse istituzionali o dipartimentali.
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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