我们介绍一种将计算机断层扫描(CT)图像处理为高保真、可重复使用且低成本的操作训练模型的流程。文中详细描述了CT扫描图像的识别、导出、分割、建模及3D打印全过程,并讨论了该过程中遇到的问题与经验总结。
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我们介绍一种将计算机断层扫描(CT)图像处理为高保真、可重复使用且低成本的操作训练模型的流程。文中详细描述了CT扫描图像的识别、导出、分割、建模及3D打印全过程,并讨论了该过程中遇到的问题与经验总结。
操作任务训练模型的描述包括将其作为培训工具,在安全的环境中通过重复练习操作步骤,以磨练技术技能,最终在患者身上实施该操作。目前可用的许多操作任务训练模型存在若干缺点,包括解剖结构不真实,以及在训练材料经历反复操作后容易形成使用者自行建立的“解剖标志”,这可能导致不恰当的运动技能发展。为了改善这些缺点,已开发出一种高保真操作任务训练模型的制作流程,该模型基于从计算机断层扫描(CT)获取的解剖结构,利用普遍可用的三维(3D)打印技术和市售的常规材料制成。
该方法包括创建一个3D打印的组织模具,用于复制围绕目标骨骼结构的组织形态,以包裹悬浮在组织内的骨性骨骼结构(同样为3D打印)。随后将一种组织介质混合物倒入模具中,该混合物在高保真几何形态和组织密度方面均接近真实组织,并使其凝固定型。在利用该任务训练器完成操作训练(如骨内输液通路置入)后,组织介质、模具和骨骼均可回收,并可重新用于制作新的任务训练器,避免了穿刺点和操作损伤,适用于后续的培训课程。
操作技能的患者护理能力是培养民用和军用医疗领域受训人员的关键组成部分1,2。操作技能的培养对于麻醉学3等操作密集型专科以及一线医务人员尤为重要。任务训练器可用于练习多种操作,其技能水平涵盖从一年级医学生或医疗技术人员到高年资住院医师或进修医师的各个阶段。尽管许多医疗操作需要大量培训才能完成,但本文所介绍的任务——骨内通路(IO通路)建立——较为简单,所需技术难度较低。经过相对较短时间的培训即可成功完成IO通路的建立。在医学培训中使用模拟训练(包括使用任务训练器)已被公认为一种有效工具,可在安全、低压力的环境中通过反复练习和演练临床操作,帮助学习者掌握技术性操作技能,之后再应用于实际患者2,4,5。
可以理解的是,尽管关于模拟培训对患者结局影响的数据尚不充分6,7,但在医学教育环境中,模拟培训已被广泛接受,并似乎已成为一种常规手段。此外,近期发表的研究表明,模拟培训可通过改善团队协作和决策能力,从而提升团队表现和患者结局。然而,目前仍缺乏证据表明模拟培训能够提高实施关键性、挽救生命操作的速度或成功率8,9,这提示模拟培训在医疗人员教育中具有复杂性和多维性。对于无法或不宜建立标准静脉通路的患者,可采用骨内通路(IO)置管技术快速建立血管通路,且该操作所需技术较为简单。及时且成功地完成该操作至关重要,尤其在围手术期环境或创伤场景中尤为关键10,11,12。由于在围手术期区域实施IO置管操作的频率较低,但该操作可能具有挽救生命的作用,因此在非临床环境中进行培训至关重要。一种解剖结构精确、专用于IO置管操作的训练模型,是为该操作提供可预测培训频率和技能发展的理想工具。
尽管目前广泛使用,现有的商用操作训练模型仍存在若干显著缺陷。首先,允许反复进行操作练习的训练模型价格昂贵,不仅初始购置成本高,而且需要持续更换可替换部件(如硅胶皮肤贴片),导致使用成本进一步增加。其结果往往是部件更换不及时,残留明显的操作痕迹,使受训者获得次优的训练体验;而真实患者并不会预先标记出应进行操作的部位。另一个缺点是,传统训练模型的高昂成本可能导致使用者难以随时获取设备,因为这些设备通常被锁在受保护的存储区域,以防止丢失或损坏。这导致训练者必须严格安排且难以获得充足的练习时间,从而必然限制了临时性训练的开展。最后,大多数训练模型被认为是低仿真度5,13,14,仅使用代表性解剖结构,可能导致运动技能发展不当或形成错误的操作习惯。低仿真度训练模型还使得对技能习得、掌握程度及技能退化的全面评估变得极为困难,因为在低仿真度设备上的训练可能无法充分模拟真实世界中的实际操作过程。
典型的解剖结构也会妨碍对心理运动技能获取与掌握情况的准确评估。此外,如果某些心理运动技能在临床操作中无法体现,则评估这些技能从模拟医疗环境向实际患者护理的迁移效果几乎不可能实现。这导致人们难以就医学模拟培训对患者预后的影响能力达成共识。为了克服成本、解剖准确性以及可及性方面的挑战,我们开发了一种低成本、高保真的骨髓腔内输液(IO)通路操作训练模型。该训练模型基于真实患者的CT扫描数据构建,因而具备精确的解剖结构(图1)。所用材料普遍易得,且各组件相对容易回收再利用。与许多其他 commercially available 的训练模型相比,本文所述训练模型的成本较低,显著降低了将其限制在不易接触、受保护场所使用的必要性,从而使得在无明显磨损标记的情况下进行多次重复训练成为可能。
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注意:内布拉斯加大学医学中心机构审查委员会确定,本研究不构成涉及人类受试者的研究。当地机构审查委员会已获得伦理批准,并豁免了知情同意要求。根据医院的去标识化协议,在分析前已对影像数据进行了完全匿名化处理。
1. 数据
2. 分割
3. 三维建模
4. 3D 打印
5. 组装
6. 任务训练
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根据方案,任务训练器的建模使用了一位去标识化患者的CT扫描图像。CT图像的分割采用3D Slicer软件和Auto Meshmixer进行3D建模。3D打印过程使用了3D Simplify软件和Prusa i3 MK3打印机(图1)。随后,我们完成了3D打印部件的组装,配制了组织介质混合物,并将该混合物倒入组装好的任务训练器模具中。在使用任务训练器完成训练后,组织介质被回收并用于新任务训练器的组装。
用于三维建模的患者左膝关节CT扫描图像包含膝关节下方6-7 cm的胫骨和腓骨、膝关节上方2-3 cm的股骨以及髌骨。在本方案实施过程中,将各个解剖结构段导出为STL文件并执行“翻转法线”操作后,在Meshmixer中手动剔除了CT扫描图像中因不同解剖结构段重叠而产生的伪影。对左侧胫骨及组织的STL网格进行了修改,以降低骨髓腔表面的解剖复杂性。生成了支撑结构,用于将股骨、胫骨、腓骨和髌骨相互固定。在Fusion 360中添加了一个支撑“支架结构”,以增强腓骨薄弱部分与胫骨之间的连接,从而防止该骨骼断裂。
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在本方案中,我们详细介绍了用于培训罕见但挽救生命的操作——骨内通路(IO)置管术的三维(3D)任务训练模型的开发过程。该自导式方案主要采用3D打印技术制造模型的大部分结构,其余用于组装任务训练模型的组件均为常见、易于获取且无毒的材料,可回收并重复使用。该3D任务训练模型成本低廉,制作与组装过程无需专业技术。我们已成功将该3D骨内通路置管任务训练模型应用于内布拉斯加大学医学中心(UNMC)麻醉学系的培训课程中,课程内容包括由教员和受训人员共同参与的演示与实际操作练习。培训过程中收集的可行性数据显示,参与者普遍认为该任务训练模型在解剖结构上高度还原真实患者解剖特征,并对设备提供的触觉反馈表示满意。
任务训练器制作的关键步骤分为两个部分:3D设计与制造;任务训练器的组装。在创建用于制作任务训练器的3D模型时,充分的分割至关重要。若不遵循解剖学准确性,最终产品可能不准确。阈值分割需要重点关注任务训练器的目标区域,以确保表面细节完整,从而使模型具有正确的形状和厚度。胫骨和肱骨的厚度尤其重要,以在模拟骨髓腔内输液通路建立过程中提供足够的触觉反馈。由于CT扫描常使用含碘造影剂,而其HU值范围与骨...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本项目 funding 仅由机构或部门资源提供。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D 打印机耗材,聚乳酸(PLA),1.75 mm | N/A / Hatchbox | 用于 3D 打印模具、骨结构以及骨/模具配件的基材 | |
| 3D 打印机,Original Prusa i3 MK3 | Prusa | 用于打印模具、骨结构以及骨/模具配件 | |
| 螺栓,1/4”,平头/沉头或圆头,多种长度 | N/A | 在浇铸过程中用于固定模具外壳两半的紧固件 | |
| 塑料桶,5 加仑 | N/A | 用于在组织介质制备过程中盛放介质 | |
| 氯己定,4% w/v 溶液 | 组织介质中的抗菌添加剂 | ||
| 电钻,家用,3/8’ 卡盘 | N/A | 在组织介质制备过程中用于搅拌 | |
| 食用色素,红色(可选) | N/A | 模拟骨髓的着色添加剂 | |
| 明胶,无味 | Knox | 组织介质的基础成分 | |
| 六角螺母,1/4” | N/A | 在浇铸过程中用于固定模具外壳两半的紧固件 | |
| 不粘锅喷雾剂 | N/A | 脱模剂 | |
| 塑料袋,拉链密封式 | Ziplock | 用于储存组织介质 | |
| 洋车前子壳纤维,精细研磨,橙味,无糖(可选) | Procter & Gamble | Metamucil | 增加组织介质不透光性/回声性的添加剂 |
| 螺丝刀,一字/十字(与螺栓配件匹配) | N/A | 用于紧固模具外壳的硬件 | |
| 硅胶密封圈线材,3 mm,圆形,多种长度 | N/A | 模具外壳用密封垫材料 | |
| 喷雾型粘合剂,Super 77(可选) | 3M | 用于改善 3D 打印过程中打印平台的附着力 | |
| 搅拌桨/搅拌棒 | 在组织介质制备过程中用于搅拌 | ||
| 火鸡注射器,家用,60 mL | N/A | 用于将模拟骨髓注入骨髓腔 | |
| 超声耦合凝胶 | 模拟骨髓的基础成分 | ||
| 自来水 | 用于组织介质和模拟骨髓的制备 |
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