本文展示了四种用于超声引导下区域麻醉培训的定制弹道明胶超声体模的设计与制备方法。我们使用计算机辅助设计软件对体模进行设计,通过3D打印模型制作硅胶模具,随后将熔化的弹道明胶倒入模具中,形成定制的组织层。
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本文展示了四种用于超声引导下区域麻醉培训的定制弹道明胶超声体模的设计与制备方法。我们使用计算机辅助设计软件对体模进行设计,通过3D打印模型制作硅胶模具,随后将熔化的弹道明胶倒入模具中,形成定制的组织层。
超声模拟体模——作为活体人体组织的替代品——使学习者能够在不给患者带来额外风险的情况下练习超声引导下的区域麻醉技术。基于明胶的体模为教育工作者提供了耐用且可重复使用的训练工具;然而,市面上可购得的凝胶类体模价格昂贵。本文中,我们探讨制备耐用、低成本的弹道凝胶基超声体模的方法,适用于正中神经、股神经、腹股沟上髂筋膜平面以及前锯肌平面神经阻滞,并提供一种可用于任何超声引导下神经阻滞操作的体模制备方法学。
采用计算机辅助设计(CAD)软件设计了四种模拟正中神经、股神经、腹股沟上髂筋膜平面及前锯肌平面神经阻滞解剖结构的模型,包括相关解剖标志和组织平面。通过3D打印技术制作出所需组织平面的塑料模型,并用于制备硅胶模具。将弹道凝胶加热融化后与面粉及染料混合,制成液态、具有回声特性的弹道凝胶,随后注入硅胶模具中。使用金属棒在弹道凝胶中预留空腔以模拟血管。将纱线浸入超声耦合凝胶中以模拟神经。模拟骨骼则通过计算机辅助设计建模并经3D打印制成。
弹道凝胶是一种多功能且耐用的介质,可用于模拟多种组织,并可熔化后塑造成任意形状。在超声成像下,这些模型能够提供逼真的组织层面,反映出皮肤、肌肉和筋膜不同层次之间的边界。肌肉组织层、神经、血管和骨骼的回声特性真实,骨骼后方具有明显的声影,与人体中的表现一致。每个模型的制作成本为:首个模型200美元,后续每个60美元。这类模型的设计需要一定的技术能力,但其成本仅为商用同类产品的4%。
超声模拟体模——作为活体人体组织的替代品——使学习者能够在不给患者带来额外风险的情况下练习包括超声引导下区域麻醉(UGRA)在内的医疗操作1。虽然大多数体模通常通过液态硅橡胶注塑成型制造,但也可以使用灵活且成本较低的材料自制定制体模。豆腐、猪肉和牛肉等有机组织价格低廉,但容易变质且难以加工成型2。人体尸体组织在解剖结构准确性方面最为理想,但获取和保存均困难且成本高昂1。近年来,虚拟现实技术已被用于提供UGRA培训;然而,触觉反馈是操作技能学习的关键组成部分,却很少被实现。即使某些软硬件混合模型能够提供高保真的视觉效果和触觉反馈,实施此类培训所需的硬件和软件通常价格昂贵,难以普及3。基于明胶的体模在成本、使用寿命和仿真度之间实现了良好平衡2。
弹道明胶模型可从商业渠道获得,但对于在医学模拟中心大量使用的易耗资源而言,其价格昂贵。小型、简单的基于明胶的超声体模,具有均质的实质组织和两个或三个模拟血管,零售价高达数百美元。例如,CAE Blue Phantom基础超声培训模块售价超过800美元4。针对特定神经阻滞操作的高保真体模则售价数千美元。CAE Blue Phantom股神经区域麻醉超声培训模型售价为5,000美元(表1)5。为了降低成本,教育工作者已尝试使用明胶或其他低成本或可重复使用的材料自制体模6,7,8。添加面粉、玉米淀粉、石墨粉和美达施(Metamucil)等添加剂可用于增加明胶的不透声性,并定制体模的回声特性,从而提高其保真度8,9,10,11,12,13,14。
以往自制的明胶基神经阻滞训练模型要么无法充分模拟超声下神经的外观,要么使用了易腐材料,从而限制了其保质期15,16。即使不考虑这些缺陷,先前的模型也未包含相关的解剖标志和筋膜平面,无法让受训者练习特定的神经阻滞操作。本文探讨了用于制作前臂正中神经、股神经、腹股沟上髂筋膜平面及前锯肌平面神经阻滞的耐用、低成本弹道明胶超声体模,并提出一种可适用于任何超声引导下神经阻滞操作的体模制备方法。
本项目中,作者 JR 和 PS 自愿作为超声检查的受试者,并已获得两人的口头同意。对于遵循本方案的研究者,在使用患者或人类志愿者作为研究对象之前,须先获得伦理委员会或机构审查委员会(IRB)的批准。
1. 模体设计与硅胶模具制备

图 1:从人体受试者获得的代表性超声图像。 来自志愿者人体受试者的(A)正中神经、(B)股神经、(C)腹股沟上髂筋膜平面和(D)前锯肌平面神经阻滞模型的代表性图像。缩写:A = 动脉;V = 静脉;M = 正中神经;F = 股神经;RAD = 桡骨;U = 尺骨;AIIS = 髂前下棘;R = 肋骨;SART = 缝匠肌;IL = 髂肌;IO = 腹内斜肌;SA = 前锯肌;LD = 背阔肌。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:神经阻滞超声体模的横截面示意图。 (A)正中神经,(B)股神经,(C)腹股沟上髂筋膜间隙,以及(D)前锯肌平面神经阻滞超声体模。示意图的设计依据为图 1中所示的代表性人体超声图像。请点击此处查看此图的放大版本。

图3:正中神经阻滞模型组件的制备。(A)用于打印正中神经阻滞模型各组织层塑料模型的计算机辅助设计文件的代表性图像。(B)正中神经阻滞模型各组织层的硅胶模具,包括插入用于在弹道凝胶中形成血管的金属棒。(C)将加热熔化的染色弹道凝胶倒入硅胶模具中。(D)在血管内填充模拟血液后,使用液态弹道凝胶密封模拟血管的开放端。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 其他模体标记的创建
3. 弹道凝胶的熔化与浇注
4. 模体组装

图 4:正中神经阻滞超声模拟体的组装。 (A)正中神经阻滞模拟体的各拆分组件,包括弹道凝胶组织层、3D打印的桡骨和尺骨、浸没在超声耦合剂中的纱线制成的模拟正中神经、一瓶超声耦合剂,以及盛有液态弹道凝胶的托盘。(B)正中神经阻滞模拟体的组装过程,包括将组织层和覆盖有超声耦合剂的模拟骨骼插入。(C)通过将模拟体一端浸入液态弹道凝胶托盘中,实现一端的密封。(D)在完成的正中神经阻滞模拟体表面倾倒液态弹道凝胶,形成一层伪皮肤。请点击此处查看该图的高清版本。
使用上述方法成功设计并制备了四种超声体模。每种模型的超声横截面与相应的人体解剖结构超声图像的对比如图5所示。在超声成像下,这些体模可提供逼真的组织层面,代表皮肤、肌肉和筋膜不同层次之间的分界。肌肉组织具有适当且均匀的回声性,该回声性可根据 ballistic gel 熔融过程中添加的面粉量进行调节。与背景肌肉组织相比,筋膜边界呈强回声。纱线表现为不规则强回声,边界清晰,可恰当地模拟神经的外观。纱线位于组织层之间,体模的这一部分可容纳液体注射,以模拟神经阻滞过程中局部麻醉药的注射。此外,向 ballistic gel 块内注射时所遇到的阻力明显大于向模拟筋膜平面注射时的阻力,这可能为学习者提供有益的操作反馈。由 ABS 耗材制成的3D打印块在超声下可适当地模拟人体骨骼的强回声皮质和声影现象。模拟血管表现为无回声,边界清晰,与其活体人类对应结构的表现一致。在练习相关超声引导操作时,可用针头抽取染色水以确认是否进入血管内。

图5:超声体模与人体受试者获得的代表性超声图像对比。 (A) 中位数,(B)股骨的,(C) 腹股沟上髂筋膜平面,以及(D前锯肌平面神经阻滞超声体模(左)与人体受试者(右)。对于每个超声体模(左),通过扫描获得的多张静态图像拼接而成,以展示超声下完整的体模结构。图像未作其他修改。黄色虚线框表示超声体模中与右侧对应人体图像区域相对应的部分。缩写:A = 动脉;V = 静脉;M = 正中神经;F = 股神经;RAD = 桡骨;U = 尺骨;AIIS = 髂前下棘;R = 肋骨;SART = 缝匠肌;IL = 髂肌;IO = 腹内斜肌;SA = 前锯肌;LD = 背阔肌。 请点击此处以查看此图的放大版本。
补充文件1:用于正中神经阻滞超声模拟器各目标组织层的塑料模型计算机辅助设计。 请点击此处下载该文件。
补充文件 2:用于股神经阻滞超声模拟体模中各目标组织层的塑料模型的计算机辅助设计。 请点击此处下载该文件。
补充文件3:用于腹股沟上髂筋膜平面阻滞超声体模的各目标组织层塑料模型的计算机辅助设计。 请点击此处下载该文件。
补充文件4:前锯肌平面阻滞超声模拟体中各目标组织层塑料模型的计算机辅助设计。 请点击此处下载该文件。
补充视频 S1:在超声模拟器上添加拟肤以进行正中神经阻滞。 在已完成的超声模拟器表面涂抹少量超声凝胶后,倒入液态弹道凝胶,可形成一层薄薄的覆盖层,其触感和移动方式均类似于真实皮肤。本视频展示了该拟肤在受压时模拟人类皮肤移动的能力。请点击此处下载该文件。
这些基于定制 ballistic 凝胶的模拟体为受训者提供了中等保真度的正中神经、股神经、腹股沟上髂筋膜平面和前锯肌平面神经阻滞训练,其成本仅为市售神经阻滞模拟体的一小部分(表1)。我们自制的首个正中神经和股神经阻滞训练模型的成本分别仅为市面上最便宜的同类产品价格的12%和9%。目前所有市售的股神经阻滞模拟体均无法模拟腹股沟上的髂筋膜阻滞入路,而我们的模型可以实现这一功能。此外,我们未发现有任何市售的前锯肌平面超声模拟体。
表1:市售超声引导区域麻醉模拟体模的汇总。 请点击此处下载该表格。
在过去的十年中,3D打印技术变得越来越普及且价格更加亲民。例如,本实验方案中使用的Original Prusa i3 MK3S+ 3D打印机,尽管并非最新版本,价格仅为649美元19。即使是体积更小的Prusa MINI+,也足以用于制作本文所述的模型,价格仅为429美元20。这些打印机的大多数替换部件本身也是通过3D打印制成的,进一步降低了维修成本。学生和教职员工通常可通过所在机构的创客空间或设计实验室免费使用3D打印机。如今,使用计算机辅助设计(CAD)软件来设计可打印的三维模型比以往更加便捷,其中一些软件可免费获取21。
设计3D打印模型和模拟骨骼所需的时间取决于用户对CAD软件的熟练程度和熟悉程度;然而,此过程可以使用FreeCAD等免费软件完成,或通过使用主机机构授权的CAD软件来实现21。制作每层组织的硅胶模具并不耗时。硅胶价格为每千克28美元,每个模型需要4至6千克硅胶(总计140美元)。由于硅胶模具可重复使用,因此这是一次性支出。
我们使用的商用弹道凝胶每千克价格为86美元,每个模型大约需要0.7千克,即每个模型的材料成本为60美元。用于模具成型的3D打印结构所需聚乳酸(PLA)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)线材成本可忽略不计。我们有两个模型各需要100毫米纱线,纱线单价为每米10美元,即每个模型纱线成本为0.01美元。总体而言,制作第一个模型的成本约为200美元,之后每个模型的制作成本为60美元。生产过程需要1个人工小时,以及3至4小时的凝胶加热与冷却时间。在同一时间段内,我们能够同时制作四个模型。
弹道凝胶是一种理想的介质,因其具有良好的通用性。它可用于模拟多种组织,并可熔化后浇铸成任意形状。凝胶固化后,任何缺陷或针孔均具有一定的自愈能力,还可使用热风枪进一步修复。如果模型出现错误,或因损坏或过度使用而失效,弹道凝胶组分始终可以拆解、清洗并重新熔化,实现再利用,材料损耗极小。弹道凝胶还具有成本效益。尽管其单价为每千克86美元,是此类模型中最昂贵的组分,但这些模型仍远比市售的超声体模更为经济(表1)。既往已有研究描述使用自制明胶制备的体模,其成本可能更低,但此类体模即使存放在冰箱中,也会在数天至数周内出现霉变16。我们已将体模在洁净、干燥的室温环境中存放数月乃至数年,未出现腐败或降解现象。
在超声引导神经阻滞模型中,使用明胶模拟神经对教育工作者而言一直存在困难。以往的尝试曾采用动物肌腱22,23,24、电线25、木棒25、鞋带26、金属棒27、成捆橡皮筋15、泡沫材料28、豌豆29、意大利面30,甚至网线31作为模拟物。这些材料存在不够真实、易腐坏,或在超声下产生明显后方声影等缺陷。我们采用一种常见的家用材料——毛线,以每米仅0.10美元(每个模型仅0.01美元)的成本,制备出逼真度高且几乎无后方声影的模拟神经。
由于ABS细丝比PLA具有更高的耐热性,在该方法开发过程中的后续步骤中PLA会发生翘曲,因此选用ABS细丝进行仿生骨的3D打印。我们尽可能提高烘烤温度,以缩短熔化时间,降低黏度并减少气泡数量。这有助于将熔融材料更顺畅、更充分地注入硅胶模具中,同时保持温度低于凝胶的燃点,从而避免产生过多烟雾。
这些模拟体的主要缺点在于设计和制作所需的时间和精力。使用计算机辅助设计(CAD)来设计组织层面需要专业技术,而对模型进行3D打印则需要掌握3D打印机的基本操作知识,包括对STL文件进行切片、选择合适的线材,以及确定相应的参数和打印温度。为每一层组织制作硅胶模具会增加成本,因为硅胶是本方案中第二昂贵的材料,价格为每千克28美元。然而,这些硅胶模具耐用且可重复使用,一旦制成,便可用于制作大量超声模拟体。其他缺点还包括掌握弹道凝胶的混合与浇注技术需要一定的学习过程,以及与高保真商业模拟人相比,这些模拟体缺乏技术集成性。尽管如此,我们认为该模型设计在制作简便性、材料易得性、可定制性、低成本以及可回收性等方面的优势远超过其不足之处。我们希望其制作方法的推广能够促进那些无力频繁更换昂贵商业医学模拟设备的机构更好地开展神经阻滞操作培训。未来的研究应探索针对其他神经阻滞操作的定制化模拟体,并评估使用这些模拟体的受训人员相较于同龄人在满意度和临床操作表现方面的差异。
本文作者无任何利益冲突需要披露。
本项目由位于加利福尼亚州拉霍亚的加州大学圣地亚哥分校医学院模拟培训中心(STC)资助。我们感谢 Blake Freechtle 对图5的贡献。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ABS 线材 - 1.75 mm | Hatchbox (Pomona, CA) | https://www.hatchbox3d.com/collections/abs-1-75mm | |
| Adobe Photoshop | Adobe (San Jose, CA) | https://www.adobe.com/products/photoshop.html | |
| 琥珀色调染料 | Humimic Medical (Greenville, SC) | 852844007925 | 弹道凝胶染料;https://humimic.com/product/amber-tone-dye/ |
| Fusion 360 | Autodesk (San Franciso, CA) | 计算机辅助设计(CAD)软件;https://www.autodesk.com/products/fusion-360/overview?term=1-YEAR&tab=subscription&plc=F360 | |
| 明胶 #1 - 按磅出售的医用明胶 | Humimic Medical (Greenville, SC) | 852844007406 | 弹道凝胶;https://humimic.com/product/gelatin-1-medical-gelatin-by-the-pound/ |
| 无麸质通用面粉 | Arrowhead Mills (Hereford, TX) | 用于增强回声性的面粉;https://arrowheadmills.com/products/gluten-free/organic-gluten-free-all-purpose-flour/ | |
| Microsoft PowerPoint | Microsoft (Redmond, WA) | https://www.microsoft.com/en-us/microsoft-365/powerpoint | |
| Mold Star 16 FAST 可浇注硅橡胶 | Smooth-On (Macungie, PA) | 可浇注硅橡胶;https://www.smooth-on.com/products/mold-star-16-fast/ | |
| 桃色调染料 | Humimic Medical (Greenville, SC) | 852844007895 | 弹道凝胶染料;https://humimic.com/product/peach-tone-dye/ |
| PLA 线材 - 1.75 mm | Hatchbox (Pomona, CA) | https://www.hatchbox3d.com/collections/pla-1-75mm | |
| Prusa Original i3 MK3S+ 打印机 | Prusa Research (Prague, Czech Republic) | 3D 打印机;https://www.prusa3d.com/category/original-prusa-i3-mk3s/ | |
| Prusa Slicer 2.6.1 | Prusa Research (Prague, Czech Republic) | 3D 打印机切片软件;https://www.prusa3d.com/page/prusaslicer_424/ | |
| Wool-Ease Thick & Quick 纱线 | Lion Brand Yarn (Lyndhurst, NJ) | 640-610B | 用于模拟神经的纱线;https://www.lionbrand.com/products/wool-ease-thick-and-quick-yarn?variant=32420963516509 |