Name: 通过 3D 打印创建高保真、低成本、骨内线放置任务训练器 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-08-17T12:40:00.000+00:00
Duration: 11 min 45 s
Description: 学习使用CT扫描数据和3D打印技术创建高保真、可重复使用的医学任务训练器。该方法支持骨内线放置等程序性技能培训，具有解剖学精确性和成本效益，适用于医学教育和临床技能转移。

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本项目 funding 仅由机构或部门资源提供。

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
<ol>
	<li>获取CT扫描图像，以涵盖计划制作的模拟训练器所涉及的解剖结构。需注意所用3D打印机的工作体积限制，并考虑操作步骤中所需的解剖标志点。</li>
	<li>若扫描图像为医学数字成像与通信格式（DICOM），应将其转换为神经影像信息学技术倡议格式（NiFTi）15（.nii）。</li>
</ol>
2. 分割
<ol>
	<li>使用 3D Slicer 软件（http://www.slicer.org）对 CT 图像进行分割。将步骤 1.2 中的 NIfTi 文件导入 3D Slicer。</li>
	<li>选择 Segment Editor 模块，以生成构建训练模型所需的分割区域。
	<ol>
		<li>为任务训练模型的 1) 骨组织 和 2) 软组织 组件分别添加一个分割区域。 
		注意：某些训练模型（如用于胸腔引流管插入训练的模型）的开发可能需要额外的分割区域。</li>
		<li>选择分割区域 1) 骨组织。使用 Threshold 工具，调整强度范围，直到定义的 &#34;窗宽&#34; 范围能够识别出目标骨组织成分。 
		注意：对于骨组织分割，通常范围为 100 至 175 HU（Hounsfield 单位）至可达到的最大值；而对于软组织，通常为 -256 HU 至可达到的最大值。</li>
		<li>使用 Threshold 功能高亮显示 1) 骨组织 成分，并通过 Apply 命令将其应用到扫描图像中。</li>
		<li>使用 Scissors 工具删除创建任务训练模型时不需要的扫描区域。操作时需注意确保骨髓腔在骨内注射（IO）训练模型中保持中空状态。 
		注意：此步骤是将目标分割区域初步缩减至训练模型所需尺寸的第一步。此处应考虑所用 3D 打印机的构建体积限制；但分割区域可在第 3 节中进一步缩小。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对 2) 软组织 组件重复执行步骤 2.2.1–2.2.4。</li>
	<li>使用 Segmentations 模块，将每个组件分别导出为 STL 文件。</li>
</ol>
3. 三维建模
<ol>
	<li>使用 AutoDesk Meshmixer 进一步裁剪三维片段，并降低每个片段的几何元素数量以减少分辨率，从而优化其在 Fusion360 中的运行性能。
	<ol>
		<li>确认导入的 STL 文件具有正确的三角面片法线方向。确保每个三角面片的法线指向网格的外表面。如果三角面片方向不正确，可通过执行以下操作翻转三角面片法线 选择 | 修改 | 全选 功能，然后 选择 | 编辑 | 翻转法线 功能。</li>
		<li>消除导入的STL片段中不需要的结构（例如，由于使用了对比剂，CT捕获到的不需要的组织或血管部分），并优化用于制作训练模型的结构。通过移除可能因导出片段的阈值范围设置不当而被意外包含在内的片段内部不需要结构，对模型进行优化，使用 选择 操作时，选择不需要的结构上的三角形，然后 编辑 | 丢弃.</li>
		<li>参照3.1.2，使用 编辑 | 平面切割 用于裁剪模型，使其适配3D打印机的构建体积。为降低因几何分辨率过高而导致的计算开销，需减少定义模型所用的三角面数量，以确保在Fusion360中实现最佳性能。单击 选择，双击网格上的任意位置以选中整个网格，然后 编辑 | 缩小。对于 降低目标，减少至三角形面数约10,000以内的三角面预算。 
		注意：作者目前使用的打印机最大构建体积为 250 x 210 x 210 mm；因此，模型的长轴长度被截断至最大 220–230 mm，以确保模具能够适配打印机的构建空间。应根据打印机的构建体积确定模型的长轴长度，通常使模型比最大体积限制短约 20–30 mm。模型几何结构可轻松缩减至约 10,000 个三角面，而不会丢失临床相关的细节，从而制作出高保真的操作训练模型。</li>
		<li>使用以下方法消除或减少孔洞和表面不平整 选择 工具。选中缺陷周围网格的三角形后，使用命令 选择 | 编辑 | 擦除&amp;#38;Fill 以改善表面孔洞和不规则性。使用 STL 文件类型导出并保存完成的模型。 
		注意：用于骨间线任务训练器的靶骨外表面需完全封闭；否则，熔化的组织介质会进入骨髓腔，从而降低任务训练器的性能。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用 AutoDesk Fusion360，通过将 .STL 文件作为网格导入工作区的方式，载入骨骼和组织模型 插入 | 插入网格 命令
	<ol>
		<li>通过禁用 Fusion360 时间轴并将目标网格的三角形数量减少至，将导入的网格转换为 BRep 实体 &#60;10,000。选择导入的 网格体 并右键单击，选择 网格转BRep 选项。在将网格转换为BRep实体后，继续Fusion360的时间轴操作。</li>
		<li>沿组织BRep的长轴将矩形实体分割，以修改实体并创建任务训练器的模具。 
		注意：通过使用草图功能构建一个包含组织实体的立方体或长方体实体，围绕组织BRep创建模具。模具尺寸应根据所选3D打印机的最大构建体积进行调整。由于模具被分为两部分，打印时的最长尺寸可能并非最终组合后模具的最大尺寸。</li>
		<li>选择2-3个位置安装支撑针，并放置预先设计好的组件组，以固定任务训练器的骨骼。确保所选的支撑针位置在针头周围的骨组织具有足够的支撑结构。 
		注意：所选骨针头部周围的骨组织无需完全均匀，因为组装组中还包含一个实心圆柱形支撑结构，该结构将与骨组织融合。此结构可充分支撑骨针头部，并在组织介质中维持骨骼的正确解剖位置。</li>
		<li>将骨塞导入并置于骨替代物（Bone BRep）暴露的骨髓腔开口处，以防止组织培养基进入骨髓腔，同时防止模拟骨髓外流。</li>
		<li>在Tissue BRep实体所代表的空间内，通过模具生成一个开口（通常直径为4-6 cm），以允许将液态组织培养基倒入模具中。</li>
		<li>一旦预设计的装配组件被定位以在空间中固定骨骼，即执行 布尔组合 用于将各个组装组添加或切割到模型中。
		<ol>
			<li>在步骤 3.2.6 之前对物体进行镜像处理，以制备同侧任务训练器。在步骤 3.2.6 之前重复步骤 3.2.3–3.2.5。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>导出用于打印的最终部件。在工作区中选择所需的主体，并通过以下方式生成 STL 文件 右键单击 | 另存为 STL.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 3D 打印
<ol>
	<li>使用 Simplify 3D 将 STL 文件放置在 3D 打印机的打印平台上，以便切片程序生成打印所需的 GCODE。使用直径为 0.4 mm 的喷嘴，在喷头温度为 210 °C 的条件下，采用聚乳酸（PLA）3D 打印耗材进行打印。确保打印设置包含 4 层顶部和底部层，以及 3 层外围壳层。</li>
	<li>将骨骼垂直摆放，以尽量减少骨髓腔内所需的支撑材料。打印时使用筏板（raft），层高为 0.2 mm，填充率为 20%，并启用完全支撑材料（包括从打印平台和打印件内部的支撑）。打印组织模具时，将模具部件的组织面朝上放置。组织模具打印时不使用筏板，层高为 0.3 mm，填充率为 15%，并启用完全支撑材料。</li>
	<li>合理安排支撑销和其他组件的摆放方向，以尽量减少支撑材料的使用——所有销钉支撑部件均使用筏板，层高为 0.2 mm，填充率为 20% 进行打印。螺纹部件在降低打印速度的条件下无支撑材料打印，以最大限度保证螺纹结构的精确性。</li>
	<li>在确定各组件的参数后，准备并导出 Simplify 3D 生成的 GCODE 文件至 SD 卡。使用 Prusa i3 MK3 打印机，从 SD 卡中选择保存的 GCODE 文件，并使用 1.75 mm 的 PLA 3D 打印耗材进行打印。</li>
</ol>
5. 组装
<ol>
	<li>准备组织介质。 
	注意：学员当前的技能掌握水平可能决定是否需要使用不透明或透明的组织介质。透明介质可使学员在进行骨髓腔内输注（IO）操作时直观地追踪操作进展，并更容易识别骨性标志，而不透明介质则更接近真实的临床体验。
	<ol>
		<li>称取以下用于制备组织介质的成分并备用（可根据需要按比例调整用量）：260 g 无味明胶；如需制备不透明介质，则另加 140 g 细磨的橙味无糖洋车前子壳纤维（若要制备透明介质，则省略此步骤）；42 g 4% w/v 的氯己定溶液。 
		注意：可使用洋车前子壳纤维制备不透明介质。如需制备不透明介质，应在加入明胶后立即加入该成分16。</li>
		<li>将 1000 mL 水（自来水即可）加热至 85 °C，倒入一个远大于原料体积的混合容器中，例如 18.9 L 的桶。
		<ol>
			<li>在剧烈搅拌组织介质溶液的同时，依次将明胶、洋车前子壳纤维和氯己定溶液加入水中，每加入一种成分后需待其完全溶解后再加入下一种。 
			注意：若制备透明介质，则不要加入洋车前子壳纤维。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>将混合物置于 71 °C 的水浴中加热至少 4 小时，以使溶液中的气泡充分消散。可将混合容器直接放入热水浴中，或将混合物转移至其他容器（如塑料密封袋）中进行水浴。</li>
		<li>将组织介质准备好以便倒入组装好的模具中。确保混合物均匀且呈流动状态，并将混合物温度维持在 46 °C。 
		注意：若暂时不需要使用组织介质，可将其置于储存容器中，在 4 °C 或 -20 °C 条件下保存，待需要时再使用。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>制备模拟骨髓液。 
	注意：模拟骨髓液可提前配制，并在室温下加盖保存，直至使用前。
	<ol>
		<li>称取 100 g 冷水（自来水即可）；100 g 超声耦合凝胶；以及 5 mL 红色食用色素（可选，用于增强模拟效果），充分混合。确保最终产物具有一定黏稠度，但仍能快速转移。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将骨骼固定在模具底部，并完成模具组装。
	<ol>
		<li>使用非硅基脱模剂（如不粘烹饪喷雾）喷涂模具内表面的各个侧面。利用支撑针将骨骼固定，以确保其在组织空间中的正确位置，并将骨骼/支撑针牢固固定在模具底部。</li>
		<li>将模具上部与下部对齐，并将两部分固定在一起。确认骨塞已就位，以防止在灌注过程中组织介质进入骨髓腔。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将模具放置为开口朝上，将 46 °C 的组织介质倒入模具型腔中。若组织介质从模具中泄漏，可使用倒置的除尘气罐直接喷射温热的介质，使其迅速冷却以封堵泄漏。将注满介质的模具转移至 4 °C 冰箱中静置至少 6 小时，或直至组织介质完全凝固。</li>
	<li>拆卸模具，取出操作训练模型及支撑针。移除骨塞，用步骤 5.2 中制备的模拟“骨髓”填充骨髓腔，然后重新插入骨塞。将操作训练模型放入塑料密封袋中，并在 4 °C 或 -20 °C 条件下保存，待培训时使用。</li>
</ol>
6. 任务训练
<ol>
	<li>从储存处取出操作训练模型，并使其恢复至室温。若尚未安装，请根据步骤5.5的说明，添加步骤5.2制备的模拟骨髓材料。 
	注意：将训练模型恢复至室温可提升模拟训练的真实感。</li>
	<li>在操作训练模型上进行培训。指导受训者插入骨髓腔内输液针（图2A），并抽吸模拟骨髓（图2B），操作步骤应与常规骨髓腔内通路建立方法一致。</li>
	<li>培训结束后，拆解操作训练模型，回收组织材料、介质及骨骼。 
	注意：操作完成后，骨髓腔内通路训练模型的骨骼上会因穿刺针插入而留下孔洞。这些孔洞可使用手持式3D打印笔填充聚乳酸（PLA）材料进行修复，或选择将骨骼丢弃。</li>
	<li>将回收的材料重新组装，供后续培训重复使用，具体方法见第5节。或者，若无需立即使用，可将组织介质熔化后按5.1.4步骤回收，并储存于4 °C或-20 °C条件下。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>3D 打印机耗材，聚乳酸（PLA），1.75 mm</td><td>N/A / Hatchbox</td><td></td><td>用于 3D 打印模具、骨结构以及骨/模具配件的基材</td></tr><tr><td>3D 打印机，Original Prusa i3 MK3</td><td>Prusa</td><td></td><td>用于打印模具、骨结构以及骨/模具配件</td></tr><tr><td>螺栓，1/4&amp;rdquo;，平头/沉头或圆头，多种长度</td><td>N/A</td><td></td><td>在浇铸过程中用于固定模具外壳两半的紧固件</td></tr><tr><td>塑料桶，5 加仑</td><td>N/A</td><td></td><td>用于在组织介质制备过程中盛放介质</td></tr><tr><td>氯己定，4% w/v 溶液</td><td></td><td></td><td>组织介质中的抗菌添加剂</td></tr><tr><td>电钻，家用，3/8&amp;rsquo; 卡盘</td><td>N/A</td><td></td><td>在组织介质制备过程中用于搅拌</td></tr><tr><td>食用色素，红色（可选）</td><td>N/A</td><td></td><td>模拟骨髓的着色添加剂</td></tr><tr><td>明胶，无味</td><td>Knox</td><td></td><td>组织介质的基础成分</td></tr><tr><td>六角螺母，1/4&amp;rdquo;</td><td>N/A</td><td></td><td>在浇铸过程中用于固定模具外壳两半的紧固件</td></tr><tr><td>不粘锅喷雾剂</td><td>N/A</td><td></td><td>脱模剂</td></tr><tr><td>塑料袋，拉链密封式</td><td>Ziplock</td><td></td><td>用于储存组织介质</td></tr><tr><td>洋车前子壳纤维，精细研磨，橙味，无糖（可选）</td><td>Procter &amp; Gamble</td><td>Metamucil</td><td>增加组织介质不透光性/回声性的添加剂</td></tr><tr><td>螺丝刀，一字/十字（与螺栓配件匹配）</td><td>N/A</td><td></td><td>用于紧固模具外壳的硬件</td></tr><tr><td>硅胶密封圈线材，3 mm，圆形，多种长度</td><td>N/A</td><td></td><td>模具外壳用密封垫材料</td></tr><tr><td>喷雾型粘合剂，Super 77（可选）</td><td>3M</td><td></td><td>用于改善 3D 打印过程中打印平台的附着力</td></tr><tr><td>搅拌桨/搅拌棒</td><td></td><td></td><td>在组织介质制备过程中用于搅拌</td></tr><tr><td>火鸡注射器，家用，60 mL</td><td>N/A</td><td></td><td>用于将模拟骨髓注入骨髓腔</td></tr><tr><td>超声耦合凝胶</td><td></td><td></td><td>模拟骨髓的基础成分</td></tr><tr><td>自来水</td><td></td><td></td><td>用于组织介质和模拟骨髓的制备</td></tr></tbody></table>

利用3d打印技术制备高保真、低成本骨内通路置管训练模型

Creation of a High-Fidelity, Low-Cost, Intraosseous Line Placement Task Trainer via 3D Printing

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。

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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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。

利用3D打印技术制备高保真、低成本骨内通路置管训练模型

程序性任务训练模型的描述包括将其作为训练工具，通过反复练习和模拟操作来提高技术技能……

在此，我们基于正常人体解剖结构的CT扫描数据，创建了一种高保真的3D打印任务训练模型。使用本方案制作的任务训练模型有助于完整演练特定操作或手术中的所有关键步骤，利用该方案可制作多种符合真实解剖结构的模型。在创建模型时，找到包含目标解剖区域的CT扫描图像至关重要；在将解剖扫描数据转化为3D模型的过程中，需要封闭骨骼中的自然孔隙，以便最终模型能够添加用于固定骨骼至正确方位的结构，并预留模拟骨髓腔的空间。开始操作时，首先确认导入的STL文件中三角面片法线方向是否正确；若三角面片方向错误，可通过点击“选择”、“修改”并选择“全部”来翻转三角面片法线方向。接下来，单击“选择”，然后选择“编辑”并翻转模型，以去除不需要的结构并优化模型。要创建任务训练器，请先单击“选择”，然后选中不需要结构上的三角面，再单击“编辑”并丢弃。选择“编辑”和“平面裁剪”工具，将模型裁剪至适合3D打印机构建体积的范围。为降低计算开销，可单击“选择”，然后在网格任意位置双击以选中整个网格，接着选择“编辑”并进行简化。对于简化目标，将三角面数预算减少至约 10,000 个面以下。选择缺损周围网格的三角面后，单击“选择”，然后依次选择“编辑”、“擦除并填充”，以改善表面孔洞和不规则区域。使用 SDL 文件类型导出并保存完成的模型，打开 Autodesk Fusion 360 软件，选择“插入”，然后使用“插入网格”命令，将骨组织和软组织模型的 SDL 文件作为网格导入工作区。要将导入的网格转换为B-rep实体，请先禁用Fusion 360时间线，将目标网格的三角形数量减少至10,000以下，选择导入的网格体，然后右键单击打开菜单并选择“网格转B-wrap”选项。在网格转换为B-wrap实体后，重新启用Fusion 360时间线，并通过沿组织B-wrap的长轴切割矩形实体来修改实体，以创建任务训练器模具。选择两到三个位置用于支撑销，并放置预先设计的装配组组件，以固定任务训练器的骨骼；将骨塞导入并定位到骨B-rep的开放骨髓腔中，防止组织介质进入骨髓腔，避免模拟骨髓流失。通过在模具中生成一个四到六厘米的开口，该开口位于用于倾倒液体组织培养基的实心组织B所代表的空间内，并对物体进行镜像处理，以制备对侧操作训练模型。当预设计的组件装配组定位完毕并固定骨骼于空间位置后，点击组合实体，以添加或切除模型中的各个装配组。在工作区中选择所需的部件，右键单击，然后选择“另存为STL”以导出最终的打印部件，将STL文件放置在3D打印机的打印平台上，并使骨骼保持垂直方向。打印用户筏全支撑材料时，采用0.4毫米喷嘴，层高0.2毫米，顶部和底部各四层，填充率20%，热端温度210摄氏度。将模具组件的组织面朝上放置，无需使用筏板进行打印，设置层高为0.3毫米，填充率为15%，并使用全支撑材料。合理排列支撑针及其他组件以最小化支撑材料用量，所有针状支撑部件均需使用筏板打印，设置层高为0.2毫米，填充率为20%。螺纹部件在无支撑材料条件下以降低的速度打印。当每个组件的参数选定后，准备并导出软件生成的G代码文件至SD卡。打开3D打印机软件，从SD卡中选择已保存的G代码文件，并使用1.75毫米聚乳酸3D打印耗材进行打印。量取明胶、纤毛壳纤维、氯己定溶液和次氯酸钠，用于配制组织培养基，备用。将一升水加热至85摄氏度。将加热后的水倒入一个体积远大于配料总体积的混合容器中，在剧烈振荡组织培养基溶液的同时，逐一加入已量取的各成分。将混合物置于71摄氏度的水浴中加热至少四小时，以消除气泡。通过称取100克冷水、100克超声耦合凝胶和5毫升红色食用色素，配制模拟骨髓溶液，然后将各组分充分混合。使用非硅基脱模剂喷洒模具的内表面。利用支撑针固定骨骼，以保持其在组织空间内的正确位置。然后将骨骼固定在模具底部并组装模具，检查骨塞的位置，防止灌注组织介质时进入骨髓腔。将模具开口朝上放置，倒入46摄氏度温热的组织介质至模具型腔中。使用倒置的空气除尘罐喷洒以防止组织介质从模具中泄漏，然后将装满介质的模具转移至4摄氏度环境中至少6小时，或直至组织介质完全凝固。拆卸模具，取出操作训练器和支持针，移除骨塞，向骨髓腔内注入模拟骨髓液，然后重新装回骨塞。将任务训练器存放在塑料袋中，置于 4 摄氏度或负 20 摄氏度保存，直至使用。待任务训练器恢复至室温后，指导受训人员插入骨髓腔内输注针（IO 针），并抽吸模拟骨髓溶液。随后，拆解任务训练器以回收组织介质和骨骼；继续拆解训练器，将明胶取出并放入容器中重新熔化，以便再次使用。该模型可重新塑形，熔化后的明胶亦可重复利用以制作新的模型。本方案用于对患者左膝关节CT扫描数据进行建模并打印三维组织模具及骨骼结构周围的组织构造。所设计的胫骨经打印后获得了高度逼真的复制品。模具上设有开口以暴露组织腔，便于组织介质的灌注。模具设计包含两组支撑销组件，用于支撑并悬吊组织腔内的骨骼结构。该任务训练模型针对肱骨和胫骨进行了定制，采用不透明与透明的组织介质，可实现对骨骼结构或解剖标志不同程度的可视化观察。在骨厚度、皮肤深度和肌腱沟槽方面，用于制作任务训练器的CT扫描数据与完全组装好的肩关节任务训练器之间实现了良好的解剖学相似性。打印模具顶部所需的时间和成本最高，其次是模具底部、骨骼和硬件部分。在进行3D打印模具时，我们发现使用强效粘合剂以防止基底翘曲非常重要。另一个关键步骤是在向模具内注入凝胶之前，向模具内表面喷涂脱模剂。这可以防止凝胶粘附到3D打印材料上。由于这些训练模型与患者的解剖结构相似，且重复练习有助于学习者掌握操作的关键步骤，因此能够实现从培训环境向临床环境的技能迁移。

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Medicine

医学

通过 3D 打印创建高保真、低成本、骨内线放置任务训练器

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