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Artículo de método

Construcción de fantasmas de gel balístico asequibles, duraderos y de fidelidad media para el entrenamiento de bloqueo nervioso guiado por ultrasonido

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DOI:

10.3791/66194

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9 de febrero de 2024

 ,  ,  ,  , 
1University of California, San Diego School of Medicine, 2Department of Anesthesia, University of California, San Diego Health, 3Department of Emergency Medicine, University of California, San Diego Health

* These authors contributed equally

En este artículo

Resumen

Aquí, demostramos el diseño y la creación de cuatro fantomas de ultrasonido de gelatina balística personalizados para el entrenamiento de anestesia regional guiado por ultrasonido. Diseñamos los maniquíes utilizando software de diseño asistido por computadora, usamos modelos impresos en 3D para crear moldes de silicona y luego vertimos gel balístico derretido en los moldes para crear capas de tejido personalizadas.

Resumen

Los maniquíes de ultrasonido, alternativas al tejido humano vivo, brindan a los estudiantes la oportunidad de practicar la anestesia regional guiada por ultrasonido sin presentar riesgos excesivos para los pacientes. Los maniquíes a base de gelatina proporcionan a los educadores entrenadores de tareas duraderos y reutilizables; Sin embargo, los maniquíes a base de gel disponibles en el mercado son caros. Aquí, investigamos la producción de maniquíes de ultrasonido duraderos y de bajo costo basados en gel balístico para bloqueos nerviosos medianos, femorales, suprainguinales del plano ilíaco y del plano serrato anterior, así como una metodología para producir un maniquí para cualquier procedimiento de bloqueo nervioso guiado por ultrasonido.

Se utilizó un software de diseño asistido por computadora (CAD) para diseñar cuatro maniquíes que replican la anatomía de los bloqueos nerviosos mediano, femoral, suprainguinal del plano ilíaco y del plano anterior del serrato, incluidos los puntos de referencia relevantes y los planos tisulares. Los modelos de plástico de los planos de tejido deseados se imprimieron en 3D y se utilizaron para crear moldes de silicona. El gel balístico se derritió y se mezcló con harina y tinte para crear un gel balístico líquido y ecogénico, que se vertió en los moldes de silicona. Las embarcaciones se simularon creando un espacio negativo en el gel balístico utilizando varillas metálicas. Los nervios se simularon utilizando hilo sumergido en gel de ultrasonido. Los huesos simulados se diseñaron mediante CAD e imprimieron en 3D.

El gel balístico es un medio versátil y duradero que se puede usar para simular una variedad de tejidos y se puede derretir y moldear en cualquier forma. Bajo ultrasonido, estos maniquíes proporcionan planos de tejido realistas que representan los límites entre diferentes capas de piel, músculo y fascia. La ecogenicidad de las capas de tejido muscular, nervios, vasos y huesos es realista, y los huesos tienen un sombreado posterior significativo como se observaría en un sujeto humano. Estos fantasmas cuestan $200 cada uno para el primer fantasma y $60 para cada fantasma subsiguiente. Estos maniquíes requieren cierta habilidad técnica para diseñarse, pero se pueden construir por solo el 4% del costo de sus contrapartes comerciales.

Introducción

Los maniquíes de ultrasonido, alternativas al tejido humano vivo, brindan a los estudiantes la oportunidad de practicar procedimientos médicos, incluida la anestesia regional guiada por ultrasonido (UGRA), sin introducir un riesgo excesivo para los pacientes1. Si bien lo más común es fabricarse mediante moldeo por inyección de caucho de silicona líquida, los maniquíes personalizados se pueden fabricar en casa con materiales versátiles a un costo menor. Los pañuelos orgánicos como el tofu, el cerdo y la carne de res son baratos, pero se estropean rápidamente y son difícilesde elaborar. El tejido cadavérico humano es ideal para la precisión anatómica, pero es difícil y costoso de obtener y preservar1. Más recientemente, la realidad virtual se ha utilizado para impartir formación en UGRA; Sin embargo, la retroalimentación háptica es un componente clave del aprendizaje procedimental y rara vez se implementa. Incluso cuando un modelo híbrido de hardware y software proporciona una alta fidelidad visual y retroalimentación táctil, el hardware y el software necesarios para llevar a cabo dicha capacitación suelen tener un costo prohibitivo3. Los maniquíes a base de gelatina logran un equilibrio entre costo, longevidad y fidelidad2.

Los modelos de gelatina balística están disponibles comercialmente, pero son caros para un recurso perecedero que se utiliza mucho en los centros de simulación médica. Fantomas de ultrasonido pequeños y simples a base de gel con parénquima homogéneo y dos o tres vasos simulados se venden por cientos de dólares. Por ejemplo, el bloque de entrenamiento básico de ultrasonido CAE Blue Phantom cuesta más de $8004. Los maniquíes de mayor fidelidad específicos para procedimientos individuales de bloqueo nervioso cuestan miles de dólares. El modelo de entrenamiento en ultrasonido de anestesia regional femoral Blue Phantom CAE cuesta $5,000 (Tabla 1)5. Para reducir los costos, los educadores han experimentado con maniquíes hechos a medida utilizando gelatina u otros materiales de bajo costo o reutilizables 6,7,8. Aditivos como la harina, el almidón de maíz, el polvo de grafito y el Metamucil se pueden utilizar para opacificar la gelatina y personalizar la ecogenicidad del maniquí, aumentando así su fidelidad 8,9,10,11,12,13,14.

Los intentos anteriores de entrenadores caseros de bloqueo nervioso a base de gelatina no pudieron recrear adecuadamente la apariencia de los nervios bajo ultrasonido o utilizaron artículos perecederos, lo que limitó la vida útil15,16. Incluso sin estos inconvenientes, las iteraciones anteriores no incluían puntos de referencia anatómicos y planos fasciales relevantes que permitieran a los alumnos practicar procedimientos específicos de bloqueo nervioso. Aquí, investigamos la producción de maniquíes de ultrasonido de gel balístico duraderos y de bajo costo para bloqueos nerviosos medianos, femorales, suprainguinales del plano ilíaco y del plano serrato anterior, así como una metodología para producir un maniquí para cualquier procedimiento de bloqueo nervioso guiado por ultrasonido.

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Protocolo

Para este proyecto, los autores JR y PS se ofrecieron como sujetos de ultrasonido, y se obtuvo el consentimiento verbal de ambos. Para aquellos que siguen este protocolo, obtengan la aprobación de un comité de ética o una junta de revisión institucional (IRB) antes de utilizar pacientes o voluntarios humanos como sujetos de estudio.

1. Diseño fantasma y creación de moldes de silicona

  1. Creación de una imagen ecográfica de referencia
    1. Para cada fantoma de ultrasonido, haga que un médico con subespecialización en ultrasonido y familiarizado con el procedimiento de bloqueo nervioso que se simula con el maniquí deseado cree una imagen de ultrasonido de referencia de un sujeto humano voluntario (Figura 1). Asegúrese de que esta imagen de ultrasonido tenga una vista transversal al plano nervioso o tisular correspondiente en el que se inyectaría el anestésico.
  2. Diseño e impresión 3D de modelos de capas de tejido
    1. Dibuje diseños de sección transversal de cada fantasma (Figura 2) y utilizar el diseño asistido por computadora (CAD) para diseñar modelos de plástico de las capas de tejido deseadas y un contenedor exterior para la forma general del fantasma (Figura 3A, Legajo Suplementario 1, Legajo Suplementario 2, Legajo Suplementario 3y Legajo Complementario 4).
      NOTA: Desde el punto de vista del diseño, los bloques de plano fascial se pueden considerar como una serie de prismas bien ajustados encerrados dentro de un prisma rectangular hueco con paredes de 5 mm. Las paredes de menos de 5 mm eran demasiado frágiles para una producción fiable. Este prisma rectangular sirve como la capa más externa del maniquí en la que se ensamblan y colocan las otras capas de tejido. El modelo del nervio mediano (que se muestra en Figura 3 y Figura 4) utiliza un contenedor arqueado en lugar de un prisma rectangular para simular la forma de un brazo humano.
      1. En el software CAD, cree un lienzo plano a partir de una ecografía, una tomografía computarizada u otra imagen objetivo con dimensiones conocidas. Haga clic en Sólido | Insertar | Lienzo, seleccione Archivo, haga clic en el plano XY, arrastre al espacio +X +Y y arrastre para escalar de manera que la longitud de la imagen sea precisa en unidades conocidas.
      2. Crea un prisma rectangular sobre la región de la imagen que delinea el modelo haciendo clic en Sólido | Crear boceto | Avión XY | Herramienta Rectángulo de 2 puntos. Arrastre el rectángulo sobre el área y perfeccione dentro de los cuadros de longitud/anchura cuando esté cerca; presione Entrar; haga clic en Finalizar boceto; Haga clic en Rectángulo | Sólido | Extrusión; Arrastre el rectángulo a la altura deseada y perfeccione con el cuadro de altura cuando esté cerca; y pulse Intro.
        NOTA: Cada uno de nuestros modelos tiene una longitud y anchura diferentes en función de la anatomía que representan, pero normalmente encontramos que ~100 mm es una altura de modelo efectiva.
      3. Crea otro boceto en la parte superior del prisma rectangular haciendo clic en la parte superior del prisma rectangular | Cree un boceto y dibuje la anatomía deseada, así como el borde interior del prisma rectangular que lo envuelve haciendo clic en Boceto | Crear y esbozar | Modificar cajas de herramientas. Utilice el lienzo visible detrás del prisma para guiar el diseño; si el lienzo no se ve a través del prisma rectangular, cámbielo a través de Configuración de pantalla. Una vez creado el boceto que representa la sección transversal del modelo, haga clic en Finalizar boceto.
        NOTA: No existe una herramienta ideal específica para dibujar la anatomía deseada y el borde interior del prisma de revestimiento. El paso anterior es el que se utilizó en este protocolo.
      4. A continuación, cree cada prisma interno a partir del boceto haciendo clic en la forma en el boceto | Sólido | Extrusión; Arrastre la forma de nuevo al prisma rectangular a la longitud deseada, normalmente 5 mm menos que la longitud completa del rectángulo; y haga clic en Operación = Nuevo Cuerpo | Entra. Para ver este nuevo objeto, desactive la visibilidad de todos los demás objetos haciendo clic en Cuerpos | el símbolo del ojo junto al nombre del nuevo cuerpo.
        NOTA: Los vasos deben estar representados por orificios circulares o elípticos en forma de prisma diseñados en los bordes o centros de los cuerpos del plano fascial. En este punto, si ve el modelo virtual frente al lienzo inicial, se pueden visualizar las piezas individuales del modelo y cómo encajan entre sí.
      5. Exporte cada cuerpo individualmente para la impresión 3D haciendo clic en Cuerpos | el símbolo del ojo junto a cada cuerpo excepto el que se está exportando; haga clic en Archivo | Exportación | Tipo = archivo .stl | Entra.
        NOTA: Ahora debería tener varios archivos .stl, cada uno de los cuales representa un plano fascial o hueso único, así como un archivo .stl adicional que representa el cuadro delimitador rectangular en el que encajarán las piezas del plano fascial.
    2. Abra el archivo STL en un software de corte compatible con la impresora 3D que se utilizará para imprimir los modelos.
      1. Utilice el botón Colocar en la cara para colocar el modelo en la cama de modo que la parte inferior del modelo toque la cama de impresión.
      2. En Impresora, seleccione la impresora. En Configuración de impresión, seleccione VELOCIDAD de 0,20 mm y, en Filamento, seleccione PLA genérico. Seleccione 15-20% para Relleno, seleccione En todas partes en el menú Soportes y agregue un borde si es necesario para la estabilidad de la impresión. Haga clic en Dividir ahora.
      3. Exporta el archivo de código G a una tarjeta SD, conéctalo a la impresora 3D e imprime el archivo con filamento de ácido poliláctico (PLA).
  3. Creación de moldes de silicona
    1. Pegue cada modelo impreso en 3D al fondo de un contenedor de plexiglás sin tapa antes de sumergirlo en caucho de silicona de curado rápidosegún las pautas del fabricante.
    2. Una vez que la silicona esté colocada, retire el modelo de plástico duro y la carcasa de plexiglás, dejando un molde de silicona flexible, duradero y reutilizable de cada capa de tejido y recipiente deseado en el que se vierte el gel balístico (Figura 3B).
      NOTA: En este punto, el protocolo puede pausarse y reiniciarse más tarde.

figure-protocol-1
Figura 1: Imágenes representativas de ultrasonido obtenidas de un sujeto humano. Imágenes representativas de los modelos de bloqueo nervioso del plano nervioso (A) mediano, (B) femoral, (C) suprainguinal del plano ilíaco y (D) del plano anterior del serrato obtenidos de sujetos humanos voluntarios. Abreviaturas: A = arteria; V = vena; M = nervio mediano; F = nervio femoral; RAD = radio; U = cúbito; AIIS = espina ilíaca anteroinferior; R =costilla; SART = músculo sartorio; IL=Músculo ilíaco; IO = oblicuo interno; SA = músculo serrato anterior; LD = músculo dorsal ancho. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-protocol-2
Figura 2: Esquemas transversales de los maniquíes ecográficos de bloqueo nervioso . (A) Mediana, (B) femoral, (C) plano de la fascia ilíaca suprainguinal y (D) fantomas de ultrasonido de bloqueo nervioso del plano anterior del serrato. Los esquemas se diseñaron a partir de las imágenes representativas de ultrasonido humano que se muestran en la Figura 1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-protocol-3
Figura 3: Creación de los componentes del maniquí de bloqueo del nervio mediano. (A) Imagen representativa del archivo de diseño asistido por computadora utilizado para imprimir modelos plásticos de cada capa de tejido para el maniquí de bloqueo del nervio mediano. (B) Moldes de silicona para cada capa de tejido del maniquí de bloqueo del nervio mediano, incluidas varillas de metal insertadas para crear vasos dentro del gel balístico. (C) Verter gel balístico caliente, líquido y teñido en los moldes de silicona. (D) Sellar el extremo abierto de los recipientes simulados con gel balístico líquido después de que los recipientes se hayan llenado con sangre simulada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Creación de otros puntos de referencia fantasmas

  1. Diseño y creación de hueso simulado
    1. Si la región del modelo diseñado en CAD representa hueso en lugar de tejido blando, imprime en 3D una imitación de hueso siguiendo los pasos anteriores, pero utiliza filamento de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) en su lugar.
      PRECAUCIÓN: Los vapores de filamento ABS pueden contener compuestos orgánicos volátiles (COV), que pueden causar molestias físicas, como somnolencia, irritación de los ojos o las víasrespiratorias, náuseas y/o dolores de cabeza. El ABS debe imprimirse en una impresora 3D cerrada o en una impresora no cerrada en una habitación con buena ventilación y/o filtración de aire.
  2. Creación de nervios simulada
    1. Sumerge un 80% de acrílico y un 20% de hilo de lana en un vaso de plástico relleno de gel de ultrasonidos. La colocación de la copa se coloca en una cámara de presión de -1 atm.
    2. Utilice una bomba de vacío de una sola etapa para acumular repetidamente y luego liberar la presión en la cámara hasta que se hayan eliminado todas las burbujas del gel de ultrasonido, lo que se logra después de aproximadamente 4-6 ciclos.
      NOTA: Este paso ayuda a simular los nervios. En este punto, el protocolo puede pausarse y reiniciarse más tarde.

3. Gel balístico que se derrite y se vierte

  1. Derretir el gel balístico
    1. Calentar el gel balístico y el tinte disponibles en el mercado a una proporción de volumen aproximada de 20:1 con agitación intermitente hasta que el líquido alcance los 132 °C en un horno de convección comercial.
      PRECAUCIÓN: El gel balístico líquido calentado debe manipularse con precaución debido al riesgo de quemaduras asociadas con la manipulación de fluidos calientes. Use guantes de cocina cuando manipule sartenes llenas de gel balístico líquido. Evite el contacto directo entre la piel y el gel balístico líquido.
  2. Aditivos para la ecogenicidad
    1. Mezcle aproximadamente 4,5 g de harina finamente granulada por kg de gel balístico en el gel balístico líquido. Deje el gel en el horno durante al menos 20 minutos con agitación intermitente para permitir una mezcla uniforme y permitir que salgan las burbujas.
    2. Agregue gel balístico transparente adicional o tinte según sea necesario para ajustar el color de la mezcla y simular el tejido humano.
  3. Gel balístico vertido en moldes de silicona
    1. Inserte varillas de acero sólido de diferentes diámetros en las ubicaciones designadas en los moldes de silicona reutilizables, si es apropiado para ese modelo específico de bloqueo nervioso, para crear canales en los maniquíes de ultrasonido finales, que representarán vasos sanguíneos (Figura 3C).
    2. Vierta gel balístico líquido, ahora coloreado por tinte, con partículas de harina en suspensión y sin burbujas de aire retenidas, en los moldes de silicona y deje que se enfríe.
    3. Después de enfriar, retire las varillas de metal y las capas finales de tejido de gel balístico de los moldes. Cuando se colocan junto con un recubrimiento de gel de ultrasonido entre ellas, las piezas de tejido adyacentes se alinean casi perfectamente y juntas producen un plano fascial simulado en el ultrasonido.
      NOTA: Cada maniquí de ultrasonido requiere aproximadamente 0,7 kg de gel balístico. El tiempo de enfriamiento depende del tamaño de la capa de tejido y varía de 20 min a 1,5 h.
  4. Adición de sangre simulada y sellado de vasos
    1. Para las capas de tejido con vasos simulados, sumerja un lado de la capa de tejido en el gel balístico líquido y deje que se enfríe, sellando así un lado del canal del vaso.
    2. Sostenga estas capas de tejido en posición vertical y use una aguja y una jeringa para introducir sangre simulada en cada vaso.
      NOTA: Utilizamos agua con colorante alimentario rojo o azul para representar la sangre arterial y venosa, respectivamente.
    3. Use gel balístico aún líquido para cubrir la abertura restante del recipiente, sellando así completamente cada recipiente lleno de líquido (Figura 3D).
      NOTA: En este punto, el protocolo puede pausarse y reiniciarse más tarde; Sin embargo, el gel balístico debe derretirse nuevamente para continuar con el siguiente paso.

4. Ensamblaje fantasma

  1. Ensamblaje de capas de tejido, nervios y huesos
    NOTA: La Figura 4A muestra los componentes individuales del maniquí de bloqueo del nervio mediano inmediatamente antes del ensamblaje, incluidas las capas de tejido, los nervios simulados y los huesos simulados.
    1. Ensamble los maniquíes recubriendo cada componente con gel de ultrasonido, ensamblando los componentes como se muestra en las secciones transversales de la Figura 2 e insertándolos en sus respectivos prismas rectangulares de gel balístico (Figura 4B). Coloca correctamente los huesos o nervios de hilo impresos en 3D en este paso.
  2. Sellando los extremos del fantasma
    1. Selle los modelos sumergiéndolos por ambos lados en una bandeja llena de gel balístico líquido (Figura 4C). Repita el proceso de sellado varias veces en cada lado.
    2. Por último, utiliza una pistola de calor para alisar los bordes del fantasma, eliminando burbujas e imperfecciones, además de reforzar las juntas laterales.
  3. Adición de pseudo-piel (opcional)
    NOTA: Un aumento de los modelos de plano fascial es la adición de pseudo-piel.
    1. Vierta gel balístico líquido sobre un modelo sellado y enfriado, que ha sido cubierto sin apretar con gel de ultrasonido para evitar el recocido entre la capa de piel recién vertida y el modelo existente (Figura 4D y Video Suplementario S1).

figure-protocol-4
Figura 4: Montaje del maniquí de ultrasonido de bloqueo del nervio mediano. (A) Componentes individuales de un maniquí de bloqueo del nervio mediano desmontado, incluidas capas de tejido de gel balístico, radio y cúbito impresos en 3D, un nervio mediano de hilo sumergido en gel de ultrasonido, una botella de gel de ultrasonido y una bandeja llena de gel balístico líquido. (B) Montaje del maniquí de bloqueo del nervio mediano, incluyendo la inserción de capas de tejido y huesos simulados cubiertos con gel de ultrasonido. (C) Sellar un extremo del fantasma sumergiéndolo en una olla con gel balístico líquido. (D) Crear una capa de pseudo-piel vertiendo gel balístico líquido sobre un maniquí de bloqueo del nervio mediano completo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Resultados

Se diseñaron y construyeron con éxito cuatro maniquíes de ultrasonido utilizando los métodos descritos anteriormente. En la Figura 5 se muestra una sección transversal de ultrasonido de cada modelo alineada con una ecografía de anatomía humana equivalente. Bajo ultrasonido, estos maniquíes proporcionan planos de tejido realistas, que representan los límites entre diferentes capas de piel, músculo y fascia. El tejido muscular es adecuada y homogéneamente ecogénico. Esta ecogenicidad se puede ...

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Discusión

Estos maniquíes personalizados a base de gel balístico proporcionan a los aprendices un entrenamiento de bloqueo nervioso mediano, femoral, suprainguinal del plano ilíaco y del plano serrato anterior de mediana fidelidad por una fracción del costo de los maniquíes de bloqueo nervioso disponibles comercialmente (Tabla 1). Nuestros primeros entrenadores de bloqueo del nervio mediano y femoral se fabricaron internamente por el 12% y el 9% del precio de los entrenadores de bloqueo del nervio mediano y femora...

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Divulgaciones

Los autores de este artículo no tienen ningún conflicto de interés que revelar.

Agradecimientos

Este proyecto fue financiado por el Centro de Entrenamiento en Simulación (STC) de la Facultad de Medicina de la Universidad de California, San Diego en La Jolla, CA. Nos gustaría agradecer a Blake Freechtle por sus contribuciones a la Figura 5.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Filamento ABS - 1.75 m+B+A2:A14Hatchbox (Pomona, CA)https://www.hatchbox3d.com/collections/abs-1-75mm
Adobe PhotoshopAdobe (San José, CA)https://www.adobe.com/products/photoshop.html
Tinte en tono ámbarHumimic Medical (Greenville, SC)852844007925Tinte en gel balístico; https://humimic.com/product/amber-tone-dye/
Fusion 360Autodesk (San Francisco, CA)Software de diseño asistido por computadora (CAD);
Gelatin #1 - Gel Médico por LibraHumimic Medical (Greenville, Carolina del Sur)852844007406Gel balístico; https://humimic.com/product/gelatin-1-medical-gelatin-by-the-pound/
Harinapara todo uso sin glutenArrowhead Mills (Hereford, TX)Harina para la ecogenicidad; https://arrowheadmills.com/products/gluten-free/organic-gluten-free-all-purpose-flour/
Microsoft PowerPointMicrosoft (Redmond, WA)https://www.microsoft.com/en-us/microsoft-365/powerpoint
Mold Star 16 FAST Caucho de silicona vertibleliso (Macungie, PA)Caucho de silicona vertible; https://www.smooth-on.com/products/mold-star-16-fast/
Peach Tone DyeHumimic Medical (Greenville, Carolina del Sur)852844007895Tinte en gel balístico; https://humimic.com/product/peach-tone-dye/
Filamento PLA - Hatchbox de 1,75 mm(Pomona, CA)https://www.hatchbox3d.com/collections/pla-1-75mm
Impresora Prusa Original i3 MK3S+Prusa Research (Praga, República Checa)Impresora 3D; https://www.prusa3d.com/category/original-prusa-i3-mk3s/
Prusa Slicer 2.6.1Prusa Research (Praga, República Checa)Software de corte de impresora 3D; https://www.prusa3d.com/page/prusaslicer_424/
Wool-Ease Thick & Hilo rápidoLion Brand Yarn (Lyndhurst, NJ)640-610BHilo para nervios simulados; https://www.lionbrand.com/products/wool-ease-thick-and-quick-yarn?variant=32420963516509
https://www.autodesk.com/products/fusion-360/overview?term=1-YEAR&tab=subscription&plc=F360

Referencias

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