コンピュータ断層撮影(CT)スキャンを、忠実度が高く、再利用可能で、低コストのプロシージャルタスクトレーナーに処理する手順について説明します。CTスキャンの識別プロセス、エクスポート、セグメンテーション、モデリング、および3D印刷がすべて、プロセスで学んだ問題と教訓とともに説明されています。
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この記事について
サマリー
要約
プロシージャルタスクトレーナーの説明には、最終的に患者に手順を実行する前に、安全な環境で手順を繰り返してリハーサルすることにより、技術的スキルを磨くためのトレーニングツールとしての使用が含まれています。現在までに利用可能な多くの手続き型タスクトレーナーは、非現実的な解剖学的構造や、トレーナー組織が繰り返し操作を受けた後にユーザーが作成した「ランドマーク」を発達させる傾向など、いくつかの欠点に苦しんでおり、不適切な精神運動スキルの発達につながる可能性があります。これらの欠点を改善するために、ユビキタス3次元(3D)印刷技術と既製の商品供給を利用した、コンピューター断層撮影(CT)スキャンから得られた解剖学的構造から作成された、忠実度の高い手続き型タスクトレーナーを作成するプロセスが作成されました。
この方法は、組織内に浮遊する骨骨格構造を包み込むために、対象の骨格要素の周囲の組織構造を捕捉する3Dプリントされた組織型を作成することを含み、これもまた3Dプリントされる。次に、忠実度の高い形状と組織密度の両方で組織を近似する組織培地混合物を型に流し込み、硬化させます。タスクトレーナーを使用して骨内ラインの配置などの手順を練習した後、組織媒体、型、および骨は再利用可能であり、その後のトレーニングセッションで使用するために、穿刺部位や操作の欠陥のない新しいタスクトレーナーを作成するために再利用できます。
概要
手続きスキルの患者ケア能力は、民間および軍の医療1,2環境で研修生を育成するための重要な要素です。手技スキルの開発は、麻酔学3や最前線の医療従事者などの手順集約型の専門分野にとって特に重要です。タスクトレーナーは、1年生の医学生や医療技術者から上級研修医やフェローに至るまで、スキルレベルで多数の手順をリハーサルするために使用できます。多くの医療処置を完了するにはかなりのトレーニングが必要ですが、ここで紹介するタスク(骨間(IO)ラインの配置)は簡単で、技術的なスキルは必要ありません。IOラインの正常な配置は、比較的短期間のトレーニングで達成できます。タスクトレーナーの使用を含む医療トレーニング中のシミュレーションの使用は、最終的に患者に手順を実行する前に、安全でストレスの少ない環境での臨床手順の繰り返しとリハーサルを通じて技術的な手順スキルを習得するためのツールとして認識されています2,4,5。
当然のことながら、医学教育環境でのシミュレーショントレーニングは広く受け入れられるようになり、患者の転帰への影響に関するデータが不足しているにもかかわらず、主力であるように思われます6,7。さらに、最近の出版物は、シミュレーションがチームのダイナミクスと意思決定の改善の結果として、チームのパフォーマンスと患者の転帰を改善することを示しています。それでも、シミュレーションが重要な救命処置を実行する時間または成功率を改善することを示唆するデータはほとんどなく8,9、シミュレーションが医療提供者の教育において複雑で多面的であることを示唆しています。標準的な静脈内アクセスが不可能または適応とされない患者では、IOライン配置を使用して血管アクセスを迅速に達成することができ、最小限のスキルしか必要としません。.この手順のタイムリーで成功した実行は、特に周術期環境または外傷シナリオにおいて重要です10、11、12。IOラインの配置は周術期領域ではめったに行われない手順であり、命を救う手順になる可能性があるため、非臨床環境でのトレーニングが重要です。IOライン配置に固有の解剖学的に正確なタスクトレーナーは、この手順の予測可能なトレーニング頻度とスキル開発を提供するための理想的なツールです。
広く使用されているが、現在利用可能な商用タスクトレーナーにはいくつかの重大な欠点がある。まず、手順を複数回試行できるタスクトレーナーは、タスクトレーナーの初期購入だけでなく、シリコンスキンパッチなどの交換可能な部品の補充にもコストがかかります。その結果、部品を交換する頻度が低くなることが多く、研修生に最適なトレーニング体験を提供する目立つランドマークが残ります。患者は、手順を実行する必要がある場所に事前にマークされていません。別の欠点は、従来のタスクトレーナーのコストが高いため、デバイスの紛失や損傷を防ぐためにデバイスが保護された保管場所に「ロックアップ」されている場合、ユーザーによるアクセスが制限される可能性があることです。その結果、より厳格で利用可能なスケジュールされた練習時間が少なくなり、それらの使用を制限すると、予定外のトレーニングが確実に困難になる可能性があります。最後に、ほとんどのトレーナーは忠実度が低いと見なされています 5,13,14 代表的な解剖学的構造のみを使用しており、不適切な精神運動スキルの発達やトレーニングの傷跡につながる可能性があります。また、低忠実度のトレーナーは、忠実度の低いデバイスでのトレーニングが実際の実際の手順を適切に模倣できない可能性があるため、スキルの習得、習熟度、および低下の徹底的な評価を非常に困難にします。
代表的な解剖学はまた、精神運動スキルの習得と習得の適切な評価を妨げます。さらに、精神運動スキルの一部が臨床タスクに反映されていない場合、シミュレートされた医療環境から患者ケアへの精神運動スキルの移転を評価することはほぼ不可能になります。これにより、医療シミュレーションとトレーニングが患者の転帰に影響を与える能力に関するコンセンサスが妨げられます。コスト、解剖学的精度、アクセスの課題を克服するために、低コストで忠実度の高いIOラインタスクトレーナーを開発しました。タスクトレーナーは、実際の患者のCTスキャンから設計されており、正確な解剖学的構造が得られます(図1)。使用される材料はどこにでもあり、入手が容易であり、コンポーネントは比較的簡単に再利用できます。他の多くの市販のトレーナーと比較して、ここで説明するタスクトレーナーの設計の適度なコストは、アクセスしにくく保護された場所にトレーナーを隔離したいという欲求を劇的に減らし、主要なランドマークなしで複数の繰り返しを可能にします。
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プロトコル
注:ネブラスカ大学医療センター治験審査委員会は、私たちの研究はヒトを対象とした研究を構成しないと判断しました。地元のIRBは、倫理的承認とインフォームドコンセントの放棄を取得しました。画像データの完全な匿名化は、病院の匿名化プロトコルに従って分析する前に行われました。
1. データ
- 計画されたタスクトレーナーの関心のある解剖学的構造をキャプチャするCTスキャンを取得します。使用する3Dプリンターの作業量の制限と、手順に必要なランドマークを考慮するように注意してください。
- スキャンが医学におけるデジタルイメージングおよび通信形式(DICOM)で取得された場合は、ニューロイメージング情報技術イニシアチブ(NiFTi)15 形式(.nii)に変換します。
2.セグメンテーション
- 3D スライサー ソフトウェア (http://www.slicer.org) を使用して、CT 画像をセグメント化します。手順 1.2 の NIfTi ファイルを 3D スライサーにインポートします。
- セグメントエディタモジュールを選択して、トレーナーのモデリングに必要な セグメント を生成します。
- タスクトレーナーの1)骨コンポーネントと2)組織コンポーネントに1つのセグメントを追加します。
注:胸部チューブ挿入のトレーニングに使用されるトレーナーなど、一部のトレーナーの開発には、追加のセグメントが必要になる場合があります。 - セグメント1)ボーンを選択します。 しきい値 効果を使用して、定義された「ウィンドウ」範囲が目的のボーンコンポーネントを識別するまで強度範囲を変更します。
注:骨セグメントの場合、通常の範囲は利用可能な最大値まで100〜175 HU(ハウンズフィールドユニット)であり、組織の場合、通常は利用可能な最大値まで-256 HUです。 - しきい値機能を使用して、1)ボーンコンポーネントを強調表示し、[適用]コマンドを使用してスキャンに適用します。
- はさみ機能を使用して、タスクトレーナーの作成に不要なスキャン領域を削除します。IOトレーナーにとって骨髄スペースが中空のままであることを確認するように注意してください。
注:このステップは、関心のあるセグメントをトレーナーの目的の寸法に縮小する最初のステップです。使用する3Dプリンターのビルドボリュームの制限をここで考慮する必要があります。ただし、セグメントはセクション3でさらに削減される場合があります。
- タスクトレーナーの1)骨コンポーネントと2)組織コンポーネントに1つのセグメントを追加します。
- 2)ティッシュコンポーネントに対して手順2.2.1〜2.2.4を繰り返します。
- セグメンテーションモジュールを使用する。各コンポーネントをSTLファイルとしてエクスポートします。
3.3Dモデリング
- AutoDesk Meshmixer を使用して 3D セグメントをさらにトリミングし、ジオメトリ要素の数に関して各セグメントの解像度を下げて、Fusion360 内で最適なパフォーマンスを実現します。
- インポートされた STL ファイルの三角形の法線方向が正しいことを確認します。メッシュの外面の方向の各三角形の点の法線を確認します。三角形の向きが正しくない場合は、[選択]を実行して三角形を法線反転 ||の変更[すべて選択] 機能を選択してから、[ |を選択]|の編集法線反転 機能。
- インポートされたSTLセグメントの不要な構造(コントラストの使用によりCTによってキャプチャされた組織または血管系の不要なセグメントなど)を排除し、タスクトレーナーの作成に必要なモデルを改良します。エクスポートされたセグメントのしきい値範囲内に誤って含まれていた可能性のあるセグメント内の不要な構造を削除してモデルを改良するには、[ 選択 ]操作を使用し、不要な構造の三角形を選択してから、[ 編集]|破棄します。
- 3.1.2 以降は、 編集|平面カット ツールを使用して、3Dプリンターのビルドボリューム内に収まるようにモデルをトリミングします。過剰な幾何学的解像度によって発生する計算オーバーヘッドを減らすには、モデルの定義に使用する三角形の数を減らして、Fusion360 で最適なパフォーマンスを実現します。 [選択]をクリックし、メッシュ上の任意の場所をダブルクリックしてメッシュ全体を選択し、[ 編集]|減らす。[ ターゲットの削減] で、三角形の予算を約 10,000 面未満に減らします。
注:著者が現在使用しているプリンターの最大ビルドボリュームは250 x 210 x 210 mmです。したがって、モデルは、金型がプリンタのビルドボリューム内に収まるように、最大長軸長220〜230 mmにカットされました。プリンターのビルドボリュームは、モデルを約20〜30 mm短くすることで、長軸の長さを決定する必要があります。ジオメトリは、臨床的に関連する詳細を失うことなく、~10Kの三角形に簡単に縮小でき、忠実度の高いタスクトレーナーを開発できます。 - 選択ツールを使用して、穴と表面の凹凸を除去または削減します。欠陥の周囲のメッシュの三角形を選択したら、コマンド「選択」(Select |) を使用します。編集|Erase&Fillは、表面の穴や凹凸を改善します。STLファイルタイプを使用して完成したモデルをエクスポートして保存します。
注:骨間ラインタスクトレーナーのターゲットボーンの外面は完全に閉じる必要があります。そうしないと、溶けた組織媒体が骨髄腔に入り、タスクトレーナーのパフォーマンスが低下します。
- AutoDesk Fusion360 を使用し、.STL ファイルをメッシュとしてワークスペースに挿入 [挿入] |メッシュを挿入コマンド 。
- Fusion360 タイムラインを無効にし、ターゲット メッシュ内の三角形の数を <10,000 に減らして、インポートしたメッシュを BRep ソリッドに変換します。インポートした メッシュ ボディ を選択して右クリックします。[ メッシュから BRep へ] オプションを選択します。メッシュが BReps ソリッドに変換されたら、Fusion360 タイムラインを再開します。
- ソリッドを修正してタスクトレーナーのモールドを作成するには、ティッシュ BRep の長軸に沿って長方形のソリッドを分割します。
注記: 金型は、スケッチ機能を使用して組織ソリッドを囲む立方体または長方形ソリッドを作成することによって、ティッシュ BRep の周囲に作成されます。金型サイズは、選択した3Dプリンターの最大造形量に合わせて変更する必要があります。金型は 2 つに分割されるため、印刷された最長寸法は、接合時に最終的な金型の最大寸法ではない場合があります。 - サポートピンの2〜3の位置を選択し、事前に設計されたアセンブリグループコンポーネントを配置して、タスクトレーナーのボーンを固定します。サポートピン用に選択した位置が、ピンの頭の周りのボーンに十分なサポート構造を持っていることを確認してください。
注意: アセンブリグループには、ボーンと融合する固体円筒形の支持構造も含まれているため、選択したピンヘッドの周りのボーンは完全に均一である必要はありません。この構造は、ピンの頭部を適切に支持し、組織媒体内の骨の正しい解剖学的配置を維持する。 - ボーンプラグをインポートしてBone BRepの開いた骨髄スペースに配置し、組織媒体が骨髄スペースに入るのを防ぎ、シミュレートされた骨髄が排出されないようにします。
- Tissue BRep固体で表される空間に金型を通る開口部(通常は直径4〜6 cm)を生成して、液体組織媒体を金型に注ぐことができるようにします。
- 事前に設計されたアセンブリ グループのコンポーネントがボーンを空間に固定するように配置されたら、 ブール結合 関数を実行して、さまざまなアセンブリ グループをモデルに追加またはカットします。
- ステップ3.2.6の前にオブジェクトのミラーを実行して、同側側のタスクトレーナーを作成します。3.2.6の前に手順3.2.3-3.2.5を繰り返します。
- 印刷用の最終コンポーネントをエクスポートします。ワークスペース内で目的のボディを選択し、右クリックしてSTLファイルを生成します |STL として保存します。
4.3D 印刷
- [3D の簡略化]を使用して、STL ファイルを 3D プリンタのベッドに配置し、スライス プログラムがアイテムの印刷に必要な GCODE を生成できるようにします。ポリ乳酸(PLA)3Dプリンターメディアフィラメントで、0.4 mmノズルを使用して、ホットエンド温度210°Cでコンポーネントを印刷します。 設定で4つのトップレイヤーとボトムレイヤー、および3つのペリメーターシェルが使用されていることを確認してください。
- 骨髄腔内の必要なサポート材料を最小限に抑えるために、骨を垂直に向けます。ラフト、レイヤーの高さ0.2 mm、インフィル20%、および完全なサポートマテリアル(プリントベッドからおよびプリント内)を使用して印刷します。ティッシュモールドを印刷するときは、ティッシュ表面を上に向けてモールドコンポーネントを向けます。いかだ、0.3 mmの層の高さ、15%のインフィル、および完全なサポート材料なしでティッシュモールドを印刷します。
- サポートピンとその他のコンポーネントを最小化するように配置します-すべてのピンサポートパーツをラフト、0.2 mmの層の高さ、および20%のインフィルで印刷します。サポート材料なしでねじ構成部品を低速で印刷し、ねじ構造の忠実度を最大化します。
- 各コンポーネントのパラメータを選択したら、Simplify 3Dで生成されたGCODEファイルを準備してSDカードにエクスポートします。Prusa i3 MK3を使用して、SDカードから保存したGCODEファイルを選択し、1.75mm PLA 3Dプリンターメディアフィラメントで印刷します。
5. 組み立て
- 組織培地を準備します。
注:研修生の現在のスキル習得レベルによって、不透明または透明な組織培地が必要かどうかが決まります。透明な培地により、研修生はIO挿入中の進行状況を視覚的に追跡し、骨のランドマークをより簡単に識別でき、不透明な培地は実際の臨床経験をより適切にシミュレートできます。- 組織培地の作成に使用する以下の成分を測定し、260gの無香料ゼラチンを取っておきます(これらの量は必要に応じてスケーリングできます)。必要に応じて、140 gの細かく粉砕されたオオバコ殻繊維、オレンジ風味、無糖(透明な培地を作成するためにこの手順を省略します)。4%w / vクロルヘキシジン42g。
注:オオバコの殻の繊維は、不透明な媒体を作るために使用することができます。この成分は、不透明な媒体が望まれる場合、ゼラチンの直後に添加されるべきである16。 - 1000mLの水(蛇口可)を85°Cに加熱し、18.9Lのバケツなどの材料の量の数倍の混合容器に水を加えます。
- 組織培地溶液を激しく混合しながら、ゼラチン、オオバコ殻繊維、クロルヘキシジン溶液を水に順に添加し、前の成分を配合した後、次の成分を添加する前に待ちます。
注:透明な培地を作成する場合は、オオバコの殻繊維を追加しないでください。
- 組織培地溶液を激しく混合しながら、ゼラチン、オオバコ殻繊維、クロルヘキシジン溶液を水に順に添加し、前の成分を配合した後、次の成分を添加する前に待ちます。
- 混合物を71°Cの水浴中で最低4時間加熱して、気泡を溶液から消散させます。混合容器を温水浴に直接入れるか、プラスチック保存袋などの別の容器に移します。
- 組み立てた金型に注ぐための組織培地を準備します。混合物が均一で流動的であることを確認してください。混合物の温度を46°Cに維持する。
注:組織培地がすぐに必要ない場合は、必要になるまで保存容器内に4°Cまたは-20°Cで保存できます。
- 組織培地の作成に使用する以下の成分を測定し、260gの無香料ゼラチンを取っておきます(これらの量は必要に応じてスケーリングできます)。必要に応じて、140 gの細かく粉砕されたオオバコ殻繊維、オレンジ風味、無糖(透明な培地を作成するためにこの手順を省略します)。4%w / vクロルヘキシジン42g。
- 模擬骨髄溶液を調製する。
注:模擬骨髄溶液は事前に調製し、使用できるようになるまで室温で蓋付き容器に保存することができます。- 100 gの冷水を測定して完全に混ぜます(蛇口は問題ありません)。超音波ゲル100g;5 mLの赤い食用色素(オプション、シミュレーションの改善に使用)。最終製品が厚いが、迅速に移動できるほど流動性があることを確認してください。
- 骨を金型の底に固定し、金型を組み立てます。
- 金型の内面の両側に、焦げ付き防止クッキングスプレーなどの非シリコーンベースの離型剤をスプレーします。サポートピンを使用して骨を固定し、組織スペース内の正しい位置を維持します。ボーン/ピンを金型の底に固定します。
- 金型の上部を下部に合わせ、金型の2つの半分を一緒に固定します。注ぐときに組織培地が骨髄腔に入るのを防ぐために、骨プラグが所定の位置にあることを確認します。
- 開口部が上を向くように金型を配置し、46°Cの組織培地を金型のキャビティに注ぎます。倒立エアダスターキャニスターを使用して金型からの組織培地の漏れを、温かい組織培地にキャニスターを直接スプレーしてすばやく冷却することにより、改善します。充填した金型を4°Cの冷蔵庫に最低6時間、または組織培地が固まるまで移します。
- 金型を分解し、タスクトレーナーとサポートピンを取り外します。ボーンプラグを取り外し、5.2で作成したシミュレートされた「骨髄」で骨髄スペースを埋め、ボーンプラグを交換します。タスクトレーナーをプラスチック製の保管袋に入れ、トレーニングに必要になるまでアセンブリを4°Cまたは-20°Cで保管します。
6.タスクトレーニング
- タスクトレーナーを保管場所から取り出し、室温になるまで待ちます。まだ配置されていない場合は、5.5の指示に従って、ステップ5.2のシミュレートされた骨髄材料を追加します。
注意: トレーナーを室温まで温めると、シミュレーションエクスペリエンスが向上します。 - タスクトレーナーのトレーニングを実行します。研修生に、IO針を配置し(図2A)、IOライン配置の通常の手順に従ってシミュレートされた骨髄を吸引するように指示します(図2B)。
- トレーニング後、タスクトレーナーを分解して、組織、培地、骨を回収します。
注意: 操作後、IOトレーナーの骨には、IOラインカニューレを挿入することによって作成された穴があります。これらの穴は、ハンドヘルド3Dプリンターペンを使用してPLAで埋めるか、または骨を捨ててもよい。 - セクション5に従って、再生された材料を組み立てて再利用し、その後のトレーニングに再利用します.または、組織培地を溶かし、5.1.4に従って回収し、すぐに必要ない場合は4°Cまたは-20°Cで保管します。
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結果
プロトコルに従って、タスクトレーナーのモデリングは、匿名化された患者のCTスキャンを利用しました。CT画像のセグメンテーションでは、3Dスライサーソフトウェアと3Dモデリング用の自動メッシュミキサーを利用しました。3Dプリントには、3DシンプリファイとPrusa i3 MK3の両方を使用しました(図1)。その後、3Dプリントされた部品の組み立てを完了し、組織培地混合物を準備し、組み立てたタスクトレーナー型に培地混合物を流し込みました。タスクトレーナーとのトレーニング期間の後、組織培地は回収され、新しいタスクトレーナーの組み立てに再利用されました。
3Dモデリングに使用された患者の左膝関節のCTスキャンは、膝下6〜7 cmの脛骨と腓骨、膝上2〜3 cmの大腿骨、および膝蓋骨で構成されていました。このプロトコルの実行中に、異なる解剖学的セグメント間のオーバーラップに起因するCTスキャンで見られるアーティファクトは、各セグメントをSTLにエクスポートし、「法線反転」操作を実行した後、Meshmixerで手動で破棄されました。左脛...
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ディスカッション
このプロトコルでは、IOライン配置のまれに実行され、命を救う手順をトレーニングするための3Dタスクトレーナーの開発プロセスについて詳しく説明します。このセルフガイドプロトコルは、3D印刷を使用してモデル構造の大部分を生成し、タスクトレーナーの組み立てに使用される残りのコンポーネントは、ユビキタスで簡単に入手でき、再利用および再利用できる無毒の材料です。3Dタスクトレーナーは低コストであり、作成と組み立てには最小限の専門知識が必要です。UNMC麻酔科のトレーニングセッションでは、3D IOライン配置タスクトレーナーを正常に使用し、出席した教員と研修生によるデモンストレーションと実践的な練習を行いました。トレーニング中に収集された実現可能性データは、参加者がタスクトレーナーが実際の患者の解剖学的構造に対して高度な解剖学的忠実度を持っていることに同意し、デバイスの触覚フィードバックにさらに満足していることを示しました。
タスクトレーナーの生産における重要なステップは、3D設計と製造の2つのセクションに分かれています。タスクトレーナーアセンブリ。タスクトレーナーの形成に使用される3Dモデ...
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開示事項
著者は開示するものは何もありません。
謝辞
このプロジェクトの資金は、機関または部門のリソースからのみ提供されました。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 3Dプリンターフィラメント、ポリ乳酸(PLA)、1.75mm | N/A/ | 構造、骨/金型ハードウェア | |
| 3Dプリンター、オリジナルPrusa i3 MK3 | Prusa | 金型、骨構造、骨/金型ハードウェアボルトをプリントする、 | |
| 1/4インチ、フラット/皿頭または丸頭、各種長さ | N/A | 鋳造中に金型ケーシングの半分を一緒に保持するために使用されるハードウェア | |
| バケツ、5ガロン、プラスチック | N / A | メディア調製中にティッシュメディアを保持するため | |
| クロルヘキシジン、ティ | ッシュメディア | ||
| ドリル、家庭用3/8 'チャック | N / A | メディア調製中にティッシュメディアを攸動するため | |
| 食品着色料、赤(オプション) | N / A | シミュレートされた骨髄ゼラチン用の着色添加剤 | |
| ティッシュメディア | 無香料 | ノックス | |
| 、1/4インチ | N/A | キャスティング中にモールドケーシングの半分を一緒に保持するために使用されるハードウェア | |
| 焦げ付き防止クッキングスプレー | N/A | 離型剤 | |
| ビニール袋、ジップロック | ップロック | ティッシュメディア | |
| オバコの殻繊維、細かく挽いた、オレンジ風味、無糖(オプション) | プロクター&ギャンブル | メタムシル | 不透明度 / ティッシュメディア用エコー源性添加剤 |
| ドライバー、フラット / フィリップス (マッチング ボルト ハードウェア) | 該当なし モール | ド ケーシング ハードウェアを締めるには | |
| シリコン ガスケット コード ストック、3 mm、丸型、さまざまな長さ | 該当なし | モールド ケーシング用ガスケット メディア | |
| スプレー 接着剤、スーパー 77 (オプション) | 3D プリント中のベッド接着性を向上させるために使用される | 3M | |
| 攪拌パドル/ロッド | メディア調製中に組織媒体を攪拌するには | ||
| 七面鳥のバスター、家庭用、60 mL | N/A | 模擬骨髄を骨髄腔超音波 | |
| ゲル | 模擬骨髄水のベース | ||
| 、タップ | ティッシュ培地と模擬骨髄の両方で使用されます |
参考文献
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