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方法論記事

超音波ガイド下神経ブロックトレーニング用の手頃な価格で耐久性があり、中程度の忠実度の弾道ゲルファントムを構築

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DOI:

10.3791/66194

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2024年2月9日

 ,  ,  ,  , 
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

この記事について

サマリー

ここでは、超音波ガイド下局所麻酔トレーニング用の4つのカスタム弾道ゼラチン超音波ファントムの設計と作成を示します。コンピューター支援設計ソフトウェアを使用してファントムを設計し、3Dプリントモデルを使用してシリコン型を作成し、溶融した弾道ゲルを型に流し込んでカスタム組織層を作成しました。

要約

超音波ファントム(生体組織の代替品)は、患者に過度のリスクをもたらすことなく、学習者に超音波ガイド下局所麻酔を練習する機会を提供します。ゼラチンベースのファントムは、教育者に耐久性があり再利用可能なタスクトレーナーを提供します。しかし、市販されているゲルベースのファントムは高価です。ここでは、正中、大腿骨、顎上筋膜腸骨面、および鋸筋前面神経ブロック用の耐久性があり、低コストの弾道ゲルベースの超音波ファントムの製造と、超音波ガイド下神経ブロック手順用のファントムの作成方法を調査します。

コンピュータ支援設計(CAD)ソフトウェアを使用して、正中、大腿、顎上筋膜腸骨面、および鋸筋前面神経ブロックの解剖学的構造を再現する4つのファントムを設計しました。目的の組織面のプラスチックモデルを3Dプリントし、シリコーン型の作成に使用しました。弾道ゲルを溶かし、小麦粉と染料と混合して液体のエコー源性弾道ゲルを作成し、それをシリコーン型に流し込みました。血管は、金属棒を使用して弾道ゲル内に負の空間を作成することによってシミュレートされました。神経は、超音波ゲルに沈められた糸を使用してシミュレートされました。シミュレートされた骨は、CADを使用して設計され、3Dプリントされました。

バリスティックゲルは、さまざまな組織をシミュレートするために使用でき、溶融して任意の形状に成形できる、汎用性と耐久性に優れた媒体です。超音波下では、これらのファントムは、皮膚、筋肉、筋膜の異なる層間の境界を表すリアルな組織面を提供します。筋肉組織層、神経、血管、骨のエコー源性は現実的であり、骨には人間の被験者に見られるように顕著な後方の影があります。これらのファントムは、最初のファントムごとに200ドル、後続のファントムごとに60ドルの費用がかかります。これらのファントムの設計にはある程度の技術的スキルが必要ですが、商用のファントムのわずか4%のコストで製造できます。

概要

超音波ファントム(生体組織の代替品)は、患者に過度のリスクをもたらすことなく、超音波ガイド下局所麻酔(UGRA)などの医療処置を実践する機会を学習者に提供します1。最も一般的には液体シリコーンゴムの射出成形によって製造されますが、カスタムファントムは、用途の広い材料を使用して低コストで自家製にすることができます。豆腐、豚肉、牛肉などの有機組織は安価ですが、すぐに腐り、作るのが困難です2。ヒトの死体組織は解剖学的精度には理想的ですが、1 を入手して保存することは困難で費用がかかります。最近では、バーチャルリアリティを使用してUGRAトレーニングを提供しています。しかし、触覚フィードバックは手続き型学習の重要な要素であり、実装されることはほとんどありません。ハードウェアとソフトウェアのハイブリッドモデルが高い視覚的忠実度と触覚フィードバックを提供する場合でも、そのようなトレーニングを実行するために必要なハードウェアとソフトウェアは、多くの場合、法外なコストがかかります3。ゼラチンベースのファントムは、コスト、寿命、忠実度のバランスをとっています2.

弾道ゼラチンモデルは市販されていますが、医療シミュレーションセンターで高度に利用されている生鮮資源としては高価です。均質な実質と2つまたは3つの模擬血管を備えた小型でシンプルなゲルベースの超音波ファントムは、数百ドルで販売されています。たとえば、CAE Blue Phantom の基本的な超音波トレーニング ブロックの費用は 800 ドル以上です4.個々の神経ブロック手術に特化した高忠実度のファントムは、数千ドルの費用がかかります。CAE Blue Phantom 大腿骨局所麻酔超音波トレーニング モデルの費用は 5,000 ドルです (表 1)5。コストを下げるために、教育者はゼラチンまたはその他の低コストまたは再利用可能な材料を使用してカスタムメイドのファントムを実験してきました6,7,8。小麦粉、コーンスターチ、グラファイトパウダー、メタムシルなどの添加物を使用して、ゼラチンを不透明にし、ファントムのエコー源性をカスタマイズすることで、その忠実度を高めることができます8,9,10,11,12,13,14。

自家製ゼラチンベースの神経ブロックトレーナーでの以前の試みは、超音波下での神経の外観を適切に再現できなかったか、または生鮮食品を利用したため、貯蔵寿命が制限されていました15,16。これらの欠点がなくても、以前のイテレーションには、研修生が特定の神経ブロック手順を練習できるようにする関連する解剖学的ランドマークと筋膜面が含まれていませんでした。ここでは、正中、大腿骨、顎上筋膜腸骨面、および鋸筋前面神経ブロック用の耐久性があり低コストの弾道ゲル超音波ファントムの製造と、超音波ガイド下神経ブロック手順用のファントムの作成方法を調査します。

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プロトコル

このプロジェクトでは、著者のJRとPSが超音波被験者としてボランティアとして参加し、両者から口頭での同意が得られました。このプロトコルに従っている場合は、患者または人間のボランティアを研究対象として使用する前に、倫理委員会または施設内審査委員会 (IRB) から承認を得てください。

1.ファントムデザインとシリコーンモールド作成

  1. 参照超音波画像の作成
    1. 超音波ファントムごとに、超音波のサブスペシャライゼーションを持ち、目的のファントムによってシミュレートされる神経ブロック手順に精通している医師に、ボランティアの被験者から参照超音波画像を作成してもらいます (図 1)。この超音波画像が、麻酔薬が注入される該当する神経または組織面に横方向のビューがあることを確認してください。
  2. ティッシュ層モデルの設計と3Dプリンティング
    1. 各ファントムの断面デザインを描きます(図 2)を使用し、コンピューター支援設計(CAD)を利用して、目的の組織層のプラスチックモデルとファントムの全体的な形状の外部容器を設計します(図3A, 増補ファイル1、増補ファイル2、増補ファイル3そして 補遺ファイル4).
      注:設計の観点から、筋膜平面ブロックは、5 mmの壁を持つ中空の直角プリズムに囲まれた一連のぴったりとフィットしたプリズムと考えることができます。5mm未満の壁は、信頼性の高い生産には壊れやすいものでした。この直角プリズムは、ファントムの最外層として機能し、そこに他の組織層が組み立てられて配置されます。正中神経モデル( 図 3 そして 図 4)は、直角プリズムではなくアーチ型のコンテナを使用して、人間の腕の形状をシミュレートします。
      1. CADソフトウェアで、超音波、CT、またはその他の既知の寸法のターゲット画像からフラットキャンバスを作成します。 [ソリッド] |挿入 |キャンバスで [ファイル] を選択し、[ XY 平面] をクリックして [+X +Y] スペースにドラッグし、画像の長さが既知の単位に正確になるようにドラッグして拡大縮小します。
      2. モデルの輪郭を描く画像の領域上に直角プリズムを作成するには、[ ソリッド] |スケッチを作成 |XY平面 |2ポイント長方形ツール。長方形を領域にドラッグし、閉じるときに長さ/幅のボックス内で絞り込みます。 Enterキーを押します。 スケッチの終了をクリックします。長方形をクリック |ソリッド |押し出し;長方形を目的の高さまでドラッグし、閉じるときに高さボックスで絞り込みます。をクリックし、 Enter キーを押します。
        注:各モデルは、それらが表す解剖学的構造に基づいて長さと幅が異なりますが、通常は~100mmが効果的なモデルの高さであることがわかりました。
      3. 直角プリズムの上部をクリックして、直角プリズムの上に別のスケッチを作成します |スケッチを作成し 、スケッチ |作成 と スケッチ |ツールボックスを変更します。プリズムの後ろに見えるキャンバスを使用して、デザインをガイドします。キャンバスが直角プリズムを通して見えない場合は、[ 表示設定]でこれを変更します。モデルの断面を表すスケッチが作成されたら、[ スケッチの終了]をクリックします。
        注:目的の解剖学的構造と包み込むプリズムの内側の縁を描くための特定の理想的なツールはありません。上記の手順は、このプロトコルで使用されたものです。
      4. 次に、スケッチ内の形状をクリックして、スケッチから各内部プリズムを作成します |ソリッド |押し出し;形状を目的の長さ(通常は長方形の全長より5 mm短い)で直角プリズムに戻します。をクリックし、Operation = New Body |エンター。この新しいオブジェクトを表示するには、新しいボディの名前の横にある目の記号 |
        注:血管は、筋膜平面本体の端または中心に設計された円形または楕円形のプリズム形状の穴で表されるべきです。この時点で、仮想モデルを最初のキャンバス と正面 から見ると、個々のモデルのピースとそれらがどのように組み合わされるかを視覚化できます。
      5. 3Dプリント用に各ボディを個別にエクスポートするには、[ボディ] | エクスポートするボディを除くすべてのボディの横にある目の記号をクリックします。[ファイル] |エクスポート |タイプ = .stl ファイル |エンター。
        注: これで、それぞれが一意の筋膜平面またはボーンを表す複数の .stl ファイルと、筋膜平面のピースが収まる長方形の境界ボックスを表す 1 つの追加の .stl ファイルが作成されます。
    2. モデルの印刷に使用する3Dプリンターと互換性のあるスライサーソフトウェアでSTLファイルを開きます。
      1. 「面に配置」ボタンを使用して、モデルの底面がプリントベッドに接触するようにモデルをベッドに置きます。
      2. [プリンター] で、プリンターを選択します。[印刷設定]で[0.20mm SPEED]を選択し、[フィラメント]で[Generic PLA]を選択します。インフィルには15-20%を選択し、サポートメニューでどこでも選択し、プリントの安定性のために必要に応じてブリムを追加します。「今すぐスライス」をクリックします。
      3. GコードファイルをSDカードにエクスポートし、3Dプリンターに接続して、ポリ乳酸(PLA)フィラメントを使用してファイルを印刷します。
  3. シリコーン型の作成
    1. メーカーのガイドライン17に従って、速硬化シリコーンゴムに沈める前に、トップレスプレキシガラス容器の底に各3Dプリントモデルを接着します。
    2. シリコーンをセットしたら、硬質プラスチックモデルとプレキシガラスケースを取り外し、弾道ゲルを注ぐ目的の各組織層と容器の柔軟で耐久性があり、再利用可能なシリコーン型を残します(図3B)。
      注:この時点で、プロトコルは一時停止され、後で再開される場合があります。

figure-protocol-1
図1:ヒトの被験者から得られた代表的な超音波画像。 ボランティアのヒト被験者から得られた (A) 正中、(B) 大腿骨、(C) 顎上筋膜腸骨面、および (D) 前鋸筋神経ブロック モデルの代表的な画像。略語:A =動脈;V =静脈;M =正中神経;F =大腿神経;RAD = 半径;U =尺骨;AIIS = 前下腸骨棘;R =リブ;SART = ザルトリウス筋;IL=腸骨筋;IO = 内部斜め;SA = 前鋸筋;LD = 広背筋。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

figure-protocol-2
図2:神経ブロック超音波ファントムの断面図(A)正中、(B)大腿骨、(C)顎上筋膜腸骨面、(D)前鋸筋神経ブロック超音波ファントム。回路図は、図1に示す代表的なヒト超音波画像に基づいて設計されました。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

figure-protocol-3
図3:正中神経ブロックファントム部品の作成(A)正中神経ブロックファントムの各組織層のプラスチックモデルを印刷するためのコンピュータ支援設計ファイルの代表画像。(B)正中神経ブロックファントムの各組織層用のシリコーン型(弾道ゲル内に血管を形成するために挿入された金属棒を含む)。(C)熱く、液体で、染色された弾道ゲルをシリコーン型に注ぎます。(D)模擬血管に模擬血液を充填した後、液体弾道ゲルを用いて模擬血管の開放端を密封すること。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

2. その他の幻のランドマークの作成

  1. ボーンのデザインと作成のシミュレーション
    1. CADで設計したモデルの領域が軟部組織ではなく骨を表している場合は、上記の手順で模造骨を3Dプリントしますが、代わりにアクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)フィラメントを使用します。
      注意:ABSフィラメントフュームには揮発性有機化合物(VOC)が含まれている可能性があり、眠気、目や気道の炎症、吐き気、頭痛などの身体的な不快感を引き起こす可能性があります18。ABSは、密閉された3Dプリンターまたは密閉されていないプリンターで、換気や空気ろ過が良好な部屋で印刷する必要があります。
  2. 神経生成のシミュレーション
    1. 超音波ジェルで満たされたプラスチックカップに80%のアクリル糸、20%のウール糸を沈めます。カップを-1気圧の圧力チャンバーに入れます。
    2. 単段真空ポンプを使用して、超音波ゲルからすべての気泡が除去されるまで、チャンバー内の圧力を繰り返し蓄積し、解放します(約4〜6サイクル後に達成されます)。
      注:この手順は、神経をシミュレートするのに役立ちます。この時点で、プロトコルは一時停止され、後で再開される可能性があります。

3.弾道ゲルの溶融と注ぎ

  1. 弾道ゲルを溶かす
    1. 市販のバリスティックゲルと染料を約20:1の体積比で加熱し、液体が市販の対流式オーブンで132°Cに達するまで断続的に攪拌します。
      注意: 加熱された液体弾道ジェルは、高温の液体の取り扱いに伴う火傷のリスクがあるため、注意して取り扱う必要があります。液体弾道ジェルで満たされた鍋を取り扱うときは、オーブンミットを使用してください。皮膚と液体弾道ゲルとの直接の接触を避けてください。
  2. エコー源性のための添加剤
    1. 弾道ゲル1kgあたり約4.5gの微粒粉を液体弾道ゲルに攪拌します。ゲルをオーブンに少なくとも20分間放置し、断続的に攪拌して、均一に混合し、気泡を逃がします。
    2. 必要に応じて透明な弾道ゲルまたは染料を追加し、混合物の色を調整して人間の組織をシミュレートします。
  3. シリコーン型に流し込む弾道ゲル
    1. その特定の神経ブロックモデルに適した場合は、再利用可能なシリコーン型の指定された位置にさまざまな直径の固体鋼棒を挿入して、血管を表す最終的な超音波ファントムにチャネルを作成します(図3C)。
    2. 染料で着色された液体弾道ゲルに、懸濁した小麦粉の微粒子が含まれ、気泡が保持されていない液体弾道ゲルをシリコーン型に注ぎ、冷まします。
    3. 冷却後、金属棒と最終的な弾道ゲル組織層を型から取り出します。それらの間に超音波ゲルコーティングを一緒に配置すると、隣接する組織片がほぼ完全に整列し、超音波でシミュレートされた筋膜面を生成します。
      注:各超音波ファントムには、約0.7kgの弾道ゲルが必要です。冷却時間は組織層のサイズに依存し、20分から1.5時間まで変化します。
  4. 模擬血液の添加と血管の封印
    1. シミュレートされた血管を持つ組織層の場合は、組織層の片側を液体弾道ゲルに浸して冷却し、血管チャネルの片側を密閉します。
    2. これらの組織層を直立させ、針と注射器を使用して、シミュレートされた血液を各血管に導入します。
      注:動脈血と静脈血をそれぞれ表すために、赤または青の食用色素の水を使用しました。
    3. 静止液の弾道ゲルを使用して、残りの容器の開口部を覆い、液体で満たされた各容器を完全に密閉します(図3D)。
      注:この時点で、プロトコルは一時停止され、後で再開される可能性があります。ただし、次の手順に進むには、弾道ゲルを再度溶かす必要があります。

4.ファントムアセンブリ

  1. 組織層、神経、骨の組み立て
    注: 図4A は、組織層、シミュレートされた神経、シミュレートされた骨など、組み立て直前の正中神経ブロックファントムの個々のコンポーネントを示しています。
    1. 各コンポーネントを超音波ゲルでコーティングし、 図2の断面に示すようにコンポーネントを組み立て、それらをそれぞれの弾道ゲル直角プリズム(図4B)に挿入して、ファントムを組み立てます。このステップで、3Dプリントした骨や糸の神経を適切に配置します。
  2. ファントムの端をシールする
    1. モデルを液体弾道ゲルで満たされた鍋に両面に浸して、モデルを密封します(図4C)。シールプロセスを両側で複数回繰り返します。
    2. 最後に、ヒートガンを使用してファントムのエッジを滑らかにし、気泡や欠陥を取り除き、サイドシールを補強します。
  3. 疑似スキンの追加(オプション)
    注:筋膜平面モデルへの拡張は、疑似スキンの追加です。
    1. 新しく注がれた皮膚層と既存のモデルとの間のアニーリングを防ぐために、超音波ゲルでゆるく覆われた密封および冷却されたモデルの上に液体弾道ゲルを注ぎます(図4D および 補足ビデオS1)。

figure-protocol-4
(A)分解された正中神経ブロックファントムの個々のコンポーネント、弾道ゲル組織層、3Dプリントされた橈骨と尺骨、超音波ゲルに浸された糸正中神経、超音波ゲルのボトル、液体弾道ゲルで満たされたパン。(B)正中神経ブロックファントムの組み立て、超音波ゲルで覆われた組織層と模擬骨の挿入を含む。(C)液体弾道ゲルの鍋に浸して、ファントムの一端を密封します。(D)完成した正中神経ブロックファントムに液体弾道ゲルを注ぐことにより、疑似皮膚の層を作成します。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

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結果

4つの超音波ファントムは、上記の方法を使用して設計および製造に成功しました。各モデルの超音波断面を、同等の人体解剖学的構造の超音波と整列させたものを 図5に示します。超音波下では、これらのファントムは、皮膚、筋肉、筋膜の異なる層間の境界を表すリアルな組織面を提供します。筋肉組織は適切かつ均質にエコー源性である。このエコー源性は、溶融中に弾道ゲルに添加される小麦粉の量に基づいて調整できます。筋膜境界は、背景の筋肉組織と比較して高エコーです。糸は不規則に高エコーに見え、明確に定義された境界があり、神経の外観を適切にシミュレートします。糸は組織層の間に位置し、ファントムのこの部分は、神経ブロック処置中の局所麻酔薬の注射をシミュレートするための流体注入に対応できます。さらに、弾道ゲルブロックへの注入は、模擬筋膜面への注入と比較すると大きな抵抗に遭遇し、学習者にとって有益なフィードバックメカニズムとして機能する可能性があります。ABSフィラメントで作られた3Dプリントされたブロックは、超音波下で視覚化すると、人間の骨の高エコー皮質と音響影を適切にシミュレートします。シミュレートされた血管...

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ディスカッション

これらのカスタム弾道ゲルベースのファントムは、市販の神経ブロックファントムの数分の一のコストで、中忠実度の中央値、大腿骨、顎鼠上筋膜腸骨面、および鋸筋前面神経ブロックトレーニングを研修生に提供します(表1)。私たちの最初の正中神経と大腿神経ブロックのトレーナーは、最も安価な市販の中央値と大腿神経ブロックのトレーナーの価格のそれぞれ12%と9%で社内で作られました。利用可能な大腿神経ブロックファントムはいずれも、私たちのファントムのように腸骨筋膜ブロックへの顎上アプローチをシミュレートすることはできません。市販の鋸歯状前面超音波ファントムは見つかりませんでした。

表1:市販の超音波ガイド下局所麻酔ファントムの概要。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

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開示事項

この論文の著者には、開示すべき利益相反はありません。

謝辞

このプロジェクトは、カリフォルニア州ラホーヤにあるカリフォルニア大学サンディエゴ医科大学のシミュレーショントレーニングセンター(STC)から資金提供を受けました。 図 5 に貢献してくださった Blake Freechtle 氏に感謝します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
ABS フィラメント - 1.75 m+B+A2:A14Hatchbox (カリフォルニア州ポモナ)https://www.hatchbox3d.com/collections/abs-1-75mm
Adobe PhotoshopAdobe (カリフォルニア州サンノゼ)https://www.adobe.com/products/photoshop.html
Amber Tone DyeHumimic Medical (サウスカロライナ州グリーンビル)852844007925Ballistic gel dye; https://humimic.com/product/amber-tone-dye/
Fusion 360オートデスク (カリフォルニア州サンフランシソ)コンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェア;
https://www.autodesk.com/products/fusion-360/overview?term=1-YEAR&tab=subscription&plc=F360 ゼラチン #1 - 医療用ゲル by the PoundHumimic Medical (サウスカロライナ州グリーンビル)852844007406バリスティックゲル;
https://humimic.com/product/gelatin-1-medical-gelatin-by-the-pound/ グルテンフリー中力粉Arrowhead Mills (Hereford, TX)Flour for echogenicity;
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 Pourable Silicone RubberSmooth-On (Macungie, PA)Pourable silicone rubber;https://www.smooth-on.com/products/mold-star-16-fast/
Peach Tone DyeHumimic Medical (サウスカロライナ州グリーンビル)852844007895弾道ゲル染料; https://humimic.com/product/peach-tone-dye/
PLA Filament - 1.75 mmHatchbox (カリフォルニア州ポモナ)https://www.hatchbox3d.com/collections/pla-1-75mm
Prusa Original i3 MK3S+ printerPrusa Research (チェコ共和国プラハ)3Dプリンター;https://www.prusa3d.com/category/original-prusa-i3-mk3s/
Prusa Slicer 2.6.1Prusa Research (チェコ・プラハ)3Dプリンタースライサーソフト; https://www.prusa3d.com/page/prusaslicer_424/
Wool-Ease Thick &クイックヤーンライオンブランドヤーン (ニュージャージー州リンドハースト)640-610B神経を模擬したヤーン https://www.lionbrand.com/products/wool-ease-thick-and-quick-yarn?variant=32420963516509

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