Tutaj demonstrujemy projekt i tworzenie czterech niestandardowych fantomów ultrasonograficznych z żelatyny balistycznej do treningu znieczulenia regionalnego pod kontrolą USG. Zaprojektowaliśmy fantomy za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo, użyliśmy modeli wydrukowanych w 3D do stworzenia form silikonowych, a następnie wlaliśmy do nich stopiony żel balistyczny, aby stworzyć niestandardowe warstwy tkanki.
Artykuł metodologiczny
Budowanie niedrogich, trwałych, średniej wierności fantomów z żelu balistycznego do treningu blokady nerwów pod kontrolą USG
* These authors contributed equally
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Fantomy ultradźwiękowe - alternatywy dla żywej tkanki ludzkiej - dają uczącym się możliwość ćwiczenia znieczulenia miejscowego pod kontrolą USG bez wprowadzania nadmiernego ryzyka dla pacjentów. Fantomy na bazie żelatyny zapewniają edukatorom trwałe trenażery zadaniowe wielokrotnego użytku; Jednak dostępne na rynku fantomy na bazie żelu są drogie. W tym miejscu badamy produkcję trwałych, tanich, balistycznych fantomów ultrasonograficznych na bazie żelu balistycznego dla blokad nerwów środkowych, udowych, powięzi biodrowej nadpinkulowej i zębatych w płaszczyźnie przedniej, a także metodologię wytwarzania fantomu do dowolnej procedury blokady nerwów pod kontrolą USG.
Oprogramowanie do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) zostało wykorzystane do zaprojektowania czterech fantomów replikujących anatomię blokad nerwowych środkowej, udowej, powięzi biodrowej nadpinguinalnej i zębatej przedniej płaszczyzny nerwowej, w tym odpowiednich punktów orientacyjnych i płaszczyzn tkankowych. Plastikowe modele pożądanych płaszczyzn tkanek zostały wydrukowane w 3D i wykorzystane do stworzenia form silikonowych. Żel balistyczny topiono i mieszano z mąką i barwnikiem, aby stworzyć płynny, echogeniczny żel balistyczny, który wlewano do silikonowych form. Naczynia symulowano poprzez tworzenie ujemnej przestrzeni w żelu balistycznym za pomocą metalowych prętów. Nerwy symulowano za pomocą przędzy zanurzonej w żelu ultradźwiękowym. Symulowane kości zostały zaprojektowane przy użyciu CAD i wydrukowane w 3D.
Żel balistyczny to wszechstronny, trwały nośnik, który może być używany do symulacji różnych tkanek i może być topiony i formowany w dowolny kształt. Pod wpływem ultradźwięków fantomy te zapewniają realistyczne płaszczyzny tkanek, które reprezentują granice między różnymi warstwami skóry, mięśni i powięzi. Echogeniczność warstw tkanki mięśniowej, nerwów, naczyń i kości jest realistyczna, a kości mają znaczne cienie tylne, które można by zaobserwować u człowieka. Fantomy te kosztują 200 dolarów za pierwszy fantom i 60 dolarów za każdy kolejny fantom. Te fantomy wymagają pewnych umiejętności technicznych do zaprojektowania, ale można je zbudować za jedyne 4% kosztów ich komercyjnych odpowiedników.
Wprowadzenie
Fantomy ultradźwiękowe - alternatywy dla żywej tkanki ludzkiej - dają uczniom możliwość ćwiczenia procedur medycznych, w tym znieczulenia regionalnego pod kontrolą ultradźwięków (UGRA), bez wprowadzania nadmiernego ryzyka dla pacjentów1. Chociaż najczęściej wytwarzane są metodą formowania wtryskowego płynnej gumy silikonowej, niestandardowe fantomy można wykonać w domu przy użyciu wszechstronnych materiałów po niższych kosztach. Tkanki organiczne, takie jak tofu, wieprzowina i wołowina, są tanie, ale szybko się psują i są trudne do wytworzenia2. Tkanka zwłok ludzkich jest idealna do dokładności anatomicznej, ale jest trudna i kosztowna do uzyskania i zachowania1. Ostatnio wirtualna rzeczywistość została wykorzystana do prowadzenia szkoleń UGRA; Jednak haptyczne sprzężenie zwrotne jest kluczowym elementem uczenia się proceduralnego i jest rzadko wdrażane. Nawet jeśli hybrydowy model sprzętowo-programowy zapewnia wysoką wierność wizualną i dotykowe sprzężenie zwrotne, sprzęt i oprogramowanie wymagane do przeprowadzenia takiego szkolenia są często zbyt kosztowne3. Fantomy na bazie żelatyny zapewniają równowagę między kosztem, długowiecznością i wiernością2.
Modele żelatyny balistycznej są dostępne na rynku, ale są drogie jak na łatwo psujący się surowiec, który jest często wykorzystywany w centrach symulacji medycznych. Małe, proste, żelowe fantomy ultrasonograficzne z jednorodnym miąższem i dwoma lub trzema symulowanymi naczyniami kosztują setki dolarów. Na przykład podstawowy blok szkoleniowy z zakresu ultrasonografii CAE Blue Phantom kosztuje ponad 800 USD4. Fantomy o wyższej wierności, specyficzne dla poszczególnych procedur blokady nerwów, kosztują tysiące dolarów. Model szkoleniowy ultrasonograficzny znieczulenia regionalnego kości udowej CAE Blue Phantom kosztuje 5,000 USD (Tabela 1)5. Aby obniżyć koszty, nauczyciele eksperymentowali z fantomami wykonanymi na zamówienie przy użyciu żelatyny lub innych tanich materiałów wielokrotnego użytku6,7,8. Dodatki, takie jak mąka, skrobia kukurydziana, sproszkowany grafit i Metamucil, mogą być używane do zmętnienia żelatyny i dostosowania echogeniczności fantomu, zwiększając w ten sposób jego wierność8,9,10,11,12,13,14.
Poprzednie próby domowych trenażerów bloków nerwowych na bazie żelatyny albo nie były w stanie odpowiednio odtworzyć wyglądu nerwów pod ultradźwiękami, albo wykorzystywały łatwo psujące się przedmioty, ograniczając w ten sposób okres przydatności do spożycia15,16. Nawet bez tych wad poprzednie iteracje nie zawierały odpowiednich anatomicznych punktów orientacyjnych i płaszczyzn powięziowych, które pozwoliłyby uczestnikom ćwiczyć określone procedury blokowania nerwów. W tym miejscu badamy produkcję trwałych, tanich, żelowych fantomów ultradźwiękowych z żelu balistycznego do blokad nerwów pośrodkowych, udowych, powięzi biodrowej nadpinalnej i ząbkowanych w płaszczyźnie przedniej, a także metodologię wytwarzania fantomu do dowolnej procedury blokady nerwów pod kontrolą USG.
Protokół
W tym projekcie autorzy JR i PS zgłosili się jako ochotnicy do badania ultrasonograficznego i od obojga uzyskano zgodę ustną. Osoby stosujące niniejszy protokół powinny uzyskać zgodę komisji etycznej lub instytucjonalnej rady rewizyjnej (IRB) przed włączeniem pacjentów lub ochotników do badania.
1. Projekt fantomu i wykonanie formy silikonowej
- Utworzenie referencyjnego obrazu USG
- Dla każdego fantoma USG lekarz ze specjalizacją w zakresie ultrasonografii, zaznajomiony z procedurą blokady nerwów symulowaną przez dany fantom, powinien utworzyć referencyjny obraz USG z ochotnika (Rysunek 1). Należy upewnić się, że obraz USG przedstawia widok poprzeczny w stosunku do odpowiedniego nerwu lub płaszczyzny tkankowej, w którą wstrzyknięty zostanie środek znieczulający.
- Projektowanie i druk 3D modeli warstw tkankowych
- Należy narysować przekroje każdego fantoma (Rysunek 2) i wykorzystać wspomaganie komputerowe (CAD) do zaprojektowania plastikowych modeli wybranych warstw tkankowych oraz zewnętrznego pojemnika nadającego ogólny kształt fantomowi (Rysunek 3A, Plik uzupełniający 1, Plik uzupełniający 2, Plik uzupełniający 3 oraz Plik uzupełniający 4).
UWAGA: Z punktu widzenia projektowania blokady płaszczyzn powięziowych można rozpatrywać jako serię ściśle dopasowanych pryzmatów zamkniętych w pustym prostopadłościanie o ściankach o grubości 5 mm. Ścianki cieńsze niż 5 mm były zbyt kruche, aby zapewnić niezawodną produkcję. Prostopadłościan ten służy jako zewnętrzna warstwa fantoma, w której montowane są pozostałe warstwy tkankowe. Model nerwu pośrodkowego (pokazany na Rysunku 3 i Rysunku 4) wykorzystuje pojemnik łukowy zamiast prostopadłościanu, aby symulować kształt ludzkiego ramienia.- W oprogramowaniu CAD utwórz płaskie płótno (canvas) z obrazu USG, CT lub innego obrazu docelowego o znanych wymiarach. Kliknij Solid | Insert | Canvas, wybierz File, kliknij XY plane, przeciągnij do przestrzeni +X +Y i przeskaluj tak, aby długość obrazu odpowiadała znanym jednostkom.
- Utwórz prostopadłościan nad obszarem obrazu, który obrysowuje model, klikając Solid | Create Sketch | XY plane | 2-Point Rectangle tool. Przeciągnij prostokąt nad obszar i doprecyzuj wartości w polach długości/szerokości, gdy będzie on bliski pożądanego rozmiaru; naciśnij Enter; kliknij Finish Sketch; kliknij rectangle | Solid | Extrude; przeciągnij prostokąt do żądanej wysokości i doprecyzuj ją w polu wysokości; naciśnij Enter.
UWAGA: Każdy z naszych modeli ma inną długość i szerokość w zależności od reprezentowanej anatomii, jednak zazwyczaj stwierdziliśmy, że wysokość modelu wynosząca ~100 mm jest skuteczna. - Utwórz kolejny szkic na górnej powierzchni prostopadłościanu, klikając the top of the rectangular prism | Create Sketch, i narysuj pożądaną anatomię oraz wewnętrzną krawędź obudowującego prostopadłościanu, klikając Sketch | Create oraz Sketch | Modify toolboxes. Wykorzystaj płótno widoczne za pryzmatem jako prowadnicę projektu; jeśli płótno nie jest widoczne przez prostopadłościan, zmień to w Display Settings. Po utworzeniu szkicu reprezentującego przekrój modelu kliknij Finish Sketch.
UWAGA: Nie ma jednego, konkretnego, idealnego narzędzia do rysowania pożądanej anatomii i wewnętrznej krawędzi obudowującego pryzmatu. Powyższy krok jest tym, który został zastosowany w niniejszym protokole. - Następnie utwórz każdy wewnętrzny pryzmat ze szkicu, klikając shape in the sketch | Solid | Extrude; przeciągnij kształt z powrotem do wnętrza prostopadłościanu na pożądaną długość, zazwyczaj o 5 mm mniejszą niż pełna długość prostokąta; kliknij Operation = New Body | Enter. Aby wyświetlić ten nowy obiekt, wyłącz widoczność wszystkich pozostałych obiektów, klikając Bodies | the eye symbol obok new body's name.
UWAGA: Naczynia powinny być reprezentowane przez okrągłe lub eliptyczne otwory w kształcie pryzmatów zaprojektowane w krawędziach lub centrach brył płaszczyzn powięziowych. W tym momencie, patrząc na model wirtualny en-face w odniesieniu do początkowego płótna, można zwizualizować poszczególne elementy modelu i sposób ich dopasowania. - Wyeksportuj każdą bryłę indywidualnie do druku 3D, klikając Bodies | the eye symbol next to every body except the one being exported; kliknij File | Export | Type = .stl file | Enter.
UWAGA: Powinieneś teraz posiadać wiele plików .stl, z których każdy reprezentuje unikalną płaszczyznę powięziową lub kość, a także jeden dodatkowy plik .stl reprezentujący prostokątną ramkę ograniczającą, w której zostaną umieszczone elementy płaszczyzn powięziowych.
- Otwórz plik STL w oprogramowaniu typu slicer kompatybilnym z drukarką 3D, która zostanie użyta do wydrukowania modeli.
- Użyj przycisku Place on face, aby położyć model na stole w taki sposób, aby dół modelu dotykał platformy drukującej.
- W sekcji Printer wybierz drukarkę. W sekcji Print settings wybierz 0.20mm SPEED, a w sekcji Filament wybierz Generic PLA. Wybierz 15-20% dla Infill, wybierz Everywhere w menu Supports i dodaj krawędź (brim), jeśli jest to konieczne dla stabilności wydruku. Kliknij Slice now.
- Wyeksportuj plik G-code na kartę SD, włóż ją do drukarki 3D i wydrukuj plik, używając filamentu z kwasu polimlekowego (PLA).
- Należy narysować przekroje każdego fantoma (Rysunek 2) i wykorzystać wspomaganie komputerowe (CAD) do zaprojektowania plastikowych modeli wybranych warstw tkankowych oraz zewnętrznego pojemnika nadającego ogólny kształt fantomowi (Rysunek 3A, Plik uzupełniający 1, Plik uzupełniający 2, Plik uzupełniający 3 oraz Plik uzupełniający 4).
- Utworzenie form silikonowych
- Przyklej każdy wydrukowany w 3D model do dna otwartego pojemnika z pleksiglasu, a następnie zanurz go w szybko utwardzającej się gumie silikonowej zgodnie z wytycznymi producenta17.
- Po utwardzeniu silikonu usuń model z twardego plastiku oraz obudowę z pleksiglasu, pozostawiając elastyczną, trwałą i wielokrotnego użytku formę silikonową dla każdej z pożądanych warstw tkankowych oraz pojemnika, do którego wlewana jest żelatyna balistyczna (Rysunek 3B).
UWAGA: Na tym etapie protokół można przerwać i wznowić w późniejszym czasie.
Rysunek 1Reprezentatywne obrazy ultradźwiękowe uzyskane od człowieka. Reprezentatywne obrazy dla (A) mediana, (B) udowy, (C) płaszczyzna powięzi biodrowej nadpachwinowej oraz (D) modele blokady nerwów w płaszczyźnie mięśnia zębatego przedniego uzyskane od ochotników. Skróty: A = tętnica; V = żyła; M = nerw pośrodkowy; F = nerw udowy; RAD = kość promieniowa; U = kość łokciowa; AIIS = kolec biodrowy przedni dolny; R = żebro; SART = mięsień krawiecki; IL = mięsień biodrowo-lędźwiowy; IO = mięsień skośny wewnętrzny brzucha; SA = mięsień zębaty przedni; LD = mięsień najszerszy grzbietu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 2: Schematy przekrojów poprzecznych fantomów ultradźwiękowych do blokady nerwów. (A) fantom ultradźwiękowy do blokady nerwu pośrodkowego, (B) nerwu udowego, (C) płaszczyzny powięzi pastej nadpachwinowej oraz (D) płaszczyzny mięśnia zębatego przedniego. Schematy zostały opracowane na podstawie reprezentatywnych obrazów ultradźwiękowych człowieka przedstawionych na Rysunku 1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 3: Tworzenie komponentów fantoma do blokady nerwu pośrodkowego. (A) Reprezentatywny obraz pliku wspomaganego komputerowo (CAD) użytego do wydrukowania plastikowych modeli każdej warstwy tkanki dla fantoma do blokady nerwu pośrodkowego. (B) Formy silikonowe dla każdej warstwy tkanki fantoma do blokady nerwu pośrodkowego, w tym wstawione metalowe pręty służące do utworzenia naczyń w żelu balistycznym. (C) Wlewanie gorącego, płynnego, zabarwionego żelu balistycznego do form silikonowych. (D) Uszczelnianie otwartego końca symulowanych naczyń za pomocą płynnego żelu balistycznego po napełnieniu naczyń symulowaną krwią. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
2. Tworzenie pozostałych punktów orientacyjnych fantoma
- Projektowanie i tworzenie symulowanej kości
- Jeśli obszar modelu zaprojektowany w CAD reprezentuje kość, a nie tkankę miękką, wydrukuj w 3D imitację kości, postępując zgodnie z powyższymi krokami, ale zamiast tego użyj filamentu z akrylonitrylo-butadien-styrenu (ABS).
OSTROŻNIE: Opary filamentu ABS mogą zawierać lotne związki organiczne (LZO), które mogą powodować dyskomfort fizyczny, taki jak senność, podrażnienie oczu lub dróg oddechowych, nudności i/lub bóle głowy18. Wydruk z ABS powinien być wykonywany na zamkniętej drukarce 3D lub na drukarce otwartej w pomieszczeniu z dobrą wentylacją i/lub filtracją powietrza.
- Jeśli obszar modelu zaprojektowany w CAD reprezentuje kość, a nie tkankę miękką, wydrukuj w 3D imitację kości, postępując zgodnie z powyższymi krokami, ale zamiast tego użyj filamentu z akrylonitrylo-butadien-styrenu (ABS).
- Tworzenie symulowanego nerwu
- Zanurz włóczkę składającą się w 80% z akrylu i 20% wełny w plastikowym kubku wypełnionym żelem ultradźwiękowym. Umieść kubek w komorze ciśnienia -1 atm.
- Użyj jednostopniowej pompy próżniowej, aby wielokrotnie wytwarzać, a następnie uwalniać ciśnienie w komorze, aż z żelu ultradźwiękowego zostaną usunięte wszystkie pęcherzyki powietrza, co zostaje osiągnięte po około 4-6 cyklach.
UWAGA: Ten krok pomaga w symulacji nerwów. Na tym etapie protokół można wstrzymać i wznowić później.
3. Topienie i wlewanie żelu balistycznego
- Topienie żelu balistycznego
- Podgrzewać dostępny w handlu żel balistyczny oraz barwnik w przybliżonym stosunku objętości 20:1, mieszając okresowo, aż ciecz osiągnie temperaturę 132 °C w komercyjnym piekarniku konwekcyjnym.
UWAGA: Podgrzany, płynny żel balistyczny należy traktować z ostrożnością ze względu na ryzyko oparzeń związane z obchodzeniem się z gorącymi płynami. Podczas przenoszenia naczyń wypełnionych płynnym żelem balistycznym należy używać rękawic kuchennych. Należy unikać bezpośredniego kontaktu skóry z płynnym żelem balistycznym.
- Podgrzewać dostępny w handlu żel balistyczny oraz barwnik w przybliżonym stosunku objętości 20:1, mieszając okresowo, aż ciecz osiągnie temperaturę 132 °C w komercyjnym piekarniku konwekcyjnym.
- Dodatki zwiększające echogeniczność
- Wmieszać do płynnego żelu balistycznego około 4,5 g drobnoziarnistej mąki na każdy kg żelu balistycznego. Pozostawić żel w piekarniku przez co najmniej 20 min, mieszając okresowo, aby zapewnić równomierne wymieszanie i umożliwić ucieczkę pęcherzyków powietrza.
- W razie potrzeby dodać dodatkowy przezroczysty żel balistyczny lub barwnik, aby dostosować kolor mieszaniny tak, by symulowała tkankę ludzką.
- Wlewanie żelu balistycznego do form silikonowych
- Włożyć stalowe pręty o różnych średnicach w wyznaczone miejsca w wielorazowych formach silikonowych, jeśli jest to odpowiednie dla danego modelu blokady nerwu, aby utworzyć w końcowych fantomach ultradźwiękowych kanały, które będą reprezentować naczynia krwionośne (Ryc. 3C).
- Wlać płynny żel balistyczny, zabarwiony barwnikiem, z zawieszonymi cząsteczkami mąki i bez pęcherzyków powietrza, do form silikonowych i pozostawić do ostygnięcia.
- Po ostygnięciu usunąć metalowe pręty oraz gotowe warstwy tkankowe z żelu balistycznego z form. Po ułożeniu ich razem z warstwą żelu do USG pomiędzy nimi, sąsiednie fragmenty tkanki dopasowują się niemal idealnie, tworząc w obrazie USG symulowaną płaszczyznę powięziową.
UWAGA: Każdy fantom ultradźwiękowy wymaga około 0,7 kg żelu balistycznego. Czas chłodzenia zależy od wielkości warstwy tkanki i wynosi od 20 min do 1,5 h.
- Dodanie symulowanej krwi i uszczelnienie naczyń
- W przypadku warstw tkankowych z symulowanymi naczyniami, zanurzyć jedną stronę warstwy tkanki w płynnym żelu balistycznym i pozostawić do ostygnięcia, uszczelniając w ten sposób jeden koniec kanału naczyniowego.
- Trzymać te warstwy tkanki pionowo i za pomocą igły oraz strzykawki wprowadzić symulowaną krew do każdego naczynia.
UWAGA: Do reprezentacji krwi tętniczej i żylnej odpowiednio użyto wody z czerwonym lub niebieskim barwnikiem spożywczym. - Użyć wciąż płynnego żelu balistycznego, aby zakryć pozostały otwór naczynia, całkowicie uszczelniając każde wypełnione płynem naczynie (Ryc. 3D).
UWAGA: Na tym etapie protokół można przerwać i wznowić później; jednak aby przejść do następnego kroku, żel balistyczny musi zostać ponownie stopiony.
4. Montaż fantoma
- Montaż warstw tkanki, nerwów i kości
UWAGA: Rycina 4A przedstawia poszczególne komponenty fantomu bloku nerwu pośrodkowego bezpośrednio przed montażem, w tym warstwy tkanki, symulowane nerwy i symulowane kości.- Zmontować fantomy, pokrywając każdy element żelem do USG, łącząc komponenty zgodnie z przekrojami pokazanymi na Rycini 2, a następnie umieszczając je w odpowiednich prostopadłościanach z żelu balistycznego (Rycina 4B). Na tym etapie należy prawidłowo umieścić wydrukowane w 3D kości lub nerwy z przędzy.
- Uszczelnianie końców fantomu
- Uszczelnić modele, zanurzając je po obu stronach w naczyniu wypełnionym płynnym żelem balistycznym (Rycina 4C). Powtórzyć proces uszczelniania wielokrotnie po każdej stronie.
- Na koniec użyć opalarki, aby wygładzić krawędzie fantomu, usuwając pęcherzyki powietrza i niedoskonałości, a także wzmocnić uszczelnienia boczne.
- Dodanie pseudo-skóry (opcjonalnie)
UWAGA: Rozszerzeniem modeli płaszczyzny powięziowej jest dodanie pseudo-skóry.- Wylać płynny żel balistyczny na uszczelniony i schłodzony model, który został luźno pokryty żelem do USG, aby zapobiec spiekaniu się nowej warstwy skóry z istniejącym modelem (Rycina 4D i Film uzupełniający S1).
Rysunek 4: Montaż fantomu ultradźwiękowego do blokady nerwu pośrodkowego. (A) Poszczególne elementy rozłożonego fantomu blokady nerwu pośrodkowego, w tym warstwy tkanki z żelu balistycznego, wydrukowane w 3D kości promieniowa i łokciowa, włóczka imitująca nerw pośrodkowy zanurzona w żelu do badań USG, butelka żelu do badań USG oraz kuweta wypełniona płynnym żelem balistycznym. (B) Montaż fantomu blokady nerwu pośrodkowego, obejmujący wkładanie warstw tkanki i symulowanych kości pokrytych żelem do badań USG. (C) Uszczelnianie jednego końca fantomu poprzez zanurzenie w kuwecie z płynnym żelem balistycznym. (D) Tworzenie warstwy pseudo-skóry poprzez wlewanie płynnego żelu balistycznego na ukończony fantom blokady nerwu pośrodkowego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
Wyniki
Zgodnie z opisanymi powyżej metodami pomyślnie zaprojektowano i wykonano cztery fantomy ultrasonograficzne. Na rysunku 5 przedstawiono przekrój ultrasonograficzny każdego modelu zestawiony z obrazem ultrasonograficznym odpowiadającej mu ludzkiej anatomii. W badaniu USG fantomy te zapewniają realistyczne płaszczyzny tkankowe, reprezentujące granice między różnymi warstwami skóry, mięśni i powięzi. Tkanka mięśniowa wykazuje odpowiednią i jednorodną echogeniczność. Echogeniczność tę można regulować w zależności od ilości mąki dodanej do żelu balistycznego podczas topnienia. Granice powięziowe są hiperechogeniczne w porównaniu z tłem tkanki mięśniowej. Włóczka pojawia się jako nieregularnie hiperechogeniczna struktura o wyraźnych granicach, co w odpowiedni sposób symuluje wygląd nerwu. Włóczka znajduje się pomiędzy warstwami tkanki, a ta część fantomu umożliwia wstrzyknięcie płynu w celu symulacji podania znieczulenia miejscowego podczas procedury blokady nerwu. Co więcej, wstrzykiwanie do bloku żelu balistycznego napotyka znaczny opór w porównaniu do wstrzykiwania w symulowaną płaszczyznę powięziową, co może służyć jako korzystny mechanizm informacji zwrotnej dla osób uczących się. Wydrukowane w technologii 3D bloki z filamentu ABS odpowiednio symulują hiperechogeniczną korę oraz cień akustyczny ludzkiej kości w obrazowaniu ultrasonograficznym. Symulowane naczynia są anechoiczne z wyraźnymi granicami, co odpowiada obrazowi naczyń u ludzi. W celu potwierdzenia dostępu doewnątrznaczyniowego podczas ćwiczenia odpowiednich procedur pod kontrolą USG można aspirować igłą barwioną wodę.
Rysunek 5: Reprezentatywne obrazy ultrasonograficzne uzyskane z fantomów USG w porównaniu z badanymi ludźmi. (A) Fantomy USG do blokady nerwu pośrodkowego, (B) udowego, (C) w płaszczyźnie powięzi bliźniejącej nadpachwinowej oraz (D) w płaszczyźnie mięśnia zębatego przedniego (po lewej) oraz badany człowiek (po prawej). W przypadku każdego fantomu USG (po lewej) kilka nieruchomych obrazów uzyskanych podczas skanowania fantomów zostało połączonych, aby przedstawić cały fantom w obrazowaniu USG. W obrazach nie dokonano żadnych innych zmian. Żółte przerywane ramki reprezentują obszar fantomu USG, który odpowiada obrazowi człowieka znajdującemu się bezpośrednio po prawej stronie. Skróty: A = tętnica; V = żyła; M = nerw pośrodkowy; F = nerw udowy; RAD = kość promieniowa; U = kość łokciowa; AIIS = kolec przedni dolny kości biodrowej; R = żebro; SART = mięsień krawiecki; IL = mięsień biodrowo-lędźwiowy; IO = mięsień skośny wewnętrzny brzucha; SA = mięsień zębaty przedni; LD = mięsień najszerszy grzbietu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
Plik uzupełniający 1: Projekt wspomagany komputerowo modeli z tworzywa sztucznego reprezentujących każdą z pożądanych warstw tkankowych dla fantoma ultradźwiękowego do blokady nerwu pośrodkowego. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik uzupełniający 2: Projekt wspomagany komputerowo modeli plastikowych reprezentujących każdą z pożądanych warstw tkanek dla fantoma ultradźwiękowego do blokady nerwu udowego. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik uzupełniający 3: Projekt wspomagany komputerowo modeli plastikowych reprezentujących każdą z pożądanych warstw tkanki dla fantoma ultradźwiękowego do blokady płaszczyzny powięzi pachwinowej (suprainguinal fascia iliaca plane block). Aby pobrać ten plik, kliknij tutaj.
Plik uzupełniający 4: Projekt komputerowy modeli plastikowych reprezentujących każdą z pożądanych warstw tkanek dla fantoma ultradźwiękowego do blokady płaszczyzny mięśnia przedniego zębatego. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Film uzupełniający S1: Dodanie pseudo-skóry do fantomu ultradźwiękowego do blokady nerwu pośrodkowego. Wylanie ciekłego żelu balistycznego na gotowy fantom ultradźwiękowy z cienką warstwą żelu do USG na wierzchu tworzy cienką powłokę, która w dotyku i ruchu przypomina skórę. Ten film demonstruje zdolność pseudo-skóry do naśladowania ruchu ludzkiej skóry podczas nacisku. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Dyskusja
Te niestandardowe fantomy na bazie żelu balistycznego zapewniają ćwiczącym trening blokady nerwów w środkowej, udowej, powięzi biodrowej nadpinalnej i płaszczyźnie zębatej przedniej za ułamek kosztów dostępnych na rynku fantomów blokady nerwów (Tabela 1). Nasze pierwsze trenażery bloku nerwu środkowego i udowego zostały wykonane we własnym zakresie za 12% i 9% ceny najtańszych dostępnych na rynku trenażerów bloków nerwów środkowych i udowych. Żaden z dostępnych fantomów bloku nerwu udowego nie jest w stanie symulować nadpinkulicznego podejścia do bloku powięzi biodrowej, tak jak robi to nasz fantom. Nie udało nam się znaleźć żadnych dostępnych na rynku fantomów ultrasonograficznych w płaszczyźnie zębatej przedniej.
Tabela 1: Zestawienie dostępnych na rynku fantomów znieczulenia regionalnego pod kontrolą USG. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.
W ciągu ostatniej dekady technologia druku 3D stała się bardziej dostępna i bardziej przystępna cenowo. Na przykład drukarka 3D Original Prusa i3 MK3S+ używana w tym protokole, choć nie jest to najnowsza edycja, kosztuje zaledwie 64919 USD. Nawet mniejsza Prusa MINI+, która jest wystarczająca do stworzenia opisanych tutaj modeli, kosztuje zaledwie 429 dolarów20. Większość części zamiennych do tych drukarek jest drukowana w 3D, co dodatkowo minimalizuje koszty naprawy. Studenci i wykładowcy mogą zazwyczaj uzyskać bezpłatny dostęp do drukarek 3D za pośrednictwem przestrzeni twórczej lub laboratorium projektowego swojej instytucji. Projektowanie obiektów do druku 3D jest wygodniejsze niż kiedykolwiek dzięki programom do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), z których niektóre są dostępne za darmo21.
Czas potrzebny do zaprojektowania modeli drukowanych w 3D i symulowanych kości różni się w zależności od umiejętności użytkownika i znajomości oprogramowania CAD; jednak proces ten można wykonać bez kosztów za pomocą oprogramowania takiego jak FreeCAD lub za pomocą oprogramowania CAD licencjonowanego przez instytucję goszczącą21. Tworzenie silikonowych form z każdej warstwy tkanki nie jest czasochłonne. Silikon kosztuje 28 USD za kg, przy czym każdy fantom wymaga 4-6 kg silikonu (łącznie 140 USD). Ponieważ foremki silikonowe są wielokrotnego użytku, jest to jednorazowy wydatek.
Nasz komercyjny żel balistyczny kosztuje 86 USD za kg, a każdy fantom wymagał około 0,7 kg, co daje koszt 60 USD za fantom. Druk 3D struktur wymaganych do formowania wymaga znikomych kosztów filamentu PLA lub ABS. Dwa z naszych fantomów wymagały 100 mm przędzy w cenie 10 USD za m lub 0,01 USD za fantom. W sumie każdy fantom kosztował ~200$ na wykonanie pierwszego modelu i 60$ na wykonanie każdego kolejnego modelu. Proces produkcji wymagał 1 roboczogodziny i 3-4 godzin grzania i chłodzenia żelu. Udało nam się zbudować cztery modele jednocześnie w tym samym czasie.
Żel balistyczny jest idealnym podłożem ze względu na swoją wszechstronność. Może być używany do symulacji różnych tkanek i może być topiony i formowany w dowolny kształt. Po zestaleniu się żelu wszelkie niedoskonałości lub nakłucia igłą są nieco samonaprawiające się i można je dalej naprawić za pomocą opalarki. Jeśli w fantomie wystąpi błąd lub jeśli zostanie on uszkodzony lub nadmiernie zużyty, elementy żelu balistycznego można zawsze zdemontować, wyczyścić i stopić z powrotem w celu ponownego użycia przy minimalnych stratach materiału. Żel balistyczny jest również opłacalny. Pomimo tego, że są najdroższym składnikiem tych fantomów w cenie 86 USD za kg, fantomy te są nadal znacznie tańsze niż dostępne na rynku fantomy ultradźwiękowe (Tabela 1). Fantomy wykonane z domowej żelatyny zostały wcześniej opisane i prawdopodobnie są jeszcze bardziej przystępne cenowo, ale te fantomy rozwiną pleśń w ciągu kilku dni do tygodni, nawet jeśli są przechowywane w lodówce16. Przechowywaliśmy fantomy w czystym, suchym środowisku w temperaturze pokojowej przez miesiące lub lata bez zepsucia lub degradacji.
Symulacja nerwów w żelatynie w modelach blokad nerwów pod kontrolą USG okazała się trudna dla nauczycieli. W poprzednich próbach użyto ścięgien zwierzęcych 22,23,24, przewodu elektrycznego 25, drewnianych kołków25, sznurowadeł26, metalowych prętów27, wiązek gumek recepturek15, pianki28, grochu29, spaghetti30, a nawet kabla Ethernet31. Opcje te są nierealistyczne, łatwo psujące się lub powodują znaczne zacienienie akustyczne w tylnej części pod wpływem ultradźwięków. Użyliśmy przedmiotu gospodarstwa domowego, przędzy, aby stworzyć symulowane nerwy o wysokiej wierności z niewielkim lub zerowym cieniowaniem tylnym za jedyne 0,10 USD za m lub 0,01 USD za fantom.
Filament ABS został wykorzystany do druku 3D imitacji kości ze względu na jego wyższą tolerancję termiczną niż PLA, który wypaczał się w kolejnych krokach podczas opracowywania tej metody. Zmaksymalizowaliśmy temperaturę wypalania, aby zminimalizować czas topnienia oraz zmniejszyć lepkość i liczbę pęcherzyków. Pozwala to na płynniejsze, bardziej wypełniające przestrzeń wlewanie się do silikonowych form, jednocześnie utrzymując temperaturę poniżej temperatury spalania żelu, unikając w ten sposób nadmiernej produkcji dymu.
Podstawową wadą tych fantomów jest czas i energia wymagana do ich zaprojektowania i zbudowania. Projektowanie płaszczyzn tkanek za pomocą CAD wymaga umiejętności technicznych, a drukowanie ich modeli 3D wymaga podstawowej wiedzy na temat drukarek 3D, krojenia pliku STL, wyboru filamentu oraz ustawień i temperatur, których należy użyć. Tworzenie form silikonowych dla każdej płaszczyzny tkanki zwiększa koszty, ponieważ silikon jest drugim najdroższym składnikiem tego protokołu w cenie 28 USD za kg. Jednak te silikonowe formy są trwałe i wielokrotnego użytku, więc po ich wykonaniu można je ponownie wykorzystać do stworzenia licznych fantomów ultradźwiękowych. Inne wady to krzywa uczenia się związana z mieszaniem i nalewaniem żelu balistycznego, a także brak integracji technologicznej tych fantomów w porównaniu z komercyjnymi manekinami o wysokiej wierności. To powiedziawszy, uważamy, że względna łatwość budowy, łatwość pozyskiwania materiałów, możliwość dostosowania, niski koszt i możliwość recyklingu tego projektu modelu znacznie przewyższają jego wady. Mamy nadzieję, że rozpowszechnienie metody ich budowy przyczyni się do lepszego szkolenia w zakresie zabiegów blokady nerwów w placówkach, których nie stać na częstą wymianę drogich komercyjnych urządzeń do symulacji medycznych. Przyszłe badania powinny badać niestandardowe fantomy do dodatkowych procedur blokowania nerwów oraz oceniać satysfakcję i wyniki kliniczne stażystów wykorzystujących te fantomy w porównaniu z ich rówieśnikami.
Oświadczenia
Autorzy niniejszego artykułu nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.
Podziękowania
Ten projekt został sfinansowany przez Centrum Szkolenia Symulacji (STC) na Uniwersytecie Kalifornijskim, San Diego School of Medicine w La Jolla, CA. Chcielibyśmy podziękować Blake'owi Freechtle'owi za jego wkład w Rysunek 5.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Filament ABS - 1,75 m+B+A2:A14 | Hatchbox (Pomona, CA) | https://www.hatchbox3d.com/collections/abs-1-75mm | |
| Adobe Photoshop | Adobe (San Jose, CA) | https://www.adobe.com/products/photoshop.html | |
| Amber Tone Dye | Humimic Medical (Greenville, SC) | 852844007925 | Barwnik w żelu balistycznym; https://humimic.com/product/amber-tone-dye/ |
| Fusion 360 | Autodesk (San Franciso, CA) | Oprogramowanie do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD); https://www.autodesk.com/products/fusion-360/overview?term=1-YEAR&tab=subscription&plc=F360 | |
| Gelatin #1 - Żel medyczny firmy Pound | Humimic Medical (Greenville, SC) | 852844007406 | Żel balistyczny; https://humimic.com/product/gelatin-1-medical-gelatin-by-the-pound/ |
| Bezglutenowa mąka | uniwersalnaArrowhead Mills (Hereford, Teksas) | Mąka do echa, 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 Wylewana guma silikonowa | Smooth-On (Macungie, PA) | Wylewana guma silikonowa; https://www.smooth-on.com/products/mold-star-16-fast/ | |
| Peach Tone Dye | Humimic Medical (Greenville, SC) | 852844007895 | Żelowy barwnik balistyczny; https://humimic.com/product/peach-tone-dye/ |
| Filament PLA - 1,75 mm | Hatchbox (Pomona, CA) | https://www.hatchbox3d.com/collections/pla-1-75mm | |
| Drukarka Prusa Original i3 MK3S+ | Prusa Research (Praga, Czechy) | Drukarka 3D; https://www.prusa3d.com/category/original-prusa-i3-mk3s/ | |
| Prusa Slicer 2.6.1 | Prusa Research (Praga, Czechy) | Oprogramowanie do cięcia drukarki 3D; https://www.prusa3d.com/page/prusaslicer_424/ | |
| Wełna Gruba i Gruba; Quick Yarn | Lion Brand Yarn (Lyndhurst, NJ) | 640-610B | Przędza do symulowanych nerwów; https://www.lionbrand.com/products/wool-ease-thick-and-quick-yarn?variant=32420963516509 |
Bibliografia
- Hocking, G., Hebard, S., Mitchell, C. A review of the benefits and pitfalls of phantoms in ultrasound-guided regional anesthesia. Reg Anesth Pain Med. 36 (2), 162-170 (2011).
- Culjat, M. O., Goldenberg, D., Tewari, P., Singh, R. S. A review of tissue substitutes for ultrasound imaging. Ultrasound Med Biol. 36 (6), 861-873 (2010).
- Grottke, O. Virtual reality-based simulator for training in regional anaesthesia. Br J Anaesth. 103 (4), 594-600 (2009).
- CAE Healthcare. Regional anesthesia ultrasound training block. , https://medicalskillstrainers.cae.com/regional-anesthesia-ultrasound-training-block/p (2023).
- CAE Healthcare. Gen II femoral vascular access & regional anesthesia ultrasound training model. , https://medicalskillstrainers.cae.com/gen-ii-femoral-vascular-access-and-regional-anesthesia-ultrasound-training-model/p (2023).
- Osmer, C. L. A gelatine-based ultrasound phantom. Anaesthesia. 63 (1), 107(2008).
- Nicholson, R. A., Crofton, M. Training phantom for ultrasound guided biopsy. Br J Radiol. 70, 192-194 (1997).
- Bude, R. O., Adler, R. S. An easily made, low-cost, tissue-like ultrasound phantom material. J Clin Ultrasound. 23 (4), 271-273 (1995).
- Patel, A. S., Harrington, T. J., Saunt, K. S., Jones, W. K. Construction of an ultrasound biopsy phantom. Australas Radiol. 40 (2), 185-186 (1996).
- Culp, W. C. Relative ultrasonographic echogenicity of standard, dimpled, and polymeric-coated needles. J Vasc Interv Radiol. 11 (3), 351-358 (2000).
- Morehouse, H., Thaker, H. P., Persaud, C. Addition of Metamucil to gelatin for a realistic breast biopsy phantom. J Ultrasound Med. 26 (8), 1123-1126 (2007).
- Phal, P. M., Brooks, D. M., Wolfe, R. Sonographically guided biopsy of focal lesions: a comparison of freehand and probe-guided techniques using a phantom. AJR Am J Roentgenol. 184 (5), 1652-1656 (2005).
- McNamara, M. P., McNamara, M. E. Preparation of a homemade ultrasound biopsy phantom. J Clin Ultrasound. 17 (6), 456-458 (1989).
- Gibson, R. N., Gibson, K. I. A home-made phantom for learning ultrasound-guided invasive techniques. Australas Radiol. 39 (4), 356-357 (1995).
- Lollo, L., Stogicza, A. R. Low-cost, high-fidelity ultrasound phantom gels for regional anesthesia training programs. MedEdPORTAL. 8, (2023).
- Rathbun, K. M., Brader, W. T., Norbury, J. W. A simple, realistic, inexpensive nerve phantom. J Ultrasound Med. 38 (8), 2203-2207 (2019).
- Smooth-On. Mold Star™ 16 FAST Product Information. , https://www.smooth-on.com/products/mold-star-16-fast/ (2023).
- Wojtyła, S., Klama, P., Baran, T. Is 3D printing safe? Analysis of the thermal treatment of thermoplastics: ABS, PLA, PET, and nylon. J Occup Environ Hyg. 14 (6), D80-D85 (2017).
- Prusa Research. Original Prusa i3 MK3S+ 3D Printer kit. , https://www.prusa3d.com/product/original-prusa-i3-mk3s-3d-printer-kit/ (2023).
- Prusa Research. Original Prusa MINI+ kit. , https://www.prusa3d.com/product/original-prusa-mini-kit-2/ (2023).
- The FreeCAD Team. FreeCAD: Your own 3D parametric modeler. , https://www.freecad.org/ (2023).
- Xu, D., Abbas, S., Chan, V. W. Ultrasound phantom for hands-on practice. Reg Anesth Pain Med. 30 (6), 593-594 (2005).
- de Oliveira Filho, G. R., et al. Learning curves and mathematical models for interventional ultrasound basic skills. Anesth Analg. 106 (2), table of contents 568-573 (2008).
- Koscielniak-Nielsen, Z. J., Rasmussen, H., Hesselbjerg, L. An animal model for teaching ultrasound-guided peripheral nerve blocks. Reg Anesth Pain Med. 34 (4), 379-380 (2009).
- Pollard, B. A. New model for learning ultrasound-guided needle to target localization. Reg Anesth Pain Med. 33 (4), 360-362 (2008).
- Wells, M., Goldstein, L. The polony phantom: a cost-effective aid for teaching emergency ultrasound procedures. Int J Emerg Med. 3 (2), 115-118 (2010).
- van Geffen, G. J., et al. A needle guidance device compared to free hand technique in an ultrasound-guided interventional task using a phantom. Anaesthesia. 63 (9), 986-990 (2008).
- Liu, Y., Glass, N. L., Power, R. W. Technical communication: new teaching model for practicing ultrasound-guided regional anesthesia techniques: no perishable food products. Anesth Analg. 110 (4), 1233-1235 (2010).
- Sultan, S., Iohom, G., Shorten, G. A novel phantom for teaching and learning ultrasound-guided needle manipulation. J Med Ultrasound. 21 (3), 152-155 (2013).
- Micheller, D. A low-fidelity, high-functionality, inexpensive ultrasound-guided nerve block model. CJEM. 19 (1), 58-60 (2017).
- Sparks, S., Evans, D., Byars, D. A low cost, high fidelity nerve block model. Crit Ultrasound J. 6 (1), 12(2014).
Przedruki i uprawnienia
