Budowanie niedrogich, trwałych, średniej wierności fantomów z żelu balistycznego do treningu blokady nerwów pod kontrolą USG
9 lutego 2024
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.
Dlatego wykorzystujemy najnowszą technologię, taką jak projektowanie komputerowe i druk 3D, aby tworzyć niestandardowe, trwałe trenażery blokad nerwów pod kontrolą USG ze stosunkowo tanich materiałów. W tym celu zbadaliśmy kwestie związane z trwałością i opłacalnością trenażerów blokujących nerwy, jednocześnie maksymalizując wierność i dostępność tych trenażerów. Obecnie edukatorzy medyczni i centra symulacji muszą albo płacić tysiące dolarów za praktyczne trenażery blokad nerwowych, albo oszczędzać pieniądze, korzystając z łatwo psujących się materiałów, które szybko się psują.
Nasze trenerzy blokady nerwów używają niedrogich materiałów, które wytrzymują miesiące lub lata, a jednocześnie symulują anatomię dokładniej niż inne tanie symulatory. Inne próby stworzenia domowych trenażerów blokady nerwów na ogół obejmowały łatwo psujące się materiały, takie jak mięso zwierzęce, które szybko się psuje, lub domowej żelatyny, która rozwija pleśń w ciągu kilku tygodni, nawet w lodówce. Nasze trenażery wytrzymują lata przy minimalnej konserwacji i kosztują ułamek ceny komercyjnych trenażerów.
Pracujemy nad opracowaniem tych trenażerów blokady nerwów do wielu innych procedur na sali operacyjnej na izbie przyjęć. Ponadto używamy śledzenia w podczerwieni w różnych opcjach oprogramowania do rejestrowania wskaźników dotyczących tego, jak lekarze wykonują te procedury, dzięki czemu możemy analizować wyniki i próbować skorelować je z wydajnością kliniczną. Aby przygotować fantom ultrasonograficzny, poproś lekarza zaznajomionego z procedurą blokady nerwów o utworzenie referencyjnego obrazu ultrasonograficznego od ludzkiego ochotnika, upewniając się, że obraz ma widok poprzeczny do odpowiedniej płaszczyzny nerwu lub tkanki do wstrzyknięcia znieczulającego.
Otwórz komputerowe oprogramowanie do projektowania, kliknij Bryłę, a następnie Wstaw i Płótno, aby utworzyć płaskie płótno z obrazu ultrasonograficznego o znanych wymiarach. Wybierz plik, a następnie kliknij na płaszczyznę XY. Przeciągnij obraz do przestrzeni X Y i przeskaluj go tak, aby pasował do znanej długości jednostki.
Następnie kliknij Bryła, a następnie Utwórz szkic. Następnie kliknij płaszczyznę XY i wybierz narzędzie prostokąta dwupunktowego, aby utworzyć prostokątny pryzmat nad obszarem obrazu. Przeciągnij prostokąt nad obszarem i popraw go w obrębie pól długości lub szerokości po zamknięciu.
Naciśnij Enter i kliknij Zakończ szkic. Kliknij prostokąt, a następnie wybierz opcję Bryła i Wyciągnięcie. Przeciągnij prostokąt na żądaną wysokość, popraw pole wysokości po zamknięciu i naciśnij Enter.
Aby utworzyć kolejny szkic na górze pryzmatu, kliknij na górze prostokątnego pryzmatu. Następnie kliknij Utwórz szkic i narysuj żądaną anatomię i wewnętrzną krawędź prostokątnego pryzmatu otaczającego, klikając Utwórz i szkicuj, a następnie zmodyfikuj przyborniki. Upewnij się, że płótno jest widoczne za pryzmatem.
W razie potrzeby dostosuj płótno za pomocą ustawień wyświetlania. Po utworzeniu szkicu przekroju poprzecznego modelu należy kliknąć Zakończ szkic. Aby utworzyć pryzmat wewnętrzny ze szkicu, kliknij kształt na szkicu, a następnie wybierz Bryła i Wyciągnięcie.
Przeciągnij kształt z powrotem do prostokątnego pryzmatu o żądanej długości. Wybierz operację do nowej treści i kliknij Enter. Aby wyświetlić ten nowy obiekt, kliknij na Body.
Następnie kliknij symbol I obok nazwy nowego ciała, aby wyłączyć widoczność innych obiektów. Teraz kliknij Ciała i symbol I obok wszystkich oprócz tego, który jest eksportowany, aby wyeksportować każdy obiekt z osobna do druku 3D. Kliknij Plik, a następnie Eksportuj.
Wybierz plik Wpisz jako stl i naciśnij Enter. W oprogramowaniu slicer kompatybilnym z drukarką 3D otwórz plik STL. Za pomocą przycisku Umieść na przodzie ustaw model na stole roboczym.
Upewnij się, że dolna część modelu styka się ze stołem roboczym. Następnie w obszarze Ustawienia drukowania wybierz opcję Szybkość 0,2 milimetra. W obszarze Filament wybierz opcję Generic PLA, a następnie w obszarze Printer (Drukarka) wybierz żądaną drukarkę.
W menu Obsługuje wybierz pozycję Wszędzie. Wybierz opcję Wypełnienie jako 15% i wybierz Wypełnienie, aby zapewnić stabilność druku. Następnie kliknij przycisk Pokrój teraz.
Wyeksportuj plik G-code na kartę SD. Podłącz kartę do drukarki 3D i wydrukuj plik za pomocą filamentu kwasu polimlekowego. Przyklej wydrukowany model 3D do dna pojemnika z pleksi topless.
Następnie zanurz model w szybko utwardzającej się gumie silikonowej zgodnie z wytycznymi producenta. Po związaniu silikonu usuń twardy plastikowy model i obudowę z pleksiglasu, pozostawiając silikonową formę z żądanej warstwy tkanki i pojemnik do podstawowego przenoszenia żelu. Aby rozpocząć, otwórz plik STL dla symulowanych kości w oprogramowaniu slicera kompatybilnym z drukarką 3D.
Następnie wydrukuj w 3D imitację kości za pomocą włókna akrylonitryl-butadien-styren. Zanurz 80% przędzy akrylowej i 20% wełnianej w plastikowym kubku wypełnionym żelem ultradźwiękowym. Umieść kubek w komorze ciśnieniowej o temperaturze 1 atmosfery.
Za pomocą jednostopniowej pompy próżniowej wielokrotnie zwiększaj i zmniejszaj ciśnienie w komorze, aż wszystkie pęcherzyki zostaną usunięte z żelu ultradźwiękowego. Podgrzej żel balistyczny i barwnik w piecu konwekcyjnym z przerywanym mieszaniem, aż ciecz osiągnie 132 stopnie Celsjusza. Dodaj około 4,5 grama drobno granulowanej mąki na kilogram żelu balistycznego do płynnego żelu balistycznego i wymieszaj mieszaninę.
Umieść żel w piekarniku na 20 minut, przerywając mieszaniem, aby uzyskać równomierne mieszanie. W razie potrzeby dodaj dodatkowy przezroczysty żel balistyczny lub barwnik, aby dostosować kolor mieszaniny tak, aby symulował ludzką tkankę. Włóż solidne stalowe pręty o różnych średnicach w wyznaczone miejsca na silikonowych foremkach wielokrotnego użytku, aby utworzyć kanały w fantomach ultradźwiękowych reprezentujących naczynia krwionośne.
Wlej kolorowy żel balistyczny z zawieszonymi cząstkami kwiatów do foremek i pozwól mu ostygnąć. Po schłodzeniu usuń metalowe pręty i końcowe warstwy tkanki żelu balistycznego z form. W przypadku warstw tkanek z symulowanymi naczyniami zanurz jedną stronę warstwy tkanki w płynnym żelu balistycznym i pozwól mu ostygnąć.
Następnie trzymaj te warstwy tkanki pionowo i za pomocą igły przymocowanej do strzykawki wprowadź symulowaną krew do każdego naczynia. Teraz, używając płynnego żelu balistycznego, zakryj pozostały otwór naczynia i całkowicie zamknij każde naczynie wypełnione płynem. Aby złożyć fantomy, pokryj każdy element żelem ultradźwiękowym.
Włóż pokryty fantom do pryzmatów żelu balistycznego, prawidłowo umieszczając wydrukowane w 3D kości lub nerwy przędzy. Następnie, aby uszczelnić modele, zanurz je z obu stron w garnku wypełnionym płynnym żelem balistycznym. Za pomocą opalarki wygładź krawędzie fantomu, usuwając bąbelki i niedoskonałości.
Na koniec wlej żel balistyczny na szczelny model pokryty cienką warstwą żelu ultradźwiękowego, aby zapobiec wyżarzaniu się między nowo wylaną warstwą skóry a istniejącym modelem.
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia opracowanie spersonalizowanych fantomów ultrasonograficznych z żelatyny balistycznej, zaprojektowanych do nauki regionalnej anestezji pod kontrolą USG. Dzięki wykorzystaniu zaawansowanych technologii, takich jak projektowanie wspomagane komputerowo oraz druk 3D, fantomy te stanowią tanią i trwałą alternatywę dla tradycyjnych trenerów blokad nerwowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Edukacja medyczna
- Szkolenie symulacyjne
- Technologia ultrasonograficzna
Wstęp
- Tradycyjne trenery do blokad nerwowych są kosztowne i często wykonane z materiałów ulegających szybkiemu psuciu.
- Istniejące tanie symulatory charakteryzują się niską trwałością i brakiem wierności anatomicznej.
- W edukacji medycznej istnieje zapotrzebowanie na przystępne cenowo i trwałe narzędzia szkoleniowe.
- Wcześniejsze trenery domowej roboty posiadały istotne ograniczenia, takie jak szybki rozkład materiałów.
Cel badania
- Stworzenie trwałych i kosztowo efektywnych trainerów do blokad nerwów pod kontrolą ultradźwięków.
- Zwiększenie wierności i dostępności narzędzi szkoleniowych dla edukatorów medycznych.
- Zbadanie trwałości i konserwacji tych niestandardowych trainerów w porównaniu z opcjami tradycyjnymi.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) do opracowania fantomu.
- Drukowanie modeli 3D w celu stworzenia form silikonowych.
- Wlewanie roztopionego żelu balistycznego do form w celu utworzenia warstw tkankowych.
- Ocena trwałości i opłacalności modeli szkoleniowych.
Główne wyniki
- Niestandardowe trenażery są wykonane z niedrogich materiałów, które zachowują trwałość od kilku miesięcy do kilku lat.
- Ssymulują one anatomię dokładniej niż inne niskokosztowe symulatory.
- Trenażery te wymagają minimalnej konserwacji w porównaniu z alternatywami ulegającymi rozkładowi.
- Ich koszt jest znacznie niższy niż w przypadku komercyjnych trenażerów do blokad nerwów.
Wnioski
- Opracowane fantomy stanowią praktyczne rozwiązanie w szkoleniu z zakresu znieczulenia pod kontrolą USG.
- Rozwiązują one problemy związane z kosztami oraz trwałością narzędzi wykorzystywanych w szkoleniach medycznych.
- Podejście to może usprawnić proces szkolenia personelu medycznego.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Wytrzymałe, anatomicznie dokładne fantomy z żelu balistycznego umożliwiają skalowalną i powtarzalną symulację procedur blokady nerwów pod kontrolą USG, co zmniejsza zależność od nietrwałych lub kosztownych modeli komercyjnych. Takie podejście wspiera standaryzowaną ocenę umiejętności oraz szkolenia w środowiskach badań translacyjnych i rozwoju urządzeń. Metoda ta zwiększa pewność prognostyczną w symulacjach proceduralnych, wspierając inicjatywy edukacyjne i badawczo-rozwojowe na poziomie przedsiębiorstwa.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia kontrolowaną symulację interfejsów tkankowych w celu testowania hipotez dotyczących urządzeń lub procedur.
- Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez zapewnienie powtarzalnych modeli anatomicznych do iteracyjnej oceny.
- Ułatwia funkcjonalną walidację strategii obrazowania i interwencji w ustandaryzowanym środowisku.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Zapewnia zwalidowane, wielokrotnego użytku fantomy do spójnego szkolenia proceduralnego i przepływów pracy w zakresie testowania urządzeń.
- Umożliwia ilościową ocenę wierności obrazowania i dokładności interwencji pomiędzy partiami.
- Wspiera standaryzację analiz poprzez minimalizację zmienności biologicznej i ryzyka zepsucia próbek.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Dostosowuje symulowane płaszczyzny tkankowe i echogeniczność do klinicznie istotnych cech anatomicznych.
- Zapewnia ciągłość od oceny urządzenia w warunkach laboratoryjnych po przedkliniczną walidację procedur.
- Zmniejsza ryzyko translacyjne poprzez wspieranie powtarzalnego i kosztowo efektywnego wdrażania modeli.
Integracja potoków i przepływów pracy
Fantomy te integrują się z continuum od odkrycia do badań przedklinicznych, zapewniając standaryzowaną platformę do symulacji proceduralnych, prototypowania urządzeń oraz walidacji obrazowania.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących oddziaływania urządzeń z tkankami oraz wykonalności procedur.
- Przesiew: Umożliwia powtarzalną, ilościową ocenę procesów obrazowania i interwencji.
- Analityka: Zapewnia spójne odczyty do porównań między różnymi warunkami oraz do wyznaczania punktów odniesienia wydajności.
- Badania translacyjne: Stanowi pomost między symulacjami laboratoryjnymi a przedklinicznymi badaniami proceduralnymi z zachowaniem wierności anatomicznej.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje skalowalną, niskokosztową platformę dostosowaną do wielu potrzeb w zakresie badań i rozwoju urządzeń oraz procedur.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w symulacji proceduralnej.
- Wartość operacyjna: Dostarcza trwałych, wielorazowych modeli przy minimalnej konserwacji i wysokiej powtarzalności.
- Wartość strategiczna: Umożliwia koszt efektywne i skalowalne szkolenie oraz ewaluację urządzeń, wspierając lepsze podejmowanie decyzji typu go/no-go.
- Wpływ na portfolio: Ułatwia priorytetyzację programów rozwoju procedur i urządzeń z uwzględnieniem ryzyka.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymagana jest wiedza z zakresu projektowania CAD, druku 3D oraz anatomii proceduralnej.
- Niezbędny jest dostęp do drukarek 3D, materiałów do odlewów silikonowych oraz żelu balistycznego.
- Standaryzacja projektu i montażu fantoma jest kluczowa dla powtarzalności wyników między zespołami.
- Adaptacja do nowych celów anatomicznych może wymagać iteracyjnego projektowania i walidacji.
- Wierność i trwałość fantoma zależą od jakości materiałów oraz precyzji montażu.
