В этой статье мы продемонстрируем проектирование и создание четырех специальных ультразвуковых фантомов с баллистическим желатином для обучения регионарной анестезии под ультразвуковым контролем. Мы спроектировали фантомы с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования, использовали 3D-печатные модели для создания силиконовых форм, а затем залили расплавленный баллистический гель в формы для создания пользовательских слоев ткани.
Методическая статья
Создание недорогих, прочных, баллистических гелевых фантомов средней точности для тренировки блокады нервов под ультразвуковым контролем
* These authors contributed equally
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Ультразвуковые фантомы - альтернативы живым человеческим тканям - дают учащимся возможность практиковать регионарную анестезию под ультразвуковым контролем, не подвергая пациентов чрезмерному риску. Фантомы на основе желатина предоставляют преподавателям прочные и многоразовые тренажеры для выполнения задач; Тем не менее, коммерчески доступные фантомы на основе геля стоят дорого. В данной работе мы исследуем производство прочных, недорогих ультразвуковых фантомов на основе баллистического геля для блокад срединных, бедренных, надбедренных фасций подвздошной и зубчатой передней плоскости нервов, а также методологию создания фантома для любой процедуры блокады нервов под ультразвуковым контролем.
Программное обеспечение для автоматизированного проектирования (САПР) было использовано для проектирования четырех фантомов, воспроизводящих анатомию срединной, бедренной, надбедренной фасции, подвздошной и зубчатой передней плоскости нервных блокад, включая соответствующие ориентиры и тканевые плоскости. Пластиковые модели желаемых тканевых плоскостей были напечатаны на 3D-принтере и использованы для создания силиконовых форм. Баллистический гель расплавляли и смешивали с мукой и красителем для создания жидкого эхогенного баллистического геля, который заливали в силиконовые формы. Сосуды были смоделированы путем создания отрицательного пространства в баллистическом геле с помощью металлических стержней. Нервы моделировали с помощью пряжи, погруженной в ультразвуковой гель. Смоделированные кости были спроектированы с использованием САПР и напечатаны на 3D-принтере.
Баллистический гель является универсальным, прочным носителем, который может быть использован для моделирования различных тканей, а также может быть расплавлен и придан любой форме. Под ультразвуковым контролем эти фантомы обеспечивают реалистичные плоскости тканей, которые представляют границы между различными слоями кожи, мышц и фасций. Эхогенность слоев мышечной ткани, нервов, сосудов и костей реальна, а кости имеют значительное заднее затенение, как это наблюдается у человека. Эти фантомы стоят 200 долларов за первый фантом и 60 долларов за каждый последующий фантом. Эти фантомы требуют некоторых технических навыков для проектирования, но они могут быть построены всего за 4% от стоимости их коммерческих аналогов.
Введение
Ультразвуковые фантомы - альтернативы живым тканям человека - дают учащимся возможность практиковаться в медицинских процедурах, включая регионарную анестезию под ультразвуковым контролем (UGRA), не подвергая пациентов чрезмерному риску1. В то время как чаще всего фантомы изготавливаются методом литья под давлением жидкого силиконового каучука, индивидуальные фантомы могут быть изготовлены дома с использованием универсальных материалов по более низкой цене. Органические ткани, такие как тофу, свинина и говядина, недороги, но быстро портятся и их сложно изготовить. Трупная ткань человека идеально подходит для анатомической точности, но ее трудно и дорого получить и сохранить1. В последнее время виртуальная реальность используется для обучения UGRA; Тем не менее, тактильная обратная связь является ключевым компонентом процедурного обучения и редко реализуется. Даже в тех случаях, когда гибридная модель аппаратного и программного обеспечения обеспечивает высокую визуальную точность и тактильную обратную связь, аппаратное и программное обеспечение, необходимые для проведения такого обучения, часто являются непомерно дорогостоящими. Фантомы на основе желатина обеспечивают баланс между стоимостью, долговечностью и точностью2.
Баллистические желатиновые модели доступны на коммерческой основе, но стоят дорого из-за скоропортящегося ресурса, который широко используется в медицинских симуляционных центрах. Маленькие, простые, основанные на геле ультразвуковые фантомы с гомогенной паренхимой и двумя или тремя смоделированными сосудами продаются по цене в сотни долларов. Например, блок базового обучения УЗИ CAE Blue Phantom стоит от $8004. Фантомы более высокой точности, специфичные для отдельных процедур блокады нервов, стоят тысячи долларов. Учебная модель ультразвукового исследования регионарной анестезии бедренной кости CAE Blue Phantom стоит 5000 долларов США (Таблица 1)5. Чтобы снизить затраты, педагоги экспериментировали с изготовленными на заказ фантомами с использованием желатина или других недорогих или многоразовых материалов 6,7,8. Добавки, такие как мука, кукурузный крахмал, графитовый порошок и метамуцил, могут быть использованы для помутнения желатина и настройки эхогенности фантома, тем самым повышая его точность 8,9,10,11,12,13,14.
Предыдущие попытки создания самодельных тренажеров для блокады нервов на основе желатина либо не смогли адекватно воссоздать внешний вид нервов под ультразвуковым исследованием, либо использовали скоропортящиеся продукты, что ограничивалосрок годности. Даже без этих недостатков предыдущие итерации не включали соответствующие анатомические ориентиры и фасциальные плоскости, которые позволили бы обучаемым практиковать конкретные процедуры блокады нервов. В данной работе мы исследуем производство прочных, недорогих баллистических гелевых ультразвуковых фантомов для блокад срединных, бедренных, надбедренных фасций подвздошной кости и передних нервных блокад зубчатой мышцы, а также методологию создания фантома для любой процедуры блокады нервов под ультразвуковым контролем.
Протокол
Для этого проекта авторы JR и PS вызвались стать объектами ультразвукового исследования, и было получено устное согласие от обоих. Для тех, кто следует этому протоколу, получите одобрение комитета по этике или институционального наблюдательного совета (IRB) перед использованием пациентов или добровольцев в качестве субъектов исследования.
1. Фантомный дизайн и создание силиконовой формы
- Создание референсного ультразвукового изображения
- Для каждого ультразвукового фантома попросите врача с узкой специализацией в области ультразвука и знакомым с процедурой блокады нерва, моделируемой желаемым фантомом, создать эталонное ультразвуковое изображение от добровольного человека (Рисунок 1). Убедитесь, что это ультразвуковое изображение имеет вид поперек соответствующей нервной или тканевой плоскости, в которую будет введен анестетик.
- Проектирование и 3D-печать моделей слоев тканей
- Нарисуйте конструкции поперечных сечений каждого фантома (Рисунок 2) и использовать систему автоматизированного проектирования (САПР) для проектирования пластиковых моделей желаемых слоев ткани и внешнего контейнера для общей формы фантома (Рисунок 3А, Дополнительный файл 1, Дополнительный файл 2, Дополнительный файл 3и Дополнительный файл 4).
ПРИМЕЧАНИЕ: С точки зрения дизайна, фасциальные плоские блоки можно рассматривать как ряд плотно прилегающих призм, заключенных в полую прямоугольную призму со стенками толщиной 5 мм. Стенки менее 5 мм были слишком хрупкими для надежного производства. Эта прямоугольная призма служит самым внешним слоем фантома, в который собираются и помещаются другие слои ткани. Модель срединного нерва (показана в Рисунок 3 и Рисунок 4) использует арочный контейнер, а не прямоугольную призму для имитации формы человеческой руки.- В программном обеспечении САПР можно создать плоское полотно из ультразвукового, компьютерного томографа или другого целевого изображения с известными размерами. Нажмите на «Твердо» | Вставка | Холст, выберите «Файл», нажмите на плоскость XY, перетащите в пространство +X + Y и перетащите в масштаб так, чтобы длина изображения была точной в известных единицах измерения.
- Создайте прямоугольную призму над областью изображения, которая очерчивает модель, нажав на Твердое | Создать эскиз | Плоскость XY | Инструмент "2-точечный прямоугольник". Перетащите прямоугольник по области и уточните поля длина/ширина при закрытии; нажать Enter; нажмите на кнопку «Завершить эскиз»; Нажмите на прямоугольник | Твердый | Выдавливать; Перетащите прямоугольник на нужную высоту и уточните с помощью поля «Высота», когда приблизится; и нажмите Enter.
ПРИМЕЧАНИЕ: Каждая из наших моделей имеет разную длину и ширину в зависимости от анатомии, которую они представляют, но обычно мы обнаружили, что ~100 мм является эффективной высотой модели. - Создайте еще один эскиз поверх прямоугольной призмы, щелкнув по верхней части прямоугольной призмы | Создайте эскиз и нарисуйте желаемую анатомию, а также внутренний край прямоугольной призмы, нажав на кнопку Эскиз | Создание и создание эскизов | Изменение наборов инструментов. Используйте холст, видимый за призмой, чтобы направлять дизайн; Если холст не виден через прямоугольную призму, измените это в настройках дисплея. После создания эскиза, представляющего поперечное сечение модели, нажмите кнопку «Завершить эскиз».
ПРИМЕЧАНИЕ: Не существует конкретного идеального инструмента для рисования желаемой анатомии и внутреннего края оболочечной призмы. Описанный выше шаг — это то, что использовалось в этом протоколе. - Далее создайте каждую внутреннюю призму из эскиза, щелкнув по фигуре в эскизе | Твердый | Выдавливать; Перетащите фигуру обратно в прямоугольную призму на желаемую длину, обычно на 5 мм меньше полной длины прямоугольника; и нажмите на Операция = Новое тело | Войдите. Чтобы просмотреть этот новый объект, отключите видимость всех остальных объектов, нажав на Тела | символ глаза рядом с именем нового тела.
ПРИМЕЧАНИЕ: Сосуды должны быть представлены круглыми или эллиптическими призматическими отверстиями, разработанными по краям или в центрах фасциальных плоских тел. На этом этапе, если вы посмотрите на виртуальную модель лицом к исходному холсту, можно визуализировать отдельные части модели и то, как они сочетаются друг с другом. - Экспортируйте каждое тело по отдельности для 3D-печати, нажав на «Тела» | символ глаза рядом со всеми телами, кроме экспортируемого; нажмите « Файл» | Экспорт | Тип = файл .stl | Войдите.
ПРИМЕЧАНИЕ: Теперь у вас должно быть несколько файлов .stl, каждый из которых представляет уникальную фасциальную плоскость или кость, а также один дополнительный файл .stl, представляющий прямоугольную ограничивающую рамку, в которую будут помещаться части фасциальной плоскости.
- Откройте файл STL в программном обеспечении для слайсера, совместимом с 3D-принтером, который будет использоваться для печати моделей.
- С помощью кнопки «Поместить на лицевой стороне» положите модель на стол так, чтобы нижняя часть модели касалась стола для печати.
- В разделе Принтер выберите принтер. В разделе Настройки печати выберите 0,20 мм SPEED, а в разделе Нить накала выберите Generic PLA. Выберите 15–20% для параметра «Заполнение», выберите «Везде » в меню «Опоры » и при необходимости добавьте поля для обеспечения стабильности печати. Нажмите «Нарезать» сейчас.
- Экспортируйте файл G-кода на SD-карту, подключите его к 3D-принтеру и распечатайте файл, используя филамент полимолочной кислоты (PLA).
- Нарисуйте конструкции поперечных сечений каждого фантома (Рисунок 2) и использовать систему автоматизированного проектирования (САПР) для проектирования пластиковых моделей желаемых слоев ткани и внешнего контейнера для общей формы фантома (Рисунок 3А, Дополнительный файл 1, Дополнительный файл 2, Дополнительный файл 3и Дополнительный файл 4).
- Создание силиконовых форм
- Приклейте каждую напечатанную на 3D-принтере модель к дну контейнера из плексигласа с верхним расположением, прежде чем погрузить его в быстроотверждаемый силиконовый каучук в соответствии с рекомендациями производителя17.
- После того, как силикон схватится, снимите жесткую пластиковую модель и корпус из плексигласа, оставив гибкую, прочную и многоразовую силиконовую форму из каждого желаемого слоя ткани и контейнера, в который заливается баллистический гель (рис. 3B).
ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе протокол может быть приостановлен и перезапущен позже.
Рисунок 1: Репрезентативные ультразвуковые изображения, полученные от человека. Репрезентативные изображения для (А) медианы, (В) бедренной кости, (В) плоскости надчелюстной фасции подвздошной кости и (D) блокады нерва передней плоскости зубчатой мышцы, полученные от добровольцев. Сокращения: А = артерия; V = жилка; M = срединный нерв; F = бедренный нерв; RAD = радиус; U = локтевая кость; AIIS = передний нижний подвздошный отдел позвоночника; R = ребро; SART = сарториусная мышца; IL=Подвздошная мышца; IO = внутренний косой; SA = передняя зубчатая мышца; LD = широчайшая мышца спины. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2: Схемы поперечного сечения ультразвуковых фантомов блокады нервов. (А) медиана, (В) бедренная кость, (В) плоскость надчелюстной фасции подвздошной кости и (D) передняя плоскость зубчатой оболочки нерва ультразвуковые фантомы. Схемы были разработаны на основе репрезентативных ультразвуковых изображений человека, показанных на рисунке 1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 3: Создание фантомных компонентов срединной блокады нерва. (A) Репрезентативное изображение файла компьютерного проектирования, используемого для печати пластиковых моделей каждого слоя ткани для фантома срединной блокады нерва. (B) Силиконовые формы для каждого слоя ткани медианного блокирующего нерва фантома, включая металлические стержни, вставленные для создания сосудов внутри баллистического геля. (C) Заливка горячего, жидкого, окрашенного баллистического геля в силиконовые формы. (D) Герметизация открытого конца моделируемых сосудов с использованием жидкого баллистического геля после того, как сосуды были заполнены имитируемой кровью. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
2. Создание других фантомных ориентиров
- Проектирование и создание симуляции костей
- Если область модели, разработанная в САПР, представляет собой кость, а не мягкие ткани, напечатайте на 3D-принтере имитацию кости, используя описанные выше шаги, но вместо этого используйте филамент из бутадиенакрилонитриенстирола (АБС).
ВНИМАНИЕ: Пары нитей ABS могут содержать летучие органические соединения (ЛОС), которые могут вызывать физический дискомфорт, такой как сонливость, раздражение глаз или дыхательных путей, тошнота и/или головные боли18. АБС следует печатать на закрытом 3D-принтере или незакрытом принтере в помещении с хорошей вентиляцией и/или фильтрацией воздуха.
- Если область модели, разработанная в САПР, представляет собой кость, а не мягкие ткани, напечатайте на 3D-принтере имитацию кости, используя описанные выше шаги, но вместо этого используйте филамент из бутадиенакрилонитриенстирола (АБС).
- Симуляция создания нерва
- Погрузите 80% акриловой, 20% шерстяной пряжи в пластиковый стаканчик, наполненный гелем для ультразвука. Поместите чашку в барокамеру с температурой -1 атм.
- Используйте одноступенчатый вакуумный насос для многократного нагнетания и последующего сброса давления в камере до тех пор, пока все пузырьки не будут удалены из ультразвукового геля, что достигается примерно через 4-6 циклов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг помогает смоделировать нервы. На этом этапе протокол может быть приостановлен и перезапущен позже.
3. Расплавление и заливка баллистического геля
- Расплавление баллистического геля
- Нагрейте коммерчески доступные баллистические гель и краситель в соотношении объемов примерно 20:1 с прерывистым перемешиванием до тех пор, пока жидкость не достигнет 132 °C в коммерческой конвекционной печи.
ВНИМАНИЕ: С нагретым жидким баллистическим гелем следует обращаться с осторожностью из-за риска ожогов, связанных с работой с горячими жидкостями. Используйте прихватки для духовки при работе со сковородами, наполненными жидким баллистическим гелем. Избегайте прямого контакта кожи с жидким баллистическим гелем.
- Нагрейте коммерчески доступные баллистические гель и краситель в соотношении объемов примерно 20:1 с прерывистым перемешиванием до тех пор, пока жидкость не достигнет 132 °C в коммерческой конвекционной печи.
- Добавки для эхогенности
- Вмешайте примерно 4,5 г мелко гранулированной муки на кг баллистического геля в жидкий баллистический гель. Оставьте гель в духовке не менее чем на 20 минут, периодически помешивая, чтобы обеспечить равномерное перемешивание и дать возможность пузырькам выйти.
- При необходимости добавьте дополнительный прозрачный баллистический гель или краситель, чтобы отрегулировать цвет смеси для имитации человеческих тканей.
- Заливка баллистического геля в силиконовые формы
- Вставьте твердые стальные стержни различного диаметра в обозначенные места на многоразовых силиконовых формах, если это уместно для конкретной модели блокады нервов, чтобы создать каналы в конечных ультразвуковых фантомах, которые будут представлять кровеносные сосуды (рис. 3C).
- Налейте жидкий баллистический гель, теперь окрашенный красителем, со взвешенными частицами муки и без задержания пузырьков воздуха, в силиконовые формы и дайте ему остыть.
- После охлаждения удалите металлические стержни и последние слои баллистической гелевой ткани из форм. При размещении вместе с ультразвуковым гелевым покрытием между ними, соседние кусочки ткани выравниваются почти идеально и вместе создают имитацию фасциальной плоскости на ультразвуке.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для каждого ультразвукового фантома требуется примерно 0,7 кг баллистического геля. Время охлаждения зависит от размера слоя ткани и колеблется от 20 мин до 1,5 ч.
- Добавление симулированной крови и пломбирование сосудов
- Для слоев тканей с моделируемыми сосудами окуните одну сторону слоя ткани в жидкий баллистический гель и дайте ему остыть, тем самым запечатав одну сторону канала сосуда.
- Держите эти слои ткани вертикально и с помощью иглы и шприца введите имитированную кровь в каждый сосуд.
ПРИМЕЧАНИЕ: Мы использовали воду с красным или синим пищевым красителем для обозначения артериальной и венозной крови соответственно. - Используйте еще жидкий баллистический гель, чтобы закрыть оставшееся отверстие сосуда, тем самым полностью запечатав каждый сосуд, заполненный жидкостью (Рисунок 3D).
ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе протокол может быть приостановлен и перезапущен позже; Тем не менее, баллистический гель необходимо снова расплавить, чтобы перейти к следующему этапу.
4. Фантомная сборка
- Сборка слоев тканей, нервов и костей
Примечание: На рисунке 4А изображены отдельные компоненты фантома блокады срединного нерва непосредственно перед сборкой, включая слои ткани, смоделированные нервы и смоделированные кости.- Соберите фантомы, покрыв каждый компонент ультразвуковым гелем, собрав компоненты, как показано на поперечных сечениях на рисунке 2, и вставив их в соответствующие прямоугольные призмы баллистического геля (рисунок 4B). Правильно разместите на этом этапе все напечатанные на 3D-принтере кости или нервы из пряжи.
- Герметизация концов фантома
- Запечатайте модели, опустив их с обеих сторон в кастрюлю, наполненную жидким баллистическим гелем (рисунок 4C). Повторите процесс запечатывания несколько раз с каждой стороны.
- Наконец, используйте термофен, чтобы сгладить края фантома, удалив пузыри и дефекты, а также укрепив боковые уплотнители.
- Добавление псевдо-скина (опционально)
ПРИМЕЧАНИЕ: Дополнением к моделям фасциальной плоскости является добавление псевдокожи.- Налейте жидкий баллистический гель на герметичную и охлажденную модель, которая была неплотно покрыта гелем для ультразвука, чтобы предотвратить отжиг между только что залитым слоем кожи и существующей моделью (рисунок 4D и дополнительное видео S1).
Рисунок 4: Сборка ультразвукового фантома срединной блокады нерва. (А) Отдельные компоненты разобранного фантома срединной блокады нерва, включая слои ткани баллистического геля, напечатанные на 3D-принтере лучевую и локтевую кости, нитевидный срединный нерв, погруженный в ультразвуковой гель, флакон с гелем для ультразвука и кастрюлю, заполненную жидким баллистическим гелем. (B) Сборка фантома срединной блокады нерва, включая введение слоев ткани и смоделированных костей, покрытых гелем для ультразвука. (В) Герметизация одного конца фантома путем погружения в кастрюлю с жидким баллистическим гелем. (D) Создание слоя псевдокожи путем заливки жидкого баллистического геля на готовый фантом срединного нервного блока. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Результаты
Четыре ультразвуковых фантома были успешно спроектированы и построены с использованием описанных выше методов. Ультразвуковое сечение каждой модели, совмещенное с ультразвуком эквивалентной анатомии человека, показано на рисунке 5. Под ультразвуковым контролем эти фантомы обеспечивают реалистичные плоскости тканей, которые представляют собой границы между различными слоями кожи, мышц и фасций. Мышечная ткань адекватно и равномерно эхогенна. Эту эхогенность можно регулировать в зависимости от количества муки, добавляемой в баллистический гель во время плавления. Фасциальные границы гиперэхогенны по сравнению с фоновой мышечной тканью. Пряжа выглядит неравномерно гиперэхогенной, с четко очерченными границами, соответствующим образом имитируя внешний вид нерва. Пряжа расположена между слоями ткани, и эта часть фантома может вместить инъекцию жидкости для имитации инъекции местного анестетика во время процедуры блокады нервов. Кроме того, инъекция в баллистический гелевый блок сталкивается со значительным сопротивлением по сравнению с инъекцией в смоделированную фасциальную плоскость, что может служить полезным механизмом обратной связи для учащихся. Напечатанные на 3D-принтере блоки, изготовленные из нити ABS, соответствующим образом имитируют гиперэхогенную кору и акустическое затенение костей человека при визуализации под ультразвуковым контролем. Симулированные сосуды выглядят безэховыми с четко очерченными границами, что также видно у их живых человеческих аналогов. Окрашенную воду можно отсасывать с помощью иглы для подтверждения внутрисосудистого доступа при отработке соответствующих процедур под ультразвуковым контролем.
Рисунок 5: Репрезентативные ультразвуковые изображения, полученные с помощью ультразвуковых фантомов, в сравнении с человеческими субъектами. (A) медиана, (B) бедренная кость, (C) плоскость надчелюстной фасции подвздошной кости и (D) передняя плоскость зубчатого нерва блокируют ультразвуковые фантомы (слева) и человек (справа). Для каждого ультразвукового фантома (слева) несколько неподвижных изображений, полученных при сканировании ультразвуковых фантомов, были сшиты вместе, чтобы продемонстрировать весь фантом под ультразвуковым контролем. Никаких других изменений в изображениях сделано не было. Пунктирные желтые прямоугольники представляют собой область ультразвукового фантома, которая коррелирует с изображением человека, расположенным непосредственно справа. Сокращения: А = артерия; V = жилка; M = срединный нерв; F = бедренный нерв; RAD = радиус; U = локтевая кость; AIIS = передний нижний подвздошный отдел позвоночника; R = ребро; SART = сарториусная мышца; IL=Подвздошная мышца; IO = внутренний косой; SA = передняя зубчатая мышца; LD = широчайшая мышца спины. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Дополнительный файл 1: Компьютерное проектирование пластиковых моделей, представляющих каждый желаемый слой ткани для ультразвукового фантома срединной блокады нерва. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 2: Компьютерное проектирование пластиковых моделей, представляющих каждый желаемый слой ткани для ультразвукового фантома блокады бедренного нерва. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 3: Компьютерное проектирование пластиковых моделей, представляющих каждый желаемый слой ткани для ультразвуковой блокады плоскости надкраингвинальной фасции, подвздошной кости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 4: Компьютерное проектирование пластических моделей, представляющих каждый желаемый слой ткани для фантома ультразвуковой блокады передней плоскости зубчатой мышцы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительное видео S1: Добавление псевдокожи к ультразвуковому фантому, блокирующему срединный нерв. Заливка жидкого баллистического геля на готовый ультразвуковой фантом с минимальным слоем ультразвукового геля сверху создает тонкий покров, который на ощупь и двигается, как кожа. Это видео демонстрирует способность псевдокожи имитировать движение человеческой кожи при надавливании. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Обсуждение
Эти специальные фантомы на основе баллистического геля обеспечивают обучаемым тренировку медианы, бедренной кости, плоскости надчелюстной фасции подвздошной кости и блокады переднего нерва зубчатой мышцы средней точности за небольшую часть стоимости коммерчески доступных фантомов блокады нервов (Таблица 1). Наши первые тренажеры для блокады срединного и бедренного нервов были изготовлены на заводе за 12% и 9% от цены самых дешевых коммерчески доступных тренажеров для блокады срединного и бедренного нервов соответственно. Ни один из доступных фантомов блокады бедренного нерва не способен моделировать надклапанный доступ к блокаде подвздошной фасции, как это делает наш фантом. Мы не смогли найти коммерчески доступных ультразвуковых фантомов передней плоскости зубчатой мышцы.
Таблица 1: Резюме коммерчески доступных фантомов регионарной анестезии под ультразвуковым контролем. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.
В последнее десятилетие технология 3D-печати стала более доступной и недорогой. Например, оригинальный 3D-принтер Prusa i3 MK3S+, используемый в этом протоколе, хоть и не последняя версия, но стоит всего $64919. Даже меньшая Prusa MINI+, которой достаточно для создания моделей, описанных в этой статье, стоит всего $42920. Большинство запасных частей для этих принтеров печатаются на 3D-принтере, что еще больше минимизирует затраты на ремонт. Студенты и преподаватели, как правило, могут получить бесплатный доступ к 3D-принтерам через makerspace или дизайн-лабораторию своего учебного заведения. Проектирование объектов для 3D-печати стало более удобным, чем когда-либо, с помощью программ автоматизированного проектирования (САПР), некоторые из которых доступны бесплатно.
Продолжительность времени, необходимого для проектирования напечатанных на 3D-принтере моделей и смоделированных костей, варьируется в зависимости от навыков пользователя и его знакомства с программным обеспечением CAD; однако этот процесс может быть выполнен бесплатно с использованием программного обеспечения, такого как FreeCAD, или с использованием программного обеспечения САПР, лицензированного принимающим учреждением21. Создание силиконовых форм из каждого слоя ткани не является трудоемким процессом. Силикон стоит 28 долларов за кг, при этом на каждый фантом требуется 4-6 кг силикона (всего 140 долларов). Так как силиконовые формы многоразовые, это единовременные расходы.
Наш коммерческий баллистический гель стоит 86 долларов за кг, а каждый фантом требовал примерно 0,7 кг, что стоило 60 долларов за фантом. Для 3D-печати структур, необходимых для формования, требуются незначительные затраты на филамент PLA или ABS. Для двух наших фантомов требовалось 100 мм пряжи по цене 10 долларов за метр или 0,01 доллара за фантом. В общей сложности, каждый фантом стоил ~$200 для изготовления первой модели и $60 для изготовления каждой последующей модели. Производственный процесс требовал 1 человеко-часа и 3-4 часа нагрева и охлаждения геля. Мы смогли построить четыре модели одновременно за один и тот же период времени.
Баллистический гель является идеальной средой благодаря своей универсальности. Его можно использовать для моделирования различных тканей, а также плавить и придавать ему любую форму. Как только гель застынет, любые дефекты или проколы иглы в некоторой степени самовосстанавливаются и могут быть дополнительно исправлены с помощью термофена. Если в фантоме произошла ошибка, он поврежден или используется слишком часто, компоненты баллистического геля всегда можно разобрать, очистить и переплавить для повторного использования с минимальными потерями материала. Баллистический гель также экономически эффективен. Несмотря на то, что эти фантомы являются самым дорогим компонентом этих фантомов (86 долларов за кг), они все же гораздо более доступны, чем коммерчески доступные ультразвуковые фантомы. Фантомы, изготовленные с использованием самодельного желатина, были описаны ранее и, предположительно, еще более доступны по цене, но эти фантомы развивают плесень в течение нескольких дней или недель, даже при хранении в холодильнике. Мы храним фантомы в чистой, сухой среде при комнатной температуре от нескольких месяцев до нескольких лет, не портясь и не разрушаясь.
Моделирование нервов в желатине для моделей нервной блокады под ультразвуковым контролем оказалось сложной задачей для педагогов. В предыдущих попытках использовались сухожилия животных 22,23,24, электрический провод25, деревянные дюбели 25, шнурки26, металлические прутья27, пучки резиновых лент15, пена28, горох29, спагетти30 и даже кабельEthernet 31. Эти варианты нереалистичны, скоропортящиеся или создают значительное заднее акустическое затенение под ультразвуком. Мы использовали предмет домашнего обихода, пряжу, для создания высокоточных симулированных нервов с минимальным затенением заднего хода или без него всего за 0,10 доллара за метр или 0,01 доллара за фантом.
Нить ABS использовалась для 3D-печати имитации кости из-за ее более высокой термостойкости, чем у PLA, которая деформировалась на последующих этапах развития этого метода. Мы максимально увеличили температуру выпечки, чтобы свести к минимуму время плавления и уменьшить вязкость и количество пузырьков. Это позволяет более плавно и заполнять пространство силиконовыми формами, сохраняя при этом температуру ниже температуры горения геля, тем самым предотвращая образование избыточного дыма.
Основным недостатком этих фантомов является время и энергия, необходимые для их проектирования и сборки. Проектирование тканевых плоскостей с помощью САПР требует технических навыков, а их 3D-печать требует базовых знаний о 3D-принтерах, нарезке STL-файла, выборе филамента, а также о том, какие настройки и температуры использовать. Создание силиконовых форм для каждой тканевой плоскости увеличивает расходы, так как силикон является вторым по стоимости компонентом этого протокола — 28 долларов за кг. Тем не менее, эти силиконовые формы прочны и многоразовые, поэтому после их изготовления их можно повторно использовать для создания многочисленных ультразвуковых фантомов. К другим недостаткам можно отнести кривую обучения, связанную со смешиванием и заливкой баллистического геля, а также недостаточную технологическую интеграцию этих фантомов по сравнению с высокоточными коммерческими манекенами. Тем не менее, мы считаем, что относительная простота конструкции, легкость приобретения материалов, настраиваемость, низкая стоимость и пригодность к переработке конструкции этой модели значительно перевешивают ее недостатки. Мы надеемся, что распространение их метода создания будет способствовать улучшению обучения процедурам блокады нервов в учреждениях, которые не могут позволить себе частую замену дорогостоящих коммерческих медицинских симуляционных устройств. В будущих исследованиях следует изучить индивидуальные фантомы для дополнительных процедур блокады нервов и оценить удовлетворенность и клиническую эффективность стажеров, использующих эти фантомы, по сравнению с их коллегами.
Раскрытие информации
Авторы данной статьи не имеют никаких конфликтов интересов, которые можно было бы раскрыть.
Благодарности
Этот проект был профинансирован Центром симуляционного обучения (STC) при Калифорнийском университете, Медицинская школа Сан-Диего в Ла-Хойе, Калифорния. Мы хотели бы поблагодарить Блейка Фрихтла за его вклад в рисунок 5.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Нить ABS - 1,75 м+B+A2:A14 | Hatchbox (Помона, Калифорния https://www.hatchbox3d.com/collections/abs-1-75mm | ||
| Adobe Photoshop | Adobe (Сан-Хосе, Калифорния https://www.adobe.com/products/photoshop.html | ||
| Amber Tone | Dye Humimic Medical (Гринвилл, Южная Каролина | )852844007925 | Баллистический гелевый краситель; https://humimic.com/product/amber-tone-dye/ |
| Fusion 360 | Autodesk (Сан-Франциско, Калифорния) | Программное обеспечение для автоматизированного проектирования (CAD); | |
| Желатин #1 - Медицинский гель от Pound | Humimic Medical (Гринвилл, Южная Каролина | )852844007406 | Баллистический гель; https://humimic.com/product/gelatin-1-medical-gelatin-by-the-pound/ |
| Безглютеновая универсальная мука | Arrowhead Mills (Херефорд, Техас) | Мука для эхогенности; https://arrowheadmills.com/products/gluten-free/organic-gluten-free-all-purpose-flour/ | |
| Microsoft PowerPoint | Microsoft (Редмонд, Вашингтон) | https://www.microsoft.com/en-us/microsoft-365/powerpoint | |
| Mold Star 16 FAST Текучая силиконовая резина | гладкая (Macungie, PA) | Сыпучая силиконовая резина; https://www.smooth-on.com/products/mold-star-16-fast/ | |
| Краситель персикового тона | Humimic Medical (Гринвилл, Южная Каролина) | 852844007895 | Баллистический гелевый краситель; https://humimic.com/product/peach-tone-dye/ |
| PLA Filament - 1,75 мм | Hatchbox (Помона, Калифорния) | https://www.hatchbox3d.com/collections/pla-1-75mm | |
| принтер Prusa Original i3 MK3S+ | Prusa Research (Прага, Чехия) | 3D-принтер; https://www.prusa3d.com/category/original-prusa-i3-mk3s/ | |
| Prusa Slicer 2.6.1 | Prusa Research (Прага, Чехия) | Программное обеспечение для 3D-принтера для слайсеров; https://www.prusa3d.com/page/prusaslicer_424/ | |
| Wool-Ease Thick & Пряжа Quick Yarn | Lion Brand Yarn (Линдхерст, Нью-Джерси) | 640-610B | Пряжа для моделирования нервов; https://www.lionbrand.com/products/wool-ease-thick-and-quick-yarn?variant=32420963516509 |
Ссылки
- 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).
Перепечатки и разрешения
