通过 3D 打印创建高保真、低成本、骨内线放置任务训练器

摘要

我们描述了一种将计算机断层扫描（CT）扫描处理成高保真，可回收和低成本的程序任务训练器的程序。CT扫描识别过程，导出，分割，建模和3D打印都进行了描述，以及在此过程中的问题和经验教训。

摘要

程序任务培训师的描述包括将其用作培训工具，通过在安全的环境中重复和排练程序来磨练技术技能，然后再最终对患者执行程序。迄今为止可用的许多程序性任务训练器都存在一些缺点，包括不切实际的解剖结构以及在训练器组织经过反复操作后开发用户创建的"地标"的趋势，这可能导致不适当的精神运动技能发展。为了改善这些缺点，创建了一个过程来生产高保真程序任务训练器，该训练器由计算机断层扫描（CT）扫描获得的解剖学创建，利用无处不在的三维（3D）打印技术和现成的商品供应。

该方法包括创建3D打印的组织模具，捕获感兴趣的骨骼元件周围的组织结构，以包裹悬浮在组织内的骨骨骼结构，这也是3D打印的。然后将组织培养基混合物（在高保真几何形状和组织密度上近似组织）倒入模具中并使其凝固。在使用任务训练器练习程序（例如骨内插管放置）后，组织介质、模具和骨骼是可回收的，并且可以重复使用以创建没有穿刺部位和操作缺陷的新任务训练器，用于后续培训课程。

引言

程序技能的患者护理能力是在民用和军用医疗保健^1，2 环境中培养受训人员的关键组成部分。程序技能发展对于麻醉学³ 和一线医务人员等程序密集型专业尤为重要。任务培训师可用于排练许多程序，其技能水平从一年级医学生或医疗技术人员到高级住院医师或研究员。虽然许多医疗程序需要大量培训才能完成，但这里介绍的任务 - 骨间（IO）线的放置 - 很简单，需要较少的技术技能。IO线的成功放置可以在相对较短的培训后完成。在医疗培训期间使用模拟，包括使用任务培训师，被认为是通过在安全、低压力的环境中重复和排练临床程序来获得技术程序技能的工具，然后最终对患者执行程序²，^4，5。

可以理解的是，医学教育环境中的模拟训练已被广泛接受，并且似乎是中流砥柱，尽管缺乏关于对^{患者结果的任何}影响的数据6^，7。此外，最近的出版物表明，由于团队动态和决策的改善，仿真可以提高团队绩效和患者结果。尽管如此，几乎没有数据表明模拟可以提高执行关键的、挽救生命的程序的时间或成功率^{8，9，这表明}模拟在医疗保健提供者的教育中是复杂和多方面的。对于无法进行标准静脉通路或无指征的患者，可使用 IO 插管置入快速实现血管通路，需要最少的技能。及时和成功地执行此程序至关重要，特别是在围手术期环境或创伤情况下¹⁰，^11，12。由于 IO 插管置入在围手术期区域很少进行，并且可能是一种挽救生命的手术，因此在非临床环境中进行培训至关重要。特定于 IO 线放置的解剖学上准确的任务训练器是为此过程提供可预测的培训频率和技能发展的理想工具。

虽然广泛使用，但目前可用的商业任务训练器存在几个重大缺点。首先，允许多次尝试一个程序的任务训练器成本很高，不仅用于初始购买任务训练器，还用于补充可更换部件，例如硅胶皮肤贴片。结果通常是很少更换零件，留下突出的地标，为受训者提供次优的培训体验;患者不会预先标记应该在哪里进行手术。另一个缺点是，当设备被"锁定"在受保护的存储位置以防止设备丢失或损坏时，传统任务训练器的高成本可能导致用户访问受限。结果是需要更严格和更少的预定练习时间，限制它们的使用肯定会使计划外训练变得困难。最后，大多数训练师被认为是低保^真度5，^13，14，并且仅使用代表性解剖结构^，可能导致不适当的精神运动技能发展或训练疤痕。低保真训练师还使得对技能获取、掌握和退化的全面评估变得非常困难，因为在低保真设备上的培训可能无法充分模拟实际的实际过程。

代表性解剖学也阻碍了对精神运动技能的获得和掌握的正确评估。此外，如果某些精神运动技能没有反映在临床任务中，那么评估模拟医疗环境之间精神运动技能与患者护理之间的转移几乎是不可能的。这导致无法就医学模拟和培训影响患者预后的能力达成共识。为了克服成本、解剖准确性和可访问性方面的挑战，我们开发了一种低成本、高保真度的 IO 线任务训练器。任务训练器是根据实际患者的CT扫描设计的，从而实现准确的解剖结构（图1）。使用的材料无处不在且易于获得，其组件相对容易回收。与许多其他市售培训师相比，这里描述的任务培训师设计的适度成本大大降低了将培训师隔离在不易接近、受保护的位置的愿望，并且无需前导地标即可进行多次重复。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

研究方案

注意:内布拉斯加大学医学中心机构审查委员会确定我们的研究不构成人类受试者研究。当地的IRB获得了伦理批准和知情同意的放弃。在根据医院去识别化协议进行分析之前，对成像数据进行了完全匿名化。

1. 数据

1. 获取CT扫描，为计划的任务培训师捕获感兴趣的解剖结构。请注意考虑所用3D打印机的工作体积限制以及程序步骤所需的地标。
2. 如果扫描以医学数字成像和通信格式 （DICOM） 获得，请转换为神经影像信息学技术计划 （NiFTi）¹⁵ 格式 （.nii）。

2. 细分

1. 使用3D切片器软件（http://www.slicer.org）分割CT图像。将步骤 1.2 中的 NIfTi 文件导入 3D 切片器。
2. 选择区段编辑器模块以生成对培训师建模所需的 区段 。
   1. 为任务训练器的 1） 骨骼和 2） 组织组件添加一个部分。
      注意:开发一些训练器，例如用于训练胸管插入的训练器，可能需要额外的部分。
   2. 选择段 1） 骨骼。使用 阈值 效果，更改强度范围，直到定义的"窗口"范围确定感兴趣的骨骼分量。
      注意:对于骨段，通常的范围是100到175 HU（Hounsfield单位）到可用最大值，对于组织，通常为-256 HU到可用最大值。
   3. 使用 阈值 功能突出显示 1） 骨骼组件，并使用" 应用" 命令将其应用于扫描。
   4. 使用 剪刀 功能删除创建任务训练器不需要的扫描区域。小心确保骨髓空间对于 IO 训练器来说保持空心。
      注意:此步骤是将感兴趣的部分减少到训练器所需尺寸的第一次。这里应考虑要使用的3D打印机的构建体积限制;但是，该部分可能会在第3节中进一步减少。
3. 对2）组织成分重复步骤2.2.1-2.2.4。
4. 使用 细分 模块;将每个组件导出为 STL 文件。

3.3D 建模

1. 使用 AutoDesk 网格混合器进一步裁剪 3D 线段，并根据几何元素的数量降低每个线段的分辨率，以便在 Fusion360 中获得最佳性能。
   1. 确认导入的 STL 文件具有正确的三角形法线方向。确保每个三角形的法线点在网格外表面的方向上。如果三角形方向不正确，请通过执行选择|来正常翻转三角形 修改|选择"全部" 功能，然后选择" 选择|编辑|翻转法线 功能。
   2. 消除导入的STL片段中不需要的结构（例如，由于使用造影剂而被CT捕获的不需要的组织或脉管系统片段），并优化创建任务训练器所需的模型。要通过删除段中可能无意中包含在导出线段阈值范围内的不需要的结构来优化模型，请使用 "选择" 操作，选择不需要的结构上的三角形，然后 编辑|丢弃。
   3. 在 3.1.2 之后，使用 编辑|平面切割 工具，用于裁剪模型以适应 3D 打印机构建体积的范围。要减少由于几何分辨率过高而产生的计算开销，请减少用于定义模型的三角形数量，以便在 Fusion360 中实现最佳性能。单击 "选择"，双击网格上的任意位置以选择整个网格，然后单击 编辑|减少。对于 减少目标，减少到大约 10，000 个面的三角形预算。
      注意:作者当前使用的打印机的最大构建体积为 250 x 210 x 210 毫米;因此，模型被切割成最大长轴长度 220-230 mm，以使模具适合打印机的构建体积。打印机的构建体积应通过使模型缩短约 20-30 毫米来决定长轴长度。几何形状可以很容易地减少到~10K三角形，而不会丢失临床相关的细节，以开发高保真任务训练器。
   4. 使用 "选择 "工具消除或减少孔和表面不规则。选择缺陷周围的网格三角形后，使用命令 "选择|编辑|擦除和填充 以改善表面孔洞和不规则性。使用 STL 文件类型导出并保存完成的模型。
      注意:骨间线任务训练器的目标骨外表面需要完全闭合;否则，融化的组织介质将进入骨髓空间并降低任务训练器的性能。
2. 使用 AutoDesk Fusion360，并通过添加 .STL 文件使用 "插入"|作为网格进入工作区插入网格 命令。
   1. 通过禁用 Fusion360 时间轴并将目标网格中的三角形数量减少到 <10，000，将导入的网格转换为 BRep 实体。选择导入的 网格实体 并单击鼠标右键。选择 网格到 BRep 选项。将网格转换为 BReps 实体后，恢复 Fusion360 时间轴。
   2. 修改实体以创建任务训练器的模具，方法是沿组织 BRep 的长轴分割矩形实体。
      注意: 模具是通过使用草图特征在组织 BRep 周围创建的，以构建包含组织实体的立方体或矩形实体。应修改模具尺寸以满足所选3D打印机的最大构建体积。由于模具一分为二，因此打印的最长尺寸可能不是最终模具连接时的最大尺寸。
   3. 选择2-3个支撑销位置，并放置预先设计的装配组组件以固定任务训练器的骨骼。确保为支撑销选择的位置在销头周围的骨骼中具有充足的支撑结构。
      注意: 所选销头周围的骨头不需要完全均匀，因为装配组还包含一个坚固的圆柱形支撑结构，该结构将与骨头融合。这种结构充分支撑针头，并保持骨骼在组织介质内的正确解剖位置。
   4. 将骨塞导入并放置在Bone BRep的开放骨髓空间上，以防止组织介质进入骨髓空间，并防止模拟的骨髓排出。
   5. 在由 Tissue BRep 固体表示的空间中通过模具生成一个开口（通常直径为 4-6 厘米），以允许将液体组织培养基倒入模具中。
   6. 将预先设计的装配组的零部件定位以将骨骼固定在空间中后，执行 布尔组合 功能以将各种装配组添加或切割到模型中。
      1. 在步骤 3.2.6 之前执行对象的镜像，使任务训练器用于同侧。在 3.2.6 之前重复步骤 3.2.3-3.2.5。
   7. 导出最终组件以进行打印。在工作区中选择所需的正文，并通过右键单击生成 STL 文件 |另存为 STL。

4.3D 印刷

1. 使用简化 3D，将 STL 文件放在 3D 打印机的床上，以便切片程序可以生成打印项目所需的 GCODE。使用0.4毫米喷嘴在210°C的热端温度下使用聚乳酸（PLA）3D打印机介质长丝打印组件。 确保设置使用 4 个顶层和底层以及 3 个外围外壳。
2. 垂直定向骨骼，以尽量减少骨髓腔内所需的支撑材料。使用木筏、0.2 mm 层高、20% 填充和完整的支撑材料（从打印床和打印件内）进行打印。打印纸巾模具时，将模具组件的方向设置为纸巾表面朝上。打印组织模具，无需木筏，层高0.3毫米，填充15%，并采用全支撑材料。
3. 排列支撑销和其他组件以尽量减少支撑材料 - 用筏、0.2 毫米层高和 20% 填充打印所有销支撑部件。以较低的速度打印没有支撑材料的螺纹组件，以最大限度地提高螺纹结构的保真度。
4. 选择每个组件的参数后，准备简化 3D 生成的 GCODE 文件并将其导出到 SD 卡。使用Prusa i3 MK3，从SD卡中选择保存的GCODE文件，并使用1.75mm PLA 3D打印机介质线材打印。

5. 组装

1. 准备组织培养基。
   注意:受训者当前的技能掌握水平可能决定是否需要不透明或透明的组织培养基。透明培养基允许受训者在IO插入过程中直观地跟踪他们的进展，并更容易识别骨标志，而不透明培养基可以更好地模拟实际临床经验。
   1. 测量以下用于创建组织培养基的成分，并留出（这些量可以根据需要缩放）260克无味明胶;如果需要，140克精细研磨的车前子壳纤维，橙味，无糖（省略此步骤以创建透明培养基）;42克4%w/v氯己定。
      注意:车前子壳纤维可用于制造不透明介质。如果需要不透明介质，则应在明胶之后立即添加该组分¹⁶。
   2. 将1000毫升水（水龙头是可以接受的）加热至85°C.将水加入比配料体积大几倍的混合容器中，例如18.9升桶。
      1. 在剧烈混合组织培养基溶液的同时，按顺序将明胶、车前子壳纤维和洗必泰溶液加入水中，等待前一种成分掺入后再添加下一种成分。
         注意:如果制作透明介质，请勿添加车前子壳纤维。
   3. 在71°C水浴中加热混合物至少4小时，以使气泡从溶液中消散。将混合容器直接放入热水浴中，或将混合物转移到单独的容器中，例如塑料储存袋。
   4. 准备组织培养基以倒入组装好的模具中。确保混合物均匀且具有流动性。将混合物的温度保持在46°C。
      注意:如果不立即需要组织培养基，则可以将其储存在4°C或-20°C的储存容器中，直到需要为止。
2. 准备模拟骨髓溶液。
   注意:模拟的骨髓溶液可以提前制备，并在室温下储存在有盖的容器中，直到准备使用。
   1. 测量并彻底混合100克冷水（水龙头很好）;100克超声凝胶;和 5 mL 红色食用色素（可选，用于改进模拟）。确保最终产品很厚，但足够流畅，可以快速转移。
3. 将骨头固定在模具底部，然后组装模具。
   1. 用非硅基脱模剂（如不粘烹饪喷雾）喷洒模具内表面的每一侧。使用支撑销固定骨骼，以保持组织空间内的正确位置。将骨头/销钉固定到模具底部。
   2. 将模具的顶部与底部对齐，并将模具的两半固定在一起。验证骨塞是否就位，以防止组织介质在倒注过程中进入骨髓空间。
4. 将模具定位为开口朝上，然后将46°C组织培养基倒入模具的型腔中。使用倒置的空气除尘罐直接用罐喷洒温热的组织介质以快速冷却，从而补救组织介质从模具中泄漏的任何。将填充的模具转移到4°C冰箱中至少6小时，或直到组织培养基凝固。
5. 拆卸模具，卸下任务训练器和支撑销。取下骨塞，用 5.2 中创建的模拟"骨髓"填充骨髓空间，然后更换骨塞。将任务训练器放入塑料储物袋中，并将组件储存在4°C或-20°C，直到需要训练为止。

6. 任务培训

1. 从存储中取出任务训练器，使其达到室温。如果尚未到位，请按照 5.5 中的指令添加步骤 5.2 中的模拟骨髓材料。
   注意:允许训练器加热到室温可改善模拟体验。
2. 对任务培训师进行培训。指导受训者放置IO针（图2A），并按照IO线放置的常规步骤抽吸模拟骨髓（图2B）。
3. 训练后，拆卸任务训练器以回收组织、培养基和骨骼。
   注意:操作后，IO训练器的骨骼将具有插入IO线套管而形成的孔。这些孔可以使用手持式3D打印机笔用PLA填充，或者可以丢弃骨头。
4. 根据第5节重新组装和重复使用回收的材料以进行后续培训.或者，将组织培养基融化下来，按照5.1.4回收，如果不是立即需要，则储存在4°C或-20°C。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

结果

按照协议，任务训练器的建模利用了去识别化的患者的CT扫描。CT图像的分割利用3D切片器软件和自动网格混合器进行3D建模。对于3D打印，使用了3D Simple和Prusa i3 MK3（图1）。随后，我们完成了3D打印零件的组装，制备了组织介质混合物，并将介质混合物倒入组装好的任务训练器模具中。在与任务训练师进行一段时间的培训后，组织培养基被回收并重新用于新鲜任务训练器的组...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

讨论

在此协议中，我们详细介绍了3D任务训练器的开发过程，以训练IO线放置的不经常执行和救生程序。这种自我引导的协议使用3D打印来生产大部分模型结构，而用于组装任务训练器的其余组件是无处不在的，易于获得的，并且可以回收和重复使用的无毒材料。3D任务训练器成本低廉，创建和组装所需的专业知识最少。我们已经在UNMC麻醉科培训课程中成功使用了我们的3D IO线放置任务培训师，其中包?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D printer filament, poly-lactic acid (PLA), 1.75 mm	N/A / Hatchbox		Base for 3D printing molds, bone structures, and bone / mold hardware
3D printer, Original Prusa i3 MK3	Prusa		To print molds, bone structures, and bone / mold hardware
bolts, 1/4”, flat / countersunk or round head, various lengths	N/A		Hardware used to hold mold casing halves together during casting
Bucket, 5 gallon, plastic	N/A		To hold tissue media during media preparation
chlorhexidine, 4% solution w/v			Animicrobial additive for tissue media
drill, household 3/8’ chuck	N/A		To stir tissue media during media preparation
food coloring, red (optional)	N/A		Coloring additive for simulated bone marrow
gelatin, unflavored	Knox		Base for tissue media
hex nuts, 1/4”	N/A		Hardware used to hold mold casing halves together during casting
Non-stick cooking spray	N/A		Mold releasing agent
plastic bags, ziplock	Ziplock		To store tissue media
psyllium husk fiber, finely ground, orange flavored, sugar free (optional)	Procter & Gamble	Metamucil	Opacity / Echogenicity additive for tissue media
screwdriver, flat / Phillips (matching bolt hardware)	N/A		To tighten mold casing hardware
silicone gasket cord stock, 3 mm, round, various lengths	N/A		Gasket media for mold casings
spray adhesive, Super 77 (optional)	3M		Agent used to improve bed adhesion during 3D printing
stirring paddle / rod			To stir tissue media during media preparation
turkey baster, household, 60 mL	N/A		To inject simulated bone marrow into bone marrow cavity
ultrasound gel			Base for simulated bone marrow
water, tap			Used in both tissue media and simulated bone marrow