Fabrication de fantômes en gel balistique abordables, durables et moyenne-fidélité pour l’entraînement par bloc nerveux guidé par échographie

Résumé

Ici, nous démontrons la conception et la création de quatre fantômes d’échographie balistique personnalisés pour l’entraînement à l’anesthésie régionale guidée par échographie. Nous avons conçu les fantômes à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur, utilisé des modèles imprimés en 3D pour créer des moules en silicone, puis versé du gel balistique fondu dans les moules pour créer des couches de tissus personnalisées.

Résumé

Les fantômes à ultrasons - alternatives aux tissus humains vivants - donnent aux apprenants la possibilité de pratiquer l’anesthésie régionale guidée par ultrasons sans introduire de risque excessif pour les patients. Les fantômes à base de gélatine fournissent aux éducateurs des entraîneurs de tâches durables et réutilisables ; Cependant, les fantômes à base de gel disponibles dans le commerce sont chers. Ici, nous étudions la production de fantômes à ultrasons durables, peu coûteux et à base de gel balistique pour les blocs nerveux médians, fémoraux, supra-inguinaux, du plan iliaque et du plan antérieur dentelés, ainsi qu’une méthodologie de production d’un fantôme pour toute procédure de bloc nerveux guidée par échographie.

Un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) a été utilisé pour concevoir quatre fantômes reproduisant l’anatomie des blocs nerveux médians, fémoraux, supra-inguinaux, du fascia iliaque et du plan antérieur dentelé, y compris les points de repère et les plans tissulaires pertinents. Des modèles en plastique des plans de tissus souhaités ont été imprimés en 3D et utilisés pour créer des moules en silicone. Le gel balistique a été fondu et mélangé à de la farine et à un colorant pour créer un gel balistique liquide et échogène, qui a été versé dans les moules en silicone. Les vaisseaux ont été simulés en créant un espace négatif dans le gel balistique à l’aide de tiges métalliques. Les nerfs ont été simulés à l’aide d’un fil immergé dans du gel à ultrasons. Les os simulés ont été conçus à l’aide de la CAO et imprimés en 3D.

Le gel balistique est un support polyvalent et durable qui peut être utilisé pour simuler une variété de tissus et peut être fondu et moulé dans n’importe quelle forme. Sous échographie, ces fantômes fournissent des plans tissulaires réalistes qui représentent les frontières entre les différentes couches de la peau, des muscles et des fascias. L’échogénicité des couches de tissu musculaire, des nerfs, des vaisseaux et des os est réaliste, et les os ont une ombrage postérieur important, comme on l’observerait chez un sujet humain. Ces fantômes coûtent 200 $ chacun pour le premier fantôme et 60 $ pour chaque fantôme suivant. La conception de ces fantômes nécessite des compétences techniques, mais ils peuvent être construits pour seulement 4 % du coût de leurs homologues commerciaux.

Introduction

Les fantômes à ultrasons - alternatives aux tissus humains vivants - donnent aux apprenants la possibilité de pratiquer des procédures médicales, y compris l’anesthésie régionale guidée par ultrasons (UGRA), sans introduire de risque excessif pour les patients¹. Bien qu’ils soient le plus souvent fabriqués par moulage par injection de caoutchouc de silicone liquide, les fantômes personnalisés peuvent être faits maison à l’aide de matériaux polyvalents à moindre coût. Les tissus organiques tels que le tofu, le porc et le bœuf sont peu coûteux, mais se gâtent rapidement et sont difficiles à fabriquer². Le tissu cadavérique humain est idéal pour la précision anatomique, mais il est difficile et coûteux de l’obtenir et de le^préserver1. Plus récemment, la réalité virtuelle a été utilisée pour dispenser une formation UGRA ; Cependant, le retour haptique est un élément clé de l’apprentissage procédural et est rarement mis en œuvre. Même lorsqu’un modèle hybride matériel-logiciel offre une haute fidélité visuelle et un retour tactile, le matériel et les logiciels nécessaires à la réalisation d’une telle formation sont souvent prohibitifs3. Les fantômes à base de gélatine trouvent un équilibre entre coût, longévité et fidélité².

Les modèles de gélatine balistique sont disponibles dans le commerce, mais sont coûteux pour une ressource périssable très utilisée dans les centres de simulation médicale. De petits fantômes à ultrasons simples à base de gel avec un parenchyme homogène et deux ou trois vaisseaux simulés se vendent des centaines de dollars. Par exemple, le bloc de formation de base en échographie CAE Blue Phantom coûte plus de 800 $⁴. Les fantômes plus fidèles spécifiques aux procédures de bloc nerveux individuel coûtent des milliers de dollars. Le modèle de formation en échographie d’anesthésie régionale fémorale Blue Phantom de CAE coûte 5 000 $ (tableau 1)⁵. Pour réduire les coûts, les éducateurs ont expérimenté des fantômes sur mesure en utilisant de la gélatine ou d’autres matériaux peu coûteux ou réutilisables ^6,7,8. Des additifs tels que la farine, l’amidon de maïs, la poudre de graphite et le Metamucil peuvent être utilisés pour opacifier la gélatine et personnaliser l’échogénicité du fantôme, augmentant ainsi sa fidélité 8,9,10,11,12,13,14.

Les tentatives précédentes d’entraîneurs de blocs nerveux faits maison à base de gélatine n’ont pas été en mesure de recréer correctement l’apparence des nerfs lors de l’échographie ou ont utilisé des articles périssables, limitant ainsi la durée de conservation^15,16. Même sans ces inconvénients, les itérations précédentes n’incluaient pas de repères anatomiques et de plans fasciaux pertinents qui permettraient aux stagiaires de pratiquer des procédures spécifiques de bloc nerveux. Ici, nous étudions la production de fantômes à ultrasons en gel balistique durables et peu coûteux pour les blocs nerveux médians, fémoraux, supra-inguinaux, du plan iliaque et du plan antérieur dentelés, ainsi qu’une méthodologie de production d’un fantôme pour toute procédure de bloc nerveux guidée par échographie.

Protocole

Pour ce projet, les auteurs JR et PS se sont portés volontaires comme sujets d’échographie, et le consentement verbal a été obtenu des deux. Pour ceux qui suivent ce protocole, obtenez l’approbation d’un comité d’éthique ou d’un comité d’examen institutionnel (IRB) avant d’utiliser des patients ou des volontaires humains comme sujets d’étude.

1. Conception fantôme et création de moules en silicone

1. Création d’une image échographique de référence
   1. Pour chaque fantôme d’échographie, demandez à un médecin ayant une sous-spécialisation en échographie et qui connaît bien la procédure de bloc nerveux simulé par le fantôme souhaité de créer une image échographique de référence provenant d’un sujet humain volontaire (Figure 1). Assurez-vous que cette image échographique a une vue transversale au plan nerveux ou tissulaire applicable dans lequel l’anesthésique serait injecté.
2. Conception et impression 3D de modèles de couches tissulaires
   1. Dessiner des motifs en coupe transversale de chaque fantôme (Graphique 2) et utiliser la conception assistée par ordinateur (CAO) pour concevoir des modèles en plastique des couches de tissu souhaitées et un contenant extérieur pour la forme globale du fantôme (Graphique 3A, Dossier supplémentaire 1, Dossier supplémentaire 2, Dossier supplémentaire 3et Dossier supplémentaire 4).
      REMARQUE : Du point de vue de la conception, les blocs de plan fascial peuvent être considérés comme une série de prismes étroitement ajustés enfermés dans un prisme rectangulaire creux avec des parois de 5 mm. Les parois de moins de 5 mm étaient trop fragiles pour une production fiable. Ce prisme rectangulaire sert de couche la plus externe du fantôme dans laquelle les autres couches de tissu sont assemblées et placées. Le modèle du nerf médian (illustré dans Graphique 3 et Graphique 4) utilise un conteneur arqué plutôt qu’un prisme rectangulaire pour simuler la forme d’un bras humain.
      1. Dans un logiciel de CAO, créez une toile plate à partir d’une échographie, d’un scanner ou d’une autre image cible aux dimensions connues. Cliquez sur Solide | Insérer | Sur le canevas, sélectionnez Fichier, cliquez sur le plan XY, faites glisser le pointeur dans l’espace +X +Y et faites-le glisser jusqu’à ce que la longueur de l’image soit précise aux unités connues.
      2. Créez un prisme rectangulaire sur la zone de l’image qui délimite le modèle en cliquant sur Solide | Créer une esquisse | Avion XY | Outil Rectangle à 2 points. Faites glisser le rectangle sur la zone et affinez dans les cases longueur/largeur lorsqu’elles sont fermées ; appuyez sur Entrée ; cliquez sur Terminer l’esquisse ; Cliquez sur le rectangle | Solide | Extruder ; Faites glisser le rectangle à la hauteur souhaitée et affinez avec la zone de hauteur lorsqu’il est fermé ; et appuyez sur Entrée.
         REMARQUE : Chacun de nos modèles a une longueur et une largeur différentes en fonction de l’anatomie qu’ils représentent, mais nous avons généralement trouvé que ~100 mm était une hauteur de modèle efficace.
      3. Créez une autre esquisse au-dessus du prisme rectangulaire en cliquant sur le haut du prisme rectangulaire | Créez un croquis et dessinez l’anatomie souhaitée ainsi que le bord intérieur du prisme rectangulaire enveloppant en cliquant sur Croquis | Créer et esquisser | Modifier les boîtes à outils. Utilisez la toile visible derrière le prisme pour guider le motif ; si la toile n’est pas vue à travers le prisme rectangulaire, modifiez-le via les paramètres d’affichage. Une fois l’esquisse qui représente la coupe transversale du modèle créée, cliquez sur Terminer l’esquisse.
         REMARQUE : Il n’y a pas d’outil idéal spécifique pour dessiner l’anatomie souhaitée et le bord intérieur du prisme d’enveloppe. L’étape ci-dessus est celle qui a été utilisée dans ce protocole.
      4. Ensuite, créez chaque prisme interne à partir de l’esquisse en cliquant sur la forme dans l’esquisse | Solide | Extruder ; faites glisser la forme dans le prisme rectangulaire à la longueur souhaitée, généralement 5 mm de moins que la longueur totale du rectangle ; et cliquez sur Opération = Nouveau corps | Entrez. Pour afficher ce nouvel objet, désactivez la visibilité de tous les autres objets en cliquant sur Corps | le symbole de l’œil à côté du nom du nouveau corps.
         REMARQUE : Les vaisseaux doivent être représentés par des trous circulaires ou elliptiques en forme de prisme conçus dans les bords ou les centres des corps des plans fasciaux. À ce stade, si vous visualisez le modèle virtuel face au canevas initial, les pièces individuelles du modèle et la façon dont elles s’emboîtent peuvent être visualisées.
      5. Exportez chaque corps individuellement pour l’impression 3D en cliquant sur Corps | le symbole de l’œil à côté de chaque corps sauf celui en cours d’exportation ; cliquez sur Fichier | Exporter | Type = fichier .stl | Entrez.
         REMARQUE : Vous devez maintenant disposer de plusieurs fichiers .stl, chacun représentant un plan de fascia ou un os unique, ainsi que d’un fichier .stl supplémentaire représentant la boîte englobante rectangulaire dans laquelle les morceaux du plan de fascia s’adapteront.
   2. Ouvrez le fichier STL dans un logiciel de découpe compatible avec l’imprimante 3D qui sera utilisée pour imprimer les modèles.
      1. Utilisez le bouton Placer sur le visage pour poser le modèle sur le lit de sorte que le bas du modèle touche le lit d’impression.
      2. Sous Imprimante, sélectionnez l’imprimante. Sous Paramètres d’impression, sélectionnez 0,20 mm SPEED, et sous Filament, sélectionnez PLA générique. Sélectionnez 15-20 % pour le remplissage, sélectionnez Partout dans le menu Supports et ajoutez un bord si nécessaire pour la stabilité de l’impression. Cliquez sur Slice maintenant.
      3. Exportez le fichier G-code sur une carte SD, branchez-le sur l’imprimante 3D et imprimez le fichier à l’aide d’un filament d’acide polylactique (PLA).
3. Création de moules en silicone
   1. Collez chaque modèle imprimé en 3D au fond d’un récipient en plexiglas sans haut avant de le plonger dans du caoutchouc de silicone à durcissement rapide selon les directives du fabricant¹⁷.
   2. Une fois le silicone pris, retirez le modèle en plastique dur et le boîtier en plexiglas, en laissant un moule en silicone flexible, durable et réutilisable de chaque couche de tissu souhaitée et du récipient dans lequel le gel balistique est versé (Figure 3B).
      REMARQUE : À ce stade, le protocole peut être mis en pause et redémarré ultérieurement.

Figure 1 : Images échographiques représentatives obtenues d’un sujet humain. Images représentatives pour les modèles (A) médian, (B) fémoral, (C) sus-inguinal fascia iliaca et (D) dentelé antérieur du plan antérieur obtenus de sujets humains volontaires. Abréviations : A = artère ; V = veine ; M = nerf médian ; F = nerf fémoral ; RAD = rayon ; U = cubitus ; AIIS = épine iliaque antéro-inférieure ; R = côte ; SART = muscle sartorius ; IL=Muscle iliaque ; IO = oblique interne ; SA = muscle dentelé antérieur ; LD = muscle grand dorsal. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Schémas en coupe transversale des fantômes d’échographie de bloc nerveux (A) médien, (B) fémoral, (C) plan de fascia iliaca supra-inguinal et (D) fantômes d’échographie de bloc nerveux du plan antérieur dentelé. Les schémas ont été conçus sur la base des images échographiques humaines représentatives présentées à la figure 1. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Création des composants fantômes du bloc nerveux médian. (A) Image représentative du fichier de conception assistée par ordinateur utilisé pour imprimer des modèles en plastique de chaque couche tissulaire pour le fantôme du bloc nerveux médian. (B) Moules en silicone pour chaque couche tissulaire du fantôme du bloc nerveux médian, y compris des tiges métalliques insérées pour créer des vaisseaux à l’intérieur du gel balistique. (C) Verser du gel balistique chaud, liquide et teint dans les moules en silicone. (D) Sceller l’extrémité ouverte des vaisseaux simulés à l’aide d’un gel balistique liquide après que les vaisseaux ont été remplis de sang simulé. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

2. Création d’autres points de repère fantômes

1. Conception et création d’os simulés
   1. Si la région du modèle conçue en CAD représente de l’os au lieu de tissus mous, imprimez en 3D une imitation d’os en suivant les étapes ci-dessus, mais utilisez plutôt un filament d’acrylonitrile butadiène styrène (ABS).
      ATTENTION : Les vapeurs de filament ABS peuvent contenir des composés organiques volatils (COV), qui peuvent provoquer une gêne physique, telle que la somnolence, l’irritation des yeux ou des voies respiratoires, des nausées et/ou des maux de tête¹⁸. L’ABS doit être imprimé sur une imprimante 3D fermée ou une imprimante non fermée dans une pièce bien ventilée et/ou filtrée de l’air.
2. Création nerveuse simulée
   1. Immergez 80 % de fil d’acrylique et 20 % de laine dans un gobelet en plastique rempli de gel à ultrasons. Placez la tasse dans une chambre de pression de -1 atm.
   2. Utilisez une pompe à vide à un étage pour accumuler à plusieurs reprises, puis relâchez la pression dans la chambre jusqu’à ce que toutes les bulles aient été éliminées du gel à ultrasons, ce qui est accompli après environ 4 à 6 cycles.
      REMARQUE : Cette étape permet de simuler les nerfs. À ce stade, le protocole peut être mis en pause et redémarré ultérieurement.

3. Fusion et coulée de gel balistique

1. Fusion du gel balistique
   1. Chauffer le gel et le colorant balistiques disponibles dans le commerce à un rapport de volume approximatif de 20:1 avec agitation intermittente jusqu’à ce que le liquide atteigne 132 °C dans un four à convection du commerce.
      ATTENTION : Le gel balistique liquide chauffé doit être manipulé avec prudence en raison du risque de brûlure associé à la manipulation de fluides chauds. Utilisez des gants de cuisine lorsque vous manipulez des casseroles remplies de gel balistique liquide. Évitez le contact direct entre la peau et le gel balistique liquide.
2. Additifs pour l’échogénicité
   1. Incorporez environ 4,5 g de farine finement granulée par kg de gel balistique dans le gel balistique liquide. Laissez le gel au four pendant au moins 20 minutes en remuant par intermittence pour permettre un mélange uniforme et permettre aux bulles de s’échapper.
   2. Ajoutez du gel balistique transparent supplémentaire ou un colorant si nécessaire pour ajuster la couleur du mélange afin de simuler les tissus humains.
3. Gel balistique versé dans des moules en silicone
   1. Insérez des tiges d’acier solides de différents diamètres aux endroits désignés sur les moules en silicone réutilisables, si cela convient à ce modèle spécifique de bloc nerveux, afin de créer des canaux dans les fantômes d’échographie finaux, qui représenteront les vaisseaux sanguins (Figure 3C).
   2. Versez du gel balistique liquide, maintenant coloré par un colorant, avec des particules de farine en suspension, et sans bulles d’air retenues, dans les moules en silicone et laissez-le refroidir.
   3. Après refroidissement, retirez les tiges métalliques et les dernières couches de tissu de gel balistique des moules. Lorsqu’ils sont placés ensemble avec un revêtement de gel à ultrasons entre eux, les morceaux de tissu adjacents s’alignent presque parfaitement et produisent ensemble un plan fascial simulé à l’échographie.
      REMARQUE : Chaque fantôme à ultrasons nécessite environ 0,7 kg de gel balistique. Le temps de refroidissement dépend de la taille de la couche de tissu et varie de 20 min à 1,5 h.
4. Ajout de sang simulé et scellement des vaisseaux
   1. Pour les couches de tissu avec des vaisseaux simulés, trempez un côté de la couche de tissu dans le gel balistique liquide et laissez-le refroidir, scellant ainsi un côté du canal vasculaire.
   2. Tenez ces couches de tissu à la verticale et utilisez une aiguille et une seringue pour introduire du sang simulé dans chaque vaisseau.
      REMARQUE : Nous avons utilisé de l’eau avec du colorant alimentaire rouge ou bleu pour représenter le sang artériel et veineux, respectivement.
   3. Utilisez du gel balistique encore liquide pour couvrir l’ouverture restante du récipient, scellant ainsi complètement chaque récipient rempli de liquide (figure 3D).
      REMARQUE : À ce stade, le protocole peut être mis en pause et redémarré plus tard ; Cependant, le gel balistique doit être fondu à nouveau pour passer à l’étape suivante.

4. Assemblage fantôme

1. Assemblage de couches de tissus, de nerfs et d’os
   REMARQUE : La figure 4A représente les composants individuels du fantôme du bloc nerveux médian immédiatement avant l’assemblage, y compris les couches de tissus, les nerfs simulés et les os simulés.
   1. Assemblez les fantômes en enrobant chaque composant de gel à ultrasons, en assemblant les composants comme le montrent les coupes transversales de la figure 2 et en les insérant dans leurs prismes rectangulaires respectifs en gel balistique (figure 4B). Placez correctement les os ou les nerfs de fil imprimés en 3D à cette étape.
2. Scellement des extrémités du fantôme
   1. Scellez les modèles en les trempant des deux côtés dans une casserole remplie de gel balistique liquide (Figure 4C). Répétez le processus de scellement plusieurs fois de chaque côté.
   2. Enfin, utilisez un pistolet thermique pour lisser les bords du fantôme, en éliminant les bulles et les imperfections, ainsi qu’en renforçant les joints latéraux.
3. Ajout de pseudo-skin (facultatif)
   REMARQUE : Une augmentation des modèles de plan fascial est l’ajout de pseudo-peau.
   1. Versez du gel balistique liquide sur un modèle scellé et refroidi, qui a été recouvert de gel à ultrasons pour éviter le recuit entre la couche de peau nouvellement versée et le modèle existant (Figure 4D et vidéo supplémentaire S1).

Figure 4 : Assemblage d’un fantôme d’échographie de bloc de nerf médian. (A) Composants individuels d’un fantôme de bloc de nerf médian désassemblé, y compris des couches de tissu de gel balistique, un radius et un cubitus imprimés en 3D, un nerf médian en fil immergé dans du gel à ultrasons, une bouteille de gel à ultrasons et une casserole remplie de gel balistique liquide. (B) Assemblage du fantôme du bloc nerveux médian, y compris l’insertion de couches de tissu et d’os simulés recouverts de gel à ultrasons. (C) Sceller une extrémité du fantôme en le plongeant dans une casserole de gel balistique liquide. (D) Création d’une couche de pseudo-peau en versant du gel balistique liquide sur un fantôme de bloc nerveux médian complet. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Résultats

Quatre fantômes à ultrasons ont été conçus et fabriqués avec succès à l’aide des méthodes décrites ci-dessus. La figure 5 montre une coupe transversale de chaque modèle alignée avec une échographie d’anatomie humaine équivalente. Sous échographie, ces fantômes fournissent des plans tissulaires réalistes, qui représentent les frontières entre les différentes couches de peau, de muscle et de fascia. Le tissu musculaire est échogène de manière appropriée et homogène...

Discussion

Ces fantômes personnalisés à base de gel balistique offrent aux stagiaires une formation de moyenne fidélité sur le bloc nerveux médien, fémoral, supra-inguinal, du plan iliaca et du plan antérieur dentelé pour une fraction du coût des fantômes de bloc nerveux disponibles dans le commerce (tableau 1). Nos premiers entraîneurs de bloc du nerf médian et du nerf fémoral ont été fabriqués en interne pour 12 % et 9 % du prix des entraîneurs de bloc du nerf médian et du bloc du nerf fémoral...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
ABS Filament - 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	Ballistic gel dye; https://humimic.com/product/amber-tone-dye/
Fusion 360	Autodesk (San Franciso, CA)		Computer-assisted design (CAD) software; https://www.autodesk.com/products/fusion-360/overview?term=1-YEAR&tab=subscription&plc=F360
Gelatin #1 - Medical Gel by the Pound	Humimic Medical (Greenville, SC)	852844007406	Ballistic gel; https://humimic.com/product/gelatin-1-medical-gelatin-by-the-pound/
Gluten-Free All-Purpose Flour	Arrowhead Mills (Hereford, TX)		Flour for echogenicity; 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 Pourable Silicone Rubber	Smooth-On (Macungie, PA)		Pourable silicone rubber; https://www.smooth-on.com/products/mold-star-16-fast/
Peach Tone Dye	Humimic Medical (Greenville, SC)	852844007895	Ballistic gel dye; https://humimic.com/product/peach-tone-dye/
PLA Filament - 1.75 mm	Hatchbox (Pomona, CA)		https://www.hatchbox3d.com/collections/pla-1-75mm
Prusa Original i3 MK3S+ printer	Prusa Research (Prague, Czech Republic)		3D printer; https://www.prusa3d.com/category/original-prusa-i3-mk3s/
Prusa Slicer 2.6.1	Prusa Research (Prague, Czech Republic)		3D printer slicer software; https://www.prusa3d.com/page/prusaslicer_424/
Wool-Ease Thick & Quick Yarn	Lion Brand Yarn (Lyndhurst, NJ)	640-610B	Yarn for simulated nerves; https://www.lionbrand.com/products/wool-ease-thick-and-quick-yarn?variant=32420963516509