Criação de um treinador de tarefas de colocação de linha de alta fidelidade, de baixo custo e intraosseous via impressão 3D

Resumo

Descrevemos um procedimento para processar tomografia computadorizada (TC) em treinadores de tarefas processuais de alta fidelidade, recuperáveis e de baixo custo. Os processos de identificação da tomografia computadorizada, exportação, segmentação, modelagem e impressão 3D são descritos, juntamente com as questões e lições aprendidas no processo.

Resumo

A descrição dos treinadores de tarefas processuais inclui seu uso como ferramenta de treinamento para aprimorar habilidades técnicas através da repetição e ensaio de procedimentos em um ambiente seguro antes de finalmente realizar o procedimento em um paciente. Muitos treinadores de tarefas processuais disponíveis até o momento sofrem de várias desvantagens, incluindo anatomia irrealista e a tendência de desenvolver "marcos" criados pelo usuário depois que o tecido do treinador sofre repetidas manipulações, potencialmente levando ao desenvolvimento inadequado de habilidades psicomotoras. Para amenizar essas desvantagens, foi criado um processo para produzir um treinador de tarefas processuais de alta fidelidade, criado a partir da anatomia obtida a partir de tomografia computadorizada (TC), que utilizam tecnologia de impressão tridimensional onipresente (3D) e suprimentos de commodities fora da prateleira.

Este método inclui a criação de um molde de tecido impresso em 3D capturando a estrutura tecidual em torno do elemento esquelético de interesse para encar a estrutura esquelética óssea suspensa dentro do tecido, que também é impressa em 3D. Uma mistura de tecido médio, que aproxima o tecido tanto na geometria de alta fidelidade quanto na densidade tecidual, é então derramada em um molde e permitida a definir. Depois que um treinador de tarefas tem sido usado para praticar um procedimento, como a colocação de linha intraosseosa, os meios de tecido, moldes e ossos são recuperáveis e podem ser reutilizados para criar um novo treinador de tarefas, livre de locais de punção e defeitos de manipulação, para uso em sessões de treinamento subsequentes.

Introdução

A competência do cuidado do paciente das habilidades processuais é um componente fundamental para o desenvolvimento de estagiários em ambientes civis e militares de saúde ^1,2. O desenvolvimento de habilidades processuais é particularmente importante para especialidades intensivas em procedimentos, como anestesiologia³ e pessoal médico de linha de frente. Os treinadores de tarefas podem ser usados para ensaiar inúmeros procedimentos com níveis de habilidade que vão desde os de um estudante de medicina do primeiro ano ou técnico médico até um residente sênior ou um colega. Embora muitos procedimentos médicos exijam treinamento significativo para serem concluídos, a tarefa aqui apresentada de uma linha interosseous (IO) é simples e requer menos habilidade técnica. A colocação bem sucedida de uma linha IO pode ser realizada após um período relativamente curto de treinamento. O uso de simulação durante o treinamento médico, que inclui o uso de treinadores de tarefas, é reconhecido como uma ferramenta para obter habilidades processuais técnicas através da repetição e do ensaio de um procedimento clínico em um ambiente seguro e de baixo estresse, antes de finalmente realizar o procedimento em pacientes ^2,4,5.

Compreensivelmente, o treinamento de simulação em ambientes de educação médica tornou-se amplamente aceito e parece ser um pilar, apesar da escassez de dados sobre qualquer impacto nos resultados^dos pacientes ^6,7. Além disso, publicações recentes demonstram que a simulação melhora o desempenho da equipe e os resultados dos pacientes como resultado de uma melhor dinâmica da equipe e da tomada de decisões. Ainda assim, há poucos dados que sugerem que a simulação melhora o tempo ou a taxa de sucesso para realizar procedimentos críticos e que salvam vidas ^8,9, sugerindo que a simulação é complexa e multifacetada na formação de prestadores de cuidados de saúde. Em pacientes onde o acesso intravenoso padrão não é possível ou indicado, a colocação da linha IO pode ser usada para obter acesso vascular rapidamente, exigindo habilidade mínima. O desempenho oportuno e bem sucedido deste procedimento é fundamental, particularmente no ambiente perioperatório ou em um cenário de trauma 10,11,12. Como a colocação da linha IO é um procedimento pouco realizado na área perioperatória e pode ser um procedimento que salva vidas, o treinamento em um ambiente não clínico é fundamental. Um treinador de tarefas anatomicamente preciso específico para a colocação da linha IO é uma ferramenta ideal para oferecer uma frequência de treinamento previsível e desenvolvimento de habilidades para este procedimento.

Embora amplamente utilizados, os treinadores de tarefas comerciais atualmente disponíveis sofrem de várias desvantagens significativas. Primeiro, os treinadores de tarefas que permitem múltiplas tentativas de um procedimento são caros, não apenas para a compra inicial do treinador de tarefas, mas também para repor as partes substituíveis, como manchas de pele de silicone. O resultado é muitas vezes peças raramente substituídas, deixando marcos proeminentes que proporcionam ao estagiário uma experiência de treinamento subótimo; os pacientes não virão pré-marcados onde se deve fazer o procedimento. Outra desvantagem é que o alto custo dos treinadores de tarefas tradicionais pode resultar em acesso limitado pelos usuários quando os dispositivos estão "bloqueados" em locais de armazenamento protegidos para evitar perdas ou danos aos dispositivos. O resultado é exigir um tempo de treino programado mais rigoroso e menos disponível, limitando seu uso pode certamente dificultar o treinamento não programado. Finalmente, a maioria dos treinadores são considerados de baixa fidelidade ^5,13,14 e usam apenas anatomia representativa, potencialmente levando ao desenvolvimento inadequado de habilidades psicomotoras ou cicatrizes de treinamento. Treinadores de baixa fidelidade também dificultam muito a avaliação completa da aquisição de habilidades, domínio e degradação, pois o treinamento em um dispositivo de baixa fidelidade pode não imitar adequadamente o procedimento real do mundo real.

A anatomia representativa também impede a avaliação adequada da aquisição e domínio das habilidades psicomotoras. Além disso, avaliar a transferência de habilidades psicomotoras entre ambientes médicos simulados para o atendimento ao paciente torna-se quase impossível se algumas das habilidades psicomotoras não se refletirem na tarefa clínica. Isso resulta na prevenção de consensos sobre a capacidade de simulação e treinamento médico para afetar os resultados dos pacientes. Para superar os desafios de custo, precisão anatômica e acesso, desenvolvemos um treinador de tarefas de linha IO de baixo custo e alta fidelidade. O treinador de tarefas é projetado a partir da tomografia computadorizada real do paciente, resultando em anatomia precisa (Figura 1). Os materiais utilizados são onipresentes e fáceis de obter, com componentes relativamente fáceis de recuperar. Comparado com muitos outros treinadores disponíveis comercialmente, o modesto custo do projeto do treinador de tarefas descrito aqui reduz drasticamente o desejo de sequestrar os treinadores em um local menos acessível e protegido e torna possível múltiplas repetições sem liderar marcos.

Protocolo

NOTA: O Conselho de Revisão Institucional do Centro Médico da Universidade de Nebraska determinou que nosso estudo não constituía pesquisa de seres humanos. O IRB local obteve aprovação ética e dispensa de consentimento informado. A anonimização completa dos dados de imagem foi feita antes da análise do protocolo de desidentificação hospitalar.

1. Dados

1. Obtenha uma tomografia captando a anatomia de interesse para o treinador de tarefas planejado. Tenha cuidado para levar em consideração as limitações de volume de trabalho da impressora 3D utilizada e os marcos necessários para as etapas processuais.
2. Se a varredura for obtida em um formato dicom (Imagem Digital e Comunicações em Medicina), converta-se em uma Iniciativa de Tecnologia de Informática de Neuroimagem (NiFTi)¹⁵ (.nii).

2. Segmentação

1. Use o software 3D Slicer (http://www.slicer.org) para segmentar as imagens CT. Importe o arquivo NIfTi do passo 1.2 para o Cortador 3D.
2. Selecione o módulo Editor de Segmentos para gerar os segmentos necessários para modelar o treinador.
   1. Adicione um segmento para o 1) Osso e 2) Componentes de tecido do treinador de tarefas.
      NOTA: O desenvolvimento de alguns treinadores, como os utilizados para treinar a inserção de tubos torácicos, pode exigir segmentos adicionais.
   2. Selecione o segmento 1) Osso. Usando o Efeito Limiar , altere o intervalo de intensidade até que a faixa de "janela" definida identifique o componente ósseo de interesse.
      NOTA: Para segmentos ósseos, a faixa usual é entre 100 e 175 HU (Hounsfield Units) ao valor máximo disponível e para tecido, que normalmente é de -256 HU ao máximo disponível.
   3. Use a função Limiar para destacar o componente 1) Osso e aplicá-lo à varredura usando o comando Aplicar .
   4. Use a função Tesoura para remover todas as áreas da varredura não necessárias para criar o treinador de tarefas. Use os cuidados para garantir que o espaço da medula óssea permaneça oco para os treinadores de IO.
      NOTA: Esta etapa é a primeira redução do segmento de interesse para as dimensões desejadas do treinador. As limitações de volume de construção da impressora 3D a ser utilizada devem ser consideradas aqui; no entanto, o segmento pode ser ainda mais reduzido na seção 3.
3. Repetir as etapas 2.2.1-2.2.4 para o componente 2) Tecido.
4. Utilizando o módulo Segmentações ; exportar cada componente como um arquivo STL.

Modelagem .3D 3

1. Use o AutoDesk Meshmixer para cortar ainda mais os segmentos 3D e reduzir a resolução de cada segmento, em termos do número de elementos geométricos, para um ótimo desempenho dentro do Fusion360.
   1. Confirme se os arquivos STL importados têm a orientação normal do triângulo correto. Certifique-se de que os normais de cada triângulo apontam na direção da superfície externa da malha. Se a orientação do triângulo estiver incorreta, gire o triângulo normal realizando o Select | Modificar | Selecione Todas as funções e, em seguida, selecionar | Editar | Função Flip Normals .
   2. Eliminar estruturas indesejadas (por exemplo, segmentos indesejados de tecido ou vasculatura capturados pelo CT devido ao uso de contraste) dos Segmentos STL importados, e refinar os modelos necessários para criar o treinador de tarefas. Para refinar o modelo removendo estruturas indesejadas dentro dos segmentos que podem ter sido inadvertidamente incluídos dentro da faixa de limiar do segmento exportado, use a operação Select , selecione os triângulos nas estruturas indesejadas e, em seguida, Edite | Descarte.
   3. Após 3.1.2, use o Edit | Ferramenta de corte de plano para cortar o modelo para caber dentro dos limites do volume de construção da impressora 3D. Para reduzir a sobrecarga computacional incorrida devido à resolução geométrica excessiva, reduza o número de triângulos usados para definir o modelo para permitir um desempenho ideal no Fusion360. Clique em Selecionar, clique duas vezes em qualquer lugar da malha para selecionar toda a malha e, em seguida, editar | Reduza. Para reduzir a meta, reduza para um Orçamento de Triângulo de aproximadamente 10.000 faces.
      NOTA: A impressora atualmente utilizada pelos autores tem um volume máximo de construção de 250 x 210 x 210 mm; assim, o modelo foi cortado para um comprimento máximo de eixo longo de 220-230 mm para permitir que o molde se encaixasse dentro do volume de construção da impressora. O volume de construção da impressora deve ditar o comprimento do eixo longo, tornando o modelo aproximadamente 20-30 mm mais curto. A geometria pode ser facilmente reduzida a triângulos de ~10K sem perda de detalhes clinicamente relevantes para desenvolver treinadores de tarefas de alta fidelidade.
   4. Eliminar ou reduzir furos e irregularidades de superfície usando a ferramenta Selecionar . Uma vez selecionados os triângulos da malha ao redor do defeito, use o comando Selecionar | Editar| Apagar&Encher para melhorar buracos e irregularidades na superfície. Exporte e salve os modelos acabados usando o tipo de arquivo STL.
      NOTA: A superfície externa do osso alvo para os treinadores de tarefas de linha interosseos requer fechamento completo; caso contrário, a mídia de tecido derretido entrará no espaço da medula e degradará o desempenho do treinador de tarefas.
2. Use o AutoDesk Fusion360 e importe os modelos de osso e tecido adicionando o . Arquivos STL no espaço de trabalho como uma malha usando o Insert | Insira o comando Mesh .
   1. Converta as malhas importadas em sólidos BRep desativando a linha do tempo fusion360 e reduzindo o número de triângulos na malha alvo para <10.000.Selecione o Corpo de Malha importado e clique com o botão direito do mouse. Escolha a opção Malhação para BRep . Depois que as malhas forem convertidas em sólidos BReps, retome a linha do tempo do Fusion360.
   2. Modifique o sólido para criar o molde do Task Trainer dividindo o sólido retangular ao longo do eixo longo do BRep de tecido.
      NOTA: O molde é criado ao redor do Tecido BRep usando o recurso de esboço para construir um cubo ou sólido retangular que engloba o sólido tecido. O tamanho do molde deve ser modificado para atender ao volume máximo de construção da impressora 3D selecionada. Como o molde é dividido em dois, a dimensão mais longa impressa pode não ser a maior dimensão do molde final à medida que eles são unidos.
   3. Selecione 2-3 locais para pinos de suporte e coloque os componentes do grupo de montagem pré-projetados para corrigir os ossos do treinador de tarefas. Certifique-se de que os locais selecionados para os pinos de suporte tenham uma ampla estrutura de suporte no osso ao redor da cabeça do pino.
      NOTA: O osso ao redor da cabeça do pino selecionado não precisa ser perfeitamente uniforme, pois o grupo de montagem também contém uma estrutura de suporte cilíndrico sólido, que será fundida com o osso. Esta estrutura suporta adequadamente a cabeça do pino e preserva a colocação anatômica correta dos ossos dentro da mídia tecidual.
   4. Importe e posicione um plugue ósseo no espaço de medula aberta do BRep ósseo para evitar que a mídia tecidual entre no espaço da medula, e evite que a medula óssea simulada se escorra.
   5. Gerar uma abertura (tipicamente de 4-6 cm de diâmetro) através dos moldes no espaço representado pelo sólido Tissue BRep para permitir despejar a mídia de tecido líquido no molde.
   6. Uma vez que os componentes dos grupos de montagem pré-projetados estejam posicionados para fixar os ossos no espaço, execute as funções Boolean Combine para adicionar ou cortar os vários grupos de montagem nos modelos.
      1. Realize um espelho dos objetos antes do passo 3.2.6 para fazer o treinador de tarefas para o lado ipsilateral. Repetição de passos 3.2.3-3.2.5 antes de 3.2.6.
   7. Exporte os componentes finais para impressão. Selecione o corpo desejado dentro do espaço de trabalho e gere um arquivo STL através de | Salve como STL.

Impressão .3D 4

1. Usando Simplificar 3D, posicione o arquivo STL na cama da impressora 3D para que o programa de corte possa gerar o GCODE necessário para imprimir o item. Imprima os componentes com filamento de mídia de impressora 3D de ácido poli-láctico (PLA) usando um bocal de 0,4 mm a uma temperatura de extremidade quente de 210 °C. Certifique-se de que as configurações utilizam 4 camadas superiores e inferiores e 3 projéteis de perímetro.
2. Oriente os ossos verticalmente para minimizar o material de suporte necessário dentro da cavidade da medula. Imprima usando uma jangada, 0,2 mm de altura de camada, 20% de enchimento e material de suporte completo (da cama de impressão e dentro da impressão). Ao imprimir os moldes teciduais, oriente os componentes do molde com a superfície do tecido voltada para cima. Imprima os moldes de tecido sem uma jangada, 0,3 mm de altura de camada, 15% de enchimento e material de suporte total.
3. Organize os pinos de suporte e outros componentes para minimizar o suporte de impressão de material todas as peças de suporte do pino com uma jangada, altura de camada de 0,2 mm e 20% de enchimento. Imprima os componentes rosqueados sem material de suporte a uma velocidade reduzida, para maximizar a fidelidade das estruturas do segmento.
4. Uma vez selecionados os parâmetros de cada componente, prepare e exporte o arquivo GCODE gerado por Simplificar 3D para um cartão SD. Usando um Prusa i3 MK3, selecione o arquivo GCODE salvo do cartão SD e imprima com filamento de mídia de impressora PLA 3D de 1,75mm.

5. Montagem

1. Prepare o meio de tecido.
   NOTA: O nível atual de domínio da habilidade do estagiário pode ditar se é necessário meio de tecido opaco ou transparente. O meio transparente permite que o estagiário acompanhe visualmente seu progresso durante a inserção de IO e identifique mais facilmente marcos ósseos, enquanto o meio opaco simula melhor a experiência clínica real.
   1. Meça os seguintes componentes a serem usados para criar a mídia tecidual e reserve (essas quantidades podem ser dimensionadas conforme necessário) 260 g de gelatina não inflamada; se necessário, 140 g de fibra finamente moída da casca de psílio, sabor laranja, sem açúcar (omitir esta etapa para criar um meio transparente); 42 g de 4% c/v clorexidina.
      NOTA: A fibra da casca de psílio pode ser usada para fazer um meio opaco. Este componente deve ser adicionado imediatamente após a gelatina se um meio opaco for desejado¹⁶.
   2. Aqueça 1000 mL de água (a torneira é aceitável) a 85 °C.Adicione a água a um recipiente de mistura várias vezes maior que o volume de ingredientes, como um balde de 18,9 L.
      1. Ao misturar vigorosamente a solução média tecidual, adicione a gelatina, a fibra da casca do psílio e a solução de clorexidina à água, em ordem, e espere antes de adicionar o próximo ingrediente após a anterior ser incorporada.
         NOTA: Não adicione fibra de casca de psílio se tornar meio transparente.
   3. Aqueça a mistura em um banho de água de 71 °C por um mínimo de 4h para permitir que as bolhas se dissipem da solução. Coloque o recipiente de mistura diretamente no banho de água quente ou transfira a mistura para um recipiente separado, como sacos de armazenamento plástico.
   4. Prepare o meio de tecido para derramar no molde montado. Certifique-se de que a mistura é homogênea e fluida. Mantenha a temperatura da mistura a 46 °C.
      NOTA: Se o meio de tecido não for imediatamente necessário, ele pode ser armazenado a 4 °C ou -20 °C dentro de um recipiente de armazenamento até que seja necessário.
2. Prepare a solução simulada de medula óssea.
   NOTA: A solução simulada de medula óssea pode ser preparada com antecedência e armazenada em um recipiente coberto à temperatura ambiente até estar pronta para uso.
   1. Meça e misture completamente 100 g de água fria (a torneira está bem); 100 g de gel de ultrassom; e 5 mL de coloração de alimentos vermelhos (opcional, usado para melhorar a simulação). Certifique-se de que o produto final é espesso, mas fluido o suficiente para transferir rapidamente.
3. Fixar o osso na parte inferior do molde e montar o molde.
   1. Pulverize cada lado das superfícies internas do molde com um agente de liberação não à base de silicone, como spray de cozimento antiaderente. Fixar o osso usando os pinos de suporte para manter a posição correta dentro do espaço do tecido. Fixar os ossos/pinos na parte inferior do molde.
   2. Alinhe a parte superior do molde até a parte inferior e segure as duas metades do molde juntas. Verifique se o plugue ósseo está em posição para evitar que o meio tecido entre no espaço da medula durante o derramamento.
4. Posicione o molde de tal forma que a abertura esteja voltada para cima e despeje o meio de tecido de 46 °C na cavidade do molde. Remediar qualquer vazamento do meio de tecido do molde usando um recipiente de espanador de ar invertido, pulverizando diretamente o meio de tecido quente com o recipiente para esfriá-lo rapidamente. Transfira o molde preenchido para uma geladeira de 4 °C por um mínimo de 6h, ou até que o meio de tecido esteja definido.
5. Desmonte o molde e remova o treinador de tarefas e os pinos de suporte. Retire o plugue ósseo, encha o espaço da medula com 'medula óssea' simulada criada em 5.2 e substitua o plugue ósseo. Coloque os treinadores de tarefas em um saco de armazenamento plástico e armazene o conjunto a 4 °C ou -20 °C até que seja necessário para o treinamento.

6. Treinamento de tarefas

1. Remova o treinador de tarefas do armazenamento e permita que ele atinja a temperatura ambiente. Se ainda não estiver no lugar, adicione material simulado de medula óssea a partir da etapa 5,2 por instrução em 5,5.
   NOTA: Permitir que o treinador aqueça à temperatura ambiente melhora a experiência de simulação.
2. Realize o treinamento nos treinadores de tarefas. Instrua os estagiários a colocar agulhas IO (Figura 2A) e aspirar medula óssea simulada (Figura 2B) de acordo com os passos habituais da colocação da linha IO.
3. Após o treinamento, desmonte os treinadores de tarefas para recuperar tecidos, o meio e os ossos.
   NOTA: Após a manipulação, os ossos do treinador IO terão orifícios criados pela inserção da cânula da linha IO. Esses orifícios podem ser preenchidos com PLA usando uma caneta de impressora 3D portátil, ou alternadamente os ossos podem ser descartados.
4. Remonte e reutilize materiais recuperados para treinamento subsequente conforme a seção 5.Alternativamente, derreta o meio do tecido para baixo, recupere por 5,1,4 e armazene a 4 °C ou -20 °C, se não for imediatamente necessário.

Resultados

Seguindo o protocolo, a modelagem do treinador utilizou uma tomografia computadorizada de um paciente desidentificado. A segmentação das imagens CT utilizava o software 3D Slicer e o Auto Meshmixer para modelagem 3D. Para impressão 3D, foram utilizados tanto o 3D Simplify quanto o Prusa i3 MK3 (Figura 1). Posteriormente, concluímos a montagem das peças impressas em 3D, preparamos a mistura de mídia tecidual e despejamos a mistura de mídia no molde montado do treinador de tarefas. Apó...

Discussão

Neste protocolo, detalhamos o processo de desenvolvimento de um treinador de tarefas 3D para treinar o procedimento pouco realizado e que salva vidas da colocação da linha IO. Este protocolo autoguiado usa impressão 3D para produzir a maior parte das estruturas do modelo, enquanto o restante dos componentes utilizados para montar o treinador de tarefas são onipresentes, facilmente obtidos e materiais não tóxicos que podem ser recuperados e reutilizados. O treinador de tarefas 3D é de baixo custo e requer experiên...

Materiais

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