Construindo Fantasmas de Gel Balístico Acessíveis, Duráveis e de Média Fidelidade para Treinamento de Bloqueio de Nervo Guiado por Ultrassom

Resumo

Aqui, demonstramos o design e a criação de quatro simuladores de ultrassom de gelatina balística personalizados para treinamento de anestesia regional guiada por ultrassom. Projetamos os fantasmas usando software de design auxiliado por computador, usamos modelos impressos em 3D para criar moldes de silicone e, em seguida, despejamos gel balístico derretido nos moldes para criar camadas de tecido personalizadas.

Resumo

Os simuladores de ultrassom - alternativas ao tecido humano vivo - dão aos alunos a oportunidade de praticar anestesia regional guiada por ultrassom sem introduzir riscos indevidos aos pacientes. Os simuladores à base de gelatina fornecem aos educadores treinadores de tarefas duráveis e reutilizáveis; no entanto, os simuladores à base de gel disponíveis comercialmente são caros. Aqui, investigamos a produção de simuladores de ultrassom duráveis, de baixo custo e baseados em gel balístico para bloqueios nervosos medianos, femorais, suprainguinais do plano da fáscia ilíaca e do plano serrátil anterior, bem como uma metodologia para produzir um simulador para qualquer procedimento de bloqueio nervoso guiado por ultrassom.

O software de desenho assistido por computador (CAD) foi utilizado para projetar quatro simuladores replicando a anatomia dos bloqueios nervosos mediano, femoral, suprainguinal do plano da fáscia ilíaca e do plano serrátil anterior, incluindo pontos de referência relevantes e planos de tecido. Modelos de plástico dos planos de tecido desejados foram impressos em 3D e usados para criar moldes de silicone. O gel balístico foi derretido e misturado com farinha e corante para criar um gel balístico líquido e ecogênico, que foi derramado nos moldes de silicone. Os vasos foram simulados criando espaço negativo no gel balístico usando hastes de metal. Os nervos foram simulados usando fios submersos em gel de ultrassom. Os ossos simulados foram projetados usando CAD e impressos em 3D.

O gel balístico é um meio versátil e durável que pode ser usado para simular uma variedade de tecidos e pode ser derretido e moldado em qualquer formato. Sob ultrassom, esses fantasmas fornecem planos de tecido realistas que representam as fronteiras entre diferentes camadas de pele, músculo e fáscia. A ecogenicidade das camadas de tecido muscular, nervos, vasos e ossos é realista, e os ossos têm sombreamento posterior significativo, como seria observado em um sujeito humano. Esses fantasmas custam US $ 200 cada para o primeiro fantasma e US $ 60 para cada fantasma subsequente. Esses fantasmas exigem alguma habilidade técnica para serem projetados, mas podem ser construídos por apenas 4% do custo de suas contrapartes comerciais.

Introdução

Os simuladores de ultrassom - alternativas ao tecido humano vivo - dão aos alunos a oportunidade de praticar procedimentos médicos, incluindo anestesia regional guiada por ultrassom (UGRA), sem introduzir riscos indevidos aos pacientes¹. Embora sejam mais comumente fabricados por meio de moldagem por injeção de borracha de silicone líquido, os simuladores personalizados podem ser caseiros usando materiais versáteis a um custo menor. Tecidos orgânicos como tofu, porco e carne bovina são baratos, mas estragam rapidamente e são difíceis de criar². O tecido cadavérico humano é ideal para precisão anatômica, mas é difícil e caro de obter e preservar¹. Mais recentemente, a realidade virtual tem sido usada para fornecer treinamento UGRA; no entanto, o feedback tátil é um componente-chave do aprendizado processual e raramente é implementado. Mesmo quando um modelo híbrido de hardware-software fornece alta fidelidade visual e feedback tátil, o hardware e o software necessários para realizar esse treinamento são frequentemente proibitivos em termos de custo³. Os simuladores à base de gelatina atingem um equilíbrio entre custo, longevidade e fidelidade².

Os modelos de gelatina balística estão disponíveis comercialmente, mas são caros para um recurso perecível que é altamente utilizado em centros de simulação médica. Simuladores de ultrassom pequenos, simples e baseados em gel com parênquima homogêneo e dois ou três vasos simulados são vendidos por centenas de dólares. Por exemplo, o bloco de treinamento básico de ultrassom CAE Blue Phantom custa mais de US$ 800⁴. Simuladores de alta fidelidade específicos para procedimentos individuais de bloqueio de nervos custam milhares de dólares. O modelo de treinamento de ultrassom de anestesia regional femoral CAE Blue Phantom custa US$ 5.000 (Tabela 1)⁵. Para reduzir os custos, os educadores experimentaram simuladores feitos sob medida usando gelatina ou outros materiais de baixo custo ou reutilizáveis ^6,7,8. Aditivos como farinha, amido de milho, grafite em pó e Metamucil podem ser usados para opacificar a gelatina e personalizar a ecogenicidade do simulador, aumentando assim sua fidelidade 8,9,10,11,12,13,14.

Tentativas anteriores de treinadores caseiros de bloqueio nervoso à base de gelatina foram incapazes de recriar adequadamente a aparência dos nervos sob ultrassom ou utilizaram itens perecíveis, limitando assim a vida útil^15,16. Mesmo sem essas desvantagens, as iterações anteriores não incluíam marcos anatômicos relevantes e planos fasciais que permitiriam aos estagiários praticar procedimentos específicos de bloqueio de nervos. Aqui, investigamos a produção de simuladores de ultrassom de gel balístico duráveis e de baixo custo para bloqueios nervosos medianos, femorais, suprainguinais do plano da fáscia ilíaca e do plano serrátil anterior, bem como uma metodologia para produzir um simulador para qualquer procedimento de bloqueio nervoso guiado por ultrassom.

Protocolo

Para este projeto, os autores JR e PS se voluntariaram como sujeitos de ultrassom, e o consentimento verbal foi obtido de ambos. Para aqueles que seguem este protocolo, obtenha a aprovação de um comitê de ética ou conselho de revisão institucional (IRB) antes de usar pacientes ou voluntários humanos como sujeitos do estudo.

1. Design fantasma e criação de moldes de silicone

1. Criação de uma imagem de ultrassom de referência
   1. Para cada simulador de ultrassom, peça a um médico com subespecialização em ultrassom e familiaridade com o procedimento de bloqueio de nervo que está sendo simulado pelo simulador desejado para criar uma imagem de ultrassom de referência de um sujeito humano voluntário (Figura 1). Certifique-se de que esta imagem de ultrassom tenha uma visão transversal ao plano nervoso ou tecidual aplicável no qual o anestésico seria injetado.
2. Projeto e impressão 3D de modelos de camadas de tecido
   1. Desenhe desenhos transversais de cada fantasma (Figura 2) e utilizam o desenho assistido por computador (CAD) para projetar modelos plásticos das camadas de tecido desejadas e um recipiente externo para a forma geral do simulador (Figura 3A, Arquivo Suplementar 1, Arquivo Suplementar 2, Arquivo Suplementar 3e Arquivo Suplementar 4).
      NOTA: Do ponto de vista do projeto, os blocos planos fasciais podem ser pensados como uma série de prismas bem ajustados dentro de um prisma retangular oco com paredes de 5 mm. Paredes com menos de 5 mm eram muito frágeis para uma produção confiável. Este prisma retangular serve como a camada mais externa do fantasma na qual as outras camadas de tecido são montadas e colocadas. O modelo do nervo mediano (mostrado em Figura 3 e Figura 4) usa um recipiente arqueado em vez de um prisma retangular para simular a forma de um braço humano.
      1. No software CAD, crie uma tela plana a partir de um ultrassom, tomografia computadorizada ou outra imagem alvo com dimensões conhecidas. Clique em Sólido | Inserir | Tela, selecione Arquivo, clique no plano XY, arraste para o espaço +X +Y e arraste para dimensionar de forma que o comprimento da imagem seja preciso para unidades conhecidas.
      2. Crie um prisma retangular sobre a região da imagem que contorna o modelo clicando em Sólido | Criar esboço | Plano XY | Ferramenta Retângulo de 2 pontos. Arraste o retângulo sobre a área e refine dentro das caixas de comprimento/largura quando fechar; pressione Enter; clique em Concluir esboço; clique no retângulo | Sólido | Extrusão; arraste o retângulo para a altura desejada e refine com a caixa de altura quando fechar; e pressione Enter.
         NOTA: Cada um de nossos modelos tem um comprimento e largura diferentes com base na anatomia que representam, mas normalmente descobrimos que ~ 100 mm é uma altura efetiva do modelo.
      3. Crie outro esboço na parte superior do prisma retangular clicando na parte superior do prisma retangular | Crie um esboço e desenhe a anatomia desejada, bem como a borda interna do prisma retangular envolvente, clicando em Esboço | Criar e esboçar | Modifique as caixas de ferramentas. Use a tela visível atrás do prisma para guiar o design; se a tela não for vista através do prisma retangular, altere isso em Configurações de exibição. Depois que o esboço que representa a seção transversal do modelo for criado, clique em Concluir esboço.
         NOTA: Não existe uma ferramenta ideal específica para desenhar a anatomia desejada e a borda interna do prisma envolvente. A etapa acima é o que foi usado neste protocolo.
      4. Em seguida, crie cada prisma interno a partir do esboço clicando na forma no esboço | Sólido | Extrusão; arraste a forma de volta para o prisma retangular no comprimento desejado, normalmente 5 mm a menos que o comprimento total do retângulo; e clique em Operação = Novo Corpo | Entre. Para visualizar este novo objeto, desative a visibilidade de todos os outros objetos clicando em Corpos | o símbolo de olho ao lado do nome do novo corpo.
         NOTA: Os vasos devem ser representados por orifícios circulares ou elípticos em forma de prisma projetados nas bordas ou centros dos corpos do plano fascial. Neste ponto, se você visualizar o modelo virtual em face da tela inicial, as peças individuais do modelo e como elas se encaixam podem ser visualizadas.
      5. Exporte cada corpo individualmente para impressão 3D clicando em Corpos | o símbolo do olho ao lado de cada corpo, exceto o que está sendo exportado; clique em Arquivo | Exportação | Tipo = arquivo .stl | Entre.
         NOTA: Agora você deve ter vários arquivos .stl, cada um representando um plano fascial ou osso exclusivo, bem como um arquivo .stl adicional representando a caixa delimitadora retangular na qual as peças do plano fascial se encaixarão.
   2. Abra o arquivo STL em um software slicer compatível com a impressora 3D que será usado para imprimir os modelos.
      1. Use o botão Colocar na face para colocar o modelo na mesa de forma que a parte inferior do modelo toque a mesa de impressão.
      2. Em Impressora, selecione a impressora. Em Configurações de impressão, selecione 0.20 mm SPEED e, em Filamento, selecione PLA genérico. Selecione 15-20% para Preenchimento, selecione Em todos os lugares no menu Suportes e adicione uma borda, se necessário, para estabilidade de impressão. Clique em Fatiar agora.
      3. Exporte o arquivo de código G para um cartão SD, conecte-o à impressora 3D e imprima o arquivo usando filamento de ácido polilático (PLA).
3. Criação de moldes de silicone
   1. Cole cada modelo impresso em 3D no fundo de um recipiente de plexiglass sem parte superior antes de submergi-lo em borracha de silicone de cura rápida de acordo com as diretrizes do fabricante¹⁷.
   2. Depois que o silicone estiver endurecido, remova o modelo de plástico rígido e a caixa de plexiglass, deixando um molde de silicone flexível, durável e reutilizável de cada camada de tecido e recipiente desejado no qual o gel balístico é derramado (Figura 3B).
      NOTA: Neste ponto, o protocolo pode ser pausado e reiniciado posteriormente.

Figura 1: Imagens de ultrassom representativas obtidas de um sujeito humano. Imagens representativas para os modelos de bloqueio nervoso da fáscia ilíaca suprainguinal (A), (B) femoral, (C) suprainguinal e (D) serrátil do plano anterior, obtidos de seres humanos voluntários. Abreviaturas: A = artéria; V = veia; M = nervo mediano; F = nervo femoral; RAD = raio; U = ulna; EIAI = espinha ilíaca ântero-inferior; R = costela; SART = músculo sartório; IL=Músculo ilíaco; IO = oblíquo interno; SA = músculo serrátil anterior; LD = músculo grande dorsal. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Esquemas transversais de simuladores de ultrassom de bloqueio nervoso. (A) mediana, (B) femoral, (C) plano da fáscia ilíaca suprainguinal e (D) objetos simuladores de ultrassom de bloqueio do nervo do plano anterior serrátil. Os esquemas foram projetados com base nas imagens representativas de ultrassom humano mostradas na Figura 1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Criação de componentes do simulador de bloqueio do nervo mediano. (A) Imagem representativa do arquivo de design auxiliado por computador usado para imprimir modelos plásticos de cada camada de tecido para o simulador de bloqueio do nervo mediano. (B) Moldes de silicone para cada camada de tecido do fantasma de bloqueio do nervo mediano, incluindo hastes de metal inseridas para criar vasos dentro do gel balístico. (C) Derramando gel balístico quente, líquido e tingido nos moldes de silicone. (D) Selar a extremidade aberta dos vasos simulados usando gel balístico líquido após os vasos terem sido preenchidos com sangue simulado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Criação de outros marcos fantasmas

1. Design e criação de ossos simulados
   1. Se a região do modelo projetado em CAD representar osso em vez de tecido mole, imprima em 3D uma imitação de osso usando as etapas acima, mas use filamento de acrilonitrila butadieno estireno (ABS).
      CUIDADO: Os vapores do filamento ABS podem conter compostos orgânicos voláteis (VOCs), que podem causar desconforto físico, como sonolência, irritação nos olhos ou no trato respiratório, náuseas e/ou dores de cabeça¹⁸. O ABS deve ser impresso em uma impressora 3D fechada ou em uma impressora não fechada em uma sala com boa ventilação e/ou filtragem de ar.
2. Criação de nervos simulados
   1. Mergulhe o fio 80% acrílico e 20% lã em um copo plástico cheio de gel ultrassônico. Coloque o copo em uma câmara de pressão de -1 atm.
   2. Use uma bomba de vácuo de estágio único para aumentar repetidamente e liberar a pressão na câmara até que todas as bolhas tenham sido removidas do gel de ultrassom, realizado após aproximadamente 4-6 ciclos.
      NOTA: Esta etapa ajuda a simular nervos. Neste ponto, o protocolo pode ser pausado e reiniciado posteriormente.

3. Derretimento e derramamento de gel balístico

1. Derretendo o gel balístico
   1. Aqueça o gel balístico e o corante disponíveis comercialmente a uma proporção de volume aproximada de 20:1 com agitação intermitente até que o líquido atinja 132 °C em um forno de convecção comercial.
      CUIDADO: O gel balístico líquido aquecido deve ser manuseado com cautela devido ao risco de queimaduras associadas ao manuseio de fluidos quentes. Use luvas de forno ao manusear panelas cheias de gel balístico líquido. Evite o contato direto entre a pele e o gel balístico líquido.
2. Aditivos para ecogenicidade
   1. Misture aproximadamente 4,5 g de farinha finamente granulada por kg de gel balístico no gel balístico líquido. Deixe o gel no forno por pelo menos 20 min com agitação intermitente para permitir uma mistura uniforme e permitir que as bolhas escapem.
   2. Adicione gel balístico transparente adicional ou corante conforme necessário para ajustar a cor da mistura para simular o tecido humano.
3. Gel balístico derramado em moldes de silicone
   1. Insira hastes de aço sólido de diâmetros variados nos locais designados nos moldes de silicone reutilizáveis, se apropriado para esse modelo específico de bloqueio de nervo, para criar canais nos simuladores de ultrassom finais, que representarão os vasos sanguíneos (Figura 3C).
   2. Despeje gel balístico líquido, agora colorido por corante, com partículas de farinha suspensas e sem bolhas de ar retidas, nos moldes de silicone e deixe esfriar.
   3. Após o resfriamento, remova as hastes de metal e as camadas finais de tecido de gel balístico dos moldes. Quando colocados juntos com um revestimento de gel de ultrassom entre eles, os pedaços de tecido adjacentes se alinham quase perfeitamente e juntos produzem um plano fascial simulado no ultrassom.
      NOTA: Cada simulador de ultrassom requer aproximadamente 0.7 kg de gel balístico. O tempo de resfriamento depende do tamanho da camada de tecido e varia de 20 min a 1,5 h.
4. Adição de sangue simulado e selamento de vasos
   1. Para as camadas de tecido com vasos simulados, mergulhe um lado da camada de tecido no gel balístico líquido e deixe-o esfriar, selando assim um lado do canal do vaso.
   2. Segure essas camadas de tecido na posição vertical e use uma agulha e uma seringa para introduzir sangue simulado em cada vaso.
      NOTA: Usamos água com corante alimentar vermelho ou azul para representar sangue arterial e venoso, respectivamente.
   3. Use gel balístico ainda líquido para cobrir a abertura restante do vaso, selando completamente cada vaso cheio de líquido (Figura 3D).
      NOTA: Neste ponto, o protocolo pode ser pausado e reiniciado posteriormente; no entanto, o gel balístico deve ser derretido novamente para prosseguir para a etapa seguinte.

4. Montagem fantasma

1. Montagem de camadas de tecido, nervos e ossos
   NOTA: A Figura 4A mostra os componentes individuais do simulador de bloqueio do nervo mediano imediatamente antes da montagem, incluindo as camadas de tecido, nervos simulados e ossos simulados.
   1. Monte os simuladores revestindo cada componente com gel de ultrassom, montando os componentes conforme mostrado pelas seções transversais na Figura 2 e inserindo-os em seus respectivos prismas retangulares de gel balístico (Figura 4B). Coloque quaisquer ossos ou nervos de fios impressos em 3D corretamente nesta etapa.
2. Selando as extremidades do fantasma
   1. Sele os modelos mergulhando-os em ambos os lados em uma panela cheia de gel balístico líquido (Figura 4C). Repita o processo de vedação várias vezes em cada lado.
   2. Por fim, use uma pistola de ar quente para alisar as bordas do fantasma, removendo bolhas e imperfeições, além de reforçar as vedações laterais.
3. Adição de pseudo-pele (opcional)
   NOTA: Um aumento para os modelos do plano fascial é a adição de pseudo-pele.
   1. Despeje gel balístico líquido sobre um modelo selado e resfriado, que foi coberto frouxamente com gel de ultrassom para evitar o recozimento entre a camada de pele recém-derramada e o modelo existente (Figura 4D e Vídeo Suplementar S1).

Figura 4: Montagem do simulador de ultrassom de bloqueio do nervo mediano. (A) Componentes individuais de um simulador de bloqueio do nervo mediano desmontado, incluindo camadas de tecido de gel balístico, rádio e ulna impressos em 3D, um nervo mediano de fio submerso em gel de ultrassom, um frasco de gel de ultrassom e uma panela cheia de gel balístico líquido. (B) Montagem do simulador de bloqueio do nervo mediano, incluindo a inserção de camadas de tecido e ossos simulados cobertos com gel de ultrassom. (C) Selar uma extremidade do fantasma mergulhando em uma panela de gel balístico líquido. (D) Criando uma camada de pseudo-pele derramando gel balístico líquido sobre um simulador de bloqueio do nervo mediano completo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Resultados

Quatro simuladores de ultrassom foram projetados e construídos com sucesso usando os métodos descritos acima. Uma seção transversal de ultrassom de cada modelo alinhada com um ultrassom de anatomia humana equivalente é mostrada na Figura 5. Sob ultrassom, esses fantasmas fornecem planos de tecido realistas, que representam as fronteiras entre diferentes camadas de pele, músculo e fáscia. O tecido muscular é apropriada e homogeneamente ecogênico. Essa ecogenicidade pode ser ajustada ...

Discussão

Esses simuladores personalizados baseados em gel balístico fornecem aos estagiários treinamento de bloqueio de nervos mediano, femoral, suprainguinal de média fidelidade no plano da fáscia ilíaca e serrátil do plano anterior por uma fração do custo dos simuladores de bloqueio de nervos disponíveis comercialmente (Tabela 1). Nossos primeiros treinadores de bloqueio dos nervos mediano e femoral foram feitos internamente por 12% e 9% do preço dos treinadores de bloqueio dos nervos mediano e femora...

Materiais

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