Создание недорогих, прочных, баллистических гелевых фантомов средней точности для тренировки блокады нервов под ультразвуковым контролем

Резюме

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.

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 ограничивало^срок 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

1. Создание референсного ультразвукового изображения
   1. 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.
2. Проектирование и 3D-печать моделей слоев тканей
   1. 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.
      1. 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.
      2. 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.
      3. 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.
      4. 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.
      5. 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.
   2. Откройте файл STL в программном обеспечении для слайсера, совместимом с 3D-принтером, который будет использоваться для печати моделей.
      1. С помощью кнопки «Поместить на лицевой стороне» положите модель на стол так, чтобы нижняя часть модели касалась стола для печати.
      2. 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.
      3. Экспортируйте файл G-кода на SD-карту, подключите его к 3D-принтеру и распечатайте файл, используя филамент полимолочной кислоты (PLA).
3. Создание силиконовых форм
   1. 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.
   2. 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

1. Проектирование и создание симуляции костей
   1. 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.
2. Симуляция создания нерва
   1. Погрузите 80% акриловой, 20% шерстяной пряжи в пластиковый стаканчик, наполненный гелем для ультразвука. Поместите чашку в барокамеру с температурой -1 атм.
   2. 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

1. Расплавление баллистического геля
   1. 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.
2. Добавки для эхогенности
   1. 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.
   2. При необходимости добавьте дополнительный прозрачный баллистический гель или краситель, чтобы отрегулировать цвет смеси для имитации человеческих тканей.
3. Заливка баллистического геля в силиконовые формы
   1. 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).
   2. Налейте жидкий баллистический гель, теперь окрашенный красителем, со взвешенными частицами муки и без задержания пузырьков воздуха, в силиконовые формы и дайте ему остыть.
   3. 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.
4. Добавление симулированной крови и пломбирование сосудов
   1. 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.
   2. 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.
   3. 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

1. 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.
   1. 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.
2. Герметизация концов фантома
   1. Запечатайте модели, опустив их с обеих сторон в кастрюлю, наполненную жидким баллистическим гелем (рисунок 4C). Повторите процесс запечатывания несколько раз с каждой стороны.
   2. Наконец, используйте термофен, чтобы сгладить края фантома, удалив пузыри и дефекты, а также укрепив боковые уплотнители.
3. Добавление псевдо-скина (опционально)
   ПРИМЕЧАНИЕ: Дополнением к моделям фасциальной плоскости является добавление псевдокожи.
   1. 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 ф...

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...

Материалы

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