开胸模拟3D打印材料的开发与应用

摘要

医学模拟是一种广泛使用的训练方式，对于技术上困难或罕见的程序尤其有用。近年来，用于教育目的的模拟的使用急剧增加，大多数紧急医学(EM)项目主要使用基于人体模型的模拟来教医学生和住院医生。作为一种替代使用人体模型的方法，我们建立了一个3D打印模型来进行侵入性手术。重复的模拟可能有助于进一步提高执行急诊(ED)开胸手术的舒适度，特别是，也许这可以推断为所有的侵入性手术。利用该模型，在市中心教学医院对急诊住院医师进行了模拟培训，显示了提高自信心的效果。共有21名居民参与了三次调查[(1)最初，(2)观看教育视频后，(3)参与模拟后]。在观看教育视频后，他们的舒适水平比基线水平有所提高(9.5%)。在进行模拟操作后，舒适度比基线水平进一步提高(71.4%)。

1.背景

医学模拟是一种广泛使用的训练方式，特别是对于那些在实践中很难或很少见到的程序。在美国，大多数急诊住院医师项目都在课程中使用某种医学模拟。近年来，模拟在教育中的使用有所增加，大多数EM项目主要使用基于人体模型的模拟来教医学生和住院医生。模拟培训不仅对住院医师的教育做出了重大贡献，而且对其他卫生保健专业人员的教育也做出了重大贡献[1- - - - - -10］．模拟程序有助于提高医疗保健提供者的舒适度和能力，以应对未来的实时接触，帮助加强通过重复实践开发的循序渐进的程序技能，并减少焦虑和并发症率，最终导致更好的患者结果[11- - - - - -18］．Bohnen等人最近的一项研究表明，使用高保真假人ED开胸术提高了手术学员的自信心[19］．

住院医师通常通过使用尸体来进行急诊开胸手术。虽然作为一种辅助教学模式是有效的，但尸体并不容易获得，而且价格昂贵。另一种实践ED开胸的方法是通过自制的模型，这代表了开胸实践的更理想的环境。这种理想的设置包括器官和身体部位在适当的位置。这些身体部位包括心脏、肺、隔膜、膈神经、食道、肋骨、肋间肌肉、血管和皮肤。这个3D打印模型包含了大部分这些部件，并为医生提供了一种替代的、廉价的方法来获得ED开胸手术的实践。通过增加使用模拟练习程序的频率，可以假设总体舒适度和能力水平将随着时间的推移而增加。

2.材料和方法

研究背景:该研究是在一个城市EM居民项目中进行的，共有24名居民，在每周的会议日中预留模拟。在研究之前，参与者被简要地介绍了研究计划，其中包括紧急开胸的简要描述，然后是测试前调查，然后观看选定的ED开胸视频(https://www.thecgroup.com)，该视频在高保真模拟人体模型上一步一步地演示了ED开胸。在视频演示后，参与者完成了第二次调查。最后，他们在一名主治医生的监督下参与了手把手的ED开胸手术，随后进行了第三次调查。

研究模型:从计算机断层扫描(CT)获得的匿名图像创建了一个由5个椎骨、10根肋骨和一个胸骨组成的模型。CT图像使用Slicer和MeshMixer转换成3D打印文件，并使用TinkerCAD和MakerBot软件进一步修改。这些文件随后在MakerBot Replicator+ 3D打印机上打印出来。只有骨结构是用3D打印机制作的。其他项目是商业收购和补充模型。然后，这些模型被一个定制的重新用途的缝合板覆盖，包括三层皮肤、皮下组织和肌肉，以增加相似度。使用3D打印的肋骨、椎骨和胸骨模型以及代表食道和主动脉的塑料管进行了模拟训练。此外，使用手套和薄橡胶作为膈神经模拟心包和膈神经(图1和2）.

研究参与者:内城某教学医院所有急诊住院医师均被要求自愿参加模拟训练。获得有关院校覆检委员会(IRB)的豁免书。在模拟前，参与者被要求完成一份测试前问卷。第二份问卷是在他们观看了一段使用高保真人体模型进行ED开胸手术的教学视频后发给他们的。最后，在参加了3D打印模型的模拟训练课程后，在一名主治急诊医生的监督下进行了第三次问卷调查。所有的问卷都是匿名的，没有参与者的身份信息。调查问卷包括手术过程、自信心、解剖学知识和识别重要结构的能力。舒适的定义是，如果他们必须执行程序或识别结构，或将能够毫不犹豫地做它或事后猜测。根据名字的字母顺序给居民分配了一个号码。这个数字在每个调查问卷上都显示出来，以确定住院医师的培训水平。 Questionnaires 1, 2, and 3 represent the individual questionnaires (supplements1-3.）.数据1和2表示模拟套件的各个组件。

3.调查过程

在完成模拟训练并收集问卷后，采用视觉模拟量表(1-10)比较观看所选视频前后和参加模拟训练后的舒适度。此外，还比较了参加模拟实验前后左胸腔解剖结构识别能力的高低。评估不同文化程度住院医师的舒适度及训练后舒适度改善率。从问卷中收集回答，并将其转移到Excel中的模拟数据集。进行描述性统计。

4.结果

共有21名居民参与了三次调查。第一年有8名住院医生(38.1%)，第二年有9名住院医生(42.9%)，第三年有4名住院医生(19%)。在这21名患者中，只有1名住院医师(4.8%)过去曾做过ED开胸手术，5名住院医师(23.8%)曾参与该手术，8名住院医师(38.1%)曾观察该手术。17名住院医师(80.9%)曾观看过急诊开胸手术的视频。所有住院医师均报告对开胸手术相关的胸腔主要脏器有所了解。舒适度分为1-4(低)、5-7(中等)、8-10(高)三类。当被要求在视频演示和模拟操作之前表明他们在操作过程中的初始舒适度时，15名居民(71.4%)报告低置信水平，5名居民(23.8%)报告中等置信水平，1名居民(4.8%)报告高置信水平。此外，在识别胸内结构方面，6名居民(28.6%)表示低置信，12名居民(57.1%)表示中等置信，3名居民(14.3%)表示高置信。在观看了一段关于ED开胸手术的教育视频后，10名住院医师(47.6%)报告置信度低，9名住院医师(42.9%)报告置信度中等，2名住院医师(9.5%)报告置信度高。在使用3D打印模型参与ED开胸模拟手术后，11名住院医师(52.4%)报告中度置信度，10名住院医师(47.6%)报告高度置信度。 After performing a thoracotomy using the 3D printed model, 6 residents (28.6%) reported moderate comfort level and 15 residents (71.4%) reported high confidence level if they were to perform the procedure in the future. The results of the study are summarized in Tables1(一)和1(b)。

5.讨论

侵入性手术是急诊科病人护理中不可分割的一部分，同时也被用作诊断和治疗工具。有些手术经常进行，有些则很少进行，这取决于医院的名称(一级或二级)和医院的位置(城市或农村)。对手术步骤的熟悉和以往的经验对病人的预后和减少并发症有很大的价值。经验来自于频繁的手术操作和遇到困难和并发症之后。有些程序很少执行，因此知识和能力主要是通过使用替代模拟方法的实践，如动物、尸体、视频或基于人体模型的模拟。每种选择都有优点和缺点。尸体(特别是新鲜冷冻的尸体)和动物代表了器官和结构的最佳解剖代表，但非常昂贵，只能使用一次。基于视频的模拟缺乏实际操作经验，通常由经验丰富的医生执行，演示过程中的每个器官都已经系统地确定，并对每个步骤进行解释和执行，没有并发症。虽然提供了信息，但这种方法使过程看起来比实际更容易执行。基于人体模型的模拟允许频繁的实践，但取决于模拟过程的类型是昂贵的[6，9，10，12，20.- - - - - -24］．

针对不同专业和培训水平的医疗保健提供者以及医科学生进行了多项研究，以评估模拟在执行侵入性手术中的作用。基于模拟的实践允许医生在模拟中从他们潜在的致命错误中学习，这可能发生在真实场景中[13，14，25- - - - - -27］．基于模拟的练习已被证明可以提高程序技能，降低焦虑水平，帮助识别错误，并允许汇报机会，以避免在未来发生类似的错误。模拟实践的效果根据个体参与者、技能水平和参与者之前的经验而有所不同。模拟程序实践与视频程序演示或现场观察有着本质的区别。实际操作模拟提供了基于现实的场景与典型的并发症和挑战的生活程序。挑战包括准备执行程序，其次是操作仪器的手的灵活性，最后是程序本身的性能[2，3.，12，16- - - - - -18，28- - - - - -33］．

在模拟环境中所做的观察之一是，初级住院医师的焦虑水平高于老年住院医师。在我们的研究中，我们注意到，即使是用手术刀切割皮肤似乎也变得具有挑战性。此外，一些参与者在切割皮肤时动作更慢，似乎格外小心，在伸展肋骨时动作也更慢，尽管这一过程是在一个无生命的物体上进行的。人们可以想象，在实际的危重病人身上进行手术的难度，以及来自多个直接观察提供者的团队成员的压力。

此外，在视频培训中，所有器官都处于理想的解剖位置，每个步骤都由经验丰富的临床医生进行解释。器官识别以简单的方式进行，不改变器官结构或位置。人体模型、基于视频的手术和尸体也不能反映患者在创伤环境中发生的个体生理变化，如不受控制的出血、无法识别和控制出血源、存在解剖变异、痉挛或呕吐，这些可能导致手术相关并发症。

开胸手术是一种不常进行的手术，为了获得最佳性能，重复模拟是必要的。这一过程可以在尸体、动物或人体模型上进行，但那些模拟模型的成本高达1.5万至2万美元。为了这项研究的目的，我们创造了一个更便宜的替代品，一个3D打印模型，可以重新创建身体所需的器官和结构，并可以以最小的支出重复使用。

我们的研究显示，急诊住院医生报告说，在看了一段用假人做的急诊开胸手术视频后，自信心有所提高。在他们对我们的模型进行了操作后，舒适度进一步提高。

对真实或模拟程序的单一暴露并不会导致能力。这就引出了一个问题:为了获得技能，必须执行多少模拟程序?每个医生都记得他们第一次在看到其他人轻松快捷地进行静脉注射后的经历。

Wong等人的一项研究表明，参与者需要在40岁以下进行5次模拟环甲状腺切开术，才能胜任[34］．对于所有的程序，即使是简单的放置静脉导管，第一次尝试都会给操作者带来许多问题:我如何打开包?我该如何握住血管导管?我应该瞄准什么角度?我应该下潜多深?我什么时候停车?接下来我要做什么?病人疼痛吗?要是撞到动脉或神经怎么办?等等。 It is a nerve wracking experience, but with practice and experience, all these questions will be pushed into the back of the mind. If a simple procedure such as putting an IV creates anxiety and distress, performing a far more challenging procedure such as a thoracotomy is likely to lead to far greater anxiety and distress.

对于大多数专业来说，可能不需要掌握开胸手术的操作技能，但3D打印模型可以用于教学不同的程序，如中心线放置、腰椎穿刺、动脉线放置、对所有医学专业学生，不论其毕业时选择何种专业，均可进行穿刺、胸腔穿刺。使用3D打印材料模拟的程序具有成本效益和可复制性，并且可以以一种表示程序相关挑战、并发症和异常患者解剖的方式组织起来。让住院医师和医学生进行重复的程序模拟，使他们获得信心和程序灵巧性。它还帮助学习者发展必要的批判性思维技能，不仅执行实际的程序，而且还实践一般的患者安全措施，如识别患者，确认正确的程序和场所，应用无菌技术，等等。实践这种全面的方法可以帮助减少与手术相关的感染、延迟、患者疼痛或不适，以及在错误的部位执行错误的手术，所有这些最终都能带来更好的患者结果和满意度。

总之，我们的研究表明，模拟提高了舒适度。更多的以实践为基础的模拟可以提高住院人员的舒适度，减少焦虑。使用3D打印模型的动手程序课程似乎是一种可行的、成本更低的替代其他模式的手工模拟。

6.限制

本研究受样本量小的限制，仅在一个地点进行。在目前的形式下，该研究并没有在几次模拟后通过重复练习来欣赏变化。我们打算组织几个疗程，并重复研究，看看住院医生在执行手术时的舒适度是否有显著提高。

最后，以往直接参与或观察的经验以及他们观看其他ED开胸教育视频的时间次数不作为分析或比较的考虑因素。

7.结论

模拟使用3D打印材料是一个合理和便宜的替代选择实践程序。重复的模拟可能有助于增加进行ED开胸手术的舒适度，特别是可能是一般的侵入性手术。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者感谢公共卫生硕士Betsy Mendez-White和大都会辅助医院在获得3D打印机方面的支持，以及Catherine Ann Jennings和Dr. Golnar Pashmforoosh对手稿的编辑。

补充材料

补充1:问卷预培训。补充2:问卷预模拟培训:视频演示。补充3:培训后问卷调查。（补充材料)

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