Создание модели тренажёра для отработки навыка пункции полостной системы почки под ультразвуковым контролем

Введение

В современном мире ультразвуковая диа­гностика является неотъемлемой частью практической деятельности большин­ства врачей хирургического профиля. Ультразву­ковое исследование используется не только для диагностики различных заболеваний, но и при выполнении инвазивных вмешательств, таких как пункция сосудов, биопсия тканей, осущест­вление доступа при оперативных вмешатель­ствах. В этой статье мы подробно расскажем о новой модели тренажёра для пункции полостной системы почки под ультразвуковым контролем.

Пункция под УЗ-контролем является одним из базовых навыков для врача-уролога. Она приме­няется при различных заболеваниях органов мо­чеполовой системы, в том числе при чрескожной нефростомии — установке дренажа в полостную систему почки при мочекаменной болезни, онко­логических заболеваниях, стриктурах мочеточни­ка и других состояниях, нарушающих отток мочи из почки [1].Также пункция чашечно-лоханочной системы является первым этапом перкутанной нефролитотрипсии [2]. Обучение на живом паци­енте, с точки зрения закона и этики, — вопрос не­однозначный. Большую часть процесса обучения можно и нужно проводить не на пациенте, а на обучающей модели. По данным исследований, практика на тренажёрах сокращает кривую обу­чения и помогает в планировании и подготовке к оперативному вмешательству [3].В распоря­жении уролога на сегодняшний день имеется обширный ряд обучающих моделей, к которым относятся виртуальные тренажёры, тренажёры- модели на животных, тренажёры-модели на тру­пах, небиологические тренажёры — полимерные модели. Однако у каждого тренажёра есть как достоинства, так и недостатки. Большинство мо­делей, представленных на рынке, имеют такие недостатки, как непродолжительный срок экс­плуатации и низкая износостойкость [4]. Органы животных и существующие системы тренажёров плохо воспроизводят детальную морфологию и физические свойства человеческих органов [5]. Современные модели из полимерных матери­алов отличаются высокой стоимостью (от 200 тысяч рублей), требуют специальные условия хранения (в холодильнике), а также обладают не­продолжительным сроком хранения (до 6 меся­цев, а при активном использовании — до 7 дней).

Цель исследования. Целью нашей работы является разработка такой модели тренажёра, которая будет реалистично воспроизводить УЗ- картину почки и её полостной системы и будет доступна по цене и условиям эксплуатации прак­тически для любой клиники и университета.

Материалы и методы

Разработка модели тренажёра для пункции полостной системы почки проходила в несколько этапов.

Первый этап — выбор материалов для соз­дания модели. Наиболее схожими с человече­ским телом акустическими характеристиками обладают композиции на основе желатина, так как они являются составляющей многих органи­ческих тканей. Белок, входящий в состав жела­тина, полностью денатурирован, что позволяет использовать его в качестве студнеобразующего материала. Глицерин — органическое соедине­ние, простейший представитель трёхатомных спиртов, представляет собой вязкую прозрач­ную жидкость со сладким вкусом, он абсолют­но нетоксичен. Для имитации кожного покрова тренажёра используется двухкомпонентный си­ликон. Благодаря своим особым свойствам, си­ликоны находят самое широкое применение — от медицинской техники до упаковки пищевых продуктов.

Второй этап — исследование скорости звука в композиции. Одна из основных харак­теристик УЗ-тренажёра — это идентичность эхогенности модели и реального объекта [6]. Ограниченное количество полимеров затруд­няет получение качественного отклика на УЗ- воздействие. Наиболее перспективны мате­риалы на основе животных белков, одним из которых является желатин. Для оценки влияния жидкости на скорость проведения звука в ком­позициях была изготовлена ячейка, которая за­полнялась композициями на основе желатина и глицерина. После окончания процесса желатинизации проводили измерения скорости звука в полученных образцах.

Были изготовлены три образца с различным содержанием желатина и воды (табл. 1).

Установлено, что на скорость прохождения звука влияет только сплошная среда, которой яв­ляется высокомолекулярное соединение (жела­тин) (рис. 1).

Рисунок 1. Зависимость скорости звука от содержания желатина в композиции
Figure 1. Dependence of the sound speed on the content of gelatin in the composition

Известно, что на скорость прохождения зву­ковой волны влияет изменение плотности сре­ды. Для проверки данного эффекта было изго­товлено 5 образцов массой 250 г с различным содержанием компонентов (табл. 2). Исследование проходило при трех различных температурах для всех образцов (табл. 3, рис. 2).

Таблица 1. Содержание желатина и воды в образцах
Table 1. Content of gelatin and water in samples

Таблица 2. Содержание компонентов в образцах для исследования скорости звука
Table 2. Content of components in samples for the sound speed examination

Таблица 3. Результаты исследования скорости звука в образцах
Table 3. Results of the sound speed examination in samples

Рисунок 2. Зависимость скорости звука от температуры в исследуемых композициях (подписи – номер образца)
Figure 2. Dependence of the sound speed on the temperature in the studied compositions (box signatures - sample number)

Был обнаружен эффект существенного вли­яния температуры на изменение плотности сре­ды и, как следствие, скорости звука в материале. Поскольку при понижении температуры проис­ходит снижение подвижности цепей полимера, то и способность поглощать акустическую волну также снижается, что приводит к возрастанию скорости звука в материале. Для композиции, со­держащей только желатин и глицерин, такая тем­пература равняется 12⁰. При температуре ниже 12⁰ медицинские УЗ-аппараты интерпретируют среду как гиперэхогенную, например, как кость.

Третий этап — определение устойчивости к образованию треков. При пункции тренажёров, изготовленных из композиции на основе желати­на, после извлечения иглы из объекта наблюдается образование пункционного хода (так называемого «трека»), что не характерно для тканей человека и животных. Наличие треков существенно затрудня­ет выполнение последующих пункций (рис. 3).

Рисунок 3. «Трек» после извлечения иглы
Figure 3. “Track” after removing the needle

В результате удалось получить следующие данные:

1. Скорость смыкания треков на начальном этапе у всех композиций приблизительно равна.

Были проведены исследования по скорости «зарастания» треков после пункции для компо­зиций различного состава (рис. 4, 5). В качестве объектов были выбраны материалы, содержа­щие только глицерин и композиции с добавлени­ем воды.

Рисунок 4. Образец, состоящий из желатина и воды, ход иглы при комнатной температуре сразу после прокола (А) и через 30 мин (В)
Figure 4. A sample consisting of gelatin and water, needle track at room temperature immediately after puncture (A) and in 30 minutes (B)

Рисунок 5. Образец из желатина и глицерина, ход иглы сразу после прокола (А) и через 10 мин (В)
Figure 5. Sample from gelatin and glycerin, needle track immediately after puncture (А) and in 10 minutes (В)

Было установлено, что гель на основе жела­тина способен затягивать повреждения в течение определенного времени, если разрушения не но­сили критического значения.

Были изготовлены образцы на основе жела­тина с замещением глицерина дистиллирован­ной водой (от 0% до 80%). Композицией запол­нялись прозрачные ячейки, позволяющие вести визуальный контроль скорости смыкания пунк­ционного следа.

2. Водосодержащие композиции склонны к потере влаги за счёт её испарения.

В результате из-за испарения воды матери­ал композиции высыхает, становится твёрже и теряет способность к «зарастанию» треков. Также было выявлено, что образцы, выполнен­ные на водной основе, через 3 недели засыха­ли и растрескивались, тогда как в образцах на основе глицерина подобных изменений не на­блюдалось.

Конструкция и схема производства меди­цинского тренажёра. На основе подобранной композиции был спроектирован медицинский тренажёр для пункции чашечно-лоханочной системы почки человека под ультразвуковым контролем (рис. 6, 7).

Рисунок 6. Модель тренажёра, которая имитирует почку и прилегающие ткани. Тренажёр состоит из корпуса (1), модели почки (5). В почке смонтирован коллектор с имитацией чашечно-лоханочной системы (6). Вся конструкция располагается на дне формы (2), внутри сформированного тела тренажёра из композиции на основе глицерина и желатина (4), поверхность «тела» покрыта двухкомпонентным силиконом для имитации кожи (3)
Figure 6. A model that simulates the kidney and adjacent tissues. The simulator consists of a body (1), a kidney model (5). A collector is mounted in the kidney with an imitation of the calyceal system (6). The entire structure is located at the bottom of the mold (2), inside the formed body of the simulator made of a composition based on glycerin and gelatin (4), the surface of the “body” is covered with twocomponent silicone to simulate the skin (3)

Рисунок 7. Изображение модели тренажёра при ультразвуковом исследовании
Figure 7. Image of the simulator model during the ultrasound examination

Результаты

Мы разработали модель тренажёра для пунк­ции полостной системы почки под УЗ-контролем с реалистичными анатомическими структурами, физическими и акустическими свойствами, мак­симально приближёнными к естественным. В качестве полимерной основы нашей модели ис­пользована композиция из желатина и глицери­на в безводной среде. Это позволило увеличить продолжительность срока хранения и повысить износостойкость модели [6]. Материал модели имеет плотность, аналогичную плотности тканей человека (примерно 10 ед. Шор А). Разработанныи тренажер может применяться для трениров­ки как студентов, так и молодых врачей-специалистов на этапе освоения навыка пункции.

Созданная модель тренажёра для пункции практически идентична полостной системе почки человека [1]. Тренажёр позволяет выполнить более 300 пункций и имеет срок хранения более 1 года при условии хранения при комнатной температуре.

Тестирование созданной модели тренажёра происходило на базе отделения урологии № 2 Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета им. И.П. Павлова. С целью оценки пригодности тренажёра для об­учения навыку пункции под ультразвуковым кон­тролем восемнадцати врачам были предложены для заполнения опросники на основе шкалы Ликерта (табл. 4). Результаты опроса докторов пред­ставлены на рисунке 8.

Рисунок 8. Распределение ответов по вопросам. Вопрос № 1 — «Качество визуализации макета почки при ультразвуковом исследовании». Вопрос № 2 — «Качество визуализации иглы и ЧЛС во время пункции». Вопрос № 3 — «Качество визуализации при повторных пункциях (с учётом треков от предыдущих пункций)»
Figure 8. Distribution of answers to questions. Question No. 1 — « The visualization quality of kidney model during ultrasound examination». Question No. 2 — «The visualization quality of the needle and PCS during puncture». Question No. 3 — « The visualization quality during repeated punctures (taking into account the tracks from previous punctures)»

Специалисты высоко оценили качество визу­ализации как самого макета почки, так и иглы во время пункции, а также визуализацию при по­вторных пункциях.

Таблица 4. Опросник для докторов
Table 4. Questionnaire for doctors

Обсуждение

Пункция полостной системы почки является неотъемлемой частью чрескожной нефростомии и перкутанной нефролитотрипсии. Было разра­ботано немало тренажёров для отработки дан­ного навыка у врачей. Например, ранее исполь­зовались свиные почки, которые были покрыты тканями, имитирующими ткани тела человека. Такие тренажёры относительно недороги и по­зволяют отработать навыки, необходимые при чрескожной нефролитотрипсии, такие как пунк­ция и бужирование пункционного хода [5]. Одна­ко они имеют ряд недостатков, такие как непро­должительный срок хранения и невозможность выполнить 2 и более манипуляций, а анатомия почек животных отличается от анатомии чело­веческой почки [7, 8]. Также разработаны про­граммы виртуальной реальности для отработки различных хирургических навыков. В частности, PERC Mentor™ (Simbionix; Lod, Israel) - тренажёр виртуальной реальности, разработанный специ­ально для обучения чрескожной пункции полост­ной системы почки [9]. Была проведена сравни­тельная оценка эффективности VR-тренажера и практики на живых свиньях. Исследование по­казало, что, несмотря на высокую эффективность этих методов, оба варианта являются дорогостоя­щими. В условиях практики на живых свиньях это расходы на медикаменты, ветеринара, наличие вивария и т.п. С другой стороны, приобретение тренажёра PERC Mentor (более 100,000$) плюс затраты на расходные материалы и обслужива­ние тренажёра (рис. 9) [10].

Рисунок 9. Тренажёр виртуальной реальности PERC Mentor™ (Simbionix; Lod, Israel)
Figure 9. PERC Mentor ™ virtual reality simulator (Simbionix; Lod, Israel)

Один из вариантов тренажёров для пункции ЧЛС — полимерные модели почек, созданные при помощи 3D-печати. Подобные модели были разработаны с опорой на данные компьютерной томографии почек человека. Были изготовлены образцы моделей из трех разных материалов — арагозного геля, силиконового эластомера и полидиметилсилоксана. При ультразвуковом ис­следовании модели из арагозного геля показали лучшую визуализацию. Главным плюсом этого тренажёра является полное анатомическое соот­ветствие фантома почке человека. Однако фан­том из арагозного геля должен храниться при по­ниженных температурах. Срок хранения данного фантома — не более 6 месяцев (по наблюдениям специалистов симуляционных центров), в то время как предлагаемый нами тренажёр мож­но хранить при комнатной температуре более 12 месяцев [7].

К небиологическим тренажёрам для пунк­ции можно отнести модели, созданные на осно­ве баллистического геля. Последний достаточно реалистично показывает ткани и ход иглы при ультразвуковом исследовании, однако баллисти­ческий гель не имеет водородных связей, кото­рые способствуют заращению «треков», образу­ющихся после пункции. Эта особенность делает данный тренажёр недолговечным в сравнении с предлагаемой композицией из желатина [11]. Также было описано использование трупных по­чек человека для тренировки навыков пункции и ультразвукового исследования. В ходе иссле­дования было доказано, что после практики на тренажёрах студенты успешно освоили вышеука­занные навыки. Одним из достоинств этого вари­анта тренировки стало то, что визуализацияпри ультразвуковом исследовании была сходна с ви­зуализацией при ультразвуковом исследовании у пациентов. Данный метод обучения хорошо под­ходит для студентов медицинских университетов для знакомства с нормальной анатомией почки человека и прилежащих тканей. Однако отработ­ка навыков пункции не только в университетах, но и в стационарах на трупах человека затрудне­на из-за недостатка трупного материала и опре­деленных условии хранения, а также непродол­жительности эксплуатации [12]. Модели полезны не только для развития навыков пункции и рабо­ты с ультразвуковыми датчиками (УЗИ) для кли­нических ординаторов, но и для практикующих врачей с целью поддержания навыка пункции на должном уровне [13].

Практическое интраоперационное обучение продолжает оставаться основным методом обу­чения чрескожному доступу под УЗ-наведением. Однако обучение на симуляторах является не­маловажным дополнением к традиционному обучению [14].

Отработка практических навыков на моделях сокращает кривую обучения и повышает эффек­тивность и безопасность хирургических вмеша­тельств [3, 15].

Заключение

Разработанный нами тренажёр может быть использован для обучения молодых специ­алистов. Кроме того, возможно использование тренажёра для оценки практических и теорети­ческих навыков выпускников в рамках аккредитиации. Использование тренажёра для постоян­ного повышения квалификации специалистов и при планировании оперативного вмешательства у конкретного пациента позволит повысить эф­фективность операции и её безопасность.