SpineBox - pierwszy symulator do treningu operacji kręgosłupa

Czas pandemii COVID-19 wymusił na systemie opieki zdrowotnej konieczność wdrażania innowacji, nie tylko w dziedzinie medycyny, ale także dydaktyki medycznej. Z powodu panującej sytuacji studenci medycyny zostali wykluczeni z możliwości praktyki, ponieważ szkoły zawiesiły kontakt z pacjentami, a konferencje i szkolenia zostały odwołane. Współpraca medyków i inżynierów zaowocowała stworzeniem nowych, przełomowych projektów, które umożliwią rozwój w dziedzinie medycyny.

Eksperci z Wydziału Neurochirurgii Mayo Clinic – B.R.A.I.N. (Biotechnology Research and Innovation Neuroscience) Laboratory stworzyli projekt pierwszego symulatora SpineBox, służącego do edukacji rezydentów i studentów medycyny w zakresie anatomii kręgosłupa i umieszczania w nim śrub nasadowych. Projekt został stworzony, aby zapewnić instytucjom na całym świecie niskobudżetowy i łatwo dostępny symulator operacji kręgosłupa, a także zachęcić inne laboratoria do tworzenia innowacyjnych narzędzi edukacji w dziedzinie medycyny.

Badanie zostało przeprowadzone przez pięć współautorów: Cliftona i Damona, oraz neurochirurgów z Mayo Clinic: Mark Pichelmann, Eric Nottmeier i Fidel Valero-Moreno. Celem Cliftona i Damona było stworzenie darmowego modelu, który będzie przenośny i łatwo dostępny dla praktykantów na całym świecie.

Symulator może być wydrukowany w częściach na każdej desktopowej drukarce 3D. Jest on dedykowany dla rezydentów neurochirurgii i ortopedii w celach ćwiczeniowych. Całkowity koszt stworzenia takiego wydruku jest niższy niż 10 dolarów, a plik STL może być pobrany za darmo z Autodesk Online Gallery.

Pierwszy koncepcyjny model został wydrukowany z ABS na drukarce Raise 3D Pro Plus za pomocą technologii FDM. Wykonanie wydruku zajęło 30 godzin, a materiał wykorzystany do stworzenia jednego modelu kosztował $9.68.

Cały proces tworzenia symulatora polegał na pozyskaniu anonimowego skanu tomografii komputerowej (CT) odcinka lędźwiowego kręgosłupa od dorosłego pacjenta, w celu stworzenia modelu 3D. Odwzorowuje on anatomię kręgów i ich powierzchnię. Skan CT został wczytany do open-sourcowego programu 3D Slicer, gdzie manualnie wybrano pięć kręgów lędźwiowych (L1-L5). Kręgi zostały rozsunięte w miejscach stawów międzywyrostkowych, w celu indywidualnej segmentacji każdego elementu. Każdy z pięciu kręgów został przekonwertowany do formatu STL i wczytany do programu CAD Meshmixer, aby skonstruować wirtualną przestrzeń dla modeli kręgów.

Dla lepszego odwzorowania realnej sytuacji stworzono wierzchnią warstwę, wykonaną z pianki poliuretanowej, którą przykryty został model kręgosłupa. Wtedy stażyści medyczni nie widzą modelu kręgosłupa, a sytuacja staje się bardziej realistyczna. Aby wykonać zabieg na modelu, należy przeciąć piankę skalpelem i użyć retraktorów chirurgicznych w celu oddzielenia tkanek miękkich, umożliwiając widok jamy operacyjnej.

Okres pandemii udowodnił jak ważny jest dostęp do zasobów edukacyjnych, które są w pełni mobilne i niezależne od szpitali. Ja na razie stworzono 10 kompletnych modeli kręgosłupa SpineBox, ale wciąż trwają badania nad kolejnymi. Coraz więcej instytucji nabywa desktopowe drukarki 3D, więc zdaniem ekspertów zapotrzebowanie na większą ilość open-source’owych i tanich symulatorów będzie stale rosło.