Симулятор для освоения навыков выполнения пункции овального отверстия черепа Российский патент 2024 года по МПК G09B23/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области медицины, а именно к разделу нейрохирургии, и может иметь практическую значимость в отработке навыков выполнения пункции Гассерова узла (ГУ) по стандартной методике Хартела с целью лечении невралгии тройничного нерва (НТН).

Уровень техники

Известен способ создания модели для отработки пункционного лечения невралгии тройничного нерва, описанный в статье D. B. Almeida1 и соавторов в 2006 году [Almeida DB, Hunhevicz S, Bordignon K, Barros E, Mehl AA, Burak Mehl AC, de Faria RA, Prandini M, Ramina R. A model for foramen ovale puncture training: Technical note. Acta Neurochir (Wien). 2006 Aug;148(8):881-3; discussion 883. doi: 10.1007/s00701-006-0817-2. Epub 2006 Jun 23. PMID: 16791431]. В данной работе авторы используют кадаверный череп с подвижной за счет пружины нижней челюстью, пространства глубоких мышц заполняют силиконом и надевают латексную маску для реалистичности модели. Положительным качеством данной модели является истинный кадаверный череп, при рентгеноскопии которого реализуется реальная интраоперационная картина. К отрицательным сторонам модели относятся юридические аспекты использования кадаверного черепа, невозможность массового производства и обучения в виду недостаточного количества кадаверных черепов, отсутствие структур Гассерова узла и прилежащих сосудистых структур, а также Меккелевой полости, что препятствует пониманию анатомической траектории дальнейшего продвижения иглы.

Известно использование в качестве пункционной модели кадаверного черепа, покрытого силиконовой кожей [He YQ, He S, Shen YX, Qian C. Clinical value of a self-designed training model for pinpointing and puncturing trigeminal ganglion. Br J Neurosurg. 2014 Apr;28(2):267-9. doi: 10.3109/02688697.2013.835379. Epub 2013 Sep 7. PMID: 24628215]. Помимо истинного кадаверного черепа преимуществом данной модели является наличие силиконового Гассерова узла. Недостатком данной модели являются юридические аспекты использования кадаверного черепа, невозможность массового производства и обучения в виду недостаточного количества кадаверных черепов, отсутствие прилежащих сосудистых структур, отсутствие функциональной дифференцировки Гассерова узла на 1-3 ветви, необходимой для предотвращения послеоперационного осложнения в виде синдрома сухого глаза.

Известна модель обучения пункционной установки для овального отверстия и тройничного ганглия, которая характеризуется тем, что содержит имитированный череп человека, моделируемую нижнюю костную часть черепа человека из материала эпоксидной смолы; имитированная человеческая мягкая ткань из силикагелевого материала расположена на поверхности черепно-мозговой нижней кости; часть кожи, соответствующую тройничному ганглию тела человека в моделируемой головке человека; положение перехода снабжено трехсекторным ганглиом и ветвью материала силикагеля; вальное круглое отверстие образовано в положении, соответствующем овальному отверстию тела человека, головки гуминоида [CN201359805Y МПК G09B 23/30, опубл.09.12.2009].

Раскрытие сущности изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является необходимость усовершенствования вариантов симуляционной модели для отработки навыков выполнения пункции Гассерова узла по стандартной методике Хартела с целью лечении невралгии тройничного нерва.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что, симулятор для освоения навыков выполнения пункции овального отверстия черепа содержит: электронный блок управления, созданный на базе микроконтроллера, пункционную иглу, соединенную с электронным блоком управления, модель Гассерова узла, выполненную из токопроводящего пластика, подключенная к электронному блоку управления, состоящая из верхнечелюстной и нижнечелюстной ветви, и глазничной ветви, разделенных диэлектрическим элементом, модель артерий головного мозга (внутренняя сонная, передняя, передняя соединительная, средняя, задняя мозговая, задняя соединительная, верхняя мозжечковая, базилярная артерии), выполненная из токопроводящего пластика, подключенная к электронному блоку управления, сменную одноразовую расширительную систему, имитирующую Меккелеву полость с системой ликвороциркуляции, состоящую из силиконового баллона, соединенного со шприцом, подающим жидкость под давлением, 3D принтированный пластиковый череп, покрытый силиконовой оболочкой для имитации наружного листка твердой мозговой оболочки с подвижной нижней челюстью (шарнирный механизм), а также с полостью в виде тубуса для размещения электроники, силиконовые модели кожи, языка и дна ротовой полости, изготовленные с помощью смоделированных по DICOM данным.

Созданная 3D принтированная модель точно повторяет анатомические структуры головы человека, может быть воспроизведена в массовом количестве с целью обучения ординаторов и молодых нейрохирургов, не требует решения юридических вопросов использования кадаверного материала, позволяет многократно выполнять хирургическую манипуляцию под рентген / КТ контролем, а также без него, обеспечивает контроль правильности траектории иглы благодаря световой и звуковой детекции, позволяет предотвратить осложнения в виде кровотечения и развития синдрома сухого глаза, в результате функциональной дифференцировки ГУ и токопроведения артерий головного мозга.

Технический результат состоит в обеспечении реалистичных условий выполнения операции и предупреждении некорректной траектории с целью минимизации интраоперационных рисков при выполнении манипуляции на пациенте. Для достижения технического результата выгружают данные КТ и МРТ пациента с невралгией тройничного нерва. Для создания 3D-реконструкции исходные данные в формате Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) выгружают в программные пакеты для 3D-моделирования. После проектирования составных частей производится 3D-печать с помощью токопроводящего и нетокопроводящего пластика. Силиконовая заливка составных частей производится по заранее подготовленным негативным формам для заливки. После сборки головы осуществляют подключение Гассерова узла и артерий головного мозга к электронному блоку управления.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показано моделирование черепа с подвижной нижней челюстью, где: 1 - 3D принтированная модель черепа, 2 - нижняя челюсть с шарнирным механизмом, 3 - 3D виртуальная модель черепа с закрытой нижней челюстью, 4 - 3D виртуальная модель черепа с открытой нижней челюстью.

На фиг. 2 показано моделирование кожи, где: 5 - 3D принтированная форма под силиконовую заливку наружной части кожи в сборном виде,
6 - 3D принтированная форма под силиконовую заливку наружной части кожи в разборном виде, 7 - 3D-принтированная форма под силиконовую заливку внутренней части кожи, 8 - силиконовая кожа.

На фиг. 3 показано моделирование Гассерова узла и Меккелевой полости, где: 9 - 3D виртуальная модель основания черепа и Гассерова узла, 10 - 3D виртуальная модель Гассерова узла с импровизированной Меккелевой полостью, 11 - имитация силиконовой Меккелевой полости в форме наконечника с силиконовой трубочкой и шприцом без воды, 12 - имитация силиконовой Меккелевой полости в форме наконечника с силиконовой трубочкой и шприцом с водой.

На фиг. 4 показана 3D-модель головы с электроактивными Гассеровыми узлами и артериями головного мозга, где: 13 – момент контакта модифицированной пункционной иглы, соединенной с электронным блоком управления и ветвями ГУ сигнализируется «положительным» звуковым и зеленым световым сигналами, также после создания давления визуализируется ликвор; 14 – электронный блок управления; 15 – полость в виде тубуса для размещения электроники, вид снизу; 16 – визуализированы электроактивные Гассеровы узлы и артерии головного мозга, вид сбоку.

На фиг. 5 представлено интраоперационное фото 3D-модели, где показано: 17 - 19 КТ с 3D реконструкцией черепа, разные виды, 20 - интраоперационный вид.

На фиг. 6 представлены КТ и флюороскопия модели, где показано: 21 – флюороскопия в прямой и 22 – боковой проекции, 23 – КТ с 3D реконструкцией кожи, 8 – силиконовая кожа.

Осуществление изобретения

После получения письменного добровольного информированного согласия на участие в исследовании были использованы персонализированные данные пациента с невралгии тройничного нерва. В данном примере для реализации изобретения исследования были выполнены на мультиспиральном компьютерном томографе Toshiba Aquilion One и магнитно-резонансный томограф GE Discovery 750w 3.0 T.

Был разработан протокол проведения исследований для моделирования каждой отдельной структуры: Артерии головного мозга - 3D TOF; Нервы – FSPGR с проверкой по FIESTA; Череп – КТ головного мозга.

При моделировании черепа с подвижной нижней челюстью были использованы исходные КТ данные, которые после удаления артефактов в программе Inobitec, были перенесены в программу Adobe 3D Max для моделирования шарнирного подвижного соединения в височно-нижнечелюстном суставе, а также полости в виде тубуса для размещения электроники. С целью подготовки к печати и экспорта 3D-модели в формат GCODE data, который является форматом файлов аппаратного уровня для 3D-печати, было использовано программное обеспечение PrusaSlicer. Для печати черепа был использован белый PLA пластик со 100% заполнением для имитации плотности костной структуры. 3D-печать черепа осуществлялась наплавлением Fused deposition modeling (FDM) на принтере Hercules Strong DUO с друхэкструдерной головкой TwinHot (фиг. 1).

Для создания моделей кожи головы, языка и дна ротовой полости были использованы исходные КТ данные, которые после удаления артефактов в программе Inobitec, были перенесены в программу Adobe 3D Max для моделирования негативной формы, предусматривающей вентиляционные отверстия и емкость для дополнительного объема силикона (фиг. 2). Для печати использован PLA пластик путем наплавления Fused deposition modeling (FDM) на принтере Hercules Strong DUO с друхэкструдерной головкой TwinHot. Распечатанные модели были покрыты восковой разделительной смазкой Вс-М (аэрозоль). Для заливки была использована силиконовая система на основе платины Ecoflex 00-10, смешанная с коллером ПОЛИМЕР «О», которая перед заливкой подвергалась процедуре дегазации с помощью вакуумного компрессора. Силиконовая система заливалась в подготовленную форму. Склеивание модели кожи с моделью черепа выполнялось с помощью адгезива на основе силикона SIL-POXY.

Для создания твердой мозговой оболочки была использована силиконовая система Platset 20, которая наносилась по внутренней поверхности модели черепа.

При моделировании токопроводящих Гассерова узла и артерий головного мозга были использованы исходные данные МРТ (FSPGR с проверкой по FIESTA, 3D TOF), сегментация была осуществлена в программе Inobitec. В программе Adobe 3D Max было осуществлено разделение на 2 составные части (1 часть: верхнечелюстная и нижнечелюстная ветви, 2 часть: глазничная ветвь), а также техническое (неанатомическое) моделирование Меккелевой полости внутри ГУ в проекции triangular plexus.

Для 3D-печати электроактивных моделей Гассерова узла и артерий головного мозга был использован токопроводящий филламент (U3 Flex Conductive), токопроведение которого обеспечивалось за счет свойства материала на основе термопластичного полиуретана и углеродных нанотрубок. 3D-печать Гассерова узла (30% заполнение), артерий головного мозга (100% заполнение) осуществлялась наплавлением Fused deposition modeling (FDM) на принтере Hercules Strong DUO с друхэкструдерной головкой TwinHot (фиг. 3).

После печати модели Гассерова узла, его составные части разделены диэлектрическим элементом. Далее Гассеров узел и артерию головного мозга подключили к электронному блоку управления. Световая и звуковая сигнализация детекции контакта инструмента с моделью нерва и/или артерии осуществляется путем измерения электрического сопротивления в цепи «токопроводящий пластик-инструмент» программируемым многоканальным блоком электроники на базе микроконтроллера ARDUINO (фиг. 4).

Для работы электронного блока управления написана программа. Момент контакта модифицированной пункционной иглы, соединенной с электронным блоком управления и 2-3 ветвями Гассерова узла, сигнализируется «положительным» звуковым и зеленым световым сигналами, а в случае контакта с 1 ветвью Гассерова узла и артериями головного мозга - сигнализируется «отрицательным» звуковым и красным световым сигналами.

Для создания искусственной имитации Меккелевой полости в программе Adobe 3D Max смоделирована негативная форма баллона. Произведена печать наплавлением Fused deposition modeling (FDM) на принтере Hercules Strong DUO с друхэкструдерной головкой TwinHot. Далее принтированная негативная форма была покрыта силиконом, получившийся силиконовый баллон был присоединен к трубке с помощью клея SIL-POXY. Силиконовая трубочка подключена к 20 мл шприцу, который осуществляет подачу воды под давлением.

Техника выполнения пункции Гассерова узла была продемонстрирована в условиях операционной под 3D КТ контролем. Перед проведением пункции 3D-модели головы выполнено интраоперационное КТ с дальнейшей 3D-реконструкцией. После четкой визуализации овального отверстия в режиме флюороскопии была произведена пункция овального отверстия по стандартной методике Хартеля: ключевая точка пункции располагалась на 2,5-3 см латеральнее угла рта, траектория направления иглы была к точке, располагающейся на одной линии с медиальным ипсилатеральным зрачком и на 2,5-3,0 см впереди наружного слухового прохода. Пункция была осуществлена с первой попытки, идентифицирована положительным звуковым и зеленым световым сигналами. Для дополнительного контроля правильности положения пункционной иглы выполнено КТ в боковой проекции, кончик иглы был расположен в области петрокливального соединения, примерно на 5 мм ниже дна турецкого седла (фиг. 5, 6).

Доказательство реалистичности и конструктивную валидность симулятора подтвердили ординаторы кафедры нейрохирургии на базе Федерального центра нейрохирургии и врачи нейрохирурги Федерального центра нейрохирургии. Каждый исследователь выполнял пункцию овального отверстия под 3D КТ контролем в условиях операционной. Ординаторы и практикующие врачи нейрохирурги оценили симулятор как «легкий в применении» и «полезный» при его использовании для обучения пункционных методов лечения невралгии тройничного нерва.

Изобретение относится к средствам обучения в медицине. Симулятор для освоения навыков выполнения пункции овального отверстия черепа при лечении невралгии тройничного нерва включает пластиковый череп с моделью Гассерова узла, электронный блок управления, включающий микроконтроллер и выполненный с возможностью звуковой и цветовой сигнализации при контакте соединённой с электронным блоком управления пункционной иглы с ветвями Гассерова узла и артериями головного мозга, модель артерий головного мозга, выполненную из токопроводящего пластика и подключенную к электронному блоку управления, и сменную одноразовую расширительную систему, имитирующую Меккелеву полость с системой циркуляции ликвора, состоящую из силиконового баллона, соединенного со шприцем, имеющим возможность подавать жидкость под давлением. Модель Гассерова узла выполнена из токопроводящего пластика, подключена к электронному блоку управления и состоит из верхнечелюстной и нижнечелюстной ветвей и глазничной ветви, разделенных диэлектрическим элементом. Пластиковый череп напечатан на 3D-принтере, покрыт силиконовой оболочкой для имитации наружного листка твердой мозговой оболочки, содержит силиконовые модели кожи, языка и дна ротовой полости, подвижную нижнюю челюсть и полость в виде тубуса для размещения электронного блока управления. Технический результат состоит в обеспечении отработки выполнения пункции Гассерова узла по стандартной методике Хартела с целью лечения невралгии тройничного нерва. 6 ил.

Симулятор для освоения навыков выполнения пункции овального отверстия черепа при лечении невралгии тройничного нерва, включающий пластиковый череп с моделью Гассерова узла, отличающийся тем, что содержит

электронный блок управления, включающий микроконтроллер и выполненный с возможностью звуковой и цветовой сигнализации при контакте соединённой с электронным блоком управления пункционной иглы с ветвями Гассерова узла и артериями головного мозга,

модель артерий головного мозга, выполненную из токопроводящего пластика и подключенную к электронному блоку управления, и

сменную одноразовую расширительную систему, имитирующую Меккелеву полость с системой циркуляции ликвора, состоящую из силиконового баллона, соединенного со шприцем, имеющим возможность подавать жидкость под давлением,

при этом модель Гассерова узла выполнена из токопроводящего пластика, подключена к электронному блоку управления и состоит из верхнечелюстной и нижнечелюстной ветвей и глазничной ветви, разделенных диэлектрическим элементом,

а пластиковый череп напечатан на 3D-принтере, покрыт силиконовой оболочкой для имитации наружного листка твердой мозговой оболочки, содержит силиконовые модели кожи, языка и дна ротовой полости, подвижную нижнюю челюсть и полость в виде тубуса для размещения электронного блока управления.