Макет дыхательных путей человека
MODEL OF HUMAN RESPIRATORY TRACT

Изобретение относится к медицине и биологии и может быть использовано для освоения и/или отработки навыков выполнения манипуляций на дыхательных путях, в том числе в процессе обучения и/или подготовки специалистов или при проведении исследований.
Возбудители острых респираторных заболеваний поражают эпителий различных участков респираторного тракта своих потенциальных хозяев и способны адаптироваться к более глубоким отделам респираторного тракта, становясь непосредственным этиологическим агентом летальных пневмоний [1, 10, 15]. Отсутствие контаминации для проведения высокоспецифичной диагностики чрезвычайно важно для микробиологических методов исследований, соответственно данному условию следует уделять особое внимание.
Известно применение силиконовых оториноларингологических симуляторов (ОРЛС) различных конструкций в учебной деятельности как в России [3, 4, 11, 12], так и за рубежом [17, 18, 20, 21].
Недостатками аналогов являются:
- высокая стоимость и отсутствие естественного облика респираторного тракта человека [3];
- повышенные требования к хранению и эксплуатации муляжей и биологического материала;
- отсутствие возможности моделирования индивидуальных особенностей конкретного пациента и решаемых диагностических задач.
В качестве ближайшего аналога принят симулятор для освоения навыков выполнения операций на почке, содержащий элементы, имитирующие части тела человека (см. патент 2691524, МПК G09B 23/28, дата публикации 14.06.2019).
Недостатком ближайшего аналога является отсутствие возможности качественной оценки манипуляций обучаемого при контроле глубины погружения и амплитуды движения инструментов маркировки целевых и нецелевых зон на поверхности органа.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка модифицируемого макета дыхательных путей многоразового использования с низкой себестоимостью.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении качества и объективности контроля и правильности воздействия инструментом, расширении области применения и отображении результатов введения как на инструменте, так и на самом макете.
Поставленная задача решается тем, что макет дыхательных путей человека, содержащий элементы, имитирующие части тела, отличается тем, что содержит последовательно и съемно соединенные нос, глотку, гортань и трахею, которые снабжены продольными полостями, сообщенными друг с другом, при этом глотка жестко соединена с верхней челюстью, к которой с возможностью поворота в вертикальной плоскости присоединена нижняя челюсть, причем в стенках глотки и гортани со стороны челюстей и носа выполнены сквозные отверстия, сообщенные с соответствующими полостями, кроме того, на поверхности полостей нанесен удаляемый индикаторный состав.
Кроме того, используют цветной удаляемый индикаторный состав.
Кроме того, элементы, имитирующие части тела человека, выполнены с помощью 3D-печати.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки макет «содержит последовательно соединенные нос, глотку, гортань и трахею», «глотка жестко соединена с верхней челюстью с зубами, к которой присоединена нижняя челюсть с зубами» и «в стенках глотки и гортани со стороны челюстей и носа выполнены сквозные отверстия» и признаки второго зависимого пункта формулы позволяют создать анатомически верный макет дыхательных путей человека или модифицировать его с учетом решаемых исследовательских задач перед специалистом.
Признаки «нос, глотка, гортань и трахея… снабжены продольными полостями, сообщенными друг с другом», «сквозные отверстия в стенках глотки и гортани сообщены с соответствующими полостями» и «к верхней челюсти с возможностью поворота в вертикальной плоскости присоединена нижняя челюсть» обеспечивают возможность введения инструмента в макет без возможности увидеть элементы в вертикальном разрезе.
Эта особенность создаваемого макета обусловлена тем, что в реальной ситуации при проведении данной манипуляции у специалиста должно быть развито пространственное понимание расположения его руки и инструмента внутри дыхательных путей пациента относительно составляющих их элементов с учетом анатомо-топографических особенностей и фундаментальных знаний исследователя.
Признаки «содержит съемно соединенные нос, глотку, гортань и трахею» и «на поверхности полостей нанесен удаляемый индикаторный состав» обеспечивают возможность модификации, многоразового использования макета, а также непосредственного просмотра результатов выполнения задания, поставленного перед специалистом, и нанесения удаляемого индикаторного состава на области «интереса» и «ошибок» с учетом выполняемого типа заданий.
Признак «на поверхности полостей нанесен индикаторный состав» и признаки первого зависимого пункта формулы позволяют имитировать особенности анатомического и физиологического характера пациента (например, интенсивности секреции слюнных желез в ротовой полости и активности мукоцилиарного аппарата в носовой полости) слизистую оболочку респираторного тракта и оценить правильность воздействия введенным инструментом, повысить качество и объективность контроля таких параметров как глубина, траектория и расположение воздействия инструментом.
На фиг.1 показан вид сбоку макета дыхательных путей.
На фиг.2 показан вид спереди макета дыхательных путей.
На фиг.3 показан вид снизу макета дыхательных путей.
На фиг.4 показано начало введения инструмента в макет.
На фиг.5 показана гортань с удаляемым индикаторным составом.
На фиг.6 показан инструмент после правильного воздействия на макет.
На фиг.7 показан инструмент после неправильного воздействия на макет.
На фиг.8 показан цветной удаляемый индикаторный состав гортани после воздействия инструментом на макет.
На чертежах показаны нос 1, глотка 2, гортань 3, трахея 4, верхняя 5 и нижняя 6 челюсти, сквозные отверстия 7 и 8 глотки 2 и гортани 3 соответственно, цветной удаляемый индикаторный состав 9.
Нос 1, глотка 2, гортань 3 и трахея 4 соединены последовательно и съемно (например, по принципу шип-паз) и снабжены продольными полостями, сообщенными друг с другом.
Глотка 2 жестко соединена с верхней челюстью 5, к которой с возможностью поворота в вертикальной плоскости присоединена нижняя челюсть 6.
В стенках глотки 2 и гортани 3 со стороны челюстей 5 и 6 и носа 1 выполнены сквозные отверстия 7 и 8, сообщенные с соответствующими полостями.
На поверхности полостей нанесен цветной удаляемый индикаторный состав 9.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
1. Предварительно изготавливают элементы макета дыхательных путей и цветной удаляемый индикаторный состав.
Макет дыхательных путей создают в несколько этапов.
На первом этапе собирают результаты компьютерной и/или магниторезонансной томографии в виде цифровых данных.
При этом на снимках выделяют 3D-модель черепа с лобной, клиновидной, решетчатой, слезной, скуловой и височной костями, верхней и нижней челюстями, закрепленными в соответствии с их анатомическим расположением.
Авторы проводили исследования с помощью мультиспирального компьютерного томографа Toshiba Aquilion multi 320 (Япония). Протокол проведения исследования 3 Phase Head, в положении пациента лежа на спине (параметры съемки: режим исследования спиральный, толщина среза 0,5 мм, напряжение 120 kV, сила тока 80 mA, скорость вращения трубки 0,5 сек) с последующим построением мультипланарных реконструкций и 3D-модели черепа и хрящей в бесплатной программе Slicer 3D [8, 13].
На втором этапе моделируют общую объединенную форму всех полученных моделей элементов дыхательных путей конкретного пациента либо используют снимки разных пациентов.
Обработку 3D-моделей производят, например, в бесплатных программах: Meshmixer (Autodesk, Inc., San Rafael, CA, США) и Blender (Blender Foundation, Нидерланды, программное обеспечение с открытым исходным кодом).
Можно использовать данные конкретного пациента, учитывая индивидуальные особенности его организма, либо наоборот создать максимально универсальную и общую модель.
На третьем этапе авторы осуществили печать элементов макета на 3D-принтере. Все детали могут быть напечатаны единым каскадом или по отдельности с возможностью их сборки-разборки.
Для получения 3D-моделей использовалось программное обеспечение, например «Cura» с открытым исходным кодом.
В качестве материала для 3D-печати можно использовать PLA пластик или акрилонитрилбутадиенстирол, который позволяет получать образцы по доступной цене, а также прозрачные материалы (например, VisiJet, PETG T-Glass, ABS-пластик и т.п.).
Цифровая модель позволяет выполнять печать в произвольном масштабе. Особую ценность для образовательного процесса представляют макеты дыхательных путей, увеличенные по сравнению с реальными объектами, что позволяет повысить наглядность детализации изучаемых объектов и проводимых медицинских манипуляций.
Последовательное применение макетов с постепенно уменьшающимся масштабом является удобным методическим приемом для исключения лишних движений, увеличивающих риск повреждения слизистых оболочек.
Оптимальными свойствами удаляемого индикаторного состава являются:
- высокие адгезионные свойства (с поверхностной энергией 97-108 Дж/м) – чтобы состав не стекал с поверхности полостей;
- нейтральный уровень pH (6,8-7,2), чтобы не вступал в реакцию с другими веществами;
- основа должна быть бесцветной, с возможностью ее окрашивания;
- возможность легкого удаления состава, без применения специальных веществ или инструментов;
- средняя вязкость – значение по Брукфильду 16,0-20,0 Па·c, чтобы оставались и сохранялись видимые следы от воздействия введенным инструментом;
- состав должен сохранять свою вязкость, т.е. не отвердевать в течение 1,5-2 часов – этого времени в целом достаточно для осуществления медицинской манипуляции или проведения 1 пары при обучении.
В качестве индикаторного состава например можно использовать удаляемые цветные гели на основе силикона, производителями являются etelec (https://www.directindustry.com.ru/prod/etelec-italia-spa/product-119681-1904024.html), Megatraction (https://www.medicalexpo.ru/prod/mentor/product-85083-569243.html), Advanced Antivibration Components (https://www.directindustry.com.ru/prod/advanced-antivibration-components/product-67639-852877.html) или агарозы от таких производителей, как Accuris (https://www.medicalexpo.ru/prod/accuris-instruments/product-128620-947077.html), Canvax (https://www.medicalexpo.ru/prod/canvax/product-128474-946602.html), Bulldog Bio (https://www.medicalexpo.ru/prod/bulldog-bio-inc/product-128360-945257.html), Genetics (https://www.medicalexpo.ru/prod/nippon-genetics/product-128292-944221.html), ATCGene (https://www.medicalexpo.ru/prod/actgene-inc/product-128125-947093.html) и др.
В качестве одного из возможных примеров в табл.1 авторы приводят собственную рецептуру приготовления цветного удаляемого индикаторного состава.
Таблица 1
Удаляемый индикаторный состав
Название компонента, единица измерения
Количество на 100 г цветного удаляемого индикаторного состава
Вода дистиллированная, мл
50
Карбоксиметилцеллюлоза, г
15,9-17,5
Глицерин, мл
5,8-6,5
Диэтиленгликоль, мл
4,5-5,5
Гидроксид натрия, г
10-11
Ментол (ароматизатор), мл
4-4,5
Консерванты (бензойная, молочная и лимонная кислоты в % соотношении 27:42:31), мл
5,4-6
Краситель (гуммиарабик, декстрин, камедь, бычья желчь, антисептик в % соотношении 15:25:13:30:17), мл
3,5-4
2. На поверхности полостей наносят цветной удаляемый индикаторный состав (см. фиг.5).
Для повышения объективности оценки правильности воздействия введенным инструментом наносить состав можно в виде мишени с выделением зон разными цветами.
При необходимости в полости можно добавить реальные трудно извлекаемые инородные тела.
3. Собирают макет дыхательных путей.
4. Вводят инструмент в макет (см. фиг.4).
Инструмент вводят в полости элементов макета через нос 1 либо сквозное отверстие 7 глотки 2 или сквозное отверстие 8 гортани 3, для доступа к которым поворачивают нижнюю челюсть 6 вниз.
В качестве инструмента может выступать например пинцет с ватным тампоном или ватная палочка.
5. Осуществляют медицинскую манипуляцию.
Примером может служить взятие мазков в верхнем респираторном тракте для диагностических исследований.
Поскольку макет выполнен без возможности увидеть элементы в вертикальном разрезе, специалист учится механистически чувствовать положение и ориентацию инструмента относительно элементов макета и развивает свое пространственное воображение.
6. Разбирают макет дыхательных путей.
7. Анализируют результаты воздействия инструментом.
Для этого осматривают удаляемый индикаторный состав (см. фиг.8) и по оставшимся на нем следам оценивают глубину, траекторию и расположение воздействия инструментом.
При использовании цветного удаляемого индикаторного состава он наглядно остается на инструменте (см. фиг.6 и 7), что также позволяет понять, какие поверхности были задеты инструментом в процессе проведения медицинской манипуляции.
В случае использования мишени можно ранжировать оценки обучающихся в зависимости от расстояния от ее центральной части.
Если след остался в области (на чертежах она окрашена желтым цветом) за пределами мишени, это свидетельствует о неудовлетворительной оценке и нарушении норм воздействия инструментом.
8. Удаляют индикаторный состав с макета (например вручную) и очищают или меняют инструмент.
Далее при необходимости изготавливают новые или производят замену ранее использованных элементов макета и процесс повторяется.
Заявляемый макет дыхательных путей обладает низкой себестоимостью, его можно не только многократно использовать, но и модифицировать для рассмотрения различных вариантов клинических случаев.
Это позволяет специалисту не привыкать к «среднестатистическому манекену» и быть готовым постоянно сталкиваться с возрастными особенностями и анатомическим разнообразием человеческой популяции, как это и происходит на практике.
Кроме того, появляется возможность создания индивидуальных макетов для подготовки к сложным хирургическим вмешательствам. К примеру, интубации трахеи, используемой при искусственной вентиляции лёгких в связи с острой дыхательной недостаточностью при развитии пневмоний, связанных с инфекциями респираторного тракта [1-3, 7], в частности, ассоциированных с коронавирусной инфекцией COVID-19 [9, 14, 16].
При этом специалист может самостоятельно, без привлечения других экспертов (например преподавателя) не только оценивать правильность воздействия инструментом, но и контролировать процесс выполнения медицинской манипуляции. После выполнения манипуляции специалист может увидеть остатки состава различного цвета на инструменте, и, непосредственно разобрав макет, идентифицировать области и узнать точное расположение воздействия инструментом.
Применение прозрачных пластиков для 3D-печати обеспечивает дополнительную детализацию и повышение наглядности проводимых манипуляций. Например, в случае нанесения цветного удаляемого индикаторного состава на элементы макета, изготовленные из прозрачного пластика или при использовании дополнительных камер, размещенных в полости макета.
Использование удаляемого индикаторного состава на различных зонах («области-мишени») внутренней стороны макета позволяет отрабатывать навыки взятия биоты с определенных областей без контаминации контактами со слизистыми других отделов («области-ошибки») дыхательных путей, окрашенных в иные цвета [5, 6, 19]. Также применение данного макета необходимо в обучении медицинских специалистов важной манипуляции интубации трахеи, используемой при искусственной вентиляции лёгких в связи с острой дыхательной недостаточностью при развитии пневмоний, связанных с инфекциями респираторного тракта [1-3, 7], в частности, ассоциированных с коронавирусной инфекцией COVID-19 [9, 14, 16].
Заявляемое изобретение может быть внедрено в процессы обучения и/или подготовки специалистов и/или разработки автоматизированных систем взятия биологических проб из различных отделов респираторного тракта человека.
Список литературы
1. Колобухина Л.В., Меркулова Л.Н., Щелканов М.Ю., Бурцева Е.И. и др. Пандемический грипп в России: отличительные особенности клинического течения и отсутствие ранней этиотропной терапии как фактор риска развития тяжёлых форм заболевания // Терапевтический архив. – 2011. – Т. 83. – № 9. – С. 48–53.
2. Колобухина Л.В., Щелканов М.Ю. Вирусные инфекции дыхательных путей // В кн.: Пульмонология. Национальное руководство / Ред.: академик РАМН А.Г. Чучалин. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2016. – Глава 6. – С. 143-170.
3. Кудряшов С.Е., Козлов В.С. Ринологический симулятор: модернизация и оценка эффективности применения // Вестник оториноларингологии. – 2018. – № 3. – С. 50-55.
4. Лембиков А.О. Использование ринологического симулятора для совершенствования процедуры взятия мазков со слизистой различных отделов респираторного тракта при комплексной диагностике гриппа А // В сб.: Инновации и технологии в биомедицине. Сборник материалов научно-практической конференции (10-13 июня 2019 г.). – Владивосток: изд-во Дальневосточного федерального университета, 2019. – С. 287-288.
5. Львов Д.К., Бурцева Е.И., Прилипов А.Г. и др. Возможная связь летальной пневмонии с мутациями пандемического вируса гриппа А / H1N1 swl в рецептор-связывающем сайте субъединицы НА1 гемагглютинина // Вопросы вирусологии. – 2010. – Т. 55. – № 4. – С. 4-9.
6. Львов Д.К., Щелканов М.Ю., Бовин Н.В. и др. Корреляция между рецепторной специфичностью штаммов пандемического вируса гриппа А (H1N1) pdm09, изолированных в 2009-2011 гг., структурой рецептор-связывающего сайта и вероятностью развития летальной первичной вирусной пневмонии // Вопросы вирусологии. – 2012. – Т. 57. – № 1. – С. 14-20.
7. Львов Д.К., Яшкулов К.Б., Прилипов А.Г. и др. Обнаружение аминокислотных замен аспарагиновой кислоты на глицин и глутаминовую кислоту в рецептор-связывающем сайте гемагглютинина в штамме пандемического вируса гриппа H1N1 от больных с летальным исходом и со средне-тяжелой формой заболевания // Вопросы вирусологии. – 2010. – Т. 55. – № 3. – С. 15-18.
8. Матвеева И.В., Колосова М.М. Обработка медицинских данных в программе 3D-Slicer: 3D-моделирование челюстей и их фрагментов, полученных из результатов конусно-лучевой компьютерной томографии // Бюллетень Северного государственного медицинского университета. – 2018. – № 1. – С. 23-25.
9. Никифоров В.В., Колобухина Л.В., Сметанина С.В., Мазанкова Л.Н., Плавунов Н.Ф., Щелканов М.Ю., Суранова Т.Г., Шахмарданов М.З., Бургасова О.А., Кардонова Е.В., Базарова М.В., Антипят Н.А., Серова М.А., Орлова Н.В., Забозлаев Ф.Г., Кружкова И.С., Кадышев В.А. Новая коронавирусная инфекция (COVID-19): этиология, эпидемиология, клиника, диагностика, лечение и профилактика. Учебно-методическое пособие. – М.: Департамент здравоохранения города Москвы, 2020. – 71 с.
10. Руководство по вирусологии. Вирусы и вирусные инфекции человека и животных / Ред.: академик РАН Д.К. Львов. – М.: МИА, 2013. – 1200 с.
11. Тимофеев М.Е. Медицинские симуляторы: история развития, классификация, результаты применения, организация симуляционного образования / М.Е. Тимофеев, С.Г. Шаповальянц, В.Г. Полушкин [и др.] // Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. – 2015. – № 2. – С. 63-59.
12. Чернышева О.Е. Медицинские симуляторы и манекены как элемент обучения студентов практическим навыкам в педиатрии / О.Е. Чернышева, В.В. Герасименко, Ф.В. Климовицкий [и др.] // Травма. – 2017. – Т. 18. – № 1. – С. 103-105.
13. Щеглов Б.О. Эффективность внедрения лаборатории 3D-моделирования в лечебно-диагностических учреждениях / Б.О. Щеглов, И.В. Галкина, С.Н. Щеглова [и др] // Якутский медицинский журнал. – 2019. – № 3. – С. 109-111.
14. Щелканов М.Ю., Колобухина Л.В., Бургасова О.А., Кружкова И.С., Малеев В.В. COVID-19: этиология, клиника, лечение // Инфекция и иммунитет. – 2020. – Т. 10. – № 3.
15. Щелканов М.Ю., Колобухина Л.В., Львов Д.К. Грипп: история, клиника, патогенез // Лечащий врач. – 2011. – № 10. – С. 33-38.
16. Щелканов М.Ю., Попова А.Ю., Дедков В.Г., Акимкин В.Г., Малеев В.В. История изучения и современная классификация коронавирусов (Nidovirales: Coronaviridae) // Инфекция и иммунитет. – 2020. – Т. 10. – № 2. – С. 221–246.
17. Chang D.R. Fabrication and validation of a low-cost, medium-fidelity silicone injection molded endoscopic sinus surgery simulation model / D.R. Chang, R.P. Lin, S. Bowe [et al.] // Laryngoscope. – 2017. – Vol. 127. – N 4. – P. 781-786. DOI: 10.1002/lary.26370.
18. Lee A.Y., Fried M.P., Gibber M. Improving rhinology skills with simulation // Otolaryngol. Clin. North Am. – 2017. – Vol. 50. – N 5. – P. 893-901.
19. Lvov D.K., Shchelkanov M.Yu., Alkhovsky S.V., Deryabin P.G. Zoonotic viruses of Northern Eurasia. Taxonomy and Ecology. – Academic Press, 2015. – 452 p.
20. Musbahi O. Current status of simulation in otolaryngology: a systematic review / O. Musbahi, A. Aydin, Y. Al Omran [et al.] // J. Surg. Educ. – 2017. – Vol. 74. – N 2. – P. 203-215.
21. Ooi E.H., Witterick I.J. Rhinologic surgical training // Otolaryngologic Clinics of North Amer- ica. – 2010. – V. 43 – N 3. – P. 673-689.