Небиологический тренажёр с регулируемым положением почки и костных ориентиров для обучения пункционному доступу при перкутанной нефролитотрипсии

Введение

Перкутанная нефролитотрипсия (ПНЛ) считается сложным в освоении эндоурологическим вмешательством, требующим выполнения более 60 операций для достижения достаточного опыта [1]. Среди всех её этапов формирование доступа к полостной системе почке является наиболее затруднительным и связано со значительным риском ассоциированных осложнений, частота которых варьируется от 12,5% до 30,3% [2]. Данный факт особенно проблематичен у молодых специалистов в связи с трудностью развития навыка определения тканей по степени их сопротивления при выполнении пункции и ассоциирование тактильных ощущений с визуальной информацией. Современная тенденция решения вышеупомянутых проблем заключается в разработке различных тренажёров, которые в зависимости от технологии исполнения разделяются на следующие группы: на основе виртуальной реальности, биологические с использованием животных тканей и органов, небиологические с применением различных материалов для имитации реальной анатомии ЧЛС почки и окружающих структур. Каждая группа обладает своими преимуществами и недостатками. Так, тренажёры на основе виртуальной реальности не требуют повторного изготовления и позволяют имитировать картину C-дуги, при этом их высокая стоимость является основным лимитирующим фактором для активного внедрения в стационары. Биологические тренажёры передают максимально приближенное ощущение при пункции почки, а благодаря мультичашечному строению ЧЛС почки некоторых животных возможна отработка различных сценариев ПНЛ. Однако их длительное хранение и перевозка затруднительны в связи с разложением органов. Небиологические тренажёры являются наиболее доступными и вариабельными в исполнении, особенно после популяризации желатина, позволяющего его повторное использование. Тем не менее, описанные в литературе тренажёры данного типа далеки от реальной анатомии человека и нацелены в первую очередь на развитие навыка пункции ЧЛС.

Цель исследования: описание производства и первичной апробации тренажёра для пункции полостной системы почки под УЗ-контролем, позволяющего реализовать различные анатомические вариации благодаря произвольному расположению костных ориентиров и модели почки, а также использование ретроградного контроля пункции при обучении ординаторов.

Материалы и методы

Изображения КТ-урографии пациента с камнем лоханки левой почки 2,3 см были получены после его информированного согласия. Для анализа КТ изображений использовали программное обеспечение DICOM Viewer («RadiAnt», Poznań, Poland). После трёхмерной реконструкции экскреторной фазы производили выделение следующих структур для их последующей печати: 11-е и 12-е ипсилатеральные ребра, фрагмент крыла подвздошной кости, ЧЛС поражённой почки. Далее были выделены левая половина поясничной области и паренхима почки для формирования соответствующих форм для заливки. Вышеперечисленные структуры были сохранены в формате STL и переданы биоинженеру для их подготовки к 3D-печати. В качестве материала для печати костных структур и контура тела использовали полилактид (PLA). Последний состоит из следующих частей: нижнемедиальной, верхнелатеральной и передней стенки, выполненные из металла для быстрого остывания желатина по типу кондукции. На медиальной стенке получаемой формы располагается металлическая пластина для мануальной фиксации костных структур с помощью магнитов. Форма для заливки почки также выполнена из PLA материала, в неё помещали водорастворимую напечатанную ЧЛС почки (рис. 1).

Для достижения наилучшей имитации свойств паренхимы почки использовали мультикомпонентный силикон с плотностью компонентов в диапазоне 0 – 30 Шор. Мочеточником послужил катетер Maleco 20 Ch.

Подбор состава желатина. Состав желатина для заполнения модели тела напрямую зависит от эхогенности УЗ-картины и ощущения при пункции. Интересной работой в данном направлении является публикация Н. Гаджиева и соавт. [3], чьей основной целью было не только описание тренажёра для отработки пункции почки по УЗ-контролем, но и подбор состава желатина для его максимальной износостойкости без потери возможности реутилизации. Согласно результатам, наиболее оптимальным является следующее соотношение: глицерин 208 г, вода 0 г, желатин 42 г. Данный состав обеспечивает самостоятельное затягивание пункционных ходов в случае отсутствия критического повреждения, высокую скорость ультразвуковой волны и устойчивость при комнатной температуре. В нашей работе использовали следующий состав желатина: 25% пищевого желатина, 50% глицерина и 25 % воды, что связано с большим объёмом для заливки контура тела (7 литров).

Сборка тренажёра. По КТ снимкам определяли расстояние между 11-м и 12-м рёбрами и крылом подвздошной кости, дистанцию между вышеупомянутыми костными ориентирами и почкой, а также ориентацию расположения последней. С учётом полученных данных на медиальной стенке полости тела располагались костные структуры. Для стабилизации получаемой модели почки в пространстве к её полюсам и медиальному краю были прикреплены нити с магнитами на конце, что позволило определять её ориентацию и глубину положения в тренажёре. После расположения всех компонентов обе стенки формы тела соединяли и располагали вертикально на металлической стенке с последующим заливанием желатина. Готовую композицию помещали в холодильник на 24 часа для застывания (рис. 2).

Апробация тренажёра. В работу было включено 5 ординаторов 1-го и 2-го года ( группа 1) и 2 уролога с опытом самостоятельного выполнения ПНЛ более 60 процедур ( группа 2). Каждый участник выполнял 5 попыток пункции (считалось количество вхождений в полость почки через сосочек малой чашечки) с помощью иглы 18 калибра под УЗ-наведением.

Проводили сравнение количества попыток формирования доступа к полости почки, длительность пункции и её точность. Наконец, после выполнения пункции участники определяли пунктированную чашечку в соответствии с УЗ-картиной. Для более точной оценки траекторию иглы оценивали ретроградно с помощью полужёсткого уретероскопа, а анатомическую идентификацию выбранной чашечки — с помощью разработанного нами мобильного приложения «InsKid» (Inside Kidney) (рис. 4) [4].

После апробации тренажёра обеими группами в полость почки вводили контрастное вещество для оценки её целостности и пригодности к дальнейшей эксплуатации.

Методы статистического анализа. Для проведения статистического анализа использовали IBMÒ SPSS Statistics 23 («SPSS: An IBM Company», IBM SPSS Corp., Armonk, NY, USA). Характеристику разброса данных описывали средним с указанием максимального и минимального значений. Для оценки непрерывных и дискретных данных применяли тест Стьюдента; номинальные данные оценивали с помощью теста c-квадрат. Значимая разница принималась при значении p < 0,05.

Результаты

Общее количество попыток (до момента проникновения в ЧЛС) выполнения пункции через сосочек малой чашечки составило 49 и 14 среди ординаторов и врачей соответственно. Средняя длительность пункционного этапа равнялась 25,2 и 12,0 секунд. Только в 9 случаях ординаторы смогли правильно проанализировать визуальную УЗ-информацию для определения таргетной чашечки, что прямо указывает на недостаток опыта в выполнении чрескожных манипуляций (табл.).

При введении контрастного вещества в ЧЛС после 63 пункций (общее количество для обеих групп) затека контраста обнаружено не было, что указывает на длительную пригодность предложенного тренажёра.

Обсуждение

С момента своего появления ПНЛ практически полностью вытеснила открытые операции при нефролитиазе [5]. Данные преимущества имеют и обратную сторону медали. Во-первых, операция является многоступенчатой и успех каждого этапа зависит от адекватного выполнения предыдущего. Во-вторых, для самостоятельного выполнения ПНЛ уролог должен иметь достаточный опыт. D. Schilling et al. [6] сравнили результаты данного вмешательства, выполненного специалистами с различным опытом, и указали на его прямую зависимость с частотой и значимостью осложнений ПНЛ. Среди всех этапов ПНЛ именно формирование доступа к почке является основополагающим, так как его правильное выполнение позволяет как минимизировать интраоперационные риски, так и легче выполнить нефроскопию с литотрипсией. Помимо этого, адекватный доступ необходим и в ряде других процедур (антеградное стентирование, эндопиелотомия, нефростомия и антеградная резекция новообразований верхних мочевых путей). Для его выполнения, помимо энтузиазма врача, необходим достаточный навык сопоставления визуальной картины с тактильными ощущениями.

В настоящее время полноценное достижение молодыми специалистами кривой обучения в самостоятельном выполнении ПНЛ затруднительна по ряду причин. Не все урологические отделения специализируются на оперативном лечении мочекаменной болезни, что ограничивает количество пациентов для тренировки обучающихся без снижения показателей эффективности хирургических вмешательств. Во-вторых, не во всех отделениях имеется C-дуга, что также негативно сказывается на освоении данной операции.

Наиболее перспективным способом восполнения необходимого опыта являются тренажёры [7]. В идеале симулятор пункции ЧЛС почки должен иметь следующие качества для оправданного замещения им реальной процедуры: точная имитация почки и её полостной системы, наличие опорных костных структур в качестве ориентира при пункции (11-е и 12-е ипсилатеральные ребра и фрагмент подвздошной кости), возможность вариабельного расположения костей как относительно друг друга, так и модели почки, наличие тактильного ощущения при пункции тканей различной плотности, а также возможность его использования как с УЗИ, так и с C-дугой. В литературе описаны различные способы изготовления тренажёров, которые соответствуют некоторым из перечисленных пунктов. В литературе имеется множество работ по созданию таких тренажёров, которые следует разделять исходя из основного принципа их реализации: симуляторы на основе виртуальной реальности, биологические с использованием животных тканей и органов, и небиологические с применением различных материалов для имитации человеческих тканей и полостной системы почки.

Большим преимуществом симуляторов на основе виртуальной реальности является отсутствие необходимости использования реальной С-дуги и возможность отработки пункции почки при различных сценариях, качественно подготавливая обучающихся к реальной практике без ущерба здоровью человека. Ярким примером данной группы тренажёров является PERC Mentor Suite («Simbionix» Ltd., Beit Golan, Airport City, Israel) [8]. Однако высокая стоимость оборудования и ограниченный реализм делают его менее привлекательной альтернативой в практической деятельности.

Описание тренажёров с применением животных органов в основном сконцентрировано на использовании свиных почек в связи с мультичашечным строением их ЧЛС. W.L. Strohmaier et al. [9] описали формирование такого тренажёра с помощью забора свиных почек с окружающими структурами забрюшинного пространства. Помимо этого, полость почки вскрывалась для помещения образца камня, что позволило отрабатывать все шаги ПНЛ с помощью флюороскопии. Также описываются более сложные методы формирования биологических тренажёров. Так, L. Hammond et al. [10] помещали свиную почку с размещённым в ней камнем в курицу. Через мочеточниковый катетер вводился контраст в полостную систему почки для её визуализации под рентгеноскопией для выполнения пункции, расширения тракта и введения кожуха. Также с помощью данной модели была возможна отработка нефроскопии, дробление камня и удаление его фрагментов. Всю процедуру можно было повторить на одной модели 3 раза. Из описания биологических моделей видны их преимущества и недостатки. Использование живых тканей лучшим образом имитирует сопротивление иглы при выполнении доступа на человеке. Тем не менее, такие тренажёры требуют бережного сохранения их целостности, что обуславливает их недолговечность.

Решением проблем при использовании симуляторов на основе виртуальной реальности и биологических тренажёров является создание различных небиологических модификаций. Они просты в сборке, структурно вариабельны и обеспечивают их использование на протяжении нескольких месяцев при адекватном хранении. Однако данные преимущества реализуются в ущерб их соответствию человеческой анатомии.

Одной из наиболее реалистичных, на наш взгляд, является работа S. Ali et al. [11], формирующая модель тела и почки с помощью силикона 10 Шор и по плотности приближенных к реальным тканям человека на протяжении пункционной иглы. Также в модель тела размещались костные ориентиры в виде 11-го и 12-го рёбер, позвонков тораколюмбарного отдела, фрагмент подвздошной кости. Модель была протестирована с помощью флюороскопии и УЗИ, что подтверждает её полезность в обучении молодых специалистов. Тем не менее, повреждение силикона и невозможность его повторного использования, а также невозможность корректировать положение костных ориентиров ограничивает использование такого тренажёра в планировании каждой ПНЛ и ежедневном обучении в связи с необходимостью повторного приобретения силикона и затрат времени для изготовления почки.

Более простой в изготовлении является модель T. Aro et al. [12], использующих технологию трёхмерной печати для создания формы с контуром поясничной области человека и размещением внутри неё растворимой печатной модели полостной системы почки. В качестве наполнителя поясничного тела использовался желатин, после застывания которого производили растворение полости почки. Возможность повторного использования желатина обусловливает дешевизну данного тренажёра и возможность его быстрого повторного изготовления, однако использование 3D-печати полости почки с помощью растворимых полимеров является лимитирующим фактором, что увеличивает продолжительность процесса изготовления. Помимо этого, отсутствуют костные ориентиры и отдельный канал в полость почки, что снижает реалистичность тренажёра и нивелирует возможность проведения ретроградной нефроскопии как отдельно, так и для оценки перкутанной пункции.

Ещё более доступным является формирование полости почки из одноразовой перчатки, размещённой в прямоугольную полость с заливкой из желатина, что описано в работе R. Septian et al. [13]. Также авторы размещали макет 12 ребра для улучшения имитации планирования пункционной точки. Тем не менее, отсутствие качественной имитации реальной анатомии ЧЛС почки и прямоугольная форма всего тренажёра негативно влияют на схожесть тренировки с реальной операцией.

Из вышеприведенных примеров очевидно, что увеличение схожести с реальной анатомией человека идёт в ущерб стоимости и времени производства таких тренажёров. Чем проще подход в имитации почки с полостью, тем менее такая модель отображает реальную анатомию.

Для устранения таких недостатков в данной статье использован ряд решений. Во-первых, использование материала описанного состава для заливки позволяет получать достаточный объём без ущерба его реутилизации. Во-вторых, контур тренажёра в виде поясничной области человека и использование 11-го и 12-го ипсилатеральных рёбер и фрагмента подвздошной кости с их мануальным расположением на медиальной стенке отображает реальную анатомию конкретного пациента. Более того, данные структуры могут быть размещены произвольно как по отношению друг к другу, так и по отношению к силиконовой почке, что искусственно изменяет сложность такой тренировки и подготавливает обучающихся к различным сценариям. Использование различных по плотности материалов для заливки тела и изготовления почки более надежно обеспечивает уролога обратной тактильной связью во время пункции. В-третьих, использование розового силикона для изготовления почки и использование катетера достаточного диаметра для имитации мочеточника делает возможным проведение ретроградной нефроскопии, что может быть использовано для контроля и оценки пункции, что продемонстрировано в нашей работе. Вышеперечисленные решения обеспечивают не только тренировку пункции, но и последующих шагов имитации ПНЛ.

Несмотря на описанные преимущества, данный тренажёр имеет и недостатки. Формирование силиконовой почки является лимитирующим фактором, так как после необратимых повреждений требуется новое её изготовление, которое занимает примерно 12 часов. Ткани между кожей и почкой представлены гомогенным желатином, что не отображает тактильную обратную связь при прохождении иглы через фасции и мышцы. В описанной модели почки отсутствуют искусственные сосуды, что не позволяет оценить повреждение артерий при тренировке пункции. Несмотря на эти недостатки, результаты работы подтверждают оправданность использования модели как для тренировки молодых специалистов, так и для подготовки опытных урологов к различным сценариям ПНЛ.

Заключение

Описанный и апробированный способ формирования тренажёра пункции почки позволяет развивать необходимые навыки, является экономичным решением для восполнения недостаточного опыта у молодых специалистов для самостоятельного выполнения данной процедуры, а использование ретроградного контроля пункции и мобильной навигации при определении отдельных частей полости почки подчёркивает ошибки врача во время тренировки, повышая качество всего обучающего процесса.