脊柱外科術中體感誘發電位監護的模擬訓練系統開發*

徐晗輝 徐圣普 謝小波 崔紅巖 李佳寧 胡 勇②*

脊柱外科術中體感誘發電位監護的模擬訓練系統開發*

徐晗輝①徐圣普①謝小波①崔紅巖①李佳寧①胡 勇①②*

目的：開發一個由模擬人體和系列體感誘發電位(SSEP)訓練數據的虛擬訓練系統，有效地提高受訓者的操作技能和臨床技巧。方法：對30例脊柱側彎病患者進行跟蹤手術，采集體感誘發電位信號，提取典型的體感誘發電位信號和噪聲數據，開發一個虛擬的訓練系統對電生理技師的監護操作進行評價。結果：該系統可通過檢測SSEP電極安放的位置產生不同的信號，在評判不同信號輸出后訓練者需根據自己的經驗對信號正常與否以及異常的原因進行判斷。結論：本研究使用的SSEP信號均為實際信號的合成，其結果與實際情況相符，具有很強的現實指導意義。

虛擬系統；體感誘發電位；信號發生器；邏輯控制

[First-author’s address] Institute of Biomedical Engineering, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College Tianjin 300192, PR China.

模擬訓練系統最早出現在飛行員的培訓中，并由美國軍隊將模擬訓練的思路引入到了醫學訓練中。最早的醫學模擬訓練系統是由挪度(Laerdal)公司開發的人工呼吸模擬訓練器，此后模擬訓練設備開始在臨床技師和醫生的培訓中發揮重要作用。模擬訓練設備可有效地提高受訓者的操作技能和臨床技巧，如電除顫模型可以有效地讓受訓者對患者進行心肺復蘇訓練，尤其是計算機輔助技術和虛擬現實技術的應用，給予了模擬訓練系統更多的功能作用[1-3]。

美國國家手術質量改善計劃(National Surgical Quality Improvement Program)2011年的調查報告顯示，在脊柱外科手術中有0.3%的患者術后死亡，7.6%的概率會發生急性神經系統并發癥[4]。近年來，雖然有新的手術方案進入臨床，但仍不能消除此類風險[5-7]。

基于體感誘發電位(somatosensory evoked potential，SSEP)的脊神經監護儀已經在脊椎手術中廣泛使用，以避免脊髓損傷和術后脊神經并發癥[8-12]。然而，對監護儀操作的電生理技師的培訓卻未能跟上儀器普及的步伐。電生理師除了需要了解不同的影響因素對SSEP信號的影響，還應知曉醫生手術的操作過程，方能在SSEP信號異常時給予手術操作者以指導性意見。訓練有素的脊髓監護團隊在手術中能夠起到重要的作用，可以呈現可靠性更高、信號質量更好的SSEP信號[12-14]。為此，本研究開發一套用于訓練脊神經監護人員的虛擬系統，可使接受訓練者熟悉操作且認識不同因素對SSEP信號所造成的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2012年香港大學根德公爵夫人兒童醫院30例脊柱側彎的患者，對其進行脊柱矯形手術中SSEP的監測，其中男性與女性比例為1∶1；年齡20～60歲。術中SSEP信號作為本研究的數據庫。不同的信號模板包括了不同的潛伏期值、幅值和信噪比情況，并由一位資深的電生理專家進行篩選評判[15-16]。

1.2 系統數據采集

體感誘發電位信號采用美國尼高力公司生產的體感誘發電位檢測系統采集，一對位于足內側脛后神經的貼片電極作為刺激電極。刺激電流的大小以引起腳趾輕微運動的最小電流，一般為10～30 mA。刺激脈沖的頻率為5.7 Hz，每次刺激持續時間為300 ms，記錄信號采樣頻率為5 kHz。信號通過5～1000 Hz中的帶通濾波器，每個顯示波形由100次實測波形疊加而成，以去除環境干擾。

1.3 虛擬訓練系統設計

該系統由上位機和模擬人兩個部分組成，其中模擬人包括人體模型和信號發生器模塊，將信號發生器模塊放入人體模型的空腔。在實施訓練時需配合體感誘發電位儀使用。上位機預設標準波形輸出，讓接受訓練者找到最佳的檢測位點。然后，通過上位機控制模擬人輸出特定的變異信號，信號經由體感誘發電位監護儀上的接收電極上傳至監護儀顯示，使訓練者分析信號的情況以及成因，并根據輸出信號進行必要的操作處理。

在訓練中，訓練者先將刺激電極安放至正確的位置，并正確使用SSEP監護設備；隨后找到信噪比最高的檢測位點；最后根據信號的變化情況找出原因。在SSEP監護儀發出刺激脈沖后CPU板會自動評判參考電極是否連接完好。在滿足了刺激電極安放準確和參考電極正確安放兩個條件后，安放在模擬人內部的信號發生器會發送信號。

(1)電極設計。在設計整體系統之前信號發生器的信號發送端設計十分重要，每個發送端由3個導電橡膠制成的同心圓環(A、B、C)組成，每個環帶寬度為0.4 cm，各環帶間用絕緣涂層分離(如圖1所示)。

圖1 信號發送端放大同心圓環圖

(2)模擬人設計。根據系統的設計需求，模擬人體系統還應該包括上位機軟件和無線通訊模塊。在模擬人體上，共安放有6個電極(如圖2所示)。在使用中需要根據不同的檢測目的選擇不同的刺激部位和檢測位點。對左上肢和(或)下肢進行刺激時檢測位點為C4’；對右上肢和(或)下肢進行刺激時檢測位點為C3’；而對脊髓直接刺激時檢測位點為Cz。本研究中僅以刺激位點為右下肢，檢測位點為C3’進行說明。

圖2 模擬人以及電極擺放圖

(3)模擬訓練系統邏輯設計。系統設計如圖3所示。

圖3 模擬訓練系統邏輯圖

在圖3的“接觸不良1”中，檢測電極未接觸到圖1中所示3個區域，刺激電極接觸不良好時脊髓監護儀中只能顯示環境噪聲，在這種情況下放大器輸出為飽和的信號。若電極3接觸良好，則有A2、B3、C4三種情況，分別對應了圖1中的A、B、C三個區域。檢測電極位于圖1的A、B、C三個區域會呈現不同的信噪比和信號幅值，其中A區域信噪比最高信號幅值最大，C區域信噪比最低信號幅值最小，B區域居中。訓練者應先找到目標位點即找到檢測電極接收端對應的A區域，在A區域內有可能會檢測到如圖3所示的標準信號(2.1)、環境噪聲過大(2.2) 和脊髓損傷(2.3)三種信號，訓練者根據所顯示的信號波形進行分析，找出信號與標準信號差別的原因。

2 結果

本研究對該系統進行了檢測，其中刺激位點為右下肢足內側脛后神經，檢測位點為圖2中的1號位點的情況。

在標準信號輸出時圖3中A2、B3、C4三種情況的信號比較結果如圖4所示。

圖4顯示，黑色線條擁有最高的信噪比，信號質量良好；紅色線條顯示有效信號幅值非常小，幾乎不能辨別；位于綠色線條質量居中。這一結果符合臨床實際情況。由于皮膚阻抗阻值較大，較小的位點差別會造成信號的質量下降，因此找到A區域信號的標準信號是獲得高質量信號的前提。

在圖2的1號位置檢測到圖3中A2的2.1、2.2和2.3情況的信號比較結果如圖5所示。

圖5顯示，黑色曲線擁有最高的信噪比和幅值；綠色曲線含有較多高頻干擾，但是相對黑色曲線無潛伏期和幅值的改變；而紅色曲線相對于黑色曲線有明顯的幅值降低和潛伏期的延長。對于高頻噪聲的出現(綠色曲線的情況)，較有可能的原因是骨科鉆、電刀類的儀器、或手術室電路接地不良而造成。此時，應該盡量辨認波形，如果噪聲過大，且手術區域為敏感區域，應要求這些儀器間隔使用，以方便進行檢測。而醫源性的影響會令信號突然變小，甚至消失，波形的潛伏期也會有所延長(紅色曲線的情況)，此時應及時停止手術，并對手術操作進行檢查。

在臨床實際操作中，有許多因素會影響到體感誘發電位的信號，包括患者的體溫、血壓、心律，麻醉情況及刺激頻率等[13，17]。本研究中實驗數據采集盡量避免了這些因素，即使如此，在手術過程中也會出現在無脊髓觸碰情況下的SSEP信號的變化。因此，從模擬人中發出的信號是經由篩選后的信號。該系統可以在不同的檢測位點輸出不同的信號，而本研究只考慮了從右側下肢刺激的情況。同時，模擬人內的信號發生器也可輸出其他類型的信號對訓練者進行訓練。

3 結論

在脊神經手術過程中，神經電生理扮演著非常重要的角色，本研究開發的一套針對SSEP信號監護的虛擬訓練系統，可以根據不同的情況和要求提供不同的信號輸出，使用的信號均為實際信號的合成，與實際情況相符，具有很強的現實指導意義。但是該項訓練并不能完全代替實際的臨床訓練，臨床上出現的情況和可變因素更多，訓練者仍然需要進一步的臨床實踐。同時，該系統在實踐應用中仍有許多需要改進的地方有待進一步研究。

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Development of a virtual training system for intraoperative somatosensory evoked potential monitoring

XU Han-hui, XU Sheng-pu, XIE Xiao-bo, et al// China Medical Equipment,2015,12(1):2-5.

Objective: To develop a modeling-based human body and a series of training dataset of somatosensory evoked potential (SSEP). Methods: In this study, 30 scoliosis patients underwent correction surgery were recruited to collect intraoperative SSEP signals. Based on those SSEP dataset, various noises and failures simulation were generated by a contaminated interference or signal reduction. Results: We developed a virtual training system to perform an online assessment of intraoperative SSEP monitoring operation. Using this system, the connection of the electrodes will be evaluated, so that the outcomes of SSEP monitoring will be simulated with various kinds of signals. After identifying the different kinds of output, the trainee can be trained by own practice, while the monitoring skill can be evaluated by the system. Conclusion: This virtual training system can be used as a training tool in medical school, as well as clinical training centre, which improve the skill of electrophysiological test and intraoperative SSEP monitoring.

Virtual training system; Somatosensory evoked potential; Signal generator; Logical control

1672-8270(2015)01-0002-04

R681.5

A

徐晗輝,男,(1990- ),碩士研究生。中國醫學科學院北京協和醫學院生物醫學工程研究所，研究方向：神經電生理信號采集分析，呼吸信號提取算法。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.01.001

2014-09-15

國家自然科學基金(81301287)“體感誘發電位中脊髓功能監護異常邏輯判別準則的研究”；國家自然科學基金(81271685)“基于電刺激誘發體感事件相關點位(ERP)的腦機接口新方法”；國家科技支撐計劃(2012BAI16B03)“腦-機接口中的微弱信息采集技術及產品開發”

①中國醫學科學院北京協和醫學院生物醫學工程研究所 天津 300192

②香港大學矯形及創傷外科學系 香港 999077

*通訊作者：yhud@hotmail.com