多功能醫療后送模擬訓練裝置的設計與應用

馮小霞，甄麗華，朱益飛，王康康，左效艷，董 燕

（聯勤保障部隊第960醫院，濟南250031）

0 引言

現代高技術戰爭條件下，快速反應、立體救護、聯合后送成為戰場救治的主要模式。隨著我軍裝備水平、后勤保障能力的提高及戰爭特點的變化，救治機構必須建設一支適應現代戰場需求、戰救技術過硬的高素質護理隊伍。野戰救護實戰化訓練是提高護理隊伍戰時適應、快速反應、準確施救與安全后送等衛勤保障能力的必要途徑。由于現場地面急救與野戰救護車、搜救直升機運送途中的緊急救治有所不同，尤其是嚴酷的后送條件對救護人員會產生不同程度的心理壓力，加之后送過程中會遇到各種復雜路況及空中氣流等引起的顛簸、晃動等狀況，這些因素都給救護工作帶來很大挑戰，從而影響護理人員的后送綜合能力[1-2]。據報道，國外空運后送人員參與轉運任務前，必須經過嚴格的適應訓練和專業培訓[3]，從而保證一旦出現需要轉運的危重患者，能夠及時有效應對。因此，醫療后送對護理人員的應急能力、應變能力和專業技能提出了更高的要求[4-5]。如何提高戰場醫療后送過程中傷員的救治成功率，需要在平時加大實戰化訓練力度。然而飛行模擬器研制精密復雜、價格昂貴，很難普及應用；野戰救護車裝備精良、需專人駕駛，平時也不能隨意動用。近年來，國內雖有學者研制了動態模擬訓練平臺及電動蕩板床，然而其外觀較為簡單、功能單一，無法按照救護車及搜救直升機艙內布局放置急救物品及器材，難以實現后送途中連續性救治技能訓練，如心肺復蘇、電除顫、心電監護等[6-7]。本文結合實際需求，研制一種更加貼近實戰化救治模式的動態模擬訓練裝置，能夠有效滿足護理人員針對不同后送載體的動態特點與傷員傷情處置特點等進行連續性動態救治訓練，從而縮小平戰差距，提高護理人員的救護技術水平、保障傷員安全，具有非常重要的軍事意義。

1 設計思路

直升機、救護車運送環境中，影響護理人員技術操作的主要因素是振動、顛簸、傾斜等運動位移效應。振動對人體的影響程度取決于振動的頻率、振幅、速度、加速度、作用時間及機體功能狀態，而振動會通過引起視覺功能下降而影響操作。直升機的振動頻率大于救護車，救護車振幅大于直升機。救護車的振幅主要由路況決定，而直升機的振動以來自主轉子葉片的旋轉為主，此外，發動機、齒輪箱、傳動系統和尾翼轉子葉片也可產生較大的振動。為滿足實戰化條件下護理人員在嚴酷后送環境中的綜合救護訓練需要，本研究根據不同后送工具的振動及振幅特點，自行設計一套模擬戰時后送載體（搜救直升機、野戰救護車）的多功能醫療后送模擬訓練裝置，通過逼真模擬空中、地面不同運送載體的動態環境及空間大小，對醫院護理人員實施動態環境下的救護技術系統化訓練。本裝置參照國家軍用標準等相關數據[8]，并結合實際后送環境需求，選取相應輸入參數，通過高頻六自由度并聯裝置使訓練裝置達到前后左右平移、前后俯仰、左右傾斜、上下升降、速度改變與振動等直升機、救護車運送傷員時的不同運動狀態。

2 設計

2.1 組成

訓練裝置主要由硬件部分與軟件部分組成。硬件部分包含上、下平臺和高頻六自由度并聯裝置，軟件部分包含控制系統及計算機、控制器。上平臺由操作臺、傷員臺、護欄、固定裝置及物品臺等組成，操作臺安裝在下平臺與高頻六自由度并聯裝置上方，傷員臺安裝在操作臺上方，操作臺和傷員臺的尺寸、高度、質量等參照野戰救護車、搜救直升機的實際空間需求確定；下平臺為固定底座；高頻六自由度并聯裝置由電動缸、連接桿、交流伺服電動機組成，固定在上、下平臺之間。訓練裝置示意圖及實物圖如圖1~3所示。

圖1 多功能醫療后送模擬訓練裝置結構示意圖

圖2 多功能醫療后送模擬訓練裝置實物圖

圖3 多功能醫療后送模擬訓練裝置內部示意圖

2.2 硬件設計

訓練裝置通過高頻六自由度并聯裝置借助6個電動缸的伸縮完成上平臺在6個自由度（X、Y、Z，α、β、γ）的運動，從而模擬出各種空間運動姿態。電動缸頂部通過虎克鉸與連接桿的底部連接，連接桿的頂部通過虎克鉸與上平臺連接。高頻六自由度并聯裝置固定設置于下平臺上，上平臺固定設置于操作臺底部的固定板下，環繞操作臺設有防護架。

上平臺是有效載荷的安裝基面，可通過高頻六自由度并聯裝置實現位移運動。操作臺長3 000 mm、寬2 000 mm，護欄高度為1 000 mm，可同時容納3~4人，并放置必要的救護設備。操作臺上面的傷員臺長1 800、寬600、高450 mm，可容納1名傷員。訓練裝置自檢系統根據讀取陀螺姿態數據作為反饋，可實現上平臺的水平自平衡。

下平臺是高頻六自由度并聯裝置的安裝基面，需要有足夠的強度和承受足夠大的沖擊力，承重載荷1 600 kg。電動缸與下平臺的固定點（指固定螺帽的位置）位于半徑為0.85 m的圓上，且連接相鄰的固定點構成固定點規則六邊形；電動缸與下平臺之間構成的夾角為40°~60°，電動缸與固定點短邊（指螺帽旁邊的短軸，長度為0.17 m）的中軸線之間構成的夾角為40°~60°。連接桿與上平臺的鉸接點位于半徑為0.85 m的圓上，且連接相鄰的鉸接點構成鉸接點規則六邊形。6個電動缸可在缸軸向方向作線性移動，以此來實現上平臺的協調運動。

2.3 軟件設計

2.3.1 控制系統

控制系統包括上位機軟件和微控制器軟件兩部分。上位機軟件基于實時操作系統設計，主要進行運動指令的發送以及系統狀態的監控，由運動控制模塊、通信模塊、檢測程序模塊、用戶接口等組成，可進行升級及二次開發。微控制器軟件基于嵌入式操作系統設計，主要進行平臺模型運算，通過運動模式的動作采集、數據編輯，可以生成直升機、救護車2種模式在不同條件下的動作姿態與運動過程。

運動路徑編輯所用工具為Visual Studio，采用倍福TwinCAT 3.1主站平臺，主站內置Windows 7專業版操作系統。在編輯運動位姿規劃時要做相應的動作分析，結合搜救直升機振動頻率快、振幅小，野戰救護車振動頻率慢、振幅大的運動特點，每個運送載體設有至少5套連續性運動模式，每套直升機運動路徑包含在空中起飛、下降、傾斜、振動等位姿變化，救護車運動路徑包含在野外不同路況的顛簸、轉彎、上坡、下坡、急停等動作軌跡。將基本動作作為一組動作文件，同時加入隨機動作，然后將這些離散的動作點通過5次非均勻B樣條擬合成一條連續的曲線。對于得到的5次非均勻B樣條曲線依次求導，分別得到平臺運動軌跡的速度、加速度和加速度曲線。將所有6個自由度的動作曲線都規劃好后需要進行實時的精插補，才能獲得逼真的運動效果。

2.3.2 操控裝置

操制裝置由1臺計算機及控制器組成，可控制訓練器的各項運動狀態，并能提供不同運送載體的單個動作與多套動態模式組合以備選擇。其中控制器由運動控制計算機（主控制器）、全數字電動機驅動器、數字輸入輸出模塊、CAN（controller area network）總線通信模塊、嵌入式操作系統、控制軟件和監控軟件等組成。

2.3.3 系統控制原理

來自上位機平臺姿態的狀態信號（3個位移量X、Y、Z和俯仰角α、傾側角β、轉向角γ）經過下位機計算機通信接口進入計算機進行平臺模型運算，并經D/A轉換成6臺伺服缸的指令信號，通過伺服控制器求得采樣時刻上平臺在運動過程中的實際姿態（3個位移量、3個轉角）。編碼器反饋信號的解算，經高速采集至計算機完成數據計算，并實施數字式閉環控制，使6臺電動缸同時協調動作構成平臺運動的瞬時姿態，以保證連續性運動的精度。

2.4 技術指標

訓練裝置有效載荷為1 000 kg，總載荷為1 600 kg（含平臺自重）。訓練裝置的運動參數：姿態為俯仰（α）、滾轉（β）、偏航（Y）時，位移均為±25°、速度均為±20°/s、加速度均為±50°/s2；姿態為垂直升降（Z）時，位移為±250 mm、速度為200 mm/s、加速度為±0.3g；姿態為縱向位移（Y）或側向位移（X）時，位移均為±200 mm、速度均為200 mm/s、加速度均為±0.3g；振動頻率：0～10 Hz（直升機>救護車）；振幅：10～200 mm（救護車>直升機）；行程回差：≤0.5 mm；漂移量：連續運行12 h以上，任何一個電動缸的位置漂移不超過0.000 25 m。

3 使用方法

首先打開連接電源線的總開關，按順序啟動全數字電動機驅動器、主控制器；打開顯示器，根據訓練需要選擇直升機模式或救護車模式，并進行運動模式的選擇，點擊“啟動”，訓練裝置啟動升高到達中位點，再點擊“運行”，平臺按路徑運行后，即可開始訓練。運動過程中可以手動暫停和繼續運動，在一套運動結束后（運行15 min），平臺自動降回水平零位。

4 應用效果

4.1 對象及方法

組織護理人員應用多功能醫療后送模擬訓練裝置進行救護技術分組訓練，分為直升機組與救護車組，每組24人。直升機組平均年齡（33.17±6.25）歲、工作年限（10.42±6.26）a，救護車組平均年齡（33.83±5.52）歲、工作年限（11.42±5.86）a，2組間比較無明顯統計學差異（P>0.05）。2組護理人員分別選擇直升機、救護車的后送模式，配合運行模式及模擬器噪聲進行適應性訓練。在適應性訓練前，2組護理人員分別在直升機、救護車訓練模式上進行靜脈留置針輸液技術操作。之后實施靜脈留置針輸液技術專項練習2周，每日訓練時間不少于4 h，根據訓練裝置的搖擺、振動特點，采取不同的穩定姿勢，如單膝、雙膝跪姿，提高訓練者身體的平衡能力。采用單手推針法，根據訓練裝置的動態特點選擇合適的穿刺時機。訓練場景如圖4所示。

圖4 靜脈輸液技術訓練場景

4.2 評價指標

通過觀察2組護理人員在訓練裝置上的適應性、穩定性與穿刺成功率以及操作用時，分別比較2組訓練前后護理人員在動態條件下操作能力的變化。

適應性指護理人員在訓練裝置上的身心適應程度，分為良好、一般、較差3個等級。良好為未出現身體不適癥狀，無緊張、害怕、恐懼等心理反應；一般為身體出現輕微不適癥狀（如手心出汗、腿發抖、心慌、頭暈等），或有輕度緊張、害怕、恐懼等心理反應，但不影響操作；較差為身體出現明顯不適癥狀（如頭痛、頭暈、心慌、惡心、嘔吐等），或有明顯緊張、害怕、恐懼等心理反應，對操作影響較大。本文的適應性是指適應良好率，即適應性良好人數/訓練人數×100%。

穩定性指護理人員在訓練裝置上保持自身穩定的程度，分為良好、一般、較差3個等級。良好為身體能夠保持平穩，與訓練裝置的動態協調較好；一般為身體基本能夠保持平穩，與訓練裝置的動態協調有點困難，但對操作影響不大；較差為身體很難保持平穩，與訓練裝置的動態協調比較困難，對操作影響較大。本文的穩定性是指穩定良好率，即穩定性良好人數/訓練人數×100%。

穿刺成功率指護理人員在訓練裝置上實施靜脈留置針穿刺的效果。本文的穿刺成功率是指一次性穿刺成功次數/穿刺總次數×100%。

操作用時指護理人員在訓練裝置上完成靜脈留置針技術操作所用的時間。本文的操作用時是指從洗手開始至穿刺后整理用物完畢終止。

4.3 統計學方法

采用SPSS 18.0作為統計學分析軟件，計量資料組內前后比較采用配對t檢驗，計數資料組間比較采用χ2檢驗，P<0.05表示有統計學差異。

4.4 結果

經過2周動態條件下的適應性訓練，在同一環境下進行測試，救護車組訓練后護理人員的適應性、穩定性與穿刺成功率明顯優于訓練前，差異具有統計學意義（P<0.01、P<0.01、P<0.05）；直升機組訓練后護理人員的適應性、穩定性、穿刺成功率明顯優于訓練前，操作用時也明顯短于訓練前，差異具有統計學意義（P<0.05、P<0.05、P<0.01、P<0.01）。詳見表1、2。

表1 救護車組靜脈輸液訓練前后護理人員動態操作能力比較（n=24）

表2 直升機組靜脈輸液訓練前后護理人員動態操作能力比較（n=24）

5 結語

現代戰爭環境下，戰傷救治需要更高效的救治體系、過硬的救治技術及有序的后送保障，而過硬的技能、良好的心理素質及適應能力是保障戰場救護質量的關鍵[9]。多功能醫療后送模擬訓練裝置投入使用后，通過對醫院護理人員實施動態救護技術常態化訓練，一方面使受訓人員真實體驗后送環境因素對救護人員帶來的不利影響，認識到在噪聲、振動、顛簸、傾斜等狀態下確保傷病員的安全和充分保持自身平衡穩定的重要性，從而增強護理人員對動態運送載體復雜環境的身心適應能力；另一方面，根據醫療后送原則，區分優先處置和常規處置技術項目，不斷優化動態環境下的技術流程，對靜脈輸液、心肺復蘇、氣管插管等救護技術進行反復強化訓練，可以大大縮短操作時間、提高處置成功率，有利于提高救護人員在戰時復雜惡劣條件下的醫療后送能力及護理人員在復雜后送環境中的適應能力及醫療救護效能，為全面開展群眾性戰傷救治訓練及進行醫療隊（空運）人員適應性選拔奠定基礎。

本裝置模擬逼真、經濟方便，為平時護理人員實施空中、車輛動態環境下的救護技術系統化訓練提供了條件。但因本裝置受放置條件及平臺高度限制，平臺空間為開放式，在研發二代產品時將結合運送載體的操作空間大小設計為逼真的密閉式空間并增加噪聲的實時影響，使訓練裝置更加接近真實運送環境。