心肺復(fù)蘇模擬人研究現(xiàn)狀

靳 杰，董文龍，樊毫軍，侯世科，范 斌

（天津大學(xué)災(zāi)難醫(yī)學(xué)研究院，天津300072）

0 引言

心臟驟停是重要的公共衛(wèi)生問題[1]。美國每年約有50萬人死于心臟驟停[2]，歐洲每年約有30萬人發(fā)生院外心臟驟停，我國每年有54.4萬人死于院外心臟驟停[3]。研究表明，患者在發(fā)生心臟驟停3~5 min內(nèi)接受有效的心肺復(fù)蘇，存活率可以達(dá)到49%～75%。每延遲1 min實施心肺復(fù)蘇，患者的生存率就會下降7%～10%[4]。因此，當(dāng)患者發(fā)生心臟驟停時，及時的心肺復(fù)蘇才能挽救其生命。我國心肺復(fù)蘇術(shù)普及率低，只有不到1%的人接受過心肺復(fù)蘇培訓(xùn)，而“全民參與”才能提升我國心肺復(fù)蘇術(shù)的普及率[5]。研究顯示，急救人員缺乏對理想心肺復(fù)蘇操作的準(zhǔn)確性把握[6]，臨床畢業(yè)生在實際操作上存在按壓姿勢不正確、按壓深度不達(dá)標(biāo)、氣道開放不完全等問題[7]，而普通大眾對心肺復(fù)蘇操作方法掌握得更少。若要提高心肺復(fù)蘇的普及率及心臟驟停患者的存活率，心肺復(fù)蘇培訓(xùn)是必不可少的，而進(jìn)行有效的培訓(xùn)，培訓(xùn)工具又是不可或缺的，心肺復(fù)蘇模擬人是進(jìn)行心肺復(fù)蘇培訓(xùn)的重要工具。

醫(yī)療模擬人培訓(xùn)是一種利用模擬技術(shù)建立仿真模擬人的臨床情景來代替真實患者進(jìn)行臨床教學(xué)實踐的醫(yī)療培訓(xùn)。關(guān)于心肺復(fù)蘇模擬人目前尚無明確定義，就其內(nèi)涵而言，是指用來學(xué)習(xí)心肺復(fù)蘇基本知識，并提供培訓(xùn)考核的形似人體的醫(yī)學(xué)模型。其內(nèi)部集成多種傳感器，用于監(jiān)測并反饋按壓深度、頻率等心肺復(fù)蘇參數(shù)指標(biāo)信息，在力學(xué)結(jié)構(gòu)和觸感上接近真實人體。受訓(xùn)者在心肺復(fù)蘇模擬人身上能夠操作胸外按壓、氣道開放、通氣等心肺復(fù)蘇的基本步驟，通過反饋，了解自己的錯誤并改正，從而掌握心肺復(fù)蘇的關(guān)鍵技能。雖然心肺復(fù)蘇模擬人與真實患者相比具有很大差異，但是其已經(jīng)成為不可替代的培訓(xùn)工具。心肺復(fù)蘇模擬人具有視覺的直觀性、操作的可重復(fù)性、考核的客觀性等優(yōu)點，在培訓(xùn)過程中能夠顯著提高教學(xué)效果[8]。我國心臟驟停患者多，復(fù)蘇率低，亟須改變目前心臟驟停患者生存率低的現(xiàn)狀，故需要高質(zhì)量的心肺復(fù)蘇模擬人。現(xiàn)將國內(nèi)外心肺復(fù)蘇模擬人的研究情況綜述如下。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

模擬人的出現(xiàn)給人類的研究帶來了許多便捷性。例如，在汽車領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域，模擬人被用來當(dāng)作人類的替身，評估系統(tǒng)的安全性和可靠性。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，模擬人用于醫(yī)學(xué)教育培訓(xùn)，使得理論知識變?yōu)閷嵺`，提升了專項技能。20世紀(jì)60年代，被譽為現(xiàn)代心肺復(fù)蘇之父的美國匹茲堡大學(xué)麻醉系教授Peter Safar研發(fā)了最早的用于心肺復(fù)蘇培訓(xùn)的模擬人——復(fù)蘇安妮[9]，但限于當(dāng)時的技術(shù)和認(rèn)知水平，該模擬人所能給予的反饋只是在吹氣時胸部隆起，而對于按壓深度、頻率和按壓位置等信息并沒有反饋，受訓(xùn)者無法及時了解自己對心肺復(fù)蘇術(shù)掌握的程度，所以在培訓(xùn)方面的應(yīng)用效果不是很明顯。隨著計算機、微電子、材料等學(xué)科的發(fā)展，模擬人的研究領(lǐng)域也在逐步深入，目前的模擬人不但在力學(xué)結(jié)構(gòu)、皮膚觸感上更加接近真人，而且其反饋參數(shù)指標(biāo)也在逐步增加。

1.1 國外

1.1.1 實物產(chǎn)品

德國3B公司設(shè)計的心肺復(fù)蘇模擬人（如圖1所示）[10]附有電子顯示裝置，是集訓(xùn)練、監(jiān)視、分析和匯報于一體的心肺復(fù)蘇反饋模擬人。該模擬人能夠監(jiān)測心肺復(fù)蘇期間按壓深度、按壓頻率、胸廓回彈情況、通氣情況和按壓間隙。受訓(xùn)者若只想練習(xí)胸外按壓操作，還可以從傳統(tǒng)的心肺復(fù)蘇訓(xùn)練切換為“僅壓縮”心肺復(fù)蘇術(shù)模式。該模擬人頸部具有動脈脈搏機制，心肺復(fù)蘇成功時，能夠通過脈搏機制感受到模擬人脈搏狀態(tài)的恢復(fù)。挪威Laerdal公司設(shè)計了一款QCPR（高級復(fù)蘇安妮）模擬人（如圖2所示）[11]，具有實時反饋裝置，反饋的內(nèi)容包括受訓(xùn)者按壓深度、按壓頻率、胸廓回彈情況和通氣情況，在結(jié)束測試以后受訓(xùn)者可以通過反饋裝置及時了解自己的操作是否合格，若不合格可以通過反饋模塊及時了解操作不當(dāng)?shù)牡胤剑l(fā)現(xiàn)不足之處。高級復(fù)蘇安妮還能夠模擬多種病例，并能夠?qū)崿F(xiàn)氣道管理、實時除顫、實時心電圖監(jiān)測等功能。日本株式會社JAMY心肺復(fù)蘇模擬人（如圖3所示）[12]同樣也是在其體內(nèi)集成了多個傳感器，當(dāng)受訓(xùn)者對模擬人進(jìn)行心肺復(fù)蘇操作時，能及時獲取按壓深度、頻率、通氣時間等反饋信息，通過評估分析反饋，讓訓(xùn)練者實時了解培訓(xùn)效果。美國納斯公司的成人CRiSis急救模擬人不僅能夠進(jìn)行傳統(tǒng)心肺復(fù)蘇培訓(xùn)，還能夠培訓(xùn)氣道管理、血壓測量、除顫和靜脈注射技術(shù)。在心肺復(fù)蘇培訓(xùn)中，受試者可以通過與模擬人相連的平板計算機觀察和控制模擬人的情況。美國戈瑪?shù)赂叨酥悄苣M人[13]不僅能夠提供心電、心音、血壓、脈搏、呼吸等信號，還能夠提供呼吸、心電圖、血氧等監(jiān)測信息，具有監(jiān)護、除顫等功能。該模擬人的各項功能完善，可以模擬多種急救相關(guān)的病例，但是價格昂貴，高達(dá)幾十萬甚至上百萬，而且也不是專門針對心肺復(fù)蘇術(shù)進(jìn)行培訓(xùn)的。韓國株式會社貝斯特的心肺復(fù)蘇模擬人[14]胸外按壓深度是通過分別放置在2個不同高度柱體上的2個感測磁力的傳感器測量的，使用傳感器檢測模擬人內(nèi)部磁體的磁力大小，根據(jù)磁力的大小檢測旋轉(zhuǎn)臂的位置，胸外按壓時，傳感器可根據(jù)磁力大小準(zhǔn)確確定按壓的深度和頻率。

圖1 德國3B心肺復(fù)蘇反饋模擬人[10]

圖2 挪威高級復(fù)蘇安妮[11]

圖3 日本株式會社JAMY心肺復(fù)蘇模擬人[12]

1.1.2 實驗階段模擬人

Widmann等[15]開發(fā)了能夠模擬人的動脈壓和呼氣末二氧化碳分壓[pET（CO2）]波形的心肺復(fù)蘇模擬人（如圖4所示），其利用從動物和人身上所獲得的數(shù)據(jù)開發(fā)了基于兒童患者的壓縮力學(xué)模型。該模型是基于對兒童心肺復(fù)蘇模型的改裝，在模型內(nèi)部加入能夠處理預(yù)設(shè)算法的微波控制器和顯示屏，用來顯示動脈壓和pET（CO2），模型可以通過pET（CO2）和血壓指標(biāo)來評估心肺復(fù)蘇效果。有研究表明，僅通過胸外按壓在人體中引起的被動通氣足以在第一時間進(jìn)行氣體交換[16]，Taleb等[17]在該研究的基礎(chǔ)上開發(fā)了不間斷按壓使用的反饋模型，如圖5所示，并設(shè)計了由胸外按壓產(chǎn)生的被動通氣的監(jiān)測模塊，利用彈簧和2個可調(diào)節(jié)的注射器來模擬胸腔的彈性特性。除了標(biāo)準(zhǔn)的胸外按壓參數(shù)（深度、頻率）外，該模擬人還可測量被動通氣參數(shù)（包括胸腔內(nèi)壓力、流量及潮氣量）。通過反饋能夠了解培訓(xùn)者的按壓深度、頻率以及胸外按壓操作帶給模型的胸內(nèi)壓力和潮氣量。其設(shè)有的傳感器有：測量氣流的氣體流量傳感器，測量胸腔內(nèi)壓力的壓力傳感器，測量深度和頻率的加速度傳感器。Anuntaseree等[18]開發(fā)了一款低成本、培訓(xùn)效果好的模擬人（如圖6所示），模擬人材料為天然橡膠，其內(nèi)部由2種材料組成，其中胸腔中央的材料是一種彈性很高的高密度橡膠，用來模擬心臟，頭、頸部和身體是由低密度的天然泡沫橡膠組成。該模擬人通過聲音來反饋心肺復(fù)蘇效果，當(dāng)按壓到合適的深度和頻率時能夠聽到由模擬人內(nèi)部和外界相連接的管子發(fā)出的哨聲，訓(xùn)練可根據(jù)能否聽到哨聲判斷操作是否合格。Silva-Calpa等[19]對普通模擬人進(jìn)行改造，利用3D打印技術(shù)制作了骨盆和血管模型，并加裝在模擬人內(nèi)部，實現(xiàn)了可以練習(xí)體外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）插管的模擬人，如圖7所示。巴西科學(xué)計算機國家實驗室Robert等[20]開發(fā)了心肺復(fù)蘇培訓(xùn)系統(tǒng)，如圖8所示，該模擬人將普通心肺復(fù)蘇模擬人放在Nintendo Will平衡板上，通過計算機接收心肺復(fù)蘇的數(shù)據(jù)，顯示按壓頻率、按壓壓力的大小以及力的角度，訓(xùn)練者根據(jù)這些信息糾正自己的錯誤，提高心肺復(fù)蘇的技能。

圖4 具有模擬動脈壓和p ET（CO2）波形功能的心肺復(fù)蘇模擬人[15]

圖5 帶有胸腔內(nèi)壓反饋的模擬人[17]

圖6 天然橡膠模擬人[18]

圖7 ECMO插管模擬人[19]

圖8 平衡板模擬人[20]

1.2 國內(nèi)

1.2.1 實物產(chǎn)品

雖然在模擬人的研發(fā)方面我國起步晚、基礎(chǔ)弱，但是隨著近些年的發(fā)展也取得了很大進(jìn)步。天津天堰公司研發(fā)的仁.朱雀-Smart心肺復(fù)蘇模擬人（如圖9所示）[21]可以訓(xùn)練心肺復(fù)蘇按壓通氣全流程，具有按壓深度、頻率、氣道開放和通氣量等信息反饋，反饋信息能夠通過模擬人相連的平板計算機顯示，具有訓(xùn)練和考核2種模式。受訓(xùn)人員可以在培訓(xùn)模式下練習(xí)心肺復(fù)蘇的操作，掌握技能，再通過考核模式檢驗掌握的程度，發(fā)現(xiàn)自己的不足。深圳安保公司研發(fā)的模擬人（如圖10所示）[22]具有按壓深度、按壓頻率、通氣量和通氣頻率反饋，其反饋信息能夠通過手機界面顯示。該模擬人還能夠模擬按壓過程中按壓心臟的血流信息，在其頭部設(shè)有指示燈，當(dāng)按壓深度和頻率正確時，指示燈會亮，上述反饋信息在訓(xùn)練過程中就能夠被訓(xùn)練者觀察到并及時改正錯誤的姿勢。

圖9 仁.朱雀-Smart心肺復(fù)蘇模擬人[21]

圖10 CPR培訓(xùn)模型[22]

1.2.2 實驗階段模擬人

姬憲法等[23]綜合運用壓力傳感器、光電傳感器等多傳感器技術(shù)構(gòu)建了一種心肺復(fù)蘇醫(yī)用模擬人訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Atmega32單片機作為控制核心，通過模塊化軟件設(shè)計，模擬現(xiàn)場急救場景，實現(xiàn)了受訓(xùn)者在理論學(xué)習(xí)、技能培訓(xùn)、事后效果分析的有機統(tǒng)一。王易紅[24]開發(fā)了一套完整的心肺復(fù)蘇模擬人訓(xùn)練系統(tǒng)，主要以模擬人體胸廓力學(xué)特性為核心，結(jié)合人體胸腔結(jié)構(gòu)提出了一種仿生人體胸廓力學(xué)結(jié)構(gòu)，采用逆向工程技術(shù)實現(xiàn)模擬人皮膚表層結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上完成各部分曲面結(jié)構(gòu)造型，設(shè)計了各部分檢測模塊及核心處理模塊，實現(xiàn)了各項參數(shù)的實時反饋，能夠及時對訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行評估。肖康湘[25]研發(fā)了一款氣動反應(yīng)式心肺復(fù)蘇教學(xué)模擬人，通過氣壓驅(qū)動模擬器，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同年齡段患者胸腔硬度的模擬，通過模擬器模擬瞳孔和頸動脈來模擬心肺復(fù)蘇成功后的狀態(tài)。劉業(yè)成等[26]設(shè)計了一款能夠讓學(xué)員直接觀看到按壓效果的心肺復(fù)蘇教學(xué)工具，其將心外按壓的原理融合在心肺復(fù)蘇模擬教具中，用1個按壓泵和2個單向活瓣分別模擬停跳的心臟和三尖瓣、主動脈瓣，并用1個減壓囊模擬外周血管的彈性和胸廓回彈的吸力。學(xué)員在按壓半身模擬人體時可以實時看見模擬血液在血管中的流動，按壓越準(zhǔn)確，血液流動越快，按壓中斷則血流停止，可使學(xué)員在練習(xí)心外按壓時能夠直觀地看到按壓的效果。

2 存在問題

總的來說心肺復(fù)蘇模擬人的發(fā)展取得了很大的進(jìn)步，但是大多數(shù)模擬人存在以下問題：

（1）對人體力學(xué)特性模擬得不理想，目前大多數(shù)模擬人采用的是純彈簧結(jié)構(gòu)，胸腔位移與壓力呈現(xiàn)簡單的線性關(guān)系，與真實人體胸腔力學(xué)特性不符；

（2）對人體皮膚的模擬材料，有的過硬，有的太軟，真實感較差；

（3）大部分模擬人集成了壓力傳感器、加速度傳感器和氣體流量傳感器等，成本高、價格昂貴；

（4）能夠提供的反饋參數(shù)指標(biāo)太少，大部分只有深度、頻率和胸廓回彈情況等指標(biāo)，對于能反映患者生命體征的參數(shù)——心率、血壓、脈搏、pET（CO2）、血氧飽和度等指標(biāo)基本沒有；

（5）帶有心電、血壓、呼吸、脈搏、動脈灌注壓監(jiān)測的高仿真模擬人價格往往昂貴，多達(dá)幾十萬甚至百萬，成本太高，而且也不是專門針對心肺復(fù)蘇培訓(xùn)的，不能普及；

（6）對于受訓(xùn)者的全流程操作監(jiān)測不夠客觀，例如發(fā)現(xiàn)有心臟驟停患者所采取的措施（觀察現(xiàn)場環(huán)境、患者意識檢查）以及操作的動作（胸外按壓時手肘挺直）目前還只是由導(dǎo)師的觀察評價，主觀性強；

（7）對于模擬人的生產(chǎn)和檢測沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各廠家生產(chǎn)的模擬人在一些參數(shù)上不統(tǒng)一（如對不同廠家的模擬人采用相同的力進(jìn)行按壓，按壓深度有一定差別）。

3 結(jié)語

模型是對受訓(xùn)人員進(jìn)行培訓(xùn)的有效途徑，“工欲善其事，必先利其器”，若要使大眾掌握心肺復(fù)蘇的基本技能，心肺復(fù)蘇模擬人是不可或缺的，合適的模擬人會使培訓(xùn)效果事半功倍。

要切實掌握心肺復(fù)蘇術(shù)，僅僅一次的培訓(xùn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要多次反復(fù)練習(xí)，而培訓(xùn)也不能僅僅是簡單的胸外按壓和吹氣，應(yīng)對模擬人有新的要求。心肺復(fù)蘇模擬人未來的發(fā)展方向應(yīng)包括以下幾個方面：（1）小型化、便攜化，價格低廉，且對胸腔力學(xué)的模擬接近真人。（2）隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，模擬人的發(fā)展將更加智能化，如利用攝像頭采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測學(xué)員的操作是否規(guī)范，并給出科學(xué)合理的評價。（3）對于反饋參數(shù)指標(biāo)，不能只有按壓深度、按壓頻率、通氣量以及胸廓回彈狀態(tài)，應(yīng)該是集生理指標(biāo)參數(shù)于一體的反饋。通過培訓(xùn)能夠使受訓(xùn)者掌握心肺復(fù)蘇技能，通過生理指標(biāo)參數(shù)判斷心肺復(fù)蘇的效果，在處置真實患者時能夠從容應(yīng)對，及時采取相應(yīng)的措施，提高患者生存率。（4）研究表明，心臟驟停實施心肺復(fù)蘇后，3~5 min內(nèi)進(jìn)行自動體外除顫器除顫，能夠大大提高心臟驟停患者的存活率[27]，達(dá)到50%~70%，但是大部分心肺復(fù)蘇模擬人還不能夠提供自動體外除顫器除顫操作的訓(xùn)練，隨著自動體外除顫器除顫的普及，心肺復(fù)蘇模擬人需要配備自動體外除顫器除顫練習(xí)模塊。（5）在材料的觸感上更加接近真實人體皮膚。目前，我國公眾心肺復(fù)蘇術(shù)尚未實現(xiàn)全民普及，充分發(fā)揮模擬人的優(yōu)勢，推進(jìn)心肺復(fù)蘇術(shù)的普及，對改變我國心肺復(fù)蘇術(shù)普及率低的現(xiàn)狀，推進(jìn)“健康中國”戰(zhàn)略的進(jìn)程具有積極意義。