脊柱外科術(shù)中體感誘發(fā)電位監(jiān)護(hù)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開(kāi)發(fā)*

徐晗輝 徐圣普 謝小波 崔紅巖 李佳寧 胡 勇②*

脊柱外科術(shù)中體感誘發(fā)電位監(jiān)護(hù)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開(kāi)發(fā)*

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(kāi)發(fā)一個(gè)由模擬人體和系列體感誘發(fā)電位(SSEP)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，有效地提高受訓(xùn)者的操作技能和臨床技巧。方法：對(duì)30例脊柱側(cè)彎病患者進(jìn)行跟蹤手術(shù)，采集體感誘發(fā)電位信號(hào)，提取典型的體感誘發(fā)電位信號(hào)和噪聲數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)一個(gè)虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)電生理技師的監(jiān)護(hù)操作進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果：該系統(tǒng)可通過(guò)檢測(cè)SSEP電極安放的位置產(chǎn)生不同的信號(hào)，在評(píng)判不同信號(hào)輸出后訓(xùn)練者需根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)信號(hào)正常與否以及異常的原因進(jìn)行判斷。結(jié)論：本研究使用的SSEP信號(hào)均為實(shí)際信號(hào)的合成，其結(jié)果與實(shí)際情況相符，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

虛擬系統(tǒng)；體感誘發(fā)電位；信號(hào)發(fā)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(xùn)練系統(tǒng)最早出現(xiàn)在飛行員的培訓(xùn)中，并由美國(guó)軍隊(duì)將模擬訓(xùn)練的思路引入到了醫(yī)學(xué)訓(xùn)練中。最早的醫(yī)學(xué)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是由挪度(Laerdal)公司開(kāi)發(fā)的人工呼吸模擬訓(xùn)練器，此后模擬訓(xùn)練設(shè)備開(kāi)始在臨床技師和醫(yī)生的培訓(xùn)中發(fā)揮重要作用。模擬訓(xùn)練設(shè)備可有效地提高受訓(xùn)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(xùn)者對(duì)患者進(jìn)行心肺復(fù)蘇訓(xùn)練，尤其是計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，給予了模擬訓(xùn)練系統(tǒng)更多的功能作用[1-3]。

美國(guó)國(guó)家手術(shù)質(zhì)量改善計(jì)劃(National Surgical Quality Improvement Program)2011年的調(diào)查報(bào)告顯示，在脊柱外科手術(shù)中有0.3%的患者術(shù)后死亡，7.6%的概率會(huì)發(fā)生急性神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥[4]。近年來(lái)，雖然有新的手術(shù)方案進(jìn)入臨床，但仍不能消除此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)[5-7]。

基于體感誘發(fā)電位(somatosensory evoked potential，SSEP)的脊神經(jīng)監(jiān)護(hù)儀已經(jīng)在脊椎手術(shù)中廣泛使用，以避免脊髓損傷和術(shù)后脊神經(jīng)并發(fā)癥[8-12]。然而，對(duì)監(jiān)護(hù)儀操作的電生理技師的培訓(xùn)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(duì)SSEP信號(hào)的影響，還應(yīng)知曉醫(yī)生手術(shù)的操作過(guò)程，方能在SSEP信號(hào)異常時(shí)給予手術(shù)操作者以指導(dǎo)性意見(jiàn)。訓(xùn)練有素的脊髓監(jiān)護(hù)團(tuán)隊(duì)在手術(shù)中能夠起到重要的作用，可以呈現(xiàn)可靠性更高、信號(hào)質(zhì)量更好的SSEP信號(hào)[12-14]。為此，本研究開(kāi)發(fā)一套用于訓(xùn)練脊神經(jīng)監(jiān)護(hù)人員的虛擬系統(tǒng)，可使接受訓(xùn)練者熟悉操作且認(rèn)識(shí)不同因素對(duì)SSEP信號(hào)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(xué)根德公爵夫人兒童醫(yī)院30例脊柱側(cè)彎的患者，對(duì)其進(jìn)行脊柱矯形手術(shù)中SSEP的監(jiān)測(cè)，其中男性與女性比例為1∶1；年齡20～60歲。術(shù)中SSEP信號(hào)作為本研究的數(shù)據(jù)庫(kù)。不同的信號(hào)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(zhuān)家進(jìn)行篩選評(píng)判[15-16]。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

體感誘發(fā)電位信號(hào)采用美國(guó)尼高力公司生產(chǎn)的體感誘發(fā)電位檢測(cè)系統(tǒng)采集，一對(duì)位于足內(nèi)側(cè)脛后神經(jīng)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(yùn)動(dòng)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(xù)時(shí)間為300 ms，記錄信號(hào)采樣頻率為5 kHz。信號(hào)通過(guò)5～1000 Hz中的帶通濾波器，每個(gè)顯示波形由100次實(shí)測(cè)波形疊加而成，以去除環(huán)境干擾。

1.3 虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由上位機(jī)和模擬人兩個(gè)部分組成，其中模擬人包括人體模型和信號(hào)發(fā)生器模塊，將信號(hào)發(fā)生器模塊放入人體模型的空腔。在實(shí)施訓(xùn)練時(shí)需配合體感誘發(fā)電位儀使用。上位機(jī)預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)波形輸出，讓接受訓(xùn)練者找到最佳的檢測(cè)位點(diǎn)。然后，通過(guò)上位機(jī)控制模擬人輸出特定的變異信號(hào)，信號(hào)經(jīng)由體感誘發(fā)電位監(jiān)護(hù)儀上的接收電極上傳至監(jiān)護(hù)儀顯示，使訓(xùn)練者分析信號(hào)的情況以及成因，并根據(jù)輸出信號(hào)進(jìn)行必要的操作處理。

在訓(xùn)練中，訓(xùn)練者先將刺激電極安放至正確的位置，并正確使用SSEP監(jiān)護(hù)設(shè)備；隨后找到信噪比最高的檢測(cè)位點(diǎn)；最后根據(jù)信號(hào)的變化情況找出原因。在SSEP監(jiān)護(hù)儀發(fā)出刺激脈沖后CPU板會(huì)自動(dòng)評(píng)判參考電極是否連接完好。在滿足了刺激電極安放準(zhǔn)確和參考電極正確安放兩個(gè)條件后，安放在模擬人內(nèi)部的信號(hào)發(fā)生器會(huì)發(fā)送信號(hào)。

(1)電極設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)整體系統(tǒng)之前信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)發(fā)送端設(shè)計(jì)十分重要，每個(gè)發(fā)送端由3個(gè)導(dǎo)電橡膠制成的同心圓環(huán)(A、B、C)組成，每個(gè)環(huán)帶寬度為0.4 cm，各環(huán)帶間用絕緣涂層分離(如圖1所示)。

圖1 信號(hào)發(fā)送端放大同心圓環(huán)圖

(2)模擬人設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，模擬人體系統(tǒng)還應(yīng)該包括上位機(jī)軟件和無(wú)線通訊模塊。在模擬人體上，共安放有6個(gè)電極(如圖2所示)。在使用中需要根據(jù)不同的檢測(cè)目的選擇不同的刺激部位和檢測(cè)位點(diǎn)。對(duì)左上肢和(或)下肢進(jìn)行刺激時(shí)檢測(cè)位點(diǎn)為C4’；對(duì)右上肢和(或)下肢進(jìn)行刺激時(shí)檢測(cè)位點(diǎn)為C3’；而對(duì)脊髓直接刺激時(shí)檢測(cè)位點(diǎn)為Cz。本研究中僅以刺激位點(diǎn)為右下肢，檢測(cè)位點(diǎn)為C3’進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 模擬人以及電極擺放圖

(3)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)邏輯圖

在圖3的“接觸不良1”中，檢測(cè)電極未接觸到圖1中所示3個(gè)區(qū)域，刺激電極接觸不良好時(shí)脊髓監(jiān)護(hù)儀中只能顯示環(huán)境噪聲，在這種情況下放大器輸出為飽和的信號(hào)。若電極3接觸良好，則有A2、B3、C4三種情況，分別對(duì)應(yīng)了圖1中的A、B、C三個(gè)區(qū)域。檢測(cè)電極位于圖1的A、B、C三個(gè)區(qū)域會(huì)呈現(xiàn)不同的信噪比和信號(hào)幅值，其中A區(qū)域信噪比最高信號(hào)幅值最大，C區(qū)域信噪比最低信號(hào)幅值最小，B區(qū)域居中。訓(xùn)練者應(yīng)先找到目標(biāo)位點(diǎn)即找到檢測(cè)電極接收端對(duì)應(yīng)的A區(qū)域，在A區(qū)域內(nèi)有可能會(huì)檢測(cè)到如圖3所示的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(2.1)、環(huán)境噪聲過(guò)大(2.2) 和脊髓損傷(2.3)三種信號(hào)，訓(xùn)練者根據(jù)所顯示的信號(hào)波形進(jìn)行分析，找出信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)差別的原因。

2 結(jié)果

本研究對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了檢測(cè)，其中刺激位點(diǎn)為右下肢足內(nèi)側(cè)脛后神經(jīng)，檢測(cè)位點(diǎn)為圖2中的1號(hào)位點(diǎn)的情況。

在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出時(shí)圖3中A2、B3、C4三種情況的信號(hào)比較結(jié)果如圖4所示。

圖4顯示，黑色線條擁有最高的信噪比，信號(hào)質(zhì)量良好；紅色線條顯示有效信號(hào)幅值非常小，幾乎不能辨別；位于綠色線條質(zhì)量居中。這一結(jié)果符合臨床實(shí)際情況。由于皮膚阻抗阻值較大，較小的位點(diǎn)差別會(huì)造成信號(hào)的質(zhì)量下降，因此找到A區(qū)域信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是獲得高質(zhì)量信號(hào)的前提。

在圖2的1號(hào)位置檢測(cè)到圖3中A2的2.1、2.2和2.3情況的信號(hào)比較結(jié)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(duì)黑色曲線無(wú)潛伏期和幅值的改變；而紅色曲線相對(duì)于黑色曲線有明顯的幅值降低和潛伏期的延長(zhǎng)。對(duì)于高頻噪聲的出現(xiàn)(綠色曲線的情況)，較有可能的原因是骨科鉆、電刀類(lèi)的儀器、或手術(shù)室電路接地不良而造成。此時(shí)，應(yīng)該盡量辨認(rèn)波形，如果噪聲過(guò)大，且手術(shù)區(qū)域?yàn)槊舾袇^(qū)域，應(yīng)要求這些儀器間隔使用，以方便進(jìn)行檢測(cè)。而醫(yī)源性的影響會(huì)令信號(hào)突然變小，甚至消失，波形的潛伏期也會(huì)有所延長(zhǎng)(紅色曲線的情況)，此時(shí)應(yīng)及時(shí)停止手術(shù)，并對(duì)手術(shù)操作進(jìn)行檢查。

在臨床實(shí)際操作中，有許多因素會(huì)影響到體感誘發(fā)電位的信號(hào)，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集盡量避免了這些因素，即使如此，在手術(shù)過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)在無(wú)脊髓觸碰情況下的SSEP信號(hào)的變化。因此，從模擬人中發(fā)出的信號(hào)是經(jīng)由篩選后的信號(hào)。該系統(tǒng)可以在不同的檢測(cè)位點(diǎn)輸出不同的信號(hào)，而本研究只考慮了從右側(cè)下肢刺激的情況。同時(shí)，模擬人內(nèi)的信號(hào)發(fā)生器也可輸出其他類(lèi)型的信號(hào)對(duì)訓(xùn)練者進(jìn)行訓(xùn)練。

3 結(jié)論

在脊神經(jīng)手術(shù)過(guò)程中，神經(jīng)電生理扮演著非常重要的角色，本研究開(kāi)發(fā)的一套針對(duì)SSEP信號(hào)監(jiān)護(hù)的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的情況和要求提供不同的信號(hào)輸出，使用的信號(hào)均為實(shí)際信號(hào)的合成，與實(shí)際情況相符，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。但是該項(xiàng)訓(xùn)練并不能完全代替實(shí)際的臨床訓(xùn)練，臨床上出現(xiàn)的情況和可變因素更多，訓(xùn)練者仍然需要進(jìn)一步的臨床實(shí)踐。同時(shí)，該系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用中仍有許多需要改進(jìn)的地方有待進(jìn)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(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，研究方向：神經(jīng)電生理信號(hào)采集分析，呼吸信號(hào)提取算法。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.01.001

2014-09-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(81301287)“體感誘發(fā)電位中脊髓功能監(jiān)護(hù)異常邏輯判別準(zhǔn)則的研究”；國(guó)家自然科學(xué)基金(81271685)“基于電刺激誘發(fā)體感事件相關(guān)點(diǎn)位(ERP)的腦機(jī)接口新方法”；國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAI16B03)“腦-機(jī)接口中的微弱信息采集技術(shù)及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”

①中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所 天津 300192

②香港大學(xué)矯形及創(chuàng)傷外科學(xué)系 香港 999077

*通訊作者：yhud@hotmail.com