冠心病介入治療虛擬仿真操作訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計

(徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

0 引言

冠心病介入治療又稱經(jīng)皮冠狀動脈介入治療(PCI)，是指經(jīng)心導(dǎo)管技術(shù)疏通狹窄甚至閉塞的冠狀動脈管腔，從而改善心肌的血流灌注的治療方法。冠心病介入治療的手術(shù)操作難度較大，只有在充分實踐練習(xí)的基礎(chǔ)上才能逐步掌握技巧和要領(lǐng)，并達(dá)到熟練程度以后才有可能進(jìn)一步進(jìn)行臨床治療。而實際上，在醫(yī)學(xué)生臨床實踐教學(xué)和專科醫(yī)師技能培訓(xùn)中，卻不可能用真實病人進(jìn)行練習(xí)操作，也無法避免放射線，因此急需開發(fā)可以方便用戶練習(xí)操作訓(xùn)練的冠心病介入治療仿真設(shè)備，訓(xùn)練時才能夠不懼怕 X 射線并能對冠心病介入治療的操作流程、技巧和手法有深刻的體會，從而完成從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的升華，提高冠心病介入治療的教學(xué)效果。

傳統(tǒng)的血管介入治療實踐教學(xué)和操作訓(xùn)練一般局限在理論知識和觀察手術(shù)過程，具體的實踐操作多數(shù)為“見習(xí)加實習(xí)”訓(xùn)練模式。而且冠心病介入治療操作見習(xí)課無法避免X射線輻射、無法用病人進(jìn)行練習(xí)操作以及國內(nèi)C型臂無實驗教學(xué)設(shè)備。在國內(nèi)的教學(xué)中，多以玻璃管代替血管，但玻璃管順應(yīng)性差，導(dǎo)管成形和插管中較實際手術(shù)過程困難。同時國外的介入手術(shù)模擬器不僅造價高，而且是在虛擬情況下完成，不僅無法實現(xiàn)手術(shù)設(shè)備的仿真，也無法實現(xiàn)操作流程的仿真。

冠心病介入治療虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計目的是為了滿足醫(yī)學(xué)生自學(xué)與動手實驗的需要，既完整地保留臨床上冠心病介入治療的操作步驟，同時又能提高實踐教學(xué)質(zhì)量。避免了學(xué)生接受X射線的輻射，便于學(xué)生對冠心病介入治療技能全面性掌握，對介入操作的具體過程以及注意事項有直觀且生動的認(rèn)識。冠心病介入治療虛擬仿真系統(tǒng)利用仿真技術(shù)，科學(xué)的把仿真介入治療設(shè)備基本單元、透明人體血管模型、無放射源的成像系統(tǒng)、三維動畫學(xué)習(xí)軟件結(jié)合，完全實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗不具備或難以完成的實踐教學(xué)和醫(yī)療培訓(xùn)等功能，既節(jié)省了實驗教學(xué)硬件成本，又能為教師、醫(yī)學(xué)生及?？漆t(yī)生提供了一個無創(chuàng)性、無損毀性、無危險性的訓(xùn)練方式，充分體現(xiàn)教育部仿真實驗“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實不虛”的原則。

1 冠心病介入治療虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 總體設(shè)計

冠心病介入治療虛擬仿真操作訓(xùn)練系統(tǒng)主要包括仿真設(shè)計的介入治療設(shè)備基本單元、透明人體血管模型、無放射源的成像系統(tǒng)、三維動畫學(xué)習(xí)軟件4部分(圖1)。整套系統(tǒng)既能在軟件上便于用戶初步模擬操作又能在硬件上自己動手實踐練習(xí)，安全可靠，而且不易損壞。

1)介入治療設(shè)備基本單元可以作為實現(xiàn)心臟部位血管介入模擬操作的平臺。

2)透明人體血管模型提供真實人體的心臟分布位置和主要血管走向與分布，如主動脈、上腔靜脈及下腔靜脈。

3)無放射源的成像系統(tǒng)可以采集透明人體血管介入操作圖像并顯示在監(jiān)視器上，監(jiān)視血管操作的整個過程。

4)三維動畫學(xué)習(xí)軟件有利于學(xué)生記錄血管介入操作步驟，觀察心臟和血管的仿真圖像和模擬動畫。

注：1.仿真手術(shù)治療床；2.透明人體血管模型；3.仿真C型臂；4.監(jiān)視器；5.攝像頭
圖1 冠心病介入治療虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 技術(shù)難點與解決方法

冠心病介入治療虛擬仿真操作訓(xùn)練系統(tǒng)主要創(chuàng)新在于：結(jié)構(gòu)和功能完全仿真、無需現(xiàn)實病人、無輻射血管顯影成像、軟硬件結(jié)合。

1)本系統(tǒng)的設(shè)計解決了在醫(yī)學(xué)生實踐教學(xué)和專科醫(yī)師培訓(xùn)中，冠心病介入治療操作訓(xùn)練面臨的無法避免X射線輻射，及國內(nèi)無專門訓(xùn)練用C型臂等難題。利用醫(yī)學(xué)工程實驗中心科研平臺和理工醫(yī)結(jié)合的科研團(tuán)隊，以仿真技術(shù)為依托，運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)、自動控制和機(jī)械設(shè)計等技術(shù)，創(chuàng)造性地設(shè)計出利用穿刺針、導(dǎo)絲、導(dǎo)管等器械經(jīng)血管途徑對心臟血管進(jìn)行診斷與治療的，結(jié)構(gòu)和功能同臨床介入科室中一致的仿真醫(yī)療設(shè)備。

介入治療設(shè)備基本單元的研制實現(xiàn)了系統(tǒng)硬件組成：介入治療設(shè)備基本單元仿照實際數(shù)字減影血管造影機(jī)的外形尺寸，依據(jù)工程圖制作出部件，然后加工拼裝而成。由仿真C型臂、仿真手術(shù)治療床、超清攝像頭等組成，有機(jī)結(jié)合后構(gòu)成系統(tǒng)操作平臺；仿真C型臂的球管焦點至影像增強(qiáng)器距離≥970 mm，弧深≥670 mm，弧深及開口≥700 mm；透明治療床長2 000 mm，寬600 mm，高700 mm，治療床附帶有四個萬向輪，可隨意調(diào)整角度和位置，攝像頭放置于透明治療床下，并能根據(jù)實際需要方便調(diào)整高度和焦距。

2)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的透明人體血管模型，徹底解決了冠心病介入治療操作訓(xùn)練中不可能用病人進(jìn)行練習(xí)操作，無受試對象的限制。透明人體血管模型的外觀與人體輪廓相似、主體材料與人體組織等效、內(nèi)部組織器官與實體仿真、可以反復(fù)進(jìn)行穿刺和操作訓(xùn)練。透明人體血管模型包括仿真透明人和透明心血管系統(tǒng)。仿真透明人腹側(cè)表面由仿真人體硅膠制成，不透明；背側(cè)底面由透明硅膠制成，從其下底面可以透視其中透明心血管系統(tǒng)。

透明人的尺寸與成人的尺寸的比例為1:1，仿真人體的腹側(cè)表面采用膚色材料制成，背側(cè)底面采用透明材料制成；透明心血管系統(tǒng)包括透明動脈、透明靜脈、透明心臟和冠狀大血管，透明動脈、透明靜脈選取與人體血管尺寸相對應(yīng)的PVC管制作，其形態(tài)分布按照人體各部分主要血管走向設(shè)置；透明心臟和透明冠狀大血管分別根據(jù)實際形態(tài)尺寸利用PVC材料和PVC管制作。透明心臟向上移行為升主動脈和上腔靜脈，向下移行為下腔靜脈；升主動脈移行為主動脈弓，主動脈弓凸側(cè)從右向左依次發(fā)出頭臂干、左頸總動脈和左鎖骨下動脈，鎖骨下動脈依次移行為腋動脈、肱動脈；上腔靜脈緊鄰升主動脈的右側(cè)，發(fā)出左頭臂靜脈和右頭臂靜脈，頭臂靜脈發(fā)出鎖骨下靜脈，其分支與同名動脈伴行；主動脈弓向下依次移行為降主動脈，包括胸主動脈和腹主動脈，腹主動脈發(fā)出左髂總動脈和右髂總動脈，并依次移行為髂外動脈、股動脈；下腔靜脈緊鄰降主動脈的右側(cè)，其分支與同名動脈伴行。

通過上述方法所制作的透明人體模型，其韌性和人體皮膚接近，而且穿刺時有一種突破感，符合實際操作訓(xùn)練要求；血管系統(tǒng)整體采用PVC材料，由于PVC材料柔軟易彎曲且具有一定的韌性，因此可以仿照人體心血管系統(tǒng)進(jìn)行布置，使模擬操作者便于穿刺插管練習(xí)；背部材料采用透明硅膠材料制成，保證硬化后的背側(cè)仿真皮膚柔軟透明，便于攝像頭采集仿真血管圖像以及介入器械定位要求。

3)本系統(tǒng)最具核心技術(shù)——無放射源成像：在臨床中冠心病介入利用DSA設(shè)備，通過減影、增強(qiáng)和再成像過程來獲得清晰的純血管影像，同時實時地顯現(xiàn)血管影；但是無論是醫(yī)生還是病人都會或多或少吸收一定劑量X射線。經(jīng)過不斷實踐和改進(jìn)，系統(tǒng)采用無放射源成像為核心技術(shù)，來取代具有輻射的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備對冠心病介入手術(shù)的導(dǎo)引。

無放射源的成像系統(tǒng)由攝像頭、透明手術(shù)治療床的床面和監(jiān)視器組成；把仿真手術(shù)治療床的床面設(shè)計成透明，在治療床上放置透明人體模型；在仿真C型臂的影像增強(qiáng)器位置安裝攝像頭，用攝像頭代替X射線；1臺19″監(jiān)視器，水平中心分辨率1 000線，邊緣800線，水平帶寬≥12.5 MHz，每秒圖象數(shù)25幀；攝像頭連接監(jiān)視器，用以采集透明人體血管介入操作圖像并顯示在監(jiān)視器上，通過調(diào)節(jié)攝像頭的高度或移動診斷床對影像監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使影像界面達(dá)到最清晰。完成動態(tài)監(jiān)視冠心病介入治療操作的整個過程，從而實現(xiàn)血管介入治療操作訓(xùn)練仿真訓(xùn)練操作。

4)三維動畫學(xué)習(xí)軟件：主要是冠心病介入治療室介紹及相關(guān)設(shè)備模擬操作、C型臂設(shè)備動畫介紹和三維血管介入操作動畫組成；通過三維動畫軟件平臺的植入設(shè)計，開發(fā)了一套完整的配套練習(xí)系統(tǒng)，便于初學(xué)者自主學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)鞏固(圖2)。

圖2 三維動畫學(xué)習(xí)軟件界面

2 結(jié)果與分析

利用冠心病介入治療虛擬仿真操作訓(xùn)練系統(tǒng)，用戶可以在實驗室無需進(jìn)入醫(yī)院就可完成冠心病介入治療操作訓(xùn)練。具體實驗過程分三步：第一步，預(yù)備工作，準(zhǔn)備實驗所用器材，包括穿刺套裝，各種規(guī)格的導(dǎo)管導(dǎo)絲，介入診斷和治療常用耗材等，把透明人體血管模型放置在治療床的床面上，并覆蓋手術(shù)鋪巾于透明人體血管模型，同時開啟仿真C型臂、攝像頭和監(jiān)視器。第二步，介入操作過程。用穿刺針在透明人體相應(yīng)靜脈處做穿刺操作，沿著穿刺針把導(dǎo)管導(dǎo)入血管。位于影像增強(qiáng)器處的攝像頭記錄導(dǎo)管在血管中的移動情況，并在監(jiān)視器上顯像，監(jiān)控導(dǎo)管在血管中的操作過程，并引導(dǎo)操作者進(jìn)行導(dǎo)管正常工作。第三步，穿刺部位局部處理，手術(shù)結(jié)束。同時，介入治療三維動畫學(xué)習(xí)軟件由三維動畫演示模塊、教學(xué)模塊、自主學(xué)習(xí)模塊組成，既可以在課堂教學(xué)時隨教師教學(xué)穿插使用，也可以在課后由學(xué)生預(yù)習(xí)，復(fù)習(xí)鞏固冠心病微創(chuàng)治療相關(guān)操作。

注意事項：操作前首先對影像監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使影像界面達(dá)到最清晰。必要時調(diào)節(jié)攝像頭的高度或移動診斷床。嚴(yán)格做好介入手術(shù)中的準(zhǔn)備工作，選擇體表穿刺點(常用的有股動靜脈、橈動脈、鎖骨下動靜脈、頸動靜脈)。用穿刺針進(jìn)行穿刺時應(yīng)注意進(jìn)針的方向和力度，當(dāng)穿到一定深度時，感覺到一種突破感時，表明已經(jīng)穿過血管壁，此時應(yīng)該放入血管鞘。固定血管鞘后，使用導(dǎo)管和導(dǎo)絲進(jìn)行介入手術(shù)操作訓(xùn)練，注意操作順序和操作手法，必要時可以使用其他復(fù)雜的精密的介入器械以及重要器官的專用介入器械。反復(fù)訓(xùn)練后可以改變穿刺部位后，重復(fù)練習(xí)操作，熟練掌握介入手術(shù)的步驟和手法，以及各種器材的的相互配合使用。

根據(jù)科技查新可以得到結(jié)論：除本系統(tǒng)外，未見與冠心病介入治療虛擬仿真操作訓(xùn)練系統(tǒng)相關(guān)的文獻(xiàn)報道和技術(shù)。該項目為國內(nèi)外首創(chuàng)，學(xué)生可以反復(fù)學(xué)習(xí)、隨時學(xué)習(xí)，自主學(xué)習(xí)，而且沒有X線等輻射，從而從根本上解決了長期困擾大型醫(yī)療設(shè)備實驗教學(xué)的難題，引領(lǐng)專業(yè)實驗教學(xué)新潮流，受到學(xué)員和眾多來訪專家的一致好評。

目前冠心病介入治療操作訓(xùn)練仿真操作訓(xùn)練系統(tǒng)是醫(yī)學(xué)實踐教學(xué)和?？漆t(yī)師培訓(xùn)領(lǐng)域的首創(chuàng)，共獲得國家發(fā)明專利和實用新型專利共五項，在國內(nèi)屬于領(lǐng)先地位。研發(fā)成一套完整的用于冠心病介入治療操作訓(xùn)練的實訓(xùn)系統(tǒng)，既完整地模擬臨床中血管介入治療的操作步驟，又提高了學(xué)員的動手能力，避免了操作訓(xùn)練過程中接受X射線的輻射，便于學(xué)員自主學(xué)習(xí)，對血管介入治療技能的全面性掌握和血管介入的整個操作過程及其注意事項有直觀且生動的認(rèn)識。

冠心病介入治療操作訓(xùn)練仿真操作訓(xùn)練系統(tǒng)不僅在徐州醫(yī)科大學(xué)臨床技能中心使用，還向其他醫(yī)學(xué)院校和社會醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得了明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)束語

冠心病介入治療虛擬仿真系統(tǒng)是一款具有醫(yī)工結(jié)合、機(jī)電集成等技術(shù)的軟硬件一體化實驗教學(xué)和?？漆t(yī)療培訓(xùn)設(shè)備。能夠?qū)崿F(xiàn)冠心病介入治療的全過程仿真，解決了冠心病介入治療實驗課醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生缺乏動手實踐，無法避免高放射性的難題；解決了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教學(xué)模式中，無法用病人為受試對象進(jìn)而限制親自動手操作訓(xùn)練機(jī)會，學(xué)習(xí)效率低下的難題；同時又可以滿足用戶自主學(xué)習(xí)冠心病介入操作設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理、操作與訓(xùn)練，由此可見冠心病介入治療操作訓(xùn)練可以在仿真條件下進(jìn)行，在相關(guān)領(lǐng)域中具有較強(qiáng)的實用性和示范性，是大型醫(yī)療設(shè)備臨床教學(xué)的最新較成功的探索。相信在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步和醫(yī)學(xué)科學(xué)不斷發(fā)展的推動下，標(biāo)準(zhǔn)化病人模型的應(yīng)用和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)大型醫(yī)療設(shè)備虛擬仿真教學(xué)將會給醫(yī)學(xué)實踐教學(xué)方法和手段的發(fā)展帶來一場革命。