一種環(huán)甲膜穿刺訓練裝置的研制

李 楊，鄭祥樂，張玉平，馬 蒙，付志剛，*

（1.聯(lián)勤保障部隊第983 醫(yī)院健康醫(yī)學科，天津300142；2.河北工業(yè)大學電氣工程學院，天津300401）

0 引言

高新技術戰(zhàn)爭以高科技軍事技術和諸兵種聯(lián)合作戰(zhàn)為特征，具有武器殺傷威力大、作用時間長、殺傷機制復雜、傷情多元化等特點[1]。通過對伊拉克戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中死亡人員的陣亡原因分析，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下,氣道障礙僅位于大出血之后，在可以避免的死亡原因中排名第二[2-3]。我軍也將通氣、止血、包扎、固定、搬運和基礎生命支持列入戰(zhàn)救六項技術，其中以通氣和止血最為緊急[4]。通氣的方法常見的有氣管插管術、環(huán)甲膜穿刺術、環(huán)甲膜切開術、常規(guī)氣管切開術以及快速氣管切開術等，每種手術各有特點，其中氣管插管術和氣管切開術是常用的搶救方法，但需要特殊的器械及專業(yè)的醫(yī)師，且需要10~15 min 才能完成[5]。

環(huán)甲膜穿刺具有操作簡便、容易掌握、安全可靠、并發(fā)癥少的特點[6]，可以快速、簡便、有效地解決各種原因造成的窒息，尤其適用于緊急情況下其他措施不見效者[7]，且全部操作不超過1 min[8]，能夠為呼吸道梗阻患者搶救贏得寶貴時間，提高搶救成功率。對于環(huán)甲膜穿刺操作的培訓，除利用解剖模型和動物（狗）進行教學訓練外[9]，也有使用安全、輕便的穿戴式模擬訓練裝具的報道[10]。但使用動物訓練成本高，現(xiàn)有的模型訓練重復性不強、不能顯示結果，穿戴式訓練裝具與真實解剖標志存在一定差距，代入感不強。為解決以上問題，本文設計了一款環(huán)甲膜穿刺訓練裝置，可以反復使用且不需要專業(yè)人員就能自動判定穿刺結果。

1 設計思路

環(huán)甲膜的具體位置，廣義上講是環(huán)狀軟骨和甲狀軟骨之間圓錐形的有彈性的纖維結締組織膜，狹義上講僅指彈性圓錐的前部，其上界為甲狀軟骨下緣，下界為環(huán)狀軟骨上緣，兩側界為環(huán)甲肌內側緣[11]。光電開關由發(fā)射器發(fā)出可見光或紅外線，接收器接收發(fā)射或透射的光線，當有被測物體經(jīng)過時，接收到的光線發(fā)生變化，產(chǎn)生開關信號[12]。在人體頸部模型環(huán)甲膜解剖位置下內置紅外光幕對射開關和激光對射開關各一套，紅外光幕對射開關順氣管方向分別放置在甲狀軟骨和環(huán)狀軟骨之下，激光對射開關放置在甲狀軟骨和環(huán)狀軟骨之間的氣管兩側。當穿刺針遮擋2 套開關后，穿刺位置正確，系統(tǒng)判定為優(yōu)秀；如果僅遮擋紅外光幕對射開關，穿刺針留在氣管內，判定為良好；如果紅外光幕對射開關未遮擋，意味著穿刺針沒在氣管中，判定為穿刺失敗。

2 具體設計

裝置的外觀為人體下頜至鎖骨之間的頸部外形，內部為放置電路板模塊和電源模塊的硬塑材質模型，中部為甲狀軟骨和環(huán)狀軟骨等表面標志明顯的塑膠模型，外部為模擬皮膚的硅膠材質外罩。裝置內部結構如圖1 所示，外觀如圖2 所示。本裝置外形模擬人體頸部外形，由觸發(fā)開關、穿刺測試、藍牙上傳、液晶顯示和電源管理5 個模塊組成，實現(xiàn)了對環(huán)甲膜穿刺的模擬訓練和對訓練效果的自動判定，結果自動上傳并記錄、整理、排序，系統(tǒng)設計框圖如圖3 所示。

圖1 裝置內部結構示意圖

圖2 裝置外觀圖

圖3 系統(tǒng)設計框圖

2.1 觸發(fā)開關模塊

觸發(fā)開關模塊設有電源開關、測試和復位3 個按鍵，分別負責接通系統(tǒng)電源、啟動光電開關和關閉光電開關。

2.2 穿刺測試模塊

穿刺測試模塊主要由順氣管方向的紅外光幕對射開關、氣管兩側的激光對射開關和可編程控制器3 個部分組成。

紅外光幕對射開關由發(fā)射器和接收器2 個部分組成，發(fā)射器相隔固定間距發(fā)射紅外光并由接收器在對應部位接收，從而在二者之間形成紅外光幕，當被測物體進入光幕區(qū)域后，部分光束被遮擋觸發(fā)電路產(chǎn)生開關信號。人體氣管的直徑一般在1~1.5 cm，要判斷穿刺針是否刺入氣管，需感知此寬度范圍內光電開關是否被阻擋，故在順氣管方向選用紅外光幕對射開關。檢測的靈敏度取決于光幕間距，環(huán)甲膜穿刺針的直徑一般在2 mm 左右[13]，基層訓練沒有專用的環(huán)甲膜穿刺針，一般使用直徑1 mm 以上的粗針頭代替，而光幕的間距要小于被測物，故選用的光幕間距為0.5 mm。

激光對射開關同樣由發(fā)射器和接收器2 個部分組成，發(fā)射器發(fā)出的激光由接收器接收，當被檢測物體在二者之間通過，光路被遮擋觸發(fā)電路產(chǎn)生開關信號。環(huán)甲膜中線處的上下徑僅有4 mm 左右[14]，要判斷穿刺針是否在環(huán)甲膜處刺入氣管，需感知此位置光電開關是否被阻擋，故在環(huán)甲膜平面氣管兩側選用檢測范圍較小的激光對射開關。激光對射開關具有非接觸、檢測材料范圍廣、響應快和準確率高的特點，激光光束的直徑在2~3 mm，放置在環(huán)甲膜平面氣管兩側正好可以用來檢測穿刺針是否穿刺到位。

可編程控制器又稱單片機或微控制器，是一種集成度很高的微型計算機，在半導體硅片上集成了微處理器、存儲器和各種輸入輸出接口等形成的芯片級的微型計算機。本裝置選用STC89C52RC 單片機與接口電路相連，負責分析光電開關信號、判定結果、驅動串口HMI（人機接口）顯示。

2.3 液晶顯示模塊

液晶顯示部分采用的是有機發(fā)光二極管（organic light-emitting diode，OLED）顯示屏，使用arduino/stm32/51 例程，由單片機進行驅動，可以顯示使用單位、訓練名稱、運行狀態(tài)及測試結果。液晶顯示模塊使裝置不需要上位機即能獨立運行，完成環(huán)甲膜穿刺的訓練及考核，并在穿刺后立即顯示結果。

2.4 藍牙上傳模塊

藍牙部分采用的是串口HC-06 從機藍牙模塊，主要負責將有效的數(shù)據(jù)傳送至上位機，由上位機對穿刺結果進行記錄、整理、排序，從而實現(xiàn)對單位和個人訓練效果的綜合評定。

2.5 電源管理模塊

采用5 號電池和USB 口2 種方式供電，后者既可使用變壓器連接市電，也可連接充電寶供電，適應性好、方便靈活。考慮到電池會隨著電量減少出現(xiàn)電壓降低的情況，故增加了穩(wěn)壓部分，主要是采用MI型BUCK 模塊LM2596 實現(xiàn)7~9 V 輸入電壓轉5 V輸出電壓，使得電池即使在電量用光后仍可以保持穩(wěn)壓到5 V，避免單片機因此受影響甚至損壞。電源管理模塊中還設有升壓模塊XL6009，將5 V 電壓升壓至15 V，從而給傳感器供電。

3 使用方法

按“開關”鍵接通電源啟動裝置即可開始環(huán)甲膜穿刺訓練，被試者完成穿刺后按“測試”鍵啟動光電開關完成測試并上傳結果，按“復位”鍵關閉光電開關開始下一輪測試。裝置側面的液晶屏可以顯示操作步驟和測試結果，每次測試使用膚色無紡布粘貼覆蓋穿刺窗硅膠材質外罩表面，每次操作后更換，以免上次穿刺的針孔影響本次操作訓練的結果。

本訓練的重點是掌握環(huán)甲膜穿刺的部位和進針角度及深度，因此訓練時既可使用市售的環(huán)甲膜穿刺套裝，也可以用大號注射針頭代替。

4 應用效果

使用本裝置對50 名無醫(yī)學相關經(jīng)驗的戰(zhàn)士進行環(huán)甲膜穿刺訓練（實驗組），同時另選50 名條件相當?shù)膽?zhàn)士使用傳統(tǒng)人體解剖掛圖進行訓練（對照組），2 組人員選擇同一人體進行環(huán)甲膜表面皮膚定位，由3 名醫(yī)師共同對定位的準確性和定位時間進行評判，定位時間取平均值。采用SPSS 17.0 對相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，準確定位人數(shù)采用χ2檢驗，定位時間采用t 檢驗，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義，結果見表1。

表1 不同訓練方式結果統(tǒng)計

使用本裝置訓練的戰(zhàn)士在定位準確率和定位所需時間上均優(yōu)于使用傳統(tǒng)人體解剖掛圖訓練，其中使用本裝置訓練定位所需時間明顯短于使用傳統(tǒng)人體解剖掛圖訓練，差異有統(tǒng)計學意義（P=0.001＜0.05），定位準確率比較差異無統(tǒng)計學意義（P=0.079＞0.05）。

5 結語

本裝置模擬人體頸部外形，外罩硅膠模擬人體皮膚，中置塑膠模擬氣管結構，解剖標志明顯，易于非醫(yī)療專業(yè)人員快速掌握；外形小巧易于攜帶，使用光電開關測試，反應靈敏、結果可靠；使用藍牙上傳，可在上位機對數(shù)據(jù)進行記錄、整理和排序，方便對單位和個人的訓練效果進行綜合評定，更適合基層單位非醫(yī)學背景的人員訓練使用。

使用本裝置進行環(huán)甲膜穿刺訓練，在皮膚定位的準確率和定位所需時間上較使用傳統(tǒng)人體解剖掛圖均具有優(yōu)勢，可以改變目前環(huán)甲膜穿刺訓練中普遍存在的教學方法陳舊、教學手段單一、教材體系老化、不注重應用和實踐[15]的缺點，顯著提高環(huán)甲膜穿刺的訓練水平。但本裝置也存在不足，如沒有穿刺成功時的“落空感”，也無法模擬真實通氣，有待于今后加以改進。