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(shí)施心肺復(fù)蘇，患者的生存率就會(huì)下降7%～10%[4]。因此，當(dāng)患者發(fā)生心臟驟停時(shí)，及時(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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?；颊叩拇婊盥?，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(shí)患者進(jìn)行臨床教學(xué)實(shí)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(shí)，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(shí)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(cuò)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(shí)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(diǎn)，在培訓(xùn)過程中能夠顯著提高教學(xué)效果[8]。我國心臟驟?；颊叨?，復(fù)蘇率低，亟須改變目前心臟驟?；颊呱媛实偷默F(xiàn)狀，故需要高質(zhì)量的心肺復(fù)蘇模擬人?，F(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(píng)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(shí)變?yōu)閷?shí)踐，提升了專項(xiàng)技能。20世紀(jì)60年代，被譽(yù)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(shí)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(shí)胸部隆起，而對(duì)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(shí)了解自己對(duì)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(jì)算機(jī)、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(shí)物產(chǎn)品

德國3B公司設(shè)計(jì)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(bào)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(dòng)脈脈搏機(jī)制，心肺復(fù)蘇成功時(shí)，能夠通過脈搏機(jī)制感受到模擬人脈搏狀態(tài)的恢復(fù)。挪威Laerdal公司設(shè)計(jì)了一款QCPR（高級(jí)復(fù)蘇安妮）模擬人（如圖2所示）[11]，具有實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)了解操作不當(dāng)?shù)牡胤剑l(fā)現(xiàn)不足之處。高級(jí)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(shí)時(shí)除顫、實(shí)時(shí)心電圖監(jiān)測等功能。日本株式會(huì)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(gè)傳感器，當(dāng)受訓(xùn)者對(duì)模擬人進(jìn)行心肺復(fù)蘇操作時(shí)，能及時(shí)獲取按壓深度、頻率、通氣時(shí)間等反饋信息，通過評(píng)估分析反饋，讓訓(xùn)練者實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)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(hào)，還能夠提供呼吸、心電圖、血氧等監(jiān)測信息，具有監(jiān)護(hù)、除顫等功能。該模擬人的各項(xiàng)功能完善，可以模擬多種急救相關(guān)的病例，但是價(jià)格昂貴，高達(dá)幾十萬甚至上百萬，而且也不是專門針對(duì)心肺復(fù)蘇術(shù)進(jìn)行培訓(xùn)的。韓國株式會(huì)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(gè)不同高度柱體上的2個(gè)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(shí)，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(jí)復(fù)蘇安妮[11]

圖3 日本株式會(huì)社JAMY心肺復(fù)蘇模擬人[12]

1.1.2 實(shí)驗(yàn)階段模擬人

Widmann等[15]開發(fā)了能夠模擬人的動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)脈壓和pET（CO2），模型可以通過pET（CO2）和血壓指標(biāo)來評(píng)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(dòng)通氣足以在第一時(shí)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(jì)了由胸外按壓產(chǎn)生的被動(dòng)通氣的監(jiān)測模塊，利用彈簧和2個(gè)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(dòng)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(shí)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(duì)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(shí)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(jì)算機(jī)國家實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(cuò)誤，提高心肺復(fù)蘇的技能。

圖4 具有模擬動(dòng)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(shí)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(jì)算機(jī)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(yàn)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(jī)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(shí)，指示燈會(huì)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(shí)改正錯(cuò)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(shí)驗(yàn)階段模擬人

姬憲法等[23]綜合運(yùn)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(jī)作為控制核心，通過模塊化軟件設(shè)計(jì)，模擬現(xiàn)場急救場景，實(shí)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(jī)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(shí)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(jì)了各部分檢測模塊及核心處理模塊，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)反饋，能夠及時(shí)對(duì)訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。肖康湘[25]研發(fā)了一款氣動(dòng)反應(yīng)式心肺復(fù)蘇教學(xué)模擬人，通過氣壓驅(qū)動(dòng)模擬器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(dòng)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(jì)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(gè)按壓泵和2個(gè)單向活瓣分別模擬停跳的心臟和三尖瓣、主動(dòng)脈瓣，并用1個(gè)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(shí)可以實(shí)時(shí)看見模擬血液在血管中的流動(dòng)，按壓越準(zhǔn)確，血液流動(dòng)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(shí)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(duì)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(shí)人體胸腔力學(xué)特性不符；

（2）對(duì)人體皮膚的模擬材料，有的過硬，有的太軟，真實(shí)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(jià)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(duì)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(dòng)脈灌注壓監(jiān)測的高仿真模擬人價(jià)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(duì)心肺復(fù)蘇培訓(xùn)的，不能普及；

（6）對(duì)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?；颊咚扇〉拇胧ㄓ^察現(xiàn)場環(huán)境、患者意識(shí)檢查）以及操作的動(dòng)作（胸外按壓時(shí)手肘挺直）目前還只是由導(dǎo)師的觀察評(píng)價(jià)，主觀性強(qiáng)；

（7）對(duì)于模擬人的生產(chǎn)和檢測沒有一個(gè)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(duì)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(duì)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(huì)使培訓(xùn)效果事半功倍。

要切實(shí)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(duì)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(gè)方面：（1）小型化、便攜化，價(jià)格低廉，且對(duì)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(píng)價(jià)。（3）對(duì)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(shí)患者時(shí)能夠從容應(yīng)對(duì)，及時(shí)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(shí)施心肺復(fù)蘇后，3~5 min內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)體外除顫器除顫，能夠大大提高心臟驟?；颊叩拇婊盥蔥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(dòng)體外除顫器除顫操作的訓(xùn)練，隨著自動(dòng)體外除顫器除顫的普及，心肺復(fù)蘇模擬人需要配備自動(dòng)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(shí)人體皮膚。目前，我國公眾心肺復(fù)蘇術(shù)尚未實(shí)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(duì)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。