(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(shí)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(shí)際上，在醫(yī)學(xué)生臨床實(shí)踐教學(xué)和?？漆t(yī)師技能培訓(xùn)中，卻不可能用真實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)踐操作多數(shù)為“見習(xí)加實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)際手術(shù)過程困難。同時(shí)國外的介入手術(shù)模擬器不僅造價(jià)高，而且是在虛擬情況下完成，不僅無法實(shí)現(xiàn)手術(shù)設(shè)備的仿真，也無法實(shí)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(jì)目的是為了滿足醫(yī)學(xué)生自學(xué)與動手實(shí)驗(yàn)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(shí)又能提高實(shí)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的實(shí)踐教學(xué)和醫(yī)療培訓(xùn)等功能，既節(jié)省了實(shí)驗(yàn)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(gè)無創(chuàng)性、無損毀性、無危險(xiǎn)性的訓(xùn)練方式，充分體現(xiàn)教育部仿真實(shí)驗(yàn)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則。

1 冠心病介入治療虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 總體設(shè)計(jì)

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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(diǎn)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(shí)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(jì)解決了在醫(yī)學(xué)生實(shí)踐教學(xué)和?？漆t(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(shí)驗(yàn)中心科研平臺和理工醫(yī)結(jié)合的科研團(tuán)隊(duì)，以仿真技術(shù)為依托，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制和機(jī)械設(shè)計(jì)等技術(shù)，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件組成：介入治療設(shè)備基本單元仿照實(shí)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(diǎn)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)有一種突破感，符合實(shí)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(shí)實(shí)時(shí)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(shí)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(jì)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(gè)過程，從而實(shí)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(jì)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程分三步：第一步，預(yù)備工作，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)，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(shí)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(xiàng)：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(shí)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(diǎn)(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(shí)應(yīng)注意進(jìn)針的方向和力度，當(dāng)穿到一定深度時(shí)，感覺到一種突破感時(shí)，表明已經(jīng)穿過血管壁，此時(shí)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(shí)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(bào)道和技術(shù)。該項(xiàng)目為國內(nèi)外首創(chuàng)，學(xué)生可以反復(fù)學(xué)習(xí)、隨時(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的難題，引領(lǐng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)用新型專利共五項(xiàng)，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(shí)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(gè)操作過程及其注意事項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生缺乏動手實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)踐教學(xué)方法和手段的發(fā)展帶來一場革命。