冠心病介入治療虛擬仿真操作訓練系統的設計

(徐州醫科大學 醫學影像學院，江蘇 徐州 221000)

0 引言

冠心病介入治療又稱經皮冠狀動脈介入治療(PCI)，是指經心導管技術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操作難度較大，只有在充分實踐練習的基礎上才能逐步掌握技巧和要領，并達到熟練程度以后才有可能進一步進行臨床治療。而實際上，在醫學生臨床實踐教學和專科醫師技能培訓中，卻不可能用真實病人進行練習操作，也無法避免放射線，因此急需開發可以方便用戶練習操作訓練的冠心病介入治療仿真設備，訓練時才能夠不懼怕 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，從而完成從感性認識到理性認識的升華，提高冠心病介入治療的教學效果。

傳統的血管介入治療實踐教學和操作訓練一般局限在理論知識和觀察手術過程，具體的實踐操作多數為“見習加實習”訓練模式。而且冠心病介入治療操作見習課無法避免X射線輻射、無法用病人進行練習操作以及國內C型臂無實驗教學設備。在國內的教學中，多以玻璃管代替血管，但玻璃管順應性差，導管成形和插管中較實際手術過程困難。同時國外的介入手術模擬器不僅造價高，而且是在虛擬情況下完成，不僅無法實現手術設備的仿真，也無法實現操作流程的仿真。

冠心病介入治療虛擬仿真系統設計目的是為了滿足醫學生自學與動手實驗的需要，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質量。避免了學生接受X射線的輻射，便于學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識。冠心病介入治療虛擬仿真系統利用仿真技術，科學的把仿真介入治療設備基本單元、透明人體血管模型、無放射源的成像系統、三維動畫學習軟件結合，完全實現傳統實驗不具備或難以完成的實踐教學和醫療培訓等功能，既節省了實驗教學硬件成本，又能為教師、醫學生及專科醫生提供了一個無創性、無損毀性、無危險性的訓練方式，充分體現教育部仿真實驗“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則。

1 冠心病介入治療虛擬仿真系統的設計與實現

1.1 總體設計

冠心病介入治療虛擬仿真操作訓練系統主要包括仿真設計的介入治療設備基本單元、透明人體血管模型、無放射源的成像系統、三維動畫學習軟件4部分(圖1)。整套系統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，安全可靠，而且不易損壞。

1)介入治療設備基本單元可以作為實現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可以采集透明人體血管介入操作圖像并顯示在監視器上，監視血管操作的整個過程。

4)三維動畫學習軟件有利于學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.仿真手術治療床；2.透明人體血管模型；3.仿真C型臂；4.監視器；5.攝像頭
圖1 冠心病介入治療虛擬仿真系統結構圖

1.2 技術難點與解決方法

冠心病介入治療虛擬仿真操作訓練系統主要創新在于：結構和功能完全仿真、無需現實病人、無輻射血管顯影成像、軟硬件結合。

1)本系統的設計解決了在醫學生實踐教學和專科醫師培訓中，冠心病介入治療操作訓練面臨的無法避免X射線輻射，及國內無專門訓練用C型臂等難題。利用醫學工程實驗中心科研平臺和理工醫結合的科研團隊，以仿真技術為依托，運用計算機技術、自動控制和機械設計等技術，創造性地設計出利用穿刺針、導絲、導管等器械經血管途徑對心臟血管進行診斷與治療的，結構和功能同臨床介入科室中一致的仿真醫療設備。

介入治療設備基本單元的研制實現了系統硬件組成：介入治療設備基本單元仿照實際數字減影血管造影機的外形尺寸，依據工程圖制作出部件，然后加工拼裝而成。由仿真C型臂、仿真手術治療床、超清攝像頭等組成，有機結合后構成系統操作平臺；仿真C型臂的球管焦點至影像增強器距離≥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，可隨意調整角度和位置，攝像頭放置于透明治療床下，并能根據實際需要方便調整高度和焦距。

2)具有自主知識產權的透明人體血管模型，徹底解決了冠心病介入治療操作訓練中不可能用病人進行練習操作，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、內部組織器官與實體仿真、可以反復進行穿刺和操作訓練。透明人體血管模型包括仿真透明人和透明心血管系統。仿真透明人腹側表面由仿真人體硅膠制成，不透明；背側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。

透明人的尺寸與成人的尺寸的比例為1:1，仿真人體的腹側表面采用膚色材料制成，背側底面采用透明材料制成；透明心血管系統包括透明動脈、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的PVC管制作，其形態分布按照人體各部分主要血管走向設置；透明心臟和透明冠狀大血管分別根據實際形態尺寸利用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，主動脈弓凸側從右向左依次發出頭臂干、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，發出左頭臂靜脈和右頭臂靜脈，頭臂靜脈發出鎖骨下靜脈，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，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，符合實際操作訓練要求；血管系統整體采用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進行布置，使模擬操作者便于穿刺插管練習；背部材料采用透明硅膠材料制成，保證硬化后的背側仿真皮膚柔軟透明，便于攝像頭采集仿真血管圖像以及介入器械定位要求。

3)本系統最具核心技術——無放射源成像：在臨床中冠心病介入利用DSA設備，通過減影、增強和再成像過程來獲得清晰的純血管影像，同時實時地顯現血管影；但是無論是醫生還是病人都會或多或少吸收一定劑量X射線。經過不斷實踐和改進，系統采用無放射源成像為核心技術，來取代具有輻射的醫學影像設備對冠心病介入手術的導引。

無放射源的成像系統由攝像頭、透明手術治療床的床面和監視器組成；把仿真手術治療床的床面設計成透明，在治療床上放置透明人體模型；在仿真C型臂的影像增強器位置安裝攝像頭，用攝像頭代替X射線；1臺19″監視器，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25幀；攝像頭連接監視器，用以采集透明人體血管介入操作圖像并顯示在監視器上，通過調節攝像頭的高度或移動診斷床對影像監視系統進行調整，使影像界面達到最清晰。完成動態監視冠心病介入治療操作的整個過程，從而實現血管介入治療操作訓練仿真訓練操作。

4)三維動畫學習軟件：主要是冠心病介入治療室介紹及相關設備模擬操作、C型臂設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計，開發了一套完整的配套練習系統，便于初學者自主學習和復習鞏固(圖2)。

圖2 三維動畫學習軟件界面

2 結果與分析

利用冠心病介入治療虛擬仿真操作訓練系統，用戶可以在實驗室無需進入醫院就可完成冠心病介入治療操作訓練。具體實驗過程分三步：第一步，預備工作，準備實驗所用器材，包括穿刺套裝，各種規格的導管導絲，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、攝像頭和監視器。第二步，介入操作過程。用穿刺針在透明人體相應靜脈處做穿刺操作，沿著穿刺針把導管導入血管。位于影像增強器處的攝像頭記錄導管在血管中的移動情況，并在監視器上顯像，監控導管在血管中的操作過程，并引導操作者進行導管正常工作。第三步，穿刺部位局部處理，手術結束。同時，介入治療三維動畫學習軟件由三維動畫演示模塊、教學模塊、自主學習模塊組成，既可以在課堂教學時隨教師教學穿插使用，也可以在課后由學生預習，復習鞏固冠心病微創治療相關操作。

注意事項：操作前首先對影像監視系統進行調整，使影像界面達到最清晰。必要時調節攝像頭的高度或移動診斷床。嚴格做好介入手術中的準備工作，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)。用穿刺針進行穿刺時應注意進針的方向和力度，當穿到一定深度時，感覺到一種突破感時，表明已經穿過血管壁，此時應該放入血管鞘。固定血管鞘后，使用導管和導絲進行介入手術操作訓練，注意操作順序和操作手法，必要時可以使用其他復雜的精密的介入器械以及重要器官的專用介入器械。反復訓練后可以改變穿刺部位后，重復練習操作，熟練掌握介入手術的步驟和手法，以及各種器材的的相互配合使用。

根據科技查新可以得到結論：除本系統外，未見與冠心病介入治療虛擬仿真操作訓練系統相關的文獻報道和技術。該項目為國內外首創，學生可以反復學習、隨時學習，自主學習，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療設備實驗教學的難題，引領專業實驗教學新潮流，受到學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練仿真操作訓練系統是醫學實踐教學和專科醫師培訓領域的首創，共獲得國家發明專利和實用新型專利共五項，在國內屬于領先地位。研發成一套完整的用于冠心病介入治療操作訓練的實訓系統，既完整地模擬臨床中血管介入治療的操作步驟，又提高了學員的動手能力，避免了操作訓練過程中接受X射線的輻射，便于學員自主學習，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識。

冠心病介入治療操作訓練仿真操作訓練系統不僅在徐州醫科大學臨床技能中心使用，還向其他醫學院校和社會醫療機構進行了推廣應用，取得了明顯的社會效益和經濟效益。

3 結束語

冠心病介入治療虛擬仿真系統是一款具有醫工結合、機電集成等技術的軟硬件一體化實驗教學和專科醫療培訓設備。能夠實現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學專業學生缺乏動手實踐，無法避免高放射性的難題；解決了傳統醫學教學模式中，無法用病人為受試對象進而限制親自動手操作訓練機會，學習效率低下的難題；同時又可以滿足用戶自主學習冠心病介入操作設備的結構、原理、操作與訓練，由此可見冠心病介入治療操作訓練可以在仿真條件下進行，在相關領域中具有較強的實用性和示范性，是大型醫療設備臨床教學的最新較成功的探索。相信在現代科學技術不斷進步和醫學科學不斷發展的推動下，標準化病人模型的應用和現代醫學大型醫療設備虛擬仿真教學將會給醫學實踐教學方法和手段的發展帶來一場革命。