超聲導聲體肝臟深部組織腫塊穿刺模型的制作及拓展研究

張韶銳，曾令紅，李思丹，李蘭權，劉一安

1.長沙醫學院 醫學影像學院，湖南 長沙 410000，2.長沙醫學院附屬第一醫院 超聲科，湖南 長沙410219

超聲診斷學涵蓋了婦產科、腹部、心臟及甲狀腺乳腺等多個專科單元，該課程面臨課時設置少、教學形式單一的問題，教學資源分布不均，學習成本較高[1]。模擬醫學教育是通過仿真模型和智能技術來模擬臨床診療場景，為學生或規培生在臨床實踐前提供模擬操作的學習機會，是對臨床實踐教學及實踐學習的有效補充[2]。

在傳統的超聲醫學實踐教學中，大多為真人模特教學法，具有種種短板，如不便檢查隱私部位、部分檢查前需進行空腹、憋尿、灌腸等準備以及學生大多健康、無典型病灶圖像等，傳統的實踐教學培訓模式已經不能滿足新形勢下超聲醫學的訓練要求。模擬超聲醫學教育則是通過對部分正常人體組織器官以及病灶超聲圖像進行模擬。在實踐教學中，模擬仿真模型具備標準的解剖學結構，聲像圖相似度高，為教學提供可控制的學習環境[3]。另外，隨著超聲可視化技術的發展，目前超聲介入技術涵蓋面越來越廣泛[4-6]，如超聲引導下穿刺能準確地進入靶目標，進行活檢、注射藥物、消融等操作，達到診斷或治療的目的。但其具有有創性，部分步驟較為繁雜，對超聲醫師的技術要求較高。模擬教學具有真實、安全和可重復操作等諸多優點，無論是對在校醫學生的教學，還是對醫院實習醫師與住院醫師的培訓，都有著重要臨床實踐價值[7]。本文介紹了一種自主研發的基于超聲導聲體的肝臟深部組織腫塊穿刺模擬模型的制作方法，以及在此實驗基礎上的拓展研究，探討其臨床與教學的實踐應用意義。

1 材料和方法

1.1 材料準備

1.1.1 原料 瓊脂粉、果凍卡拉膠、K型卡拉膠、山梨酸鉀、苯甲酸鈉、純凈水。

1.1.2 器具 電子秤（精確到0.1 g）、藥匙、玻璃棒、注射器、濾紙、溫度計、酒精燈、燒杯、模具（PC聚碳酸酯方形盒15 cm×15 cm×15 cm）、類球型橡膠材料（直徑2～4 cm）、色素等。

1.2 超聲導聲體的制作方法

1.2.1 配料 稱取純凈水1 000 g，瓊脂粉15 g，果凍卡拉膠10 g，山梨酸鉀3 g，苯甲酸鈉3 g，依次倒入燒杯中，攪拌均勻，靜置約1 h后備用。

1.2.2 加熱 用酒精燈對配料步驟（1.2.1）中燒杯內的物料進行加熱，往燒杯中滴加0.2 g藍色素、0.08 g黑色素（色素可根據實際需要定量添加），用玻璃棒不斷攪拌并撇去浮沫，加熱至沸騰后停止加熱，得到導聲膠液。

1.2.3 入模 準備好模具（PC聚碳酸酯方形盒），用勺子將加熱步驟（1.2.3）得到的膠液裝入模具中。

1.2.4 排氣 用注射器刺破或抽吸膠液深層氣泡。待膠液表層結一層薄皮時，用注射器針端自模具一端向另一端挑起，挑皮后，可見表層氣泡完全消失。

1.2.5 冷卻 直至完全冷卻，得到導聲凝膠。

1.3 基底層、核心層和表層的制作方法

1.3.1 基底層的制作 依照超聲導聲體的制作方法進行制作，其中在入模步驟中，裝入膠液使得膠液在模具中高約3～4 cm。

1.3.2 核心層的制作（1）針對周圍模擬組織，依照超聲導聲體的制作方法進行制作，其中在入模步驟中，裝入膠液使得膠液在模具中高約8～9 cm；（2）針對病灶模擬體，將制作出的導聲膠液再次裝入燒杯中進行加熱，可在加熱過程中加入與周圍模擬組織的導聲體顏色不同的色素（以紅色為宜），在82～100 ℃的溫度下加熱約20 min，待冷卻后，取成塊的導聲凝膠與加熱時燒杯底層形成的凝膠薄膜，將兩者加入類球型橡膠材料（根據所需難度選用尺寸），使用注射器抽取2.0～2.5 mL配料完成、未進行加熱的混合液體，排盡空氣后注射入病灶模擬體中（注射后病灶模擬體形狀應保持類球型為宜）。病灶模擬體質量30～40 g，該質量可以使模擬體在制作時沉積于膠液深層，后采用適宜的手段使其懸停于適宜的深度，具體深度可根據所需操作訓練的需求而定。

1.3.3 表層的制作 依照超聲導聲體的制作方法進行改良，將原配方中果凍卡拉膠替換為K型卡拉膠，并把K型卡拉膠的量增加至15 g。其中在入模步驟中，裝入膠液使得膠液在模具中高約2～3 cm。其余步驟均不變。

最終制得超聲模擬模型，成品如圖1，結構圖如圖2。

圖1 基于超聲導聲體的肝臟深部組織腫塊穿刺模型的制作成品

圖2 基于超聲導聲體的肝臟深部組織腫塊穿刺模擬模型結構圖

2 結果

2.1 肝臟腫塊模擬病灶體的特征

基于制作完成的導聲凝膠通過持續加熱的手段（即前述在82～100 ℃加熱約20 min）并經冷卻后得到的固態導聲凝膠，其回聲與肝臟腫塊回聲相似，總體可作為肝臟腫塊內部模擬體，將其裝入球狀的橡膠材料后，可制作出肝臟腫塊外表模擬體將肝臟腫塊內部模擬體包裹。在注射入配料完成、未進行加熱的混合液體后，可減少超聲下整個病灶模擬體的后方聲影，可能為混合液體擠占了內部的空氣，使得空氣殘留較少。這樣使得肝臟腫塊模擬體呈現出類圓形、有包膜、邊界清晰及較高回聲的大體腫塊特征，大體高回聲（圖3），此成像特點與臨床上肝臟血管瘤高回聲型（圖4）及高回聲型原發性肝癌超聲成像（圖5）相似。另外，該肝臟腫塊模擬體與周圍組織模擬體設計顏色應不同。

圖3 肝臟腫塊模型的模擬超聲成像圖，大體高回聲為肝臟腫塊模擬體

圖4 肝臟血管瘤的臨床病例超聲成像圖，大體高回聲的類圓形影

圖5 原發性肝癌的臨床病例超聲成像圖，稍高回聲型回聲類圓形影

2.2 基于超聲導聲體的肝臟深部組織腫塊穿刺模擬模型分層介紹說明

本文介紹肝臟深部組織腫塊穿刺模擬模型制作出的分層結構，分為基底層、核心層、表層與皮膚層，各分層有其相應的結構與功能。其中基底層、核心層與表層由導聲凝膠制成，便于超聲波的傳導，提高獲取圖像的質量；皮膚層由硅膠膜制成，能順利讓超聲波透過。基底層厚度為3～4 cm，厚度的設置在于穿刺練習時可給予穿刺針緩沖空間，以達到保護穿刺針與模具的目的。核心層為包含肝臟腫塊模擬體的結構，厚度為8～9 cm，較其他層次結構稍厚，除足夠支撐與容納病灶體外，還可減輕分層導致的偽像效應。表層為肌層的模擬體，厚度2～3 cm，可通過適當增加不同量添加劑如氯化鈣或適當改變材料比例來實現改變該層的硬度，更逼真地模擬出真實的穿刺手感。皮膚層厚度0.2～0.5 cm，較薄，質地不同，具有較高的硬度，與模擬肌層的表層形成硬度差，可使訓練時獲得更加真實、貼近實踐的手感，且不透明，更便于操作者進行模擬訓練操作。

2.3 肝臟深部組織腫塊模擬體的討論、拓展研究

瓊脂粉是一類在石花菜等其他海洋藻類植物提取得到的藻膠，目前在多領域應用，用以食品制作時凝固、增稠與保水[8]。瓊脂擁有良好的凝膠特性，將瓊脂粉溶解在熱水中后降溫至凝膠溫度，基于瓊脂糖之間的氫鍵形成，形成熱可逆凝膠[9]。

卡拉膠是一種從紅海藻中通過提取得到的天然硫酸脂多糖，具有優異的生物相容性，親水無毒，屬于綠色基質，廣泛應用于生物醫學領域，同時具有增稠、熱可逆凝膠化等特性，也可發生凝膠現象。其中K型卡拉膠缺乏較強親水性的硫酸酯基團，泌水性較強[10-11]。

在本文介紹的導聲凝膠制作方法中，瓊脂粉、卡拉膠與純凈水為主要原料，山梨酸鉀、苯甲酸鈉則作防腐用。現就這些材料在本文所述制作方法的條件下，提出假說及進行討論。在本肝臟腫塊模擬體中，以瓊脂粉與卡拉膠起主要作用制成的導聲凝膠通過高溫持續加熱制作得出，瓊脂粉與卡拉膠在高溫持續加熱下，可能發生了某種物理變化，形成了某種具有固定熔點的晶體，使肝臟腫塊硬度增加，可根據溫度的變化改變其形態，便使得其在B超掃查下得到類似于肝臟腫塊的圖像。亦或是發生了化學變化：瓊脂粉與卡拉膠為有機物，其制成的導聲凝膠焦化過程中，在高溫下按2∶1比例脫去了氫原子而與氧原子發生碳化，其黑色產物的主要成分為碳單質，大量碳單質的生成使得導聲凝膠的硬度增加，在超聲下呈高回聲。基于此種機理，在實驗中我們可以通過控制其溫度以及加熱時間來實現超聲下呈現的不同回聲差異，或輔以其他材料，從而來根據實際正常人體組織器官、病灶回聲制作出相應回聲的超聲模擬體。

本小組也在嘗試進行臟器內血管的模擬模型研制，模擬的血管在凝膠內走行，同時以泵帶動模擬血管內液體流動，在彩色多普勒超聲觀察下能清晰顯示模擬血管及模擬的血液流動。但目前研究應用的血管模型管徑較粗，且不能進行彎曲、分叉、分節等精細制作，尚不能應用在本肝臟相關模型中。

2.4 肝臟腫塊模型應用于臨床穿刺

在肝臟腫塊的良惡性判別中，腹部超聲檢查具有重要的診斷意義，良性多為大體實質高回聲或低回聲、邊界清晰，惡性多為高、低或等回聲，內部回聲不均、形態多不規則、邊界欠清[12]。但在臨床上常遇到同一性質的肝臟占位性腫塊在超聲圖像上顯示為不同的聲像圖特征，而不同性質的腫塊卻顯示為同一性質的聲像圖特征，給臨床上腫塊的良惡性定性診斷帶來困難。超聲引導下的肝臟腫塊穿刺活檢較為方便、安全性高，對診斷肝實質占位性病變的良惡性有著重要意義，是明確難以定性肝臟腫塊的“金標準”[13]。本文描述制作出的肝臟腫塊不僅可用于病灶超聲掃查訓練，也可用于臨床超聲引導下各類穿刺針應用的練習。模型可用于在醫學生實習、醫師規范化培訓與超聲醫師在實操超聲引導穿刺前等場景，在適當的條件下可進行肝臟腫塊超聲引導下穿刺全套模擬訓練。

術前先在B超下探查腫瘤的位置所在，后觀察其回聲、形態結構并對該腫塊進行大小測量，再于體表確定其最佳的穿刺進針點。由于凝膠具有一定彈性，超聲探頭模擬探查及穿刺時可產生仿真的觸覺反饋，并可在超聲下實時觀察穿刺針的進針方向、進針角度及穿刺深度。操作者對模型進行模擬穿刺訓練，操作前，用無菌手套包裹住探頭，操作者刷手消毒后，規范戴上無菌手套，一手持無菌穿刺活檢針、一手持探頭，在超聲引導下將穿刺針經表層刺入腫塊，但不可完全透過腫塊。當操作者將穿刺針伸至適當部位后，助手按下穿刺針尾部的進針開關，后將針取出，便得到病灶組織。穿刺針取出后，仔細觀察針頭取出的材料，穿刺成果可分為三種情況(以本文敘述使用的黑藍、紅色素為例)，一種為針尖可見紅色的材料即為標準穿刺成功；一種為針頭只見深藍色材料，此為未能刺中瘤體；再一種為握柄往針尖方向依次可見紅色、深藍色的材料，此為針刺穿了腫塊，操作成功。

3 討論

本肝臟深部組織腫塊超聲穿刺模型有諸多優點：（1）制作原料多為生物物料，安全環保；（2）原料較易獲得且價格低廉，使得制作成本不高；（3）制作方法較為簡單；（4）制作過程中加入了山梨酸鉀與苯甲酸鈉兩種防腐劑，可保存9個月以上；（5）超聲成像下肝臟腫塊病灶圖像與真實臨床肝臟腫塊病灶成像相似度達95%以上；（6）穿刺過程中手感逼真，每層不同的硬度差設計使得穿刺不同層面都有不同的手感，接近于人體；（7）穿刺的過程成像清晰，穿刺針的動向清楚明了，可根據穿刺所取材料顏色來評估穿刺訓練效果；（8）模型可多次重復使用，保養時可使用本文所述超聲導聲體的制作方法制作出導聲體，使用注射器將制得的導聲凝膠沿穿刺留下的針道注入，可對其完成填補。

該模型的缺點如下：（1）在超聲成像下新注入的導聲凝膠可能與周圍舊導聲體產生偽像效應；（2）由于本模型在操作過程中并不能將肝臟內的膽管、血管等一一呈現，因此操作過程與臨床實際操作還存在一定的差距；（3）本模型的整個制作過程約需花費2.0～2.5 h，制備時間仍較長。

但總體上，本肝臟深部組織腫塊模擬仿真模型是我校師生共研的具有自主知識產權的臨床教學模型，經試用證實能準確模擬穿刺的全過程，對穿刺后穿刺準確性進行評估，讓學生更容易理解和掌握肝腫塊穿刺活檢術的步驟和要點，并能在模型上反復操作，從而大大提升教學質量，提高穿刺的準確性與成功率，減少在臨床實際操作時相關并發癥的發生。