一种环甲膜穿刺训练装置的研制

李 杨，郑祥乐，张玉平，马 蒙，付志刚，*

（1.联勤保障部队第983 医院健康医学科，天津300142；2.河北工业大学电气工程学院，天津300401）

0 引言

高新技术战争以高科技军事技术和诸兵种联合作战为特征，具有武器杀伤威力大、作用时间长、杀伤机制复杂、伤情多元化等特点[1]。通过对伊拉克战争和阿富汗战争中死亡人员的阵亡原因分析，在现代战争条件下,气道障碍仅位于大出血之后，在可以避免的死亡原因中排名第二[2-3]。我军也将通气、止血、包扎、固定、搬运和基础生命支持列入战救六项技术，其中以通气和止血最为紧急[4]。通气的方法常见的有气管插管术、环甲膜穿刺术、环甲膜切开术、常规气管切开术以及快速气管切开术等，每种手术各有特点，其中气管插管术和气管切开术是常用的抢救方法，但需要特殊的器械及专业的医师，且需要10~15 min 才能完成[5]。

环甲膜穿刺具有操作简便、容易掌握、安全可靠、并发症少的特点[6]，可以快速、简便、有效地解决各种原因造成的窒息，尤其适用于紧急情况下其他措施不见效者[7]，且全部操作不超过1 min[8]，能够为呼吸道梗阻患者抢救赢得宝贵时间，提高抢救成功率。对于环甲膜穿刺操作的培训，除利用解剖模型和动物（狗）进行教学训练外[9]，也有使用安全、轻便的穿戴式模拟训练装具的报道[10]。但使用动物训练成本高，现有的模型训练重复性不强、不能显示结果，穿戴式训练装具与真实解剖标志存在一定差距，代入感不强。为解决以上问题，本文设计了一款环甲膜穿刺训练装置，可以反复使用且不需要专业人员就能自动判定穿刺结果。

1 设计思路

环甲膜的具体位置，广义上讲是环状软骨和甲状软骨之间圆锥形的有弹性的纤维结缔组织膜，狭义上讲仅指弹性圆锥的前部，其上界为甲状软骨下缘，下界为环状软骨上缘，两侧界为环甲肌内侧缘[11]。光电开关由发射器发出可见光或红外线，接收器接收发射或透射的光线，当有被测物体经过时，接收到的光线发生变化，产生开关信号[12]。在人体颈部模型环甲膜解剖位置下内置红外光幕对射开关和激光对射开关各一套，红外光幕对射开关顺气管方向分别放置在甲状软骨和环状软骨之下，激光对射开关放置在甲状软骨和环状软骨之间的气管两侧。当穿刺针遮挡2 套开关后，穿刺位置正确，系统判定为优秀；如果仅遮挡红外光幕对射开关，穿刺针留在气管内，判定为良好；如果红外光幕对射开关未遮挡，意味着穿刺针没在气管中，判定为穿刺失败。

2 具体设计

装置的外观为人体下颌至锁骨之间的颈部外形，内部为放置电路板模块和电源模块的硬塑材质模型，中部为甲状软骨和环状软骨等表面标志明显的塑胶模型，外部为模拟皮肤的硅胶材质外罩。装置内部结构如图1 所示，外观如图2 所示。本装置外形模拟人体颈部外形，由触发开关、穿刺测试、蓝牙上传、液晶显示和电源管理5 个模块组成，实现了对环甲膜穿刺的模拟训练和对训练效果的自动判定，结果自动上传并记录、整理、排序，系统设计框图如图3 所示。

图1 装置内部结构示意图

图2 装置外观图

图3 系统设计框图

2.1 触发开关模块

触发开关模块设有电源开关、测试和复位3 个按键，分别负责接通系统电源、启动光电开关和关闭光电开关。

2.2 穿刺测试模块

穿刺测试模块主要由顺气管方向的红外光幕对射开关、气管两侧的激光对射开关和可编程控制器3 个部分组成。

红外光幕对射开关由发射器和接收器2 个部分组成，发射器相隔固定间距发射红外光并由接收器在对应部位接收，从而在二者之间形成红外光幕，当被测物体进入光幕区域后，部分光束被遮挡触发电路产生开关信号。人体气管的直径一般在1~1.5 cm，要判断穿刺针是否刺入气管，需感知此宽度范围内光电开关是否被阻挡，故在顺气管方向选用红外光幕对射开关。检测的灵敏度取决于光幕间距，环甲膜穿刺针的直径一般在2 mm 左右[13]，基层训练没有专用的环甲膜穿刺针，一般使用直径1 mm 以上的粗针头代替，而光幕的间距要小于被测物，故选用的光幕间距为0.5 mm。

激光对射开关同样由发射器和接收器2 个部分组成，发射器发出的激光由接收器接收，当被检测物体在二者之间通过，光路被遮挡触发电路产生开关信号。环甲膜中线处的上下径仅有4 mm 左右[14]，要判断穿刺针是否在环甲膜处刺入气管，需感知此位置光电开关是否被阻挡，故在环甲膜平面气管两侧选用检测范围较小的激光对射开关。激光对射开关具有非接触、检测材料范围广、响应快和准确率高的特点，激光光束的直径在2~3 mm，放置在环甲膜平面气管两侧正好可以用来检测穿刺针是否穿刺到位。

可编程控制器又称单片机或微控制器，是一种集成度很高的微型计算机，在半导体硅片上集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口等形成的芯片级的微型计算机。本装置选用STC89C52RC 单片机与接口电路相连，负责分析光电开关信号、判定结果、驱动串口HMI（人机接口）显示。

2.3 液晶显示模块

液晶显示部分采用的是有机发光二极管（organic light-emitting diode，OLED）显示屏，使用arduino/stm32/51 例程，由单片机进行驱动，可以显示使用单位、训练名称、运行状态及测试结果。液晶显示模块使装置不需要上位机即能独立运行，完成环甲膜穿刺的训练及考核，并在穿刺后立即显示结果。

2.4 蓝牙上传模块

蓝牙部分采用的是串口HC-06 从机蓝牙模块，主要负责将有效的数据传送至上位机，由上位机对穿刺结果进行记录、整理、排序，从而实现对单位和个人训练效果的综合评定。

2.5 电源管理模块

采用5 号电池和USB 口2 种方式供电，后者既可使用变压器连接市电，也可连接充电宝供电，适应性好、方便灵活。考虑到电池会随着电量减少出现电压降低的情况，故增加了稳压部分，主要是采用MI型BUCK 模块LM2596 实现7~9 V 输入电压转5 V输出电压，使得电池即使在电量用光后仍可以保持稳压到5 V，避免单片机因此受影响甚至损坏。电源管理模块中还设有升压模块XL6009，将5 V 电压升压至15 V，从而给传感器供电。

3 使用方法

按“开关”键接通电源启动装置即可开始环甲膜穿刺训练，被试者完成穿刺后按“测试”键启动光电开关完成测试并上传结果，按“复位”键关闭光电开关开始下一轮测试。装置侧面的液晶屏可以显示操作步骤和测试结果，每次测试使用肤色无纺布粘贴覆盖穿刺窗硅胶材质外罩表面，每次操作后更换，以免上次穿刺的针孔影响本次操作训练的结果。

本训练的重点是掌握环甲膜穿刺的部位和进针角度及深度，因此训练时既可使用市售的环甲膜穿刺套装，也可以用大号注射针头代替。

4 应用效果

使用本装置对50 名无医学相关经验的战士进行环甲膜穿刺训练（实验组），同时另选50 名条件相当的战士使用传统人体解剖挂图进行训练（对照组），2 组人员选择同一人体进行环甲膜表面皮肤定位，由3 名医师共同对定位的准确性和定位时间进行评判，定位时间取平均值。采用SPSS 17.0 对相关数据进行统计学分析，准确定位人数采用χ2检验，定位时间采用t 检验，以P＜0.05 为差异有统计学意义，结果见表1。

表1 不同训练方式结果统计

使用本装置训练的战士在定位准确率和定位所需时间上均优于使用传统人体解剖挂图训练，其中使用本装置训练定位所需时间明显短于使用传统人体解剖挂图训练，差异有统计学意义（P=0.001＜0.05），定位准确率比较差异无统计学意义（P=0.079＞0.05）。

5 结语

本装置模拟人体颈部外形，外罩硅胶模拟人体皮肤，中置塑胶模拟气管结构，解剖标志明显，易于非医疗专业人员快速掌握；外形小巧易于携带，使用光电开关测试，反应灵敏、结果可靠；使用蓝牙上传，可在上位机对数据进行记录、整理和排序，方便对单位和个人的训练效果进行综合评定，更适合基层单位非医学背景的人员训练使用。

使用本装置进行环甲膜穿刺训练，在皮肤定位的准确率和定位所需时间上较使用传统人体解剖挂图均具有优势，可以改变目前环甲膜穿刺训练中普遍存在的教学方法陈旧、教学手段单一、教材体系老化、不注重应用和实践[15]的缺点，显著提高环甲膜穿刺的训练水平。但本装置也存在不足，如没有穿刺成功时的“落空感”，也无法模拟真实通气，有待于今后加以改进。