多功能医疗后送模拟训练装置的设计与应用

冯小霞，甄丽华，朱益飞，王康康，左效艳，董 燕

（联勤保障部队第960医院，济南250031）

0 引言

现代高技术战争条件下，快速反应、立体救护、联合后送成为战场救治的主要模式。随着我军装备水平、后勤保障能力的提高及战争特点的变化，救治机构必须建设一支适应现代战场需求、战救技术过硬的高素质护理队伍。野战救护实战化训练是提高护理队伍战时适应、快速反应、准确施救与安全后送等卫勤保障能力的必要途径。由于现场地面急救与野战救护车、搜救直升机运送途中的紧急救治有所不同，尤其是严酷的后送条件对救护人员会产生不同程度的心理压力，加之后送过程中会遇到各种复杂路况及空中气流等引起的颠簸、晃动等状况，这些因素都给救护工作带来很大挑战，从而影响护理人员的后送综合能力[1-2]。据报道，国外空运后送人员参与转运任务前，必须经过严格的适应训练和专业培训[3]，从而保证一旦出现需要转运的危重患者，能够及时有效应对。因此，医疗后送对护理人员的应急能力、应变能力和专业技能提出了更高的要求[4-5]。如何提高战场医疗后送过程中伤员的救治成功率，需要在平时加大实战化训练力度。然而飞行模拟器研制精密复杂、价格昂贵，很难普及应用；野战救护车装备精良、需专人驾驶，平时也不能随意动用。近年来，国内虽有学者研制了动态模拟训练平台及电动荡板床，然而其外观较为简单、功能单一，无法按照救护车及搜救直升机舱内布局放置急救物品及器材，难以实现后送途中连续性救治技能训练，如心肺复苏、电除颤、心电监护等[6-7]。本文结合实际需求，研制一种更加贴近实战化救治模式的动态模拟训练装置，能够有效满足护理人员针对不同后送载体的动态特点与伤员伤情处置特点等进行连续性动态救治训练，从而缩小平战差距，提高护理人员的救护技术水平、保障伤员安全，具有非常重要的军事意义。

1 设计思路

直升机、救护车运送环境中，影响护理人员技术操作的主要因素是振动、颠簸、倾斜等运动位移效应。振动对人体的影响程度取决于振动的频率、振幅、速度、加速度、作用时间及机体功能状态，而振动会通过引起视觉功能下降而影响操作。直升机的振动频率大于救护车，救护车振幅大于直升机。救护车的振幅主要由路况决定，而直升机的振动以来自主转子叶片的旋转为主，此外，发动机、齿轮箱、传动系统和尾翼转子叶片也可产生较大的振动。为满足实战化条件下护理人员在严酷后送环境中的综合救护训练需要，本研究根据不同后送工具的振动及振幅特点，自行设计一套模拟战时后送载体（搜救直升机、野战救护车）的多功能医疗后送模拟训练装置，通过逼真模拟空中、地面不同运送载体的动态环境及空间大小，对医院护理人员实施动态环境下的救护技术系统化训练。本装置参照国家军用标准等相关数据[8]，并结合实际后送环境需求，选取相应输入参数，通过高频六自由度并联装置使训练装置达到前后左右平移、前后俯仰、左右倾斜、上下升降、速度改变与振动等直升机、救护车运送伤员时的不同运动状态。

2 设计

2.1 组成

训练装置主要由硬件部分与软件部分组成。硬件部分包含上、下平台和高频六自由度并联装置，软件部分包含控制系统及计算机、控制器。上平台由操作台、伤员台、护栏、固定装置及物品台等组成，操作台安装在下平台与高频六自由度并联装置上方，伤员台安装在操作台上方，操作台和伤员台的尺寸、高度、质量等参照野战救护车、搜救直升机的实际空间需求确定；下平台为固定底座；高频六自由度并联装置由电动缸、连接杆、交流伺服电动机组成，固定在上、下平台之间。训练装置示意图及实物图如图1~3所示。

图1 多功能医疗后送模拟训练装置结构示意图

图2 多功能医疗后送模拟训练装置实物图

图3 多功能医疗后送模拟训练装置内部示意图

2.2 硬件设计

训练装置通过高频六自由度并联装置借助6个电动缸的伸缩完成上平台在6个自由度（X、Y、Z，α、β、γ）的运动，从而模拟出各种空间运动姿态。电动缸顶部通过虎克铰与连接杆的底部连接，连接杆的顶部通过虎克铰与上平台连接。高频六自由度并联装置固定设置于下平台上，上平台固定设置于操作台底部的固定板下，环绕操作台设有防护架。

上平台是有效载荷的安装基面，可通过高频六自由度并联装置实现位移运动。操作台长3 000 mm、宽2 000 mm，护栏高度为1 000 mm，可同时容纳3~4人，并放置必要的救护设备。操作台上面的伤员台长1 800、宽600、高450 mm，可容纳1名伤员。训练装置自检系统根据读取陀螺姿态数据作为反馈，可实现上平台的水平自平衡。

下平台是高频六自由度并联装置的安装基面，需要有足够的强度和承受足够大的冲击力，承重载荷1 600 kg。电动缸与下平台的固定点（指固定螺帽的位置）位于半径为0.85 m的圆上，且连接相邻的固定点构成固定点规则六边形；电动缸与下平台之间构成的夹角为40°~60°，电动缸与固定点短边（指螺帽旁边的短轴，长度为0.17 m）的中轴线之间构成的夹角为40°~60°。连接杆与上平台的铰接点位于半径为0.85 m的圆上，且连接相邻的铰接点构成铰接点规则六边形。6个电动缸可在缸轴向方向作线性移动，以此来实现上平台的协调运动。

2.3 软件设计

2.3.1 控制系统

控制系统包括上位机软件和微控制器软件两部分。上位机软件基于实时操作系统设计，主要进行运动指令的发送以及系统状态的监控，由运动控制模块、通信模块、检测程序模块、用户接口等组成，可进行升级及二次开发。微控制器软件基于嵌入式操作系统设计，主要进行平台模型运算，通过运动模式的动作采集、数据编辑，可以生成直升机、救护车2种模式在不同条件下的动作姿态与运动过程。

运动路径编辑所用工具为Visual Studio，采用倍福TwinCAT 3.1主站平台，主站内置Windows 7专业版操作系统。在编辑运动位姿规划时要做相应的动作分析，结合搜救直升机振动频率快、振幅小，野战救护车振动频率慢、振幅大的运动特点，每个运送载体设有至少5套连续性运动模式，每套直升机运动路径包含在空中起飞、下降、倾斜、振动等位姿变化，救护车运动路径包含在野外不同路况的颠簸、转弯、上坡、下坡、急停等动作轨迹。将基本动作作为一组动作文件，同时加入随机动作，然后将这些离散的动作点通过5次非均匀B样条拟合成一条连续的曲线。对于得到的5次非均匀B样条曲线依次求导，分别得到平台运动轨迹的速度、加速度和加速度曲线。将所有6个自由度的动作曲线都规划好后需要进行实时的精插补，才能获得逼真的运动效果。

2.3.2 操控装置

操制装置由1台计算机及控制器组成，可控制训练器的各项运动状态，并能提供不同运送载体的单个动作与多套动态模式组合以备选择。其中控制器由运动控制计算机（主控制器）、全数字电动机驱动器、数字输入输出模块、CAN（controller area network）总线通信模块、嵌入式操作系统、控制软件和监控软件等组成。

2.3.3 系统控制原理

来自上位机平台姿态的状态信号（3个位移量X、Y、Z和俯仰角α、倾侧角β、转向角γ）经过下位机计算机通信接口进入计算机进行平台模型运算，并经D/A转换成6台伺服缸的指令信号，通过伺服控制器求得采样时刻上平台在运动过程中的实际姿态（3个位移量、3个转角）。编码器反馈信号的解算，经高速采集至计算机完成数据计算，并实施数字式闭环控制，使6台电动缸同时协调动作构成平台运动的瞬时姿态，以保证连续性运动的精度。

2.4 技术指标

训练装置有效载荷为1 000 kg，总载荷为1 600 kg（含平台自重）。训练装置的运动参数：姿态为俯仰（α）、滚转（β）、偏航（Y）时，位移均为±25°、速度均为±20°/s、加速度均为±50°/s2；姿态为垂直升降（Z）时，位移为±250 mm、速度为200 mm/s、加速度为±0.3g；姿态为纵向位移（Y）或侧向位移（X）时，位移均为±200 mm、速度均为200 mm/s、加速度均为±0.3g；振动频率：0～10 Hz（直升机>救护车）；振幅：10～200 mm（救护车>直升机）；行程回差：≤0.5 mm；漂移量：连续运行12 h以上，任何一个电动缸的位置漂移不超过0.000 25 m。

3 使用方法

首先打开连接电源线的总开关，按顺序启动全数字电动机驱动器、主控制器；打开显示器，根据训练需要选择直升机模式或救护车模式，并进行运动模式的选择，点击“启动”，训练装置启动升高到达中位点，再点击“运行”，平台按路径运行后，即可开始训练。运动过程中可以手动暂停和继续运动，在一套运动结束后（运行15 min），平台自动降回水平零位。

4 应用效果

4.1 对象及方法

组织护理人员应用多功能医疗后送模拟训练装置进行救护技术分组训练，分为直升机组与救护车组，每组24人。直升机组平均年龄（33.17±6.25）岁、工作年限（10.42±6.26）a，救护车组平均年龄（33.83±5.52）岁、工作年限（11.42±5.86）a，2组间比较无明显统计学差异（P>0.05）。2组护理人员分别选择直升机、救护车的后送模式，配合运行模式及模拟器噪声进行适应性训练。在适应性训练前，2组护理人员分别在直升机、救护车训练模式上进行静脉留置针输液技术操作。之后实施静脉留置针输液技术专项练习2周，每日训练时间不少于4 h，根据训练装置的摇摆、振动特点，采取不同的稳定姿势，如单膝、双膝跪姿，提高训练者身体的平衡能力。采用单手推针法，根据训练装置的动态特点选择合适的穿刺时机。训练场景如图4所示。

图4 静脉输液技术训练场景

4.2 评价指标

通过观察2组护理人员在训练装置上的适应性、稳定性与穿刺成功率以及操作用时，分别比较2组训练前后护理人员在动态条件下操作能力的变化。

适应性指护理人员在训练装置上的身心适应程度，分为良好、一般、较差3个等级。良好为未出现身体不适症状，无紧张、害怕、恐惧等心理反应；一般为身体出现轻微不适症状（如手心出汗、腿发抖、心慌、头晕等），或有轻度紧张、害怕、恐惧等心理反应，但不影响操作；较差为身体出现明显不适症状（如头痛、头晕、心慌、恶心、呕吐等），或有明显紧张、害怕、恐惧等心理反应，对操作影响较大。本文的适应性是指适应良好率，即适应性良好人数/训练人数×100%。

稳定性指护理人员在训练装置上保持自身稳定的程度，分为良好、一般、较差3个等级。良好为身体能够保持平稳，与训练装置的动态协调较好；一般为身体基本能够保持平稳，与训练装置的动态协调有点困难，但对操作影响不大；较差为身体很难保持平稳，与训练装置的动态协调比较困难，对操作影响较大。本文的稳定性是指稳定良好率，即稳定性良好人数/训练人数×100%。

穿刺成功率指护理人员在训练装置上实施静脉留置针穿刺的效果。本文的穿刺成功率是指一次性穿刺成功次数/穿刺总次数×100%。

操作用时指护理人员在训练装置上完成静脉留置针技术操作所用的时间。本文的操作用时是指从洗手开始至穿刺后整理用物完毕终止。

4.3 统计学方法

采用SPSS 18.0作为统计学分析软件，计量资料组内前后比较采用配对t检验，计数资料组间比较采用χ2检验，P<0.05表示有统计学差异。

4.4 结果

经过2周动态条件下的适应性训练，在同一环境下进行测试，救护车组训练后护理人员的适应性、稳定性与穿刺成功率明显优于训练前，差异具有统计学意义（P<0.01、P<0.01、P<0.05）；直升机组训练后护理人员的适应性、稳定性、穿刺成功率明显优于训练前，操作用时也明显短于训练前，差异具有统计学意义（P<0.05、P<0.05、P<0.01、P<0.01）。详见表1、2。

表1 救护车组静脉输液训练前后护理人员动态操作能力比较（n=24）

表2 直升机组静脉输液训练前后护理人员动态操作能力比较（n=24）

5 结语

现代战争环境下，战伤救治需要更高效的救治体系、过硬的救治技术及有序的后送保障，而过硬的技能、良好的心理素质及适应能力是保障战场救护质量的关键[9]。多功能医疗后送模拟训练装置投入使用后，通过对医院护理人员实施动态救护技术常态化训练，一方面使受训人员真实体验后送环境因素对救护人员带来的不利影响，认识到在噪声、振动、颠簸、倾斜等状态下确保伤病员的安全和充分保持自身平衡稳定的重要性，从而增强护理人员对动态运送载体复杂环境的身心适应能力；另一方面，根据医疗后送原则，区分优先处置和常规处置技术项目，不断优化动态环境下的技术流程，对静脉输液、心肺复苏、气管插管等救护技术进行反复强化训练，可以大大缩短操作时间、提高处置成功率，有利于提高救护人员在战时复杂恶劣条件下的医疗后送能力及护理人员在复杂后送环境中的适应能力及医疗救护效能，为全面开展群众性战伤救治训练及进行医疗队（空运）人员适应性选拔奠定基础。

本装置模拟逼真、经济方便，为平时护理人员实施空中、车辆动态环境下的救护技术系统化训练提供了条件。但因本装置受放置条件及平台高度限制，平台空间为开放式，在研发二代产品时将结合运送载体的操作空间大小设计为逼真的密闭式空间并增加噪声的实时影响，使训练装置更加接近真实运送环境。