心肺复苏模拟人研究现状

靳 杰，董文龙，樊毫军，侯世科，范 斌

（天津大学灾难医学研究院，天津300072）

0 引言

心脏骤停是重要的公共卫生问题[1]。美国每年约有50万人死于心脏骤停[2]，欧洲每年约有30万人发生院外心脏骤停，我国每年有54.4万人死于院外心脏骤停[3]。研究表明，患者在发生心脏骤停3~5 min内接受有效的心肺复苏，存活率可以达到49%～75%。每延迟1 min实施心肺复苏，患者的生存率就会下降7%～10%[4]。因此，当患者发生心脏骤停时，及时的心肺复苏才能挽救其生命。我国心肺复苏术普及率低，只有不到1%的人接受过心肺复苏培训，而“全民参与”才能提升我国心肺复苏术的普及率[5]。研究显示，急救人员缺乏对理想心肺复苏操作的准确性把握[6]，临床毕业生在实际操作上存在按压姿势不正确、按压深度不达标、气道开放不完全等问题[7]，而普通大众对心肺复苏操作方法掌握得更少。若要提高心肺复苏的普及率及心脏骤停患者的存活率，心肺复苏培训是必不可少的，而进行有效的培训，培训工具又是不可或缺的，心肺复苏模拟人是进行心肺复苏培训的重要工具。

医疗模拟人培训是一种利用模拟技术建立仿真模拟人的临床情景来代替真实患者进行临床教学实践的医疗培训。关于心肺复苏模拟人目前尚无明确定义，就其内涵而言，是指用来学习心肺复苏基本知识，并提供培训考核的形似人体的医学模型。其内部集成多种传感器，用于监测并反馈按压深度、频率等心肺复苏参数指标信息，在力学结构和触感上接近真实人体。受训者在心肺复苏模拟人身上能够操作胸外按压、气道开放、通气等心肺复苏的基本步骤，通过反馈，了解自己的错误并改正，从而掌握心肺复苏的关键技能。虽然心肺复苏模拟人与真实患者相比具有很大差异，但是其已经成为不可替代的培训工具。心肺复苏模拟人具有视觉的直观性、操作的可重复性、考核的客观性等优点，在培训过程中能够显著提高教学效果[8]。我国心脏骤停患者多，复苏率低，亟须改变目前心脏骤停患者生存率低的现状，故需要高质量的心肺复苏模拟人。现将国内外心肺复苏模拟人的研究情况综述如下。

1 国内外研究现状

模拟人的出现给人类的研究带来了许多便捷性。例如，在汽车领域和航空航天领域，模拟人被用来当作人类的替身，评估系统的安全性和可靠性。在医学领域，模拟人用于医学教育培训，使得理论知识变为实践，提升了专项技能。20世纪60年代，被誉为现代心肺复苏之父的美国匹兹堡大学麻醉系教授Peter Safar研发了最早的用于心肺复苏培训的模拟人——复苏安妮[9]，但限于当时的技术和认知水平，该模拟人所能给予的反馈只是在吹气时胸部隆起，而对于按压深度、频率和按压位置等信息并没有反馈，受训者无法及时了解自己对心肺复苏术掌握的程度，所以在培训方面的应用效果不是很明显。随着计算机、微电子、材料等学科的发展，模拟人的研究领域也在逐步深入，目前的模拟人不但在力学结构、皮肤触感上更加接近真人，而且其反馈参数指标也在逐步增加。

1.1 国外

1.1.1 实物产品

德国3B公司设计的心肺复苏模拟人（如图1所示）[10]附有电子显示装置，是集训练、监视、分析和汇报于一体的心肺复苏反馈模拟人。该模拟人能够监测心肺复苏期间按压深度、按压频率、胸廓回弹情况、通气情况和按压间隙。受训者若只想练习胸外按压操作，还可以从传统的心肺复苏训练切换为“仅压缩”心肺复苏术模式。该模拟人颈部具有动脉脉搏机制，心肺复苏成功时，能够通过脉搏机制感受到模拟人脉搏状态的恢复。挪威Laerdal公司设计了一款QCPR（高级复苏安妮）模拟人（如图2所示）[11]，具有实时反馈装置，反馈的内容包括受训者按压深度、按压频率、胸廓回弹情况和通气情况，在结束测试以后受训者可以通过反馈装置及时了解自己的操作是否合格，若不合格可以通过反馈模块及时了解操作不当的地方，发现不足之处。高级复苏安妮还能够模拟多种病例，并能够实现气道管理、实时除颤、实时心电图监测等功能。日本株式会社JAMY心肺复苏模拟人（如图3所示）[12]同样也是在其体内集成了多个传感器，当受训者对模拟人进行心肺复苏操作时，能及时获取按压深度、频率、通气时间等反馈信息，通过评估分析反馈，让训练者实时了解培训效果。美国纳斯公司的成人CRiSis急救模拟人不仅能够进行传统心肺复苏培训，还能够培训气道管理、血压测量、除颤和静脉注射技术。在心肺复苏培训中，受试者可以通过与模拟人相连的平板计算机观察和控制模拟人的情况。美国戈玛德高端智能模拟人[13]不仅能够提供心电、心音、血压、脉搏、呼吸等信号，还能够提供呼吸、心电图、血氧等监测信息，具有监护、除颤等功能。该模拟人的各项功能完善，可以模拟多种急救相关的病例，但是价格昂贵，高达几十万甚至上百万，而且也不是专门针对心肺复苏术进行培训的。韩国株式会社贝斯特的心肺复苏模拟人[14]胸外按压深度是通过分别放置在2个不同高度柱体上的2个感测磁力的传感器测量的，使用传感器检测模拟人内部磁体的磁力大小，根据磁力的大小检测旋转臂的位置，胸外按压时，传感器可根据磁力大小准确确定按压的深度和频率。

图1 德国3B心肺复苏反馈模拟人[10]

图2 挪威高级复苏安妮[11]

图3 日本株式会社JAMY心肺复苏模拟人[12]

1.1.2 实验阶段模拟人

Widmann等[15]开发了能够模拟人的动脉压和呼气末二氧化碳分压[pET（CO2）]波形的心肺复苏模拟人（如图4所示），其利用从动物和人身上所获得的数据开发了基于儿童患者的压缩力学模型。该模型是基于对儿童心肺复苏模型的改装，在模型内部加入能够处理预设算法的微波控制器和显示屏，用来显示动脉压和pET（CO2），模型可以通过pET（CO2）和血压指标来评估心肺复苏效果。有研究表明，仅通过胸外按压在人体中引起的被动通气足以在第一时间进行气体交换[16]，Taleb等[17]在该研究的基础上开发了不间断按压使用的反馈模型，如图5所示，并设计了由胸外按压产生的被动通气的监测模块，利用弹簧和2个可调节的注射器来模拟胸腔的弹性特性。除了标准的胸外按压参数（深度、频率）外，该模拟人还可测量被动通气参数（包括胸腔内压力、流量及潮气量）。通过反馈能够了解培训者的按压深度、频率以及胸外按压操作带给模型的胸内压力和潮气量。其设有的传感器有：测量气流的气体流量传感器，测量胸腔内压力的压力传感器，测量深度和频率的加速度传感器。Anuntaseree等[18]开发了一款低成本、培训效果好的模拟人（如图6所示），模拟人材料为天然橡胶，其内部由2种材料组成，其中胸腔中央的材料是一种弹性很高的高密度橡胶，用来模拟心脏，头、颈部和身体是由低密度的天然泡沫橡胶组成。该模拟人通过声音来反馈心肺复苏效果，当按压到合适的深度和频率时能够听到由模拟人内部和外界相连接的管子发出的哨声，训练可根据能否听到哨声判断操作是否合格。Silva-Calpa等[19]对普通模拟人进行改造，利用3D打印技术制作了骨盆和血管模型，并加装在模拟人内部，实现了可以练习体外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）插管的模拟人，如图7所示。巴西科学计算机国家实验室Robert等[20]开发了心肺复苏培训系统，如图8所示，该模拟人将普通心肺复苏模拟人放在Nintendo Will平衡板上，通过计算机接收心肺复苏的数据，显示按压频率、按压压力的大小以及力的角度，训练者根据这些信息纠正自己的错误，提高心肺复苏的技能。

图4 具有模拟动脉压和p ET（CO2）波形功能的心肺复苏模拟人[15]

图5 带有胸腔内压反馈的模拟人[17]

图6 天然橡胶模拟人[18]

图7 ECMO插管模拟人[19]

图8 平衡板模拟人[20]

1.2 国内

1.2.1 实物产品

虽然在模拟人的研发方面我国起步晚、基础弱，但是随着近些年的发展也取得了很大进步。天津天堰公司研发的仁.朱雀-Smart心肺复苏模拟人（如图9所示）[21]可以训练心肺复苏按压通气全流程，具有按压深度、频率、气道开放和通气量等信息反馈，反馈信息能够通过模拟人相连的平板计算机显示，具有训练和考核2种模式。受训人员可以在培训模式下练习心肺复苏的操作，掌握技能，再通过考核模式检验掌握的程度，发现自己的不足。深圳安保公司研发的模拟人（如图10所示）[22]具有按压深度、按压频率、通气量和通气频率反馈，其反馈信息能够通过手机界面显示。该模拟人还能够模拟按压过程中按压心脏的血流信息，在其头部设有指示灯，当按压深度和频率正确时，指示灯会亮，上述反馈信息在训练过程中就能够被训练者观察到并及时改正错误的姿势。

图9 仁.朱雀-Smart心肺复苏模拟人[21]

图10 CPR培训模型[22]

1.2.2 实验阶段模拟人

姬宪法等[23]综合运用压力传感器、光电传感器等多传感器技术构建了一种心肺复苏医用模拟人训练系统，该系统采用Atmega32单片机作为控制核心，通过模块化软件设计，模拟现场急救场景，实现了受训者在理论学习、技能培训、事后效果分析的有机统一。王易红[24]开发了一套完整的心肺复苏模拟人训练系统，主要以模拟人体胸廓力学特性为核心，结合人体胸腔结构提出了一种仿生人体胸廓力学结构，采用逆向工程技术实现模拟人皮肤表层结构，在此基础上完成各部分曲面结构造型，设计了各部分检测模块及核心处理模块，实现了各项参数的实时反馈，能够及时对训练结果进行评估。肖康湘[25]研发了一款气动反应式心肺复苏教学模拟人，通过气压驱动模拟器，能够实现对不同年龄段患者胸腔硬度的模拟，通过模拟器模拟瞳孔和颈动脉来模拟心肺复苏成功后的状态。刘业成等[26]设计了一款能够让学员直接观看到按压效果的心肺复苏教学工具，其将心外按压的原理融合在心肺复苏模拟教具中，用1个按压泵和2个单向活瓣分别模拟停跳的心脏和三尖瓣、主动脉瓣，并用1个减压囊模拟外周血管的弹性和胸廓回弹的吸力。学员在按压半身模拟人体时可以实时看见模拟血液在血管中的流动，按压越准确，血液流动越快，按压中断则血流停止，可使学员在练习心外按压时能够直观地看到按压的效果。

2 存在问题

总的来说心肺复苏模拟人的发展取得了很大的进步，但是大多数模拟人存在以下问题：

（1）对人体力学特性模拟得不理想，目前大多数模拟人采用的是纯弹簧结构，胸腔位移与压力呈现简单的线性关系，与真实人体胸腔力学特性不符；

（2）对人体皮肤的模拟材料，有的过硬，有的太软，真实感较差；

（3）大部分模拟人集成了压力传感器、加速度传感器和气体流量传感器等，成本高、价格昂贵；

（4）能够提供的反馈参数指标太少，大部分只有深度、频率和胸廓回弹情况等指标，对于能反映患者生命体征的参数——心率、血压、脉搏、pET（CO2）、血氧饱和度等指标基本没有；

（5）带有心电、血压、呼吸、脉搏、动脉灌注压监测的高仿真模拟人价格往往昂贵，多达几十万甚至百万，成本太高，而且也不是专门针对心肺复苏培训的，不能普及；

（6）对于受训者的全流程操作监测不够客观，例如发现有心脏骤停患者所采取的措施（观察现场环境、患者意识检查）以及操作的动作（胸外按压时手肘挺直）目前还只是由导师的观察评价，主观性强；

（7）对于模拟人的生产和检测没有一个统一的标准，各厂家生产的模拟人在一些参数上不统一（如对不同厂家的模拟人采用相同的力进行按压，按压深度有一定差别）。

3 结语

模型是对受训人员进行培训的有效途径，“工欲善其事，必先利其器”，若要使大众掌握心肺复苏的基本技能，心肺复苏模拟人是不可或缺的，合适的模拟人会使培训效果事半功倍。

要切实掌握心肺复苏术，仅仅一次的培训是远远不够的，需要多次反复练习，而培训也不能仅仅是简单的胸外按压和吹气，应对模拟人有新的要求。心肺复苏模拟人未来的发展方向应包括以下几个方面：（1）小型化、便携化，价格低廉，且对胸腔力学的模拟接近真人。（2）随着人工智能技术的发展，模拟人的发展将更加智能化，如利用摄像头采集数据，监测学员的操作是否规范，并给出科学合理的评价。（3）对于反馈参数指标，不能只有按压深度、按压频率、通气量以及胸廓回弹状态，应该是集生理指标参数于一体的反馈。通过培训能够使受训者掌握心肺复苏技能，通过生理指标参数判断心肺复苏的效果，在处置真实患者时能够从容应对，及时采取相应的措施，提高患者生存率。（4）研究表明，心脏骤停实施心肺复苏后，3~5 min内进行自动体外除颤器除颤，能够大大提高心脏骤停患者的存活率[27]，达到50%~70%，但是大部分心肺复苏模拟人还不能够提供自动体外除颤器除颤操作的训练，随着自动体外除颤器除颤的普及，心肺复苏模拟人需要配备自动体外除颤器除颤练习模块。（5）在材料的触感上更加接近真实人体皮肤。目前，我国公众心肺复苏术尚未实现全民普及，充分发挥模拟人的优势，推进心肺复苏术的普及，对改变我国心肺复苏术普及率低的现状，推进“健康中国”战略的进程具有积极意义。