超声导声体肝脏深部组织肿块穿刺模型的制作及拓展研究

张韶锐，曾令红，李思丹，李兰权，刘一安

1.长沙医学院 医学影像学院，湖南 长沙 410000，2.长沙医学院附属第一医院 超声科，湖南 长沙410219

超声诊断学涵盖了妇产科、腹部、心脏及甲状腺乳腺等多个专科单元，该课程面临课时设置少、教学形式单一的问题，教学资源分布不均，学习成本较高[1]。模拟医学教育是通过仿真模型和智能技术来模拟临床诊疗场景，为学生或规培生在临床实践前提供模拟操作的学习机会，是对临床实践教学及实践学习的有效补充[2]。

在传统的超声医学实践教学中，大多为真人模特教学法，具有种种短板，如不便检查隐私部位、部分检查前需进行空腹、憋尿、灌肠等准备以及学生大多健康、无典型病灶图像等，传统的实践教学培训模式已经不能满足新形势下超声医学的训练要求。模拟超声医学教育则是通过对部分正常人体组织器官以及病灶超声图像进行模拟。在实践教学中，模拟仿真模型具备标准的解剖学结构，声像图相似度高，为教学提供可控制的学习环境[3]。另外，随着超声可视化技术的发展，目前超声介入技术涵盖面越来越广泛[4-6]，如超声引导下穿刺能准确地进入靶目标，进行活检、注射药物、消融等操作，达到诊断或治疗的目的。但其具有有创性，部分步骤较为繁杂，对超声医师的技术要求较高。模拟教学具有真实、安全和可重复操作等诸多优点，无论是对在校医学生的教学，还是对医院实习医师与住院医师的培训，都有着重要临床实践价值[7]。本文介绍了一种自主研发的基于超声导声体的肝脏深部组织肿块穿刺模拟模型的制作方法，以及在此实验基础上的拓展研究，探讨其临床与教学的实践应用意义。

1 材料和方法

1.1 材料准备

1.1.1 原料 琼脂粉、果冻卡拉胶、K型卡拉胶、山梨酸钾、苯甲酸钠、纯净水。

1.1.2 器具 电子秤（精确到0.1 g）、药匙、玻璃棒、注射器、滤纸、温度计、酒精灯、烧杯、模具（PC聚碳酸酯方形盒15 cm×15 cm×15 cm）、类球型橡胶材料（直径2～4 cm）、色素等。

1.2 超声导声体的制作方法

1.2.1 配料 称取纯净水1 000 g，琼脂粉15 g，果冻卡拉胶10 g，山梨酸钾3 g，苯甲酸钠3 g，依次倒入烧杯中，搅拌均匀，静置约1 h后备用。

1.2.2 加热 用酒精灯对配料步骤（1.2.1）中烧杯内的物料进行加热，往烧杯中滴加0.2 g蓝色素、0.08 g黑色素（色素可根据实际需要定量添加），用玻璃棒不断搅拌并撇去浮沫，加热至沸腾后停止加热，得到导声胶液。

1.2.3 入模 准备好模具（PC聚碳酸酯方形盒），用勺子将加热步骤（1.2.3）得到的胶液装入模具中。

1.2.4 排气 用注射器刺破或抽吸胶液深层气泡。待胶液表层结一层薄皮时，用注射器针端自模具一端向另一端挑起，挑皮后，可见表层气泡完全消失。

1.2.5 冷却 直至完全冷却，得到导声凝胶。

1.3 基底层、核心层和表层的制作方法

1.3.1 基底层的制作 依照超声导声体的制作方法进行制作，其中在入模步骤中，装入胶液使得胶液在模具中高约3～4 cm。

1.3.2 核心层的制作（1）针对周围模拟组织，依照超声导声体的制作方法进行制作，其中在入模步骤中，装入胶液使得胶液在模具中高约8～9 cm；（2）针对病灶模拟体，将制作出的导声胶液再次装入烧杯中进行加热，可在加热过程中加入与周围模拟组织的导声体颜色不同的色素（以红色为宜），在82～100 ℃的温度下加热约20 min，待冷却后，取成块的导声凝胶与加热时烧杯底层形成的凝胶薄膜，将两者加入类球型橡胶材料（根据所需难度选用尺寸），使用注射器抽取2.0～2.5 mL配料完成、未进行加热的混合液体，排尽空气后注射入病灶模拟体中（注射后病灶模拟体形状应保持类球型为宜）。病灶模拟体质量30～40 g，该质量可以使模拟体在制作时沉积于胶液深层，后采用适宜的手段使其悬停于适宜的深度，具体深度可根据所需操作训练的需求而定。

1.3.3 表层的制作 依照超声导声体的制作方法进行改良，将原配方中果冻卡拉胶替换为K型卡拉胶，并把K型卡拉胶的量增加至15 g。其中在入模步骤中，装入胶液使得胶液在模具中高约2～3 cm。其余步骤均不变。

最终制得超声模拟模型，成品如图1，结构图如图2。

图1 基于超声导声体的肝脏深部组织肿块穿刺模型的制作成品

图2 基于超声导声体的肝脏深部组织肿块穿刺模拟模型结构图

2 结果

2.1 肝脏肿块模拟病灶体的特征

基于制作完成的导声凝胶通过持续加热的手段（即前述在82～100 ℃加热约20 min）并经冷却后得到的固态导声凝胶，其回声与肝脏肿块回声相似，总体可作为肝脏肿块内部模拟体，将其装入球状的橡胶材料后，可制作出肝脏肿块外表模拟体将肝脏肿块内部模拟体包裹。在注射入配料完成、未进行加热的混合液体后，可减少超声下整个病灶模拟体的后方声影，可能为混合液体挤占了内部的空气，使得空气残留较少。这样使得肝脏肿块模拟体呈现出类圆形、有包膜、边界清晰及较高回声的大体肿块特征，大体高回声（图3），此成像特点与临床上肝脏血管瘤高回声型（图4）及高回声型原发性肝癌超声成像（图5）相似。另外，该肝脏肿块模拟体与周围组织模拟体设计颜色应不同。

图3 肝脏肿块模型的模拟超声成像图，大体高回声为肝脏肿块模拟体

图4 肝脏血管瘤的临床病例超声成像图，大体高回声的类圆形影

图5 原发性肝癌的临床病例超声成像图，稍高回声型回声类圆形影

2.2 基于超声导声体的肝脏深部组织肿块穿刺模拟模型分层介绍说明

本文介绍肝脏深部组织肿块穿刺模拟模型制作出的分层结构，分为基底层、核心层、表层与皮肤层，各分层有其相应的结构与功能。其中基底层、核心层与表层由导声凝胶制成，便于超声波的传导，提高获取图像的质量；皮肤层由硅胶膜制成，能顺利让超声波透过。基底层厚度为3～4 cm，厚度的设置在于穿刺练习时可给予穿刺针缓冲空间，以达到保护穿刺针与模具的目的。核心层为包含肝脏肿块模拟体的结构，厚度为8～9 cm，较其他层次结构稍厚，除足够支撑与容纳病灶体外，还可减轻分层导致的伪像效应。表层为肌层的模拟体，厚度2～3 cm，可通过适当增加不同量添加剂如氯化钙或适当改变材料比例来实现改变该层的硬度，更逼真地模拟出真实的穿刺手感。皮肤层厚度0.2～0.5 cm，较薄，质地不同，具有较高的硬度，与模拟肌层的表层形成硬度差，可使训练时获得更加真实、贴近实践的手感，且不透明，更便于操作者进行模拟训练操作。

2.3 肝脏深部组织肿块模拟体的讨论、拓展研究

琼脂粉是一类在石花菜等其他海洋藻类植物提取得到的藻胶，目前在多领域应用，用以食品制作时凝固、增稠与保水[8]。琼脂拥有良好的凝胶特性，将琼脂粉溶解在热水中后降温至凝胶温度，基于琼脂糖之间的氢键形成，形成热可逆凝胶[9]。

卡拉胶是一种从红海藻中通过提取得到的天然硫酸脂多糖，具有优异的生物相容性，亲水无毒，属于绿色基质，广泛应用于生物医学领域，同时具有增稠、热可逆凝胶化等特性，也可发生凝胶现象。其中K型卡拉胶缺乏较强亲水性的硫酸酯基团，泌水性较强[10-11]。

在本文介绍的导声凝胶制作方法中，琼脂粉、卡拉胶与纯净水为主要原料，山梨酸钾、苯甲酸钠则作防腐用。现就这些材料在本文所述制作方法的条件下，提出假说及进行讨论。在本肝脏肿块模拟体中，以琼脂粉与卡拉胶起主要作用制成的导声凝胶通过高温持续加热制作得出，琼脂粉与卡拉胶在高温持续加热下，可能发生了某种物理变化，形成了某种具有固定熔点的晶体，使肝脏肿块硬度增加，可根据温度的变化改变其形态，便使得其在B超扫查下得到类似于肝脏肿块的图像。亦或是发生了化学变化：琼脂粉与卡拉胶为有机物，其制成的导声凝胶焦化过程中，在高温下按2∶1比例脱去了氢原子而与氧原子发生碳化，其黑色产物的主要成分为碳单质，大量碳单质的生成使得导声凝胶的硬度增加，在超声下呈高回声。基于此种机理，在实验中我们可以通过控制其温度以及加热时间来实现超声下呈现的不同回声差异，或辅以其他材料，从而来根据实际正常人体组织器官、病灶回声制作出相应回声的超声模拟体。

本小组也在尝试进行脏器内血管的模拟模型研制，模拟的血管在凝胶内走行，同时以泵带动模拟血管内液体流动，在彩色多普勒超声观察下能清晰显示模拟血管及模拟的血液流动。但目前研究应用的血管模型管径较粗，且不能进行弯曲、分叉、分节等精细制作，尚不能应用在本肝脏相关模型中。

2.4 肝脏肿块模型应用于临床穿刺

在肝脏肿块的良恶性判别中，腹部超声检查具有重要的诊断意义，良性多为大体实质高回声或低回声、边界清晰，恶性多为高、低或等回声，内部回声不均、形态多不规则、边界欠清[12]。但在临床上常遇到同一性质的肝脏占位性肿块在超声图像上显示为不同的声像图特征，而不同性质的肿块却显示为同一性质的声像图特征，给临床上肿块的良恶性定性诊断带来困难。超声引导下的肝脏肿块穿刺活检较为方便、安全性高，对诊断肝实质占位性病变的良恶性有着重要意义，是明确难以定性肝脏肿块的“金标准”[13]。本文描述制作出的肝脏肿块不仅可用于病灶超声扫查训练，也可用于临床超声引导下各类穿刺针应用的练习。模型可用于在医学生实习、医师规范化培训与超声医师在实操超声引导穿刺前等场景，在适当的条件下可进行肝脏肿块超声引导下穿刺全套模拟训练。

术前先在B超下探查肿瘤的位置所在，后观察其回声、形态结构并对该肿块进行大小测量，再于体表确定其最佳的穿刺进针点。由于凝胶具有一定弹性，超声探头模拟探查及穿刺时可产生仿真的触觉反馈，并可在超声下实时观察穿刺针的进针方向、进针角度及穿刺深度。操作者对模型进行模拟穿刺训练，操作前，用无菌手套包裹住探头，操作者刷手消毒后，规范戴上无菌手套，一手持无菌穿刺活检针、一手持探头，在超声引导下将穿刺针经表层刺入肿块，但不可完全透过肿块。当操作者将穿刺针伸至适当部位后，助手按下穿刺针尾部的进针开关，后将针取出，便得到病灶组织。穿刺针取出后，仔细观察针头取出的材料，穿刺成果可分为三种情况(以本文叙述使用的黑蓝、红色素为例)，一种为针尖可见红色的材料即为标准穿刺成功；一种为针头只见深蓝色材料，此为未能刺中瘤体；再一种为握柄往针尖方向依次可见红色、深蓝色的材料，此为针刺穿了肿块，操作成功。

3 讨论

本肝脏深部组织肿块超声穿刺模型有诸多优点：（1）制作原料多为生物物料，安全环保；（2）原料较易获得且价格低廉，使得制作成本不高；（3）制作方法较为简单；（4）制作过程中加入了山梨酸钾与苯甲酸钠两种防腐剂，可保存9个月以上；（5）超声成像下肝脏肿块病灶图像与真实临床肝脏肿块病灶成像相似度达95%以上；（6）穿刺过程中手感逼真，每层不同的硬度差设计使得穿刺不同层面都有不同的手感，接近于人体；（7）穿刺的过程成像清晰，穿刺针的动向清楚明了，可根据穿刺所取材料颜色来评估穿刺训练效果；（8）模型可多次重复使用，保养时可使用本文所述超声导声体的制作方法制作出导声体，使用注射器将制得的导声凝胶沿穿刺留下的针道注入，可对其完成填补。

该模型的缺点如下：（1）在超声成像下新注入的导声凝胶可能与周围旧导声体产生伪像效应；（2）由于本模型在操作过程中并不能将肝脏内的胆管、血管等一一呈现，因此操作过程与临床实际操作还存在一定的差距；（3）本模型的整个制作过程约需花费2.0～2.5 h，制备时间仍较长。

但总体上，本肝脏深部组织肿块模拟仿真模型是我校师生共研的具有自主知识产权的临床教学模型，经试用证实能准确模拟穿刺的全过程，对穿刺后穿刺准确性进行评估，让学生更容易理解和掌握肝肿块穿刺活检术的步骤和要点，并能在模型上反复操作，从而大大提升教学质量，提高穿刺的准确性与成功率，减少在临床实际操作时相关并发症的发生。