人体胸廓心肺复苏胸外按压力学模型及其模拟研究进展

人体胸廓心肺复苏胸外按压力学模型及其模拟研究进展 第26卷 第3期生物医学工程学杂志Vol.26 No.3 2009年 6月JournalofBiomedicalEngineeringJune 2009 人体胸廓心肺复苏胸外按压力学模型 及其模拟研究进展, 谢新武 孙秋明 倪爱娟 综述 田 丰Δ 审校 (军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161) 摘要 心肺复苏(Cardiopulmonaryresuscitation,CPR)是对心脏骤停患者实施急救的重要技术,国内外对该技术的机制、操作规范、新型的CPR仪器等进行了一系列研究。本文重点综述了CPR胸外循环按压时的人体胸廓力学特性研究以及目前CPR模拟人对按压力—胸骨位移(Force-sternaldisplacement)关系的模拟。已经建立的模型,显示胸廓按压力—胸骨位移关系成滞回曲线。目前的CPR模拟人采用弹簧结构进行的模拟过于简化,有必要进行相关的研究,使得模拟人与人体实际情况更加接近。 关键词 心肺复苏 模拟人 滞回曲线 中图分类号 R318.01 文献标识码 A 文章编号 1001-5515(2009)03-0681-04 AdvancesinResearchesonThroaxMechanicalModelingandSimulation duringCardiopulmonaryResuscitation ————————————————————————————————————————————————————— XieXinwu SunQiuming NiAijuan TianFeng (InstituteofMedicalEquipment,AcademyofMilitaryMedicalSciences,Tianjin300161,China) Abstract Cardiopulmonaryresuscitation(CPR)isvitalforcardioarrestvictims;inthisfield,researcheshavebeenaimingatitsmechanism,operationguidelines,newCPRmachinesandsoon.Thispapersummarizedthestud-iesonthemechanicalcharacteristicsofthethoraxunderCPR,andonthesimulationworkofsternal-displacementre-lationshipinCPRmanikins.Thedatafrommodelingworkshowedthatthethorax'ssternal-displacementrelation-shipcouldbegraphicallyrepresentedbyahysteresiscurve.AstheactualCPRmanikins'mechanicalstructuresofthethoraxaretoosimplified,itisnecessarytodotheworkofimprovement. Keywords Cardiopulmonaryresuscitation(CPR) Manikin Hysteresiscurve 1 前 言 每年在美国大约有460000人、欧洲大约700000人发生心脏骤停, 大约2/3的人能获得复苏 治疗[1]。心肺复苏(Cardiopulmonaryresuscitation,CPR)技术在心脏 骤停急救中比较常用,根据美国心 [1] —————————————————————————————————————————————————— ——— 脏协会(AHA)2005CPR&ECC指南,CPR尤其是有效的胸外按压主要通过胸内压的增加和(或)直接作用于心脏的压力来产生血流,正确实施的按压可产生60,80mmHg的动脉收缩压,该血流使心肌和脑获得了不多但非常重要的氧供。该过程产生血流的机制仍有争议,但一致认为有效的胸外按压 ,全军医药卫生“十一五”重大专项资助(06002):@对挽救一个人的生命很重要[2]。有效的CPR胸部按压技术的影响因素有:拯救者的位置、患者位置、按压手的位置、按压的深度和频率、是否完全松弛以及占空比(按压/松弛过程占一个按压周期的时间比 [1] 率)。 2 CPR胸外按压的实施及CPR模拟人 2.1 CPR胸外按压的实施 CPR的实施可分为院内和院前两种情况。院前急救CPR基本是通过普通大众、消防员等非专业医务人员进行的人工CPR。从专业救护人员到达现场到病人送达医院急救室的过程属于二者之间,研究显示采用机器心肺复苏(MechanicalCPR,M-[3]。 682 生物医学工程学杂志 第26卷 则可采用仪器替代人工按压,如ThumperTM(萨博)心肺复苏机已经在临床院内急救应用多年。近年也不断有新的仪器研制出来。国内————————————————————————————————————————————————————— 的孙一兰等研制了一种心肺复苏及除颤的仪器,其特点是结构简单、轻便。澳门Li等[5,6]研制了一个心肺复苏机器人。澳大利亚的MedteqInnovationsPtyLtd.公司开发了一种名为CPR-EzyTM的仪器[7]。这些新型仪器的应用使得CPR的操作更加准确、不受人为因素干扰,节省了人力,也提高了CPR的效果 [8] [7] [4] 呈近似线性关系。1983年Tsitlik等[17]研究了11个人的胸廓弹性,得到在人工CPR按压时,按压力拟合公式: F=54.9x+108.8x2 (1) 其中:F为按压力;x为胸骨位移。该曲线在CPR应用的范围内可以近似成一条直线。 1990年Gruben等[15]研制了一套系统,监测了人体在急救CPR按压时的按压力、速度、胸骨位移、动脉血压、静脉血压等参数,是在数据获取上的一个突破。进一步Bankman等对人体胸廓建立弹簧-阻尼器并联支撑质量块的模型,并根据一个志愿者身上测得的数据采用辨识法得到胸部按压力与胸骨位移、速度等的关系,发现按压力是一个与胸骨位移有关的多元 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数(2)、(3),对之前的研究结果进行了修正,发现按压时和松弛时有不同的力与位移的关系曲线,并且发现胸部是一个迟滞系统,按压力对胸骨位移作图,呈现出滞回曲线,具有迟滞性。————————————————————————————————————————————————————— 根据Gruben等[8]的研究结果,人体胸廓在按压过程中的按压力计算公式为: F=69.02x+17.10x+1.82v-1.00a+c(2)在松弛过程中的按压力计算公式为:F=51.54x+28.48x2-1.64v+1.00a+c(3)其中:F为按压力;x为胸骨位移;v为胸骨运动速度;a为加速度;c为常数。 1993年,Gruben等[18]建立了弹簧与阻尼器并联模型。该模型认为:?胸部阻力(大小等于按压力)由弹性力和粘滞力(阻尼力)两部分组成;?采用分段线性拟合的方法得到弹性力的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式。按压力表达式为: F=29.4x+22.3x2-1.35x3+0.325x4+(0.710+0.887x)v+e(4) [18] 1993年研究的主要结论是:人体的胸廓刚度和阻尼系数都随着胸骨位移增加而增加。1999年,Gruben等 [19] 2[8] 。但心脏 骤停死亡70%发生在院前,而院前急救的情况复 杂多变,仪器的应用受到条件限制,只能主要通过非专业的急救者实施人工CPR,故提高非专业医务人员的CPR技术是院前急救的关键。另外没有经验的医学生也需要熟练掌握CPR急救技术,使得CPR的教学十分重要。2.2 CPR的教学手段 CPR技术的教学,仅靠阅读课本和老师讲授无法获得实践经验,而————————————————————————————————————————————————————— 临床实践机会很少,使得很多学生甚至急救医生都不能熟练掌握CPR技术。Ged-des等 [9] 研究发现,同样身体条件,经过训练的人更 可能实施合适按压的力。因而要比较好地实施CPR按压技术,必须进行足够的实际操作训练。用模拟人进行培训能获得接近临床实际的操作经验,从而有较好的教学效果,成为CPR教学的重要手段。经过几十年的技术积累,CPR模拟人产品采用的材料、结构等越来越接近人体真实情况。另外,将新技术与传统教学手段结合能提高教学效果 [12] [10,11] 。 近年来视频自学技术(Video-basedself-instruction, [13] VSI)及同步声音指导模拟人(Voiceadvisorymanikin,VAM)技术[14]分别在训练过程中给予视频和声音的指导,都在一定程度上提高了教学效果。其缺陷是模拟人与真人在胸廓力学特性等方面存在差异,按压手感不同,影响训练效果。如何改进模拟人的性能使之尽可能地接近人体真实的生理病理特征,提供接近实际急救的人体和环境条件,是CPR教育发展和普及的关键问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 之一。 又对狗进行了类似的研究,其胸廓力 学特性与人相似,但仍然采用1993年的模型,并未提出新的理论。 ————————————————————————————————————————————————————— 3.2 CPR胸外心脏按压—血液流动机制 胸外按压—胸骨位移—血液流动是心肺复苏胸外按压的基本传导通路,而有效循环输出是衡量CPR胸外按压效果的重要指标。通过一定的假设,并根据医学上的某些实验提出的一些理论主要有:1960年Kouwenhoven的心泵机制、1980年Rudi-cuff胸泵机制、1990年Peter的左室被动管道机制[20]可3 人体胸廓CPR胸外按压力学特性研究 3.1 CPR胸外心脏按压的力与胸骨位移关系模型 CPR的特点决定了CPR模拟人主要对人体胸廓的力学特性进行模拟。对CPR按压力与胸骨位移关系的研究,是解释CPR复苏人心脑肺功能机制的基础,也是研制模拟人的一个基础[15]。20世纪60[16] 683第3期 等[20,21]提出的胸腔共振机制。随着研究的深入,对各种机制的认识也不断加深,有的学者提出在CPR的不同阶段有不同的机制起作用的观点。 Gruben等[15]的研究测出了在胸外按压时的按压力曲线和动脉、静脉血压曲线,提示按压力与动、静脉血压之间呈正相关性,但对于按压的力、频率对有效循环输出的影响,未有更深入的探讨。 目前胸外心脏按压—血液流动机制的研究多是临床医生从实践现象出发得到的理论假设和推论,缺乏数学和工程背景深厚的学者从数学、工程的角度建模的研究。胡辉莹等[22]采用了生物力学的有限————————————————————————————————————————————————————— 元分析法对胸廓的力学特性进行了研究,得到与实验近似的结果,提供了一种新的研究方法。3.3 CPR胸外心脏按压效果的评价 根据2005CPR&ECC指南[2],CPR胸外按压的关键,即胸外心脏按压达到最佳效果(有效循环输出最大)的主要指标值是:按压深度达到4,5cm,按压频率在100次/分左右,按压/松弛比为1?1,胸外按压/人工通气比为30?2,而且不间歇地进行按压—通气循环。指南对于按压深度、按压频率的要求较2000年都有增加,对通气次数的要求则有所降低,显示近年来的研究对于按压深度和按压频率适度增加是持正面的看法。 对人体胸廓力学特性的基础研究有两个作用,一方面可揭示CPR技术的机制,阐明胸部循环按压和人工呼吸对心脏骤停患者的心、肺、脑功能复苏的传导机制,建立按压力—心脏、肺—脑的模型。在这方面的动物(如狗)实验工作进行了不少,对解释CPR机制有一定帮助,人体试验则因伦理问题及难以操作和控制而进展缓慢,还需要进一步的工作。另一方面,可对CPR模拟人的研制从理论上给予指导[18,19]。 3.4 CPR模拟人胸廓力学特性模拟现状 20世纪50年代,挪威Laerdal公司开发出了世界上第一个用于CPR训练的产品———复苏安妮,之后该公司又不断推出新的产品,其产品在国际上一直处于领先地位。随着技术的发展和进步以及该领域研究的深入,美国Nasco、METI、伊默森、戈马德,德国3B,英国AR,丹麦Ambu,日本坂本等知名公司都推出了相关的产品[23]。国内公司如上海鸿联、天津天堰也推出了CPR模拟人产品。 ————————————————————————————————————————————————————— 目前的CPR模拟人产品采用传感器获取操作者的按压深度、频率等信息,并通过一定的方式实时[11],[19] [20] [20] 握胸外按压的深度、频率,保证按压的效果有相当的功效。然而对于CPR胸外按压的实施者来说,对按压深度、按压频率、按压/松弛比等技术的掌握则与对人体胸部力学特性的熟悉程度有密切关系。若模拟人的力学性能与人体实际差异较大,则在模拟人上的经验不能移植到人身上,实践中仍可能造成病人肋骨骨折或者按压力不够而导致急救失败。因此,设计模拟人时,能否使得模拟人胸部的按压力—胸骨位移曲线更接近人体真实状况,对其应用效果有直接而重要的影响。 大部分CPR模拟人在胸腔安置弹簧以提供按压阻力[24],能够较为粗略地模拟人体胸部按压力—胸骨位移的关系,但其不足之处也很明显。1983年Tsitlik等[17]对2个CPR模拟人(RecordingResusciAnne) 进行了力学性能测试,发现模拟人的按压力—胸骨位移是线性关系,而且弹簧刚度过大,而在变形较大时阻力又过小。1993年Gruben等研究了5个模拟人,发现模拟人的弹簧刚度固定,不会随胸骨位移变化而变化。Baubin等[24]针对各种CPR模拟人的胸部力学特性进行了研究,结果发现各厂商的模拟人的按压力—胸骨位移关系有很大的差异,而且各厂商对各自产品的阻力特性的确定缺乏较为科学的依据。部分厂商的产品的按压力—胸骨位移呈线性关系,却有不同的刚度;还有部分厂商的产品是非线性的凸函数,更不符合人体实际。 ————————————————————————————————————————————————————— 对人体胸廓力学性能的研究已经 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 人体CPR按压力—胸骨位移不是线性关系,而且存在不可忽略的阻尼,因而线性弹簧模拟不够逼真,但是国内外尚未见文献报道更好的模拟方式。 [18] 4 结 语 院前急救的人工CPR的正确实施并不容易,即便是受过一定训练的人也会出现很多不符合国际CPR操作指南的问题 [25] 。通过模拟人来对急救人 员进行培训是最合适的途径。我们已经知道,人体胸部按压力—胸骨位移的关系曲线不是用一个简单一次函数可以近似的,因此现有的采用普通弹簧结构的方法也就不能对其进行精确模拟,使得CPR模拟人的教学效果有限。基础研究已经给出了模型,需要根据模型进行实物模拟。目前尚未有文献报道将模拟人胸廓力学特性根据Gruben等[18]所建模型进行模拟的试验和产品。如何选择技术上可实现的途径对胸廓力学特性进行更好的模拟,是对CPR模。 684 生物医学工程学杂志 第26卷 必将推动CPR模拟人技术的发展,具有良好的前景。 参 [1] ————————————————————————————————————————————————————— [13] measures[J].Resuscitation,2008,76(2):233-243.LYNCHB,EINSPRUCHEL,NICHOLG,etal.Effective-nessofa30-minCPRself-instructionprogramforlayre-sponders:acontrolledrandomizedstudy[J].Resuscitation,2005,67(1):31-43. [14] SUTTONRM,DONOGHUEA,MYKLEBUSTH,etal.Thevoiceadvisorymanikin(VAM):Aninnovativeapproachtopediatriclayproviderbasiclifesupportskilleducation[J].Resuscitation,2007,75(1):161-168. [15] GRUBENKG,ROMLEINJ,HALPERINHR,etal.Sys-temformechanicalmeasurementsduringcardiopulmonaryre-suscitationinhumans[J].IEEETransBiomedEng,1990,37(2):204-210. [16] RUBENH,JOHANSENSH.Sternaldisplacementwithdif-ferentloads[J].ActaAnaesthesiolScand,1966,10(1):31-36. [17] TSITLIKJE,WEISFELDTML,CHANDRAN,etal.E-lasticpropertiesofthehumanc—————————————————————————————————————————————————— ——— hestduringcardiopulmonaryresuscitation[J].CritCareMed,1983,11(9):685-692. [18] GRUBENKG,GUERCIAD,HALPERINHR,etal.Sternalforce-displacementrelationshipduringcardiopulmo-naryresuscitation[J].JBiomechEng,1993,115(2):195-201. [19] GRUBENKG,HALPERINHR,POPELAS,etal.Ca-ninesternalforce-displacementrelationshipduringcardiopul-monaryresuscitation[J].IEEETransBiomedEng,1999,46(7):788-796. [20][21][22][23][24] 王道庄.心肺复苏的发展、争论与展望[M].北京:人民卫生出版 社,2007:7-130. 何忠杰,林洪远,赵宇,等.胸外心脏按压机制探讨[J].中华急诊医学 杂志,1998,7(6):371-375. 胡辉莹,钟世镇,张美超,等.人体胸廓三维有限元模型的建立及应 力分析研究[J].中国急救医学,2007,17(12):1098-1100田丰,刘长军,张彦 军,等.虚拟现实技术与实尺模拟人在创伤急救训练中的应用[J].医疗 卫生装 备,2005,26(7):28-30.BAUBINMA,GILLYH,POSCHA,etal.Compressionchara—————————————————————————————————————————————————— ——— cteristicsofCPRmanikins[J].Resuscitation,1995,30(2):117-126. [25] LIBERMANM,LAVOIEA,MULDERD,etal.Cardiopul-monaryresuscitation:errorsmadebypre-hospitalemergencymedicalpersonnel[J].Resuscitation,1999,42(1):47-55. (收稿:2007-12-06 修回:2008-03-25) 考文献 InternationalLiaisonCommitteeonResuscitation.2005Inter-nationalConsensusonCardiopulmonaryResuscitationandE-mergencyCardiovascularCareSciencewithTreatmentRec-ommendations.Part2:Adultbasiclifesupport[J].Resusci-tation,2005,67(2-3):187-201. [2][3] 张悦怡,路远强.心肺复苏(CPR)与心血管急救(ECC)指南2005解析 [J].全科医学临床与教 育,2006,4(5):359-364.SUNDEK,WIKL,STEENPA.Qualityofmechanical,manualstandardandactivecompression-decompressionCPRonthearrestsiteandduringtransportinamanikinmodel[J].Resuscitation,1997,34(3):235-242. [4][5] 孙一兰,张庆稼.心电复苏模拟人控制系统设计[J].北京生物医学 工程,1998,17(4):227-231. —————————————————————————————————————————————————— ——— LIYM,XUQS.Designanddevelopmentofamedicalparal-lelrobotforcardiopulmonaryresuscitation[J].IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,2007,12(3):265-273. [6]LIYM,XUQS.Conceptdesignanddynamicmodelingofamedicalparallelmanipulatortoassistincardiopulmonaryre-suscitation[C].IEEECCECE/CCGEI,Saskatoon,2005:842. [7]BOYLEAJ,WILSONAM,CONNELLYK,etal.Im-provementintimingandeffectivenessofexternalcardiaccom-pressionswithanewnon-invasivedevice:theCPR-Ezy[J].Resuscitation,2002,54(1):63-67. [8]BANKMANIN,GRUBENKG,HALPERINHR,etal.I-dentificationofdynamicmechanicalparametersofthehumanchestduringmanualcardiopulmonaryresuscitation[J].IEEETransBiomedEng,1990,37(2):211-217. [9]GEDDESLA,BOLANDMK,TALEYARKHANPR,etal.ChestcompressionforceoftrainedanduntrainedCPRres-cuers[J].CardiovascEng,2007,7:47. [10]孙长怡,秦俭,贾建国,等.提高各级医护人员应急救治能力的新 方法———生理驱动高仿真模拟培训[J].中国医院管 理,2006,26(4):51-53. —————————————————————————————————————————————————— ——— [11][12] 王长远,秦俭,王晶,等.电脑模拟人在急诊心肺复苏教学中的应用 [J].实用预防医学,2006,13(5):1349-1350. LYNCHB,EINSPRUCHEL,NICHOLG,etal.Assess-mentofBLSskills:Optimizingu seofinstructorandmanikin —————————————————————————————————————————————————— ———