RU2848164C1

RU2848164C1 - Simulation complex for training students and medical personnel in medical procedures for treating patients who have fainted

Info

Publication number: RU2848164C1
Application number: RU2024139970A
Authority: RU
Inventors: Сергей Дарчоевич Арутюнов; Дмитрий Игоревич Грачев; Ясер Насерович Харах; Александр Анатольевич Южаков; Игорь Игоревич Безукладников; Наталия Борисовна Асташина; Андрей Александрович Байдаров
Filing date: 2024-12-27
Publication date: 2025-10-16

Abstract

FIELD: education; medicine.

SUBSTANCE: technical result is achieved by the fact that the simulation complex for training medical personnel in medical procedures for treating patients who have fainted includes: a replaceable cover module with an element simulating human skin, which includes an air pressure release/inflation circuit (T1) and an artificial vein (B1), a puncture control unit (PCU); and a base comprising: a Raspberry Pi microcomputer, a vein circuit (B2) designed as a closed system for fluid circulation and connected to B1; an air release/inflation circuit (T2) designed as a closed system for controlling air pressure and connected to T1, a vein clamp control unit (VCCU) containing a strain gauge and a strain gauge controller, the readings of which are transmitted to the Raspberry Pi microcontroller, which is designed to determine the presence of a clamp based on the data received.

EFFECT: invention improves the effectiveness of training medical personnel by increasing the realism of the simulation of actual medical procedures.

1 cl, 1 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH THE INVENTION RELATES

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для обучения студентов, медицинских сестер, врачей общей практики, врачей-анестезиологов, реаниматологов и др. Кроме того, изобретение предназначено для обучения медицинского персонала действиям при «Имитация обморока пациента на стоматологическом приеме».The invention relates to medicine and can be used for training students, nurses, general practitioners, anesthesiologists, resuscitators, etc. In addition, the invention is intended for training medical personnel in actions during “simulation of patient fainting during a dental appointment.”

Медицинский комплекс предназначен для использования в рамках учебного процесса и процесса переподготовки в медицинских учреждениях и учебных заведениях.The medical complex is intended for use in the educational process and retraining process in medical institutions and educational institutions.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY

В уровне техники известен универсальный тренажер для обучения допплерометрии, пункции и катетеризации сосудов под ультразвуковым контролем (RU 2739667 C1 Опубликовано: 28.12.2020), в котором включающий ультразвуковой блок из ткани, имитирующей структуру человеческого тела, искусственную кровь, имитаторы кровеносных сосудов, емкость с искусственной кровью и ручной насос.The prior art discloses a universal simulator for training in Doppler ultrasound, puncture, and catheterization of blood vessels under ultrasound guidance (RU 2739667 C1 Published: 12/28/2020), which includes an ultrasound unit made of fabric simulating the structure of the human body, artificial blood, blood vessel simulators, a container with artificial blood, and a hand pump.

Наиболее близкий к заявленному решению является система обучения и оценки выполнения медицинским персоналом инъекционных и хирургических минимально-инвазивных процедур (RU2687564 C1 Опубликовано 15.05.2019), в которой раскрывается тренажер, включающий анатомическую модель части человека, выполненную в виде многослойного анатомического муляжа, инструмент для тестирования, выполненный с возможностью проникновения сквозь слои муляжа и снабженный иглой и датчиком положения, блок сбора и передачи данных выполнения задания, связанный с датчиками положения, инструментом для тестирования и выводами токопроводящих элементов муляжа, связанный с компьютером, The closest to the claimed solution is the system for training and assessing the performance of injection and surgical minimally invasive procedures by medical personnel (RU2687564 C1 Published 05/15/2019), which discloses a simulator that includes an anatomical model of a human part made in the form of a multi-layer anatomical dummy, a testing tool designed with the ability to penetrate through the layers of the dummy and equipped with a needle and a position sensor, a unit for collecting and transmitting task execution data connected to the position sensors, the testing tool and the leads of the conductive elements of the dummy, connected to a computer,

Недостатком известных устройств является то, что известные устройства не выполнены с возможностью установки на робот-манипулятор, что сужает сферу применения при обучении медперсонала, а также то, что известное устройство не реализовано для отслеживания объема введенной внутривенной инъекции и попадания/промаха прокола, отсутствие которых не может обеспечивает качественное, надежное и полномерное обучение обучающихся.A disadvantage of the known devices is that the known devices are not designed to be installed on a robotic manipulator, which narrows the scope of application in training medical personnel, and that the known device is not implemented to track the volume of the administered intravenous injection and the hit/miss of the puncture, the absence of which cannot ensure high-quality, reliable and comprehensive training of students.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ DESCRIPTION OF DRAWINGS

Рис.1. – Структурная электрическая схема программно-аппаратного комплекса «Имитация обморока пациента на стоматологическом приеме»Fig. 1. – Structural electrical diagram of the hardware and software complex “Simulation of patient fainting during a dental appointment”

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯESSENCE OF THE INVENTION

С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, задачей заявленного изобретения является улучшение качества обучения медперсонала и иных обучающихся, совершенствовании заботы о пациентах и повышении эффективности обучения за счет высокого уровня реалистичности.In order to eliminate at least some of the above-mentioned disadvantages of the prior art, the objective of the claimed invention is to improve the quality of training of medical personnel and other trainees, improve patient care and increase the effectiveness of training due to a high level of realism.

Технический результат заявленного решения сводится к моделированию ситуации максимально приближенные к реальному физическому процессу и обучению проведения лечебных процедур.The technical result of the claimed solution is reduced to modeling a situation as close as possible to a real physical process and training in the implementation of medical procedures.

Дополнительный технический результат сводится к усовершенствованию известных устройство в сфере обучения студентов и медперсонала.An additional technical result is the improvement of known devices in the field of training students and medical personnel.

Дополнительный технический результат сводится к расширению арсенала технических средств.An additional technical result is the expansion of the arsenal of technical means.

Указанные технические результаты достигаются благодаря использованию симуляционного комплекса для обучения студентов и медицинского персонала лечебным процедурам при обмороке пациента, включающий в себя:The specified technical results are achieved through the use of a simulation complex for training students and medical personnel in treatment procedures for patients who faint, which includes:

- сменный модуль крышки с элементом имитации кожи человека, реализованный из силикона на основе олова с твердостью 10 по шкале Шора, включающий в себя:- a replaceable cover module with an element simulating human skin, made of tin-based silicone with a hardness of 10 on the Shore scale, including:

контур сброса/накачки давления воздуха (Т1) и искусственную вену (В1), при этом они расположены друг под другом и выполнены с возможностью имитации выпячивания веныan air pressure relief/pumping circuit (T1) and an artificial vein (B1), where they are located one under the other and are designed to simulate a bulging vein

блок контроля прокола (БКП), находящийся внутри силиконового элемента и работающий по принципу ёмкостного датчика, который состоит из двух металлизированных пластин, при этом пластины подключены к портам микрокомпьютера Raspberry Pi, а при осуществлении прокола металлизированных пластин происходит их замыкание, что свидетельствует о промахе,a puncture control unit (PCU), located inside the silicone element and operating on the principle of a capacitive sensor, which consists of two metallized plates, while the plates are connected to the ports of the Raspberry Pi microcomputer, and when a puncture occurs, the metallized plates are short-circuited, which indicates a miss,

- основание, включающее:- a basis that includes:

микрокомпьютер Raspberry PiRaspberry Pi microcomputer

контур вены (В2), выполненный в виде замкнутой системы для циркуляции жидкости и соединенный с В1;vein circuit (B2), designed as a closed system for fluid circulation and connected to B1;

контур сброса/накачки воздуха (Т2), выполненный в виде замкнутой системы для контроля давления воздуха и соединенный с Т1,an air pressure/dump circuit (T2), designed as a closed system for monitoring air pressure and connected to T1,

блок контроля зажима вены жгутом (БКЗ) содержит тензодатчик и контроллер тензодатчика, показания которых передаются на микроконтроллер Raspberry Pi, который выполнен с возможностью на основании полученных данных определять наличие зажима веныThe vein clamp control unit (VCU) contains a strain gauge and a strain gauge controller, the readings of which are transmitted to a Raspberry Pi microcontroller, which is designed to determine the presence of a vein clamp based on the data received.

при этом at the same time

контур В2 содержит в себе насос перекачки жидкости и емкость, которая оснащена резиновой мембраной (РМ), выполненной с возможностью выравнивания давления в контуре, причем мембрана сцеплена с находящимся на ней магнитом (М) посредством клейкой основы, а положение магнита определяется с помощью аналогового датчика Холла, который подключен к микрокомпьютеру Raspberry Pi, при этом положение магнита изменяется пропорционально введению/выведению жидкости из системы, а выведение жидкости из системы происходит через вентиль сброса, причем управление насосом перекачки жидкости осуществляется посредством ШИМ модуляцииcircuit B2 contains a liquid transfer pump and a container that is equipped with a rubber membrane (RM) designed to equalize the pressure in the circuit, wherein the membrane is connected to a magnet (M) located on it by means of an adhesive base, and the position of the magnet is determined using an analog Hall sensor that is connected to a Raspberry Pi microcomputer, wherein the position of the magnet changes proportionally to the introduction/removal of liquid from the system, and the removal of liquid from the system occurs through a discharge valve, and the control of the liquid transfer pump is carried out by means of PWM modulation

контур сброса/накачки воздуха T1-Т2 содержит воздушный насос, который управляется микрокомпьютером Raspberry Pi за счет ШИМ модуляции, а подключение насоса к контуру осуществляется через фитинг, при этом сброс давления осуществляется через вентиль сбросаThe air pressure/drain circuit T1-T2 contains an air pump, which is controlled by a Raspberry Pi microcomputer using PWM modulation, and the pump is connected to the circuit through a fitting, while the pressure is released through a relief valve

причем сменный модуль крышки, а также основание, изготовлены с использованием технологии 3D-печати из PETG-пластика.Moreover, the replaceable lid module, as well as the base, are made using 3D printing technology from PETG plastic.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE IMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Для имитации выведения пациента из обморока разработан комплекс-симулятор «Имитация обморока пациента на стоматологическом приеме». При выполнении соответствующего образовательного кейса «пациент падает в обморок», обучающийся должен реализовать алгоритм выведения пациента из комы посредством ввода лекарственных средств за счет специальных манипуляций и внутривенной инъекция, выполняемой с соблюдением всех необходимых правил. Обучающийся должен быть в медицинских перчатках.To simulate resuscitation of a patient from fainting, a simulation system called "Simulated Fainting in a Dental Appointment" has been developed. While completing the corresponding educational case, "a patient faints," the trainee must implement an algorithm for resuscitating the patient from a coma by administering medications using specific manipulations and an intravenous injection, performed in compliance with all necessary procedures. The trainee must wear medical gloves.

Последовательность действий обучаемого при проведении внутривенной инъекция:Sequence of actions of the trainee when performing an intravenous injection:

• Подготавливаются стерильные инструменты: шприц с препаратом, игла и спиртовая салфетка.• Sterile instruments are prepared: a syringe with the drug, a needle and an alcohol swab.

Наложение жгута:Tourniquet application:

• На симулятор накладывается жгут (место установки тензодатчика). Вена (В1) начинает становиться видимой и легко доступной за счет наддува контура Т1.• A tourniquet is applied to the simulator (location of the strain gauge). The vein (B1) begins to become visible and easily accessible due to the inflation of the T1 circuit.

Обработка места инъекции:Injection site treatment:

• «Кожа» в месте предполагаемого укола дезинфицируется спиртовой салфеткой для предотвращения инфицирования.• The “skin” at the site of the intended injection is disinfected with an alcohol wipe to prevent infection.

Введение иглы:Inserting the needle:

• После выбора вены игла аккуратно вводится под углом в вену.• After selecting the vein, the needle is carefully inserted at an angle into the vein.

• При попадании в вену необходимо потянуть поршень шприца на себя, чтобы убедиться, что в шприце появляется кровь – это признак того, что игла в вене, иначе за счет блока контроля прокола (БКП) на дисплей, который находится на корпусе основания, выводится сообщение о промахе (КРАСНЫЙ сигнал). При успешном попадании на дисплее выводится ЗЕЛЕНЫЙ информационный сигнал. • When hitting a vein, pull the syringe plunger towards you to make sure that blood appears in the syringe - this is a sign that the needle is in the vein, otherwise, due to the puncture control unit (PCU), a message about a miss (RED signal) will be displayed on the display, which is located on the base body. If the hit is successful, a GREEN information signal will be displayed on the display.

Введение препарата:Administration of the drug:

• После подтверждения попадания в вену препарат медленно вводится. На дисплее отображается объем (V) введенной жидкости в мл, который автоматический рассчитывается посредством микроконтроллера Raspberry Pi на основании данных, полученных с датчиков• After confirmation of entry into the vein, the drug is slowly injected. The display shows the volume (V) of the injected fluid in ml, which is automatically calculated by the Raspberry Pi microcontroller based on data received from the sensors.

• При необходимости жгут снимается.• If necessary, the tourniquet is removed.

Завершение:Completion:

• После введения препарата игла аккуратно извлекается.• After the drug has been administered, the needle is carefully removed.

• Место инъекции снова обрабатывается спиртовой салфеткой, и на него накладывается ватный тампон или повязка, чтобы остановить кровотечение.• The injection site is again cleaned with an alcohol swab and a cotton swab or bandage is applied to stop any bleeding.

Разработанный модуль позволяет отслеживать попадание/ промах прокола и объем введённой жидкости (V) в мл.The developed module allows tracking the hit/miss of the puncture and the volume of injected liquid (V) in ml.

Заявленный комплекс, в соответствии с рис. 1 включает следующие блоки:The declared complex, in accordance with Fig. 1, includes the following blocks:

• Электропитание (5V, 1A);• Power supply (5V, 1A);

• Насос для перекачки жидкости;• Pump for pumping liquids;

• Воздушный насос;• Air pump;

• Блок контроля зажима (резистивный тензодатчик и контроллер HX711);• Clamp control unit (resistive load cell and HX711 controller);

• Блок измерения объема жидкости (датчик Холла);• Liquid volume measurement unit (Hall sensor);

• Блок контроля прокола (емкостный датчик);• Puncture control unit (capacitive sensor);

• Блок обработки данных (микрокомпьютер Raspberry Pi).• Data processing unit (Raspberry Pi microcomputer).

Комплекс состоит из двух частей сменного модуля крышки с имитацией кожи с проводящим жидкость каналом и основания с установленными компонентами.The complex consists of two parts: a replaceable cover module with imitation leather and a liquid-conducting channel, and a base with installed components.

Сменный модуль крышки выполнен с использованием технологии 3D-печати из PETG-пластика. На его поверхности располагается имитация кожи пациента из силикона на основе олова с твердостью 10 по шкале Шора.The replaceable cover module is 3D-printed from PETG plastic. Its surface is imitated with a tin-based silicone material with a Shore hardness of 10, which simulates the patient's skin.

Внутри силиконовой структуры залит блок контроля прокола (БКП), работающий по принципу ёмкостного датчика и состоящий из двух металлизированных пластин. Устройство позволяет определять попадание и прокол В1. БКП представляет собой две металлизированные медные пластины, подключенные через XC3 к GPIO портам микрокомпьютера Raspberry Pi. При осуществлении прокола металлизированных пластин происходит их замыкание, что свидетельствует о промахе.A puncture detection unit (PCU) is embedded within the silicone structure. It operates on the principle of a capacitive sensor and consists of two metallized plates. The device detects the penetration and puncture of the B1. The PCU consists of two metallized copper plates connected via XC3 to the GPIO ports of the Raspberry Pi microcomputer. When the metallized plates are punctured, they short-circuit, indicating a missed target.

Кроме того, в силикон интегрированы контур вены В1 и контур Т1 для накачки и сброса давления воздуха, расположенные друг под другом, для имитации выпячивания вены. Силикон фиксируется к основанию с помощью четырёх болтов М3x12 DIN 933, гаек М3 DIN 933 и шайб М3 DIN 933. Соединение сменного модуля с крышкой и имитацией кожи к основанию, на котором установлены все компоненты, осуществляется через четыре шурупа 4x16 ГОСТ 1145–80. Ниже представлена реализация основания с установленными компонентами, корпус которой выполнен с использованием технологии 3D-печати из PETG-пластика.Additionally, the B1 vein circuit and the T1 circuit for air inflation and depressurization are integrated into the silicone, positioned one below the other to simulate vein bulging. The silicone is secured to the base with four M3x12 DIN 933 bolts, M3 DIN 933 nuts, and M3 DIN 933 washers. The removable module with cover and imitation skin is connected to the base, on which all components are mounted, using four 4x16 GOST 1145-80 screws. Below is a sample of the base with installed components, the body of which is 3D printed from PETG plastic.

Основание содержит в себе два контура:The base contains two contours:

– контур вены (В1) – замкнутая система для циркуляции жидкости;– vein circuit (B1) – closed system for fluid circulation;

– контур сброса/накачки воздуха (Т1) – замкнутая система для контроля давления воздуха. – air discharge/pumping circuit (T1) – closed system for air pressure control.

Венозный контур В1 представляет собой замкнутую циркуляторную систему для прокачки жидкости. Подключение к контуру (латексным трубкам) осуществляется через фитинги (Ф). Контур содержит в себе емкость, которая оснащена резиновой мембраной (РМ) для выравнивания давления с наклеенным на мембрану магнитом (М). Положение магнита определяется с помощью аналогового датчика Холла SS49E, который подключен к микрокомпьютеру Raspberry Pi. Положение магнита изменяется пропорционально введению/выведению жидкости из системы. Выведение жидкости из системы происходит через вентиль сброса.The B1 venous circuit is a closed circulatory system for pumping fluid. Connection to the circuit (latex tubing) is made via fittings (F). The circuit contains a container equipped with a rubber membrane (RM) for pressure equalization, with a magnet (M) attached to the membrane. The magnet's position is determined by an SS49E analog Hall sensor, which is connected to a Raspberry Pi microcomputer. The magnet's position changes proportionally to the amount of fluid entering or leaving the system. Fluid is removed from the system through a drain valve.

Управление насосом перекачки жидкости осуществляется посредством ШИМ модуляции.The liquid transfer pump is controlled by PWM modulation.

Контур сброса/накачки воздуха T1: Т1 представляет собой замкнутую систему сброса/накачки давления воздуха. Воздушный насос управляется микрокомпьютером Raspberry Pi за счет ШИМ модуляции. Подключение насоса к контуру (латексной трубке) осуществляется через фитинг (Ф). Сброс давления осуществляется через вентиль сброса. Air pressure relief/inflation circuit T1: T1 is a closed-loop air pressure relief/inflation system. The air pump is controlled by a Raspberry Pi microcomputer using pulse-width modulation. The pump is connected to the circuit (latex tube) via a fitting (F). Pressure relief is achieved through a relief valve.

Блок контроля зажима вены жгутом (БКЗ) содержит тензодатчик и контроллер тензодатчика, показания передаются через SPI микрокомпьютером Raspberry Pi.The vein tourniquet control unit (VCU) contains a strain gauge and a strain gauge controller, the readings are transmitted via SPI by a Raspberry Pi microcomputer.

Соединение основания с установленными компонентами к руке робота Promobot ROBO-C осуществляется через болт М3x12 DIN 933 (1 шт.).The base with installed components is connected to the Promobot ROBO-C robot arm via an M3x12 DIN 933 bolt (1 pc.).

Подключение устройства к микрокомпьютеру осуществляется через жгут (Ж).The device is connected to the microcomputer via a harness (G).

Основа аппаратной платформы представляет собой микрокомпьютер Raspberry Pi 4 Model B.The basis of the hardware platform is the Raspberry Pi 4 Model B microcomputer.

Комплекс может использоваться как автономно, так и в составе роботизированной системы в интегрированном варианте (в этом случае установка производится на руку робота-имитатора) и позволяет производить оценку следующих видов манипуляций:The complex can be used both independently and as part of a robotic system in an integrated version (in this case, it is installed on the arm of a robotic simulator) and allows for the assessment of the following types of manipulations:

• Объем введенной внутривенной инъекции [мл];• Volume of intravenous injection administered [ml];

• Попадание/промах прокола.• Hit/miss puncture.

Комплекс предназначен для использования в рамках учебного процесса и процесса переподготовки в медицинских учреждениях и учебных заведениях.The complex is intended for use in the educational process and retraining in medical institutions and educational institutions.

К эксплуатации прибора допускается персонал, имеющий образование не ниже среднего специального, после изучения руководства, а также студенты и другие обучающиеся под их руководством.Personnel with at least a secondary specialized education are allowed to operate the device after studying the manual, as well as students and other trainees under their supervision.

Claims

A simulation system for training medical personnel in treatment procedures for patients who faint, including:

- a replaceable cover module with an element simulating human skin, made of tin-based silicone with a hardness of 10 on the Shore scale, including:

an air pressure relief/pumping circuit (T1) and an artificial vein (B1), which are located one under the other and are designed to simulate a bulging vein;

a puncture control unit (PCU), located inside the silicone element and operating on the principle of a capacitive sensor, which consists of two metallized plates, while the plates are connected to the ports of the Raspberry Pi microcomputer, and when a puncture occurs in the metallized plates, they short-circuit, which indicates a miss;

- a basis that includes:

Raspberry Pi microcomputer;

vein circuit (B2), designed as a closed system for fluid circulation and connected to B1;

air pressure/dump circuit (T2), designed as a closed system for monitoring air pressure and connected to T1;

a vein clamp control unit (VCU), which contains a strain gauge and a strain gauge controller, the readings of which are transmitted to a Raspberry Pi microcontroller, which is capable of determining the presence of a vein clamp based on the data received;

at the same time

circuit B2 contains a liquid transfer pump and a container that is equipped with a rubber membrane (RM) designed to equalize the pressure in the circuit, wherein the membrane is connected to a magnet (M) located on it by means of an adhesive base, and the position of the magnet is determined by means of an analog Hall sensor that is connected to a Raspberry Pi microcomputer, wherein the position of the magnet changes proportionally to the introduction/removal of liquid from the system, and the removal of liquid from the system occurs through a discharge valve, and the control of the liquid transfer pump is carried out by means of PWM modulation,

the air pressure/drain circuit T1-T2 contains an air pump, which is controlled by a Raspberry Pi microcomputer using PWM modulation, and the pump is connected to the circuit through a fitting, while the pressure is released through a relief valve,

Moreover, the replaceable lid module, as well as the base, are made using 3D printing technology from PETG plastic.