胡智慧，朱錢(qián)成，胡俊峰

1.蘇州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.徐州醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，江蘇 徐州 221002

仿真數(shù)字胃腸機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡智慧1，朱錢(qián)成2，胡俊峰2

1.蘇州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.徐州醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，江蘇 徐州 221002

利用仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)仿真數(shù)字胃腸機(jī)，不僅可以完成真實(shí)數(shù)字胃腸機(jī)的各種功能，真實(shí)感強(qiáng)，而且無(wú)X線(xiàn)輻射，安全可靠。此裝置還可以利用人體模型進(jìn)行操作訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)并完成相關(guān)操作。

仿真技術(shù)；數(shù)字胃腸機(jī)；臨床教學(xué)

數(shù)字胃腸機(jī)又叫數(shù)字化多功能胃腸造影X線(xiàn)機(jī)，是一種用來(lái)檢查胃腸道疾病的大型醫(yī)療設(shè)備[1]。數(shù)字胃腸機(jī)操作是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)教學(xué)的重要內(nèi)容，也是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)等專(zhuān)業(yè)學(xué)生必須掌握的臨床技能。由于數(shù)字胃腸線(xiàn)機(jī)是醫(yī)院一種常用的大型醫(yī)療設(shè)備，具有很高的使用頻率，應(yīng)用于臨床教學(xué)存在很大困難。為了切實(shí)提高數(shù)字胃腸線(xiàn)機(jī)操作技術(shù)的教學(xué)效果，把理論知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)踐動(dòng)手能力，急需開(kāi)發(fā)可以方便學(xué)生練習(xí)操作訓(xùn)練的仿真數(shù)字胃腸機(jī)，學(xué)生操作練習(xí)時(shí)才能夠不懼怕X射線(xiàn)而直接接觸和反復(fù)練習(xí)，從而完成從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的升華，提高數(shù)字胃腸線(xiàn)機(jī)操作技術(shù)的教學(xué)效果[2]。利用仿真技術(shù)，以計(jì)算機(jī)為工具，使用仿真數(shù)字胃腸機(jī)設(shè)備、人體模型就能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能[3-5]，既節(jié)省了實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件成本，又能為教師、學(xué)生提供了一個(gè)無(wú)創(chuàng)性、無(wú)損毀性、無(wú)危險(xiǎn)性的訓(xùn)練方式[6-8]，充分體現(xiàn)教育部仿真實(shí)驗(yàn)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則。

1 數(shù)字胃腸機(jī)教學(xué)現(xiàn)狀

目前，醫(yī)院數(shù)字胃腸線(xiàn)機(jī)應(yīng)用于臨床教學(xué)存在的困難很多，主要體現(xiàn)在：① 操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生X線(xiàn)輻射[9-10]；② 學(xué)生無(wú)法利用病人進(jìn)行操作練習(xí)；③ 不能保證教學(xué)時(shí)間；④價(jià)格昂貴，維修費(fèi)用高；⑤ 多數(shù)學(xué)校不具備購(gòu)置條件。仿真數(shù)字胃腸機(jī)設(shè)計(jì)目的是為學(xué)生提供可以自己動(dòng)手操作的數(shù)字胃腸機(jī)，無(wú)X線(xiàn)輻射，安全可靠。學(xué)生不需要到醫(yī)院現(xiàn)場(chǎng)，在實(shí)驗(yàn)室就能夠直接完成數(shù)字胃腸機(jī)仿真操作訓(xùn)練教學(xué)。

2 仿真數(shù)字化胃腸機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

仿真數(shù)字胃腸機(jī)主要包括主機(jī)、仿真透明人體、照影劑吞咽控制單元、圖像工作站和運(yùn)動(dòng)控制單元5部分（圖1）。

（1）主機(jī)提供數(shù)字胃腸機(jī)基本硬件結(jié)構(gòu)、各種操作運(yùn)動(dòng)功能、人體支撐與擺位、圖像獲取功能。

（2）仿真透明人體提供真實(shí)人體的各種內(nèi)臟器官，如咽喉部、食道、胃、十二指腸、空回腸及結(jié)腸。

（3）照影劑吞咽控制單元可以完成真實(shí)人體的吞咽鋇劑的功能。

（4）圖像工作站可以提供圖像采集、圖像處理顯示、圖像管理、圖像存儲(chǔ)、診斷報(bào)告編寫(xiě)、DICOM圖像傳送、系統(tǒng)信息采集等功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)字化透視和數(shù)字化點(diǎn)片。

（5）運(yùn)動(dòng)控制單元完成機(jī)器的各種運(yùn)動(dòng)控制功能，包括診斷床的前后、左右、上下、旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，機(jī)架的上下、旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。

圖1 仿真數(shù)字胃腸機(jī)系統(tǒng)模塊圖

2.2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）主機(jī)的研制：主機(jī)仿照實(shí)際胃腸機(jī)的外形尺寸，依據(jù)工程圖制作出部件，然后加工拼裝而成（圖2）。由C型臂運(yùn)動(dòng)軌道、X射線(xiàn)仿真球管模型、機(jī)頭、影像增強(qiáng)器模型、擺位燈、透視圖像獲取裝置、診斷床和診斷床運(yùn)動(dòng)部件構(gòu)成；C型臂運(yùn)動(dòng)軌道和影像增強(qiáng)器模型分別固定連接在機(jī)架臂的底部和固定機(jī)架的下端，C型臂運(yùn)動(dòng)軌道下方通過(guò)控制電路連接有X射線(xiàn)仿真球管模型，X射線(xiàn)仿真球管模型安裝在C型臂運(yùn)動(dòng)軌道上并可沿C型臂運(yùn)動(dòng)軌道做弧形運(yùn)動(dòng)；機(jī)頭位于X射線(xiàn)仿真球管模型下方，與X射線(xiàn)仿真球管模型固定連接為一體，機(jī)頭內(nèi)設(shè)有擺位燈；診斷床固定在診斷床運(yùn)動(dòng)部件上，架空于機(jī)頭和影像增強(qiáng)器模型之間，診斷床運(yùn)動(dòng)部件底座固定在地上，診斷床床面設(shè)計(jì)為透明裝置，里面裝有攝像頭和透視圖像獲取裝置。

圖2 仿真數(shù)字胃腸機(jī)結(jié)構(gòu)圖

（2）仿真透明人體的制作：仿真透明人體是由透明模擬人體外殼和透明內(nèi)臟組成（圖3）。透明模擬人體外形似人體，其上表面由仿人體硅膠制成，不透明；下底面透明，從其下底面可以透視透明內(nèi)臟。透明內(nèi)臟由透明食道、透明胃、透明十二指腸、透明腸道組成，安裝在透明模擬人體外殼內(nèi)部，各部分通過(guò)接口件緊密連接；透明食道、透明胃、透明腸道按照正常人體各部件的大小進(jìn)行制作，可以自由拼接組裝，特別的是透明食道、透明胃、透明腸道可以制作多個(gè)并可以更換，分別代表正常情況及各種內(nèi)部病變的情況，可以構(gòu)成各種人體體征，即形成不同病情狀態(tài)的胃腸臨床現(xiàn)象，以方便進(jìn)行各種胃腸造影檢查。

圖3 仿真透明人體

（3）照影劑吞咽控制：照影劑吞咽控制單元由沖洗系統(tǒng)、照影劑注入控制系統(tǒng)和吞咽控制系統(tǒng)組成并通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)電連接；仿真透明人體的各種造影動(dòng)作由照影劑吞咽控制單元完成，照影劑注入控制注入造影劑，吞咽控制完成人體吞咽動(dòng)作。

（4）圖像工作站的設(shè)計(jì)：圖像工作站由數(shù)字胃腸機(jī)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)USB接口電路組成，通過(guò)USB接口與透視圖像獲取裝置連接；數(shù)字胃腸機(jī)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)基于Delphi7.0、Access數(shù)據(jù)庫(kù)軟件開(kāi)發(fā)，透視圖像采集采用攝像頭獲取，采集界面見(jiàn)圖4，替代數(shù)字胃腸機(jī)的射線(xiàn)源，攝像頭安裝在透明診斷床的下面，可以采集仿真透明人體透明內(nèi)臟的造影圖像并傳輸?shù)綌?shù)字胃腸機(jī)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)直觀顯示，并經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)處理，從而形成與醫(yī)療用數(shù)字胃腸機(jī)所獲得X線(xiàn)透視圖像一樣的效果。

圖4 采集透視圖像

圖像采集就是從攝像頭獲取圖像，需要定義AVICAP32. DLL函數(shù)，在開(kāi)始曝光的時(shí)候，選擇賦值：

hWndC := capCreateCaptureWindowA('My Own Capture Window',WS_CHILD or WS_VISIBLE ,0,0,Panel1. Width,Panel1.Height,panel1.Handle,0);//放個(gè)Panel上去，添加一個(gè)按鈕；

SendMessage(hWndC, WM_CAP_SET_SCALE, 1, 0);//發(fā)送；

停止曝光的時(shí)候，則需要將該值賦為0。

圖像工作站可以完成新建病人信息并保存至數(shù)據(jù)庫(kù)；重新返回病人選擇界面裝載、顯示當(dāng)前病人的詳細(xì)會(huì)話(huà)信息等等內(nèi)容。完成圖像采集、圖像處理顯示、圖像管理、圖像存儲(chǔ)、診斷報(bào)告編寫(xiě)、DICOM圖像傳送、系統(tǒng)信息采集等功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)字化透視和數(shù)字化點(diǎn)片。

（4）運(yùn)動(dòng)控制：運(yùn)動(dòng)控制單元參照醫(yī)院實(shí)際應(yīng)用的C型臂的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。由C型臂運(yùn)動(dòng)控制電路和診斷床運(yùn)動(dòng)控制電路組成并通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)電連接。C型臂運(yùn)動(dòng)軌道可以在C型臂運(yùn)動(dòng)控制電路控制下帶動(dòng)X射線(xiàn)球管模型和機(jī)頭沿著C型臂運(yùn)動(dòng)軌道圍繞仿真透明人體作橫切面圓弧運(yùn)動(dòng)，方便從不同體位做胃腸透視觀察。

3 應(yīng)用

使用仿真數(shù)字胃腸機(jī)學(xué)生可以非常方便地在實(shí)驗(yàn)室完成胃腸機(jī)操作訓(xùn)練（圖5）。實(shí)驗(yàn)過(guò)程分三步：第一步，預(yù)備工作：首先開(kāi)機(jī)，將主機(jī)、工作站、造影劑注入控制單元和攝像頭接通電源。工作站軟件系統(tǒng)啟動(dòng)，并確保攝像頭工作正常，采集的圖像在顯示屏上顯示；其次將仿真模擬人體置于診斷床上，將透明食道、透明胃、透明腸道放置在透明模擬人體內(nèi)部并固定到位，確保緊密連接。將配置好的造影劑并放入500 mL密閉瓶中，造影劑注入控制系統(tǒng)擺放在預(yù)定位置，一側(cè)連接仿真透明人體的口腔通過(guò)蠕動(dòng)裝置不斷將瓶中的造影劑注入到模擬人體的內(nèi)臟中。第二步，胃腸造影過(guò)程。對(duì)于上消化道造影操作，造影劑經(jīng)過(guò)注入控制系統(tǒng)，源源不斷的推送進(jìn)仿真透明人體內(nèi)臟，這一過(guò)程與醫(yī)院正常的檢查操作完全一致。第三步，清洗。沖洗管道接通，水流從仿真透明人體的口腔進(jìn)入，經(jīng)過(guò)透明內(nèi)臟從肛門(mén)排出，反復(fù)沖洗直到透明內(nèi)臟各部分內(nèi)部沒(méi)有造影劑殘留為止，以方便下次應(yīng)用；也可以采用分別拆下口腔、透明食道到達(dá)透明胃、透明十二指腸及透明腸道進(jìn)行沖洗（圖6）。

4 結(jié)論

數(shù)字胃腸線(xiàn)機(jī)是醫(yī)院一種常用的大型醫(yī)療設(shè)備，用于臨床教學(xué)存在很大困難。仿真數(shù)字胃腸機(jī)提供了仿真主機(jī)、仿真透明人體、圖像工作站，充分體現(xiàn)教育部仿真實(shí)驗(yàn)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則。不僅可以完成真實(shí)胃腸機(jī)的各種功能，真實(shí)感強(qiáng)，而且無(wú)X線(xiàn)輻射，安全可靠，學(xué)生可以自己動(dòng)手操作學(xué)習(xí)；學(xué)生不需要到醫(yī)院現(xiàn)場(chǎng)，在實(shí)驗(yàn)室就能夠直接完成數(shù)字胃腸機(jī)仿真操作訓(xùn)練教學(xué)，是大型醫(yī)療設(shè)備臨床教學(xué)的最新成功探索。

圖5 自制仿真數(shù)字胃腸機(jī)主機(jī)

圖6 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

[1] 馬健.數(shù)字胃腸機(jī)的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備,2012, (12):62-63.

[2] 王玉玨,胡俊峰,唐鶴云,等.數(shù)字X線(xiàn)機(jī)擺位操作訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2012,10(5):53-55.

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[5] 施春峰.仿真技術(shù)在《計(jì)算機(jī)硬件組裝與維護(hù)》實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].江蘇科技信息,2014,(8):34-35.

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Design and Implementation of the Simulation System of the Digital Gastrointestinal Machine

HU Zhi-hui1, ZHU Qian-cheng2, HU Jun-feng2
1.School of Computer Science and Technology, Soochow University, Suzou Jiangsu 215006, China; 2.School of Medical Image, Xuzhou Medical College, Xuzhou Jiangsu 221002, China

The utilization of the simulation system of digital gastrointestinal machine complete all functions of the real digital gastrointestinal machine by providing a scenario that resembles the reality of clinical practice. It is safe and reliable without exposing students to X-ray radiation. The simulation system can also allow teachers to use human anatomical models to complete the operation training that facilitates students to learn the operation technology with independence in an immersive Virtual Worlds and complete related operations.

virtual simulation technology; digital gastrointestinal machine; clinical teaching

R318.6; R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.01.011

1674-1633(2016)01-0045-03

2015-07-13

2015-08-11

中華醫(yī)學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)教育分會(huì)、中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)教育專(zhuān)業(yè)委員會(huì)2012年度醫(yī)學(xué)教育研究立項(xiàng)課題（2012-JS-58）；江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究課題（2012-R-22397）；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201310313008Z）。

胡俊峰，教授，研究方向?yàn)榕R床醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像處理。

作者郵箱：469085688@qq.com