仿真數字胃腸機的設計與實現

胡智慧，朱錢成，胡俊峰

1.蘇州大學 計算機科學與技術學院，江蘇 蘇州 215006；2.徐州醫學院 醫學影像學院，江蘇 徐州 221002

仿真數字胃腸機的設計與實現

胡智慧1，朱錢成2，胡俊峰2

1.蘇州大學 計算機科學與技術學院，江蘇 蘇州 215006；2.徐州醫學院 醫學影像學院，江蘇 徐州 221002

利用仿真技術開發仿真數字胃腸機，不僅可以完成真實數字胃腸機的各種功能，真實感強，而且無X線輻射，安全可靠。此裝置還可以利用人體模型進行操作訓練實踐教學，使學生能夠自主學習并完成相關操作。

仿真技術；數字胃腸機；臨床教學

數字胃腸機又叫數字化多功能胃腸造影X線機，是一種用來檢查胃腸道疾病的大型醫療設備[1]。數字胃腸機操作是醫學影像技術教學的重要內容，也是醫學影像技術、醫學影像學等專業學生必須掌握的臨床技能。由于數字胃腸線機是醫院一種常用的大型醫療設備，具有很高的使用頻率，應用于臨床教學存在很大困難。為了切實提高數字胃腸線機操作技術的教學效果，把理論知識轉變為實踐動手能力，急需開發可以方便學生練習操作訓練的仿真數字胃腸機，學生操作練習時才能夠不懼怕X射線而直接接觸和反復練習，從而完成從感性認識到理性認識的升華，提高數字胃腸線機操作技術的教學效果[2]。利用仿真技術，以計算機為工具，使用仿真數字胃腸機設備、人體模型就能實現傳統實驗不具備或難以完成的教學功能[3-5]，既節省了實驗教學硬件成本，又能為教師、學生提供了一個無創性、無損毀性、無危險性的訓練方式[6-8]，充分體現教育部仿真實驗“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則。

1 數字胃腸機教學現狀

目前，醫院數字胃腸線機應用于臨床教學存在的困難很多，主要體現在：① 操作時會產生X線輻射[9-10]；② 學生無法利用病人進行操作練習；③ 不能保證教學時間；④價格昂貴，維修費用高；⑤ 多數學校不具備購置條件。仿真數字胃腸機設計目的是為學生提供可以自己動手操作的數字胃腸機，無X線輻射，安全可靠。學生不需要到醫院現場，在實驗室就能夠直接完成數字胃腸機仿真操作訓練教學。

2 仿真數字化胃腸機的設計

2.1 總體設計

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

（1）主機提供數字胃腸機基本硬件結構、各種操作運動功能、人體支撐與擺位、圖像獲取功能。

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

（3）照影劑吞咽控制單元可以完成真實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、診斷報告編寫、DICOM圖像傳送、系統信息采集等功能，實現實時數字化透視和數字化點片。

（5）運動控制單元完成機器的各種運動控制功能，包括診斷床的前后、左右、上下、旋轉移動，機架的上下、旋轉移動。

圖1 仿真數字胃腸機系統模塊圖

2.2 設計與實現

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

圖2 仿真數字胃腸機結構圖

（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臟。透明內臟由透明食道、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部，各部分通過接口件緊密連接；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并可以更換，分別代表正常情況及各種內部病變的情況，可以構成各種人體體征，即形成不同病情狀態的胃腸臨床現象，以方便進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、照影劑注入控制系統和吞咽控制系統組成并通過導線電連接；仿真透明人體的各種造影動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作。

（4）圖像工作站的設計：圖像工作站由數字胃腸機計算機軟件系統和計算機USB接口電路組成，通過USB接口與透視圖像獲取裝置連接；數字胃腸機計算機軟件系統基于Delphi7.0、Access數據庫軟件開發，透視圖像采集采用攝像頭獲取，采集界面見圖4，替代數字胃腸機的射線源，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臟的造影圖像并傳輸到數字胃腸機計算機軟件系統直觀顯示，并經過實時處理，從而形成與醫療用數字胃腸機所獲得X線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，在開始曝光的時候，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Panel上去，添加一個按鈕；

SendMessage(hWndC, WM_CAP_SET_SCALE, 1, 0);//發送；

停止曝光的時候，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據庫；重新返回病人選擇界面裝載、顯示當前病人的詳細會話信息等等內容。完成圖像采集、圖像處理顯示、圖像管理、圖像存儲、診斷報告編寫、DICOM圖像傳送、系統信息采集等功能，實現實時數字化透視和數字化點片。

（4）運動控制：運動控制單元參照醫院實際應用的C型臂的運動機構設計。由C型臂運動控制電路和診斷床運動控制電路組成并通過導線電連接。C型臂運動軌道可以在C型臂運動控制電路控制下帶動X射線球管模型和機頭沿著C型臂運動軌道圍繞仿真透明人體作橫切面圓弧運動，方便從不同體位做胃腸透視觀察。

3 應用

使用仿真數字胃腸機學生可以非常方便地在實驗室完成胃腸機操作訓練（圖5）。實驗過程分三步：第一步，預備工作：首先開機，將主機、工作站、造影劑注入控制單元和攝像頭接通電源。工作站軟件系統啟動，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擺放在預定位置，一側連接仿真透明人體的口腔通過蠕動裝置不斷將瓶中的造影劑注入到模擬人體的內臟中。第二步，胃腸造影過程。對于上消化道造影操作，造影劑經過注入控制系統，源源不斷的推送進仿真透明人體內臟，這一過程與醫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入，經過透明內臟從肛門排出，反復沖洗直到透明內臟各部分內部沒有造影劑殘留為止，以方便下次應用；也可以采用分別拆下口腔、透明食道到達透明胃、透明十二指腸及透明腸道進行沖洗（圖6）。

4 結論

數字胃腸線機是醫院一種常用的大型醫療設備，用于臨床教學存在很大困難。仿真數字胃腸機提供了仿真主機、仿真透明人體、圖像工作站，充分體現教育部仿真實驗“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則。不僅可以完成真實胃腸機的各種功能，真實感強，而且無X線輻射，安全可靠，學生可以自己動手操作學習；學生不需要到醫院現場，在實驗室就能夠直接完成數字胃腸機仿真操作訓練教學，是大型醫療設備臨床教學的最新成功探索。

圖5 自制仿真數字胃腸機主機

圖6 實驗應用

[1] 馬健.數字胃腸機的結構原理及應用[J].中國醫學裝備,2012, (12):62-63.

[2] 王玉玨,胡俊峰,唐鶴云,等.數字X線機擺位操作訓練仿真系統的實現[J].實驗科學與技術,2012,10(5):53-55.

[3] 擺衛兵,陳偉元,羅永豐.基于半實物仿真的維修訓練系統設計[J].儀表技術,2013,(2):22-23,27.

[4] 陸建榮,李后奇,斯海臣,等.非接入式X射線機管電流測量儀檢測裝置的建立[J].中國醫療設備,2015,30(9):123-125.

[5] 施春峰.仿真技術在《計算機硬件組裝與維護》實踐教學中的應用分析[J].江蘇科技信息,2014,(8):34-35.

[6] 羅偉,劉永安,鄭衛華.基于虛擬現實技術的腹腔鏡操作培訓器的設計與應用[J].醫療衛生裝備,2014,35(8):37-38.

[7] 羅偉,吳明燦.基于虛擬現實技術的腹腔鏡操作培訓系統的研制[J].中國醫療設備,2013,28(11):117-119.

[8] 王文軍,李冰,安川林.虛擬仿真技術在醫學教學中的應用初探[J].中國醫學教育技術,2008,22(3):230-232.

[9] 徐燦華,張濤,代萌,等.用于電阻抗斷層成像的腦部三層有限元模型構建與仿真[J].中國醫療設備,2015,30(7):5-7.

[10] 丁向榮.基于IAP在線仿真技術提升單片機實驗技術水平[J].實驗技術與管理,2014,31(3):82-83.

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

中華醫學會醫學教育分會、中國高等教育學會醫學教育專業委員會2012年度醫學教育研究立項課題（2012-JS-58）；江蘇省現代教育技術研究課題（2012-R-22397）；江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃項目（201310313008Z）。

胡俊峰，教授，研究方向為臨床醫學工程與技術、醫學圖像處理。

作者郵箱：469085688@qq.com