仿真数字胃肠机的设计与实现

胡智慧，朱钱成，胡俊峰

1.苏州大学 计算机科学与技术学院，江苏 苏州 215006；2.徐州医学院 医学影像学院，江苏 徐州 221002

仿真数字胃肠机的设计与实现

胡智慧1，朱钱成2，胡俊峰2

1.苏州大学 计算机科学与技术学院，江苏 苏州 215006；2.徐州医学院 医学影像学院，江苏 徐州 221002

利用仿真技术开发仿真数字胃肠机，不仅可以完成真实数字胃肠机的各种功能，真实感强，而且无X线辐射，安全可靠。此装置还可以利用人体模型进行操作训练实践教学，使学生能够自主学习并完成相关操作。

仿真技术；数字胃肠机；临床教学

数字胃肠机又叫数字化多功能胃肠造影X线机，是一种用来检查胃肠道疾病的大型医疗设备[1]。数字胃肠机操作是医学影像技术教学的重要内容，也是医学影像技术、医学影像学等专业学生必须掌握的临床技能。由于数字胃肠线机是医院一种常用的大型医疗设备，具有很高的使用频率，应用于临床教学存在很大困难。为了切实提高数字胃肠线机操作技术的教学效果，把理论知识转变为实践动手能力，急需开发可以方便学生练习操作训练的仿真数字胃肠机，学生操作练习时才能够不惧怕X射线而直接接触和反复练习，从而完成从感性认识到理性认识的升华，提高数字胃肠线机操作技术的教学效果[2]。利用仿真技术，以计算机为工具，使用仿真数字胃肠机设备、人体模型就能实现传统实验不具备或难以完成的教学功能[3-5]，既节省了实验教学硬件成本，又能为教师、学生提供了一个无创性、无损毁性、无危险性的训练方式[6-8]，充分体现教育部仿真实验“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则。

1 数字胃肠机教学现状

目前，医院数字胃肠线机应用于临床教学存在的困难很多，主要体现在：① 操作时会产生X线辐射[9-10]；② 学生无法利用病人进行操作练习；③ 不能保证教学时间；④价格昂贵，维修费用高；⑤ 多数学校不具备购置条件。仿真数字胃肠机设计目的是为学生提供可以自己动手操作的数字胃肠机，无X线辐射，安全可靠。学生不需要到医院现场，在实验室就能够直接完成数字胃肠机仿真操作训练教学。

2 仿真数字化胃肠机的设计

2.1 总体设计

仿真数字胃肠机主要包括主机、仿真透明人体、照影剂吞咽控制单元、图像工作站和运动控制单元5部分（图1）。

（1）主机提供数字胃肠机基本硬件结构、各种操作运动功能、人体支撑与摆位、图像获取功能。

（2）仿真透明人体提供真实人体的各种内脏器官，如咽喉部、食道、胃、十二指肠、空回肠及结肠。

（3）照影剂吞咽控制单元可以完成真实人体的吞咽钡剂的功能。

（4）图像工作站可以提供图像采集、图像处理显示、图像管理、图像存储、诊断报告编写、DICOM图像传送、系统信息采集等功能，实现实时数字化透视和数字化点片。

（5）运动控制单元完成机器的各种运动控制功能，包括诊断床的前后、左右、上下、旋转移动，机架的上下、旋转移动。

图1 仿真数字胃肠机系统模块图

2.2 设计与实现

（1）主机的研制：主机仿照实际胃肠机的外形尺寸，依据工程图制作出部件，然后加工拼装而成（图2）。由C型臂运动轨道、X射线仿真球管模型、机头、影像增强器模型、摆位灯、透视图像获取装置、诊断床和诊断床运动部件构成；C型臂运动轨道和影像增强器模型分别固定连接在机架臂的底部和固定机架的下端，C型臂运动轨道下方通过控制电路连接有X射线仿真球管模型，X射线仿真球管模型安装在C型臂运动轨道上并可沿C型臂运动轨道做弧形运动；机头位于X射线仿真球管模型下方，与X射线仿真球管模型固定连接为一体，机头内设有摆位灯；诊断床固定在诊断床运动部件上，架空于机头和影像增强器模型之间，诊断床运动部件底座固定在地上，诊断床床面设计为透明装置，里面装有摄像头和透视图像获取装置。

图2 仿真数字胃肠机结构图

（2）仿真透明人体的制作：仿真透明人体是由透明模拟人体外壳和透明内脏组成（图3）。透明模拟人体外形似人体，其上表面由仿人体硅胶制成，不透明；下底面透明，从其下底面可以透视透明内脏。透明内脏由透明食道、透明胃、透明十二指肠、透明肠道组成，安装在透明模拟人体外壳内部，各部分通过接口件紧密连接；透明食道、透明胃、透明肠道按照正常人体各部件的大小进行制作，可以自由拼接组装，特别的是透明食道、透明胃、透明肠道可以制作多个并可以更换，分别代表正常情况及各种内部病变的情况，可以构成各种人体体征，即形成不同病情状态的胃肠临床现象，以方便进行各种胃肠造影检查。

图3 仿真透明人体

（3）照影剂吞咽控制：照影剂吞咽控制单元由冲洗系统、照影剂注入控制系统和吞咽控制系统组成并通过导线电连接；仿真透明人体的各种造影动作由照影剂吞咽控制单元完成，照影剂注入控制注入造影剂，吞咽控制完成人体吞咽动作。

（4）图像工作站的设计：图像工作站由数字胃肠机计算机软件系统和计算机USB接口电路组成，通过USB接口与透视图像获取装置连接；数字胃肠机计算机软件系统基于Delphi7.0、Access数据库软件开发，透视图像采集采用摄像头获取，采集界面见图4，替代数字胃肠机的射线源，摄像头安装在透明诊断床的下面，可以采集仿真透明人体透明内脏的造影图像并传输到数字胃肠机计算机软件系统直观显示，并经过实时处理，从而形成与医疗用数字胃肠机所获得X线透视图像一样的效果。

图4 采集透视图像

图像采集就是从摄像头获取图像，需要定义AVICAP32. DLL函数，在开始曝光的时候，选择赋值：

hWndC := capCreateCaptureWindowA('My Own Capture Window',WS_CHILD or WS_VISIBLE ,0,0,Panel1. Width,Panel1.Height,panel1.Handle,0);//放个Panel上去，添加一个按钮；

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

停止曝光的时候，则需要将该值赋为0。

图像工作站可以完成新建病人信息并保存至数据库；重新返回病人选择界面装载、显示当前病人的详细会话信息等等内容。完成图像采集、图像处理显示、图像管理、图像存储、诊断报告编写、DICOM图像传送、系统信息采集等功能，实现实时数字化透视和数字化点片。

（4）运动控制：运动控制单元参照医院实际应用的C型臂的运动机构设计。由C型臂运动控制电路和诊断床运动控制电路组成并通过导线电连接。C型臂运动轨道可以在C型臂运动控制电路控制下带动X射线球管模型和机头沿着C型臂运动轨道围绕仿真透明人体作横切面圆弧运动，方便从不同体位做胃肠透视观察。

3 应用

使用仿真数字胃肠机学生可以非常方便地在实验室完成胃肠机操作训练（图5）。实验过程分三步：第一步，预备工作：首先开机，将主机、工作站、造影剂注入控制单元和摄像头接通电源。工作站软件系统启动，并确保摄像头工作正常，采集的图像在显示屏上显示；其次将仿真模拟人体置于诊断床上，将透明食道、透明胃、透明肠道放置在透明模拟人体内部并固定到位，确保紧密连接。将配置好的造影剂并放入500 mL密闭瓶中，造影剂注入控制系统摆放在预定位置，一侧连接仿真透明人体的口腔通过蠕动装置不断将瓶中的造影剂注入到模拟人体的内脏中。第二步，胃肠造影过程。对于上消化道造影操作，造影剂经过注入控制系统，源源不断的推送进仿真透明人体内脏，这一过程与医院正常的检查操作完全一致。第三步，清洗。冲洗管道接通，水流从仿真透明人体的口腔进入，经过透明内脏从肛门排出，反复冲洗直到透明内脏各部分内部没有造影剂残留为止，以方便下次应用；也可以采用分别拆下口腔、透明食道到达透明胃、透明十二指肠及透明肠道进行冲洗（图6）。

4 结论

数字胃肠线机是医院一种常用的大型医疗设备，用于临床教学存在很大困难。仿真数字胃肠机提供了仿真主机、仿真透明人体、图像工作站，充分体现教育部仿真实验“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则。不仅可以完成真实胃肠机的各种功能，真实感强，而且无X线辐射，安全可靠，学生可以自己动手操作学习；学生不需要到医院现场，在实验室就能够直接完成数字胃肠机仿真操作训练教学，是大型医疗设备临床教学的最新成功探索。

图5 自制仿真数字胃肠机主机

图6 实验应用

[1] 马健.数字胃肠机的结构原理及应用[J].中国医学装备,2012, (12):62-63.

[2] 王玉珏,胡俊峰,唐鹤云,等.数字X线机摆位操作训练仿真系统的实现[J].实验科学与技术,2012,10(5):53-55.

[3] 摆卫兵,陈伟元,罗永丰.基于半实物仿真的维修训练系统设计[J].仪表技术,2013,(2):22-23,27.

[4] 陆建荣,李后奇,斯海臣,等.非接入式X射线机管电流测量仪检测装置的建立[J].中国医疗设备,2015,30(9):123-125.

[5] 施春峰.仿真技术在《计算机硬件组装与维护》实践教学中的应用分析[J].江苏科技信息,2014,(8):34-35.

[6] 罗伟,刘永安,郑卫华.基于虚拟现实技术的腹腔镜操作培训器的设计与应用[J].医疗卫生装备,2014,35(8):37-38.

[7] 罗伟,吴明灿.基于虚拟现实技术的腹腔镜操作培训系统的研制[J].中国医疗设备,2013,28(11):117-119.

[8] 王文军,李冰,安川林.虚拟仿真技术在医学教学中的应用初探[J].中国医学教育技术,2008,22(3):230-232.

[9] 徐灿华,张涛,代萌,等.用于电阻抗断层成像的脑部三层有限元模型构建与仿真[J].中国医疗设备,2015,30(7):5-7.

[10] 丁向荣.基于IAP在线仿真技术提升单片机实验技术水平[J].实验技术与管理,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

中华医学会医学教育分会、中国高等教育学会医学教育专业委员会2012年度医学教育研究立项课题（2012-JS-58）；江苏省现代教育技术研究课题（2012-R-22397）；江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目（201310313008Z）。

胡俊峰，教授，研究方向为临床医学工程与技术、医学图像处理。

作者邮箱：469085688@qq.com