肠镜检查与诊断综合模拟实训系统的设计与实现

张 云，胡慧娴，徐争元，黄 磊

（皖南医学院医学影像学院，安徽芜湖 241002）

肠镜检查作为现代医学的常用技术，在临床上有着较为广泛的应用。肠镜检查通过观察肠道的内部情况，帮助医生对肠道的内部病变作出更好的诊断，是直肠癌最有效的筛查手段，可以显著提高患者生活质量[1]。同时肠镜检查也是临床教学中不可或缺的重要内容，因此，学会正确使用肠镜检查技术，是衡量临床医务人员技术的重要指标。

在实际肠镜检查中，医护人员对肠镜操作不熟练将给患者带来不满与痛苦，使受检人产生通胀难忍、恶心呕吐的不良反应[2]，甚至可在插镜过程中因镜身或镜头对肠壁直接作用力过大与肠道过度充气而致休克与肠穿孔[3-4]。且由于无法熟练掌握肠镜插入部的内置结构，在用2%的碱性戊二醛灭菌和浸泡时[5]，很有可能损坏插入部的包络线以及镜头。

而对于肠镜类教学方法[6-7]，人们更多关注操作模拟方法即插入部模拟方法，器官病变模拟方法等，在理论讲解时大多使用仿真肠道来进行教学，其仅仅提供一种视觉教学的肠道结构，虽然有实体方便教学，但缺乏实际肠镜检查时需要配合利用摄像头拍摄、操作力度等多系列手段的联合教学。然而投映到实验操作教学中，肠镜的价格就是一道横亘在教学单位和学生之间的门槛，极大地减少了学生动手操作的机会。同时仪器对精密度有很高的要求、内部的光路易受外界强光干扰需要密闭封装，起关键作用的插入部是用包络线将摄像头、活检器、吸引通道、注气通道、注水通道、光源封装在一起[8-10]，教师无法拆解仪器来为学生详细地讲解内部复杂装置[11-12]。上述原因导致医学生想随时接触与充分学习肠镜检查的操作、诊断、消毒及维修较为困难，而其成长为医护人员后，对肠镜操作不熟练将给患者带来不满与痛苦，从而带来医患矛盾。目前使用的所有肠镜类教学系统都未能设置认知系统[13]，对于肠镜类产品的操作手法重视不够，因而在肠镜检查过程中，可能会因医师不熟练的操作手法增大误触几率和病人的痛苦。目前国内外对肠镜教学模型的研究仅限硬件结构，而对于软硬结合的整体教学模型的设计知之甚少，故急需一种软硬件结合的肠镜仿真检查操作训练装置与模拟诊断学习系统。

我们研制了一个肠镜检查与诊断综合模拟实训系统，分别设有肠镜仿真检查操作训练装置与肠镜模拟诊断学习系统，兼具了成本优势与高仿真操作优势，可应用于医学院学生及实习医生的仿真检查操作训练、模拟诊断及日常消毒、维修训练。受训者通过使用本系统，可对肠镜检查操作流程和原理有深刻认识，同时熟练掌握肠镜操作，学会正确书写诊断报告。

1 肠镜检查与诊断综合模拟实训系统总体结构

本系统分别设有肠镜仿真检查操作训练装置与肠镜模拟诊断学习系统（图1）。通过插入部的信息采集单元采集已加入典型病灶的模拟肠道内图像，并配合报警单元，用以训练受训者的操作能力。同时要求受训者模拟诊断相关肠道病症，提交诊断结果，并对比专家诊断报告。由此实现从肠镜仿真操作到病例模拟诊断的完整学习，培养受训者的肠镜检查操作与诊断能力。

图1 肠镜检查与诊断综合模拟实训系统

肠镜仿真检查操作训练装置包括仿真肠道、信息采集单元以及与信息采集单元通讯连接的上位机，仿真肠道的内壁上设有多个模拟病灶，信息采集单元基于工业内窥镜利用电子技术全真模拟真实肠镜插入部，实现对模拟人仿真肠道内部相关部位摄像、拍照等功能，且把持部可同时进行活检、吸引、注水、注气、抽气等操作，而上位机则利用信息接收处理单元对采集到的肠道内部图像等信息进行处理。经由肠镜模拟诊断学习系统进行图像界面的呈现，可支持受训者对图像处理后的仿真肠道图像信息进行模拟诊断，并提交诊断结果。系统以该仿真肠道的图像信息对应的检查位置作为检索条件，从信息诊断系统的预存储数据库内提取对应该仿真肠道的专家诊断报告，再通过诊断结果对比模块将模拟诊断结果和专家诊断报告的对比结果整合保存到信息诊断系统内，培养受训者的诊断能力。系统可供受训者从肠镜仿真操作到病例模拟诊断进行完整的学习，实现肠镜检查操作与诊断教学结合的双向效果。

2 肠镜仿真检查操作训练装置

肠镜仿真检查操作训练装置系统如图2，包括肠镜检测装置、操作过程、无线发送单元和报警单元四个部分。

图2 肠镜仿真检查操作训练装置系统框图

2.1 肠镜检测装置

包括模拟人及仿真肠道、插入部、信息采集单元、位置提示单元等。

（1）利用柔性材料3D 打印仿真肠道和模拟污物以及肠道的息肉、溃疡和红肿等常见病症，并有直径为8 mm 的插入部。如图3 所示，插入部前端设有信息采集单元，后端接有把持部，即肠镜操作部。把持部具有夜视摄像系统调光操作和图像采集操作。插入部后端还设有WiFi 无线发送模块，可与计算机无缝连接；侧面设有注水、注气、抽气、活检与吸引等通道。

图3 肠镜检测装置图

（2）信息采集单元位于插入部前端，设有可用于采集仿真肠道内部图像的夜视防水500 万像素摄像头以及八个可调节亮度的围绕摄像头均匀分布的LED光源，如图4所示。

图4 信息采集单元

（3）位置提示单元，电路如图5所示，当插入部前端到达肠道对应部位时，开关闭合，发光二极管导通，发出对应颜色的光用以提示相应位置。

图5 位置提示单元电路图

2.2 操作过程

包括注水、注气、抽气、活检与吸引等。

注水通道、注气与抽气通道、活检通道与吸引通道两端分别与把持部和摄像头齐平，把持部上设有用于固定注水通道、吸引通道、注气通道和抽气通道的安装孔槽。注水和注气与抽气是两个不同的通道，两个通道分别附着在插入部上的两根中空透明的硬管上，硬管前端与摄像头平齐，硬管后端与手柄前端平齐。硬管后端连接一个去除针头的注射器。所有通道均使用套筒包裹在插入部的外表面，该套筒使用柔性材料比照真实肠镜长度、直径进行3D 打印，并刻有毫米级距离标志，方便医师根据距离更准确地判断插入部前端所到达的肠道部位。

虽然在肠镜检查前对饮食有一定的要求，但肠道往往还是会有一些污物残留，当摄像头被玷污时，可少量注水，清洗镜面，注水通道使用注射器专门向腔体内少量注水，用于清理有碍信息采集的肠道污物。当需置管、扩张和取异物时，肠道内常常因充气不足而使黏膜贴近摄像头镜面，此时需少量注气；而气压过高则可能引起患者不适，此时需要抽气。注气通道使用注射器专门向腔体内少量注气，用于模拟调节肠道内的气压。活检吸引通道连接插入部前端摄像头镜下位置的医用活检钳，利用无线接收模块接收计算机上发出的信号，模拟对病变组织进行切取、钳取等操作。同时活检钳上装有气旋吸引功能的电机，可进行吸引操作。

2.3 无线发送

插入部后端设有WiFi无线发送模块，可与计算机无缝连接。摄像头采集的肠道图像通过把持部内安装的无线发送模块传输到信息接收处理单元。当受训者将插入部插入仿真肠道内部一定的深度后，可以通过把持部的图像采集开关按钮控制拍摄肠道图像。开关与插入部前端的摄像头相连接，按下按钮，可获得图像信息，拍摄的肠道图像通过无线发送模块传输到信息接收处理单元。

2.4 报警单元

仿真肠道的内部从起始端到末端均设有4 个均匀分布的测力传感器和气压表，测力传感器用于检测插入部对仿真肠道的施力大小，气压表则用于检测仿真肠道的气压大小，且仿真肠道的内部在每段模拟颗粒的位置和弯曲处分别设有接近开关以提示插入部的插入位置。

如图6所示，测力传感器和气压表均与上位机通讯连接，把持部上设有声光传感器，上位机根据测力传感器和气压表的数据控制声光传感器工作以提示插入部的注气操作和插入力度。

图6 报警单元

通过测力传感器实现对操作者用力过大时的报警。通过气压表实现对肠道内注气操作引起的气压异常报警。

3 肠镜模拟诊断学习系统

肠镜模拟诊断学习系统如图7，包括信息接收处理单元和信息诊断系统两个部分。系统采用B/S 架构实现，基于HTML5 编写的WEB 应用程序，后端采用MS SQL Server 2008 R2 作为数据服务端，使用基于IIS 的HTTP 服务为HTML5 应用提供数据下载及上传服务，可以网页版形式供个人电脑终端打开。

图7 肠镜模拟诊断学习系统框图

3.1 信息接收处理单元

通过WiFi接收肠镜仿真检查操作训练装置中信息采集单元所采集的图像信息。WiFi模块将采集到的图像发送至计算机端MATLAB 2016a 中，由于采集到的图像可能出现旋转、噪声、亮度低等问题，故在MATLAB 中搭建了图像处理系统，该系统可实现图像的基本变换、图像增强、图像复原和图像分割等功能，以促使受训者在后续的仿真诊断系统中进行更好地诊断。

3.2 信息诊断系统

包括图像显示界面、模拟诊断模块、预存储数据库和诊断结果对比等四个模块。其中图像显示界面用于显示经信息接收处理单元处理后的图像，以供受训者观察；模拟诊断模块用于受训者书写诊断报告；预存储数据库用于存储病灶图片、病灶专家诊断信息、用户和病人信息等；诊断结果对比用于在线测试受训者对病灶诊断的学习成绩，并能查询成绩以及弹出专家诊断报告。

信息诊断系统对图像处理后的仿真肠道图像信息进行模拟诊断，以该仿真肠道的图像信息对应的检查位置作为检索条件从信息诊断系统的存储库内提取对应该仿真肠道的专家诊断报告，将模拟诊断结果和专家诊断报整合后重新保存在信息诊断系统内，培养受训者的诊断能力。

此外，信息诊断系统还设有特征库学习与聊天室功能，能进行病灶特征的课程学习和聊天室讨论发稿等。受训者可以在门户主界面中点击“虚拟课程学习”进行病灶特征课程学习，以及“互动留言”进行发稿与讨论；教师账号可以发布通知公告、在线考试，以及批阅报告、修改成绩等；管理员账号可以发布教学课程，管理以上两种账号，统计用户登录次数、累计时长，查看受训者学习进度及状态。

4 结语

此肠镜检查与诊断综合模拟实训系统，可有效解决传统肠镜实训存在的难度大、成本高等问题。其中，肠镜仿真检查操作训练装置在仿真肠道中加入模拟污物和息肉、溃疡和红肿等典型病症的模拟颗粒，创设高仿真的肠道临床环境，并配合力度和气压等报警单元，可有效训练受训者肠镜检查操作的规范度与熟练度，符合“以病人为中心”的医疗理念。而肠镜模拟诊断学习系统整理肠镜典型病例及专家诊断，对受训者书写诊断报告，提高结果判断正确率有着重要意义。综上，本系统将传统肠镜实训中较难开展的操作手法和综合诊断不限时间、场合、次数地呈现到受训者面前，具有较为广泛的应用前景。