面向护理教育的软体机器人排泄护理模拟器：功能与感知仿生学方法

本文开发了一款创新的软体机器人模拟器，用于培训粪便数字摘除（DRF）这一精细护理技术。该模拟器集成了软体执行器（囊袋式执行器模拟肛门括约肌收缩，McKibben人工肌肉模拟耻骨直肠肌松弛）和软体传感器（检测肛门与直肠按摩），通过多层直肠模型与实时反馈界面相结合，实现了功能逼真性与感知真实性的统一。验证结果表明，该模拟器能有效提升新手护士的操作理解与信心，为护理教育提供了安全、真实的训练平台。

　　

引言

软体机器人技术利用软材料产生非线性运动，在复制复杂生物运动和人体交互界面方面展现出巨大潜力。其在医学、康复和福利领域的应用价值已得到广泛认可。近年来，众多软体机器人器官模拟器被开发用于模拟人体器官，功能涵盖功能替代、在伦理或实操上难以在真人身上实施的程序练习，以及作为体内实验的替代环境。然而，尽管在外科和医学教育中软体机器人模拟器日益受到关注，其在护理实践中的应用仍十分有限。护理护理涉及频繁、重复的干预，且通常无需麻醉，患者不适感会显著影响生活质量，甚至导致其拒绝必要的护理。因此，护士必须在干预过程中持续监测患者的生理反应，这要求护理专业人员不仅掌握技术技能，还需具备解读并回应患者细微反应的能力——这些技能无法通过静态模拟器有效传授。

粪便数字摘除（DRF）是一项代表性的护理操作，其成功极度依赖于护患互动。该技术适用于因衰老、瘫痪或神经系统疾病而无法自主排便的患者。操作时，护士将手指插入直肠，按摩内直肠壁以刺激蠕动和肌肉松弛，从而手动清除粪便。此过程依赖于耻骨直肠肌及内、外肛门括约肌的协调生理反应。尽管DRF在日本居家护理中频繁进行且受法律规范，但其教学环境仍不完善。现有培训依赖静态模型，无法复制患者的生理反应，常导致技能掌握不足和患者不适。因此，亟需一款能复现此类交互反应的模拟器，以确保安全、有效且以患者为中心的培训。

DRF模拟器概述

本研究旨在开发一款专为DRF培训设计的软体机器人模拟器。该模拟器集成了四个核心技术组件：两个执行元件（模拟肛门括约肌和耻骨直肠肌的收缩与松弛）和两个传感元件（检测直肠和肛门按摩）。这些组件被集成到一个直肠模型中，并配有一个为用户提供实时反馈的用户界面。

最终开发的DRF模拟器允许用户将手指插入直肠模型进行模拟按摩。触摸传感器检测到肛门按摩后，会激活一个囊袋执行器来模拟肛门括约肌松弛。当用户将手指插入直肠并进行按摩时，拉伸传感器会检测到该动作，触发由McKibben人工肌肉实现的耻骨直肠肌松弛，随后一个线性执行器将模拟的粪便团块推入直肠。系统采用气动驱动，并设有紧急停止按钮以确保安全。护士和护生可利用此模拟器练习手指插入和促进粪便取出的关键步骤。

模拟器的开发采用了迭代和用户参与式流程，结合了作为主要目标用户的护士的反馈，对每个原型进行了改进。最终版本在经过四轮用户评估后确定，起始于一个被称为原型0的初始软质直肠模型。

肛门括约肌：囊袋执行器

肛门括约肌执行器采用囊袋执行器系统实现，其功能要求是实现接近1的面积收缩率，同时保持均匀的圆形开口。囊袋执行器是一种利用树脂薄膜气室变形的气动执行器。一条带状的囊袋执行器环绕在直肠模型的肛管部分，通过囊袋充气驱动收缩，模拟括约肌闭合。囊袋段数（n）被作为设计参数。

通过测量不同输入压力下的面积收缩率，对n=2、3和4段的囊袋执行器进行了评估。结果显示，n=2和n=3的配置实现了收缩比α≈1，且具有一致的重复性。使用球囊导管设置对n=2和n=3配置的收缩力进行了评估。n=2的执行器紧密复现了成年男性和女性的生理压力范围，而n=3配置略低于男性参考范围，但仍满足女性范围。

然而，用户评估揭示了一个关键发现：尽管n=2执行器在生理压力基准方面功能更准确，但经验丰富的护士报告在肛门触诊的触觉体验上感到不一致。他们一致认为n=3配置更能代表DRF过程中遇到的实际感觉。推测原因是n=2执行器从两个相反方向施力，导致肛管闭合不对称，而n=3配置因从三个方向施力提供了更平衡的闭合。因此，基于功能保真度和感知真实性之间的平衡，最终模拟器设计采用了n=3配置。

耻骨直肠肌：McKibben人工肌肉

耻骨直肠肌在排便过程中通过动态调节肛门直肠角（ARA）发挥关键作用。该肌肉的正常功能变化要求ARA从90°变化至120°。为了复制此运动，采用由编织纤维包裹橡胶管构成的细直径McKibben人工肌肉来模拟耻骨直肠肌。当内部气压增加时，管径径向膨胀并轴向收缩。

一个硅胶环连接到McKibben执行器的远端，环绕直肠。通过收缩执行器，环拉动肛管基部，从而调节ARA。测量了输入压力与ARA的关系。在0 MPa时，ARA为124.9°，在0.28 MPa时，减小至89.1°。这些结果证实该执行器满足产生90°–120°范围内ARA变化的功能要求。

肛门按摩的检测

为了在不损害用户触觉反馈的情况下检测肛门按摩，采用了静电触摸传感器。该传感器通过在直肠模型的肛门区域编织导电纱线实现。这种灵活的集成使传感器能够顺应模型的变形，并承受来自按摩和执行器运动的机械应力。将纱线缝入模型最大限度地减少了其对用户触觉感知的影响。

该静电传感器基于电路电容的变化来检测触摸。传感器的充电延迟被分析以确定触摸事件。传感器在多种条件下进行了测试：徒手、仅戴 Nitrile 手套、戴手套并用水、洁面乳（Muji）、凡士林和模拟粪便（Play-Doh）。传感器在所有条件下均成功检测到触摸，除了仅戴手套（无润滑剂）和涂有凡士林的手套。由于使用洁面乳不会干扰用户体验，在DRF模拟训练中用洁面乳替代了凡士林以确保一致的传感器检测。

用于直肠按摩测量的拉伸传感器实施

为了测量DRF过程中直肠按摩引起的位移，实施了一个基于织物的电阻式拉伸传感器，由导电纱线编织而成。

在实际使用中，传感器会承受各种应力，包括由经验不足的护士造成的大且不可预测的变形、附着在直肠模型弯曲内壁上以及暴露于润滑剂。然而，大多数先前关于可拉伸传感器的研究仅关注电学特性，对训练模拟器中使用的实际需求讨论有限。例如，碳基材料（如炭黑、碳纳米管和石墨烯）虽然具有优异的可拉伸性（通常超过100%），但在传感器损坏时存在潜在的健康和环境风险，包括颗粒污染和吸入危害，这对于旨在用于临床和教育环境的模拟器来说尤其令人担忧。

为了解决这些局限性，开发并实施了一种封装在医用级硅胶管中的纺织传感器。硅胶管保护纺织物免受润滑剂暴露，保持传感器的初始对齐，防止磨损，并有助于稳定附着到直肠模型上。通过在外管和直肠模型之间注入Eco-Flex 00-30来固定传感器。

该传感器基于相邻导电纱线之间接触电阻的变化工作。当发生位移时，纱线之间的接触压力和接触点数量发生变化，导致可测量的电阻变化。当施加周期性输入时，记录了与按摩强度相对应的电阻变化。因此，该拉伸传感器能够监测DRF过程中的按摩力。

在护理环境中的实用性验证

为了评估所开发的DRF模拟器在临床护理环境中的实用性，我们邀请了经验丰富和新手护士进行了评估。经验丰富的护士评估了模拟器与真实DRF过程的相似度及其作为新手护士培训工具的有效性。新手护士则评估了模拟器如何帮助他们理解DRF技术并增强操作信心。

经验丰富的护士评估显示，经过迭代改进的最终原型（原型4）在六项功能特征上的平均总分从原型2的26.8分提升至29.2分，培训适用性平均分从2.8分提升至3.6分，表明其可用性和培训潜力得到改善。评分分布也更集中在较高范围，表明用户评价的变异性减少，一致性增加。

新手护士的评估结果表明，在使用模拟器后，报告能够独立完成操作的人数在多个技能领域有所增加，包括必要物品准备、患者体位摆放、言语沟通与观察、手指动作顺序以及风险与注意事项解释。此外，参与者对DRF的认知也发生了变化：虽然认同DRF需要高级技术和评估技能、以及需要练习和指导机会的人数增加，但愿意接诊需要DRF的新患者和拜访此类患者时焦虑减少的认同水平却下降了。这符合“意识性无能”能力阶段模型，是技能获取过程中必要的一步。尽管存在暂时的不适，所有参与者都对模拟器表示高度满意，100%的参与者同意或非常同意“能够满意地练习”和“未来愿意再次使用”的陈述。

讨论

本研究开发了一款用于DRF的软体机器人模拟器，这是一项需要程序准确性和感知敏感性的精细护理技术。与传统外科模拟器不同，我们的方法强调了训练护士所需的功能和感知真实性，同时解决了临床背景下的实际限制。

软体执行器和传感器在医疗保健机器人系统中常规暴露于物理和环境压力，包括拉伸、弯曲和潮湿。在DRF模拟的背景下，模拟器还必须承受不可预测的运动、安装在弯曲的直肠几何结构上以及新手用户反复接触润滑剂。尽管存在这些需求，大多数关于软体传感器的现有研究都集中在电气性能上，而不是实际操作耐久性或实际环境中的用户安全。

量化DRF过程中施加到直肠和肛门的力量仍然是一个重大挑战。临床研究已经测量了功能性肛门直肠疾病中的肛门括约肌强度和直肠内压。然而，之前没有工作定量描述在实际排泄护理程序（如直肠按摩或刺激）中护士所施加的力。在本研究中，刺激强度的目标范围来源于经验丰富护士的反复演示。然而，这些参数的医学适当性仍不确定。

在日本，DRF是一项高度专业化的护理技能，通常在家庭护理环境中进行。由于其侵入性和相关风险，其正确执行需要高级技术熟练度。然而，DRF培训在护理教育系统中仍然 largely underdeveloped。大多数当前培训依赖模拟臀部或直肠的静态模型，无法复制真实患者的交互反应。如果没有来自响应式模拟器的反馈，新手护士可能会将这项技能错误地学习为单纯的“舀取粪便”的机械动作，错过了患者互动的关键方面。

我们的方法在两个方面不同于传统的解剖和生理仿生学。首先，我们认为完全解剖保真度对于有效的技能获取不是必需的。其次，我们强调用户所体验的感知相似性与机械真实性同样重要。我们采用了一种功能和感知仿生学方法，优先考虑主观真实感而非完美的解剖复制。例如，我们通过一个简单的线性执行器实现了粪便排出，而不是通过乙状结肠复制品的蠕动运动，这成功地复制了将粪便输送至直肠的“功能”。这种简化降低了设计复杂性并提高了系统鲁棒性。

功能和感知设计策略还意味着优化单个组件并不一定能优化整个系统。例如，我们的评估显示，2段肛门括约肌执行器实现了最接近人体值的收缩压力。然而，护士认为3段设计——尽管压力较低——在触觉 sensation 方面更一致、更真实。这一发现表明，下一代软体机器人模拟器应超越组件级优化，转向系统级设计集成，以平衡机械和感知性能。

局限性及未来方向

本研究采用了完全枚举所有合格参与者而非抽样人群的方法。然而，经验丰富的护士用户数量少（n=5）限制了研究发现的可推广性。未进行推断性统计分析，结果进行了描述性解释。尽管规模有限，但评估揭示了培训适用性和操作稳定性的显著改进——例如不间断使用2小时和无技术监督操作——表明从原型2到原型4的设计修改具有教育意义。

新手护士报告在培训后对评估DRF的焦虑和困难增加，这可能看起来有违直觉。然而，这符合能力四阶段模型中的“意识性无能”阶段，学习者首先认识到自身的局限性。这种增强的意识是技能获取过程中必要的一步。尽管存在暂时的不适，参与者表达了继续使用模拟器的强烈意愿，表明了进一步学习的动机。这凸显了未来需要为早期学习者量身定制支持策略。

未来的研究将扩大原型4的用户基础，使其能够在更多样化的护理人群和培训环境中进行验证。这也将允许应用推断方法来评估观察结果的稳健性和可重复性。此外，经验丰富护士的反馈指出了未来的增强机会，例如根据布里斯托大便分类法模拟各种粪便稠度，以及开发针对不同临床护理阶段（例如急性期、恢复期和慢性期）的场景。

结论

本研究介绍并验证了一款用于DRF的新型软体机器人模拟器，这是一项精细且未被充分代表的护理程序。通过集成能复现关键生理功能和感知线索的软体执行器和传感器，该模拟器能够实现反映DRF物理和感官方面的真实培训。

技术实施不仅以工程性能指标为指导，还考虑了功能和感知方面的整合。组件的选择和执行器/传感器的配置不仅针对机械精度进行了优化，还力求匹配临床用户的触觉和体验期望。这种方法成功实现了一款被执业护士认为逼真、且具备鲁棒性、安全性的模拟器。

对经验丰富和新手护士的验证研究表明，其在可用性、程序理解和培训满意度方面均有改善。此外，系统的嵌入式传感能力使模拟器能够作为一个工具，捕捉一直以来难以测量的动手护理实践。

这项工作表明，将功能真实性与感知保真度相结合，是在医疗保健领域实施实用的、特定领域的软体机器人模拟器的一个可行策略。未来的工作将旨在扩大临床验证，并探索此实施框架在其他临床程序中的更广泛应用。