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便携式麻醉视频喉镜的医学设计与实现

  • 发布日期:2018-08-31
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本文是一篇硕士医学论文,医学论文的逻辑性是指论题、论点、论据、论证之间的联系一环扣一环,循序撰写,首尾呼应,顺理成章,并做到资料完整,设计合理,避免牵强附会,虎头蛇尾,空洞无物。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇硕士医学论文,供大家参考。
 
1 绪 论
 
1.1 课题研究背景
在医院麻醉科,气道管理是极其重要的一项工作,根据美国麻醉医师协会的资料,无法保证气道安全和进行气管插管是关于麻醉损伤的重要原因,在这些病例中,85%的患者最终结局是死亡或脑损伤[1]。据估计,全世界每年有多达 600 名患者死于气管插管期间发生的并发症,将近 30%的麻醉事故死亡病例都是由失败的困难气道处理所引起的[2-3]。这些事实推进了几代气管插管技术的发展,其中,视频喉镜是引导气道插管中应用前景非常乐观的一种设备[4]。在 2013 年美国麻醉医师协会困难气道处理指南中,当直接喉镜失败后,视频喉镜被作为第一选择,主要原因是视频喉镜能够对喉部显露有所改善,其气管插管成功率非常高[5]。无论是在医学还是在研发领域,有关内窥镜的讨论不胜枚举[6],但是针对喉镜的相关研究却很鲜见,随着其诊疗优势的日益凸显,喉镜的实用价值和关键技术也正在成为人们关注的焦点[7]。直接喉镜是临床上气管插管常用的方法,由医生在直视声门下进行气管插管,这种方法受到的影响因素较多,比如患者呼吸道解剖结构变异、医生经验不足等,在声门暴露时将近 1.5%-8.6%的患者无法采用直接喉镜的方法,气管插管困难这将由此直接导致,不但操作时间有所延长,而且局部损伤也会增加,甚至危及部分患者的生命[8]。直接喉镜如图 1.1 所示。视频喉镜整合了视频系统,在插管过程中不需要直视声门,是对传统直接喉镜的改良,可有效克服困难气道插管问题,如强直性颈椎疾病、张口受限和颏胸粘连等[9]。在气管插管时使用视频喉镜能使医生在图像引导下进行插管操作,在此过程中不再存在视差和盲区,可以显著提高一次性气管插管的成功率[10]。相比于直接喉镜,视频喉镜提供的声门视野更佳,而且对于麻醉医师甚至是非专业人员来说都易于学习使用,这是其近年来得以迅速普及的重要原因,在未来的急诊气道管理领域中,视频喉镜的主导地位将日益巩固[11]。图 1.2 是便携式麻醉视频喉镜的最常见造型。
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1.2 国内外视频喉镜现状及研究趋势
 
1.2.1 国外视频喉镜现状
国外对于麻醉视频喉镜的研究起步较早,技术较为成熟,因此调查国外麻醉喉镜的研究现在对本文设计麻醉视频喉镜具有指导意义。由于大型国际公司(比如日本的富士能(Fujinon)、德国的卡尔史托斯(Storz)和美国的韦林(WelchAllyn)等)拥有专业的技术优势,电子喉镜的市场份额长期被这些公司占有,随着时代的进步和发展,一些新型的医疗器械公司快速崛起,凭借新颖的造型技术在电子喉镜市场中占据一席之地[12-13]。在目前市场上流行的便携式麻醉视频喉镜国外品牌主要有加拿大 GlideScope、英国麦氏可视喉镜(McGrath)、美国视可尼可视喉镜(Shikani)、西班牙 Airtraq。GlideScope 视频喉镜于 2001 年上市,是由加拿大 Saturn 生物医疗技术有限公司研制的。该品牌视频喉镜由手柄和摄像头模块组成,其镜片前端安装一个防雾型高清晰摄像头,有两颗 LED 灯分布于摄像头的两侧,这使得喉镜的照明光强的持续稳定性得到保障,摄像头包装在镜片之内,其镜片成分为高阻抗医用塑料,镜片末端采用向上弯曲成与水平面成 60°的独特设计,此设计可以明显减小喉部显露时所需要的上提力量[14-15],镜片的最宽处达到 18 毫米,液晶显示器的大小为 7寸,摄像头通过光缆和液晶显示器实现连接,气管插管时患者喉部图像通过摄像头传至显示器上。Glidescope 喉镜能实现从新生儿到成人的气管插管。它已成功应用在颈椎损伤、病态肥胖以及强直性脊柱炎患者中,并且取得的效果很好[16-19]。
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2 视频喉镜总体方案设计
 
2.1 总体方案设计
本文设计的便携式视频喉镜主要应用于供医生挑起会厌暴露声门,作辅助气管插管用。医生通过显示屏实时观察插管过程,为了方便日后查看病例,本文设计的视频喉镜具有 TF 卡存储功能,用户通过按键完成拍照、录像及回放等操作。本文所设计的便携式麻醉视频喉镜系统示意图如图 2.1 所示,从结构上来讲,视频喉镜由显示器、手柄和窥视片组成,手柄一端与显示器连接,另一端为窥视片。显示器内包含图像处理工作站、3.5 寸 TFT 液晶显示屏。锂电池安装在手柄内。窥视片则在视频喉镜前端,内部设计有图像传感器和照明用的 LED。该结构小巧便携。便携式麻醉视频喉镜的系统结构图如图 2.2 所示。插管前端为窥视片,内部安装摄像头模组和照明光源,负责图像的采集。锂电池为 3.7V 可充电式锂电池,通过 USB 进行充电,系统采用单节锂电池供电,安装在手柄内。显示器端设计有 LCD安装槽和主控电路板 LCD 槽等。系统采用 3.5 寸 TFT 液晶显示屏,其分辨率为320*240。主控板电路是图像处理工作站,此外还有设计有锂电池充电 USB 接口和 TF 卡接口等,其结构便携小巧。
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2.2 硬件设计方案
嵌入式系统决定了整套系统的性能,是便携式设备的核心,而类型各异的嵌入式处理器正是嵌入式系统的核心部件,因此,在设计嵌入式控制平台时选择一款性能优良的嵌入式微处理器尤为重要。嵌入式处理器有四类:嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit,EMPU)、嵌入式 DSP 处理器(Embedded DigitalSignal Processor, EDSP)、嵌入式微控制器(Microcontroller Unit,MCU)和嵌入式片上系统(System on Chip, SoC)[35]。本文选用的是 ARM 系列嵌入式微处理器。ARM 处理器是一个 32 位元精简指令集(RISC)处理器架构,它是一种可集成、可扩展、可移植的处理器,被广泛地应用在许多嵌入式系统设计中。ARM 处理器的主要技术特点有以下 6 条:①体积小、低功耗、低成本和高性能;②支持 Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令集,与 8 位/16 位器件的兼容性很好;③使用大量的寄存器,指令执行速度更快;④大多数数据操作都在寄存器中完成;⑤寻址方式简单灵活,具有较高的执行效率;⑥指令长度固定。除了以上特点,基于 ARM 处理器的系统的事务管理功能极其强大,为可视化操作系统的设计提供便利。基于以上特点,ARM 处理器在多个领域都得到应用,尤其在无线设备、消费类电子、图像应用的开放平台以及存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统等领域被广泛应用。在 ARM 处理器家族中,ARM7、ARM9/ARM9E 和 ARM10 是 4 个通用处理器系列,每个系列的 ARM 处理器都有其相对独特的性能,不同的应用领域可以选择符合其性能要求的处理器,例如 SecurCore 系列就是为较高安全要求的应用而专门设计的。目前最新的 ARM 处理器是 ARM11 系列[36-38]。
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3 视频喉镜的硬件电路设计.........19
3.1 CQA20 核心板电路............19
3.2 摄像头接口电路设计.........20
3.3 液晶屏电路设计.......22
3.4 电源电路设计...........24
3.5 TF 卡存储电路设计............26
3.6 本章小结.........26
4 视频喉镜的软件设计..........27
4.1 搭建嵌入式开发环境.........27
4.2 基于 V4L2 的图像采集程序设计.........28
4.3 应用软件功能设计.............31
4.4 本章小结.........33
5 视频喉镜系统的结构设计.........35
5.1 结构设计目标...........35
5.2 具体结构设计及三维建模...........35
5.3 图像传感器的结构设计.....40
5.4 系统的密封性处理.............44
5.5 本章小结.........45
 
6 系统集成及功能性能测试
 
本课题设计了视频喉镜的硬件电路、应用软件程序和系统结构,经过系统集成之后成为完整的视频喉镜样机。本样机涉及到注册检验,因此需要对功能及性能进行测试。本章介绍基本的功能及主要性能参数的测试,在功能和性能指标测试通过之后,再将样机送往重庆医疗器械质量检验中心按照国家及行业标准进行注册检验。
 
6.1 视频喉镜系统集成
前文已经介绍过视频喉镜的硬件电路、应用软件和系统结构的设计,将应用软件移植到电路板上运行,并将视频喉镜的各部分进行集成组成视频喉镜系统,如图 6.1 所示是本课题设计的视频喉镜系统实物图。本系统与前文设计的视频喉镜结构符合,具有便携性、低成本和低功耗的优点。视频喉镜模拟插管手术如图 6.2所示。本课题设计的视频喉镜的功能包括视频实时预览、拍照、录像、照片查看和视频回放等功能,下面介绍主要功能的测试方法。拍照及录像功能测试方法为,当视频喉镜开机之后进入视频实时预览界面,此时单击拍照按键,则会自动抓拍当前显示画面的图片,并将拍摄的照片保存在TF 卡内。长按录像按键 2 秒,则会进行录像,录像的时候显示屏界面仍然处于实时预览界面,再次点击录像按键会停止录像,录像的视频文件保存在 TF 卡内。随后进入图片和视频保存目录,查看是否有拍摄的照片和视频文件,若拍照和录像成功则测试通过,图 6.4 和图 6.5 分别为测试时拍摄的照片文件和视频文件。
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总结
 
视频喉镜是辅助气管插管的重要工具,在气管插管手术中,使用视频喉镜挑起患者会厌,暴露声门,没有视差和盲区的存在,可提高一次性插管的成功率。本文对国内外的视频喉镜研究现状进行了分析,并分别对比了国内外视频喉镜的特点,并分析了国内视频喉镜市场的问题,提出了对视频喉镜技术进行研究的必要性,在此基础上,对视频喉镜的硬件电路、应用软件程序以及结构进行分析,设计了一款便携式麻醉视频喉镜系统。在硬件电路方面,本文设计了视频喉镜的摄像头电路、液晶屏显示电路、电源管理管路以及 TF 卡存储电路。在软件设计中,本文设计了基于 V4L2 框架的视频采集程序,并在此基础上添加了拍照、录像以及拍照和录像的回放等功能。在结构设计中,根据人机工程学的机理,设计了视频喉镜的显示器、转向轴、手柄和窥视片等结构,除此之外,还创新性的设计了一款视频喉镜专用的摄像头结构,有效的解决了系统调试时显示屏内存在的反光及杂质的问题。本文设计的视频喉镜具有以下特点:①具有专利设计的摄像头结构,尺寸小、结构合理。②便携性的整体结构设计,系统连续工作时间长,可超过 4.5 个小时。③简易实用的工作界面和按键布局设计,方便手术及教学的使用。④具有实时显示、拍照及录像功能,符合国标和行标的性能参数,成本低,适合基层医生使用。本文完成了预期的设计目标,设计的视频喉镜样机具有小巧便携、功耗低、功能齐全以及性能良好的特点,重庆医疗器械质量检验中心根据国家标准及行业标准编写的技术要求对视频喉镜进行注册检验,设计的视频喉镜获得了重庆医疗器械质量检验中心的注册检验报告,通过了注册申请审核并获得注册证。本文设计的视频喉镜系统具有很高的工程和应用价值。
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参考文献(略)

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