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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?#26469;?#29702;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?#35745;?#36947;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?#26469;?#29702;指?#29616;校?#24403;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?#39057;?#26085;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?#37319;?#27668;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,?#28909;?#24739;者呼吸道解?#24335;?#26500;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?#23433;?#20998;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?#34892;?#20811;服困难气道插管问题,如强直性颈?#23548;?#30149;、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?#23478;?#20110;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?#31185;?#27493;?#26174;紓?#25216;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?#23478;?#20041;。由于大型国?#20351;?#21496;(?#28909;?#26085;?#38236;?#23500;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?#31350;?#36895;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?#39057;摹?#35813;品牌视频喉镜由?#30452;?#21644;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?#20013;?#31283;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?#26009;?#31034;器上。Glidescope 喉镜能实现?#26377;?#29983;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?#39057;?#20415;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?#39057;?#35270;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?#39057;?#20415;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?#19978;?#31034;器、?#30452;?#21644;窥视片组成,?#30452;?#19968;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?#30452;?#20869;。窥视片则在视频喉镜前端,内部设计?#22411;?#20687;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?#30452;?#20869;。显示器端设计有 LCD安?#23433;?#21644;主控电路板 LCD 槽等。系统采用 3.5 寸 TFT 液晶显示屏,其?#30452;?#29575;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。
........
 
2.2 ?#24067;?#35774;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?#27169;?#32780;类型各异的嵌入式处理器正是嵌入式系统的核心?#32771;?#22240;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?#20219;?#37325;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?#34382;?#25903;持 Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令集,与 8 位/16 位器件的兼容性很好?#34382;?#20351;用大量的寄存器,指令执行速度更快?#34382;?#22823;多数数据操作都在寄存器中完成?#34382;?#23547;址方式简单灵活,具有较高的执行效率?#34382;?#25351;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?#29260;?#21488;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?#39057;摹?#30446;前最新的 ARM 处理器是 ARM11 系列[36-38]。
........
 
3 视频喉镜的?#24067;?#30005;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?#24067;?#30005;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?#38236;?#21151;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?#32771;?#39564;?#34892;?#25353;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?#24067;?#30005;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?#24120;?#22914;图 6.1 所示是本课题设?#39057;?#35270;频喉镜系统实物图。本系统与前文设?#39057;?#35270;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?#39057;?#35270;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?#35745;?#24182;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?#35745;?#21644;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 ?#30452;?#20026;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?#30452;?#23545;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?#30805;?#35270;频喉镜技术进行研究的必要性,在此基础上,对视频喉镜的?#24067;?#30005;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?#24067;?#30005;路方面,本文设计了视频喉镜的摄像头电路、液晶?#26009;允镜?#36335;、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、?#30452;?#21644;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,?#34892;?#30340;解决了系统调试?#27605;?#31034;屏内存在的反光及杂质的问题。本文设?#39057;?#35270;频喉镜具有以下特点:①具有专利设?#39057;?#25668;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?#27605;?#31034;、拍照及录像功能,符合国标和行标的性能参数,成?#38236;停?#36866;合基层医生使用。本文完成了预期的设计目标,设?#39057;?#35270;频喉镜样机具?#34892;?#24039;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?#32771;?#39564;?#34892;?#26681;据国家标?#25216;?#34892;业标准编写的技术要求对视频喉镜进行注册检验,设?#39057;?#35270;频喉镜获得了重庆医疗器械质?#32771;?#39564;?#34892;?#30340;注册检验报告,通过了注册申请审核并获得注册证。本文设?#39057;?#35270;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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