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便攜式麻醉視頻喉鏡的醫學設計與實現

  • 發布日期:2018-08-31
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本文是一篇碩士醫學論文,醫學論文的邏輯性是指論題、論點、論據、論證之間的聯系一環扣一環,循序撰寫,首尾呼應,順理成章,并做到資料完整,設計合理,避免牽強附會,虎頭蛇尾,空洞無物。(以上內容來自百度百科)今天為大家推薦一篇碩士醫學論文,供大家參考。
 
1 緒 論
 
1.1 課題研究背景
在醫院麻醉科,氣道管理是極其重要的一項工作,根據美國麻醉醫師協會的資料,無法保證氣道安全和進行氣管插管是關于麻醉損傷的重要原因,在這些病例中,85%的患者最終結局是死亡或腦損傷[1]。據估計,全世界每年有多達 600 名患者死于氣管插管期間發生的并發癥,將近 30%的麻醉事故死亡病例都是由失敗的困難氣道處理所引起的[2-3]。這些事實推進了幾代氣管插管技術的發展,其中,視頻喉鏡是引導氣道插管中應用前景非常樂觀的一種設備[4]。在 2013 年美國麻醉醫師協會困難氣道處理指南中,當直接喉鏡失敗后,視頻喉鏡被作為第一選擇,主要原因是視頻喉鏡能夠對喉部顯露有所改善,其氣管插管成功率非常高[5]。無論是在醫學還是在研發領域,有關內窺鏡的討論不勝枚舉[6],但是針對喉鏡的相關研究卻很鮮見,隨著其診療優勢的日益凸顯,喉鏡的實用價值和關鍵技術也正在成為人們關注的焦點[7]。直接喉鏡是臨床上氣管插管常用的方法,由醫生在直視聲門下進行氣管插管,這種方法受到的影響因素較多,比如患者呼吸道解剖結構變異、醫生經驗不足等,在聲門暴露時將近 1.5%-8.6%的患者無法采用直接喉鏡的方法,氣管插管困難這將由此直接導致,不但操作時間有所延長,而且局部損傷也會增加,甚至危及部分患者的生命[8]。直接喉鏡如圖 1.1 所示。視頻喉鏡整合了視頻系統,在插管過程中不需要直視聲門,是對傳統直接喉鏡的改良,可有效克服困難氣道插管問題,如強直性頸椎疾病、張口受限和頦胸粘連等[9]。在氣管插管時使用視頻喉鏡能使醫生在圖像引導下進行插管操作,在此過程中不再存在視差和盲區,可以顯著提高一次性氣管插管的成功率[10]。相比于直接喉鏡,視頻喉鏡提供的聲門視野更佳,而且對于麻醉醫師甚至是非專業人員來說都易于學習使用,這是其近年來得以迅速普及的重要原因,在未來的急診氣道管理領域中,視頻喉鏡的主導地位將日益鞏固[11]。圖 1.2 是便攜式麻醉視頻喉鏡的最常見造型。
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1.2 國內外視頻喉鏡現狀及研究趨勢
 
1.2.1 國外視頻喉鏡現狀
國外對于麻醉視頻喉鏡的研究起步較早,技術較為成熟,因此調查國外麻醉喉鏡的研究現在對本文設計麻醉視頻喉鏡具有指導意義。由于大型國際公司(比如日本的富士能(Fujinon)、德國的卡爾史托斯(Storz)和美國的韋林(WelchAllyn)等)擁有專業的技術優勢,電子喉鏡的市場份額長期被這些公司占有,隨著時代的進步和發展,一些新型的醫療器械公司快速崛起,憑借新穎的造型技術在電子喉鏡市場中占據一席之地[12-13]。在目前市場上流行的便攜式麻醉視頻喉鏡國外品牌主要有加拿大 GlideScope、英國麥氏可視喉鏡(McGrath)、美國視可尼可視喉鏡(Shikani)、西班牙 Airtraq。GlideScope 視頻喉鏡于 2001 年上市,是由加拿大 Saturn 生物醫療技術有限公司研制的。該品牌視頻喉鏡由手柄和攝像頭模塊組成,其鏡片前端安裝一個防霧型高清晰攝像頭,有兩顆 LED 燈分布于攝像頭的兩側,這使得喉鏡的照明光強的持續穩定性得到保障,攝像頭包裝在鏡片之內,其鏡片成分為高阻抗醫用塑料,鏡片末端采用向上彎曲成與水平面成 60°的獨特設計,此設計可以明顯減小喉部顯露時所需要的上提力量[14-15],鏡片的最寬處達到 18 毫米,液晶顯示器的大小為 7寸,攝像頭通過光纜和液晶顯示器實現連接,氣管插管時患者喉部圖像通過攝像頭傳至顯示器上。Glidescope 喉鏡能實現從新生兒到成人的氣管插管。它已成功應用在頸椎損傷、病態肥胖以及強直性脊柱炎患者中,并且取得的效果很好[16-19]。
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2 視頻喉鏡總體方案設計
 
2.1 總體方案設計
本文設計的便攜式視頻喉鏡主要應用于供醫生挑起會厭暴露聲門,作輔助氣管插管用。醫生通過顯示屏實時觀察插管過程,為了方便日后查看病例,本文設計的視頻喉鏡具有 TF 卡存儲功能,用戶通過按鍵完成拍照、錄像及回放等操作。本文所設計的便攜式麻醉視頻喉鏡系統示意圖如圖 2.1 所示,從結構上來講,視頻喉鏡由顯示器、手柄和窺視片組成,手柄一端與顯示器連接,另一端為窺視片。顯示器內包含圖像處理工作站、3.5 寸 TFT 液晶顯示屏。鋰電池安裝在手柄內。窺視片則在視頻喉鏡前端,內部設計有圖像傳感器和照明用的 LED。該結構小巧便攜。便攜式麻醉視頻喉鏡的系統結構圖如圖 2.2 所示。插管前端為窺視片,內部安裝攝像頭模組和照明光源,負責圖像的采集。鋰電池為 3.7V 可充電式鋰電池,通過 USB 進行充電,系統采用單節鋰電池供電,安裝在手柄內。顯示器端設計有 LCD安裝槽和主控電路板 LCD 槽等。系統采用 3.5 寸 TFT 液晶顯示屏,其分辨率為320*240。主控板電路是圖像處理工作站,此外還有設計有鋰電池充電 USB 接口和 TF 卡接口等,其結構便攜小巧。
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2.2 硬件設計方案
嵌入式系統決定了整套系統的性能,是便攜式設備的核心,而類型各異的嵌入式處理器正是嵌入式系統的核心部件,因此,在設計嵌入式控制平臺時選擇一款性能優良的嵌入式微處理器尤為重要。嵌入式處理器有四類:嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit,EMPU)、嵌入式 DSP 處理器(Embedded DigitalSignal Processor, EDSP)、嵌入式微控制器(Microcontroller Unit,MCU)和嵌入式片上系統(System on Chip, SoC)[35]。本文選用的是 ARM 系列嵌入式微處理器。ARM 處理器是一個 32 位元精簡指令集(RISC)處理器架構,它是一種可集成、可擴展、可移植的處理器,被廣泛地應用在許多嵌入式系統設計中。ARM 處理器的主要技術特點有以下 6 條:①體積小、低功耗、低成本和高性能;②支持 Thumb(16 位)/ARM(32 位)雙指令集,與 8 位/16 位器件的兼容性很好;③使用大量的寄存器,指令執行速度更快;④大多數數據操作都在寄存器中完成;⑤尋址方式簡單靈活,具有較高的執行效率;⑥指令長度固定。除了以上特點,基于 ARM 處理器的系統的事務管理功能極其強大,為可視化操作系統的設計提供便利。基于以上特點,ARM 處理器在多個領域都得到應用,尤其在無線設備、消費類電子、圖像應用的開放平臺以及存儲、自動化、工業和網絡應用的嵌入式實時系統等領域被廣泛應用。在 ARM 處理器家族中,ARM7、ARM9/ARM9E 和 ARM10 是 4 個通用處理器系列,每個系列的 ARM 處理器都有其相對獨特的性能,不同的應用領域可以選擇符合其性能要求的處理器,例如 SecurCore 系列就是為較高安全要求的應用而專門設計的。目前最新的 ARM 處理器是 ARM11 系列[36-38]。
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3 視頻喉鏡的硬件電路設計.........19
3.1 CQA20 核心板電路............19
3.2 攝像頭接口電路設計.........20
3.3 液晶屏電路設計.......22
3.4 電源電路設計...........24
3.5 TF 卡存儲電路設計............26
3.6 本章小結.........26
4 視頻喉鏡的軟件設計..........27
4.1 搭建嵌入式開發環境.........27
4.2 基于 V4L2 的圖像采集程序設計.........28
4.3 應用軟件功能設計.............31
4.4 本章小結.........33
5 視頻喉鏡系統的結構設計.........35
5.1 結構設計目標...........35
5.2 具體結構設計及三維建模...........35
5.3 圖像傳感器的結構設計.....40
5.4 系統的密封性處理.............44
5.5 本章小結.........45
 
6 系統集成及功能性能測試
 
本課題設計了視頻喉鏡的硬件電路、應用軟件程序和系統結構,經過系統集成之后成為完整的視頻喉鏡樣機。本樣機涉及到注冊檢驗,因此需要對功能及性能進行測試。本章介紹基本的功能及主要性能參數的測試,在功能和性能指標測試通過之后,再將樣機送往重慶醫療器械質量檢驗中心按照國家及行業標準進行注冊檢驗。
 
6.1 視頻喉鏡系統集成
前文已經介紹過視頻喉鏡的硬件電路、應用軟件和系統結構的設計,將應用軟件移植到電路板上運行,并將視頻喉鏡的各部分進行集成組成視頻喉鏡系統,如圖 6.1 所示是本課題設計的視頻喉鏡系統實物圖。本系統與前文設計的視頻喉鏡結構符合,具有便攜性、低成本和低功耗的優點。視頻喉鏡模擬插管手術如圖 6.2所示。本課題設計的視頻喉鏡的功能包括視頻實時預覽、拍照、錄像、照片查看和視頻回放等功能,下面介紹主要功能的測試方法。拍照及錄像功能測試方法為,當視頻喉鏡開機之后進入視頻實時預覽界面,此時單擊拍照按鍵,則會自動抓拍當前顯示畫面的圖片,并將拍攝的照片保存在TF 卡內。長按錄像按鍵 2 秒,則會進行錄像,錄像的時候顯示屏界面仍然處于實時預覽界面,再次點擊錄像按鍵會停止錄像,錄像的視頻文件保存在 TF 卡內。隨后進入圖片和視頻保存目錄,查看是否有拍攝的照片和視頻文件,若拍照和錄像成功則測試通過,圖 6.4 和圖 6.5 分別為測試時拍攝的照片文件和視頻文件。
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總結
 
視頻喉鏡是輔助氣管插管的重要工具,在氣管插管手術中,使用視頻喉鏡挑起患者會厭,暴露聲門,沒有視差和盲區的存在,可提高一次性插管的成功率。本文對國內外的視頻喉鏡研究現狀進行了分析,并分別對比了國內外視頻喉鏡的特點,并分析了國內視頻喉鏡市場的問題,提出了對視頻喉鏡技術進行研究的必要性,在此基礎上,對視頻喉鏡的硬件電路、應用軟件程序以及結構進行分析,設計了一款便攜式麻醉視頻喉鏡系統。在硬件電路方面,本文設計了視頻喉鏡的攝像頭電路、液晶屏顯示電路、電源管理管路以及 TF 卡存儲電路。在軟件設計中,本文設計了基于 V4L2 框架的視頻采集程序,并在此基礎上添加了拍照、錄像以及拍照和錄像的回放等功能。在結構設計中,根據人機工程學的機理,設計了視頻喉鏡的顯示器、轉向軸、手柄和窺視片等結構,除此之外,還創新性的設計了一款視頻喉鏡專用的攝像頭結構,有效的解決了系統調試時顯示屏內存在的反光及雜質的問題。本文設計的視頻喉鏡具有以下特點:①具有專利設計的攝像頭結構,尺寸小、結構合理。②便攜性的整體結構設計,系統連續工作時間長,可超過 4.5 個小時。③簡易實用的工作界面和按鍵布局設計,方便手術及教學的使用。④具有實時顯示、拍照及錄像功能,符合國標和行標的性能參數,成本低,適合基層醫生使用。本文完成了預期的設計目標,設計的視頻喉鏡樣機具有小巧便攜、功耗低、功能齊全以及性能良好的特點,重慶醫療器械質量檢驗中心根據國家標準及行業標準編寫的技術要求對視頻喉鏡進行注冊檢驗,設計的視頻喉鏡獲得了重慶醫療器械質量檢驗中心的注冊檢驗報告,通過了注冊申請審核并獲得注冊證。本文設計的視頻喉鏡系統具有很高的工程和應用價值。
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參考文獻(略)

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