基于ARM的便携式麻醉视频喉镜的研究

【作 者】罗恩斯，刘洪英,，赵亚雄，李若瑄，皮喜田,

1 重庆大学生物工程学院， 重庆市，400030 2 重庆市医疗电子工程技术研究中心， 重庆市，400030 3 河南省医疗器械检验所， 郑州市，450000 4 重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室， 重庆市，400030

基于ARM的便携式麻醉视频喉镜的研究

【作 者】罗恩斯1，刘洪英1,2，赵亚雄1，李若瑄3，皮喜田1,4

1 重庆大学生物工程学院， 重庆市，400030 2 重庆市医疗电子工程技术研究中心， 重庆市，400030 3 河南省医疗器械检验所， 郑州市，450000 4 重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室， 重庆市，400030

在气管插管过程中，麻醉视频喉镜用于挑起患者会厌部暴露声门，指引医护人员准确进行麻醉插管。该文阐述了视频喉镜指引麻醉插管过程中的方法和意义，介绍了便携式麻醉视频喉镜的总体结构和功能，重点设计了视频喉镜的图像采集模块、核心板电路、视频解码电路、锂电池充电电路和外部存储电路，最后简要介绍了视频喉镜的工作流程。

气管插管；视频喉镜；微处理器；指引插管

0 引言

随着科学技术的发展，内视镜广泛地应用于医疗领域，它是人类窥视、治疗人体内器官的重要工具之一。喉镜作为内视镜的一种，在气管插管时起辅助作用，适用于麻醉或危及病人的急救中。气管插管技术是维持呼吸道通畅的有效方法，同时也是急诊抢救和重症医学治疗的常见操作。在患者气道中植入通气管，能确保患者呼吸道通畅和气体交换良好，其主要功能在于确保心肺暂时停止的患者呼吸道畅通，向其输氧以防止脑细胞坏死[1]。气管插管的成功与否直接影响抢救成功率和全身麻醉的成败[2]。

为解决临床麻醉中气道插管问题，尤其是困难气道插管的问题，不断有新型插管器械问世，视频喉镜技术是近年来发达国家临床麻醉常用的基本技术[3]。视频喉镜是一种新型的视频插管系统，采用先进的电子数码摄像技术，能够实时监控气管插管过程，在高清晰度视频图像的引导下使用插管更加容易。插管过程不再有视差和盲区的存在，可视插管过程使其整个操作过程较传统的喉镜插管更加准确、直观和容易，显著提高气管插管的一次性成功率[4]。

资料显示，医生使用视频喉镜更容易操作，患者的心血管反应较轻，同时还可避免患者声带水肿、舌根拉伤等并发症的发生[5]。

1 便携式麻醉视频喉镜总体结构

基于视频喉镜指引气管插管过程的原理，本文研究设计了基于ARM的便携式麻醉视频喉镜。该视频喉镜包括图像采集模块、核心控制模块、电源模块、存储模块及人机交互模块等。如图1所示：图像采集模块采集人体喉部图像信号，图像采集模块通过电路将采集到的图像信号传送到主控电路，主控电路处理图像之后，通过LCD实时将图像显示在显示屏中，供医生指引插管用。存储模块可保存插管过程中患者喉部照片及视频。

图1 便携式麻醉视频喉镜结构框图Fig.1 Structure block diagram of portable anesthesia video laryngoscope

2 便携式麻醉视频喉镜的功能

主要功能为：①通过图像采集模块采集患者喉部图像信息；②通过按键和LCD显示的方式完成拍照、录像和设置等操作；③采用S3C6410作为主处理芯片，S3C6410芯片以S3C6410X-66H作为主控芯片，提供了SD卡接口，使用SD卡协议进行相关数据的操作；④采用输出为3.7 V的锂电池作为电源，在使用时满足了便携式的要求。

3 便携式麻醉视频喉镜的硬件设计

3.1 图像采集模块

3.1.1 图像传感器结构

便携式麻醉视频喉镜用于挑起患者会厌辅助插管，因此对图像传感器有特殊的要求，图像传感器除满足便携式的要求外，还要使显示屏内的图像清晰，无杂质。本文设计了特殊的图像传感器结构，如图2所示。

图2 图像传感器三维图及重要器件标注Fig.2 Three dimensional image sensor and important component annotation

3.1.2 压舌片结构

为满足便携式麻醉视频喉镜的应用要求，配合上述图像传感器，本文设计了独特的压舌片结构，使用三维制图软件设计的压舌片结构图如图3所示。在系统中，图像传感器固定在压舌片中，前端用双面镀反光膜玻片密封。本压舌片和视频喉镜的手持手柄相连，在插管时，外面套一次性使用聚碳酸酯塑料压舌片，达到无菌消毒的要求。

图3 压舌片三维结构图Fig.3 Three dimensional structure of spatula

3.2 S3C6410核心板电路

本设计采用S3C6410核心板，核心电路板长宽高为4 cm×4 cm×2.2 mm，具有120引脚，采用LGA封装，邮票孔贴片。该核心板采用S3C6410X-66H作为主控芯片，该芯片具有667 MHz主频的CPU，128 MB的 Mobile DDR内存，256 MB SLC NAND Flash，可满足设计需要。核心板电路图如图4所示。

图4 核心控制电路Fig.4 Core control circuit

3.3 视频解码电路

视频解码电路中，采用了tvp5150作为视频解码芯片。它是一款超低功耗，支持PAL/ NTSC/ SECAM等多种视频的高性能解码器[6]。在正常工作时，其工作电压仅为115 mV，并且具有超小封装（32脚TQFP），数字和模拟输入电压为1.8 V，I/O口电压为3.3 V。tvp5150作为一款高性能的视频解码芯片，仅需要一个14.31 818 MHz晶振便可以起振，但要求其误差小于50×10-6，否则可能造成芯片工作不稳定[7]。视频解码电路如图5所示。

3.4 锂电池充电电路

在本系统中，使用的充电管理芯片为TP4056，它是一款优秀的1A线性锂离子电池充电管理芯片，采用SOP8封装，应用电路结构简单，因此成为便携式应用的理想选择[8-11]。充电电路如图6所示。

图5 视频解码电路Fig.5 Video decoding circuit

图6 TP4056充电电路Fig.6 Tp4056 charging circuit schematic

3.5 外部存储电路

S3C6410芯片为该系统提供了SD卡接口，其性能非常强大，可以获得50 MHz的时钟频率，可同时访问8位引脚数据。插管过程中拍摄的照片和视频存放在此，方便医生再次调用。SD卡电路原理图如图7所示。在该系统中，使用SD卡协议进行相关数据的操作[12]。

图7 SD卡电路原理图Fig.7 SD card circuit schematic

4 便携式麻醉视频喉镜的软件设计

系统首先完成初始化，随即进入视频实时预览界面。医生在实时预览界面进行气管插管手术，在插管过程中若医生单击拍照/录像按键，则系统会拍下当前画面，若医生长按拍照/录像按键3 s以上，则系统会拍录当前视频画面，拍照和录像的过程中，显示屏均停留在实时预览界面，保证了插管过程的实时显示。插管结束后，医生可通过按键操作回放插管过程中拍摄的照片和视频，还可拆下系统的内存卡将照片和视频传输到PC端，供远程医疗或诊断用，视频喉镜工作流程如图8所示。

图8 视频喉镜工作流程Fig.8 Work process of video laryngoscope

5 结语

本文介绍了视频喉镜的结构框图和功能，完成了基于ARM的便携式麻醉视频喉镜功能模块设计。其中插管前端图像采集模块设计包括图像传感器和压舌片结构设计，硬件电路设计包括核心板电路设计、视频解码电路设计、锂电池充电电路设计以及外部存储电路设计，最后介绍了视频喉镜的工作流程。本课题完成了基于ARM的便携式麻醉视频喉镜试验样机的研制，该样机具有辅助气管插管的作用，可提高插管成功率。本样机的功能仍待完善，便携式麻醉视频喉镜的压舌片和喉镜手柄的连接方式有待改进；还可在麻醉视频喉镜中增加与PC端的无线传输功能，这些工作将在后续研究中继续完善。

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[6] 李涛峰. 具有智能热调整功能的单片线性锂离子电池充电器IC研究与设计[D]. 成都: 电子科技大学, 2011.

[7] 程涛. 锂电池线性充电芯片系统研究与设计[D]. 武汉: 华中科技大学, 2007.

[8] TI.bq500212A: 无线功率评估模块参考设计方案[J]. 世界电子元器件, 2013, 12(1): 2.

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[10] 李涛峰. 具有智能热调整功能的单片线性锂离子电池充电器IC研究与设计[D]. 成都: 电子科技大学, 2011.

[11] 程涛.锂电池线性充电芯片系统研究与设计[D]. 武汉: 华中科技大学, 2007.

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Development of Portable Anesthesia Video Laryngoscope Based on ARM

【 Writers 】LUO Ensi1, LIU Hongying1,2, ZHAO Yaxiong1, LI Ruoxuan3, PI Xitian1,4
1 College of Bioengineering, Chongqing University, Chongqing, 400030 2 Chongqing Medical Electronic Engineering Technology Research Center, Chongqing, 400030 3 Henan Medical Equipment Inspection Institute, Zhengzhou , 450000 4 National Defense Key Laboratory of New Micro Nano Devices and Systems Technology, Chongqing University,Chongqing, 400030

In the process of tracheal intubation, the anesthesia video laryngoscope is used to lift up the patient’s epiglottis to expose the glottis, and thus guiding the medical staff to perform anesthesia intubation accurately. This paper describes the method and signi fi cance of video laryngoscope in the process of guiding anesthesia intubation, introduces the overall structure and function of portable anesthesia video laryngoscope, the design is mainly focused on image acquisition module, core board circuit, video decoding circuit, lithium battery charging circuit and external storage circuit, at last brie fl y introduces work process of the video laryngoscope.

tracheal intubation, video laryngoscope, micro-processor, guiding anesthesia intubation

TP212.9

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.06.004

1671-7104(2017)06-0404-03

2017-01-04

国家科技支撑计划项目资助（2013BAI03B04）；重庆市重点产业共性关键技术创新专项项目(cstc2015zdcy-ztzx10002)

皮喜田，E-mail: pixitian@163.com