遥操作气管插管机器人系统的研发

发布时间：2020-04-27 23:34

【摘要】：【研究目的】本课题主要针对院前、战地、地震、海上和空间等事故或灾难现场中因为缺乏专业医务人员导致的救治成功率低的现状,研发出一款应用于院前灾难现场的遥操作气管插管机器人系统,实现远程操作的气管插管工作,解决战地抢救工作中专家缺乏、无法随行的缺陷,从而提高院前气管插管的成功率。通过设计并制作气管插管机器人系统,建立基于无线网络的遥操作控制系统,并进行动物实验和模拟人实验,以验证遥操作气管插管机器人系统的可行性与可靠性。【研究方法】一、气管插管机器人的设计与制备传统的气管插管全套装备并必须手动操作,严重影响其在战创伤环境机器人装置下的适用性。院前急救情况紧急,需针对院前环境的特殊性,设计出有效、易携带、操作简单、成本低的设备。依据动物、人体气道解剖学特点和工学设计理念,参照喉镜工作方式及国外气管插管机器人设计原理,设计并制作一款气管插管机器人系统。二、动物实验购买20头巴马小型猪,随机分成机器人组(n=10)和喉镜组(n=10)。机器人组使用气管插管机器人系统进行气管插管,喉镜组使用猪专用喉镜进行气管插管。实验征集缺少临床气管插管经验的本科生或研究生10名,一名拥有8年工作经历的麻醉科主治医师,部分实验室员工及辅助人员参与,进行两种插管方式的比较。记录插管时间、一次插管成功率、总体插管成功率、气道并发症、氧饱和度,及插管前后1分钟收缩压、心率值。三、模拟人气管插管实验将设计研制的人用气管插管机器人系统应用于模拟人身上,比较该系统插管的可行性。记录实验中的插管时间、插管成功率。四、遥操作控制系统设计与开发通过设计、开发无线局域网并测试气管插管机器人系统的功能,以检测远程操作的可行性。【结果】一、设计开发出三款气管插管机器人在课题执行期间,共设计开发出三款气管插管机器人系统。其中,第一代机器人为钢丝绳驱动,主要验证了机器人对导管末端的姿态控制能力,但其可靠性、易操作性不能满足,且没有压舌板结构,不能完成气管插管中所需的压舌动作,不符合急救的基本要求,不适合大力推广,故而转向下一代的产品研发。第二代气管插管机器人在第一代的基础上增加了压舌板,且机器人末段增加弹簧,改善了机器人的稳定性与可靠性。但该设备理论上可行,在动物实验中却失败,原因是:压舌板结构尺寸参数无法调节,声门暴露不能达到满意程度,需要一个专门暴露声门的结构。故而进行第三代产品的研发。第三代气管插管机器人增加了独立的可调节尺寸的压舌板,从而可以方便的暴露声门,导管末段姿态控制结构也由弹簧驱动改为双推拉杆驱动,引入弹簧片减少了末端姿态控制所需的电机数量,更加符合气道结构。第一代、第二代机器人在实际应用中失败,目前在动物实验取得成功的为第三代机器人系统。二、动物实验结果尽管统计学上没有明显差异,但在绝对数值上,机器人组一次气管插管成功率、总成功率均高于喉镜组(一次成功率80%vs 40%,总体成功率90%vs 60%)。在插管时间方面,总插管时间机器人组明显高于喉镜组(74.6±2.3s vs 53.2±3.1s,P?0.01),分解总插管时间显示机器人组中学生需要的操作时间明显短于喉镜组中的插管时间(23.4±0.7s VS 53.2±3.1s,P?0.01)。机器人人有1例插管失败,1例并发症。喉镜组有4例插管失败,2例并发症。两组插管前后血流动力学均没有明显变化。三、模拟人气管插管结果现阶段的模拟人气管插管需要在手动辅助下完成气管插管,需要更改部分装置才可能独立完成插管。四、遥操作控制系统的设计开发成功设计开发出基于无线局域网的远程控制系统,测试结果显示远程气管插管机器人系统可行。【结论】一、我们研发设计并制作出3款气管插管机器人及其必要附属装置,建立了基于局域网的遥操作控制系统,完成了机器人可靠性改良工作,并完成了一系列动物实验及模拟人实验,验证了遥操作气管插管机器人系统的可行性与可靠性。二、动物实验显示,与直接喉镜相比,气管插管机器人系统可以提高学生(模拟的急救员)的一次插管成功率、总成功率的绝对数值,明显缩短学生的操作时间,而不增加插管并发症和血流动力学波动。模拟人实验目前尚需要改进后才能完成独立插管工作,后期尚需要在人体进行实验以验证其可行性。三、该气管插管机器人系统有望广泛应用于院前伤患的气管插管,可提高院前气管插管成功率,同时对现有的院前急救模式的转变产生一定的影响。
【图文】：

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一、研究方法研制、设计出可行的气管插管机器人系统是该课题的关键，其总体思路为模的基本原理，参考国外开普勒气管插管机器人系统（KIS），结合人工力学基本，研发出一款新型机械设备取代喉镜和操作者手臂，实现全自动气管插管，进气管插管。同时，开发、设计远程控制系统进行远程气管插管。二、研究成果（一）伤员身体、头颅固定方法研究及装置设计准确有效地将伤员的身体以及头颅进行固定，是进行成功抢救的基础。由于上救护人员不足，必须依靠机械装置进行稳定可靠的伤员固定。本固定装置是人与患者的头部绑定，而非分别固定。机器人与开口器绑定，开口器保持患者开，并利用机器人自带的绑带与患者头部绑定，这样机器人与患者头部之间便对运动，即使在动荡的车厢里也能正常工作（见图 1）。

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管部位结构的复杂性，，根据人体工学设计理念，设计多关节灵巧操作手组成的操机构。在保证具有高稳态精度的前提下，完成任意弧度轨迹的动作。战创伤环境的复杂性及机器人使用的特殊性，要求对传统气管插管进行改良，使其具有便携性、简易性、可靠性。传统的气管插管全套装备必须手动操作，严重影响其在战创伤环境机器人装置适用性，针对以上要求设计并制作了 3 款遥操作气管插管机器人。分别为第一代插管机器人（图 2.）、第二代气管插管机器人（图 3.）、第三代气管插管机器人（图 5）。
【学位授予单位】：中国人民解放军海军军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242

【参考文献】