基于5G通信的远程气管插管系统研制.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要

在手术中，患者接受全身麻醉后将失去意识，无法自主呼吸，麻醉医生

需要迅速使用气管插管术为其建立人工呼吸通道，否则会有窒息的危险。气

管插管十分依赖熟练的麻醉医生来操作，因此劳动强度高和工作压力大在麻

醉医生中普遍存在。并且对于以新型冠状病毒为代表的高传染性疾病，麻醉

医生在为患者进行气管插管时难免接触到飞沫、唾液等，面临着极高的感染

风险。此外，边远或者基层医院甚至无法开展气管插管，耽误了患者的急救。

因此，亟待研究一款能让麻醉医生远程为患者进行气管插管的自动化系统，

既能够通过机器辅助来降低医生的劳动强度和被感染风险，又能够实现医疗

资源的共享。针对此系统，本文主要研究内容如下：

分析了不同气管插管工具的特点，确定采用视频软镜这种能应对困难气

道、插管成功率高且正在逐渐推广的工具，然后分析人工使用视频软镜进行

气管插管时的手部动作，设计了插管结构，并进行电机选型和力学仿真。设

计配套的主控系统和电机驱动模块，实现了从路由器接收信息并转换成电机

指令，再通过RS485总线下发给电机驱动模块，驱动电机实现气管插管。

设计与实现了远程气管插管系统的远程控制模块，分为上位机控制、远

程视频监控和5G通信链路三部分。采用C#开发了上位机软件，使其首先能

够与下位机建立TCP通信，然后采集摇杆数据和进行卡尔曼滤波，并提供

两种控制模式：机械臂控制模式下，通过随动控制和柔顺控制将摇杆数据转

换成机械臂的MoveJ指令；插管装置控制模式下，则将摇杆数据按照自定

义协议转换成电机指令。另外开发了急停、计时提醒、距离限制、自动定位

等辅助功能；使用视频编码器搭建了视频传输通路，将气管插管现场的视频

信息传输给本地麻醉医生；结合市面上5G路由器搭建了通信链路，将本地

上位机和远程下位机组成等效局域网。

设计和开展了基于模拟假人的远程气管插管实验。首先对各子系统的功

能进行测试，然后标定工作参数，最后开展远程气管插管实验，随机选取的

3名操作者的插管用时中位数分别是55.5s、59s、65s，实现了70s以内的

预期目标，表明该系统具备一定的先进性、实用性和可操作性。

关键词：气管插管；遥操作；机械臂控制；5G通信

-I-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

Abstract

Insurgery,thepatient’sconsciousnessandabilitytobreathwillbe

losedafterreceivinggeneralanesthesia.Anartificialairwayshouldbe

establishedquicklyusingtrachealintubationtopreventsuffocation,which

reliesheavilyonskilledanesthesiologists,whosufferfromoverworkand

highpsychologicalpressurecommonly.Andthehighriskofinfectionis

faced,duetoinevitableexposuretodropletsandsalivawhenintubationfor

thehighlyinfectiousdiseasessuchasCOVID-19.Moreover,theintubation

cannotbeperformedintheremoteorprimaryhospitals,whichmaydelay

theemergencytreatment.Soanautomationsystemthatcanperformtracheal

intu