變形記馬新范文
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篇1
引言
信息是現代社會的主要特征,而人們傳遞信息的重要媒介是圖像。隨著社會經濟的發展,科學技術的不斷進步,信息視覺化技術越來越受到人們的重視。數據量大是數字圖像的一個顯著特點,一幅具有中等分辨率(640×480)的彩色(24bit/象素)數字圖像的數據量約為737Mbit。這給數字圖像的傳輸帶來很大的困難。因此,圖像處理及數據壓縮對現代化社會的發展起著不可忽視的作用。利用圖像壓縮編碼技術,在原有圖像損失一定精度(即有損圖像壓縮編碼)或不損失任何精度(即無損圖像壓縮編碼)的情況下,將原有圖像用比原始數據量少得多的數據將其表示出來,以提高圖像的存儲效率和傳輸效率,既是當代信息高速公路、高清晰度電視(HDTV)、可視電話、圖文傳真等技術的關鍵,又在航空偵察遙感、資源勘探及生物醫學工程等領域起著非常重要的作用。
小波變換壓縮編碼的現狀及當前的研究存在的問題
小波分析是近年來發展起來的一門新興的數學分析理論,其應用范圍包括數學領域本身的許多學科,利用小波變換的理論實現圖像的壓縮編碼已經從九十年代初起得到了廣泛與深入地研究,并逐漸成為圖像壓縮編碼領域的一個重要分支。小波變換的優越之處在于它在時域和頻域同時具有良好的局部化性質,從而可以更加有效地刻劃信號的特征。對于圖像而言,如果從能量的角度來看,其大部分能量一般集中在低頻部分,并且其頻帶較窄,而其余少部分能量則集中在高頻部分,其所占頻帶較寬。對于高頻部分的能量,其中的大部分又則是由圖像中的邊緣或細節產生的。因此,一種有效的變換編碼技術應該具有這樣的特性,即圖像通過變換后,其能量應主要集中在少部分的低頻系數上,大部分高頻系數只占有少量能量,而占高頻中的能量應該減小,這是圖像變換編碼的一個基本的要求。小波變換恰好提供了這樣的特性,從而可以較好地適應圖像的固有特性,對圖像進行有效地分解、表征與編碼。
盡管小波變換圖像壓縮編碼算法具有結構簡單、無需任何訓練、支持多碼率、壓縮比較大、圖像復原質量較理想等特點,但在不同程度上存在壓縮與解壓縮速度慢、圖像復原質量不理想等問題,為了進一步改善此算法的工作效率,需要解決以下兩個主要問題。首先是正交小波基的選擇問題。正交小波基的選取對圖像壓縮效果有很大的影響。在實際應用中,由于可供選擇的正交小波基很多,如何做出恰當的選擇是一個難題。理論和實踐表明,理想的正交小波基應該具有下列性質:1、線性相位特性―能減少或消除重構圖像在邊緣處的失真;2、緊支集特性一支集越短,小波變換的計算復雜度越低,便于快速實現;3、消失矩特性一即,一般來說,k越大,小波變換后能量越集中出現在低頻,而在其他子帶中,會出現更多的0,便于提高壓縮比。根據當前研究得知,有緊支集的正交小波基除Haar系以外,其他都不具備線性相位特性。為了保持該特性,可放棄正交性而采用具有緊支集的雙正交小波。其次是數據向量量化編碼算法的優化問題在整個圖像壓縮過程中,對小波系數進行向量量化編碼會直接影響圖像的壓縮效果。同時,由于應用層面的需要,目前,常用的數據向量量化編碼算法如零樹編碼算法等運算時間長,運算量大等特點。使它不易于實時系統的實現,嚴重限制應用的范圍。而且也有不同程度地存在運算復雜、重構復原圖像效果不理想等問題。因此亟需尋找優秀的向量量化算法。此外,對活動圖像和網絡版的圖像壓縮編碼的研究以及對人眼視覺特性的充分利用等研究也是小波變換圖像壓縮編碼領域亟待解決的問題。圖像在傳輸中往往含有的噪聲,如果通過壓縮編碼后,有利于噪聲的去處,或者在解壓縮時,加入對圖像的去噪環節,并且把這個環節融入解壓編碼的過程也是當前研究的熱點之一。
嵌入式零樹編碼
嵌入式零樹編碼方法(Embedded Zerotree Wavelets Encoding)是1993年由美國學者Jerome M.Shapiro首先完整地提出的基于比特連續逼進的圖像編碼方法。它的思想來源于對自然圖像的觀察和理解。自然圖像具有兩個特征:第一,自然圖像通常具有相對重要的低頻信號,當一幅圖像進行小波分解后,圖像的能量集中在相對低頻的子帶內,所以低頻子帶的小波系數往往要大于高頻子帶內相關位置的小波系數;第二,絕對值大的小波系數對圖像的影響要大于絕對值小的小波系數。同時,在圖像小波系數經過量化后,會出現大面積的零系數,因此,怎樣用最少的符號來表示這些零系數的位置,則是圖像編碼提高壓縮比的關鍵,Shapiro的嵌入式零樹編碼的優點是只要記住零樹根的位置,就可記住零樹結構中所有零系數的位置。所以它可以極大提高壓縮比。正因為如此,現在的零樹編碼已經成為新的圖像編碼國際標準JPEG2000的一個組成部分。通過實踐發現,如果按一定的順序掃描,則零樹根會更容易連續出現;同時,如果我們可以采用多種編碼的方法來表示這些連續出現的零樹根,就可以進一步地提高圖像編碼的壓縮比和信噪比。
圖像數據經過小波分解以后,得到塔式的數據結構,由圖像的子帶分解可知,按水平方向和垂直方向頻率的高低(低頻為L,高頻為H),對第n層分解,每層可以劃分為4個子帶……分別表示第n分解層的低頻子帶、垂直子帶、水平子帶和高頻子帶,各分辨率下的子帶圖像系數域對圖像信號而言有著不同的重要性。由于正交小波變換能有效去除圖像系數的相關性,使得無論是在同一分解層或是在不同的分解層小波系數的線性相關性均非常的小,但不同的分解層內系數幅值之間仍然存在明顯的相關性,相關性主要表現在小尺度上(低分解層)的小波系數往往不大于在較大尺度的相同空間位置的小波系數,零樹就是基于此種系數幅值的相關性而提出的一種新型的數據結構,通過零樹結構,可以充分利用小波域各個圖像的特點有效地表示數據。
零樹結構的定義為:對于給定的閾值T,如果小波系數X 子代系數;
新的壓縮編碼結構流程
不論什么樣的壓縮編碼方法,其目的都是要在一定保真度的情況下,達到大的壓縮比。小波變換后系數的特點使人們提出各種方案來提高其壓縮比。零樹編碼量化就是利用小波變換后的樹結構提出的一種行之有效的編碼方法。當然,這種的在小波變換后的處理方法還有很多。但都達不到零樹編碼量化的效果。但這也并不是說,簡單的零樹編碼,就能達到理想的效果。小波變換在表示圖像方面有很大的靈活性、適應人類視覺特性(HVS)以及圖像壓縮等方面有顯著的優勢。在圖像壓縮方面的優勢主要表現在如下幾方面,小波變換后的低頻子圖集中了圖像的大部分能量;高頻子圖集中了圖像的邊緣、輪廓對應位置的大部分能量;同一方向上各級高頻子圖系數幅度大體一致。小波變換能除去系數的相關性,使得同一尺度內和不同尺度間的小波系數相關性均非常小。但是,不同尺度的小波系數在幅度上仍然存在著一定的相關性。前面提到的基于零樹的嵌入式小波壓縮算法就是利用這種相關性來有效的編碼小波系數。它們是對高頻子圖和低頻子圖統一量化編碼,只利用了系數尺度之間、空間位置之間的相關性,而沒有利用人類視覺生理和心理的特性。通過大量的文獻我們可以了解到,人眼的特性是對高頻失真不敏感,特別是對角線方向的高頻失真最不敏感,而對低頻失真較為敏感。為了充分利用人的視覺的特性,我們對小波變換后的壓縮方案進行了選擇。
首先對圖像進行四級小波變換,然后根據人眼對低頻失真較敏感,而且低頻分量集中了圖像絕大部分能量的特點,對最低頻子圖子帶單獨進行DPCM壓縮編碼,為了進一步提高壓縮比,我們采用自適應算術編碼對隨后的碼流進行編碼。根據人眼對45°方向的高頻失真不很敏感以及子帶小波系數為零的概率很大的特點,對其舍去不作編碼(解碼時恢復為零),對其余子帶采用零樹量化編碼。在零樹法量化編碼時,對高頻子帶與較低頻子帶采取不同的量化策略,較低頻部分分配較高的比特率,高頻部分分配較低的比特率,最后進行游程編碼。
在本算法的實現中,由于我們要對不同的子帶進行不同的量化,對于高級數的小波系數采用細致的量化方法,因為它包含圖像中對人眼重要的信息。對低級數的小波系數采用相對粗一些的量化方法。它們都是標量量化方法。同時,在算法實踐中,如果采用SPIHT算法,不容易定位不同子帶的子系數。因此,在算法實現上,我們采用了。EZW算法,即不采用集合分裂的方法來提高算法速度。同時,如前面提到的通過創建數組來提高檢索零樹的效率的方法還是行之有效的方法。而且,這樣作有助于定位象素點在不同子帶區的位置,有利于我們的量化實現。我們在算法上加以采用,得到良好的效果。
仿真結果和性能比較
信噪比的定義為:
篇2
關鍵詞:數字通信;三階高密度雙極性碼;編譯碼;硬件描述語言
中圖分類號:TN919 文獻標識碼:B
文章編號:1004-373X(2008)11-021-03オ
Modeling and Simulation of HDB3
TANLizhi
(Zhuzhou Professional Technology College,Zhuzhou,412001,China)オ
Abstract:The method that how to encode and decode in the direct transmission optical communication system with the high-density bipolar 3 codecs is introduced.The encoding and decoding rules of high-density bipolar 3 signal are analysed,models in Verilog Hardware Description Language(VHDL)is built up,and with EDA technology to test the design effectiveness is simulated.This article has some reference value in the design of digital baseband communications system.
Keywords:digital communication;HDB3;encoding and decoding;VHDL
數字基帶信號的傳輸是數字通信系統的重要組成部分之一。在數字通信中,有些場合可不經過載波調制和解調過程,而對基帶信號進行直接傳輸。采用AMI碼的傳號交替反轉,有可能出現四連零現象,不利于接收端的定時信號提取。而三階高密度雙極性碼因具有無直流成份,低頻成份少和連0個數最多不超過3個等明顯的優點,對定時信號的恢復十分有利,成為CCITT協會推薦使用的基帶傳輸碼型之一。本文使用硬件描述語言對數字通信系統中的三階高密度雙極性碼的編譯碼進行實用設計。
1 三階高密度雙極性碼的編、譯碼規則
1.1 三階高密度雙極性碼的編碼規則
三階高密度雙極性碼是AMI碼的改進型,稱為三階高密度雙極性碼,它克服了AMI碼的長連0串現象。
其編碼規則為先檢查消息代碼(二進制)的連0串情況,當沒有4個或4個以上連0串時,則這時按照AMI碼的編碼規則對消息代碼進行編碼;當出現4個或4個以上連0串時,則將每4個連0小段的第4個0變換成與前一非0符號(+1或-1)同極性的V符號,且必須保證相鄰V符號應極替(即+1記為+V,-1記為-V);檢查相鄰V符號間的非0符號的個數是否為偶數,若為偶數,則再將當前的V符號的前一非0符號后的第1個0變為+B或-B符號,且B的極性與前一非0符號的極性相反,并使后面的非0符號從V符號開始再交替變化[1]。
1.2 三階高密度雙極性碼的譯碼
三階高密度雙極性碼的譯碼是編碼的逆過程,其譯碼相對于編碼較簡單。從其編碼原理可知,每一個破壞符號V總是與前一非0符號同極性,因此,從收到的三階高密度雙極性碼序列中,容易識別V符號,同時也肯定V符號及其前面的3個符號必是連0符號,于是可恢復成4個連0碼,然后再將所有的-1變成+1后便得到原消息代碼。
2 三階高密度雙極性編碼的建模
三階高密度雙極性碼的建模思想:在消息代碼的基礎上,依據三階高密度雙極性編碼規則進行插入“V”符號和插入“B”符號的操作,且用2位二進制代碼分別表示。最后完成單極性信號變成雙極性信號的轉換,其編碼器模型如圖1所示。
圖1 三階高密度雙極性編碼模型
2.1 插“V”模塊的實現
插“V”模塊是對消息代碼里的四連0串的檢測,即當出現四個連0串的時候,把第四個“0”變換成為符號“V”,用“11”標識,“1”用“01”標識,“0”用“00”標識,其模型如┩2所示。
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圖2 插“V”模型
2.2 插“B”模塊的實現
建模思路是當相鄰“V”符號之間有偶數個非0符號的時候,把后一小段的第1個“0”變換成一個 “B”符號。在此用一個4位的移位寄存器實現延遲作用,經插“V”處理過的碼元,在同步時鐘的作用下,同時進行是否插“B”的判決,等到碼元從移位寄存器里出來的時候,就可以決定是應該變換成“B”符號,還是照原碼輸出。輸出端用“11”表示符號“V”,“01”表示“1”碼,“00” 表示“0”碼,“10” 表示符號“B”,其模型如圖3所示。
圖3 插“B”模型
2.3 單極性變雙極性的實現
根據編碼規則,“B”符號的極性與前一非零符號相反,“V”極性符號與前一非零符號一致。因此將“V”單獨拿出來進行極性變換(由前面已知“V”已經由“11”標識, 相鄰“V”的極性是正負交替的),余下的“1”和“B”看成一體進行正負交替,這樣就完成了三階高密度雙極性的編碼。
因為經過插“B”模塊后,“V”,“B”,“1”已經分別用雙相碼“11”,“10”,“01”標識,“0”用“00”標識。而在實際應用中,CPLD或FPGA端口輸出電壓只有正極性電壓,在波形仿真中也只有“+1”和“0”,而無法識別“-1”。所以要得到所需要三階高密度雙極性編碼的結果,需定義的“00”,“01”,“10” 來分別表示“0” ,“-1”,“+1”。將插“B”模塊后輸出的“00”,“01”,“10”,“11”組合轉換為“00”,“01”,“10”組合表示,再通過“00”,“01”,“10”控制四選一數字開關的地址來選擇輸出通道,就可以實現0,-E,+E。在此本文用CC4052的一組通道作為四選一數字開關,將CPLD或FPGA目標芯片的標識性輸出轉換成雙極性信號,最終實現三階高密度雙極性非歸零編碼。CC4052接線如圖4所示,實現地址控制器的模型如圖5所示。
圖4 CC4052接線圖
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圖5 地址控制模型
3 三階高密度雙極性譯碼的建模
三階高密度雙極性譯碼器的建模思想:根據編碼規則,破壞點V脈沖與前一個脈沖同極性。因而可從所接收的信碼中找到V碼,然后根據加取代碼的原則,V碼與前面的三位代碼必然是取代碼,在譯碼時,須全部復原為四連0。只要找到V碼,不管V碼前是兩個“0”碼,還是三個“0”碼,一律把取代碼清零,完成了扣V扣B功能,進而得到原二元信碼序列。可實現三階高密度雙極性譯碼的模型框圖如圖6所示。三階高密度雙極性譯碼器包括雙/單極性變換、V碼檢測、時鐘提取、扣V扣B四部分組成。
圖6 三階高密度雙極性譯碼模型
3.1 +V碼檢測與-V碼檢測的實現
+V碼檢測原理是對正整流電路輸出的信號的上升沿到來時,利用計數器對輸入的正整流電路輸出的信號脈沖進行計數,當計數值等于2時,輸出一個脈沖作為+V脈沖,同時計數器清零,而且在計數期間,一旦有負整流電路輸出的信號脈沖,立即對計數器清零,計數器重新從零開始計數。這是因為在兩個正整流電路輸出的信號脈沖之間,存在負整流電路輸出的信號脈沖,說明第二個正整流電路輸出的信號脈沖不是+V碼,而只有在連續兩個正整流電路輸出的信號脈沖之間無負整流電路輸出的信號脈沖,才能說明這兩個正整流電路輸出的信號脈沖在三階高密度雙極性碼中,是真正地同極性的,于是就可以判定第二個正整流電路輸出的信號脈沖實際上是+V碼,達到檢測+V碼的目地。
-V碼檢測原理與+V碼檢測的類似,所不同的是,-V碼檢測電路在正整流電路輸出的信號脈沖控制下,對來自負整流電路輸出的信號脈沖進行計數和檢測、判定,若檢測到-V碼,則輸出-V碼信號。其模型如圖7與┩8所示。
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圖7 +V碼檢測模型
圖8 -V碼檢測模型
3.2 扣V扣B模塊的實現
建模思路是用V碼檢測模塊所檢測出的V碼信號去控制一個四位移位寄存器,若未碰到V脈沖,則整流輸出合成信號在時鐘的節拍下,順利通過移位寄存器,當碰到有V脈沖時,該V脈沖將使移位寄存器清零。考慮到四連0,即V脈沖及其前面的三個碼元應為0碼,所以,可設置四位的移位寄存器,當V碼清零時,同時將移存器中的四位碼全變為0。不管是否有B脈沖,在此模塊中,一并清零,因而無須另設扣B電路。另外移位四位寄存器起到延時四位時鐘周期的作用,以使所檢測出的V脈沖與信號流中的V脈沖位置對齊,保證清零的準確性,其模型如圖9所示。
圖9 扣V扣B模型
4 三階高密度雙極性編碼的仿真
在此以四連“0”的可能情況進行如表1的多“0” 消息代碼進行分析,利用EDA工具[2]對硬件描述語言源程序進行編譯、適配、優化、邏輯綜合與仿真,其仿真結果達到了編碼要求,仿真圖如圖10所示。將三階高密度雙極性編碼硬件描述下載到CPLD或FPGA目標芯片中,連接好CC4052進行實際應用測試,用示波器測得編碼波形如┩11所示,完成了實際轉換需求。
圖10 三階高密度雙極性編碼仿真
5 三階高密度雙極性譯碼的仿真
在此以消息代碼“111000011000011101”進行分析,利[LL]用EDA工具對硬件描述語言源程序進行編譯、適配、優化、邏輯綜合與仿真,其仿真結果達到了編碼要求。仿真圖如圖12,圖13,圖14所示。將三階高密度雙極性譯碼硬件描述下載到CPLD或FPGA目標芯片中,連接好┧/單極性變換電路及時鐘提取電路進行實際應用測試,用示波器測得譯碼輸出波形如圖14所示,完成了實際譯碼需求。
圖11 三階高密度雙極性碼實測波形
圖12 +V碼檢測仿真
圖13 -V碼檢測仿真
圖14 三階高密度雙極性譯碼輸出仿真
6 結 語
將基于硬件描述語言的三階高密度雙極性編譯碼IP核實現在光通信等系統中,能滿足實際上測試的需要。且運用基于硬件描述語言的可編程芯片開發技術,將信號處理的相關電路進行硬件描述,用CPLD/FPGA技術實現數字通信系統,不僅可以通過芯片設計實現多種數字邏輯功能,且由于管腳定義的靈活性,提高了工作效率,極大地減少了電路設計的時間和可能發生的錯誤,降低了開發成本。參 考 文 獻
[1]樊昌信,張甫翊,徐炳祥,等.通信原理[M].北京:國防工業出版社,2001.
[2]譚會生,黎福海,伍宗富,等.EDA技術基礎[M].長沙:湖南大學出版社,2004.
作者簡介
篇3
[中圖分類號] R614.2 [文獻標識碼]C[文章編號]1673-7211(2009)01(a)-166-02
臨床上,全身麻醉進行氣管插管以控制呼吸。手術結束后拔管要等到患者完全蘇醒后才能進行,由于氣管拔管所導致的應激綜合征常引起患者劇烈的生理改變。因此,我們嘗試將氣管拔管的時機改在患者手術結束后還處于淺麻醉狀態(自主呼吸已恢復,潮氣量正常,但無意識)時就進行拔管。比較清醒狀態和淺麻醉狀態下拔管引起患者血糖、 血壓和心率的變化,以選擇一個較好的拔管時機。現將結果報道如下:
1 資料與方法
1.1 一般資料
選擇80例上腹部擇期手術患者,年齡35~62歲,其中,男性48例,女性32例,ASAⅠ~Ⅱ級,術前血糖、血壓和心率均在正常范圍內。隨機分為兩組,Ⅰ組40例,在清醒狀態下拔管;Ⅱ組40例,在淺麻醉狀態下拔管,比較兩種狀態下拔管對血糖、血壓和心率變化的影響。
1.2 方法
兩組患者術前半小時肌注魯米那鈉0.1 g,兩組患者入室后開放靜脈,均以芬太尼6 μg/kg、丙泊酚2 mg/kg、維庫溴銨0.1 mg/kg誘導進行快速插管,后以間斷靜注芬太尼、維庫溴銨和持續吸入1.5%~2.0%異氟烷維持麻醉。在手術結束前40 min停用異氟烷并改用丙泊酚6 mg/(kg?h)維持麻醉。Ⅰ組于手術結束前15 min停用丙泊酚,Ⅱ組于拔管后15 min停用丙泊酚。并于手術結束前15 min內每5分鐘抽血一次,測血糖值,記錄血壓和心率。兩組患者在手術結束后15 min內每5分鐘抽血一次,測定血糖值,記錄血壓和心率。
1.3 統計學方法
數據以均數±標準差(x±s)表示,計量資料分析采用t檢驗,計數資料分析采用χ2檢驗,P<0.05表示差異有統計學意義。
2 結果
患者一般資料及淺麻醉狀態下拔管的患者其心率、血壓和血糖與手術前的基礎值比較均無顯著性差異,在清醒狀態下拔管的患者心率、血壓和血糖與手術前的基礎值比較有顯著性差異。結果見表1、2。
表1 兩組患者一般情況及手術前血糖、血壓及心率情況
表2 手術結束前15 min內及拔管后15 min內兩組患者
血糖、血壓及心率情況
與Ⅰ組比較,*P
3 討論
多年來,許多麻醉醫生對于氣管插管后的拔管習慣于在患者清醒后才進行。如果麻醉拔管期間上呼吸道反射過于活躍,則可能引起喉痙攣、呼吸暫停,血糖、血壓、心率的急劇升高,嚴重時還能威脅患者的生命,在臨床上產生嚴重的后果。因此,麻醉拔管期間對呼吸道反射的有效抑制至關重要,選擇在淺麻醉狀態(自主呼吸已恢復,潮氣量正常,但無意識)下拔管能降低對上呼吸道的刺激,減輕氣管插管所帶來的應激反應,有利于患者的恢復,對患者的生理影響也能降到最低水平。全麻圍拔管期心血管應激反應亢進,與麻醉變淺、氣管導管刺激、口腔及氣管內吸引、疼痛、低氧等因素有關,導致血漿腎上腺素及去甲腎上腺素一過性升高[1,2]。高血壓伴心肌缺血患者圍手術期血壓嚴重升高,且心率加快,心肌耗氧量增加。手術刺激及拔管時麻醉變淺均十分危險,嚴重時導致心律失常、心肌梗死及腦血管意外。佩爾地平為鈣通道阻滯劑,對伴有冠心病、心律失常、心肌缺血的患者有重要作用。但也有報道顯示其無防治心肌缺血作用,且易致心動過速,因而對急診高血壓伴心動過速患者,單用佩爾地而會增加心臟做功及耗氧量[2] 。艾司洛爾為超短效高選擇性β1-受體阻滯劑,能有效防治圍術期心肌缺血、減慢心率、降低心肌氧耗,有研究顯示,艾司洛爾對術后中度高血壓療效較為理想,但對急診異常高血壓作用不穩定,劑量過大反致明顯低血壓[3,4]。全麻后氣管導管拔管期間可發生明顯的血壓升高、心率增快等情況,其發生原因與多種因素有關,而拔管操作時氣道的刺激更強烈,更加劇心血管反應,甚至出現心力衰竭及肺水腫、高血壓、腦出血等意外,為了預防這種意外,以往研究多在拔管期應用負性心血管系統藥物,其作用機制是通過外周途徑作用于心血管系統,但它并不抑制因疼痛刺激、氣道刺激引起的拔管期反應,因此,這類藥并不完善,而異丙酚是一種新型的、快效、短效靜脈,蘇醒迅速而完全,無蓄積作用,而且對于慢性阻塞性肺疾病的患者還具有支氣管擴張作用,對交感神經興奮有一定的抑制作用,使心率減慢、血壓降低[5,6]。因而,筆者主張在淺麻醉狀態下拔管在臨床上是比較可行的。
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