Sinh viên khoa Điện chế tạo mô hình máy trợ thở cho bệnh nhân mắc bệnh về hô hấp

Với ý tưởng nghiên cứu và thiết kế thiết bị có khả năng trợ thở cho bệnh nhân mắc bệnh về hô hấp, nhóm nghiên cứu gồm 05 sinh viên khoa Điện, Đại học Công nghiệp Hà Nội đã chế tạo thành công mô hình máy trợ thở đơn giản. Máy hoạt động theo nguyên lý ép/thả túi ambu một cách tự động để đưa dòng không khí vào phổi bệnh nhân tương ứng với hai pha hít vào và thở ra.

Nhóm nghiên cứu gồm 05 sinh viên: Trần Hồng Quân, Nguyễn Xuân Vĩ, Vũ Đức Đông, Nguyễn Doanh Nghiệp, Phan Bá Minh Quân; Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Văn Cường - khoa Điện.

TS. Phạm Văn Cường hướng dẫn nhóm sinh viên phát triển đề tài nghiên cứu

Cùng với sự gia tăng ô nhiễm môi trường không khí, ô nhiễm do khói thuốc lá, tình trạng kháng kháng sinh nên tỷ lệ mắc bệnh lý hô hấp trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đang ngày càng đáng báo động. Người mắc bệnh lý về hô hấp cần được hỗ trợ thở. Máy trợ thở đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống cho bệnh nhân, mà khả năng tự thở của họ bị hạn chế hoặc khả năng tự thở tạm thời bị mất đi. Đây là điều kiện tiên quyết để cứu sống và phục hồi sức khỏe cho người bệnh.

Đại dịch COVID-19 khiến cho nhu cầu về máy thở, máy trợ thở đang tăng cao, và đặc biệt là sự chia sẻ các công nghệ, thiết kế chế tạo máy trợ thở, máy thở đã tạo ra một cuộc đua về nghiên cứu, chế tạo, sản xuất thiết bị máy trợ thở.

Trước thực tế đó, nhóm nghiên cứu gồm 05 sinh viên khoa Điện, Đại học Công nghiệp Hà Nội đã chế tạo thành công mô hình máy trợ thở đơn giản.

Sơ đồ nguyên lý máy trợ thở

Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát

Trước khi bắt tay vào thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát của mô hình, nhóm đã vạch ra yêu cầu bài toán thiết kế:

- Hiểu rõ về Arduino MEGA, động cơ bước, máy trợ thở. Thiết kế được mô hình thực nghiệm hệ thống điều khiển và giám sát lưu lượng khí cho máy trợ thở.

- Thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng vận hành, cài đặt nhanh chóng.

- Đảm bảo nhịp thở liên tục trong khoảng từ 20-30 nhịp/phút

- Cảnh báo khi ống thở bị hở, mất áp suất.

Hệ thống điều khiển và giám sát gồm 6 khối: khối nguồn, khối điều khiển, khối xử lý trung tâm, khối chấp hành, khối cảm biến và khối cảnh báo. Mỗi khối gồm các bộ phận có chức năng riêng nhằm tối ưu hóa quy trình điều khiển và giám sát của máy trợ thở.

Trong đó, khối Nguồn được cấu tạo gồm Nguồn tổ ong và Module hạ áp; khối Điều Khiển và Xử Lý Trung Tâm gồm mạch Arduino và Driver động cơ bước; khối Chấp Hành gồm Hệ truyền động bánh răng, Động cơ bước và Bộ bóng Ambu; khối Cảm biến gồm có Cảm biến áp suất; Khối Cảnh Báo gồm màn hình LCD và còi báo âm thanh liên tục.

Mô hình hoàn chỉnh của máy trợ thở

Mô tả công nghệ, giải thích phương pháp điều khiển:

- Máy trợ thở sử dụng động cơ bước 57 3Nm 57HS11230A4, Drive động cơ bước 2DM542 JMC và cơ cấu truyền động bánh răng tạo dao động cho quả bóp Ambu tạo khí thở.

- Mô hình gồm 4 nút nhấn: 1 nút nhấn cài nhịp thở, 1 nút cài tỉ lệ bóp nhả I/E, 1 nút cài thể tích khí bóp, cài xong nhấn nút còn lại là lệnh chạy dừng.

- Máy có cảm biến áp áp suất, đèn và còi để cảnh báo khi ống thở không có áp suất hoặc bệnh nhân trợ thở không đạt áp suất như đã đặt.

- Máy được cài thông số bằng nút nhất hoặc qua giao diện Winform của Arduino.

- Màn hình LCD hiển thị cho người vận hành biết được thông số nhịp thở, tỉ lệ khí bóp (I/E), thể tích khí bóp (V).

- Tỉ lệ khí bóp (I/E) được tính bằng tốc độ nhịp thở khi quả bóp vào và nhả ra. Quả bóp Ambu được bóp vào nhanh hơn so với nhả ra phù hợp với nhịp thở bình thường của con người.

Kết quả thực nghiệm của máy trợ thở

Kết quả thực nghiệm

Sau khi lắp đặt hệ thống máy trợ thở tiến hành chạy thử nghiệm hệ thống theo quy trình hoạt động nhóm thu được kết quả như sau: Các thông số được nhập trên máy tính được xử lý và hiển thị lên màn hình LCD, đồng thời theo dõi cảm biến áp suất để nhận biết ống thở được cắm vào người bệnh nhân hay không nếu không thì sẽ có cảnh báo bằng còi và đèn Led. Mô hình máy có 4 nút, cách đọc các thông số hiển thị như sau:

- Nhấn nút 1 nhịp thở trên phút ++, nếu lớn hơn 30 thì cho trở lại 20 (giá trị mặc định là 20).

- Nhấn nút 2 tỉ lệ I/E thay đổi (tỉ số giữa thời gian hít và thở ra)

- Nhấn nút 3 thay đổi phần trăm khí bóp (tính theo xung Step chứ ko tính theo thể tích bóng bóp).

- Nhấn nút 4 là cho máy chạy hoặc dừng: ở đây khi máy chạy sẽ dựa và các thông số cài để tính toán số xung và thời gian xung thông qua đó điều khiển TB6600.

Là người trực tiếp hướng dẫn cho nhóm nghiên cứu, TS. Phạm Văn Cường đánh giá: mô hình hoạt động ổn định, vận hành đúng nguyên lý ban đầu đề ra và có thể quản lý lưu lượng khí khi giám sát được bằng hệ thống Winform, LCD; đặc biệt mô hình mang tính định hướng cao cho các sản phẩm nghiên cứu sau này.

Phương hướng phát triển

Chia sẻ về hướng phát triển của đề tài, nhóm nghiên cứu đề xuất một số giải pháp nhằm cải thiện, phát triển mô hình tốt hơn như: Tích hợp thêm bộ giám sát năng lượng trên máy để kiểm soát tốt hơn; tối ưu hóa trọng lượng máy, tinh giảm các chi tiết thừa, để thuận lợi hơn trong quá trình sử dụng. Tích hợp IOT, điều khiển và giám sát thêm nhiều chức năng, công nghệ cao hơn; xây dựng mô hình với diện tích lớn hơn, sử dụng những quả bóp, động cơ, hệ truyền động có công suất lớn, hiệu suất cao và xa hơn nữa là đưa vào sản xuất công nghiệp số lượng lớn để giảm giá thành và bao phủ rộng rãi hơn đến với mọi người.

Mô hình máy trợ thở cho bệnh nhân mắc bệnh về hô hấp