Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong quy trình vận hành y tế khẩn cấp, công tác kiểm tra, giám sát trang thiết bị và bảo quản thuốc cấp cứu ngoại viện đóng vai trò then chốt nhằm bảo đảm an toàn cho người bệnh. Khảo sát thực tế tại Khoa Cấp cứu và Đơn vị Chăm sóc Đặc biệt (ICU) thuộc Bệnh viện Quận 11 cho thấy quy trình quản lý hiện nay phụ thuộc hoàn toàn vào việc kiểm đếm thủ công theo danh mục quy định trước và sau mỗi ca trực. Nhân viên y tế phải mang theo lượng lớn trang thiết bị gồm: 41 loại dụng cụ, vật tư trong valy cấp cứu chấn thương ngoại trú; 36 loại dụng cụ trong túi vải phục vụ kíp cấp cứu có đặt ống nội khí quản; và 28 loại thuốc thông dụng theo Quyết định số 1366/QĐ-BV ngày 10/5/2021 của Giám đốc Bệnh viện Quận 11.
Phương thức quản lý thủ công kết hợp sử dụng valy du lịch vải polyester hoặc túi vải thông thường bộc lộ nhiều điểm hạn chế: các ngăn chứa cố định bằng miếng dán gai lông dễ xô lệch, dụng cụ xếp chồng lên nhau gây khó khăn khi thao tác khẩn cấp, dễ dẫn đến thiếu sót hoặc thất lạc vật tư. Trước đó, Trung tâm Nghiên cứu Thiết bị và Công nghệ Cơ khí Bách Khoa (BK RECME) đã phát triển mẫu valy cấp cứu thông minh tích hợp đầu đọc RFID Blue Bird và máy tính nhúng Raspberry Pi bên trong thân túi, cùng một trạm kiểm tra mẫu đặt tại Bệnh viện Quận 11. Tuy nhiên, hệ thống tiền nhiệm tồn tại nhược điểm: mạch điện gắn trực tiếp trong valy làm tăng trọng lượng, không có cơ cấu chống sốc gây nguy cơ hư hỏng mạch; trạm kiểm tra có tốc độ phản hồi chậm, phần mềm chỉ hỗ trợ ghi nhận từng thẻ đơn lẻ và giải thuật đọc thẻ RFID còn phát sinh lỗi nhận diện.
Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu cải tiến thiết kế và điều khiển túi cấp cứu thông minh" của tác giả Cao Phú Hải được thực hiện nhằm giải quyết các tồn tại trên với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:
- Mục tiêu: Nghiên cứu cải tiến hệ thống tự động hỗ trợ kiểm tra thông tin và số lượng vật tư y tế trong valy cấp cứu theo yêu cầu thực tế của Khoa Cấp cứu và Khoa Hồi sức tích cực (ICU) Bệnh viện Quận 11.
- Nhiệm vụ đối với túi cấp cứu:
- Đảm bảo sức chứa và quản lý danh mục tối đa 36 dụng cụ y tế theo quy định của bệnh viện.
- Cải tiến kết cấu cơ khí nhằm giữ cố định vật tư, hạn chế sự chồng lấn giữa các nhãn RFID, nâng cao độ chính xác khi quét tín hiệu.
- Nhiệm vụ đối với trạm kiểm tra:
- Quản lý chính xác số lượng và thông tin vật tư y tế phục vụ công tác cấp cứu lưu động.
- Nâng cao tốc độ xử lý với chỉ tiêu thời gian hoàn thành một chu kỳ hoạt động (từ lúc kích hoạt đến khi hiển thị kết quả lên màn hình) không vượt quá 20 giây.
- Nhiệm vụ đối với phần mềm quản lý:
- Tối ưu hóa giao diện thân thiện, khắc phục lỗi chỉ ghi được 1 thẻ trong mỗi lần thiết lập danh mục.
- Cải tiến thuật toán xử lý dữ liệu, tích hợp khả năng kết nối mạng để đồng bộ và giám sát từ xa.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài gồm trạm kiểm tra thuốc cấp cứu ngoại viện và valy cấp cứu được triển khai thử nghiệm tại Bệnh viện Quận 11 trong năm 2023.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án vận dụng các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia, mô hình quản lý dược phẩm và nguyên lý kỹ thuật cơ điện tử chuyên ngành:
Thiết kế và triển khai hệ thống
Hệ thống cải tiến được tổ chức thành hai thực thể tách rời: hộp cấp cứu cơ động và trạm kiểm tra trung tâm đặt tại bệnh viện.
| Thành phần |
Giải pháp kỹ thuật lựa chọn |
Thông số kỹ thuật / Đặc tính vật lý |
| Vỏ hộp cấp cứu |
Hộp nhựa chuyên dụng Đài Loan, cơ cấu mở bậc thang 3 tầng (2 khay xếp) |
Kích thước 430 x 230 x 205 mm; vật liệu nhựa bền hóa chất, không cản sóng RFID; các ngăn phân chia linh hoạt |
| Khung trạm kiểm tra |
Khung nhôm định hình kết hợp tấm che phủ bảo vệ |
Khung nhôm định hình chịu lực chính; tấm che bằng nhựa ABS; trang bị bánh xe HBK 100/150 |
| Hệ thống Anten RFID |
Cấu hình 02 anten phân bố không gian đa hướng |
01 anten mặt đáy CF-RA2004 và 01 anten mặt đứng CF-RA5005; loại bỏ vùng chết khi quét thẻ |
| Bộ đọc thẻ RFID |
Đầu đọc RFID UHF tầm xa |
Model Chafon CF-MU804; giao tiếp UART kết nối về bộ điều khiển |
| Khối vi điều khiển |
Kiến trúc điều khiển phân cấp (Master - Slave) |
Vi điều khiển chính STM32F411 (xử lý logic, đọc RFID, quản lý thẻ nhớ) phối hợp NodeMCU ESP32 (truyền thông mạng) |
| Khối lưu trữ & Hiển thị |
Thẻ Micro SD qua module giao tiếp SPI và màn hình HMI |
Module Micro SD SPI lưu trữ cơ sở dữ liệu định danh offline; Màn hình cảm ứng Nextion 7 inch NX8048T070 |
| Khối phụ trợ điện |
Nguồn và cơ cấu chuyển mạch, hiển thị trạng thái |
Nguồn tổ ong 25W; Rơle Tongling; Đèn báo tín hiệu công nghiệp AD16-16C |
Về quy trình đóng gói và nhận diện: Thuốc được đưa vào các túi nilon nhỏ dán thẻ RFID chuyên dụng (có thể tái sử dụng để tối ưu chi phí). Các túi thuốc cùng chủng loại được xếp vào từng khay nhựa nhỏ độc lập trước khi đặt vào hệ thống khay tầng của hộp.
Về giải thuật xử lý: Khi hộp được đặt lên trạm kiểm tra, STM32F411 gửi lệnh điều khiển đầu đọc Chafon CF-MU804 kích hoạt phát sóng qua hai anten. Dữ liệu phản hồi từ thẻ được trích xuất trực tiếp tại các byte 16 và 17 trong chuỗi dữ liệu nhận về nhằm lấy mã ID duy nhất. Vi điều khiển thực hiện thuật toán kiểm tra, đối soát danh sách thẻ đọc được với bảng định danh lưu trên thẻ nhớ micro SD, sau đó xuất kết quả danh mục thuốc còn thiếu hoặc đủ lên màn hình Nextion 7 inch và truyền dữ liệu qua ESP32 lên hệ thống máy chủ mạng nội bộ.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 phân tích chi tiết thực trạng công tác chuẩn bị thuốc và thiết bị y tế tại Bệnh viện Quận 11. Tác giả khảo sát các giải pháp chứa đựng hiện hữu gồm valy du lịch vải, túi vải y tế, valy nhựa xuất xứ từ Đức (kích thước hiệu dụng 765 x 490 x 215 mm, vỏ HDPE, tải trọng 8.7 kg) và hãng Robust Trung Quốc (kích thước 556 x 358 x 230 mm, vỏ PP, chịu nhiệt -40 đến 98 độ C), valy hợp kim nhôm phối gỗ Bệnh viện Quân Y 211 (580 x 400 x 120 mm, trọng lượng 3 kg) và valy chia tầng Bệnh viện Nhi Đồng (350 x 190 x 110 x 100 mm, trọng lượng 1.5 kg). Tác giả tổng hợp nguyên lý các công nghệ nhận dạng: mã vạch (quét CCD, quét Laser, quét bút LED), hệ thống phân phối thuốc tự động ADC, quy trình BCMA và các nghiên cứu ứng dụng RFID của Ngụy Minh Tài - Lê Chí An cùng trạm kiểm tra tiền nhiệm tại Bệnh viện Quận 11. Chương này xác lập cơ sở pháp lý theo tiêu chuẩn an toàn điện y tế TCVN 7303-1:2009, tiêu chuẩn nhận dạng tần số vô tuyến TCVN 8656-3:2012 và quy chuẩn vật liệu sử dụng trong y tế.
Chương 2: Lựa chọn phương án
Chương 2 thực hiện các phân tích kỹ thuật để lựa chọn phương án thiết kế tối ưu:
- Hộp cấp cứu: So sánh giữa hộp kim loại, valy kéo và túi vải; kết luận chọn hộp nhựa có khả năng chia ngăn cơ động do đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh, khối lượng nhẹ và hoàn toàn không gây suy hao sóng vô tuyến khi đọc RFID.
- Vật liệu trạm kiểm tra: Đánh giá thép không gỉ, hợp kim nhôm và nhựa ABS; quyết định phối hợp khung xương nhôm định hình (chịu lực, dễ lắp ráp) và tấm ốp nhựa ABS (chống ăn mòn hóa chất, không cản trở trường bức xạ anten).
- Phương pháp kiểm tra: Lựa chọn công nghệ RFID UHF thay vì mã vạch nhờ ưu thế đọc đồng thời nhiều thẻ mà không cần hướng thẳng góc quét vào đầu đọc.
- Bộ điều khiển và kiến trúc điều khiển: Chọn vi điều khiển thay vì PLC hay máy tính nhúng để giảm giá thành, tiết kiệm không gian; lựa chọn phương án điều khiển phân cấp (Module Master - Slave) thay vì điều khiển tập trung nhằm tăng tính linh hoạt khi bảo trì và mở rộng hệ thống.
Chương 3: Thiết kế hệ thống cơ khí
Chương 3 trình bày tính toán chi tiết kết cấu hộp cấp cứu và trạm kiểm nghiệm:
- Hộp cấp cứu: Thiết lập kích thước 430 x 230 x 205 mm dựa trên khảo sát kích thước các chai dịch truyền và hộp thuốc lớn. Cấu trúc gồm 3 tầng với cơ cấu 2 khay phụ nâng dạng bậc thang, kết hợp các vách chia ngăn bằng nhựa Đài Loan để ngăn cách triệt để các nhóm thuốc, chống chồng đè nhãn RFID.
- Trạm kiểm tra: Tính toán không gian bố trí 02 anten phân tập: anten đáy CF-RA2004 phát xạ hướng lên và anten vách đứng CF-RA5005 phát xạ ngang, bao phủ toàn bộ vùng không gian chứa hộp thuốc.
- Kiểm nghiệm cơ học: Xây dựng mô hình 3D trên CAD và thực hiện mô phỏng kiểm tra độ bền cơ học mâm đỡ dưới tác dụng của tải trọng valy đối với hai phương án chiều dày tấm nhựa 3 mm và 5 mm; lựa chọn hệ thống bánh xe chịu lực HBK 100/150 cho chân trạm kiểm tra.
Chương 4: Thiết kế hệ thống điện
Chương 4 hoàn thiện sơ đồ nguyên lý và tính toán lựa chọn thiết bị điện y tế:
- Sơ đồ mạch trạm: Tích hợp đầu đọc RFID Chafon CF-MU804, vi điều khiển trung tâm STM32F411, vi điều khiển phụ NodeMCU ESP32, màn hình cảm ứng màu Nextion 7 inch NX8048T070, module đọc thẻ micro SD SPI, rơ-le cách ly Tongling và bộ nguồn tổ ong 25W.
- Thiết kế các khối chức năng: Trình bày chi tiết sơ đồ nguyên lý của khối nguồn hạ áp, khối giao tiếp vi điều khiển, khối điều khiển đèn báo công nghiệp AD16-16C và khối cảm biến thu phát tín hiệu. Toàn bộ thiết kế thỏa mãn các quy định cách ly an toàn điện trong y tế.
Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển
Chương 5 xây dựng thuật toán điều khiển và phần mềm giao tiếp máy tính:
- Thuật toán điều khiển nhúng: Xây dựng lưu đồ giải thuật chính cho trạm kiểm tra; giải thuật bóc tách chuỗi dữ liệu nhận dạng từ đầu đọc Chafon để trích xuất mã định danh tại byte 16 và 17; giải thuật so sánh dữ liệu danh mục thuốc nhằm xác định chính xác số lượng tồn và thiếu.
- Cải tiến phần mềm quản lý: Loại bỏ các đoạn mã dư thừa và các hàm có tham số cố định trong phiên bản cũ; phát triển giao diện định danh mới cho phép ghi nhận nhiều thẻ liên tục thay vì chỉ 1 thẻ mỗi chu kỳ; bổ sung giải thuật truyền thông kết nối hệ thống vào mạng dữ liệu nội bộ qua module ESP32.
Chương 6: Thực nghiệm hệ thống và đánh giá kết quả
Chương 6 tiến hành thử nghiệm hệ thống tại điều kiện thực tế của Bệnh viện Quận 11:
- Đổi mới kết cấu valy: Triển khai valy chia 3 tầng bằng nhựa và phương thức bao gói thuốc dán nhãn RFID, giải quyết triệt để tình trạng thẻ bị khuất sóng do sắp xếp lộn xộn.
- Đánh giá thuật toán và giao diện: Khắc phục các lỗi định danh trên máy tính; ghi nhận dữ liệu chính xác trên cơ sở dữ liệu (Database).
- Đánh giá tốc độ và độ chính xác: Tiến hành các thực nghiệm thống kê ở hai kịch bản (không có thẻ và có valy chứa đầy đủ tải thuốc). Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, loại bỏ lỗi nhận diện sai và rút ngắn thời gian đáp ứng của toàn bộ chu kỳ kiểm tra xuống dưới 20 giây.
Chương 7: Tổng kết và phương hướng phát triển đề tài
Chương 7 tổng hợp các mục tiêu đã đạt được: chế tạo thành công mẫu hộp cấp cứu cơ động phân tầng; hoàn thiện trạm kiểm tra thuốc sử dụng đầu đọc RFID với kết cấu khung nhôm - nhựa ABS; tối ưu hóa giải thuật nhúng và phần mềm quản trị. Tác giả đồng thời nêu rõ các điểm hạn chế còn tồn tại và đề xuất các giải pháp kỹ thuật cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện.
Kết quả và đóng góp
Nghiên cứu mang lại những kết quả kỹ thuật cụ thể đã được kiểm chứng qua thực nghiệm tại Bệnh viện Quận 11:
| Chỉ tiêu kỹ thuật / Chức năng |
Hệ thống tiền nhiệm tại BV Quận 11 |
Hệ thống cải tiến của đồ án |
| Kết cấu túi / hộp đựng |
Túi vải một ngăn, y cụ xếp chồng; hoặc valy tích hợp mạch điện gây nặng, thiếu chống sốc |
Hộp nhựa Đài Loan 3 tầng (430 x 230 x 205 mm), mở bậc thang; tách rời hoàn toàn mạch điện khỏi hộp |
| Công nghệ đọc & Bố trí anten |
01 đầu đọc, vùng phủ sóng hẹp, thẻ bị chồng lấn gây sót dữ liệu |
Đầu đọc Chafon CF-MU804 phối hợp 02 anten (CF-RA2004 ở đáy và CF-RA5005 ở vách đứng) |
| Thời gian chu kỳ kiểm tra |
Quá trình quét và phản hồi chậm, hay phát sinh lỗi treo thuật toán |
Hoàn thành toàn bộ chu kỳ quét, kiểm tra và hiển thị kết quả lên màn hình Nextion trong thời gian dưới 20 giây |
| Khả năng định danh của phần mềm |
Chỉ ghi nhận được 01 thẻ duy nhất trong mỗi lần thao tác trên máy tính |
Cho phép ghi nhận dữ liệu nhiều thẻ liên tục, giao diện tối ưu hóa và liên kết cơ sở dữ liệu qua mạng |
| Độ chính xác nhận diện |
Thường xuyên xuất hiện lỗi không nhận diện được thuốc đã dán thẻ |
Đọc chính xác danh mục lên đến 36 dụng cụ/vật tư y tế nhờ triệt tiêu hiện tượng chồng lấn cơ học của thẻ |
Đóng góp kỹ thuật của đề tài:
- Giải quyết bài toán bảo đảm an toàn điện và độ bền thiết bị bằng giải pháp tách rời trạm kiểm tra cố định và hộp cơ động, loại bỏ rủi ro hư hại linh kiện điện tử khi y bác sĩ tác nghiệp ngoài hiện trường.
- Chuẩn hóa giải thuật trích xuất dữ liệu thẻ RFID thông qua việc truy xuất trực tiếp các byte định danh (byte 16 và 17), khắc phục tình trạng xử lý chậm và xung đột chuỗi dữ liệu trong các thiết kế trước đây của trung tâm BK RECME.
- Cải tiến quy trình đóng gói: ứng dụng túi nilon dán thẻ dán ngoài và hộp khay con giúp thẻ RFID được tái sử dụng nhiều lần, giảm chi phí vận hành cho bệnh viện.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Theo trình bày của tác giả trong văn bản, đề tài còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:
- Mặc dù đã cải tiến tốc độ và độ chính xác, hệ thống vẫn đòi hỏi quy trình đóng bao bì nilon và sắp xếp các hộp con theo đúng quy chuẩn phân tầng; nếu nhân viên y tế đặt thuốc sai vị trí quy định vẫn có thể ảnh hưởng đến góc quét của anten.
- Khả năng tương thích điện từ và hiện tượng suy giảm tín hiệu khi quét các chai dịch truyền thể tích lớn hoặc vật tư kim loại chuyên dụng vẫn cần tiếp tục được khảo sát mở rộng.
Hướng nghiên cứu tiếp được xác định:
- Nâng cấp phần mềm quản lý để tích hợp đồng bộ trực tiếp với hệ thống phần mềm quản lý bệnh viện tổng thể (HIS/EHR).
- Mở rộng quy mô ứng dụng của trạm kiểm tra cho toàn bộ các dòng xe cấp cứu 115 lưu động.
- Tiếp tục tối ưu hóa kết cấu hình học và kích thước trạm kiểm tra nhằm nâng cao độ gọn nhẹ và tính linh hoạt trong không gian bệnh viện.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo ứng dụng thực tiễn cao cho:
- Sinh viên và kỹ sư các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Y sinh và Tự động hóa: Cung cấp phương pháp luận hoàn chỉnh trong việc kết hợp thiết kế cơ khí chính xác, lựa chọn vật liệu y tế, thiết kế mạch nhúng (STM32 kết hợp ESP32) và xử lý giao tiếp sóng vô tuyến RFID UHF.
- Các đơn vị nghiên cứu thiết bị y tế và ban quản trị trang thiết bị bệnh viện: Tham khảo mô hình phân tầng hộp cấp cứu, sơ đồ bố trí anten đa hướng nhằm loại bỏ điểm mù tín hiệu, cùng giải pháp quản lý dược phẩm ngoại viện thay thế cho phương thức kiểm kê thủ công truyền thống.
Câu hỏi thường gặp
Hệ thống xử lý vấn đề thẻ RFID bị chồng lấn và khuất sóng như thế nào?
Tác giả đã thay thế túi vải 1 ngăn bằng hộp nhựa 3 tầng (430 x 230 x 205 mm) mở dạng bậc thang. Thuốc được đóng trong túi nilon dán nhãn RFID, sau đó xếp vào các khay nhựa nhỏ độc lập trên từng tầng. Đồng thời, trạm kiểm tra sử dụng 2 anten bố trí vuông góc: anten đáy CF-RA2004 và anten vách đứng CF-RA5005, triệt tiêu vùng chết và ngăn hiện tượng thẻ che chắn lẫn nhau.
Tại sao tác giả không tích hợp mạch điều khiển và đầu đọc RFID trực tiếp vào thân valy như nghiên cứu trước?
Nghiên cứu trước của Ngụy Minh Tài và Lê Chí An tích hợp Raspberry Pi và đầu đọc vào valy, dẫn đến trọng lượng valy tăng nặng, không có cơ cấu chống sốc khiến mạch điện dễ hư hỏng khi di chuyển ngoài viện và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn điện cho nhân viên y tế. Tách trạm kiểm tra thành một module độc lập giúp hộp cấp cứu nhẹ, bền và dễ thay thế.
Kiến trúc phần cứng điều khiển của trạm kiểm tra gồm những linh kiện chính nào?
Hệ thống sử dụng mô hình điều khiển phân cấp gồm: vi điều khiển trung tâm STM32F411, vi điều khiển kết nối mạng NodeMCU ESP32, đầu đọc RFID Chafon CF-MU804, màn hình cảm ứng Nextion 7 inch NX8048T070, module lưu trữ thẻ Micro SD SPI, rơle Tongling, đèn báo AD16-16C và bộ nguồn tổ ong 25W.
Mã định danh của thuốc được trích xuất từ chuỗi dữ liệu phản hồi của thẻ RFID như thế nào?
Trong giải thuật xử lý dữ liệu của chương trình nhúng trên STM32F411, vi điều khiển nhận chuỗi byte dữ liệu trả về từ đầu đọc Chafon và tiến hành bóc tách giá trị cụ thể tại byte thứ 16 và byte thứ 17 để xác định mã ID của thẻ trước khi đối chiếu với cơ sở dữ liệu thuốc.
Thời gian hoàn thành một chu kỳ kiểm tra của hệ thống cải tiến là bao lâu?
Hệ thống đã đạt chỉ tiêu thiết kế đề ra: thời gian hoàn thành toàn bộ một chu kỳ hoạt động—từ thời điểm bật hệ thống quét cho đến khi kết thúc xử lý và xuất toàn bộ danh mục thuốc đủ/thiếu lên màn hình hiển thị—không vượt quá 20 giây.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Cao Phú Hải đã nghiên cứu và cải tiến thành công hệ thống hỗ trợ quản lý thuốc và vật tư cấp cứu ngoại viện tại Bệnh viện Quận 11 thông qua việc kết hợp công nghệ nhận dạng RFID UHF với kết cấu cơ khí phân tầng thông minh. Nghiên cứu giải quyết trọn vẹn các bài toán về tối ưu hóa không gian chứa, phân tách trạm kiểm tra độc lập để bảo đảm độ bền thiết bị, đồng thời rút ngắn thời gian kiểm kê xuống dưới 20 giây cho danh mục tối đa 36 vật tư y tế. Kết quả thử nghiệm thực tế khẳng định tính khả thi của hệ thống trong việc tự động hóa khâu hậu kiểm, giảm tải áp lực cho nhân viên y tế và hạn chế sai sót trong công tác cấp cứu người bệnh.