Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh bùng phát của các đại dịch hô hấp cấp tính như COVID-19 (SARS-CoV-2), tình trạng suy hô hấp nghiêm trọng đòi hỏi sự can thiệp tức thời của thiết bị thông khí nhân tạo. Theo thống kê từ Hiệp hội Hồi sức Cấp cứu Hoa Kỳ (SCCM), có tới 960.000 bệnh nhân có thể cần đến sự hỗ trợ của máy thở trong giai đoạn cao điểm của dịch bệnh, trong khi nguồn cung cấp thiết bị thương mại chuyên dụng chỉ đáp ứng được khoảng 20% - 30% nhu cầu thực tế do chuỗi cung ứng bị đứt gãy và chi phí sản xuất đắt đỏ (thường dao động từ 15.000 - 50.000 USD/máy). Tại các quốc gia đang phát triển hoặc các bệnh viện dã chiến, việc thiếu hụt máy trợ thở khẩn cấp dẫn đến tỷ lệ tử vong cao ở các ca suy hô hấp cấp tính (ARDS).

                        +----------------------------------------+
                        |  KHỦNG HOẢNG THIẾU MÁY THỞ CẤP CỨU    |
                        |  - Nhu cầu thực tế: ~960.000 ca (SCCM) |
                        |  - Khả năng đáp ứng: ~20% - 30%        |
                        |  - Giá thành máy thương mại: >$15.000  |
                        +-------------------+--------------------+
                                            |
                                            v
                        +----------------------------------------+
                        |      GIẢI PHÁP ĐỒ ÁN MECHATRONICS      |
                        |  - Máy trợ thở tự động bóp bóng Ambu  |
                        |  - Kiểm soát áp suất & hỗ trợ thở tự  |
                        |    động (Pressure & Assist Control)    |
                        |  - Chi phí phần cứng: < 100 USD        |
                        |  - Độ bền thiết kế: 8.760 giờ (24/7)  |
                        +-------------------+--------------------+
                                            |
     +--------------------------------------+--------------------------------------+
     |                                      |                                      |
     v                                      v                                      v
+-----------------------+      +-----------------------+      +-----------------------+
|  THIẾT KẾ CƠ KHÍ      |      |  PHẦN CỨNG ĐIỆN TỬ    |      |  ĐIỀU KHIỂN & NHÚNG   |
|  - Cặp bánh răng 40Cr |      |  - Arduino Uno R3     |      |  - Mô hình State-Space|
|  - 2 tay kẹp đối xứng |      |  - Áp suất MPX5010DP  |      |  - PID số khép kín    |
|  - Trục C45 & ổ lăn   |      |  - Lưu lượng AWM720P1 |      |  - Timer ISR 10ms     |
|    1000902 (8760h)    |      |  - Động cơ Planet 60W |      |  - Auto-trigger nhịp  |
+-----------------------+      +-----------------------+      +-----------------------+

Vấn đề cốt lõi được đặt ra là cần một thiết bị thông khí cơ học (Mechanical Ventilation) khẩn cấp, giá thành thấp, sử dụng linh kiện sẵn có, cấu tạo module hóa để có thể sản xuất hàng loạt trong thời gian ngắn mà vẫn đảm bảo đầy đủ các thông số y tế nghiêm ngặt như kiểm soát thể tích lưu thông ($V_t$), nhịp thở mỗi phút (BPM), tỷ lệ thời gian hít vào/thở ra ($I/E$), và áp lực dương cuối kỳ thở ra (PEEP).

Đề tài tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Cơ điện tử (Khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa ĐHQG-HCM) tập trung giải quyết bài toán: Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo máy trợ thở tự động dựa trên cơ chế bóp bóng Ambu kép, kiểm soát theo áp suất và nhịp thở của bệnh nhân.

Mục tiêu cụ thể của dự án:

  1. Thiết kế cơ cấu cơ khí nén ép bóng Ambu đối xứng sử dụng một động cơ DC giảm tốc kết hợp bộ truyền bánh răng ăn khớp, đảm bảo phân bố lực đồng đều và kéo dài tuổi thọ bóng.
  2. Xây dựng mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển tích hợp cảm biến áp suất vi sai độ nhạy cao và cảm biến lưu lượng khí.
  3. Mô hình hóa toán học hệ thống ống thở - phổi người dưới dạng hàm truyền đạt (Transfer Function) và không gian trạng thái (State-Space), từ đó tổng hợp bộ điều khiển PID số ổn định áp suất.
  4. Lập trình nhúng thuật toán tự động nhận diện nhịp tự thở của bệnh nhân thông qua độ sụt áp tại cuối chu kỳ thở ra để chuyển đổi linh hoạt giữa hai chế độ: Kiểm soát áp suất (Pressure Control Mode) và Hỗ trợ thông khí (Assist Control Mode).
  5. Tích hợp đầy đủ hệ thống cảnh báo an toàn y tế: ngắt áp suất đỉnh (PIP), phát hiện rò rỉ khí và cảnh báo tháo rời bóng Ambu.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc mô hình hóa động học, động lực học cơ khí, tính toán độ bền chi tiết máy, thiết kế mạch điện tử điều khiển và mô phỏng thuật toán trên MATLAB/Simulink kết hợp kiểm chứng trên mô hình thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm, không bao gồm thử nghiệm lâm sàng trên người bệnh.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi đề xuất giải pháp, nhóm nghiên cứu đã phân tích các mô hình máy thở khẩn cấp tiêu biểu trên thế giới và trong nước:

Tiêu chí MIT E-Vent (Hoa Kỳ) ApolloBVM - Rice Univ (Hoa Kỳ) DTU-Vent (ĐH Duy Tân) Giải pháp Đề tài (HCMUT)
Cơ cấu truyền động 1 động cơ, bánh răng kẹp 2 cánh tay 2 động cơ, 2 cụm thanh răng - bánh răng Bơm Piston truyền động trục vít 1 động cơ DC Planet, 1 cặp bánh răng trụ răng thẳng
Chế độ kiểm soát Volume Control, Assist Control Volume Control, Pressure Control Volume Control, Pressure Control Pressure Control, Assist Control
Dải thể tích $V_t$ 200 - 800 mL 300 - 650 mL Tối đa 750 mL 200 - 800 mL ($\pm 15%$)
Dải nhịp thở (BPM) 8 - 40 nhịp/phút 5 - 30 nhịp/phút 10 - 35 nhịp/phút 10 - 40 nhịp/phút ($\pm 1$ BPM)
Chi phí ước tính ~100 USD ~250 USD ~850 USD (~20 triệu VNĐ) ~100 USD (~2.3 triệu VNĐ)
Nhược điểm chính Độ bền cơ khí chưa tối ưu hóa cho tải liên tục Cồng kềnh, chi phí cao do dùng 2 động cơ riêng biệt Linh kiện Piston y tế khó gia công/tìm kiếm trong dịch Cần bộ lọc chống rung cho tín hiệu cảm biến áp suất

Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must have: Kiểm soát áp suất $5 - 40 \text{ cmH}_2\text{O}$; cài đặt nhịp thở $10 - 40 \text{ BPM}$; tỷ lệ $I/E$ từ $1:1$ đến $1:4$; cài đặt PEEP $5 - 20 \text{ cmH}_2\text{O}$; ngắt khẩn cấp khi quá áp; thuật toán Homing định vị tay kẹp.
  • Should have: Tự động chuyển mode Assist Control khi bệnh nhân có nỗ lực tự thở ($\Delta P = -1 \text{ đến } -2 \text{ cmH}_2\text{O}$); hiển thị thông số trực quan trên màn hình LCD.
  • Could have: Giao tiếp mở rộng I2C tiết kiệm chân vi điều khiển; nguồn pin dự phòng 12V-24V khi mất điện lưới.
  • Won't have: Hệ thống hòa trộn khí nén oxy y tế chủ động nồng độ cao ($FiO_2 > 60%$ tự động tinh chỉnh); cơ chế thở xâm lấn phức tạp qua canun mở khí quản.

Thiết kế hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển tập trung (Centralized Control Architecture) nhằm giảm thiểu độ trễ giao tiếp và tối ưu hóa chi phí phần cứng.

                           +-------------------------------+
                           |      GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG     |
                           |  - 3x Biến trở (BPM, I/E, P)  |
                           |  - 2x Nút nhấn (Confirm, Mute)|
                           |  - Màn hình hiển thị LCD 16x2 |
                           +---------------+---------------+
                                           | (Analog/Digital)
                                           v
+--------------------------+   +-----------+-------------------+   +-------------------------+
|     HỆ THỐNG CẢM BIẾN    |   |     KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM      |   |    CƠ CẤU CHẤP HÀNH     |
| - MPX5010DP (Áp suất khí)|-->|     (Arduino Uno - ATmega328P)|-->| - Driver BTS7960 (43A)  |
| - AWM720P1 (Lưu lượng)   |   |   * Timer Interrupt: 10ms     |   | - Motor Planet 24V 60W  |
| - Optical Encoder 13 PPR |   |   * Thuật toán PID số         |   | - Cơ cấu kẹp bánh răng  |
| - Limit Switch (Home/End)|   |   * Mode: Pressure / Assist   |   | - Túi khí Ambu 1500 mL  |
+--------------------------+   +-----------+-------------------+   +-------------------------+
                                           | (Digital Out)
                                           v
                               +-----------+-------------------+
                               |     CẢNH BÁO AN TOÀN Y TẾ     |
                               |  - Còi báo FM-20B (DC 3-24V)  |
                               |  - Cắt PWM khi P > PIP_max    |
                               |  - Phát hiện rò rỉ khí / hở   |
                               +-------------------------------+

Technology Stack & Specifications:

  • Vi điều khiển: Arduino Uno R3 (ATmega328P, 16 MHz Clock, 32 KB Flash, 2 KB SRAM).
  • Cảm biến áp suất: NXP Freescale MPX5010DP (Dải đo $0 - 10 \text{ kPa} \approx 0 - 102 \text{ cmH}_2\text{O}$, thời gian đáp ứng $1.0 \text{ ms}$, độ nhạy $45 \text{ mV/kPa}$).
  • Cảm biến lưu lượng: Honeywell AWM720P1 (Dải đo $0 - 200 \text{ SLPM}$, thời gian đáp ứng $6.0 \text{ ms}$, nguồn $12 \text{ VDC}$).
  • Bộ điều khiển công suất (Driver): Mạch cầu H kép BTS7960 ($43 \text{ A}$, điện áp $6 - 27 \text{ V}$, tần số điều chế PWM lên đến $25 \text{ kHz}$).
  • Động cơ chấp hành: Động cơ giảm tốc DC Planet ($24 \text{ VDC}$, công suất $60 \text{ W}$, mô-men định mức $15 \text{ Nm}$, tích hợp Encoder quang sai quy chuẩn 13 xung/vòng).
  • Hạ tầng nguồn & ổn áp: Nguồn xung công nghiệp tổ ong $24 \text{ VDC} - 5 \text{ A}$, nguồn phụ $12 \text{ VDC}$, module ổn áp DC-DC Buck LM2596 điều chỉnh hạ áp cấp $5 \text{ VDC}$ cho vi điều khiển và cảm biến.

Methodology

Dự án áp dụng quy trình thiết kế kỹ thuật Cơ điện tử tích hợp theo mô hình chữ V (V-Model):

  1. Giai đoạn 1 (Đặc tả yêu cầu & Động học): Xác định các thông số hô hấp y tế theo chuẩn AAMI COVID-19, phân tích chuyển động góc quét ($\theta_{\text{sweep}} = 30^\circ$) của tay kẹp.
  2. Giai đoạn 2 (Thiết kế chi tiết & Tính toán độ bền): Tính toán ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn của cặp bánh răng thép 40Cr; tính chọn trục thép C45 và ổ bi đỡ theo tải trọng động tương đương với thời gian làm việc $8.760 \text{ giờ}$ liên tục.
  3. Giai đoạn 3 (Mô hình hóa toán học & Điều khiển): Lập phương trình vi phân trạng thái cho hệ thống cơ khí - khí động học, trích xuất hàm truyền trong miền Laplace $s$, mô phỏng và tinh chỉnh thông số bộ điều khiển PID bằng công cụ MATLAB PID Tuner.
  4. Giai đoạn 4 (Lập trình nhúng & Tích hợp phần cứng): Lập trình C++ thời gian thực, xây dựng vòng lặp ngắt định thời (Timer Interrupt) chu kỳ $10 \text{ ms}$, ngắt ngoài đọc xung Encoder và xử lý lọc tín hiệu Analog.

Implementation và kết quả

Development process

1. Tính toán động lực học và thiết kế cơ khí

Ở trường hợp tải tới hạn (Worst-case scenario): Thể tích cung cấp cực đại $V_{\text{max}} = 800 \text{ cm}^3$, áp suất tối đa $P_{\text{airway, max}} = 40 \text{ cmH}2\text{O} = 3.922,66 \text{ Pa}$, nhịp thở tối đa $RR{\text{max}} = 40 \text{ BPM}$, tỷ lệ $I/E = 1:4 \Rightarrow$ Thời gian hít vào $t_{\text{in}} = 0,3 \text{ s}$.

Lưu lượng dòng khí tức thời cần thiết: $$Q_{\text{airway}} = \frac{V_{\text{max}}}{t_{\text{in}}} = \frac{800 \times 10^{-6}}{0,3} = 0,00267 \text{ m}^3/\text{s}$$

Công suất hữu ích nén khí tại đường thở: $$P_{\text{airway}} = P_{\text{airway, max}} \times Q_{\text{airway}} = 3.922,66 \times 0,00267 = 10,47 \text{ W}$$

Xét đến tổn thất biến dạng đàn hồi vỏ bóng Ambu và tổn hao ma sát cơ học (hiệu suất truyền động khí $\eta_{\text{bag}} \approx 50%$), công suất cần cấp trên bộ tay kẹp: $$P_{\text{gripper}} = \frac{P_{\text{airway}}}{\eta_{\text{bag}}} = 2 \times 10,47 = 20,94 \text{ W}$$

Với chiều dài cánh tay đòn $l_{\text{finger}} = 120 \text{ mm}$, góc quét $\theta = 30^\circ = \frac{\pi}{6} \text{ rad}$, lực nén cực đại trên một tay kẹp đo được $F_{\text{finger}} = 81,2 \text{ N}$. Mô-men xoắn yêu cầu trên mỗi trục kẹp: $$T_{\text{finger}} = F_{\text{finger}} \times l_{\text{finger}} = 81,2 \times 0,12 = 9,74 \text{ Nm}$$ Tổng mô-men trên trục dẫn: $T_1 = 2 \times T_{\text{finger}} = 19,48 \text{ Nm}$. Tổng công suất động cơ tính toán với hệ số an toàn cơ điện $1,5$ là $P_{\text{motor}} \approx 51 \text{ W} \Rightarrow$ Chọn động cơ tiêu chuẩn Planet 24V 60W ($T_{\text{max}} = 15 \text{ Nm}$, tốc độ định mức qua hộp số $n_1 = 16,67 \text{ vòng/phút}$).

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  THÔNG SỐ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG TAY KẸP                   |
+------------------------------------+------------------------------------+
| Vật liệu chế tạo                   | Thép hợp kim 40Cr tôi cải thiện    |
| Độ cứng bề mặt răng                | Bánh 1: 300 HB, Bánh 2: 285 HB     |
| Số răng bánh dẫn / bị dẫn (z1, z2) | z1 = 20, z2 = 20 (Tỉ số truyền u=1)|
| Mô-đun pháp tuyến (m)              | m = 4 mm                           |
| Khoảng cách trục (aw)              | aw = 80 mm                         |
| Chiều rộng vành răng (b)           | b = 10 mm                          |
| Ứng suất tiếp xúc cho phép [sigma_H]| [sigma_H] = 793,06 MPa             |
| Ứng suất uốn cho phép [sigma_F]    | [sigma_F] = 259,35 MPa             |
| Lực vòng tác dụng (Ft)             | Ft = 487 N                         |
| Lực hướng tâm tác dụng (Fr)        | Fr = 177,25 N                      |
+------------------------------------+------------------------------------+

Kiểm nghiệm bền trục (Thép C45, $[\sigma] = 85 \text{ MPa}$): Đường kính trục tính toán sơ bộ $d_1 = 13,5 \text{ mm} \Rightarrow$ Chọn đường kính danh nghĩa $d_{\text{shaft}} = 15 \text{ mm}$. Kiểm nghiệm ổ bi đỡ một dãy 1000902: Thời gian làm việc tương đương $L = 8.760 \text{ giờ}$ ($8,76 \text{ triệu vòng}$), khả năng tải động tính toán $C_{\text{tt}} = 1.280,1 \text{ N} < C_{\text{định mức}} = 2.530 \text{ N}$ (Thỏa mãn điều kiện bền mỏi động học cho hoạt động 24/7 trong 1 năm).

2. Mô hình hóa toán học hệ thống khí - phổi

Hệ thống khí động học bao gồm ống dẫn ($R_{\text{hose}} = 0,45 \text{ cmH}2\text{O}\cdot\text{s/L}$), độ rò rỉ qua mặt nạ ($R{\text{leak}} = 6,0 \text{ cmH}2\text{O}\cdot\text{s/L}$), trở kháng đường thở của phổi ($R{\text{lung}} = 0,5 \text{ cmH}2\text{O}\cdot\text{s/L}$) và độ đàn hồi phế nang ($C{\text{lung}} = 0,02 \text{ L/cmH}_2\text{O}$).

Phương trình vi phân mô tả sự biến thiên áp suất trong phổi: $$\dot{P}{\text{lung}} = \frac{1}{R{\text{lung}} C_{\text{lung}}} \left( P_{\text{actual}} - P_{\text{lung}} \right)$$

Thiết lập hệ phương trình trạng thái (State-Space): $$\begin{cases} \dot{P}{\text{lung}} = A_h P{\text{lung}} + B_h P_{\text{in}} \ P_{\text{actual}} = C_h P_{\text{lung}} + D_h P_{\text{in}} \end{cases}$$

Trong đó các ma trận hệ số được xác lập: $$A_h = -\frac{\frac{1}{R_{\text{hose}}} + \frac{1}{R_{\text{leak}}}}{R_{\text{lung}} C_{\text{lung}} \left( \frac{1}{R_{\text{lung}}} + \frac{1}{R_{\text{hose}}} + \frac{1}{R_{\text{leak}}} \right)}, \quad B_h = \frac{\frac{1}{R_{\text{hose}}}}{R_{\text{lung}} C_{\text{lung}} \left( \frac{1}{R_{\text{lung}}} + \frac{1}{R_{\text{hose}}} + \frac{1}{R_{\text{leak}}} \right)}$$

Chuyển đổi sang miền Laplace, ta nhận được hàm truyền liên tục của hệ thống ống thở: $$H(s) = \frac{P_{\text{actual}}(s)}{P_{\text{in}}(s)} = C_h (sI - A_h)^{-1} B_h + D_h = \frac{0,5063s + 50,63}{s + 54,43}$$

3. Cấu trúc mã nguồn điều khiển nhúng

Hệ thống thực thi thuật toán điều khiển PID số thời gian thực kết hợp ngắt timer chu kỳ định thời $10 \text{ ms}$ trên Arduino:

#include <Arduino.h>

// Định nghĩa chân phần cứng
const uint8_t PIN_PWM_MOTOR = 5;
const uint8_t PIN_DIR_MOTOR = 4;
const uint8_t PIN_SENSOR_PRESSURE = A0;
const uint8_t PIN_LIMIT_HOME = 2;

// Các thông số điều khiển PID
double Kp = 2.45, Ki = 1.15, Kd = 0.08;
double setpoint_pressure = 20.0; // cmH2O
double actual_pressure = 0.0;
double error = 0.0, last_error = 0.0, integral = 0.0, derivative = 0.0;
volatile int32_t encoder_ticks = 0;

// Trạng thái chu kỳ thở
enum BreathPhase { PHASE_INSPIRATION, PHASE_EXPIRATION, PHASE_TRIGGER_WAIT };
BreathPhase current_phase = PHASE_INSPIRATION;
uint32_t phase_start_time = 0;
uint32_t t_insp_ms = 1000; // Thời gian hít vào
uint32_t t_exp_ms = 2000;  // Thời gian thở ra

// Ngắt đọc cảm biến và cập nhật thuật toán điều khiển (10ms)
ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
    // 1. Đọc áp suất từ cảm biến MPX5010DP (0-102 cmH2O qua ADC 10-bit)
    int raw_adc = analogRead(PIN_SENSOR_PRESSURE);
    actual_pressure = ((raw_adc / 1023.0 * 5.0) - 0.2) / (5.0 * 0.09) * 10.197; // cmH2O
    
    // 2. Bảo vệ ngắt quá áp khẩn cấp (Overpressure protection)
    if (actual_pressure > 40.0) {
        analogWrite(PIN_PWM_MOTOR, 0); // Ngắt động cơ tức thì
        PORTB |= (1 << PB5);          // Bật còi báo động khẩn cấp
        return;
    }

    // 3. Tính toán thuật toán PID số
    error = setpoint_pressure - actual_pressure;
    integral += error * 0.01;
    integral = constrain(integral, -100.0, 100.0); // Anti-windup
    derivative = (error - last_error) / 0.01;
    last_error = error;
    
    double output = (Kp * error) + (Ki * integral) + (Kd * derivative);
    output = constrain(output, 0.0, 255.0);

    // 4. Điều khiển chiều quay và độ rộng xung PWM tới Driver BTS7960
    if (current_phase == PHASE_INSPIRATION) {
        digitalWrite(PIN_DIR_MOTOR, HIGH);
        analogWrite(PIN_PWM_MOTOR, (uint8_t)output);
    } else {
        digitalWrite(PIN_DIR_MOTOR, LOW);
        analogWrite(PIN_PWM_MOTOR, 80); // Vận tốc hồi vị định mức
    }
}

// Hàm khởi tạo vị trí Home an toàn cho tay kẹp
void setHome() {
    digitalWrite(PIN_DIR_MOTOR, LOW);
    analogWrite(PIN_PWM_MOTOR, 70);
    while (digitalRead(PIN_LIMIT_HOME) == HIGH) {
        // Chờ cánh tay chạm công tắc hành trình
    }
    analogWrite(PIN_PWM_MOTOR, 0);
    encoder_ticks = 0;
    // Lùi ra một khoảng an toàn (offset 5 độ) để bảo vệ công tắc
    digitalWrite(PIN_DIR_MOTOR, HIGH);
    analogWrite(PIN_PWM_MOTOR, 80);
    delay(150);
    analogWrite(PIN_PWM_MOTOR, 0);
}

Testing và validation

Hệ thống được thử nghiệm mô phỏng trên MATLAB/Simulink và kiểm tra thực nghiệm đáp ứng xung bước (Step Response) với các tiêu chí chất lượng nghiêm ngặt:

                  ĐÁP ỨNG ÁP SUẤT THEO THỜI GIAN (STEP RESPONSE)
     Áp suất (cmH2O)
        40 +------------------------------------------------------------+
           |                                                            |
        30 |                   +---+  Độ vọt lố (Overshoot) = 4,8%      |
           |                  /     \                                   |
        20 |  Set-point      /       +--------------------------------- | <--- Áp suất đặt (20 cmH2O)
           |  ............. /                                           |
        10 |               /                                            |
           |  Rise time = 0,32s                                         |
         0 +---+----------+------------------+--------------------------+
           0  0,32       1,15               2,0                        3,0  Thời gian (s)
                         Settling time = 1,15s
  • Độ vọt lố (Percentage Overshoot - %OS): Đạt $4,8%$ (yêu cầu kỹ thuật $\le 5,0%$, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ rách phế nang phổi do chênh áp đột ngột).
  • Thời gian đáp ứng (Rise Time - $t_r$): Đạt $0,32 \text{ s}$ (đáp ứng hoàn toàn yêu cầu $t_r \le 0,5 \text{ s}$ của giai đoạn hít vào).
  • Thời gian xác lập (Settling Time - $t_s$): Đạt $1,15 \text{ s}$ (đáp ứng tiêu chuẩn ổn định $t_s \le 1,5 \text{ s}$).
  • Độ nhạy kích hoạt Assist Control: Phát hiện chính xác áp suất âm do bệnh nhân tạo ra trong khoảng $-1,2 \text{ cmH}_2\text{O}$ tại cuối thì thở ra, chuyển đổi nhịp hít vào mới với độ trễ phản hồi $< 25 \text{ ms}$.

Kết quả đạt được

Thông số vận hành Mục tiêu đề ra Kết quả thực nghiệm Đánh giá
Thể tích khí cấp ($V_t$) $200 - 800 \text{ mL}$ $210 - 790 \text{ mL}$ Đạt tiêu chuẩn lâm sàng
Tần số thở (BPM) $10 - 40 \text{ nhịp/phút}$ $10 - 40 \text{ nhịp/phút}$ Độ lệch $\le 0,5 \text{ BPM}$
Tỷ lệ $I/E$ $1:1 - 1:4$ $1:1,0 - 1:4,0$ Điều chỉnh chính xác qua biến trở
Dải áp suất kiểm soát $5 - 40 \text{ cmH}_2\text{O}$ $5,2 - 39,4 \text{ cmH}_2\text{O}$ Sai số xác lập $< 3%$
Áp suất dương PEEP $5 - 20 \text{ cmH}_2\text{O}$ $5 - 20 \text{ cmH}_2\text{O}$ Điều chỉnh cơ khí trên van kết hợp cảm biến
Độ tin cậy liên tục 24/7 trong 30 ngày Mô phỏng bền đạt $8.760 \text{ giờ}$ Chi tiết máy đạt tiêu chuẩn bền mỏi

Đổi mới và đóng góp

  1. Cơ cấu truyền động kẹp Ambu kép đồng bộ tối ưu hóa: Khác với thiết kế ApolloBVM sử dụng 2 động cơ riêng rẽ gây tốn chi phí và tăng trọng lượng, thiết kế này sử dụng duy nhất một động cơ Planet truyền động qua cặp bánh răng ăn khớp ngược chiều tích hợp trực tiếp trên thân tay kẹp. Giải pháp này tiết kiệm $50%$ chi phí động cơ và giảm $40%$ diện tích khung máy.
  2. Thuật toán tự động nhận dạng nhịp tự thở không cần Flow Sensor đắt tiền: Thay vì phụ thuộc vào các cảm biến lưu lượng y tế đắt đỏ và dễ tắc nghẽn bởi dịch tiết đường hô hấp, hệ thống phát hiện sự giảm áp vi sai ($\Delta P = -1 \text{ đến } -2 \text{ cmH}_2\text{O}$) ngay tại khoang mặt nạ thông qua cảm biến áp suất MPX5010DP để kích hoạt thì thở vào, giúp giá thành sản phẩm giảm sâu.
  3. Mô hình hóa giải tích tường minh hệ thống khí động học: Cung cấp bộ thông số State-Space và hàm truyền đạt chuẩn hóa cho mô hình ống thở - phổi người, làm tài liệu tham khảo có giá trị cao cho các nghiên cứu tiếp theo về điều khiển thiết bị y sinh học tại Việt Nam.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Phòng cấp cứu dã chiến & Trung tâm cách ly: Cung cấp giải pháp thông khí không xâm lấn (NIV) tức thời cho các bệnh nhân suy hô hấp mức độ nhẹ và trung bình, giúp giảm tải trực tiếp cho các máy thở hồi sức cấp cứu chuyên sâu (ICU Ventilators).
  • Xe cứu thương & Vận chuyển khẩn cấp: Kích thước nhỏ gọn ($350 \times 250 \times 200 \text{ mm}$), trọng lượng $< 4,5 \text{ kg}$, khả năng chạy nguồn điện acquy $12 \text{V}/24 \text{V}$ trên phương tiện cấp cứu lưu động.
+-------------------------------------------------------------------------+
|                  DỰ TOÁN CHI PHÍ SẢN XUẤT (BOM PHẦN CỨNG)               |
+------------------------------------+------------------+-----------------+
| Hạng mục linh kiện                 | Số lượng         | Thành tiền (VNĐ)|
+------------------------------------+------------------+-----------------+
| Động cơ DC Planet 24V 60W + Encoder| 01 cái           | 650.000         |
| Mạch điều khiển Arduino Uno R3     | 01 cái           | 120.000         |
| Driver điều khiển động cơ BTS7960  | 01 cái           | 95.000          |
| Cảm biến áp suất MPX5010DP         | 01 cái           | 380.000         |
| Cảm biến lưu lượng AWM720P1        | 01 cái (tùy chọn)| 450.000         |
| Cụm cơ khí (Thép 40Cr, C45, Ổ lăn) | 01 bộ            | 400.000         |
| Khung vỏ Mica/Kim loại cắt CNC     | 01 bộ            | 200.000         |
| Phụ kiện y tế (Bóng Ambu, Van PEEP)| 01 bộ            | 180.000         |
+------------------------------------+------------------+-----------------+
| TỔNG CHI PHÍ PHẦN CỨNG             |                  | 2.475.000 VNĐ   |
| (Tương đương ~100 USD - Tiết kiệm 95% so với máy thở thương mại cơ bản) |
+------------------------------------+------------------+-----------------+

Lộ trình triển khai công nghệ

[Tháng 1-2: R&D Cơ Điện Tử] ──> [Tháng 3: Thử nghiệm Pilot] ──> [Tháng 4: Hiệu chuẩn Y tế] ──> [Tháng 5-6: Chuyển giao]
- Tối ưu hóa cơ khí CNC          - Chạy mô hình phổi giả         - Kiểm định an toàn điện         - Đóng gói tài liệu Open-source
- Hoàn thiện mạch tích hợp PCB   - Đánh giá độ bền 720h liên tục - Đo lường nồng độ khí thở       - Chuyển giao cơ sở y tế dã chiến

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  1. Hiện tượng suy giảm đàn hồi bóng Ambu: Sau khoảng $500.000$ chu kỳ bóp liên tục, vật liệu silicon của bóng Ambu có hiện tượng mỏi cục bộ, dẫn đến thể tích khí bơm ra bị suy giảm khoảng $5% - 8%$ so với tính toán ban đầu nếu không có vòng điều khiển bù thể tích.
  2. Khả năng hòa trộn khí chủ động ($FiO_2$): Thiết bị hiện tại chỉ hỗ trợ cấp oxy bổ sung thông qua bình làm giàu thụ động nối trực tiếp vào đuôi bóng Ambu, chưa có van điện từ tỷ lệ (Proportional Solenoid Valve) để tinh chỉnh nồng độ oxy chính xác từ $21%$ đến $100%$.

Hướng phát triển tương lai

  • Điều khiển thích nghi (Adaptive Fuzzy-PID Control): Ứng dụng thuật toán điều khiển mờ để tự động nhận dạng độ suy giảm đàn hồi của bóng và tự động bù góc quay cánh tay kẹp theo thời gian thực.
  • Tích hợp màn hình HMI cảm ứng & Kết nối IoT: Thay thế biến trở cơ học bằng màn hình cảm ứng Nextion, tích hợp module ESP32 truyền dữ liệu nhịp thở, áp suất qua giao thức MQTT lên Cloud Dashboard cho bác sĩ giám sát từ xa.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Cơ điện tử & Kỹ thuật Y sinh: Nắm vững quy trình thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống Cơ điện tử chuẩn y tế, từ tính toán chi tiết máy, phân tích bền mỏi, mô hình hóa hàm truyền State-Space đến lập trình nhúng điều khiển PID thời gian thực.
  • Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng: Tiếp cận mã nguồn mẫu về kỹ thuật xử lý ngắt Timer ngắt quãng $10 \text{ ms}$, giải thuật chống tích phân bão hòa (Anti-windup) và kỹ thuật lọc số tín hiệu cảm biến sinh học.
  • Doanh nghiệp & Đơn vị sản xuất thiết bị phụ trợ: Sở hữu bản thiết kế cơ khí chính xác, tối ưu hóa vật liệu trong nước (thép 40Cr, C45), có khả năng đưa vào gia công chế tạo hàng loạt bằng máy phay CNC tiêu chuẩn mà không đòi hỏi dây chuyền ngoại nhập phức tạp.
  • Cộng đồng y tế & Xã hội: Tiếp cận giải pháp máy trợ thở giá rẻ, có thể tự chủ công nghệ trong nước, sẵn sàng ứng phó trong các kịch bản thiên tai, dịch bệnh quy mô lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu nguồn điện và điều kiện kỹ thuật để vận hành máy là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện chính $220 \text{ VAC} - 50 \text{ Hz}$ qua adapter chuyển đổi thành $24 \text{ VDC} - 5 \text{ A}$. Ngoài ra, mạch hỗ trợ cấp nguồn trực tiếp từ bình ắc-quy $12 \text{V} - 24 \text{V}$ trên xe cứu thương mà không cần bộ kích điện (Inverter). Môi trường vận hành yêu cầu nhiệt độ $15 - 35^\circ\text{C}$, độ ẩm $< 80%$ và luôn gắn kèm phin lọc khuẩn/virus HEPA ở đầu ra đường thở.

2. Thiết bị xử lý như thế nào khi áp suất đường thở vượt ngưỡng an toàn?

Hệ thống trang bị 2 cấp bảo vệ độc lập:

  • Cấp 1 (Cơ khí): Van an toàn áp suất đỉnh (Pop-off Valve) cơ học tự động xả khí khi áp suất vượt quá $40 \text{ cmH}_2\text{O}$.
  • Cấp 2 (Phần mềm & Điện tử): Cảm biến MPX5010DP liên tục quét áp suất mỗi $10 \text{ ms}$. Nếu $P_{\text{actual}} > 40 \text{ cmH}_2\text{O}$, ngắt tức thời tín hiệu PWM cấp tới Driver BTS7960, đảo chiều động cơ mở rộng cánh tay kẹp về vị trí Safe-Home và kích hoạt còi báo động FM-20B.

3. Làm thế nào để phân biệt máy hoạt động ở chế độ Pressure Control và Assist Control?

Ở chế độ Pressure Control, máy ép bóng theo chu kỳ định thời cố định (dựa trên BPM và tỷ lệ $I/E$ do người dùng cài đặt). Ở chế độ Assist Control, tại cuối thì thở ra, vi điều khiển kích hoạt cửa sổ quét áp suất (Trigger Window); nếu cảm biến phát hiện độ giảm áp $\Delta P \le -1,2 \text{ cmH}_2\text{O}$ (do cơ hoành bệnh nhân co lại tạo áp suất âm để hít vào), máy sẽ lập tức kích hoạt chu kỳ thở mới ngay trước khi hết thời gian chờ, giúp đồng bộ hoàn hảo với nhịp sinh học của người bệnh.

4. Bóng Ambu sử dụng có tuổi thọ bao lâu và quy trình bảo dưỡng cơ khí định kỳ thế nào?

Theo khuyến cáo thiết kế, bóng Ambu silicon y tế nên được thay thế sau mỗi $500.000$ nhịp thở (tương đương khoảng $10 - 14$ ngày hoạt động liên tục $24/7$). Cặp bánh răng 40Cr và ổ bi 1000902 được bôi trơn bằng mỡ kỹ thuật y tế định kỳ mỗi 6 tháng một lần và có tuổi thọ mỏi tính toán trên $8.760 \text{ giờ}$.

5. Chi phí chế tạo thực tế và khả năng tiếp cận linh kiện tại Việt Nam?

Toàn bộ linh kiện cơ khí (bánh răng, trục, ổ lăn, bulong) và linh kiện điện tử (Arduino, BTS7960, cảm biến MPX, động cơ Planet 24V) đều là linh kiện thương mại phổ thông (COTS), có thể mua trực tiếp tại các nhà cung cấp trong nước với tổng chi phí chỉ từ $2,3 - 2,5 \text{ triệu VNĐ}$/máy.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế máy trợ thở" của nhóm sinh viên Khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa ĐHQG-HCM đã giải quyết thành công bài toán cấp bách về thiết bị y tế hỗ trợ điều trị suy hô hấp khẩn cấp. Thông qua việc kết hợp chặt chẽ giữa tính toán động lực học chi tiết máy, mô hình hóa toán học không gian trạng thái của hệ khí động học - phổi người và thuật toán điều khiển PID số trên vi điều khiển, dự án đã chứng minh tính khả thi vượt trội của phương án cơ cấu hai tay kẹp bánh răng đơn động cơ. Với giá thành chế tạo chỉ khoảng 100 USD, độ tin cậy thiết kế đạt $8.760 \text{ giờ}$ vận hành và khả năng tự động đồng bộ nhịp thở sinh học chính xác, đề tài mang lại giá trị thực tiễn cao, đóng góp nền tảng kỹ thuật vững chắc cho việc tự chủ sản xuất trang thiết bị y tế khẩn cấp tại Việt Nam.