Thiết kế và thi công mô hình cánh tay thực hành lấy máu

Đồ án thiết kế và thi công mô hình cánh tay thực hành lấy máu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Võ Trần Gia Bảo
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Chí Cường
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh
• Đề tài: Thiết kế và thi công mô hình cánh tay thực hành lấy máu
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình cánh tay thực hành lấy máu ĐH SPKT TP

Kỹ thuật lấy máu tĩnh mạch là thủ thuật cơ bản trong y khoa. Sinh viên y tế cần thực hành thuần thục trước khi thao tác trên người bệnh. Việc đâm kim sai kỹ thuật gây đau đớn và làm vỡ tĩnh mạch. Nhận thức rõ điều này, nhóm sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã nghiên cứu đề tài chế tạo cánh tay mô phỏng. Nghiên cứu do Tiến sĩ Vũ Chí Cường trực tiếp hướng dẫn khoa học. Mục tiêu trọng tâm là hoàn thiện một thiết bị thực hành y khoa trực quan và chính xác. Sản phẩm mô phỏng cấu trúc giải phẫu chi trên cùng mạng lưới tĩnh mạch ngoại vi. Hệ thống cho phép người học rèn luyện phản xạ định vị ven và kiểm soát góc kim. Mạch máu nhân tạo được đặt chìm dưới lớp da silicon đàn hồi. Thiết kế này tạo cảm giác chọc kim chân thực như trên cơ thể sống. Thiết bị tích hợp công nghệ vi điều khiển nhằm giám sát chỉ số thủy lực tự động. Đây là bước tiến quan trọng trong việc nội địa hóa giáo cụ y sinh tại Việt Nam.

1.1. Xuất xứ đề tài tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử. Nhóm tác giả gồm sinh viên Võ Trần Gia Bảo và Lê Thị Huỳnh Như. Quá trình triển khai diễn ra từ tháng 9 năm 2024 đến tháng 1 năm 2025. Nhóm làm việc dưới sự hướng dẫn chuyên môn của Tiến sĩ Vũ Chí Cường. Đề tài kết hợp kiến thức cơ khí chính xác, lập trình vi xử lý và sinh lý học tuần hoàn. Sinh viên đã vận dụng công cụ thiết kế đồ họa 3D cùng mạch in công nghiệp. Công trình hướng tới mục tiêu tự chủ thiết bị y sinh giảng dạy trong nước. Kết quả nghiên cứu khẳng định năng lực ứng dụng kỹ thuật cao vào giải quyết bài toán đào tạo thực tiễn.

1.2. Tầm quan trọng của mô hình cánh tay trong thực hành y khoa

Thao tác lấy máu tĩnh mạch đòi hỏi kỹ thuật chuẩn xác và tâm lý vững vàng. Việc thực hành trực tiếp trên bệnh nhân tiềm ẩn rủi ro nhiễm khuẩn và tổn thương mạch. Mô hình cánh tay nhân tạo cung cấp môi trường luyện tập an toàn tuyệt đối. Sinh viên thoải mái thao tác lặp lại nhiều lần mà không gây áp lực tâm lý. Thiết bị giúp rèn luyện kỹ năng định vị mạch qua xúc giác và cảm nhận độ căng thành mạch. Thao tác đâm kim ở góc chuẩn 15 đến 30 độ được chuẩn hóa dễ dàng. Người học quan sát trực tiếp hiện tượng trào máu giả khi kim vào đúng lòng mạch. Nhờ đó, chất lượng đào tạo kỹ năng lâm sàng được nâng cao rõ rệt.

II. Phân tích hạn chế mô hình cánh tay thực hành lấy máu hiện nay

Thị trường hiện có nhiều mẫu cánh tay ngoại nhập phục vụ đào tạo y khoa. Hai sản phẩm tiêu biểu là Nasco của Mỹ và 3B Scientific của Đức. Tuy nhiên, các dòng thiết bị nhập khẩu bộc lộ nhiều điểm hạn chế khi ứng dụng tại Việt Nam. Giá thành thương mại của các sản phẩm này rất đắt đỏ, dao động từ 21 đến 23 triệu đồng mỗi bộ. Mức chi phí cao khiến nhiều cơ sở y tế trong nước khó trang bị đồng bộ. Bên cạnh đó, phương thức vận hành của thiết bị nhập khẩu chủ yếu mang tính thủ công. Thiết bị của Nasco dùng bóng bóp cao su để bơm máu mô phỏng vào lòng mạch. Sản phẩm của 3B Scientific tạo áp suất bằng van xả khí và bình treo trọng lực. Cả hai cơ chế đều không duy trì được áp lực thủy tĩnh ổn định. Mạch máu dễ bị xẹp hoặc căng quá mức trong suốt buổi học. Quan trọng hơn, các hệ thống này hoàn toàn thiếu màn hình điện tử hiển thị áp suất thực. Người học không nhận biết được sự thay đổi áp lực khi chọc trúng tĩnh mạch.

2.1. Nhược điểm về giá thành và chi phí bảo dưỡng thiết bị nhập

Mẫu cánh tay Nasco SB38855 nhập khẩu có mức giá khoảng 988 USD. Tương tự, thiết bị Infusion Arm IV của hãng 3B Scientific có giá xấp xỉ 897 USD. Khi nhập về thị trường Việt Nam, tổng chi phí thường vượt mức 23 triệu đồng. Mức giá này chưa bao gồm phí vận chuyển xuyên biên giới và thuế nhập khẩu. Ngoài ra, việc thay thế linh kiện tiêu hao gặp nhiều trở ngại. Ống mạch nhân tạo và da silicon rất dễ hư hại sau thời gian dài đâm kim. Cơ sở đào tạo phải đặt mua phụ kiện chính hãng từ nước ngoài với chi phí đắt đỏ. Thời gian chờ nhập khẩu linh kiện kéo dài làm gián đoạn lịch học tập của sinh viên.

2.2. Sự thiếu hụt cơ chế phản hồi áp lực dòng chảy tự động

Mô hình truyền thống sử dụng bóng bóp khí hoặc cột áp lực tĩnh để cấp máu. Cách thức này khiến áp suất trong lòng mạch dao động bất thường và thiếu ổn định. Người hướng dẫn không thể kiểm soát chính xác mức áp lực tĩnh mạch thực tế của bệnh nhân. Trên cơ thể người sống, áp suất tĩnh mạch cánh tay dao động trong khoảng 8 đến 35 mmHg. Khi học viên đâm kim vào ven, máu tự động trào ngược vào ống tiêm nhờ chênh lệch áp suất. Các mô hình cơ học nhập khẩu không tái tạo trung thực hiện tượng thủy lực quan trọng này. Thiết bị thiếu hoàn toàn bộ cảm biến điện tử để đo lường và phản hồi thông số tức thời. Học viên khó nhận biết bản thân đã thao tác đúng kỹ thuật hay chưa.

III. Phương pháp chế tạo mô hình cánh tay thực hành lấy máu cải tiến

Giải pháp chế tạo của nhóm nghiên cứu SPKT tập trung vào sự tích hợp đa ngành. Quy trình bắt đầu bằng việc thiết kế khung cánh tay trên phần mềm SolidWorks. Khung xương được tạo rãnh giải phẫu chính xác dọc theo đường đi của tĩnh mạch giữa khuỷu tay. Sau đó, máy in 3D đùn sợi nhựa chuyên dụng để tạo hình xương cánh tay hoàn chỉnh. Lớp da bên ngoài được đúc bằng vật liệu silicon có độ dai và đàn hồi cao. Hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển ESP8266 mạnh mẽ. Mạch điện tử được thiết kế trên phần mềm Altium và lập trình bằng ngôn ngữ C. Điểm cải tiến cốt lõi nằm ở cụm bơm điện tử điều chế độ rộng xung PWM. Bơm kết nối trực tiếp với cảm biến áp suất kỹ thuật số HX710B. Màn hình hiển thị đồng thời hai thông số: mức xung PWM và giá trị áp suất thực. Người dùng tăng giảm xung bằng hai nút nhấn cơ học với bước nhảy 10 đơn vị. Khi mức xung vượt ngưỡng 100, áp lực đạt chuẩn sinh lý từ 8 đến 35 mmHg.

3.1. Thiết kế cơ khí chính xác và chế tạo khuôn in 3D

Quá trình dựng hình 3D trên SolidWorks mô phỏng chi tiết cấu trúc xương cẳng tay người trưởng thành. Bề mặt mô hình được xẻ rãnh uốn lượn để cố định ống dẫn dịch sinh học. Vị trí rãnh bố trí chuẩn xác tại vùng tĩnh mạch giữa khuỷu tay và tĩnh mạch đầu. Công nghệ in 3D giúp hiện thực hóa chi tiết hình học phức tạp với dung sai cực nhỏ. Chất liệu nhựa in đảm bảo độ cứng vững khi học viên tì đè tay thực hành. Bao bọc quanh khung in là lớp vỏ silicon y tế mềm mại. Lớp vỏ này mô phỏng chân thực độ đàn hồi và trở lực của mô cơ người. Kim tiêm xuyên qua lớp da silicon mang lại cảm giác xúc giác sống động như trên bệnh nhân thật.

3.2. Hệ thống điều khiển bơm PWM và cảm biến áp suất HX710B

Trái tim điện tử của thiết bị là vi điều khiển ESP8266 kết nối cảm biến áp suất HX710B. Động cơ bơm mini vận chuyển chất lỏng từ bình chứa tuần hoàn vào tĩnh mạch giả. Tốc độ quay của bơm được điều khiển mượt mà thông qua thuật toán xung PWM. Người vận hành chỉ cần nhấn nút bấm để tăng hoặc giảm 10 xung mỗi lần thao tác. Tại mức xung từ 100 trở lên, áp suất đạt ngưỡng danh định 8 đến 35 mmHg. Cảm biến HX710B thu nhận tín hiệu áp lực đường ống liên tục và chuyển đổi dạng số. Dữ liệu áp suất thực được cập nhật trực tiếp lên màn hình quan sát. Khi học viên đâm kim rút máu, áp suất sụt giảm rõ rệt giúp đánh giá độ chính xác của thao tác.

IV. Đánh giá ứng dụng mô hình cánh tay thực hành lấy máu đào tạo y tế

Kết quả thử nghiệm thực tế khẳng định mô hình đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu y học lâm sàng. Khi thiết lập áp lực tĩnh mạch ở mức 30 mmHg, mạch máu giả căng phồng tương đương người bình thường. Học viên đưa kim tiêm vào góc nghiêng 15 đến 30 độ đúng kỹ thuật để lấy mẫu. Máu mô phỏng ngay lập tức trào vào ống tiêm nhờ áp lực thủy tĩnh được duy trì ổn định. Màn hình đồng thời ghi nhận sự sụt giảm áp lực, cung cấp phản hồi định lượng tức thì. Thành công này chứng minh tính khả thi của giải pháp nội địa hóa thiết bị đào tạo y sinh. Chi phí sản xuất mô hình thấp hơn rất nhiều so với thiết bị nhập khẩu đắt tiền từ Mỹ hay Đức. Nguồn linh kiện in 3D, vi mạch và cảm biến hoàn toàn chủ động tại thị trường nội địa. Sản phẩm mở ra cơ hội trang bị đồng loạt cho các phòng thực hành điều dưỡng, kỹ thuật xét nghiệm và y khoa. Thiết bị góp phần nâng cao tay nghề thực hành lâm sàng cho thế hệ cán bộ y tế tương lai.

4.1. Quy trình thực nghiệm lấy máu và hiệu chỉnh áp suất tĩnh mạch

Quy trình thử nghiệm trên mô hình được chuẩn hóa qua ba bước tuần tự. Đầu tiên, người thao tác khởi động hệ thống và theo dõi các thông số trên màn hình điện tử. Bước tiếp theo, người dùng hiệu chỉnh xung PWM lên trên mức 100 để bơm dịch mô phỏng lấp đầy lòng mạch. Mức áp suất được thiết lập ổn định trong khoảng sinh lý từ 8 đến 35 mmHg, thường chọn mốc chuẩn 30 mmHg. Cuối cùng, học viên tiến hành xác định vị trí ven bằng tay và đưa mũi kim nghiêng từ 15 đến 30 độ. Khi mũi kim đi trúng lòng mạch, máu lập tức trào vào ống tiêm và áp suất hiển thị biến thiên rõ rệt.

4.2. Khả năng mở rộng và triển vọng ứng dụng tại các trường y tế

Sản phẩm đồ án mở ra tiềm năng thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi tại các cơ sở đào tạo y dược. Nhờ cấu trúc module hóa, quy trình bảo dưỡng và thay thế da giả hay ống ven diễn ra vô cùng thuận tiện. Thiết bị có thể tiếp tục tích hợp thêm module kết nối không dây Bluetooth hoặc Wi-Fi. Tính năng này cho phép truyền dữ liệu áp suất trực tiếp về máy tính trung tâm của giảng viên. Giảng viên dễ dàng chấm điểm kỹ năng chọc kim của sinh viên một cách khách quan. Với giá thành tối ưu cùng độ bền vượt trội, mô hình hoàn toàn đủ khả năng thay thế giáo cụ nhập ngoại đắt đỏ. Đây là đóng góp thiết thực cho nền công nghệ y tế nước nhà.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Kỹ thuật tiêm truyền và lấy máu tĩnh mạch là một trong những thủ thuật lâm sàng phổ biến nhất tại các cơ sở khám chữa bệnh. Dù là thao tác cơ bản của điều dưỡng viên, việc thực hiện sai kỹ thuật tiềm ẩn nhiều biến chứng nghiêm trọng đối với người bệnh: tụ máu dưới da, viêm tĩnh mạch, nhiễm trùng vị trí tiêm, thoát dịch truyền vào mô liên kết gây sưng tấy hoặc hoại tử mô. Nguy hiểm hơn, thao tác sai về liều lượng hoặc tốc độ truyền dịch có thể dẫn đến sốc phản vệ, tắc mạch do khí, hoặc suy tim thứ phát do quá tải tuần hoàn. Theo số liệu của Bệnh viện Lão khoa Trung ương được dẫn trong tài liệu, việc chuẩn hóa quy trình lấy mẫu, bảo quản và vận chuyển bệnh phẩm có thể làm giảm sai sót trong kết quả xét nghiệm lên tới 40%. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về đào tạo tiền lâm sàng thông qua các mô hình mô phỏng thực hành.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm:

1. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình cánh tay thực hành lấy máu có hệ thống mạch máu giả tuần hoàn tự động.
2. Kiểm soát lưu lượng và áp suất máu trong mạch máu giả tương đương với sinh lý người (khoảng 8 – 35 mmHg) thông qua vi điều khiển ESP8266 và cảm biến áp suất chất lỏng.

Để đạt được mục tiêu, đồ án đề ra 8 nhiệm vụ nghiên cứu:

1. Thu thập dữ liệu và khảo sát đặc tính các mô hình cánh tay truyền dịch trên thị trường.
2. Tìm hiểu nguyên lý vận hành và áp lực sinh lý của dòng máu trong hệ tĩnh mạch người.
3. Tính toán, lựa chọn linh kiện điện tử và thiết kế bộ nguồn.
4. Lập trình thuật toán điều khiển trên vi điều khiển ESP8266.
5. Thiết kế 3D và gia công in 3D mô hình cánh tay cùng hộp điều khiển.
6. Thi công bo mạch in (PCB), tích hợp cơ khí và hoàn thiện hệ thống.
7. Kiểm tra, hiệu chỉnh thông số vận hành và đánh giá độ ổn định.
8. Viết báo cáo tổng kết khóa luận tốt nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cánh tay mô phỏng phục vụ lấy máu tĩnh mạch nếp gấp khuỷu tay. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn: mô hình tái hiện chi trên từ nửa bắp tay đến cổ tay (không bao gồm bàn tay); lớp vật liệu mô phỏng da silicon chỉ bố trí tại vị trí tĩnh mạch giữa khuỷu tay; hệ thống chưa tích hợp cảm biến phát hiện và cảnh báo khi thao tác đâm kim bị lệch hướng hoặc xuyên mạch. Thời gian thực hiện từ ngày 09/09/2024 đến ngày 20/12/2024 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên giải phẫu học chi trên và sinh lý tuần hoàn tĩnh mạch người. Cánh tay người gồm ba phần chính (cánh tay trên, cẳng tay, bàn tay) với hệ xương, cơ, dây thần kinh và mạng lưới mạch máu. Hệ tĩnh mạch cánh tay phân tách thành tĩnh mạch sâu (tĩnh mạch quay, tĩnh mạch trụ, tĩnh mạch cánh tay, tĩnh mạch nách) và tĩnh mạch nông (tĩnh mạch đầu, tĩnh mạch nền). Vị trí lấy máu phổ biến trên lâm sàng là tĩnh mạch giữa khuỷu tay – nơi nối giữa tĩnh mạch đầu và tĩnh mạch nền tại nếp gấp khuỷu, có ưu điểm nông, khẩu kính lớn và ít dây thần kinh lớn bao quanh. Về quy trình kỹ thuật, thao tác chuẩn đòi hỏi đặt garo cách vị trí tiêm 5 – 10 cm, sát khuẩn, sử dụng kim tiêm cỡ 21G đối với người lớn hoặc 23G đối với trẻ em và người cao tuổi, đâm kim tạo góc 15 – 30 độ so với bề mặt da, rút lượng máu từ 4 – 8 ml đưa vào ống nghiệm chứa chất kháng đông EDTA.

Thông số nhân trắc học cánh tay phục vụ thiết kế được kế thừa từ số liệu công bố trên Tạp chí Y Dược (Số 5/2022):

Chỉ số nhân trắc học	Nam giới	Nữ giới
Chiều dài chi trên	76,17 cm	—
Chiều dài xương cánh tay	29,40 cm	—
Chiều dài bàn tay	17,74 cm	—
Chỉ số BMI trung bình	20,16	—

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích kỹ thuật và thực nghiệm chế tạo:

• Phương pháp phân tích - so sánh: Khảo sát hai dòng sản phẩm thương mại hiện diện tại Việt Nam (Infusion Arm SB38855 của Nasco - Mỹ giá 988,95 USD và Infusion Arm IV của 3B Scientific - Đức giá 897,00 USD). Cả hai mô hình này đều sử dụng cơ chế điều áp thủ công bằng bóng bóp cao su hoặc van xả khí, thiếu cơ chế tự động hóa và đo lường áp lực thực tế.
• Phương pháp tính toán kỹ thuật: Áp dụng định luật Ohm và lý thuyết bán dẫn để tính chọn linh kiện chuyển mạch MOSFET, optocoupler cách ly, diode dập xung ngược, phân tích cân bằng công suất tỏa nhiệt $P = 5,713\text{ W}$, dung lượng và thời gian phóng nạp pin.
• Phương pháp thiết kế - mô phỏng: Thiết kế kết cấu 3D trên SolidWorks, vẽ sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch in một lớp trên phần mềm Altium Designer.
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mẫu thử bằng công nghệ in 3D nhựa cứng, đổ khuôn mút xốp đệm cơ, luồn ống dẫn silicon giả lập tĩnh mạch và bọc da silicon đàn hồi; đo đạc thực tế sự thay đổi áp suất khi thao tác đâm kim rút máu.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống điều khiển và tuần hoàn máu giả gồm 6 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

Cấu hình chi tiết các khối phần cứng được tính toán như sau:

Khối chức năng	Linh kiện / Thông số kỹ thuật	Vai trò và tính toán thiết kế
Vi điều khiển	ESP8266 Wemos D1 Mini (SRAM 80 KB, xung nhịp 80/160 MHz, Wi-Fi 802.11 b/g/n, 11 chân GPIO, hoạt động 3,3V)	Xử lý trung tâm, tiếp nhận tín hiệu nút nhấn, xuất xung PWM điều khiển bơm, đọc ADC từ cảm biến và xuất dữ liệu sang màn hình LCD qua giao tiếp I2C.
Mạch lái động cơ	Động cơ bơm hút mini DC (3 – 5V, dòng không tải 0,5A, dải áp suất 400 – 650 mmHg); MOSFET IRF540 ($R_{DS(on)} = 0,044,\Omega$); Optocoupler PC817	Optocoupler cách ly quang bảo vệ vi điều khiển, tính toán trở hạn dòng $R_1 = 200,\Omega$ ($I_{LED} = 10\text{ mA}$). Dòng kích gate $I_{Gate} = 0,63\text{ mA}$ ứng với tần số PWM 10 kHz; trở gate $R_2 = 1\text{ k}\Omega$, trở xả $R_3 = 10\text{ k}\Omega$; diode 1N4007 dập dòng cảm ứng ngược.
Cảm biến áp suất	MPS20N0040D-S (dải đo 0 – 40 kPa, cầu Wheatstone) tích hợp mạch chuyển đổi ADC HX710B	Đo áp suất thủy tĩnh của dịch trong lòng mạch silicon; chân DOUT nối GPIO13, SCK nối GPIO15 của ESP8266.
Màn hình hiển thị	LCD1602 giao tiếp I2C (kích thước $80 \times 36 \times 19\text{ mm}$, điện áp 5V)	Hiển thị giá trị áp suất thực tế (mmHg) và chu kỳ nhiệm vụ xung PWM; chân SDA nối GPIO4, SCL nối GPIO5.
Nút nhấn điều khiển	2 nút nhấn cơ học, sử dụng điện trở kéo lên nội của ESP8266	Nút giảm xung nối GPIO16 (SW1), nút tăng xung nối GPIO14 (SW2); mỗi lần nhấn thay đổi $\pm 10$ đơn vị PWM.
Nguồn cấp	Pin Li-ion Lishen 18650 (2200 mAh, 10C, 3,7V) kết hợp module tăng áp và sạc HW-357 (đầu ra 5V, dòng sạc 2A)	Cung cấp toàn bộ mạch hoạt động; thời gian sạc đầy khoảng 1,1 giờ; thời gian vận hành liên tục khoảng 1,5 giờ ở mức tiêu thụ công suất 5,713 W (hiệu suất 80%).

Về kết cấu cơ khí, mô hình cánh tay được thiết kế in 3D với tỷ lệ 1:1 theo thông số giải phẫu nam giới: chiều dài 33,3 cm (từ bắp tay đến cổ tay), chiều rộng 16,1 cm, độ dày 10 cm. Khớp khuỷu tay được định hình cố định ở góc nghiêng 20 độ để lộ rõ nếp gấp khuỷu tự nhiên. Phần lõi xương và giá đỡ in bằng nhựa cứng, rãnh chứa mạch máu lót mút xốp mô phỏng độ lún của mô cơ, đặt ống dẫn silicon và bọc ngoài bằng lớp màng da silicon tổng hợp đàn hồi cao. Hộp điều khiển in 3D có kích thước tổng thể $25 \times 11\text{ cm}$, chia làm hai khoang riêng biệt: khoang mạch điện ($14 \times 7\text{ cm}$) và khoang bình chứa máu giả ($9,6 \times 9\text{ cm}$). Mặt trên của hộp khoét khe cố định màn hình LCD ($7,1 \times 2,4\text{ cm}$) cùng 2 nút nhấn cơ ($1 \times 1\text{ cm}$), thân hộp có các lỗ dẫn ống bơm ($3 \times 1\text{ cm}$), ống hút ($1 \times 1\text{ cm}$), ống xả tuần hoàn ($20 \times 15\text{ cm}$) và cổng sạc pin. Bo mạch in PCB được gia công dạng một lớp với kích thước $70 \times 50\text{ mm}$.

Thuật toán điều khiển của hệ thống vận hành theo chu trình:

1. Khởi tạo các chân GPIO, giao tiếp I2C và màn hình LCD1602.
2. Kiểm tra tín hiệu sẵn sàng từ bộ chuyển đổi HX710B của cảm biến MPS20N0040D-S.
3. Đọc dữ liệu điện áp vi sai, quy đổi sang áp suất đơn vị mmHg và hiển thị lên dòng 1 của LCD.
4. Xuất giá trị điều chế xung PWM hiện hành ra MOSFET để điều khiển động cơ bơm, hiển thị giá trị PWM lên dòng 2 của LCD.
5. Quét phím SW1: nếu được nhấn và giá trị PWM $> 0$, trừ 10 đơn vị xung.
6. Quét phím SW2: nếu được nhấn và giá trị PWM $< 250$, cộng 10 đơn vị xung.
7. Cập nhật chu kỳ nhiệm vụ mới cho động cơ bơm và lặp lại chu trình. Khi mức PWM đạt từ 100 trở lên, áp suất tuần hoàn trong ống silicon ổn định trong dải 8 – 35 mmHg. Khi người dùng thực hiện thao tác cắm kim và hút máu giả, cảm biến ghi nhận sự sụt áp trong lòng mạch và cập nhật ngay lên màn hình.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh thực tế về các sai sót trong thực hành tiêm truyền tĩnh mạch tại các bệnh viện Việt Nam và trích dẫn số liệu giảm 40% sai sót của Bệnh viện Lão khoa Trung ương khi chuẩn hóa quy trình. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo mô hình cánh tay giả lập có mạch máu bơm áp lực tự động dùng vi điều khiển ESP8266, liệt kê chi tiết 8 nội dung triển khai, giới hạn kỹ thuật của đề tài (mô hình lấy từ nửa bắp tay đến cổ tay, da silicon tại vùng khuỷu, chưa có chuông báo đâm lệch) và giới thiệu bố cục toàn văn 6 chương.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung hệ thống hóa cơ sở giải phẫu học chi trên (xương cánh tay, cơ, hệ tĩnh mạch nông - sâu với trọng tâm là tĩnh mạch giữa khuỷu tay). Chương tài liệu hóa chi tiết các bước trong quy trình lấy máu chuẩn y khoa: garo 5 – 10 cm, sát khuẩn, sử dụng kim 21G/23G, góc đâm kim 15 – 30 độ, lấy 4 – 8 ml máu vào ống nghiệm EDTA. Đồng thời, tác giả khảo sát và lập bảng so sánh hai mô hình nhập ngoại Nasco SB38855 (giá 988,95 USD) và 3B Scientific Infusion Arm IV (giá 897,00 USD), chỉ ra hạn chế chung của các sản phẩm này là vận hành bơm áp thủ công (bóp bóng hơi hoặc đẩy khí qua van) để làm căn cứ cải tiến tự động hóa.

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày các tính toán kỹ thuật cho từng khối phần cứng. Tác giả so sánh các vi điều khiển Arduino Uno, Arduino Nano và ESP8266 Wemos D1 Mini, từ đó chọn ESP8266 nhờ kích thước nhỏ ($34,6\text{ mm}$), bộ nhớ SRAM 80 KB và tích hợp Wi-Fi. Các bước tính chọn mạch lái động cơ sử dụng MOSFET IRF540 và optocoupler PC817 được giải thích tường minh bằng công thức định luật Ohm và công suất nhiệt ($P_{MOSFET} = 0,044\text{ W}$, tổng công suất mạch $P = 5,713\text{ W}$). Chương này cũng tính toán thời gian sạc (1,1 giờ) và thời gian hoạt động (1,5 giờ) của pin Lishen 18650 dung lượng 2200 mAh, phân tích lựa chọn màn hình LCD1602 I2C thay vì OLED 0.96 inch hoặc LCD 128x64, và hoàn thành bản vẽ thiết kế 3D cánh tay (tỷ lệ 1:1, nghiêng khuỷu 20 độ) cùng hộp điều khiển trên phần mềm SolidWorks.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 thuyết minh kết quả thi công phần cứng thực tế. Tác giả trình bày quy trình thiết kế mạch in PCB 1 lớp trên phần mềm Altium với kích thước nhỏ gọn $70 \times 50\text{ mm}$, thể hiện bản vẽ đi dây, mặt trước và mặt sau sau khi hàn gắn linh kiện. Kết quả chế tạo cơ khí bao gồm: cánh tay in 3D bằng nhựa cứng, lớp đệm cơ bằng mút xốp, cố định ống silicon làm lòng mạch bằng keo dán, phủ da silicon đàn hồi; hộp điều khiển in 3D cố định mạch điện, bơm, pin và van nối bằng keo nến cùng ốc vít M4. Cuối chương, tác giả xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển của ESP8266 và ban hành quy trình hướng dẫn sử dụng 3 bước cho người học (kiểm tra nguồn qua màn hình LCD, tinh chỉnh xung PWM $\ge 100$ để đạt áp suất 8 – 35 mmHg, đâm kim lấy máu góc 15 – 30 độ và quan sát biến thiên áp suất).

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 báo cáo kết quả chế tạo mô hình hoạt động thực tế. Khi cấp nguồn, màn hình LCD1602 hiển thị chính xác áp suất chất lỏng theo đơn vị mmHg và mức xung PWM hiện hành. Động cơ bơm phản hồi mượt mà với thao tác bấm nút: tăng/giảm chu kỳ xung theo từng nấc 10 đơn vị. Thử nghiệm lâm sàng mô phỏng cho thấy khi xung PWM đạt ngưỡng từ 100, áp suất lòng mạch được duy trì ổn định trong khoảng 8 – 35 mmHg (tương thích áp lực tĩnh mạch người). Khi đâm kim đúng góc 15 – 30 độ và hút 4 – 8 ml dịch máu giả, màn hình ghi nhận sự sụt giảm áp suất tức thời, chứng minh mô hình đáp ứng tốt yêu cầu phản hồi sinh lý. Chương này cũng tổng hợp bảng dự toán kinh phí gia công chế tạo của đề tài.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả đạt được: hoàn thiện cánh tay mô phỏng tỷ lệ 1:1 có cơ chế bơm tuần hoàn tự động và hiển thị thông số định lượng với chi phí chế tạo thấp. Tác giả đối chiếu sản phẩm tự chế tạo với các mô hình nhập ngoại, chỉ ra các điểm giới hạn cần cải tiến: bổ sung mạch cảm biến phát hiện đâm kim sai (kèm còi/đèn cảnh báo), mở rộng diện tích bao phủ da silicon trên toàn cánh tay, tối ưu độ thẩm mỹ của khung in 3D và lập trình kết nối giám sát không dây thông qua mạng Wi-Fi của vi điều khiển ESP8266.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công một thiết bị thực hành y tế hoàn chỉnh với các thông số vận hành thực nghiệm được ghi nhận:

• Kích thước cánh tay đạt tỷ lệ 1:1 theo nhân trắc học người Việt Nam (dài 33,3 cm, rộng 16,1 cm, độ dày 10 cm, góc uốn khuỷu 20 độ).
• Bo mạch PCB đơn lớp kích thước $70 \times 50\text{ mm}$ tích hợp vi điều khiển ESP8266, mạch cách ly quang và mạch công suất MOSFET IRF540 hoạt động ổn định, tỏa nhiệt thấp ($P = 5,713\text{ W}$).
• Hệ thống áp lực tuần hoàn tự động tạo được dải áp suất sinh lý 8 – 35 mmHg tại ngưỡng xung PWM từ 100 trở lên, hiển thị trực quan thông số áp suất và xung điều khiển trên LCD1602.
• Nguồn cấp bằng pin Li-ion 18650 2200 mAh đảm bảo tính cơ động, hoạt động độc lập liên tục trong 1,5 giờ, thời gian sạc lại 1,1 giờ với dòng 2A qua mạch HW-357.

So sánh đặc tính kỹ thuật với các sản phẩm thương mại hiện có trên thị trường:

Tiêu chí so sánh	Infusion Arm SB38855 (Nasco - Mỹ)	Infusion Arm IV (3B Scientific - Đức)	Mô hình cánh tay của đề tài
Cơ chế tạo áp suất	Thủ công bằng bóng bóp cao su	Thủ công bằng van đẩy không khí	Tự động bằng bơm DC mini điều khiển xung PWM
Giám sát áp suất	Không có hiển thị số đo	Không có hiển thị số đo	Hiển thị áp suất thời gian thực trên LCD1602 (mmHg)
Khả năng điều chỉnh	Phụ thuộc lực bóp tay của người dùng	Phụ thuộc chỉnh van cơ học	Điều chỉnh số hóa bằng 2 nút bấm ($\pm 10$ PWM/lần nhấn)
Giá thành thương mại	988,95 USD (~23 triệu VNĐ)	897,00 USD (~21 triệu VNĐ)	Chi phí chế tạo thấp, tối ưu theo linh kiện nội địa
Nguồn cấp vận hành	Không dùng điện	Không dùng điện	Pin sạc 18650 2200 mAh, tăng áp 5V, sạc qua cổng USB

Đóng góp chính của đề tài là việc thay thế hoàn toàn cơ chế bóp bóng áp suất thủ công truyền thống bằng hệ thống vi cơ điện tử khép kín. Việc tích hợp cảm biến áp suất MPS20N0040D-S giúp định lượng hóa trạng thái dòng chảy tĩnh mạch, cho phép người học và giảng viên quan sát trực quan sự thay đổi áp suất khi kim tiêm đi trúng tĩnh mạch và rút máu giả, tạo môi trường rèn luyện kỹ năng thực hành an toàn và khách quan.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế kỹ thuật được nhóm tác giả tự xác định bao gồm:

• Về phạm vi giải phẫu: Mô hình chỉ mô phỏng đoạn chi từ nửa bắp tay đến cổ tay, khuyết thiếu phần bàn tay và các tĩnh mạch mu bàn tay (vốn cũng là vị trí tiêm truyền phổ biến).
• Về cấu trúc mô: Lớp da silicon mới chỉ được gia công bao bọc tại vùng nếp gấp khuỷu tay (tĩnh mạch M), chưa phủ kín toàn bộ bề mặt cánh tay in 3D.
• Về tính năng thông minh: Hệ thống chưa tích hợp cơ chế nhận biết và cảnh báo khi người thực hành đâm kim sai kỹ thuật (đâm chệch khỏi thành mạch hoặc đâm xuyên thủng hai thành mạch).

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được đề xuất:

• Tích hợp thêm mạch cảm biến phát hiện đâm kim sai (sử dụng tín hiệu điện trở tiếp xúc hoặc cảm biến quang) để kích hoạt chuông báo hoặc đèn LED cảnh báo cho điều dưỡng viên.
• Cải tiến kỹ thuật đổ khuôn da silicon để bọc toàn bộ mô hình cánh tay, nghiên cứu bổ sung hệ thống tĩnh mạch mu bàn tay.
• Nâng cấp độ hoàn thiện bề mặt in 3D để tăng tính thẩm mỹ và độ tương đồng với giải phẫu người thật.
• Khai thác tính năng kết nối Wi-Fi tích hợp sẵn trên chip ESP8266 để truyền dữ liệu áp suất và lịch sử thao tác về máy tính hoặc ứng dụng di động của giảng viên, hỗ trợ chấm điểm và đánh giá thực hành từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

• Sinh viên và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh: Cung cấp quy trình thiết kế và thi công thiết bị mô phỏng y tế từ khâu tính toán giải phẫu nhân trắc học, thiết kế mô hình 3D trên SolidWorks đến gia công mạch in PCB trên Altium.
• Sinh viên khối ngành Khoa học Sức khỏe (Điều dưỡng, Y đa khoa): Sử dụng tài liệu để hiểu rõ nguyên lý sinh lý học áp lực tĩnh mạch cánh tay (8 – 35 mmHg) và quy trình chuẩn bị, thao tác đâm kim góc 15 – 30 độ.
• Kỹ sư nghiên cứu phát triển thiết bị y tế: Cung cấp giải pháp mẫu về mạch ghép nối giữa cảm biến áp suất cầu Wheatstone (MPS20N0040D-S tích hợp HX710B) với vi điều khiển ESP8266 và mạch công suất điều khiển bơm DC bằng xung PWM dùng MOSFET IRF540 cách ly quang.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến áp suất MPS20N0040D-S giao tiếp với vi điều khiển ESP8266 qua phương thức nào?
Cảm biến MPS20N0040D-S hoạt động dựa trên cấu trúc cầu Wheatstone, xuất tín hiệu điện áp vi sai mức milivolt và được tiền khuếch đại, số hóa qua vi mạch ADC chuyên dụng HX710B. Vi mạch này kết nối với ESP8266 qua giao tiếp 2 dây: chân DOUT (dữ liệu) nối vào GPIO13 và chân SCLK (xung nhịp) nối vào GPIO15.

2. Ngưỡng điều khiển xung PWM nào giúp hệ thống đạt được áp suất máu tĩnh mạch sinh lý?
Qua quá trình thực nghiệm, tác giả xác định khi giá trị xung PWM được thiết lập từ mức 100 trở lên, động cơ bơm mini bắt đầu tạo đủ áp lực đẩy máu giả qua ống silicon để đạt dải áp suất tĩnh mạch người bình thường từ 8 đến 35 mmHg. Mỗi lần nhấn nút SW1 hoặc SW2, giá trị xung sẽ tăng hoặc giảm một bước là 10 đơn vị PWM.

3. Khối điều khiển động cơ bơm được thiết kế thế nào để bảo vệ vi điều khiển và chống quá nhiệt?
Mạch sử dụng optocoupler PC817 để cách ly quang hoàn toàn giữa tín hiệu logic của vi điều khiển ESP8266 và phần công suất động cơ. Để đóng ngắt dòng cho bơm mini, mạch dùng MOSFET kênh N loại IRF540 có điện trở dẫn nội rất nhỏ ($R_{DS(on)} = 0,044,\Omega$), giúp công suất tỏa nhiệt trên transistor chỉ ở mức $0,044\text{ W}$, không cần gắn thêm tản nhiệt nhôm. Ngoài ra, một diode 1N4007 được mắc song song ngược cực với động cơ để triệt tiêu sức điện động cảm ứng ngược khi ngắt mạch.

4. Khung cánh tay và lớp da giả được chế tạo từ những vật liệu gì?
Khung cánh tay được in 3D bằng nhựa cứng theo tỷ lệ 1:1 nhân trắc học (dài 33,3 cm, khuỷu nghiêng 20 độ). Tại vị trí tiêm, khung được khoét rãnh để lót mút xốp mô phỏng độ đàn hồi của cơ bắp, mạch máu giả làm từ ống silicon đường kính nhỏ gắn bằng keo dán, và toàn bộ vùng nếp gấp khuỷu tay được phủ một lớp da silicon tổng hợp có tính đàn hồi cao.

5. Nguồn điện của mô hình có thông số thế nào và vận hành được trong bao lâu?
Mô hình sử dụng một viên pin Li-ion Lishen 18650 dung lượng 2200 mAh (3,7V, dòng xả 10C) kết hợp bo mạch HW-357 tích hợp sạc pin và tăng áp lên 5V. Với công suất tiêu thụ toàn mạch là $5,713\text{ W}$ và hiệu suất pin ước tính 80%, thiết bị có thể vận hành liên tục khoảng 1,5 giờ và mất khoảng 1,1 giờ để sạc đầy lại qua dòng sạc 2A.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Võ Trần Gia Bảo và Lê Thị Huỳnh Như đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình cánh tay thực hành lấy máu ứng dụng kỹ thuật y sinh. Bằng việc kết hợp vi điều khiển ESP8266, cảm biến áp suất MPS20N0040D-S và cơ chế điều chế xung PWM cho động cơ bơm, đề tài đã tự động hóa việc tái lập áp suất tĩnh mạch người (8 – 35 mmHg) và phản hồi định lượng sự sụt áp khi thao tác lấy máu. Mặc dù còn một số hạn chế về phạm vi phủ da silicon và tính năng cảnh báo đâm kim sai, sản phẩm đạt được tính khả thi kỹ thuật cao, chi phí thấp hơn nhiều so với thiết bị ngoại nhập, mở ra tiềm năng ứng dụng thiết thực trong đào tạo kỹ năng lâm sàng tiền y khoa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN • Chương 3: Tính toán và thiết kế Trình bày quá trình tính toán và lựa chọn linh kiện, xây dựng thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, thiết kế mạch PCB, mô hình cánh tay, và lập trình hệ thống. • Chương 4: Thi công hệ thống: Thực hiện thi công mạch điện, in 3D mô hình cánh tay, gia công lớp da giả chứa mạch máu. Lắp ráp và hoàn thiện mô hình hệ thống.

• Chương 5: Kết quả và đánh giá: Báo cáo kết quả tiến độ sản phẩm, kèm theo kết quả và nhận xét - đánh giá về mô hình. • Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Đưa ra kết luận về đề tài, nêu bật các ưu điểm, chỉ ra những hạn chế cần khắc phục, định hướng phát triển để cải thiện sản phẩm nhằm đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.

CẤU TẠO CỦA CÁNH TAY NGƯỜI Cánh tay trên cơ thể người được thiết kế và cấu tạo để hoạt động linh hoạt và bền bỉ, cho phép con người thực hiện các động tác từ thô sơ cho đến phức tạp nhất. Cánh tay người được chia làm ba phần: phần cánh tay trên (bắp tay), phần cẳng tay và phần bàn tay. Bên trong cánh tay người được cấu tạo từ nhiều các thành phần như xương, khớp, cơ, dây chằng , gân, dây thần kinh và mạch máu. Trong số các xương chi trên thì xương cánh tay trên được xem là xương dài nhất, được nối phần trên với xương vai xương đòn qua khớp vai, phần dưới nối với khớp khuỷu (xương quay và xương trụ) tạo nên khả năng xoay và cử động phức tạp của cẳng tay[2].1 Cấu tạo xương cánh tay người Trên cánh tay người có một mạng lưới cơ tinh vi và phức tạp nhất, đóng vai trò quan trọng không thể thiếu trong các chức năng của cánh tay.

Cơ cánh tay người bao gồm có cơ cánh tay trên và cơ cẳng tay. Mỗi nhóm cơ này đảm nhận các nhiệm vụ khác nhau như gập, duỗi, xoay và ổn định cánh tay trong các chuyển động phức tạp.Tiếp đến là phần gân và dây chằng dùng để kết nối cơ với xương và cố định khớp. Cơ cánh tay không chỉ đóng vai trò vận động mà góp phần tạo nên sức mạnh và sự linh hoạt của cơ thể. Các hoạt động thường ngày như viết, cầm nắm, vẽ, hay tham gia các môn thể thao đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng giữa các nhóm cơ và khớp.

Điều này giúp đảm bảo sự linh hoạt, chính xác và hiệu quả trong mọi chuyển động của tay. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Một phần không thể thiếu của cánh tay là mạch máu. Mạch máu là một hệ thống tuần hoàn, có dạng hình ống, liên kết với nhau tạo thành một hệ khép kín tuần hoàn.[3] Mạch máu duy trì sự sống và toàn bộ hoạt động của cánh tay, cung cấp máu và trao đổi, trao đổi vật chất và điều hòa.

Mạch máu cánh tay người gồm hai mạch chính là: động mạch và tĩnh mạch. Động mạch cánh tay được liên kết với động mạch nách từ phía dưới cơ ngực lớn xuống khuỷu tay và chia thành hai nhánh chính là động mạch quay và động mạch trụ [4]. Động mạch đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp máu giàu oxy và các chất dinh dưỡng cần thiết cho các cơ quan, cơ bắp, và thần kinh của cánh tay, đảm bảo chức năng và bảo vệ cấu trúc cánh tay. Ngoài ra, động mạch còn có khả năng co giãn để điều hòa lưu lượng máu, hỗ trợ duy trì hoạt động ổn định của cơ thể.