Đồ án tốt nghiệp: Chi tiết mô hình máy trợ thở sử dụng Arduino

Chi tiết đồ án mô hình máy trợ thở Arduino giá rẻ. Hướng dẫn đầy đủ về thiết kế 3D, sơ đồ mạch điện và code lập trình cho thiết bị y tế.

• Tác giả: Lê Tô Anh Duy
• Người hướng dẫn: T.S Nguyễn Trọng Hải
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Y Sinh
• Đề tài: Mô Hình Máy Trợ Thở Sử Dụng Arduino
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về máy trợ thở Arduino

Máy trợ thở Arduino là một giải pháp y tế hiện đại được thiết kế dành cho những trường hợp khẩn cấp khi bệnh nhân cần hỗ trợ hô hấp. Trong bối cảnh dịch COVID-19 diễn ra rầm rộ, nhiều bệnh viện gặp tình trạng thiếu máy thở, khiến bệnh nhân và gia đình họ phải đối mặt với những nguy hiểm sức khỏe nghiêm trọng. Mô hình máy trợ thở giá rẻ này được phát triển dựa trên công nghệ Arduino, kết hợp với các cảm biến y tế hiện đại. Mục tiêu chính của dự án là cung cấp một thiết bị trợ thở giá thành rẻ mà vẫn đảm bảo hiệu quả trong các tình huống cấp cứu. Thiết kế này không chỉ giúp giải quyết vấn đề thiếu máy thở mà còn mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong các cơ sở y tế vùng sâu, vùng xa.

1.1. Nhu cầu thiết kế máy trợ thở

Nhu cầu về máy trợ thở giá rẻ nảy sinh từ tình trạng thiếu thốn trang thiết bị y tế hiện nay. Bệnh nhân bị tai nạn, bệnh nhân hồi sức sau phẫu thuật, hay những người mắc bệnh về đường hô hấp đều cần trợ thở. Khi dịch COVID-19 bùng phát tại Việt Nam, hàng trăm bệnh nhân không thể nhập viện do thiếu giường và máy thở Arduino tự chế. Việc bóp bóng Ambu thủ công không đúng tần suất có thể gây nguy hiểm, tạo ra nhu cầu cấp thiết cho một thiết bị tự động.

1.2. Ưu điểm của giải pháp Arduino

Arduino là vi điều khiển mã nguồn mở, giá thành rẻ và dễ lập trình. Sử dụng Arduino làm trung tâm điều khiển cho máy trợ thở giúp giảm chi phí sản xuất đáng kể so với các máy thở thương mại. Hệ thống có thể lập trình linh hoạt, dễ bảo trì và sửa chữa tại các cơ sở y tế địa phương. Việc kết hợp Arduino với các cảm biến hiện đại cho phép giám sát nhịp tim và nồng độ oxy trong máu thực time.

II. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mô hình

Mô hình máy trợ thở Arduino bao gồm nhiều thành phần chính tích hợp lại với nhau. Trung tâm điều khiển là bo mạch Arduino, nhận tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển động cơ bước thông qua mạch driver. Phần cơ học bao gồm giá đỡ và cánh tay đòn được thiết kế và in 3D để bóp bóng Ambu theo đúng tần suất hô hấp của con người. Cảm biến MAX30100 được sử dụng để đo nhịp tim và SpO2 (nồng độ oxy trong máu). Nguyên lý hoạt động dựa trên việc lập trình Arduino để phát xung điều khiển độ dài và tần suất bóp bóng. Khi bệnh nhân được kết nối, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh lượng khí Oxy dựa trên các thông số sức khỏe thực thời.

2.1. Các thành phần chính của hệ thống

Hệ thống máy trợ thở Arduino gồm: (1) Bo mạch Arduino Mega làm vi điều khiển chính; (2) Động cơ bước NEMA 17 cung cấp lực cơ học; (3) Mạch driver A4988 phát xung điều khiển động cơ; (4) Cảm biến MAX30100 đo nhịp tim và SpO2; (5) Khung giá đỡ in 3D cố định bóng Ambu; (6) Cánh tay đòn cơ học bóp bóng. Tất cả các thành phần được lựa chọn dựa trên tiêu chí giá thành thấp nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác y tế.

2.2. Nguyên lý điều khiển và vận hành

Nguyên lý hoạt động dựa trên chu kỳ hô hấp bình thường của con người (12-20 lần/phút). Arduino lập trình để gửi xung PWM tới mạch driver A4988, điều khiển tốc độ quay của động cơ bước. Động cơ kéo cánh tay đòn, bóp bóng Ambu với lực và tần suất được điều chỉnh. Cảm biến MAX30100 liên tục giám sát SpO2 và nhịp tim, gửi dữ liệu về Arduino để tự động điều chỉnh lượng khí hô hấp, đảm bảo bệnh nhân nhận đủ oxy.

III. Hướng dẫn xây dựng mô hình giá rẻ

Xây dựng máy trợ thở Arduino giá rẻ là quá trình kỹ thuật đòi hỏi kiến thức cơ bản về điện tử, lập trình và cơ khí. Bước đầu tiên là chuẩn bị linh kiện điện tử bao gồm Arduino, động cơ bước, mạch driver, và cảm biến. Tiếp theo là thiết kế phần cơ học - các bộ phận in 3D cần được thiết kế chính xác để đảm bảo độ bền và hiệu quả. Lập trình Arduino là bước quan trọng, cần viết code điều khiển động cơ và xử lý dữ liệu từ cảm biến. Cuối cùng là kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống để đảm bảo an toàn. Chi phí xây dựng mô hình máy trợ thở này chỉ khoảng 5-10 triệu đồng, thấp hơn 20-30 lần so với máy thở thương mại.

3.1. Lựa chọn và chuẩn bị linh kiện

Danh sách linh kiện chính: Arduino Mega 2560 (~300.000đ), động cơ bước NEMA 17 (~150.000đ), mạch driver A4988 (~50.000đ), cảm biến MAX30100 (~200.000đ), nguồn điện, dây cáp kết nối. Chi phí tinh kiện điện tử tổng cộng khoảng 1.5 triệu đồng. Các linh kiện này dễ mua trên các trang thương mại điện tử như Shopee, Tiki hoặc các cửa hàng điện tử ở TP.HCM. Chất lượng linh kiện quyết định độ bền và hiệu quả của máy trợ thở tự chế nên cần lựa chọn từ các nhà cung cấp uy tín.

3.2. Thiết kế cơ khí và in 3D

Thiết kế giá đỡ cần phải chắc chắn, có thể chịu được lực bóp bóng liên tục. Sử dụng phần mềm CAD như Fusion 360 (miễn phí) để thiết kế giá đỡ và cánh tay đòn. In 3D các bộ phận bằng material PLA hoặc PETG, chi phí khoảng 1-2 triệu đồng. Điều chỉnh thiết kế sao cho bóp bóng Ambu với lực 40-60 Newton, tương đương lực bóp thủ công bình thường. Kiểm tra độ chính xác hình học để đảm bảo các bộ phận ghép vừa vặn với nhau.

3.3. Lập trình và hiệu chỉnh hệ thống

Sử dụng Arduino IDE để viết code điều khiển. Code chính cần có chức năng: điều khiển động cơ bước, đọc dữ liệu từ cảm biến SpO2, hiệu chỉnh tần suất bóp bóng dựa trên nhịp tim. Thư viện MAX30100 có sẵn trên Arduino, giúp dễ dàng lấy dữ liệu nhịp tim. Hiệu chỉnh tần suất bóp bóng từ 12-20 lần/phút, điều chỉnh lực bóp để đảm bảo an toàn cho bệnh nhân. Kiểm tra lặp lại trước khi sử dụng trên bệnh nhân thực.

IV. Ứng dụng và triển khai thực tế

Máy trợ thở Arduino có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các cơ sở y tế, đặc biệt ở các vùng sâu, vùng xa nơi không có điều kiện mua máy thở thương mại. Ứng dụng chính bao gồm: hỗ trợ bệnh nhân trong quá trình cấp cứu sau tai nạn, hỗ trợ hô hấp cho bệnh nhân COVID-19 khi bệnh viện quá tải, hỗ trợ bệnh nhân hồi sức sau phẫu thuật. Với chi phí rẻ và dễ bảo trì, mô hình này có thể được sản xuất hàng loạt cho các bệnh viện tuyến dưới. Những thử nghiệm ban đầu cho thấy hiệu quả so với bóp bóng Ambu thủ công. Tuy nhiên, cần tuân thủ các tiêu chuẩn y tế và được cấp phép từ cơ quan chức năng trước khi đưa vào sử dụng rộng rãi.

4.1. Lợi ích và khả năng ứng dụng

Lợi ích chính của máy trợ thở Arduino: (1) Giá thành rẻ - chỉ 5-10 triệu đồng so với 150-300 triệu máy thở thương mại; (2) Dễ sửa chữa - linh kiện dễ thay thế; (3) Lập trình linh hoạt - có thể điều chỉnh tần suất cho từng bệnh nhân; (4) Giám sát thời gian thực - cảm biến SpO2 và nhịp tim. Ứng dụng phù hợp cho các cơ sở y tế cộng đồng, phòng khám tư nhân, cơ sở y tế vùng sâu, và trong các tình huống khẩn cấp khi thiếu máy thở.

4.2. Hướng phát triển và cải tiến trong tương lai

Các cải tiến trong tương lai: (1) Tích hợp giao diện điều khiển không dây qua WiFi hoặc Bluetooth; (2) Thêm màn hình hiển thị LCD/OLED để theo dõi các thông số; (3) Lưu dữ liệu bệnh nhân trên cloud để phục vụ telehealth; (4) Cải tiến độ chính xác cảm biến; (5) Thiết kế pin sạc để máy hoạt động độc lập. Nghiên cứu tiếp tục sẽ giúp hoàn thiện mô hình, từ đó có thể được công nhân hóa và phân phối rộng rãi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, có rất nhiều trường hợp bệnh nhân cần phải được trợ thở để duy trì sự sống như trường hợp bệnh nhân được cấp cứu khi bị tai nạn, trong quá trình phẫu thuật, bệnh nhân trong quá trình hồi sức, bệnh nhân bị suy hô hấp, bệnh nhân nhiễm COVID-19. Đối với những trường hợp bệnh nhân cần bóp bóng trợ thở trong một thời gian ngắn thì các y tá, bác sĩ hay người nhà bệnh nhân có thể tự thực hiện thao tác bóp bóng trợ thở cho người bệnh, nhưng đối với những trường hợp cần duy trì trợ thở trong một thời gian dài và liên tục thì khó đảm bảo được. Ngoài ra, những trường hợp mà bệnh nhân bị mắc các bệnh truyền nhiễm, dễ lây lan qua đường hô hấp, tiếp xúc ngoài da thì việc để một người trực tiếp hỗ trợ hô hấp thì thật nguy hiểm, hay trường hợp bóp bóng trợ thở không đúng tần suất hô hấp, điều này có thể khiến người bệnh hoặc không đủ oxy để hô hấp hoặc bị tràn oxy quá nhiều vào phổi, cả 2 trường hợp này đều rất nguy hiểm. Chính vì vậy, việc sử dụng một chiếc máy trợ thở là điều tất yếu cần thiết.

Việc bệnh nhân được trợ thở với cường độ hô hấp thích hợp sẽ giúp họ mau chóng hồi phục sức khỏe. Máy trợ thở không những giải quyết những khó khăn trên mà còn giúp tiết kiệm tiền bạc, thời gian, công sức cho người nhà bệnh nhân. Tuy nhiên, hiện nay máy trợ thở trong các bệnh viện còn hạn chế do giá thành cao và thường phải thuê thêm từ các cơ sở y tế tư nhân và cũng chưa có máy chuyên dùng cho bệnh nhân nhiễm COVID-19. Việc thiếu hụt máy trợ thở trong thời điểm dịch COVID-19 là những thách thức lớn mà các y bác sĩ phải đối mặt và đang nỗ lực tìm ra giải pháp cho tình trạng thiếu máy thở trên toàn cầu.

Riêng tại Hoa Kỳ, các y bác sĩ đang làm việc tại tuyến đầu chống dịch đã lên tiếng báo động về tình trạng khan hiếm đồ bảo hộ y tế và trang thiết bị điều trị bệnh nhân COVID-19, đặc biệt là tình trạng thiếu máy thở. Theo ông Marney Gruber, bác sĩ làm việc tại nhiều phòng cấp cứu ở thành phố New York, cho biết các loại thuốc đang cạn dần gồm midazolam và fentanyl, đây là 2 loại thuốc cần 3 dùng để điều trị những bệnh nhân đã bị viêm phổi nặng và phải có máy thở hỗ trợ hô hấp. Vì vậy, mục tiêu của nghiên cứu là thiết kế ra máy trợ thở với chi phí tốt để đáp ứng cho nhu cầu của bệnh nhân và có thể thích hợp dùng điều trị cho bệnh nhân nhiễm COVID-19. Từ đó nhóm đã chọn đề tài tốt nghiệp “Mô hình máy trợ thở sử dụng Arduino” thiết bị có khả năng sản xuất số lượng lớn trong thời gian ngắn, giá rẻ, an toàn cho lực lượng y bác sĩ được mô phỏng và chạy trên mạch Arduino.

Điều này cho phép các bệnh nhân ít nghiêm trọng hơn được chăm sóc bởi các bác sĩ lâm sàng ít chuyên môn hơn, đồng thời có thể tập trung các nguồn lực vào những người bệnh nặng và thực sự cần thiết.2 Tầm quan trọng của đề tài - Vai trò của máy trợ thở Một người sống khỏe mạnh biểu hiện là sự hô hấp đều đặn, hít khí qua mũi vào phổi rồi thở ra, nhận khí Oxy và thải khí Cacbonic. Đó là sự hô hấp cung cấp Oxy cho quá trình trao đổi chất của các tế bào rồi đi nuôi sống cơ thể. Khi hệ hô hấp bị tổn thương, nguy cơ tim ngừng hoạt động có thể xảy ra. Lúc đó, các bác sỹ có thể sử dụng phương pháp hà hơi thổi ngạt, ấn tay vào phổi để kích thích tim bệnh nhân hoạt động trở lại.

Nhưng sau khi sơ cứu như vậy, nếu bệnh nhân vẫn còn tình trạng không tự thở được hoặc thể trạng còn yếu quá trình hô hấp gặp khó khăn, bác sỹ phải sử dụng máy thông khí nhân tạo hay máy thở để hỗ trợ quá trình hô hấp của bệnh nhân. Sử dụng máy thở nhằm kích cho việc thở, giúp bệnh nhân hô hấp trở lại bình thường. Máy thở có vai trò rất quan trọng trong y tế, nó góp phần duy trì sự sống cho bệnh nhân, giảm thiểu tối đa tỉ lệ tử vong tại các phòng hồi sức cấp cứu. Ngoài ra, giúp giảm thiểu công việc mà bác sỹ, y tá phải làm trong quá trình công tác.

- Các chỉ cần cần thông khí: Thông khí nhân tạo được chỉ định khi mắc bệnh suy hô cấp hoặc mạn tính, nghĩa là khi bệnh nhân thiếu Oxy hoặc giảm thông khí phế nang hoặc cả hai trường hợp. Các chỉ đinh thông khí nhân tạo chính:  Tổn thương phổi cấp  Viêm phổi do nhiễm khuẩn, do trào ngược, do hít vào  Hội chứng suy hô hấp cấp ở người lớn ARDS 4  Phù phổi do tim  Nhồi máu cơ tim cấp  Bệnh cơ tim  Quá tải thể tích  Bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính COPD  Cơn hen phế quản ác tính  Liệt cơ hô hấp  Bệnh thành ngực  Bệnh hệ thống - Mục đích của máy trợ thở: Mục tiêu sinh lý  Hỗ trợ trao đổi khí qua phổi nhờ thay đổi thông khí phế nang và ô xy hóa máu động mạch  Giảm gánh nặng chuyển hóa nhở giải phóng cơ hô hấp  Giảm tổn thương phổi do máy thở Mục tiêu lâm sàng  Giải quyết được tình trạng giảm Oxy hóa máu  Giải quyết được vấn đề suy hô hấp  Phòng và điều trị được xẹp phổi  Giải quyết được vấn đề mệt cơ hô hấp  Giảm mức tiêu thụ Oxy của tổ chức hoặc mức tiêu thụ Oxy của cơ tim  Cố định thành ngực 1.3 Tiến trinh phát triên của máy trợ thở hiện đại Trước khi máy thở ra đời, khi sự hô hấp gặp khó khăn, người ta thường áp dụng phương pháp hà hơi thổi ngạt để giúp bệnh nhân khôi phục hoạt động của hệ hô hấp. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ áp dụng cho những bệnh nhân bị nhẹ, còn trường hợp nặng thì phương pháp trên không giải quyết được. Thông khí nhân tạo bằng máy được sử dụng và lan rộng từ năm 1920 đến 1950 khi dịch bại liệt xuất hiện.

Khi đó máy Engstrom được 5 dùng phổ biến nhằm xử lý các trường hợp giảm thông khí phế nang theo phương thức thông khí nhân tạo điều khiển với áp lực dương tính ngắt quãng.1: Một thiết bị thông khí nhân tạp điều khiển áp lực dương ngắt quãng A – Nguồn cung cấp Oxy B – Bộ điều chỉnh lưu lượng Oxy C – Van thở ra. D – Mask Tiếp đó, người ta nghiên cứu làm giảm bớt tác dụng có hại của việc thông khí nhân tạo bằng cách sử dụng áp lực âm cuối kì thở ra để làm giảm áp lực trung bình trong phế nang. Sau đó, người ta rút ra kết luận NEEP có ưu điểm làm giảm áp lực trung bình đường dẫn khí MAP. Do đó, có thể cải thiện được huyết động nhưng lại nhận thấy rằng NEEP làm cho một số các phế nang đóng lại gây xẹp phổi ảnh hưởng đến sự thông khí.

Đến năm 1963, hai nhà nghiên cứu người Pháp là Poisvert và Cara lần đầu tiên áp dụng phương thức hô hấp nhân tạo với áp lực dương cuối kì thở ra cho những bệnh nhân phù phổi cấp. Ngày nay, khi khoa học kĩ thuật phát triển thì trên cùng một máy thở có thể sử dụng nhiều phương thức thông khí và có thể kiểm soát cả về thể tích và áp lực, đồng thời có hệ thống báo động khi gặp những thay đổi. Các máy thở như vậy gọi là máy thở hiện đại, và 6 các máy thở không còn sử dụng phương thức NEEP và phanh cản thở được thay thế bằng PEEP và PIP Hình 1.2: Các thành phần của áp lực dương thở trong thông khí cơ học 1.4 Đặt ra yêu cầu đề tài - Hiểu rõ về Arduino Uno, 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. - Hệ thống điều khiển và giám sát gồm 5 khối: khối nguồn, khối điều khiển, khối xử lý trung tâm, khối hiển thị, khối cảm biến và động cơ. 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 gồm mạch Arduino và Driver động cơ bước; khối động cơ gồm Hệ truyền động 7 bánh răng, Động cơ bước và Bộ bóng Ambu; khối cảm biến gồm có Cảm biến nhịp tim và SpO2; Khối hiển thị gồm màn hình LCD. 8 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2.1 Hệ thống hô hấp Hệ thống hô hấp, bao gồm: đường dẫn khí, mạch phổi, phổi và cơ hô hấp. Hỗ trợ cơ thể trao đổi khí giữa không khí và máu, và giữa máu và hàng tỷ tế bào của cơ thể. Hầu hết các cơ quan của hệ hô hấp giúp phân phối không khí, nhưng chỉ có các phế nang nhỏ, giống như chùm nho và các ống phế nang chịu trách nhiệm trao đổi khí thực sự.1: Hệ thống hô hấp ở người Ngoài việc phân phối không khí và trao đổi khí, hệ thống hô hấp sẽ lọc, làm ấm và làm ẩm không khí hít thở.

Các cơ quan trong hệ hô hấp cũng đóng một vai trò trong lời nói và khứu giác. Hệ thống hô hấp cũng giúp cơ thể duy trì cân bằng nội môi, hoặc cân bằng giữa nhiều yếu tố của môi trường bên trong cơ thể. - Hệ thống hô hấp được chia thành hai thành phần chính: 9 Đường hô hấp trên: Bao gồm mũi, hầu họng và thanh quản, các cơ quan của đường hô hấp trên nằm bên ngoài khoang ngực.  Khoang mũi: Bên trong mũi, màng nhầy dính trong khoang mũi bẫy các hạt bụi và những sợi lông nhỏ gọi là lông mao giúp di chuyển chúng đến mũi để hắt hơi hoặc thổi ra.

 Xoang: Những khoảng trống chứa đầy không khí dọc theo mũi giúp làm cho hộp sọ nhẹ hơn.  Cổ họng: Cả thực phẩm và không khí đều đi qua yết hầu trước khi đến đích thích hợp của chúng. Cổ họng cũng đóng một vai trò trong lời nói.  Thanh quản: Thanh quản rất cần thiết cho lời nói.

Đường hô hấp dưới: Bao gồm khí quản, phổi và tất cả các đoạn của cây phế quản (bao gồm cả phế nang), các cơ quan của đường hô hấp dưới nằm bên trong khoang ngực.