Đồ án: Thiết kế mô hình phòng sạch y tế tích hợp IoT và cảm biến

Tìm hiểu đồ án thiết kế mô hình phòng sạch y tế, ứng dụng cảm biến bụi, độ ẩm và kết nối IoT để giám sát, điều khiển chất lượng không khí hiệu quả.

• Tác giả: Lê Nguyễn Kim Ngân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trọng Hải
• Trường học: Trường Đại học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Y Sinh
• Đề tài: Thiết kế mô hình phòng sạch trong y tế
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và Tầm quan trọng của Phòng sạch Y tế

Phòng sạch y tế là những không gian được thiết kế đặc biệt để kiểm soát chất lượng không khí, độ ẩm và các tạp chất, nhằm bảo vệ sức khỏe bệnh nhân và nhân viên y tế. Trong bối cảnh dịch bệnh COVID-19 và các mối đe dọa vi sinh vật gây bệnh khác, việc duy trì một môi trường sạch sẽ tại các cơ sở y tế đã trở thành yếu tố then chốt. Những phòng sạch được lắp đặt tại các bệnh viện, phòng phẫu thuật, và khu vực khám chữa bệnh đóng vai trò không thể thiếu trong việc ngăn chặn lây nhiễm chéo. Mô hình phòng sạch hiện đại không chỉ đơn thuần là các phòng cách ly, mà còn là hệ thống tích hợp công nghệ cao với cảm biến thông minh và hệ thống theo dõi tự động để đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh quốc tế.

1.1. Định nghĩa phòng sạch y tế

Phòng sạch y tế là các không gian được kiểm soát dòng khí, độ ẩm và nồng độ bụi đạt tiêu chuẩn ISO 14644. Các phòng này sử dụng hệ thống lọc HEPA và trao đổi không khí liên tục để loại bỏ vi khuẩn, virus và các hạt bụi nhỏ có thể gây hại. Mục đích chính là tạo ra một môi trường vô khuẩn, an toàn cho các thủ tục y tế và bảo vệ bệnh nhân.

1.2. Vai trò trong phòng chống dịch bệnh

Trong giai đoạn bình thường mới, phòng sạch y tế đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu nguy cơ lây nhiễm. Các cơ sở y tế với hệ thống phòng sạch tiên tiến có thể kiểm soát hiệu quả các tác nhân gây bệnh, đặc biệt là các virus lây truyền qua không khí. Điều này góp phần bảo vệ cả bệnh nhân lẫn nhân viên y tế.

II. Nguyên lý thiết kế và cấu trúc hệ thống phòng sạch

Nguyên lý hoạt động của phòng sạch y tế dựa trên việc kiểm soát dòng chảy không khí, loại bỏ các tạp chất và duy trì áp suất không khí nhất định. Hệ thống thiết kế phòng sạch bao gồm nhiều thành phần tích hợp như bộ lọc HEPA, hệ thống điều hòa không khí, cảm biến DHT22 để đo độ ẩm và nhiệt độ, và cảm biến bụi PMS7003 để theo dõi nồng độ bụi trong không khí. Những thành phần này hoạt động điều hòa để duy trì các điều kiện tối ưu. Thiết kế mô hình phòng sạch hiện đại còn tích hợp công nghệ IoT để truyền dữ liệu lên Blynk Cloud, cho phép nhân viên y tế theo dõi chất lượng môi trường phòng sạch từ xa thông qua ứng dụng di động.

2.1. Hệ thống lọc và trao đổi không khí

Bộ lọc HEPA là thành phần chính trong hệ thống phòng sạch y tế, có khả năng loại bỏ 99.97% các hạt bụi từ 0.3 micromet trở lên. Hệ thống trao đổi không khí được thiết kế để tạo dòng chảy không khí một chiều từ trên xuống, giúp ngăn chặn sự lây nhiễm và duy trì áp suất dương trong phòng.

2.2. Hệ thống cảm biến thông minh và giám sát tự động

Cảm biến DHT22 giám sát độ ẩm và nhiệt độ thời gian thực, trong khi cảm biến bụi PMS7003 đo nồng độ hạt bụi và chất lượng không khí. Dữ liệu được xử lý bởi vi điều khiển và hiển thị trên màn hình LCD. Hệ thống còn kết nối IoT với Blynk Cloud để cho phép nhân viên theo dõi từ xa.

III. Các tính năng chính của mô hình phòng sạch tích hợp

Mô hình phòng sạch được phát triển tích hợp nhiều tính năng hiện đại nhằm hỗ trợ nhân viên y tế quản lý hiệu quả chất lượng phòng sạch. Một trong những tính năng chính là máy rửa tay khử khuẩn tự động được trang bị cảm biến MLX90614 (cảm biến hồng ngoại) để phát hiện sự có mặt của tay người dùng. Khi phát hiện, hệ thống tự động kích hoạt 4 vòi phun để phun dung dịch sát khuẩn với lượng tối ưu, sau đó tự động ngắt. Tính năng giám sát IoT cho phép dữ liệu về độ ẩm, nồng độ bụi được gửi đến điện thoại thông minh của nhân viên, giúp họ theo dõi tình trạng vệ sinh phòng sạch bất kỳ lúc nào.

3.1. Máy rửa tay sát khuẩn cảm ứng tự động

Máy rửa tay cảm ứng sử dụng cảm biến MLX90614 để phát hiện tín hiệu nhiệt từ bàn tay. Người dùng chỉ cần xòe bàn tay vào buồng sát khuẩn, máy sẽ tự động phun dung dịch với lượng chính xác, sau đó tự động dừng khi đạt dung lượng tối ưu. Tính năng này giúp giảm sự lây nhiễm chéo và tiết kiệm dung dịch sát khuẩn.

3.2. Hệ thống giám sát và thông báo thông minh

Dữ liệu từ các cảm biến được truyền lên Blynk Cloud thông qua kết nối IoT. Ứng dụng Blynk được lập trình bằng ngôn ngữ C cho phép nhân viên xem biểu đồ thực tế về chất lượng không khí, nồng độ bụi và độ ẩm. Hệ thống có thể cảnh báo tự động khi các chỉ số vượt ngưỡng cho phép, giúp nhân viên y tế kịp thời điều chỉnh môi trường phòng sạch.

IV. Ứng dụng thực tiễn và lợi ích của mô hình phòng sạch y tế

Mô hình phòng sạch y tế được thiết kế có thể lắp đặt tại nhiều loại cơ sở y tế khác nhau như bệnh viện, phòng phẫu thuật, phòng khám chuyên khoa, và các khu vực tiếp nhận bệnh nhân. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống này mang lại những lợi ích đáng kể: giảm nguy cơ lây nhiễm cho bệnh nhân và nhân viên, nâng cao chất lượng dịch vụ y tế, và tuân thủ các tiêu chuẩn vệ sinh quốc tế. Với khả năng theo dõi từ xa thông qua ứng dụng di động, các quản lý cơ sở y tế có thể kiểm soát vệ sinh phòng sạch một cách hiệu quả hơn. Những lợi ích về chi phí cũng được cải thiện nhờ máy rửa tay tự động giúp tiết kiệm dung dịch sát khuẩn và giảm nhân công quản lý phòng.

4.1. Áp dụng trong các cơ sở y tế

Mô hình phòng sạch có thể được lắp đặt tại phòng phẫu thuật, phòng ICU, phòng khám chuyên khoa và khu vực cấp cứu. Mỗi vị trí có yêu cầu vệ sinh khác nhau, nhưng hệ thống tích hợp này có khả năng điều chỉnh linh hoạt để phù hợp với các tiêu chuẩn ISO 14644. Điều này giúp nâng cao chất lượng dịch vụ và bảo vệ sức khỏe cho bệnh nhân và nhân viên.

4.2. Lợi ích về kinh tế và hiệu quả quản lý

Hệ thống phòng sạch tự động giúp giảm chi phí nhân công bằng cách tự động hóa quá trình sát khuẩn. Máy rửa tay cảm ứng tiết kiệm dung dịch sát khuẩn so với các phương pháp thủ công. Khả năng giám sát IoT giúp cơ sở y tế phát hiện sớm các vấn đề về vệ sinh phòng, từ đó tối ưu hóa chi phí bảo trì và nâng cao hiệu quả quản lý.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay, vấn đề Kiểm soát nhiễm khuẩn (có vai trò rất quan trọng trong khám bệnh, chữa bệnh. Khi để xảy ra nhiễm khuẩn mắc phải do chăm sóc y tế sẽ dẫn đến hậu quả nghiêm trọng thậm chí là tử vong với người bệnh, làm giảm uy tín, lòng tin của người dân với cơ sở y tế. Vấn đề khử khuẩn tại các bệnh viện đặt biệt là một số vực đặc biệt như phòng mổ và khu cách ly được đặt lên hàng đầu nhất là trong hai năm gần đây (2020 – 2021) kể từ khi đại dịch COVID-19 bùng phát lên toàn cầu. Mặc dù bệnh nhân đã được điều trị khỏi thì phổi vẫn bị tổn thương và không thể hồi phục như ban đầu được.

Đối với phòng bệnh dành cho bệnh nhân và bệnh nhân sau khi xuất viện thì cần một đội ngũ nhân viên vệ sinh cũng như là khử khuẩn để đảm bảo về mặt an toàn chống nhiễm khuẩn ở bệnh viện, cũng như đề phòng lây nhiễm chéo cho nhân viên y tế, phòng trường hợp nhiễm trùng bệnh viện cho bệnh nhân tiếp theo tiếp nhận điều trị. Nắm được tình trạng thực tế như hiện nay, không chỉ về bệnh Covid-19, mà còn đối với các nhóm bệnh khác như lao phổi hay các bệnh truyền nhiễm khác… Trong bệnh viên có nhiều phòng, khoa khác nhau và các loại vi khuẩn bệnh lý cũng khác nhau nên vấn đề khử khuẩn cho từng phòng, khoa rất quan trọng. Nhất là các phòng mổ, khu vực phòng ICU nên vấn đề khử khuẩn cho từng khu vực rất quan trọng vì vậy cần có hệ thống phòng sạch thích hợp và phù hợp với từng khu vực. Nắm được vấn đề thực tế trên, nhóm đồ án đã vận dụng hết những kiến thức đã học để tiến hành thực hiện mô hình “Thiết kế mô hình phòng sạch trong y tế”.

Các điều kiện không có bụi bẩn và vi khuẩn được cung cấp bởi các phòng sạch là điều cần thiết cho hầu hết các ngành y tế hiện đại. Nếu không có các điều kiện sạch sẽ, các sản phẩm sẽ bị nhiễm bẩn và hỏng hóc hoặc trở nên nguy hiểm cho con người. Trong những năm gần đây, số lượng phòng sạch đã tăng lên đáng kể. Hiện nay chúng được sử dụng để sản xuất các mặt hàng được sử dụng trong máy tính, ô tô, máy bay, tàu vũ trụ, tivi, đầu đĩa và nhiều thiết bị điện tử và cơ khí khác, cũng như sản xuất thuốc, thiết bị y tế và thực phẩm tiện lợi.

Sự gia tăng nhanh chóng trong việc sử dụng phòng sạch đã tạo ra nhu cầu về thông tin chất lượng tốt về phòng sạch mà không bị 'thổi phồng' thuật 1 ngữ bán hàng và tiếp thị. Thông tin cũng được yêu cầu để dạy cho nhân viên sản xuất về môi trường làm việc của họ. Công nghệ phòng sạch có thể được chia thành ba phần: thiết kế, thử nghiệm và vận hành. Phòng sạch phải được thiết kế và xây dựng đầu tiên; sau đó chúng phải được kiểm tra để đảm bảo chúng đạt được đặc điểm kỹ thuật thiết kế của mình và tiếp tục làm như vậy; cuối cùng chúng phải được vận hành sao cho giảm thiểu ô nhiễm.Để tài này trình bày một cách tổng thể ba khía cạnh chính của công nghệ phòng sạch.

Đề tài này cho ta cái nhìn tổng quan về các nguyên tắc cơ bản của thiết kế, thử nghiệm và vận hành phòng sạch và máy rửa tay khử khuẩn. Mục tiêu và nội dung thực hiện Thiết bị rửa tay khử khuẩn lập trình để điều chỉnh lượng dung dịch sát khuẩn phù hợp với yêu cầu mức độ sát khuẩn cao hơn như tại phòng mổ hay phòng xét nghiệm vi sinh. Thiết kế phòng sạch: kích thước, cấu trúc và vị trí phù hợp để tạo điều kiện thuận lợi cho việc vệ sinh, bảo trì và vận hành thích hợp, lập kế hoạch về không gian thích hợp để sắp xếp thiết bị và vật liệu có trật tự nhằm ngăn ngừa sự lẫn lộn và ô nhiễm, thiết kế lối đi dành cho nguyên liệu & con người thích hợp để ngăn ngừa ô nhiễm. Phạm vi nghiên cứu - Mô hình đồ án chỉ áp dụng tại một số khu vực phòng khoa của bệnh viện,phòng khám và các cơ sở y tế với các hóa chất theo quy định của Bộ Y Tế.

- Mô hình chỉ hoạt động ở những nơi có kết nối mạng như: wifi và 3G, 4G,…. - Mô hình chỉ được sử dụng ở một số phòng khoa đơn giản, ít thiết bị. Bố cục và thời gian nghiên cứu Bảng 1: Thời gian và nội dung thực hiện đề tài Tuần lễ Ngày Nội dung Tìm hiểu về thực trạng về tình hình chống nhiễm 1 17/5 – 23/5 khuẩn tại các cơ sở y tế. Nghiên cứu sản phẩm có mặt trên thị trường.

2 Tìm hiểu về nhu cầu thực tế. 2 24/5 – 30/5 Tìm hiểm về quy định của Bộ Y Tế. Lên ý tưởng về mô hình. 3 31/5 – 6/6 Thiết kế lưu đồ giải thuật.

4 7/6 – 13/6 Tìm hiểu lựa chọn linh kiện cho phù hợp với mô hình sản phẩm. Xây dựng hệ thống, viết báo cáo 5 14/6 – 20/6 Thiết kế bản vẽ, viết báo cáo 6 21/6 – 27/6 7 28/6 – 4/7 Chạy thử nghiệm mô hình 8 05/7 - 15/7 Chạy thử nghiệm mô hình 9 15/7- 23/07 Hoàn chỉnh báo cáo 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN THỰC TRẠNG, GIẢI PHÁP KIỂM SOÁT PHÒNG SẠCH Ở CÁC CƠ SỞ Y TẾ VÀ THIẾT BỊ MÁY RỬA TAY KHỬ KHUẨN 2. Định nghĩa phòng sạch Phòng sạch (cleanroom) là một phòng được xây dựng và sử dụng để giảm thiểu sự ra vào và lưu giữ các hạt trong không khí, đồng thời kiểm soát các thông số liên quan khác trong phòng như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khi cần thiết. Khi tất cả các yếu tố trong phòng đều được kiểm soát sẽ giúp hạn chế tối đa việc nhiễm khuẩn hoặc nhiễm chéo của sản phẩm trong quá trình nghiên cứu, sản xuất đảm bảo vô trùng [3].

Hiện nay, phòng sạch đang ngày càng phổ biến và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp dược phẩm, thực phẩm, mỹ phẩm, công nghệ sinh học… các ngành yêu cầu về việc kiểm soát mức độ bụi và các thành phần trong không khí.1: Phòng sạch tại cơ sở y tế *Phân loại 4 Bảng 2: Bảng phân loại phòng sạch [4] Loại Loại Phòng sạch STT Phòng Ứng dụng trong tiếng anh sạch Áp dụng cho phòng sạch thuộc (Cleanroom Class các nhà máy sản xuất mạch tích 1 Loại 1 1) hợp với công nghệ kích thước siêu nhỏ. Áp dụng cho loại phòng thuộc (Cleanroom Class các nhà máy sản xuất bán dẫn 2 Loại 10 10) dùng sản xuất các mạch tích hợp có bề rộng dưới 2 ILm. Loại phòng sạch đòi hỏi không có vi khuẩn, bụi để sử dụng sản xuất các loại thuốc tiêm vô khuẩn. Loại phòng sạch hậu phẫu sau phẫu thuật cấy mô xương.

5 Loại phòng sản xuất trang thiết bị quang học chất lượng cao. Loại (Cleanroom Class 4 Loại phòng sản xuất bạc đạn 1000 1000) kích thước siêu nhỏ. Loại phòng lắp ráp trang thiết bị thủy lực, khí nén, các loại van điều khiển trợ động, các thiết bị định giờ và bộ truyền động chất Loại (Cleanroom Class lượng cao. 5 10,000 10,000) Loại phòng để sử dụng sản xuất các loại thuốc tiêm vô khuẩn.

Loại phòng dùng cho công việc liên quan đến quang học. Loại (Cleanroom Class Loại phòng dùng lắp ráp linh 6 100,000 100,000) kiện điện tử, thủy lực và khí nén Loại phòng sạch dùng để sản xuất dược phẩm, thực phẩm. *Nguyên tắc trong phòng sạch Phải duy trì luồng không khí sạch thông qua việc sử dụng một trong hai bộ lọc không khí (HEPA) hoặc (ULPA) áp dụng nguyên lý dòng không khí thắng (Laminar) hoặc dòng không khí hỗn loạn (Turbulent) trong phòng sạch. 6 Dòng không khí thẳng (dòng không khí một chiều) là hệ thống luồng không khí được chuyển giao trực tiếp từ bộ lọc không khí từ trần nhà đi xuống xuôi theo một dòng.

Hệ thống luồng không khí thẳng thường được sử dụng hoàn toàn 100% của trần nhà để chuyển giao không khí đi xuống và duy trì không khí liên tục theo hướng một chiều. Dòng không khí thẳng đặt được mức tiêu chuẩn thường được chú trọng tại khu vực công nhân tập trung làm việc được quy định trong tiêu chuẩn ISO-1 đến tiêu chuẩn ISO-4 bởi nguyên tắc phân loại phòng sạch tiêu chuẩn quốc tế ISO. Lịch sử của phòng sạch Phòng sạch lần đầu tiên được sử dụng trong lĩnh vực y tế. Và hệ thống phòng sạch sử dụng cho sản xuất được bắt đầu sử dụng vào thời gian chiến tranh thế giới thứ hai để cải tiến các súng ống, vũ khí quân sự.

Cho đến lúc này, phòng sạch mới chỉ ở mức sơ khai là làm sạch bằng cách hệ thống hút bụi và hút ẩm đơn giản, khác xa so với ngày nay. Theo thời gian, phòng sạch được phát triển thêm một bước nhờ sự thúc đẩy từ các ngành nghiên cứu về hạt nhân, sinh và hóa dẫn sự ra đời của các hệ thống lọc không khí. Các phòng sạch với dung tích lớn, hệ thống lọc không khí tốt bắt đầu phát triển mạnh từ năm 1955. Yêu cầu đặt ra cho họ là các phòng sạch không nhiễm bụi, và từ đó hệ thống phòng sạch đươc phát triển, với các hệ thống lọc, các hệ thống điều khiển, các quần áo bảo hộ nhằm chống bụi bẩn cho phòng… được phát triển như ngày nay.

Và hiện nay, phòng sạch được sử dụng cho nhiều lĩnh vực: y tế, khoa học và kỹ thuật vật liệu, linh kiện điện tử, lý, hóa, sinh, cơ khí chính xác [5]. Nhu cầu về sử dụng mô hình phòng sạch Phòng sạch là một hiện tượng hiện đại. Mặc dù nguồn gốc của thiết kế và quản lý phòng sạch đã có từ hơn 100 năm trước và bắt nguồn từ việc kiểm soát lây nhiễm trong bệnh viện, nhu cầu về một môi trường sạch cho sản xuất công nghiệp là một yêu cầu của xã hội hiện đại. Phòng sạch là cần thiết vì con người, máy móc sản xuất và cấu trúc tòa nhà có thể tạo ra ô nhiễm.

Như sẽ được thảo luận ở phần sau của cuốn sách này, con người và máy móc tạo ra hàng triệu hạt, và các vật liệu xây dựng thông thường có thể dễ dàng bị phá vỡ. Phòng sạch kiểm soát sự phân tán này và cho phép sản xuất được thực hiện trong một môi trường sạch sẽ. 7 Vai trò của phòng sạch trong ngành Y tế là không thể phủ nhận được, những lợi ích mà nó mang lại là rất lớn. Từ những phòng khử trùng, phòng kho thuốc, điều chế, thử nghiệm và đặc biệt trong những phòng phẫu thuật.