Thiết kế thiết bị giá rẻ hiệu chuẩn thể tích cho máy thở tự chế

Khám phá thuật toán xử lý ảnh thời gian thực sàng lọc nhanh bệnh rối loạn tiền đình. Giải pháp công nghệ tiên tiến cho chẩn đoán y khoa chính xác.

• Tác giả: Nguyễn Tiến Thành
• Người hướng dẫn: TS. Đào Việt Hùng
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh
• Đề tài: Thiết kế và phát triển thiết bị giá thành thấp giúp hiệu chuẩn thể tích cho máy thở tự chế trong các đại dịch
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết bị hiệu chuẩn máy thở tự chế

Trong bối cảnh đại dịch COVID-19, nhu cầu về máy thở tự chế tăng đột biến trên toàn thế giới. Thiết bị hiệu chuẩn máy thở đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng và độ chính xác của các thiết bị hỗ trợ hô hấp này. Tuy nhiên, các phương pháp hiệu chuẩn truyền thống thường có chi phí cao và không phù hợp với điều kiện kinh tế khó khăn. Do đó, việc thiết kế thiết bị hiệu chuẩn giá rẻ trở thành yêu cầu cấp bách. Giải pháp này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao tính khả dụng của máy thở tự chế trong các tình huống khẩn cấp. Với sự phát triển của công nghệ điện tử và các cảm biến thông minh, việc xây dựng một hệ thống hiệu chuẩn hiệu quả với giá thành thấp là hoàn toàn khả thi.

1.1. Khái niệm và vai trò của hiệu chuẩn máy thở

Hiệu chuẩn máy thở là quá trình xác minh và điều chỉnh độ chính xác của thiết bị để đảm bảo nó hoạt động theo tiêu chuẩn y tế. Quá trình này bao gồm kiểm tra thể tích khí được cung cấp, áp suất đường thở, và các thông số khác. Với máy thở tự chế, hiệu chuẩn trở nên đặc biệt quan trọng vì chúng không trải qua quy trình kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt như máy thở công nghiệp. Một thiết bị hiệu chuẩn giá rẻ có thể giúp các cơ sở y tế kiểm tra độ chính xác mà không tốn quá nhiều ngân sách.

1.2. Tình trạng thiếu hụt thiết bị hiệu chuẩn

Thực trạng cho thấy rất ít cơ sở y tế, đặc biệt là ở các nước đang phát triển, có khả năng tiếp cận thiết bị hiệu chuẩn chuyên dụng với chi phí hàng chục đến trăm triệu đồng. Điều này dẫn đến tình trạng nhiều máy thở tự chế được sử dụng mà không được hiệu chuẩn đúng cách, gây rủi ro cho bệnh nhân. Nhu cầu cấp bách về một giải pháp hiệu chuẩn giá rẻ đã thúc đẩy các nhà khoa học phát triển những thiết bị mới sử dụng công nghệ sẵn có.

II. Phương pháp water displacement trong hiệu chuẩn

Phương pháp water-displacement (đo nước chiếm chỗ) là một giải pháp trực tiếp, chính xác cao để đo thể tích khí từ máy thở. Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên lý: khi khí được đẩy vào trong một chuông úp ngược đã nhấn chìm trong nước, thể tích của khí sẽ làm chuông nổi lên. Bằng cách đo sự dịch chuyển của chuông, ta có thể tính toán chính xác thể tích khí được cung cấp. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là độ chính xác cao, đặc biệt khi lưu lượng khí nhỏ. Điều này khác biệt so với các phương pháp đo gián tiếp thông qua cảm biến, thường gặp sai số lớn ở lưu lượng thấp. Ngoài ra, phương pháp này sử dụng vật liệu đơn giản, dễ tìm kiếm, giúp giảm đáng kể chi phí thiết bị hiệu chuẩn.

2.1. Nguyên lý hoạt động của water displacement

Khi khí từ máy thở được đưa vào chuông qua ống dẫn khí kín, nó sẽ tạo ra lực nổi làm chuông dâng lên. Sự dâng lên này tỷ lệ thuận với thể tích khí được cung cấp. Một encoder quang học gắn trên chuông sẽ đọc chính xác khoảng chuyển dịch này. Dữ liệu từ encoder được xử lý bởi một thuật toán thông minh để tính toán thể tích thực của khí, loại bỏ các sai số từ các yếu tố như độ nhớt của khí, nhiệt độ.

2.2. Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm chính là độ chính xác cao, không bị ảnh hưởng bởi lưu lượng khí nhỏ. Chi phí thấp vì sử dụng vật liệu sẵn có. Tuy nhiên, nhược điểm bao gồm yêu cầu môi trường ổn định (nhiệt độ, áp suất), và cần không gian lắp đặt nhất định. Để khắc phục, thiết bị hiệu chuẩn giá rẻ này cần được thiết kế với ngôi nhà chống ảnh hưởng ngoại cảnh.

III. Thiết kế và các thành phần của thiết bị hiệu chuẩn

Thiết bị hiệu chuẩn máy thở tự chế được thiết kế với kiến trúc đơn giản nhưng hiệu quả, bao gồm các thành phần chủ yếu: chuông nhựa, bình nước, ống dẫn khí, encoder, bo mạch điện tử, và hệ thống xử lý dữ liệu. Chuông được chọn là vật liệu nhựa thông thường để giảm trọng lượng và chi phí. Bình nước được thiết kế kín để đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Bo mạch điện tử sử dụng microcontroller AVR để xử lý tín hiệu từ encoder quang học. Một thuật toán được lập trình sẵn sẽ tự động tính toán sai số và hiển thị thể tích khí chính xác trên màn hình LCD. Toàn bộ thiết bị được lắp đặt với mục tiêu dễ sử dụng, không cần đào tạo phức tạp. Chi phí sản xuất được tối ưu hóa bằng cách sử dụng các linh kiện điện tử phổ biến và sẵn có trên thị trường.

3.1. Các thành phần cơ học chính

Chuông úp ngược làm từ nhựa cứng, đường kính được thiết kế để đạt độ nhạy cao. Ống dẫn khí được sử dụng vật liệu silicone y tế để đảm bảo an toàn. Bình nước thủy tinh hoặc nhựa acrylic với thể tích đủ lớn để chuông có thể chuyển động liên tục. Cơ cấu dẫn hướng giúp chuông chuyển động thẳng đứng mà không bị lệch, đảm bảo độ chính xác đo lường.

3.2. Hệ thống điện tử và xử lý dữ liệu

Encoder quang học gắn trực tiếp với chuông, có độ phân giải cao (thường 1000 xung/vòng hoặc hơn). Microcontroller AVR đọc tín hiệu từ encoder, tính toán vị trí, và xử lý thuật toán hiệu chuẩn được lập trình sẵn. Màn hình LCD hiển thị thể tích khí thực tế theo thời gian thực. Bộ pin hoặc nguồn AC cung cấp điện năng cho toàn hệ thống, thiết kế để sử dụng lâu dài mà không cần thay thế thường xuyên.

IV. Ưu điểm và ứng dụng thực tiễn

Thiết bị hiệu chuẩn máy thở tự chế giá rẻ mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho các cơ sở y tế, đặc biệt là những nơi có điều kiện kinh tế khó khăn. Với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ so với các thiết bị hiệu chuẩn truyền thống (từ vài triệu đến chục triệu đồng thay vì trăm triệu), các bệnh viện tuyến quân y có thể trang bị thiết bị này để kiểm tra chất lượng máy thở tự chế. Độ chính xác cao, nhất là ở lưu lượng khí thấp, đảm bảo rằng các máy thở tự chế được hiệu chuẩn chính xác trước khi sử dụng cho bệnh nhân. Tính dễ sử dụng không yêu cầu nhân viên chuyên môn cao, giúp nó có thể triển khai nhanh chóng. Ngoài ra, thiết bị này có ý nghĩa khoa học, cung cấp dữ liệu đáng tin cậy cho các nghiên cứu về máy thở tự chế trong tình huống khẩn cấp, góp phần hoàn thiện công nghệ y tế địa phương.

4.1. Lợi ích kinh tế và tính khả thi

Chi phí sản xuất được tối ưu hóa bằng cách sử dụng vật liệu sẵn có và linh kiện điện tử phổ biến. Mỗi thiết bị hiệu chuẩn có thể được sản xuất với chi phí rất thấp, làm cho nó dễ tiếp cận cho các bệnh viện nhỏ. Khả năng sửa chữa dễ dàng vì các linh kiện là tiêu chuẩn, không cần chuyên gia nước ngoài. Hiệu quả chi phí rất cao, giúp các cơ sở y tế tiết kiệm ngân sách để sử dụng vào các lĩnh vực y tế khác.

4.2. Ứng dụng trong các đại dịch và tình huống khẩn cấp

Trong bối cảnh đại dịch, khi lượng máy thở tự chế được sản xuất lớn, nhu cầu kiểm tra chất lượng tăng lên đáng kể. Thiết bị hiệu chuẩn giá rẻ cho phép các cơ sở y tế kiểm tra hàng loạt máy thở một cách nhanh chóng. Việc hiệu chuẩn chính xác giảm rủi ro bệnh nhân bị cấp khí không chính xác, có thể gây biến chứng hoặc tử vong. Thiết bị này cũng có thể được sử dụng để đào tạo nhân viên về tầm quan trọng của hiệu chuẩn trong điều trị hô hấp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Trong chương này, tác giả trình bày tổng quan về máy thở và tầm quan trọng của máy thở trong y tế; thực trạng về sự thiếu hụt máy thở trong đại dịch Covid-19 trên thế giới và tại Việt Nam; nhu cầu hiệu chuẩn thể tích cho các máy thở tự chế trong điều kiện thiếu thốn về công cụ. Từ đó xác lập được tầm quan trọng và tính thiết thực của đề tài.1 Giới thiệu chung Máy thở là thiết bị y tế phục vụ cho thở máy. Thở máy hay còn gọi là thông khí cơ học (nhân tạo) là một hình thức hỗ trợ hay thay thế hoàn toàn chức năng hô hấp của phổi, lồng ngực và các bộ phận có liên quan.

Sự ra đời của việc sử dụng máy thở cơ học trên toàn thế giới cho bệnh nhân bại liệt vào những năm 1950, máy thở đã hỗ trợ cứu sống cho hàng triệu người [1]. Và từ đó, máy thở được phổ biến và sử dụng rộng khắp toàn thế giới để hỗ trợ hô hấp cho bệnh nhân. Hiện nay, máy thở có nhiều biến thể khác nhau, được áp dụng nhiều công nghệ tiên tiến hiện đại. Bệnh nhân có thể được hỗ trợ thở máy thông qua ống nội khí quản hoặc ống mở khí quản (xâm nhập – Hình 1.2) và qua mặt nạ (không xâm nhập – Hình 1.3) tùy thuộc vào tình trạng của bệnh nhân.

Hệ thống này được kết nối với máy thở để thực hiện nhiều công việc khác nhau: vừa đẩy hỗn hợp không khí và oxy (O2) vào phổi, vừa lấy khí, chất thải ra khỏi lồng ngực cho đến khi khả năng hô hấp của bệnh nhân hồi phục.1 Thở máy thông qua ống nội khí quản 1 Hình 1.1 mô tả hỗ trợ thở máy thông qua ống nội khí quản với A là đường để thổi phồng/xì hơi vòng bít; B là đường chọc hút dịch tiết dưới thanh quản; C là nắp thanh quản; D là ETT cuff (bóng chèn); E là vùng chứa dịch tiết dưới thanh quản.2 Thở máy thông qua ống mở khí quản Hình 1.3 Thở máy thông qua mặt nạ khí 1.2 Cơ chế hoạt động của máy thở Để thực hiện quá trình thông khí, các máy thở đều hoạt động dựa vào nguyên lý tạo ra chênh lệch áp lực nhằm đưa khí vào trong và ra ngoài phổi của bệnh nhân. Muốn tạo ra sự chênh lệch áp lực này, các máy thở có thể áp dụng áp lực dương, áp lực âm hoặc phối hợp cả hai. Máy thở áp lực âm Hình 1.4 Cơ chế thở máy áp lực âm Các máy thở áp lực âm tạo ra áp lực âm bên ngoài lồng ngực. Áp lực âm ngoài lồng ngực làm thành ngực nở ra (phồng lồng ngực) và không khí theo hệ thống dẫn khí đi vào phổi bệnh nhân.

Các máy thở loại này có vẻ rất sinh lý khi tạo ra nhịp thở giống với nhịp thở tự nhiên; nhưng khó kiểm soát thông khí cho bệnh nhân và có nhiều hạn chế [2]. Máy thở điển hình cho loại này là “phổi thép” (“iron lung”). Nguyên tắc của máy thở áp lực âm được thể hiện trong Hình 1.4:  Hít vào: Bơm hút, tạo ra áp suất âm trong chamber; làm cho lồng ngực phồng lên dẫn đến áp suất trong lồng ngực giảm; làm cho luồng khí đi vào phổi.  Thở ra: Bơm ngừng hút, tạo ra cân bằng áp suất do đó sẽ có chu trình ngược lại thì hít vào.

Máy thở áp lực dương Các máy thở áp lực dương tạo ra áp lực dương bên trong phổi. Áp lực dương trong phổi làm cho căng và nở phổi ra. Các máy thở loại này lại tạo ra áp lực dương trong lồng ngực, ngược với sinh lý nhịp thở tự nhiên. Tuy vậy, đây là loại máy thở được dùng phổ biến để hỗ trợ hô hấp và cho phép các bác sỹ can thiệp sâu và kiểm soát tốt hơn thông khí của bệnh nhân.

Nguyên tắc của máy thở áp lực dương được thể hiện trong Hình 1.5:  Hít vào: Tạo ra áp lực dương ở Piston giúp bơm không khí vào phổi.  Thở ra: Ngừng áp lực dương và van thở ra mở làm cho không khí từ phổi đi ra ngoài.5 Cơ chế thở máy áp lực dương 1.3 Vai trò của máy thở trong điều trị Máy thở là một máy hỗ trợ thở, được sử dụng chủ yếu trong bệnh viện và các cơ sở phục hồi chức năng. Các vấn đề hoặc tình trạng sức khỏe khiến bệnh nhân khó thở thì cần sử dụng đến sự trợ giúp của máy thở. Mục đích chính của thở máy là cải thiện O2 trong máu và đảm bảo thông khí phế nang cho bệnh nhân.

Sự trợ giúp của thở máy nhằm duy trì hợp lý thông khí phế nang bằng cách bơm (thổi) hỗn hợp khí mới vào phổi và tạo điều kiện để hỗn hợp khí cũ thải ra ngoài môi trường. Vì vậy, thở máy còn giúp làm giảm công thở của bệnh nhân cho đến khi bệnh nhân có khả năng tự thở một cách ổn định; nó đảm bảo rằng bệnh nhân nhận được đầy đủ O2 và khí carbon dioxide (CO2) được loại bỏ giúp bệnh nhân nhanh chóng phục hồi khi mỏi cơ hô hấp. Ngoài ra, thở máy còn giúp chủ động kiểm soát thông khí khi có nhu cầu sử dụng cùng thuốc trong một số trường hợp cụ thể. Máy thở giúp quá trình hô hấp của bệnh nhân ổn định trong khi các loại thuốc và phương pháp điều trị giúp họ hồi phục.

Bệnh nhân có thể cần các loại thuốc được cung cấp qua ống thở. Một số dạng thuốc được sử dụng thông qua ống thở như thuốc dạng khí dung (dạng xịt). Những loại thuốc này có thể được nhắm đến các mục tiêu trong đường thở hoặc phổi. Ba nhóm thuốc chính được cung cấp qua đường hô hấp cho bệnh nhân thở máy bao gồm thuốc giãn phế quản, corticosteroid và kháng sinh [3].

Hiệu quả của thuốc phụ thuộc vào liều lượng và vị trí lắng đọng. Lợi ích lâm sàng của thuốc giãn phế quản cao hơn khi liều hiệu quả được lắng đọng. Tuy nhiên, việc 4 tăng liều sẽ khiến bệnh nhân gặp phải các tác dụng phụ có thể xảy ra (ho, nhịp tim nhanh, run, …) [4, 5]. Đối với kháng sinh dạng hít, nên tăng nồng độ tối đa tại vị trí phổi bị nhiễm trùng để có được tác dụng diệt khuẩn hiệu quả theo các đặc điểm dược động học - dược lực học của thuốc [6].

Vì vậy ta có thể tổng kết lại, những lợi ích chính của thở máy:  Người bệnh không phải dành năng lượng để thở nên cơ hô hấp của người bệnh có thời gian được nghỉ ngơi.  Cơ thể bệnh nhân có thời thời gian hồi phục và nếu cần, có thêm sự trợ giúp của thuốc cùng đường ống thở.  Giúp người bệnh nhận đủ O2 và loại bỏ CO2.  Bảo vệ đường hô hấp và ngăn ngừa tổn thương do hít phải dịch từ dạ dày.

Tuy nhiên cần lưu ý, thở máy không làm lành bệnh của người bệnh. Thay vào đó, thở máy cho phép người bệnh có tình trạng ổn định trong khi bác sĩ sử dụng thuốc và phương pháp điều trị khác để điều trị bệnh hoặc chấn thương.4 Những rủi ro khi sử dụng máy thở Có nhiều chấn thương và tình trạng có thể gây suy hô hấp và cần đến sự trợ giúp của thở máy, bao gồm:  Chấn thương đầu.  Các bệnh liên quan đến phổi.  Chấn thương tủy sống.

 Bệnh bại liệt.  Hội chứng suy hô hấp sơ sinh.  Hội chứng suy hô hấp cấp tính (ARDS).  Nhiễm trùng huyết.

 Ngoài ra, các bác sĩ còn sử dụng máy thở cho những người sau phẫu thuật sẽ không thể tự thở do thuốc mê. Có nhiều loại máy thở khác nhau và mỗi loại cung cấp các mức hỗ trợ khác nhau. Bác sĩ và các nhân viên y tế sẽ sử dụng tùy thuộc vào tình trạng của mỗi người. Có một vấn đề cần lưu tâm đến để có thể giảm thiểu ảnh hưởng xấu của thở máy với bệnh nhân là những rủi ro khi sử dụng máy thở:  Rất dễ bị nhiễm trùng phổi mà có thể khó điều trị.

5  Máy thở có thể gây tổn hại phổi điển hình là xẹp phổi, xảy ra khi phổi không giãn nở hoàn toàn, làm giảm lượng O2 đi vào máu.  Bệnh nhân có thể hít phải các chất lạ vào đường thở (ví dụ như nước bọt), xảy ra do áp suất không khí cao hoặc nồng độ O2 cao gây phù phổi; tràn khí màng phổi liên quan đến việc không khí rò rỉ từ phổi vào không gian ngay bên ngoài gây đau, khó thở.  Nếu phải thông lỗ để đưa ống thở vào khí quản, đường thở có thể bị chảy máu.  Ống thở có thể làm hỏng dây thanh quản và gây khó khăn để nói chuyện, là hậu quả của cục máu đông trong ống nội khí quản hoặc vết loét do nằm một tư thế trong thời gian dài.

 Nếu một người nằm máy thở trong thời gian dài sẽ mê sảng, có thể dẫn đến sang chấn tâm lý hoặc rối loạn căng thẳng sau chấn thương.  Ngoài ra, hoạt động và cử động của bệnh nhân bị hạn chế đáng kể khi đang thở máy.2 Thực trạng về sự thiếu hụt máy thở trong đại dịch Covid-19 trên thế giới và tại Việt Nam, và sự ra đời của máy thở tự chế 1.1 Trên thế giới Đại dịch COVID-19 là một bệnh truyền nhiễm do Coronavirus mới gây ra. Đây là một căn bệnh nguy hiểm và rất dễ lây lan bắt nguồn từ Vũ Hán, Trung Quốc vào cuối tháng 12 năm 2019 [7]. Hiện tại đại dịch này đã lan rộng ra toàn cầu mà chưa có phương pháp điều trị đặc hiệu.

Một khi Covid-19 thâm nhập vào cơ thể thì gần như bất kì cơ quan nào cũng đều chịu tổn thương. Trong đó hai lá phổi chính là “mặt trận” chính, chịu nhiều sự tàn phá nhất từ mầm bệnh nguy hiểm này. Tình trạng sức khỏe và sự hồi phục của bệnh nhân gần như phụ thuộc hoàn toàn vào sức đề kháng cũng như có hay không mắc bệnh nền của người bệnh. Chỉ trong thời gian ngắn ba tháng từ ngày bùng dịch, đại dịch đã gây ảnh hưởng đến 2.1 triệu người và gây ra cái chết cho hơn 145 nghìn bệnh nhân [8].

Và tính đến đầu tháng 7 năm 2020, trong tổng số 8 triệu trường hợp mắc bệnh đã có hơn 450 nghìn ca tử vong trên toàn cầu [9]. Đây là những con số rất đáng báo động nói lên sự nguy hiểm và khả năng lây lan của đại dịch này. 6 Đại dịch Covid-19 cực kì nguy hiểm đã làm cho rất nhiều bệnh nhân phải nhập viện hay trung tâm điều trị với tình trạng hô hấp khó khăn và có những người phải cần sự trợ giúp của máy thở ngay lập tức.