Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngừng tuần hoàn và ngừng hô hấp (ngừng tim phổi) là một trong những tình huống cấp cứu khẩn cấp phổ biến, xảy ra cả bên trong bệnh viện (In-Hospital Cardiac Arrest - IHCA) và ngoài môi trường bệnh viện (Out-Of-Hospital Cardiac Arrest - OHCA). Dữ liệu y văn quốc tế ghi nhận tỷ lệ sống sót của các ca ngưng tim ngoại viện dao động ở mức thấp, khoảng từ 2% đến 11%. Việc thực hiện kỹ thuật hồi sức tim phổi (Cardiopulmonary Resuscitation - CPR) bằng phương pháp ép tim ngoài lồng ngực càng sớm càng đóng vai trò quyết định trong việc duy trì tuần hoàn máu giàu oxy lên não và các cơ quan nội tạng quan trọng.

Tuy nhiên, hiệu quả của quá trình ép tim thủ công truyền thống bằng tay phụ thuộc trực tiếp vào thể lực và kỹ năng thực hành của nhân viên y tế hoặc người sơ cứu. Trong quá trình ép tim kéo dài hoặc trong điều kiện di chuyển bệnh nhân trên xe cứu thương, người thao tác dễ bị suy giảm thể lực, dẫn đến nhịp ép không đều, biên độ ép không đủ độ sâu từ 5 đến 6 cm hoặc tần số ép không đạt chuẩn 100–120 lần/phút. Để chứng minh sự cần thiết của thiết bị hỗ trợ tự động, đồ án đã tổng hợp các nghiên cứu lâm sàng trên thế giới:

  • Nghiên cứu của Chengjin Gao và cộng sự (2014) trên 133 bệnh nhân ngừng tim ngoại viện cho thấy tỷ lệ tái lập tuần hoàn tự nhiên (ROSC) ở nhóm sử dụng máy ép tim đạt 44,9% so với 23,4% ở nhóm ép tay; tỷ lệ sống sót đạt 39,1% so với 21,9%.
  • Khảo sát của Rudolph W Koster và cộng sự (2017) trên 337 bệnh nhân ghi nhận mức chênh lệch tỷ lệ biến cố xấu giữa hai nhóm là 5,3%.
  • Phân tích tổng hợp của Safi U Khan và cộng sự (2019) trên 12.908 bệnh nhân ngừng tim (5.916 ca dùng máy và 6.992 ca dùng tay) cho thấy khả năng sống sót sau hồi sức thành công tương đương nhau với tỷ số chênh OR = 1,40 (95% CI: 1,09–1,94) và tỷ lệ phục hồi thần kinh với OR = 1,51 (95% CI: 1,06–2,39).
  • Nghiên cứu của Huyn Tea Kim và cộng sự (2019) trên 820 bệnh nhân ngừng tim ngoài bệnh viện chứng minh việc kết hợp ép tim bằng máy trong vòng 20 phút sau giai đoạn sơ cứu bằng tay trên đường vận chuyển giúp gia tăng đáng kể khả năng phục hồi tuần hoàn tự nhiên.

Xuất phát từ các căn cứ thực tiễn đó, đề tài “Thiết kế và thi công máy ép tim hỗ trợ bác sĩ trong trường hợp ép tim bệnh nhân” được thực hiện nhằm chế tạo một mô hình thiết bị cơ điện tử có khả năng thực hiện chu trình ép lồng ngực tự động, liên tục và chính xác.

Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình máy ép tim tự động sử dụng vi điều khiển Arduino Nano làm bộ xử lý trung tâm, hỗ trợ hai chế độ vận hành:

  1. Chế độ ép tim liên tục với tần số điều chỉnh trong khoảng từ 80 đến 120 nhịp/phút và độ sâu hành trình ép thiết kế 4–5 cm.
  2. Chế độ ép 30:2 với chu kỳ 30 nhịp ép liên tục và ngắt nghỉ 3 giây để nhân viên y tế thực hiện thổi ngạt 2 lần.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu tổng quan về phương pháp hồi sức tim phổi thủ công và cấu trúc các thiết bị máy ép tim thương mại.
  2. Nghiên cứu thông số kỹ thuật và tập lệnh của vi điều khiển Arduino Nano.
  3. Khảo sát, tính toán lựa chọn các module phần cứng và linh kiện điện tử trong hệ thống.
  4. Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý mạch điện tử và kết cấu cơ khí của thiết bị.
  5. Sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập trình thuật toán điều khiển.
  6. Sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế các chi tiết cơ khí và khung vỏ mô hình.
  7. Thi công mạch in, lắp ráp cơ khí, tiến hành đo đạc và chạy thử nghiệm.
  8. Tổng hợp số liệu thực nghiệm, viết báo cáo luận văn và bảo vệ trước hội đồng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống nhúng điều khiển tự động (Arduino Nano, mạch giảm áp LM2596, module hiển thị I2C kết hợp LCD 20x4, mạch công suất MOSFET IRF640N, Relay 5V) và động cơ giảm tốc DC DS400 truyền động cơ cấu ép tịnh tiến.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Mô hình cơ học tương thích với bệnh nhân có chu vi lồng ngực từ 98 cm đến 118 cm.
    • Chu trình hành trình ép thực tế của mô hình đạt từ 3 cm đến 4 cm.
    • Hệ thống hỗ trợ 2 cấp tốc độ vận hành thực tế ở mức khoảng 100 nhịp/phút và 120 nhịp/phút.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng dựa trên các hướng dẫn y khoa tiêu chuẩn về cấp cứu tim mạch và các kỹ thuật điều khiển điện tử – cơ khí ứng dụng.

Khung lý thuyết y sinh và kỹ thuật hồi sức tim phổi

Quy trình CPR chuẩn yêu cầu tuân thủ nguyên tắc DRSCAB:

  • D (Danger): Đánh giá và bảo đảm mức độ an toàn của hiện trường.
  • S (Send): Gọi cấp cứu y tế khẩn cấp 115.
  • R (Response): Đánh giá mức độ phản xạ và tri giác của người bệnh.
  • C (Circulation): Đánh giá mạch đập (mạch cảnh, mạch bẹn); tiến hành ép tim ngoài lồng ngực với độ lún 5–6 cm ở người lớn, tần số 100–120 lần/phút, bảo đảm lồng ngực đàn hồi hoàn toàn sau mỗi nhịp ép.
  • A (Airways): Khai thông và kiểm soát đường thở.
  • B (Breathing): Cung cấp thông khí nhân tạo (thổi ngạt) theo tỷ lệ 30 lần ép tim kết hợp 2 lần thổi ngạt.

Tổng quan các thiết bị máy ép tim thương mại

Tác giả đã tiến hành khảo sát ba hệ thống máy ép tim thương mại tiêu biểu để rút ra thông số thiết kế cho mô hình:

Tiêu chí Life Stat 1008 M II EASY PULSE (Schiller) ROSC-U
Nguồn năng lượng Khí oxy nén, mạch điều khiển dùng 2 pin 9V Pin sạc thay thế (hoạt động 45 phút/pin) Pin sạc lithium (thời lượng 3 giờ)
Khối lượng 8,8 kg Dưới 3,5 kg Thiết kế nhỏ gọn dạng đai quấn
Chế độ ép 30:2 và CCV (liên tục 100 lần/phút, 9 lần thở/phút) Liên tục hoặc 30:2 Liên tục và 30:2 (30 nhịp nghỉ 3 giây)
Tần số ép 100 lần/phút 100 lần/phút 100 lần/phút (±1)
Biên độ ép Điều chỉnh từ 0 đến 8 cm Tự động thích ứng, ép 3D Điều chỉnh được
Kích thước ngực Tương thích cáng và tấm đỡ lưng Thiết kế gá trực tiếp lên thân trên Chu vi lồng ngực 30–46 inch

Phương pháp nghiên cứu và công cụ hỗ trợ

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các tài liệu chuyên ngành hồi sức tim mạch, giáo trình kỹ thuật số, vi xử lý và nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM).
  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế mô phỏng mạch trên phần mềm Proteus; thiết kế cơ khí trên SolidWorks; lập trình nhúng trên môi trường Arduino IDE bằng ngôn ngữ C/C++; thi công bo mạch in PCB 2 lớp và đo kiểm thực tế các thông số dòng điện, điện áp, tốc độ quay.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu chuẩn y tế quốc tế, datasheet kỹ thuật của nhà sản xuất linh kiện (Atmel, Vishay, Texas Instruments) và kết quả đo đạc từ mô hình thực nghiệm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 5 khối chức năng chính:

[Khối Nguồn: 24V 10A & LM2596] ---> [Khối Xử Lý Trung Tâm: Arduino Nano] <---> [Khối Điều Khiển: Nút nhấn, Biến trở]
                                                 |
                                                 v
                                   [Khối Hiển Thị: I2C & LCD 20x4]
                                                 |
                                                 v
                                   [Khối Động Cơ: BJT, Relay, MOSFET, DS400]

Kiến trúc phần cứng và tính toán mạch

  1. Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển Arduino Nano (nặng 7g, kích thước 1,8 x 4,5 cm) để thu thập tín hiệu điều khiển, tính toán chu kỳ PWM và xuất lệnh đóng cắt thiết bị công suất.
  2. Khối điều khiển:
    • Nút nhấn Start/Chuyển chế độ kết nối chân D4 (sử dụng điện trở kéo lên nội).
    • Nút nhấn Stop dừng khẩn cấp kết nối chân D6.
    • Biến trở điều chỉnh tốc độ kết nối chân đầu vào tương tự A0.
  3. Khối hiển thị: Màn hình LCD 20x4 giao tiếp nối tiếp đồng bộ với Arduino thông qua Module I2C (chân SDA nối A4, chân SCL nối A5), giúp tiết kiệm chân I/O.
  4. Khối động cơ và mạch công suất:
    • Sử dụng động cơ giảm tốc DC 24V mã hiệu DS400.
    • Sử dụng Relay 5V đóng/ngắt nguồn động cơ, điều khiển qua transistor BJT NPN 2N2222A nhận tín hiệu từ chân D8.
    • Mắc kèm Diode D1 chống dòng điện cảm ứng ngược bảo vệ mạch, LED D2 báo trạng thái đóng ngắt.
    • Điều khiển tốc độ động cơ bằng MOSFET IRF640N nhận tín hiệu xung PWM từ chân D10. Mắc Diode D3 chống xung ngược bảo vệ MOSFET.

Tính toán thông số phân cực linh kiện:

  • Tính toán điện trở cực B ($R_b$) cho transistor kéo Relay: Dòng kích cuộn dây relay $I_c = 71,4\text{ mA}$. Với hệ số khuếch đại tối thiểu của transistor $h_{FE} = 100$: $$I_b = \frac{I_c}{h_{FE}} = \frac{71,4}{100} = 0,714\text{ mA}$$ $$R_b = \frac{V_{dk} - V_{be}}{I_b} = \frac{5 - 0,7}{0,714 \times 10^{-3}} \approx 6,02\text{ k}\Omega$$ Tác giả chọn giá trị chuẩn thương mại $R_b = 4,7\text{ k}\Omega$ để bảo đảm transistor dẫn bão hòa hoàn toàn.
  • Tính toán phân áp kích cực G cho MOSFET IRF640N: Theo datasheet, điện áp ngưỡng $V_{gs(th)} \ge 2\text{V}$, $R_{ds(on)} \le 180\text{ m}\Omega$. Cầu chia áp được tính toán: $$V_{gs} = \frac{R_4}{R_4 + R_3} \times 5\text{V} \ge 2\text{V}$$ Chọn $R_4 = 4,7\text{ k}\Omega \Rightarrow R_3 \le 7,05\text{ k}\Omega$. Nhóm thiết kế chọn $R_3 = 3,5\text{ k}\Omega$.

Bảng tổng hợp phụ tải và tính toán khối nguồn:

STT Tên linh kiện Số lượng Điện áp hoạt động (V) Dòng điện tiêu thụ (mA)
1 Arduino Nano 1 5 160,0
2 LCD 20x4 1 5 183,0
3 Module I2C 1 5 183,0
4 MOSFET IRF640N 1 24 4165,0
5 Relay 5V 1 5 71,4
6 Động cơ giảm tốc DS400 1 24 4165,0
Tổng Toàn bộ hệ thống -- -- 9010,8 mA (~9,01 A)

Hệ thống sử dụng bộ nguồn xung tổ ong ngõ ra 24V – 10A cấp điện trực tiếp cho động cơ và khối công suất, đồng thời kết hợp module giảm áp xung LM2596 hạ điện áp từ 24V xuống 5V để nuôi vi điều khiển, module I2C, LCD và relay.

Thuật toán điều khiển phần mềm

Chương trình nạp trên vi điều khiển hoạt động theo các lưu đồ thuật toán chính:

  • Thuật toán điều chế xung PWM: Vi điều khiển đọc điện áp tương tự từ biến trở qua hàm analogRead(A0) và xuất xung PWM qua chân D10 bằng hàm analogWrite(). Để đáp ứng yêu cầu tần số ép thực tế từ 100 đến 120 nhịp/phút, dải chu kỳ xung (duty cycle) được giới hạn lập trình từ 88% đến 100% (tương ứng mức 224–255).
  • Thuật toán chuyển trạng thái:
    • Cấp nguồn: Hệ thống ở trạng thái Stop, màn hình LCD hiển thị tên đề tài, động cơ ngắt.
    • Nhấn nút Start lần 1: Kích hoạt Chế độ 1 (Ép liên tục), LCD hiển thị chế độ 1 và cấp tốc độ, động cơ quay liên tục theo tần số điều chỉnh của biến trở.
    • Nhấn nút Start lần 2: Chuyển sang Chế độ 2 (Ép 30:2), hệ thống đếm xung quay đủ 30 chu kỳ ép, sau đó ngắt relay dừng động cơ trong đúng 3 giây cho thao tác thổi ngạt rồi tự động lặp lại chu kỳ.
    • Nhấn nút Start lần 3: Quay trở lại Chế độ 1.
    • Nhấn nút Stop tại bất kỳ thời điểm nào: Lập tức ngắt động cơ và đưa hệ thống về trạng thái chờ ban đầu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 phân tích tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh tỷ lệ cứu sống nạn nhân ngừng tuần hoàn phụ thuộc lớn vào thời gian và chất lượng sơ cứu. Tác giả trình bày tổng hợp các công trình nghiên cứu lâm sàng chứng minh hiệu quả của việc thay thế thao tác ép tim bằng tay bằng máy ép cơ học. Chương này xác định rõ mục tiêu đề tài, 9 nhiệm vụ cụ thể, giới hạn thiết kế (tần số ép 100–120 nhịp/phút, hành trình 3–4 cm, chu vi ngực 98–118 cm) cùng các phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết kiến thức chuyên môn về kỹ thuật hồi sức tim phổi (CPR), các bước xử lý cấp cứu theo nguyên tắc DRSCAB, quy trình ép tim ngoài lồng ngực kết hợp thông khí nhân tạo. Đồng thời, chương này đi sâu phân tích cấu tạo, thông số kỹ thuật và phương thức vận hành của 3 hệ thống máy ép tim thương mại tiêu biểu: Life Stat 1008 M II, EASY PULSE và ROSC-U. Cuối chương giới thiệu tổng quan các phần mềm kỹ thuật được ứng dụng trong đề tài gồm Arduino IDE, Proteus và SolidWorks.

Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống

Chương 3 là nội dung trọng tâm về mặt kỹ thuật của đồ án, mô tả chi tiết các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống và sơ đồ khối 5 thành phần. Tác giả trình bày phương pháp tính toán sơ đồ mạch nguyên lý: lựa chọn điện trở cực B cho transistor điều khiển relay ($R_b = 4,7\text{ k}\Omega$), tính cầu phân áp kích mở MOSFET IRF640N ($R_3 = 3,5\text{ k}\Omega$), xây dựng bảng tổng hợp phụ tải tiêu thụ điện (9010,8 mA) để chọn nguồn tổ ong 24V 10A và mạch hạ áp LM2596. Phần mềm điều khiển được cụ thể hóa bằng các lưu đồ giải thuật cho chương trình chính, chương trình con Chế độ 1 và chương trình con Chế độ 2.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ thiết kế. Tác giả lập bảng thống kê danh mục chi tiết 15 loại linh kiện điện tử trên bo mạch và các vật tư cơ khí. Quy trình thi công bo mạch in PCB 2 lớp được thực hiện hoàn chỉnh từ sơ đồ mạch in lớp trên/lớp dưới trên phần mềm Proteus đến khâu hàn gắn linh kiện. Kết cấu cơ khí và khung vỏ máy được gia công theo đúng kích thước thiết kế từ phần mềm SolidWorks.

Chương 5: Kết quả nhận xét đánh giá

Chương 5 công bố các hình ảnh và số liệu đo đạc thực nghiệm từ mô hình hoàn chỉnh. Báo cáo ghi nhận kết quả hiển thị của màn hình LCD ở các trạng thái khởi động, Chế độ 1 (tốc độ 1, tốc độ 2), Chế độ 2 (tốc độ 1, tốc độ 2) và trạng thái Stop. Tác giả thực hiện các bài đo vận hành động cơ ở chế độ không tải và có tải, lập tài liệu hướng dẫn sử dụng thiết bị và bảng dự toán chi phí thi công chi tiết cho từng linh kiện.

Chương 6: Kết luận hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được so với mục tiêu ban đầu, xác nhận hệ thống đã vận hành tương đối ổn định với đầy đủ hai chế độ ép tim. Đồng thời, tác giả thẳng thắn chỉ ra các nhược điểm kỹ thuật còn tồn tại và đề xuất các giải pháp nâng cấp trong tương lai nhằm đưa thiết bị tiến gần hơn tới tiêu chuẩn ứng dụng thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính

  • Chế tạo thành công mô hình máy ép tim tự động điều khiển bằng vi điều khiển Arduino Nano, đóng gói hoàn chỉnh phần cứng trên bo mạch PCB 2 lớp và kết cấu cơ khí hộp bảo vệ.
  • Hệ thống thực hiện chính xác hai chế độ vận hành:
    1. Chế độ 1: Ép tim liên tục với 2 cấp tốc độ đáp ứng trong khoảng 100 nhịp/phút và 120 nhịp/phút thông qua điều khiển biến trở.
    2. Chế độ 2: Ép tim ngắt quãng theo tỷ lệ 30:2, thực hiện đúng 30 nhịp ép liên tục và tạm dừng chính xác 3 giây để hỗ trợ thao tác thổi ngạt.
  • Giao diện màn hình LCD 20x4 kết nối qua I2C hiển thị trực quan thông tin chế độ vận hành, cấp độ tốc độ và trạng thái dừng của hệ thống.
  • Tổng dòng điện tiêu thụ toàn mạch được kiểm soát ở mức ~9,01 A, vận hành an toàn trong giới hạn cung cấp của bộ nguồn 24V – 10A.

Đánh giá của giảng viên hướng dẫn

Theo phiếu nhận xét của TS. Nguyễn Thanh Nghĩa:

  • Sinh viên đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra trong đề cương chi tiết; mô hình có nội dung phù hợp với thực tế và mang tính ứng dụng.
  • Ưu điểm: Hệ thống hoạt động đủ các chức năng theo yêu cầu, giao diện màn hình trực quan, dễ theo dõi.
  • Khuyết điểm: Lực ép cơ học chưa đáp ứng đầy đủ yêu cầu thực tế lâm sàng; ở cấp tốc độ 1 hệ thống hoạt động chưa thật sự ổn định, đôi khi động cơ bị dừng đột ngột.
  • Đánh giá chung: Xếp loại Khá giỏi; chấp thuận cho bảo vệ tốt nghiệp.

Đóng góp của đề tài

  • Hiện thực hóa mô hình thiết bị y sinh hỗ trợ cấp cứu tim mạch với chi phí thấp bằng các linh kiện điện tử và vi điều khiển phổ biến.
  • Cung cấp tài liệu thiết kế chi tiết (sơ đồ nguyên lý, bản vẽ cơ khí 3D SolidWorks, thuật toán điều khiển PWM và mạch in PCB 2 lớp) làm tài liệu tham khảo kỹ thuật cho các nghiên cứu phát triển thiết bị y tế tự động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  1. Lực ép và biên độ ép: Hành trình ép thực tế của mô hình mới chỉ đạt 3–4 cm, chưa đạt mức tiêu chuẩn y tế 5–6 cm đối với người trưởng thành; lực ép của động cơ DS400 chưa đủ mạnh để thắng hoàn toàn lực kháng đàn hồi của lồng ngực trong điều kiện thực tế.
  2. Độ ổn định động cơ: Khi vận hành ở cấp tốc độ 1 (duty cycle thấp hơn), động cơ giảm tốc đôi khi bị hiện tượng dừng đột ngột do thiếu ngẫu lực (mô-men xoắn).
  3. Phản hồi điều khiển: Hệ thống hoạt động theo vòng hở, chưa tích hợp cảm biến lực (load cell) hoặc cảm biến đo hành trình để tự động bù lực và giám sát độ sâu ép ngực theo thời gian thực.
  4. Nguồn năng lượng: Thiết bị phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện lưới 220V qua bộ nguồn tổ ong 24V, chưa có module pin sạc dự phòng để phục vụ cấp cứu cơ động ngoài hiện trường.

Hướng phát triển đề tài

  1. Thay thế động cơ giảm tốc bằng loại có công suất và mô-men xoắn lớn hơn, tích hợp bộ mã hóa vòng quay (encoder) để điều khiển vòng kín chính xác tốc độ và vị trí.
  2. Tối ưu hóa cơ cấu cơ khí tịnh tiến để mở rộng hành trình ép đạt chuẩn 5–6 cm và tăng độ bền cơ học.
  3. Tích hợp cảm biến áp lực và cảm biến vị trí để tự động nhận diện kích thước lồng ngực, điều chỉnh lực ép phù hợp cho từng thể trạng bệnh nhân.
  4. Thiết kế bổ sung khối nguồn pin sạc (Lithium-ion hoặc LiFePO4) tích hợp mạch quản lý sạc BMS, cho phép thiết bị hoạt động độc lập tối thiểu từ 45 đến 60 phút trong quá trình vận chuyển cấp cứu.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Y sinh và Tự động hóa: Tham khảo phương pháp tính toán tầng công suất đóng cắt tải cảm kháng DC (kết hợp MOSFET, BJT, Relay và Diode chống dòng ngược); kỹ thuật điều khiển PWM trên Arduino; phương pháp giao tiếp I2C với màn hình ký tự LCD.
  • Người làm đề tài thiết bị hỗ trợ y tế: Tham khảo quy trình thiết kế cơ cấu cơ khí trên SolidWorks kết hợp mạch điều khiển nhúng, cách thức chuyển đổi các yêu cầu y khoa (CPR, nguyên tắc DRSCAB, chu kỳ 30:2) thành thuật toán điều khiển kỹ thuật số.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng giải pháp kỹ thuật nào để điều khiển và thay đổi tốc độ ép của động cơ?

Hệ thống sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) thông qua chân kỹ thuật số D10 của Arduino Nano kết hợp tầng công suất MOSFET IRF640N. Tín hiệu điều khiển được lấy từ biến trở kết nối tại chân tương tự A0. Để bảo đảm số lần ép thực tế đạt từ 100 đến 120 nhịp/phút, dải chu kỳ xung (duty cycle) trong chương trình được giới hạn từ 88% đến 100% (tương ứng mức 224 đến 255 của hàm analogWrite).

2. Hai chế độ ép tim của máy được thiết lập và vận hành cụ thể ra sao?

  • Chế độ 1 (Ép liên tục): Động cơ quay liên tục điều khiển trục ép nhấp nhả lồng ngực với tần số điều chỉnh từ 100 đến 120 nhịp/phút.
  • Chế độ 2 (Ép 30:2): Hệ thống đếm số vòng quay của động cơ; sau khi thực hiện đủ 30 chu kỳ ép liên tục, vi điều khiển sẽ ngắt tín hiệu điều khiển để động cơ dừng đúng 3 giây, tạo khoảng thời gian cho nhân viên y tế thực hiện 2 lần thổi ngạt, sau đó hệ thống tự động lặp lại chu trình.

3. Thông số tính toán và lựa chọn khối nguồn cung cấp cho toàn mạch là bao nhiêu?

Tổng dòng điện tiêu thụ tính toán của toàn bộ linh kiện trong mạch là 9010,8 mA (~9,01 A) ở hai mức điện áp 24V và 5V (trong đó động cơ DS400 và tầng MOSFET tiêu thụ tối đa 4165 mA mỗi nhánh khi có tải). Tác giả đã lựa chọn nguồn xung tổ ong 24V – 10A để cấp điện cho khối công suất động cơ, kết hợp module giảm áp LM2596 để hạ áp xuống 5V (dòng định mức module đáp ứng 3A) cấp nguồn cho Arduino, LCD 20x4, module I2C và cuộn hút Relay.

4. Những hạn chế kỹ thuật lớn nhất được giảng viên hướng dẫn và nhóm tác giả chỉ ra là gì?

Hạn chế lớn nhất của mô hình là lực ép thực tế chưa đáp ứng trọn vẹn yêu cầu y tế lâm sàng, hành trình ép mới đạt 3–4 cm (thấp hơn mức chuẩn 5–6 cm). Đồng thời, ở cấp tốc độ 1, động cơ hoạt động chưa thật sự ổn định và đôi khi bị hiện tượng dừng quay do thiếu mô-men xoắn.

5. Kích thước lồng ngực bệnh nhân mà mô hình cơ khí có thể tiếp nhận là bao nhiêu?

Theo công bố trong phần giới hạn của đề tài tại Chương 1, kết cấu khung gá và thanh ép của mô hình cơ khí được thiết kế tương thích với bệnh nhân có chu vi lồng ngực nằm trong khoảng từ 98 cm đến 118 cm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và thi công máy ép tim hỗ trợ bác sĩ trong trường hợp ép tim bệnh nhân” đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình máy ép tim tự động hai chế độ dựa trên nền tảng vi điều khiển Arduino Nano và động cơ DC giảm tốc DS400. Hệ thống đã đáp ứng được các mục tiêu kỹ thuật cơ bản về khả năng duy trì nhịp ép liên tục (100–120 nhịp/phút) và nhịp ép ngắt quãng 30:2 kết hợp hiển thị thông tin trực quan qua màn hình LCD. Mặc dù vẫn còn những hạn chế về lực ép và hành trình ép cơ học so với tiêu chuẩn lâm sàng thực tế, công trình đã chứng minh tính khả thi của giải pháp cơ điện tử chi phí thấp và tạo tiền đề kỹ thuật rõ ràng cho các hướng nghiên cứu nâng cấp thiết bị y tế tự động tiếp theo.