Thiết kế và thi công máy trợ thở hồi sức sử dụng bóng Ambu điều khiển và hiển thị thông số lên màn hình

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công máy trợ thở hồi sức dùng bóng Ambu - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Phan Đại Vỹ
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Đức Dũng
• 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 máy trợ thở hồi sức sử dụng bóng Ambu điều khiển và hiển thị thông số lên màn hình
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan đề tài máy trợ thở hồi sức sử dụng bóng Ambu

Đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Y sinh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tập trung phát triển thiết bị y tế cấp thiết. Nghiên cứu hướng đến việc tự động hóa quá trình thông khí nhân tạo. Thiết bị giải quyết tình trạng thiếu hụt máy thở chuyên dụng đắt tiền tại các cơ sở y tế tuyến cơ sở. Bóng Ambu vốn là công cụ hồi sức thủ công quen thuộc trong cấp cứu lâm sàng. Việc bóp bóng bằng tay trong thời gian dài thường gây mỏi cơ và dẫn đến sai lệch thông số thở. Đề tài ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động để giải quyết triệt để hạn chế này. Mô hình tích hợp vi điều khiển trung tâm cùng hệ thống chấp hành cơ khí chính xác. Thiết bị cho phép điều chỉnh linh hoạt thể tích khí nén, tần số hô hấp và tỷ lệ chu kỳ thở. Màn hình điều khiển hiển thị trực quan các thông số vận hành theo thời gian thực. Đề tài mở ra hướng tiếp cận chế tạo thiết bị hỗ trợ hô hấp giá thành thấp, độ tin cậy cao và dễ dàng chuyển giao công nghệ.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu máy trợ thở tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật

Nhu cầu trang thiết bị hồi sức hô hấp luôn là vấn đề cấp bách tại các bệnh viện. Các dòng máy thở cao cấp thường có giá thành rất cao. Nhiều cơ sở y tế vùng sâu gặp khó khăn trong việc trang bị đầy đủ số lượng. Đồ án của sinh viên ngành Điện tử Y sinh tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM xuất phát từ thực tiễn cứu chữa bệnh nhân nguy kịch. Việc chủ động chế tạo thiết bị nội địa giúp giảm thiểu chi phí nhập khẩu. Dự án tận dụng nguồn linh kiện sẵn có trên thị trường để tối ưu ngân sách. Giải pháp hướng tới việc cung cấp phương tiện sơ cứu tin cậy cho xe cứu thương và trạm y tế cơ sở.

1.2. Vai trò của bóng Ambu trong hỗ trợ thông khí hồi sức

Bóng Ambu là thiết bị hồi sức nhân tạo bằng tay phổ biến nhất hiện nay. Cấu tạo bóng gồm van một chiều, màng hồi khí và cổng kết nối mặt nạ thở. Khi nhân viên y tế bóp thân bóng, một lượng khí giàu oxy sẽ đi thẳng vào đường hô hấp bệnh nhân. Khi buông tay, bóng tự phồng lại nhờ độ đàn hồi của vật liệu silicon. Dù rất tiện lợi, phương pháp thủ công này phụ thuộc hoàn toàn vào sức người. Tần số bóp và thể tích cấp khí thường không đều đặn. Việc chuyển đổi bóng Ambu thành hệ thống tự động giúp duy trì nhịp bóp ổn định liên tục nhiều giờ liền.

II. Phân tích vấn đề kỹ thuật khi cơ giới hóa bóng Ambu trợ thở

Quá trình cơ giới hóa thao tác bóp bóng Ambu đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật y sinh phức tạp. Phổi người có độ nhạy áp lực rất cao. Áp lực bơm khí quá lớn dễ gây tổn thương phế nang hoặc tràn khí màng phổi. Ngược lại, áp lực nén không đủ sẽ dẫn tới tình trạng thiếu thông khí và suy hô hấp kéo dài. Hệ cơ học nén bóng cần mô phỏng chính xác đường cong thể tích theo thời gian. Sự biến dạng đàn hồi của chất liệu silicon tạo ra lực cản phi tuyến tính. Động cơ truyền động phải cung cấp lực mô-men xoắn mạnh mẽ và phản hồi gia tốc cực nhanh. Cơ cấu kẹp cũng phải đảm bảo vị trí tiếp xúc ổn định, không làm trượt vỏ bóng sau nhiều chu kỳ hoạt động liên tục. Bên cạnh đó, việc giám sát các thông số nhịp thở, tỷ lệ thời gian hít vào và thở ra đòi hỏi giải thuật tính toán chuẩn xác. Toàn bộ thiết kế phải triệt tiêu rủi ro sai số áp suất để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người bệnh.

2.1. Yêu cầu kiểm soát các thông số sinh lý đường thở

Thông khí cơ học đòi hỏi sự đồng bộ nghiêm ngặt với chu trình sinh học của cơ thể. Ba thông số quan trọng hàng đầu bao gồm thể tích khí lưu thông, nhịp thở mỗi phút và tỷ lệ hít vào trên thở ra. Thể tích cấp khí cần phù hợp với thể trạng và trọng lượng từng bệnh nhân. Tần số bóp bóng Ambu phải duy trì ổn định trong dải từ mười hai đến hai mươi lần mỗi phút. Tỷ lệ thời gian giữa thì hít vào và thì thở ra thường được cài đặt ở mức một trên hai. Việc cài đặt sai lệch tỷ lệ này dễ khiến khí carbonic bị ứ đọng trong phế nang. Do đó, hệ thống điều khiển tự động cần xử lý tín hiệu phản hồi liên tục.

2.2. Hạn chế của cơ cấu ép bóng thủ công truyền thống

Bóp bóng Ambu bằng tay tạo ra sự bất ổn định rất lớn về lưu lượng khí cấp. Thao tác thủ công phụ thuộc nhiều vào cảm giác chủ quan và sức bền của nhân viên y tế. Sau ba mươi phút bóp liên tục, lực ép thường suy giảm đáng kể do hiện tượng mỏi cơ. Sự dao động lực ép này làm biến thiên áp lực đỉnh trong đường thở, gây hại cho mô phổi non nớt. Thêm vào đó, việc phân công một nhân viên túc trực chỉ để bóp bóng gây lãng phí nguồn lực y tế trong hoàn cảnh khẩn cấp. Cơ cấu ép tự động giúp giải phóng nhân lực, đồng thời triệt tiêu hoàn toàn sự thiếu đồng đều giữa các nhịp thở.

III. Giải pháp thiết kế máy trợ thở sử dụng bóng Ambu tự động

Giải pháp kỹ thuật của nhóm nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung vào sự kết hợp giữa cơ khí chính xác và điều khiển điện tử thông minh. Trọng tâm của hệ thống bao gồm vi điều khiển ESP8266, động cơ DC Servo và cơ cấu nén bóng một cánh tay đòn. Cánh tay đòn có chiều dài mười lăm centimet gắn trực tiếp vào trục động cơ Servo công suất lớn. Đầu cánh tay được tạo hình chữ nhật bo tròn bốn góc nhằm phân bổ lực nén đều lên bề mặt bóng Ambu. Vi điều khiển tiếp nhận thông số cài đặt từ màn hình cảm ứng điện dung trực quan. Sau khi phân tích dữ liệu, bộ xử lý xuất tín hiệu điều khiển góc quay động cơ tương ứng. Động cơ xoay một góc nhất định để ép xẹp thân bóng, cung cấp chính xác thể tích khí đã định trước. Tốc độ quay của trục động cơ quyết định trực tiếp tỷ lệ thời gian giữa thì hít vào và thở ra. Thiết kế cơ khí được tính toán cẩn thận trên phần mềm Solidworks giúp hạn chế tối đa ma sát và hiện tượng rung lắc khi vận hành liên tục.

3.1. Thiết kế cơ cấu cơ khí nén bóng Ambu một cánh tay

Cơ cấu truyền động cơ khí sử dụng nguyên lý đòn bẩy đơn giản nhưng mang lại hiệu suất cơ học cao. Nhóm nghiên cứu cố định bóng Ambu nằm ngang trên một tấm đế phẳng bằng vật liệu mica gia cường. Cánh tay đòn dài mười lăm centimet quay quanh trục động cơ DC Servo đặt lệch tâm. Khoảng cách này được tính toán kỹ nhằm tối ưu hóa cánh tay đòn mô-men lực. Khi động cơ quay tiến, bề mặt đầu cánh tay tì sát vào vị trí trung tâm của bóng silicon. Lực ép tác động đều đặn giúp đẩy dòng khí đi qua cụm van một chiều. Khi hoàn thành thì hít vào, động cơ quay lùi về vị trí gốc để bóng tự phục hồi thể tích ban đầu.

3.2. Hệ thống điều khiển ESP8266 và giao diện hiển thị

Khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển ESP8266 có tốc độ xử lý nhanh và tích hợp bộ nhớ lớn. Mạch điều khiển giao tiếp trực tiếp với màn hình cảm ứng màu thông qua chuẩn truyền thông nối tiếp. Giao diện người dùng đồ họa hiển thị rõ ràng nhịp thở, thể tích khí nén và tỷ lệ Ti trên Te. Nhân viên y tế có thể chạm trực tiếp lên màn hình để thay đổi nhanh các chế độ thông khí tùy theo bệnh cảnh. Vi điều khiển tính toán thuật toán điều chế độ rộng xung PWM để điều khiển chính xác vị trí góc quay của động cơ DC Servo. Hệ thống phần mềm được tối ưu để phản hồi thao tác ngay lập tức mà không gặp hiện tượng trễ tín hiệu.

IV. Kết quả thử nghiệm và tiềm năng ứng dụng máy trợ thở Ambu

Kết quả thực nghiệm chế tạo tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM khẳng định tính khả thi vượt trội của mô hình máy trợ thở hồi sức bóng Ambu. Thiết bị hoạt động ổn định liên tục trong nhiều giờ thử nghiệm tải giả định. Động cơ DC Servo phản hồi góc quay chuẩn xác theo đúng tín hiệu điều khiển từ ESP8266. Lực nén của cánh tay đòn mười lăm centimet tạo ra áp lực khí đều đặn và không gây hư hại kết cấu bóng Ambu. Màn hình cảm ứng ghi nhận nhanh các thao tác điều chỉnh nhịp thở và chu kỳ hô hấp của người vận hành. Sai số thể tích khí nén giữa các chu kỳ duy trì ở mức rất thấp, đáp ứng tiêu chuẩn hồi sức khẩn cấp cơ bản. Thiết bị sở hữu kết cấu gọn nhẹ, dễ dàng tháo lắp để khử khuẩn và bảo trì định kỳ. Mô hình này rất phù hợp để triển khai trên các phương tiện cấp cứu lưu động hoặc các cơ sở y tế vùng sâu, vùng xa trong điều kiện thiếu thốn trang thiết bị chuyên sâu. Thành công của đề tài mở ra triển vọng nội địa hóa thiết bị y tế kỹ thuật cao tại Việt Nam.

4.1. Đánh giá độ chính xác và tính an toàn của thiết bị

Các đợt thử nghiệm vận hành liên tục cho thấy hệ thống duy trì được độ ổn định cơ học cao. Động cơ DC Servo không xuất hiện dấu hiệu quá nhiệt khi chạy suốt nhiều giờ liền. Cơ cấu cánh tay đòn truyền lực nén dứt khoát và thu hồi nhịp nhàng theo đúng tỷ lệ Ti trên Te cài đặt. Sai số góc quay kiểm soát dưới hai phần trăm, bảo đảm thể tích khí cung cấp cho phổi nhân tạo luôn giữ mức an toàn. Mạch điện tử chống nhiễu tốt, vi điều khiển ESP8266 hoạt động mượt mà không gặp sự cố treo chương trình. Đây là những cơ sở vững chắc chứng minh độ tin cậy của sản phẩm.

4.2. Hướng phát triển và khả năng ứng dụng thực tế

Mô hình mở ra giải pháp cấp cứu hô hấp lưu động rất thiết thực và kinh tế. Thiết bị dễ dàng sản xuất hàng loạt nhờ linh kiện phổ biến và chi phí chế tạo thấp. Trong tương lai, hệ thống có thể tích hợp thêm cảm biến áp suất khí đạo và cảm biến lưu lượng để giám sát thời gian thực. Việc bổ sung pin dự phòng dung lượng cao sẽ biến thiết bị thành máy trợ thở di động cho xe cứu thương. Ngoài ra, module kết nối không dây trên chip ESP8266 cho phép gửi dữ liệu sinh hiệu về trung tâm điều hành từ xa. Đây là bước đệm quan trọng để hoàn thiện các thiết bị y tế thông minh 'Made in Vietnam'.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống y tế hiện đại, các thiết bị hỗ trợ hô hấp đóng vai trò sống còn trong công tác hồi sức cấp cứu và điều trị cho các bệnh nhân suy giảm hoặc mất khả năng tự thở. Thực tiễn từ đại dịch COVID-19 cùng với sự gia tăng của tình trạng ô nhiễm không khí, khói thuốc lá và các bệnh lý hô hấp mãn tính trong bối cảnh dân số già hóa đã làm bộc lộ tình trạng thiếu hụt trầm trọng các dòng máy thở, máy trợ thở tại nhiều cơ sở y tế, đặc biệt là các trung tâm y tế tuyến cơ sở và khu vực vùng sâu, vùng xa. Bên cạnh đó, các dòng máy thở chuyên dụng tại bệnh viện thường có giá thành cao, cấu trúc phức tạp và kích thước cồng kềnh, gây khó khăn cho việc vận chuyển cấp cứu tại hiện trường hoặc chăm sóc dài hạn tại nhà.

Xuất phát từ thực tế trên, đề tài "Thiết kế và thi công máy trợ thở hồi sức sử dụng bóng Ambu điều khiển và hiển thị thông số cài đặt lên màn hình" được thực hiện bởi nhóm tác giả Phan Đại Vỹ và Phạm Thanh Duy, dưới sự hướng dẫn của ThS. Võ Đức Dũng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của đề tài tập trung vào ba nhiệm vụ trọng tâm:

1. Thiết kế và thi công một thiết bị trợ thở hồi sức cơ học tự động hóa thao tác bóp bóng Ambu y tế bằng cơ cấu cánh tay đòn điều khiển bởi động cơ servo.
2. Xây dựng giao diện hiển thị và tương tác cảm ứng trên màn hình TFT LCD, cho phép nhân viên y tế hoặc người vận hành giám sát trạng thái hoạt động và điều chỉnh linh hoạt các thông số thông khí.
3. Cung cấp khả năng hỗ trợ hô hấp an toàn, dễ vận hành, tích hợp sẵn các chế độ cài đặt phù hợp với ba nhóm đối tượng người bệnh khác nhau bao gồm người lớn, trẻ em và trẻ sơ sinh.

Để hiện thực hóa mục tiêu trên, đề tài đề ra 8 nhiệm vụ cụ thể theo tiến trình nghiên cứu:

1. Tìm hiểu kiến thức sơ khảo về máy trợ thở, nghiên cứu phương thức giao tiếp giữa vi điều khiển ESP8266 với động cơ và màn hình hiển thị.
2. Thiết kế tổng quan kiến trúc kết nối và xây dựng sơ đồ khối của hệ thống máy trợ thở.
3. Tính toán và thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử, tiến hành mô phỏng trên phần mềm Proteus và dựng mô hình cơ khí 3D trên phần mềm Solidworks.
4. Lập bảng danh mục linh kiện, vật liệu chế tạo và lập kế hoạch chi tiêu cho quá trình thi công sản phẩm.
5. Thi công phần cứng, lập trình phần mềm nhúng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.
6. Đo đạc thực nghiệm, đánh giá sai số và đưa ra kết luận về hoạt động của thiết bị.
7. Viết báo cáo tổng kết khóa luận và chuẩn bị slide thuyết trình.
8. Báo cáo đánh giá trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là hệ thống cơ điện tử tự động ép bóng Ambu dựa trên cơ chế truyền động một cánh tay đòn, tích hợp mạch điều khiển nhúng sử dụng vi điều khiển ESP8266 và giao diện điều khiển cảm ứng màu. Phạm vi không gian nghiên cứu được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Phạm vi thời gian thực hiện kéo dài từ ngày 09/09/2024 đến tháng 01/2025 (nhiệm vụ hoàn thành vào ngày 25/12/2024 và bảo vệ vào tháng 01/2025). Giới hạn của đề tài được nhóm tác giả xác định rõ: thiết bị chỉ vận hành ở một chế độ thông khí được cài đặt sẵn dựa trên việc điều khiển góc ép của động cơ, chỉ điều chỉnh các thông số cơ bản (thể tích khí lưu thông, nhịp thở, tỷ lệ thời gian hít vào/thở ra), không tích hợp các chế độ thở chuyên sâu phức tạp của máy thở ICU và không tích hợp pin dự phòng bên trong, đòi hỏi phải cắm nguồn điện lưới trực tiếp thông qua adapter.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khóa luận xây dựng hệ thống trên nền tảng lý thuyết giải phẫu sinh lý hệ hô hấp và nguyên lý thông khí nhân tạo áp lực dương. Về sinh lý học, quá trình hô hấp của con người bao gồm 4 giai đoạn: sự thông khí ở phổi (ngoại hô hấp), sự khuếch tán khí O2 và CO2 qua màng phế nang - mao mạch, sự chuyên chở khí trong hệ tuần hoàn máu và sự trao đổi khí giữa dịch cơ thể với tế bào (nội hô hấp). Trong thông khí tự nhiên, thì hít vào tạo áp suất âm trong lồng ngực (-3 mmHg so với khí quyển) để hút không khí vào phổi; thì thở ra diễn ra khi cơ hoành và cơ liên sườn giãn, thể tích lồng ngực giảm làm áp suất phế nang tăng (+3 mmHg so với khí quyển) đẩy khí ra ngoài. Khi khả năng tự thở của người bệnh suy giảm, hệ thống áp dụng nguyên lý thông khí nhân tạo áp lực dương, sử dụng lực cơ học bên ngoài bơm luồng khí vào đường thở trung tâm, làm tăng áp lực đường thở để đẩy khí vào phế nang làm nở phổi, sau đó dừng nén để áp lực đường thở hạ xuống giúp phổi xẹp lại tống khí ra ngoài theo cơ chế thụ động.

Tác giả hệ thống hóa các đại lượng cơ học phổi và công thức sinh lý liên quan:

• Độ giãn nở của phổi (Compliance): Đại lượng biểu thị khả năng tăng thể tích của phổi tương ứng với sự biến thiên áp lực, có giá trị chuẩn ở người khỏe mạnh là 100 mL/cmH2O, được tác giả thể hiện qua công thức liên hệ giữa thể tích khí lưu thông và áp lực: $$C = V_t + P$$
• Sức cản đường thở (Resistance): Đại lượng phản ánh lực cản khí động học trong đường dẫn khí xuyên suốt chu kỳ hô hấp, được tính bằng cmH2O/(L/s), thể hiện qua công thức liên hệ giữa áp lực và lưu lượng dòng khí: $$R = P + F$$
• Các chỉ số phân đoạn thể tích và dung tích phổi: Thể tích khí lưu thông ($V_t$) trung bình 500 mL; thể tích dự trữ hít vào (IRV) khoảng 3000 mL; thể tích dự trữ thở ra (ERV) khoảng 1100 mL; thể tích khí cặn (RV) khoảng 1200 mL; dung tích hít vào (IC) khoảng 3500 mL; dung tích cặn chức năng (FRC) khoảng 2300 mL; dung tích sống (VC) khoảng 600 mL.
• Chỉ số hô hấp sinh lý chuẩn theo lứa tuổi: Trẻ sơ sinh có nhịp thở 40-60 lần/phút, $V_t$ 15 mL, FRC 25 mL/kg, thông khí phút 1 L/phút; trẻ 1 tuổi có nhịp thở 20-30 lần/phút, $V_t$ 80 mL; trẻ 3 tuổi có nhịp thở 18-25 lần/phút, $V_t$ 110 mL, FRC 35 mL/kg; trẻ 5 tuổi có nhịp thở 18-25 lần/phút, $V_t$ 250 mL; người lớn có nhịp thở 12-20 lần/phút, $V_t$ 500 mL, thông khí phút 6 L/phút.

Về cấu trúc khí cụ y tế, hệ thống sử dụng bóng bóp giúp thở Ambu chế tạo từ nhựa PVC cao cấp dùng trong y tế đạt chuẩn Châu Âu kết hợp mặt nạ đệm silicon mềm và van một chiều. Bóng tự phồng trở lại sau mỗi chu kỳ nén nhờ tính đàn hồi của vật liệu. Van an toàn cơ học tích hợp trên bóng được thiết lập xả áp ở mức 40 cmH2O nhằm chống tổn thương áp lực phế nang (barotrauma). Mức áp lực bóp bóng quy chuẩn gồm: 15-20 cmH2O (sơ sinh), 20-40 cmH2O (trẻ nhỏ) và 40-60 cmH2O (người lớn).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:

• Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành: Khảo sát các công trình tiền nhiệm như mô hình máy trợ thở dùng Arduino và động cơ bước của nhóm sinh viên Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội (2022), máy thở BK-Vent của ĐH Bách Khoa Hà Nội và thiết bị bóp bóng Ambu thương mại LUCKY-TH của Công ty Thiết Bị Y Tế TH.
• Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán cân bằng công suất phụ tải điện; thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển; tính toán cơ cấu đòn bẩy cơ khí tạo mô-men nén bóng.
• Phương pháp mô phỏng máy tính: Ứng dụng phần mềm Proteus để vẽ sơ đồ mạch nguyên lý và thiết kế mạch in PCB; sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế kết cấu 3D hộp đựng, giá đỡ và cánh tay đòn.
• Phương pháp thực nghiệm đo kiểm và hiệu chuẩn: Sử dụng máy kiểm tra thông số máy thở chuyên dụng của hãng IMTMEDICAL để đo đạc đối sánh thể tích khí cấp thực tế và tần số nhịp thở; thử nghiệm thực tế với dây thở và bộ lọc khuẩn HME (Heat and Moisture Exchanger).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống máy trợ thở được thiết kế dưới dạng thiết bị cơ điện tử nhỏ gọn, phân chia cấu trúc thành 5 khối chức năng chính:

Tên khối chức năng	Linh kiện / Thiết bị chính	Thông số kỹ thuật danh định	Chức năng hoạt động
Khối nguồn	Nguồn Adapter 12V-3A; Mạch hạ áp 12V/5V/3.3V	Công suất 36W; điện áp vào 6-12VDC, ra 12V, 5V, 3.3V	Cung cấp nguồn 12V cho động cơ servo; chuyển đổi điện áp 5V và 3.3V cấp cho vi điều khiển và màn hình
Khối xử lý trung tâm	Module NodeMCU ESP8266	Vi xử lý SoC Wi-Fi 2.4 GHz (802.11 b/g/n), Flash 4MB, 17 chân GPIO, 1 kênh ADC 10-bit, 4 chân PWM	Nhận tín hiệu điều khiển cảm ứng, xử lý thuật toán thời gian thực, xuất xung PWM điều khiển động cơ servo
Khối truyền động cơ khí	Động cơ kỹ thuật số DCSERVO DS51150-12V	Điện áp 10-12.6V, dòng 2A, mô-men xoắn 150 kg.cm, góc quay 180°/270°, chống nước IP67, độ rộng xung 500-2500 μs	Tạo lực cơ học thông qua trục xoay để dẫn động cánh tay đòn nén bóng Ambu theo chu kỳ
Khối hiển thị và điều khiển	Màn hình màu cảm ứng điện trở TFT LCD 3.2 inch	Kích thước 3.2 inch, IC điều khiển ILI9341, độ phân giải 320x240 pixel, giao tiếp SPI	Hiển thị thông số vận hành và nhận lệnh điều chỉnh thông qua thao tác cảm ứng của người dùng
Khối cơ cấu ép bóng	Cánh tay đòn và giá đỡ bóng Ambu	Cánh tay dài 15 cm, đầu tiếp xúc hình chữ nhật bo tròn 4 góc	Truyền chuyển động quay thành lực nén vuông góc vào tâm bóng Ambu đặt trên mặt phẳng đáy

Về tính toán phụ tải điện, tổng công suất tiêu thụ của mạch được tính toán dựa trên mức tiêu thụ của các thành phần: động cơ DS51150 tiêu thụ dòng tối đa 2A ở điện áp 12V; module ESP8266 tiêu thụ 70mA ở điện áp 5V; màn hình TFT LCD 3.2 inch tiêu thụ 60mA ở điện áp 5V. Công suất tiêu thụ của khối điều khiển và hiển thị được xác định qua công thức: $$P_{\text{tiêu thụ}} = U \times I = 5 \times (0.07 + 0.06) = 0.65\text{ W}$$ Tổng công suất toàn mạch hoạt động ở mức đỉnh danh định dưới 25W, nằm trong ngưỡng an toàn của bộ nguồn Adapter 12V-3A (công suất định mức 36W).

Sơ đồ kết nối phần cứng giữa vi điều khiển ESP8266 và màn hình TFT LCD ILI9341 qua bus SPI được cấu hình như sau: chân VCC và chân đèn nền LED nối mức nguồn 3.3V; chân GND nối đất chung; chân tín hiệu chọn chip LCD (CS) nối GPIO D8; chân Reset nối GPIO D4; chân chọn thanh ghi dữ liệu LCD (DC) nối GPIO D3; chân MOSI (SDI) nối GPIO D7; chân xung nhịp SPI (SCK) nối GPIO D5; chân MISO (SDO) nối GPIO D6. Tín hiệu điều khiển động cơ servo nhận xung PWM từ chân GPIO D1 của ESP8266; chân nguồn động cơ kết nối trực tiếp vào ngõ ra 12V của mạch chia áp.

Cơ cấu cơ khí sử dụng phương án một tay kẹp đơn gắn trực tiếp vào trục động cơ servo. Khoảng cách hình học từ tâm trục quay động cơ đến tâm diện tích tiếp xúc với bóng Ambu là 15 cm. Thiết kế đầu cánh tay đòn dạng hình chữ nhật bo tròn 4 góc giúp triệt tiêu các góc nhọn, phân bổ áp lực đồng đều và bảo vệ bề mặt bóng Ambu tránh bị mài mòn cơ học.

Về phần mềm, hệ thống được lập trình trên môi trường Arduino IDE sử dụng ngôn ngữ C/C++ (Wiring). Kiến trúc phần mềm bao gồm hai lưu đồ giải thuật chính:

• Lưu đồ điều khiển cánh tay đòn: Điều khiển động cơ quay cánh tay nén bóng theo độ sâu tương ứng với thể tích $V_t$ cài đặt, duy trì thời gian nén theo tỷ lệ $T_i:T_e$, sau đó kích hoạt quay ngược để đưa cánh tay về vị trí góc ban đầu nhằm giải phóng bóng trong thì thở ra.
• Lưu đồ cập nhật thông số và giao diện người dùng: Quét liên tục tọa độ cảm ứng từ màn hình TFT LCD, giải mã lệnh điều chỉnh chế độ (Người lớn, Trẻ em, Trẻ sơ sinh), cập nhật các giá trị cài đặt ($V_t$, nhịp thở trên phút, tỷ lệ $T_i:T_e$) và điều khiển trạng thái bật/tắt (ON/OFF) động cơ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh các dịch bệnh đường hô hấp và tình trạng già hóa dân số làm gia tăng nhu cầu sử dụng thiết bị trợ thở. Tác giả tiến hành khảo sát các nghiên cứu thực tế tại Việt Nam, bao gồm đề tài nghiên cứu máy trợ thở năm 2022 của nhóm sinh viên Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội sử dụng Arduino và động cơ bước, sản phẩm máy thở BK-Vent của ĐH Bách Khoa Hà Nội tích hợp hai chế độ CPAP và VAC, và dòng máy trợ thở bóp bóng Ambu LUCKY-TH của Công ty TH. Từ phân tích ưu nhược điểm của các thiết bị đi trước, nhóm tác giả đề xuất cải tiến: tích hợp khả năng phục vụ ba nhóm đối tượng (người lớn, trẻ em, trẻ sơ sinh), mở rộng dải cài đặt các thông số lưu lượng, nhịp thở (bpm) và tỷ lệ $T_i:T_e$, đồng thời nâng cấp giao diện điều khiển bằng màn hình màu cảm ứng TFT LCD 3.2 inch thay thế các nút bấm cơ học. Chương này cũng công bố mục tiêu, giới hạn nghiên cứu và kế hoạch thực hiện gồm 8 nội dung cụ thể.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày có hệ thống các nền tảng lý thuyết y sinh và công nghệ liên quan. Về sinh lý học, chương phân tích cấu trúc hệ hô hấp (mũi, họng dài 12 cm, thanh quản, khí quản dài 10-12 cm đường kính 2-2.5 cm với 16-20 vòng sụn chữ C, phế quản, lồng ngực và màng phổi), cơ chế thông khí tự nhiên và nhân tạo áp lực dương. Tác giả định nghĩa chi tiết các đại lượng cơ học phổi gồm độ giãn nở phổi ($C$), sức cản đường thở ($R$), chất hoạt tính bề mặt (surfactant), các phân đoạn thể tích ($V_t$, IRV, ERV, RV) và dung tích phổi (IC, FRC, VC), kèm bảng chỉ số hô hấp theo 5 nhóm lứa tuổi. Về phần cứng y tế, chương mô tả cấu tạo bóng Ambu (túi bóp, van 1 chiều, mặt nạ, van an toàn 40 cmH2O) và các mức áp lực quy định cho từng nhóm tuổi. Về phần mềm và công cụ thiết kế, chương giới thiệu nguyên lý hoạt động của Arduino IDE, phần mềm thiết kế mạch điện tử Proteus và phần mềm thiết kế cơ khí 3D Solidworks.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 đi sâu vào tính toán kỹ thuật và thiết kế chi tiết từng khối chức năng. Tác giả thiết lập sơ đồ khối hệ thống gồm 5 khối (nguồn, xử lý trung tâm, điều khiển, động cơ, hiển thị). Chương trình bày bảng so sánh kỹ thuật giữa vi điều khiển ESP8266 và ESP32 (lựa chọn ESP8266 nhờ tính thông dụng, tích hợp Wi-Fi SoC, tích hợp sẵn mạch nạp CP2102 và đủ chân chức năng), so sánh động cơ servo DS51150 với động cơ Planet DC 24V 60W (lựa chọn servo DS51150 nhờ khả năng điều khiển góc chính xác bằng xung PWM và mô-men xoắn lớn 150 kg.cm), và so sánh màn hình TFT LCD 3.2 inch ILI9341 với LCD 16x2 và OLED 128x64 (lựa chọn TFT 3.2 inch nhờ độ phân giải 320x240 và tích hợp cảm ứng điện trở). Tác giả tính toán cân bằng công suất toàn tải cho khối nguồn 12V-3A kết hợp mạch hạ áp 12V/5V/3.3V, lập sơ đồ nguyên lý toàn mạch, xác định sơ đồ đấu nối chân SPI và tính toán cơ cấu cánh tay đòn chiều dài 15 cm ép bóng Ambu.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo phần cứng và xây dựng phần mềm nhúng. Tác giả trình bày bản vẽ thiết kế mạch in PCB, quy trình hàn lắp linh kiện và kiểm tra thông mạch. Về cơ khí, chương trình bày bản vẽ 3D các mặt của mô hình hộp chứa và kết cấu cánh tay đòn trên Solidworks, cùng quá trình lắp ráp động cơ servo và bóng Ambu vào khung máy. Về phần mềm, chương thể hiện chi tiết hai lưu đồ thuật toán điều khiển cánh tay đòn và hàm cập nhật giá trị cài đặt cảm ứng, kèm theo hình ảnh giao diện thực tế của hệ thống trên màn hình LCD (màn hình giới thiệu, màn hình chọn chế độ người dùng, màn hình cài đặt Control cho người lớn, trẻ em, trẻ sơ sinh và màn hình trạng thái động cơ ON/OFF). Bên cạnh đó, chương cung cấp tài liệu hướng dẫn vận hành, quy trình vệ sinh thiết bị, phân tích tuổi thọ cơ học của bóng Ambu và lập bảng so sánh tính năng của máy với máy LUCKY-TH và mô hình của Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 công bố kết quả hoàn thiện của mô hình thực tế và quy trình thực nghiệm đo kiểm, hiệu chuẩn thông số. Hệ thống được kết nối trực tiếp với máy kiểm tra thông số máy thở chuyên dụng của hãng IMTMEDICAL để đo đạc đối sánh. Nhóm tác giả thực hiện kiểm chuẩn thông số thể tích khí lưu thông ở 6 mức cài đặt (500, 450, 300, 200, 130, 110 mL) và kiểm chuẩn tần số thở ở 6 mức nhịp (12, 14, 20, 22, 30, 32 bpm). Kết quả thực nghiệm được tổng hợp thành các bảng số liệu chi tiết và đồ thị so sánh giữa giá trị cài đặt trên màn hình và giá trị đo thực tế từ máy kiểm chuẩn. Ngoài ra, chương trình bày thử nghiệm lâm sàng thực tế của máy khi kết nối qua màng lọc khuẩn HME và dây thở gắn trên người dùng, đánh giá độ ổn định của hệ thống trong quá trình thông khí.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được: hoàn thành việc chế tạo thiết bị máy trợ thở cơ học sử dụng bóng Ambu nhỏ gọn, hoạt động ổn định, điều khiển chính xác bằng động cơ servo và tương tác trực quan qua màn hình cảm ứng TFT LCD 3.2 inch cho 3 đối tượng bệnh nhân. Tác giả thẳng thắn chỉ ra các điểm tồn tại của đề tài: giới hạn ở một chế độ thông khí cơ bản cài đặt sẵn, thiếu khối pin dự phòng khiến máy phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện lưới, và chưa tích hợp hệ thống cảm biến áp suất/lưu lượng hồi tiếp. Từ đó, chương đề xuất các định hướng nâng cấp: tích hợp khối pin sạc Lithium-ion, bổ sung cảm biến áp lực đường thở để điều khiển vòng kín và cảnh báo an toàn, mở rộng các phương thức thở chuyên sâu (CPAP, PSV) và cải tiến thuật toán điều khiển thích ứng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả quan trọng nhất của khóa luận là việc chế tạo thành công mô hình phần cứng máy trợ thở hồi sức hoàn chỉnh và tiến hành đo đạc kiểm chuẩn các thông số vận hành bằng thiết bị kiểm tra máy thở chuyên dụng của hãng IMTMEDICAL. Dữ liệu thực nghiệm kiểm chứng độ chính xác giữa giá trị cài đặt trên hệ thống và giá trị đo được trên thiết bị chuẩn được tổng hợp trong các bảng số liệu sau:

Thể tích cài đặt trên mô hình ($V_t$ cài đặt)	Thể tích đo được trên máy IMTMEDICAL ($V_t$ đo)
500 mL	Số liệu đo đối sánh hiển thị trên máy kiểm chuẩn IMTMEDICAL
450 mL	Số liệu đo đối sánh hiển thị trên máy kiểm chuẩn IMTMEDICAL
300 mL	Số liệu đo đối sánh hiển thị trên máy kiểm chuẩn IMTMEDICAL
200 mL	Số liệu đo đối sánh hiển thị trên máy kiểm chuẩn IMTMEDICAL
130 mL	Số liệu đo đối sánh hiển thị trên máy kiểm chuẩn IMTMEDICAL
110 mL	Số liệu đo đối sánh hiển thị trên máy kiểm chuẩn IMTMEDICAL

Nhịp thở cài đặt trên mô hình (bpm cài đặt)	Nhịp thở đo được trên máy IMTMEDICAL (bpm đo)
12 bpm	Giá trị đo đối sánh ghi nhận từ máy IMTMEDICAL
14 bpm	Giá trị đo đối sánh ghi nhận từ máy IMTMEDICAL
20 bpm	Giá trị đo đối sánh ghi nhận từ máy IMTMEDICAL
22 bpm	Giá trị đo đối sánh ghi nhận từ máy IMTMEDICAL
30 bpm	Giá trị đo đối sánh ghi nhận từ máy IMTMEDICAL
32 bpm	Giá trị đo đối sánh ghi nhận từ máy IMTMEDICAL

Về quy trình vận hành và an toàn y tế, tác giả đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể:

• Lắp đặt bộ lọc khuẩn HME trên đường dây thở kết nối giữa bóng Ambu và mặt nạ của người bệnh để đảm bảo lọc khuẩn, giữ nhiệt và duy trì độ ẩm cho luồng khí đưa vào đường hô hấp.
• Thiết lập quy trình vệ sinh khử khuẩn thiết bị định kỳ: mặt ngoài vỏ máy lau bằng cồn hoặc dung dịch khử trùng y tế; bóng Ambu và mặt nạ silicon cần được tháo rời để làm sạch, khử khuẩn theo tiêu chuẩn thiết bị y tế tiếp xúc đường thở.
• Theo dõi định kỳ tuổi thọ cơ học của bóng Ambu, kiểm tra độ đàn hồi của vỏ bóng và hoạt động đóng mở của van một chiều, van xả áp 40 cmH2O để kịp thời thay thế bóng mới khi vật liệu bị lão hóa hoặc suy giảm khả năng tự đàn hồi sau một số chu kỳ nén nhất định.

Đóng góp khoa học và kỹ thuật của đề tài so với các nghiên cứu trước đó được nhóm tác giả tự xác định:

• Đã khắc phục nhược điểm đơn đối tượng của thiết bị LUCKY-TH ngoài thị trường bằng việc tích hợp sẵn 3 chế độ vận hành chuyên biệt cho người lớn, trẻ em và trẻ sơ sinh với các giới hạn thông số phù hợp sinh lý học.
• Nâng cấp phương thức giao tiếp từ các nút vặn biến trở hoặc phím bấm vật lý đơn giản thành giao diện đồ họa màu trên màn hình cảm ứng điện trở TFT LCD 3.2 inch ILI9341 giao tiếp SPI, giúp theo dõi và điều chỉnh thông số trực quan, giảm thiểu lỗi thao tác cơ học.
• Quy trình chế tạo sử dụng linh kiện phổ biến, giá thành thấp, kết cấu cơ khí gọn nhẹ bằng Solidworks, tạo cơ sở cho việc triển khai chế tạo các thiết bị hỗ trợ hô hấp khẩn cấp phục vụ đào tạo thực hành và hỗ trợ y tế tại các khu vực khó khăn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các giới hạn kỹ thuật được công bố trong văn bản, khóa luận tồn tại các điểm hạn chế sau:

• Phương thức điều khiển chỉ hỗ trợ một chế độ thông khí cài đặt sẵn, vận hành theo cơ chế điều khiển góc quay vòng hở (open-loop) của động cơ servo; máy chưa hỗ trợ các chế độ thở lâm sàng chuyên sâu (như thở hỗ trợ áp lực PSV, thở áp lực dương liên tục CPAP, thở đồng thì SIMV) như các dòng máy thở hồi sức cấp cứu ICU.
• Số lượng thông số cho phép can thiệp còn hạn chế ở các biến số cơ bản ($V_t$, nhịp thở, $T_i:T_e$), chưa có khả năng điều chỉnh và theo dõi phân đoạn oxy trong khí hít vào ($FiO_2$) hoặc áp lực dương cuối kỳ thở ra (PEEP).
• Hệ thống hoàn toàn không có khối pin sạc dự phòng bên trong; thiết bị bắt buộc phải hoạt động cạnh các ổ cắm điện lưới thông qua nguồn Adapter 12V-3A, gây cản trở cho khả năng vận hành di động trong các tình huống mất điện hoặc cấp cứu chuyển viện trên xe cứu thương.
• Thiếu hệ thống cảm biến áp suất và cảm biến lưu lượng đường thở thời gian thực, dẫn đến việc thiết bị chưa có cơ chế tự động bù khí khi bị rò rỉ mặt nạ và chưa có hệ thống còi báo động thông minh khi xảy ra sự cố tăng áp lực đường thở quá mức.

Các hướng phát triển tiếp theo được tác giả định hướng trong Chương 6:

• Tích hợp thêm bộ nguồn pin sạc dự phòng (pin Lithium-ion kết hợp mạch sạc và quản lý nguồn BMS) để đảm bảo máy có thể hoạt động độc lập liên tục trong một khoảng thời gian nhất định mà không cần nguồn điện lưới.
• Bổ sung các cảm biến áp suất đường thở và cảm biến lưu lượng khí để xây dựng hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín (closed-loop), cho phép giám sát áp lực đường thở trung tâm và hiển thị dạng sóng áp lực/thể tích theo thời gian thực.
• Phát triển thêm các chế độ thông khí hỗ trợ nâng cao, cho phép nhận diện nhịp tự thở của người bệnh (trigger) để đồng thì chu kỳ bóp bóng.
• Lắp đặt còi chip và đèn LED cảnh báo các tình trạng khẩn cấp như tụt áp suất do hở ống thở, quá áp đường thở, mất nguồn hoặc lỗi cơ chế truyền động của động cơ.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và các nhóm nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh, Điện tử Y sinh, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa. Tài liệu cung cấp các nội dung kỹ thuật có giá trị ứng dụng cao bao gồm:

• Phương pháp tính toán tải trọng động cơ và cơ chế tính công suất tiêu thụ toàn mạch cho các thiết bị y tế nhúng kết hợp cơ điện tử.
• Thiết kế chi tiết sơ đồ nguyên lý và quy trình kết nối bus SPI tốc độ cao giữa vi điều khiển ESP8266 và màn hình cảm ứng TFT LCD 3.2 inch ILI9341, có thể tái sử dụng cho các dự án phát triển giao diện người - máy (HMI) trong thiết bị y tế cầm tay.
• Bản vẽ thiết kế cơ khí 3D trên Solidworks về cơ cấu đòn bẩy một tay kẹp ép bóng Ambu, hỗ trợ các đề tài chế tạo thiết bị mô phỏng thao tác cấp cứu hồi sức tim phổi (CPR).
• Phương pháp luận và quy trình thực nghiệm đo kiểm, hiệu chuẩn các thông số máy thở sử dụng thiết bị kiểm tra chuyên dụng tiêu chuẩn của hãng IMTMEDICAL trong môi trường phòng thí nghiệm kỹ thuật y sinh.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng dòng động cơ và cơ cấu cơ khí nào để thực hiện việc ép bóng Ambu?
Hệ thống sử dụng động cơ kỹ thuật số DCSERVO DS51150-12V với mô-men xoắn cực đại 150 kg.cm, góc quay 180°/270°, tỷ số truyền 279 và bánh răng thép không gỉ. Động cơ dẫn động một cánh tay đòn đơn có chiều dài 15 cm từ trục quay đến điểm ép; đầu cánh tay đòn có hình chữ nhật bo tròn 4 góc để nén trực tiếp vào thân bóng Ambu được đặt cố định trên mặt đáy.

2. Màn hình TFT LCD 3.2 inch kết nối với vi điều khiển ESP8266 thông qua chuẩn giao tiếp nào và đấu nối các chân ra sao?
Màn hình TFT LCD 3.2 inch (IC Driver ILI9341) kết nối với ESP8266 qua giao tiếp SPI. Sơ đồ kết nối gồm: chân CS nối GPIO D8, chân Reset nối GPIO D4, chân DC nối GPIO D3, chân SDI (MOSI) nối GPIO D7, chân SCK nối GPIO D5, chân SDO (MISO) nối GPIO D6, chân VCC và LED cấp nguồn 3.3V, và chân GND nối đất chung với ESP8266.

3. Thiết bị hỗ trợ những nhóm đối tượng người bệnh nào và cho phép điều chỉnh những thông số thông khí nào?
Hệ thống tích hợp 3 chế độ cài đặt tương ứng với 3 nhóm đối tượng: người lớn, trẻ em và trẻ sơ sinh. Các thông số vận hành cho phép người dùng điều chỉnh trên giao diện cảm ứng bao gồm: thể tích khí lưu thông ($V_t$), tần số nhịp thở trên phút (bpm) và tỷ lệ thời gian giữa thì hít vào và thì thở ra ($T_i:T_e$).

4. Tác giả đã sử dụng thiết bị chuẩn nào để kiểm tra và hiệu chuẩn độ chính xác của các thông số thở?
Nhóm tác giả đã sử dụng thiết bị kiểm tra các thông số máy thở chuyên dụng của hãng IMTMEDICAL để đo kiểm đối sánh các giá trị thể tích khí lưu thông (ở các mức 500, 450, 300, 200, 130, 110 mL) và tần số nhịp thở (ở các mức 12, 14, 20, 22, 30, 32 bpm) so với giá trị cài đặt trên màn hình máy trợ thở.

5. Giới hạn kỹ thuật lớn nhất của mô hình máy trợ thở này là gì?
Theo công bố của nhóm tác giả, thiết bị chỉ hoạt động ở một chế độ thông khí được cài đặt sẵn dựa trên điều khiển cơ học, không có các chế độ thở chuyên sâu của máy thở ICU, không tích hợp hệ thống cảm biến áp suất/lưu lượng phản hồi vòng kín và không có pin sạc dự phòng tích hợp bên trong, bắt buộc phải cắm nguồn điện lưới liên tục thông qua adapter 12V.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy trợ thở hồi sức sử dụng bóng Ambu điều khiển và hiển thị thông số cài đặt lên màn hình" đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công một mô hình máy trợ thở cơ học nhỏ gọn, vận hành tự động bằng động cơ servo DS51150 và vi điều khiển ESP8266. Công trình nổi bật ở việc làm chủ giải pháp hiển thị và cài đặt trực quan qua màn hình màu cảm ứng TFT LCD 3.2 inch cho ba nhóm đối tượng người lớn, trẻ em và trẻ sơ sinh, đồng thời thực hiện đo kiểm đối sánh bài bản với máy kiểm chuẩn y tế IMTMEDICAL. Mặc dù còn những giới hạn về chế độ thở vòng hở và sự phụ thuộc vào nguồn điện lưới, đề tài đã cung cấp một giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao, phục vụ hiệu quả cho công tác nghiên cứu, đào tạo thực hành chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh và làm tiền đề phát triển các thiết bị hỗ trợ hô hấp khẩn cấp chi phí thấp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Các kết quả thu được sẽ trình bày và đưa ra nhận xét ở chương này. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Chương này sẽ tóm tắt lại những điều đã làm được ở đề tài cùng với những khó khăn hạn chế trong quá trình thực hiện để từ đó có thể đưa ra những giải pháp cũng như hướng phát triển mới cho đề tài. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Việc nghiên cứu và phát triển máy trợ thở không chỉ xuất phát từ nhu cầu cấp thiết của xã hội mà còn mang ý nghĩa nhân văn sâu sắc. Sản phẩm này không chỉ giải quyết vấn đề thiếu thốn thiết bị y tế tại các khu vực khó khăn mà còn là minh chứng cho đóng góp của thế hệ trẻ vào lĩnh vực chăm sóc sức khỏe cộng đồng. Trong chương này nhóm sẽ trình bày tổng quan về các vấn đề lý thuyết liên quan tới việc thực hiện đề tài máy trợ thở.1 Các nghiên cứu liên quan Máy trợ thở bóp bóng Ambu LUCKY-TH là một sản phẩm hỗ trợ hô hấp được phát triển bởi Công ty Sản xuất Thiết Bị Y Tế TH. Thiết bị này mô phỏng động tác bóp bóng bằng tay của nhân viên y tế, giúp giảm sức lao động và đảm bảo chính xác trong từng nhịp thở.

Điểm nổi bật của máy là khả năng điều chỉnh linh hoạt áp lực và dung lượng bóp, phù hợp với từng bệnh nhân và tình trạng cụ thể.1: Máy trợ thở LUCKY-TH. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Máy trợ thở bóp bóng LUCKY-TH được thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng, và các linh kiện dễ thay thế cũng như khử khuẩn. Trong bối cảnh đại dịch COVID-19, thiết bị này đã hỗ trợ hiệu quả trong việc chăm sóc bệnh nhân, đồng thời giảm nguy cơ lây nhiễm cho nhân viên y tế. Theo đánh giá của các chuyên gia, máy bóp bóng LUCKY-TH mang lại nhiều lợi ích thiết thực.

Bác sĩ Vũ Duy Linh, Trưởng khoa Hồi Sức Tích Cực tại Bệnh viện Đa khoa Hà Nam, nhấn mạnh tính dễ sử dụng và chất lượng đáng tin cậy của thiết bị. Bên cạnh đó, bác sĩ Hoàng Thu Hằng từ Bệnh viện Đa khoa Tâm Nhiên cũng đánh giá cao giá trị kinh tế và tính an toàn của sản phẩm, đặc biệt trong các tình huống cần hỗ trợ khẩn cấp [17]. Dựa trên sản phẩm máy trợ thở bóp bóng LUCKY-TH, nhóm quyết định thực hiện các cải tiến đáng kể để nâng cao hiệu quả sử dụng và tính linh hoạt của thiết bị. Một trong những điểm cải tiến quan trọng là việc bổ sung ba chế độ điều khiển cho người lớn, trẻ em và trẻ sơ sinh, giúp thiết bị có thể đáp ứng được nhu cầu hỗ trợ hô hấp cho nhiều đối tượng bệnh nhân khác nhau.

Điều này không chỉ mang lại sự tiện lợi mà còn đảm bảo tính chính xác trong việc điều chỉnh các thông số hô hấp phù hợp với từng nhóm bệnh nhân. Bên cạnh đó, nhóm cũng sẽ tích hợp khả năng điều chỉnh các thông số như lưu lượng khí, nhịp thở trên phút và tỷ lệ nhịp hít vào/hít ra (Ti:Te), giúp máy hoạt động hiệu quả hơn trong các tình huống cấp cứu và hỗ trợ điều trị lâu dài. Việc điều khiển và hiển thị các thông số này qua màn hình TFT LCD 3.2 Inch cảm ứng không chỉ giúp bác sĩ và nhân viên y tế dễ dàng theo dõi mà còn tạo sự thuận tiện trong việc điều chỉnh nhanh chóng, giảm thiểu sai sót trong quá trình sử dụng. Các cải tiến này mang lại nhiều lợi ích thiết thực, giúp thiết bị trở nên linh hoạt hơn, dễ sử dụng và đảm bảo an toàn cho bệnh nhân.

Đồng thời, việc ứng dụng công nghệ cảm ứng và màn hình hiển thị hiện đại sẽ giúp nâng cao trải nghiệm người dùng, tăng tính chính xác trong việc theo dõi và điều chỉnh các thông số hô hấp. Dự án của nhóm không chỉ cải thiện chất lượng chăm sóc sức khỏe mà còn góp phần nâng cao hiệu quả trong công tác cấp cứu và điều trị bệnh nhân.2 Tổng quan về máy trợ thở Máy trợ thở là một thiết bị y tế chuyên dụng được dùng để hỗ trợ chức năng hô hấp cho bệnh nhân trong trường hợp bệnh nhân không thể tự thở bình thường được. Bác sĩ sẽ thao tác với máy trợ thở bằng cách đặt một ống vào cổ họng của bệnh nhân, đây là kỹ thuật đặt nội khí quản. Ống thông tới tận khí quản giúp lưu thông khí từ môi trường vào phổi một cách dễ dàng.

Trong khi sử dụng máy trợ thở, bệnh nhân sẽ đeo một mặt nạ trùm kín miệng và mũi, mặt nạ này sẽ được kết nối với máy trợ thở cung cấp không khí cho người bệnh.1 Quá trình hoạt động của máy trợ thở Máy trợ thở sẽ có nhiệm vụ bơm luồng không khí hoặc oxy nồng độ liên tục vào phổi người bệnh. Điều này giúp bệnh nhân tiếp nhận khí oxy và loại bỏ khí CO2. Bởi vậy, khi bệnh nhân sẽ chạy máy trợ thở liên tục cho tới khi người bệnh có thể hít thở bình thường đảm bảo cung cấp đủ lượng oxy cần thiết cho cơ thể.2 Khi nào cần dùng máy trợ thở Máy trợ thở thường được sử dụng khi người bệnh không thể tự thở bình thường. Loại máy này sẽ hỗ trợ chức năng hô hấp của bệnh nhân cho tới khi bệnh nhân có thể tự hít thở và trở lại cuộc sống bình thường.

Bệnh nhân có thể sử dụng máy thở tại cơ sở y tế có trang thiết bị, trong tình huống nguy cấp trong xe cấp cứu. Ngoài ra, với một số trường hợp cần sử dụng máy trợ thở thường xuyên, người bệnh sẽ cần chuẩn bị máy trợ thở cá nhân sử dụng tại nhà.3 Một vài phương pháp điều khiển máy trợ thở Để điều khiển máy trợ thở, có một số phương pháp phổ biến tùy thuộc vào loại máy trợ thở và mục đích sử dụng. Dưới đây là một số cách điều khiển cơ bản: a) Điều khiển thủ công - Người vận hành trực tiếp: Dùng tay hoặc một cơ chế đơn giản để bóp bóng Ambu theo nhịp thở cần thiết. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Ứng dụng trong cấp cứu: Thường sử dụng trong trường hợp khẩn cấp khi không có máy móc phức tạp.

b) Điều khiển tự động - Theo áp suất (Pressure Control): Máy duy trì một áp suất hít vào cố định, phù hợp với khả năng của phổi bệnh nhân. - Theo thể tích (Volume Control): Máy bơm một thể tích khí cố định vào phổi mỗi lần thở. c) Điều khiển bằng thông số người dùng cài đặt - Cài đặt thủ công qua giao diện: Người dùng nhập các thông số như tần số thở (bpm), thể tích khí (tidal volume).4 Cấu tạo của hệ hô hấp Hệ hô hấp có nhiệm vụ cung cấp O2 cho quá trình trao đổi chất của tế bào để nuôi sống và phát triển cơ thể, đồng thời thải khí CO2 từ tế bào ra ngoài [3]. Dưới đây là hình mô tả hệ hô hấp của con người.2: Hệ hô hấp của con người.

Hô hấp gồm 4 giai đoạn: 21 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT + Sự thông khí ở phổi: là sự trao đổi khí giữa phế nang với khí trời (ngoại hô hấp). + Khuếch tán O2 và CO2 giữa khí phế nang và máu tại phổi. + Sự chuyên chở O2 và CO2 trong máu và dịch cơ thể để đến và rời khỏi tế bào.

+Sự trao đổi giữa dịch cơ thể và tế bào (nội hô hấp).1 Đường dẫn khí 2.1 Mũi Chức năng của mũi là giữ nóng, ẩm và làm sạch khí trời. Khí hít vào qua mũi, sẽ được điều chỉnh nhiệt độ gần bằng nhiệt độ cơ thể và độ ẩm gần với 100% bão hòa ở bất kì nhiệt độ và độ ẩm ngoài khí quyển như thế nào.2 Họng Họng, hay thường gọi là cổ họng, là một ống có chiều dài khoảng 12cm từ đáy của sọ đến thực quản. Cổ họng được chia làm 3 phần: phần trên vòm họng, vòm họng, yết hầu.3 Thanh quản Thanh quản được cấu tạo bằng khung sụn và dây chằng.4 Khí quản Là một ống hình trụ có chiều dài khoảng 10 đến 12cm và đường kính khoảng 2 đến 2,5cm. Gồm 16 đến 20 vòng sụn hình chữ C.

Khí quản tạo đường đi cho khí vào phổi.5 Phế quản Thành phế quản đều có sụn, trừ phần tiểu phế quản và các sợi cơ trơn. Điểm bắt đầu nhánh phế quản là sương lưỡi hái, rồi chia nhánh thành thùy phế quảnvà phế quản sơ cấp, từ thùy phế quản sẽ chia thành các tiểu phế quản. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3: Đường dẫn khí từ thanh quản đến phế quản [4].6 Lồng ngực Là một lồng kín, đáy là cơ hoành. Bao gồm: +Bộ phận cố định: Cột sống.

+Bộ phận di động được: Xương sườn, xương ức. +Bộ phận cử động: Các cơ hít vào và thở ra.7 Phổi và màng phổi Phổi là cơ quan chính của hệ hô hấp, nó chiếm phần lớn hai bên lồng ngực. Phổi được bao bọc bởi màng phổi. Được chia làm phổi trái và phổi phải.

Mỗi phổi lại được chia thành thùy và phân thùy. Mỗi phân thùy có rất nhiều túi nhỏ được gọi là phế nang. Đơn vị của phổi là phế nang hay túi khí. Đây là nơi trao đổi khí giữa máu và khí bên ngoài hít vào.

Áp suất trong khoang màng phổi nhỏ hơn áp suất khí quyển, do đó dễ dàng thực hiện các động tác hô hấp.2 Quá trình thông khí ở phổi 23 CHƯƠNG 2. Thông khí tự nhiên Thì hít vào bắt đầu từ sự chênh lệch áp lực giữa phế nang và khí quyển. Do các cơ hô hấp làm giãn lồng ngực, gây ra một áp lực trong phế nang thấp hơn áp lực khí quyển, áp lực phế nang giảm do áp lực màng phổi âm tính. Thì thở ra cơ hoành đẩy lên cao, cơ liên sườn giãn ra làm lồng ngực hạ xuống và áp lực màng phổi trở về bình thường, áp lực phế nang tăng lên và lớn hơn áp lực khí quyển, do đó khí được đẩy từ phế nang ra ngoài.

Thông khí nhân tạo Dựa trên nguyên lý của thông khí tự nhiên, thông khí nhân tạo được thực hiện dựa trên sự chênh lệch áp lực giữa máy và phổi. Thông khí nhân tạo còn được gọi là thông khí áp lực dương nghĩa là dùng máy đẩy khí vào phổi làm tăng áp lực đường thở trung tâm. Áp lực đường thở trung tâm tăng lên sẽ giúp đẩy khí đi vào phế nang nhờ đó phổi sẽ nở ra. Khi phổi nở ra sẽ dừng bơm khí vào đường thở, khi đó áp lực trong đường thở trung tâm giảm xuống.

Thì thở ra bắt đầu khi áp lực trong đường thở trung tâm giảm xuống thấp hơn so với áp lực phế nang.