Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình máy trợ thở tự động bóp bóng Ambu

Nghiên cứu chi tiết về thiết kế mô hình máy trợ thở tự động bóp bóng Ambu. Giải pháp chi phí thấp, dễ chế tạo, tích hợp cảm biến theo dõi bệnh nhân.

• Tác giả: Nguyễn Đức Văn Tín
• Người hướng dẫn: Th.S Võ Thị Bích Ngọc
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh
• Đề tài: Thiết kế mô hình máy trợ thở tự động chi phí thấp
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Thiết kế Mô hình Máy Trợ thở Tự động

Máy trợ thở tự động chi phí thấp là một giải pháp y tế hiện đại nhằm hỗ trợ bệnh nhân có vấn đề về hô hấp. Thiết bị này được phát triển dựa trên công nghệ bóp bóng Ambu tự động, kết hợp với các cảm biến sinh y học tiên tiến. Mô hình máy trợ thở được thiết kế để hoạt động với nguyên lý dùng áp lực dương từ quả bóng Ambu nhằm đẩy luồng khí vào khí quản bệnh nhân. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển Arduino với hệ điều hành thời gian thực, cho phép theo dõi chính xác các chỉ số sinh tồn của bệnh nhân bao gồm nhiệt độ, nhịp tim và nồng độ SpO2. Thiết kế này đặc biệt phù hợp với các bệnh viện, phòng khám cấp cơ sở nơi có hạn chế về ngân sách y tế nhưng vẫn cần cung cấp dịch vụ chăm sóc hô hấp chất lượng cao.

1.1. Nhu cầu Sử dụng Máy Trợ thở trong Y tế Hiện đại

Nhu cầu sử dụng máy trợ thở tự động ngày càng gia tăng trong các cơ sở y tế hiện đại. Bệnh nhân mắc suy hô hấp, hen phế quản, viêm phổi tắc nghẽn mạn tính đều cần hỗ trợ hô hấp liên tục. Chi phí thấp và thiết kế đơn giản giúp các bệnh viện vùng sâu, vùng xa có khả năng tiếp cận công nghệ y tế tiên tiến. Máy trợ thở giúp giảm tải cho nhân viên y tế, tăng độ chính xác trong điều trị.

1.2. Tình hình Các Bệnh Hô hấp trong Xã hội Hiện đại

Các bệnh hô hấp như suy hô hấp, hen phế quản và viêm phổi tắc nghẽn mạn tính ngày càng phổ biến. Suy hô hấp xảy ra khi cơ thể không thể duy trì trao đổi khí thích hợp. Hen phế quản gây khó thở do viêm đường hô hấp. Những bệnh này đòi hỏi can thiệp y tế kịp thời và máy trợ thở chất lượng cao để cứu sống bệnh nhân.

II. Cấu trúc và Nguyên lý Hoạt động của Máy Trợ thở

Máy trợ thở tự động hoạt động dựa trên nguyên lý áp lực dương từ quả bóng Ambu. Hệ thống sử dụng một động cơ điều khiển cánh tay đòn tác động vào bóng Ambu với góc hợp lý, cung cấp lượng khí đủ cho bệnh nhân hô hấp. Thiết bị cung cấp chế độ thở có kiểm soát với tốc độ bóp bóng từ 10-40 lần/phút và tỉ lệ I:E (tỉ lệ thời gian thở vào/thở ra) từ 1:1 đến 1:4. Bộ điều khiển Arduino tích hợp các cảm biến để theo dõi sức khỏe bệnh nhân một cách chính xác, giúp bác sĩ điều chỉnh các thông số thích hợp. Thiết kế chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất cao, an toàn và độ tin cậy cần thiết.

2.1. Thành phần Chính của Hệ thống

Bộ điều khiển Arduino là trái tim của hệ thống, điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động. Motor điều khiển tác động vào cánh tay đòn để bóp bóng Ambu. Cảm biến nhiệt độ theo dõi nhiệt độ cơ thể bệnh nhân. Cảm biến nhịp tim ghi nhận nhịp tim thời gian thực. Cảm biến SpO2 đo nồng độ bão hòa oxy trong máu. Hệ thống được thiết kế để thay thế sức người một cách hiệu quả.

2.2. Các Chỉ số Sinh tồn Được Theo dõi

Chỉ số nhiệt độ giúp phát hiện sốt hoặc suy giảm nhiệt độ cơ thể. Chỉ số nhịp tim cung cấp thông tin về tình trạng tim mạch bệnh nhân. Chỉ số nồng độ SpO2 đo lường lượng oxy trong máu, rất quan trọng cho bệnh nhân hô hấp. Bác sĩ có thể điều chỉnh các thông số máy dựa trên các chỉ số này để tối ưu hóa điều trị.

III. Ưu điểm của Thiết kế Máy Trợ thở Chi phí Thấp

Thiết kế máy trợ thở tự động chi phí thấp mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các máy trợ thở truyền thống. Thứ nhất, chi phí sản xuất thấp giúp các cơ sở y tế có ngân sách hạn chế có thể mua sắm thiết bị. Thứ hai, thiết kế đơn giản, dễ chế tạo cho phép sửa chữa và bảo dưỡng tại chỗ. Thứ ba, hệ thống tích hợp cảm biến sinh y học hiện đại đảm bảo theo dõi chính xác tình trạng bệnh nhân. Thứ tư, tốc độ bóp bóng có thể điều chỉnh (10-40 lần/phút) phù hợp với nhu cầu từng bệnh nhân. Cuối cùng, máy hoạt động với hệ điều hành thời gian thực, đảm bảo độ tin cậy cao và an toàn cho bệnh nhân.

3.1. Tính Kinh tế và Khả năng Tiếp cận

Chi phí thấp là ưu điểm nổi bật nhất của thiết kế này, giúp các bệnh viện vùng sâu vùng xa có thể sở hữu máy trợ thở chất lượng. Thiết bị dễ chế tạo tại các cơ sở công nghệ địa phương. Bảo dưỡng đơn giản giúp giảm chi phí vận hành. Máy có thể dễ dàng nâng cấp với công nghệ mới trong tương lai.

3.2. Tính Chính xác và Độ An toàn

Cảm biến tiên tiến đảm bảo đo lường chính xác các chỉ số bệnh nhân. Bộ điều khiển Arduino xử lý dữ liệu nhanh chóng và chính xác. Tốc độ bóp bóng chính xác từ 10-40 lần/phút phù hợp với quy chuẩn y tế. Hệ thống hoạt động với hệ điều hành thời gian thực đảm bảo không có sai sót trong điều trị.

IV. Hướng phát triển và Ứng dụng Thực tiễn

Máy trợ thở tự động chi phí thấp mở ra nhiều hướng phát triển trong tương lai. Các kết quả thí nghiệm cho thấy hệ thống bóp bóng với tốc độ chính xác và các cảm biến thành công thay thế sức người trong việc cung cấp hỗ trợ hô hấp. Mô hình này có thể được nâng cấp với công nghệ AI để tự động điều chỉnh các thông số dựa trên tình trạng bệnh nhân. Thiết bị có tiềm năng lớn trong các bệnh viện cấp cơ sở, phòng khám, đặc biệt là trong bối cảnh hậu đại dịch COVID-19. Ngoài ra, mô hình này có thể được sử dụng trong huấn luyện nhân viên y tế, mô phỏng lâm sàng, và nghiên cứu khoa học về điều trị hô hấp.

4.1. Tiềm năng Phát triển Công nghệ

Tích hợp trí tuệ nhân tạo giúp máy tự động điều chỉnh các thông số dựa trên phản ứng bệnh nhân. Kết nối IoT cho phép theo dõi từ xa và ghi dữ liệu lâu dài. Giao diện người dùng có thể được cải thiện để dễ sử dụng hơn. Hệ thống cảnh báo có thể được nâng cấp để phát hiện sớm các vấn đề sức khỏe.

4.2. Ứng dụng Thực tiễn và Triển khai

Máy trợ thở có thể được triển khai rộng rãi tại các cơ sở y tế vùng sâu. Chương trình đào tạo để hướng dẫn nhân viên y tế sử dụng máy. Hợp tác với các bệnh viện để kiểm định chất lượng. Sản xuất hàng loạt giúp giảm chi phí và tăng tính sẵn có trên thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1. Nhu cầu sử dụng bóng ambu hiện nay Hiện nay, có rất nhiều trường hợp bệnh nhân cần phải được hỗ trợ thở để duy trì sự sống như trường hợp bệnh nhân được cấp cứu khi bị tai nạn, bệnh nhân trong quá trình được phẫu thuật, bệnh nhân đang trong quá trình hồi sức, bệnh nhân bị suy hô hấp, bệnh nhân nhiễm COVID-19, bệnh nhân bị phát bệnh hen phế quản. Bóng bóp ambu là một dụng cụ hỗ trợ hô hấp tiện lợi và mang lại hiệu quả cao, đây là một phương tiện cấp cứu cơ bản, được trang bị ở tất cả các bệnh viện, cơ sở y tế.[1] Nếu bóp bóng đúng cách, đưa được lượng khí cần thiết vào phổi thì người bệnh sẽ hồi phục tốt, hoặc ít ra cũng còn thời gian vận chuyển đến trung tâm hồi sức có máy thở để tiếp tục hồi sức. Ngược lại, nếu không nắm được kỹ thuật bóp bóng Ambu thì dù cấp cứu kịp thời nhưng không đưa khí vào phổi người bệnh mà để lọt ra ngoài (do hở mặt nạ) hoặc khí vào dạ dày quá nhiều thì tình trạng người bệnh sẽ xấu dần và tử vong.[1] Do đó cần phải có các bác sĩ hoặc y tá có chuyên môn thì mới có thể bóp bóng đúng cách đưa đủ lượng khi oxy cần thiết giúp bệnh nhân hồi phục tốt được nhưng chỉ trong một thời gian ngắn vì sức người có hạn không thể duy trì hô hấp cho bệnh nhân thời gian dài được.

Chính vì thế mà việc sử dụng một chiếc máy trợ thở là một điều tất yếu giúp giải quyết vấn đề trên. Việc bệnh nhân được trợ thở bằng máy với cường độ phù hợp sẽ giúp họ mau chóng hồi phục sức khỏe. Máy trợ thở không những giúp giải quyết vấn đề sức người mà còn giúp tiết kiệm tiền bạc, thời gian, công sức cho người nhà bệnh nhân. Tuy nhiên, hiện nay máy trợ thở còn hạn chế do giá thành cao và thường phải thuê thêm từ các cơ sở y tế tư nhân và ít máy chuyên dùng dành cho bệnh nhân nhiễm COVID-19.

Tình hình các bệnh hô hấp xã hội hiện đại Trong xã hội hiện đại ngày nay, xuất hiện nhiều chủng virus mới tấn công hệ hô hấp con người gây ra đại dịch như virus Covid-19 .Covid -19 gây ra bệnh viêm đường hô hấp cấp tính ở mọi lứa tuổi , nhất là ở người già và trẻ em. Đây là một căn bệnh gây nhiễm trùng ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến khả năng hô hấp của người bệnh, đặc biệt đối với những người có hệ miễn dịch kém. Các biến chứng của bệnh viêm đường hô hấp thường rất nguy hiểm và thậm chí có thể dẫn đến tử vong, bao gồm các triệu chứng sau : • Ngưng hô hấp : xảy ra khi phổi ngừng hoạt động • Suy hô hấp: xảy ra khi nồng độ CO2 trong máu quá cao vì lúc đó phổi không còn hoạt động bình thường • Gây ra bệnh suy tim sung huyết WHO ước tính đại dịch Covid-19 đã gây ra cái chết của gần 15 triệu người trên thế giới, nhiều hơn 13% so với dự kiến trong vòng 2 năm. WHO tin rằng nhiều quốc gia chưa thống kê được số người chết vì Covid-19 bởi chỉ có 5,4 triệu ca tử vong được báo cáo cho đến nay.

[2] Mỗi năm trên toàn thế giới có khoảng hàng triệu ca tử vong do các bệnh lý liên quan đến đường hô hấp. Bệnh có thể xảy ra ở bất kỳ ai, bất kỳ độ tuổi nào nhưng xảy ra nhiều nhất là nhóm độ tuổi trẻ em và người lớn tuổi. Thực tế, trước khi COVID-19 xảy ra, có rất nhiều thông tin cảnh báo về xu hướng gia tăng người nhiễm bệnh đường hô hấp do điều kiện đặc thù của nước Việt Nam ta khí hậu nóng ẩm, nhiệt đới gió mùa cộng với thời tiết hay thay đổi. Cùng với đó là ô nhiễm không khí đang là vấn đề nhức nhối ở các thành phố lớn do phát triển công nghiệp, nóng lên toàn cầu, tình trạng hút thuốc lá, stress và sự già hóa dân số cũng khiến tỷ lệ mắc bệnh về hô hấp ngày một gia tăng và nhiều ca bệnh nặng nếu không chữa trị kịp thời sẽ dẫn đến tử vong.

Đặc biệt, diễn biến phức tạp khó lường của các bệnh hô hấp nhiễm trùng, tình trạng kháng kháng sinh của vi khuẩn cũng khiến công tác chẩn đoán và điều trị bệnh gặp nhiều khó khăn. 5 Những bệnh lý hô hấp thường gặp bao gồm viêm phế quản cấp, viêm phổi nguyên nhân do các loại vi khuẩn, virus, hen phế quản; bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính ; ung thư phổi; tràn dịch màng phổi; lao phổi. Các bệnh này chiếm khoảng 80% số các bệnh lý hô hấp.[4] Còn nhiều bệnh lý khác về hô hấp nhưng chiếm tỷ lệ ít hơn như: giãn phế quản, viêm phổi kẽ, bụi phổi, các biểu hiện phổi trong các bệnh hệ thống, nội tiết, cơ xương khớp, thận… Trong các bệnh lý đường hô hấp, phổ biến là hen phế quản và viêm phổi tắc nghẽn mạn tính (COPD), đang trở thành gánh nặng về y tế toàn cầu. WHO đã ghi nhận, bệnh hen phế quản là nguyên nhân dẫn đến tử vong của 30% trường hợp trẻ em dưới 5 tuổi.

Còn COPD là nguyên nhân gây tử vong đứng hàng thứ 3 trên thế giới, năm 2020 .[4] Việt Nam là một trong các quốc gia có tỷ lệ mắc, tử vong, chịu gánh nặng bệnh tật do hai căn bệnh này cao nhất thế giới. Theo con số thống kê, ở nước ta có 4,1% dân số mắc bệnh hen phế quản, nhưng chỉ có 29,1% trong số đó được điều trị bằng liệu pháp dự phòng. Trong khi đó, tỷ lệ mắc COPD khoảng 4,2% dân số trên 40 tuổi và 37,5% người mắc COPD trưởng thành được ghi nhận có triệu chứng nghiêm trọng, điều này gây ảnh hưởng đến công việc và hoạt động sinh hoạt hàng ngày.[4] Thống kê tại Việt Nam, mỗi năm cả nước có khoảng 800.000 người mắc các bệnh lý hô hấp do ảnh hưởng của cúm mùa. Đây cũng chính là nguyên nhân của các đợt cấp bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính (COPD) khiến bệnh tiến triển nặng, nguy cơ dẫn đến các biến chứng nguy hiểm.

Hơn 50% trường hợp người bệnh COPD nhập viện trong tình trạng suy hô hấp cấp được tiên lượng xấu, nguy cơ tử vong cao. Tình trạng này cũng được báo động là nguy cơ gây tử vong hàng đầu ở trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ. Nghiên cứu dựa trên triệu chứng lâm sàng và thăm hỏi bệnh sử của 313 trẻ sơ sinh mắc chứng suy hô hấp cho thấy: 144 trường hợp do bệnh màng trong, 101 trường hợp không có tổn thương trước đó, 21 trường hợp mắc các bệnh lý phổi như chậm tiêu dịch phổi, viêm phổi, hít phân su, chảy máu phổi và 8 trường hợp do ngạt.[5] 6 Các trường hợp bị bệnh lý đường hô hấp nêu trên nếu được điều trị kịp thời bằng máy trợ thở tại nhà thì sẽ tránh bị trường hợp nặng qua không qua khỏi, giúp người bệnh có thể vượt qua biến chứng nặng dẫn đến tử vong trước khi đưa đến bệnh viện. Suy hô hấp Suy hô hấp là tình trạng phổi gặp khó khăn trong việc trao đổi oxy và CO2 với máu có thể khiến người bệnh bị thiếu oxy hoặc lượng CO2 trong cơ thể cao.

Có 2 loại suy hô hấp thường gặp • Suy hô hấp cấp tính: Là tình trạng suy hô hấp xảy ra nhanh chóng, bất ngờ, là một trường hợp khẩn cấp do đó bệnh nhân cần phải được cấp cứu ngay. • Suy hô hấp mạn tính: Là tình trạng suy hô hấp lâu dài mà người bệnh cần được chăm sóc và theo dõi thường xuyên tại nhà 1. Hen phế quản Hen phế quản là tình trạng viêm mạn tính đường thở, làm tăng tình trạng co thắt, phù nề, tăng tiết đờm…gây tắc nghẽn, hạn chế luồng khí đường thở. Tại Việt Nam, tỉ lệ người bị hen phế quản chiếm tới 5% dân số, tương đương khoảng trên 4 triệu người.

Trong đó, tỉ lệ trẻ em mắc bệnh là cao nhất và chủ yếu nằm ở nhóm tuổi 12-13 tuổi.[6] Theo thống kê mới đây, tại Hà Nội có 8,1% trẻ em nội thành và 6,7% trẻ em ngoại thành mắc hen phế quản. Còn tại thành phố Hồ Chí Minh, con số này cao hơn rất nhiều với tổng số 29,1% trẻ em dưới 18 tuổi bị hen phế quản.[6] Khi bệnh nhân phát bệnh thì cần được nhanh chóng đưa tới bệnh viện cấp cứu gần nhất và cần nhanh chóng thực hiện sơ cứu bổ sung khí oxy cho bệnh nhân để duy trì hô hấp trước khi tới bệnh viện. Do đó, bệnh nhân có một chiếc máy thở oxy tại nhà sẽ an toàn đến sức khỏe người bệnh bị hen phế quản nói riêng và bệnh hô hấp nói chung. Viêm phổi tắc nghẽn mạn tính Bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính (COPD) là một bệnh viêm phổi mãn tính gây ra tắc nghẽn luồng khí trong phổi.

7 Nguyên nhân gây bệnh do tiếp xúc lâu dài với các chất khí hoặc hạt vật chất kích thích mà cụ thể là khói thuốc lá và ô nhiễm khói bụi từ môi trường do khí thải từ các phương tiện xe máy, ô tô, nhà máy công nghiệp. Các chỉ số sinh tồn theo dõi sức khỏe bệnh nhân nhiễm các bệnh về hô hấp Dấu hiệu sinh tồn (hay được gọi là Vital signs - dấu hiệu sống) cho biết tình hình sức khỏe, trạng thái duy trì sự sống của cơ thể con người. Nó bao gồm các thông số là: nhiệt độ, mạch, huyết áp, nhịp thở và nồng độ bão hòa Oxy trong máu (SpO2). Những dấu hiệu này thể hiện rõ tình trạng hoạt động của các cơ quan, nội tạng, phản ánh chính xác chức năng sinh lý, mức độ hoạt động của cơ thể người bệnh từ đó xác định tình trạng bệnh lý và khả năng hồi phục của bệnh nhân theo hướng nào.

Nếu nhưng chỉ số này duy trì ở mức ổn định ở một ngưỡng nào đó thì tình hình sức khỏe của người đó đang tốt, nếu các chỉ số này thay đổi vượt qua ngưỡng bình thường thì sẽ khiến cá chức năng sinh lý trong cơ thể người bệnh mất cân bằng gây ra các căn bệnh, có thể dẫn đến biến chứng ảnh hưởng đến tính mạng. Do đó việc theo dõi các chỉ số sinh tồn này là cần thiết giúp bác sĩ hoặc người thân bệnh nhân có thể kịp thời phát hiện biến chứng ảnh hưởng đến sức khỏe bệnh nhân để kịp thời cấp cứu trước khi quá muộn. Chỉ số nhiệt độ Con người là động vật hằng nhiệt nên nhiệt độ cơ thể không thay đổi nhiều theo nhiệt độ môi trường.