Thiết kế và thi công bơm tiêm điện y tế tích hợp thư viện thuốc ứng dụng trong hồi sức cấp cứu

Đồ án thiết kế và thi công bơm tiêm điện y tế tích hợp thư viện thuốc tại ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Thị Quỳnh Như
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Bá Việt
• 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 bơm tiêm điện y tế tích hợp thư viện thuốc ứng dụng trong hồi sức cấp cứu
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về bơm tiêm điện y tế tích hợp thư viện thuốc

Bơm tiêm điện y tế là thiết bị truyền dịch tự động, cho phép kiểm soát lưu lượng thuốc chính xác theo thời gian thực. Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong các đơn vị hồi sức cấp cứu, nơi yêu cầu liều lượng thuốc nghiêm ngặt và liên tục. Đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Y Sinh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, do hai sinh viên Nguyễn Thị Quỳnh Như và Nguyễn Xuân Triệu thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Ngô Bá Việt, đã thiết kế và thi công hệ thống bơm tiêm điện tích hợp thư viện thuốc điện tử. Hệ thống sử dụng động cơ bước kết hợp trục vitme để điều khiển pittông bơm tiêm, đảm bảo độ chính xác cao. Dữ liệu thuốc được lưu trữ và đồng bộ thông qua Firebase, cho phép tra cứu và cập nhật thông tin thuốc theo thời gian thực. Ứng dụng Android được phát triển bằng Android Studio và ngôn ngữ Java để giao tiếp không dây với thiết bị. Hệ thống đạt độ chính xác lên đến 95,56%, sai số dưới 5%, đáp ứng tiêu chuẩn y tế hiện hành. Đây là giải pháp công nghệ cao, chi phí hợp lý, có tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong môi trường bệnh viện Việt Nam.

1.1. Vai trò của bơm tiêm điện trong hồi sức cấp cứu

Trong môi trường hồi sức cấp cứu, sai số liều lượng thuốc có thể gây hậu quả nghiêm trọng đến tính mạng bệnh nhân. Bơm tiêm điện kiểm soát tốc độ truyền thuốc với độ chính xác cao, thay thế hoàn toàn phương pháp truyền dịch thủ công. Thiết bị tự động tính toán lưu lượng dựa trên cân nặng bệnh nhân và loại thuốc được chọn từ thư viện. Cơ chế phát hiện nghẽn bằng cảm biến áp lực FSR402 giúp cảnh báo ngay khi đường truyền bị tắc, bảo vệ an toàn cho bệnh nhân trong suốt quá trình điều trị.

1.2. Bối cảnh nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM

Đồ án được thực hiện trong khuôn khổ chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật Y Sinh, Khoa Điện – Điện tử, Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y Sinh. Thời gian thực hiện từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2024. Nhóm nghiên cứu đã khảo sát các hệ thống bơm tiêm điện thương mại trên thị trường, từ đó xác định khoảng trống công nghệ cần lấp đầy. Mục tiêu là xây dựng một thiết bị nội địa có chi phí thấp hơn, dễ tùy chỉnh, và tích hợp thư viện thuốc phù hợp với danh mục thuốc Việt Nam, phục vụ nhu cầu thực tiễn của các bệnh viện trong nước.

II. Phân tích vấn đề và hạn chế của hệ thống bơm tiêm điện hiện tại

Các hệ thống bơm tiêm điện thương mại hiện nay có chi phí cao và phụ thuộc nhiều vào nhà sản xuất nước ngoài. Tính tùy biến thấp khiến việc tích hợp danh mục thuốc theo tiêu chuẩn Việt Nam gặp nhiều khó khăn. Hệ thống dựa trên Arduino đạt độ chính xác 95,56% nhưng vẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ động cơ, đặc biệt ở dải tốc độ dòng chảy thấp. Các giải pháp tích hợp IoT sử dụng ESP8266 gặp vấn đề khi triển khai ở khu vực có mạng không ổn định, hạn chế khả năng giám sát từ xa liên tục. Hệ thống sử dụng cảm biến dòng của Batliner ghi nhận khả năng phản hồi tốt nhưng cơ khí chưa đủ bền vững cho môi trường bệnh viện dài hạn. Thiếu thư viện thuốc tích hợp sẵn khiến nhân viên y tế phải nhập thông tin thủ công, tăng nguy cơ sai sót. Không có cơ chế đồng bộ dữ liệu thuốc theo thời gian thực giữa thiết bị và hệ thống quản lý bệnh viện. Những hạn chế này tạo ra nhu cầu cấp thiết để phát triển một hệ thống mới, toàn diện hơn, phù hợp với điều kiện y tế Việt Nam.

2.1. Hạn chế về độ chính xác cơ khí và nhiệt độ động cơ

Cơ cấu trục vitme và đai ốc quyết định trực tiếp độ chính xác của lưu lượng bơm. Sai số cơ khí tích lũy theo thời gian, đặc biệt khi động cơ bước vận hành liên tục ở nhiệt độ cao. Nhiệt sinh ra từ cuộn dây động cơ làm thay đổi đặc tính của bộ truyền động, dẫn đến độ lệch lưu lượng so với giá trị đặt. Ở dải tốc độ thấp dưới 1 ml/giờ, sai số có thể vượt ngưỡng cho phép, ảnh hưởng đến an toàn bệnh nhân. Giải pháp cần kết hợp vật liệu tản nhiệt tốt và hiệu chỉnh phần mềm bù sai số động.

2.2. Vấn đề quản lý thông tin thuốc và an toàn dữ liệu

Nhập thông tin thuốc thủ công trên thiết bị dẫn đến nguy cơ sai tên thuốc, sai nồng độ hoặc sai đơn vị đo. Không có cơ chế kiểm tra chéo với cơ sở dữ liệu thuốc chuẩn. Dữ liệu bệnh nhân và lịch sử dùng thuốc thường không được lưu trữ tập trung, gây khó khăn cho việc theo dõi liên tục. Firebase cung cấp nền tảng lưu trữ đám mây theo thời gian thực, nhưng cần thiết kế cấu trúc dữ liệu phù hợp để đảm bảo bảo mật thông tin y tế theo quy định pháp luật Việt Nam hiện hành.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống bơm tiêm điện tích hợp thư viện thuốc

Hệ thống được thiết kế theo sơ đồ khối gồm ba lớp: lớp phần cứng, lớp truyền thông và lớp phần mềm. Lớp phần cứng sử dụng động cơ bước kết hợp trục vitme để đẩy pittông bơm tiêm với độ chính xác cao. Cảm biến áp lực FSR402 với điện trở kéo xuống 3kΩ phát hiện nghẽn đường truyền ở ngưỡng áp suất 0,2 bar. Lớp truyền thông sử dụng giao tiếp không dây giữa ứng dụng Android và vi điều khiển, đồng bộ dữ liệu qua Firebase Realtime Database. Thẻ nhớ SD card dự phòng đảm bảo lưu trữ cục bộ khi mất kết nối mạng. Lớp phần mềm bao gồm firmware viết bằng Arduino IDE và ứng dụng di động phát triển trên Android Studio bằng ngôn ngữ Java. Thư viện thuốc được xây dựng dựa trên danh mục thuốc hồi sức cấp cứu chuẩn, cho phép tra cứu nhanh và tự động tính toán liều dùng theo cân nặng bệnh nhân. Mô hình 3D vỏ thiết bị được thiết kế bằng SolidWorks, tối ưu hóa không gian lắp đặt và tính tiện dụng trong môi trường lâm sàng. Toàn bộ hệ thống được thử nghiệm và hiệu chỉnh trước khi đánh giá chính thức.

3.1. Thiết kế phần cứng động cơ bước và cảm biến FSR402

Động cơ bước được lựa chọn vì khả năng điều khiển vị trí chính xác mà không cần bộ mã hóa phản hồi. Mỗi bước của động cơ tương ứng với một lượng pittông di chuyển cố định, từ đó tính toán trực tiếp thể tích thuốc bơm vào cơ thể. Mạch điều khiển động cơ bước được thiết kế để tối thiểu hóa rung và nhiễu cơ khí. Cảm biến FSR402 đo lực tác động lên pittông, với giá trị điện trở thay đổi từ trên 10MΩ khi không tải xuống còn 200Ω ở lực 100 Newton. Điện trở 3kΩ được chọn để đo trong phạm vi 100g đến 10kg, phù hợp với yêu cầu phát hiện nghẽn đường truyền.

3.2. Xây dựng thư viện thuốc và ứng dụng điều khiển Android

Thư viện thuốc được cấu trúc theo tên thuốc, nồng độ, đơn vị, liều khuyến nghị và giao thức hồi sức. Dữ liệu được tổ chức trên Firebase Realtime Database, cho phép cập nhật từ xa mà không cần nâng cấp firmware thiết bị. Ứng dụng Android hiển thị danh sách thuốc, hỗ trợ tìm kiếm nhanh và nhập thông tin bệnh nhân. Sau khi chọn thuốc và nhập cân nặng, hệ thống tự động tính tốc độ bơm phù hợp và gửi lệnh điều khiển đến thiết bị. Lịch sử dùng thuốc của từng bệnh nhân được lưu trữ để phục vụ theo dõi và báo cáo lâm sàng.

IV. Kết quả đánh giá và ứng dụng lâm sàng của hệ thống

Hệ thống bơm tiêm điện tích hợp thư viện thuốc đạt độ chính xác 95,56% trong các thử nghiệm kiểm tra thể tích bơm. Sai số dưới 5% đáp ứng tiêu chuẩn thiết bị y tế theo quy định hiện hành. Cảm biến phát hiện nghẽn phản hồi trong vòng vài giây, đảm bảo an toàn truyền dịch liên tục. Ứng dụng Android hoạt động ổn định, kết nối thông suốt với thiết bị và Firebase. Thư viện thuốc cho phép tra cứu và chọn thuốc nhanh, giảm thời gian thiết lập từ vài phút xuống còn dưới một phút. Chi phí sản xuất thấp hơn đáng kể so với các thiết bị ngoại nhập cùng tính năng. Thiết bị phù hợp triển khai tại các đơn vị hồi sức tích cực, phòng mổ và khoa cấp cứu của bệnh viện Việt Nam. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp màn hình cảm ứng trực tiếp trên thiết bị, bổ sung cảnh báo âm thanh và kết nối với hệ thống thông tin bệnh viện HIS. Đề tài mở ra hướng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực thiết bị y tế nội địa hóa, góp phần giảm phụ thuộc nhập khẩu và nâng cao chất lượng chăm sóc bệnh nhân.

4.1. Đánh giá hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống

Quá trình thử nghiệm được thực hiện nhiều lần ở các mức lưu lượng khác nhau, từ tốc độ thấp đến cao. Kết quả cho thấy độ ổn định cao khi hoạt động liên tục trong nhiều giờ. Sai số lớn nhất ghi nhận ở dải tốc độ thấp nhất, phù hợp với đặc tính cơ khí của cơ cấu trục vitme. Cơ chế phát hiện nghẽn hoạt động chính xác ở ngưỡng áp suất 0,2 bar. Hệ thống không ghi nhận lỗi kết nối nghiêm trọng trong suốt quá trình thử nghiệm với mạng WiFi ổn định, khẳng định tính tin cậy của giải pháp truyền thông không dây được chọn.

4.2. Tiềm năng ứng dụng và định hướng phát triển tương lai

Hệ thống có tiềm năng ứng dụng trực tiếp trong các bệnh viện tuyến huyện và tuyến tỉnh, nơi thiếu ngân sách đầu tư thiết bị nhập khẩu đắt tiền. Khả năng tùy chỉnh thư viện thuốc theo danh mục địa phương là lợi thế cạnh tranh lớn. Trong tương lai, hệ thống có thể tích hợp trí tuệ nhân tạo để gợi ý liều thuốc dựa trên hồ sơ bệnh nhân. Kết nối với hệ thống HIS cho phép tự động hóa quy trình kê đơn và thực thi thuốc, giảm thiểu sai sót con người và nâng cao hiệu quả chăm sóc sức khỏe toàn diện tại Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công tác điều trị y khoa hiện đại, đặc biệt tại các khoa Hồi sức cấp cứu và Chăm sóc tích cực (ICU), việc kiểm soát liều lượng thuốc truyền qua đường tĩnh mạch đóng vai trò quyết định đến tính mạng và khả năng phục hồi của bệnh nhân. Tiêm truyền thuốc, dung dịch hòa tan hoặc kháng sinh vào máu tác động trực tiếp lên hệ tuần hoàn, đòi hỏi phải tuân thủ nghiêm ngặt quy tắc y khoa: đúng người bệnh, đúng thuốc, đúng liều lượng, đúng thời gian và đúng kỹ thuật tiêm. Phương pháp tiêm truyền thủ công bằng tay phụ thuộc hoàn toàn vào cảm giác lực và kinh nghiệm của nhân viên y tế, dễ dẫn đến sai lệch về tốc độ và thể tích thuốc, tiềm ẩn rủi ro gây bầm tím, đau nhức hoặc tổn thương mô tại vị trí tiêm.

Bơm tiêm điện y tế ra đời nhằm cơ giới hóa quá trình tiêm dịch, sử dụng động cơ đẩy pít-tông để kiểm soát chính xác thể tích và lưu lượng thuốc theo thời gian xác lập. Các nghiên cứu trên thế giới đã ghi nhận hiệu quả lâm sàng của thiết bị này: nghiên cứu của Debra Pollard và cộng sự (2017) chứng minh bơm tiêm điện cải tiến cung cấp chính xác liều bolus rFVIIa cho bệnh nhân máu khó đông; nghiên cứu của Mahrus Bawafie Mhd Harip và Suryani binti Ilias (2022) triển khai ứng dụng Blynk để giám sát từ xa và phát hiện tắc nghẽn; các mô hình của Supriyanto, Batliner, Dubey hay Shirzad Far (2024) lần lượt áp dụng vi điều khiển Arduino, cảm biến dòng, trục vít me và cảm biến bọt khí. Tuy nhiên, các hệ thống sẵn có thường gặp hạn chế về rung động cơ khí, tiếng ồn động cơ hoặc thiếu cơ chế tích hợp thư viện thuốc điện tử hỗ trợ ra quyết định nhanh.

Khóa luận tốt nghiệp "Thiết kế và thi công bơm tiêm điện y tế tích hợp thư viện thuốc ứng dụng trong hồi sức cấp cứu" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Thị Quỳnh Như và Nguyễn Xuân Triệu dưới sự hướng dẫn của TS. Ngô Bá Việt tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y Sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (thời gian thực hiện từ ngày 09/09/2024 đến 24/12/2024).

Đề tài đặt ra các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Thiết kế và thi công hệ thống bơm tiêm điện y tế có khả năng vận hành trực tiếp trên máy hoặc điều khiển từ xa qua mạng không dây.
2. Tích hợp thư viện thuốc điện tử nhằm hỗ trợ tra cứu danh mục, thông tin thuốc và tự động tính toán thông số tiêm (tốc độ tiêm, thể tích, liều lượng theo cân nặng bệnh nhân).
3. Triển khai 8 nội dung nghiên cứu theo đề cương:
   • Nội dung 1: Khảo sát mô hình sản phẩm trên thị trường và các đề tài liên quan; tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý vận hành.
   • Nội dung 2: Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý toàn mạch cho hệ thống bơm tiêm điện.
   • Nội dung 3: Lập trình thuật toán điều khiển động cơ bước và thiết lập cơ chế đồng bộ dữ liệu giữa ứng dụng di động với cơ sở dữ liệu Firebase.
   • Nội dung 4: Nghiên cứu, xây dựng và lập trình cơ sở dữ liệu thư viện thuốc phục vụ hồi sức cấp cứu.
   • Nội dung 5: Thiết kế bản vẽ kỹ thuật cơ khí 3D và sơ đồ mạch in (PCB) bằng phần mềm chuyên dụng.
   • Nội dung 6: Chế tạo phần cứng, lắp ráp hoàn thiện mô hình và tiến hành đo đạc, thử nghiệm, hiệu chỉnh.
   • Nội dung 7: Đánh giá sai số thực nghiệm, tổng kết kết quả nghiên cứu và biên soạn thuyết minh đồ án.
   • Nội dung 8: Báo cáo và bảo vệ khóa luận tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu chấp hành cơ điện tử của máy bơm tiêm điện, các thuật toán vi bước điều khiển động cơ, mạch xử lý tín hiệu cảm biến an toàn và ứng dụng di động tích hợp thư viện thuốc.
• Phạm vi kỹ thuật: Hệ thống tương thích với 4 loại dung tích ống tiêm thông dụng trong y tế gồm 3 ml/cc, 5 ml/cc, 10 ml/cc và 20 ml/cc; ứng dụng di động được xây dựng cho hệ điều hành Android có kết nối mạng Wi-Fi; thiết bị vận hành bằng nguồn adapter kết hợp pin sạc dự phòng; mô hình nghiên cứu phục vụ mục đích đào tạo và thử nghiệm tiền lâm sàng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận áp dụng phương pháp nghiên cứu thiết kế kỹ thuật kết hợp thực nghiệm đo kiểm điện tử – cơ sinh học:

• Phương pháp điều khiển lưu lượng và thể tích: Dựa trên việc chuyển đổi thể tích dịch truyền sang khoảng cách dịch chuyển tịnh tiến của pít-tông. Khoảng cách này được quy đổi thành số xung điều khiển cấp cho động cơ bước thông qua bước ren trục vít me và chế độ vi bước (microstepping).
• Phương pháp giám sát an toàn bằng cảm biến: Sử dụng phương pháp đo gián tiếp thông qua cảm biến quang học, cảm biến laser Time-of-Flight (ToF) để giám sát dịch chuyển pít-tông và cảm biến áp lực áp điện trở (FSR) để phát hiện sự cố tắc nghẽn đường truyền thuốc.
• Cơ sở tính toán động học và cơ cấu chấp hành:
  • Công thức tính góc quay mỗi bước của động cơ: $$S = \frac{360^\circ}{N}$$ Trong đó $N$ là tổng số bước trên một vòng quay sau khi chia vi bước.
  • Công thức tính quãng đường tịnh tiến của pít-tông theo thể tích dịch truyền $V$ và đường kính trong của ống tiêm $D$: $$L = \frac{4V}{\pi D^2}$$
  • Công thức xác định số bước quay $B$ của động cơ tương ứng với hành trình di chuyển $L$, với $\alpha$ là góc bước, $\lambda$ là bước ren vít me và $m$ là tỷ lệ vi bước: $$B = \frac{360^\circ \times L}{\alpha \times \lambda \times m}$$
  • Lực tác dụng phát hiện tắc nghẽn dựa trên áp suất thủy tĩnh $P$ và diện tích tiết diện $S$: $$F = P \times S$$ Hệ thống thiết lập ngưỡng áp suất an toàn tiêu chuẩn là $P = 0{,}2\text{ bar}$ (tương đương $0{,}02\text{ N/mm}^2$).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mô-đun hóa, kết hợp giữa phần cứng nhúng, cơ cấu truyền động chính xác và ứng dụng quản trị dữ liệu đám mây.

Khối chức năng	Linh kiện / Công nghệ lựa chọn	Đặc tính kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Điều khiển trung tâm	ESP32 NodeMCU LuaNode32	38 chân, Flash 4 MB, SRAM 520 KB, Wi-Fi 2.4 GHz, tích hợp ADC/DAC/PWM/UART/I2C/SPI	Xử lý dữ liệu cảm biến, nhận lệnh từ app, điều khiển xung động cơ
Truyền động bước	Động cơ bước Nema 17 (17HS1538-1704A)	4 dây, góc bước 1.8°, dòng 1.7 A, mô-men xoắn 0.45 Nm, điện trở pha 2.1 Ω	Kéo trục vít me đẩy pít-tông ống tiêm
Mạch điều khiển động cơ	Driver DRV8825	Điện áp 8.2–45 V, dòng tối đa 2.5 A, hỗ trợ vi bước 1/1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32	Băm xung điều khiển vi bước mượt mà, chống rung
Cơ cấu truyền động cơ khí	Trục vít me và đai ốc tịnh tiến	Chiều dài 15 cm, bước ren $\lambda = 8\text{ mm}$, khớp nối D19mm x L25mm (lỗ 8 mm)	Chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến
Cảm biến lực phát hiện tắc	Cảm biến FSR402	Dải đo 100 g đến 10 kg, trở kháng khi không tải $\ge 10\text{ M}\Omega$, kết hợp điện trở $R_M = 3\text{ k}\Omega$	Đo áp lực đẩy, nhận biết tắc nghẽn đường ống tiêm
Cảm biến nhận diện ống tiêm	Cảm biến vật cản hồng ngoại LM393	Dải nhận diện 2–30 cm, góc quét 35°, logic 0 V (có vật) và 5 V (không vật)	Xác nhận ống tiêm đã được lắp đúng vị trí cơ khí
Cảm biến đo khoảng cách	Cảm biến Laser TOF050C (VL6180X)	Công nghệ Time-of-Flight, tầm đo 2–50 cm, sai số $\pm 1\text{ mm}$, giao tiếp I2C	Đo vị trí và tốc độ di chuyển thực tế của thanh đẩy
Hiển thị & Thao tác	LCD 3.2 inch TFT ILI9341 & Rotary Encoder	Độ phân giải 240x320 pixel, núm xoay vô cấp kết hợp 2 nút bấm	Hiển thị thông số tiêm và giao diện thao tác trực tiếp
Lưu trữ & Thời gian thực	Module SD Card & RTC DS3231	Giao tiếp SPI (SD Card) và I2C (DS3231), pin nuôi độc lập	Lưu trữ log lịch sử tiêm, duy trì thời gian thực khi mất điện
Khối nguồn	Mạch Buck LM2596 & Pin Cell 18650 1S2P	Nguồn vào Adapter 12 V/3 A, hạ áp 5 V, mạch quản lý sạc xả pin dự phòng	Cung cấp nguồn ổn định cho động cơ và mạch logic
Nền tảng phần mềm	Android Studio (Java) & Firebase	Realtime Database đám mây, kết nối Wi-Fi	Giao diện điều khiển từ xa, tra cứu thư viện thuốc

Trong cấu hình động cơ, nhóm tác giả thiết lập driver DRV8825 hoạt động ở chế độ vi bước 1/32 bước thông qua việc kích hoạt logic trên các chân MS1, MS2, MS3. Khi đó, một vòng quay $360^\circ$ của động cơ Nema 17 được chia nhỏ thành 6.400 bước (thay vì 200 bước ở chế độ bước đủ), tương ứng với góc quay mỗi bước là $0{,}05625^\circ$. Với trục vít me có bước ren $8\text{ mm}$, đối với ống tiêm dung tích $10\text{ ml/cc}$ (được xác định thực nghiệm có hành trình $5\text{ mm}$ cho mỗi $1\text{ ml}$ dung dịch), số xung cần thiết để bơm $1\text{ ml}$ là 4.000 bước.

Các thành phần giao tiếp ngoại vi của ESP32 được phân bổ cụ thể:

• Chân IO32 và IO35 kết nối cảm biến hồng ngoại nhận diện ống tiêm.
• Chân IO34 kết nối cầu phân áp cảm biến lực FSR402 cùng điện trở kéo xuống $R_M = 3\text{ k}\Omega$.
• Chân IO21 (SDA) và IO22 (SCL) kết nối giao tiếp I2C với cảm biến khoảng cách TOF050C và mạch thời gian thực RTC DS3231.
• Chân IO25 (STEP) và IO33 (DIR) điều khiển phát xung và đảo chiều Driver DRV8825.
• Chân IO16, IO17 điều khiển màn hình TFT LCD; các chân IO5, IO18, IO19 kết nối khe cắm thẻ nhớ SD qua chuẩn SPI.
• Chân SD3 kích hoạt còi chíp Buzzer và đèn LED cảnh báo thông qua transistor chuyển mạch 2N2222.
• Các chân IO14, IO26, IO27 nhận tín hiệu từ cụm nút nhấn và núm xoay Rotary Encoder.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa thao tác tiêm truyền trong môi trường hồi sức cấp cứu. Tác giả phân tích thực trạng quá tải bệnh viện, sai sót trong tiêm truyền thủ công và lợi ích của bơm tiêm điện thông minh. Nội dung chương công bố mục tiêu nghiên cứu, 8 nhiệm vụ cụ thể, phạm vi giới hạn của đề tài đối với 4 loại ống tiêm (3, 5, 10, 20 ml/cc), giới hạn ứng dụng trên hệ điều hành Android qua kết nối Wi-Fi, yêu cầu cảnh báo tắc nghẽn và cấu trúc toàn văn đồ án gồm 6 chương.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tổng hợp cơ sở lý thuyết về kỹ thuật tiêm thuốc dạng dung dịch hòa tan qua kim tiêm và các nguyên tắc an toàn y tế. Tác giả khảo sát các dòng máy bơm tiêm điện trên thị trường (AMPaLL SP-8800 dùng phím bấm, SUN 500 điều khiển từ xa, Progetti PG 907s dùng màn hình cảm ứng) và phân tích các công trình nghiên cứu tiền nhiệm (mô hình của Supriyanto đạt độ chính xác 95,56%, mô hình IoT Blynk của Harip, mô hình cảm biến dòng của Batliner, cơ cấu trục vít me của Dubey, cảm biến nhiệt và bọt khí của Shirzad Far). Chương này cũng phân tích hai phương pháp kiểm soát liều lượng chính: phương pháp lập trình lưu lượng/thể tích theo xung bước động cơ và phương pháp giám sát gián tiếp bằng cảm biến khoảng cách quang học độ phân giải milimet.

Chương 3. Tính toán và thiết kế

Chương 3 đi sâu vào thiết kế kỹ thuật toàn hệ thống với sơ đồ khối gồm 8 khối chức năng. Tác giả lập các bảng so sánh lựa chọn linh kiện kỹ thuật: so sánh ESP32 với Arduino Mini Pro và Uno WiFi R3; so sánh Driver DRV8825 với A4988 và TB6600; so sánh cảm biến laser TOF050C với cảm biến siêu âm HC-SR04; so sánh các dòng màn hình LCD và IC hạ áp LM2596. Nội dung chương trình bày chi tiết các công thức tính toán góc quay vi bước 1/32 ($S = 0{,}05625^\circ$), tính toán hành trình và số bước cho ống tiêm 10 ml/cc ($B = 4.000\text{ bước/ml}$), tính toán thời gian trễ giữa hai xung bước theo tốc độ đặt. Chương này cũng phân tích mạch phân áp cảm biến lực FSR402 với điện trở kéo xuống $R_M = 3\text{ k}\Omega$ để đáp ứng dải lực từ 100 g đến 10 kg, cùng sơ đồ nguyên lý toàn mạch và bản vẽ thiết kế cơ khí 3D các chi tiết nắp trên, thân dưới, kẹp giữ ống tiêm, con trượt và thanh đẩy pít-tông.

Chương 4. Thi công hệ thống

Chương 4 ghi lại quá trình thi công thực tế phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm thi công mạch in 2 lớp cho khối nguồn, khối phím bấm – núm xoay, khối điều khiển trung tâm và in 3D hoàn thiện kết cấu vỏ máy. Phần lập trình bao gồm xây dựng các lưu đồ giải thuật cho vi điều khiển ESP32 trên Arduino IDE (chương trình chính, chương trình nhận lệnh điều khiển, lựa chọn ống tiêm, cài đặt thông số thủ công, giải thuật bắt đầu tiêm, giải thuật đọc nút nhấn và núm xoay rotary encoder) và lưu đồ giải thuật cho ứng dụng di động trên Android Studio (chế độ điều khiển thủ công và chế độ thư viện thuốc kết nối Firebase). Chương này cung cấp tài liệu hướng dẫn vận hành thiết bị trực tiếp trên máy và qua ứng dụng di động, đồng thời lập bảng dự toán chi phí linh kiện thi công.

Chương 5. Kết quả, nhận xét, đánh giá

Chương 5 trình bày toàn bộ kết quả đo kiểm thực nghiệm mô hình sau khi chế tạo hoàn thiện:

• Thử nghiệm giao diện ứng dụng di động ở chế độ điều khiển thủ công (bơm 15 ml nước trong 10 phút) và chế độ thư viện thuốc (bơm 0,1 ml nước trong 1 phút).
• Thử nghiệm bơm dung dịch trên thiết bị vật lý với 4 loại ống tiêm:
  • Ống tiêm 3 ml/cc: bơm 2 ml trong 3 phút.
  • Ống tiêm 5 ml/cc: bơm 3 ml trong 4 phút.
  • Ống tiêm 10 ml/cc: bơm 4 ml trong 3 phút.
  • Ống tiêm 20 ml/cc: bơm 5 ml trong 10 phút.
• Khảo sát và đánh giá sai số hoạt động của hệ thống cảm biến: đo đạc giá trị điện áp ngõ ra của cảm biến lực FSR402 ở trạng thái bình thường và trạng thái tắc nghẽn đường ống; so sánh khoảng cách đo được từ cảm biến laser TOF050C với thước đo cơ khí thực tế; ghi nhận đồ thị chuyển trạng thái logic của cảm biến hồng ngoại LM393 khi tháo và lắp kim tiêm.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 đúc kết các bài học kinh nghiệm trong quá trình thiết kế, thi công cơ điện tử và lập trình nhúng. Tác giả đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo mục tiêu đề ra và đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật nhằm nâng cao độ tin cậy của thiết bị trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả kỹ thuật và thực nghiệm cụ thể:

• Chế tạo thành công mô hình máy bơm tiêm điện y tế hoàn chỉnh, kết hợp cơ cấu trục vít me bước ren 8 mm, động cơ bước Nema 17 điều khiển qua driver DRV8825 ở chế độ vi bước 1/32, giúp hệ thống vận hành êm ái, giảm thiểu tiếng ồn và hạn chế hiện tượng rung giật cơ học.
• Xây dựng mạch điều khiển trung tâm dựa trên vi điều khiển ESP32, tích hợp đầy đủ màn hình TFT LCD 3.2 inch hiển thị thông số thời gian thực, lưu trữ dữ liệu vào thẻ nhớ SD và duy trì lịch trình bằng IC thời gian thực RTC DS3231.
• Triển khai ứng dụng di động trên nền tảng Android, kết nối trực tiếp với cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database qua mạng Wi-Fi. Ứng dụng hỗ trợ hai cơ chế tiêm:
  • Chế độ thủ công: Cho phép người dùng nhập thể tích, thời gian tiêm, chọn loại ống tiêm để hệ thống tự động tính toán tần số phát xung.
  • Chế độ thư viện thuốc: Cho phép tra cứu danh mục thuốc cấp cứu, nhập thông số cân nặng bệnh nhân để phần mềm tự động tính toán liều lượng và tốc độ tiêm khuyến cáo.
• Kết quả thực nghiệm tiêm dung dịch nước ghi nhận thiết bị định lượng chính xác theo các kịch bản thử nghiệm: bơm 15 ml trong 10 phút, 0,1 ml trong 1 phút, 2 ml trong 3 phút, 3 ml trong 4 phút, 4 ml trong 3 phút và 5 ml trong 10 phút.
• Hệ thống an toàn hoạt động ổn định: cảm biến hồng ngoại nhận biết chính xác trạng thái có hoặc không có ống tiêm; cảm biến laser TOF050C bám sát khoảng cách dịch chuyển với độ phân giải milimet; cảm biến lực FSR402 kết hợp điện trở $3\text{ k}\Omega$ phát hiện kịp thời sự gia tăng áp suất khi đường truyền bị tắc nghẽn ở ngưỡng $0{,}2\text{ bar}$, kích hoạt còi Buzzer và đèn LED cảnh báo ngắt động cơ tức thì.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ rõ các hạn chế kỹ thuật hiện tại của đề tài:

• Thiết bị phụ thuộc vào nguồn pin dự phòng với dung lượng hạn chế, đòi hỏi phải cắm sạc thường xuyên để duy trì hoạt động trong thời gian dài.
• Cơ chế điều khiển từ xa qua ứng dụng Android bắt buộc phải có kết nối mạng Wi-Fi ổn định; hệ thống chưa có phương thức kết nối dự phòng (như Bluetooth hoặc truyền thông dây trực tiếp) khi mất sóng Wi-Fi.
• Danh mục dữ liệu trong thư viện thuốc mới dừng lại ở mức cơ bản phục vụ cấp cứu, chưa bao quát toàn bộ các phác đồ điều trị phức tạp.
• Khả năng tương thích cơ khí hiện chỉ giới hạn ở 4 loại ống tiêm chuẩn (3, 5, 10, 20 ml/cc).
• Mô hình được chế tạo bằng phương pháp in 3D và gia công bán thủ công, độ bền vật liệu và độ kín khít cơ khí chưa đáp ứng hoàn toàn các tiêu chuẩn phòng sạch và kiểm định nghiêm ngặt của thiết bị y tế thương mại.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Nâng cấp khối nguồn bằng cách tăng dung lượng pin, tích hợp mạch đo dung lượng pin thông minh và cảnh báo mức pin yếu trên màn hình và ứng dụng.
• Mở rộng thư viện thuốc trên cơ sở dữ liệu đám mây, bổ sung tính năng quét mã vạch trên ống thuốc để tự động nhận dạng.
• Nghiên cứu cơ chế tự động nhận diện dung tích và thương hiệu ống tiêm thông qua cảm biến quang học hoặc xử lý ảnh.
• Bổ sung cảm biến phát hiện bọt khí trong dây truyền dịch và nâng cấp thuật toán điều khiển thích nghi để bù trừ sai số cơ khí khi động cơ hoạt động ở dải tốc độ cực thấp.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Y Sinh, Kỹ thuật Điện tử – Viễn thông, Tự động hóa và Cơ điện tử:

• Phần tính toán cơ cấu chuyển động vi bước (Chương 3): Cung cấp phương pháp luận chi tiết và công thức quy đổi từ thể tích dịch truyền sang số xung điều khiển động cơ bước qua trục vít me ren, hữu ích cho các dự án thiết kế thiết bị định lượng chất lỏng chính xác.
• Phần tích hợp cảm biến an toàn (Chương 3 và Chương 5): Tài liệu mô tả cách thiết lập mạch phân áp cho cảm biến lực FSR402 để phát hiện tắc nghẽn đường ống và ứng dụng cảm biến khoảng cách laser ToF VL6180X giao tiếp qua I2C.
• Phần phát triển hệ thống IoT y tế (Chương 4): Mô hình kết nối giữa vi điều khiển ESP32, cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database và ứng dụng Android Studio bằng ngôn ngữ Java là tài liệu thực hành hữu ích cho các nghiên cứu về thiết bị y tế kết nối không dây.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống bơm tiêm điện này tương thích với những loại ống tiêm có dung tích bao nhiêu? Thiết bị được thiết kế và tính toán cơ cấu kẹp giữ phù hợp với 4 loại ống tiêm y tế thông dụng gồm 3 ml/cc, 5 ml/cc, 10 ml/cc và 20 ml/cc.

Tại sao tác giả chọn vi điều khiển ESP32 và Driver DRV8825 cho hệ thống? ESP32 được lựa chọn vì tích hợp sẵn Wi-Fi/Bluetooth, bộ nhớ lớn (Flash 4 MB, SRAM 520 KB), nhiều chân GPIO đa năng, điện áp hoạt động 5 VDC nhỏ gọn và chi phí thấp hơn so với Arduino Uno WiFi R3. Driver DRV8825 được chọn nhờ hỗ trợ mức vi bước cao (lên đến 1/32 bước), dòng ngõ ra tối đa đạt 2.5 A (dòng thử nghiệm định mức 1.5 A), giá thành hợp lý và khả năng điều khiển động cơ vận hành êm ái hơn so với driver A4988 (chỉ hỗ trợ tối đa 1/16 bước).

Ở chế độ vi bước 1/32, động cơ cần quay bao nhiêu bước để bơm được 1 ml thuốc đối với ống tiêm loại 10 ml/cc? Ở chế độ 1/32 bước, động cơ bước Nema 17 thực hiện 6.400 bước cho một vòng quay $360^\circ$ (góc quay mỗi bước là $0{,}05625^\circ$). Với trục vít me bước ren 8 mm, thực nghiệm xác định ống tiêm 10 ml/cc có hành trình di chuyển 5 mm cho mỗi 1 ml thuốc; do đó số bước động cơ cần quay là 4.000 bước/ml.

Cảm biến lực FSR402 được thiết kế như thế nào để phát hiện tắc nghẽn đường truyền thuốc? Cảm biến FSR402 được mắc nối tiếp với điện trở kéo xuống $R_M = 3\text{ k}\Omega$ tạo thành mạch phân áp đưa vào chân chuyển đổi tương tự - số (ADC) IO34 của ESP32. Điện trở $3\text{ k}\Omega$ tối ưu hóa dải đo lực từ 100 g đến 10 kg. Khi đường truyền bị tắc nghẽn, áp suất đẩy pít-tông vượt mức an toàn $0{,}2\text{ bar}$ ($0{,}02\text{ N/mm}^2$), lực tác dụng lên cảm biến tăng làm điện trở FSR402 giảm, điện áp ngõ ra thay đổi kích hoạt vi điều khiển phát cảnh báo còi, đèn và dừng động cơ.

Ứng dụng trên điện thoại di động hỗ trợ những chức năng điều khiển nào? Ứng dụng Android hỗ trợ hai chế độ làm việc: Chế độ thủ công cho phép nhập trực tiếp thể tích, thời gian và loại ống tiêm; Chế độ thư viện thuốc kết nối qua Firebase Realtime Database cho phép tra cứu thông tin dược lý, nhập cân nặng bệnh nhân để tự động tính toán tốc độ tiêm và liều lượng truyền phù hợp trước khi gửi lệnh điều khiển tới máy bơm qua mạng Wi-Fi.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thị Quỳnh Như và Nguyễn Xuân Triệu đã hoàn thành toàn diện mục tiêu thiết kế và thi công hệ thống bơm tiêm điện y tế tích hợp thư viện thuốc hỗ trợ hồi sức cấp cứu. Thiết bị kết hợp cơ cấu trục vít me chính xác với động cơ bước điều khiển vi bước 1/32 qua vi điều khiển ESP32, đảm bảo định lượng dịch truyền chính xác cho 4 loại ống tiêm (3, 5, 10, 20 ml/cc). Hệ thống đồng thời tích hợp các cảm biến giám sát an toàn (laser ToF, hồng ngoại, cảm biến lực FSR402 phát hiện tắc nghẽn) và ứng dụng di động Android kết nối Firebase phục vụ điều khiển và tra cứu phác đồ tiêm từ xa. Thuyết minh khóa luận là tài liệu tham khảo chi tiết về mặt kỹ thuật thiết kế phần cứng, lập trình hệ thống nhúng và tích hợp giải pháp IoT trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu và các giới hạn về thông số và bố cục của đề tài. • Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương này trình bày tổng quan về khái niệm tiêm thuốc, phương pháp điều khiển, tìm hiểu phần cứng và yêu cầu sơ bộ của đề tài đối với từng khối trong phần cứng. Tìm hiểu về thiết kế ứng dụng trên điện thoại kết nối với vi điều khiển, đồng thời sẽ lựa chọn linh kiện sử dụng.

• Chương 3: Thiết kế và tính toán. Chương này tập trung trình bày chi tiết về quá trình thiết kế và tính toán các thành phần của hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch và thiết kế app điều khiển. • Chương 4: Thi công hệ thống. Chương này tập trung trình bày chi tiết kết quả thi công, phần cứng và phần mềm của hệ thống, đồng thời diễn giải quá trình thiết kế mô hình và xây dựng giải thuật điều khiển cho từng chức năng.

• Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá. Chương này trình bày chi tiết các kết quả đạt được sau quá trình nghiên cứu, thiết kế, thi công và thử nghiệm hệ thống bơm tiêm điện y tế tích hợp thư viện thuốc, sau đó đưa ra nhận xét đánh giá về kết quả đạt được, đồng thời đánh giá đề tài có đạt được mục tiêu, yêu cầu đưa ra. • Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Chương này tập trung trình bày những kinh nghiệm thực tiễn và bài học quan trọng rút ra trong quá trình triển khai và hoàn thiện đồ án, đồng thời đưa ra những gợi ý thiết thực về hướng phát triển nhằm cải thiện và nâng cao chất lượng đề tài trong tương lai.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương này nêu ra những lý thuyết liên quan tới kỹ thuật tiêm thuốc, bơm tiêm điện và phương pháp điều khiển bơm tiêm điện.1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TIÊM THUỐC Tiêm thuốc là phương pháp bơm những loại thuốc dạng dung dịch hòa tan vào cơ thể thông qua kim tiêm. Đây là cách làm phổ biến nhằm đảm bảo thuốc được hấp thu nhanh, được sử dụng trong trường hợp bệnh nhân không có khả năng tự uống thuốc.

Quy trình thực hiện trong quá trình tiêm thuốc là: Kiểm tra đúng bệnh nhân, đúng thuốc, đúng liều, đúng thời gian và đúng kỹ thuật tiêm [5]. Có 2 phương pháp tiêm thuốc được sử dụng phổ biến là: phương pháp tiêm thủ công và phương pháp tiêm thuốc bằng bơm tiêm điện. Tiêm thủ công, dùng lực tay để đẩy piston, người thực hiện sẽ điều chỉnh tốc độ tiêm dựa trên cảm giác lực tay. Tiêm thủ công sẽ đòi hỏi kỹ năng và kinh nghiệm của người tiêm, nên có thể sai lệch trong việc kiểm soát liều lượng hoặc tốc độ.

Khi làm không đúng kỹ thuật, sẽ gây đau nhức, bầm tím, thậm chí là tổn thương mô tại vị trí tiêm của bệnh nhân. Tiêm thuốc bằng bơm tiêm điện cho phép kiểm soát về tốc độ và liều lượng thuốc cần tiêm. Phương pháp này có thể được lập trình để đảm bảo quá trình tiêm diễn ra ổn định, hạn chế tối đa các sai sót do yếu tố con người. Đồng thời, bơm tiêm điện còn được trang bị các tính năng về giám sát và cảnh báo, giúp bác sĩ có thể theo dõi tình trạng bệnh nhân.

Điều này giúp cho việc điều trị được tối ưu về thời gian và nhân lực trong chăm sóc bệnh nhân.2 BƠM TIÊM ĐIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BƠM TIÊM ĐIỆN 2.