Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong thực hành lâm sàng, kỹ thuật tiêm truyền tĩnh mạch (Intravenous - IV) đóng vai trò thiết yếu nhằm cung cấp máu, huyết tương, chất dinh dưỡng, nước, chất điện giải và các loại thuốc điều trị trực tiếp vào hệ thống tuần hoàn của người bệnh. Tại các cơ sở y tế ở Việt Nam, phương pháp truyền dịch truyền thống sử dụng dây truyền trọng lực kết hợp con lăn điều chỉnh lưu lượng bằng tay vẫn còn phổ biến. Phương thức thủ công này bộc lộ nhiều hạn chế: tốc độ truyền giảm dần theo thời gian do áp lực cột chất lỏng suy giảm, nhân viên y tế phải trực tiếp dùng đồng hồ bấm giờ để đếm số giọt rơi trong buồng đếm và căn chỉnh cơ học, dẫn đến độ chính xác không cao và làm gia tăng áp lực công việc cho đội ngũ điều dưỡng.

Theo số liệu thống kê từ Hiệp hội Dược sĩ Hệ thống Y tế Hoa Kỳ (ASHP), tỷ lệ bệnh viện tại Hoa Kỳ ứng dụng máy truyền dịch thông minh đã tăng từ 44% năm 2007 lên 72,9% vào năm 2013 nhằm kiểm soát liều lượng chính xác. Tuy nhiên, giai đoạn 2005–2009, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) cũng tiếp nhận khoảng 56.000 báo cáo về các sự cố liên quan đến thiết bị truyền dịch, chủ yếu xuất phát từ sai sót liều lượng, tắc nghẽn đường truyền hoặc lỗi hệ thống. Để giải quyết bài toán kiểm soát dòng chảy tự động và tăng cường độ an toàn trong điều trị, đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Y sinh (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) của nhóm tác giả Nguyễn Thị Thanh Thảo và Phạm Thị Thảo Vân đã thực hiện đề tài "Thiết kế và thi công máy truyền dịch sử dụng trong y tế".

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cơ chế hoạt động của các dòng máy truyền dịch thương mại trên thị trường và nguyên lý vận hành của hệ thống bơm nhu động.
  2. Thiết kế và thi công cơ cấu bơm nhu động tuyến tính (linear peristaltic) chèn ép dây dẫn dịch truyền.
  3. Thiết kế mạch điện tử điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển PIC16F887 kết hợp vi bước điều khiển động cơ bước NEMA17 qua module DRV8825.
  4. Phát triển khối cảm biến quang học kiểm soát nhỏ giọt (laser phát bước sóng 650 nm kết hợp cảm biến thu ISO203) nhằm tính toán tốc độ dòng, giám sát thể tích và kích hoạt cảnh báo an toàn.
  5. Xây dựng hai chế độ hoạt động: Chế độ tự động (Auto) và Chế độ tự điều chỉnh (Adjust).
  6. Thử nghiệm thực nghiệm để đánh giá sai số, độ ổn định và thời gian đáp ứng của mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu bơm nhu động tuyến tính, mạch điều khiển nhúng, cảm biến đo đếm giọt dịch truyền và thuật toán điều khiển tốc độ truyền dịch.
  • Phạm vi thông số kỹ thuật: Dây truyền dịch tiêu chuẩn loại 20 giọt/ml; dải thể tích truyền cài đặt từ 1 đến 9999 ml; dải tốc độ dòng cài đặt từ 1 đến 200 ml/h; dung dịch thực nghiệm chuyên biệt là dung dịch Natri Clorid 0,9%.
  • Thời gian và địa điểm thực hiện: Từ ngày 20/02/2023 đến ngày 20/06/2023 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp cơ sở lý thuyết kỹ thuật y sinh, cơ học chính xác và kỹ thuật điều khiển nhúng:

  • Cơ sở lý thuyết về thiết bị truyền dịch và bơm nhu động: Phân tích lịch sử phát triển thiết bị IV từ thử nghiệm đầu tiên của Christopher Wren (năm 1658) đến thiết bị truyền dịch đeo trên người của Dean Kamen (năm 1970). Khảo sát nguyên lý làm việc của hai dạng bơm nhu động chính: bơm nhu động cong (sử dụng rôto xoay chèn ép dây trên rãnh bán nguyệt) và bơm nhu động tuyến tính (sử dụng dãy cam xếp thẳng ép tuần hoàn lên ống dẫn). Cơ cấu tuyến tính được lựa chọn vì phù hợp với hướng đi thẳng của dây truyền dịch y tế và dễ bố trí cửa ép bảo vệ.
  • Khảo cứu sản phẩm thương mại: So sánh các thông số kỹ thuật của ba dòng máy thương mại gồm TOP-2300 (Nhật Bản), Infusomat P của hãng B. Braun (Đức) và DPfusion VP3 nhằm xác định tiêu chuẩn vận hành về dải tốc độ, bước tăng thể tích và các cảnh báo nguy hiểm bắt buộc (khí trong dây, nghẽn dòng, cửa mở, hết dịch, lỗi pin).
  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật:
    • Thiết kế cơ khí: Ứng dụng phần mềm Solidworks để mô hình hóa hệ thống 13 cam lệch tâm và kết cấu vỏ máy in 3D.
    • Thiết kế phần cứng: Phân tích tải điện năng, tính toán điện áp tham chiếu $V_{ref}$, thiết kế mạch in (PCB) phân khối cho khối xử lý trung tâm, khối công suất động cơ và khối cảm biến.
    • Phát triển phần mềm điều khiển: Lập trình vi điều khiển bằng ngôn ngữ C trên trình biên dịch CCS C Compiler, triển khai giải thuật quét phím ma trận và ngắt ngoài để đo thời gian rơi giữa các giọt dịch.
    • Phương pháp kiểm chứng thực nghiệm: Thu thập dữ liệu thể tích thực tế qua xilanh định mức 12 ml/cc và đếm giọt đối chứng tại các mốc tốc độ 60 ml/h, 90 ml/h và 125 ml/h trong các khoảng thời gian 2 phút, 30 phút và 60 phút.

Thiết kế và thi công hệ thống kỹ thuật

Hệ thống máy truyền dịch được cấu trúc thành 7 khối chức năng chính:

Tên khối chức năng Linh kiện cấu thành Vai trò kỹ thuật trong hệ thống
Xử lý trung tâm PIC16F887 (gói 40 chân, thạch anh ngoài 20 MHz) Tiếp nhận tín hiệu phím bấm, đọc cảm biến, tính toán tần số xung động cơ và xuất dữ liệu hiển thị.
Điều khiển động cơ Driver DRV8825, Động cơ bước NEMA17 ($42 \times 34\text{ mm}$) Chuyển đổi xung logic từ vi điều khiển thành chuyển động cơ học quay trục cam nhu động với dòng định mức 1,3 A.
Cảm biến đếm giọt Module phát Laser (650 nm, 5 mW), Đầu thu ISO203 Bắt chùm tia laser đi xuyên qua bầu đếm giọt; xuất tín hiệu mức thấp (Low) về chân RB0 khi giọt nước chắn tia.
Hiển thị Màn hình LCD 2004 (20 ký tự $\times$ 4 dòng) Giao tiếp 4-bit qua Port D hiển thị thể tích cài đặt, thể tích đã truyền, tốc độ và thời gian còn lại.
Nhập liệu Ma trận phím $4 \times 4$, Công tắc hành trình đơn Ma trận phím quét qua các chân Port A và Port B; công tắc nút gạt tại chân RB2 nhận diện trạng thái cửa mở/đóng.
Cảnh báo Còi báo Buzzer 5V (biên độ $>85\text{ dB}$), 3 đèn LED 5 mm Phát âm thanh tần số $2300 \pm 300\text{ Hz}$ và kích hoạt LED đỏ khi có sự cố mở cửa (RC0), hết dịch (RC1) hoặc chế độ cài đặt (RC2).
Khối nguồn kép Adapter 12V–3A, Mạch hạ áp LM2596S, 3 cell pin 18650 Cung cấp nguồn 12V cho driver động cơ và hạ áp xuống 5V (dòng tải 327 mA) cho vi điều khiển và cảm biến.

Trong khâu tính toán phần cứng, dòng tiêu thụ và công suất của các linh kiện được thiết kế chi tiết nhằm đảm bảo tính ổn định:

Tên linh kiện Điện áp hoạt động (VDC) Dòng tiêu thụ (mA) Số lượng Công suất tiêu thụ (mW)
PIC16F887 5 150 1 750
LCD 2004 5 10 1 50
Module phát Laser 5 40 1 200
Cảm biến thu ISO203 5 20 1 100
Còi Buzzer 12065 5 32 1 160
LED chỉ thị 5 15 5 375
Driver DRV8825 + Động cơ 12 2000 1 24000
Tổng tải đường nguồn 5V 5 327 — 1635
Tổng tải đường nguồn 12V 12 2000 — 24000

Tổng công suất vận hành cực đại của toàn hệ thống là: $$P_{tong} = 1635\text{ mW} + 24000\text{ mW} = 25635\text{ mW} \approx 25,635\text{ W}$$ Nhóm nghiên cứu chọn nguồn Adapter chính 12V–3A (công suất danh định 36W). Mạch nguồn dự phòng sử dụng 3 cell pin Li-ion 18650 mắc nối tiếp (điện áp cực đại $V_{max} = 4,2\text{V} \times 3 = 12,6\text{V}$, dung lượng danh định 6800 mAh). Hai diode D2 và D3 mắc nối tiếp trước cực cấp pin nhằm tạo sụt áp $2 \times 0,6\text{V} = 1,2\text{V}$, hạ điện thế pin xuống xấp xỉ 11,3V. Cơ chế này đảm bảo khi có nguồn Adapter (12V, sau diode chống phân cực ngược D1 còn 11,6V), diode D2 tự động phân cực ngược và ngắt dòng xả từ pin, chỉ chuyển sang dùng pin khi nguồn chính bị mất. Thời gian duy trì nguồn pin dự phòng được tính toán theo công thức: $$t = \frac{A \times V \times \eta}{P} = \frac{6,8\text{ Ah} \times 12\text{V} \times 0,7}{25,635\text{ W}} \approx 2,23\text{ giờ (tương đương 134 phút)}$$

Để bảo vệ động cơ NEMA17 và tối ưu nhiệt độ cho module DRV8825, điện áp tham chiếu $V_{ref}$ của chiết áp trên driver được cài đặt theo định mức 80% tải danh định ($I_{max} = 1,3\text{A}$, điện trở cảm biến dòng $R_S = 0,1,\Omega$): $$V_{ref} = \frac{80% \times I_{max}}{2} = \frac{0,8 \times 1,3}{2} = 0,52\text{ V}$$

Về mặt cơ khí, cụm bơm nhu động tuyến tính bao gồm trục quay ngược chiều kim đồng hồ mang 13 cam lệch tâm 5 mm. Các cam lần lượt nhô ra và thụt vào để tạo sóng ép tuần hoàn dọc theo chiều dây truyền. Khung máy có kích thước tổng thể $230 \times 210 \times 140\text{ mm}$, nắp cửa ép dây có kích thước $230 \times 85 \times 13\text{ mm}$ được trang bị 3 chốt khóa cơ học nhằm chống hiện tượng biến dạng cong tấm ép dưới áp lực nén của 13 cam. Đầu đọc cảm biến nhỏ giọt được chế tạo thành module độc lập gồm 2 phần in 3D: một khoang chứa mạch quang điện laser và một khoang kẹp có lò xo co giãn nhằm định vị khít vào bầu đếm giọt của các bộ dây truyền khác nhau.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu tầm quan trọng của liệu pháp truyền dịch tĩnh mạch và thực trạng sử dụng thiết bị tại các cơ sở y tế. Tác giả chỉ rõ những thiếu sót của việc điều chỉnh dây truyền thủ công bằng con lăn, phân tích các số liệu dịch tễ y tế từ FDA và ASHP về nguy cơ sốc dịch hoặc tắc mạch do bóng khí. Từ đó, chương xác định mục tiêu thiết kế máy truyền dịch tự động có khả năng kiểm soát tốc độ, thể tích truyền, báo động khi có lỗi và cung cấp hai chế độ làm việc: Tự động (Auto) và Điều chỉnh bằng tay có giám sát (Adjust). Chương cũng vạch rõ các giới hạn thử nghiệm (dây truyền 20 giọt/ml, tốc độ $\le 200\text{ ml/h}$, thể tích $\le 9999\text{ ml}$ trên dung dịch Natri Clorid 0,9%).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung làm rõ hai vấn đề lý thuyết nền tảng:

  1. Lịch sử phát triển thiết bị IV và nguyên lý làm việc của bơm truyền dịch thể tích dựa trên biến dạng đàn hồi của ống dây mềm. Tác giả so sánh chi tiết cơ cấu bơm nhu động cong và bơm nhu động tuyến tính, phân tích chu kỳ 3 pha của nhu động: pha hút (ống hồi phục tạo chân không), pha vận chuyển (chất lỏng bị giữ giữa hai điểm ép) và pha đẩy (cam kế tiếp nén xả dịch ra ngoài). Đồng thời, tác giả khảo sát tính năng của các mẫu máy B. Braun Infusomat P, TOP-2300 và DPfusion VP3.
  2. Đặc tính kỹ thuật của các linh kiện bán dẫn và cơ điện: Nguyên lý biến đổi góc bước $1,8^\circ$ của động cơ bước lưỡng cực NEMA17, cấu tạo quang học của cảm biến thu ISO203 kết hợp phát laser 650 nm, cấu trúc vi điều khiển PIC16F887 (tập lệnh RISC 35 lệnh, bộ nhớ Flash 8K từ, 5 cổng I/O) và các kỹ thuật điều khiển vi bước (từ bước đủ đến 1/32 bước) trên driver DRV8825.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của 7 khối chức năng. Tác giả thực hiện tính toán điện trở hạn dòng cho LED ($R = 220,\Omega$), cân bằng công suất biểu kiến cho khối nguồn 12V và 5V, tính toán điện áp tham chiếu $V_{ref} = 0,52\text{V}$ trên driver DRV8825 để tối ưu hóa mô-men giữ $40\text{ N.cm}$. Phần cơ học mô tả chi tiết bản vẽ 3D trên Solidworks của khối 13 cam chèn ép lệch tâm 5 mm, kết cấu cửa nẹp 3 chốt gia cường lực ép và module kẹp cảm biến lò xo cho bầu đếm giọt.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ đến thực tế:

  • Gia công mạch in (PCB) phân tách cho khối vi xử lý, khối công suất điều khiển động cơ bước và khối mạch thu phát laser.
  • Lắp ráp linh kiện, đóng gói bộ điều khiển và cố định động cơ bước vào khung máy.
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng quát và chương trình con ngắt nút nhấn interrupts_button().
  • Lập trình nhúng trên phần mềm CCS C cho PIC16F887 để xử lý logic: đếm thời gian giữa hai giọt bằng Timer, đối chiếu với bảng ánh xạ tốc độ cài đặt để xuất tần số xung tương ứng cấp cho chân STEP của DRV8825.
  • Biên soạn tài liệu hướng dẫn quy trình vận hành thiết bị gồm các bước: gá lắp dây truyền, định vị cảm biến trên bầu nhỏ giọt, đóng cửa nẹp, chọn chế độ truyền (Auto hoặc Adjust), nhập thông số và bấm phím khởi động.

Chương 5: Kết quả – Nhận xét – Đánh giá

Chương này công bố toàn bộ dữ liệu kiểm tra thực nghiệm mô hình trên dung dịch Natri Clorid 0,9%:

  • Khảo sát chức năng cảm biến quang học: Laser và ISO203 ghi nhận chính xác thời điểm giọt nước rơi qua bầu đếm giọt, còi chip và LED cảnh báo tác động tức thời khi mở cửa hoặc hết dịch.
  • Đánh giá chế độ Tự điều chỉnh (Adjust): Màn hình LCD hiển thị tức thời tốc độ dòng chảy thực tế dựa trên khoảng thời gian rơi giữa hai giọt liền kề, hỗ trợ điều dưỡng xoay con lăn cơ học chính xác hơn.
  • Đánh giá chế độ Tự động (Auto): Thử nghiệm động cơ kéo 13 cam ép ống truyền ở 3 mức vận tốc: 60 ml/h, 90 ml/h và 125 ml/h trong các khung thời gian 2 phút, 30 phút và 60 phút. Tác giả lập các bảng thống kê đối chiếu số giọt rơi và thể tích thu hồi trong xilanh định mức.
  • Phân tích sai số: Mô hình thực nghiệm đạt độ chính xác thể tích trung bình khoảng 80%. Nguyên nhân sai số xuất phát từ độ đàn hồi không đồng đều của dây truyền y tế thông thường khi bị biến dạng lặp lại và hiện tượng trễ cơ học của các cam in 3D.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thiện: thi công hoàn chỉnh mô hình máy truyền dịch hoạt động ổn định ở hai chế độ, tích hợp cảm biến đếm giọt quang học và hệ thống cảnh báo âm thanh/ánh sáng. Tác giả đồng thời chỉ rõ hạn chế về độ ồn cơ khí khi động cơ chạy ở tốc độ cao ($>60\text{ ml/h}$) do khung vỏ bằng nhựa, từ đó đề xuất các hướng cải tiến kỹ thuật cho các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Kết quả định lượng từ thực nghiệm

Hệ thống phần cứng và phần mềm của đồ án đã vận hành đồng bộ và ghi nhận các số liệu thực nghiệm cụ thể:

  • Thời gian tự chủ nguồn: Mạch nguồn pin dự phòng 3 cell 18650 duy trì hoạt động liên tục của hệ thống trong 2,23 giờ (134 phút) khi ngắt hoàn toàn nguồn điện lưới 220VAC/Adapter 12V.
  • Thời gian đáp ứng cảnh báo: Cảm biến cửa mở (công tắc tại chân RB2) và cảm biến cạn dịch truyền phản hồi ngay lập tức; còi buzzer phát âm thanh biên độ $>85\text{ dB}$ kết hợp kích hoạt đèn LED đỏ báo lỗi.
  • Thực nghiệm đo thể tích và số giọt: Khi cài đặt tốc độ 60 ml/h trong thời gian thử nghiệm 2 phút, thể tích dung dịch Natri Clorid 0,9% thu được trong xilanh đạt chính xác 2 ml với tổng số 37 giọt rơi xuống bầu đếm (phù hợp với chuẩn xấp xỉ của bộ dây 20 giọt/ml).
  • Độ chính xác toàn hệ thống: Độ chính xác định lượng thể tích và lưu lượng đạt ngưỡng trung bình 80% trong các điều kiện kiểm thử ở dải tốc độ từ 60 ml/h đến 125 ml/h.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  1. Làm chủ thiết kế cơ cấu nhu động tuyến tính: Nhóm tác giả đã tự tính toán và thiết kế hoàn chỉnh cụm 13 cam cơ học lệch tâm 5 mm trên phần mềm Solidworks, chuyển đổi thành công chuyển động tròn của động cơ bước thành sóng chuyển động ép thẳng liên tục dọc thân ống truyền.
  2. Giải pháp giám sát dòng chảy bằng quang học bán dẫn: Ứng dụng thành công cặp module phát laser đỏ 650 nm và cảm biến quang ISO203 để phát hiện giọt chất lỏng rơi, giải quyết nhược điểm phụ thuộc vào cảm quan của nhân viên y tế mà không làm ảnh hưởng đến tính vô trùng của dung dịch bên trong lòng ống.
  3. Tích hợp chế độ kép linh hoạt (Auto và Adjust): Ngoài chế độ tự động hoàn toàn bằng động cơ, máy cung cấp chế độ Adjust cho phép tận dụng con lăn cơ học có sẵn trên dây truyền nhưng có đồng hồ số hiển thị tốc độ dòng tức thời, mang lại giải pháp hỗ trợ điều dưỡng kiểm soát tốc độ một cách nhanh chóng.

Hạn chế và hướng phát triển đề tài

Dựa trên các kết quả thử nghiệm thực tế được công bố trong văn bản, đồ án tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

  • Độ chính xác còn giới hạn: Hệ thống mới đạt độ chính xác xấp xỉ 80%, chưa đạt các tiêu chuẩn y tế khắt khe đối với thiết bị tiêm truyền thương mại (thường sai số $<\pm 5%$). Nguyên nhân chính là do dây truyền dịch thông thường bị mỏi cơ học dưới lực ép liên tục của cam và độ rơ trục của các chi tiết in 3D.
  • Tiếng ồn cơ khí ở tốc độ cao: Khung vỏ máy và cụm cam được gia công bằng chất liệu nhựa in 3D; khi vận hành ở dải tốc độ trên 60 ml/h, lực ma sát và độ rung của động cơ bước NEMA17 tạo ra tiếng ồn đáng kể trong môi trường buồng bệnh.
  • Phạm vi thử nghiệm hẹp: Hệ thống chỉ mới thực nghiệm kiểm chứng duy nhất trên dung dịch Natri Clorid 0,9%, chưa thử nghiệm trên các dung dịch có độ nhớt cao hơn như dung dịch đạm, đường glucose đậm đặc hoặc chế phẩm máu.
  • Chưa tích hợp cảm biến phát hiện bọt khí chuyên dụng: Máy mới chỉ phát hiện hết dịch tại bầu đếm giọt, chưa trang bị cảm biến sóng siêu âm dọc thân dây để phát hiện các bọt khí nhỏ li ti nhằm ngăn chặn triệt để biến chứng thuyên tắc mạch do khí.

Hướng phát triển tiếp theo được nhóm tác giả đề xuất:

  • Cải tiến chất liệu cơ khí: Thay thế các chi tiết cam và khung gá bằng hợp kim nhôm định hình hoặc nhựa kỹ thuật chịu mài mòn nhằm triệt tiêu tiếng ồn và giảm rung chấn khi hoạt động ở dải tốc độ cao.
  • Nâng cấp thuật toán điều khiển: Bổ sung thuật toán điều khiển vòng kín (closed-loop control) sử dụng tín hiệu phản hồi từ cảm biến đếm giọt để hiệu chỉnh tức thời tần số vi bước của động cơ NEMA17, nâng cao độ chính xác dòng chảy lên trên 95%.
  • Bổ sung cảm biến chuyên dụng: Nghiên cứu tích hợp cảm biến siêu âm phát hiện bọt khí dọc đường ống và cảm biến áp suất để cảnh báo tắc nghẽn tĩnh mạch.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh, Điện tử Y sinh: Cung cấp phương pháp luận và tài liệu thiết kế chi tiết về một thiết bị y tế kiểm soát dòng chảy cơ học kết hợp quang điện tử, từ khâu khảo sát tiêu chuẩn an toàn y tế đến khâu thiết kế mạch nhúng.
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Hệ thống Nhúng: Cung cấp bản vẽ tính toán cụm cam bơm nhu động tuyến tính 13 cấp, kỹ thuật điều khiển động cơ bước NEMA17 qua driver DRV8825 với vi điều khiển họ PIC (PIC16F887) và giải pháp thiết kế mạch nguồn kép tự động chuyển mạch dùng diode.
  • Các nhóm nghiên cứu thiết bị truyền dịch và định lượng chất lỏng: Phần tính toán điện áp tham chiếu $V_{ref}$, công suất biểu kiến khối nguồn và cơ chế kẹp bầu đếm giọt quang học là nguồn dữ liệu thực tế có giá trị áp dụng trực tiếp cho các đồ án phát triển máy bơm tiêm điện hoặc máy định lượng hóa chất phòng thí nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng cơ chế bơm dịch nào và có cấu tạo cơ khí ra sao? Hệ thống sử dụng cơ cấu bơm nhu động tuyến tính (linear peristaltic). Cụm cơ khí bao gồm 13 con lăn/cam được bố trí trên cùng một trục quay ngược chiều kim đồng hồ, có độ lệch tâm 5 mm. Khi trục quay, 13 cam luân phiên nhô ra ép dây truyền vào tấm nẹp cửa và thụt vào để tạo sóng nhu động đẩy dung dịch về phía trước. Cửa nẹp dây có kích thước $230 \times 85 \times 13\text{ mm}$ với 3 chốt khóa cơ học nhằm chống cong vênh vật liệu dưới áp lực ép cam.

2. Khối cảm biến quang học đếm giọt hoạt động dựa trên linh kiện và nguyên lý gì? Khối cảm biến gồm một module phát laser bước sóng 650 nm (công suất 5 mW, nguồn 5VDC) chiếu thẳng vào đầu thu cảm biến laser ISO203 được kẹp cố định hai bên bầu đếm giọt bằng ngàm lò xo. Khi không có giọt nước chắn tia, đầu thu xuất tín hiệu logic mức cao về chân RB0 của PIC16F887. Khi có giọt dịch rơi qua cắt ngang chùm tia laser, tín hiệu ngõ ra lập tức chuyển xuống mức thấp (Low), kích hoạt chương trình đếm giọt và đo khoảng thời gian giữa hai giọt rơi liên tiếp.

3. Mạch nguồn dự phòng sử dụng loại pin nào và thời gian duy trì khi mất điện lưới là bao lâu? Khối nguồn dự phòng sử dụng 3 cell pin Li-ion 18650 mắc nối tiếp, cung cấp điện áp cực đại 12,6V và dung lượng 6800 mAh. Với tổng công suất tiêu thụ của hệ thống là 25,635W (trong đó đường 12V cho động cơ tiêu thụ 24W, đường 5V tiêu thụ 1,635W) và hệ số sử dụng pin đạt 70%, hệ thống có khả năng hoạt động liên tục trong 2,23 giờ (khoảng 134 phút) khi mất nguồn điện chính.

4. Hai chế độ vận hành Auto và Adjust trên máy khác nhau như thế nào? Ở chế độ Tự động (Auto), người dùng nhập trực tiếp thông số tốc độ (ml/h) và thể tích (ml) trên bàn phím ma trận; vi điều khiển sẽ tự động tính toán tần số xung phát ra để lái động cơ bước NEMA17 kéo 13 cam ép dây theo đúng tốc độ cài đặt. Ở chế độ Tự điều chỉnh (Adjust), người dùng sử dụng con lăn cơ học truyền thống trên dây truyền dịch; vi điều khiển đo thời gian rơi giữa hai giọt nước qua cảm biến laser, tính toán ra tốc độ dòng chảy thực tế tức thời và hiển thị lên màn hình LCD 2004 để người dùng tự tay điều chỉnh con lăn đạt mức mong muốn.

5. Kết quả thực nghiệm kiểm chứng độ chính xác của hệ thống đạt bao nhiêu và có hạn chế gì nổi bật? Qua các bài kiểm thử thực nghiệm trên dung dịch Natri Clorid 0,9% ở các tốc độ 60, 90 và 125 ml/h, hệ thống đạt độ chính xác trung bình khoảng 80% (ở tốc độ 60 ml/h trong 2 phút đo được 2 ml và 37 giọt rơi). Hạn chế nổi bật của mô hình là phần cơ khí làm bằng nhựa in 3D nên khi động cơ quay ở tốc độ lớn hơn 60 ml/h phát ra tiếng ồn khá lớn, đồng thời hệ thống chưa được tích hợp cảm biến siêu âm phát hiện bọt khí trong lòng ống truyền.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thị Thanh Thảo và Phạm Thị Thảo Vân đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy truyền dịch y tế hoàn chỉnh dựa trên nền tảng vi điều khiển PIC16F887 và cơ cấu bơm nhu động tuyến tính 13 cam lệch tâm. Hệ thống kiểm soát được tốc độ và thể tích truyền dịch trên dung dịch Natri Clorid 0,9%, đồng thời tích hợp cảm biến quang học laser đếm giọt, hai chế độ vận hành Auto/Adjust linh hoạt và khối cảnh báo an toàn khi xảy ra lỗi cửa mở hoặc hết dịch. Kết quả nghiên cứu đạt độ chính xác định lượng 80% và thời lượng pin dự phòng 134 phút, đóng vai trò là một tài liệu thực nghiệm kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho sinh viên và các nhà nghiên cứu phát triển thiết bị y tế nhúng.