Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Truyền dịch tĩnh mạch là một kỹ thuật y tế cơ bản và thiết yếu nhằm cung cấp trực tiếp nước, điện giải, dinh dưỡng và dược chất vào hệ tuần hoàn của người bệnh. Mặc dù mang lại hiệu quả điều trị nhanh chóng, quá trình truyền dịch tiềm ẩn nhiều nguy cơ tai biến y khoa nghiêm trọng nếu không được giám sát liên tục:

  • Hiện tượng máu chảy ngược vào dây truyền khi bình dịch cạn kiệt.
  • Sự cố tắc mạch do bọt khí lọt vào lòng mạch.
  • Tốc độ truyền vượt mức chỉ định dẫn đến quá tải dịch, sốc dịch truyền kèm theo các triệu chứng rét run, sốt cao, rối loạn nhịp tim, suy giảm độ bão hòa oxy trong máu ($SpO_2$) hoặc tử vong.

Số liệu thống kê thực nghiệm toàn cầu năm 2011 được trích dẫn trong văn bản cho thấy khoảng 20% bệnh nhân gặp sự cố trong quá trình truyền dịch xuất phát từ nhân viên y tế; trong đó, lỗi không kiểm soát chính xác tốc độ truyền chiếm tới 94% tổng số các sai sót nghiêm trọng. Trong khi đó, áp lực công việc khiến nhân viên y tế khó duy trì việc túc trực và kiểm tra thủ công thường xuyên tại từng giường bệnh. Các thiết bị thương mại hiện hữu như Dripo, Accuflow hay Monidrop đã ứng dụng công nghệ giám sát không dây nhưng phần lớn chỉ tập trung vào tốc độ và thể tích truyền mà chưa tích hợp việc theo dõi đồng thời các dấu hiệu sinh tồn của người bệnh.

Đề tài "Thiết kế và thi công thiết bị giám sát quá trình truyền dịch" được thực hiện nhằm giải quyết các yêu cầu kỹ thuật sau:

  1. Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh thiết bị có khả năng giám sát tự động tốc độ nhỏ giọt, thể tích dịch truyền, đồng thời đo lường các chỉ số sinh tồn gồm nhịp tim và nồng độ bão hòa oxy trong máu ($SpO_2$). Hệ thống hiển thị thông số tại chỗ qua màn hình LCD và truyền dữ liệu không dây về ứng dụng di động Android qua nền tảng đám mây, tự động kích hoạt cảnh báo khi phát hiện cạn dịch, tắc nghẽn, bọt khí hoặc chỉ số sinh tồn bất thường.
  2. Nhiệm vụ nghiên cứu:
    • Khảo sát các thiết bị giám sát dịch truyền hiện hành và cơ sở lý thuyết về cảm biến quang học, cảm biến y sinh.
    • Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý và vẽ mạch in (PCB).
    • Lập trình nhúng xử lý tín hiệu cảm biến trên vi điều khiển.
    • Xây dựng cơ sở dữ liệu trên máy chủ đám mây và lập trình ứng dụng giám sát trên hệ điều hành Android.
    • Thiết kế mô hình cơ khí 3D và gia công vỏ hộp thiết bị.
    • Thi công phần cứng, lắp ráp, thử nghiệm thực tế và hiệu chỉnh hệ thống.
  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình truyền dịch tĩnh mạch (tốc độ dòng chảy, thể tích, sự xuất hiện của bọt khí) và các chỉ số sinh tồn ngoại vi (nhịp tim, $SpO_2$).
    • Phạm vi và giới hạn kỹ thuật: Thiết bị sử dụng loại dây truyền chuẩn $20\text{ giọt/ml}$, đường kính bầu đếm giọt $18\text{ mm}$, đường kính ngoài ống dẫn dịch $4\text{ mm}$; khả năng phát hiện kích thước bọt khí nhỏ nhất là $2\text{ mm}$; các thử nghiệm cảm biến nhỏ giọt và bọt khí thực hiện trên môi trường nước; ứng dụng di động yêu cầu hệ điều hành Android phiên bản tối thiểu là 7.0.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật thực nghiệm, kết hợp giữa kỹ thuật phần cứng nhúng, quang điện tử y sinh và kỹ thuật phần mềm di động kết nối mạng.

1. Khung lý thuyết và nguyên lý đo lường

  • Nguyên lý phát hiện giọt rơi: Dựa trên hiện tượng gián đoạn quang học (optical interruption). Module quang điện gồm một diode laser phát ánh sáng đỏ bước sóng $650\text{ nm}$ và một cảm biến thu quang đặt đối diện qua bầu đếm giọt. Khi giọt dịch rơi cắt ngang đường truyền tia sáng, cường độ ánh sáng truyền đến đầu thu bị suy giảm đột ngột, làm thay đổi mức logic tại ngõ ra của cảm biến từ mức cao về mức thấp, từ đó xác định số giọt rơi theo thời gian.
  • Nguyên lý phát hiện bọt khí: Dựa trên sự thay đổi chiết suất và hiện tượng tán xạ ánh sáng qua môi trường lỏng trong ống dẫn. Ánh sáng laser truyền qua ống chứa chất lỏng đồng nhất sẽ đi thẳng tới đầu thu. Khi có bọt khí xuất hiện, ranh giới giữa khí và lỏng làm tán xạ tia laser, giảm cường độ quang nhận được, kích hoạt trạng thái báo động bọt khí.
  • Nguyên lý đo nhịp tim và $SpO_2$ (Photoplethysmography - PPG): Sử dụng cảm biến tích hợp MAX30100 hoạt động dựa trên sự hấp thụ ánh sáng của mạch máu dưới da. Cảm biến phát ra hai nguồn sáng: ánh sáng đỏ (bước sóng $660\text{ nm}$) và ánh sáng hồng ngoại (bước sóng $940\text{ nm}$). Hemoglobin bão hòa oxy ($HbO_2$) hấp thụ nhiều ánh sáng hồng ngoại và cho ánh sáng đỏ đi qua nhiều hơn, trong khi Hemoglobin khử ($Hb$) hấp thụ nhiều ánh sáng đỏ hơn. Tín hiệu phản xạ được chuyển đổi qua bộ ADC tích hợp trong cảm biến và truyền về vi điều khiển để tính toán tỉ lệ hấp thụ, từ đó xuất ra nhịp tim và nồng độ $SpO_2$.

2. Công nghệ phần cứng và phần mềm sử dụng

  • Vi điều khiển trung tâm: Module ESP-WROOM-32 (sử dụng vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 32-bit lõi kép, xung nhịp $160\text{--}240\text{ MHz}$, $520\text{ KB}$ SRAM, $4\text{ MB}$ Flash, tích hợp kết nối Wi-Fi chuẩn $802.11\text{ b/g/n}$ và Bluetooth v4.2 BR/EDR & BLE). Nhóm tác giả đã so sánh các thông số kỹ thuật giữa ESP8266 và ESP32 trước khi đưa ra lựa chọn:
Tiêu chí so sánh ESP8266 ESP32
Tốc độ xử lý $80\text{ MHz}$ $160\text{ đến }240\text{ MHz}$
Bộ nhớ Flash $512\text{ KB}\text{ đến }4\text{ MB}$ $4\text{ MB}\text{ trở lên}$
Điện áp hoạt động $3{,}3\text{ V}$ $5\text{ V}$ (hỗ trợ board tích hợp)
Hiệu suất năng lượng Tiêu thụ cao, không tối ưu chế độ nghỉ Hỗ trợ nhiều chế độ tiết kiệm điện (Deep Sleep)
Giao tiếp ngoại vi Giới hạn chân GPIO, ADC 10-bit $30\text{ GPIO}$, ADC 12-bit, DAC, 2 cổng I2C, 3 cổng UART, SPI
  • Cơ sở dữ liệu đám mây: Google Firebase Realtime Database được dùng làm tầng trung gian để lưu trữ cấu trúc dữ liệu JSON, đồng bộ hóa thời gian thực hai chiều giữa vi điều khiển và ứng dụng di động.
  • Công cụ phát triển phần mềm: Môi trường Arduino IDE (ngôn ngữ C/C++) phục vụ lập trình nhúng cho ESP32; môi trường Android Studio (ngôn ngữ Java) dùng để xây dựng ứng dụng di động; phần mềm SolidWorks dùng thiết kế cơ khí 3D; phần mềm Proteus và CadSoft Eagle dùng để thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in.

Thiết kế và triển khai hệ thống

1. Kiến trúc hệ thống và kết nối phần cứng

Hệ thống được tổ chức thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ:

  • Khối xử lý trung tâm (ESP32): Nhận tín hiệu ngắt từ cảm biến quang, giao tiếp I2C với cảm biến y sinh và màn hình hiển thị, tính toán tốc độ, thể tích dịch truyền và gửi dữ liệu lên Firebase qua kết nối Wi-Fi.
  • Cấu hình chân kết nối vi điều khiển:
    • Chân D25: Kết nối tín hiệu số từ mắt thu laser số 1 (cảm biến nhỏ giọt). Mạch sử dụng điện trở kéo lên $10\text{ k}\Omega$ và tụ điện lọc nhiễu $0{,}1\ \mu\text{F}$.
    • Chân D14: Kết nối tín hiệu số từ mắt thu laser số 2 (cảm biến bọt khí).
    • Chân D21 (SDA) và D22 (SCL): Tạo bus truyền thông I2C dùng chung cho module LCD1602 và cảm biến MAX30100.
    • Chân 3.3V: Cung cấp nguồn cho IC cảm biến MAX30100.
    • Chân 5V: Cung cấp nguồn cho hai diode phát laser ($650\text{ nm}$, công suất $<5\text{ mW}$) và màn hình LCD1602.

2. Tính toán nguồn năng lượng và công suất tiêu thụ

Toàn bộ hệ thống được cấp nguồn thông qua thiết kế nguồn kép: nguồn chính sử dụng adapter chuyển đổi $5\text{ V}\text{--}1\text{ A}$ (đầu cắm DC $5{,}5\times 2{,}1\text{ mm}$); nguồn dự phòng gồm 2 cell pin Lithium-ion 18650 mắc nối tiếp ($7{,}4\text{ V}\text{--}2800\text{ mAh}$) hạ áp qua IC ổn áp LM7805 và diode chống dòng ngược $D_1$.

Bảng tính toán mức tiêu thụ dòng và công suất các linh kiện:

Linh kiện Điện áp hoạt động ($V_{DC}$) Dòng tiêu thụ ($mA$) Số lượng Tổng dòng ($mA$) Công suất tiêu thụ ($mW$)
ESP32 $5{,}0$ $500$ 1 $500$ $2500$
Module MAX30100 $3{,}3$ $1{,}2$ 1 $1{,}2$ $3{,}96$
Laser phát $5{,}0$ $40$ 2 $80$ $400$
Mắt thu Laser $5{,}0$ $20$ 2 $40$ $200$
LCD 1602 $5{,}0$ $26$ 1 $26$ $130$
LED chỉ thị $2{,}2$ $10$ 2 $20$ $44$
Tổng tải toàn mạch — — — $667{,}2\text{ mA}$ $3277{,}96\text{ mW}$

Thời gian hoạt động dự phòng của hệ thống khi mất nguồn điện lưới được xác định theo công thức: $$t = \frac{A \times V \times \eta}{P}$$

Trong đó:

  • $A = 2{,}8\text{ Ah}$ (Dung lượng danh định của pin 18650).
  • $V = 7{,}4\text{ V}$ (Điện áp hai cell pin mắc nối tiếp).
  • $P = 3{,}277\text{ W}$ (Công suất tiêu thụ tổng).
  • $\eta = 0{,}8$ (Hệ số sử dụng thực tế đảm bảo tuổi thọ pin ở mức 80%).

Kết quả tính toán thời gian duy trì liên tục qua pin dự phòng đạt xấp xỉ $5{,}05\text{ giờ}$.

3. Thiết kế mô hình cơ khí và vỏ hộp thiết bị

Sử dụng phần mềm SolidWorks để mô hình hóa 3D các chi tiết trước khi gia công:

  • Cụm cảm biến nhỏ giọt: Hộp chữ nhật bo góc với rãnh kẹp ôm khít bầu đếm giọt đường kính $18\text{ mm}$, bố trí nguồn laser và photodetector vuông góc với phương rơi của giọt.
  • Cụm cảm biến bọt khí: Hộp khối vuông có khe kẹp ống dẫn dịch đường kính $4\text{ mm}$.
  • Cụm cảm biến đo nhịp tim và $SpO_2$: Thiết kế kiểu kẹp ngón tay với cấu trúc bản lề lò xo hồi vị, đảm bảo cố định đầu thu phát quang học sát bề mặt da ngón tay.
  • Hộp điều khiển trung tâm: Chứa mạch xử lý chính, màn hình LCD1602, công tắc nguồn, cổng sạc và ngàm gá cố định trực tiếp vào thân cọc truyền dịch.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích bối cảnh và tính cấp thiết của việc tự động hóa quá trình giám sát truyền dịch trong cơ sở y tế. Tác giả chỉ ra các số liệu về rủi ro sai sót tốc độ dòng truyền do nhân viên y tế ($94%$ lỗi nghiêm trọng) và biến chứng nguy hiểm khi xuất hiện bọt khí hoặc cạn dịch. Đặt ra mục tiêu thiết kế thiết bị giám sát đa thông số (tốc độ, thể tích, nhịp tim, $SpO_2$), xác định rõ 8 nhiệm vụ cụ thể và giới hạn kỹ thuật của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày cơ sở khoa học và khảo sát kỹ thuật:

  • Đánh giá ưu nhược điểm của các dòng máy thương mại (Dripo, Accuflow, Monidrop) và các công trình tốt nghiệp liên quan trước đó.
  • Phân tích chi tiết phần cứng: Vi điều khiển ESP32, module cảm biến laser phát/thu ($650\text{ nm}$), module cảm biến quang học MAX30100, màn hình LCD1602 giao tiếp song song và I2C.
  • Phân tích cấu trúc hoạt động của nền tảng đám mây Google Firebase (Realtime Database, Firebase Hosting, Cloud Messaging), làm cơ sở xây dựng hệ thống truyền thông dữ liệu.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Tập trung tính toán kỹ thuật và thiết kế nguyên lý:

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng quát và sơ đồ phân bổ chân của vi điều khiển ESP32.
  • Thiết kế mạch thu laser với điện trở kéo lên $10\text{ k}\Omega$ và tụ lọc $0{,}1\ \mu\text{F}$; tính toán điện trở hạn dòng cho LED hiển thị trạng thái ($R = \frac{U_{laser} - U_{led}}{I_{led}}$).
  • Thống kê công suất tiêu thụ toàn mạch ($3277{,}96\text{ mW}$, dòng $667{,}2\text{ mA}$) và tính toán thời gian vận hành của khối nguồn dự phòng dùng 2 cell pin 18650 ($5{,}05\text{ giờ}$).
  • Thiết kế bản vẽ 3D chi tiết cho hộp điều khiển, cụm cảm biến giọt, cụm cảm biến bọt khí và kẹp cảm biến MAX30100 bằng SolidWorks.

Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày các bước triển khai thực tế:

  • Quy trình chế tạo 4 mạch in PCB (khối cảm biến nhỏ giọt, cảm biến bọt khí, khối điều khiển chính và khối nguồn) bằng phần mềm Eagle: vẽ sơ đồ nguyên lý, layout, in nhiệt trên phíp đồng, ăn mòn bằng dung dịch muối axit, khoan lỗ và hàn linh kiện.
  • Lắp ráp mạch vào vỏ hộp và liên kết cơ khí với cọc truyền dịch.
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán chương trình chính trên ESP32 và các lưu đồ giải thuật của ứng dụng Android (quản lý thông tin bệnh nhân, cập nhật dữ liệu, xử lý logic cảnh báo).
  • Lập bảng dự toán chi phí linh kiện và vật liệu thi công mô hình; biên soạn tài liệu hướng dẫn vận hành hệ thống.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Báo cáo kết quả thử nghiệm thực tế của hệ thống:

  • Đánh giá khả năng phát hiện nhỏ giọt qua các bảng thống kê với tốc độ truyền khác nhau ($30\text{ ml/h}$, $60\text{ ml/h}$, $90\text{ ml/h}$) trong thời gian $2\text{ phút}$ và $30\text{ phút}$.
  • Thống kê độ chính xác của cảm biến bọt khí khi xuất hiện bọt khí trong dây truyền.
  • Thống kê kết quả đo nhịp tim và $SpO_2$ từ cảm biến MAX30100, so sánh tính ổn định của các dữ liệu thu thập được.
  • Đánh giá khả năng giao tiếp thời gian thực, hiển thị thông số trên LCD và độ trễ phản hồi cảnh báo trên ứng dụng Android.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo mục tiêu ban đầu, chỉ rõ các giới hạn thử nghiệm chưa thực hiện được và đề xuất các giải pháp nâng cấp, mở rộng tính năng của thiết bị trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật chính

  • Phần cứng hoàn chỉnh: Chế tạo thành công thiết bị giám sát nhỏ gọn, tích hợp trực tiếp lên cọc truyền dịch tiêu chuẩn. Thiết bị kết nối đồng thời cụm cảm biến laser đếm giọt, cụm cảm biến laser phát hiện bọt khí và cụm cảm biến y sinh MAX30100.
  • Khối nguồn kép tin cậy: Hệ thống vận hành ổn định với nguồn điện lưới $5\text{ V}\text{--}1\text{ A}$ và tự động duy trì hoạt động liên tục trong khoảng $5\text{ giờ}$ khi mất điện nhờ khối pin 18650 tích hợp qua mạch hạ áp LM7805.
  • Hệ thống dữ liệu và phần mềm:
    • Vi điều khiển đọc dữ liệu cảm biến chính xác, cập nhật liên tục lên cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database.
    • Xây dựng hoàn chỉnh ứng dụng giám sát trên nền tảng Android với các chức năng: đăng ký/chỉnh sửa thông tin bệnh nhân, hiển thị trực quan các thông số (tốc độ truyền $\text{ml/h}$ hoặc giọt/phút, thể tích dịch còn lại, nhịp tim, $SpO_2$), đồng thời phát cảnh báo tức thời khi các chỉ số rơi vào trạng thái nguy hiểm.
    • Màn hình LCD1602 hiển thị trực quan các thông số cơ bản ngay tại giường bệnh.

2. Đóng góp của đề tài

So với các đồ án và đề tài nghiên cứu trước đó được nhóm tác giả khảo sát (Lê Thị Như Quỳnh – Dương Quốc Khánh 2021; Nguyễn Thị Thanh Thảo – Phạm Thị Thảo Vân 2023; Nguyễn Văn Hà và cộng sự 2021), đề tài này mang lại các điểm mới:

  • Tích hợp đồng thời việc giám sát thông số kỹ thuật của đường truyền (tốc độ, thể tích, tắc nghẽn, bọt khí) và theo dõi dấu hiệu sinh tồn trực tiếp trên cơ thể người bệnh (nhịp tim, $SpO_2$).
  • Nâng cấp phần cứng điều khiển lên dòng vi điều khiển ESP32 32-bit mạnh mẽ hơn, hỗ trợ tối ưu đa nhiệm và giao tiếp không dây ổn định so với thế hệ vi điều khiển ESP8266 cũ.
  • Xây dựng mô hình khép kín từ thiết bị đo - đám mây Firebase - ứng dụng di động cho phép nhân viên y tế quản lý hồ sơ theo dõi của nhiều bệnh nhân cùng lúc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

  • Môi trường dung dịch thử nghiệm: Toàn bộ các thử nghiệm kiểm tra cảm biến nhỏ giọt và cảm biến bọt khí chỉ mới được tiến hành trên môi trường nước thông thường, chưa khảo sát trên các loại dịch truyền thực tế có độ nhớt, màu sắc hoặc độ đục khác nhau (như dịch truyền đạm, dung dịch lipid, máu).
  • Mẫu thử nghiệm lâm sàng: Thử nghiệm đo nhịp tim và $SpO_2$ bằng cảm biến MAX30100 chưa được kiểm nghiệm trên tập mẫu bệnh nhân đa dạng (độ tuổi, tình trạng bệnh lý, sắc tố da khác nhau) nên chưa thể đánh giá toàn diện độ chính xác lâm sàng.
  • Giới hạn kích thước phát hiện: Giới hạn phát hiện bọt khí nhỏ nhất đạt ngưỡng $2\text{ mm}$, chưa phát hiện được các vi bọt khí (microbubbles) kích thước nhỏ hơn.
  • Nền tảng ứng dụng: Ứng dụng di động mới chỉ triển khai trên hệ điều hành Android (từ phiên bản 7.0 trở lên), chưa hỗ trợ nền tảng iOS hoặc giao diện web quản trị bệnh viện tập trung.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp thuật toán lọc nhiễu tín hiệu quang học để cảm biến nhỏ giọt và bọt khí hoạt động chính xác với nhiều loại dịch truyền y tế khác nhau.
  • Hoàn thiện thuật toán xử lý tín hiệu PPG để nâng cao độ tin cậy của phép đo nhịp tim và $SpO_2$ trong điều kiện bệnh nhân cử động.
  • Phát triển hệ thống van kẹp cơ khí tự động (actuator) để khóa đường truyền khi phát hiện bọt khí hoặc cạn dịch, thay vì chỉ dừng lại ở chức năng cảnh báo.
  • Mở rộng ứng dụng trên nền tảng web và hệ thống quản trị trung tâm của bệnh viện, đồng thời phát triển phiên bản ứng dụng chạy trên hệ điều hành iOS.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận là nguồn tư liệu kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Y sinh, Điện tử Y sinh: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về nguyên lý ứng dụng cảm biến quang học đo lường giọt dịch, bọt khí và cảm biến y sinh MAX30100 đo các chỉ số sinh tồn $SpO_2$, nhịp tim.
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển, Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Thông tin (IoT): Cung cấp mô hình triển khai thực tế về việc ghép nối vi điều khiển ESP32 với các bus giao tiếp I2C/GPIO, phương pháp đồng bộ hóa dữ liệu thời gian thực qua Firebase và lập trình ứng dụng giám sát trên Android Studio.
  • Nhóm nghiên cứu phát triển thiết bị y tế: Bản vẽ 3D SolidWorks, sơ đồ mạch in PCB thiết kế trên Eagle và phương pháp tính toán nguồn dự phòng kép (Adapter kết hợp pin 18650 qua IC 7805) có giá trị ứng dụng cao cho các dự án thiết kế thiết bị hỗ trợ điều trị y tế thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị sử dụng nguyên lý nào để phát hiện giọt rơi và bọt khí trong ống truyền?

Hệ thống sử dụng nguyên lý gián đoạn và tán xạ quang học với bộ thu - phát laser bước sóng $650\text{ nm}$. Đối với cảm biến nhỏ giọt, khi giọt dịch rơi cắt ngang tia laser, ánh sáng đến mắt thu bị ngắt quãng, đưa chân tín hiệu D25 của ESP32 về mức thấp để đếm giọt và tính lưu lượng. Đối với cảm biến bọt khí, khi có bọt khí trong ống dẫn $4\text{ mm}$, tia laser bị tán xạ do ranh giới chiết suất thay đổi, cường độ ánh sáng truyền qua giảm, làm chân tín hiệu D14 hạ xuống mức thấp để kích hoạt cảnh báo.

2. Cấu hình nguồn điện và thời lượng vận hành của pin dự phòng được thiết kế ra sao?

Hệ thống sử dụng nguồn chính từ Adapter $5\text{ V}\text{--}1\text{ A}$ kết hợp khối pin dự phòng gồm 2 cell pin 18650 ($7{,}4\text{ V}\text{--}2800\text{ mAh}$) hạ áp qua IC 7805 và diode chống dòng ngược $D_1$. Với tổng công suất tiêu thụ toàn mạch là $3277{,}96\text{ mW}$ (dòng tải $667{,}2\text{ mA}$), thời gian vận hành của pin dự phòng đạt khoảng $5{,}05\text{ giờ}$ khi khai thác ở mức an toàn 80% dung lượng pin.

3. Cảm biến MAX30100 đo nhịp tim và $SpO_2$ bằng phương pháp nào và giao tiếp với ESP32 ra sao?

Cảm biến MAX30100 sử dụng phương pháp đo quang phổ thể tích (PPG) với hai đèn LED phát bước sóng đỏ ($660\text{ nm}$) và hồng ngoại ($940\text{ nm}$) chiếu qua ngón tay. Máu có oxy ($HbO_2$) hấp thụ nhiều ánh sáng hồng ngoại, trong khi máu thiếu oxy ($Hb$) hấp thụ nhiều ánh sáng đỏ. Cường độ phản xạ được chuyển đổi qua ADC và gửi về ESP32 qua giao thức truyền thông I2C thông qua 2 chân D21 (SDA) và D22 (SCL).

4. Ứng dụng Android nhận dữ liệu từ thiết bị và thực hiện các chức năng gì?

Ứng dụng Android (yêu cầu Android 7.0 trở lên) kết nối với Firebase Realtime Database qua Internet để nhận dữ liệu từ ESP32. Ứng dụng cung cấp các giao diện: quản lý và đăng ký hồ sơ bệnh nhân, giám sát trực quan các thông số truyền dịch (vận tốc nhỏ giọt, thể tích còn lại) cùng chỉ số sinh tồn (nhịp tim, $SpO_2$), đồng thời tự động phát tín hiệu cảnh báo khi có sự cố cạn dịch, nghẽn đường truyền, bọt khí hoặc chỉ số sinh tồn bất thường.

5. Giới hạn kỹ thuật về kích thước bọt khí và loại dây truyền trong nghiên cứu là bao nhiêu?

Nghiên cứu quy định phạm vi thiết kế cho bộ dây truyền dịch chuẩn có hệ số $20\text{ giọt/ml}$, đường kính bầu đếm giọt $18\text{ mm}$, đường kính ống dẫn $4\text{ mm}$. Kích thước bọt khí nhỏ nhất mà cảm biến quang học có thể phát hiện được trong ống truyền là $2\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công thiết bị giám sát quá trình truyền dịch" của nhóm tác giả Nguyễn Thị Thùy Châu và Nguyễn Thị Ánh Ngọc (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã hoàn thành toàn diện việc chế tạo thiết bị nhúng IoT ứng dụng trong y tế. Hệ thống tích hợp thành công vi điều khiển ESP32 với các cụm cảm biến laser quang học và cảm biến y sinh MAX30100, cho phép giám sát đồng thời tốc độ truyền dịch, thể tích dịch truyền, bọt khí cùng hai chỉ số sinh tồn quan trọng là nhịp tim và $SpO_2$. Dữ liệu được đồng bộ hóa thời gian thực lên đám mây Firebase, hiển thị qua màn hình LCD tại chỗ và ứng dụng di động Android, đáp ứng mục tiêu giảm tải áp lực công việc cho nhân viên y tế và nâng cao tính an toàn trong điều trị truyền dịch tĩnh mạch.