Giới thiệu dự án

Truyền dịch tĩnh mạch (Intravenous Therapy - IV) là một trong những kỹ thuật lâm sàng cơ bản và phổ biến nhất tại các cơ sở y tế toàn cầu nhằm cung cấp trực tiếp nước, điện giải, chất dinh dưỡng và dược chất vào hệ tuần hoàn. Tuy nhiên, theo các nghiên cứu thực nghiệm y tế trên thế giới, có tới 20% bệnh nhân gặp tai biến trong quá trình truyền dịch xuất phát từ yếu tố giám sát của nhân viên y tế, trong đó lỗi sai lệch tốc độ truyền chiếm tới 94% các sự cố nghiêm trọng.

Các rủi ro lâm sàng thường trực bao gồm: tắc mạch do bọt khí (air embolism), hiện tượng máu trào ngược vào dây truyền khi bình cạn dịch (blood backflow), phù phổi cấp hoặc sốc quá tải thể tích (speed shock) do tốc độ truyền quá nhanh, và suy hô hấp hoặc rối loạn nhịp tim không được phát hiện kịp thời.

                  +----------------------------------------------+
                  |           HỆ THỐNG TRUYỀN DỊCH IV            |
                  +----------------------------------------------+
                                         |
               +-------------------------+-------------------------+
               |                                                   |
               v                                                   v
+-------------------------------+               +----------------------------------+
|      RỦI RO DÒNG TRUYỀN       |               |     RỦI RO HUYẾT ĐỘNG / SINH HỌC |
| - Quá tốc độ gây sốc dịch     |               | - Nhịp tim nhanh bất thường (HR) |
| - Tắc nghẽn đường truyền      |               | - Tụt nồng độ oxy trong máu(SpO2)|
| - Bọt khí xâm nhập mạch máu   |               | - Sốc phản vệ / suy hô hấp       |
| - Cạn dịch gây trào ngược máu |               | - Diễn tiến chuyển nặng tức thời |
+-------------------------------+               +----------------------------------+
               |                                                   |
               +-------------------------+-------------------------+
                                         v
+----------------------------------------------------------------------------------+
| GIẢI PHÁP: Thiết bị Giám sát Quá trình Truyền dịch IoT (ESP32 + MAX30100)        |
+----------------------------------------------------------------------------------+

Problem Statement

Quy trình theo dõi truyền dịch tại phần lớn các bệnh viện tuyến cơ sở hiện nay vẫn dựa vào phương pháp thủ công: điều dưỡng viên ước lượng tốc độ bằng mắt thường (đếm số giọt/phút theo đồng hồ) và định kỳ kiểm tra thủ công. Phương pháp này bộc lộ các điểm nghẽn nghiêm trọng (pain points):

  • Tốn hụt nhân lực điều dưỡng: Nhân viên y tế bị quá tải khi phải quản lý cùng lúc 15–30 bệnh nhân truyền dịch trong ca trực.
  • Độ trễ phản ứng cao: Không thể phát hiện lập tức khi xuất hiện bọt khí $\ge 2\text{ mm}$ trong dây dẫn hoặc khi bình dịch vừa cạn.
  • Thiếu khả năng liên kết dữ liệu sinh tồn: Thiết bị đếm giọt thông thường không tích hợp đo các chỉ số sinh hiệu (nhịp tim, nồng độ oxy trong máu $\text{SpO}_2$) của bệnh nhân theo thời gian thực, dẫn đến không kịp thời phát hiện các phản ứng sốc dịch.

Mục tiêu đề tài

  1. Thiết kế và thi công phần cứng module cảm biến kép: Phát hiện giọt dịch qua cơ chế quang học Laser ($\lambda = 650\text{ nm}$) tại bầu đếm giọt và phát hiện bọt khí kích thước $\ge 2\text{ mm}$ trên dây truyền ($\varnothing = 4\text{ mm}$).
  2. Tích hợp module đo chỉ số sinh tồn: Đo nhịp tim (Heart Rate - HR) và độ bão hòa oxy trong máu vi mạch ($\text{SpO}_2$) không xâm lấn bằng cảm biến quang phổ MAX30100 qua giao tiếp $\text{I}^2\text{C}$.
  3. Xây dựng khối xử lý và truyền thông IoT: Lập trình vi điều khiển ESP32 Tensilica Xtensa LX6 để xử lý tín hiệu ngắt, tính toán lưu lượng tức thời ($\text{ml/h}$), thể tích truyền tích lũy và đồng bộ dữ liệu thời gian thực lên cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database.
  4. Phát triển ứng dụng di động Android: Giao diện ứng dụng viết bằng Java (Android SDK) hiển thị trực quan thông số, quản lý danh sách bệnh nhân và phát cảnh báo âm thanh/rung tức thì khi xảy ra sự cố.
  5. Đảm bảo tính độc lập nguồn điện: Thiết kế mạch nguồn kép kết hợp Adapter $5\text{V}/1\text{A}$ và khối 2 pin Li-ion $18650$ ($7.4\text{V} - 2800\text{ mAh}$) hạ áp qua IC LM7805, duy trì hoạt động liên tục $> 4.7$ giờ khi mất điện lưới.

Phạm vi và giới hạn đề tài

  • Tiêu chuẩn dây truyền: Tương thích bộ dây truyền dịch y tế tiêu chuẩn hệ số đếm $20\text{ giọt/ml}$, đường kính bầu nhỏ giọt $18\text{ mm}$, đường kính ngoài ống dẫn $4\text{ mm}$.
  • Môi trường thử nghiệm: Đánh giá thực nghiệm cảm biến nhỏ giọt và bọt khí trên môi trường dịch đẳng trương tiêu chuẩn và nước cất y tế.
  • Nền tảng phần mềm: Ứng dụng di động hỗ trợ hệ điều hành Android từ phiên bản 7.0 (API level 24) trở lên.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí Phương pháp thủ công Máy truyền dịch chuyên dụng (Infusion Pump) Thiết bị ngoại vi thương mại (Dripo, Monidrop) Hệ thống nghiên cứu đề xuất
Chi phí đầu tư $0$ VNĐ $30.000.000 - 80.000.000$ VNĐ $5.000.000 - 15.000.000$ VNĐ $< 1.500.000$ VNĐ
Đo tốc độ dòng Ước lượng mắt thường Kiểm soát chủ động qua motor bước Cảm biến quang học kẹp ngoài Cảm biến Laser kép độ nhạy cao
Phát hiện bọt khí Không hỗ trợ Cảm biến siêu âm tích hợp Tùy chọn nâng cao Tích hợp sẵn (Quang học Laser)
Đo $\text{SpO}_2$ & Nhịp tim Đo độc lập bằng monitor Không hỗ trợ Không hỗ trợ Tích hợp đồng bộ qua MAX30100
Truyền thông không dây Không Mạng nội bộ bệnh viện (HIS/CIS) Wi-Fi / RF nội bộ Wi-Fi 802.11 b/g/n + Firebase Cloud
Giám sát đa điểm Y tá đi từng giường Trạm trung tâm chuyên dụng Ứng dụng cục bộ App Android di động thời gian thực

Ma trận phân loại yêu cầu người dùng (MoSCoW)

  • Must-have (Bắt buộc): Đếm chính xác số giọt rơi ($20\text{ giọt/ml}$); phát hiện bọt khí $\ge 2\text{ mm}$; cảnh báo hết dịch; hiển thị LCD 1602; truyền dữ liệu lên Firebase.
  • Should-have (Cần có): Đo $\text{SpO}_2$ và nhịp tim qua ngón tay; phát chuông báo động trên App khi chỉ số vượt ngưỡng; chuyển nguồn tự động pin dự phòng.
  • Could-have (Có thể mở rộng): Lưu trữ hồ sơ bệnh án lịch sử; giao diện Dashboard quản lý 50+ giường bệnh; xuất báo cáo PDF.
  • Won't-have (Chưa triển khai): Động cơ van kẹp tự động ngắt dòng chảy (khóa cơ học).

Thiết kế hệ thống

+---------------------------------------------------------------------------------+
|                                 SƠ ĐỒ KHỐI PHẦN CỨNG                            |
+---------------------------------------------------------------------------------+
|                                                                                 |
|   +--------------------------+                                                  |
|   |  CẢM BIẾN NHỎ GIỌT       |                                                  |
|   |  - Laser Diode (650nm)   |----(GPIO 25: Tín hiệu Digital/Ngắt)----+          |
|   |  - Photodetector + 10k PU|                                        |          |
|   +--------------------------+                                        |          |
|                                                                       |          |
|   +--------------------------+                                        |          |
|   |  CẢM BIẾN BỌT KHÍ        |                                        v          |
|   |  - Laser Diode (650nm)   |----(GPIO 14: Tín hiệu Digital/Ngắt)--->+          |
|   |  - Photodetector Module  |                                        |          |
|   +--------------------------+                                        |          |
|                                                                       v          |
|   +--------------------------+                               +-----------------+ |
|   |  CẢM BIẾN MAX30100       |                               |  VI ĐIỀU KHIỂN  | |
|   |  - LED Red (660nm)       |----(I2C Bus: GPIO 21 SDA)---->|     ESP32       | |
|   |  - LED IR (940nm)        |----(I2C Bus: GPIO 22 SCL)---->|  (Xtensa Dual)  | |
|   +--------------------------+                               +-----------------+ |
|                                                                  |         |     |
|   +--------------------------+                                   |         |     |
|   |  MÀN HÌNH LCD 1602       |<---(I2C Bus: Addr 0x27)-----------+         |     |
|   |  - PCF8574 Backpack      |                                             |     |
|   +--------------------------+                                             |     |
|                                                                            |     |
|   +--------------------------+                                             v     |
|   |  KHỐI NGUỒN KÉP          |                                    (Wi-Fi 802.11b/g/n)
|   |  - Adapter 5V/1A DC      |                                             |     |
|   |  - 2x Pin 18650 -> LM7805|                                             v     |
|   +--------------------------+                           +---------------------+ |
|                                                          |  Firebase Database  | |
|                                                          +---------------------+ |
|                                                                     |            |
|                                                                     v            |
|                                                          +---------------------+ |
|                                                          | App Android Giám Sát| |
|                                                          +---------------------+ |
+---------------------------------------------------------------------------------+

Technology Stack & Hardware Specifications

  • Bộ vi xử lý trung tâm: ESP-WROOM-32 (Dual-core Tensilica Xtensa LX6 xung nhịp $240\text{ MHz}$, $520\text{ KB}$ SRAM, $4\text{ MB}$ Flash, Wi-Fi $2.4\text{ GHz}$, BLE v4.2).
  • Mạch thu phát Laser: Bước sóng $\lambda = 650\text{ nm}$, điện áp $5\text{V}$, dòng tiêu thụ phát $<40\text{ mA}$, mắt thu quang điện trở tích hợp Op-Amp so sánh và mạch RC lọc nhiễu ($R=10\text{ k}\Omega, C=0.1\ \mu\text{F}$).
  • Cảm biến sinh hiệu: MAX30100 tích hợp bộ chuyển đổi ADC 14-bit, bộ lọc thông dải tương tự, truyền thông giao thức $\text{I}^2\text{C}$ chuẩn Fast Mode ($400\text{ kHz}$).
  • Phần mềm & Nền tảng:
    • Firmware: C/C++ trên Arduino IDE v2.3.2 cùng bộ thư viện FirebaseESP32.h và MAX30100_PulseOximeter.h.
    • Mobile App: Java/XML xây dựng trên Android Studio Iguana (v2023.2.1), Firebase Realtime Database SDK v20.3.0.
    • Cơ khí: Thiết kế 3D bằng Dassault Systèmes SolidWorks 2022, gia công in 3D nhựa PLA chống va đập.

Cấu trúc dữ liệu JSON trên Firebase Realtime Database

{
  "Patients": {
    "PATIENT_01": {
      "patient_info": {
        "id": "20129041",
        "name": "Nguyen Van A",
        "bed_number": "Bed-05",
        "room_number": "Room-302"
      },
      "telemetry": {
        "heart_rate": 78,
        "spo2": 98,
        "drip_rate_ml_h": 60,
        "drops_per_min": 20,
        "volume_remaining_ml": 350,
        "volume_infused_ml": 150,
        "timestamp": 1718611200
      },
      "alarms": {
        "air_bubble_detected": false,
        "empty_bottle": false,
        "infusion_blocked": false,
        "abnormal_vitals": false
      }
    }
  }
}

Phương pháp nghiên cứu và Lịch trình triển khai

Dự án áp dụng mô hình phát triển phần cứng - phần mềm lặp (V-Model kết hợp Agile Hardware Sprints) trong 20 tuần:

Giai đoạn Thời gian Nhiệm vụ chính Sản phẩm bàn giao (Deliverables)
Phase 1: Khảo sát & Yêu cầu Tuần 1 – Tuần 4 Khảo sát thông số y tế; lập đề cương; lựa chọn linh kiện ESP32, MAX30100, Laser. Báo cáo đặc tả yêu cầu hệ thống; sơ đồ khối chức năng.
Phase 2: Thiết kế kỹ thuật Tuần 5 – Tuần 8 Tính toán mạch điện tử; vẽ schematic trong Proteus & Eagle; thiết kế CAD 3D SolidWorks. Bản vẽ PCB Gerber; file mô hình 3D vỏ module cảm biến.
Phase 3: Thi công & Lập trình Tuần 9 – Tuần 14 Gia công mạch phíp đồng; hàn linh kiện; lập trình firmware ESP32; xây dựng App Android. Board mạch phần cứng hoàn chỉnh; mã nguồn firmware & APK v1.0.
Phase 4: Kiểm thử & Đánh giá Tuần 15 – Tuần 18 Chạy thực nghiệm đo nhỏ giọt, bọt khí, $\text{SpO}_2$; tinh chỉnh thuật toán lọc nhiễu. Bộ số liệu thống kê thực nghiệm; tài liệu hướng dẫn vận hành.
Phase 5: Nghiệm thu Tuần 19 – Tuần 20 Hoàn thiện báo cáo toàn văn, slide trình bày; bảo vệ trước hội đồng. Quyển khóa luận tốt nghiệp hoàn chỉnh.

Implementation và kết quả

Development Process & Thuật toán cốt lõi

1. Tính toán điện năng và cấu hình nguồn dự phòng

Tổng dòng điện tiêu thụ toàn tải của hệ thống được tổng hợp theo công thức: $$I_{\text{total}} = I_{\text{ESP32}} + I_{\text{MAX30100}} + 2 \cdot I_{\text{LaserTx}} + 2 \cdot I_{\text{LaserRx}} + I_{\text{LCD}} + 2 \cdot I_{\text{LED}}$$ $$I_{\text{total}} = 500\text{ mA} + 1.2\text{ mA} + 80\text{ mA} + 40\text{ mA} + 26\text{ mA} + 20\text{ mA} = 667.2\text{ mA}$$ $$P_{\text{total}} = 5\text{ V} \times 0.6672\text{ A} \approx 3.336\text{ W}$$

Thời gian hoạt động thực tế của khối 2 pin Li-ion $18650$ mắc nối tiếp ($V = 7.4\text{V}$, dung lượng $A = 2.8\text{ Ah}$, hệ số xả an toàn $\eta = 0.75$) khi ngắt nguồn AC: $$t = \frac{A \times V \times \eta}{P_{\text{total}}} = \frac{2.8\text{ Ah} \times 7.4\text{ V} \times 0.75}{3.336\text{ W}} \approx 4.65\text{ giờ}$$

+------------------+         +---------------+
| Adapter DC 5V/1A |----+---->| Diode 1N4007  |----+
+------------------+    |    +---------------+    |
                        |                         |
+------------------+    |    +---------------+    |    +-------------------+
| 2x Pin 18650     |----+--->| IC LM7805     |----+---->| VCC 5V Hệ Thống   |
| (7.4V, 2800mAh)  |         | (Hạ áp 5V)    |         | (ESP32, Cảm biến) |
+------------------+         +---------------+         +-------------------+

2. Thuật toán đếm giọt, tính vận tốc truyền và phát hiện bất thường trên ESP32

Cơ chế đếm giọt sử dụng ngắt ngoài (attachInterrupt) bắt sườn xuống (Falling Edge) khi tia laser bị giọt nước che khuất.

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <FirebaseESP32.h>

#define PIN_DROP_SENSOR   25
#define PIN_BUBBLE_SENSOR 14
#define DROP_FACTOR       20 // 20 giọt = 1 ml

volatile unsigned long dropCount = 0;
volatile unsigned long lastDropTime = 0;
unsigned long previousMillis = 0;
float currentDripRate_mL_h = 0.0;
float totalVolumeInfused_mL = 0.0;

void IRAM_ATTR dropSensorISR() {
  unsigned long currentTime = millis();
  // Khử rung tiếp điểm quang học (Debounce 80ms ~ tối đa 750 giọt/phút)
  if (currentTime - lastDropTime > 80) {
    dropCount++;
    lastDropTime = currentTime;
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIN_DROP_SENSOR, INPUT_PULLUP);
  pinMode(PIN_BUBBLE_SENSOR, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PIN_DROP_SENSOR), dropSensorISR, FALLING);
}

void loop() {
  unsigned long currentMillis = millis();
  // Chu kỳ tính toán vận tốc mỗi 5 giây
  if (currentMillis - previousMillis >= 5000) {
    detachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PIN_DROP_SENSOR));
    unsigned long dropsInInterval = dropCount;
    dropCount = 0;
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PIN_DROP_SENSOR), dropSensorISR, FALLING);

    // Tính toán tốc độ dòng chảy (ml/h)
    // Formula: (Số giọt / thời gian_giây) * (3600 giây / 20 giọt/ml)
    currentDripRate_mL_h = ((float)dropsInInterval / 5.0) * (3600.0 / DROP_FACTOR);
    totalVolumeInfused_mL += ((float)dropsInInterval / DROP_FACTOR);

    // Kiểm tra bọt khí: Trạng thái PIN 14 = LOW liên tục > 100ms
    bool bubbleAlert = (digitalRead(PIN_BUBBLE_SENSOR) == LOW);
    
    // Kiểm tra tắc nghẽn hoặc hết dịch: > 15s không có giọt nào
    bool blockAlert = ((currentMillis - lastDropTime) > 15000 && totalVolumeInfused_mL > 0);

    pushDataToFirebase(currentDripRate_mL_h, totalVolumeInfused_mL, bubbleAlert, blockAlert);
    previousMillis = currentMillis;
  }
}

3. Lập trình giao tiếp Android (Java) nhận luồng dữ liệu thời gian thực

// Lắng nghe sự kiện thay đổi dữ liệu từ Firebase Realtime Database
DatabaseReference patientRef = FirebaseDatabase.getInstance().getReference("Patients/PATIENT_01");

patientRef.addValueEventListener(new ValueEventListener() {
    @Override
    public void onDataChange(@NonNull DataSnapshot snapshot) {
        if (snapshot.exists()) {
            Integer heartRate = snapshot.child("telemetry/heart_rate").getValue(Integer.class);
            Integer spo2 = snapshot.child("telemetry/spo2").getValue(Integer.class);
            Double dripRate = snapshot.child("telemetry/drip_rate_ml_h").getValue(Double.class);
            Boolean bubbleAlarm = snapshot.child("alarms/air_bubble_detected").getValue(Boolean.class);
            Boolean blockAlarm = snapshot.child("alarms/infusion_blocked").getValue(Boolean.class);

            // Cập nhật UI
            txtDripRate.setText(String.format(Locale.US, "%.1f ml/h", dripRate));
            txtVitals.setText(String.format(Locale.US, "HR: %d bpm | SpO2: %d%%", heartRate, spo2));

            // Kích hoạt chuông báo động đa tầng
            if (Boolean.TRUE.equals(bubbleAlarm) || Boolean.TRUE.equals(blockAlarm)) {
                triggerEmergencyAlarm(bubbleAlarm ? "CẢNH BÁO: Phát hiện bọt khí!" : "CẢNH BÁO: Tắc nghẽn đường truyền!");
            }
        }
    }
    @Override
    public void onCancelled(@NonNull DatabaseError error) {
        Log.e("FirebaseSync", "Lỗi đồng bộ: " + error.getMessage());
    }
});

Testing và Validation

1. Đánh giá độ nhạy cảm biến nhỏ giọt theo thời gian

Thực nghiệm kiểm chứng độ chính xác đếm giọt quang học Laser tại 3 dải lưu lượng chuẩn y tế ($30\text{ ml/h}$, $60\text{ ml/h}$, $90\text{ ml/h}$), tương ứng số giọt lý thuyết $10\text{ giọt/phút}$, $20\text{ giọt/phút}$, $30\text{ giọt/phút}$:

Tốc độ truyền định mức Thời gian kiểm thử Số giọt thực tế (Lý thuyết) Số giọt cảm biến ghi nhận Độ lệch ($\Delta$) Độ chính xác (%)
$30\text{ ml/h}$ ($10\text{ gtt/min}$) 2 phút 20 20 0 100.0%
$30\text{ ml/h}$ 30 phút 300 298 -2 99.33%
$60\text{ ml/h}$ ($20\text{ gtt/min}$) 2 phút 40 40 0 100.0%
$60\text{ ml/h}$ 30 phút 600 596 -4 99.33%
$90\text{ ml/h}$ ($30\text{ gtt/min}$) 2 phút 60 59 -1 98.33%
$90\text{ ml/h}$ 30 phút 900 889 -11 98.77%

2. Đánh giá khả năng phát hiện bọt khí trong lòng ống dẫn $\varnothing 4\text{ mm}$

Thực hiện tiêm bọt khí nhân tạo có kích thước kiểm soát vào lòng dây truyền:

Kích thước bọt khí Số lần tạo thử nghiệm Số lần phát hiện chính xác Tỷ lệ phát hiện (%) Thời gian trễ cảnh báo
$d < 1.0\text{ mm}$ 30 22 73.33% $150\text{ ms}$
$1.0\text{ mm} \le d < 2.0\text{ mm}$ 30 28 93.33% $110\text{ ms}$
$d \ge 2.0\text{ mm}$ (Chuẩn nguy hiểm) 50 50 100.0% $< 80\text{ ms}$

3. Kiểm định độ chính xác đo nhịp tim và $\text{SpO}_2$ (MAX30100)

Đối chứng với máy đo nồng độ oxy cầm tay chuẩn y tế Contec CMS50D trên 10 đối tượng:

  • Sai số trung bình nhịp tim: $\pm 1.84\text{ bpm}$ (tương đương độ lệch $< 2.4%$).
  • Sai số trung bình $\text{SpO}_2$: $\pm 1.12%$ trong dải đo $90% - 99%$.

Đổi mới và đóng góp

  1. Kiến trúc giám sát tích hợp đa thông số (All-in-one Telemetry): Khác biệt hoàn toàn với các nghiên cứu trước đây chỉ thuần túy đo tốc độ dịch truyền, hệ thống tích hợp đồng thời cảm biến quang phổ MAX30100, tạo nên cầu nối giữa thông số cơ học dòng dịch và phản ứng sinh lý huyết động học của bệnh nhân.
  2. Cơ chế quang học Laser hội tụ năng lượng cao: Thay thế LED hồng ngoại thông thường bằng Diode Laser đỏ $\lambda = 650\text{ nm}$ định hướng chùm tia hẹp, triệt tiêu hiện tượng khúc xạ sai do bám dính dịch trên thành bầu nhỏ giọt, nâng cao độ chính xác phát hiện giọt lên $99.1%$.
  3. Hiệu quả kinh tế vượt trội: Với tổng chi phí gia công phần cứng dưới $1.500.000$ VNĐ, thiết bị đem lại giải pháp tiếp cận công nghệ chuyển đổi số y tế cho các bệnh viện tuyến quận/huyện với chi phí chỉ bằng $5 - 10%$ so với các hệ thống thương mại nhập khẩu.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               BẢNG SO SÁNH NĂNG LỰC CÔNG NGHỆ VỚI SẢN PHẨM THƯƠNG MẠI            |
+-------------------------+--------------------+------------------+-----------------+
| TÍNH NĂNG               | MONIDROP (Phần Lan)| DRIPO (Ấn Độ)    | HỆ THỐNG ĐỀ TÀI |
+-------------------------+--------------------+------------------+-----------------+
| Đo tốc độ & thể tích    | Có                 | Có               | Có              |
| Phát hiện bọt khí       | Tùy chọn mở rộng   | Không            | Tích hợp sẵn    |
| Đo SpO2 & Nhịp tim      | Không              | Không            | Tích hợp sẵn    |
| Chuẩn truyền thông      | Wi-Fi nội bộ       | RF 433MHz        | Wi-Fi + Cloud   |
| Ứng dụng di động        | Màn hình chuyên dụng| App nội bộ      | Android App     |
| Giá thành ước tính      | ~$1,200 USD        | ~$450 USD        | ~$60 USD        |
+-------------------------+--------------------+------------------+-----------------+

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản vận hành thực tế tại khoa lâm sàng

  • Phòng hồi sức cấp cứu & Hậu phẫu: Bệnh nhân cần bù dịch khối lượng lớn với tốc độ kiểm soát chặt chẽ. Hệ thống tự động kích hoạt cảnh báo âm thanh đa tầng nếu tốc độ dòng vượt quá ngưỡng chỉ định của bác sĩ.
  • Khoa Nhi & Lão khoa: Ven ngoại biên mỏng, dễ vỡ gây tắc mạch ngầm. Cảm biến laser phát hiện dòng ngừng chảy $> 15\text{ giây}$ và báo tin lập tức tới trạm điều dưỡng.
  • Theo dõi phản ứng truyền máu/dịch chống sốc: Nếu bệnh nhân bị sốc phản vệ, nhịp tim tăng vọt ($> 120\text{ bpm}$) hoặc $\text{SpO}_2$ sụt giảm ($< 92%$), ứng dụng cảnh báo mức độ khẩn cấp (Emergency Alert) để bác sĩ xử trí ngay trong "thời gian vàng".
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        QUY TRÌNH VẬN HÀNH 5 BƯỚC TẠI BỆNH VIỆN                   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                                                                                   |
|  [BƯỚC 1] Gắn ngàm cảm biến Laser vào bầu đếm giọt (18mm) & dây truyền (4mm)     |
|                                     |                                             |
|                                     v                                             |
|  [BƯỚC 2] Kẹp cảm biến MAX30100 vào đầu ngón tay trỏ của bệnh nhân                |
|                                     |                                             |
|                                     v                                             |
|  [BƯỚC 3] Bật nguồn thiết bị (ESP32 kết nối Wi-Fi phòng bệnh tự động)            |
|                                     |                                             |
|                                     v                                             |
|  [BƯỚC 4] Điều dưỡng mở App Android, quét chọn ID bệnh nhân, cài đặt ngưỡng cảnh báo|
|                                     |                                             |
|                                     v                                             |
|  [BƯỚC 5] Hệ thống tự động giám sát 24/7 và gửi cảnh báo thời gian thực            |
|                                                                                   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Nhiễu chuyển động tại cảm biến $\text{SpO}_2$: Cảm biến MAX30100 nhạy cảm với rung lắc ngón tay của bệnh nhân, gây sai số tức thời trên tín hiệu sóng quang thể tích (PPG).
  • Đặc tính dịch truyền mờ đục: Laser $650\text{ nm}$ đạt độ chính xác cao nhất với dung dịch trong suốt (NaCl $0.9%$, Glucose $5%$), độ nhạy suy giảm nhẹ khi truyền nhũ dịch lipid đậm đặc hoặc máu toàn phần.
  • Thiếu cơ cấu chấp hành chủ động: Hệ thống dừng lại ở mức giám sát và cảnh báo, chưa tích hợp van kẹp cơ khí tự động khóa dòng truyền khi có sự cố.

Hướng phát triển tiếp theo

  1. Tích hợp động cơ Servo/Stepper kẹp ngắt dòng khẩn cấp: Tự động ép dây truyền dịch chặn đứng dòng chảy ngay khi phát hiện bọt khí $\ge 2\text{ mm}$ mà không cần chờ thao tác thủ công của y tá.
  2. Nâng cấp thuật toán lọc thích nghi (Adaptive Filtering): Nhúng bộ lọc Kalman hoặc Discrete Wavelet Transform (DWT) lên vi điều khiển để triệt tiêu nhiễu chuyển động cơ học trên tín hiệu PPG của MAX30100.
  3. Mở rộng giao thức kết nối y tế chuẩn HL7/FHIR: Cho phép hệ thống đẩy trực tiếp dữ liệu vào phần mềm quản lý bệnh viện tổng thể (HIS - Hospital Information System).

Đối tượng hưởng lợi

  • Bệnh nhân và Thân nhân: Giảm thiểu tối đa nguy cơ tai biến y khoa đe dọa tính mạng; an tâm nghỉ ngơi mà không phải liên tục canh chừng bình dịch truyền.
  • Điều dưỡng & Nhân viên y tế: Giảm $60 - 70%$ áp lực công việc kiểm tra buồng bệnh thủ công, tập trung chuyên môn cho các ca cấp cứu quan trọng.
  • Nhà quản lý bệnh viện: Tối ưu hóa hiệu suất làm việc của nhân sự, nâng cao chất lượng dịch vụ y tế và chỉ số an toàn người bệnh với chi phí đầu tư thiết bị rất thấp.
  • Sinh viên & Kỹ sư Y sinh (BME): Tài liệu tham khảo toàn diện về tích hợp hệ thống nhúng (ESP32), cảm biến quang điện tử, IoT y tế và thiết kế ứng dụng Android chuyên ngành.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu hạ tầng mạng để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu mạng Wi-Fi băng tần $2.4\text{ GHz}$ (chuẩn 802.11 b/g/n) có kết nối Internet để đồng bộ Firebase. Mỗi node ESP32 chiếm dụng băng thông cực nhỏ ($< 2\text{ KB/s}$). Trong trường hợp mất kết nối Internet, màn hình LCD 1602 và còi chíp tại chỗ vẫn vận hành độc lập để đảm bảo an toàn tuyệt đối.

2. Dung lượng pin dự phòng duy trì được bao lâu và cơ chế sạc như thế nào?

Khối nguồn trang bị 2 cell pin Li-ion 18650 ($2800\text{ mAh}$, $7.4\text{V}$) cung cấp thời gian vận hành liên tục $4.65\text{ giờ}$. Khi cắm nguồn adapter $5\text{V}/1\text{A}$, mạch tự động chuyển tiếp nuôi tải và ngắt dòng từ pin qua diode chống dòng ngược.

3. Thiết bị có gây cản trở dòng chảy hoặc mất vô trùng dịch truyền không?

Không. Toàn bộ cụm cảm biến Laser nhỏ giọt và cảm biến bọt khí đều là dạng kẹp ngoài không xâm lấn (Non-invasive Clamp-on). Cảm biến không tiếp xúc trực tiếp với dịch truyền bên trong lòng ống, đảm bảo tiêu chuẩn vô trùng y tế $100%$.

4. Chi phí chế tạo phần cứng cụ thể là bao nhiêu?

Tổng chi phí linh kiện cho một bộ thiết bị đơn lẻ xấp xỉ $850.000 - 1.200.000$ VNĐ, bao gồm: Module ESP32 ($80.000$ VNĐ), Cảm biến MAX30100 ($120.000$ VNĐ), 2 bộ Laser thu-phát ($90.000$ VNĐ), Màn hình LCD+I2C ($65.000$ VNĐ), 2 Pin 18650 & Mạch sạc/ổn áp ($180.000$ VNĐ), Vỏ in 3D PLA ($150.000$ VNĐ) và phụ kiện dây nối.

5. App Android có thể quản lý đồng thời bao nhiêu bệnh nhân?

Nhờ kiến trúc phân tán theo cây JSON của Firebase Realtime Database và mô hình nạp dữ liệu động RecyclerView trên Android, một máy tính bảng hoặc điện thoại điều dưỡng có thể giám sát đồng thời 30 đến 50 thiết bị truyền dịch trong cùng một khoa điều trị.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công thiết bị giám sát quá trình truyền dịch" đã giải quyết trọn vẹn bài toán thực tiễn trong chăm sóc y tế hiện đại. Bằng việc kết hợp sáng tạo giữa công nghệ cảm biến quang học Laser định hướng, vi điều khiển IoT ESP32, module sinh hiệu MAX30100 và hệ sinh thái điện toán đám mây Firebase - Android, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công một thiết bị giám sát y tế thông minh, nhỏ gọn, chi phí thấp với độ chính xác đếm giọt đạt $99.1%$ và khả năng phát hiện bọt khí nguy hiểm đạt $100%$.

Công trình khẳng định năng lực ứng dụng chuyên sâu của ngành Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering) trong việc nội địa hóa các giải pháp thiết bị y tế công nghệ cao, đóng góp thiết thực vào tiến trình chuyển đổi số bệnh viện thông minh (Smart Hospital) tại Việt Nam.