Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong thực hành lâm sàng và phẫu thuật, hạ thân nhiệt không chủ ý là một biến chứng nguy hiểm, xuất hiện trong khoảng 50% đến 90% các ca phẫu thuật. Thân nhiệt bình thường của con người duy trì trong khoảng 36,3°C đến 37,1°C. Khi thân nhiệt trung tâm giảm xuống dưới 36°C, bệnh nhân rơi vào trạng thái hạ thân nhiệt với ba mức độ: nhẹ (35°C – 35,9°C), trung bình (34°C – 34,9°C) và nặng (dưới 34°C). Tình trạng này làm suy giảm hệ miễn dịch, tăng nguy cơ nhiễm trùng vết mổ, kéo dài thời gian tác dụng của thuốc gây mê, gây run sau mổ (chiếm tỷ lệ 5%–60% sau gây mê và 33%–50% sau gây tê tủy sống/ngoài màng cứng), đồng thời dẫn đến các biến chứng tim mạch nghiêm trọng như rối loạn đông máu, thiếu máu cục bộ cơ tim và tăng nguy cơ tử vong.

Một trong những nguyên nhân trực tiếp dẫn đến hạ thân nhiệt là việc truyền dung dịch hoặc máu ở nhiệt độ phòng vào tĩnh mạch bệnh nhân. Theo các nghiên cứu y học, việc truyền mỗi 1 lít dịch truyền ở nhiệt độ phòng hoặc 1 đơn vị máu ở 4°C sẽ làm giảm nhiệt độ trung tâm cơ thể khoảng 0,25°C. Viện Y tế và Chất lượng Điều trị Quốc gia Anh (NICE) khuyến cáo tất cả các dịch truyền trong phẫu thuật có thể tích từ 500 ml trở lên cần được làm ấm đến 37°C. Xuất phát từ yêu cầu y khoa đó, đề tài "Thiết kế và thi công tủ làm ấm dịch truyền" được thực hiện nhằm chế tạo thiết bị kiểm soát và gia nhiệt dịch truyền đạt ngưỡng nhiệt độ sinh lý cơ thể trước khi sử dụng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của đề tài là thiết kế, thi công hoàn chỉnh mô hình tủ làm ấm dịch truyền y tế, ứng dụng vi điều khiển ESP32 và tích hợp hệ thống giám sát từ xa qua mạng không dây. Các nhiệm vụ cụ thể được xác định gồm 9 nội dung:

  1. Tìm hiểu lý thuyết về nhiệt độ bảo quản dịch truyền và hiện tượng hạ thân nhiệt trong y tế.
  2. Khảo sát và phân tích các dòng thiết bị làm ấm dịch truyền, túi máu thương mại trên thị trường.
  3. Thiết kế và thi công mạch nguyên lý điều khiển, mạch công suất.
  4. Lập trình thuật toán điều khiển nhiệt độ cho vi điều khiển trung tâm.
  5. Thiết kế và thi công mô hình cơ khí tủ làm ấm.
  6. Xây dựng ứng dụng di động và cơ sở dữ liệu để giám sát thiết bị từ xa.
  7. Chạy thử nghiệm thực tế, đo đạc và hiệu chỉnh các thông số hệ thống.
  8. Viết báo cáo tổng kết khóa luận.
  9. Bảo vệ khóa luận tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống tủ làm ấm kiểm soát nhiệt độ bằng thuật toán PID, ứng dụng cho các loại dịch truyền phổ biến (dung dịch NaCl 0,9%, Dextrose, Ringer Lactate, Albumin, Epinephrine, huyết thanh).
  • Không gian thực hiện: 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 19/02/2024 đến ngày 17/06/2024.
  • Giới hạn đề tài: Thiết bị chỉ thực hiện chức năng làm ấm trước khi truyền (không làm ấm trực tiếp trên dây truyền dịch inline); hệ thống IoT chỉ giám sát nhiệt độ từ xa mà không can thiệp điều khiển qua ứng dụng di động; dải nhiệt độ gia nhiệt giới hạn từ 32°C đến 40°C; các thử nghiệm thực nghiệm được thực hiện trên mẫu dung dịch nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán nhiệt

Nghiên cứu áp dụng các quy chuẩn nhiệt độ bảo quản và sử dụng dịch truyền y tế:

  • Nước muối sinh lý 0,9% NaCl: Bảo quản 2°C – 25°C.
  • Dextrose (Glucose): Bảo quản 15°C – 30°C (tránh nhiệt độ dưới 15°C gây kết tinh).
  • Ringer Lactate (RL): Bảo quản 20°C – 25°C.
  • Albumin: Bảo quản 2°C – 25°C (không vượt quá 25°C).
  • Huyết thanh: Bảo quản 2°C – 8°C.

Để xác định công suất nguồn nhiệt, nhóm tác giả xây dựng mô hình tính toán nhiệt động lực học cho thể tích buồng chứa $300 \times 300 \times 400 \text{ mm}$ ($V = 36.000.000 \text{ mm}^3 = 36 \text{ lít}$), chứa tối đa 184 túi dung dịch ($100 \times 130 \times 15 \text{ mm}$, tương đương 35,88 kg):

  • Nhiệt lượng tăng nhiệt không khí: $Q_{\text{không khí}} = m_{\text{không khí}} \cdot C_{\text{không khí}} \cdot \Delta T$ (với $C_{\text{không khí}} = 1050 \text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\text{K}^{-1}$).
  • Nhiệt lượng gia nhiệt dung dịch: $Q_{\text{nước}} = m_{\text{nước}} \cdot C_{\text{nước}} \cdot \Delta T$.
  • Nhiệt lượng bức xạ tiêu hao qua 5 mặt mica: Tính theo định luật Stefan-Boltzmann với độ phát xạ $\varepsilon = 0,86$ và hằng số $\sigma = 5,67 \times 10^{-8} \text{ W}\cdot\text{m}^{-2}\text{K}^{-4}$.
  • Công suất tính toán yêu cầu để gia nhiệt buồng tủ trong thời gian 45 phút đạt $444,4 \text{ W}$. Từ đó, nhóm lựa chọn thanh gia nhiệt điện trở chữ U công suất định mức 500W (220VAC) bằng inox 304 kết hợp quạt đối lưu cưỡng bức 22W.

Bộ điều khiển PID

Hệ thống sử dụng giải thuật điều khiển tự động PID liên tục: $$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(\tau) d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}$$ Trong đó $e(t) = SP - PV$ (sai số giữa nhiệt độ cài đặt và nhiệt độ đo thực tế). Phương pháp điều chỉnh tham số thực nghiệm được áp dụng theo quy trình tăng dần $K_p$, hiệu chỉnh $K_i$ để triệt tiêu sai số tĩnh và bổ sung $K_d$ để giảm vọt lố. Bộ tham số tối ưu được xác lập qua thực nghiệm: $K_p = 120$, $K_i = 1$, $K_d = 0,5$.

Khảo sát sản phẩm thương mại

Tác giả tiến hành khảo sát ba hệ thống thương mại nhằm xác định thông số tham chiếu:

Tiêu chí Haier HYR-111 (Trung Quốc) EM-MED EmTherm 1D (Ba Lan) Gemmy YCW-06S (Đài Loan)
Dung tích / Sức chứa 111 lít 30 lít (12 chai 1L hoặc 24 chai 0.5L) 8 túi (250ml ~ 500ml)
Dải nhiệt độ 26°C – 50°C 25°C – 42°C 34°C – 37°C (rã đông)
Công suất gia nhiệt 130W (Mô-đun PTC) Nguồn 200–240V 1000W (Thanh inox)
Cảm biến & Thuật toán 2 cảm biến nhiệt độ Cảm biến cơ và điện tử Cảm biến PT-100, PID
Phương thức truyền nhiệt Không khí nóng cưỡng bức Sưởi đối lưu cưỡng bức Bể ổn nhiệt / gia nhiệt
Tính năng an toàn Đèn UV, báo quá nhiệt, báo mở cửa Đèn UV-C, cảnh báo quang học/âm thanh Khống chế nhiệt độ an toàn $\le 49^\circ\text{C}$

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng

Hệ thống được tổ chức thành 6 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

  1. Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển ESP32 NodeMCU-32S (38 chân, vi xử lý lõi kép tần số 160MHz/240MHz, RAM 520KB, tích hợp Wi-Fi chuẩn 802.11 b/g/n). ESP32 tiếp nhận dữ liệu từ cảm biến qua I2C, nhận tín hiệu ngắt Zero-Cross để kích xung Dimmer AC qua bộ điều khiển PID.
  2. Khối cảm biến: Sử dụng cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614, dải đo đối tượng $-70^\circ\text{C}$ đến $382,2^\circ\text{C}$, độ chính xác $\pm 0,5^\circ\text{C}$, giao tiếp I2C qua chân GPIO21 (SDA) và GPIO22 (SCL).
  3. Khối điều nhiệt (AC Dimmer): Gồm mạch phát hiện điểm không (Zero-Crossing Detector) sử dụng diode cầu KBPC610 kết hợp optocoupler 4N35 đưa tín hiệu về GPIO2; tầng công suất sử dụng optotriac MOC3021 (kích qua GPIO4/GPIO12) điều khiển góc mở Triac BT136-600E (chịu tải 4A, 600V), cung cấp điện áp điều tiết cho thanh nhiệt chữ U 500W và quạt tản nhiệt 220VAC (120x120x38mm, 22W).
  4. Khối hiển thị: Màn hình LCD 16x02 kết hợp module I2C hiển thị nhiệt độ đo thực tế, nhiệt độ cài đặt, trạng thái kết nối Wi-Fi; 01 đèn LED đơn báo trạng thái gia nhiệt kết nối GPIO13.
  5. Khối cài đặt: Cụm 4 nút nhấn cơ (Menu/Set, Up, Down, Start/Stop) kết nối với các chân GPIO đầu vào của ESP32.
  6. Khối nguồn: Cung cấp nguồn 220VAC cho thanh nhiệt/quạt và nguồn 5VDC hạ áp qua adapter chuyển đổi cho khối điều khiển, cảm biến và màn hình hiển thị.
Khối chức năng Linh kiện chính Thông số kỹ thuật chính Giao tiếp / Chân ESP32
Điều khiển trung tâm ESP32 NodeMCU-32S 38 chân, Flash 4MB, Wi-Fi 2.4GHz Module xử lý trung tâm
Đo nhiệt độ MLX90614 Hồng ngoại IR, sai số $\pm 0,5^\circ\text{C}$ I2C (GPIO21, GPIO22)
Phát hiện điểm 0 Diode cầu KBPC610 + 4N35 Chỉnh lưu AC, cách ly quang GPIO2 (Ngắt ngoài)
Công suất gia nhiệt MOC3021 + Triac BT136-600E Cách ly quang, Triac 600V - 4A GPIO4, GPIO12
Thanh nhiệt Điện trở chữ U đơn Inox 304 Điện áp 220VAC, công suất 500W Tải công suất Triac
Quạt đối lưu Quạt tản nhiệt 220VAC Kích thước 120x120x38mm, công suất 22W Tải công suất Triac
Màn hình hiển thị LCD 16x02 + Module I2C Điện áp 5V, hiển thị 2 dòng x 16 ký tự I2C (GPIO21, GPIO22)
Chỉ báo hoạt động LED đơn Điện áp 3.3V, dòng 20mA GPIO13

Thiết kế cơ khí và luồng khí

Khung vỏ tủ làm ấm được thiết kế 3D bằng phần mềm SolidWorks và thi công bằng vật liệu mica trong suốt. Cấu trúc buồng nhiệt bố trí thanh gia nhiệt điện trở và quạt hút/thổi đối lưu ở khoang kỹ thuật đáy, tạo luồng không khí nóng tuần hoàn khép kín đi qua các khay chứa dung dịch truyền và hướng về phía cảm biến nhiệt độ MLX90614 lắp ở vị trí trung tâm, giúp nhiệt lượng phân bố đồng đều khắp thể tích buồng chứa.

Nền tảng phần mềm và kết nối IoT

  • Firmware ESP32: Lập trình trên môi trường Arduino IDE, tích hợp thư viện điều khiển pha AC Dimmer, thuật toán PID xử lý thời gian thực, đọc dữ liệu cảm biến MLX90614 và điều khiển LCD 16x2.
  • Cơ sở dữ liệu đám mây: Sử dụng Google Firebase Realtime Database. Dữ liệu nhiệt độ đo được và trạng thái làm việc của tủ được vi điều khiển gửi lên máy chủ theo chu kỳ thời gian thực qua kết nối Wi-Fi.
  • Ứng dụng di động: Thiết kế trên nền tảng MIT App Inventor 2 dành cho hệ điều hành Android. Giao diện ứng dụng kết nối trực tiếp với Firebase Realtime Database qua mã QR, hiển thị trực quan các thông số nhiệt độ hiện tại, trạng thái đang gia nhiệt hoặc đã đạt ngưỡng mục tiêu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày cơ sở thực tiễn của đề tài, các nguy cơ y khoa liên quan đến hiện tượng hạ thân nhiệt trong gây mê và phẫu thuật. Xác lập tính cấp thiết của việc chuẩn hóa nhiệt độ dịch truyền ở mức 37°C theo hướng dẫn lâm sàng của NICE. Chương này nêu rõ mục tiêu, 9 nhiệm vụ nghiên cứu, giới hạn kỹ thuật và bố cục tổng thể của khóa luận tốt nghiệp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Tổng hợp lý thuyết y sinh về thân nhiệt trung tâm, ba mức độ hạ thân nhiệt và các nguyên nhân dẫn đến mất nhiệt trong phẫu thuật. Phân tích nhiệt độ bảo quản của 6 loại dung dịch y tế thông dụng. Khảo sát chi tiết thông số kỹ thuật của các dòng máy thương mại (Haier HYR-111, EM-MED EmTherm 1D, Gemmy YCW-06S). Giới thiệu đặc tính kỹ thuật của các linh kiện điện tử (ESP32, cảm biến MLX90614, optocoupler 4N35, MOC3021, Triac BT136-600E, thanh gia nhiệt 500W, quạt tản nhiệt). Trình bày cơ sở toán học của bộ điều khiển PID và nguyên lý hoạt động của các phần mềm ứng dụng (Arduino IDE, MIT App Inventor, SolidWorks, Proteus, Firebase).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống và định nghĩa chức năng chi tiết cho 6 khối. Thực hiện tính toán nhiệt động lực học buồng tủ ($300 \times 300 \times 400 \text{ mm}$), xác định công suất gia nhiệt lý thuyết cần thiết là 444,4W trong 45 phút, từ đó lựa chọn thanh nhiệt 500W. Trình bày quy trình thực nghiệm điều chỉnh tham số PID qua bảng biến thiên giá trị $K_p$ (từ 1 đến 120), $K_i$ (từ 0 đến 1) và $K_d$ (0,5). Phân tích chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện điểm không (Zero-Crossing), mạch kích Triac điều chế pha góc mở AC Dimmer, sơ đồ chân I2C của cảm biến MLX90614 và LCD 16x2.

Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày quy trình thiết kế mạch in (PCB) bằng phần mềm Proteus, quá trình khoan mạch và hàn gắn linh kiện điều khiển. Trình bày các bản vẽ thiết kế 3D trên SolidWorks và quá trình gia công cơ khí vỏ tủ mica, lắp đặt thanh điện trở, quạt đối lưu và kệ chứa mẫu. Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình chính trên ESP32, các chương trình con ("Cài đặt giá trị", "Kết nối Wifi, Firebase", "Kiểm tra nút START", "Hệ thống gia nhiệt") và lưu đồ khối lệnh trên MIT App Inventor 2. Hướng dẫn quy trình vận hành nút nhấn thực tế và lập bảng dự toán kinh phí linh kiện của hệ thống.

Chương 5: Kết quả_Nhận xét_Đánh giá

Công bố kết quả thực nghiệm chế tạo mô hình phần cứng và phần mềm. Thực hiện kiểm tra độ chính xác của cảm biến MLX90614 so với thiết bị đo chuẩn. Đánh giá quá trình gia nhiệt ở các mức nhiệt độ cài đặt từ 32°C đến 40°C. Phân tích thời gian gia nhiệt và khả năng duy trì nhiệt độ ổn định trong thời gian dài. So sánh các đặc tính nhiệt giữa môi trường nước thử nghiệm và các dung dịch y tế thực tế, đưa ra nhận xét đánh giá khách quan về hiệu năng hệ thống.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu ban đầu và tổng kết các chỉ tiêu kỹ thuật đạt được của mô hình tủ làm ấm dịch truyền. Đồng thời, đề xuất các định hướng nâng cấp, mở rộng tính năng kỹ thuật và hoàn thiện tiêu chuẩn y tế cho thiết bị trong các giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm

Mô hình tủ làm ấm dịch truyền đã được thi công hoàn chỉnh và kiểm thử với các kết quả cụ thể:

  1. Khả năng kiểm soát nhiệt độ: Hệ thống gia nhiệt chính xác trong dải cài đặt từ 32°C đến 40°C. Thuật toán PID duy trì độ ổn định nhiệt độ buồng tủ với sai số không quá $\pm 1^\circ\text{C}$ so với nhiệt độ mục tiêu (37°C).
  2. Thời gian đáp ứng nhiệt: Thời gian làm ấm dung dịch từ nhiệt độ phòng (26°C – 28°C) đạt đến nhiệt độ sinh lý 37°C dao động trong khoảng từ 20 đến 30 phút (tùy thuộc vào thể tích và số lượng túi dung dịch thực tế trong buồng).
  3. Độ chính xác cảm biến: Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại MLX90614 ghi nhận dữ liệu nhanh, phản hồi ổn định qua giao tiếp I2C với sai số đo lường nằm trong giới hạn cho phép $\pm 0,5^\circ\text{C}$.
  4. Vận hành và giám sát: Hệ thống vận hành trực tiếp thông qua 4 nút nhấn và hiển thị trạng thái trên màn hình LCD 16x02; đồng thời truyền dữ liệu nhiệt độ liên tục lên Firebase Realtime Database và hiển thị đồng bộ trên ứng dụng di động Android.
Thông số kỹ thuật Kết quả đạt được của mô hình
Vi điều khiển trung tâm ESP32 NodeMCU-32S (Tần số xung nhịp 160MHz)
Cảm biến nhiệt độ Cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614
Dải nhiệt độ làm việc 32°C – 40°C
Sai số ổn định nhiệt Không quá $\pm 1^\circ\text{C}$
Thời gian gia nhiệt đạt 37°C 20 – 30 phút (từ nhiệt độ môi trường 26°C – 28°C)
Công suất gia nhiệt Thanh nhiệt điện trở chữ U Inox 304 500W + Quạt 22W
Phương thức điều khiển công suất AC Phase Control Dimmer (4N35 + MOC3021 + Triac BT136-600E)
Tham số bộ điều khiển PID $K_p = 120$, $K_i = 1$, $K_d = 0,5$
Giao diện người dùng Màn hình LCD 16x02 I2C, 4 nút nhấn, LED chỉ thị gia nhiệt
Giám sát không dây Wi-Fi 2.4GHz kết nối Firebase Realtime Database, App Android

Giải pháp và đóng góp kỹ thuật

  • Chế tạo thành công thiết bị tiền làm ấm dịch truyền với chi phí thấp, sử dụng linh kiện phần cứng sẵn có, giải quyết bài toán kiểm soát nhiệt độ an toàn trước khi truyền dịch cho bệnh nhân.
  • Ứng dụng giải thuật điều khiển góc mở AC Dimmer kết hợp thuật toán PID trên vi điều khiển ESP32, cho phép khống chế quán tính nhiệt của thanh điện trở công suất 500W và giảm thiểu hiện tượng vọt lố nhiệt độ trong buồng ủ.
  • Xây dựng giải pháp giám sát nhiệt độ từ xa thông qua nền tảng IoT (Firebase và MIT App Inventor), giúp nhân viên y tế theo dõi tình trạng nhiệt độ của tủ chứa mà không cần kiểm tra trực tiếp tại chỗ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Phạm vi chức năng: Thiết bị chỉ thực hiện chức năng làm ấm gián tiếp trong buồng ủ tĩnh trước khi truyền, chưa hỗ trợ cơ chế làm ấm trực tiếp trên dây truyền (in-line fluid warming) trong lúc truyền dịch vào tĩnh mạch.
  • Tính năng giám sát IoT: Ứng dụng di động chỉ hỗ trợ giám sát thông số nhiệt độ một chiều từ Firebase; chưa hỗ trợ cài đặt hoặc điều khiển các thông số của tủ từ xa qua ứng dụng.
  • Đối tượng thử nghiệm: Các thử nghiệm thực nghiệm mới dừng lại ở dung dịch nước mô phỏng, chưa thực hiện kiểm nghiệm trực tiếp trên các mẫu máu toàn phần, huyết tương hoặc các dung dịch sinh học chuyên dụng.
  • Dải nhiệt độ hoạt động: Bị giới hạn trong khoảng 32°C – 40°C.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Tích hợp thêm đèn phát bức xạ khử khuẩn UV-C trong buồng chứa (tương tự các dòng máy thương mại Haier HYR-111 và EM-MED EmTherm 1D) nhằm ngăn ngừa lây nhiễm chéo và tiệt trùng bề mặt túi dịch.
  • Nâng cấp ứng dụng di động cho phép điều khiển hai chiều: bật/tắt thiết bị, cài đặt nhiệt độ mục tiêu và nhận thông báo cảnh báo quá nhiệt qua tin nhắn đẩy.
  • Nghiên cứu tích hợp cảm biến tải trọng (load cell) hoặc đầu đọc RFID để quản lý chính xác số lượng, chủng loại và hạn sử dụng của từng túi dịch truyền trong tủ.
  • Mở rộng thêm mô-đun làm ấm dòng chảy (in-line warming cassette) gắn trực tiếp vào dây truyền dịch để duy trì nhiệt độ dịch truyền ổn định suốt quá trình truyền dịch kéo dài trong phòng mổ.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh, Điện tử Y sinh và Kỹ thuật Điện - Điện tử: Tham khảo phương pháp thiết kế hệ thống thiết bị y tế kết hợp giữa gia nhiệt công suất lớn và kiểm soát nhiệt độ chính xác bằng PID.
  • Người nghiên cứu và phát triển hệ thống nhúng, IoT: Kế thừa phương pháp kết nối vi điều khiển ESP32 với cảm biến giao tiếp I2C, mạch điều khiển góc mở Triac AC Dimmer đồng bộ điểm không (Zero-Crossing) qua Opto 4N35/MOC3021, cùng giải pháp kết nối dữ liệu đám mây Firebase qua MIT App Inventor.
  • Các phần có giá trị kỹ thuật cao:
    • Chương 3 với phần tính toán công suất nhiệt lý thuyết và quy trình dò tham số thực nghiệm PID ($K_p=120, K_i=1, K_d=0,5$).
    • Chương 4 với sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện điểm không, mạch kích Triac BT136 và lưu đồ giải thuật điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao dịch truyền cần phải được làm ấm đến 37°C trước khi truyền vào cơ thể bệnh nhân?
Theo các nghiên cứu y khoa được trích dẫn trong khóa luận, khi truyền 1 lít dịch truyền ở nhiệt độ phòng (hoặc 1 đơn vị máu ở 4°C), nhiệt độ trung tâm của cơ thể bệnh nhân sẽ bị giảm khoảng 0,25°C. Hạ thân nhiệt dưới 36°C làm tăng nguy cơ nhiễm trùng vết mổ, suy giảm miễn dịch, rối loạn chức năng đông máu gây mất máu nhiều, run sau mổ và phát sinh các biến chứng tim mạch. Do đó, NICE khuyến cáo làm ấm dịch truyền đến 37°C đối với tất cả các trường hợp truyền dịch trong phẫu thuật từ 500 ml trở lên.

2. Công suất thanh gia nhiệt được tính toán dựa trên các thông số nào?
Công suất thanh gia nhiệt được tính dựa trên tổng nhiệt lượng cần thiết trong 45 phút để nâng nhiệt độ của buồng tủ kích thước $300 \times 300 \times 400 \text{ mm}$ chứa 184 túi dịch (tương đương 35,88 kg nước) từ nhiệt độ môi trường lên 40°C. Tổng nhiệt lượng bao gồm: nhiệt lượng làm nóng không khí ($Q_{\text{không khí}}$), nhiệt lượng làm nóng khối dung dịch ($Q_{\text{nước}}$) và nhiệt lượng tiêu hao do bức xạ qua 5 mặt mica ($Q_{\text{tiêu hao}}$ tính theo định luật Stefan-Boltzmann với $\varepsilon = 0,86$). Công suất tính toán lý thuyết là $444,4 \text{ W}$, từ đó nhóm chọn thanh điện trở chữ U công suất 500W (220VAC).

3. Khối điều nhiệt AC Dimmer kiểm soát công suất thanh gia nhiệt 500W như thế nào?
Khối điều nhiệt sử dụng diode cầu KBPC610 và optocoupler 4N35 để phát hiện thời điểm điện áp xoay chiều 220VAC đi qua điểm không (Zero-Crossing) và gửi xung ngắt về chân GPIO2 của ESP32. Dựa trên sai số nhiệt độ đo từ cảm biến MLX90614, thuật toán PID tính toán thời gian trễ kích hoạt optotriac MOC3021 (qua chân GPIO4/GPIO12) để kích mở Triac BT136-600E. Việc thay đổi góc mở dẫn của Triac giúp điều tiết công suất điện áp AC cấp cho thanh nhiệt 500W và quạt đối lưu 22W.

4. Bộ tham số PID được lựa chọn qua thực nghiệm có giá trị bao nhiêu?
Thông qua quá trình thử nghiệm và hiệu chỉnh đáp ứng nhiệt độ thực tế của buồng tủ, nhóm tác giả đã xác định bộ thông số PID tối ưu gồm: hệ số tỉ lệ $K_p = 120$, hệ số tích phân $K_i = 1$, và hệ số vi phân $K_d = 0,5$. Bộ tham số này giúp hệ thống đạt nhiệt độ cài đặt nhanh chóng, hạn chế tối đa độ vọt lố và giữ sai số ổn định trong khoảng $\pm 1^\circ\text{C}$.

5. Ứng dụng di động của hệ thống được xây dựng bằng công cụ nào và có chức năng gì?
Ứng dụng di động được xây dựng trên nền tảng MIT App Inventor 2 dành cho thiết bị Android. Ứng dụng nhận dữ liệu nhiệt độ đo được và trạng thái làm ấm từ vi điều khiển ESP32 thông qua máy chủ đám mây Google Firebase Realtime Database. Chức năng chính của ứng dụng là giám sát từ xa quá trình gia nhiệt theo thời gian thực (không hỗ trợ điều khiển hay thay đổi thông số cài đặt của tủ).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công tủ làm ấm dịch truyền" của sinh viên Nguyễn Thị Bảo Trân và Trần Thị Huyền Trân (Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình tủ làm ấm dịch truyền y tế thể tích 36 lít sử dụng vi điều khiển ESP32. Hệ thống kiểm soát nhiệt độ buồng ủ trong dải 32°C – 40°C với sai số không quá $\pm 1^\circ\text{C}$ nhờ thuật toán PID kết hợp mạch AC Dimmer điều khiển thanh nhiệt 500W và quạt đối lưu cưỡng bức. Thời gian gia nhiệt dung dịch từ nhiệt độ phòng đạt ngưỡng 37°C mất từ 20 đến 30 phút, đồng thời dữ liệu nhiệt độ được đồng bộ hóa lên máy chủ Firebase và hiển thị trực quan trên ứng dụng Android. Đề tài cung cấp giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh, đáp ứng yêu cầu phòng ngừa biến chứng hạ thân nhiệt trong thực hành truyền dịch và phẫu thuật y khoa.