Chương 1 về hạ thân nhiệt ở người, việc hạn chế hạ thân nhiệt sẽ giảm nguy cơ nhiễm trùng và các biến chứng liên quan. Việc sử dụng chăn sưởi cho bệnh nhân cũng là một trong các phương pháp phòng ngừa hạ thân nhiệt hiệu quả. Chăn sưởi sau phẫu thuật là một thiết bị y tế quan trọng được sử dụng để duy trì nhiệt độ cơ thể bệnh nhân trong suốt quá trình điều trị hoặc phục hồi. Chăn sưởi bệnh nhân giúp ngăn ngừa và điều trị tình trạng hạ thân nhiệt, đặc biệt là trong các trường hợp bệnh nhân trải qua phẫu thuật, trong tình trạng sốc, hoặc có bệnh lý làm giảm nhiệt độ cơ thể [5].
Hiện nay, có nhiều hãng thiết bị y tế lớn có thiết bị chăn sưởi như Covidien, Bair Hugger, Gentherm,. Cấu tạo chăn sưởi Chăn sưởi sau phẫu thuật bao gồm hai bộ phận chính là máy sưởi ấm và chăn. Theo sự tìm hiểu từ các hãng cung cấp thiết bị chăn sưởi cho bệnh nhân cho thấy các thành phần cơ bản của máy sưởi gồm bộ phận cấp nhiệt, bộ phận dẫn nhiệt vào chăn, các bộ phận ngoại vi. Máy sưởi ấm làm ấm chăn bằng cách thổi khí đã được làm nóng ở nhiệt độ xác định vào bên trong chăn sưởi thông qua ống dẫn khí.1 Máy sưởi ấm Level 1™ ICU Hình 2.2 Máy sưởi ấm bệnh nhân Medical WarmTouch 6000 Covidien BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ở hình 2.1, máy sưởi ấm của hãng ICU Medical sử dụng phương pháp đối lưu nhiệt, có bộ điều khiển nhiệt ở đầu ống hút không khí ở nhiệt độ môi trường, đến bộ lọc khí HEPA sau đó làm ấm và đưa ra đường ống dẫn đến chăn. Thiết kế này giúp bệnh nhân tránh tiếp xúc với nhiệt độ quá cao, đồng thời liên tục theo dõi các cảnh báo trên và dưới nhiệt độ cho từng cài đặt [6]. Đối với máy sưởi ấm bệnh nhân WarmTouch 6000 Covidien ở hình 2.2 cũng có thiết kế bộ lọc khí HEPA với kích thước 0.3µm cho hiệu suất lọc đạt khoảng 99,97% và đạt hiệu quả sử dụng đến 2. Dễ dàng tùy chỉnh với 5 mức nhiệt độ là 34, 40, 45, 47 và nhiệt độ phòng.
[7] Về phần chăn sưởi cho bệnh nhân có đa dạng các kích thước cho từng nhóm bệnh nhân, với từng cỡ chăn cho từng ứng dụng cụ thể. Thiết kế đa dạng dành cho từng nhóm bệnh nhân cụ thể, sử dụng chất liệu mỏng nhẹ, không chứa latex.3 Chăn sưởi dùng trong sau phẫu thuật 3M Bair Hugger Ở hình 2.3, chăn dùng cho bệnh nhân sau phẫu thuật tha, với thiết kế có kích thước lớn, che trung tâm cơ thể, giúp giữ ấm toàn diện. Ngoài dạng chăn sau phẫu thuật dùng cho toàn thân, còn có đa dạng mẫu chăn với thiết kế khác nhau tùy vào mục đích sử dụng như chăn dùng trong phẫu thuật phần dưới thân, chăn dùng trong khoa nhi, chăn dùng trong phẫu thuật đặc biết/tim, chăn dùng làm ấm phần thân trên. Tùy thuộc vào hãng khác nhau, mỗi hãng sẽ có thiết kết chăn khác nhau.
Nguyên lý hoạt động của chăn sưởi Quy trình hoạt động của hệ thống chăn làm ấm bệnh nhân Bair Hugger như hình 2.4 bắt đầu với việc chuẩn bị, sau đó chăn sưởi được đặt lên hoặc quanh bệnh nhân theo hướng dẫn cụ thể của nhà sản xuất. Khi máy làm ấm hoạt động, máy hút không khí từ môi trường xung quanh và làm nóng không khí này bằng các bộ phận nhiệt bên trong máy đến nhiệt độ đã cài đặt. Sau đó, không khí ấm được đẩy qua ống dẫn vào chăn sưởi. Không khí ấm lưu thông qua các khoang trong chăn, bao phủ cơ thể bệnh nhân bằng một lớp không khí ấm.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động chăn sưởi cho bệnh nhân hãng 3M Bair Hugger [8] Quá trình này được giám sát và điều chỉnh liên tục, nhiệt độ của không khí ấm và tình trạng của bệnh nhân được theo dõi, và các điều chỉnh cần thiết được thực hiện thông qua bảng điều khiển để duy trì nhiệt độ ổn định và an toàn. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là vòng điều khiển tổng quát thường được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển có sự phản hồi. Bộ điều khiển gồm 3 thông số riêng biệt dùng để điều khiển các khâu, khâu tỉ lệ (P), khâu tích phân (I), khâu đạo hàm (D).
Khâu tỉ lệ có giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại đến hệ thống, khâu tích phân có giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ của hệ thống, và khâu vi phân có giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng của ba giá trị này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như van điều khiển hay nguồn của phần tử gia nhiệt.5 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi sử dụng bộ điều khiển PID, cần xác định các thông số giá trị đo thông số biến đổi (Output), giá trị đặt mong muốn (Setpoint). Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị sai số (Error) là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn.
Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Quá trình tính toán trên được mô tả trong sơ đồ khối của bộ điều khiển theo hình 2. Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất. Trong bộ điều khiển PID bao gồm bộ điều khiển PI, PD hay P hoặc I, từng bộ điều khiển sẽ tương ứng yêu cầu sử dụng khác nhau của từng hệ thống.
Bộ điều khiển PI là bộ điều khiển khá phổ biến, vì đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu gây ra do đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn. Về lý thuyết, một bộ điều khiển có thể được sử dụng để điều khiển bất kỳ một quá trình nào mà có một đầu ra đo được (PV), một giá trị lý tưởng biết trước cho đầu ra (SP) và một đầu vào chu trình (MV) sẽ tác động vào PV thích hợp. [9] Khâu tỉ lệ làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là hệ số tỉ lệ.1) Trong đó: ● 𝑃𝑜𝑢𝑡 : thừa số tỉ lệ đầu ra ● 𝐾𝑃 : hệ số tỉ lệ, thông số điều chỉnh ● 𝑒 : sai số = SP - PV ● 𝑡 : thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại) Ở hình 2.6 bên dưới, mô tả khâu tỉ lệ của bộ điều khiển PID theo công thức (2.1) với các giá trị 𝐾𝑃 , 𝐾I và 𝐾𝐷 theo thời gian.
Trong đó, 𝐾I và 𝐾𝐷 là 2 giá trị hằng số, cho biết hệ số của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu hệ số của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.6 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾𝐷, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 (𝐾𝐼 và 𝐾𝐷 là hằng số) Khâu tích phân phụ thuộc vào cả mức độ sai số và thời gian xảy ra sai số.
Tổng các sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta lượng bù đã được hiệu chỉnh. Lượng tích lũy này sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng vào tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Mức độ ảnh hưởng của khâu tích phân trong tất cả các điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân.2) Trong đó: ● 𝐼𝑜𝑢𝑡 : thừa số tích phân của đầu ra ● 𝐾𝐼 : độ lợi tích phân, thông số điều chỉnh ● 𝑒 : sai số = SP - PV ● 𝑡 : thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại) ● 𝜏: một biến tích phân trung gian Hình 2.7 bên dưới mô tả khâu tích phân của bộ điều khiển PID theo công thức (2.2) với các giá trị 𝐾𝑃 , 𝐾I và 𝐾𝐷 theo thời gian. Trong đó, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐷 là 2 hằng số.
Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.7 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾𝐷, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 (𝐾𝑃 và 𝐾𝐷 là hằng số) Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ. Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân.3) 𝑑𝑡 Trong đó: ● 𝐷𝑜𝑢𝑡 : thừa số vi phân của đầu ra ● 𝐾𝐷 : độ lợi vi phân, thông số điều chỉnh ● 𝑒 : sai số = SP - PV ● 𝑡 : thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại) Hình 2.8 bên dưới mô tả khâu vi phân của bộ điều khiển PID theo công thức (2.3) với các giá trị 𝐾𝑃 , 𝐾𝐼 và 𝐾𝐷 theo thời gian.
Trong đó, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 là 2 hằng số. Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đáng chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.8 Đồ thị quá trình theo thời gian, tương ứng với ba giá trị 𝐾𝐷, 𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 (𝐾𝑃 và 𝐾𝐼 không đổi) Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau từ các phương trình (2.3) để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PID. Định nghĩa rằng 𝑢(𝑡 ) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là: [9] 𝑡 𝑑 𝑢(𝑡 ) = 𝐾𝑃 .