Giới thiệu dự án
Bối cảnh và thực trạng y tế
Hạ thân nhiệt vô ý trong phẫu thuật (Inadvertent Perioperative Hypothermia - IPH) là biến chứng thường gặp trong ngoại khoa. Thống kê lâm sàng quốc tế và trong nước chỉ ra rằng có khoảng 60% đến 70% bệnh nhân trải qua các ca phẫu thuật kéo dài trên 2 giờ bị hạ thân nhiệt (nhiệt độ trung tâm dưới $36.0^\circ\text{C}$).
Tình trạng này dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng:
- Tăng nguy cơ nhiễm trùng vết mổ: Tỷ lệ nhiễm trùng tăng gấp 3 lần so với bệnh nhân duy trì thân nhiệt ổn định do mạch máu ngoại vi co lại, giảm tưới máu mô và suy giảm đáp ứng miễn dịch.
- Rối loạn đông máu và chuyển hóa thuốc: Làm chậm quá trình thanh thải thuốc mê, kéo dài thời gian hồi tỉnh.
- Kéo dài thời gian nằm viện hồi sức (ICU): Tăng chi phí điều trị trung bình từ 15% đến 25% cho mỗi ca phẫu thuật.
Nghiên cứu lâm sàng chứng minh rằng việc tiền làm ấm (pre-warming) và sưởi ấm tích cực cho bệnh nhân hậu phẫu giúp giảm hơn 60% nguy cơ nhiễm trùng vết mổ, hạn chế đáng kể nhu cầu dùng kháng sinh dự phòng liều cao.
+---------------------------------------------------+
| Vấn đề: Hạ thân nhiệt sau mổ |
| (60 - 70% bệnh nhân phẫu thuật > 2 giờ) |
+---------------------------------------------------+
|
+--------------------+--------------------+
v v
+----------------------------+ +----------------------------+
| Nguy cơ lâm sàng | | Hạn chế thiết bị hiện nay |
| - Nhiễm trùng tăng 3 lần | | - Giá thành ngoại nhập cao|
| - Rối loạn đông máu | | - Vòng điều khiển hở |
| - Thời gian hồi sức dài | | - Thiếu giám sát từ xa |
+----------------------------+ +----------------------------+
|
v
+---------------------------------------------------+
| Giải pháp đề tài: Hệ thống chăn sưởi thông minh |
| - Vòng phản hồi kín PID điều khiển nhiệt khí nóng|
| - Vòng đeo tay IoT MLX90614 đo thân nhiệt |
| - Đồng bộ Firebase & Giám sát MIT App Inventor |
+---------------------------------------------------+
Vấn đề kỹ thuật cần giải quyết (Problem Statement)
Các hệ thống làm ấm không khí cưỡng bức (Forced-Air Warming - FAW) nhập khẩu hiện hành (như 3M Bair Hugger, Covidien WarmTouch) có chi phí đầu tư ban đầu và vật tư tiêu hao rất cao, khó tiếp cận đại trà tại các bệnh viện tuyến cơ sở ở Việt Nam. Đồng thời, đa số các thiết bị truyền thống chỉ kiểm soát nhiệt độ khí đầu ra cố định theo các mức cài đặt sẵn (vòng điều khiển hở - open loop) mà không tự động bù nhiệt dựa trên phản hồi thân nhiệt thực tế liên tục của từng bệnh nhân theo thời gian thực.
Mục tiêu của dự án
- Thiết kế khối đo thân nhiệt đeo tay không dây: Ứng dụng cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc GY-906 MLX90614 và vi điều khiển ESP8266 Wemos D1 Mini nhằm thu thập thân nhiệt với sai số $\le \pm0.3^\circ\text{C}$.
- Xây dựng khối điều khiển trung tâm gia nhiệt khí đối lưu: Tích hợp bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) đóng cắt relay bán dẫn SSR-60DA để điều chỉnh công suất thanh điện trở nhiệt chữ U, duy trì nhiệt độ buồng khí trong dải $25^\circ\text{C} - 40^\circ\text{C}$.
- Thiết kế và thi công phân phối khí trên chăn: Kích thước $1.2\text{m} \times 2.0\text{m}$ với cấu trúc đa khoang dẫn khí, đảm bảo phân bố nhiệt đồng đều giữa các vùng trên cơ thể.
- Phát triển hệ thống IoT giám sát thời gian thực: Kết nối giao thức HTTP Request và Firebase Realtime Database, hiển thị trực quan thông số trên màn hình LCD và ứng dụng di động Android (MIT App Inventor).
Phương pháp tiếp cận giải pháp
Hệ thống sử dụng phương pháp sưởi ấm đối lưu nhiệt gián tiếp (Convective Warming). Không khí môi trường được quạt hút công suất lớn đẩy qua buồng gia nhiệt bằng thanh trở nhiệt. Luồng khí nóng sau khi đạt nhiệt độ tính toán từ thuật toán PID sẽ được dẫn qua ống chịu nhiệt vào ruột chăn có đục lỗ phân phối vi mô.
Thân nhiệt thực tế của bệnh nhân tại cổ tay được vòng đo gửi về bộ điều khiển trung tâm qua giao thức HTTP POST mạng cục bộ. ESP8266 trung tâm so sánh thân nhiệt đo được với ngưỡng cài đặt (Setpoint) để hiệu chỉnh chu kỳ đóng cắt công suất nhiệt, tạo thành vòng phản hồi kín (Closed-loop feedback control).
Kết quả kỳ vọng và chỉ số đo lường
- Độ chính xác nhiệt độ đo: Sai số $\le \pm0.3^\circ\text{C}$ so với thiết bị y tế chuẩn Microlife FR1MF1.
- Độ ổn định nhiệt độ khí trong chăn: Độ vọt lố (Overshoot) $\le 5%$, sai số xác lập $\le \pm0.5^\circ\text{C}$.
- Phân bố đồng đều nhiệt độ lòng chăn: Chênh lệch nhiệt độ giữa 5 điểm phân bố trong chăn $\le 1.5^\circ\text{C}$.
- Tốc độ đáp ứng truyền thông: Chu kỳ cập nhật dữ liệu từ vòng tay về trung tâm $\le 2\text{ giây}$, độ trễ đồng bộ Cloud Firebase $\le 1\text{ giây}$.
Phạm vi và giới hạn đề tài
- Phạm vi nghiên cứu: Mô hình mẫu thử nghiệm (Prototype) phục vụ môi trường phòng hồi sức nội trú.
- Giới hạn kỹ thuật: Dải điều khiển nhiệt độ an toàn giới hạn trong khoảng $25^\circ\text{C} - 40^\circ\text{C}$ (ngưỡng an toàn chống bỏng biểu bì y tế). Hệ thống phụ thuộc vào mạng Wi-Fi cục bộ (2.4 GHz) để đồng bộ dữ liệu. Chưa tích hợp màng lọc bụi mịn y tế vô trùng HEPA $0.3\mu\text{m}$.
Phân tích và thiết kế giải pháp
Phân tích hiện trạng
| Tiêu chí |
3M Bair Hugger Model 775 |
Covidien WarmTouch 6000 |
Hệ thống đề tài nghiên cứu |
| Cơ chế điều khiển nhiệt |
Cài đặt nấc cố định ($32^\circ\text{C}, 38^\circ\text{C}, 43^\circ\text{C}$) |
5 mức cố định ($34^\circ\text{C} - 47^\circ\text{C}$) |
PID Closed-Loop (Tự động thích ứng $25^\circ\text{C} - 40^\circ\text{C}$) |
| Cảm biến thân nhiệt bệnh nhân |
Rời, không tích hợp phản hồi tự động |
Không tích hợp phản hồi trực tiếp |
Cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614 |
| Phương thức truyền thông |
Cáp tín hiệu nội bộ chuyên dụng |
Độc lập, không kết nối mạng |
Wi-Fi 802.11 b/g/n, HTTP POST, Firebase Cloud |
| Giám sát từ xa |
Không có |
Màn hình tại máy |
Mobile App (Android) + Màn hình LCD tại trạm |
| Chi phí chế tạo / Đầu tư |
Rất cao (> 45.000.000 VNĐ) |
Cao (> 35.000.000 VNĐ) |
Tối ưu (~ 1.500.000 VNĐ) |
Yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW
- Must have (Bắt buộc phải có):
- Đo thân nhiệt không tiếp xúc chính xác trong dải y tế $32^\circ\text{C} - 42^\circ\text{C}$.
- Bộ gia nhiệt công suất đủ lớn với thuật toán PID kiểm soát nhiệt buồng gió.
- Cơ chế ngắt an toàn phần cứng/phần mềm khi nhiệt độ vượt quá $42^\circ\text{C}$.
- Màn hình LCD hiển thị thân nhiệt thực tế và nhiệt độ khí cài đặt.
- Should have (Nên có):
- Module kết nối Wi-Fi truyền dữ liệu thời gian thực lên Firebase.
- Ứng dụng di động hiển thị đồ thị và trạng thái đóng ngắt.
- Phím bấm tăng/giảm Setpoint trên hộp điều khiển.
- Could have (Có thể có):
- Pin sạc dung lượng cao kèm mạch bảo vệ xả cạn cho vòng đeo tay.
- Thiết kế vỏ hộp in 3D công thái học.
- Won't have (Chưa thực hiện trong giai đoạn này):
- Chuẩn kháng nước y tế IP68 toàn bộ thân máy.
- Màng lọc khí vô trùng HEPA H13 đạt chuẩn phòng mổ.
Thiết kế hệ thống
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| HỆ THỐNG VÒNG ĐEO TAY |
| +--------------------+ I2C +--------------------+ Wi-Fi 2.4GHz |
| | Cảm biến hồng ngoại| ----------> | ESP8266 Wemos D1 | ---------------+ |
| | MLX90614 | | Mini (Client) | | |
| +--------------------+ +--------------------+ | |
| ^ ^ | |
| | 3.3V | 3.3V | |
| +--------------------+ +--------------------+ | |
| | LM1117T-3.3 (LDO) | <---------- | Boost DC-DC (5V) | <---+ Pin LiPo | |
| +--------------------+ +--------------------+ | 3.7V/ | |
| | TP4056 | |
+----------------------------------------------------------------|----------|-------+
| HTTP |
| POST |
+----------------------------------------------------------------|----------|-------+
| v v |
| HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM |
| |
| +-----------------------------------------------------------------------------+ |
| | NodeMCU ESP8266 (Xử lý Trung tâm) | |
| +-----------------------------------------------------------------------------+ |
| | (1-Wire) | (I2C) | (GPIO) | (PWM/GPIO) |
| v v v v |
| +--------------+ +--------------+ +--------------+ +--------------+ |
| | Cảm biến | | Màn hình LCD | | Nút nhấn cài | | Relay bán dẫn| |
| | DS18B20 | | 16x2 I2C | | đặt Setpoint | | SSR-60DA | |
| | (Nhiệt chăn) | +--------------+ +--------------+ +--------------+ |
| +--------------+ | |
| v |
| +-------------------------------------------------------+ +--------------+ |
| | Quạt thổi Orix MR20060 (220VAC) + Buồng nhiệt trở U | <-| Gia nhiệt | |
| +-------------------------------------------------------+ | Thanh trở U | |
| | +--------------+ |
| v |
| [ Dẫn khí nóng vào Chăn Sưởi Đa Khoang ] |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|
v (HTTPS REST API)
+-----------------------+
| Google Firebase Cloud|
+-----------------------+
|
v (Realtime Sync)
+-----------------------+
| MIT App Inventor App |
+-----------------------+
Ngăn xếp công nghệ (Technology Stack)
- Phần cứng nhúng: Vi điều khiển NodeMCU ESP8266 (Tensilica L106 32-bit, clock $80\text{MHz}$), Wemos D1 Mini ESP8266, Cảm biến GY-906 MLX90614ESF-BAA, Cảm biến số Dallas DS18B20, Relay bán dẫn FOTEK SSR-60DA, Quạt lồng sóc Orix MR20060 (220VAC - 50Hz), Điện trở nhiệt chữ U công suất 1000W.
- Mạch nguồn: Pin Li-Po 3.7V 500mAh, IC Sạc TP4056 Type-C, IC Buck-Boost DC-DC T64, IC Linear Regulator LM1117T-3.3, IC L7805CV, Biến áp cách ly $220\text{VAC} \to 12\text{VAC}$, Diode cầu 2A, Tụ lọc gợn sóng $1000\mu\text{F}/25\text{V}$.
- Phần mềm & Nền tảng: Arduino IDE v2.3.2 (C/C++ nhúng), Proteus Design Suite v8.13, SOLIDWORKS 2022 (Thiết kế cơ khí 3D), Firebase Realtime Database (Google Cloud), MIT App Inventor 2.
Cấu trúc cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database
{
"HeThongChanSuoi": {
"Monitoring": {
"ThanNhietBenhNhan": 36.8,
"NhietDoChan": 37.5,
"TrangThaiHeThong": "RUNNING",
"Timestamp": 1718870400
},
"Control": {
"NhietDoCaiDat": 38.0,
"CongSuatPID": 65.4,
"CheDoDieuKhien": "AUTO"
}
}
}
Thiết kế Giao diện API nội bộ (HTTP Direct Inter-MCU)
- Endpoint:
http://192.168.4.1/update_temp (ESP8266 trung tâm cấu hình SoftAP/Station Web Server).
- Method:
POST
- Content-Type:
application/x-www-form-urlencoded hoặc application/json
- Payload:
{"patient_id": "BN2024", "body_temp": 36.75}
- Response:
200 OK - {"status": "SUCCESS", "target_setpoint": 37.5}
Phương pháp quản lý và lộ trình thực hiện
Hệ thống được thiết kế và chế tạo theo mô hình công nghệ kỹ thuật phân kỳ (16 tuần):
Tuần 01 - 03: Khảo sát lý thuyết, xác định thông số IPH và thiết kế sơ đồ khối
Tuần 04 - 06: Thiết kế nguyên lý, mô phỏng Proteus, tính toán thông số PID
Tuần 07 - 09: Thi công mạch PCB, lập trình firmware đọc cảm biến I2C/1-Wire
Tuần 10 - 11: Thiết kế cơ khí SOLIDWORKS, in 3D vỏ hộp, gia công chăn khí
Tuần 12 - 13: Tích hợp mạng truyền thông HTTP POST, Firebase và Mobile App
Tuần 14 - 15: Thử nghiệm thực tế, đo kiểm độ ổn định nhiệt và hiệu chuẩn
Tuần 16 : Đánh giá tổng kết, phân tích sai số và hoàn thiện báo cáo
Triển khai và kết quả thực nghiệm
Triển khai thuật toán và mã nguồn
1. Thuật toán điều khiển PID cho buồng nhiệt
Giải thuật PID liên tục tính toán độ lệch sai số giữa nhiệt độ đo thực tế $PV(t)$ (Process Variable) và nhiệt độ mong muốn $SP(t)$ (Setpoint):
$$e(t) = SP(t) - PV(t)$$
Tín hiệu điều khiển $u(t)$ xuất ra theo công thức:
$$u(t) = K_P \cdot e(t) + K_I \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau + K_D \frac{de(t)}{dt}$$
Trong đó các hệ số qua thực nghiệm xác định: $K_P = 25.0$, $K_I = 0.5$, $K_D = 12.0$.
Vì hệ thống sử dụng Relay bán dẫn Solid State Relay (SSR) đóng cắt điện áp xoay chiều 220VAC, thuật toán điều chế độ rộng xung theo thời gian chu kỳ chậm (Time-Proportional Slow PWM Window) được ứng dụng:
#include <Arduino.h>
#include <PID_v1.h>
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
// Định nghĩa chân phần cứng
#define ONE_WIRE_BUS D4
#define SSR_PIN D5
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);
double Setpoint = 37.5; // Nhiệt độ mục tiêu (°C)
double InputTemp = 0.0; // Nhiệt độ phản hồi từ chăn
double OutputPID = 0.0; // Tín hiệu điều khiển PID (0 - 5000ms)
// Khởi tạo thông số PID Tuning
double Kp = 25.0, Ki = 0.5, Kd = 12.0;
PID myPID(&InputTemp, &OutputPID, &Setpoint, Kp, Ki, Kd, DIRECT);
unsigned long windowStartTime;
const int WindowSize = 5000; // Khung cửa sổ thời gian 5 giây
void setup() {
Serial.begin(115200);
pinMode(SSR_PIN, OUTPUT);
digitalWrite(SSR_PIN, LOW);
sensors.begin();
windowStartTime = millis();
myPID.SetOutputLimits(0, WindowSize);
myPID.SetMode(AUTOMATIC);
}
void loop() {
sensors.requestTemperatures();
InputTemp = sensors.getTempCByIndex(0);
// Tính toán thuật toán PID
myPID.Compute();
// Điều khiển SSR theo cửa sổ tỉ lệ thời gian (Time-Proportional Window)
unsigned long now = millis();
if (now - windowStartTime > WindowSize) {
windowStartTime += WindowSize;
}
if (OutputPID > (now - windowStartTime)) {
digitalWrite(SSR_PIN, HIGH); // Kích SSR dẫn điện cho thanh nhiệt
} else {
digitalWrite(SSR_PIN, LOW); // Ngắt SSR
}
}
2. Lập trình đọc cảm biến MLX90614 và truyền dữ liệu HTTP POST
Mã nguồn nhúng trên Wemos D1 Mini vòng đeo tay:
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <ESP8266HTTPClient.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_MLX90614.h>
Adafruit_MLX90614 mlx = Adafruit_MLX90614();
const char* ssid = "HE_THONG_SUOI_AP";
const char* password = "MatKhauYTe2024";
const char* serverUrl = "http://192.168.4.1/update_temp";
WiFiClient client;
void setup() {
Serial.begin(115200);
Wire.begin(D2, D1); // SDA = D2, SCL = D1
if (!mlx.begin()) {
Serial.println("Lỗi kết nối cảm biến MLX90614!");
while (1);
}
WiFi.begin(ssid, password);
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
delay(500);
Serial.print(".");
}
Serial.println("\nĐã kết nối mạng Wi-Fi hệ thống!");
}
void loop() {
// Đọc nhiệt độ đối tượng (thân nhiệt bệnh nhân)
float patientTemp = mlx.readObjectTempC();
if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
HTTPClient http;
http.begin(client, serverUrl);
http.addHeader("Content-Type", "application/x-www-form-urlencoded");
String postData = "temp=" + String(patientTemp, 2);
int httpResponseCode = http.POST(postData);
if (httpResponseCode > 0) {
Serial.printf("Gửi thành công thân nhiệt: %.2f °C | Mã HTTP: %d\n", patientTemp, httpResponseCode);
} else {
Serial.printf("Lỗi HTTP POST: %s\n", http.errorToString(httpResponseCode).c_str());
}
http.end();
}
delay(2000); // Lấy mẫu và gửi mỗi 2 giây
}
Kết quả thử nghiệm và kiểm chứng
Đánh giá độ chính xác cảm biến hồng ngoại MLX90614
Thực nghiệm so sánh giá trị đo giữa cảm biến MLX90614 của vòng đeo tay và nhiệt kế y tế chuyên dụng Microlife FR1MF1 trên 5 tình nguyện viên tại các mức nhiệt độ cơ thể khác nhau:
| Lần đo |
Nhiệt kế chuẩn Microlife ($^\circ\text{C}$) |
Vòng tay MLX90614 ($^\circ\text{C}$) |
Độ lệch sai số $\Delta T$ ($^\circ\text{C}$) |
Tỷ lệ sai số (%) |
| 1 |
36.20 |
36.15 |
-0.05 |
0.14% |
| 2 |
36.50 |
36.60 |
+0.10 |
0.27% |
| 3 |
36.80 |
36.72 |
-0.08 |
0.22% |
| 4 |
37.10 |
37.25 |
+0.15 |
0.40% |
| 5 |
37.50 |
37.38 |
-0.12 |
0.32% |
| Trung bình |
36.82 |
36.82 |
$\mathbf{\pm 0.10}$ |
$\mathbf{0.27%}$ |
Đánh giá phân bố nhiệt độ đồng đều trong lòng chăn sưởi
Bố trí 5 cảm biến nhiệt độ DS18B20 tại 5 vị trí trọng yếu trên bề mặt chăn ($1.2\text{m} \times 2.0\text{m}$) khi nhiệt độ buồng thổi xác lập ở $38.0^\circ\text{C}$:
- Vị trí 1 (Đầu vào khí chính): $38.2^\circ\text{C}$
- Vị trí 2 (Khoang ngực): $37.8^\circ\text{C}$
- Vị trí 3 (Khoang bụng): $37.6^\circ\text{C}$
- Vị trí 4 (Khoang đùi): $37.3^\circ\text{C}$
- Vị trí 5 (Khoang bàn chân): $36.9^\circ\text{C}$
Nhận xét: Chênh lệch nhiệt độ tối đa giữa đầu cấp khí và đuôi chăn là $1.3^\circ\text{C}$ (đạt tiêu chuẩn yêu cầu $\le 1.5^\circ\text{C}$), không xuất hiện điểm tập trung nhiệt cục bộ (hotspots) gây nguy cơ bỏng rát biểu bì.
Đổi mới và đóng góp kỹ thuật
- Cơ chế phản hồi sinh trắc học thời gian thực (Biometric-in-the-Loop): Thay vì duy trì nhiệt độ cố định như các dòng máy sưởi thương mại hiện tại, hệ thống liên tục giám sát thân nhiệt thực tế từ cổ tay bệnh nhân để tự động tăng hoặc giảm công suất cấp nhiệt theo từng giai đoạn hồi sức.
- Kiến trúc phân tán Micro-controller IoT: Tách biệt module đo cầm tay đeo cổ tay (sử dụng pin Lipo độc lập, giao tiếp Wi-Fi) và khối trung tâm công suất cao. Giải pháp này loại bỏ hoàn toàn hệ thống dây nối rườm rà quanh giường bệnh, giảm nguy cơ vướng víu trang thiết bị y tế khác.
- Thuật toán Slow-PWM PID kết hợp SSR chống nhiễu lưới điện: Sử dụng phương pháp điều khiển tỉ lệ thời gian đóng ngắt chu kỳ $5000\text{ms}$ qua SSR-60DA kích hoạt tại điểm không (Zero-crossing), triệt tiêu hoàn toàn tia lửa điện và nhiễu sóng hài cao tần vào các máy theo dõi nhịp tim/điện tim (ECG) xung quanh.
- Tối ưu hóa chi phí sản xuất y tế: Giảm chi phí chế tạo phần cứng xuống dưới $60\text{ USD}$ (khoảng 1.500.000 VNĐ), chỉ bằng $3% - 5%$ so với các hệ sinh thái máy sưởi ngoại nhập, mở ra tiềm năng trang bị trên diện rộng cho các trạm y tế và bệnh viện tuyến huyện.
Ứng dụng thực tế và triển khai
Kịch bản ứng dụng lâm sàng
+-------------------------------------------------------------------+
| Giai đoạn 1: Phòng tiền phẫu (Pre-warming) |
| - Đeo vòng MLX90614, làm ấm nhẹ 36.5°C |
| - Ngăn ngừa co mạch ngoại vi do thuốc tiền mê |
+-------------------------------------------------------------------+
|
v
+-------------------------------------------------------------------+
| Giai đoạn 2: Phòng hồi tỉnh / Hậu phẫu (PACU) |
| - Giám sát thân nhiệt liên tục qua HTTP POST |
| - PID kích hoạt khí ấm 37.5°C - 39.0°C vào chăn đa khoang |
| - Tự động giảm nhiệt khi thân nhiệt bệnh nhân đạt 37.0°C |
+-------------------------------------------------------------------+
|
v
+-------------------------------------------------------------------+
| Giai đoạn 3: Theo dõi tại Khoa điều trị nội trú |
| - Đồng bộ thông số liên tục về Cloud Firebase |
| - Điều dưỡng giám sát đồng loạt nhiều bệnh nhân qua Android App |
| - Cảnh báo tức thời nếu thân nhiệt hạ dưới 35.5°C |
+-------------------------------------------------------------------+
Bảng phân tích chi phí phần cứng chế tạo mẫu thử (BOM)
| Linh kiện / Bộ phận |
Mã kỹ thuật / Thông số |
Số lượng |
Đơn giá (VNĐ) |
Thành tiền (VNĐ) |
| Vi điều khiển trung tâm |
NodeMCU ESP8266 CP2102 |
1 |
73.000 |
73.000 |
| Vi điều khiển vòng tay |
Wemos D1 Mini ESP8266 |
1 |
53.000 |
53.000 |
| Cảm biến hồng ngoại |
GY-906 MLX90614ESF-BAA |
1 |
245.000 |
245.000 |
| Cảm biến nhiệt độ buồng |
DS18B20 bọc kim loại chống nước |
2 |
35.000 |
70.000 |
| Rơ le bán dẫn công suất |
SSR-60DA (DC 3-32V to AC 24-380V) |
1 |
115.000 |
115.000 |
| Thanh gia nhiệt điện trở |
Chữ U 220VAC - 1000W |
1 |
160.000 |
160.000 |
| Quạt thổi khí áp lực |
Orix MR20060-AC 220V |
1 |
185.000 |
185.000 |
| Màn hình hiển thị |
LCD 1602 + I2C Module |
1 |
45.000 |
45.000 |
| Nguồn & Mạch sạc |
Pin Lipo 500mAh + TP4056 + LM1117T |
1 bộ |
95.000 |
95.000 |
| Vỏ hộp & Phụ kiện chăn |
Vỏ in 3D nhựa PLA, vải chăn định hình |
1 bộ |
350.000 |
350.000 |
| Tổng chi phí chế tạo |
|
|
|
1.391.000 VNĐ |
Hạn chế và hướng phát triển
Hạn chế kỹ thuật
- Phụ thuộc hạ tầng mạng không dây: Thiết bị yêu cầu mạng Wi-Fi $2.4\text{GHz}$ ổn định để duy trì liên lạc giữa vòng đo và khối điều khiển. Khi mất kết nối, hệ thống chuyển về chế độ kiểm soát nhiệt độ chăn cố định (chế độ dự phòng Open-loop).
- Độ trễ truyền nhiệt của chăn: Do chất liệu vải chăn và dung tích khí lớn, thời gian đáp ứng nhiệt độ từ khi thay đổi công suất SSR đến khi nhiệt độ bề mặt chăn thay đổi ổn định mất từ $180 - 240\text{ giây}$.
- Tiêu chuẩn y tế chuyên sâu: Chưa tích hợp màng lọc vi khuẩn y tế tiêu chuẩn HEPA H13/H14 tại ngõ hút gió và chưa có chứng nhận tương thích điện từ trường y tế (IEC 60601-1-2).
Hướng nâng cấp đề xuất
- Tích hợp giao thức Bluetooth Low Energy (BLE 5.0 / ESP-NOW): Kết nối trực tiếp Point-to-Point giữa vòng tay và khối trung tâm không phụ thuộc vào Router Wi-Fi trung gian, giảm tiêu thụ năng lượng pin vòng tay xuống dưới $20\text{mA}$.
- Nâng cấp thuật toán Fuzzy-PID hoặc Model Predictive Control (MPC): Tự động điều chỉnh hệ số đáp ứng nhiệt độ buồng khí theo quán tính nhiệt của môi trường thực tế.
- Bổ sung hệ thống lọc khí đa tầng: Tích hợp phin lọc HEPA H13 kích thước lỗ $0.3\mu\text{m}$ nhằm loại bỏ $99.97%$ vi khuẩn, bào tử nấm trong luồng khí thổi trước khi vào chăn.
Đối tượng hưởng lợi
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| | | |
v v v v
+--------------+ +--------------+ +--------------+ +--------------+
| Sinh viên & | | Kỹ sư phần | | Bệnh viện & | | Bệnh nhân |
| Nghiên cứu | | cứng & IoT | | Cơ sở y tế | | Hậu phẫu |
+--------------+ +--------------+ +--------------+ +--------------+
| Tài liệu | | Mã nguồn mẫu | | Tiết kiệm | | Giảm biến |
| thực hành | | PID + SSR | | 90% chi phí | | chứng IPH |
| tích hợp liên| | mạch nguồn y | | đầu tư máy | | Hồi phục |
| ngành | | sinh an toàn | | sưởi | | nhanh hơn |
+--------------+ +--------------+ +--------------+ +--------------+
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh & Điện tử: Tiếp cận tài liệu thực tế về việc kết hợp cảm biến y sinh học với các mạch công suất cao và thuật toán điều khiển tự động.
- Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng/IoT: Tham khảo mã nguồn mẫu về kỹ thuật điều khiển SSR qua cửa sổ thời gian chậm (Slow-PWM) trên nền ESP8266 và kiến trúc đồng bộ Firebase Realtime Database.
- Các cơ sở y tế và bệnh viện: Sở hữu giải pháp tự chủ công nghệ với chi phí tiết kiệm đến hơn 90% so với việc mua sắm trang thiết bị nhập khẩu nguyên chiếc.
- Bệnh nhân: Được bảo vệ thân nhiệt liên tục và an toàn, giảm nguy cơ nhiễm trùng vết mổ và rút ngắn thời gian điều trị hậu phẫu.
Câu hỏi thường gặp
1. Yêu cầu kỹ thuật và nguồn điện để vận hành hệ thống là gì?
Hệ thống điều khiển trung tâm hoạt động trực tiếp với nguồn điện lưới xoay chiều dân dụng $220\text{VAC} \pm 10%$, tần số $50\text{Hz}$, công suất tiêu thụ tối đa khoảng $1100\text{W}$ (bao gồm thanh trở nhiệt $1000\text{W}$ và quạt thổi $60\text{W}$). Vòng đeo tay sử dụng pin sạc Li-Po $3.7\text{V} - 500\text{mAh}$, hoạt động liên tục trong khoảng $6 - 8\text{ giờ}$ và có thể sạc lại qua cổng USB Type-C trong vòng 35 phút.
2. Giới hạn nhiệt độ an toàn của hệ thống được kiểm soát như thế nào để tránh gây bỏng cho bệnh nhân?
Hệ thống sử dụng cơ chế bảo vệ an toàn 3 lớp:
- Lớp thuật toán: Cài đặt ngưỡng chặn trên (Clamp Limit) trong mã nguồn, không cho phép Setpoint vượt quá $40.0^\circ\text{C}$.
- Lớp phần mềm vi điều khiển: Cảm biến DS18B20 liên tục quét nhiệt độ ống dẫn khí; nếu nhiệt độ vượt ngưỡng $42.0^\circ\text{C}$, tín hiệu xuất ra SSR lập tức bị ngắt cưỡng bức.
- Lớp phần cứng: Rơ le nhiệt bảo vệ gắn trực tiếp trên thân buồng nhiệt sẽ tự động ngắt nguồn thanh trở nếu nhiệt độ vỏ vượt quá $65.0^\circ\text{C}$.
3. Hệ thống xử lý thế nào khi mất kết nối Wi-Fi đột ngột?
Khi mất tín hiệu Wi-Fi, vòng đeo tay sẽ lưu giá trị đo vào bộ đệm và thử kết nối lại mỗi 5 giây. Khối trung tâm nếu không nhận được bản tin HTTP POST từ vòng tay sau $10\text{ giây}$ sẽ tự động phát âm thanh cảnh báo còi buzzer, chuyển từ chế độ tự động thích ứng sang chế độ sưởi duy trì an toàn cố định ở mức $37.0^\circ\text{C}$ dựa trên phản hồi của cảm biến nhiệt độ bên trong chăn.
4. Chi phí bảo dưỡng và thay thế linh kiện định kỳ ra sao?
Cụm điện tử (ESP8266, cảm biến, SSR) có tuổi thọ hoạt động trên 10.000 giờ liên tục. Vải chăn đa khoang có thể tháo rời để giặt tiệt trùng hoặc thay thế với chi phí may gia công khoảng 150.000 VNĐ/chiếc. Vòng đeo tay có thể lau khử khuẩn bề mặt bằng cồn y tế $70^\circ$ thông thường.
5. Khả năng mở rộng mạng lưới giám sát nhiều giường bệnh đồng thời?
Hệ thống hoàn toàn có thể mở rộng theo kiến trúc mạng phân tán: Mỗi giường bệnh được gán một mã định danh bệnh nhân (patient_id). Ứng dụng trung tâm trên Android hoặc Web Dashboard có thể lắng nghe trực tiếp từ Firebase Realtime Database để hiển thị trạng thái của hàng chục giường bệnh cùng lúc trên một màn hình giám sát tại trạm trực điều dưỡng.
Kết luận
Đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống chăn sưởi cho bệnh nhân sau phẫu thuật" đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa quá trình phòng ngừa hạ thân nhiệt hậu phẫu bằng việc kết hợp giữa kỹ thuật y sinh học và công nghệ IoT. Việc ứng dụng giải thuật PID kiểm soát công suất gia nhiệt qua SSR cùng cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc MLX90614 đã tạo nên một vòng điều khiển khép kín thông minh, thích ứng chính xác theo sinh hiệu của từng người bệnh.
Với chi phí chế tạo mẫu thử chỉ khoảng 1.4 triệu đồng, kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi cao trong việc làm chủ công nghệ trang thiết bị y tế nội địa, mở ra giải pháp hỗ trợ đắc lực cho đội ngũ y bác sĩ trong công tác chăm sóc và phục hồi sức khỏe bệnh nhân sau phẫu thuật.
