I. Tổng quan thiết bị giám sát và điều khiển truyền dịch SPKT
Truyền dịch tĩnh mạch là kỹ thuật điều trị phổ biến trong bệnh viện. Quy trình này đòi hỏi sự chính xác cao về thể tích và thời gian. Đề tài khóa luận tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Y sinh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã nghiên cứu giải pháp tự động hóa quá trình này. Nghiên cứu do sinh viên Lê Thị Mỹ Nhi và Võ Thị Như Quỳnh thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Trường Duy. Nhóm tác giả thiết kế mô hình thiết bị hoàn chỉnh nhằm kiểm soát dòng dịch truyền cho bệnh nhân. Thiết bị tích hợp công nghệ vi điều khiển ESP32 hiện đại. Cơ chế bơm nhu động đóng vai trò đẩy dung dịch an toàn. Phương pháp này giữ cho ống truyền luôn vô trùng tuyệt đối. Hệ thống còn tích hợp các module cảm biến quang học để đếm giọt dịch rơi. Thiết bị hiển thị trực tiếp dữ liệu vận hành lên màn hình OLED nhỏ gọn. Đồng thời, mạch đo SpO2 và nhịp tim được bổ sung để theo dõi thể trạng người bệnh liên tục. Thiết bị mang lại giải pháp y tế chi phí thấp và giàu tiềm năng thực tiễn.
1.1. Bối cảnh nghiên cứu tại Trường ĐH SPKT TP.HCM
Khoa Điện - Điện tử thuộc Trường ĐH SPKT TP.HCM luôn chú trọng nghiên cứu ứng dụng thực tế. Đề tài xuất phát từ nhu cầu hiện đại hóa trang thiết bị phòng bệnh. Các bệnh viện tuyến cơ sở thường thiếu hụt điều dưỡng trực đêm. Việc kiểm tra bình dịch truyền thủ công tốn nhiều công sức và tiềm ẩn rủi ro. Sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh đã nghiên cứu quy trình truyền dịch chuẩn tại các cơ sở y tế. Từ đó, nhóm đề xuất chế tạo thiết bị hỗ trợ tự động hoàn toàn. Dự án đặt mục tiêu nâng cao độ an toàn cho người bệnh. Nghiên cứu kết hợp kiến thức cơ điện tử, lập trình nhúng và xử lý tín hiệu sinh học. Kết quả nghiên cứu khẳng định năng lực chế tạo thiết bị y tế nội địa.
1.2. Mục tiêu kỹ thuật và tính cấp thiết của đề tài
Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng hệ thống bơm truyền dịch chính xác và tin cậy. Thiết bị phải kiểm soát tốc độ chảy ổn định theo yêu cầu bác sĩ. Sai số lưu lượng cần nằm trong giới hạn cho phép của thiết bị y tế. Bên cạnh đó, hệ thống phải tự động phát hiện bọt khí trong dây dẫn. Sự cố bọt khí có thể gây tắc mạch phổi nguy hiểm cho tính mạng bệnh nhân. Ngoài ra, việc gửi dữ liệu không dây về điện thoại thông minh giúp nhân viên y tế phản ứng kịp thời. Máy truyền dịch ngoại nhập có giá thành hàng chục triệu đồng. Đề tài tại SPKT mở ra giải pháp công nghệ giá rẻ cho cơ sở y tế trong nước.
II. Vấn đề thực tiễn cần thiết bị giám sát và điều khiển truyền dịch
Phương pháp truyền dịch truyền thống dựa trên trọng lực và van cơ học lăn tay. Cách làm này phụ thuộc hoàn toàn vào áp lực cột dịch và độ cao bình truyền. Khi bệnh nhân cử động tay, vị trí kim tiêm thay đổi làm sai lệch tốc độ nhỏ giọt. Lưu lượng dịch chảy có thể nhanh hơn hoặc chậm hơn so với chỉ định ban đầu. Tốc độ chảy quá nhanh gây quá tải tuần hoàn hoặc phù phổi cấp. Ngược lại, tốc độ quá chậm làm giảm hiệu quả dùng thuốc điều trị. Hơn nữa, điều dưỡng viên phải thường xuyên đến tận giường để quan sát bình dịch. Bệnh viện đông bệnh nhân tạo áp lực công việc rất lớn lên đội ngũ y tế. Tình trạng cạn dịch truyền gây nguy cơ máu trào ngược vào dây dẫn. Sự xuất hiện của bọt khí trong lòng ống cũng gây nguy cơ tắc mạch tử vong. Các dòng máy nhập khẩu như Terufusion hay TOP 2300 có độ chính xác cao. Tuy nhiên, giá thành thiết bị ngoại nhập rất đắt đỏ. Nhiều phòng khám tuyến dưới không đủ kinh phí trang bị đồng bộ. Nhu cầu cấp bách đòi hỏi một thiết bị tự chế tạo có giá thành hợp lý.
2.1. Rủi ro y khoa khi giám sát thủ công không liên tục
Giám sát thủ công bộc lộ nhiều lỗ hổng an toàn trong phòng bệnh. Nhân viên y tế không thể túc trực 24/7 bên cạnh từng bệnh nhân. Khi dây truyền bị gập, dòng dịch ngừng chảy nhưng không có chuông báo động. Huyết khối có thể hình thành tại đầu kim tiêm và làm nghẽn mạch máu. Trường hợp bình dịch cạn sạch, áp lực tĩnh mạch đẩy máu chảy ngược ra ngoài. Bệnh nhân hoặc người nhà thường hốt hoảng khi thấy hiện tượng này. Đặc biệt, bọt khí lọt vào tĩnh mạch với thể tích lớn dẫn tới biến chứng tắc mạch khí. Hậu quả lâm sàng có thể gây co giật, suy hô hấp hoặc ngừng tim đột ngột. Giám sát tự động là chìa khóa loại bỏ các rủi ro này.
2.2. Hạn chế về giá thành của máy truyền dịch thương mại
Thị trường y tế hiện có nhiều dòng máy truyền dịch hiện đại. Tiêu biểu là Terufusion LF3 TE-LF630 của Nhật Bản hoặc IP-7700 của Hàn Quốc. Các thiết bị này sở hữu độ chính xác rất cao và cảnh báo đa tầng. Tuy vậy, mức giá dao động từ ba mươi đến hơn năm mươi triệu đồng mỗi máy. Chi phí phụ kiện thay thế và bảo trì định kỳ cũng rất đắt đỏ. Các cơ sở y tế vùng sâu vùng xa khó tiếp cận số lượng lớn. Đa số trạm y tế vẫn phải duy trì phương pháp đếm giọt mắt thường. Việc nghiên cứu chế tạo thiết bị nội địa giúp giải bài toán chi phí. Sản phẩm từ đồ án SPKT mở ra cơ hội trang bị đại trà cho tuyến y tế cơ sở.
III. Giải pháp kỹ thuật thiết bị giám sát và điều khiển truyền dịch
Giải pháp kỹ thuật của nhóm tác giả SPKT kết hợp đồng bộ phần cứng và phần mềm. Trung tâm xử lý là chip vi điều khiển ESP32 với tốc độ tính toán cao. Cơ cấu chấp hành sử dụng bơm nhu động chuyên dụng. Động cơ bước điều khiển con lăn ép tuần tự lên thành ống mềm. Dung dịch được đẩy đi đều đặn mà không tiếp xúc với bộ phận cơ khí. Điều này bảo đảm tiêu chuẩn vô trùng khắt khe trong y khoa. Mạch cảm biến quang học laser được bố trí ở bầu đếm giọt. Khi giọt nước rơi qua khe thu phát, tín hiệu xung được gửi về vi điều khiển. ESP32 tính toán tức thì tốc độ chảy thực tế và hiển thị lên màn hình OLED. Hệ thống cũng tích hợp cảm biến phát hiện bọt khí qua chân GPIO35. Khi có bọt khí, mắt thu nhận mức 0 và kích hoạt còi cảnh báo. Ngoài ra, cảm biến MAX30102 đo nồng độ oxy trong máu và nhịp tim người bệnh. Toàn bộ thông số được truyền qua sóng không dây tới ứng dụng giám sát trên điện thoại.
3.1. Thiết kế cơ cấu bơm nhu động và cảm biến giám sát
Cơ cấu bơm nhu động được thiết kế chính xác trên phần mềm Solidworks. Các con lăn xoay tròn tác động lực nén cơ học lên dây truyền dịch. Chuyển động quay của động cơ bước quyết định trực tiếp lưu lượng thuốc vào tĩnh mạch. Khối cảm biến bọt khí sử dụng cặp diode phát và quang trở nhận tín hiệu. Khi đường ống có dịch lỏng trong suốt, ánh sáng truyền thẳng qua và giữ ngõ ra mức 1. Khi xuất hiện bọt khí, hiện tượng khúc xạ khiến ánh sáng tán xạ. Lúc này, chân GPIO35 đọc mức 0 và phát tín hiệu báo động tức thì. Mạch đếm giọt kết hợp đèn LED báo trạng thái trực quan. Đèn nhấp nháy đồng bộ theo từng giọt dịch chảy xuống bầu truyền.
3.2. Lập trình nhúng ESP32 và tích hợp giao diện điều khiển
Khối xử lý trung tâm vận hành dựa trên vi điều khiển ESP32 hai nhân mạnh mẽ. Nhóm sinh viên lập trình thuật toán điều khiển xung linh hoạt cho động cơ bước. Màn hình OLED 1.3 inch kết nối thông qua giao thức I2C với chân GPIO21 và GPIO22. Màn hình hiển thị đầy đủ vận tốc truyền, tổng thể tích và chỉ số nhịp tim. Điện trở 220 ohm được tính toán chuẩn xác để hạn dòng bảo vệ hệ thống đèn LED. Giao diện người dùng trên điện thoại được xây dựng qua nền tảng MIT App Inventor. Ứng dụng nhận dữ liệu liên tục qua kết nối Bluetooth hoặc Wi-Fi. Điều dưỡng viên có thể cài đặt thông số truyền và nhận cảnh báo khẩn cấp từ xa. Quy trình theo dõi trở nên thuận tiện và giảm thiểu thao tác thủ công.
IV. Ứng dụng thực tế của thiết bị giám sát và điều khiển truyền dịch
Thiết bị truyền dịch của sinh viên ĐH SPKT TP.HCM thể hiện tính khả thi rất cao trong thực tế. Mô hình thử nghiệm đáp ứng tốt các yêu cầu khắt khe về kỹ thuật y tế. Tốc độ truyền dịch duy trì độ chính xác cao và lượng dung dịch được kiểm soát chặt chẽ. Hệ thống cảm biến cảnh báo hoạt động nhạy bén khi phát hiện bóng khí hoặc tắc nghẽn. Sự tích hợp mạch đo SpO2 biến thiết bị thành trạm giám sát bệnh nhân đa năng. Điều này mang lại lợi ích thiết thực cho các khoa cấp cứu và điều trị tích cực. Giải pháp hỗ trợ giảm tải khối lượng công việc cho y bác sĩ trong ca trực. Đồng thời, thiết bị loại bỏ hoàn toàn các tai biến y khoa do truyền dịch sai tốc độ. Đề tài mở ra tiềm năng thương mại hóa thành thiết bị y tế nội địa giá cả cạnh tranh. Trong tương lai, mô hình có thể phát triển thêm tính năng kết nối mạng bệnh viện tổng thể qua Internet vạn vật.
4.1. Hiệu quả vận hành tại cơ sở y tế và bệnh viện
Ứng dụng thiết bị tại cơ sở y tế giúp nâng cao hiệu suất chăm sóc bệnh nhân. Y tá không cần mất nhiều thời gian đi lại kiểm tra từng chai truyền. Thông tin dòng chảy và cảnh báo bất thường được truyền trực tiếp đến phòng trực. Khi có sự cố hết dịch hoặc xuất hiện bọt khí, chuông báo kích hoạt ngay lập tức. Tính năng này ngăn chặn kịp thời tình trạng nghẽn mạch hoặc máu chảy ngược. Việc kết hợp theo dõi nhịp tim và SpO2 giúp phát hiện sớm dấu hiệu sốc phản vệ. Độ ổn định cao của thiết bị bảo đảm quá trình điều trị diễn ra an toàn. Bệnh nhân có thể an tâm nghỉ ngơi mà không phải lo lắng về bình truyền.
4.2. Triển vọng thương mại hóa và nâng cấp công nghệ IoT
Đề tài tốt nghiệp từ Trường ĐH SPKT TP.HCM có tiềm năng thương mại hóa lớn. Chi phí linh kiện chế tạo thấp hơn nhiều so với máy nhập ngoại. Thiết kế mô-đun hóa cho phép dễ dàng bảo trì và thay thế phụ tùng cơ khí. Trong giai đoạn phát triển tiếp theo, thiết bị có thể tích hợp chuẩn giao tiếp Wi-Fi Mesh. Khả năng này hỗ trợ kết nối đồng thời hàng trăm máy truyền dịch vào máy chủ bệnh viện. Dữ liệu truyền dịch sẽ tự động đồng bộ vào hồ sơ bệnh án điện tử. Công nghệ điện toán đám mây giúp bác sĩ theo dõi phác đồ từ bất kỳ đâu. Đây là tiền đề xây dựng mô hình bệnh viện thông minh tại Việt Nam.
