Nghiên cứu thiết bị rửa bộ lọc kháng khuẩn đầu vào cho máy thở và máy gây mê kèm thở

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết bị rửa lọc kháng khuẩn đầu vào cho máy thở máy gây mê kèm thở NGUYỄN VĂN THÁI Ngành: Kỹ thuật Y sinh Giảng viên hướng dẫn: TS Trịnh Quang Đức Viện: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI, 3/2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết bị rửa lọc kháng khuẩn đầu vào cho máy thở máy gây mê kèm thở NGUYỄN VĂN THÁI Ngành: Kỹ thuật Y sinh Giảng viên hướng dẫn: TS Trịnh Quang Đức Chữ ký GVHD Viện: Điện tử - Viễn thơng HÀ NỘI, 3/2021 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Văn Thái Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết bị rửa lọc kháng khuẩn đầu vào cho máy thở máy gây mê kèm thở Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh Mã số HV: CB190189 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 26 tháng năm 2021 với nội dung sau: Chỉnh sửa lỗi chế Đã chỉnh sửa số lỗi tả Ngày 28 tháng 04 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Tác giả luận văn LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Quý Thầy Cô trang bị cho kiến thức chuyên sâu, giúp trưởng thành học tập nghiên cứu khoa học Tôi xin gửi lời biết ơn đến tất Q Thầy Cơ tận tình giảng dạy suốt thời gian học trường Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới TS Trịnh Quang Đức – Giảng viên Viện Điện tử Viễn thông người Thầy dành nhiều thời gian hướng dẫn, tận tình bảo định hướng cho tơi suốt q trình nghiên cứu hồn thành Luận văn Trong q trình nghiên cứu hồn thành Luận văn, tơi nhận động viên, chia sẻ, giúp đỡ gia đình, anh em, bạn bè, đồng nghiệp, người thân Tơi xin phép bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc Xin trân trọng cảm ơn! HỌC VIÊN Nguyễn Văn Thái TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Các màng lọc khí sử dụng cho máy thở máy gây mê kèm thờ phân khơng thể thiếu để bảo đảm an tồn sinh học dịch tễ trình điều trị tích cực hồi sức cấp cứu bệnh viện Màng lọc khí đầu vào có tác dụng ngăn cản bụi mịn vi khuẩn virus, tránh tượng lây nhiễm chéo bệnh viện Những lọc kháng khuẩn thiết kế để sử dụng lần để bảo đảm cho điều kiện chống lây nhiễm chéo Sự thay gây việc tăng chi phí điều trị cho bệnh nhân, nữa, hệ máy thở gây mê kèm thở khơng cịn tiếp tục sản xuất, lọc kháng khuẩn khơng tương thích với cấu hình máy, đó, gây khó khăn cho việc điều trị Với mục đích tái sử dụng màng lọc kháng khuẩn, luận văn đề xuất hướng “Nghiên cứu thiết bị rửa lọc kháng khuẩn đầu vào cho máy thở máy gây mê kèm thở” MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi CHƢƠNG CẤU TẠO VÀ CẤU TRÚC MÀNG KHÁNG KHUẨN 1.1 Cấu tạo máy thở, gây mê kèm thở vị trí màng lọc kháng khuẩn 1.2 Những lựa chọn kỹ thuật CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bản chất vật lý sóng siêu âm 2.1.1 Âm 2.1.2 Sóng âm 2.1.3 Sóng siêu âm 12 2.2 Tƣơng tác sóng siêu âm với mơi trƣờng vật chất 14 2.2.1 Sự hấp thụ sóng âm, sóng siêu âm 14 2.2.2 Sự truyền âm qua mặt phân cách hai môi trƣờng 15 2.2.3 Sự suy giảm sóng siêu âm 16 2.3 Công nghệ làm 18 2.3.1 Công nghệ làm truyền thống 18 2.3.2 Làm công nghệ rửa siêu âm 18 CHƢƠNG BIẾN TỬ SIÊU ÂM 26 3.1 Nguyên lý hoạt động cấu tạo biến tử siêu âm sử dụng 26 3.1.1 Nguyên lý hoạt động biến tử siêu âm 26 3.1.2 Cấu tạo biến tử siêu âm 28 3.2 Bể rửa 36 CHƢƠNG THIẾT KẾ MẠCH PHÁT CAO TẦN 37 4.1 Thiết kế mạch tạo xung PWM 37 4.2 Thiết kế mạch điểu khiển MOSFET mạch công suất 42 4.3 Thiết kế mạch công suất 45 4.4 Thiết kế phân vỏ hộp giá đỡ 50 4.5 Kết 51 4.5.1 Sản phẩm sau hoàn thiện 51 i 4.5.2 Thử nghiệm kết đạt đƣợc 52 4.5.3 Một số quy tắc sử dụng máy rửa siêu âm 53 CHƢƠNG KẾT LUẬN 54 5.1 Kết luận sản phẩm 54 5.2 Kiến nghị 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC : SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN TỬ 59 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ ngun lý hoạt động máy thở Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý làm việc máy gây mê kèm thở Hình 1.3 Hình ảnh lọc kháng khuẩn cho máy thở máy gây mê kèm thở Hình 1.4 Cấu trúc màng lọc kháng khuẩn dƣới góc nhìn từ kính hiển vi bề mặt Hình 1.5 Cấu tạo lọc kháng khuẩn đầu vào cho máy thở gây mê kèm thở Hình 2.1 Biểu diễn dạng sóng âm 10 Hình 2.2 Dải tần sóng siêu âm ứng dụng sống 14 Hình 2.3 Sóng tới bề mặt phân cách hai môi trƣờng xảy tƣợng khúc xạ, phản xạ 15 Hình 2.4 Đồ thị suy hao biên độ theo trục z 17 Hình 2.5 Giản đồ suy hao biên độ theo khoảng cách phụ thuộc vào tần số 17 Hình 2.6 Q trình hình thành bong bóng tan rã 19 Hình 2.7 Biểu đồ ảnh hƣởng ửa tần số đến kích thƣớc bong bóng[9] 20 Hình 2.8 Sự ảnh hƣởng nhiệt độ hóa chất đến trình tẩy rửa[10] 21 Hình 2.9 Sự ảnh hƣởng cơng suất phân phối lên thể tích dung dịch[10] 22 Hình 2.10 Cắt lớp bể chứa hóa chất làm chi tiết cần làm sạch[9] 23 Hình 2.11 Cắt lớp hình thành lớp bão hịa bề mặt hóa chất chất bẩn 24 Hình 2.12 Cắt lớp q trình hịa tan chất bẩn hóa chất làm 24 Hình 2.13 Cắt lớp hạt khơng hịa tan gắn bề mặt chi tiết làm 24 Hình 2.14 Cắt lớp trình làm sạch, loại bỏ hạt chất bẩn 25 Hình 2.15 Cắt lớp hình ảnh thực tế chi tiết làm 25 Hình 3.1 Sơ đồ khối máy rửa siêu âm 26 Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động hiệu ứng từ giảo[11] 27 Hình 3.3 Hiệu ứng thuận tinh thể áp điện [12] 28 Hình 3.4 Hiệu ứng ngƣợc tinh thể áp điện [12] 28 Hình 3.5 Hình ảnh cảm biến áp điện thơng thƣờng 29 Hình 3.6 Kích thƣớc cắt lớp biến tử siêu âm SKU392264 30 Hình 3.7 Hình ảnh thực tế biến tử siêu âm (Ultrasonic cleaner transsucer) 31 iii Hình 3.8 Thiết bị NI ELVIS II 32 Hình 3.9 (a)Một transducer, (b) mạch tƣơng đƣơng transducer, (c,d)mạch tƣơng đƣơng cộng hƣởng song song [17][18] 32 Hình 3.10 Sơ đồ thiết lập phép đo trở kháng[15] 33 Hình 3.11 Giao diện Function Generator NI ELVIS II 34 Hình 3.12 Biểu đồ thay đổi trở kháng theo tần số transducer 35 Hình 3.13 Vị trí biến tử siêu âm đƣợc đặt phía dƣới đáy bể 36 Hình 4.1 Sơ đồ khối phần mạch điện tử 37 Hình 4.2 Sơ đồ chân IC SG3525A [6] 38 Hình 4.3 Sơ đồ khối IC3525A [6] 38 Hình 4.4 Sơ đồ mạch tạo PWM sử dụng IC SG3525 41 Hình 4.5 Dạng tín hiệu PWM đầu IC SG3525 42 Hình 4.6 Sơ đồ chân IR2110 [7] 42 Hình 4.7 Sơ đồ khối IC 2110 [7] 43 Hình 4.8 Sơ đồ mạch điều khiển MOSFET sử dụng IC IR2110 [12] 44 Hình 4.9 Dạng tín hiệu đầu chan LO IR2110 44 Hình 4.10 Hiện tƣợng MOSFET bị trùng dẫn 47 Hình 4.11 Ký hiệu hình ảnh thực tế MOSFET IRFP460 48 Hình 4.12 Sơ đồ mạch nguyên lý phần mạch công suất 48 Hình 4.13 Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng mạch công suất 49 Hình 4.14 Dạng sóng đầu lắp biến tử siêu âm 50 Hình 4.15 Bản vẽ CAD vỏ hộp máy rửa siêu âm 50 Hình 4.16 Sản phẩm sau hoàn thành 51 Hình 4.17 Hình ảnh màng lọc dùng soi kính hiển vi điện tử quét 52 Hình 4.18 Hình ảnh màng lọc sau rửa soi kính hiển vi điện tử quét 52 Hình 5.1 Máy sonicator Viện Khoa học Weizmann[16] 55 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Một số dung dịch tẩy rửa cho số vật liệu[14] 21 Bảng 3-1 Thông số biến tử siêu âm 30 Bảng 4-1 Các số tối đa mà IC SG3525A cung cấp 40 Bảng 4-2 Các giá trị điều kiện hoạt động mà nhà sản xuất đƣa 40 Bảng 4-3 Định nghĩa chân IC 2110 43 Bảng 4-4 Các thông số quan trọng IRFP460P [8] 48 Bảng 4-5 Thông số kỹ thuật máy 52 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MOSFET - Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor: Bóng bán dẫn hiệu ứng trƣờng PZT - Pb, zorconi, titan: nguyên tố tinh thể áp điện PWM - Pulse-width modulation: Điều chế thời gian xung vi 4.3 Thiết kế mạch cơng suất Mạch cơng suất có nhiệm vụ khuếch đại cơng suất tín hiệu lên vài chục Watts đến hàng kWatts Trong luận văn em sử dụng mạch nửa cầu H đề dùng khuếch đại công suất, ƣu điểm làm dễ thiết kế không dùng biến áp xung Yêu cầu mạch đầu công suất mạch đạt từ 120W trở lên, Điện áp hiệu dụng cung cấp 110V Một nhƣng lƣu ý quan trọng dòng đỉnh chạy qua FET IPeak-Average cần tính tốn để chọn MOSFET phù hợp tránh gây hỏng hóc linh kiện Ipeak-Averge = Trong đó: (1*) Pout công suất đầu Eff hiệu suất làm việc Vin điện áp đầu vào D chu kỳ làm việc Với thơng số tốn cơng suất Pout = 120W, Vin =12V, D = 50%, giả sử Eff = 90% (1*)  Ipeak-Averge =  = 1,72 (A) Dịng đỉnh trung bình nằm mức cho phép MOSFET nhƣng dịng địch thực lên cao Cơng suất tiêu tốn cho MOSFET tính nhƣ sau : PTH = P(control) + P(leakage) + P(Rds_on) + P(switch) (2*) Trong đó: P(control) - Công suất tiêu thụ cho mạch điều khiển đầu vào Mosfet P(leakage) - Cơng suất tiêu thụ dịng rị Mosfet P(Rds_on) - Cơng suất tiêu thụ Mosfet trạng thái on (phụ thuộc chủ yếu vào Rds(on) Uds(on) Mosfet) P(switch) - Công suất chuyển mạch (phụ thuộc vào điện áp Mosfet Mosfet trạng thái off - Voff dòng điện dẫn Mosfet trạng thái on tần số chuyển mạch) [3] Ta có P(Rds_on) = HS-Rds_on*I2out + LS- Rds_on*I2out (3*) Trong đó: HS-Rds_on high-side Rds_on , LS- Rds_on low_side Rds_on , Iout dịng trung bình 45 Ta có: Giả sử ta tính cơng suất tổn hao chuyển mạch từ trạng thái on sang off, thời gian chuyển tfall , điện áp giảm từ Vds_off đến dòng tăng từ lên Ids_on  Phƣơng trình điện áp: V(t) = Vd * (1-t/tfall) 0