Mô hình máy trợ thở sử dụng arduino

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MƠ HÌNH MÁY TRỢ THỞ SỬ DỤNG ARDUINO NGÀNH: KỸ THUẬT Y SINH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: T.S NGUYỄN TRỌNG HẢI Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Lê Tô Anh Duy 1811730079 18DYSA1 Đối Thảo Nhi 1811730100 18DYSA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MƠ HÌNH MÁY TRỢ THỞ SỬ DỤNG ARDUINO NGÀNH: KỸ THUẬT Y SINH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: T.S NGUYỄN TRỌNG HẢI Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Lê Tơ Anh Duy 1811730079 18DYSA1 Đối Thảo Nhi 1811730100 18DYSA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 LỜI CAM ĐOAN Nhóm tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu nhóm hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Trọng Hải Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 202… Sinh viên thực I LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc Thầy, Cô giảng viên Trường Đại học Cơng Nghệ TP.HCM tích cực tạo điều kiện truyền đạt kiến thức chuyên ngành để nhóm có hội tham gia đồ án tốt nghiệp, áp dụng kiến thức đào tạo vào giải vấn đề thực tế Đặc biệt, nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Trọng Hải Chân thành cảm ơn Thầy dành thời gian quý báu quan tâm giải đáp vướng mắc, đồng thời đưa nhận xét, góp ý chi tiết Cuối cùng, nhóm xin kính chúc quý Thầy, Cô giảng viên trường Đại học Công Nghệ TP.HCM, với người thân bạn bè dồi sức khỏe đạt nhiều thành công cơng việc sống Nhóm xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 202… Sinh viên thực II TÓM TẮT Hiện nay, có nhiều trường hợp bệnh nhân cần phải trợ thở để trì sống, trường hợp bệnh nhân cấp cứu bị tai nạn, bệnh nhân q trình hồi sức, bệnh nhân có bệnh đường hô hấp Và hai năm trở lại ta có thêm bệnh nhân nhiễm COVID-19 khiến vấn đề y tế thêm khó khăn Trong khoảng thời gian bùng phát dịch COVID-19, việc bệnh viện khơng có đủ loại máy thở cho bệnh nhân bình thường bệnh nhân COVID ngày tăng xảy nhiều nơi, Việt Nam ngoại lệ Trong đợt dịch COVID bùng phát diện rộng miền Nam nước ta năm 2021, có nhiều người bệnh khơng thể nhập viện để điều trị tình trạng thiếu máy thở giường bệnh trầm trọng Bên cạnh đó, có nhiều trường hợp người nhà bệnh nhân phải tự bóp bóng trợ thở giúp cho người bệnh hơ hấp Mặc dù ,việc tự bóp bóng Ambu khơng tần suất hơ hấp khiến người bệnh khơng đủ oxy để hô hấp bị tràn oxy nhiều vào phổi, trường hợp nguy hiểm Chính vậy, việc sử dụng máy trợ thở điều tất yếu cần thiết Trước nhu cầu thiếu thốn trang thiết thị, nhân lực y tế năm gần đây, việc thiết kế đưa vào sử dụng máy trợ thở với giá thành rẻ đạt độ hiệu cao cần thiết Vì vậy, nhóm tác giả đề xuất nghiên cứu thiết kế máy trợ thở dùng Arduino làm vi điều khiển Với mục tiêu nhằm thay máy thở đại với thiết bị tương đối rẻ thực thao tác máy thở phòng gặp trường hợp khẩn cấp Mơ hình sử dụng điều khiển trung tâm Arduino để điều khiển động với mạch driver phát xung cho động bước, mơ hình giá đỡ cánh tay địn bóp bóng thiết kế in 3D Ngồi cịn có cảm biến nhịp tim SP02 MAX30100 để đo nhịp tim, từ điều chỉnh lượng khí Oxy vào bệnh nhân dựa theo nhịp tim họ III ABSTRACT Nowadays, there are many cases where the patient has to use a ventilator to sustain their lives, for example when the patient is in an Emergency after an accident, a patient in the Intensive Care Unit, or just simply a patient with breathing problems And in the last two years, we also have COVID-19 which complicated many things in the health industry During the COVID-19 outbreak, the problem arose in which we didn't have enough ventilators for normal and COVID patients who kept increasing day by day, Viet Nam wasn't an exception During the 2021 COVID outbreak in the South region of Viet Nam, there were many patients who couldn't make it to the hospital simply because there were no beds and ventilators available There were cases in which the patient's family had to physically squeeze the Ambu bag in order to help them breathe On the other hand, squeezing the Ambu bag by yourself out of the breath cycle might make the patient receive less oxygen into the lungs, or too much oxy might cause an overflowning of oxygen, in both cases, it's very dangerous Therefore, using a basic ventilator is essential Having a need for equipment and manpower in recent years, the job of coming up with a cheap, basic ventilator that fulfills basic needs and is effective is significant Subsequently, the authors suggested designing a basic ventilator using Arduino to control it The target is to replace the expensive ventilators with more basic ones in case of emergency The basic ventilator uses an Arduino alongside a driver to control the step motor The model is designed and 3D printed There's also an integrated pulse oximetry and heart-rate monitor sensor so the operator can tune the ventilator to fit the patient's breathing cycle IV MỤC LỤC PHIẾU ĐĂNG KÝ TÊN ĐỀ TÀI ĐATN PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN .II TÓM TẮT III ABSTRACT IV MỤC LỤC IV DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VII DANH SÁCH HÌNH ẢNH VIII LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Tầm quan trọng đề tài .4 1.3 Tiến trình phát triển máy trợ thở đại 1.4 Đặt yêu cầu đề tài CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2.1 Hệ thống hô hấp 2.2 Thở máy thở không xâm lấn 11 2.3 Chế độ kiểm soát chế độ thở 13 2.3.1 Chế độ kiểm soát 13 2.3.2 Các chế độ thở: 16 2.4 Tim mạch thơng khí áp lực 17 2.5 SpO2 hô hấp 19 2.6 Tình hình nghiên cứu máy trợ thở 20 2.6.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 21 2.6.2 Tình hình nghiên cứu nước .24 IV CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 29 3.1 Phương pháp bóp bóng Ambu 29 3.1.1 Bóng Ambu 29 3.1.2 Kỹ thuật bóp bóng ambu 31 3.1.3 Ưu điểm bóng ambu máy trợ thở 32 3.1.4 Các phương án bóp bóng ambu 33 3.2 Phương án cấu trúc điều khiển 36 3.3 Phương án điều khiển 37 CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ 38 4.1 Linh kiện điện tử 38 4.1.1 Arduino Uno R3 - ATmega328 38 4.1.2 Mạch driver động bước TB6560 3A 42 4.1.3 Biến trở Volume Đơn 10K 44 4.1.4 Màn hình LCD module I2C 45 4.1.5 Công tắc gạt 47 4.1.6 Mạch Cảm Biến Nhịp Tim Và Oxy MAX30100 .48 4.1.7 Động bước Nema 17 size 42 x 48 mm 51 4.2 Sơ đồ khối mạch 53 4.3 Cấu trúc hệ thống máy trợ thở 54 4.4 Giải thích phương pháp điều khiển .55 CHƯƠNG 5: THI CÔNG 58 5.1 Ý tưởng thiết kế mạch 58 5.2 Sơ đồ mô mạch Proteus 58 5.3 Thi công mạch .59 5.3.1 Thiết kế mơ hình 61 5.3.2 Mô hình thực tế 63 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .69 6.1 Kết Luận 69 6.1.1 Kết 69 V 6.1.2 Khuyến nghị 69 6.2 Hướng phát triển 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 72 - Code mạch cảm biến nhịp tim Sp02 72 - Code mạch điều khiển động bước 75 VI DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LV Left Ventricular RV Right Ventricular COPD Chronic Obstructive Pulmonary Disease NEEP Negative End Expiratory Pressure MAP Mean Airway Pressure PEEP Positive End Expiratory Pressure PIP Peak Inspiratory Pressure NIV Noninvasive ventilation BIPAP Biphasic Positive Airway Pressure CPAP Continuous Positive Airway Pressure HEPA High Efficiency Particulate Air AV Air Valve SV Safety Valve LCD Liquid Crystal Display LED Light Emitting Diode BPM Breaths Per Minute SpO2 Saturation of peripheral oxygen VCV Volume Controlled PSV Pressure Controlled VII - Mơ hình hồn thiện máy bóp bóng trợ thở Từ tìm hiểu tìm tịi học hỏi nhóm hồn thành mơ hình theo yêu cầu ban đầu đề Máy bóp bóng trợ thở hoạt động liên tục khơng có cố xảy bên cạnh việc tích hợp thêm cảm biến nhịp tim SpO2 góp phần nâng cao tiện lợi nhu cầu người sử dụng Máy thiết kế tinh gọn, hình LCD thuận tiện quan sát lúc thông số thiết bị Vật liệu thiết kế gần gũi, không gây ô nhiễm môi trường, dễ dàng di chuyển, chi phí sản xuất thấp vơ tiện lợi để tiếp cận với người sử dụng Hình 5.9: Máy bóng bóp trợ thở dùng Arduino 67 Hình 5.10: Màn hình hiển thị kết 68 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Kết Luận 6.1.1 Kết Sau thiết kế hồn thành mơ hình, nhóm có thành tựu thiết bị hoạt động thiết kế ban đầu: ● Mơ hình điều chỉnh thể tích, tốc độ độ trễ máy bóp bóng chu kỳ thở người bình thường ● Mơ hình hỗ trợ thêm cảm biến nhịp tim để người vận hành điều chỉnh thơng số máy bóp bóng phù hợp với tình trạng người bệnh ● Mơ hình cịn cho phép hiển thị thơng số lên hình LCD giúp người vận hành quan sát điều chỉnh thông số cách dễ dàng ● Giá thành sản xuất thấp nên phát triển thành thiết bị thương mại dễ dàng, Với số nâng cấp thiết bị sử dụng nhà trường hợp khẩn cấp Bên cạnh đó, mơ hình cịn hạn chế, chẳng hạn như: ● Mơ hình hồn thiện việc in 3D nên việc sử dụng dài lâu khơng bảo đảm Có thể nâng cấp liệu khác phương án cắt mica để tăng độ bền giữ trọng lượng nhẹ ● Các thông số đo điều khiển Arduino nên mức độ lệch định so với máy thở cao cấp chuyên dụng 6.1.2 Khuyến nghi Đối với máy trợ thở cho bệnh nhân COVID – 19, bệnh viêm phổi liên quan cần phải sử dụng phương pháp làm khử trùng Việc thực vệ sinh khử trùng chất tẩy rửa enzyme / cồn isopropyl máy thở học bệnh nhân có vi 69 khuẩn SARS-CoV-2 ESCAPE có tác động tích cực đến tỷ lệ nhiễm vi sinh vật sau khử trùng Mặc dù thiết bị đơn giản, tốn khơng thể thay xác máy thở có sẵn thị trường với giá thành cao kích hoạt với thiết bị kiểm soát đo đạc phức tạp, chắn, lắp đặt phịng khám nhỏ nơi bị hạn chế tiếp cận với máy thở trình vận chuyển thời gian xe cấp cứu để giải tình trạng suy hô hấp cấp bệnh nhân 6.2 Hướng phát triên Chia sẻ hướng phát triển đề tài, nhóm nghiên cứu đề xuất số giải pháp nhằm cải thiện, phát triển mơ hình tốt như: ● Tích hợp thêm cảm biến lưu lượng Oxy để tự động theo dõi lưu lượng khí đưa vào nhả ● Tối ưu hóa trọng lượng máy, tinh giảm chi tiết thừa, để thuận lợi trình sử dụng ● Tích hợp IOT, điều khiển giám sát thêm nhiều chức năng, công nghệ cao ● Sử dụng bóp, động cơ, hệ truyền động có cơng suất lớn, hiệu suất cao xa đưa vào sản xuất công nghiệp số lượng lớn để giảm giá thành bao phủ rộng rãi đến với người 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thơng Tin Nên Biết Về Máy Bóp Bóng Ambu Trợ Thở Tự Chế https://medjin.vn/tin-tuc/may-bop-bong-ambu-tro-tho-tu-che.html [2] [Video] Máy bóp bóng trợ thở tự chế, đơn giản, rẻ tiền, dễ chế tạo https://tinhte.vn/thread/video-may-bop-bong-tro-tho-tu-che-don-gian-re-tien-de-chetao.3115497/ [3] Máy thở AMBU tự động với hộp áp suất âm viên nang vận chuyển để chuyển bệnh nhân COVID-19 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7878540/ [4] Bài giảng phân loại máy thở https://khotrithucso.com/doc/p/bai-giang-phan-loai-may-tho-581153 [5] Mechanical Ventilator MIT https://emergency-vent.mit.edu/mechanical/ [6] The basics of respiratory mechanics: ventilator-derived parameters https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6212352/ [7] Open-Source, Open-Architecture Ventilator Design https://simulation.health.ufl.edu/technology-development/open-source-ventilator-project/ [8] A review of open source ventilators for COVID-19 and future pandemics https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7195895/ [9] Combating COVID-19 Conference: Arduino-Based Ventilators https://www.youtube.com/watch?v=Tt1ouUcCUzM [10] Respirators for Covid 19 https://www.frax3d.com/respiradores [11] ApolloBVM - Emergency Use Ventilator http://oedk.rice.edu/apollobvm/ 71 PHỤ LỤC - Code mạch cảm biến nhip tim Sp02 72 73 74 - Code mạch điều khiên động bước 75 76 77 78 79 80 81 ... phát triển máy thở dựa nguồn mở có sẵn dự án máy thở nhóm nghiên cứu MIT Hình 2.10: Máy trợ thở trường ĐH Bách Khoa TPHCM 27 Hình 2.11: Máy trợ thở trường ĐH Lạc Hồng Hình 2.12: Máy trợ thở ĐH Điện... Thở máy khơng xâm nhập: thơng khí nhân tạo qua mặt nạ mũi mặt nạ mũi miệng - Máy thở không xâm lấn hay máy trợ thở thực tế máy thở hỗ trợ bệnh nhân thở mà khơng cần phải mở nội khí quản Thở máy. .. vậy, máy sử dụng người bệnh không tự thở thở yếu, không “trigger” máy 16 - Chế độ kết hợp (Combined Mode): nhịp thở BN khởi động máy máy chạy theo tần số BN – BN ngừng thở hay thở chậm máy máy