Nghiên cứu thiết kế tự động hóa một số công đoạn cho hệ thống tiệt trùng quần áo y tế trong bệnh viện

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế tự động hóa số cơng đoạn cho hệ thống tiệt trùng quần áo y tế bệnh viện TRỊNH THỊ HẬU Hau.TT202397M@sis.hust.edu.vn Ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng Trường: Điện – Điện tử HÀ NỘI, 4/2023 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế tự động hóa số công đoạn cho hệ thống tiệt trùng quần áo y tế bệnh viện TRỊNH THỊ HẬU Hau.TT202397M@sis.hust.edu.vn Ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng Trường: Điện – Điện tử HÀ NỘI, 4/2023 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA 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: Trịnh Thị Hậu Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế tự động hóa số cơng đoạn cho hệ thống tiệt trùng quần áo y tế bệnh viện Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số SV: 20202397M 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 27/04/2023 với nội dung sau: - Bổ sung sở lý thuyết phân tích thiết kế hệ thống - Chỉnh sửa sơ đồ hệ thống sơ đồ thuận toán - Bổ sung lý luận cho phần chương - Chỉnh sửa lỗi tả, đánh máy Ngày tháng năm 2023 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng Trịnh Thị Hậu CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Nguyễn Danh Huy ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Tên đề tài tiếng Việt: Nghiên cứu thiết kế tự động hóa số công đoạn cho hệ thống tiệt trùng quần áo y tế bệnh viện Tên đề tài tiếng Anh: Designing some stages of automation system for the sterilization of medical clothes in the hospital Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) PGS TS Hoàng Sĩ Hồng Lời cảm ơn Đề tài “Nghiên cứu thiết kế tự động hóa số cơng đoạn cho hệ thống tiệt trùng quần áo y tế bệnh viện” nội dung chọn để nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp cao học ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa đại học Bách Khoa Hà Nội Tơi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa, Khoa Tự động hóa, Trường Điện Điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội Thầy trực tiếp bảo hướng dẫn tơi suốt q trình nghiên cứu để tơi hồn thiện luận văn Ngồi tơi xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô Trường đóng góp ý kiến quý báu cho luận văn Trân trọng cảm ơn! Tóm tắt nội dung luận văn Nội dung luận văn trình bày việc thiết kế số công đoạn cho hệ thống tiệt trùng quần áo y tế bệnh viện bao gồm thiết kế chương trình điều khiển trình hấp tiệt trùng quần áo nhân viên y tế thiết kế phần mềm điều khiển tủ chứa đồ thông minh cách tự động nhận diện nhân viên y tế, báo vị trí đồ dùng nhân viên tủ chứa đồ dùng y tế công nghệ nhận diện khuôn mặt Điều này, nhằm hạn chế lây bệnh truyền nhiễm đặc biệt thời kỳ dịch bệnh cần hạn chế tiếp xúc người với người tối ưu hóa trình phân phát dụng cụ cách tự động bệnh viện Mục đích: Tự động hóa số khâu quy trình hoạt động đơn vị tiệt khuẩn trung tâm khâu hấp sấy phân phát Mục tiêu: Thực hấp sấy dụng cụ, quần áo nhân viên với số lượng lớn, hạn chế tiếp xúc nhân viên y tế tiến hành giao đồ dùng y tế cho ca trực tránh phân phát nhầm lẫn đồ dùng với số lượng lớn Phương pháp thực hiện: Sử dụng thuật toán PID để điều khiển trình vận hành nồi hấp thuật toán xử lý ảnh để phát nhân viên y tế Công cụ sử dụng: Phần mềm Tia Portal V16 để lập trình chương trình điều khiển thiết kế giao diện nồi hấp tiệt trùng, phần mềm Qt để lập trình giao diện, SQLite làm sở liệu ứng dụng, Arduino IDE để lập trình điều khiển tủ… Kết đạt được: Luận văn thiết kế hệ thống điều khiển nồi hấp tiệt trùng dụng cụ y tế áp dụng bệnh viện Mắt Hà Nội, bệnh viện Đa khoa Long An xây dựng mơ hình tủ chứa đồ thông minh theo mục tiêu đề Định hướng phát triển đề tài: Luận văn phát triển mở rộng thêm ứng dụng thực bệnh viện tự động phân phát thuốc, phân phát đồ ăn cho bệnh nhân khu vực yêu cầu cách ly cao Học viên Trịnh Thị Hậu MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi LỜI NÓI ĐẦU vii CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Giới thiệu quy trình kiểm sốt nhiễm khuẩn bệnh viện 1.2.1 Chu trình nhiễm khuẩn 1.2.2 Quy trình xử lý dụng cụ y tế 1.2.3 Quy trình làm dụng cụ 1.2.4 Bảo dưỡng kiểm tra đóng gói 1.2.5 Khử khuẩn tiệt khuẩn 1.3 Các thiết bị nồi hấp tiệt trùng sử dụng 1.3.1 Thiết bị nồi hấp tiệt trùng dụng cụ y tế 1.3.2 Quy trình lưu trữ phân phát dụng cụ y tế 10 1.4 Tính cấp thiết đề tài 11 1.5 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 12 1.5.1 Mục tiêu luận văn 12 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 12 CHƯƠNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NỒI HẤP TIỆT TRÙNG TỰ ĐỘNG 14 2.1 Giới thiệu nồi hấp tiệt trùng 14 2.2 Các thiết bị hệ thống 16 2.2.1 Giới thiệu thiết bị hệ thống 16 2.2.2 Sơ đồ thiết bị hệ thống 21 2.2.3 Các thiết bị điều khiển 24 2.3 Chương trình điều khiển nồi hấp tiệt trùng 27 i ` 2.3.1 Giới thiệu điều khiển PID 27 2.3.2 Chương trình điều khiển 32 2.3.3 Giao diện giám sát vận hành 37 2.3.4 Truyền thông thiết bị 40 2.4 Vận hành thiết bị 41 2.5 Ứng dụng sản phẩm bệnh viện 42 2.6 Kết luận chương 45 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DIỆN VÀ PHÁT HIỆN VỊ TRÍ ĐỒ DÙNG CHO NHÂN VIÊN Y TẾ 46 3.1 Tổng quan lý thuyết 47 3.1.1 Phát khuôn mặt sử dụng Haar Cascade 47 3.1.2 Mã hóa nhận diện khuôn mặt 49 3.2 Thiết kế tủ thông minh 51 3.2.1 Các thiết bị phần cứng 52 a Máy tính nhúng Jetson AGX 53 3.2.2 Thiết kế phần mềm 58 3.2.3 Quy trình hoạt động 60 3.3 Mơ hình tủ chứa đồ 61 3.3.1 Thiết bị phần cứng 61 3.3.2 Chương trình phần mềm 64 3.4 Thực nghiệm 66 3.5 Kết luận 69 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 72 ii ` DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Chu trình lây truyền bệnh bệnh viện Hình Sơ đồ chu trình cấp dụng cụ vơ khuẩn Hình Sơ đồ quy trình hoạt động ĐVTKTT Hình Sơ đồ quy trình xử lý dụng cụ sau sử dụng Hình Chu kỳ hấp nước – chân không nồi hấp đại Hình Một số hình ảnh thực tế nồi hấp tiệt trùng hãng Nihophawa Hình Một số hình ảnh nồi hấp tiệt trùng hãng MRC 10 Hình Sơ đồ quy trình xử lý tiệt trùng dụng cụ y tế 14 Hình 2 Hình ảnh chất thị hóa học 15 Hình Sơ đồ khối thiết bị mơ hình 15 Hình Hình ảnh cảm biến đo nhiệt độ 16 Hình Hình ảnh cảm biến áp suất 17 Hình Hình ảnh cảm biến đo mức 18 Hình Hình ảnh van điện khí nén 19 Hình Hình ảnh bơm hút chân không hãng SK 20 Hình Hình ảnh loại PLC S7 – 1200 21 Hình 10 Hình ảnh hình cảm ứng 21 Hình 11 Sơ đồ thiết bị hệ thống 22 Hình 12 Sơ đồ cấu trúc hàm PID Compact 29 Hình 13 Sơ đồ chân khối PID Compact 29 Hình 14 Lưu đồ chương trình 33 Hình 15 Lưu đồ thuật tốn chương trình hấp tiền chân khơng (Prevaccum) 34 Hình 16 Giao diện hình điều khiển 37 Hình 17 Giao diện lựa chọn chương trình hấp chất lỏng 38 Hình 18 Giao diện lựa chọn chương trình hấp vật cứng 39 Hình 19 Giao diện chương trình hút chân khơng 39 Hình 20 Hình ảnh giao diện nồi hấp 40 Hình 21 Hình ảnh truyền thông thiết bị 41 Hình 22 Hình ảnh thực tế nồi hấp tiệt trùng 42 Hình 23 Hình ảnh nồi hấp giỏ hấp 43 iii ` Hình 24 Hình ảnh quần áo y tế cho vào giỏ trước hấp 43 Hình 25 Hình ảnh vận hành nồi hấp tiệt trùng 44 Hình 26 Hình ảnh hình giao diện giám sát trình hấp 44 Hình Đặc trưng Haar 48 Hình Phát khuôn mặt sử dụng Haar Cascade OpenCV 48 Hình 3 Cấu tạo tủ thơng 52 Hình Sơ đồ kết nối phần cứng 53 Hình Hình ảnh máy tính nhúng 53 Hình Hình ảnh Stereo Camera ZED 54 Hình Hình ảnh Arduino Omega 55 Hình Module đọc RFID NFC 13.56MHz RC522 56 Hình Màn hình hiển thị LCD 57 Hình 10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống phần mềm 58 Hình 11 Lưu đồ thuật tốn nhận diện khn mặt 59 Hình 12 Quy trình đưa áo vào tủ nhân viên 60 Hình 13 Quy trình lấy đồ bác sĩ 60 Hình 14 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 61 Hình 15 Tổng quan mơ hình phần cứng: a) Bên ngồi, b) Bên 62 Hình 16 Màn hình LCD camera hệ thống 62 Hình 17 Cảm biến tiệm cận khu vực quẹt thẻ RFID 63 Hình 18 Ngăn tủ với đèn LED báo hiệu cảm biến chạm 63 Hình 19 Màn hình với ngăn chứa đồ (hiện trống) 64 Hình 20 Màn hình với ngăn có đồ (ngăn 1,3,4) ngăn trống (ngăn 2) 64 Hình 21 Màn hình hiển thị hình ảnh có người tới gần 65 Hình 22 Màn hình hiển thị người nhận diện vị trí chứa đồ 65 Hình 23 Thông báo không xác định khuôn mặt đối tượng 66 Hình 24 Thông báo không thấy đồ đối tượng tủ 66 Hình 25 Nhân viên đặt đồ vào tủ quét thẻ từ 67 Hình 26 Hệ thống nhận diện bác sĩ thông tin bác sĩ 67 Hình 27 Cửa tủ mở đèn ô đồ bác sĩ sáng lên 68 Hình 28 Màn hình cập nhật sau bác sĩ đóng cửa rời khỏi 68 iv ` - Nếu tủ có chứa đồ: Sẽ mở cửa tủ bật đèn LED ngăn tương ứng báo vị trí đồ nhân viên cập nhật liệu báo hình thị LCD - Nếu tủ khơng có đồ: Hiện thị thơng báo khơng có đồ tủ lên hình hiển thị LCD 3.3 Mơ hình tủ chứa đồ 3.3.1 Thiết bị phần cứng Phần cứng hệ thống bao gồm hai thành phần phần nhận diện khuân mặt phần điều khiển tự động hình 3.14 Phần nhận diện khuân sử dụng máy tính nhúng Jetson AGX cảm biến hình ảnh Zed để xác định người sử dụng đưa lệnh điều khiển Thông qua kết nối UART, máy tính nhúng AGX gửi lệnh điều khiển tới vi xử lý Arduino Mega Phần điều khiển tự động bao gồm phần tử chính: vi điều khiển, mô đun RFID, cảm biến chạm, đèn led relay điều khiển khóa cửa Cảm biến chạm xác định trạng thái đóng mở cửa tủ trạng thái đồ Hình 14 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 61 ` Tủ thiết kế dạng đứng, với camera hình LCD đặt đỉnh tủ hình 3.15 hình 3.16 Bên ngồi tủ có gắn cảm biến tiệm cận hình Hình 15 Tổng quan mơ hình phần cứng: a) Bên ngồi, b) Bên Hình 16 Màn hình LCD camera hệ thống 62 ` Hình 17 Cảm biến tiệm cận khu vực quẹt thẻ RFID Mặt bên phải tủ quẹt thẻ RFID để nhân viên cập nhật mã thẻ RFID cho khay quần áo đưa vào hình 3.17 Bên tủ bao gồm ngăn, ngăn gắn cảm biến chạm để xác định trạng thái có đồ bên ngăn hay không LED báo hiệu phía bên ngồi cần thơng báo vị trí ngăn đồ cho người dùng hình 3.18 Tủ trang bị khóa từ tự động để mở tủ nhận diện người tới gần có đồ tủ Hình 18 Ngăn tủ với đèn LED báo hiệu cảm biến chạm 63 ` 3.3.2 Chương trình phần mềm Giao diện hiển thị, ứng dụng thiết kế với màn: hình hiển thị trạng thái ngăn tủ hình 3.19 hình 3.20 Màn hình camera có người tới gần hình xác nhận thông tin người tới nhận diện hình 3.19 Ngồi cịn hình thơng báo hệ thống hình 3.20 Màn hình thể trạng thái ngăn tủ hình mặc định hệ thống, với thay đổi ngăn tủ cập nhật lên hình Khi khởi động hệ thống, khơng nhận tín hiệu người xuất hệ thống ln trạng thái chờ để tiết kiệm lượng Dưới hình 3.19, hình 3.20 minh họa cho hình Hình 19 Màn hình với ngăn chứa đồ (hiện trống) Hình 20 Màn hình với ngăn có đồ (ngăn 1,3,4) ngăn trống (ngăn 2) 64 ` Khi cảm biến tiệm cận xác định có người tới gần, hệ thống chuyển sang chế độ nhận diện mặt người chuyển sang hình hiển thị hình ảnh từ camera hinh 3.21 Hình 21 Màn hình hiển thị hình ảnh có người tới gần Sau hệ thống chuyển sang chế độ hoạt động, hình ảnh từ camera xử lý phân tích Kết q trình phân tích hiển thị hình thơng tin người nhận diện Dựa kết hệ thống chuyển sang hai quy trình quy trình hoạt động với nhân viên đưa quần áo vào quy trình hoạt động với bác sĩ lấy quần áo Với khuôn mặt mà hệ thống không nhận diện khơng có đồ tủ, thơng báo tương ứng đưa hình 3.22, hình 3.23, hình 3.24 Hình 22 Màn hình hiển thị người nhận diện vị trí chứa đồ 65 ` Hình 23 Thơng báo khơng xác định khn mặt đối tượng Hình 24 Thông báo không thấy đồ đối tượng tủ Sau nhân viên bác sĩ đóng tủ, hệ thống cập nhật chuyển trạng thái chờ 3.4 Thực nghiệm Theo cài đặt phần cứng phần mềm, thực nghiệm thiết bị mơ hình thực tế để kiểm chứng tính hệ thống Khi nhân viên tiếp cận tủ đồ, cảm biến khoảng cách xác định có người đứng trước tủ đồ hệ thống khởi động camera với thuật toán nhận diện khuân mặt Màn hình chuyển từ hình sang hình hiển thị hình ảnh có người tới gần Quy trình thêm đồ vào tủ nhân viên y tế: Khi hệ thống xác định người tiếp cận tủ nhân viên y tế, cửa tủ mở thông qua chốt điện Tiếp theo nhân viên đặt đồ vào tủ (Hình 66 ` 3.25) quét thẻ từ để tủ thông minh cập nhật ô đồ thông tin chủ nhân thông qua RFID Hình 25 Nhân viên đặt đồ vào tủ quét thẻ từ Quy trình lấy đồ khỏi tủ bác sĩ: Khi hệ thống xác định người tiếp cận bác sĩ, thông tin bác sĩ hiển thị hình bao gồm: tên, chức vụ vị trí đặt đồ Cửa tủ mở đèn ô đồ bác sĩ sáng lên đồ lấy khỏi đồ hình 3.26, hình 3.27, cập nhật lại tình trạng ngăn tủ bác sĩ rời khỏi hình 3.28 Hình 26 Hệ thống nhận diện bác sĩ thông tin bác sĩ 67 ` Hình 27 Cửa tủ mở đèn đồ bác sĩ sáng lên Hình 28 Màn hình cập nhật sau bác sĩ đóng cửa rời khỏi Thực nghiệm thực với nhân viên với thông tin ảnh thu thập sẵn với nhân viên y tế bác sĩ Thông qua 120 lần thực nghiệm liên tục, hệ thống nhận diện khuân mặt cho thấy độ tin cậy cao với xác suất lỗi 2% người dùng đứng gần tủ 68 ` Bảng Lịch sử cấp đồ lấy đồ tủ thông minh Theo bảng 3.6 thống kê thời gian đặt đồ vào tủ nhân viên phòng kiểm soát nhiễm khuẩn lịch sử lấy đồ nhân viên y tế Dựa vào thống kê mà người quản lý kiểm sốt thời gian số lượng đồ dùng y tế cho vào lấy khỏi tủ 3.5 Kết luận Trong phạm vi chương 3, luận văn trình bày cách thiết kế tủ chứa đồ thông minh phục vụ cho bác sĩ bênh viện thông qua công nghệ nhận diện khuôn mặt - Đã xây dựng mơ hình tủ chứa đồ thơng minh chứa quần áo dụng cụ nhân viên y tế - Đã thiết kế chương trình tự động nhận diện nhân viên y tế thông qua công nghệ nhận diện khuôn mặt, từ báo vị trí đồ dùng bác sĩ cách bật đèn led vị trí tủ đồ cập nhận lên hình hiển thị 69 ` KẾT LUẬN Trong trình thực đề tài với hướng dẫn tận tình thầy hướng dẫn PGS.TS Hoàng Sỹ Hồng (ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa, Khoa Tự động hóa, Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội) hoàn thành nội dung đề tài theo tiến độ đề đạt kết định mặt thực tiễn áp dụng Cụ thể sau: - Thiết kế chương trình điều khiển hệ thống tiệt trùng quần áo nhân viên y tế bệnh viện Có ứng dụng cho nồi hấp tiệt trùng bệnh viện mắt Hà nội địa 37 phố Hai Bà Trưng, phường Tràng Tiền, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội, bệnh viện Đa khoa Long An địa 211 Nguyễn Thông, Phường 3, Tân An, Long An - Xây dựng mơ hình tủ đựng đồ dùng bác sĩ bệnh viện - Thiết kế chương trình tự động nhận diện bác sĩ, báo vị trí đồ dùng bác sĩ tủ thơng qua công nghệ nhận diện khuôn mặt Trong thời gian tới tơi tiếp tục tìm hiểu phát triển chương trình để hồn thiện sản phẩm gắn liền với nhu cầu thực tiễn sản phẩm Ngồi tơi tiếp tục phát triển ý tưởng tủ thuốc thông minh dùng để phát thuốc tự động cho bệnh nhân ứng dụng bệnh viện dành cho bệnh nhân điều trị nội trú 70 ` TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://www.who.int/vietnam/vi/healthtopics/hospitals#:~:text=ph%C3%AD%20v%E1%BA%ADn%20h%C3%A0nh.-, B%E1%BB%87nh%20vi%E1%BB%87n%20%E1%BB%9F%20Vi%E1%BB% 87t%20Nam,%E1%BB%9F%20khu%20v%E1%BB%B1c%20th%C3%A0nh%2 0th%E1%BB%8B [2] https://kcb.vn/wp-content/uploads/2015/08/Huong-dan-thuc-hanh-kiem-soatnhiem-khuan-moi-truong-benh-vien.pdf [3]https://cache.industry.siemens.com/dl/files/542/40263542/att_829827/v1/GS_S TEP7Bas105enUS.pdf [4] Brunelli, Roberto & Poggio, Tomaso & Trento, I (1995) Face Recognition through Geometrical Features 588 10.1007/3-540-55426-2_90 [5] M Turk and A Pentland, "Eigenfaces for Recognition," in Journal of Cognitive Neuroscience, vol 3, no 1, pp 71-86, Jan 1991, doi: 10.1162/jocn.1991.3.1.71 [6] P N Belhumeur, J P Hespanha and D J Kriegman, "Eigenfaces vs Fisherfaces: recognition using class specific linear projection," in IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol 19, no 7, pp 711-720, July 1997, doi: 10.1109/34.598228 [7] PGS.TS Hoàng Minh Sơn, Cơ sở điều khiển trình, NXB Bách Khoa, (2006) [8] PGS.TS Phạm Thượng Hàn, Bùi Đăng Thảnh, Đào Đức Thịnh, Nguyễn Anh Tuấn, Hệ thống thông tin công nghiệp, NXB Giáo dục, (2007) 71 ` PHỤ LỤC Phụ lục chương trình phần mềm PLC S7 1200 điều khiển hệ thống hấp tiệt trùng quần áo nhân viên y tế bệnh viện https://drive.google.com/drive/folders/1kvnLJOj1HVqRwuxZ9qaJ3dP2_jvtHnG a?usp=sharing Phụ lục chương trình phần mềm thiết kế hệ thống tự động nhận diện quản lý việc cập nhật đồ tủ, phát người dùng công nghệ nhận diện khuôn mặt https://drive.google.com/file/d/17qfotnIBBCwchc0s2HWuzp724jt59K6z/view?u sp=sharing Bản vẽ sơ đồ đấu nối PLC với thiết bị ngoại vi 72 ` 73 ` 74 ` 75