Thiết kế chế tạo thiết bị đo chức năng phổi bằng kỹ thuật phế dung ký và dao động xung ký

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TƯỜNG DUY THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO CHỨC NĂNG PHỔI BẰNG KỸ THUẬT PHẾ DUNG KÝ VÀ DAO ĐỘNG XUNG KÝ Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 8520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2023 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS HUỲNH QUANG LINH (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS MAI HỮU XUÂN (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS NGUYỄN TRƯỜNG THANH HẢI (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 09 tháng 07 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) TS TRẦN TRUNG NGHĨA – CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS NGUYỄN TRUNG HẬU – THƯ KÝ TS HOÀNG MẠNH HÀ – ỦY VIÊN TS MAI HỮU XUÂN – PHẢN BIỆN TS NGUYỄN TRƯỜNG THANH HẢI – PHẢN BIỆN CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Tường Duy MSHV: 2070065 Ngày, tháng, năm sinh: 27/10/1997 Nơi sinh: Đồng Tháp Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số : 8520401 I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO CHỨC NĂNG PHỔI BẰNG KỸ THUẬT PHẾ DUNG KÝ VÀ DAO ĐỘNG XUNG KÝ DESIGN AND MANUFACTURE A DEVICE FOR MEASURING LUNG FUNCTION USING SPIROMETRY AND PULSE OSCILLATION TECHNIQUES NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: o Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan sở lý thuyết ứng dụng thực tiễn kỹ thuật hô hấp ký dao động xung ký chẩn đoán chức hô hấp o Nội dung 2: Xây dựng thiết bị đo chức hơ hấp tích hợp hai phương pháp đo hô hấp ký dao động xung ký o Nội dung 3: Ứng dụng thiết bị đo, đề xuất quy trình lâm sàng tối ưu cho bệnh nhân II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023 IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Huỳnh Quang Linh Tp HCM, ngày tháng năm 2023 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG (Họ tên chữ ký) i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tiểu luận này, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô khoa Khoa Học Ứng Dụng, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Xin cảm ơn thầy, PGS.TS.Huỳnh Quang Linh tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Cảm ơn thầy TS.Mai Hữu Xuân xem xét, góp ý chỉnh sửa để luận văn hoàn thiện Tự nhận thấy kiến thức chuyên môn thân nhiều hạn chế nên nội dung báo cáo khơng tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận góp ý q thầy cơ, anh chị để báo cáo hồn thiện ii TĨM TẮT LUẬN VĂN Hai kỹ thuật mới, hô hấp ký dao động xung ký, áp dụng để chế tạo thiết bị đo chức hô hấp hỗ trợ q trình tiên lượng, chẩn đốn phân loại bệnh lý hô hấp Đề tài thực nhằm nghiên cứu làm chủ công nghệ, chế tạo thử nghiệm mơ hình thiết bị đo chức hơ hấp kết hợp hai kỹ thuật trên, tiến đến phát triển thành sản phẩm đại trà Đề tài thực giải thành công mục tiêu sau: (i) Nghiên cứu tổng quan sở lý thuyết ứng dụng thực tiễn kỹ thuật hô hấp ký dao động xung ký chẩn đoán chức hô hấp; (ii) Chế tạo thử nghiệm thiết bị đo chức hơ hấp tích hợp hai phương pháp đo hô hấp ký dao động xung ký vả (iii) Thử nghiệm thiết bị đo, đề xuất quy trình lâm sàng tối ưu cho bệnh nhân Sản phẩm đề tài mơ hình đầy đủ thiết bị đo chức hô hấp, ban đầu đạt tiêu chí tính ổn định tính chuẩn xác, làm sở cho phát triển hoàn thiện sản phẩm thương mại iii SUMMARY Design and manufacture a device for measuring lung function using spirometry and pulse oscillation techniques Two novel respiratory techniques, respiratory flow analysis (spirometry) and pulse oscillation, have been utilized in developing a functional respiratory diagnostic device aimed at aiding in the prognosis, diagnosis, and categorization of respiratory disorders The primary objective of this research was to thoroughly investigate and comprehend the technology, while also constructing a prototype of the functional respiratory measurement device that incorporates both of these techniques, with the ultimate aim of advancing it into a marketable product The research project successfully accomplished the following objectives: (i) Conducting a comprehensive review of the theoretical fundamentals and practical applications of spirometry and pulse oscillation in the functional diagnosis of respiratory disorders; (ii) Manufacturing and testing a prototype respiratory measurement device that combines the aforementioned techniques; and (iii) Carrying out device testing and proposing an optimized clinical procedure for patients The result of this project is a fully developed model of the functional respiratory measurement device, which initially satisfies the stability and accuracy criteria, thereby serving as a basis for further enhancement and progression towards a commercially available product iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam kết toàn nội dung đề tài kết nghiên cứu riêng Các kết quả, số liệu đề tài trung thực hoàn toàn khách quan Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm lời cam đoan Học viên Nguyễn Tường Duy v MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN VĂN iii SUMMARY iv LỜI CAM ĐOAN v MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH VẼ ix DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii LIỆT KÊ CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv CHƯƠNG 1: MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN 2.1 Sinh lý hệ hô hấp 2.1.1 Đường dẫn khí 2.1.2 Phổi - phế nang 2.1.3 Màng hô hấp 2.1.4 Lồng ngực 2.1.5 Áp suất âm chế tạo áp suất âm khoang màng phổi 10 2.2 Các thể tích, dung tích hơ hấp lưu lượng thở 11 2.2.1 Các giá trị thể tích: 12 2.2.2 Các dung tích hô hấp: 13 2.2.3 Các lưu lượng thở: 15 2.3 Phương pháp đo hô hấp ký 17 2.3.1 Khái quát phương pháp đo hô hấp ký 17 2.3.2 Các dạng đồ thị phép đo hô hấp ký 18 vi 2.3.3 Các yêu cầu phép đo hô hấp ký 2.4 Phương pháp đo dao động xung ký 20 21 2.4.1 Khái quát phương pháp đo dao động xung ký 21 2.4.2 Nguyên lý hoạt động 22 2.4.3 Thao tác đo dao động xung ký: 23 2.4.4 Ứng dụng lâm sàng phương pháp đo dao động xung ký 23 2.4.5 Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị đo dao động xung ký 25 2.5 Kiểm soát nhiễm khuẩn đánh giá chức hô hấp CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 33 38 3.1 Các phương pháp đo khí dung 38 3.2 Mơ hình lý - sinh học phổi 41 3.2.1 Các mơ hình học phổi 41 3.2.2 Mơ hình học phổi áp dụng kỹ thuật đo chức hô hấp 45 CHƯƠNG THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO 50 4.1 Nguyên lý hoạt động: 50 4.1.1 Phép đo lưu lượng: 51 4.1.2 Phép đo áp suất: 52 4.1.3 Phép đo thể tích: 52 4.2 Sơ đồ khối tổng quát thiết bị 53 4.3 Chọn xác định thông số đặc trưng cảm biến 55 4.4 Thiết kế phần cứng 58 4.5 Bộ tạo dao động áp suất – loa điện 62 4.5.1 Cấu tạo tính chất loa điện 62 4.5.2 Ứng dụng loa điện tạo dao động áp suất 69 4.6 Thiết kế mạch điện cho thiết bị 69 4.6.1 Sơ đồ mạch tổng thể thiết bị 70 4.6.2 Mạch nguồn chung: 71 4.6.3 Mạch nguồn cảm biến: 71 4.6.4 Mạch lọc nhiễu đệm Op - amp cho tín hiệu Analog 72 vii 4.6.5 Mạch thu nhận chuyển đổi tín hiệu: 73 4.6.6 Mạch điều khiển loa điện 76 4.7 Xác định trở kháng khơng khí lưới thép dùng thiết bị 77 4.8 Xây dựng chương trình xử lý hiển thị kết 79 4.8.1 Đọc thông tin đưa từ cảm biến 80 4.8.2 Áp dụng lọc Kalman lọc nhiễu cho tín hiệu đưa từ cảm biến 82 4.8.3 Tín tốn thơng số hơ hấp 85 4.8.4 Tính tốn thơng số hơ hấp chuẩn tham chiếu 88 4.8.5 Chương trình chẩn chẩn đốn phân loại bệnh 92 CHƯƠNG 5: THI CÔNG THIẾT BỊ 96 5.1 Thi cơng khí: 96 5.2 Thi cơng mạch điện 97 CHƯƠNG 6: HIỆU CHUẨN, CHẠY THỬ VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 100 6.1 Hiệu chuẩn thiết bị 100 6.1.1 Hiệu chuẩn giá trị áp suất: 100 6.1.2 Hiệu chuẩn giá trị lưu lượng 103 6.2 Chạy thử đánh giá kết 111 6.2.1 Đánh giá chương trình tính tốn thơng số hơ hấp chuẩn tham chiếu 111 6.2.2 Áp dung quy trình kỹ thuật thăm dị chức hơ hấp khảo sát đối tượng mẫu 114 CHƯƠNG TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 viii