TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong bối cảnh cuộc sống ngày càng phát triển, con người lại ngày càng phải đối mặt với nhiều vấn đề sức khỏe liên quan đến việc suy giảm chất lượng của môi trường sống Một trong những vấn đề sức khỏe đáng lo ngại và cần được quan tâm đó là sự gia tăng phức tạp của các loại bệnh truyền nhiễm gây ra do những loại vi khuẩn có hại trong môi trường sống xung quanh hoặc do nhiễm khuẩn trong bệnh viện Có nhiều lý do khách quan để giải thích cho sự gia tăng này nhưng dụng cụ y tế có thể được coi là nguyên nhân quan trọng nhất và có tác động trực tiếp đến các vấn đề liên quan đến nhiễm khuẩn Nếu không được làm sạch và tiệt trùng đúng cách, dụng cụ y tế cũng sẽ chính là nguyên nhân dẫn đến những bệnh truyền nhiễm nghiêm trọng gây ảnh hưởng đến sức khỏe của bệnh nhân.
Hiện nay, ở nước ta, số bệnh viện và các trung tâm y tế được trang bị thiết bị khử trùng dụng cụ y tế còn khá ít khi phải nhập chủ yếu từ nước ngoài nên cũng chính vì thế mà giá thành của loại thiết bị này tương đối cao Chính vì thế, việc thiết kế ra một thiết bị tiệt trùng dụng cụ y tế “made in Viet Nam” với giá thành hợp lý mà vẫn đáp ứng được các tiêu chuẩn y tế cần có, phù hợp với nhu cầu sử dụng của các bệnh viện tư và các trạm y tế vừa và nhỏ là một điều rất cần thiết Nắm bắt được nhu cầu sử dụng, cùng với sự đa dạng của nhiều loại cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, module LED, các loại động cơ, các board điều khiển như Arduino, ESP, Raspberry,… cùng nhiều phần mềm ứng dụng giúp thiết kế, lập trình app khác nhau được ra đời đã giúp cho việc thiết kế, tạo ra một thiết bị tiệt trùng dụng cụ y tế có hỗ trợ điều khiển và thông báo qua smartphone ngày càng trở nên dễ dàng hơn.
Bên cạnh những dòng tủ tiệt trùng thiết bị y tế đã được bày bán trên thị trường,cũng đã có những nghiên cứu khác, cụ thể trong đó là nghiên cứu của các nhà khoa học Viện Vật lý – Viện KHCNVN năm 2012 với đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm tủ khử khuẩn dụng cụ y tế bằng khí ozone” [1], đề tài đã thay các phương pháp khử khuẩn bằng hóa học hay nhiệt độ bằng phương pháp sử dụng khí ozone giúp áp dụng được cho cả các dụng cụ chịu nhiệt và không chịu nhiệt Phương pháp này giúp giảm được tối đa việc sử dụng các chất hóa học độc hại Có thể thấy, mô hình trên khi được áp dụng vào thực tế sẽ mang lại giá trị rất cao Bên cạnh đó, còn có Đồ án Tốt nghiệp được thực hiện tạo ra mô hình thực tế như năm 2020 của nhóm sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh với đề tài:
“Thiết kế và thi công thiết bị tiệt trùng thiết bị y tế sử dụng năng lượng mặt trời” [2], đề tài đã sử dụng vi xử lý để điều khiển thời gian, nhiệt độ tiệt trùng dụng cụ y tế với phương pháp tiệt trùng bằng hơi nước Tuy mỗi đề tài sử dụng phương pháp khử khuẩn, tiệt trùng khác nhau nhưng đều đáp ứng được những yêu cầu cần thiết của một thiết bị tiệt trùng dụng cụ y tế và có giá trị thực tế cao.
Từ những khảo sát trên, nhóm quyết định chọn và thực hiện đề tài: “Thiết kế và thi công thiết bị tiệt trùng dụng cụ y tế có hỗ trợ điều khiển và thông báo qua smartphone” Thiết bị với thiết kế nhỏ gọn kết hợp phương pháp sử dụng hơi nước đã bão hòa ở nhiệt độ và áp suất cao để khử khuẩn, tiệt trùng các dụng cụ hoặc các mẫu vật phẩm trong y tế, phù hợp sử dụng trong các bệnh viện tư hoặc các trung tâm y tế vừa và nhỏ Đồng thời, nhóm nghiên cứu, phát triển thêm tính năng cài đặt thông số, theo dõi và thông báo từ xa qua ứng dụng Android để giúp các nhân viên y tế dễ dàng hơn trong việc quản lý và sử dụng.
MỤC TIÊU
Thiết kế và thi công thiết bị tiệt trùng dụng cụ y tế có hỗ trợ cài đặt và thông báo qua smartphone, phù hợp cho các đối tượng sử dụng là các bệnh viện tư hoặc các trạm y tế vừa và nhỏ Với phương pháp tiệt trùng chính là sử dụng hơi nước đã bão hòa ở nhiệt độ và áp suất cao, thiết bị được thiết kế nhỏ gọn, sử dụng module vi điều khiển, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất và một số thiết bị cần thiết đi kèm như thanh đốt, van xả khí, relay,… Đồng thời, nhóm thiết kế ứng dụng trên điện thoại giúp các nhân viên y tế dễ dàng hơn trong việc cài đặt và sử dụng thiết bị.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế và thi công thiết bị tiệt trùng dụng cụ y tế có hỗ trợ điều khiển và thông báo qua smartphone”, nhóm tập trung giải quyết và hoàn thành những nội dung sau:
• NỘI DUNG 1: Giới thiệu các lý thuyết y khoa liên quan đến phương pháp tiệt trùng, khử khuẩn dụng cụ y tế.
• NỘI DUNG 2: Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và yêu cầu y tế của một thiết bị tiệt trùng dụng cụ y tế.
• NỘI DUNG 3: Kết nối, giao tiếp giữa ESP32 NodeMCU LuaNode32 với các module cảm biến áp suất khí, cảm biến nhiệt độ, relay, buzzer, LCD 20x4.
• NỘI DUNG 4: Thiết kế mô hình hệ thống.
• NỘI DUNG 5: Nghiên cứu để thực hiện các chức năng hiệu chỉnh thời gian, nhiệt độ; đo nhiệt độ, áp suất khí bên trong buồng tiệt trùng, cảnh báo quá áp.
• NỘI DUNG 6: Thiết kế Thiết kế giao diện người dùng trên nền tảng Android cho thiết bị với chức năng chính như cài đặt thời gian, nhiệt độ và thông báo khi hoàn tất quá trình tiệt trùng.
• NỘI DUNG 7: Kết nối phần cứng và app điều khiển thiết bị qua Firebase.
• NỘI DUNG 8: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá hệ thống.
• NỘI DUNG 9: Viết luận văn báo cáo.
• NỘI DUNG 10: Bảo vệ luận văn.
GIỚI HẠN
Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:
• Cho phép cài đặt thông số nhiệt độ, thời gian của quá trình tiệt trùng.
• Màn hình LCD gắn trên vỏ thiết bị hiển thị thông số nhiệt độ cài đặt, thời gian cài đặt, giá trị nhiệt độ và áp suất thu được từ cảm biến Nội dung hiển thị gồm chữ không dấu và ký tự số.
• Ứng dụng điện thoại chỉ chạy trên hệ điều hành Android.
• Ứng dụng điện thoại hỗ trợ cài đặt và hiển thị 2 thông số nhiệt độ và thời gian.
BỐ CỤC
Bố cục của đề tài “Thiết kế và thi công thiết bị tiệt trùng dụng cụ y tế có hỗ trợ điều khiển và thông báo qua smartphone” gồm:
Trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung, giới hạn các thông số và bố cục của đề tài.
• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Trình bày lý thuyết có liên quan đến đề tài để làm cơ sở cho việc thiết kế, lựa chọn linh kiện cho mô hình và thi công Tìm hiểu các yêu cầu y tế cơ bản của một thiết bị tiệt trùng dụng cụ y tế để đặt ra yêu cầu thiết kế cho đề tài.
• Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán
Thiết lập sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý toàn mạch, thiết kế lưu đồ giải thuật và sơ đồ kết nối chân cho hệ thống Mô phỏng mô hình cơ khí cho thiết bị.
• Chương 4: Thi công hệ thống
Trình bày quá trình thi công mô hình hệ thống và thiết kế phần mềm.
• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Đưa ra kết quả đạt được sau thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của mô hình thiết bị và đưa ra những nhận xét, đánh giá.
• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Trình bày kết luận sau khi thực hiện đề tài và đưa ra hướng phát triển tiếp theo cho đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
PHƯƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH TIỆT TRÙNG
2.1.1 Phương pháp tiệt trùng bằng hơi nước
Tiệt trùng bằng hơi nước là phương pháp tiêu diệt các vi khuẩn có hại và bào tử của chúng khi chúng tiếp xúc với hơi nước đã bão hòa ở áp suất cao và nhiệt độ cao trên 1000C Khi đó, nhiệt ẩm và áp suất cao sẽ làm vỡ cấu trúc của các loại vi sinh vật giúp vật phẩm được tiệt trùng Sau khi vật phẩm đã vô trùng, hơi nước sẽ được xả từ từ bằng cách giảm áp suất đồng thời vật phẩm cũng sẽ được làm mát. Khi sử dụng phương pháp này, cần lưu ý kiểm soát thời gian, nhiệt độ và áp suất khi tiệt trùng Tiệt trùng bằng hơi nước phù hợp sử dụng cho các dụng cụ bằng thủy tinh, kim loại, nhựa chịu nhiệt, đồ vải, một số chất dẻo và dung dịch lỏng [3] Đây là một trong những phương pháp tiệt trùng hiệu quả nhất trong y tế vì hơi nước đã bảo hòa có khả năng thẩm thấu cao vào bề mặt của vật, đảm bảo tiệt trùng toàn diện và có khả năng tiêu diệt rất nhiều loại vi khuẩn, vi rút và nấm gây bệnh.
2.1.2 Quy định về quy trình tiệt khuẩn bằng hơi nước
Những quy định khi thực hiện quy trình tiệt khuẩn được trình bày bên dưới dựa theo quy định mã số QT.37.HT về quy trình quản lý tập trung dụng cụ y tế được ban hành ngày 20/4/2013 của bệnh viện Bạch Mai [4]:
- Dụng cụ được làm sạch kỹ càng trước khi đưa vào tiệt khuẩn.
- Khu vực rửa, khử khuẩn dụng cụ cần bố trí tách biệt với khu vực tiệt khuẩn và kho lưu giữ dụng cụ đã tiệt khuẩn.
- Vị trí máy tiệt khuẩn không được đặt ở những khu vực nhiều người qua lại hoặc gần nguồn ô nhiễm.
- Vệ sinh tay trước khi đóng gói dụng cụ và không mang găng trong khi kiểm tra, đóng gói dụng cụ.
- Không được đóng những dụng cụ bị hỏng (gãy, cong, vênh, hỏng khớp nối, mòn, gỉ) không khắc phục, sửa chữa được; không đúng quy cách; không đáp ứng yêu cầu chuyên môn.
- Dụng cụ có lòng rỗng phải được úp xuống khi đóng gói.
- Mỗi gói dụng cụ phải có chỉ thị nhiệt dán ở ngoài và chỉ thị hóa học đặt bên trong bao gói ghi rõ số máy, số lô tiệt khuẩn, ngày tiệt khuẩn.
- Không để quá đầy dụng cụ vào bao hấp.
- Ghi lại thông tin quá trình tiệt khuẩn sau mỗi mẻ hấp dụng cụ vào sổ theo rõi quá trình tiệt khuẩn.
- Không được để các dụng cụ đã tiệt khuẩn ở bồn rửa, sàn nhà, gần cửa ra vào.
- Vận chuyển dụng cụ đã tiệt khuẩn bằng ô tô hoặc xe đẩy dành riêng cho các dụng cụ đã tiệt khuẩn.
TIÊU CHUẨN VIỆT NAM VỀ THIẾT BỊ HẤP TIỆT TRÙNG
Yêu cầu kỹ thuật cho thiết bị hấp tiệt trùng bằng hơi nước được nhóm trình bày bên dưới dựa theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6792:2001 về Thiết bị hấp tiệt trùng do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn TCVN/TC 150 “Trang thiết bị y tế” biên soạn và được ban hành bởi Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường [5].
- Khi thiết kế, chế tạo thiết bị hấp tiệt trùng phải tuân theo các qui định trong TCVN 6004:1995.
- Thiết bị hấp tiệt trùng phải đạt yêu cầu thử thủy lực theo TCVN 6005:1995.
- Thiết bị hấp tiệt trùng phải được trang bị đầy đủ các dụng cụ đo kiểm áp suất, nhiệt độ, mực nước, thời gian và các loại van (van an toàn, van hơi chính, van nước cấp, van xả lò) để thực hiện đúng qui trình lắp đặt, sử dụng theo TCVN 6006:1995 và TCVN 6007:1995.
- Buồng tiệt trùng phải đạt hơi bão hòa ở khoảng giới hạn từ 0.85 đến 1.
- Nhiệt độ sấy khô tùy theo yêu cầu sử dụng từ 120 0 C đến 134 0 C.
- Buồng tiệt trùng duy trì hơi nước bão hòa trong thời gian 120 phút.
- Thiết bị hấp tiệt trùng phải được cách điện để bảo đảm an toàn theo ISO 11197:1996.
GIỚI THIỆU MỘT SỐ THIẾT BỊ TIỆT TRÙNG DỤNG CỤ Y TẾ TRÊN THỊ TRƯỜNG
Thị trường thiết bị tiệt trùng dụng cụ y tế ngày càng trở nên rất đa dạng với nhiều mẫu mã, chức năng tiên tiến cùng nhiều mức giá khác nhau để có thể đáp ứng mọi nhu cầu của người tiêu dùng Dưới đây là một số thiết bị tiệt trùng dụng cụ y tế có thể xem là khá nổi bật hiện nay.
2.3.1 Nồi hấp tiệt trùng Sturdy SA-300H
Nồi hấp tiệt trùng SA-300H là mẫu nồi hấp được thiết kế nhỏ gọn để bàn, với dung tích buồng hấp lớn, nồi hấp phù hợp cho cả mẫu đóng gói và không đóng gói được sản xuất tại Đài Loan, đáp ứng tiêu chuẩn ISO 13485 (y tế) và có nhiều chức năng tiên tiến như chức năng sấy khô, chức năng bảo vệ quá nhiệt như tự động cảnh báo và dừng gia nhiệt khi phát hiện quá nhiệt Ngoài ra, nồi còn được trang bị một hệ thống đèn Led để thể hiện trạng thái làm việc như trong hình 2.1 [6].
Hình 2.1 Nồi hấp tiệt trùng SA- 300H 2.3.2 Nồi hấp tiệt trùng Unicare UC-280A
Hình 2.2 Nồi hấp tiệt trùng Unicare UC-280A
Trong hình 2.3 là nồi hấp tiệt trùng Unicare được thiết kế với mẫu mã hiện đại,tương đối nhỏ gọn, có khả năng làm nóng nhanh, phù hợp để sử dụng cho quy trình tiệt trùng các dụng cụ và vật tư phòng mổ Tuy có nhiều ưu điểm nhưng nồi hấpUC-280A chỉ đạt được nhiệt độ hoạt động tối đa là 1260C và sau mỗi lần sử dụng phải đo và đổ lại mực nước ban đầu nếu không sẽ làm cháy cây điện trở dẫn đến hư hỏng thiết bị và gây nguy hiểm cho người sử dụng [7].
GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
Để thực hiện mô hình nồi hấp tiệt trùng, nhóm sử dụng linh kiện chính là ESP32 NodeMCU LuaNode32 làm khối xử lý trung tâm, thanh đốt gia nhiệt, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, relay và một số linh kiện phụ.
2.4.1 Giới thiệu khối xử lý trung tâm a Giới thiệu
Vi điều khiển là trung tâm xử lý các yêu cầu cần thiết để cấu thành mạch điện điều khiển thiết bị Đề tài này cần một vi điều khiển tích hợp module thu phát wifi có thể điều khiển, xử lý các linh kiện trong mạch và có khả năng điều khiển, thông báo từ xa thông qua giao thức mạng và lưu trữ dữ liệu trên Firebase.
Sau khi tìm hiểu một số vi điều khiển được sử dụng phổ biến trên thị trường như hình 2.3, nhóm quyết định chọn ESP32 NodeMCU LuaNode32 vì nó có một bộ xử lý nhanh, dung lượng bộ nhớ tốt và cung cấp được nhiều chân GPIO giúp cho việc giao tiếp với các cảm biến và linh kiện cũng trở nên dễ dàng, thuận tiện hơn.
ESP8266 NodeMCU ESP32 NodeMCU ESP32 NodeMCU
NodeMCU LuaNode32 30 chân LuaNode32 38 chân
Hình 2.3 Các dòng Module thu phát wifi phổ biến
ESP32 NodeMCU LuaNode32 được dùng nhiều trong các ứng dụng thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị qua wifi, bluetooth, có khả năng thực hiện các tác vụ xử lý dữ liệu phức tạp và nhanh chóng Module có 38 chân GPIO được cấu hình là đầu vào hoặc đầu ra, có một số chân có các chức năng đặc biệt khác nhau như giao tiếp JTAG để gỡ lỗi, giao tiếp I2C, UART,… [8]. b Thông số kỹ thuật
Module ESP32 NodeMCU LuaNode32 hoạt động ở điện áp từ 2.2V ~ 3.6VDC và dòng điện tiêu thụ của module là gần 90mA, đảm bảo hoạt động ổn định và tiết kiệm năng lượng Dung lượng ROM là 448KB, có khả năng để lưu trữ dữ liệu. Ngoài ra, RAM của module có dung lượng lên đến 520KB, gồm 8KB SRAM trong RTC SLOW và 8KB SRAM trong RTC FAST, có khả năng xử lý nhanh và linh hoạt trong việc lưu trữ Hỗ trợ kết nối Wifi chuẩn 802.11n với tốc độ truyền dữ liệu lên đến 150Mbps có tích hợp bluetooth chuẩn v4.2 BR/EDR và BLE specification, cho phép kết nối và giao tiếp với các thiết bị khác.
2.4.2 Module chuyển đổi điện áp ADS1115 a Giới thiệu
Mạch chuyển đổi điện áp ADS1115 như hình 2.4 có tác dụng chuyển đổi tín hiệu analog thành dữ liệu số để đọc dữ liệu đo được từ cảm biến áp suất khí.
Hình 2.4 Module chuyển đổi điện áp ADS1115 b Thông số kỹ thuật
Với kích thước 18x28mm, module cung cấp 4 kênh đầu vào từ AN0 đến AN3 và sử dụng giao tiếp I2C để kết nối với vi điều khiển hoặc máy tính với tốc độ là 16bit Nguồn điện cần để cấp cho module có thể từ 2.0 ~ 5.5VDC và dòng điện mà module tiêu thụ là 150μA.
2.4.3 Module chuyển đổi nhiệt độ MAX6675 a Giới thiệu
Module MAX6675 như hình 2.5 là một module chuyển đổi hiệu điện thế thermocouple thành tín hiệu số thông qua giao thức SPI Module này được sử dụng để đọc dữ liệu nhiệt độ từ cặp nhiệt loại K và chuyển đổi thành dạng số (độ C hoặc độ F) Max6675 có độ chính xác và độ ổn định cao an toàn cho người sử dụng.[9]
Hình 2.5 Module chuyển đổi nhiệt độ MAX6675 b Thông số kỹ thuật
Module hoạt động với mức điện áp từ 3V đến 5.5V và cho phép hoạt động với nhiều nguồn điện khác nhau Với độ phân giải 12 bit, module đo được nhiệt độ trong khoảng từ 0 0 C đến 700 0 C giúp đáp ứng nhu cầu đo lường trong nhiều ứng dụng khác.
2.4.4 Cảm biến nhiệt độ thermocouple loại K
Cảm biến nhiệt độ sẽ tạo ra tín hiệu điện thông qua module hoặc vi xử lí để đọc và chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ cụ thể khi có sự thay đổi nhiệt độ.
Trong đề tài này, nhóm cần một loại cảm biến dạng dây dài kết hợp đầu dò có dãi đo nhiệt cao (100 độ C đến 200C), có độ chính xác và độ bền cao, có nhiều loại đầu ren giúp dễ dàng cố định với nồi hấp Sau khi tham khảo các loại cảm biến trên thị trường như hình 2.6 cảm biến nhiệt độ thermocouple loại K được sử dụng để đo và theo dõi nhiệt độ bên trong lồng ấp tiệt trùng.
Cảm biến nhiệt độ PT100 Cảm biến nhiệt độCảm biến nhiệt độ Ds18b20 thermocouple loại K
Hình 2.6 Một số loại cảm biến nhiệt độ thông dụng
Cảm biến nhiệt độ Thermocouple (cặp nhiệt điện) dùng để đo nhiệt độ dựa trên nguyên lý hoạt động của hiệu điện thế thermoelectric Thermocouple loại K gồm hai dây nhiệt, chân nhiệt K+ được làm bằng đồng, chân nhiệt K- được làm bằng chromel. Khi có sự thay đổi nhiệt độ, hai dây chân nhiệt tạo ra một hiệu điện thế EMF theo quy luật Seebeck, hiệu điện thế này sẽ thay đổi ứng với nhiệt độ môi trường [10].
Cảm biến áp suất sẽ tạo ra tín hiệu điện thông qua module hoặc vi xử lí để đọc và chuyển đổi thành giá trị áp suất khi có sự thay đổi áp suất.
Cảm biến áp suất khôngCảm biến áp suất Cảm biến áp công nghiệp khí
BMP1803bar MP20N0040D – EE11 0 – 3bar Hình 2.7 Một số loại cảm biến áp suất thông dụng
Trong đề tài, nhóm cần một loại cảm biến dạng dây kết hợp đầu dò, chịu được nhiệt độ cao (khoảng 100 đến 200 độ) vì cảm biến phải được gài đầu dò vào trong nồi hấp để đo áp suất, có đầu ren cố định để cố định vào nồi, độ chính xác và độ bền cao, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao của nồi hấp.
Sau khi tìm hiểu một số loại cảm biến áp suất thông dụng có trên thị trường như trong hình 2.7, nhóm đã so sánh dãy đo, tốc độ phản hồi, cách kết nối của chúng và quyết định sử dụng loại cảm biến áp suất với dãi đo từ 0 - 3bar, điện áp hoạt động 24VDC, đầu ra tương ứng 0-5V Cảm biến này có chất liệu bằng thép không gỉ để đo áp suất khí bão hòa bên trong buồng tiệt trùng.
GIỚI THIỆU PHẦN MỀM
Arduino IDE là phần mềm mã nguồn mở dùng để lập trình và nạp chương trình vào bo mạch Arduino, sử dụng ngôn ngữ lập trình Wiring dựa trên C/C++ với giao diện đơn giản và dễ sử dụng.
Proteus là phần mềm hỗ trợ nhiều loại linh kiện có sẵn cho người dùng vẽ sơ đồ nguyên lý, thiết kế mạch PCB và mô phỏng hoạt động của các mạch điện tử [14].
Solidworks là phần mềm hỗ trợ người dùng thiết kế chi tiết các khối 3D một cách nhanh chóng Có khả năng hỗ trợ dựng mô hình 3D từ ảnh chụp, hỗ trợ lắp ghép các chi tiết đã vẽ thành hình một hệ thống hoàn chỉnh như máy móc, thiết bị,… và xuất ra bản vẽ 2D.
Android Studio là một môi trường tích hợp được cung cấp bởi Google dùng để phát triển ứng dụng di động chạy trên hệ điều hành Android Sử dụng ngôn ngữ lập trình chính là Java và hỗ trợ mã nguồn mở đa dạng cho phép người dùng phát triển trên nhiều nền tảng khác nhau.
Flutter là một framework phát triển ứng dụng di động được cung cấp bời google Sử dụng ngôn ngữ lập trình Dart, mã nguồn Dart có thể được biên dịch thành JavaSript để chạy trên trình duyệt web Flutter mang lại hiệu suất và tốc độ cao cho việc phát triển ứng dụng nhờ vào bộ công cụ và thư viện phong phú, đa dạng để xây dựng giao diện người dùng (UI).
Firebase là một dịch vụ cơ sở dữ liệu hoạt động dựa trên nền tảng đám mây được phát triển bởi Google, có khả năng cung cấp nhiều tính năng trong cùng một nền tảng Dưới đây là một số tính năng nổi bật của Firebase Realtime Database là một cơ sở dữ liệu thời gian thực, cho phép đồng bộ, tự động cập nhật và truyền dữ liệu giữa các thiết bị và ứng dụng người dùng trong thời gian thực Cloud Firestore:được phát triển từ tính năng realtime database, giúp đồng bộ mọi dữ liệu, cho phép lưu trữ và truy xuất dữ liệu dễ dàng.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
YÊU CẦU THIẾT KẾ ĐẶT RA CHO ĐỀ TÀI
Với những tiêu chuẩn y tế về nồi hấp tiệt trùng được nêu ở mục 2.2 và mục tiêu thiết kế mô hình nồi hấp tiệt trùng với ưu điểm nhỏ gọn có hỗ trợ điều khiển và thông báo qua smartphone, phù hợp cho nhu cầu sử dụng của những phòng thí nghiệm hoặc các bệnh viện tư vừa và nhỏ, nhóm quyết định phát triển thiết bị hấp tiệt trùng dựa trên các yêu cầu cụ thể được đề ra bên dưới Thiết bị cho phép người dùng giám sát và cài đặt các thông số của máy như:
− Cài đặt, hiệu chỉnh thời gian hấp cho phép từ 0 – 30 phút.
− Cài đặt, hiệu chỉnh nhiệt độ hấp cho phép trong dãy từ 100 0 C đến 110 0 C.
− Giám sát nhiệt độ trong buồng hấp không vượt quá nhiệt độ cài đặt.
− Giám sát áp suất hơi bão hòa trong buồng hấp: 0 – 2.0 bar.
− Giám sát thời gian còn lại của quá trình hấp tiệt trùng.
− Van xả khí tự động mở khi áp suất trong buồng tiệt trùng vượt quá 2 bar.
− Van nước tự động xả nước khi quá trình tiệt trùng kết thúc.
− Thiết bị phát tín hiệu cảnh báo khi:
+Áp suất trong buồng tiệt trùng vượt quá 2 bar.
+Quá trình tiệt trùng kết thúc.
− Thiết bị hỗ trợ cài đặt, thông báo từ xa qua nền tảng ứng dụng Android.Các thông số trên dựa trên các số liệu nhóm thu thập được từ các thông tư có trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6792:2001 về Thiết bị hấp tiệt trùng do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn TCVN/TC 150 “Trang thiết bị y tế” biên soạn và được ban hành bởi Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường [5].
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Mô hình thiết bị hấp tiệt trùng dụng cụ thiết bị y tế được thiết kế gồm các khối như hình 3.1.
Hình 3.1 Sơ đồ khối của mô hình thiết bị hấp tiệt trùng Chức năng của từng khối:
• Khối xử lý trung tâm: Khối này sẽ nhận và xử lý các tín hiệu nhận được từ khối cài đặt và khối cảm biến sau đó sẽ xử lí gửi lệnh đóng ngắt đến khối chấp hành, rồi hiển thị kết quả ra màn hình và gửi dữ liệu lên firebase thông qua giao tiếp wifi để điều khiển thiết bị từ xa.
• Khối cảm biến: Bao gồm các cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến đo áp suất dùng để đo nhiệt độ và áp suất bên trong lồng hấp của thiết bị tiệt trùng sau đó gửi về trung tâm để xử lý.
• Khối cài đặt: Điều chỉnh khoảng nhiệt độ, thời gian hấp và thao tác bật tắt cho thiết bị.
• Khối hiển thị: Hiển thị các thông số về nhiệt độ, áp suất và thời gian còn lại của quá trình tiệt trùng, xả nước, xả khí.
• Khối cảnh báo: Phát cảnh báo khi quá trình tiệt trùng kết thúc hoặc khi phát hiện quá áp trong lồng hấp tiệt trùng.
• Khối chấp hành: Nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm để điều khiển các thiết bị trong lồng hấp tiệt trùng.
• Khối điều khiển từ xa: Kết nối ứng dụng Android trên điện thoại với vi điều khiển qua firebase để hiển thị, cài đặt nhiệt độ, thời gian và thông báo từ xa.
• Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho hệ thống hoạt động.
3.2.2 Tính toán và thiết kế sơ đồ mạch a Khối vi điều khiển
Sử dụng Module ESP32 NodeMCU LuaNode32 có sơ đồ chân như hình 3.2 để điều khiển thiết bị Các chân có kết nối với các hàng rào đực để sử dụng khi cần thiết Nguồn cung cấp cho khối vi điều khiển 5VDC Dòng của mỗi Pin I/O là 40mA, sử dụng 12 chân tín hiệu.
Hình 3.2 Sơ đồ chân của Module ESP32 NodeMCU LuaNode32
Hệ thống kết nối các chân của Module ESP32 NodeMCU LuaNode32 và chức năng của các chân được sử dụng thể hiện qua bảng 3.1.
Bảng 3.1 Các chân kết nối của ESP32 NodeMCU LuaNode32
STT Tên chân Kết nối Chức năng
1 GPIO 16, 17, Nút nhấn Set, Run, Up, Bật tắt, cài đặt thời gian và cài
2 GPIO 14, 27 Relay 5V 2 kênh Điều khiển van xả khí và xả nước.
3 GPIO 26 Relay bán dẫn Điều khiển điện trở nhiệt.
4 GPIO 4, 5, 2 Module max6675 Đọc giá trị từ cảm biến nhiệt độ thông qua module max6675.
- Hiển thị giá trị cảm biến, giá trị cài đặt và trạng thái hoạt
5 SDA, SCL LCD và ADS1115 thông động. qua giao tiếp I2C - Đọc giá trị từ cảm biến áp suất thông qua module ADS1115.
6 GPIO 15 Loa mini Thông báo quá áp và thông báo kết thúc quá trình hấp tiệt trùng. b Khối cảm biến
Cảm biến nhiệt độ được gắn trên buồng tiệt trùng và được cố định bằng đầu kết nối ren 13mm để theo dõi và giữ nhiệt độ bên trong buồng hấp luôn ở mức nhiệt độ cài đặt Nếu nhiệt độ trong buồng hấp cao hơn nhiệt độ cài đặt, hệ thống sẽ tự động mở van xả áp và ngược lại.
Sơ đồ kết nối giữa ESP32, module MAX6675 và cảm biến nhiệt độ Thermocouple loại K được thể hiện trong hình 3.3, hai chân của cảm biến nhiệt độ Thermocouple được kết nối với 2 cực (+) và (-) của module MAX6675 và chân SCK,
SO, CS của module MAX6675 được kết nối với chân GPIO 2, GPIO 5, GPIO 4 của
Esp32 để Esp32 nhận tín hiệu nhiệt độ dưới dạng tín hiệu digital được gửi về từ cảm biến.
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối giữa ESP32, module MAX6675 và cảm biến nhiệt độ
❖ Cảm biến áp suất khí
Cảm biến áp suất khí cũng được gắn phía trên buồng hấp để đo áp suất khí bên trong buồng tiệt trùng Khi áp suất khí bên trong buồng hấp cao hơn ngưỡng cho phép là 2 bar, mạch sẽ tiến hành phát cảnh báo qua còi SFM27 và mở van xả khí.
Sơ đồ kết nối chân giữa cảm biến áp suất khí, module ADS1115 và Esp32 được thể hiện như trong hình 3.4.
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối chân giữa cảm biến áp suất, module ADS1115 và Esp32
Như sơ đồ hình 3.4, module ADS1115 được kết nối với Esp32 thông qua giao thức I2C, kết nối SDA và SCL của module ADS1115 vào chân GPIO 21 và GPIO
22 của Esp32, nguồn cấp 5V để đọc giá trị cảm biến áp suất Cảm biến áp suất cần nguồn 24VDC được cấp từ nguồn xung, chân tín hiệu của cảm biến được kết nối với một trong các chân A0 A1 A2 A3 của module ADS1115 để gửi giá trị điện áp thông qua module ADS1115 đọc được giá trị áp suất lên Esp32.
Các chân GPIO của ESP32 hoạt động trong phạm vi từ 0 đến 3,3V Nếu kết nối cảm biến áp suất trực tiếp vào ESP32 thì ta chỉ có thể đo được giá trị trong khoảng từ
0 đến 3,3V trong khi dải điện áp trả về của cảm biến là 0 đến 5V Vì vậy ta cần sử dụng module ADS1115 có độ phân giải 16bit để đọc dữ liệu đầu ra analog từ cảm biển áp suất với mức điện áp tương ứng của Esp32 với độ phân giải cao hơn. c Khối chấp hành
Khối chấp hành gồm một phần dùng relay bán dẫn đóng ngắt thanh điện trở nhiệt điều khiển quá trình tiệt trùng được gọi là khối gia nhiệt và một phần dùng relay 5V 2 kênh để điều khiển van xả khí và van xả nước điện tử được gọi là khối van xả.
Dùng relay bán dẫn kết nối đóng ngắt thanh điện trở nhiệt như hình 3.5 để điều khiển quá trình tiệt trùng, khi ở mức cao thì relay đóng, điện trở nhiệt bắt đầu đốt, ngược lại ở mức thấp thì relay ngắt, điện trở nhiệt ngừng đốt.
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối khối gia nhiệt
Relay bán dẫn được kết nối với chân đất và chân GPIO 26 của Esp32, điện trở nhiệt được kết nối với đầu ra của relay và nguồn 220V Khi ở mức cao thì chân GPIO
26 cấp tín hiệu điều khiển 3,3V làm relay bật, điện trở nhiệt hoạt động, bắt đầu quá trình gia nhiệt Ngược lại, khi ở mức thấp thì chân GPIO 26 không cấp tín hiệu điều khiển, relay ngắt, điện trở tắt, kết thúc hoặc tạm ngưng quá trình gia nhiệt.
Dùng relay 5V 2 kênh để điều khiển đóng ngắt van xả khí và van xả nước như hình 3.6 Sau khi kết thúc quá trình tiệt trùng thì relay kênh 1 mở, van xả khí mở để áp suất trong nồi giảm về bằng không để sau khi xả nước xong thì người dùng có thể mở nắp và lấy vật hấp ra khỏi nồi hấp Sau khi kết thúc quá trình xả khí thì relay kênh
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHỐI CƠ KHÍ
3.3.1 Tính toán mô hình trao đổi nhiệt
Mô hình trao đổi nhiệt của nồi hấp tiệt trùng là rất quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất và thiết kế nồi hấp, giúp xác định nhiệt lượng mất đi, thời gian tiệt trùng và hiệu quả truyền nhiệt trong quá trình hoạt động của nồi hấp tiệt trùng Mô hình lưu thông khí trong buồng tiệt trùng được thể hiện như hình 3.11.
Hình 3.11 Mô hình lưu thông khí trong buồng tiệt trùng
❖ Nhiệt lượng cho nồi hấp tiệt trùng
Khối lượng không khí bên trong buồng tiệt trùng được tính bằng tích giữa mật độ của không khí và thể tích không khí có trong buồng hấp có kích thước
200x200x350mm như công thức (3.1) m = * V = 1.29 kgm -3 * ( * 0.1 2 * 0.35) m 3 = 0.014 kg Trong đó,
- m: khối lượng không khí bên trong nồi hấp tiệt trùng (kg),
- V: thể tích không khí bên trong buồng hấp (m 3 ),
- : mật độ của không khí.
Giả sử nhiệt độ không khí tăng 1 0 C và nhiệt dung riêng của không khí là 1005
J/Kg 0 C Từ đó ta tính được nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi tăng 1 0 C theo công thức (3.2).
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 28
- m: khối lượng không khí bên trong nồi hấp tiệt trùng (kg),
- C = 1005 J/Kg 0 C (nhiệt dung riêng của không khí),
- T 2 : nhiệt độ đạt được của không khí trong nồi hấp tiệt trùng ( 0 C),
- T 1 : nhiệt độ ban đầu của không khí trong nồi hấp tiệt trùng ( 0 C).
Nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi tăng 1 0 C là 20.1J Vậy nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi tăng 100 0 C là 1470J, nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi tăng 110 0 C là 1617J.
❖ Nhiệt lượng mất đi Để biết được tổng nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi hấp tiệt trùng cần tính được nhiệt lượng mất đi do quá trình trao đổi nhiệt và quá trình đối lưu Sự hao hụt của nhiệt lượng gây ra trong quá trình trao đổi nhiệt (truyền nhiệt) cho mỗi 0 C được tính bằng công thức (3.3).
- Q loss : nhiệt lượng mất đi trong quá trình trao đổi nhiệt (J),
- T 2 : nhiệt độ đạt được của nồi hấp tiệt trùng ( 0 C),
- T surround : nhiệt độ môi trường xung quanh nồi hấp tiệt trùng ( 0 C),
- A S : tổng diện tích xung quanh nồi tiếp xúc với môi trường xung quanh (m 2 ) được tính bằng công thức (3.4),
+h là chiều dài của buồng hấp tiệt trùng.
- U: hệ số trao đổi nhiệt (W/m 2 0 C) Để tính hệ số trao đổi nhiệt U, sử dụng công thức Newton – Richman được thể hiện trong công thức (3.5).
+ K: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (W/m 0 C) Hệ số dẫn nhiệt của buồng hấp tiệt trùng được gia công bằng thép không gỉ 304 ở là 12 W/m 0 C,
+A S : diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m 2 ),
Từ đó, thay giá trị hệ số trao đổi nhiệt U vào công thức (3.3), tính được giá trị nhiệt lượng mất đi trong quá trình trao đổi nhiệt là:
Q loss = U*A S *(T 2 - T surround ) = (132W/m 2 0 C) * (0.22m 2 ) * 1 0 C = 29W (3.6) Nhiệt lượng mất đi do quá trình đối lưu được tính theo công thức của phương trình tỏa nhiệt cơ bản theo Newton Giả sử nhiệt độ trong buồng hấp tiệt trùng tăng
1 0 C, tính được nhiệt lượng mất đi do quá trình đối lưu như công thức (3.7).
- K: hệ số tỏa nhiệt (W/m 2 0 C), biểu thị cường độ tỏa nhiệt giữa không khí và bề mặt của nồi hấp tiệt trùng,
- A: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m 2 ),
- T v : nhiệt độ bề mặt của vật ( 0 C),
- T kk : nhiệt độ của không khí khí được làm nóng ( 0 C).
Trong mô hình nồi hấp tiệt trùng, quá trình tiệt trùng diễn ra trong buồng hấp kín được làm bằng thép không gỉ có độ dày 2mm, không có ánh sáng lọt vào nên có thể bỏ qua nhiệt lượng mất đi do bức xạ gây nên Tổng nhiệt lượng hao hụt được tính theo công thức (3.8) như bên dưới.
Từ kết quả của công thức (3.7), tính được tổng nhiệt lượng mất đi trong 1 phút (`s) theo công thức (3.9).
Tổng nhiệt lượng yêu cầu cấp cho nồi hấp tiệt trùng tăng lên 1 0 C sẽ được tính bằng tổng nhiệt lượng cho nồi hấp cộng với nhiệt lượng bị tiêu hao trong quá trình trao đổi nhiệt và quá trình đối lưu gây ra được tính như công thức (3.10).
Sau khi tìm hiểu các loại điện trở nhiệt trên thị trường, dựa vào kết quả tính được ở công thức (3.10), nên nhóm quyết định sử dụng thanh điện trở nhiệt chữ U có điện áp 220V và có công suất hoạt động là 2KW để làm thiết bị gia nhiệt cho mô hình nồi hấp tiệt trùng.
3.3.2 Tính toán kích thước thiết bị a Xác định dung tích của nồi hấp
Giả sử dung tích (sức chứa) của nồi hấp là 11l và chọn chiều cao của nồi là 350mm do yêu cầu thiết kế của nồi là nhỏ gọn phù hợp cho các bệnh viện tư hoặc những phòng thí nghiệm vừa và nhỏ Khi đó, áp dụng công thức (3.11) để tính đường kính của nồi hấp tiệt trùng Công thức (3.11) như sau:
- V là dung tích (thể tích) của thiết bị.
- h là chiều cao của nồi.
Vậy thiết kế phần lồng hấp của nồi hấp tiệt trùng kính là 200mm và chiều dài là 350mm.
(3.11) có dạng hình trụ tròn với đường b Tính toán lựa chọn độ dày của thành nồi hấp
Nồi hấp tiệt trùng hoạt động bằng cách tạo ta áp suất cao bên trong nồi do đó việc tính toán độ dày của thành nồi là rất quan trọng Độ dày thành nồi ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu áp suất và an toàn của nồi nên cần được thiết kế sao cho có thể chịu được áp suất hơi sinh ra trong quá trình tiệt trùng Nếu độ dày của thành nồi quá mỏng, nồi có thể sẽ không đủ chắc chắc để chịu được áp suất sinh ra và có thể gặp rủi ro cháy nổ Ngược lại, nếu thành nồi quá dày sẽ làm giảm hiệu quả trong việc truyền nhiệt và tiết kiệm năng lượng cũng như tiết kiệm kinh phí Do đó, để đảm bảo an toàn và hiệu suất của nồi hấp tiệt trùng, nhóm dựa vào công thức (3.12) của nhà toán học Anh, Peter Barlow để chọn độ dày phù hợp cho thành của nồi hấp tiệt trùng.
Từ công thức tính áp suất làm việc cho phép (3.12), ta tìm được công thức tính độ dày thành nồi hấp theo công thức (3.13).
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 31
- P là áp suất làm việc cho phép của nồi hấp.
- S là độ bền chảy của vật liệu thép không gỉ 304 (Yield strength).
- OD là đường kính ngoài của nồi.
- SF là hệ số an toàn, hệ số càng nhỏ thì mức độ an toàn càng cao Thông thường hệ số này sẽ dao động trong khoảng từ 1 đến 1.5 tùy chọn.
- T là độ dày thành nồi.
Với áp suất làm việc cho phép của nồi là trong khoảng từ 0 đến
