NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp nhận diện thông số nội hệ hô hấp, kết hợp với bộ tạo mẫu trung tâm trong điều khiển thể tích máy thở và kiểm soát áp suất.. D
TỔNG QUAN
Giới thiệu bối cảnh nghiên cứu
Hô hấp là quá trình tự nhiên thiết yếu của con người và sinh vật sống, giúp trao đổi khí oxi và cacbon dioxit với môi trường Việc hô hấp cần diễn ra liên tục; nếu ngừng lại, có thể gây nguy hiểm đến tính mạng Tuy nhiên, trong một số trường hợp như tổn thương phổi hoặc các bệnh hô hấp, việc này không thể thực hiện được, dẫn đến sự ra đời của máy thở để duy trì sự sống Mặc dù máy thở có vai trò quan trọng, nhưng chúng cũng gặp phải nhược điểm như giá thành cao và thiếu tính cơ động, gây khó khăn trong điều trị tại nhà, chuyển viện, hoặc trong các tình huống khẩn cấp Đặc biệt trong đại dịch COVID-19, sự thiếu hụt máy thở đã dẫn đến nhiều sự cố đáng tiếc Trong những trường hợp này, bộ bóp bóng trợ thở trở thành giải pháp thay thế hiệu quả với giá thành thấp và dễ dàng vận chuyển, giúp tăng khả năng tiếp cận cho bệnh nhân và giảm thiểu rủi ro thiếu hụt thiết bị hỗ trợ hô hấp.
Bộ bóng bóp trợ thở (BVM) là thiết bị cầm tay quan trọng, cung cấp hơi hô hấp áp lực dương cho bệnh nhân suy hô hấp hoặc ngừng hô hấp Thiết bị này được sử dụng thủ công bởi các chuyên viên y tế được đào tạo, thường trong môi trường xe cứu thương, phòng cấp cứu, hoặc các khu vực chăm sóc hồi phục BVM là lựa chọn cần thiết cho bệnh nhân gặp vấn đề về hô hấp, như hội chứng ngưng hô hấp khi ngủ (OSA).
2 bệnh béo phì, suy tim, trong quá trình phẫu thuật tim phổi, hội chứng suy hô hấp cấp (ARDS) do virus Corona…
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bộ bóp bóng trợ thở
Hình 1.1 Thực tế sử dụng của bộ bóng bóp trợ thở [1]
Khi bệnh nhân cần thông khí bằng bộ bóp bóng trợ thở, kỹ thuật viên sẽ giữ mặt nạ chặt vào mặt bệnh nhân và bóp túi thông khí qua mũi và miệng Nếu không có chống chỉ định, các liệu pháp hỗ trợ đường hô hấp như mũi họng và/hoặc đường miệng hầu sẽ được áp dụng để tạo đường hô hấp trong quá trình thông khí BVM Sử dụng van áp suất dương cuối kỳ thở (PEEP) là cần thiết để duy trì áp suất dương, ngăn ngừa hiện tượng xẹp hoặc dính của các phế nang trong phổi.
Hình 1.2 Cấu tạo và nguyên lý bộ bóp bóng trợ thở [2]
Bóng AMBU là một thiết bị hô hấp được cấu tạo với một van điều đường hô hấp và mặt nạ phù hợp với khuôn mặt Nó hoạt động thông qua hai giai đoạn hít và thở, với không khí di chuyển từ túi chứa vào bóng AMBU trong giai đoạn hít Khi bóng AMBU được bóp, áp suất dương được tạo ra, đẩy không khí qua van đến mặt nạ và vào phổi bệnh nhân Trong giai đoạn thở, bóng AMBU được thả, van đóng lại và không khí từ phổi được đẩy ra ngoài, trong khi Oxy và khí trời được trộn lẫn trong túi chứa.
Hình 1.3 Áp suất trong thông khí áp lực dương [3]
Trong quá trình thông khí, áp suất không khí giữa bóng AMBU và phổi bệnh nhân tạo thành một hệ thống kín, với van giới hạn áp suất ở trên và van áp suất dương cuối kỳ thở ở dưới Khi hít vào, áp lực đường hô hấp tăng lên khoảng +15 cmH2O, trong khi áp lực phế nang bằng không, dẫn đến không khí di chuyển vào phổi cho đến khi áp lực phế nang đạt khoảng +9 đến +12 cmH2O Áp lực trong màng phổi tăng từ -5 cmH2O lên +5 cmH2O khi kết thúc hít vào Khi chuyển sang thở ra, áp lực đường thở giảm xuống 0 và áp lực phế nang giảm từ +9 đến +12 cmH2O về 0, cho phép không khí thoát ra khỏi phổi, trong khi áp lực trong màng phổi trở lại -5 cmH2O.
Tính cấp thiết đề tài
Bộ bóp bóng trợ thở, mặc dù có ưu điểm về giá thành thấp và tính cơ động cao, nhưng cũng gặp phải một số hạn chế Thiết bị này yêu cầu người vận hành liên tục, gây khó khăn cho đội ngũ y bác sĩ Chất lượng thông khí phụ thuộc vào hoạt động của người sử dụng, dẫn đến việc không đảm bảo chất lượng thông khí Ngoài ra, thiết bị còn thiếu các tính năng quan trọng như xác định thông số nội bệnh nhân để điều chỉnh thông khí phù hợp và giới hạn áp suất khi đạt ngưỡng nguy hiểm Để khắc phục những nhược điểm này, máy thở dựa trên bộ bóp bóng trợ thở đã được phát triển nhằm nâng cao chất lượng thông khí, giảm yêu cầu túc trực của người vận hành, đồng thời vẫn giữ được giá thành thấp và tính cơ động cao.
Hình 1.4 Máy thở dựa trên bộ bóp bóng trợ hô hấp (máy thở BVM)[4]
Máy thở dựa trên bộ bóp bóng trợ thở là thiết bị tích hợp giúp tự động bóp và thả bóng AMBU theo tần số thở cụ thể, thay thế thao tác tay của kỹ thuật viên Thiết bị này ra đời nhằm khắc phục những khó khăn trong quá trình bóp bóng tay thủ công, như yêu cầu bóp liên tục mà không bị gián đoạn.
Việc dừng trong thời gian dài và tuân thủ tỉ lệ thời gian bóp thả, cũng như lực bóp theo chỉ dẫn của bác sĩ là rất quan trọng Điều này không chỉ đảm bảo quá trình hô hấp của bệnh nhân ổn định mà còn hỗ trợ trong việc chữa trị và duy trì tình trạng sức khỏe của họ.
Hình 1.5 Cấu tạo máy thở BVM
Máy thở BVM bao gồm hai bộ phận chính: tay kẹp và bóng AMBU Tay kẹp được sử dụng để bóp bóng, mô phỏng quy trình thở của nhân viên y tế Khi tay kẹp hoạt động, không khí từ bóng AMBU sẽ được truyền qua bộ dây thở đến phổi của bệnh nhân hoặc phổi giả trong nghiên cứu.
Thông số thông khí
Các khái niệm cơ bản trong thông khí có thể được liệt kê dưới đây:
Thể tích khí hô hấp (Tidal Volume – VT) là lượng khí oxy/không khí cần đưa vào phổi trong một nhịp thở của bệnh nhân Giá trị này phụ thuộc vào khối lượng, chiều cao và tình trạng bệnh lý của từng bệnh nhân, và thường được bác sĩ thiết lập Thông thường, thể tích khí hô hấp được cung cấp cho bệnh nhân dao động trong khoảng 350ml đến 700ml.
Áp suất dương cuối kỳ thở (PEEP) là giá trị áp suất dư dương được duy trì trong đường thở vào cuối kỳ thở, nhằm ngăn ngừa hiện tượng kết dính phế nang Giá trị PEEP thường dao động trong khoảng 5 đến 15 cmH2O.
Áp suất đỉnh (PIP) là giá trị áp suất cao nhất được áp dụng lên phổi bệnh nhân trong một nhịp thở Giá trị PIP sẽ được điều chỉnh phù hợp với kháng lực của phổi và khí thở.
Áp suất giữ (Plateau pressure – Pplateau) là áp suất trong đường thở tại thời điểm cuối kỳ thở, khi máy thở hoạt động ở chế độ giữ mà không có không khí được đưa vào hoặc thoát ra Thời gian của kỳ giữ này thường kéo dài từ 0.5 đến 1 giây, nằm giữa kỳ hít vào và kỳ thở ra.
Nhịp hô hấp (Respiratory rate - RR) là số lần hô hấp mà bệnh nhân thực hiện trong một phút Giá trị nhịp hô hấp bình thường thường dao động từ 12 đến 40 nhịp mỗi phút, tùy thuộc vào độ tuổi và tình trạng sức khỏe của phổi.
Tỉ lệ hít vào và thở ra (Inspiration : Expiration – I:E) là tỉ lệ thời gian giữa hai quá trình này trong nhịp thở thông thường, thường là 1:2, tức là thời gian thở ra gấp đôi thời gian hít vào Tuy nhiên, tỉ lệ I:E có thể điều chỉnh và tăng lên tới 1:4 tùy thuộc vào tình trạng của bệnh nhân.
Lưu lượng khí hô hấp (Airflow - Q) là lượng không khí tối đa tương ứng với thể tích khí hô hấp đã được cài đặt Để đảm bảo hiệu quả điều trị, lưu lượng khí hô hấp cần được thiết lập phù hợp với nhu cầu của bệnh nhân, thường dao động khoảng 60 lít/phút.
Chế độ thông khí
Một nhịp hô hấp gồm ba giai đoạn: kỳ hít, kỳ giữ và kỳ thở Trong kỳ hít, cơ hoành giãn ra, làm tăng dung tích phổi và không khí tràn vào, thổi phồng các phế nang Ở kỳ giữ, các phế nang được bao quanh bởi nhiều mao mạch chứa đầy máu, nơi máu nhận O2 và thải CO2 qua cơ chế khuếch tán.
8 tán Tại kỳ thở, cơ hoành co làm giảm dung tích phổi, không khí bị đẩy ra ngoài bao gồm
CO2, O2 dư và các khí khác
Khi bệnh nhân gặp vấn đề về hô hấp, máy thở sẽ hỗ trợ đưa không khí vào và ra khỏi phổi, giúp duy trì quá trình trao đổi oxy Tùy thuộc vào tình trạng cụ thể của bệnh nhân, bác sĩ sẽ chỉ định các chế độ hô hấp phù hợp để đạt hiệu quả tối ưu Hiện nay, có ba nhóm chế độ thông khí chính được trình bày trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Các nhóm chế độ thông khí
Tên Hô hấp liên tục bắt buộc (CMV)
Hô hấp liên tục tự phát
Hô hấp gián đoạn bắt buộc (IMV) Đặc điểm
Không cho phép bệnh nhân tự hô hấp giữa những nhịp hô hấp của máy Tuy nhiên, vẫn cho phép nhịp hô hấp của bệnh nhân
Các nhịp hô hấp là bệnh nhân tự phát
Các nhịp hô hấp tự phát từ bệnh nhân được cho phép, giữa những nhịp hô hấp bắt buộc của máy
Hô hấp không đồng bộ với bệnh nhân nên chỉ được dùng trong trường hợp bệnh nhân bị hôn mê…
Dùng trong quá trình cai máy hô hấp, khi bệnh nhân đã hồi sức
Bệnh nhân có thể hô hấp giữa những nhịp hô hấp được máy hô hấp đặt trước Dùng khi bệnh nhân còn nhận thức
Ví dụ A/C (Hỗ trợ kiểm soát) CPAP
SIMV (Hô hấp gián đoạn đồng bộ bắt buộc)
PS (Hỗ trợ áp suất)
Bộ bóng bóp trợ thở là thiết bị nhỏ gọn và giá rẻ, thường được sử dụng trong các tình huống khẩn cấp hoặc tại nhà sau khi bệnh nhân xuất viện Thiết bị này thường được bác sĩ chỉ định cho nhóm hô hấp liên tục bắt buộc, với chế độ hô hấp phổ biến nhất là chế độ điều khiển thể tích.
Hình 1.6 Chế độ điều khiển thể tích [3]
Trong chế độ điều khiển thể tích (VCV), thể tích khí thở có dạng hàm dốc trong kỳ hít, dẫn đến lưu lượng có dạng sóng vuông với độ lớn phụ thuộc vào độ dốc của đường thể tích Áp suất trong VCV là biến phụ thuộc vào lưu lượng và các tham số đường thở, với giá trị tăng lên trong kỳ hít, giữ ổn định trong kỳ giữ, và giảm theo hàm mũ trong kỳ thở Người vận hành máy hô hấp có thể điều chỉnh các thông số như thể tích khí hô hấp mong muốn để tối ưu hóa quá trình thông khí.
10 muốn (VT), lưu lượng khí thở (Q), tỉ lệ hít vào hô hấp ra (I:E), nhịp thở (RR), áp suất dương cuối kỳ thở (PEEP)
Đường lưu lượng vuông (Hình 1.7) thường được ưu tiên trong điều khiển thể tích do khả năng giảm áp lực đường hô hấp trung bình và cải thiện hồi lưu tĩnh cho tim Tuy nhiên, loại đường này có thể làm tăng áp suất đỉnh, dẫn đến nguy cơ rách màng phổi và các biến chứng nghiêm trọng khác, đặc biệt là khi bệnh nhân đang gặp tai nạn và phổi có thể đã bị tổn thương trước đó.
Các máy hô hấp hiện nay hỗ trợ dạng đường hô hấp giảm dần, mang lại nhiều ưu điểm như giảm áp lực hít vào đỉnh so với đường lưu lượng không đổi và tăng áp lực đường hô hấp trung bình Mặc dù tăng áp lực này có vẻ bất lợi, nhưng nó lại liên quan chặt chẽ đến việc cải thiện căng phổi và oxy hóa Bệnh nhân sử dụng máy hô hấp với dạng đường hô hấp giảm dần đã cho thấy sự cải thiện trong phân phối khí Tuy nhiên, tùy thuộc vào tình trạng của bệnh nhân, việc sử dụng dạng sóng lưu lượng giảm tốc có thể gặp một số bất lợi Dạng đường lưu lượng hình sin, phát triển từ dạng đường hô hấp giảm dần, được cho là phù hợp hơn với bộ bóp bóng trợ hô hấp và gần gũi với hình dạng hô hấp tự nhiên của con người.
Hình 1.8 Dạng hô hấp tự nhiên của người [11].
Tình hình nghiên cứu
Máy hô hấp BVM đã được mô phỏng và thực nghiệm trong nghiên cứu trước đây
[4], với các giới hạn nghiên cứu như sau:
Nhóm chế độ hô hấp thông khí liên tục bắt buộc
Chế độ điều khiển thể tích
Các thông số đường hô hấp được thay đổi trong khoảng ở Bảng 1.2
Bảng 1.2 Khoảng cho phép thay đổi các thông số hô hấp nghiên cứu trước đây
Thông số thông khí Khoảng giá trị
Thể tích khí lưu thông VT 50 ÷ 700 ml
Nhịp thở RR ÷ 40 nhịp/phút
Tỉ lệ thở I:E = 1:2 ÷ 1:4 Áp suất đỉnh PIP ≤ 40 cmH2O
Thời gian giữ Tplateau =0.5÷1s Áp suất cặn PEEP = 5÷15 cmH2O
Kết quả nghiên cứu trước đây được trình bày trong Hình 1.9
Hình 1.9 Đáp ứng điều khiển thể tích trong nghiên cứu trước đây [4] Đáp ứng điều kiển thể tích thực nghiệm với 𝑉 𝑇 mong muốn là 500ml cho kết quả:
Sai số xác lập exl ≤ 5%
Thời gian xác lập (5%): txl ≤ 0.3s
Thời gian xác lập (txl) của thể tích khí hô hấp trong mô phỏng và thực nghiệm đều đáp ứng tiêu chí chất lượng không quá 0.3 giây Độ vọt lố (POT) trong đáp ứng mô phỏng là 0, trong khi ở thực nghiệm không vượt quá 10%, đảm bảo tiêu chí chất lượng ban đầu là 10%.
Đặt vấn đề
Máy thở BVM đã được nghiên cứu và hoàn thiện, cho phép điều chỉnh theo đường thể tích mong muốn với sai số dưới 5%.
13 lố dưới 10% và thời gian xác lập dưới 0.3 giây Tuy nhiên, máy thở BVM này cũng có những hạn chế như:
Trong quá trình thở máy, áp suất có thể thay đổi theo tình trạng bệnh nhân, dù cài đặt đầu vào từ người vận hành là cố định Sự gia tăng áp suất vượt ngưỡng cảnh báo có thể dẫn đến tổn thương phổi, đặc biệt nguy hiểm đối với bệnh nhân có phổi đã bị tổn thương trước đó Việc kiểm soát áp suất trong quá trình thở máy là vô cùng quan trọng để đảm bảo an toàn cho tính mạng bệnh nhân.
Tín hiệu đường hô hấp có thể bị gấp khúc giữa các kỳ thở, giữ và hít, gây ra sự khó chịu hoặc tổn thương không mong muốn cho bệnh nhân Những đặc điểm này thường không xuất hiện trong tín hiệu thở tự nhiên của con người.
Mục tiêu và giới hạn đề tài
Học viên thực hiện đề tài này nhằm cải thiện máy trợ thở BVM bằng cách giới hạn áp suất đường thở theo tình trạng bệnh nhân trong quá trình thở máy Máy trợ thở BVM cũng có khả năng điều khiển để tạo ra tín hiệu hô hấp liên tục với độ dốc ổn định, phản ánh quỹ đạo tự nhiên của đường thở, từ đó giúp quá trình thở máy trở nên dễ chịu hơn và giảm thiểu các tác động không mong muốn.
Từ mục tiêu đặt ra, tác giả đưa ra giới hạn đề tài luận văn bao gồm:
Nhóm chế độ hô hấp thông khí liên tục bắt buộc;
Chế độ điều khiển thể tích;
Các thông số đường hô hấp được thay đổi trong khoảng ở Bảng 1.3;
Bảng 1.3 Khoảng cho phép thay đổi của các thông số hô hấp giới hạn đề tài
Thông số thông khí Khoảng giá trị
Thể tích khí lưu thông VT = 350 ÷ 700 ml
Nhịp thở RR = 12 ÷ 40 nhịp/phút
Tỉ lệ thở I:E = 1:2 ÷ 1:4 Áp suất đỉnh PIP ≤ 40 cmH2O Áp suất cảnh báo P ≤ 35cmH2O
Thời gian giữ Tplateau được quy định từ 0.5 đến 1 giây, trong khi áp suất cặn PEEP nằm trong khoảng 5 đến 15 cmH2O Để đánh giá chất lượng máy thở BVM, cần xem xét các tiêu chí chất lượng theo quy định kiểm định máy thở Việt Nam ĐLVN 331:2017, được trình bày chi tiết trong Bảng 1.4.
Bảng 1.4 Tiêu chí chất lượng máy thở theo quy định kiểm định ĐLVN 331:2017
Thông số thông khí Tiêu chí chất lượng
Thể tích khí lưu thông VT Sai số thể tích khí lưu thông ≤ ±15% So với máy chuẩn
Thời gian hít vào Ti và thở ra Te Sai số thời gian thở vào hoặc thở ra ≤ ± 5 %
Nhịp thở RR Sai số đo nhịp thở ≤ ±10% hoặc 2bpm (lần/phút)
(lấy giá trị nhỏ hơn) so với máy chuẩn
Tỉ lệ thở I:E Sai số đo tỷ số I:E, δIE ≤ ±10 % so với máy chuẩn
ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ PHỔI
Mô hình đường hô hấp
Trong thông khí cơ học, lưu lượng và áp suất là hai thông số quan trọng cần theo dõi Mô hình đường hô hấp thể hiện mối quan hệ giữa áp suất, lưu lượng và thể tích khí thở Từ mô hình này, áp suất đường thở có thể được tính toán dựa trên lưu lượng, thể tích khí thở, cơ học phổi và lực hô hấp chủ động của bệnh nhân Phương trình động lực học hô hấp được biểu diễn như sau [12].
Công thức áp suất trong máy thở được biểu diễn như sau: \( C_{aw} + R_{aw}Q + PEEP + I \), trong đó \( P_{aw} \) (cmH₂O) là áp suất do máy thở tạo ra, \( P_{mus} \) (cmH₂O) là áp suất đường thở do lực hô hấp chủ động của bệnh nhân, và \( V \) (ml) là thể tích khí lưu thông.
𝑐𝑚𝐻 2 𝑂) là độ giãn nở của hệ hô hấp, 𝑅 𝑎𝑤 (𝑐𝑚𝐻 2 𝑂 𝑠
𝐿) là sức cản đường hô hấp,
𝑠 ) là lưu lượng đường thở, 𝑃𝐸𝐸𝑃(𝑐𝑚𝐻 2 𝑂) là áp suất dương cuối kỳ thở và
Biến số 𝐼 (𝑐𝑚𝐻 2 𝑂) thể hiện ảnh hưởng của quán tính trong quá trình hô hấp Trong bối cảnh luận văn, giá trị 𝑃 𝑚𝑢𝑠 gần bằng 0 do máy thở 𝐵𝑉𝑀 hoạt động trong chế độ hô hấp thông khí liên tục bắt buộc Ảnh hưởng của yếu tố quán tính đến áp suất là không đáng kể, dẫn đến việc 𝐼 có thể được xem là gần bằng 0 Do đó, phương trình động lực học hô hấp có thể được mô tả qua một xấp xỉ đơn giản.
Độ giãn nở và sức cản là hai yếu tố quan trọng phản ánh tình trạng của bệnh nhân, vì chúng biến đổi theo trạng thái của các bộ phận liên quan đến quá trình hô hấp như thanh quản, khí quản, phế quản và phế nang Trong quá trình hô hấp, cả độ giãn nở và sức cản của hệ thống hô hấp thay đổi theo thời gian do tình trạng sức khỏe của bệnh nhân Trước đây, độ giãn nở và sức cản đường hô hấp thường được coi là hằng số trong tất cả các nhịp thở nhằm giảm bớt số lượng biến số trong phương trình hô hấp.
Trong luận văn này, độ giãn nở và sức cản của hệ thống được xem là biến số trong suốt quá trình hô hấp Mặc dù hai đại lượng này thay đổi theo thời gian trong một nhịp thở, chúng sẽ được xấp xỉ là hằng số Cơ sở cho việc xấp xỉ này là thể tích khí thở trong giới hạn 𝑉 𝑇 từ 350ml đến 700ml, trong khoảng này, độ giãn nở và sức cản có thể được coi là hằng số theo một số nghiên cứu.
Mục tiêu của chương 2 là xác định độ giãn nở và sức cản đường thở trong hệ hô hấp, với việc xem xét các giá trị này như hằng số trong mỗi nhịp thở.
Phương pháp ước lượng độ giãn nở và sức cản đường thở
Việc ước lượng độ giãn nở và sức cản đường thở có thể thực hiện trong hai điều kiện: khi quá trình hô hấp dừng lại (phương pháp tĩnh) và khi đang hoạt động (phương pháp động).
Bảng 2.1 Phân loại các phương pháp xác định R, C theo nhóm
Nhóm phương pháp xác định 𝑹, 𝑪 Tên phương pháp
Nhóm phương pháp tĩnh Phương pháp hằng số thể tích
Nhóm phương pháp động Phương pháp bình phương tối thiểu
Nhóm phương pháp tĩnh
Phương pháp hằng số thể tích được áp dụng khi quá trình hô hấp ngừng lại, với lưu lượng mong muốn Q bằng 0 Tại thời điểm này, phương trình động học hô hấp (2) sẽ được điều chỉnh tương ứng.
Trong nghiên cứu này, 𝑃 𝑎𝑤, 𝑉 𝑇 và 𝑃𝐸𝐸𝑃 được xác định thông qua các cảm biến áp suất, lưu lượng và giá trị cài đặt của van PEEP Dựa trên các thông số này, độ giãn nở của hệ hô hấp được tính toán một cách chính xác.
Do 𝐶 𝑎𝑤 được xem là hằng số trong 1 nhịp thở, ta tìm được công thức tính sức cản đường thở:
Phương pháp tìm trở lực và độ giãn nở bằng hằng số thể tích cho phép xác định trực tiếp từ phương trình động học hô hấp với độ chính xác cao Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là yêu cầu ngừng hoàn toàn quá trình hô hấp, điều này có thể ảnh hưởng đến sức khỏe của bệnh nhân Do đó, phương pháp này thường được sử dụng để khảo sát ban đầu tình trạng bệnh nhân hoặc để so sánh kết quả với các phương pháp khác.
Nhóm phương pháp động
2.4.1 Phương pháp bình phương tối thiểu
Trong quá trình hô hấp, áp suất, lưu lượng và thể tích được thể hiện qua đồ thị theo thời gian Phương pháp bình phương tối thiểu nhằm tìm giá trị 𝑅 𝑎𝑤 và 𝐶 𝑎𝑤 để tổng bình phương sai số giữa đường áp suất thực tế và đường áp suất xấp xỉ là nhỏ nhất Tổng bình phương sai số được xác định theo một biểu thức cụ thể.
Trong đó, 𝑃 thực tế là áp suất đo được trong quá trình thông khí, được xác định từ phương trình động học hô hấp:
𝐶 𝑎𝑤 + 𝑅 𝑎𝑤 𝑉̇ 𝐼 (7) Thế (7) vào công thức tổng bình phương sai số (6), ta được:
Khai triển biểu thức (8), và thực hiện đạo hàm riêng của 𝑆 theo 𝐶 𝑎𝑤 và theo 𝑅 𝑎𝑤 , tìm được công thức tính 𝑅 và 𝐶 theo phương pháp bình phương tối thiểu:
Kết quả thu được từ (9) có thể được dùng để tính ngược 𝑃 𝑎𝑤 , suy ra được 𝑃 xấp xỉ và đánh giá sai lệch so với 𝑃 thực tế trong hình 2.1
Hình 2.1 Ví dụ đánh giá sai lệch giữa Pthực tế và Pxấp xỉ
Phương pháp bình phương tối thiểu giúp xác định các tham số R và C với độ chính xác cao, tuy nhiên, độ chính xác này còn phụ thuộc vào số lượng mẫu được thu thập Ngoài ra, cần chú ý đến việc loại bỏ một số mẫu ở đầu và cuối để đảm bảo tính chính xác của kết quả.
Phương pháp số được áp dụng dựa trên dữ liệu lưu lượng và thể tích đường thở thực tế Tại thời điểm 𝑡 𝑘, các giá trị 𝑉(𝑡 𝑘), 𝑉̇(𝑇 𝑘) và 𝑃𝐸𝐸𝑃 được xác định Sau đó, bằng cách thiết lập khoảng giá trị cho 𝑅 𝑎𝑤 và 𝐶 𝑎𝑤, chúng ta có thể biểu diễn mặt cong 𝑃 𝑎𝑤 = 𝑓(𝑅 𝑎𝑤, 𝐶 𝑎𝑤).
Hình 2.2 mô tả mặt cong Paw = f(Raw, Caw) tại thời điểm tk, với đường giao tuyến k giữa mặt phẳng Paw(tk) và mặt cong f(Raw, Caw) được chiếu xuống mặt phẳng (R, C) Giá trị Raw và Caw cần tìm nằm trên đường thẳng này Tương tự, tại thời điểm tk', giao điểm của k và k' được xác định với tọa độ là giá trị Raw, Caw cần tìm Trong phạm vi luận văn, Raw và Caw được coi là hằng số.
1 chu kỳ thở Vì vậy, đường chiếu của các giao tuyến tại các thời điểm 𝑡 khác nhau trong cùng một nhịp thở sẽ giao nhau tại một điểm (Hình 2.3)
Hình 2.3 Giao điểm của hình chiếu các đường giao tuyến
Phương pháp số để xác định 𝑅 𝑎𝑤 và 𝐶 𝑎𝑤 được đánh giá là đơn giản hơn so với các phương pháp khác, vì nó chỉ dựa vào phương trình đường hô hấp và các thông số đầu vào như lưu lượng và áp suất dương cuối kỳ thở Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu một lượng tính toán lớn và trong thực tế, các giao điểm không hội tụ về một điểm do độ giãn nở và sức cản đường thở có thể thay đổi trong mỗi nhịp thở Do đó, cần thêm các bước xác định điểm hội tụ xấp xỉ, làm cho quá trình tính toán trở nên phức tạp hơn.
Kết luận
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu máy thở BVM với khả năng điều chỉnh thông số đường thở theo tình trạng bệnh nhân Nghiên cứu sẽ tiến hành mô phỏng và thực nghiệm hai phương pháp trong nhóm phương pháp nhận dạng động, nhằm so sánh kết quả độ giãn nở và trở lực đường hô hấp với phương pháp nhận dạng tĩnh Phương pháp nào cho kết quả phù hợp nhất với thiết bị máy trợ thở BVM sẽ được lựa chọn dựa trên tiêu chí độ chính xác và khả năng xử lý của vi điều khiển máy thở.
BỘ TẠO MẪU TRUNG TÂM CPG
Tổng quan và phân loại các bộ tạo mẫu trung tâm CPG
3.1.1 Tổng quan bộ tao mẫu trung tâm CPG
Bộ tạo mẫu trung tâm (Central Pattern Generator - CPG) là một mạch thần kinh gồm nhiều nơron kết nối qua các xi-náp kích thích và ức chế, có vai trò quan trọng trong việc điều khiển các cơ bắp co giãn một cách tuần hoàn Điều này cho phép sinh vật thực hiện các hoạt động lặp đi lặp lại như đi lại, bơi, thở và nhai, từ đó giảm bớt khối lượng điều khiển từ não bộ Khi áp dụng cho robot, CPG được sử dụng để tạo dao động cho việc điều khiển các chuyển động lặp lại, với mô hình toán học có đầu vào không thay đổi và đầu ra là tín hiệu dao động tuần hoàn.
Có thể liệt kê một số tính chất khác biệt của bộ dao động CPG so với dao động cơ bản như từ hàm lượng giác bao gồm:
Trong một chu kỳ, dao động có thể có các đoạn với tần số dao động khác nhau (Hình 3.1b)
Dao động không bị gấp khúc, khi các thông số dao động như biên độ, tần số thay đổi theo dạng hàm nấc (Hình 3.1c)
Hình 3.1 Tổng quan bộ dao động CPG
Trong quá trình thông khí bệnh nhân bằng máy thở BVM, tính chất c) cho phép máy thở điều chỉnh dao động bóp thả bóng 𝐴𝑀𝐵𝑈 nhằm phù hợp với thể trạng của bệnh nhân theo thời gian.
Mục tiêu của chương này là lựa chọn, thiết kế và đánh giá các tính chất của bộ tạo mẫu trung tâm CPG Các tính chất cần được đánh giá bao gồm khả năng tạo dao động không bị đứt gãy và tính ổn định của bộ dao động.
3.1.2 Phân loại các bộ dao động
Dựa vào nguyên lý tạo dao động, CPG được phân loại làm ba nhóm cơ bản (Hình
Nhóm nơ ron tạo dao động thông qua sự sắp xếp, kết nối và kích thích lẫn nhau giữa các nơ ron Nhóm dao động nửa trung tâm phát sinh từ phản ứng kích thích - ức chế tương hổ, trong khi nhóm dao động trừu tượng dựa vào các phương trình vi phân mà không cần tương tác nơ ron Kiến trúc nơ ron có độ phức tạp cao do cấu trúc mạng nơ ron và đặc trưng từng nơ ron Kiến trúc dao động trừu tượng cho phép tạo ra đầu ra dao động phi tuyến với đầu vào và dễ biểu diễn tường minh Cuối cùng, nhóm kiến trúc dao động nửa trung tâm kết hợp giữa nơ ron và trừu tượng, thích hợp cho việc tạo ra dao động với nhiều chu kỳ theo từng đoạn.
Máy trợ thở BVM sử dụng tín hiệu lưu lượng hình sin để điều khiển trong kỳ hít và giữ, không cần chia đoạn với các tần số khác nhau Tín hiệu dao động cần điều chỉnh biên độ và tần số trực tiếp, ảnh hưởng đến thể tích khí hô hấp và nhịp thở do bác sĩ cài đặt Do đó, bộ tạo dao động CPG với mô hình dao động tuyến tính được lựa chọn, giúp đơn giản hóa quá trình tính toán.
Mặc dù phương pháp 24 có một số nhược điểm, như khó áp dụng cho hệ nhiều bậc tự do và hạn chế về tần số dao động trong một chu kỳ, nhưng máy thở BVM chỉ yêu cầu một bậc tự do và một tần số dao động, do đó việc chọn bộ CPG tuyến tính không bị ảnh hưởng nhiều bởi những nhược điểm này.
Hình 3.3: Tóm tắt ưu nhược điểm của bộ CPG tuyến tính
Bộ dao động tuyến tính
Máy trợ thở BVM hoạt động với một bậc tự do, do đó chỉ cần một bộ dao động Chúng ta áp dụng mô hình CPG thông qua hệ phương trình vi phân để thể hiện bộ dao động CPG tuyến tính.
𝑟(𝑡), 𝑥(𝑡), 𝜙(𝑡) là các biến trạng thái thể hiện biên độ, offset và độ lệch của bộ dao động
𝑅, 𝑋, 𝜐 là biên độ, offset và tần số dao động mong muốn của bộ dao động
𝛼, 𝛽, 𝜇 là các tham số được xác định trong quá trình thiết kế bộ tạo dao động
𝜃(𝑡) là đầu ra của bộ dao động
Đánh giá bộ dao động tuyến tính
Thực hiện chuyển vế phương trình (10), (11) và (12), ta được:
Có thể thấy, phương trình (14), (15), (16) có chung 1 dạng tổng quát là:
𝜔 𝑦̇(𝑡) + 𝑦(𝑡) = 𝑢(𝑡) (17) Phương trình (17) là phương trình vi phân của hệ tuyến tính bậc hai, với:
𝜔 là tần số dao động riêng của hệ
𝜁 là hệ số giảm chấn
𝑢(𝑡) là tín hiệu đầu vào
𝑦(𝑡) là tín hiệu đầu ra
Hệ số giảm chấn 𝜁 = 1 biểu thị cho trường hợp dao động giảm chấn tới hạn (critically damping) Nghiệm của phương trình (17) khi đầu vào 𝑢 là hằng số và giá trị ban đầu là 𝑦(0) = 0 cùng 𝑦̇(0) = 0 được xác định rõ ràng.
𝑦(𝑡) = 𝑢[1 − 𝑒 −𝜔𝑡 (1 + 𝜔𝑡)] (18) Khi đó, đồ thị 𝑦(𝑡) với đầu vào 𝑢(𝑡) = 1, 𝜔 = 1 được biểu diễn trong Hình 3.4
Hình 3.4 Thay đổi đầu ra theo đầu vào của hệ tuyến tính bậc 2
Theo nghiệm (18), đầu ra 𝑦(𝑡) tiến dần về giá trị 𝑢(𝑡) khi 𝑡 → ∞ theo dạng hàm mũ Khi so sánh với các phương trình (14), (15) và (16), tín hiệu đầu ra hội tụ về tín hiệu đầu vào với dạng hàm mũ, trong đó các biến trạng thái 𝑟, 𝑥 và 𝜙 sẽ lần lượt tiến về biên độ mong muốn 𝑅, offset mong muốn 𝑋 và tần số góc dao động mong muốn 2𝜋𝜐 Hơn nữa, tần số dao động riêng của hệ ảnh hưởng đến tốc độ tiến về 𝑢(𝑡) của 𝑦(𝑡), như được thể hiện trong Hình 3.5 Do đó, các giá trị 𝛼, 𝛽, 𝜇 cũng cần được xác định để tạo ra dao động phù hợp.
Hình 3.5 Thay đổi đầu ra theo đầu vào của hệ tuyến tính bậc 2 với ω ∈ [0.5,1,5]
Phương trình (13) mô tả dao động đầu ra 𝜃(𝑡), trong đó các biến 𝑟, 𝑥 và 𝜙 có khả năng hội tụ về các giá trị 𝑅, 𝑋 và 2𝜋𝜐 tương ứng với các giá trị ban đầu tùy ý Khi thời gian tiến đến vô hạn (𝑡 → ∞), dao động mong muốn sẽ chuyển biến thành dạng hàm sin.
𝑡→∞[𝑠𝑖𝑛(2𝜋𝜐𝑡)] (19) Đầu ra 𝜃(𝑡) của bộ dao động 𝐶𝑃𝐺 được biểu diễn trong hình 3.6
Hình 3.6 Mô phỏng đầu ra bộ dao động CPG tuyến tính
Đầu ra 𝜃 của bộ dao động CPG phụ thuộc vào các tham số 𝛼, 𝛽, 𝜇, bên cạnh các thông số như biên độ, tần số và offset Những tham số này ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian xác lập của bộ dao động CPG, có nhiệm vụ điều chỉnh dao động nhằm giảm áp suất đường thở Theo TCVN 7010-2-2007, khoảng thời gian từ khi áp lực hệ thống thông khí đạt giới hạn đến khi áp lực bắt đầu giảm không được vượt quá 200 ms Do đó, các tham số cần được tính toán để đảm bảo thời gian xác lập nhỏ hơn hoặc bằng 0.2 giây Kết quả mô phỏng đầu ra của bộ CPG được thể hiện trong hình 3.7.
Hình 3.7 Mô phỏng đầu ra bộ dao động CPG tuyến tính hằng số thời gian 0.2 giây
Nhận xét về tính ổn định của dao động từ bộ CPG tuyến tính cho thấy rằng khi thời gian tiến tới vô cùng, dao động đầu ra của CPG trở nên ổn định và tiến gần tới quỹ đạo hình sin.
3.3.2 Tính liên tục của đạo hàm
Mục tiêu của đề tài là điều chỉnh các thông số hô hấp trong quá trình thông khí bằng máy thở BVM Để thực hiện điều này, chúng ta sẽ thay đổi các giá trị biên độ, tần số và offset theo dạng hàm nấc Do đó, đầu vào của mô hình CPG tuyến tính sẽ là các hàm nấc, với một dạng tổng quát chung.
Để chứng minh rằng đầu ra của bộ dao động không có tính "gấp khúc", ta cần xem xét đạo hàm đầu ra dao động 𝜃(𝑡) của bộ CPG, được suy ra từ phương trình (13) Trong đó, 𝑡 0 là điểm thay đổi giá trị đầu vào, và điều kiện 𝑈 1 nếu 𝑡 ≥ 𝑡 0 (21) được áp dụng.
Với 𝑥(𝑡), 𝑟(𝑡), 𝜙(𝑡) các nghiệm của các phương trình (14), (15) và (16) Ba phương trình này đều có chung 1 dạng tổng quát (17) với nghiệm:
Phương trình 𝑦(𝑡) = 𝑒 −𝜔𝑡 (𝐶 1 + 𝐶 2 𝑡) + 𝑢(𝑡) mô tả mối quan hệ giữa đầu ra 𝑦(𝑡) và đầu vào 𝑢(𝑡), trong đó 𝐶 1 và 𝐶 2 là các tham số xác định từ điều kiện ban đầu Đạo hàm 𝑦̇(𝑡) = −𝜔𝑒 −𝜔𝑡 (𝐶 1 + 𝐶 2 𝑡) + 𝑒 −𝜔𝑡 𝐶 2 cho thấy sự biến đổi của 𝑦(𝑡) theo thời gian Cả 𝑢(𝑡), 𝐶 1 và 𝐶 2 đều là hằng số trong khoảng [0, 𝑡 0) và [𝑡 0, ∞), đảm bảo rằng nghiệm 𝑦(𝑡) của phương trình liên tục và khả vi cho mọi 𝑡 ∈ [0; ∞).
Thế vào phương trình đạo hàm đầu ra dao động 𝜃(𝑡), suy ra:
Đạo hàm đầu ra của bộ dao động CPG liên tục cho thấy sự ổn định khi các đầu vào thay đổi theo dạng hàm nấc Tính chất không “gãy khúc” của đầu ra được mô phỏng rõ ràng trong hình 3.8 và hình 3.9.
Hình 3.8 Mô phỏng đầu ra bộ dao động CPG tuyến tính khi biên độ thay đổi
Hình 3.9 Đầu ra bộ dao động CPG tuyến tính khi tần số hoặc offset thay đổi
Đầu ra của bộ dao động CPG có đạo hàm liên tục cho mọi giá trị thời gian từ 0 trở lên, cho thấy rằng 𝜃(𝑡) không có tính chất gãy khúc ngay cả khi đầu vào thay đổi theo dạng hàm nấc.
Kết luận
Bộ dao động CPG tuyến tính cho phép tạo ra dao động hình sin khi các trạng thái hội tụ về hằng số theo thời gian Khi các thông số dao động như biên độ và tần số thay đổi theo dạng hàm nấc, đầu ra vẫn giữ được sự mượt mà mà không bị “gấp khúc” So với các bộ CPG khác, bộ CPG tuyến tính có ưu điểm là các phương trình trạng thái tuyến tính, giúp đơn giản hóa quá trình tính toán Tham số đầu vào của bộ dao động bao gồm biên độ (R), offset (X) và tần số mong muốn (ν), cho phép người dùng dễ dàng điều chỉnh để đạt được dao động như ý.
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Phương trình vi phân máy thở BVM
4.1.1 Phương trình vi phân lý thuyết máy thở BVM
Trong luận văn này, máy thở BVM được thiết kế để thông khí cho bệnh nhân với thể tích khí mong muốn từ người vận hành, với đầu ra là lưu lượng khí hô hấp đo từ cảm biến lưu lượng và đầu vào là điện áp điều chỉnh qua phương pháp PWM Mục tiêu của nghiên cứu là phát triển máy thở có khả năng thay đổi các thông số theo tình trạng bệnh nhân, trong đó áp suất khí hô hấp cần được xác định để hạn chế tổn thương khi tình trạng bệnh nhân thay đổi Sơ đồ nguyên lý của máy thở mặt nạ van túi được trình bày trong hình 4.1.
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý máy thở BVM
Vì máy thở BVM có dạng đối xứng, nên ta phân tích động lực học máy thở BVM cho 1 bên tay kẹp, biểu diễn trong hình 4.2
Hình 4.2 Biễu diễn lực và momen tác động lên tay kẹp
Trong phương trình cân bằng momen xoắn cho tay kẹp, 𝜏 đại diện cho momen xoắn trên trục động cơ, trong khi 𝑃 là trọng lực tác động Phản lực từ bóng AMBU được ký hiệu là 𝐹 𝐴𝑀𝐵𝑈, và các tham số 𝑚, 𝐿, 𝐼 lần lượt biểu thị khối lượng, chiều dài và momen xoắn của tay kẹp Cuối cùng, 𝑙 là cánh tay đòn tương ứng với lực 𝐹 𝐴𝑀𝐵𝑈.
Trong đó, 𝜑 là góc xoay tay kẹp, 𝑃 và 𝐹 𝐴𝑀𝐵𝑈 lần lượt được tính theo công thức
Trong phương trình 𝑃 = 𝑚𝑔, 𝐹 𝐴𝑀𝐵𝑈 = 𝑃 𝑎𝑤 𝑆, 𝑃 𝑎𝑤 đại diện cho áp suất đường thở, trong khi 𝑆 là diện tích mặt tiếp xúc giữa tay kẹp và bóng Công thức động lực học của máy thở BVM được diễn đạt lại như sau:
Trong phương trình trên, các tham số cần xác định gồm 𝑙, 𝑆 và 𝜏 Trong đó, 𝑙 có thể được xác định thông qua biểu diễn hình học bóng AMBU trong hình 4.3
Hình 4.3 Biễu diễn hình học bóng AMBU – tay kẹp Suy ra công thức tính tay đòn lực tác động bởi bóng AMBU lên tay kẹp:
Để xác định diện tích tiếp xúc 𝑆 giữa tay kẹp và bóng AMBU, trước tiên cần tìm phương trình đường bao của bóng AMBU Sau đó, diện tích tiếp xúc sẽ được tính toán bằng công thức tích phân mặt.
Hình 4.4 Biểu diễn hình học bóng AMBU
Xấp xỉ biên dạng bóng AMBU trong hình 4.4, đặt 𝑓(𝑥) là phương trình đường bao bóng AMBU, giả sử 𝑓(𝑥) là đường parapol được biểu diễn theo công thức:
𝑓(𝑥) = 𝐶 1 𝑥 2 + 𝐶 2 𝑥 + 𝐶 3 (35) Thế các điều kiện biên gồm 𝑓(0) = 65.5 và 𝑓(−106) = 𝑓(106) = 0 vào phương trình trên, ta tìm được 𝐶 1 = −𝑅 1
𝑅 2 2 , 𝐶 2 = 0 và 𝐶 3 = 𝑅 1 , biểu diễn lại theo công thức:
Với 𝑅 1 = 65.5 và 𝑅 2 = 106 Để kiểm chứng tính chính xác phương trình này, do bóng 𝐴𝑀𝐵𝑈 có dạng khối tròn xoay, thể tích bóng AMBU có thể được tính công thức:
Thể tích bóng AMBU đo được lớn hơn 23.87𝑚𝑙 so với thể tích 1500𝑚𝑙 do nhà cung cấp cung cấp, với sai số tỉ đối khoảng 1.59% Phần chênh lệch này chủ yếu nằm ở khu vực đầu và cuối của bóng, có giá trị nhỏ so với tổng thể tích Vì vậy, chúng ta sẽ sử dụng hàm 𝑓(𝑥) để tính xấp xỉ diện tích tiếp xúc giữa tay kẹp và bóng AMBU, như được thể hiện trong Hình 4.5.
Hình 4.5 Biểu diễn hình học mặt cắt bóng AMBU và tay kẹp
Từ hình 4.5, diện tích mặt cắt bóng AMBU và tay kẹp có thể được tính theo công thức:
Trong đó, 𝑔(𝑥) là hàm theo biến 𝑥, được tính bằng cách tìm 𝑧 trong phương trình đường bao parabol biễu diễn trong Hình 4.5 Với ℎ được tính theo Hình 4.3:
Phương trình vi phân cho máy thở BVM được xác định bằng cách thay thế các phương trình (2), (34) và (38) vào (32) Trong đó, đầu vào là momen xoắn từ động cơ 𝜏, còn đầu ra là thể tích khí hô hấp 𝑉.
Trong đó, S là diện tích mặt tiếp xúc tay kẹp và bóng AMBU được tính theo công thức (38)
Phương trình vi phân của máy thở BVM có độ phức tạp cao, vì vậy cần tìm phương trình vi phân xấp xỉ để đơn giản hóa quá trình tính toán và điều khiển.
4.1.2 Phương trình vi phân xấp xỉ máy thở BVM
Để xác định phương trình vi phân xấp xỉ của máy thở BVM, trước tiên cần tìm phương trình vi phân mô tả đặc tính động lực học của động cơ DC, như được trình bày trong sơ đồ điện và cơ động cơ DC ở hình 4.6 Sau đó, phương trình này sẽ được thay vào (40) để tìm ra phương trình vi phân của máy thở BVM, với đầu vào là điện áp động cơ và đầu ra là thể tích khí hô hấp Trong sơ đồ, 𝑈 đại diện cho điện áp được đặt vào.
Trong động cơ, hai đầu động cơ có điện trở 𝑅 và điện cảm 𝐿 của cuộn dây phần ứng, trong khi suất điện động cảm ứng 𝑒 được sinh ra do chuyển động của cuộn dây trong từ trường Khi rotor của động cơ quay, nó tạo ra mômen xoắn 𝜏, được đặc trưng bởi moment quán tính 𝐽 và hệ số ma sát 𝑏 Cần xem xét phương trình điện và cơ của động cơ để hiểu rõ hơn về hoạt động của nó.
Mômen xoắn do động cơ tạo ra tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện trong cuộn dây phần ứng thông qua hằng số 𝐾 𝑡, được biểu diễn bằng công thức T = Kt * i Đồng thời, suất điện động cảm ứng cũng tỷ lệ với vận tốc góc nhờ vào hằng số 𝐾 𝑏, thể hiện qua công thức e = Kb * 𝜑̇ Khi có 𝐾 𝑏 = 𝐾 𝑡 = 𝐾, hệ phương trình vi phân (41) sẽ được đơn giản hóa.
Laplace hóa hệ phương trình trên, tìm thương giữa 𝜑(𝑠) và 𝑈(𝑠), ta được hàm truyền vị trí của động cơ:
Do hàm truyền tốc độ động cơ không có vọt lố, hai cực của hàm truyền là cực thực Do đó, hàm truyền tay kẹp có thể được diễn đạt lại như sau:
𝑠(1 + 𝑇 1 𝑠)(1 + 𝑇 2 𝑠) (44) Để tìm được hàm truyền tay kẹp, ta cần phải tìm được các thông số gồm 𝐾, 𝑇 1 và
Các thông số trong hệ thống có thể được ước lượng thông qua công cụ nhận dạng từ MATLAB, sử dụng dữ liệu đầu vào như thể hiện trong hình 4.7 và kết quả nhận dạng được trình bày trong hình 4.8.
Hình 4.7 Bộ dữ liệu đầu vào để nhận dạng hàm truyền động cơ Hàm truyền nhận dạng được có 3 cực:
Hình 4.8 Biểu diễn cực và zero của hàm truyền động cơ
Hàm truyền của động cơ có hai cực, trong đó phần thực của cực 𝑠₁ ≈ −19091.25 lớn hơn phần thực của cực 𝑠₂ = −564.97 khoảng 33 lần Vì vậy, cực 𝑠₂ được loại bỏ do ảnh hưởng không đáng kể đến đầu ra của hệ thống.
Khi lắp khối lượng 𝑚 vào trục động cơ, yếu tố quán tính sẽ thay đổi, do đó cần điều chỉnh công thức tổng quát của hàm truyền động cơ xấp xỉ Công thức mới được xác định là 𝑠(1 + 0.00177𝑠) (45).
Xét phương trình vi phân lý thuyết máy thở BVM (40)
Chúng tôi đã tiến hành khảo sát hệ thống thực tế để xấp xỉ phương trình trên Khi góc xoay tay kẹp thay đổi theo dạng hàm dốc, chúng tôi đã thu thập dữ liệu về góc xoay tay kẹp và thể tích khí hô hấp, như thể hiện trong hình 4.9 và 4.10.
Hình 4.9 Tín hiệu góc xoay dạng dốc và thể tích khí thở theo thời gian
Hình 4.10 Mối liên hệ giữa góc xoay tay kẹp và thể tích khí hô hấp khi góc xoay dạng dốc
Ta nhận thấy, khi góc xoay tăng từ 0 độ đến hơn 5 độ, thể tích khí hô hấp gần bằng
Thiết kế bộ điều khiển thể tích
Sơ đồ điều khiển máy thở BVM có sơ đồ khối như hình 4.14
Hình 4.14 Sơ đồ điều khiển máy thở BVM
Trong đó, hệ thống là hệ hồi tiếp âm, với các thành phần trong miền tần số gồm
Hàm truyền bộ điều khiển được ký hiệu là 𝐺 𝑐 (𝑠), trong khi hàm truyền máy thở 𝐵𝑉𝑀 được ký hiệu là 𝐺 𝐵𝑉𝑀 (𝑠) Các biến 𝑅, 𝑋, 𝜐 lần lượt đại diện cho biên độ, offset và tần số dao động mong muốn của bộ tạo dao động CPG Biến 𝑄 biểu thị lưu lượng khí thở và cũng là biến điều khiển, trong khi 𝑄 𝑟 là lưu lượng khí thở mong muốn.
Sai số điều khiển (E, u) và luật điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý áp suất khí hô hấp (P) và thể tích khí hô hấp (V) Bộ giới hạn áp suất giúp nhận diện trở lực và độ giãn nở của đường thở, từ đó xác định lưu lượng khí thở mong muốn cho các kỳ tiếp theo Mục tiêu chính là giảm áp suất khi vượt quá ngưỡng cảnh báo.
Từ sơ đồ điều khiển, sai số của hệ thống được xác định theo công thức
Suy ra sai số xác lập:
Xét giới hạn khi 𝑠 → 0 của tử số 𝑒 𝑥𝑙 :
Trong chương (3), ta xác định được lim
Xét giới hạn khi 𝑠 → 0 của mẫu số: lim𝑠→ 0[𝐷(𝑠)] = 1 + lim
𝑠→ 0(𝐺 𝑐 (𝑠)𝐺 𝐵𝑉𝑀 (𝑠)) (57) Với dạng tổng quát của 𝐺 𝐵𝑉𝑀 (𝑠) = 𝑎 2 𝑠 2 +𝑎 1 𝑠+𝑎 0
Hệ thống được xấp xỉ là hệ tuyến tính nên bộ điều khiển PID được lựa chọn Để sai số xác lập hội tụ về 0 khi 𝑡 → ∞, 𝐺 𝑐 (𝑠) cần có ít nhất một khâu tích phân lý tưởng và khâu hiệu chỉnh tỉ lệ Khâu hiệu chỉnh tỉ lệ giúp các cực của hệ kín di chuyển ra xa trục thực, dẫn đến đáp ứng dao động mạnh và độ vọt lố cao Tuy nhiên, hệ thống cần đáp ứng quỹ đạo mong muốn trong thời gian hữu hạn Khâu tích phân tỉ lệ sẽ làm quỹ đạo nghiệm số tiến về bên phải mặt phẳng phức, tăng độ vọt lố và giảm sai số xác lập, đảm bảo thời gian xác lập của hệ Việc tăng độ vọt lố trong giai đoạn quá độ không ảnh hưởng nhiều tới kết quả, vì kết quả được đánh giá qua tín hiệu trong giai đoạn xác lập (thể tích khí hô hấp tại cuối kỳ thở) Do đó, bộ điều khiển được lựa chọn là bộ điều khiển PI.
4.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PI
Bộ điều khiển PI được biễu diễn với sơ đồ điều khiển trong hình 4.15
Hình 4.15 Sơ đồ khối hệ điều khiển vòng kín máy thở BVM
Ta tìm 𝐾 𝑃 và 𝐾 𝐼 bằng phương pháp giải tích Xét phương trình đặc tính của hệ kín:
Theo tiêu chuẩn ĐLVN 331:2017, sai số thể tích khí lưu thông trong một nhịp thở phải nhỏ hơn hoặc bằng 15% Để đánh giá chất lượng của hệ kín, cần xác định các chỉ tiêu như độ vọt lố và thời gian xác lập Đối với độ vọt lố, giá trị tối đa được chọn không quá 10% giá trị xác lập Công thức tính độ vọt lố dựa trên hệ số giảm chấn 𝜉 được nêu trong (62).
Thời gian xác lập cho máy thở được chọn là 0.5 giây, với thời gian hít vào tối thiểu là 1 giây Thời gian xác lập theo chuẩn 5% phụ thuộc vào hệ số giảm chấn 𝜉 và tần số cắt 𝜔 𝑛, được biểu diễn trong công thức (64) Trong đó, tần số cắt 𝜔 𝑛 được chọn là 10.
Vậy phương trình đặc tính mong muốn của hệ kín
+ ((𝐴 + 𝐵)𝜔 𝑛 2 + 2𝜉𝜔 𝑛 𝐴𝐵)𝑠 + 𝐴𝐵𝜔 𝑛 2 = 0 (67) Cân bằng các hệ số hai phương trình (61) và (67), suy ra:
Giải hệ phương trình (68), với 𝑎 2 = 10.39, 𝑎 1 = 329.1, 𝑎 0 = 1954, 𝑏 2 11.26, 𝑏 1 = 118.9, 𝑏 0 = 92.52 , ta tìm được nghiệm:
Vậy, hàm truyền của khâu hiệu chỉnh 𝑃𝐼 cần thiết kế là:
Bộ giới hạn áp suất
Bộ giới hạn áp suất có hai nhiệm vụ:
Xác định thông số đường thở gồm độ giãn nở phổi 𝐶 và sức cản đường thở 𝑅 được trình bày ở chương 2
Xác định 𝑅, 𝑋, 𝜐 là đầu vào của bộ tạo dao động CPG trong trường hợp 𝑅, 𝐶 thay đổi trong quá trình thông khí
Nhiệm vụ xác định các thông số 𝑅, 𝑋, 𝜐 khi 𝑅 và 𝐶 thay đổi là mục tiêu chính của đề tài, nhằm phát triển máy thở BVM có khả năng phát hiện sự thay đổi trong tình trạng hô hấp của bệnh nhân Qua đó, thiết bị sẽ thực hiện các điều chỉnh cần thiết để đảm bảo an toàn cho người bệnh.
Trong nghiên cứu, khi áp suất vượt quá 35 cmH₂O, phổi của bệnh nhân có thể bị tổn thương khí áp, hay còn gọi là Barotrauma, một dạng tổn thương thường gặp khi thở máy Tình trạng này có thể dẫn đến vỡ phế nang và gây ra tràn khí màng phổi.
50 phổi, viêm nhiễm [22] Do đó, việc kiểm soát áp suất đóng vai trò quan trọng cho việc giữ an toàn người bệnh trong quá trình thở máy
Trong nghiên cứu trước đây, máy thở BVM đã được trang bị tính năng cảnh báo bằng phát còi khi áp suất đường thở (𝑃 𝑎𝑤) vượt quá 35 𝑐𝑚𝐻2𝑂, nhằm đảm bảo an toàn cho người vận hành Bên cạnh đó, van giới hạn áp suất cũng được lắp đặt để giảm thiểu rủi ro Tuy nhiên, việc sử dụng van này có thể ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển Do đó, cần bổ sung kiểm soát áp suất trong quá trình điều khiển, với lưu đồ kiểm soát được tham khảo từ tài liệu [21] và thể hiện trong hình 4.16.
Hình 4.16 Lưu đồ giới hạn Paw
Khi áp suất trong đường hô hấp vượt mức an toàn, máy thở BVM sẽ giảm áp suất này bằng cách điều chỉnh tín hiệu lưu lượng khí thở mong muốn 𝑄 𝑟 Điều này liên quan đến phương trình động học hô hấp tại hai thời điểm khác nhau trong kỳ hít.
𝐶 𝑎𝑤 2 = 𝑃 𝑎𝑤 2 (𝑡) − 𝑃𝐸𝐸𝑃 2 (72) Trong đó, 𝑉(𝑡) là thể tích khí trao đổi trong kỳ hít được tính theo công thức:
, 𝑡 ∈ [0; 𝑇 𝑖 ] (73) Thế (73) vào phương trình động học hô hấp (2)
𝐶 𝑎𝑤 2 = 𝑃 𝑎𝑤 2 (𝑡) − 𝑃𝐸𝐸𝑃 2 (75) Tính hiệu (75) và (74), ta được:
Trong (76), trong 1 kỳ thở bất kỳ, ta có:
PEEP, hay áp suất dương cuối kỳ thở, được thiết lập bởi người vận hành máy qua van PEEP và giữ hằng số trong phương trình động học thở, không thay đổi giữa các kỳ thở Các đại lượng 𝑅 𝑎𝑤 và 𝐶 𝑎𝑤 được coi là không thay đổi trong một kỳ thở, phản ánh trạng thái hô hấp hiện tại của bệnh nhân Mục tiêu của việc điều chỉnh 𝑃 𝑎𝑤 là nhằm giảm áp suất trong trạng thái hô hấp hiện tại.
Trong (80), giá trị 𝑃 𝑎𝑤 2 (𝑡) − 𝑃 𝑎𝑤 1 (𝑡) là độ giảm áp suất khi áp suất đạt ngưỡng cảnh báo Đặt độ giảm này bằng công thức (81)
Công thức 2𝜋𝜐𝐶 𝑎𝑤 [1 − cos(2𝜋𝜐𝑡)] mô tả mối quan hệ giữa độ giãn nở 𝑅 𝑎𝑤 và sức cản đường hô hấp 𝐶 𝑎𝑤 Trong đó, 𝜐 đại diện cho tần số dao động mong muốn của bộ dao động CPG, và 𝐾 là độ giảm biên độ dao động của lưu lượng.
Trong phương trình (81), 𝑅 𝑎𝑤 và 𝐶 𝑎𝑤 được xác định từ chương 2, trong khi 𝜐 là tần số dao động mong muốn của bộ tạo dao động 𝐶𝑃𝐺 đã được tính toán trước khi bắt đầu kỳ thở Hằng số 𝐾 thể hiện mức độ giảm biên độ dao động của lưu lượng Do đó, phương trình (81) chỉ có ba biến thay đổi theo thời gian là 𝑃 𝑎𝑤 2 (𝑡), 𝑃 𝑎𝑤 1 (𝑡) và 𝑡 Khi thực hiện biến đổi Laplace cho vế trái của (81), chúng ta sẽ thu được kết quả cần thiết.
ℒ{𝑃 𝑎𝑤 1 (𝑡) − 𝑃 𝑎𝑤 2 (𝑡)} = 𝑃 𝑎𝑤 1 (𝑠) − 𝑃 𝑎𝑤 2 (𝑠) (82) Biến đổi Laplace vế phải của (81):
Kết hợp vế trái (82) và vế phải (83), ta được độ giảm áp suất giữa kỳ hiện tại và tiếp theo trong miền tần số:
Xét biến đổi Laplace của (84), ta được
Biến đổi Laplace ngược (88), ta được :
Trong (90), 𝑄 1 (𝑡) là lưu lượng khí hô hấp của thời điểm trước khi áp suất đạt ngưỡng cảnh báo, được xác định từ chương 3
𝑄 1 (𝑡) = 𝑋 1 + 𝑅 1 sin(2𝜋𝜐𝑡) (91) Thế (91) vào (90), ta tìm được lưu lượng khí hô hấp cho kỳ tiếp theo
Khi áp suất đạt ngưỡng cảnh báo, đường dao động lưu lượng khí hô hấp mong muốn có các thông số như offset không đổi, biên độ bằng biên độ của kỳ hiện tại trừ đi 𝐾 và tần số dao động không đổi Quá trình giảm áp suất cho phép giảm tối đa 2 𝑐𝑚𝐻 2 𝑂 trong một nhịp thở, dẫn đến sự thay đổi trong quỹ đạo của 𝐾 và độ giảm biên độ lưu lượng theo thời gian, như được thể hiện trong hình 4.17.
Hình 4.17 Độ giảm biên độ theo thời gian
Trong quá trình hoạt động của máy thở BVM, bộ ước lượng R và C tính toán sức cản và độ giãn nở của đường thở Bộ giới hạn áp suất sẽ điều chỉnh biên độ của lưu lượng mong muốn, giảm áp suất xuống 2 cmH2O khi áp suất khí hô hấp vượt quá 35 cmH2O.
MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
Mô phỏng
5.1.1 Mô phỏng đáp ứng điều khiển thể tích với quỹ đạo không đổi Đường thể tích mong muốn cho chế độ điều khiển thể tích có dạng hàm cosin trong kỳ hít vào, được biểu diễn ở Hình 5.1 Bên cạnh đó, thể tích chỉ được điều khiển trong thì hít vào và thì giữ, ở thì thở ra, thể tích của máy thở được đo từ hoạt động tự nhiên của hệ BVM Các thông số cài đặt ban đầu của máy thở được lấy nằm trong khoảng hoạt động của máy, trình bày trong Bảng 1.3 Ở đây, ta lấy ba bộ thông số bao gồm một bộ thông số trung bình (dành cho bệnh nhân có chiều cao cân nặng trung bình - bộ thông số 1) và hai bộ thông số thấp nhất (bộ thông số 2) và cao nhất (bộ thông số 3), do đó, ta đưa ra 3 kịch bản điều khiển tương ứng
Kịch bản 1: Bộ thông số đầu vào với thể tích khí hô hấp trung bình trong thời gian hít vào trung bình
Từ các thông số đã cho, chúng ta có thể tính toán thời gian hít vào, thở ra, thời gian giữ và thể tích khí mong muốn Điều này cho phép xác định thời gian hô hấp và quỹ đạo thể tích khí hô hấp cần thiết.
Chỉ tiêu chất lượng yêu cầu là POT ≤ 10% và txl ≤ 0.5s Kết quả mô phỏng sử dụng bộ điều khiển PID, được thiết kế trong mục 4.2.2, được thể hiện qua các hình 5.1, 5.2 và 5.3.
Hình 5.1 Đáp ứng điều khiển thể tích bộ thông số 1
Trong 0.5 giây đầu, hệ thống đạt hơn 95% thể tích khí hô hấp mong muốn với độ vọt lố xấp xỉ bằng 0, cho thấy hệ kín đáp ứng tốt với tiêu chí chất lượng ban đầu Mô phỏng tương tự cũng được thực hiện cho các bộ thông số 2 và 3.
Kịch bản 2: Bộ thông số đầu vào với thể tích khí hô hấp thấp nhất trong thời gian hít vào dài nhất
Suy ra thời gian hô hấp và quỹ đạo thể tích khí hô hấp mong muốn:
Hình 5.2 Đáp ứng điều khiển thể tích bộ thông số 2
Kịch bản 3: Bộ thông số đầu vào với thể tích khí hô hấp cao nhất trong thời gian hít vào ngắn nhất
Suy ra thời gian hô hấp và quỹ đạo thể tích khí hô hấp mong muốn:
Hình 5.3 Đáp ứng điều khiển thể tích bộ thông số 3
Trong môi trường mô phỏng, việc điều khiển thể tích đáp ứng tín hiệu mong muốn dạng hàm cosin đã đạt được các tiêu chí chất lượng, với độ vọt lố (POT) không vượt quá 10% Thời gian xác lập khoảng 0.5 giây và sai số xác lập nằm trong khoảng ±2%.
Dựa trên bộ thông số hô hấp trong các kịch bản điều khiển (93), (95) và (97), chúng tôi đã mô phỏng quá trình nhận dạng R và C bằng cách cung cấp giá trị R và C cho trước để tìm áp suất hô hấp Paw Sau đó, các phương pháp tìm R và C được trình bày trong chương 2 đã được áp dụng để xác định các giá trị R và C xấp xỉ Kết quả được đánh giá qua mức độ sai lệch giữa R và C xấp xỉ so với giá trị cho trước, cũng như sai lệch giữa Paw xấp xỉ và Paw cho trước, bao gồm cả sai lệch do xấp xỉ phương trình động học hô hấp trong thực nghiệm.
Tham khảo từ [23], ta tìm được khoảng giá trị của R là từ 10 ÷ 30 (𝑐𝑚𝐻 2 𝑂 𝑠
𝑐𝑚𝐻 2 𝑂) Trong 3 kịch bản điều khiển trên, ta lần lượt cho trước R, C trong khoảng này, tương ứng lần lượt là giá trị trung bình, thấp nhất và cao nhất
Kịch bản 1: R, C cho trước có giá trị trung bình
Với các giá trị R, C đã cho và kết quả mô phỏng V, Q từ mục 5.1.1, chúng ta có thể áp dụng vào phương trình vi phân hệ hô hấp để xác định áp suất khí hô hấp và áp suất bình nguyên, trong đó PEEP được thiết lập ở mức 5 cmH2O.
Hình 5.4 Các thông số hô hấp kịch bản 1
Bằng cách sử dụng bộ thông số hô hấp trong hình 5.4, chúng tôi đã thực hiện ước lượng các giá trị R và C thông qua phương pháp bình phương tối thiểu và phương pháp số Kết quả cho thấy phương pháp bình phương tối thiểu ước lượng giá trị R khoảng 12 cmH2O.s.
𝑐𝑚𝐻 2 𝑂), với độ phù hợp xấp xỉ 100% Trong khi đó, Phương pháp số cho kết quả ước lượng 𝑅 ≈
𝑐𝑚𝐻 2 𝑂), độ phù hợp xấp xỉ 99.55% Biễu diễn kết quả lần lượt được mô phỏng trong hình 5.5 và hình 5.6 Trong Hình 5.6, ta có thể thấy đường áp suất cho trước và đường áp suất ước lượng có sai lệch trong kỳ giữ
Hình 5.5 Kết quả ước lượng R, C bằng phương pháp bình phương tối thiểu
Hình 5.6 Kết quả ước lượng R, C bằng phương pháp số
Trong điều kiện mô phỏng, phương pháp bình phương tối nhiểu cho kết quả chính xác hơn so với phương pháp số, dựa trên độ sai lệch so với R, C và độ phù hợp của Paw Phương pháp bình phương tối nhiểu không chỉ có phép tính đơn giản mà còn giảm khối lượng tính toán cho vi điều khiển Mặc dù phương pháp số có cách tính đơn giản, nhưng lại yêu cầu khối lượng tính toán lớn hơn Vì vậy, chúng tôi sẽ kiểm tra và lựa chọn giữa hai phương pháp, ưu tiên phương pháp bình phương tối nhiểu.
5.1.3 Mô phỏng quá trình điều khiển với bộ giới hạn áp suất
Dựa trên kết quả điều khiển với quỹ đạo không đổi và nhận dạng R, C, quá trình điều khiển với quỹ đạo thay đổi được mô phỏng thông qua bộ giới hạn áp suất Giả sử R, C của hệ hô hấp tăng giữa hai nhịp thở, dẫn đến áp suất khí hô hấp Paw ở nhịp thở sau tăng, làm thay đổi đường thể tích khí hô hấp mong muốn theo đầu ra của bộ CPG tuyến tính Mục tiêu là giảm áp suất khí hô hấp Paw, và kết quả được đánh giá dựa trên tiêu chí chất lượng của bộ điều khiển cùng giá trị áp suất khí hô hấp sau khi điều chỉnh quỹ đạo thể tích Từ mục 4.3 và ba kịch bản điều khiển ở mục 5.1.1, kịch bản điều khiển được xây dựng khi Paw vượt ngưỡng báo động (35 cmH2O) tại thời điểm ngẫu nhiên trong kỳ hít, xem xét các thông số đầu vào của quá trình hô hấp.
Hình 5.7 Các thông số hô hấp khi không có bộ giới hạn áp suất
Khi không có bộ giới hạn áp suất, áp suất Paw vượt qua ngưỡng áp suất cảnh báo
Tình trạng áp suất 35 cmH2O trong các nhịp thở có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe bệnh nhân Việc sử dụng bộ giới hạn áp suất sẽ dẫn đến sự thay đổi trong các thông số đường thở, như thể hiện trong các hình 5.8, 5.9 và 5.10.
Hình 5.8 Thay đổi quỹ đạo Vr và Qr khi có bộ giới hạn áp suất
Hình 5.9 Đáp ứng điều khiển với quỹ đạo Vr sau khi điều chỉnh Qr
Hình 5.10 Áp suất sau khi điều chỉnh Qr
Hình 5.11 Các thông số hô hấp khi có bộ giới hạn áp suất
Sau khi lắp đặt bộ giới hạn áp suất, giá trị lưu lượng Q sẽ giảm dần trong nhịp thở hiện tại và các nhịp thở tiếp theo, giúp ngăn ngừa áp suất Paw vượt quá ngưỡng nguy hiểm.
Trong điều kiện mô phỏng, đáp ứng điều khiển thể tích với tín hiệu mong muốn là hàm cosin đạt tiêu chuẩn chất lượng với độ lọt vố POT < 10%, thời gian xác lập txl ≈ 0.5 giây và sai số xác lập ±2% Các chỉ tiêu chất lượng này đáp ứng yêu cầu của máy thở theo ĐLVN 331:2017 Đặc biệt, giá trị áp suất hô hấp giảm xuống dưới ngưỡng an toàn 35cmH2O sau khi điều chỉnh quỹ đạo thể tích khí mong muốn Hơn nữa, quỹ đạo thể tích khí hô hấp thể hiện tính liên tục, không bị gãy khúc, gần giống với quỹ đạo thể tích khí hô hấp tự nhiên.
Thực nghiệm
Quá trình thực nghiệm được tiến hành trên mô hình máy thở mặt nạ van túi tại DCSELab, với thiết bị máy thở BVM được trình bày trong hình 5.12.
Hình 5.12 Máy thở mặt nạ van túi BVM
Thiết bị mô phỏng phổi của hãng IngMar, như thể hiện trong Hình 5.13, thay thế thành phần phổi ở sinh vật, cho phép điều chỉnh giá trị trở lực và độ giãn nở của phổi Hai thông số này đặc trưng cho tình trạng phổi, giúp mô phỏng hoạt động của phổi ở các thể trạng bệnh nhân khác nhau và đánh giá kết quả của bộ ước lượng thông số phổi.
Hình 5.13 Bộ mô phỏng phổi IngMar và giá trị R, C cho phép
Quá trình thực nghiệm nhằm đánh giá hoạt động của máy thở trong chế độ điều khiển thể tích và thông khí liên tục bắt buộc, với khoảng hoạt động của máy được minh họa trong hình 5.13 Tín hiệu đầu ra của máy thở bao gồm thể tích và lưu lượng.
Máy thở có khả năng điều chỉnh các thông số hô hấp liên tục và không bị gián đoạn, giúp thích ứng với tình trạng sức khỏe của bệnh nhân Điều này nhằm mục đích giảm thiểu tổn thương cho cơ thể bệnh nhân trong quá trình điều trị.
5.2.1 Thực nghiệm đáp ứng điều khiển thể tích với quỹ đạo không đổi
Ta thực nghiệm trên mô hình máy thở BVM với các thông số hô hấp cài đặt trước như sau:
Thông số 1: Bộ thông số đầu vào với thể tích khí hô hấp trung bình
Hình 5.14 Đáp ứng điều khiển thể tích thực nghiệm
Hình 5.15 Các thông số hô hấp thực nghiệm
Trong 0.5 giây đầu, đáp ứng thể tích khí hô hấp đạt hơn 95% giá trị mong muốn với độ vọt lố xấp xỉ 10%, cho thấy hệ kín đáp ứng tốt với tiêu chí chất lượng ban đầu Tương tự, các bộ thông số 2 và 3 cũng được thực nghiệm.
Thông số 2: Bộ thông số đầu vào với thể tích khí hô hấp cao nhất (hình 5.16 và hình 5.17)
68 Hình 5.16 Đáp ứng điều khiển thể tích thực nghiệm
Hình 5.17 Các thông số hô hấp thực nghiệm
Thông số 3: Bộ thông số đầu vào với thể tích khí hô hấp thấp nhất (hình 5.18 và hình 5.19)
Hình 5.18 Đáp ứng điều khiển thể tích thực nghiệm
Hình 5.19 Các thông số hô hấp thực nghiệm
Nhận xét cho thấy rằng việc đáp ứng điều khiển thể tích với tín hiệu mong muốn là hàm cosin đã thỏa mãn các chỉ tiêu chất lượng như độ vọt lố POT ≤ 10%, thời gian xác lập txl ≤ 0.5 giây và sai số xác lập trong khoảng ±5% Những chỉ tiêu này đều phù hợp với yêu cầu của máy thở theo ĐLVN 331:2017.
5.2.2 Thực nghiệm nhận dạng R, C trong quá trình điều khiển
Quá trình nhận dạng các thông số nội đường thở, bao gồm trở lực và độ giãn nở, được thực hiện tương tự như mô phỏng Đầu vào cho quá trình này là các thông số hô hấp thực nghiệm như lưu lượng, thể tích và áp suất khí thở Kết quả được đánh giá dựa trên mức độ sai lệch của các thông số R và C so với giá trị tính từ phương pháp tĩnh, cũng như sai lệch giữa áp suất đường thở thực tế và áp suất tính từ phương pháp tĩnh.
Hình 5.20 Các thông số hô hấp thực nghiệm
Từ bộ thông số hô hấp, chúng ta có thể tính toán các giá trị R và C bằng các phương pháp tĩnh, bình phương tối thiểu và số Kết quả này được trình bày trong bảng 5.1.
Bảng 5.1 Kết quả ước lượng R, C và sai lệch so với phương pháp tĩnh
Phương pháp bình phương tối thiểu
23.1 (87.48%) Với R, C xấp xỉ vừa tìm được, ta tính Paw từ phương trình động học hô hấp và so sánh với kết quả từ phương pháp tĩnh
Hình 5.21 Kết quả ước lượng R, C bằng phương pháp bình phương tối thiểu
Hình 5.22 Kết quả ước lượng R, C bằng phương pháp số
Kết quả từ hình 5.21 và hình 5.22 cho thấy, trong điều kiện thực nghiệm, phương pháp bình phương tối thiểu đạt độ chính xác cao hơn so với phương pháp số Sự so sánh dựa trên độ sai lệch so với R, C của phương pháp tĩnh và độ phù hợp của Paw Mặc dù phương pháp số có cách tính đơn giản, nhưng khối lượng tính toán lớn dẫn đến việc phải giảm số lượng mẫu, làm giảm độ chính xác của kết quả so với phương pháp bình phương tối thiểu.
73 ta chọn phương pháp bình phương tối thiểu để ước lượng R,C trong quá trình thực nghiệm bộ giới hạn áp suất
5.2.3 Thực nghiệm quá trình điều khiển với bộ giới hạn áp suất
Quá trình thực nghiệm điều chỉnh R và C từ bộ mô phỏng phổi nhằm kiểm soát áp suất khí hô hấp Paw trong từng nhịp thở Khi áp suất vượt ngưỡng cảnh báo, máy thở BVM sẽ giảm thể tích theo quỹ đạo của bộ dao động CPG, dẫn đến việc giảm Paw Do đó, kết quả được đánh giá dựa trên các tiêu chí chất lượng của bộ điều khiển và giá trị liên quan.
Paw sau khi điều chỉnh Qr Ngoài ra, tiêu chí đánh giá còn dựa vào tính chất không “gãy khúc” của tín hiệu
Từ bộ thông số đầu vào, chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm trên máy thở và thu được kết quả khi áp suất khí thở vượt ngưỡng cảnh báo, như thể hiện trong các hình 5.23, 5.24, 5.25, 5.26 và 5.27.
Hình 5.23 Thay đổi quỹ đạo Vr và Qr khi có bộ giới hạn áp suất
Hình 5.24 Đáp ứng điều khiển với quỹ đạo Vr sau khi điều chỉnh Qr
Hình 5.25 Thay đổi đáp ứng V và Q khi có bộ giới hạn áp suất
75 Hình 5.26 Áp suất sau khi điều chỉnh Qr
Hình 5.27 Các thông số hô hấp khi có bộ giới hạn áp suất
Trong điều kiện thực nghiệm, đáp ứng điều khiển thể tích với tín hiệu mong muốn là hàm cosin đạt tiêu chuẩn chất lượng với độ lọt vố POT < 10%, thời gian xác lập txl ≈ 0.5 giây, và sai số xác lập trong khoảng ±5% Các chỉ tiêu này đáp ứng yêu cầu của máy thở theo ĐLVN 331:2017 Giá trị áp suất hô hấp giảm xuống dưới ngưỡng an toàn 35 cmH2O nhờ vào bộ giới hạn áp suất, trong khi quỹ đạo thể tích và lưu lượng khí hô hấp duy trì tính liên tục, không gãy khúc, tương tự như quỹ đạo thể tích khí hô hấp tự nhiên.
Kết luận
Đáp ứng điều khiển thể tích với quỹ đạo dạng hàm cosin giữa mô phỏng và thực nghiệm có độ vọt lố nhỏ hơn 10% và thời gian xác lập khoảng 0.5 giây Tuy nhiên, sai số xác lập từ thực nghiệm cao hơn với khoảng ±5% do sự xấp xỉ tuyến tính của mô hình máy thở Đầu ra thể tích không thay đổi trong một khoảng thời gian đầu do sự tồn tại của vùng chết trong quá trình khảo sát máy thở Dù vậy, các chỉ tiêu chất lượng của đáp ứng thực nghiệm vẫn nằm trong khoảng cho phép của tiêu chuẩn kiểm định máy thở ĐLVN 331:2017.