Thiết kế chế tạo thiết bị sưởi ấm dịch truyền ứng dụng trong y tế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐỖ THỊ THU HẰNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ SƯỞI ẤM DỊCH TRUYỀN ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Y SINH HÀ NỘI - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐỖ THỊ THU HẰNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ SƯỞI ẤM DỊCH TRUYỀN ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Y SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN PHAN KIÊN HÀ NỘI - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, viết luận văn tìm tòi nghiên cứu thân Các số liệu luận văn có thực, kết nghiên cứu ý tưởng tác giả trích dẫn nguồn gốc cụ thể, rõ ràng Luận văn chưa bảo vệ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ chưa công bố phương tiện thông tin Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm mà cam đoan Hà Nội, ngày … tháng … năm 2015 Học viên Đỗ Thị Thu Hằng LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu, với giúp đỡ bảo tận tình thầy cô giáo, động viên khích lệ gia đình, đồng nghiệp bạn bè với cố gắng thân, tác giả hoàn thành đề tài luận văn “Thiết kế chế tạo thiết bị sưởi ấm dịch truyền ứng dụng y tế” Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Phan Kiên người hướng dẫn, giúp đỡ, bảo tác giả tận tình suốt trình thực đề tài Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Sau đại học, Viện Điện tử viễn thông Đại học Bách khoa Hà Nội, thầy cô giáo tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo, đồng nghiệp trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật thiết bị y tế tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tác giả suốt trình học tập thực đề tài Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới công ty TNHH Công nghệ ứng dụng Bách Khoa suốt thời gian qua hỗ trợ tinh thần vật chất cho dự án thực thành công Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp vô quý báu thầy cô giáo, đồng nghiệp, bạn bè, em học sinh giúp đỡ tác giả hoàn thành đề tài luận văn Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2015 Học viên Đỗ Thị Thu Hằng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG BIỂU PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Thuật toán điều khiển PID 1.1.1 Giới thiệu điều khiển PID 1.1.2 Khâu P 1.1.3 Khâu I 10 1.1.4 Khâu D 11 1.1.5 Tổng hợp khâu - Bộ điều khiển PID 12 1.1.6 Rời rạc hóa điều khiển PID 13 1.2 Thiết kế điều khiển PID 15 1.2.1 Sử dụng hàm độ đối tượng (Ziegler - Nichols 1) 15 1.2.2 Sử dụng giá trị tới hạn từ thực nghiệm (Ziegler-Nichols 2) 18 1.3 Sơ lược vấn đề truyền nhiệt 19 1.3.1 Vấn đề truyền nhiệt 19 1.3.2 Tác dụng keo tản nhiệt 23 1.4 Thiết bị, dụng cụ số tiêu chuẩn y tế 24 1.4.1 Dây truyền dịch 24 1.4.2 Chai dịch truyền/túi dịch truyền 24 1.4.3 Cách tính tốc độ truyền 24 CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ TỔNG THỂ 25 2.1 Sơ đồ khối 25 2.1.1 Sơ đồ khối 25 2.1.2 Chức khối 25 2.2 Giới thiệu linh kiện thiết bị 26 2.2.1 Kiến trúc vi điều khiển PIC 18F4550 26 2.2.1.1 Giới thiệu 26 2.2.2.2 Sơ đồ chân 28 2.2.2 Peltier Cooler 12706 32 2.2.2.1 Cấu tạo 33 2.2.2.2 Nguyên lí hoạt động 33 2.2.3 Nhiệt điện trở NTC 36 2.2.4 LM 7805 38 2.2.5 IRFZ44N 39 2.2.6 TLP 250 40 2.3 Các phần mềm hỗ trợ 41 2.3.1 Proteus 7.8 sp2 41 2.3.2 Orcad 9.2 42 2.3.3 CCS 4.104 43 2.3.4 CCS 104 44 2.3.5 Solidworks 2010 45 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHI TIẾT 46 3.1 Thiết kế vỏ 46 3.1.1 Bản vẽ thiết kế vỏ sản phẩm 46 3.1.2 Bản vẽ chi tiết khối gia nhiệt 49 3.1.3 Kết chi tiết thực tế 50 3.2 Thiết kế chi tiết khối 51 3.2.1 Khối nguồn 51 3.2.2 Khối cảm biến 52 3.2.3 Khối công suất khối gia nhiệt 53 3.2.4 Khối điều khiển 55 3.2.5 Sơ đồ nguyên lí tổng thể 56 3.3 Gia công khối mạch 56 3.4 Thuật toán điều khiển 58 3.4.1 Lưu đồ chương trình PID 59 3.4.2 Các thông số 59 3.4.3 Phương pháp xác định hệ số 60 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 62 4.1 Xác định Kp 62 4.2 Xác định Kd 67 4.3 Xác định Ki 71 4.4 Kết thực nghiệm nhiệt độ dịch truyền đầu 73 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC : Analog to Digital Converter - chuyển đổi tương tự - số CNC : Computerized Numerically Controlled - Máy điều khiển máy tính CPU : Central Processing Unit - đơn vị xử lý trung tâm D : Derivative - vi phân I : Integral - tích phân LCD : Liquid Crystal Display - hình tinh thể lỏng NTC : Negative Temperature Coefficient - nhiệt điện trở nghịch PCB : Printed Circuit Board - bảng mạch in PID : Proportional Integral Derivative - điều khiển vi tích phân tỉ lệ P : Proportional - tỉ lệ PWM : Pulse Width Modulation - module điều khiển độ rộng xung TE : ThermoElectric DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình Mô hình máy sưởi ấm dịch truyền Hình Máy sưởi ấm dịch truyển tốc độ cao Hình Thiết bị sưởi ấm dịch truyền tốc độ thấp Hình Đồ thị thể nhiệt độ dịch truyền đầu Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID Hình 1.2 Sơ đồ khối khâu P Hình 1.3 Đáp ứng khâu P Hình 1.4 Đáp ứng khâu I P 10 Hình 1.5 Đáp ứng khâu D PD 12 Hình 1.6 Sơ đồ khối điều khiển PID 12 Hình 1.7 Đáp ứng PID 13 Hình 1.8 Sơ đồ khối PID 14 Hình 1.9 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc có trễ a 16 Hình 1.10 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc có trễ b 17 Hình 1.11 Mô hình điều khiển với Kgh 18 Hình 1.12 Xác định hệ số khuếch đại tới hạn 19 Hình 1.13 Tản nhiệt 20 Hình 1.14 Tản nhiệt 21 Hình 1.15 Tản nhiệt 21 Hình 1.16 Đối lưu nhiệt thùng chứa 22 Hình 1.17 Keo tản nhiệt 22 Hình 1.18 Tác dụng keo tản nhiệt làm mát CPU 23 Hình 1.19 Tác dụng keo tản nhiệt cho làm mát 24 Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị 25 Hình 2.2 Vi điều khiển PIC 18F4550 26 Hình 2.3 USB vi điều khiển PIC 18F4550 26 Hình 2.4 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC18F4550 28 Hình 2.5 Cấu tạo Peltier 33 Hình 2.6 Sự truyển tải nhiệt 34 Hình 2.7 Thông số hình ảnh Peltier 35 Hình 2.8 Đặc tuyến peltier cool TEC 12706 36 Hình 2.9 Nhiệt điện trở NTC 37 Hình 2.10 Đồ thị mối quan hệ R R0 38 Hình 2.11 IC 7805 38 Hình 2.12 Mosfet IRFZ44N 39 Hình 2.13 Thông số sơ đồ chân MOSFET 40 Hình 2.14 Sơ đồ chân TLP250 40 Hình 2.15 Màn hình khởi động phần mềm Proteus 41 Hình 2.16 Giao diện phần mềm 42 Hình 2.17 Giao diện khởi động orcad 43 Hình 2.18 Giao diện Capture Orcad 43 Hình 2.19 Giao diện layout Orcad 43 Hình 2.20 Chọn PIC Wizard 43 Hình 2.21 Giao diện layout Orcad 44 Hình 2.22 Chọn PIC Wizard 44 Hình 2.23 Giao diện khởi động SolidWorks 45 Hình 3.1 Vỏ thiết bị chưa có gia nhiệt 46 Hình 3.2 Mô hình thiết bị lắp gia nhiệt 47 Hình 3.3 Đáy vỏ 47 Hình 3.4 Nắp vỏ 48 Hình 3.5 Mô hình vỏ gỗ tổng thể 48 Hình 3.6 Bản vẽ chi tiết gia nhiệt 49 Kd=0.3 Hình 4.14 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.3 Kd=0.4 Hình 4.15 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.4 69 Kd=0.5 Hình 4.16 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.5 Kd=0.6 Hình 4.17 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=0.6 70 Kd=1 Hình 4.18 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với Kd=1 Hình 4.19 Biểu đồ so sánh hệ số Kd dựa độ vọt lố thời gian xác lập Chọn Kd = 0.4 có cân đối độ vọt lố thời gian đáp ứng (độ vọt lố nhỏ, thời gian xác lập nhỏ) 4.3 Xác định Ki Xác định hệ số Ki thực nghiệm vói Kp=6 Kd=0.2 71 Ki=0.1 Hình 4.20 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.1 Ki=0.2 Hình 4.21 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.2 72 Ki=0.3 Hình 4.22 Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.1 Chọn Ki = 0.2 làm thay đổi yếu tố độ vọt lố, thời gian xác lập loại bỏ sai số xác lập Đồ thị thu tương đối phẳng 4.4 Kết thực nghiệm nhiệt độ dịch truyền đầu Phương án thực đo: Đặt nhiệt độ gia nhiệt từ 37 độ C tăng dần nhiệt độ gia nhiệt đến nhiệt độ mà kết nhiệt độ dịch truyền đạt gần 370C với tốc độ truyền thấp 1ml/phút Kết thu được: Nhiệt độ gia nhiệt để kết đầu đạt gần 370C Các kết đo biểu diễn qua hình sau: 73 Hình 4.23 Nhiệt độ dịch truyền với nhiệt độ gia nhiệt 370C Hình 4.24 Nhiệt độ dịch truyền với nhiệt độ gia nhiệt 380C 74 Hình 4.25 Nhiệt độ dịch truyền với nhiệt độ gia nhiệt 390C Hình 4.26 Nhiệt độ dịch truyền với nhiệt độ gia nhiệt 400C Kết luận Với nhiệt độ gia nhiệt 400C nhiệt độ dịch nhiệt độ gần 37 75 Hình 4.27 Đồ thị quan hệ nhiệt độ tốc độ truyền Từ đồ thị phụ thuộc nhiệt độ dịch truyền đầu vào tốc độ truyền dịch trên, ta thấy rằng, tốc độ nhiệt độ đầu tương đối ổn định phạm vi cho phép theo yêu cầu thiết kế ban đầu 76 KẾT LUẬN Ưu điểm - Thiết bị sưởi ấm dịch truyển thiết kế nhỏ gọn dễ sử dụng lắp đặt - Tiết kiệm lượng hoạt động an toàn - Đáp ứng nhu cầu hoạt động sưởi ấm dịch truyển máu lên nhiệt độ mong muốn Nhược điểm - Thiết kế mẫu mã sản phẩm chưa thẩm mĩ việc chế tạo vỏ chưa tìm đơn vị gia công theo khuôn đúc - Giới hạn nhiệt độ dải rộng không nhiệt độ cố định Kết đạt - Thiết kế chế tạo thiết bị hoàn chỉnh đảm bảo chức sưởi ấm dịch truyền dải nhiệt độ làm ấm cho phép - Điều khiển nhiệt độ gia nhiệt ổn định thời gian độ thấp - Nhiệt độ đầu ổn định đáp ứng nhu cầu - Tấm gia nhiệt gia công chi tiết xác cho hiệu truyền nhiệt tốt Kết chưa đạt - Nhiểt độ dung dịch truyền bị dao động chưa không ổn định - Sản phẩm chưa có vỏ thiết kế solidwork - Chưa thử nghiệm sản phẩm môi trường khám chứa bệnh Hướng phát triển đề tài - Hoàn thiện vỏ sản phẩm mô solidwork việc đúc sản phẩm nhựa - Bổ sung module thiết đặt nhiệt độ cho thiết bị - Bổ sung thêm cảm biến nhiệt độ kiểm soát nhiệt độ gia nhiệt cảm biến nhiệt độ theo dõi nhiệt độ dịch truyền 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Valeri, C R., et al "An experiment with glycerol-frozen red blood cells stored at–80 C for up to 37 years." Vox sanguinis 79.3 (2000): 168-174 [2] Evaluation of red blood cells stored at -80◦C in excess of 10 years J Lecak, K Scott, C Young, J Hannon, and J.P Acker The Department of Laboratory Medicine and Pathology, University of Alberta; and Canadian Blood Services, Research and Development, Edmonton, Alberta, Canada [3] TT.26.2013.TT – BYT ngày 16 – – 2013 [4] Lecak, J., Scott, K., Young, C., Hannon, J., & Acker, J P (2004) Evaluation of red blood cells stored at− 80 C in excess of 10 years Transfusion, 44(9), 1306-1313 [5] Tú Kim, Giới thiệu thuật toán điều khiển PID [Online] Available: http://vi.scribd.com/doc/73335013/GIỚI-THIỆU-THUẬT-TOANĐIỀU-KHIỂN-PID ELLTECco.LTD, Blood warmer ANIMEC AM-2S, Japan – 2001 [6] MICROCHIP, PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet 78 PHỤ LỤC Mã nguồn chương trình điều khiển #include #device *=16 ADC=10 #include #use delay(clock=25000000) // khai bao cho LCD /* #define LCD_ENABLE_PIN PIN_D3 #define LCD_RS_PIN PIN_D0 #define LCD_RW_PIN PIN_D2 #define LCD_DATA4 PIN_D4 #define LCD_DATA5 PIN_D5 #define LCD_DATA6 PIN_D6 #define LCD_DATA7 PIN_D7 #include */ #define samplingTime 10 // thoi gian lay mau 10 ms #define freSampling 100 // float temDat = 40, temDo ; float err, preErr =0; float preOut=0; float Kp=6, Kd=1, Ki=0.2; float pPart =0,iPart=0, dPart=0; float out =0; float duty; float adc; float V, Rt, t; float const B= 3990; float const Rr=10; float const T0 = 298;// T0 Do K float T_chuan = 37; int i; float tong =0; void main() { setup_adc_ports(NO_ANALOGS|VSS_VDD); setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_2); setup_psp(PSP_DISABLED); setup_spi(SPI_SS_DISABLED); setup_wdt(WDT_OFF); setup_timer_0(RTCC_INTERNAL); setup_timer_1(T1_DISABLED); setup_timer_2(T2_DIV_BY_1,99,1); setup_ccp1(CCP_PWM); setup_ccp2(CCP_PWM); setup_comparator(NC_NC_NC_NC); setup_vref(FALSE); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); set_adc_channel(0); /* LCD_Init(); delay_us(10); lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc,"Bat Dau"); delay_ms(100); */ while(TRUE) { for (i=0; i 0C (nhiệt độ bảo quản dịch truyền y tế) nhiệt độ dịch. .. Hình Mô hình m y sưởi ấm dịch truyền Hình M y sưởi ấm dịch truyển tốc độ cao Hình Thiết bị sưởi ấm dịch truyền tốc độ thấp Hình Đồ thị thể nhiệt độ dịch truyền đầu Hình