Thiết kế hệ thống pha dịch lọc đậm đặc tự động dùng trong điều trị thận nhân tạo

Trong bài báo này, đã đề xuất quy trình pha dịch lọc tự động, từ đó thiết kế một hệ thống pha dịch lọc đậm đặc để cung cấp dịch lọc tại chỗ cho thiết bị chạy thận dùng trong điều trị thận nhân tạo.

Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Thiết kế hệ thống pha dịch lọc đậm đặc tự động dùng điều trị thận nhân tạo Vũ Duy Hải, Lại Hữu Phương Trung, Đào Quang Huân, Phạm Mạnh Hùng, Nguyễn Minh Đức Trung tâm Điện tử Y sinh, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Hà Nội, Việt Nam Email: hai.vuduy@hust.edu.vn RO theo tỷ lệ định tiến hành lọc máu thận nhân tạo Yêu cầu nồng độ chất, thông số điện giải, độ dẫn điện áp suất thẩm thấu dịch lọc A, dịch lọc B dịch tổng hợp mô tả bảng [2,3] Một vấn đề gặp phải bệnh viện sử dụng dịch lọc nhập với khối lượng dịch lớn nên sở y tế bị phụ thuộc vào đơn vị nhập dịch, không chủ động lượng dịch cần sử dụng, cần phải có nhiều khơng gian để lưu trữ dịch nhập Vì làm tăng khoản chi phí q trình điều trị cho bệnh nhân Một số sở y tế thực nhập bột dịch, sau pha thủ cơng chỗ để giảm chi phí giá thành điều trị Tuy nhiên, với quy trình pha thủ cơng vấn đề chất lượng hiệu vấn đề sử dụng dịch lọc chưa cao Một số thiết bị pha dịch nước thực pha bột dịch hãng sản xuất mà khơng pha cho loại bột dịch hãng khác [4] Bên cạnh đó, khả thay đổi cơng suất hệ thống để phù hợp với quy mô bệnh viện gặp khó khăn, chưa tối ưu quy trình pha dịch để giảm thời gian pha giảm chi phí vận hành Tóm tắt—Điều trị bệnh suy thận phương pháp chạy thận nhân tạo lựa chọn thực tế với tỷ lệ ngày cao (chiếm 90%) Dịch lọc loại vật tư tiêu hao thiếu trình chạy thận nhân tạo Trên thực tế, dịch lọc sử dụng dạng pha sẵn, đóng thành can từ số nước phát triển, sau vận chuyển cung cấp cho toàn giới Trong báo này, nhóm tác giả đề xuất quy trình pha dịch lọc tự động, từ thiết kế hệ thống pha dịch lọc đậm đặc để cung cấp dịch lọc chỗ cho thiết bị chạy thận dùng điều trị thận nhân tạo Hệ thống thực pha đánh giá cho loại bột dịch lọc khác bột dịch HDF Tianjin bột dịch JH Jihua (đây hai loại bột dịch sở y tế sử dụng để pha tay) Việc đánh giá chất lượng dịch lọc sau pha thể thông số đặc trưng gồm: nồng độ chất Natri Clorid, Kali Clorid, Calci Clorid, Magnesl Clorid, Acid Acetic, Natri Bicabornat; nồng độ chất điện giải Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-; độ dẫn điện áp suất thẩm thấu Kết đánh giá cho thấy, loại dịch lọc sau pha đáp ứng tiêu chuẩn dịch lọc đậm đặc dùng điều trị thận nhân tạo Với kết đạt được, hệ thống hồn tồn sử dụng để thực pha loại dịch lọc dùng điều trị thận nhân tạo nhằm giảm giá thành điều trị, chủ động nguồn dịch lọc cho sở y tế, nâng cao khả điều trị cho bệnh nhân bị suy thận BẢNG Hàm lượng chất dịch A, dịch B dịch tổng hợp dùng điều trị thận nhân tạo Từ khóa—Thận nhân tạo; dịch lọc loại A; dịch lọc loại B; dịch lọc tổng hợp; nước tinh khiết RO; nồng độ điện giải; độ dẫn dịch lọc; áp suất thẩm thấu I GIỚI THIỆU Theo số liệu thống kê Bộ Y tế, với khoảng 10.000 bệnh nhân thường xuyên phải điều trị suy thận phương pháp chạy thận nhân tạo nay, tần suất điều trị 3ca/tuần, ca cần 10lít dịch lọc đậm đặc trung bình năm ngành y tế sử dụng khoảng 15triệu lít Trên thực tế bệnh viện, hầu hết lượng dịch lọc phải nhập từ nước dạng pha đóng thành can sẵn, với giá thành trung bình 15.000đồng/lít Do vậy, năm ngành bảo hiểm y tế khoảng 200 tỷ đồng cho việc nhập dịch lọc [1] Dịch lọc gồm loại dịch Acetat (dịch A) dịch Bicarbonate (dịch B) Khi tiến hành chạy thận nhân tạo, máy lọc thận trộn dịch A, dịch B nước tinh khiết ISBN: 978-604-67-0349-5 Hàm lượng chất dịch A - Hàm lượng chất dịch dịch B - Natri Clorid: 30-31 g/lit - Natri Bicabornat: 65-66 g/lit Nồng độ điện giải sau trộn dịch A, dịch B nước tinh khiết RO (dịch lọc tổng hợp cuối dung để điều trị cho bệnh nhân) - Natri Clorid: 150-160 g/lit Kali Clorid: 5-6 g/lit Calci Clorid: 9-10 g/lit Magnesl Clorid: 3-4 g/lit Acid Acetic: 8-9 g/lit Na+: 130-140 mmol/lit K+: ~2 mmol/lit Ca2+: ~2 mmol/lit Mg2+: ~0.5-1 mmol/lit Cl-: 105-110 mmol/lit Độ dẫn: 130-140mEq/l Áp suất thẩm thấu: ~307 mOsm/l II ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH PHA DỊCH LỌC TỰ ĐỘNG Quy trình pha dịch lọc tự động đề xuất theo mơ tả tóm tắt sau: Bột dịch (A B) cho vào bình pha dịch, tùy theo loại bột dịch, lượng nước siêu tinh khiết RO bơm định lượng vào bình pha dịch thông qua van điện tử, bơm định 317 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) lượng cảm biến mức nước Tiếp theo hệ thống khuấy thực hịa tan bột dịch thơng qua hệ thống khuấy, bơm, van điện tử cảm biến độ dẫn dịch lọc Khi bột dịch tan hết đồng đều, tùy theo yêu cầu sử dụng, dịch lọc diệt khuẩn bơm tới máy chạy thận nhân tạo để tiến hành lọc máu thông qua hệ thống đèn diệt khuẩn cực tím, van điện tử bơm định lượng Sơ đồ quy trình pha dịch mơ tả hình Trong bao gồm hệ thống 10 van điện tử điều khiển tự động van điều khiển tay, bơm định lượng (gồm bơm RO, bơm khuấy bơm dịch ra), đếm xung, cảm biến (cảm biến mực nước siêu âm cảm biến đo độ dẫn dịch lọc), lọc dịch đèn diệt khuẩn tia cực tím UV [5,6] Chi tiết cơng đoạn tự động điều khiển quy trình pha dịch mô tả sau: A Công đoạn bơm nước RO vào khuấy: Các van V0, V1 mở, đồng thời bơm P1 bơm nước RO vào bình chứa, đếm xung định lượng nước siêu âm hoạt động V4, V5 mở, đồng thời bơm P2 hoạt động để tạo dòng khuấy Các van cịn lại đóng B Cơng đoạn lọc dịch: Thơng qua lọc dịch bơm P2 hoạt động, van V4, V6 mở Van V0, V1 mở (nếu q trình bơm nước vào) cịn khơng đóng Các van cịn lại đóng Trong trường hợp khơng cần lọc V4, V8 mở, van V6 đóng lúc bơm P2 bơm bình thường III THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG A Thiết kế sơ đồ nguyên lý tổng thể cho hệ thống: Từ quy trình pha dịch lọc tự động đề xuất trên, nhóm tác giả thiết kế hệ thống theo sơ đồ ngun lý mơ tả hình Trong gồm khối gồm: Mơđun điều khiển trung tâm, mơđun pha dịch môđun cấp dịch Bột dịch đưa vào môđun pha dịch theo định lượng chuẩn nhà sản xuất Môđun pha dịch thực chức bơm nước siêu tinh khiết RO chức hòa tan dịch lọc theo yêu cầu Tiếp theo, dịch pha qua khâu kiểm soát dịch lọc để hiệu chỉnh lại nồng độ dịch dạng tinh để đưa môđun cấp dịch Dựa theo yêu cầu từ máy chạy thận nhân tạo, môđun cấp dịch thực chức cấp dịch theo công suất yêu cầu Dưới mô tả chi tiết thiết kế số khối hệ thống Cảm biến siêu âm V2 Nước RO vào D Công đoạn bơm dịch ra: Sau pha dịch xong, dịch đạt yêu cầu thơng qua việc đánh giá độ dẫn trung bình, với tính đồng dịch lọc, để chuyển dịch lúc van Vb mở khoảng thời gian ngắn, đồng thời bơm P3 hoạt động để hút dịch có nồng độ khơng đồng đẩy đường thải Sau thời gian Vb đóng lại Va mở ra, dịch bơm ngồi thơng qua bơm P3 đếm xung hoạt động để định lượng dịch bơm E Công đoạn rửa máy: Sau ngày pha dịch, toàn hệ thống rửa để tiếp tục sử dụng Lúc van V0, V2 mở, đồng thời bơm P1 hoạt động Nước RO bơm từ P1 qua van tới vịi phun sương để rửa bình chứa đường dẫn Các van V3, V4 mở để nước thải chảy ngồi F Cơng đoạn xả dịch lỗi: Trong trường hợp dịch pha không đạt yêu cầu thông qua việc kiểm tra chất lượng dịch (dịch sau pha bị hỏng bột dịch không đảm bảo, lỗi đổ bột dịch vào bình pha kỹ thuật viên…) cần phải xả dịch hỏng Khi van V3, V4 mở, đồng thời bơm P2 hoạt động để bơm dịch thải ngồi Đèn UV Đếm xung Bình pha dịch V1 V0 Bơm P1 Đếm xung Dịch Va V8 V5 Bơm P3 V4 Vb Bơm P2 V3 Đo độ dẫn nhiệt độ dịch V6 MÔĐUN ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM Bộ phận lọc dịch HỆ THỐNG PHA DỊCH ĐẬM ĐẶC Thiết bị chạy thận Thiết bị chạy thận V7 Dịch thải Hình Sơ đồ mơ tả quy trình pha dịch lọc tự động đề xuất Bột dịch C Công đoạn kiểm tra độ dẫn dịch lọc: Khi kiểm tra độ dẫn dịch lọc xem có đạt tiêu chuẩn sau pha hay khơng bơm P2 hoạt động, van V7 mở khoảng thời gian ngắn dịch sau pha tràn vào khoang đo độ dẫn dịch Sau van V7 đóng lại Trường hợp dịch lọc không đạt yêu cầu cần xả dịch van V3, V4 mở đồng thời bơm P2 bơm dịch lọc ngồi Các van cịn lại đóng ISBN: 978-604-67-0349-5 MƠĐUN PHA DỊCH MƠĐUN KIỂM SỐT DỊCH MÔĐUN CẤP DỊCH Thiết bị chạy thận n Nước RO HỆ THỐNG CẤP NƯỚC SIEU TINH KHIẾT RO Chú thích: Đường điều khiển Đường dịch Hình Sơ đồ nguyên lý tổng thể cho hệ thống pha dịch lọc đậm đặc tự động 318 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) B Thiết kế khối định lượng nước tinh khiết RO: Việc định lượng nước tinh khiết RO để bơm vào bình pha dịch thực dựa cảm biến siêu âm Sơ đồ khối định lượng nước RO thiết kế hình Theo đó, dịch lọc đưa vào ống chứa cuộn dây Dòng điện tự cảm cuộn dây A sinh truyền dòng dịch chảy trực tiếp phía bên Bản thân dịch lọc chất dẫn điện Nhờ cuộn dây B nhận tín hiệu điện từ cuộn dây A truyền tới Các tín hiệu điện biểu thị độ dẫn dịch lọc ống chứa ký hiệu Sd Đơn vị đo độ dẫn µS [4,7] D Thiết kế khối diệt khuẩn sử dụng đèn UV: Hiệu lực diệt khuẩn tia cực tím khơng tuỳ thuộc mật độ, thời gian chiếu tia, điều kiện môi trường mà tùy thuộc vào sức chịu đựng vi khuẩn cần diệt Khi chiếu tia cực tím độ ẩm 40-50% làm giảm 80% số lượng vi khuẩn Nhưng độ ẩm tương đối 80- 90% hiệu diệt khuẩn giảm từ 30-40% Sử dụng đèn cực tím, khả diệt khuẩn phụ thuộc vào điện áp cung cấp Khi điện giảm 10% khả diệt khuẩn giảm 15-20% Cường độ xạ tử ngoại đèn cực tím cịn phụ thuộc vào chiều dài bóng Với chiều dài từ 100 đến 2300 mm có lượng đầu từ 80 W/cm đến 200 W/cm Khối điều khiển đèn cực tím thiết kế hình Nửa phần bên bao gồm phần lọc nhiễu điện từ (EMI), chỉnh lưu, nửa cầu H dao động LC đóng vai trị chấn lưu điện tử giúp q trình đốt nóng dây tóc đèn cực tím giúp đèn cực tím phát sáng Việc điều khiển độ sáng đèn cực tím thưc cách thay đổi tần số mạch nửa cầu H, khiến cho độ khuếch đại mạch LC thay đổi Sau mạch hồi tiếp dòng điện đo dòng điện đèn điều chỉnh dòng điện tới mức độ sáng tham chiếu đưa vào cách điều chỉnh liên tục tần số hoạt động mạch nửa cầu H Căn vào chế độ pha dịch khác để điều tiết công suất diệt khuẩn Việc sử dụng Triac để điều khiển công suất đèn UV đảm bảo mạch điều khiển không gây nhiễu Các Triac sử dụng thiết kế loại BT139 [7,9] Bộ đếm thời gian Bộ phát sóng âm Bộ phát xung chuẩn Bộ đệm LPF Khuếch đại Dữ liệu Bộ thu sóng âm Hình Sơ đồ khối định lượng nước tinh khiết RO dùng cảm biến siêu âm Với đầu phát, cần có tạo xung vng đặt u cầu độ rộng xung 0.4ms, điện áp đỉnh 10V với tần số 40kHz Xung vuông đưa đến đệm đóng ngắt vi xử lý để hạn chế số xung cần đưa đến đầu phát Cụ thể thiết kế này, nhóm nghiên cứu chọn gửi xung lên ngắt lần phát sóng siêu âm Như vậy, vi xử lý thực việc đếm thời gian để hạn chế xung lên ngắt đệm Sau đầu phát phát sóng siêu âm, đầu thu đợi sóng phản xạ Khi sóng phản xạ về, đầu thu chuyển thành tín hiệu tương tự Để tránh nhiễu lọt vào đầu thu, tín hiệu tương tự qua lọc thơng thấp với tần số 40kHz Sau qua khuếch khuếch đại tiếp tục lọc lấy tín hiệu tương tự cần đưa vào vi xử lý có biên độ đạt chuẩn Trong thiết kế, nhóm sử dụng cảm biến siêu âm SRF02 có ưu điểm nhỏ gọn Để tạo xung vuông đạt yêu cầu độ rộng xung 0.4ms, điện áp đỉnh 10V tần số 40kHz, nhóm nghiên cứu sử dụng IC LM555 để tạo xung vuông thạch anh 40kHz [7,8] C Thiết kế khối đo kiểm soát độ dẫn dịch lọc: Việc đo lường kiểm soát nồng độ dịch lọc trình pha dịch thực dựa nguyên lý đo độ dẫn tức thời dịch mơ tả hình Hình Sơ đồ khối điều khiển đèn diệt khuẩn cho dịch lọc IV ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Hệ thống chế tạo theo nguyên lý thiết kế mô tả trên, thể hình Hình Minh họa nguyên lý đo độ dẫn dịch lọc với mức độ nồng độ dịch khác ISBN: 978-604-67-0349-5 319 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) C Kết đánh giá: Loại bột dịch 1: Tiến hành thực 20 lần pha dịch lọc cho bột dịch loại HDF-A 20 lần pha dịch lọc cho bột dịch loại HDF-B hãng Tianjin theo quy trình pha khác thiết lập hệ thống Mỗi lần pha bột dịch HDF-A 55L dịch lọc A đậm đặc Mỗi lần pha bột dịch HDF-B 72L dịch lọc B đậm đặc Kết thúc lần pha, dịch lọc thực đánh giá chất lượng theo quy trình phương pháp mơ tả phần Với loại bột dịch Tianjin, tỷ lệ trộn dịch lọc tổng hợp 1:1.225:32.775 (A:B:RO) Tổng hợp kết đánh giá chất lượng dịch lọc loại HDF theo số đặc trưng mô tả hình 7, 8, bảng Hình Hệ thống pha dịch lọc tự động ghép nối hoàn chỉnh sau thiết kế với chức tự động pha loại dịch lọc để dùng trực tiếp điều trị thận nhân tạo Nhóm tác giả thực đánh giá chất lượng dịch lọc sau pha hệ thống thiết kế, chế tạo thông qua số: nồng độ chất Natri Clorid, Kali Clorid, Calci Clorid, Magnesl Clorid, Acid Acetic, Natri Bicabornat dịch lọc A, dịch lọc B; nồng độ chất điện giải Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl- độ dẫn điện áp suất thẩm thấu dịch lọc tổng hợp để kiểm nghiệm đối chiếu với yêu cầu thực tế [2,3] A Quy trình đánh giá: Thực pha loại bột dịch gồm bột dịch A bột dịch B hãng Tianjin Jihua loại bột dịch sử dụng sở y tế để pha tay Sử dụng nước siêu tinh khiết RO từ hệ thống tạo nước RO khoa Thận nhân tạo, Bệnh viện Bạch Mai Sau kết thúc trình pha dịch, dịch lọc sau pha lấy mẫu ngẫu nhiên để mang định lượng thông số loại dịch lọc (A B), dịch lọc tổng hợp sau trộn dịch A, dịch B nước RO theo tỷ lệ chuẩn quy định cho loại dịch thông qua thiết bị xét nghiệm điện giải Đưa hỗn hợp dịch lọc sau pha vào máy chạy thận nhân tạo Thông qua chế độ kiểm tra dịch lọc máy chạy thận, thông số độ dẫn áp suất thẩm thấu dịch lọc đo lường hiển thị Thực pha đánh giá cho 20 lần pha dịch khác [10,11] B Phương pháp đánh giá Định lượng nồng độ thông số loại dịch lọc sau pha (A B), dịch lọc tổng hợp thông qua máy xét nghiệm RapidChem Bayer Healthcare phịng xét nghiệm hóa sinh Đánh giá độ dẫn áp suất thẩm thấu dịch lọc sau pha thông qua chế độ kiểm tra hệ thống chạy thận nhân tạo Surdial hãng Nipro, Nhật Bản khoa Thận nhân tạo, Bệnh viện Bạch Mai, Hà Nội [12] ISBN: 978-604-67-0349-5 Hình Biểu đồ thể kết định lượng nồng độ chất dịch lọc loại HDF-A 20 lần pha thiết bị thiết kế Trong đó, nồng độ chất Natri Clorid giảm 10 lần để thuận tiện việc biểu diễn biểu đồ Hình Biểu đồ thể kết định lượng nồng độ chất dịch lọc loại HDF-B 20 lần pha thiết bị thiết kế Hình Biểu đồ thể kết định lượng thông số đặc trưng dịch lọc tổng hợp loại HDF 20 lần pha thiết bị thiết kế Trong nồng độ điện giải ion Na+, Cl-, độ dẫn áp suất thẩm thấu dịch lọc giảm 10 lần; nồng độ điện giải ion K+, Ca2+, Mg2+ tăng lên 10 lần để thuận tiện việc biểu diễn biểu đồ 320 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) BẢNG Kết định lượng trung bình số đặc trưng dịch lọc tổng hợp cho 20 lần pha bột dịch HDF Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl- Độ dẫn 135.5 mmol/l 1.905 mmol/l 1.915 mmol/l 0.493 mmol/l 107.3 mmol/l 138.9 mEq/l Áp suất thẩm thấu 307.5 mOsm/l Theo kết đạt được, tất thông số đặc trưng loại dịch sau pha thiết bị thiết kế cho loại bột dịch HDF gồm dịch A, dịch B dịch lọc tổng hợp lần pha nằm giới hạn quy định cho phép dịch lọc chạy thận nhân tạo [2,3] Loại bột dịch 2: Tiến hành thực 20 lần pha dịch lọc cho bột dịch loại JH-A 20 lần pha dịch lọc cho bột dịch loại JH-B hãng Jihua theo quy trình pha khác thiết lập hệ thống Mỗi lần pha bột dịch JH-A 50L dịch lọc A đậm đặc Mỗi lần pha bột dịch JH-B 90L dịch lọc B đậm đặc Kết thúc lần pha, dịch lọc thực đánh giá chất lượng theo quy trình phương pháp mơ tả phần Với loại bột dịch Jihua, tỷ lệ trộn dịch lọc tổng hợp 1:1.83:34 (A:B:RO) Tổng hợp kết đánh giá chất lượng dịch lọc loại JH theo số đặc trưng mơ tả hình 10, 11, 12 bảng Hình 12 Biểu đồ thể kết định lượng thông số đặc trưng dịch lọc tổng hợp loại JH 20 lần pha thiết bị thiết kế Trong nồng độ điện giải ion Na+, Cl-, độ dẫn áp suất thẩm thấu dịch lọc giảm 10 lần; nồng độ điện giải ion K+, Ca2+, Mg2+ tăng lên 10 lần để thuận tiện việc biểu diễn biểu đồ BẢNG - Kết định lượng trung bình số đặc trưng dịch lọc tổng hợp cho 20 lần pha bột dịch JH Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl- Độ dẫn 139.5 mmol/l 1.965 mmol/l 1.495 mmol/l 0.496 mmol/l 104.7 mmol/l 139.7 mEq/l Áp suất thẩm thấu 306.9 mOsm/l Như vậy, tất thông số đặc trưng loại dịch sau pha thiết bị thiết kế cho loại bột dịch JH gồm dịch A, dịch B dịch lọc tổng hợp lần pha nằm giới hạn quy định cho phép dịch lọc chạy thận nhân tạo [2,3] V KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN Với kết đạt việc thực pha thử nghiệm loại bột dịch HDF JH thiết bị pha dịch lọc tự động chất lượng dịch lọc hoàn toàn đáp ứng yêu cầu điều trị thận nhân tạo Theo tính tốn trên, với khoảng 10.000 bệnh nhân thường xuyên phải điều trị suy thận phương pháp chạy thận nhân tạo nay, trung bình năm ngành y tế phải nhập khoảng 15 triệu lít dịch lọc Với tính tốn sơ bộ, nhập bột dịch sử dụng thiết bị pha dịch lọc tự động, trung bình tiết kiệm khoảng 5.000đồng/lít Vì vậy, năm ngành y tế tiết kiệm khoảng 75tỷ đồng cho việc nhập dịch lọc Bên cạnh đó, với chi phí điều trị lớn, ngành bảo hiểm y tế đáp ứng cho khoảng 10% số lượng bệnh nhân suy thận giai đoạn cuối cần phải điều trị thận nhân tạo Nếu triển khai việc thực pha dịch lọc tự động chỗ tiết kiệm 30% chi phí điều trị cho phần dịch lọc Từ tăng tỷ lệ bệnh nhân suy thận điều trị Đồng thời khắc phục tồn việc nhập dịch lọc cho sở y tế Hình 10 Biểu đồ thể kết định lượng nồng độ chất dịch lọc loại Jh-A 20 lần pha thiết bị thiết kế Trong đó, nồng độ chất Natri Clorid giảm 10 lần để thuận tiện việc biểu diễn biểu đồ Hình 11 Biểu đồ thể kết định lượng nồng độ chất dịch lọc loại JH-B 20 lần pha thiết bị thiết kế ISBN: 978-604-67-0349-5 321 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen Nguyen Khoi, Tran Van Chat (2001), Hemodialysis, Reference Textbook, Bach Mai Hospital: 152-167 [2] Association for the Advancement of Medical Instrumentation: American National Standard Dialysate for hemodialysis ANSI/AAMI RD52: 2004 Arlington, VA: AAMI, 2004 [3] Fresenius Medical Care North America, Understanding Dialysate Bicarbonate 2011, www.fmcna-concentrates.com [4] Vu Duy Hai, Nguyen Duc Thuan, Nguyen Minh Duc, Le Van Quyen, Dao Viet Hung, Pham Phuc Ngoc Design of Automated Dialyzer and Bloodline Washing System and Quality Assessment of Dialyzer after Reprocessing for Reusing in Hemodialysis Proceedings of the 4rd International Conference on Communications and Electronics (ICCE), 1-3th Aug 2012, Hue, Vietnam, pp: 647-651 [5] [6] John G Webster, Bioinstrumentation Wiley; edition 2003 ISBN-13: 978-0471263272 [8] Ramin SAM, Mohammad VASEEMUDDIN, Wai Hong LEONG, Brooks E ROGERS, Carl M KJELLSTRAND, Todd S ING Composition and clinical use of Hemodialysates Hemodialysis International 2006; 10: 15-28 [9] Doorenbos CJ, Bosma RJ, Lamberts PJN Use of urea containing dialysate to avoid disequilibrium syndrome, enabling intensive dialysis treatment of a diabetic patient with renal failure and severe glucophage induced lactic acidosis Nephrol Dial Transplant 2001; 16:1303-1304 [10] Ahmad S, Callan R, Cole JJ, Blagg CR Dialysate made from dry chemical using citric acid increases dialysis dose Am J Kidney Dis 2000; 35:493-499 [11] Gupta A, Amin NB, Besarab A, et al Dialysate iron therapy: Infusion of soluble ferric pyrophosphate via the dialysate during hemodialysis Kidney Int 1999; 55:1891-1898 Biff F Palmer, Dialysate Composition in Hemodialysis and Peritoneal Dialysis Dialysis as Treatment of End-Stage Renal Disease, 2008 [12] Palmer BF Dialysate composition in hemodialysis and peritoneal dialysis In: Henrich WL ed Principles and Composition and clinical use of hemodialysates Hemodialysis International 2006; 10: 15-28 25 Practice of Dialysis 3rd ed Philadelphia, PA: Lippincott, Williams and Wilkins; 2004:2844 ERA-EDTA European Best Practice Guidelines for Haemodialysis IV-Dialysis Fluid Purity Nephrol Dial Transplant 2002; 17(Suppl 7):45-62 ISBN: 978-604-67-0349-5 [7] 322 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Hệ thống ổn định nhiệt độ cho tủ lưu trữ máu Cù Tiến Dũng Nguyễn Mạnh Cường Viện Huyết học Truyền máu trung ương Yên Hòa, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam Email: cutiendung@gmail.com Bệnh Viện Hữu Nghị Việt Nam- Cu Ba 37 Hai Bà Trưng- Hoàn Kiếm- Hà Nội Email: cuongvtvncb@gmail.com Kien NguyenPhan, Hoang ChuDuc Viện Điện tử viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội Số Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam Email: kien.nguyenphan@hust.edu.vn, hoang.chuduc@hust.edu.vn Viện Huyết học Truyền máu Trung ương quan chủ quản việc thu thập, xử lý bảo quản đơn vị máu từ nhiều nguồn nước Hiểu rõ vai trò khâu bảo quản máu chế phẩm từ máu, sử dụng hệ thống tủ chuyên dụng dùng để lưu trữ máu Tuy nhiên sau thời gian, số tủ nhiều nguyên nhân mà phận điều khiển gặp cố gây lỗi hệ thống ngừng hoạt động Nhóm nghiên cứu chúng tơi đưa giải pháp thay mạch điều khiển lỗi mạch điều khiển khác, ổn định an toàn Mục đích nhóm nghiên cứu thiết kế mạch điện tử đủ khả điều khiển Compressor, qua điều khiển nhiệt độ tủ lưu trữ máu khoảng ổn định, tích hợp vào tủ lưu trữ máu để bảo quản Ngoài mạch điện tử cần bổ sung chế cảnh báo dự phịng có cố xảy Tóm tắt— Máu người lưu trữ ngân hàng máu trước đến với người bệnh cần phải trải qua q trình sàng lọc, tách ghép vơ khắt khe phức tạp, máu khỏi thể dễ bị hỏng tác nhân bên Việc bảo quản máu phải tuân theo dây chuyền với yêu cầu nghiêm ngặt Nhiệt độ tủ lưu trữ máu có vai trị quan trọng việc bảo quản máu, giữ cho máu trạng thái ổn định sẵn sàng truyền cho bệnh nhân Nhiệt độ phép dao động khoảng từ độ C đến độ C Bài báo tập trung nghiên cứu thiết kế hệ thống ổn định nhiệt độ tủ lưu trữ máu dùng hệ thống cảm biến tự động, điều khiển số dùng vi điều khiển Hệ thống cho phép điều khiển chế độ hoạt động làm lạnh, tích hợp với chức cảnh báo vượt ngưỡng nhiệt độ cảnh báo thay đổi môi trường, chế độ hoạt động Từ khóa— Lưu trữ máu, vi điều khiển, ổn định nhiệt độ, huyết học truyền máu I GIỚI THIỆU II Máu chế phẩm máu loại thuốc điều trị đặc biệt, lấy từ người Hàng ngày có nhiều người bệnh cần truyền máu cứu chữa nhờ truyền máu Số lượng đơn vị máu chế phẩm thu từ người hiến máu chưa đủ để phục vụ nhu cầu điều trị Ngoài ra, máu đến với người bệnh cần phải trải qua trình sàng lọc, tách ghép vô khắt khe phức tạp, máu khỏi thể dễ bị hỏng tác nhân bên Máu chế phẩm máu bị suy giảm chất lượng khỏi thể người, đồng thời cần phải đảm bảo an tồn truyền máu, cần quy trình bảo quản, sàng lọc rât nghiêm ngặt Nhiều tủ lưu trữ máu đời, với dải nhiệt độ thích hợp cho việc bảo quản máu, nhiên giá thành cao chưa đáp ứng nhiều yếu tố Việc bảo quản máu phải tuân theo dây chuyền với yêu cầu nghiêm ngặt ISBN: 978-604-67-0349-5 PHƯƠNG PHÁP Quan hệ đáp ứng kích thích cảm biến cho dạng bảng giá trị, đồ thị biểu thức tốn học (hàm truyền) [1] Hàm truyền biểu diễn dạng tuyến tính phi tuyến (hàm logarit, hàm lũy thừa hàm mũ) Cảm biến sử dụng tủ lưu trữ máu nhóm nghiên cứu sử dụng cảm biến NTC 10k 2%, giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ Một số thông số cần quan tâm cảm biến hàm quan hệ điện trở nhiệt độ, Hằng số B0 Hằng số tiêu tán nhiệt C [2] Hàm quan hệ điện trở nhiệt độ mô tả công thức (1) sau: (1) 323 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) với R0: điện trở nhiệt độ 25 độ C (298K), với cảm biến sử dụng R0 = 10 kΩ T0: 298 độ K, tương ứng với 25 độ C Hằng số B0 tính công thức (2): (2) với cảm biến sử dụng, B0 = 3934 Hằng số tiêu tán nhiệt C đặc trưng cho lượng lượng cần thiết mà điện trở nhiệt tự tăng độ C không môi trường bên ngồi, Hằng số tiêu tán nhiệt C tính công thức (3): (3) với điện trở nhiệt NTC, C = 1mW/0C Hình 1: Mạch tạo nguồn dịng sử dụng LM334 [3] Đồ thị giá trị điện áp, cường độ dịng điện cơng suất biến thiên cảm biến đưa hình Nhìn vào đồ thị này, ta thấy công suất rơi NTC khoảng từ 0.4 mW đến 0.6 mW Giá trị so sánh với hệ số tiêu tán nhiệt C = 1mW/0C cho thấy giá trị nhiệt độ tương ứng với điện trở cảm biến chênh lệch từ 0.4 đến 0.60C so với giá trị nhiệt độ môi trường Đây giá trị sai số cần loại bỏ vi điều khiển trình xử lý Chúng tơi lựa chọn phương án tạo nguồn dịng xử lý thay đổi điện trở cảm biến nhiệt độ việc tạo nguồn dòng với định mức cường độ không đổi, để tạo giá trị điện áp biến đổi theo nhiệt độ Ở lựa chọn linh kiện LM334 LM334 linh kiện chuyên dụng cho mạch tạo nguồn dịng ổn định thay đổi được, nhiên có phụ thuộc giá trị điện áp chân R V- (gọi tắt VR) theo nhiệt độ, cụ thể mức điện áp 64mV 250C thay đổi 224µV/0C [3] Chúng tơi thể bổ sung diode điện trở để loại bỏ phụ thuộc dòng điện thao nhiệt độ (Với diode có hệ số thay đổi theo nhiệt độ 2.5mV/0C) Tính tốn cụ thể sau: ISET = I1 + I2 + IBIAS (4) ISET = VR/R1, I2 = (VR + VD)/R2 Hình 2: Đồ thị điện áp, dịng điện cơng suất cảm biến dISET /dT = dI1 /dT + dI2/ dT (5) III A Sơ đồ nguyên lý Mạch điều khiển có chức nhận biết, xử lý thông tin nhiệt độ thu từ bên ngồi thơng qua cảm biến, sau đưa thơng tin điều khiển giao tiếp với người sử dụng Yêu cầu thiết kế giải dựa nguyên lý thu nhận tín hiệu cảm biến, điều chỉnh nguồn dòng để thay đổi công suất thiết bị ổn định nhiệt Sơ đồ gồm khối hình đây: (6) Sơ đồ nguyên lý khối tạo nguồn dịng dùng LM334 hình Giá trị nguồn dịng thích hợp điều khiển giá trị điện trở R1 R2 [4], [5] ISBN: 978-604-67-0349-5 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 324 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) B Mơ hình lấy mẫu, lượng tử mã hoá Nguyên tắc làm việc mạch chuyển đổi tương tự - mã hoá minh hoạ hình Theo sơ đồ tính tốn, sau mạch lượng tử hóa mạch mã hóa Trong mạch mã hóa, kết lượng tử hóa xếp lại theo trật tự định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu đầu chuyển đổi Có thơng số quan trọng ADC bao gồm Độ phân giải Điện áp tham chiếu Hình 3: Hệ thống điều khiển xử lý nhiệt độ Khối cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị nhiệt độ thành giá trị điện, cảm nhận đáp ứng với tín hiệu kích thích, nhiệt độ Khối xử lý tín hiệu đầu vào biến đổi giá điện từ khối cảm biến thành giá trị xử lý khối xử lý trung tâm Hình 4: Mơ hình lấy mẫu, lượng tử mã hố tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến Khối xử lý trung tâm khối chức chính, tiếp nhận đưa đáp ứng tín hiệu vào, đồng thời đưa thông tin cần thiết tới giao tiếp với người sử dụng Để đảm bảo yêu cầu phân tích vi điều khiển, chúng tơi lựa chọn vi điều khiển PIC 16F877A để làm vi điều khiển trung tâm cho toàn mạch Đây họ vi điều khiển RISC sản xuất công ty Microchip Technology Một số đặc tính trội vi điều khiển PIC kể đến sau [4]: Độ phân giải mơ hình lấy mẫu, lượng tử mã hoá dùng để số bit cần thiết để chứa hết mức giá trị số ngõ Nếu mạch chuyển đổi tương tự - số có độ phân giải n bit có 2n mức giá trị có ngõ số Độ phân giải liên quan mật thiết đến chất lượng chuyển đổi mạch chuyển đổi tương tự - số, việc lựa chọn độ phân giải phải phù hợp với độ xác yêu cầu khả xử lý bô điều khiển [6] Điện áp tham chiếu thường giá trị điện áp lớn mà mạch chuyển đổi tương tự - số chuyển đổi Trong mạch chuyển đổi tương tự - số, Vref thường thơng số đặt người dùng, điện áp lớn mà thiết bị chuyển đổi [7] Ví dụ, mạch chuyển đổi tương tự - số 10 bit (độ phân giải) có Vref=3V, điện áp ngõ vào 1V giá trị số thu sau chuyển đổi là: 1023x (1/3)=314 Trong 1023 giá trị lớn mà mạch chuyển đổi tương tự - số 10 bit tạo (1023=2101) Vì điện áp tham chiếu ảnh hưởng đến độ xác q trình chuyển đổi, cần tính tốn để chọn điện áp tham chiếu phù hợp, không nhỏ giá trị lớn tín hiệu vào, không lớn [8] Là CPU 8/16 bit, xây dựng theo kiến trúc Harvard Có nhớ Flash ROM tùy chọn từ 256 btye đến 256 Kbyte  Có cổng xuất – nhập (I/O ports)  Có timer 8/16 bit  Có chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ/ không đồng USART  Có chuyển đổi ADC 10/12 bit  Có so sánh điện áp (Voltage Comparators)  Có khối Capture/ Compare/ PWM  Hỗ trợ giao tiếp LCD  Hỗ trợ giao tiếp I2C, SPI I2S  Có nhớ nội EEPROM  Hỗ trợ giao tiếp USB, Ethernet Khối giao tiếp với người sử dụng thực chức giao tiếp người sử dụng sản phẩm, nhận thông tin từ người sử dụng đưa thông tin, cảnh báo từ sản phẩm   C Thuật tốn lập trình điều khiển hoạt động Thuật tốn lập trình điều khiển hoạt động có nhiệm vụ xử lý yêu cầu xử lý trung tâm đưa đến, tủ lưu trữ máu Electrolux, điều khiển trạng thái bật/ tắt Compressor nhiệt độ ngưỡng quy định Lưu đồ thuật toán điều khiển sau: Khối điều khiển khối trung gian khối xử lý trung tâm cấu chấp hành, Compressor, có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm, xử lý điều khiển cấu chấp hành hoạt động ISBN: 978-604-67-0349-5 325 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) giá trị điện trở R1, R2 để lựa chọn giá trị điện trở phù hợp với cảm biến Đồ thị lựa chọn điện trở mơ tả đây: Hình 6: Kết khảo sát biến thiên điện trở nhiệt theo điện trở mắc song song bên ngồi Chúng tơi khảo sát lựa chọn cặp giá trị R1, R2 tương ứng với 20kΩ 30kΩ nhằm thu giá trị tuyến tính điện trở nhiệt Hình 5: Thuật tốn lập trình điều khiển hoạt động hệ thống Trên thực tế nay, có 02 tiêu chuẩn tủ lưu trữ máu tiêu chuẩn bạc (chuẩn nhiệt độ lưu trữ +5 độ C cho phép dao động khoảng nhiệt từ đến độ) tiêu chuẩn vàng, áp dụng cho loại tủ Dometics (chuẩn nhiệt độ lưu trữ +4 độ C cho phép dao động dải nhiệt từ đến độ C) Tuy nhiên, phần nghiên cứu này, hệ thống điều khiển thiết kế theo hướng tiêu chuẩn bạc, nhằm áp dụng cho loại tủ lưu trữ máu Viện Huyết học truyền máu trung ương với dải nhiệt cho phép nằm khoảng từ đến độ C D Giao diện hiển thị điều khiển Giao tiếp hệ thống với người sử dụng cấu thành từ khối Khối hiển thị LED, Khối cảnh báo Khối nút bấm Mỗi khối có chức thiết kế khác nhau, giao tiếp với vi điều khiển trung tâm Với Khối hiển thị LED, chúng tơi tích hợp IC điều khiển ghi dịch nhằm tiết kiệm số lượng chân Vi điều khiển, với Khối cảnh báo, tích hợp hệ thống led nháy cản báo loa để báo hiệu âm cho người vận hành Mạch giao tiếp thiết kế theo vị trí phím bấm có kích thước tương tự kích thước có tủ lưu trữ máu Electrolux nhằm đáp ứng yêu cầu thuận tiện trình thay vừa sửa chữa tủ IV Hình 7: Hình ảnh thiết kế mạch sản phẩm Sơ đồ thiết kế thi cơng hồn thiện đáp ứng tiêu chuẩn an toàn điện quy chuẩn thiết kế, phù hợp với việc tích hợp vào trong tủ lưu trữ máu sẵn có thị trường Để đảm bảo chất lượng trình sửa chữa tủ lưu trữ máu, toàn hệ thống cần thực kiểm thử thực tế Các trình kiểm thử thực theo hai bước bao gồm thử nghiệm sau thời gian ngắn thử nghiệm sau thời gian dài giám sát thu thập liệu tự động (datalogger, Exertech, Mỹ) KẾT QUẢ Kết thiết kế mạch gồm hai thành phần Mạch điều khiển mạch hiển thị Quá trình kiểm tra chế độ hoạt động mạch, chúng tơi có điều chỉnh ISBN: 978-604-67-0349-5 326 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Cơng nghệ thơng tin (ECIT2014) Q trình kiểm thử thực tế thời gian cho kết khả quan, giá trị nhiệt độ đo nằm giới hạn quy định từ độ C đến độ C theo yêu cầu thiết kế Qua nhiều ngày khảo sát, thu kết nhiệt độ khác Thống kê ngưỡng nhiệt độ thấp cao 10 mẫu đo ngẫu nhiên số 45 mẫu đo tháng chạy thử thiết bị, thu bảng liệu với kết đạt nằm ngưỡng giới hạn cho phép BẢNG Đánh giá dải nhiệt độ hoạt động tủ lưu trữ máu Thời gian đo(giờ) Nhiệt độ thấp Nhiệt độ cao Đạt chuẩn 3.2 7.5 Đạt 3.3 7.4 Đạt 10 3.1 7.7 Đạt 12 3.0 7.8 Đạt 14 3.5 7.4 Đạt 6 3.8 7.2 Đạt 7 3.3 6.9 Đạt 8 3.2 7.5 Đạt 9 6.1 7.6 Đạt 10 12 6.3 7.7 Đạt STT Hình 8: Giá trị nhiệt độ trung bình tủ thời gian kiểm thử Sau q trình kiểm tra tính hoạt động, sản phẩm đưa vào thay mạch điều khiển tủ lưu trữ máu Viện Huyết học & Truyền máu Trung ương Sản phẩm kiểm thử tủ thực tế nhiều ngày, lấy liệu đối chiếu với liệu chuẩn tài liệu tủ lưu trữ máu V KẾT LUẬN Hệ thống ổn định nhiệt độ động cho tủ lưu trữ máu dùng vi điều khiển nhóm nghiên cứu thiết kế đạt độ ổn định cao Khoảng nhiệt điều khiển nằm giới hạn từ 3^o C đến 〖7.8〗^o C, đáp ứng tiêu chuẩn bảo quản máu 5^o C ±3^o C (tiêu chuẩn bạc) Hệ thống ổn định nhiệt độ động cho tủ lưu trữ máu có đủ chức thu nhận, điều khiển, cảnh báo Hệ thống có thiết kế động, cho phép tích hợp phù hợp với tủ lưu trữ máu có thị trường Hệ thống ổn định nhiệt độ động cho tủ lưu trữ máu thực chạy thử thành công thời gian dài Viện Huyết học & Truyền máu Trung ương Qua đó, áp dụng để kiểm sốt nhiệt độ động tín hiệu động tương đương khác Hình 9: Cảm biến đưa vào túi lưu máu để đảm bảo đo xác nhiệt độ sinh phẩm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mạch điều khiển nhiệm vụ thu thập liệu nhiệt độ đo hiển thị, cịn điều khiển hệ thống máy nén khí lạnh quạt tủ Các nút bấm giúp hiệu chỉnh dải nhiệt độ tủ Ngồi ra, tủ cịn có nút bấm dùng để bật tắt đèn huỳnh quang bật chế độ rung chống đọng nước mặt kính tủ ISBN: 978-604-67-0349-5 [2] [3] [4] 327 Phạm Văn Tuân, Hán Trọng Thanh, Đỗ Quang Ngọc, Phạm Văn Biên, Kỹ thuật Đo lường Tự động Điều khiển, NXB Bách Khoa – Hà Nội, 10/2008 EPCOS, NTC Thermistor Application Notes, 2/2009 Texas Instruments, LM134/LM23/ LM334 – Terminal Adjustable Current Source, 3/2000 http://www.microchip.com/pagehandler/enus/products/picmicrocontrollers, lần truy cập cuối: 23/04/2014 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) [5] [6] [7] [8] Unisonic Technologies Co., Ltd, S8550: Low voltage high current small signal PNP Transistor, 2013 Study of the temperature flow field change by air-conditioning system in a indoor circular stadium, Chih-Hung Huang ; JiaTwu Lee ; Wu-Chou Yu ; Wen-Long Yu Consumer Electronics, Communications and Networks (CECNet, Page(s): 3568 – 3571 Modelling of MEMS Based Temperature Sensor and Temperature Control in a Petrochemical Industry Using LabVIEW Mallik, A ; Gupta, S.D Computer and Automation Engineering, 2009 Page(s): 287 - 292 Exploiting Programmable Temperature Compensation Devices to Manage Temperature-Induced Delay Uncertainty Wolpert, D ; Ampadu, P Circuits and Systems I: Regular Papers, IEEE Transactions on Volume: 59 , Issue: Digital Object Identifier: 10.1109/TCSI.2011.2169887 Publication Year: 2012 , Page(s): 735 - 748 ISBN: 978-604-67-0349-5 328 ... hoàn chỉnh sau thiết kế với chức tự động pha loại dịch lọc để dùng trực tiếp điều trị thận nhân tạo Nhóm tác giả thực đánh giá chất lượng dịch lọc sau pha hệ thống thiết kế, chế tạo thông qua... theo quy trình pha khác thiết lập hệ thống Mỗi lần pha bột dịch HDF-A 55L dịch lọc A đậm đặc Mỗi lần pha bột dịch HDF-B 72L dịch lọc B đậm đặc Kết thúc lần pha, dịch lọc thực đánh giá chất lượng... thông số đặc trưng loại dịch sau pha thiết bị thiết kế cho loại bột dịch JH gồm dịch A, dịch B dịch lọc tổng hợp lần pha nằm giới hạn quy định cho phép dịch lọc chạy thận nhân tạo [2,3] V KẾT LUẬN