Nghiên cứu thiết kế công cụ hỗ trợ quá trình co bóp của tim

Bài viết trình bày việc nghiên cứu, thiết kế công cụ hỗ trợ quá trình co bóp của tim. Kết quả của nghiên cứu được thử nghiệm với tim giả - là tim được nhóm nghiên cứu chế tạo bằng vật liệu silicon.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 027-032 Nghiên cứu thiết kế cơng cụ hỗ trợ q trình co bóp tim Designing Tool for Supporting the Heart Contraction Process Dương Trọng Lượng*, Nguyễn Thái Hà Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Đến Tòa soạn: 12-02-2020; chấp nhận đăng: 25-09-2020 Tóm tắt Hiện nay, số lượng người mắc bệnh suy tim ngày gia tăng (tỉ lệ 1-2% dân số giới bị suy tim) Đây vấn đề đáng báo động mang tính thời Bên cạnh đó, chi phí cho đợt điều trị nội trú bệnh nhân suy tim khoảng 25 triệu đồng - khoản chi phí tương đối cao nhiều gia đình Việt Nam Gần đây, có vài loại thiết bị hỗ trợ bệnh nhân suy tim chế tạo thương mại hóa Tuy nhiên, thiết bị phải nhập có giá thành đắt (từ 900 triệu đồng trở lên), chưa tính chi phí cấy ghép thiết bị, điều trị dùng thuốc Do vậy, việc nghiên cứu, thiết kế công cụ hỗ trợ trình co bóp tim cần thiết Bài báo trình bày việc nghiên cứu, thiết kế cơng cụ hỗ trợ q trình co bóp tim Kết nghiên cứu thử nghiệm với tim giả - tim nhóm nghiên cứu chế tạo vật liệu silicon Từ khóa: Tim, co bóp, suy tim, bệnh nhân Abstract Currently, the number of people with heart failure is increasing (1-2% of the world's population) This is an alarming problem and a topical topic Besides, the cost for each treatment of heart failure inpatients is about VND25 million - a relatively high cost for many families in Vietnam Recently, there are several types of devices support heart failure patients have been manufactured and commercialized However, these devices are imported and very expensive, from VND900 million or more, and not including the cost of transplantation, treatment, and medication Therefore, researching and designing a tool for supporting contractility of the heart is essential This paper presents the research and design of a tool for supporting the contractility of the heart The results of this study were tested on a fake heart made by silicon material Keywords: Heart, contraction, heart failure, patient chỉnh công nghệ Một thiết bị khác có mặt thị trường thiết bị hỗ trợ bệnh nhân suy tim sử dụng phương pháp vành giằng tim [3] Một thiết bị có tên thiết bị hỗ trợ bệnh nhân suy tim sử dụng phương pháp ống tay robot mềm [4] Tuy nhiên, thiết bị, cơng cụ có giá thành đắt (từ 900 triệu đồng trở lên), chưa tính chi phí cấy ghép thiết bị, điều trị dùng thuốc Do vậy, việc nghiên cứu, thiết kế cơng cụ hỗ trợ q trình co bóp tim cần thiết Việt Nam Đặt vấn đề * Bệnh suy tim gánh nặng toàn cầu, số lượng người bị suy tim chiếm 1-2% dân số giới, tỉ lệ người mắc suy tim tăng theo độ tuổi nam nữ [1] Ở Việt Nam, chưa có số liệu thống kê thức, ước tính có khoảng triệu người mắc bệnh suy tim Đáng ý 50% bệnh nhân suy tim tử vong vòng năm, chi phí điều trị cho bệnh nhân suy tim tương đối cao tỷ lệ nhập viện cao chất lượng sống thấp Chi phí cho đợt điều trị nội trú bệnh nhân suy tim lên đến 25 triệu đồng [1] Đây khoản chi phí tương đối cao nhiều gia đình Việt Nam Gần đây, số thiết bị, công cụ hỗ trợ bệnh nhân suy tim nghiên cứu, thiết kế chế tạo thương mại hóa kể đến thiết bị hỗ trợ tâm thất (ventricular assist device VAD) VAD nghiên cứu, thiết kế chế tạo cấy ghép thành công cho bệnh nhân vào năm 1966 Dr Michael E DeBakey thực [2] Cho đến nay, VAD có tên HeartMate III hãng Thoratec sản xuất nhỏ gọn, hồn Bài báo trình bày việc nghiên cứu, thiết kế cơng cụ hỗ trợ q trình co bóp tim Kết nghiên cứu thử nghiệm với tim giả - tim nhóm nghiên cứu chế tạo silicon Bố cục báo chia thành nội dung gồm phần giới thiệu, phần phương pháp thiết kế, phần kết bàn luận, cuối kết luận Phương pháp luận Suy tim số vấn đề liên quan đến suy tim Suy tim tim bị giảm khả giãn để nhận máu (suy tim tâm trương) giảm khả co bóp (suy tim tâm thu), dẫn đến giảm lượng máu * Địa liên hệ: Tel: (+84) 967008876 E-mail: luong.duongtrong@hust.edu.vn 27 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 027-032 cần thiết nuôi thể ứ trệ máu phổi ngoại biên [5] Cơng cụ hỗ trợ q trình co bóp tim bao gồm khối chính: Khối nguồn, phận hỗ trợ co bóp tim, khối thu nhận tín hiệu điều khiển q trình co bóp tim, khối hiển thị Nguyên nhân suy tim [5]: Sự tổn thương tim nguyên nhân gây suy tim Một số nguyên sau khiến cho tim bị tổn thương:  Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện cho toàn thiết bị Bệnh động mạch vành: Là bệnh lý xảy động mạch cấp máu cho tim bị hẹp, mảng xơ vữa co thắt mạch, dẫn đến tim bị thiếu oxy, gây đau thắt ngực Sơ đồ cấp nguồn cho tồn thiết bị thể hình  Bộ phận hỗ trợ co bóp tim: Đây phần quan trọng nghiên cứu giới nói chung nghiên cứu nói riêng Nhóm tác giả đưa số ý tưởng để thiết kế, chế tạo phận hỗ trợ co bóp tim cụ thể: Điển hình nhồi máu tim: Các nhồi máu tim xảy động mạch vành bị tắc nghẽn đột ngột, ngăn chặn lưu thông máu đến tế bào tim, làm tổn thương tim khu vực không cấp máu khơng thể hoạt động bình thường Ý tưởng 1: Thiết kế màng bao quanh tim phận học dạng cánh tay nhỏ tác dụng trực tiếp lên phận màng bao quanh tim để tạo lực ép lên tim nhằm hỗ trợ q trình co bóp tim Bệnh tim: Tổn thương tim bắt nguồn từ nhiều nguyên nhân khác vấn đề động mạch lưu thơng máu, chẳng hạn tình trạng nghiện rượu, hút thuốc lâu ngày sử dụng ma túy Để điều trị bệnh suy tim, việc điều chỉnh lối sống, điều trị thuốc; bác sỹ chuyên khoa tim mạch dùng kỹ thuật cao cấy máy tái đồng thất trái (CRT), cấy máy khử rung tự động (ICD), thiết bị hỗ trợ thất trái (LVAD), ghép tim, gần tim nhân tạo toàn Các kỹ thuật chưa thực cách rộng rãi Việt Nam cần phải có trang thiết bị trình độ kỹ thuật chuyên sâu, chi phí cịn cao so với khả kinh tế người bệnh Sơ đồ khối công cụ hỗ trợ q trình co bóp tim nhóm nghiên cứu đề xuất thể hình Những bệnh lý mạn tính khiến tim hoạt động sức: Bao gồm bệnh tăng huyết áp, bệnh van tim (như hở van tim), bệnh tuyến giáp (như cường giáp), suy thận, đái tháo đường khiếm khuyết tim, nguyên nhân dẫn đến suy tim Bên cạnh đó, bệnh nhân mắc đồng thời bệnh kể có nguy mắc suy tim cao Bệnh nhiễm trùng, nhiễm độc ảnh hưởng đến tim Triệu chứng lâm sàng suy tim trái, phải tồn bộ: Tuy nhiên, ý tưởng có số nhược điểm khoang ngực thể nhỏ việc đưa thiết bị vào thể khó thực hiện, cánh tay co bóp khó lựa chọn vật liệu để triển khai thể người cần tránh nhiễm trùng tiếp xúc có thời gian sử dụng lâu dài Suy tim phải: bao gồm nguyên nhân gây cản trở đường tống máu, tăng gánh nặng tổn thương trực tiếp tim thất phải Suy tim trái: Gồm nguyên nhân gây cản trở đường tống máu, tăng gánh nặng tổn thương tim thất trái Chu kỳ điện tim Khối thu nhận điều khiển Đường nguồn Khối nguồn Chu kỳ tim 12 VDC Đường khí nén 24 VDC Bơm khí nén Chú thích Đường tín hiệu LCD 16 x Arduinno 220 VAC Khối hiển thị Mosfet đóng ngắt Van điều khiển áp suất đầu vào Van đóng ngắt khí ống bóp Bộ phận co bóp tim Hình Sơ đồ khối cơng cụ hỗ trợ q trình co bóp tim 28 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 027-032 Hình Hình dạng dây lưới bọc ống dãn nở 220 VAC Trong trình nghiên cứu thử nghiệm, ống dãn nở thử nghiệm đúc với đường kính bên thành ống 5mm; chiều dài ống 30cm độ dày ống 2mm với độ dày áp lực ống chịu đựng tốt trình đúc ống dễ dàng so với ống có độ dày 1mm Hình thể ống dãn nở đúc silicon lỏng sau bọc lưới để bảo vệ Khối nguồn tổ ong 220VAC - 24VDC 24VDC Máy bơm khí nén Nguồn điện áp 220VAC 24VDC 220 VAC Ý tưởng 2: Thiết kế phận bao tim tương tự ý tưởng 1, phận tác dụng lực dây quấn luồn vào bên phận bao tim sử dụng động bên để quấn thả dây tạo lực ép lên tim Nhưng ý tưởng có nhược điểm đường dây bao tim bệnh nhân di chuyển gây ảnh hưởng lớn đến quan khác thể người Bên cạnh trường hợp dây bị kẹt thể người nguy hiểm Module nguồn 12VDC 12V DC 24V DC Module Mosfet Van đóng ngắt khí nén Vi điều khiển 5V DC a) Bộ điều khiển áp suất Hình Sơ đồ cấp nguồn cho tồn cơng cụ hỗ trợ q trình co bóp tim b) Hình Ống dãn nở đúc silicon lỏng (a); sau bọc lưới (b) Ý tưởng 3: Thiết kế phận bao tim tương tự ý tưởng 1, phận tác dụng lực ống quấn quanh phận bao tim; ống sử dụng dung dịch khí để làm căng ống tạo lực tác dụng Ưu điểm ý tưởng khí dung dịch an toàn với thể so với phương pháp khác Nhưng tồn nhược điểm đảm bảo nguồn cung cấp khí dung dịch ổn định Nếu dung dịch cần đảm bảo an tồn với thể khơng gây rị rỉ Nếu khí cần ý tới áp suất đẩy vào bên ống Nhóm tác giả lựa chọn ý tưởng Như vậy, phận hỗ trợ co bóp tim có thành phần gồm phận bao tim, phận cung cấp áp lực (máy nén khí) ống dãn nở tạo lực tác dụng trực tiếp lên tim Sơ đồ khối thể đường di chuyển khí nén cơng cụ hỗ trợ tim co bóp thể hình Máy bơm khí nén Bộ điều khiển áp suất Van đóng ngắt khí nén Bộ phận bao tim: Để có tim người phục vụ cho nghiên cứu, thử nghiệm lĩnh vực y khoa nghiên cứu vấn đến khó khăn Chính vậy, nhóm tác giả đưa ý tưởng chế tạo tim giả vật liệu silicon Thiết kế bao tim bắt chước chức sinh học phức tạp tim co bóp tim Để tạo thành phận bao quanh tim tiếp xúc trực tiếp với thành tim, nhóm nghiên cứu đúc phận bao tim Silicon lỏng dựa khuôn mẫu thiết kế phần mềm Solidworks sau đuộc in 3D Hình thể phận bao tim đúc silicon lỏng Các ống dãn nở Hình Sơ đồ khối thể đường di chuyển khí nén cơng cụ hỗ trợ tim co bóp Các ống dãn nở nhóm tác giả chế tạo từ vật liệu silicon dạng lỏng đổ khuôn Silicon sau khô mềm, chắn co giãn, kéo dài gấp nhiều lần kích thước ban đầu mà khơng bị rách trở lại hình dạng ban đầu mà khơng bị biến dạng Để bảo vệ ống dãn nở tránh dãn tới mức mà đàn hồi lại bị nổ, tác giả sử dụng dây lưới có dạng hình Hình Bộ phận bao tim đúc silicon lỏng Sau thiết kế phận bao tim ống dãn nở, nhóm nghiên cứu thực công việc cố định ống dãn nở theo đường tròn đường xoắn ốc để tạo thành phận co bóp hình 29 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 027-032 xung dựa chu kì tim bản; thu nhận tín hiệu từ điều khiển áp suất thông qua vi xử lý để điều chỉnh áp suất mong muốn cung cấp tín hiệu để hiển thị lên hình Sơ đồ khối chi tiết khối thể hình 10 Bộ điều khiển áp suất khí nén tạo áp lực để ép lên thành tim Đây yếu tố quan trọng, nên việc điều khiển cách xác áp suất khí ưu tiên hàng đầu Khí nén cung cấp điều khiển khí nén ITV1050-212BL hãng SMC -Nhật, áp suất đầu điều khiển điều chỉnh theo dải cố định hiển thị hình Đầu điều áp ITV có cảm biến áp suất Cảm biến sử dụng để đo áp suất khí nén đầu ra, áp suất đặt lên ống dãn nở Bộ điều khiển áp suất sử dụng nguồn cung cấp 24Vdc Đầu máy nén khí điều khiển điện tử với dải điệp áp điều khiển từ 0-5Vdc Hình Các ống dãn nở cố định xung quanh phận bao tim trước đổ silicon Quá trình đổ silicon để cố định ống dãn nở xung quanh phận bao tim thể hình Chu kỳ tim Vi điều khiển Arduino UNO R3 Module DAC Mosfet Module giao tiếp hiển thị I2C Bộ điều khiển áp suất Các van khí nén Màn hình hiển thị LCD Hình 10 Sơ đồ khối chi tiết khối thu nhận tín hiệu điều khiển q trình co bóp tim Module DAC (digital to analog converter) PCF 8591 [6] sử dụng để chuyển tín hiệu số từ vi điều khiển thành tín hiệu analog nhằm điều khiển điều áp ITV Module có 8bit nên điều khiển 28= 256 mức với dải áp suất từ 0,0005- 0,9 (MPa) Hình Quá trình đổ silicon cố định ống dãn nở xung quanh phận bao tim Các van đóng mở khí nén để điều khiển thời điểm đóng ngắt khí khác nhau, để đóng mở khí nén, nhóm tác giả sử dụng cụm van điện từ loại 3/2 (3 cửa vị trí), loại điều khiển chủ yếu cuộn coil điện từ, van có chức đóng mở xả (1 cổng vào, cổng ra, cổng xả), sử dụng khí nén, thường dùng để điều khiển xi lanh khí nén chiều (loại tác động đơn) Để điều khiển q trình hoạt động tồn hệ thống nghiên cứu này, sử dụng Vi điều khiển Arduino UNO R3 [7] Module sử dụng phổ biến Việt Nam, giá thành không đắt, đặc biệt, hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác Để sử dụng xung PWM đóng ngắt cho nhiều van khí nén khác thời gian đáp ứng nhanh chóng, nhóm tác giả sử dụng module mosfet nhằm điều khiển cho hệ thống van khí nén tín hiệu đầu vào xung PWM tỉ lệ chu kì xung 25% với chu kì 0,8s Hình Hình ảnh bên phận hỗ trợ co bóp tim  Khối thu nhận tín hiệu điều khiển q trình co bóp tim: Khối thực điều khiển trình co bóp  Khối hiển thị: 30 Tạp chí Khoa học Công nghệ 145 (2020) 027-032 Trong nghiên cứu này, chúng tơi sử dụng hình LCD 16x4 để hiển thị kết đo Bước 1: Kết nối ống khí máy khí nén, ống dãn nở với phận thu nhận điều khiển Kết bàn luận Bước 2: Bật công tắc nguồn Trên sở lý thuyết, phương pháp luận mà tác giả nghiên cứu thực hiện; khối thu nhận tín hiệu điều khiển q trình co bóp tim tác giả cụ thể hóa mạch cứng module kết nối với thể hình 11 Hình ảnh cơng cụ hỗ trợ q trình co bóp tim thể hình 12 Bước 3: Điều chỉnh áp suất nút bấm Bước 4: Ghi chép số liệu áp suất hiển thị hình LCD chiều cao cột nước 10 phút co bóp Nhóm tác giả tiến hành nhiều thí nghiệm, thí nghiệm lần đo, lần đo cách khoảng 10 phút, giá trị áp suất khí nén nhỏ 0.01 Mpa để tìm thể tích nhát bóp tim Ở người trưởng thành, thể tích nhát bóp tim khoảng từ 60ml đến 100ml với chu kỳ tim 0.8s tương ứng với nhịp đập tim 75 nhịp/ phút [8] Số liệu thử nghiệm đo tính tốn thể tích nhát bóp trung bình qua cơng thức thể bảng Bảng Bảng số liệu thử nghiệm đo thể tích nhát bóp thực tế Thí nghiệm Hình 11 Mạch cứng module khối thu nhận tín hiệu điều khiển q trình co bóp tim Giá treo tim giả Chiều cao cột nước h (cm) Bộ phận thu nhận tín hiệu điều khiển q trình co bóp tim Tim giả ống dẫn khí dãn nở Hình 12 Bộ cơng cụ hỗ trợ q trình co bóp tim Để tiến hành thử nghiệm, tác giả sử dụng nước thay cho máu để đưa vào tim giả sử dụng ống nghiệm để đo thể tích nước (thể tích nhát bóp tim) đơn vị ml với đường kính ống 14mm Ta tính thể tích nhát bóp tim (thể tích máu mà lần tim đẩy tới phận thể người) qua cơng thức tính thể tích hình trụ: = Lần đo 2 2 2 2 Áp suất p (Mpa) 0,01 0,03 0,04 0,06 0,08 0,1 0,11 0,14 0,15 Chiều cao ống h (cm) 5,6 11,4 12,2 18 19,1 23 24 33,4 32,5 37,3 37,6 42,1 42,9 47,5 48,5 51 50 Thể tích nhát bóp tính tốn trung bình qua cơng thức V1 (ml) 8,2 18,2 28,5 36,2 50,0 57,7 65,4 73,9 77,7 Thể tích nhát bóp đo V2 (ml) 17 15 27 29 36 38 50 52 57 59 65 63 70 74 77 79 Kết luận Qua trình nghiên cứu, bước đầu nhóm tác giả thiết kế chế tạo cơng cụ trợ q trình co bóp tim Do nghiên cứu thử nghiệm tim người - điều kiện thử nghiệm khó khả thi nên chế tạo tim giả silicon để thử nghiệm dựa nguyên lý hoạt động, số đặc điểm chức mặt y học tim Nhóm tác giả thực nghiên cứu, thiết kế chế tạo công cụ hỗ trợ q trình co bóp tim phịng thí nghiệm mơn Kỹ thuật y sinh - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Trong tương lai gần, tác giả (1) Trong đó: = 3.14; R bán kính ống nghiệm; h chiều cao ống Các bước tiến hành thử nghiệm 31 Tạp chí Khoa học Công nghệ 145 (2020) 027-032 [4] Ellen T Roche, Markus A Horvath, Isaac Wamala, Soft robotic sleeve supports heart function Science Translational Medicine, 18 Jan 2017, pp (1-11) phát triển đề tài theo hướng tích hợp linh kiện thành mạch tổ hợp cỡ nhỏ, thiết kế cảm biến áp suất cảm biến lưu lượng cỡ nhỏ, thu nhỏ thiết bị để bước đầu thử nghiệm động vật chẳng hạn lợn,… [5] https://www.vinmec.com/vi/tin-tuc/thong-tin-suckhoe/nguyen-nhan-va-cac-phuong-phap-dieu-tri-hieuqua-benh-suy-tim/ Tài liệu tham khảo [6] https://www.nxp.com/docs/en/datasheet/PCF8591.pdf [1] http://bachmai.gov.vn/tin-tuc-va-su-kien/bai-vietchuyen-mon-menuleft-33.html [2] [7] http://arduino.vn/ https://en.wikipedia.org/wiki/Ventricular_assist_device [8] Phạm Khuê, Lê Huy Liệu, Nguyễn Văn Xang, Nội khoa sở, tập 1, Nhà xuất y học Hà Nội, năm 2012 [3] Christopher J Payne, Isaac Wamala, Daniel BautistaSalinas, Mossab Saeed, David Van Story, “Soft robotic ventricular assist device with septal bracing for therapy of heart failure” Science robotics, 22 November 2017, pp (1-11) 32 ... cần thiết nuôi thể ứ trệ máu phổi ngoại biên [5] Công cụ hỗ trợ q trình co bóp tim bao gồm khối chính: Khối nguồn, phận hỗ trợ co bóp tim, khối thu nhận tín hiệu điều khiển q trình co bóp tim, ... trình nghiên cứu, bước đầu nhóm tác giả thiết kế chế tạo công cụ trợ q trình co bóp tim Do nghiên cứu thử nghiệm tim người - điều kiện thử nghiệm khó khả thi nên chế tạo tim giả silicon để thử... tạo tim giả vật liệu silicon Thiết kế bao tim bắt chước chức sinh học phức tạp tim co bóp tim Để tạo thành phận bao quanh tim tiếp xúc trực tiếp với thành tim, nhóm nghiên cứu đúc phận bao tim