Nghiên cứu và phát triển thuật toán xử lý ảnh trong thời gian thực để sàng lọc nhanh bệnh rối loạn tiền đình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Thiết kế phát triển thiết bị giá thành thấp giúp hiệu chuẩn thể tích cho máy thở tự chế đại dịch NGUYỄN TIẾN THÀNH Ngành: Kỹ thuật Y sinh Giảng viên hướng dẫn: TS Đào Việt Hùng Viện: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI, 4/2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Thiết kế phát triển thiết bị giá thành thấp giúp hiệu chuẩn thể tích cho máy thở tự chế đại dịch NGUYỄN TIẾN THÀNH Ngành: Kỹ thuật Y sinh Giảng viên hướng dẫn: TS Đào Việt Hùng Viện: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI, 4/2021 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Tiến Thành Đề tài luận văn: Thiết kế phát triển thiết bị giá thành thấp giúp hiệu chuẩn thể tích cho máy thở tự chế đại dịch Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh Mã số SV: CB190180 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày ………………………… với nội dung sau: - Chỉnh sửa lỗi tả - Trình bày, thích rõ ràng Ngày Giáo viên hướng dẫn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG tháng năm 2021 Tác giả luận văn LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo trường Đại học Bách khoa thầy cô giáo Bộ môn Kỹ thuật Y Sinh tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em kiến thức, kinh nghiệm quý báu thời gian qua Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến TS Đào Việt Hùng tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo, hướng dẫn em suốt trình làm đề tài luận văn Trong thời gian làm việc với thầy cô, em không tiếp thu thêm kiến thức bổ ích mà cịn học tập tinh thần làm việc, thái độ nghiêm túc, hiệu quả, điều cần thiết cho em trình học tập cơng tác sau Đồng thời trình độ lý luận kinh nghiệm thực tiễn hạn chế nên báo cáo tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 04 năm 2021 Học viên Nguyễn Tiến Thành TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Các dịng sản phẩm hỗ trợ hơ hấp, điển hình máy thở thiết bị chăm sóc đặc biệt sử dụng rộng rãi, diễn biến phức tạp đại dịch COVID-19 Dưới sức ép số lượng máy thở cần phục vụ, máy thở tự chế nghiên cứu chế tạo rộng khắp giới Vì vậy, hiệu chuẩn thể tích cho máy thở nói chung máy thở tự chế nói riêng cân nhắc vấn đề đặc biệt quan trọng Tuy nhiên, phép đo thể tích áp dụng đo lường gián tiếp thông qua loại cảm biến Các phép đo tồn nhược điểm lớn độ xác giảm lưu lượng đường khí nhỏ Do đó, việc thiết kế phát triển thiết bị giúp hiệu chuẩn thể tích cho máy thở tự chế với độ xác cao cần thiết khẩn cấp thời điểm Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế phát triển thiết bị giá thành thấp giúp hiệu chuẩn thể tích cho máy thở tự chế đại dịch sử dụng nguyên lý phương pháp đo “water-displacement” Thể tích khí thơng qua hệ thống dẫn khí kín vào lịng chng úp ngược nhấn chìm nước Sự thay đổi thể tích khí dẫn đến dịch chuyển lên xuống chng Nghiên cứu sử dụng Encoder để đọc xác khoảng dịch chuyển làm tham số truyền vào cho thuật toán đề xuất Thuật toán đồng thời xử lý sai số phép đo, tính tốn, hiển thị thể tích thực khí đưa vào chng Với đo này, sai số lưu lượng đường khí nhỏ phép đo cải thiện tối ưu Bên cạnh đó, đo sử dụng vật liệu sẵn có giá thành thấp dễ dàng lắp đặt Điều có ý nghĩa lớn, giúp tiết kiệm chi phí tình trạng khủng hoảng kinh tế đại dịch Đồng thời, để kiểm tra độ xác thuật tốn tính khả thi hệ thống, học viên sử dụng mạch điện có sẵn thư viện có sẵn giảng viên hướng dẫn cung cấp MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Máy thở 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Cơ chế hoạt động máy thở 1.1.3 Vai trò máy thở điều trị 1.1.4 Những rủi ro sử dụng máy thở 1.2 Thực trạng thiếu hụt máy thở đại dịch Covid-19 giới Việt Nam, đời máy thở tự chế 1.2.1 Trên giới 1.2.2 Tại Việt Nam 1.3 Tầm quan trọng hiệu chuẩn máy thở 1.3.1 Định nghĩa hiệu chuẩn 1.3.2 Ý nghĩa tầm quan trọng việc hiệu chuẩn máy thở 1.3.3 Nhu cầu hiệu chuẩn thể tích cho máy thở tự chế điều kiện thiếu thốn công cụ 10 CHƯƠNG CƠ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 12 2.1 Phân tích đánh giá phương pháp giúp hiệu chuẩn thể tích máy thở phổ biến 12 2.1.1 Phương pháp đo gián tiếp 12 2.1.2 Phương pháp đo trực tiếp 15 2.2 Phương pháp đo nước chiếm chỗ “water-displacement” 15 2.3 Sai số phương pháp đo thể tích nước chiếm chỗ 17 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP 20 3.1 Khái quát phương pháp đề xuất 20 3.2 Kiến trúc tổng quan hệ thống 20 3.3 Bo mạch điện tử 22 3.3.1 VĐK AVR 22 3.3.2 Mạch nạp mã nguồn cho VĐK AVR 24 3.4 Encoder 26 3.4.1 Định nghĩa 26 3.4.2 Cấu tạo chung 27 3.4.3 Nguyên tắc hoạt động Encoder 27 3.4.4 Nguyên lý hoạt động Encoder, Led lỗ 28 3.4.5 Phân loại Encoder 28 3.5 Cách đọc tín hiệu từ Encoder 29 i 3.5.1 Dùng ngắt 29 3.5.2 Dùng Input capture 29 3.5.3 Dùng chức Counter 30 3.6 Đề xuất thuật toán xử lý liệu cho độ xác cao 30 CHƯƠNG PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 33 4.1 Phân tích thiết kế hệ thống chứa khí đối trọng 33 4.1.1 Chuông đối trọng 33 4.1.2 Thùng chứa hệ thống dẫn khí kín 34 4.1.3 Xi-lanh 35 4.2 Encoder hệ thống lăn 36 4.3 Bo mạch điện tử 37 4.3.1 Tổng quan 37 4.3.2 Sử dụng bo mạch cho kiểm tra thuật tốn đề xuất 39 4.4 Mơi trường soạn thảo nạp mã nguồn 40 4.4.1 Ngơn ngữ lập trình C 40 4.4.2 Môi trường soạn thảo 41 4.4.3 Phần mềm nạp mã nguồn 42 4.5 Phần mềm điều khiển dựa thuật tốn đề xuất cơng cụ cung cấp 42 CHƯƠNG KIỂM THỬ HỆ THỐNG 44 5.1 Cài đặt hệ thống 44 5.2 Tiến hành thử nghiệm 44 5.3 Kết thử nghiệm 45 5.4 Bàn luận 45 5.4.1 Độ xác 45 5.4.2 Khả ứng dụng đề tài 46 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC 52 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Thở máy thơng qua ống nội khí quản Hình 1.2 Thở máy thơng qua ống mở khí quản Hình 1.3 Thở máy thơng qua mặt nạ khí Hình 1.4 Cơ chế thở máy áp lực âm Hình 1.5 Cơ chế thở máy áp lực dương Hình 2.1 Venturi tube flowmeter 12 Hình 2.2 Orifice plate flow merter 13 Hình 2.3 Chế độ đường dẫn “Z” 14 Hình 2.4 Chế độ đường dẫn “V” 15 Hình 2.5 Phế dung kế dịch chuyển nước sử dụng bút ghi 16 Hình 2.6 Phế dung kế dịch chuyển nước sử dụng bút chiếu 16 Hình 2.7 Cột nước dâng sau rút 450 ml khí khỏi chng 17 Hình 2.8 Hình ảnh minh họa cho kết sau rút khí khỏi chng 18 Hình 3.1 Mơ hình cấu trúc hệ thống 21 Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống 21 Hình 3.3 Mạch nạp USB ISP 24 Hình 3.4 Sơ đồ bên mạch nạp 25 Hình 3.5 Các chân cấu hình mạch nạp 25 Hình 3.6 Encoder chuyển động thẳng 26 Hình 3.7 Encoder chuyển động tròn 26 Hình 3.8 Cấu tạo chung Encoder 27 Hình 3.9 Hệ thống thu phát hồng ngoại đĩa quay 27 Hình 4.1 Chng đối trọng sử dụng 33 Hình 4.2 Bình nước Lavie sử dụng làm thùng chứa 34 Hình 4.3 Hệ thống dẫn khí từ xi-lanh vào chng 35 Hình 4.4 Xi-lanh dung tích 500 CC 35 Hình 4.5 Con lăn đơn 36 Hình 4.6 Encoder sử dụng để đo khoảng dịch chuyển 36 Hình 4.7 Hệ thống lăn Encoder sử dụng cho mục đích thử nghiệm 37 Hình 4.8 Bo mạch điện tử cung cấp 37 Hình 4.9 Sơ đồ mạch in lớp Top 38 Hình 4.10 Sơ đồ mạch in lớp Bot 38 Hình 4.11 Các chế độ đếm xung cho Encoder 39 Hình 4.12 Giao diện chọn ngơn ngữ lập trình mong muốn 41 Hình 4.13 Giao diện Fuse bit Lock bit 42 Hình 4.14 Lưu đồ thuật toán phần mềm 43 Hình 5.1 Hệ thống thử nghiệm 44 iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ASM Assembly language Hợp ngữ VĐK Microcontroller unit Vi điều khiển IC Integrated circuit Mạch tích hợp ADC Analog-to-digital Bộ chuyển đổi tương tự sang số converter KB Kilobyte Ki-lô byte LCD Liquid-Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng O2 Oxy Ơ-xi CO2 Cacbon đioxit Khí các-bơ-nic iv CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Trong chương này, tác giả trình bày tổng quan máy thở tầm quan trọng máy thở y tế; thực trạng thiếu hụt máy thở đại dịch Covid-19 giới Việt Nam; nhu cầu hiệu chuẩn thể tích cho máy thở tự chế điều kiện thiếu thốn công cụ Từ xác lập tầm quan trọng tính thiết thực đề tài 1.1 Máy thở 1.1.1 Giới thiệu chung Máy thở thiết bị y tế phục vụ cho thở máy Thở máy hay gọi thơng khí học (nhân tạo) hình thức hỗ trợ hay thay hồn tồn chức hơ hấp phổi, lồng ngực phận có liên quan Sự đời việc sử dụng máy thở học toàn giới cho bệnh nhân bại liệt vào năm 1950, máy thở hỗ trợ cứu sống cho hàng triệu người [1] Và từ đó, máy thở phổ biến sử dụng rộng khắp tồn giới để hỗ trợ hơ hấp cho bệnh nhân Hiện nay, máy thở có nhiều biến thể khác nhau, áp dụng nhiều công nghệ tiên tiến đại Bệnh nhân hỗ trợ thở máy thơng qua ống nội khí quản ống mở khí quản (xâm nhập – Hình 1.1 Hình 1.2) qua mặt nạ (khơng xâm nhập – Hình 1.3) tùy thuộc vào tình trạng bệnh nhân Hệ thống kết nối với máy thở để thực nhiều công việc khác nhau: vừa đẩy hỗn hợp không khí oxy (O2) vào phổi, vừa lấy khí, chất thải khỏi lồng ngực khả hơ hấp bệnh nhân hồi phục Hình 1.1 Thở máy thơng qua ống nội khí quản temp = x + ((y >> 3)