Thiết kế và thi công máy bơm tiêm điện sử dụng trong y tế

Thiết kế và thi công máy bơm tiêm điện sử dụng trong y tế Thiết kế và thi công máy bơm tiêm điện sử dụng trong y tế Thiết kế và thi công máy bơm tiêm điện sử dụng trong y tế Thiết kế và thi công máy bơm tiêm điện sử dụng trong y tế Thiết kế và thi công máy bơm tiêm điện sử dụng trong y tế Thiết kế và thi công máy bơm tiêm điện sử dụng trong y tế

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của công nghệ, robot và các ứng dụng của chúng đang được nghiên cứu và áp dụng ngày càng nhiều trong đời sống, đặc biệt là trong ngành y tế Việc sử dụng thiết bị điện tử hiện đại và công nghệ cao trong chẩn đoán và điều trị đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành y Các thiết bị này không chỉ mang lại hiệu quả và độ chính xác cao hơn mà còn giúp giảm tải công việc cho các y bác sĩ Do đó, thiết bị điện tử đã trở thành yếu tố không thể thiếu, đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực y tế.

Trong ngành y tế, mọi hoạt động liên quan đến sức khỏe và tính mạng con người cần được thực hiện một cách tỉ mỉ và chính xác Việc kiểm soát lượng thuốc hoặc kháng sinh truyền qua tĩnh mạch có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả điều trị, đặc biệt trong các tình trạng cấp tính Tiêm thuốc vào cơ thể bệnh nhân là phương pháp điều trị quan trọng, yêu cầu phải bơm thuốc theo liều lượng và thời gian chính xác Do đó, việc tiêm thuốc không chỉ thuộc về y sĩ mà còn cần sự hỗ trợ từ các hệ thống chính xác Bơm tiêm điện là thiết bị cung cấp lượng thuốc chính xác trong khoảng thời gian nhất định, cho phép truyền dung dịch thuốc chậm và liên tục, đặc biệt trong điều trị bệnh tim mạch và thần kinh, nơi mà việc tiêm dung dịch vào tĩnh mạch trong thời gian dài đòi hỏi sự chính xác và kiểm soát từ bác sĩ.

Bơm tiêm điện mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với phương pháp truyền dịch thủ công, bao gồm khả năng cung cấp chất lỏng với khối lượng nhỏ và tốc độ truyền dịch được lập trình chính xác Người dùng có thể dễ dàng cung cấp các chất dinh dưỡng hoặc thuốc như insulin, thuốc kháng sinh, thuốc hóa trị và thuốc giảm đau.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN thường được sử dụng được thiết kế cho các mục đích chuyên dụng Có một số máy bơm truyền đặc biệt thường được sử dụng, và máy bơm truyền insulin Bơm tiêm ruột được sử dụng để cung cấp chất dinh dưỡng và thuốc lỏng cho đường tiêu hóa của bệnh nhân Bơm tiêm insulin thường được sử dụng để cung cấp insulin cho bệnh nhân tiểu đường và thường được sử dụng tại nhà [4]

Các loại bơm tiêm có cơ chế kiểm soát chất lỏng đa dạng, có thể hoạt động bằng điện hoặc cơ Chẳng hạn, trong bơm truyền ống tiêm, chất lỏng được giữ trong ống tiêm và piston điều khiển việc truyền chất lỏng Bơm nhu động sử dụng các con lăn để ép ống, giúp đẩy chất lỏng về phía trước Một số bơm phức tạp còn có khả năng cung cấp chất lỏng từ nhiều nguồn chứa khác nhau.

Nhiều máy bơm truyền hiện đại được trang bị tính năng an toàn như cảnh báo vận hành, giúp kích hoạt trong trường hợp xảy ra sự cố Trong quá trình rút thuốc, việc đầu kim lộ ra khỏi mặt thuốc có thể khiến không khí xâm nhập vào cơ thể, gây nguy hiểm như sốc phản vệ và tắc nghẽn mạch máu Nhiều trường hợp đã xảy ra, dẫn đến đau đớn và ảnh hưởng đến tính mạng bệnh nhân do bọt khí trong bơm tiêm Ngoài việc điều chỉnh thể tích, thời gian và tốc độ truyền thuốc, các máy bơm tiêm điện còn có khả năng cảnh báo kịp thời khi có bọt khí vào máu Các máy bơm thông minh mới được thiết kế để cảnh báo người dùng về nguy cơ tương tác thuốc bất lợi và khi thông số vượt quá giới hạn an toàn Ngoài ra, chúng còn phát hiện sự tắc nghẽn trong ống bơm, từ đó nâng cao độ an toàn cho thiết bị y tế và được sử dụng rộng rãi hơn.

Nhóm chúng em đã chọn đề tài thiết kế và thi công máy bơm tiêm điện cho y tế, nhằm ứng dụng trong việc truyền thuốc với tốc độ chậm và kéo dài cho bệnh nhân mắc các loại bệnh khác nhau Đề tài này không chỉ giúp chúng em hiểu rõ hơn về thiết bị bơm tiêm điện mà còn cung cấp kiến thức về thiết kế mạch và mô hình dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế thiết bị y tế.

Mục tiêu

Đề tài “Thiết kế và thi công bơm tiêm điện sử dụng trong y tế” nhằm phát triển các chức năng quan trọng như nhập liều lượng và thời gian truyền thuốc, tính toán tốc độ truyền, lập trình các phím chức năng điều khiển động cơ, cùng với các chức năng cho thiết bị ngoại vi Bên cạnh đó, việc sử dụng cảm biến áp lực giúp cảnh báo tình trạng tắc nghẽn của bơm tiêm điện Dự án cũng chú trọng vào việc xây dựng mô hình sản phẩm dựa trên các thiết kế hiện có trên thị trường và tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế thiết bị y tế.

Nội dung nghiên cứu

Để phát triển sản phẩm hiệu quả, cần nghiên cứu kỹ lưỡng các tài liệu và mô hình sản phẩm hiện có trên thị trường Đồng thời, việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động của máy bơm tiêm điện cũng rất quan trọng để đảm bảo tính năng và hiệu suất của sản phẩm.

Nội dung 3: Tìm hiểu và nghiên cứu mạch điều khiển cho thiết bị

Nội dung 4: Lập trình các chức năng cho nút nhấn

Nộ dung 5: Nghiên cứu về giải pháp phát hiện tắt nghẽn

Nội dung 6: Lập trình điều khiển động cơ

Nội dung 7: Xây dựng, thiết kế mô hình cho sản phẩm.

Giới hạn

- Máy chỉ sử dụng cho 2 loại bơm tiêm chuyên dụng trong bơm dài hạn

- Máy bơm tiêm không thể phân biệt các loại thuốc

- Thiết bị chỉ dừng ở trên việc nghiên cứu và chế tạo không đạt tiêu chuẩn sử dụng cho người.

Bố cục

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương này giới thiệu lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung chính của nghiên cứu, các giới hạn về thông số và cấu trúc của đồ án.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lịch sử phát triển và các loại máy bơm tiêm điện

Máy bơm tiêm được phát minh bởi Christopher Wren vào năm 1658, nhưng do hạn chế kỹ thuật, việc sử dụng bơm tiêm truyền máu đã bị cấm Sự phát triển của bơm tiêm chỉ được khôi phục vào thế kỷ 19, và đến năm 1950, bơm tiêm truyền được áp dụng trong hóa trị liệu Vào những năm 1970, bơm tiêm điện cứu thương nhỏ, di động và có thể đeo được ra đời, mở ra cơ hội cho bệnh nhân ngoại trú và các nghiên cứu trên động vật cũng như nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác.

Năm 2001, Dean Kamen giới thiệu bơm tiêm điện Segway, thiết bị quan trọng trong cứu thương và bơm tiêm insulin cho bệnh nhân tiểu đường Sự tiến bộ của công nghệ đã dẫn đến việc nghiên cứu và phát triển rộng rãi các máy bơm tiêm điện, kết hợp với hệ thống thông tin truyền thông để nâng cao hiệu quả sử dụng.

2.1.2 Các loại máy bơm tiêm điện

Bơm tiêm điện nghiên cứu là thiết bị thiết yếu trong phòng thí nghiệm, phục vụ cho các ứng dụng cần cung cấp lượng hóa chất rất nhỏ Thiết bị này thường xử lý khối lượng nhỏ và tích hợp nhiều chức năng hữu ích cho nghiên cứu, tuy nhiên, nó không hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu trong nghiên cứu cơ thể sống.

Bơm tiêm truyền y tế là thiết bị quan trọng dùng để cung cấp chất lỏng như thuốc, dinh dưỡng và máu cho bệnh nhân Ngoài ra, nó còn được áp dụng trong chẩn đoán, điều trị và nghiên cứu sinh học Để đảm bảo an toàn cho người sử dụng, bơm tiêm phải được thiết kế để ngăn ngừa các rủi ro như bọt khí và các nguy hiểm khác Việc vận hành và giám sát bơm tiêm truyền y tế chỉ được thực hiện bởi nhân viên y tế hoặc kỹ sư có chuyên môn.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Quy trình hoạt động của bơm tiêm điện

2.2.1 Mô tả bơm tiêm điện được sử dụng trong y tế

Thiết bị bơm tiêm điện được thiết kế để tiêm thuốc vào tĩnh mạch với tốc độ ổn định, cho phép kiểm soát tốc độ, thể tích và thời gian tiêm truyền thông qua việc cài đặt theo ý muốn Khi xảy ra bất thường, thiết bị sẽ phát ra cảnh báo như loa báo động và đèn tín hiệu, hoặc ngừng hoạt động Nhiều hãng sản xuất nổi tiếng cung cấp bơm tiêm điện phục vụ ngành y tế, bao gồm B Braun với sản phẩm Perfusor compact, Terumo với máy bơm TE-SS700, và Ampall với bơm SP-8800 Mặc dù được sản xuất bởi các hãng khác nhau, tất cả đều tập trung vào việc kiểm soát thời gian, tốc độ và thể tích truyền thuốc cho bệnh nhân.

Dưới đây mô tả cơ bản một thiết bị bơm tiêm điện cụ thể là thiết bị bơm tiêm điện B.Braun Perfusor compact của hãng B.Braun

Bơm tiêm điện B Braun Perfusor compact là thiết bị tự động với thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng, hỗ trợ xilanh 20ml và 50ml, tự động nhận biết kích cỡ xilanh Thiết bị có độ chính xác cao, đạt ±2,5% cho cả ống tiêm và máy, với tốc độ truyền ổn định từ 0.1-99.9ml/giờ, điều chỉnh từng bước 0.1ml/giờ Thể tích truyền có thể chọn từ 0.1-999.9ml với bước điều chỉnh 0.1ml và tốc độ bơm nhanh lên đến 800ml/giờ, phù hợp cho các ca cần truyền dịch nhanh Bộ cảm biến áp lực thông minh cho phép điều chỉnh giới hạn áp lực nghẽn, giúp giảm thời gian phản ứng với báo động nghẽn và giảm thể tích nghẽn trong hệ thống khi áp lực tăng cao.

Chức năng an toàn của thiết bị [8]:

- Giới hạn cảnh báo áp lực nghẽn có thể cài đặt ở 3 mức cài đặt sẵn

- Mức áp lực nghẽn tối đa 1.2 bar

- Tự động tắt máy khi sai số thể tích tiêm lớn hơn 0.015ml do lỗi hệ thống

- Báo hiệu trước 3 phút trước khi đạt thể tích truyền

Máy giao tiếp với người sử dụng thông qua thao tác với các nút nhấn và màn hình LCD, hình 2.2 các nút nhấn chức năng của thiết bị

Hình 2.2: Phím chức năng của bơm tiêm điện

Trên hình 2.2, các nút nhấn của thiết bị bao gồm chức năng tắt mở, bắt đầu và dừng truyền thuốc, chọn tốc độ, thời gian và thể tích thuốc cho bơm tiêm tự động Người dùng có thể thay đổi các thông số này bằng cách nhấn nút để cài đặt thông số mới cho quá trình truyền Thông tin về các cài đặt, cảnh báo và quá trình hoạt động của bơm tiêm điện được hiển thị rõ ràng trên màn hình LCD như hình 2.3.

Màn hình LCD không chỉ hiển thị các thông số cài đặt trước mà còn cung cấp các ký hiệu cảnh báo cho người sử dụng khi có sự cố bất thường xảy ra.

2.2.2 Mô tả cơ chế hoạt động của bơm tiêm điện

Bơm tiêm điện là thiết bị quan trọng trong y tế, giúp kiểm soát thời gian, tốc độ và thể tích thuốc được truyền vào cơ thể bệnh nhân Mặc dù có nhiều loại bơm tiêm điện trên thị trường với cách sử dụng khác nhau, chúng đều tuân theo một quy trình hoạt động chung.

Hình 2.4: Sơ đồ hoạt động của bơm tiêm điện

Thao tác trên phần cứng bao gồm việc sử dụng nút nhấn và lắp bơm tiêm vào thiết bị Nút nhấn có chức năng khởi động thiết bị, cài đặt thông số liều lượng thuốc và thời gian bơm, từ đó tính toán tốc độ bơm cho loại thuốc đang sử dụng Bơm tiêm điện còn tích hợp chế độ nhận diện sự hiện diện của xilanh và có các khớp cố định phần thân ống, giúp chống trượt trong quá trình động cơ thực hiện đẩy ống bơm tiêm.

Xử lý phần mềm là quá trình điều chỉnh các thông số như liều lượng và thời gian bơm Phần mềm sẽ tính toán và điều khiển động cơ để đảm bảo việc bơm chính xác lượng thuốc cho bệnh nhân trong khoảng thời gian quy định.

Khi xảy ra sự cố phần cứng như lắp sai ống bơm tiêm, cài đặt thông số không chính xác hoặc chưa gắn ống tiêm, phần mềm sẽ tự động phát hiện và thông báo cho người sử dụng để khắc phục lỗi trước khi bắt đầu quá trình bơm.

Nhận diện lỗi trong quá trình bơm là quá trình phát hiện sự cố và gửi thông tin đến bộ xử lý, khiến bộ xử lý ngừng hoạt động của bơm tiêm điện và cảnh báo người sử dụng hoặc giám sát Sau khi quá trình bơm hoàn tất, thiết bị sẽ thông báo kết thúc thông qua loa hoặc đèn báo hiệu.

Thao tác trên phần cứng

Kiểm tra lỗi trước khi bơm

Báo hiệu kết thúc quá trình

Phát hiện và khắc phục lỗi trong quá trình bơm

Bắt đầu quá trình bơm

2.2.3 Một số tiêu chuẩn cho thiết kế thiết bị y tế

TCVN 8023 (ISO 14971) yêu cầu các thiết bị phải thực hiện các biện pháp bảo hộ, bao gồm cả việc thiết lập các báo động khi cần thiết, nhằm quản lý các rủi ro không thể loại bỏ Tiêu chuẩn này cũng nhấn mạnh việc thông báo cho người sử dụng về các rủi ro còn tồn tại do những lỗi trong các phương pháp bảo vệ đã được chấp nhận.

TCVN ISO 13485:2004 yêu cầu các thiết bị y tế phải đạt được tính năng mong muốn của nhà sản xuất Các thiết bị này cần được thiết kế và sản xuất với một hoặc nhiều chức năng phù hợp với khái niệm thiết bị y tế trong từng quyền hạn áp dụng.

TCVN 7391 (ISO 10993): Thiết bị y tế cần được lựa chọn cân nhắc nguyên vật liệu được sử dụng, đặc biệt là tính độc hại, và tính dễ cháy [9]

IEC 60601-1-4 quy định rằng thiết bị kết hợp với hệ thống lập trình điện tử phải được thiết kế để đảm bảo độ lặp lại, độ tin cậy và hiệu suất phù hợp với mục đích sử dụng Trong trường hợp xảy ra lỗi đơn, cần áp dụng các biện pháp thích hợp để loại bỏ hoặc giảm thiểu rủi ro có thể phát sinh.

Theo TCVN 7740 (ISO 14155), thiết bị y tế có sự an toàn của bệnh nhân phụ thuộc vào nguồn năng lượng bên trong cần phải được trang bị các phương tiện để xác định tình trạng của nguồn năng lượng đó.

ISO 70000 - IEC 60417 quy định rằng mỗi thiết bị cần có thông tin nhận diện nhà sản xuất, đảm bảo an toàn khi sử dụng và duy trì tính năng dự kiến Thông tin này bao gồm chi tiết trên nhãn hiệu và dữ liệu trong hướng dẫn sử dụng, đồng thời phải được trình bày một cách dễ hiểu để hỗ trợ người sử dụng trong việc đào tạo và cung cấp kiến thức cần thiết.

Giới thiệu phần cứng

Vi điều khiển PIC 16F887, do hãng MicroChip sản xuất, thuộc dòng họ PIC 16Fxxx với tập lệnh 14 bit Mỗi lệnh được thực thi trong một chu kỳ xung clock, mang lại hiệu suất cao cho các ứng dụng Thông số kỹ thuật chi tiết của PIC 16F887 được trình bày trong bảng 2.1.

Bảng 2.1: Sơ lược về vi điều khiển PIC 16F887 Đặc điểm Thông số

Xung đồng hồ DC 20MHZ

Bộ nhớ chương trình Flash 8Kx14

Bộ nhớ EFPROM 256x8 bytes port I/O 35

Dải điện thế hoạt động 2V 5,5V

Hình 2.6: Sơ đồ chân PIC 16F887

PIC 16F887 gồm 40 chân như trên hình 2.6 với các chức năng khác nhau Các chức năng chân của vi điều khiển PIC16F887:

Port A gồm các chân từ RA0 đến RA5, tương ứng với chân số 2 đến chân số 7, với tổng cộng 6 pin I/O Những chân này là chân hai chiều, cho phép thực hiện cả chức năng xuất và nhập dữ liệu.

Port B bao gồm 8 chân I/O, từ RB0 đến RB7, tương ứng với chân số 33 đến chân số 40 Ngoài chức năng I/O, một số chân của Port B còn được sử dụng trong quá trình nạp chương trình cho vi điều khiển.

Port C bao gồm các chân từ RC0 đến RC7, với tổng cộng 8 chân I/O, nằm ở vị trí chân số 15 đến 18 và 23 đến 26 Ngoài ra, Port C còn tích hợp bộ Timer1, bộ PWM, và hỗ trợ các giao tiếp như I2C, SPI, SSP, và USART.

Port D: RD0 đến RD7, có số chân từ chân số 33 đến chân số 40 PortD (RPD) gồm

8 chân I/O, thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISD [10]

Port E: RE0 đến RE2, có số chân từ chân số 19 đến chân số 22 và chân số 27 đến chân 30 PortE gồm 3 chân I/O, các chân của PORTE có ngõ vào analog [10]

Chân 11, 12, 31, 32 cung cấp nguồn cho vi điều khiển, trong khi chân 13 và 14 được kết nối với thạch anh để tạo dao động xung clock cho chip Chân 1 là chân RESET, cho phép thiết lập lại trạng thái ban đầu của hệ thống.

2.3.2 Động cơ bước JK42HS40-1704 Nema17 Động cơ bước JK42HS40-1704Nema17 như hình 2.7 là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết

Hình 2.7: Động cơ bước JK42HS40-1704 Nema17

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Động cơ bước lưỡng cực Hybrid JK42HS40-1704 Nema17 là loại động cơ bước 2 pha có điện áp hoạt động từ 12V – 36V DC và 12V – 24V AC với dòng điện tiêu thụ từ 0.2A – 2A Trong một vòng quay cố định động cơ có 200 bước, tương ứng mỗi bước sẽ có góc quay là 1.80 [11] Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học và được cấu tạo như hình 2.8 Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi [11]

Động cơ bước JK42HS40-1704 Nema17 hoạt động dựa trên nguyên lý điện, khi có xung điện áp áp dụng vào cuộn dây stator, rotor sẽ quay một góc nhất định, tương ứng với một bước quay của động cơ Khi các xung điện áp liên tục thay đổi trên các cuộn dây phần ứng, rotor sẽ quay liên tục, tạo ra chuyển động mượt mà và chính xác.

Động cơ bước có thể được xem như một linh kiện số, nơi các thông số đã được số hóa sẽ được chuyển đổi thành chuyển động quay từng bước Nó thực hiện chính xác các lệnh số hóa theo yêu cầu, với mô tả xung tương ứng thể hiện rõ ràng.

Hình 2.9: Số xung tương ứng với số bước của roto

2.3.3 Mạch điều khiển động cơ bước DRV8825

Module điều khiển động cơ bước DRV8825, như hình 2.10, tích hợp đầy đủ các tính năng của một driver chuyên nghiệp, bao gồm điều chỉnh dòng giới hạn, vi bước (1/32 bước), và bảo vệ quá dòng, quá nhiệt Thiết bị hoạt động trong dải điện áp từ 8.2V đến 45V và có khả năng cung cấp khoảng 1,8A trên mỗi pha mà không cần tản nhiệt Thông số kỹ thuật của driver được trình bày trong bảng 2.2, trong khi chức năng các chân của driver 8825 được thể hiện trong bảng 2.3.

Thông số Điện áp cung cấp

Dòng đỉnh 2.5A Độ phân giải bước 6 độ phân giải khác nhau Điện áp điều khiển 3.3V và 5V

Quá nhiệt, quá dòng Tự động ngắt

Bảng 2.3: Chức năng các chân của Driver 8825

Vdd & Gnd Kết nối 5V và nối Đất với vi điều khiển

Vmot & Gnd Mot Cấp nguồn cho động cơ

B1, B2 & A1, A2 Các chân đầu ra, được kết nối với 4 chân động cơ

Direction Chân điều khiển hướng của động cơ

Step Chân điều khiển động cơ bước

Fault Chân phát hiện lỗi

Màn hình LCD 20x4, như hình 2.11, là loại màn hình tinh thể lỏng chuyên dụng để hiển thị chữ và số theo bảng mã ASCII Mỗi ô của màn hình này được cấu thành từ các chấm tinh thể lỏng, hoạt động theo cơ chế “ẩn” hoặc “hiện” để tạo ra các kí tự cần hiển thị, với mỗi ô chỉ có khả năng hiển thị một kí tự duy nhất.

Màn hình LCD 20x4 là loại màn hình có 4 dòng, mỗi dòng hiển thị tối đa 20 ký tự, rất phổ biến trong các mạch điện Mỗi chân của LCD đảm nhận các chức năng riêng biệt, được trình bày chi tiết trong bảng 2.4.

Bảng 2.4: Chức năng các chân LCD20x4 stt Ký hiệu Mô tả

2 VDD Nguồn cấp cho LCD

3 V0 Điều chỉnh độ tương phản

4 RS Chọn thanh ghi: RS=0: chọn thanh ghi lệnh RS=1: chọn thanh ghi dữ liệu

5 R/W Chọn thanh ghi đọc viết dữ liệu: R/W=0: thanh ghi viết

7 DB0-DB7 Chân truyền dữ liệu

2.3.5 Cảm biến áp lực FRS402

Cảm biến áp lực FSR402, như hình 2.12, có độ dày khoảng 0,3mm và điện trở nhạy cảm biến áp suất cao Khi áp suất tác động lên bề mặt cảm biến, điện trở sẽ thay đổi; áp lực lớn hơn sẽ làm giảm trở kháng và tăng điện áp đầu ra Loại cảm biến này chủ yếu được sử dụng để đo xu hướng thay đổi áp suất và phân phối áp suất trong một khu vực.

Cảm biến áp lực dạng Film FSR402 là thiết bị lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển và robot, bao gồm nút nhấn cảm ứng, đo lực tay kẹp robot và đo áp lực nhấn tại một điểm thông qua sự thay đổi trở kháng trên hai tiếp xúc của cảm biến Sản phẩm này nổi bật với cách sử dụng dễ dàng, độ bền cao và độ ổn định tốt Thông số kỹ thuật của cảm biến áp lực được trình bày chi tiết trong bảng 2.5.

Bảng 2.5: Thông số kĩ thuật cảm biến áp lực FSR402

Thông số Đặc điểm Điện tích cảm ứng Đường kính 13mm

Tín hiệu trả về Điện trở biến thiên theo áp lực nhấn

Giới hạn lực 0.1N đến 10N ( 10g đến 1Kg)

Thiết kế Dạng Film siêu mỏng dày 0.45mm Độ bền 10 triệu lần nhấn

Thời gian đáp ứng Nhỏ hơn 1ms

Cảm biến áp lực FSR402 được cấu tạo từ ba lớp: lớp ngoài cùng nhạy cảm với lực, lớp giữa là miếng đệm và lớp trong cùng chứa mạch điện Mạch điện này bao gồm các điện trở áp điện, tạo ra điện áp khi bị nén hoặc giãn nở Đặc biệt, giá trị điện trở của FSR tỷ lệ nghịch với áp suất tác động lên bề mặt, điều này cho phép điều chỉnh giá trị Vref một cách hiệu quả.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

THI CÔNG HỆ THỐNG

Giới thiệu

Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày quy trình thi công PCB, lập trình, lắp ráp phần cứng và kiểm tra mạch Ngoài ra, bài viết còn kèm theo hình ảnh từ mô hình thực tế của hệ thống và các kết quả hoạt động của hệ thống.

Thi công hệ thống máy bơm tiêm điện

4.2.1 Thi công bo mạch điều khiển

Dưới hình 4.1 là Board mạch được thiết kế bằng phần mền Alatium xem hình dưới

Hình 4.1: PCB của hệ thống

Hình 4.2: Mặt trên của hệ thống

Vì yêu cầu của phần cứng nên nhóm sử dụng 1 board mạch riêng cho bàn phím và kết nối tín hiệu với board mạch chính bằng dây bus

Hình 4.3: PCB board mạch nút nhấn Hình 4.4: Mặt trên của board nút nhấn

Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện

STT Tên linh kiện Điện áp Số lượng Dòng điện

1 Điện trở chân phím nhấn 5V 12 0.5mA

5 Cảm biến hồng ngoại 5V 1 43mA

6 Cảm biến áp lực 5V 1 0.5mA

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra mạch điều khiển

Các bước rửa mạch in:

Bước 1: Chà nhẹ tấm đồng bằng giấy nhám và rửa sạch

Bước 2: Để mạch in lên board đồng và tiến hành ủi trong vòng 10 phút

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

Bước 3: Nhẹ nhàng gỡ phần giấy in mạch ra và dùng bút long tô lại những đường mạch bị đứt hoặc mờ

Bước 4: Ngâm mạch trong dung dịch axit để oxi hóa lớp đồng

Bước 5: Chà sạch lớp mực in

Bước 6: Tiến hành khoan mạch

Sau khi thiết kế xong PCB nhóm tiến hành rửa mạch in và gắn linh kiện trên mạch

Mạch in gia công bằng tay có chất lượng thấp hơn so với sản phẩm mua tại cửa hàng, tuy nhiên vẫn đảm bảo hoạt động ổn định và đáp ứng tốt các yêu cầu mà nhóm đã đặt ra từ đầu.

Hình 4.5: Mạch PCB của hệ thống và bàn phím

Hình 4.6: Mặt trên của hệ thống khi sau khi đã hàn gắn linh kiện

. Hình 4.7: Mạch nút nhấn sau khi thi công Tiến hành hàn linh kiện vào mạch in:

Bước 1: Lựa chọn những linh kiện phù hợp cho mạch

Bước 2: Gắn từng linh kiện vào board mạch và hàn từng chân một Hàn từ linh kiện ít chân đến các linh kiện nhiều chân

Bước 3: Dùng nhựa thông để phủ lên mạch để tránh trường hợp bi oxi hóa

Bước 4: Cấp nguồn 12V cho mạch, quan sát các led có sáng hay không

Để kiểm tra mạch điện, bước đầu tiên là sử dụng đồng hồ đo điện áp để xác định xem từng linh kiện có nhận điện áp hay không, nhằm phát hiện mạch hở Tiếp theo, cần sử dụng nút nhấn để kiểm tra xem mạch hoạt động đúng theo các chức năng đã được lập trình hay không.

Đóng gói và thi công mô hình máy bơm tiêm điện

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển bơm tiêm điện

Mạch điều khiển trung tâm được gắn cố định ở giữa mô hình bằng 2 ốc vít M4, tuy nhiên, do mạch nút nhấn là một mạch riêng biệt nên các dây kết nối bị chồng chéo, ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ Ở bên trái, nguồn PIN dự phòng được tích hợp với mạch sạc pin 3s, đảm bảo thiết bị luôn được sạc đầy Mạch chuyển đổi nguồn adapter sang nguồn PIN được đặt gần nguồn dự phòng để tối ưu hóa khả năng kết nối Hình ảnh đóng gói bộ vi điều khiển của đề tài có thể tham khảo trong hình 4.8.

Hình 4.8: Hình ảnh đóng gói bộ vi điều khiển

4.3.2 Thi công mô hình máy bơm tiêm điện

Trước khi tiến hành thi công mô hình máy bơm tiêm điện, việc liệt kê chi tiết các thành phần bên trong là rất quan trọng để lắp ghép thành một mô hình hoàn chỉnh Bảng 4.2 cung cấp danh sách đầy đủ các chi tiết cần thiết cho mô hình này.

Bảng 4.2: Các chi tiết cần thiết cho thi công mô hình bơm tiêm điện stt Tên Số lượng Chú thích

1 Mica 18 chi tiết Loại 5mm

2 Nhôm định hình 2 20x20cm, dài 25cm

9 Ống bơm tiêm 2 10cc và 20cc

10 Giá đỡ hồng ngoại 1 mica

Mạch điều khiển trung tâm Pin dự phòng

Để lắp ráp mô hình, trước tiên bạn cần các chi tiết cần thiết Bước đầu tiên là gắn đế mô hình với hai mặt bên, sử dụng ke góc chữ L để cố định và tạo thành hình hộp Cuối cùng, hãy dùng lục giác M5 để đảm bảo ke góc chữ L được cố định chắc chắn.

Bước 2: Đặt 2 thanh nhôm định hình để làm giá đỡ cho động cơ, lắp ráp mặt trước vào mô hình, kết nối các mặt phảng bằng ke góc chữ L

Bước 3: Sử dung thanh trượt đặt vào các lỗ đã thiết kế trên khung đẩy, dán cố định ổ bi trượt vào thanh đẩy ống bơm

Bước 4: Đặt động cơ bước vào vị trí đã định sẵn, dán thành các mảnh mica thành một khối liền nhau, đặt quạt tản nhiệt phía sau thiết bị

Bước 5: Cố định LCD và nút nhấn bằng các ốc vít M3 và M4 ở mặt trước, cố định các led trên LCD bằng keo dán

Bước 6: Lắp đặt mạch điều khiển và pin dự phòng vào mô hình

Bước 7: Tiến hành hoàn thiện mô hình và lắp đặt nắp đậy cho mô hình, tiến hành kiểm tra hoạt động

Mô hình máy bơm tiêm điện hoàn chỉnh, như thể hiện trong hình 4.9, được lắp ráp từ nhiều phần khác nhau, chủ yếu sử dụng mica 5mm Mica 5mm không chỉ mang lại độ chắc chắn cao cho thiết bị mà còn làm tăng tính thẩm mỹ của mô hình Đặc biệt, thanh đẩy ống bơm tiêm yêu cầu độ cứng và dày hơn, do đó, mica 10mm được sử dụng để đảm bảo giữ vững hai ổ bi.

Khung đẩy ống bơm tiêm

Hình 4.10: Mặt bên và mặt sau của mô hình máy bơm tiêm điện

Mô hình máy bơm tiêm điện được thiết kế với màu sắc tuân thủ tiêu chuẩn y tế, thường sử dụng các gam màu nhẹ nhàng như trắng, xanh lá, xanh da trời và xám Chúng tôi đã lựa chọn khung màu chủ đạo là xanh da trời đậm, kết hợp cùng màu xám khói ở các vị trí trước và sau, tạo nên một thiết kế hài hòa và chuyên nghiệp.

Lập trình hệ thống máy bơm tiêm điện

4.4.1 Lưu đồ giải thuật a, Lưu đồ chương trình chính

Hình 4.12: Lưu đồ chương trình chính

Khi bắt đầu cấp nguồn, chương trình sẽ khởi tạo các port cần thiết, bao gồm giao tiếp với LCD, module thời gian thật DS1307, cảm biến hồng ngoại, cảm biến áp lực, các phím nhấn, LED, buzzer báo động và các biến sử dụng trong chương trình Giao diện ban đầu cho phép người sử dụng lựa chọn loại thiết bị.

Chọn loại bơm tiêm, nhập thể tích thuốc, hiển thị trên màn hình LCD và điều khiển động cơ

Kiểm tra cảm biến hồng ngoại

Nhập thời gian, thể tích thuốc và hiển thị trên LCD Điều khiển động cơ, kiểm tra lỗi và đưa cảnh báo Đ

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG bơm tiêm và nhập lượng thuốc được rút trong bơm tiêm với giao diện hiển thị là màn hình LCD với 2 thông số loại bơm tiêm và thể tích thuốc, với các thông số cài đặt chương trình sẽ điều khiển động cơ đến vị trí lắp bơm tiêm Sau khi lắp bơm tiêm vào thiết bị đồng thời vi điều khiển sẽ nhận được tín hiệu từ hồng ngoại, chương trình sẽ cho phép nhập thể tích và thời gian, số liệu và chế độ hoạt động của thiết bị với giao diện thiển thị màn hình LCD Với thống số nhập từ người sử dụng chương trình sẽ xử lí tính toán và điều khiển động cơ đúng với giá trị cài đặt, trong quá trình bơm chương trình liên tục kiển tra lỗi, báo động cho người sử dụng nếu có sự cố xảy ra Khi kết thúc quá trình bơm chương trình sẽ quay về lại giao diện ban đầu lựa chọn loại bơm tiêm và thể tích thuốc b, Lưu đồ con chọn loại bơm tiêm, nhập thể tích thuốc, hiển thị LCD và điều khiển động cơ

Hình 4.13: Lưu đồ con chọn loại bơm tiêm, nhập thể tích thuốc, hiển thị LCD và điều khiển động cơ

Trong hình 4.13, người dùng cần nhập loại bơm tiêm để bơm thuốc, với hai lựa chọn là bơm tiêm 10ml/cc và 20ml/cc, trong đó bơm tiêm 10ml/cc là mặc định Giá trị thể tích thuốc nhập vào phản ánh lượng thuốc có trong ống tiêm, và các thông số liên quan đến loại bơm tiêm cùng với lượng thuốc sẽ được ghi nhận.

Xử lí tính toán và điều khiển động cơ

Chọn loại bơm tiêm và nhập giá trị thể tích thuốc

Khi màn hình LCD hiển thị, nhấn nút LẤY_THUỐC để chương trình điều khiển đầu đẩy bơm tiêm đến vị trí lắp bơm tiêm với các thông số đã được cài đặt Tiếp theo, lưu đồ chương trình con sẽ cho phép người dùng chọn loại bơm tiêm và nhập giá trị thể tích thuốc cần sử dụng.

Hình 4.14: Lưu đồ chương trình con chọn loại bơm tiêm và nhập thể tích thuốc

Nút nhấn XI_LANH giúp người dùng dễ dàng chọn loại bơm tiêm phù hợp, cụ thể là thay đổi biến TT_XI_LANH với loại 10ml/cc tương ứng.

Biến TT_XI_LANH có giá trị 0 tương ứng với loại bơm tiêm 20ml/cc, và chương trình sẽ dựa vào trạng thái của biến này để xử lý và tính toán giá trị cho loại bơm tiêm đã chọn Hai nút nhấn VALUE UP và VALUE DOWN sẽ có chức năng lần lượt tăng và giảm thể tích.

TT_XI_LANH = 0 TT_XI_LANH = 1 nút nhấn VALUE UP nút nhấn VALUE DOWN

LUU_LUONG_BD++ LUU_LUONG_BD

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG tích thuốc muốn cài đặt Giá trị loại bơm tiêm và thể tích thuốc có trong bơm tiêm sẽ được hiển thị trên màn hình LCD và chương trình sẽ hoạt động với giá trị đã cài đặt d, Lưu đồ chương trình con xử lí tính toán điều khiển động cơ

Hình 4.15: Lưu đồ chương trình con xử lí tính toán và điều khiển động cơ

Sau khi nhập loại bơm tiêm và thể tích thuốc, chương trình khởi tạo hai biến để điều khiển động cơ: BUOC_TT, có giá trị tính toán phụ thuộc vào loại bơm tiêm, và BUOC_CHAY, nhằm tạo ra số xung đúng với số bước yêu cầu Cuối cùng, màn hình LCD sẽ hiển thị giao diện nhập giá trị về thời gian.

Tính toán giá trị BUOC_TT theo loại bơm tiêm 10ml/cc

Khởi tạo biến BUOC_TT = 0 và BUOC_CHAY = 0

BUOC_TT theo loại bơm tiêm

BUOC_CHAY nhỏ hơn BUOC_TT

Hiển thị giao diện LCD cho quá trình bơm thuốc Điều khiển động cơ và BUOC_CHAY++ Đ Đ S

Bắt đầu quá trình bơm thuốc bằng cách thiết lập gian và thể tích Khi nhận tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại, chương trình cho phép người dùng nhập giá trị thời gian và thể tích thuốc cần bơm cho bệnh nhân Sau đó, chương trình con sẽ hiển thị thông tin về thời gian và thể tích thuốc trên màn hình LCD.

Hình 4.16: Chương trình con nhập thời gian, thể tích thuốc và hiển thị trên LCD

THỜI GIAN Nút nhấn THỂ

Tăng thể tích hoặc thời gian

Giảm thể tích hoặc thời gian

Tính toán và hiển thị

Hai phím nhấn THỜI GIAN và THỂ TÍCH cho phép người dùng nhập giá trị tương ứng Phím VALUE UP và VALUE DOWN dùng để tăng hoặc giảm giá trị thời gian và thể tích Quá trình này được thực hiện thông qua hai chương trình con riêng biệt Sau khi người dùng nhập giá trị, phím OK sẽ kiểm tra tính hợp lý của các giá trị cài đặt; nếu hợp lý, chương trình sẽ tính toán và lưu lại các giá trị này.

Hình 4.17: Chương trình con tăng và giảm thể tích hoặc thời gian

Khi bạn nhấn nút THỜI GIAN hoặc THỂ TÍCH, biến TT_NDL sẽ thay đổi trạng thái: mức thấp “0” để nhập giá trị thể tích và mức cao “1” để nhập giá trị thời gian Sau khi cài đặt và nhập giá trị hoàn tất, chương trình sẽ điều khiển động cơ để kiểm tra lỗi và đưa ra cảnh báo.

Quá trình nhập thông số hoàn thành sẽ kích hoạt chương trình điều khiển động cơ theo các thông số đã cài đặt Dưới đây là lưu đồ của chương trình con, bao gồm việc điều khiển động cơ, kiểm tra lỗi và đưa ra cảnh báo khi cần thiết.

Tăng thời gian Tăng thể tích

Giảm thời gian Giảm thể tích

Kết thúc Kết thúc g, Lưu đồ chương trình con điều khiển động cơ, kiểm tra lỗi và cảnh báo

Hình 4.18: Lưu đồ chương trình con điều khiển động cơ, kiểm tra lỗi và cảnh báo

SO_BUOC_BOM nhỏ hơn SO_BUOC

Khởi tạo SO_BUOC_BOM=0 SO_BUOC=0 Điều khiển động cơ

Tạm dừng động cơ và báo hiệu

Dừng động cơ và báo hiệu Đ Bắt đầu

Biến SO_BUOC được tính toán dựa trên thể tích thuốc bơm cho bệnh nhân và loại bơm tiêm sử dụng, từ đó xác định số bước quay của động cơ để cung cấp đúng lượng thuốc cần thiết Biến SO_BUOC_BOM đại diện cho số bước quay của động cơ Khi nhấn nút START, chương trình khởi động quá trình bơm, trong đó liên tục kiểm tra sự hiện diện của bơm tiêm qua tín hiệu hồng ngoại và đọc tín hiệu ADC từ cảm biến áp lực để phát hiện lỗi nghẽn Khi quá trình bơm hoàn tất, chương trình sẽ dừng động cơ và thông báo kết thúc.

4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển

Giới thiệu về phần mềm CCS

CCS là một trình biên dịch ngôn ngữ C dành cho vi điều khiển PIC do hãng Microchip phát triển Nó bao gồm ba trình biên dịch chuyên biệt cho ba dòng vi điều khiển PIC khác nhau, giúp tối ưu hóa việc lập trình và phát triển ứng dụng.

- PCB cho dòng PIC 12‐bit opcodes

- PCM cho dòng PIC 14‐bit opcodes

- PCH cho dòng PIC 16 và 18‐bit

Tất cả ba trình biên dịch được tích hợp trong chương trình CCS, bao gồm cả trình soạn thảo và biên dịch Giống như nhiều trình biên dịch C khác cho vi điều khiển PIC, CCS giúp người dùng nhanh chóng làm quen với vi điều khiển PIC và áp dụng vào các dự án của mình Giao diện của chương trình được hiển thị như hình 4.19.

Hình 4.19: Giao diện chính của phần mềm CCS

- 1: Vùng lệnh và chức năng của chương trình ví dụ như tạo: project, compile chương trình, build, …

- 2: Vùng sử dụng để lập trình

- 3: Vùng thông báo các lỗi sảy ra trong quá trình biên dịch sẽ được thông báo ở vùng này

Giới thiệu phần mềm nạp Pickit 2 v2.6

PICKit2 Programmer / Debugger là sản phẩm chính hãng được Microchip phát triển, và hiện nay đã trở nên rất thông dụng trong cộng đồng PIC Đặc điểm của PICKit 2:

- Có khả năng program / debug hầu hết các chip PIC và EEPROM

- Tốc độ cực nhanh và tiện dụng

- Có thể nạp trực tiếp trên MPLAB hoặc phần mềm PICKit 2 v2.61

KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ

Cảm biến

Cảm biến áp lực có chức năng phát hiện tắt nghẽn trong ống bơm tiêm khi áp suất tăng cao, từ đó ngừng quá trình bơm để bảo vệ người sử dụng Mỗi loại chất lỏng sẽ có giá trị áp lực nghẽn khác nhau Để xác định giá trị áp lực khi xảy ra tắt nghẽn, nhóm chúng tôi đã quan sát giá trị ADC của áp lực trong quá trình bơm, bằng cách tăng áp suất bên trong ống bơm thông qua việc chặn đường truyền ra của bơm tiêm.

Khi áp lực trong ống tiêm tăng, thả đầu ống tiêm ra để quan sát hiện tượng xảy ra Áp suất bị nén sẽ khiến dung dịch trong ống bơm tiêm phun ra nhanh và mạnh Thí nghiệm dưới đây thực hiện với nhiều tốc độ khác nhau để kiểm tra mức độ nghẽn hiển thị ADC Bảng 5.1 trình bày kết quả thí nghiệm về sự tắc nghẽn trong ống bơm tiêm ở các giá trị thời gian và thể tích khác nhau, dẫn đến các giá trị áp lực khác nhau.

Bảng 5.1: Thí nghiệm quan sát giá trị ADC của áp lực

Kết quả ADC bình thường

Kết quả ADC lúc nghẽn

Giá trị ADC của áp lực bơm bình thường trung bình là 369.38 (trong khoảng 365 – 372) Khi có tác động nghẽn vào ống bơm, giá trị ADC của áp lực sẽ tăng lên trên 440 Trong khoảng giá trị ADC từ 440 – 500, áp lực nghẽn đủ mạnh để gây nguy hiểm cho động mạch Do đó, thí nghiệm trong bảng 5.1 cho thấy giá trị ADC của áp lực nghẽn nằm trong khoảng 400 – 500 Kết quả trung bình từ 16 lần đo cho thấy giá trị ADC của áp lực khi bị nghẽn là 445.94.

Hình 5.1: Giá trị ADC của áp lực khi bơm bình thường và khi bơm bị tắt nghẽn

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ

Thí nghiệm đọc giá trị của áp lực với dung dịch bơm là nước muối sinh lí.

Bảng 5.2: Bảng thống kê áp lực các lần thí nghiêm bơm nước muối sinh lí

Kết quả ADC bình thường

Kết quả ADC lúc nghẽn

Hình 5.2: Giá trị ADC áp lực bơm bình thường và bơm lúc nghẽn

Kết quả ADC từ cảm biến áp lực cho thấy sự khác biệt khi thí nghiệm với hai loại dung dịch: nước thường và nước muối sinh lý, trong điều kiện phần tường đối giống nhau Thiết bị hoạt động bình thường trong khoảng từ 367 đến 372, trong khi khi bị nghẽ, kết quả ADC ghi nhận từ 441 trở lên.

496 Giá trị trung bình của vệc nghẽn áp lực là 455.47, so sánh với lý thuyết tính toán là

450, 2 giá trị này gần bằng nhau Vậy ta lấy giá trị ngưỡng sẽ là 450, nếu vượt ngưỡng giá trị ADC này thì thiết bị sẽ ngừng hoạt động

Tiêu đề	Thiết Kế Và Thi Công Máy Bơm Tiêm Điện Sử Dụng Trong Y Tế
Thể loại	đồ án tốt nghiệp

Định dạng
Số trang	91
Dung lượng	3,8 MB