Nghiên cứu mô hình mô phỏng vết thương chảy máu ứng dụng trong đào tạo y khoa

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VẾT THƯƠNG

Mô hình mô phỏng vết thương

Nghiên cứu về chảy máu trong vết thương hở đã dẫn đến việc chế tạo sản phẩm có chức năng tương tự, kết hợp với mô hình giả lập vết thương nhằm mang đến trải nghiệm thực tế cho sinh viên trong quá trình thực hành.

2.1.1 Mô phỏng mô vết thương a) Lựa chọn loại vết thương sẽ mô phỏng

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển mô hình vết thương kết hợp với mạch điều khiển tốc độ chảy máu và dịch, nhằm tạo ra mô phỏng vết thương chân thực với khả năng chảy máu và tiết dịch Tác giả tập trung vào việc mô phỏng các loại vết thương có nguy cơ nhiễm trùng, chảy máu hoặc có nhiều mủ và dịch tiết.

• Vết bỏng b) Lựa chọn vật liệu

• Vật liệu mô phỏng phải gần giống với da/ các mô trên vết thương

• Vật liệu mô phỏng máu, dịch c) Mô phỏng vết thương

Mô phỏng mô/ biểu bì vết thương

• Mô phỏng mô/ biểu bì theo cấu trúc giải phẫu sinh lý đã tìm hiểu

- Màu sắc: nâu/ vàng/ đỏ/ hồng/ xanh… tùy thuộc vào mức độ vết thương (có máu, mủ, dịch hoặc đã đóng vảy…)

- Kiểu vết thương: vết thương hở mô phỏng vết cắt, vết bỏng…

Mô phỏng tế bào biểu mô

• Chất tổng hợp Semi - blood

➢ Trộn hỗn hợp silicon type A và type B theo tỷ lệ 1:1 để được lớp nền

Sau khi trộn đều lớp nền, bạn có thể thêm một ít màu semi – blood để tạo sắc đỏ hồng, hoặc sử dụng màu acrylic hồng kết hợp với trắng để tạo ra màu sắc tế bào biểu mô.

➢ Xịt silicon spray lên bề mặt khuôn phẳng, nhẵn

➢ Đổ hỗn hợp nền nên trên bề mặt, tản theo hình vết thương và chờ cho silicon khô lại

Sau đó sẽ thu được mô hình mô phỏng giống hình 2.1 bên dưới

Hình 2.1 Mô phỏng tế bào biểu mô

Mô phỏng mô hoại tử

➢ Pha chế màu sắc mô hoại tử: đen/ nâu (Đây là màu cơ bản trong bộ màu acrylic nên không cần pha chế)

Để tạo mô hình mô hoại tử, bạn cần chuẩn bị giấy ăn cắt theo tỷ lệ và mẫu mô hoại tử với kích thước khoảng 3-5cm Tiếp theo, pha loãng keo latex với nước và màu acrylic theo tỷ lệ 1:1:1, sau đó phết hỗn hợp này lên mảnh giấy ăn đã tạo hình Đợi cho giấy ăn khô, bạn sẽ thu được sản phẩm mô hoại tử có màu đen hoặc nâu Độ dày của mô phụ thuộc vào độ dày của giấy đã cắt trước đó.

Hình 2.2 Mô phỏng mô hoại tử

Mô hoại tử mô phỏng có đặc điểm cứng, khô và dai, nhưng có thể điều chỉnh để trở nên mềm và ướt bằng cách xịt nước lên bề mặt hoặc phết latex để tăng độ dính vào vết thương.

2.1.2 Mô phỏng dịch tiết vết thương

Pha màu acrylic màu vàng với nước để tạo màu vàng nhạt giống huyết thanh

• Chất tổng hợp Semi - blood

Có 2 cách mô phỏng máu giả:

Cách 1 là sử dụng semi-blood hoặc mua bột máu mô phỏng và pha theo tỷ lệ hướng dẫn Tuy nhiên, tác giả không áp dụng phương pháp này do chi phí quá cao.

Cách 2 để tạo ra máu giả là sử dụng màu acrylic Sau quá trình thử nghiệm, tác giả đã xác định được tỷ lệ và các màu sắc phù hợp để pha chế, từ đó tạo ra màu máu giả một cách hiệu quả.

Màu sắc được dùng để tạo màu máu: Đỏ, xanh dương, vàng

Tỷ lệ pha chế: Đỏ: xanh dương: vàng = 5:1:1

Hình 2.3 thế hiện màu sắc máu giả được pha theo đúng tỷ lệ như trên

Hình 2.2 Pha chế tạo màu máu

• Dầu silicon/ dầu bôi trơn

➢ Pha chế màu: Màu dịch mủ = màu vàng + màu trắng

➢ Pha chế dịch mủ: màu + dầu silicon

Kết quả thu được như hình 2.4

Hình 2.3 Pha chế dịch mủ

2.1.3 Mô phỏng vết thương hỗn hợp (vảy kết, có dịch mủ)

➢ Mô phỏng lớp da: Tương tự như mô phỏng lớp tế bào biểu bì

Để mô phỏng các loại mô, đầu tiên, pha loãng keo latex và nhúng giấy ăn vào dung dịch này Sau đó, trải đều giấy ăn đã thấm latex lên bề mặt lớp biểu bì của vết thương Khi giấy ăn gần khô, dùng tay lẩy để tạo hình lớp da vết thương bị tróc một cách tự nhiên, rồi đợi cho vết thương khô hẳn Cuối cùng, tạo màu cho vết thương bằng màu acrylic hoặc màu bột.

▪ Chọn màu: xanh tím, đỏ, vàng o Tạo lớp vảy kết, màng dịch mủ có độ dính nhớp bằng silicon type

A o Tạo mô hạt bằng silicon type B để trong không khí

Hình 2.5 minh họa vết bỏng với sự tích tụ vảy trong dịch mủ chảy ra từ các vùng da bị bong tróc, kèm theo mô hoại tử và mô hạt.

Hình 2.4 Mô phỏng vết thương hỗn hợp các loại mô

Mạch điều khiển tiết dịch vết thương

Thiết kế mạch điều khiển bao gồm:

Nguồn: Cung cấp nguồn điện có đầu ra 5V, dòng: 300mA

Vi điều khiển: là khối điều khiển trung tâm có nhiệm vụ tính toán, điều khiển xung PWM

Bộ phận điều khiển: bao gồm các nút nhấn thay đổi tốc độ Động cơ bơm máu, dịch

- Tự động bơm dịch vào vết thương

- Tốc độ bơm dịch phụ thuộc vào nhu cầu

* Có 3 tốc độ bơm: Nhỏ giọt (lưu lượng bơm 500ml/phút), bơm giọt nhanh (800ml/phút), tốc độ mạnh (1,6L/ phút)

* Có thể bơm được các loại dịch được pha chế như máu, mủ

- Bơm điều khiển tự động cho từng chế độ

Nhỏ giọt Nhỏ giọt nhanh

Hình 2.6 Lưu đồ thuật toán

Mạch điều khiển bơm máu và dịch hoạt động bằng cách kết nối với nguồn DC 5V và bật công tắc để khởi động mạch Đầu ra của mạch sẽ kết nối với động cơ bơm dịch, được đặt chìm trong bể chứa Sau đó, các chế độ bơm đã được lập trình sẵn trên vi điều khiển PIC 16F877A sẽ được kích hoạt, mỗi chế độ điều khiển một tốc độ bơm khác nhau.

Ba nút nhấn tương ứng với ba màu sắc đèn LED: Nút LED đỏ cho chế độ nhỏ giọt với lưu lượng khoảng 500ml/phút; nút LED vàng cho chế độ nhỏ giọt nhanh với lưu lượng khoảng 800ml/phút; và nút LED xanh cho chế độ bơm tốc độ mạnh với lưu lượng khoảng 1,6l/phút.

Có thể khởi động hoặc ngưng bơm dịch bằng cách nhấn nút nguồn để đóng hoặc ngắt nguồn cấp cho mạch điện

Sau khi lựa chọn chế độ bơm, động cơ bơm chìm sẽ bắt đầu bơm dịch với tốc độ đã được lập trình thông qua dây nối tới mô hình mô phỏng vết thương Mô hình sẽ rỉ ra lượng dịch tương ứng tùy thuộc vào tốc độ bơm đã thiết lập.

* Lý do tác giả chọn cài đặt chế độ bơm ở 3 mức ~ 500ml/ phút, ~ 800 ml/phút và ~ 1,6 l/ phút

Thời gian chuẩn bị mô hình, dụng cụ và trang thiết bị sau mỗi lần thực hành chỉ được phép kéo dài từ 1-2 phút, trong khi thời gian tối đa cho mỗi lần thực hành hoặc thi chạy trạm là 5-7 phút Tác giả đã chọn mức thời gian bơm đầy mô hình là 1 phút.

Vết thương hở được mô phỏng trong bài viết có kích thước nhỏ, với các kích thước bên trong lần lượt là 12,5cm x 12,5cm x 1cm, 16cm x 16cm x 1cm và 22,5cm x 22,5cm x 1cm.

➔ Dễ dàng tính được thể tích có thể chứa dịch bên trong vết thương ~ 500ml, 800ml và 1,6L

Dựa vào thể tích bên trong của vết thương, tác giả đã lập trình để cài đặt vận tốc bơm phù hợp, tuy nhiên, lưu lượng nước bơm ra mỗi phút vẫn có sai số do động cơ bơm chìm được kết nối qua dây cao su Độ dài dây nối ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng nước nhận được, vì vậy tác giả đã sử dụng đoạn dây nối ngắn để giảm thiểu sai số.

Hình 2.7 Điều chế độ rộng xung

Hình 2.8a thể hiện độ rộng xung 50% với điện áp trung bình 2,5V Hình 2.8b cho thấy độ rộng xung 75% với điện áp trung bình 3,75V, trong khi hình 2.8c mô tả độ rộng xung 100% tương ứng với dòng DC 5V.

Động cơ bơm chìm 5V DC hoạt động bằng cách chuyển đổi lực đẩy ly tâm từ các bánh công tắc thành năng lượng áp suất, giúp đẩy nước lên bề mặt.

Bơm chìm hoạt động khi nước tràn vào, bắt đầu từ việc nước đi qua cửa hút và vào buồng bơm, nơi các cánh quạt đẩy nước qua bộ khuếch tán Nước sau đó được đẩy lên bề mặt mà không cần mồi nước như bơm đặt cạn, nhờ vào việc bơm đã chìm trong nước Điều này giúp tiết kiệm năng lượng, vì áp suất nước tự động đẩy nước vào buồng máy bơm, giảm thiểu năng lượng tiêu thụ.

Bộ vi điều khiển PIC16F877A nổi tiếng vì tính tiện lợi và dễ dàng lập trình hơn so với các loại khác Một ưu điểm nổi bật của PIC16F877A là khả năng ghi-xóa nhiều lần nhờ công nghệ bộ nhớ FLASH Với tổng cộng 40 chân, trong đó có 33 chân dành cho đầu vào và đầu ra, PIC16F877A là lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng.

Hình 2.9 Vi điều khiển PIC16F877A

Giá vi điều khiển PIC16F877A khá rẻ (khoảng 40– 50 nghìn VNĐ) và cũng rất dễ sử dụng

Sơ đồ chức năng các chân PIC16F877A

Hình 2.10 Sơ đồ chức năng các chân PIC16F877A

Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A [10]

Hình 2.11 Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A

• Đèn LED: 3 loại LED: màu xanh, đó, vàng

• Cục nguồn: Adapter chuyển đổi nguồn điện 220V sang nguồn DC 5V

Sơ đồ mạch in mạch điều khiển

Hình 2.12 Mạch điều khiển bơm dịch vết thương

Hình 2.13 mô tả sơ đồ mạch in mạch điều khiển bơm dịch vết thương, bao gồm: Khối nguồn với nguồn cấp 5V – DC

Mạch nối giữa motor và MOSFET, cùng với vi điều khiển PIC 16F877A, cho phép điều khiển tín hiệu đến motor Cực Gate được kết nối với vi điều khiển, trong khi cực Gain kết nối với động cơ bơm chìm, đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.

Khối vi điều khiển dùng điều khiển tín hiệu, cụ thể là tốc độ động cơ bơm chìm

Hình 2.13 Mạch bơm dịch vết thương Thông số kỹ thuật mạch điều khiển bơm dịch tự động:

▪ Sử dụng với động cơ bơm chìm 3-6 V DC

▪ Mạch sử dụng vi điều khiển PIC16F877A ổn định

▪ Trên mạch có 4 nút tương ứng: 0, 1, 2, 3

Có 3 tốc độ bơm: Nhỏ giọt (lưu lượng bơm 500ml/phút), bơm giọt nhanh (800ml/phút), tốc độ mạnh (1,6L/ phút)

KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 28

Kết quả nghiên cứu

Quá trình mô phỏng và kết quả thu được

Để tạo ra mẫu máu đạt yêu cầu về màu sắc, tác giả đã thực hiện nhiều thử nghiệm với các loại màu sắc và chất liệu khác nhau Bảng 3.1 trình bày các thử nghiệm pha chế máu giả đơn giản nhất bằng cách sử dụng màu đỏ và nước, tuy nhiên, kết quả thu được không đạt như mong đợi.

Lần Tỷ lệ pha chế Kết quả

2 0,1mg: 4ml Đỏ tươi (đậm hơn lần 1)

3 0,1mg: 3ml Đỏ tươi (đậm hơn lần 2)

4 0,1mg: 2ml Đỏ tươi (đậm hơn lần 3)

5 0,1mg: 1ml Đỏ tươi (đậm hơn lần 4)

Bảng 3.1 Pha chế máu giả từ màu nước (màu đỏ + nước)

Kết quả thu được như hình 3.1 phía dưới

Tác giả quyết định tìm kiếm các màu sắc khác để kết hợp, vì việc chỉ pha màu đỏ với nước sẽ không tạo ra hỗn hợp đạt yêu cầu về màu sắc.

Pha màu đỏ cam và màu đen

Hình 3 1 Kết quả thu được khi pha màu đỏ với nước theo tỷ lệ 1:5 (trái) và 1:1(phải)

Lần Tỷ lệ pha chế (Đỏ cam:đen) Kết quả

1 0,1mg: 0ml Đỏ cam (số 1)

2 0,1mg: 0,1ml Đỏ tươi (số 2)

3 0,1mg: 0,2ml Đỏ nâu (số 3)

4 0,1mg: 0,3ml Đỏ nâu đậm (số 4)

5 0,1mg: 0,4ml Đỏ đậm (số 5)

6 0,1mg: 0,5ml Đỏ đậm hơn số 5 (số 6)

Bảng 3.2 Pha chế máu giả từ màu màu đỏ + màu đen

Hình 3.2 Kết quả thu được sau 6 lần pha màu đỏ với màu đen theo tỷ lệ đã được đánh số

Pha chế màu màu = Đỏ: xanh dương: vàng

Tác giả đã dành nhiều thời gian để pha chế và điều chỉnh tỷ lệ của ba màu đỏ, xanh dương và vàng, trải qua hàng chục lần thử nghiệm Cuối cùng, sau khi rút kinh nghiệm và cân nhắc, tác giả đã tìm ra tỷ lệ phù hợp để mô phỏng màu sắc máu giả một cách chính xác.

Tỷ lệ pha chế: Đỏ: xanh dương: vàng = 5:1:1

Hình 3.3 mô tả kết quả cuối cùng của quá trình pha màu để tạo được màu máu giả như mong muốn ban đầu

Hình 3.3 Mô phỏng máu – đạt yêu cầu về màu sắc

Mô phỏng dịch mủ a) Dịch mủ màu vàng

Mô phỏng dịch mủ đòi hỏi kỹ thuật cao do tính chất đặc của nó Tác giả đã sáng tạo bằng cách pha trộn màu sắc với dầu silicon, tạo ra dung dịch mủ có màu sắc phong phú và độ bết dính lý tưởng.

Lần Tỷ lệ (màu vàng: nước:dầu silicon) Kết quả

1 0,1mg: 10ml: 0ml Màu vàng nhạt, loãng

2 0,1mg: 9ml: 0,05ml Màu vàng nhạt, loãng,

31 có váng dầu màu vàng

3 0,1mg: 7ml: 0,1ml Màu vàng nhạt, có váng dầu màu vàng

5 0,1mg: 5ml: 1ml Màu vàng, như hình

Bảng 3.3 Pha chế dịch mủ màu vàng

Hình 3.4 Mô phỏng dịch mủ màu vàng b) Dịch mủ màu vàng trắng

Lần Tỷ lệ (vàng: trắng: nước:dầu silicon) Kết quả

1 0,1mg: 0,2ml: 0ml Màu trắng hơi vàng

2 0,1mg: 0,1ml: 0ml Màu vàng nhạt

3 0,1mg: 0,1ml: 1ml Màu vàng trắng như hình 3.5

Bảng 3.4 Pha chế dịch mủ màu vàng trắng

Hình 3.5 Mô phỏng dịch mủ màu vàng trắng

Mô phỏng các loại mô

Hình 3.6 Tạo màu mô hoại tử

Các vết thương đã mô phỏng trên mô hình dùng trong thực hành

Hình 3.9 Vết thương tai nạn trên ngực

Hình 3.9 mô phỏng vết thương tai nạn trên ngực được ứng dụng trong thực hành

Hồ sinh tim phổi người lớn nâng cao

Hình 3.11 mô phỏng vết bỏng toàn bộ 2 chân trên mô hình Vết thương này được mô phỏng và thực hiện trực tiếp trên mô hình

Mô phỏng vết thương chảy máu dịch (vết bỏng)

Hình 3.12 Vết bỏng chảy dịch mủ màu vàng

Sau quá trình thử nghiệm và chỉnh sửa, tác giả đã hoàn thiện mô hình vết bỏng, một loại vết thương phức tạp với nhiều loại mô, có nguy cơ nhiễm trùng cao và dễ chảy máu, tiết dịch mủ.

Mô hình này có khả năng kết nối với mạch điều khiển bơm máu/dịch giúp mô phỏng vết thương chảy máu/dịch do người dùng điều khiển

Các đặc tính và thông số kỹ thuật của sản phẩm:

Tên sản phẩm: Mô hình vết bỏng có thể chảy dịch mủ

Kích thước sản phẩm: 15 x 20cm

Lưu lượng chảy của dịch mủ dao động từ 500 ml đến 1,6L/phút Mô hình này có ưu điểm là có thể đặt trực tiếp lên manikin để thực hiện quy trình kỹ thuật xử lý, dễ dàng tháo rời và vệ sinh Điều này rất thuận tiện cho việc giảng dạy, đào tạo thực hành và cất trữ trong kho, nhờ vào kích thước nhỏ gọn và tính năng tách biệt với mạch điều khiển bơm máu dịch, cho phép một mạch điều khiển có thể sử dụng cho nhiều mô hình thông qua hệ thống dây nối.

Kết quả thử nghiệm

3.2.1 Thử nghiệm tốc độ bơm

Thiết kế mạch với ba lưu lượng nước khác nhau: nhỏ giọt (500ml/phút), nhỏ giọt nhanh (800ml/phút) và chảy nhanh (1,6L/phút) nhằm phù hợp với đặc trưng chảy máu hoặc mủ ở từng loại vết thương, vì máu chảy ở mao mạch có đặc điểm khác với máu chảy từ động mạch Kết quả tốc độ bơm được thể hiện trong hình dưới đây.

Hình 3.13 Tốc độ nhỏ giọt chậm

Hình 3.14 Tốc độ nhỏ giọt nhanh

Hình 3.15 Tốc độ chảy mạnh

3.2.2 Thử nghiệm bơm chất lỏng/ máu/ dịch

Sau khi hoàn thành chế phẩm máu, dịch đạt yêu cầu, tác giả tiến hành thử nghiệm bơm máu, dịch để kiểm tra chất lượng bơm dịch tự động

Mạch điều khiển có thể tự động bơm máu, dịch với tốc độ đã cài đặt

Mạch hoạt động ổn định

Các đèn LED báo sáng giúp nhận diện tốc độ bơm dịch đã cài đặt

Hình 3.16 Set up thử nghiệm

Hình 3.17 Máu chảy nhỏ giọt

3.2.3 Thử nghiệm tích hợp bơm máu dịch vào mô hình

Sau khi thử nghiệm tốc độ và độ ổn định của bơm máu và dịch trong mạch điều khiển, tác giả tiến hành tích hợp bơm tự động vào mô hình nhằm thiết lập mô phỏng vết thương chảy máu và dịch.

Kết quả thử nghiệm được thể hiện trong hình 3.21

Hình 3.20 mô phỏng vết bỏng trong giai đoạn chảy mủ vàng Sau khi kết nối bơm dịch với vết bỏng và vận hành hệ thống, hình 3.21 cho thấy mô hình vết bỏng tự động chảy dịch mủ vàng Dịch mủ chảy ra theo kiểu rỉ ở chân các vết loét, do đó tốc độ cài đặt cho vết bỏng được điều chỉnh ở mức nhỏ giọt Dễ dàng nhận thấy dịch mủ màu vàng ở chân các vết loét (vết tróc da) trong hình 3.21.

Hình 3.20 Mô phỏng vết bỏng

Hình 3.21 Vết bỏng chảy dịch mủ (Mủ vàng chảy ra từ các vết thương)

Hình 3.22 Mô hình vết bỏng điều khiển được lượng dịch mủ tiết ra

Có thể tích hợp mạch điều khiển bơm máu tự động vào các mô hình mô phỏng vết thương để tạo ra trải nghiệm thực tế và tiện lợi hơn Mạch điều khiển này được thiết kế nhỏ gọn, dễ mang theo và tháo lắp, phù hợp cho nhiều loại vết thương khác nhau, mang lại tính tiện lợi và kinh tế Điều này tạo ra ưu điểm vượt trội so với các nghiên cứu trước đây.

Mô hình chân thực được xây dựng dựa trên các nghiên cứu y học trước đây và phân tích cấu trúc, hình thái giải phẫu của vết thương, giúp tiết kiệm thời gian nghiên cứu và cung cấp nguồn dữ liệu tin cậy, chính xác cho đề tài.

• Ứng dụng rộng rãi, đa dạng chủng loại: Nghiên cứu, chế tạo nhiều loại vết thương khác nhau