Thiết kế chế tạo thiết bị sưởi ấm máu và dịch truyền

Thiết kế chế tạo thiết bị sưởi ấm máu và dịch truyền Nguyễn Phan Kiên(1,*) , Đỗ Thị Thu Hằng(3), Truong Duc Thuan(2) (1) Viện Điện tử Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội (2) Trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật thiết bị y tế (3) Bệnh viện Đa khoa tỉnh Bắc Giang Email: knguyenp@gmail.com, thuan.omronbg@gmail.com, hangdtt.be5@gmail.com Abstract- Phương pháp đông lạnh hồng cầu giúp dự trữ với một lượng máu lớn trong thời gian lâu hơn (tối đa tới 10 năm) [1].. Chế phẩm máu lưu trữ bằng phương pháp này có thể truyền một thể tích lớn cho bệnh nhân có nhóm máu bất kỳ mà không sợ nguy hiểm do tai biến truyền nhầm nhóm máu vì các kháng thể α, β còn lại rất ít và bị phá hủy trong thời gian lưu trữ [2]. Tuy nhiên máu lưu trữ bằng phương pháp này muốn truyền cho bệnh nhân nhất thiết phải sưởi ấm lên nhiệt độ 37 độ C [3]. Vì vậy phương pháp này cần thiết phải có thiết bị sưởi ấm máu, dịch truyền. Bài báo này tập trung nghiên cứu thiết kế thiết bị sưởi ấm máu và dịch truyền sử dụng thuật toán PID để điều khiển nhiệt độ đầu ra của dịch truyền dựa trên một số tiêu chuẩn an toàn trong lĩnh vực y tế [3], đáp ứng được yêu cầu chức năng của thiết bị. Thêm vào đó, vi điều khiển PIC 18F4550 là một lựa chọn hợp lý về tính đa chức năng và giá thành; ứng dụng Peltier Cooler đem lại việc gia nhiệt một cách đơn giản và hiệu quả, tuổi thọ cao. Dựa trên những cơ sở đó, nhóm nghiên cứu đã đưa ra thiết kế hoàn chỉnh và chế tạo thành công thiết bị sưởi ấm máu và dịch truyền đảm bảo nhiệt độ đầu ra không vượt quá ngưỡng 37 độ C hoàn toàn phù hợp với các tiêu chuẩn của thiết bị sưởi ấm máu và dịch truyền trên thế giới. Điều này kết hợp với cách sử dụng thiết bị đơn giản mang lại khả năng ứng dụng rộng rãi của thiết bị. Keywords- sưởi ấm máu, PID, vi điều khiển, ổn định nhiệt độ, huyết học và truyền máu. I. GIỚI THIỆU Hàng ngày, hàng giờ do những nguyên nhân khác nhau như bệnh lý, chấn thương, phẫu thuật, có hàng nghìn nguời cần được truyền máu. Trong khi máu người được coi là một loại “thuốc” đặc biệt mà hiện nay chưa có chế phẩm nào thay thế được. Vì vậy, để có máu truyền điều trị và cứu sống bệnh nhân cần huy động từ những người tham gia hiến máu. Máu nhận được từ người hiến máu (máu toàn phần) tới bệnh nhân phải trải qua quá trình sàng lọc, ly tâm, phân tích thành phần máu, tạo ra các chế phẩm máu. Sau đó các chế phẩm máu này phải được bảo quản ở nhiệt độ từ 2 đến 6oC (tùy loại chế phẩm). Tuy nhiên máu bảo quản ở nhiệt độ này có hạn sử dụng rất ngắn, do đó một phương pháp bảo quản máu mới được nghiên cứu áp dụng có thể bảo quản trong vòng 3 năm đó là lấy máu toàn phần sau đó tách hồng cầu ra khỏi huyết tương, cho hồng cầu vào dung dịch glyxerol sau đó cất giữ ở nhiệt độ -700 đến -800 oC, khi nào dùng thì sưởi ấm lên 37oC [4], tách rửa hồng cầu rồi sử dụng. Rõ ràng phương pháp bảo quản này mang lại rất nhiều lợi ích như: tiết kiệm và tận dụng triệt để lượng máu được thu gom. Phương pháp này cũng có thể dự trữ với một lượng máu lớn trong thời gian lâu hơn. Có thể truyền một thể tích lớn cho bệnh nhân có nhóm máu bất kỳ nào mà không sợ nguy hiểm do tai biến truyền nhầm nhóm máu vì các kháng thể α, β còn lại rất ít và bị phá hủy trong thời gian dự trữ. Tuy nhiên đi kèm phương pháp này cần thiết phải có thiết bị sưởi ấm máu, dịch truyền. Bài báo này tập trung nghiên cứu thiết kế thiết bị sưởi ấm máu và dịch truyền dùng thuật toán PID điều khiển nhiệt độ đầu ra. II. PHƯƠNG PHÁP Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử. Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra. Sơ đồ một hệ thống điều khiển dùng PID: Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch (error – e), I (integral) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch, và D (derivative) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch. Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch.Việc này được thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP – gọi là hằng số tỉ lệ. Khâu P được tính dựa trên công thức (1): ( )out pP K e t Pout: giá trị ngõ ra KP: hằng số tỉ lệ e: sai lệch: e = SP – PV Sơ đồ khối của khâu P: Hình 1 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID Hàm truyền (2): ( )p PG s K Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn.Trong hình sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt. Nếu giá trị khâu P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định. Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển. Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0. Khâu I được tính theo công thức (3): o 0 ( ) t ut iI K e d   Iout: giá trị ngõ ra khâu I Ki: hệ số tích phân e: sai số: e = SP – PV Sơ đồ khối khâu I: Hàm truyền (4): ( ) 1 ( ) ( ) I i U s K G s E s s T s    Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI.Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động. Hình 3 chỉ ra sự khác biệt giữa khâu I và PI. Ta có thể nhận thấy là khâu I làm cho đáp ứng của hệ thống bị chậm đi rất nhiều, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập. Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra.Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển.Điều này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh chóng và mau chóng đạt được giá trị mong muốn. Khâu D được tính theo công thức: out d de D K dt  (1) Dout: ngõ ra khâu D KD: hệ số vi phân e: sai số: e = SP – PV Sơ đồ khối khâu D: Hàm truyền: ( ) ( ) ( ) d U s G s K s E s   (2) Khâu D thường đi kèm với khâu P thành bộ PD, hoặc với PI để thành bộ PID. Theo hình trên, bộ PD tạo đáp ứng có thời gian tăng trưởng nhỏ hơn so với bộ P. Nếu giá trị D quá lớn sẽ làm cho hệ thống không ổn định. Rời rạc hóa bộ điều khiển PID Bộ điều khiển số không thể lấy mẫu liên tục theo thời gian, nó cần được rời rạc ở một vài mức. Khi cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong thời gian vi phân có thể đạt được xấp xỉ một sai phân có giới hạn và tích phân qua việc lấy tổng. Chúng ta sẽ quan tâm mỗi dạng ở một thời điểm, và sai số được tính ở mỗi khoảng lấy mẫu theo công thức (7): ( ) ( ) ( )e n X n Y n  Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính toán và xuất ngõ ra điều khiển theo một khoảng thời gian xác định (không liên tục) – thời Hình 2: Đáp ứng khâu P Hình 3: Đáp ứng của khâu I và PI Hình 4: Đáp ứng khâu D và PD gian lấy mẫu T. Thời gian lấy mẫu cần nhỏ hơn đơn vị thời gian của hệ thống. Không giống các thuật toán điều khiển đơn giản khác, bộ điều khiển PID có khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trước đó của sai số cũng như tốc độ thay đổi sai số. Điều này giúp cho quá trình điều khiển chính xác và ổn định hơn. Hàm truyền của hệ thống: 1 ( ) ( ) 1P d i u s H s K T s s T s          (3) Hàm chuyển đổi: 0 1 ( ) ( ) ( ) ( ) t P D i de t u t K e t e d T T dt            (4) Tính gần đúng theo công thức:     00 t n k e d T e k     (5)     ( 1)de t e n e n dt T    (6) t nT (với n là bước rời rạc tại t.) Kết quả thu được:            0 1 n P I D k u n K e n K e k K e n e n       (7) Với: P i I K T K T  P d D K T K T  III. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG A. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Để thiết kế thiết bị sưởi ấm máu và dịch truyền thì các khối của thiết bị được chỉ ra trong hình vẽ sau : Trong đó: Khối nguồn: Cấp nguồn cho khối điều khiển và khối gia nhiệt và toàn bộ mạch. Trong thiết kế này, nguồn được thiết kế đơn giản dựa trên việc sử dụng IC ổn áp nguồn. Khối cảm biến (sử dụng cảm biến đo nhiệt độ NTC MF58) chịu trách nhiệm thu nhận tín hiệu nhiệt độ tại tấm gia nhiệt để làm cơ sở thực hiện các thuật toán PID trong mạch điều khiển. Khối gia nhiệt trong hệ thống được thực hiện bằng nhôm và gia công trên máy CNC (Spinner TD42-Triplex, Hãng sản xuất: SPINNER, Germany). Gia nhiệt cho tấm nhôm sử dụng pentier cooler (TEC1-12706, HB) công suất nhỏ nhằm đảm bảo tốc độ gia nhiệt cũng như các yếu tố về công suất tiêu thụ cho thiết bị. Đây là tấm gia nhiệt có dòng thấp nhưng đảm bảo đủ khả năng cung cấp nhiệt cho thiết bị Khối điều khiển: Lấy nhiệt độ đầu vào từ khối cảm biến và điều chỉnh mức độ gia nhiệt của khối gia nhiệt. Khối điều khiển được thiết kế dựa trên nền vi điều khiển PIC18F4550 (Microchip, Mỹ). Thuật toán điều khiển ứng với điều khiển PID trong vi điều khiển sẽ được đề cập trong phần sau. Sau khi thiết kế, mạch nguyên lý tổng thể của máy được chỉ ra trong hình 7. B. THIẾT KẾ CHI TIẾT CƠ KHÍ Thiết kế cơ khí của thiết bị được chỉ ra trong hình 8. Trong thiết kế này, dây truyền dịch sẽ được đặt trong rãnh dây truyền dịch từ đầu vào đến đầu ra, cho phép dịch được sưởi ấm trong cả khoảng cách truyền. Trên thực tế, vỏ thiết bị ban đầu được thiết kế bằng vỏ gỗ do dễ dàng chế tạo và phù hợp với điều kiện thử nghiệm ban đầu so với thiết kế vỏ nhựa. Việc đầu tư chế tạo vỏ nhựa cho thiết bị sẽ được đầu tư trong tương lai khi thiết bị hoạt động thử nghiệm tốt trong quá trình ứng dụng thực tế. Hình 5: Sơ đồ khối PID Hình 6: Sơ đồ khối thiết bị Hình 7: Mạch nguyên lý cho máy Hình 8: Mô hình thiết bị khi lắp tấm gia nhiệt Mặt khác, để nâng cao hiệu quả gia nhiệt và tăng tốc độ gia nhiệt của thiết bị, rãnh đặt dây truyền dịch cũng có thể được kéo dài theo như thiết kế trong hình 9. Tuy nhiên, trong phiên bản đầu tiên, thiết kế rãnh truyền được sử dụng như trong mô hình hình 8. C. Thuật toán điều khiển. Thuật toán PID là thuật toán cổ điển trong nền điều khiển tự động. Như đã trình bày ở phần cơ sở lý thuyết. Trong thiết kế này, để kiểm soát nhiệt độ tấm gia nhiệt thiết kế này đã ứng dụng thuật toán điều khiển PID. Tuy nhiên, do sử dụng vi điều khiển để tính toán và xác lập các thông số P, I, D cho hệ thống, vi điều khiển sẽ sử dụng thuật toán như trong hình 11. Áp dụng giải thuật PID vào bài toán kiểm soát nhiệt độ của máy sưởi ấm dịch truyền. Trong hình 11, các thông số tính toán cho PID được thực hiện như sau. Đầu tiên tính toán giá trị sai số e, sau đó tính toán các giá trị P, tính toán giá trị I. tính toán các giá trị D. Từ các giá trị tính toán này, phần mềm vi điều khiển sẽ tính toán giá trị PID và từ đấy để đưa ra các thông số cập nhật cho quá trình điều khiển của vi điều khiển (sử dụng phương pháp băm xung-PWM). Tuy nhiên, các hệ số Ki, Kp, Kd cần được xác định một cách rõ ràng đối với việc ứng dụng trong lưu đồ thuật toán PID của vi xử lý, trong đó các thông số và ý nghĩa của việc tăng giảm các hệ số K được chỉ ra trong bảng 1trong đó các khái niệm đáp ứng hệ thống được mô tả như sau: Thời gian lên: Là khoảng thời gian hệ thống đạt được giá trị xác lập. Độ vọt lố: giá trị sai lệch lớn nhất của đáp ứng thực so với giá trị đặt mong muốn Thời gian xác lập: Thời gian để hệ thống đạt được độ ổn định Sai số xác lập: Sai lệch của đáp ứng so với giá trị đặt => Lựa chọn xác định các hệ số theo phương pháp Ziegler – Nichols2 Nguyên tắc cân chỉnh dựa theo bảng: Bảng 1: Bảng căn chỉnh hệ số Đáp ứng vòng kín Thời gian lên Độ vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập Tăng Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Ti Giảm Tăng Tăng Loại Bỏ Tăng Td Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ Chọn Kp trước tiên (cho đến mức đáp ứng hệ thống không thể tốt hơn) tiếp theo cân chỉnh Kd để giảm độ vọt lố và giảm thời gian xác lập, và cuối cùng cân chỉnh Ki để giảm thiểu sai số xác lập. IV. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Sau khi thực hiện chế tạo thiết bị theo các thiết kế trên, thiết bị được thử nghiệm thông qua quá trình xác định các hệ số K để đảm bảo khống chế được thông số đầu ra đạt như mong muốn. Các kết quả thực nghiệm về xác định các tham số điều khiển, kết quả khảo sát nhiệt độ dịch truyền tại đầu ra của thiết bị và đưa ra đánh giá. Xác định Kp Dựa vào các yêu cầu bài toán việc xác định Kd dựa vào thực nghiệm. Phương pháp xác định cho Kd=1÷10 và các hệ số Ki=Kd=0. Nhận xét kết quả và lựa chọn thông số thích hợp. Chọn Kd = 0.4 do có sự cân đối giữa độ vọt lố và thời gian đáp ứng (độ vọt lố nhỏ, thời gian xác lập nhỏ) Xác định Ki Xác định hệ số Ki bằng thực nghiệm vói Kp=6 và Kd=0.2. Qua thực tế nghiên cứu đo đạc và so sánh, lựa chọn Ki = 0.2 do ít làm thay đổi các yếu tố như độ vọt lố, thời gian xác lập PID Controller Error = SP - PV P_term = Kp * Error I_term = Ki * SumE D_term = Kd * (Error – Pre_error) PID = P_term + I_term + D_term PID_out = 0 <= PID <= 255 Update PWM Hình 11: Lưu đồ chương trình PID Hình 9: Bản vẽ chi tiết của tấm gia nhiệt Hình 12: Đồ thị quá trình xác lập điều khiển PID Hình 13: Biểu đồ so sánh hệ số Kd dựa trên độ vọt lố và thời gian xác lập và loại bỏ được sai số xác lập. Đồ thị thu được tương đối phẳng. Ki=0.2 Kết quả thực nghiệm nhiệt độ dịch truyền đầu ra Phương án thực hiện đo: Đặt nhiệt độ tấm gia nhiệt từ 37 độ C và tăng dần nhiệt độ tấm gia nhiệt đến nhiệt độ nào mà kết quả nhiệt độ dịch truyền ra đạt gần 37 0C với tốc độ truyền thấp nhất là 1ml/phút. Kết quả thu được: Nhiệt độ tấm gia nhiệt để kết quả đầu ra đạt gần 370C. Các kết quả thực nghiệm đo được cho thấy với nhiệt độ tấm gia nhiệt là 400C thì nhiệt độ dịch đầu ra ở nhiệt độ gần 37 0 C nhất. Từ đồ thị sự phụ thuộc của nhiệt độ dịch truyền ở đầu ra vào tốc độ truyền dịch ở trên, ta thấy rằng, ở mỗi một tốc độ thì nhiệt độ đầu ra tương đối ổn định và trong phạm vi cho phép theo yêu cầu thiết kế ban đầu. Thiết bị sưởi ấm dịch truyền do nhóm nghiên cứu thiết kế đã được chế tạo hoàn chỉnh đảm bảo chức năng sưởi ấm máu và dịch truyền tại dải nhiệt độ làm ấm cho phép (37 độ C). Có thể điều khiển nhiệt độ tấm gia nhiệt ổn định; thời gian quá độ thấp. Nhiệt độ đầu ra ổn định đáp ứng yêu cầu. Tấm gia nhiệt được gia công chi tiết chính xác và cho hiệu quả truyền nhiệt tốt. Thiết bị được thiết kế chế tạo có đủ các chức năng thu nhận, điều khiển, cảnh báo. Ngoại hình nhỏ gọn dễ sử dụng và lắp đặt. Tiết kiệm năng lượng và an toàn trong quá trình hoạt động. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục hoàn thiện mẫu mã sản phẩm, song song với việc xin giấy phép để thử nghiệm thiết bị trong lâm sàng và thực hiện các thủ tục đăng ký để cho phép lưu hành thiết bị trong thực tế khám chữa bệnh ở Việt Nam. LỜI CẢM ƠN Nhóm nghiên cứu xin gửi lời cảm ơn chân thành tới công ty TNHH Công nghệ ứng dụng Bách Khoa trong suốt thời gian qua đã hỗ trợ tinh thần và vật chất cho dự án được thực hiện thành công. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Valeri, C. R., et al. "An experiment with glycerol-frozen red blood cells stored at–80 C for up to 37 years." Vox sanguinis 79.3 (2000): 168-174. [2] J. Lecak, K. Scott, C. Young, J. Hannon, J.P. Acker “Evaluation of red blood cells stored at -80◦C in excess of 10 years”. The Department of Laboratory Medicine and Pathology, University of Alberta; and Canadian Blood Services, Research and Development, Edmonton, Alberta, Canada. [3] TT.26.2013.TT – BYT ngày 16 – 9 – 2013. [4] Lecak, J., Scott, K., Young, C., Hannon, J., & Acker, J. P. (2004). Evaluation of red blood cells stored at− 80 C in excess of 10 years. Transfusion, 44(9), 1306-1313. [5] Tú Kim, Giới thiệu thuật toán điều khiển PID [Online]. Available: ỚI-THIỆU-THUẬT-TOAN- ĐIỀU-KHIỂN-PID. [6] ELLTECco.LTD, Blood warmer ANIMEC AM-2S, Japan 9 – 2001. [7] MICROCHIP, PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet. Hình 14: Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ số Ki= 0.2 Hình 15: Nhiệt độ dịch truyền ra với nhiệt độ tấm gia nhiệt 400C Hình 16: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ truyền View publication stats