Đề tài Phân tích, thiết kế hệ thống tự động làm sạch máu chảy ra trong quá trình phẫu thuật để tái sử dụng cho bệnh nhân

1 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG LÀM SẠCH MÁU CHẢY RA TRONG QUÁ TRÌNH PHẪU THUẬT ĐỂ TÁI SỬ DỤNG CHO BỆNH NHÂN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN MINH TUẤN LÊ THỊ THỦY Lớp ĐTYS – K52 Giảng viên hƣớng dẫn: TS. NGUYỄN THÁI HÀ Th.S. PHẠM MẠNH HÙNG Hà Nội, 5-2012 2 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG LÀM SẠCH MÁU CHẢY RA TRONG QUÁ TRÌNH PHẪU THUẬT ĐỂ TÁI SỬ DỤNG CHO BỆNH NHÂN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN MINH TUẤN LÊ THỊ THỦY Lớp ĐTYS – K52 Giảng viên hƣớng dẫn: TS. NGUYỄN THÁI HÀ Th.S. PHẠM MẠNH HÙNG Cán bộ phản biện: .............................................. Hà Nội, 5-2012 3 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÕA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------------------- Độc lập - Tự do - Hạnh phúc --------------------------------- NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: ..... Số hiệu sinh viên: ... Khoá:.Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: .... 1. Đầu đề đồ án: .... 2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ........ ........ 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: .... .... 4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): .... .... 5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ........................... 6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ................................. 7. Ngày hoàn thành đồ án: ...... Ngày tháng năm Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hƣớng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phản biện 4 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------- BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: ....................................................................... Số hiệu sinh viên: ........................ Ngành: .................................................................................................. Khoá: .................................................... Giảng viên hƣớng dẫn:................................................................................................................................ Cán bộ phản biện: ....................................................................................................................................... 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: ...................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................... ............. ...................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ............................................... ................................................................................................................ .................................................................... 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: ...................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................... ................. ...................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................... ....................................................................................... ............................................................................................... ...................................................................................................................................................................................... .................................................................................. ................................................................................................... Ngày tháng năm Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) 5 LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình nghiên cứu, xuất phát từ nhu cầu truyền máu ngày càng tăng ở Việt Nam cho các ca cấp cứu và điều trị, trong khi thực trạng nguồn máu từ các phong trào hiến máu tình nguyện chỉ đáp ứng đƣợc 30% nhu cầu. Bên cạnh đó, nguy cơ lây nhiễm bệnh rất cao khi truyền máu đồng loại và khó khăn trong công tác bảo quản ngân hàng máu. Bởi vậy phƣơng pháp truyền máu hoàn hồi đã trở thành nhu cầu tất yếu cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đặc biệt là kỹ thuật trong y tế. Nguyên lý chung của phƣơng pháp truyền máu hoàn hồi này là thu hồi liên tục máu toàn phần chảy ra từ bệnh nhân trong quá trình phẫu thuật rồi quay ly tâm nhằm thu lại thành phần hồng cầu và truyền lại cho chính bệnh nhân đó. Nhƣ vậy, chất lƣợng máu thu hồi sau xử lý có tốt hay không và thời gian xử lý có tối ƣu hay không thì mô-đun quay ly tâm là quan trọng nhất trong hệ thống này. Nó đảm bảo tốc độ quay và thời gian quay ly tâm để thu hồi tối đa lƣợng hồng cầu trong máu toàn phần. Với mục tiêu góp phần cho quá trình thiết kế chế tạo ra thiết bị hỗ trợ quá trình truyền máu hoàn hồi tại Việt Nam. Vì vậy, chúng em lựa chọn đề tài đồ án tốt nghiệp: “Phân tích, thiết kế hệ thống tự động làm sạch máu chảy ra trong quá trình phẫu thuật để tái sử dụng cho bệnh nhân”. Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Thái Hà và Thạc sĩ Phạm Mạnh Hùng đã giúp em hoàn thiện đồ án này. 6 TÓM TẮT ĐỒ ÁN 7 MỤC LỤC CHƢƠNG 1: SINH LÝ MÁU VÀ TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA MÁU ................. 14 1.1 Máu là gì? .................................................................................................................. 14 1.2 Thành phần của máu. ................................................................................................. 14 1.3 Chức năng của máu ................................................................................................... 16 1.4 Nhóm máu ................................................................................................................. 16 1.4.1 Phân loại theo hệ thống ABO: ...................................................................... 17 1.4.2 Phân loại theo hệ thống Rh: .......................................................................... 18 1.5 Tính chất lý hóa của máu ........................................................................................... 20 1.5.1 Khối lƣợng máu ............................................................................................ 20 1.5.2 Tỉ trọng và độ quánh của máu ...................................................................... 20 1.5.3 Áp suất thẩm thấu của máu (thẩm áp) .......................................................... 21 1.5.4 Độ pH của máu ............................................................................................. 21 1.5.5 Hệ đệm của máu ........................................................................................... 22 1.6 Chống đông máu ngoài cơ thể .................................................................................. 24 1.7 Pha loãng máu .......................................................................................................... 24 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP TRUYỀN MÁU HOÀN HỒI ................................ 26 2.1 Tiêu chuẩn của truyền máu hoàn hồi: ........................................................................ 26 2.2 Các phƣơng pháp truyền máu hoàn hồi .................................................................... 26 2.2.1 Phƣơng pháp thủ công .................................................................................. 26 2.2.3 Phƣơng pháp quay ly tâm rửa tế bào máu .................................................... 28 2.2.4 Phƣơng pháp dùng máy Cell saver ............................................................... 29 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN MÁU HOÀN HỒI - CELLSAVER 5+ ........................................................................................................... 31 3.1 Giới thiệu chung ........................................................................................................ 31 3.2 Hệ thống CellSaver .................................................................................................... 33 3.2.1 Sơ đồ khối và chức năng từng khối .............................................................. 33 3.2.2 Mô-đun ly tâm tốc độ cao trong Cell Saver ............................................... 36 3.2.3 Mô-đun thu hồi máu trong phẫu thuật ....................................................... 54 8 3.2.4 Mô-đun bơm vuốt và van kẹp ....................................................................... 55 CHƢƠNG 4: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 56 4.1 Động cơ điện một chiều không chổi than – Brushless DC motor ............................. 56 4.2 Cấu tạo BLDC ........................................................................................................... 60 4.2.1 Phần tĩnh - stator ........................................................................................... 61 4.2.2 Phần quay - rotor. ........................................................................................ 63 4.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều không chổi than BLDC .............. 67 4.4 Điều khiển động cơ điện một chiều bằng bằng phƣơng pháp PWM ....................... 71 CHƢƠNG 5: THIẾT KẾ MÔ-ĐUN ĐIỀU KHIỂN LY TÂM ................................. 80 5.1 Xây dựng mạch điều khiển vòng kín ......................................................................... 80 5.2 Tổ hợp mạch điện ...................................................................................................... 91 5.2.1 Thành phần định thời .................................................................................... 91 5.2.2 Mạch điều khiển ........................................................................................... 93 5.3 Đặc tính điều khiển .................................................................................................... 95 5.3.1 Điều khiển tốc độ vòng mở .......................................................................... 95 5.3.2 Điều khiển tốc độ vòng kín .......................................................................... 96 5.4 Chuyển mạch ............................................................................................................. 97 5.4.1 Giải mã vị trí rotor ........................................................................................ 97 5.4.2 Xử lý chuyển mạch ....................................................................................... 98 5.5 Quản lý lỗi ............................................................................................................... 102 5.5.1 Phát hiện quá dòng ..................................................................................... 103 5.5.2 Khóa sụt áp ................................................................................................. 104 5.5.3 Ngắt khi quá nhiệt ...................................................................................... 105 5.6 Phanh điện động ...................................................................................................... 105 5.7 Thiết kế mạch Driver Card ...................................................................................... 106 5.7.1 Xây dựng mạch Driver card trên phần mềm ORCAD ............................... 106 5.7.2 Tạo mạch in ................................................................................................ 107 CHƢƠNG 6: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM ........................... 110 6.1 Điều khiển mạch Driver Card sử dụng tín hiệu số .................................................. 110 9 6.1.1 Điều khiển tốc độ động cơ .......................................................................... 110 6.1.2 Điều khiển các chức năng khác .................................................................. 115 6.2 Đo tốc độ động cơ với cảm biến Hall ...................................................................... 116 6.2.1 Chuyển tín hiệu Hall tƣơng tự thành tín hiệu số ........................................ 116 6.2.2 Đo tần số của tín hiệu Hall với vi xử lý PIC16 .......................................... 118 6.3 Hiện thị thông số trạng thái lên LCD ...................................................................... 119 6.3.1 Tìm hiểu sơ lƣợc về LCD1602 ................................................................... 119 6.3.2 Giao tiếp giữa PIC16 và LCD1602 ............................................................ 121 6.4 Thiết kế khối điều khiển số ..................................................................................... 122 6.4.1 Xây dựng mạch điều khiển trên phần mềm ORCAD ................................. 122 6.4.2 Thiết kế mạch in ......................................................................................... 123 6.4.3 Sơ đồ thuật toán điều khiển số.................................................................... 125 6.4.4 Mô phỏng mạch điều khiển số.................................................................... 126 6.4.5 Mạch số và các tính năng đã lập trình ........................................................ 130 CHƢƠNG 7: THỬ NGHIỆM TÍNH NĂNG THIẾT KẾ ....................................... 135 7.1 Điều khiển động cơ với tín hiệu Hall giả lập............. Error! Bookmark not defined. 7.1.1 Tín hiệu Hall giả lập ..................................... Error! Bookmark not defined. 7.1.2 Tín hiệu PWM của mạch điều khiển ............ Error! Bookmark not defined. 7.1.3 Điều khiển động cơ cùng với mạch tạo tín hiệu Hall ..Error! Bookmark not defined. 7.4 Chức năng đo tốc độ sử dụng cảm biến Hall .......................................................... 135 7.5 Điều khiển động cơ BLDC công suất nhỏ ............................................................... 136 CHƢƠNG 8: HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...................................................... 139 8.1 Bảo vệ dòng ngƣợc gây hại IC MC33035 ..................................................... 139 8.2 Nâng cấp chức năng chia tốc độ với IC AD7248 .......................................... 139 8.3 Nâng cấp hệ thống điều khiển với các loại cảm biến .................................... 140 10 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 – Các thành phần máu ..................................................................................... 14 Hình 1.2 – Tỉ lệ các nhóm máu hệ ABO ........................................................................ 18 Hình 2.1- Phƣơng pháp lọc máu .................................................................................... 27 Hình 2.2 – Sơ đồ nguyên lý cơ bản của truyền máu hoàn hồi dùng máy Cell Saver .... 29 Hình 3.1 – Sơ đồ khối hệ thống truyền máu hoàn hồi Cell Saver ................................. 33 Hình 3.2 – Bình chứa máu trong khoang ly tâm (a) 70ml, (b) 125ml, (c) 225ml .......... 35 Hình 3.3 – Cấu tạo của máy ly tâm phân tích ................................................................ 37 Hình 3.4 – Ly tâm góc nằm ngang ................................................................................. 38 Hình 3.5 – Ly tâm góc cố định ....................................................................................... 38 Hình 3.6 – Vận tốc dài tiếp tuyến với quỹ đạo quay của hạt và khi cùng vận tốc góc ω thì vận tốc dài của hạt nằm xa tâm sẽ lớn hơn ............................................................... 40 Hình 3.7 – Mối quan hệ giữa kích thƣớc hạt, tốc độ quay và lực ly tâm tƣơng đối ...... 40 Hình 3.8 – Các lực tác dụng lên hạt có khối lƣợng m trong trƣờng ly tâm gồm: lực ly tâm FC , lực nổi FB của hạt trong môi trƣờng và lực ma sát Ff của hạt với môi trƣờng. ........................................................................................................................................ 42 Hình 3.9 – Bình Latham dùng cho máy CellSaver 5+ ................................................... 44 Hình 3.10 – Giai đoạn đầu của quá trình ly tâm máu .................................................... 45 Hình 3.11 – Thành phần nhẹ bị loại bỏ và đẩy ra túi đựng chất thải ............................. 45 Hình 3.12 – Quá trình bơm máu vào bình Latham dừng khi máu hết hoặc lƣợng hồng cầu trong bình Latham đầy ............................................................................................. 46 Hình 3.13 – Dung dịch muối đƣợc bơm vào trong bình Latham để pha loãng và bị loại ra ngoài cùng một số tạp chất. ........................................................................................ 46 Hình 3.14 – Lƣợng Hematocrit tăng lên sau khi dung dịch muối đƣợc bơm vào bình Latham đề rửa máu ......................................................................................................... 47 Hình 3.15 – Hồng cầu lơ lửng trong dung dịch muối sinh lý đƣợc bơn tới túi chứa máu sạch để truyền cho bệnh nhân trong quá trình phẫu thuật .............................................. 47 Hình 3.16 – Đồ thị dạng xung điều chế PWM. Với độ rộng xung tƣơng ứng là 30%, 50% và 90% ................................................................................................................... 49 11 Hình 3.17 – Nguyên lý hoạt động của phƣơng pháp PWM dựa trên sự đóng ngắt mạch điện và đƣợc điều khiển bởi vi xử lý .............................................................................. 49 Hình 3.18 – Giản đồ xung tín hiệu điều khiển của chân vi xử lý và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM. Trong đó T là chu kỳ tín hiệu, t0 là khoảng thời gian xung ở mức cao tức là lúc đóng mạch điện. ............................................................................................. 50 Hình 3.19 – Đồ thị dạng xung điều chế PWM. Với độ rộng xung đầu ra tƣơng ứng và đƣợc tính bằng % do chúng ta điều khiển. Điện áp trung bình trên tải sẽ là 3.6V (với D = 30%); 6V (Với D = 50%); 10.8V (với D = 90%) .........