Xem mẫu
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
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 một thể tích lớn cho bệnh nhân có nhóm máu bất kỳ nào mà
lượng máu lớn trong thời gian lâu hơn (tối đa tới 10 năm) [1].. không sợ nguy hiểm do tai biến truyền nhầm nhóm máu vì các
Chế phẩm máu lưu trữ bằng phương pháp này có thể truyền một kháng thể α, β còn lại rất ít và bị phá hủy trong thời gian dự trữ.
thể tích lớn cho bệnh nhân có nhóm máu bất kỳ mà không sợ Tuy nhiên đi kèm phương pháp này cần thiết phải có thiết bị
nguy hiểm do tai biến truyền nhầm nhóm máu vì các kháng thể sưởi ấm máu, dịch truyền. Bài báo này tập trung nghiên cứu
α, β còn lại rất ít và bị phá hủy trong thời gian lưu trữ [2]. Tuy
thiết kế thiết bị sưởi ấm máu và dịch truyền dùng thuật toán
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 PID điều khiển nhiệt độ đầu ra.
phương pháp này cần thiết phải có thiết bị sưởi ấm máu, dịch
II. PHƯƠNG PHÁP
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 Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử
nhiệt độ đầu ra của dịch truyền dựa trên một số tiêu chuẩn an dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử. Sử dụng bộ điều
toàn trong lĩnh vực y tế [3], đáp ứng được yêu cầu chức năng của khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ
thiết bị. Thêm vào đó, vi điều khiển PIC 18F4550 là một lựa chọn thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách
hợp lý về tính đa chức năng và giá thành; ứng dụng Peltier
tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra.
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
Sơ đồ một hệ thống điều khiển dùng PID:
thiết kế hoàn chỉnh và chế tạo thành công thiết bị sưởi ấm máu Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional) –
và dịch truyền đảm bảo nhiệt độ đầu ra không vượt quá ngưỡng tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch (error – e), I (integral)
37 độ C hoàn toàn phù hợp với các tiêu chuẩn của thiết bị sưởi
– tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của
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 sai lệch, và D (derivative) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi
của thiết bị. phân theo thời gian của sai lệch.
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 Hình 1 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID
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 Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai
được từ người hiến máu (máu toàn phần) tới bệnh nhân phải lệch.Việc này được thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với
trải qua quá trình sàng lọc, ly tâm, phân tích thành phần hằng số KP – gọi là hằng số tỉ lệ.
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 Khâu P được tính dựa trên công thức (1):
phẩm). Tuy nhiên máu bảo quản ở nhiệt độ này có hạn sử dụng Pout K p e(t )
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 Pout: giá trị ngõ ra
máu toàn phần sau đó tách hồng cầu ra khỏi huyết tương, cho
KP: hằng số tỉ lệ
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 e: sai lệch: e = SP – PV
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 Sơ đồ khối của khâu P:
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
ISBN: 978-604-67-0635-9 358
358
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
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.
Hàm truyền (2): 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
Gp ( s) K P 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
Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn
khiển ở ngõ ra.Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành
xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã
phần cộng thêm vào giá trị điều khiển.Điều này cải thiện đáp
bằng với giá trị mong muốn.Trong hình sau thể hiện sai số
tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt. 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:
de (1)
Dout K d
dt
Dout: ngõ ra khâu D
KD: hệ số vi phân
e: sai số: e = SP – PV
Sơ đồ khối khâu D:
Hình 2: Đáp ứng khâu P
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 Hàm truyền:
đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi
hệ cân bằng thì sai số bằng 0. U ( s) (2)
G
(s) Kd s
Khâu I được tính theo công thức (3): E ( s)
t
Khâu D thường đi kèm với khâu P thành bộ PD, hoặc với PI
I
out K i e( ) d để thành bộ PID.
0
Iout: giá trị ngõ ra khâu I
Ki: hệ số tích phân
e: sai số: e = SP – PV
Sơ đồ khối khâu I:
Hình 4: Đáp ứng khâu D và PD
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
Hình 3: Đáp ứng của khâu I và PI 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
Hàm truyền (4):
phân có giới hạn và tích phân qua việc lấy tổng. Chúng ta sẽ
U (s) K I 1
G (
s) quan tâm mỗi dạng ở một thời điểm, và sai số được tính ở mỗi
E ( s) s Ti s 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
359
359
- HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
gian lấy mẫu T. Thời gian lấy mẫu cần nhỏ hơn đơn vị thời Trong đó:
gian của hệ thống. 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
Không giống các thuật toán điều khiển đơn giản khác, bộ điều
giản dựa trên việc sử dụng IC ổn áp nguồn.
khiển PID có khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị
Khối cảm biến (sử dụng cảm biến đo nhiệt độ NTC MF58)
trước đó của sai số cũng như tốc độ thay đổi sai số. Điều này
chịu trách nhiệm thu nhận tín hiệu nhiệt độ tại tấm gia nhiệt để
giúp cho quá trình điều khiển chính xác và ổn định hơn.
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
Hình 5: Sơ đồ khối PID (Microchip, Mỹ). Thuật toán điều khiển ứng với điều khiển
PID trong vi điều khiển sẽ được đề cập trong phần sau.
Hàm truyền của hệ thống: Sau khi thiết kế, mạch nguyên lý tổng thể của máy được chỉ ra
trong hình 7.
u 1 (3)
( s) H ( s) K P 1 Td s
s Ti s
Hàm chuyển đổi:
1
t
de(t ) (4)
K P e(t ) e( )d TD
u (t )
Ti 0 dt
Tính gần đúng theo công thức:
t n
(5) Hình 7: Mạch nguyên lý cho máy
e d T e k
0 k 0
B. THIẾT KẾ CHI TIẾT CƠ KHÍ
de t e n e(n 1) (6)
dt T
t nT (với n là bước rời rạc tại t.)
Kết quả thu được:
n
(7)
K Pe n K I e k K D e n e n 1
u n
k 0
Với: K K PT KD
K PTd
i
TI T
III. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
A. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Hình 8: Mô hình thiết bị khi lắp tấm gia nhiệt
Để thiết kế thiết bị sưởi ấm máu và dịch truyền thì các khối Thiết kế cơ khí của thiết bị được chỉ ra trong hình 8. Trong
của thiết bị được chỉ ra trong hình vẽ sau : 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 6: Sơ đồ khối thiết bị
360
360
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
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.
Hình 12: Đồ thị quá trình xác lập điều khiển PID
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 Thời Thời gian Sai số
Độ vọt lố
Hình 9: Bản vẽ chi tiết của tấm gia nhiệt vòng kín gian lên xác lập xác lập
Thay đổi
C. Thuật toán điều khiển. Tăng Kp Giảm Tăng Giảm
nhỏ
Thuật toán PID là thuật toán cổ điển trong nền điều khiển tự Giảm Ti Giảm Tăng Tăng Loại Bỏ
động. Như đã trình Thay đổi Thay đổi
bày ở phần cơ sở lý Tăng Td Giảm Giảm
PID Controller nhỏ nhỏ
thuyết. Trong thiết
kế này, để kiểm soát Chọn Kp trước tiên (cho đến mức đáp ứng hệ thống không thể
nhiệt độ tấm gia Error = SP - PV
tốt hơn) tiếp theo cân chỉnh Kd để giảm độ vọt lố và giảm thời
nhiệt thiết kế này đã gian xác lập, và cuối cùng cân chỉnh Ki để giảm thiểu sai số
ứng dụng thuật toán P_term = Kp * Error
xác lập.
điều khiển PID. Tuy
nhiên, do sử dụng vi IV. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
điều khiển để tính I_term = Ki * SumE
Sau khi thực hiện chế tạo thiết bị theo các thiết kế trên, thiết bị
toán và xác lập các được thử nghiệm thông qua quá trình xác định các hệ số K để
thông số P, I, D cho đảm bảo khống chế được thông số đầu ra đạt như mong muốn.
D_term = Kd * (Error – Pre_error)
hệ thống, vi điều
khiển sẽ sử dụng Các kết quả thực nghiệm về xác định các tham số điều khiển,
thuật toán như trong PID = P_term + I_term + D_term
kết quả khảo sát nhiệt độ dịch truyền tại đầu ra của thiết bị và
hình 11. Áp dụng đưa ra đánh giá.
giải thuật PID vào Xác định Kp
bài toán kiểm soát PID_out = 0
- Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
và loại bỏ được sai số xác lập. Đồ thị thu được tương đối qua đã hỗ trợ tinh thần và vật chất cho dự án được thực hiện
phẳng. thành công.
Ki=0.2 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).
Hình 14: Đồ thị nhiệt độ tấm gia nhiệt theo thời gian với hệ Evaluation of red blood cells stored at− 80 C in excess of 10
years. Transfusion, 44(9), 1306-1313.
số Ki= 0.2
[5] Tú Kim, Giới thiệu thuật toán điều khiển PID [Online]. Available:
http://vi.scribd.com/doc/73335013/GIỚI-THIỆU-THUẬT-TOAN-
Kết quả thực nghiệm nhiệt độ dịch truyền đầu ra ĐIỀU-KHIỂN-PID.
Phương án thực hiện đo: Đặt nhiệt độ tấm gia nhiệt từ 37 độ C [6] ELLTECco.LTD, Blood warmer ANIMEC AM-2S, Japan 9 – 2001.
và tăng dần nhiệt độ tấm gia nhiệt đến nhiệt độ nào mà kết quả [7] MICROCHIP, PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet.
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
Hình 16: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ truyền
Hình 15: Nhiệt độ dịch truyền ra với nhiệt độ tấm gia nhiệt 400C
370C 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
362
362
nguon tai.lieu . vn
