Nghiên cứu thiết kế mô hình bộ phận tạo ẩm và làm ẩm bổ sung cho máy thở

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

LÊ PHÚ LÂM

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MƠ HÌNH
BỘ PHẬN TẠO ẨM VÀ LÀM ẤM BỔ SUNG CHO MÁY THỞ
Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật
Mã số: 1870355

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2020


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Lý Anh Tú……………………………....
ThS. Mai Hữu Xuân…………………………
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Thế Thường ………………………..
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trần Trung Nghĩa …………………………..
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 11 tháng 01 năm 2020
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS.TS Huỳnh Quang Linh ....................
2. TS. Trần Trung Duy ................................
3. TS. Nguyễn Thế Thường.........................
4. TS. Trần Trung Nghĩa .............................
5. TS. Lý Anh Tú ........................................

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ PHÚ LÂM ........................................... MSHV: 1870355
Ngày, tháng, năm sinh: 11-05-1995 ...................................... Nơi sinh: Vĩnh Long
Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật .......................................... Mã số: 8520401
1- TÊN ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MƠ HÌNH BỘ PHẬN TẠO ẨM VÀ LÀM ẤM
BỔ SUNG CHO MÁY THỞ”
2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Trình bày cấu tạo, chức năng và nguyên lý hoạt động của bộ tạo ẩm và làm ấm bổ sung
cho máy thở.
Tính tốn nhiệt, điện và điều khiển cho mơ hình thiết kế.
Thiết kế cơ khí, thi cơng mơ hình bộ tạo ẩm và làm ấm với các thiết đặt hoạt động theo
chế độ kiểm sốt chủ động, có khả năng theo dõi và hiển thị nhiệt độ một cách trực quan.
Cải tiến phương pháp châm nước cho bộ phận làm ẩm khí thở, góp phần giải phóng sức
lao động cho nhân viên y tế.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 19/08/2019
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÝ ANH TÚ & ThS. MAI HỮU XUÂN
Tên đề tài và nội dung LVTN đã được thông qua Bộ môn.
NGƯỜI HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Ký và ghi rõ họ tên)

i


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ,
hướng dẫn rất nhiệt tình từ các thầy cơ giảng dạy tại trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM,
Khoa Khoa Học Ứng Dụng, Bộ môn Vật Lý Kỹ Thuật Y Sinh. Đồng thời tôi cũng nhận
được sự giúp đỡ từ các anh chị đi trước cùng bạn bè và sự quan tâm tạo điều kiện của gia
đình, tơi chân thành gửi lời cảm ơn tới:
TS. Lý Anh Tú; ThS. Mai Hữu Xuân, người thầy đã giúp tôi định hướng cho luận
văn, hướng dẫn và truyền cho tôi sự tận tâm, nhiệt huyết để tơi có thể hồn thành luận văn.
Kỹ sư Phạm Hải Sơn - Trưởng phòng Vật Tư Trang Thiết Bị - Bệnh Viện Nguyễn
Tri Phương đã tạo điều kiện để tôi tìm hiểu thực tế và đã hỗ trợ tơi rất nhiều trong q trình
hồn thành luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, thầy cơ trong Bộ mơn Vật Lý Kỹ Thuật Y Sinh đã
quan tâm hỗ trợ tôi trong thời gian qua.
Sau cùng tơi xin kính chúc q thầy cơ, gia đình cùng những người đã quan tâm giúp
đỡ tôi thật nhiều sức khỏe và thành công trong công việc.

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, nhu cầu hỗ trợ đội ngũ bác sĩ, điều dưỡng trong chăm sóc bệnh nhân
tại các bệnh viện ngày càng cao. Các thiết bị hỗ trợ chức năng đã lần lượt ra đời trong
đó có máy thở. Bộ phận tạo ẩm và làm ấm bổ sung cho máy thở là thiết bị không thể
thiếu để đảm bảo được độ ấm và độ ẩm phù hợp với sinh lý của bệnh nhân.
Luận văn như một tài liệu tham khảo về cơ sở lý thuyết, tổng quan về kết cấu,
nguyên lý hoạt động của bộ tạo ẩm làm ấm bổ sung cho máy thở thông qua các thiết bị
đã có mà điển hình là thết bị của hãng Fisher Paykel. Từ đó đã đưa ra các tính tốn và
các thiết kế mơ hình cho đề tài.
Sau thời gian tìm hiểu, thi cơng và kiểm thử, mơ hình bộ tạo ẩm và làm ấm bổ
sung cho máy thở đã có thể hoạt động với các tính năng tương tự như thiết bị hiện có
trên thị trường, có thể đáp ứng được nhu cầu tạo ẩm và làm ấm cho người sử dụng.
Ngồi ra, mơ hình thiết kế đã cải tiến phương thức gia nhiệt thụ động của các thiết
bị hiện có thành phương thức gia nhiệt chủ động, có khả năng theo dõi nhiệt độ khí thở
liên tục, hiển thị nhiệt độ một cách trực quan trên màn hình. Đồng thời mơ hình thiết kế
đã cải tiến, tự động hóa phương thức châm nước cho bình làm ẩm khí thở, góp phần giải
phóng sức lao động và đem đến sự an tồn nhiệt trong vận hành.
Mơ hình thiết kế đã được kiểm chứng kết quả bằng việc vận hành thử nghiệm trên
các thiết bị máy thở tại bệnh viện và thu được kết quả khả quan, đạt được mục tiêu đề
ra: gia nhiệt chủ động đảm bảo độ sai số nhiệt độ dưới 10%, tự động bơm nước giúp tiện
lợi cho người vận hành, đồng thời dễ dàng tháo lắp cho kỹ sư sửa chữa.

iii


ABSTRACT
Nowadays, the need to support the team of doctors, nurses in patient care increasingly.
The functional support devices have been launched in which the ventilation machines. An
additional humidifier and warming for the CPAP machines is an indispensable device to
ensure the warmth are suitable for the patient's physiology.

Thesis as a reference on the theoretical basis, an overview of the structure and principle
of operation of the humidifier and warming through the existing equipment is typical of
Fisher Paykel equipment. Since then can calculate and give the design model for the subject.
After a period of research, construction and testing, an additional humidifier and warming
for the CPAP machines was able to work with the same features as existing equipment on
the market, which could meet needs humidification and warmth for users.
In addition, the design model has improved the passive heating method of existing
equipment into an active heating method, capable of monitoring the breathing air temperature
continuously, visually displaying the temperature on the screen. At the same time, the design
model has improved, automated the method of filling the water bottle for breathing air,
contributing to freeing up labor and bringing thermal safety in operation.
The design model has been verified through results of the trial operation on the
ventilation machines in the hospital and obtained positive results, achieving the set goal:
active heating to ensure thermal error less than 10%, automatic water pump for operator
convenience, and easily removable for a repairing engineer.

iv


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn
khoa học của TS. Lý Anh Tú và ThS. Mai Hữu Xuân. Các nội dung nghiên cứu, thiết kế,
kết quả kiểm nghiệm trong đề tài này là trung thực và chưa cơng bố dưới bất kỳ hình
thức nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu được chính tơi thu thập từ các
nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Ngồi ra, trong luận văn cịn
sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác đều có trích dẫn
và chú thích nguồn gốc. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu
trách nhiệm về nội dung luận văn của mình. Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ
Chí Minh khơng liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong
q trình thực hiện (nếu có).

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 01 năm 2020

v


BẢNG CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Ý nghĩa Tiếng Anh

Ý nghĩa Tiếng Việt

COPD

Chronic obtructive pulmonary

Bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính

disease
ICU

Intensive care unit

Khoa chăm sóc đặc biệt

UAW

Upper airway

Đường thở trên

PAW

Pressure airway

Áp lực đường thở

SEM

Scanning electro microscopy

Kính hiển vi điện tử quét

TEM

Transmission electron microscopy

Kính điện tử truyền qua

END

Endotracheal

Nội khí quản

HME

Heat and Moisture Exchanger

Phin lọc kèm bộ trao đổi nhiệt

PEEP

Positive end expiratory pressure

Áp lực dương cuối kỳ thở ra

PID

Proportional Integral Derivative

Tỉ lệ đạo hàm tích phân

vi


PHỤ LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ...............................................................................i
LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................ iii
ABSTRACT ...................................................................................................................iv
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... v
BẢNG CHỮ VIẾT TẮT..........................................................................................vi
CHƯƠNG I – GIỚI THIỆU .......................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 1
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài ........................................................................ 1
1.2.1. Mục tiêu của đề tài ......................................................................................... 1
1.2.2. Nhiệm vụ của đề tài ........................................................................................ 2
1.3. Ý nghĩa của đề tài ................................................................................................ 2
CHƯƠNG II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HƠ HẤP VÀ ĐỘ ẤM, ĐỘ ẨM CỦA

KHÍ THỞ ........................................................................................................................ 4
2.1. Tìm hiểu về hệ hơ hấp ......................................................................................... 4
2.1.1. Khái niệm về hô hấp....................................................................................... 4
2.1.2. Cấu trúc giải phẫu của hệ hô hấp .................................................................. 4
2.1.3. Yêu cầu sinh lý về độ ấm và độ ẩm của nguồn khí hơ hấp trong thơng khí tự
nhiên. ………………………………………………………………………5
2.1.4. u cầu tương đối về độ ấm và độ ẩm của nguồn khí hơ hấp trong thơng khí
nhân tạo. ................................................................................................................... 6

vii


2.1.5. Các vấn đề liên quan đến làm ẩm không thỏa đáng hay quá mức. ............... 7
2.2. Khái niệm thông khí nhân tạo .......................................................................... 9
2.3. Cấu tạo của máy thở ........................................................................................ 10
CHƯƠNG III – TỔNG QUAN VỀ BỘ TẠO ẨM VÀ LÀM ẤM............................ 13
3.1. Giới thiệu bộ tạo ẩm và làm ấm ....................................................................... 13
3.2. Cấu tạo chung của bộ tạo ẩm và làm ấm. ....................................................... 14
3.3. Sơ đồ nguyên lý của bộ làm ấm hiện có. ......................................................... 19
3.4. Nhược điểm của phương pháp châm nước thủ công. .................................... 20
CHƯƠNG IV – THIẾT KẾ MƠ HÌNH ..................................................................... 22
4.1. Sơ đồ khối của mơ hình bộ tạo ấm và làm ẩm................................................ 22
4.2. Thiết kế ngun lý hoạt động mơ hình bộ tạo ấm và làm ẩm ....................... 23
4.3. Thiết kế mạch nguồn ......................................................................................... 25
4.3.1. Yêu cầu chung cho mạch nguồn. .................................................................. 25
4.3.2. Biến áp. ........................................................................................................ 26
4.3.3. Mạch chỉnh lưu. ........................................................................................... 27
4.3.4. Mạch lọc. ...................................................................................................... 28
4.3.5. Nguồn ổn áp. ................................................................................................ 28
4.3.6. Khối nguồn ni của mơ hình ...................................................................... 30

4.4. Thiết kế khối bàn phím giao tiếp.................................................................... 32
4.5. Thiết kế khối LCD hiển thị nhiệt độ cài đặt và nhiệt độ theo dõi ............... 33
4.6. Khối thu nhiệt độ. ............................................................................................ 36
4.6.1. Đặc điểm của cảm biến đo nhiệt độ. ............................................................ 36
viii


4.6.2. Cách đọc giá trị nhiệt độ thu được. ............................................................. 38
4.7. Khối vi điều khiển. ........................................................................................... 41
4.9. Khối điều khiển nhiệt ........................................................................................ 47
4.9.1. Mạch kích Solid State Relay điều khiển nhiệt .............................................. 47
4.9.2. Phương pháp điều khiển nhiệt. .................................................................... 49
4.10. Thiết kế khối tạo nhiệt .................................................................................... 52
4.11. Thiết kế khối cảm biến dò mực nước ............................................................. 53
4.11.1. Các phương pháp xem xét lựa chọn cảm biến nhận tín hiệu mực
nước…………………………………………………………………………………….53
4.11.2. Thiết kế khối cảm biến nhận tín hiệu mực nước......................................... 57
4.12. Thiết kế khối bơm nước .................................................................................. 58
4.12.1. Khối điều khiển motor bơm nước. .............................................................. 58
4.12.2. Khối motor bơm nước................................................................................. 59
5.5. Thiết kế cơ khí. .................................................................................................. 60
CHƯƠNG V – TÍNH TỐN NHIỆT – ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN – CƠ KHÍ.............. 64
5.1. Ngun lý hoạt động của mơ hình ................................................................... 64
5.2. Tính tốn nhiệt bộ tạo ẩm ................................................................................ 65
5.3. Tính tốn nhiệt bộ làm ấm................................................................................ 66
5.4. Tính tốn cơng suất ........................................................................................... 68
CHƯƠNG VI – CHẾ TẠO – CHẠY THỬ ................................................................ 70
6.1. Mô hình chế tạo ................................................................................................. 70
6.2. Kết quả chạy thử ............................................................................................... 75

ix


6.3. Nhận xét và đánh giá......................................................................................... 80
CHƯƠNG VII - KẾT LUẬN ...................................................................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 84

x


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Nhiệt độ bình thường, độ ẩm tương đối và tuyệt đối tại ba vị trí trong
đường hơ hấp. Bất kỳ một hệ thống cấp khí để điều trị nào đều phải đạt hiệu suất
đảm bảo thỏa mãn điều kiện bình thường tại các điểm vào của hệ thống hơ hấp. ....... 6
Hình 2.2. Các vấn đề liên quan đến làm ẩm không thỏa đáng hay q mức ............... 8
Hình 2.3. Bệnh nhân thơng khí nhân tạo sử dụng bộ tạo ẩm và làm ẩm ................... 10
Hình 2.4. Sơ đồ cấu tạo của máy thở.......................................................................... 11
Hình 3.1. Bộ tạo ẩm và làm ấm của hãng Fisher&Paykel. ........................................ 13
Hình 3.2. Bộ tạo ẩm và làm ấm của hãng Vadi. ......................................................... 13
Hình 3.3. Chức năng kiểm sốt của bộ tạo ẩm và làm ấm. ........................................ 14
Hình 3.4. Cấu tạo bên ngoài của bộ tạo ẩm và làm ấm ............................................. 15
Hình 3.5. Cấu tạo bên trong của bộ tạo ẩm và làm ấm.............................................. 16
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý của bộ làm ấm tham khảo ................................................ 19
Hình 4.1. Sơ đồ mơ hình thiết kế bộ tạo ẩm và làm ấm .............................................. 22
Hình 4.2. Sơ đồ thiết kế nguyên lý hoạt động của bộ tạo ẩm và làm ấm. .................. 23
Hình 4.3. Sơ đồ kết nối theo nguyên lý hoạt động mơ hình bộ tạo ấm và làm ẩm. .... 24
Hình 4.4. Sơ đồ chung cho mạch cấp nguồn. ............................................................. 25
Hình 4.5. Đặc điểm biến áp tự ngẫu và biến áp cách ly. ........................................... 26
Hình 4.6. Mạch chỉnh lưu nữa chu kỳ. ....................................................................... 27
Hình 4.7. Mạch chỉnh lưu tồn chu kỳ........................................................................ 28

Hình 4.8. Nguồn ổn áp dùng diode Zener. ................................................................. 29
Hình 4.9. Nguồn ổn áp dùng IC 7812. ........................................................................ 29
Hình 4.10. Sơ đồ chân IC7812. .................................................................................. 30

xi


Hình 4.11. Sơ đồ khối nguồn xung ............................................................................. 30
Hình 4.12. Cấu tạo bên trong nguồn tổ ong. .............................................................. 31
Hình 4.13. Bàn phím ma trận 4x4. ............................................................................. 32
Hình 4.14. Nối dây Arduino với màn hình 20x4. ........................................................ 35
Hình 4.16. Cảm biến NTC 10K ................................................................................... 37
Hình 4.17. Đường đặc tuyến của cảm biến NTC 10K ................................................ 38
Hình 4.18. Thiết kế khối thu nhiệt độ ......................................................................... 38
Hình 4.18. Arduino mega 2560................................................................................... 42
Hình 4.19. Sơ đồ thiết kế khối điều khiển nhiệt .......................................................... 47
Hình 4.19. Module relay kích ở mức thấp. ................................................................. 49
Hình 4.20. Biểu đồ xác lập nhiệt độ điều khiển bằng phương pháp PID................... 52
Hình 4.21. Điện trở tạo nhiệt..................................................................................... 53
Hình 4.22. Các chân tín hiệu của cảm biến................................................................ 57
Hình 4.23. Phương pháp gắn cánh tay………………………………………………..58
Hình 4.24. Phương pháp gắn vịng quấn tháo lắp…………………..…………..57
Hình 4.25. Kết cấu motor Anself ............................................................................... 59
Hình 4.26. Chi tiết các bộ phận thiết kế cho phần vỏ của đế bộ phận làm ấm .......... 60
Hình 4.27. Chi tiết các bộ phận thiết kế cho phần vỏ của vành nắp bộ phận làm ấm
..................................................................................................................................... 61
Hình 5.1. Sơ đồ dịng khí của bộ tạo ẩm và làm ấm ................................................... 65
Hình 6.1. Chế tạo khối vi xử lý ................................................................................... 70
Hình 6.2. Chế tạo khối vi xử lý ................................................................................... 71
Hình 6.3. Chế tạo khối động lực ................................................................................. 71

xii


Hình 6.4. Chế tạo khối màn hình hiển thị ................................................................... 72
Hình 6.5. Chế tạo khối bàn phím giao tiếp ................................................................. 73
Hình 6.6. Chế tạo khối motor bơm nước .................................................................... 73
Hình 6.7. Chế tạo khối cảm biến mực nước ............................................................... 74
Hình 6.8. Chế tạo khối cảm biến nhiệt ....................................................................... 74
Hình 6.9. Chạy thử nghiệm thực tế mơ hình trên máy thở tại Bệnh Viện .................. 76

xiii


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các vấn đề liên quan đến làm ẩm không thỏa đáng hay quá mức ....... 9
Bảng 1.2. Khoảng nhiệt độ dịng khí cho từng mức cài đặt của bình tạo ẩm, làm
ấm hiện có .................................................................................................................. 20
Bảng 4.1. Bảng tra giá trị nhiệt độ tương ứng giá trị điện trở đọc được ............ 40
Bảng 4.2. Một số thông số của Arduino Mega 2560 R3 ......................................... 42
Bảng 4.3. Thông số kỹ thuật của cảm biến XKC – Y25 ......................................... 55
Bảng 6.1. Chạy thử nghiệm mơ hình với máy thở R860, mode thở VCV, VT =
400 ml, nhiệt độ cài đặt T0= 360C ............................................................................. 77
Bảng 6.2. Chạy thử nghiệm mơ hình với máy thở R860, mode thở VCV, VT =
600 ml, nhiệt độ cài đặt 37 0C ................................................................................... 78
Bảng 6.3. Chạy thử nghiệm mơ hình với máy thở Newport E500, mode thở VCV,
VT = 500 ml, nhiệt độ cài đặt 370C .......................................................................... 79
Bảng 6.4. So sánh tính năng của thiết bị làm ấm tạo ẩm MR810 trên thị trường so
với mơ hình luận văn …………………………………………………………83

xiv


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. LÝ ANH TÚ
ThS. MAI HỮU XUÂN

CHƯƠNG I – GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Theo thống kê của tổ chức WHO, vào năm 2016 đã có 3 triệu người thiệt mạng do
bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính (COPD) gây ra, căn bệnh đứng thứ 3 trong top 10 nguyên
nhân gây tử vong hàng đầu trên toàn thế giới. Việc sử dụng máy thở để hỗ trợ, duy trì sự
sống cho bệnh nhân khi khả năng tự thở của họ bị hạn chế hoặc tạm thời bị mất đi là tiên
quyết để cứu sống và phục hồi sức khỏe cho người bệnh.
Chính vì vậy bộ tạo ẩm và làm ấm là bộ phận thiết bị được sử dụng kết hợp cùng máy
thở có số lượng đáng kể trong các bệnh viện, đặc biệt là ở khoa chăm sóc đặc biệt (ICU)
của các tuyến bệnh viện trung ương. Do vậy là một kỹ sư y sinh cần phải hiểu biết về bộ
phận này, đồng thời có thể vận hành sửa chữa là yêu cầu cần thiết và đó cũng là động
lực để thực hiện đề tài.
Hiện tại phương thức châm nước cho bình tạo ẩm của máy thở đều được thực hiện
thủ cơng chính vì vậy luận văn sẽ thiết kế mơ hình tự động châm nước cho bộ phận tạo
ẩm khí thở để góp phần giải phóng sức lao động cho nhân viên y tế. Bên cạnh đó phương
thức gia nhiệt cũng sẽ được cải tiến từ hình thức thụ động sang cơ chế chủ động để góp
phần đảm bảo ổn định nhiệt độ của khí thở khi đến bệnh nhân.
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
1.2.1. Mục tiêu của đề tài
Đề tài được thực hiện với mục tiêu đặt ra là:
Nắm được cơ sở sinh lý của hệ hô hấp, chức năng của bộ tạo ẩm và làm ấm bổ sung
cho máy thở.

Nắm được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của bộ tạo ẩm và làm ấm dựa trên thiết bị đã
có, từ đó đưa ra các tính tốn và thiết kế mơ hình bộ tạo ẩm và làm ấm với các thiết đặt

1
HVTH: LÊ PHÚ LÂM

MSHV: 1870355


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. LÝ ANH TÚ
ThS. MAI HỮU XN

hoạt động theo chế độ kiểm sốt chủ động, có khả năng theo dõi và hiển thị một cách
trực quan.
Cải tiến, tự động hóa phương thức châm nước cho bình làm ẩm khí thở. Đảm bảo sự
chính xác, tiện lợi, đồng thời dễ dàng cho người vận hành, người sửa chữa là mục tiêu
hướng đến của đề tài.
1.2.2. Nhiệm vụ của đề tài
Trình bày cấu tạo, chức năng và nguyên lý hoạt động của bộ tạo ẩm và làm ấm bổ
sung cho máy thở.
Tính tốn nhiệt, điện và điều khiển cho mơ hình thiết kế.
Thiết kế cơ khí, thi cơng mơ hình bộ tạo ẩm và làm ấm với các thiết đặt hoạt động
theo chế độ kiểm soát chủ động, có khả năng theo dõi và hiển thị nhiệt độ một cách trực
quan.
Cải tiến phương pháp châm nước cho bộ phận làm ẩm khí thở, góp phần giải phóng
sức lao động cho nhân viên y tế.
Nội dung thực hiện gồm các phần như sau:
Chương 1: Giới thiệu.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về hô hấp và độ ấm, độ ẩm của khí thở.
Chương 3: Tổng quan về bộ tạo ẩm và làm ấm.
Chương 4: Thiết kế mơ hình.
Chương 5: Tính nhiệt – điện điều khiển – cơ khí.
Chương 6: Chế tạo – chạy thử.
Chương 7: Kết luận.
1.3. Ý nghĩa của đề tài
Đề tài được thực hiện với mục tiêu đặt ra là: nắm được nguyên lý, cấu tạo chung và
chức năng của bộ phận tạo ẩm và làm ấm bổ sung cho máy thở, từ đó đưa ra các tính

2
HVTH: LÊ PHÚ LÂM

MSHV: 1870355


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. LÝ ANH TÚ
ThS. MAI HỮU XN

tốn và thiết kế mơ hình bộ tạo ẩm và làm ấm với các thiết đặt hoạt động theo chế độ
kiểm sốt chủ động, có khả năng theo dõi và hiển thị một cách trực quan.
Ứng dụng kiến thức môn học cảm biến vào thực tiễn để xác định mực nước, thiết kế
mơ hình cải tiến phương pháp châm nước cho bộ phận tạo ẩm khí thở, góp phần giải
phóng sức lao động cho nhân viên y tế.
Thiết bị cải tiến có thể thao tác điều khiển đơn giản cho người sử dụng, đảm bảo được
sự chính xác mực nước và nhiệt độ cài đặt, đồng thời dễ dàng cho người vận hành, người
sửa chữa góp phần đem lại ý nghĩa vận hành thực tiễn.

3
HVTH: LÊ PHÚ LÂM

MSHV: 1870355


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. LÝ ANH TÚ
ThS. MAI HỮU XUÂN

CHƯƠNG II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÔ HẤP VÀ ĐỘ ẤM, ĐỘ ẨM CỦA
KHÍ THỞ
2.1. Tìm hiểu về hệ hô hấp
2.1.1.

Khái niệm về hô hấp

Hô hấp là tập hợp những q trình, trong đó cơ thể lấy O2 từ bên ngồi vào cơ thể để
oxi hóa các chất trong tế bào và giải phóng năng lượng cho các hoạt động sống, đồng
thời thải khí CO2 ra ngồi.
Hơ hấp bao gồm 4 q trình chính:
❖ Thơng khí phổi: Là q trình liên tục đưa khơng khí ra vào phổi để khí ở phế nang
thường xun được đổi mới (cịn gọi là hơ hấp cơ học).
❖ Q trình trao đổi khí: Gồm trao đổi khí ở phổi, khuếch tán O2 và CO2 giữa khí phế
nang với khí trời (q trình lý - hoá).
❖ Sử dụng O2 cho các phản ứng hố học xảy ra ở tế bào.
❖ Điều hồ hơ hấp: Là q trình thay đổi hoạt động hơ hấp (chủ yếu là điều hồ thơng
khí) để phù hợp với nhu cầu của cơ thể.
Hệ hô hấp như một cổ máy hoàn chỉnh gồm nhiều bộ phận cấu tạo với từng chức

năng riêng để góp phần thực hiện chức năng hô hấp của cơ thể. Bất kỳ sự tổn thương
nhỏ nào cho từng cơ quan có thể làm ảnh hưởng hay mất đi chức năng của mỗi bộ phận
đều dẫn đến chất lượng của việc hô hấp hạn chế và điều nay lâu dài sẽ ảnh hưởng đến
sức khỏe của bệnh nhân.
2.1.2.

Cấu trúc giải phẫu của hệ hô hấp

Về mặt bệnh lý, hệ thống hô hấp được chia thành 2 thành phần:
❖ Đường hô hấp trên (từ mũi, họng, hầu đến thanh quản): có chức năng dẫn khí, làm
ấm, làm ẩm và lọc khơng khí trước khi vào phổi.
❖ Đường hơ hấp dưới (gồm khí quản, cây phế nang và phế nang): thực hiện chức năng
dẫn khí và trao đổi khí.
4
HVTH: LÊ PHÚ LÂM

MSHV: 1870355


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. LÝ ANH TÚ
ThS. MAI HỮU XUÂN

Mũi là cơ quan đầu tiên tiếp nhận và xử lý khí thở. Chức năng của mũi là giữ ấm, giữ
ẩm và làm sạch khí trời. Khi qua mũi, khơng khí sẽ được điều chỉnh nhiệt độ gần bằng
nhiệt độ cơ thể và độ ẩm gần bão hòa 100%, bất kì nhiệt độ và độ ẩm ngồi khí quyển
như thế nào. Chức năng làm ấm được thực hiện nhờ vào hệ thống mao mạch máu có
thành mỏng ở khoang mũi sẽ tỏa nhiệt vào khơng khí khi khơng khí đi qua nó. Tuyến
bài tiết sẽ tiết ra 250 ml dịch nhày mỗi ngày để tạo ẩm cho khí thở được hít vào. Hệ

thống niêm mạc mũi có nhiệm vụ đảm bảo rằng độ ẩm tương đối của khí ở mức 75 –
85% khi đến vòm họng [1]. Ngoài ra các chất nhày kết hợp với lông mũi để làm sạch khí
thở. Mũi có khả năng ngăn cản và lọc được các bụi có kích thước nhỏ khoảng 4-6 µm.
Tuy nhiên khi tiến hành thơng khí nhân tạo trường hợp đặt nội khí quản hay mở khí
quản thì đường dẫn khí sẽ bị nối tắt bởi hệ thống ống nội khí quản do đó các chức giữ
ấm, làm ẩm và làm sạch khí trời của mũi sẽ bị mất đi. Mất độ ẩm từ đường hô hấp gây
hậu quả tổn thương tế bào biểu mô, nhất là tế bào biểu mô khí quản và phế quản. Hậu
quả của tình trạng này là gây biến đổi chức năng phổi như giảm độ dãn nở và hoạt tính
của chất surfactant, gây khơ chất tiết đường thở, xẹp phổi và giảm oxy máu [2]. Chính
vì vậy u cầu cần thiết là phải cung cấp bộ tạo ẩm và làm ấm để đảm bảo điều hòa dòng
khí phù hợp sinh lý bình thường của bệnh nhân.
2.1.3.

Yêu cầu sinh lý về độ ấm và độ ẩm của nguồn khí hơ hấp trong thơng khí

tự nhiên.
Khí hít vào được xử lý trong đường thở bởi hệ thống mao mạch và tuyến bài tiết
khiến nó được bảo hòa nước hoàn toàn ở nhiệt độ cơ thể vào thời điểm khí này đi tới phế
nang (37oC; 100% độ ẩm tương đối, 44mg/l độ ẩm tuyệt đối). Vị trí trên đường thở mà
tại vị trí này khí thở đạt tới nhiệt độ và độ ẩm của cơ thể được gọi là ranh giới bão hòa
đẳng nhiệt và dưới điểm này, khơng còn có dao động về nhiệt độ và độ ẩm. Vị trí bão
hòa đẳng nhiệt thường ở ngay dưới chạc ba khí phế quản. Những bộ phận phía trên vị trí
này như là đường hơ hấp trên đã đóng vai trò như bộ trao đổi nhiệt và làm ẩm. Tuy nhiên
một phần lớn bộ phận này sẽ bỏ qua ở trên bệnh nhân khi có đường thở nhân tạo (trường
5
HVTH: LÊ PHÚ LÂM

MSHV: 1870355

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. LÝ ANH TÚ
ThS. MAI HỮU XUÂN

hợp đặt ống nội khí quản hay mở khí quản), vì vậy cần thiết phải dùng một máy làm ẩm
bên ngoài được kết nối với các dây máy thở. Trong điều kiện bình thường, khoảng 250ml
nước bị mất mỗi ngày từ phổi để làm ẩm khí hít vào [2].

Hình 2.1. Nhiệt độ bình thường, độ ẩm tương đối và tuyệt đối tại ba vị trí trong
đường hơ hấp. Bất kỳ một hệ thống cấp khí để điều trị nào đều phải đạt hiệu suất đảm
bảo thỏa mãn điều kiện bình thường tại các điểm vào của hệ thống hô hấp [2].
2.1.4.

Yêu cầu tương đối về độ ấm và độ ẩm của nguồn khí hơ hấp trong thơng

khí nhân tạo.
Đường hơ hấp trên cung cấp 75% nhiệt và độ ẩm cung cấp cho phế nang. Khi đặt ống
nội khí quản thì đường hô hấp trên đã bị bỏ qua, máy tạo độ ẩm cần cung cấp nhiệt và
độ ẩm cho sự thiếu hụt này. Vì tổng độ ẩm sinh lý cần thiết là 44 mg/L, vậy phần cần
được cung cấp bởi máy tạo độ ẩm là 0.75x44 mg/L = 33 mg/L. Trong hơ hấp bình thường,
6
HVTH: LÊ PHÚ LÂM

MSHV: 1870355


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. LÝ ANH TÚ

ThS. MAI HỮU XN

độ ẩm trong khí quản có thể dao động từ 36 mg/L đến 40 mg/L và độ ẩm cần thiết tối ưu
dưới carina là 44 mg/L (độ ẩm tương đối 100% ở 37 oC). Vì vậy khi cung cấp độ ẩm chủ
động cho bệnh nhân thở máy xâm lấn, các thiết bị phải cung cấp độ ẩm trong khoảng từ
33 mgH2O/L đến 44 mgH2O/L và nhiệt độ từ 340C đến 410C với độ ẩm 100% để ngăn
chặn sự khô của dịch tiết trong đường thở nhân tạo [3].
2.1.5.

Các vấn đề liên quan đến làm ẩm không thỏa đáng hay quá mức.

Khí được cấp từ máy thở thường rất khơ do có đường thở nhân tạo, đường hơ hấp
trên bị bỏ qua về mặt chức năng ở các bệnh nhân này. Các tác động sinh lý của việc làm
ẩm không thỏa đáng có thể do tình trạng mất nhiệt hay mất độ ẩm gây nên. Mất nhiệt từ
đường hô hấp xảy ra do việc làm ẩm khí thở vào. Tuy nhiên, mất nhiệt do các cơ chế
khác không liên quan đến hô hấp thường quan trọng hơn khi xét trên quá trình hằng định
thân nhiệt nội mơi. Mất độ ẩm từ đường hô hấp gây hậu quả mất nước của đường hô hấp
sẽ gây tổn thương tế bào biểu mô, nhất là tế bào biểu mơ khí quản và phế quản lớn. Hậu
quả của tình trạng này là gây biến đổi chức năng phổi như giảm độ dãn nở và hoạt tính
của chất surfactant. Về phương diện lâm sàng, tình trạng này sẽ gây khô chất tiết đường
thở, xẹp phổi và giảm oxy máu [2].
Làm ẩm quá mức chỉ có thể xảy ra nếu nhiệt độ của khí thở vào cao hơn 37 0C và độ
ẩm tuyệt đối lớn hơn 44 mg/L. Điều này ít khi xảy ra khi khơng dùng thiết bị khí dung.
Mặc dù khó gây ra tình trạng làm ẩm quá mức với bộ làm ẩm bằng nhiệt nhưng làm ẩm
hồn tồn đối với khí thở vào sẽ giải quyết tình trạng mất nước xảy ra trong khí thở mà
bình thường khơng nhận thấy. Với các hệ thống làm ẩm hiện tại, ít khi gặp tình trạng
tăng nhiệt một cách đáng kể và tổn thương khí quản do bộ làm ẩm tạo nên một hiệu suất
nhiệt cao rất hiếm gặp. Do khả năng thu nhiệt của các chất khí thấp nên khó mà truyền
được một lượng nhiệt đáng kể để có thể gây ra bỏng khí quản khi khơng có các hạt khí
dung. Đối với bệnh nhân hạ thân nhiệt, tiến hành làm nóng tối đa chất khí thở vào cũng

ít có ảnh hưởng đến việc cải thiện thân nhiệt trung tâm của bệnh nhân. Tuy vậy, làm ấm

7
HVTH: LÊ PHÚ LÂM

MSHV: 1870355


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. LÝ ANH TÚ
ThS. MAI HỮU XN

và làm ẩm khí thở vào tới giá trị bình thường của cơ thể sẽ hỗ trợ cho các kỹ thuật làm
ấm khác thông qua việc ngăn ngừa mất thêm nhiệt từ đường hô hấp.
Vấn đề liên quan với việc làm ẩm quá mức hay gặp hơn khi sử dụng thiết bị khí dung
tạo hạt sương. Điều trị khí dung quá mức có thể gây một cân bằng nước dương tính, nhất
là ở trẻ sơ sinh và bệnh nhân suy thận. Khí dung cũng dễ gây nên tình trạng nhiễm khuẩn
đường hơ hấp dưới. Khí dung lạnh có thể làm tăng sức cản đường thở do làm tăng dịch
tiết đường thở và gây kích ứng đường hơ hấp [2].

Hình 2.2. Các vấn đề liên quan đến làm ẩm không thỏa đáng hay quá mức [4]
Hình giữa: Hình chụp UAW và PAW của khí quản bình thường bằng kính hiển vi
điện tử qt (SEM) và phế nang bình thường bằng kính hiển vi ánh sáng (LM) và kính
hiển vi điện tử (TEM). UAW cho thấy sự gấp khúc và chiếm ưu thế của các tế bào biểu
mơ trụ có lơng chuyển trên các mào và sự chiếm ưu thế của các tế bào goblet trong các

8
HVTH: LÊ PHÚ LÂM

MSHV: 1870355


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. LÝ ANH TÚ
ThS. MAI HỮU XUÂN

luống với sự xuất hiện giống như lông mao của lúa mì trên các đỉnh của nếp gấp niêm
mạc. PAW cho thấy sự xuất hiện bình thường của phế nang, biểu mô mỏng (EPI) và lớp
nội mô (END) của tế bào nội mô loại I và tế bào loại thường và mất hồn tồn các tế bào
biểu mơ trụ và các tế bào goblet trong các luống của kính hiển vi. Ảnh chụp cho thấy
biểu mơ khí quản bất thường SEM x 12,5 bar = 1mm, cho thấy chất nhầy khơ của biểu
mơ khí quản và mất hồn tồn biểu mô bị cắt; SEM x 750, bar =10 Laum, mất vẻ ngồi
giống như lơng mao của lúa mì và được thay thế bằng lớp chất nhày khô. Phải: Máy chụp
ảnh hiển vi PAW trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm cao bởi LM và TEM cho thấy phù
nề mô kẽ phá vỡ tính tồn vẹn của tế bào với các túi (V) trong biểu mô tế bào loại I [4].
Bảng 1.1. Các vấn đề liên quan đến làm ẩm khơng thỏa đáng hay q mức [4].

2.2.

Khái niệm thơng khí nhân tạo

Thơng khí nhân tạo là q trình hỗ trợ hô hấp cho bệnh nhân khi chức năng sinh lý
của phổi bất thường do bệnh lý hoặc do các nguyên nhân khách quan ức chế, hoặc do
kiểm sốt hệ hơ hấp trong quá trình phẫu thuật y khoa [5].

9
HVTH: LÊ PHÚ LÂM

MSHV: 1870355