Thiết kế máy trợ thở Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ


THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Đề tài:
THIẾT KẾ MÁY TRỢ THỞ

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 07 năm 2020

1


PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

STT
1
2
3
4

Họ và tên
Phạm Thị Phương Loan
Võ Đại Mau
Trần Lê Huỳnh Đức
Nguyễn Văn Luật

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

Nhiệm vụ
Module cơ khí
Lập trình
Module điện
Bộ điều khiển

- 2-


Contents
CHƯƠNG I: MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI .............................................................................8
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN .....................................................................................8
1. Thở máy và máy thở không xâm lấn: .................................................................8
2. Kiểm sốt theo thể tích và kiểm sốt theo áp suất. Các chế độ thở ...................9
3. Yêu cầu y tế của một máy thở ..........................................................................11
4. Tình hình nhu cầu và nghiên cứu, sản xuất trong và ngồi nước: ...................12
4.1. Tình hình và nhu cầu hiện nay: ..................................................................12
4.2. Các dự án ở nước ngoài: ............................................................................12
4.3. Các dự án ở trong nước: .............................................................................16
5. Đặt ra yêu cầu đề tài: ........................................................................................19
CHƯƠNG III: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ................................................................ 20
1. Lựa chọn phương án cơ khí: .............................................................................20
1.1. Phương án 1: .............................................................................................. 20
1.2. Phương án 2: .............................................................................................. 21
1.3. Phương án 3: .............................................................................................. 22
2. Lựa chọn phương án cấu trúc điều khiển: .........................................................23
3. Lựa chọn phương án bộ điều khiển:..................................................................23
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ CƠ KHÍ .........................................................................28
1. Số giờ làm việc: ................................................................................................ 28
2. Tính tốn cơng suất: .........................................................................................28

3. Thiết kế cơ cấu kẹp bóng ambu:.......................................................................30
4. Thiết kế bộ truyền bánh răng:...........................................................................31
4.1.

Chọn vật liệu: .........................................................................................31

4.2.

Ứng suất cho phép: ................................................................................31

4.3.

Chọn số răng: .........................................................................................32

4.4.

Hệ số dạng răng: ....................................................................................32

4.5.

Chọn hệ số chiều rộng vành răng: .........................................................33

4.6.

Xác định module m:...............................................................................33

4.7.

Tính khoảng cách trục: ..........................................................................33

4.8.

Các thơng số hình học: ..........................................................................33

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 3-


4.9.

Vận tốc vòng bánh răng: ........................................................................33

4.10.

Lực tác dụng lên bánh răng: ............................................................... 33

4.11.

Kiểm nghiệm ứng suất uốn: ............................................................... 34

4.12.

Thông số tính tốn thiết kế bánh răng tay kẹp: ..................................34

5. Thiết kế trục đỡ tay kẹp và chọn ổ lăn: ............................................................ 34
5.1

Lựa chọn phương án thiết kế trục: .........................................................34

5.2

Chọn vật liệu: .........................................................................................35

5.3

Xác định sơ bộ đường kính trục: ...........................................................35

5.4

Phân tích lực tác dụng bộ truyền bánh răng và sơ đồ lực: .....................35

5.5

Phác thảo sơ bộ trục: ..............................................................................36

5.6

Kiểm nghiệm trục: .................................................................................37

5.7

Chọn ổ lăn: ............................................................................................. 39

5.8

Kiểm nghiệm ổ lăn: ...............................................................................40

6. Lựa chọn các chi tiết và dung sai lắp ghép: .....................................................41
6.1

Chọn khớp nối: ......................................................................................41

6.2

Dung sai lắp ghép: .................................................................................41

CHƯƠNG V: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN ...................................................................42
1. Chọn mạch điều khiển: .....................................................................................42
2. Chọn cảm biến: .................................................................................................42
2.1

Cảm biến áp suất: ...................................................................................42

2.2

Cảm biến lưu lượng: ..............................................................................43

3. Chọn động cơ: ..................................................................................................44
4. Chọn nguồn: .....................................................................................................45
5. Chọn còi báo: ....................................................................................................45
CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN..........................................................47
1. Cấu trúc hệ thống: ............................................................................................ 47
2. Thiết kế bộ điều khiển: .....................................................................................47
3. Bài toán đặt ra: .................................................................................................48
4. Xác định hàm truyền của hệ thống: ..................................................................48
4.1

Hàm truyền của hệ thống: ......................................................................48

4.2

Hàm truyền của Động cơ và driver:.......................................................50

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 4-


CHƯƠNG VII: PHẦN LẬP TRÌNH ........................................................................53
1. Các biến Input và Output: ................................................................................53
1.1

Input: ......................................................................................................53

1.2

Output: ...................................................................................................53

2. Tính tốn các thơng số: ....................................................................................54
2.1

Chu kì hít vào, thở ra: ............................................................................54

2.2

Chuyển đổi tín hiệu analog từ biến trở thành thông số cài đặt: .............54

2.3

Chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến áp suất MPX5010: .................54

2.4

Chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến lưu lượng AWM720P1: .........55

2.5

Giá trị góc quay mỗi xung encoder: ......................................................55

3. Sơ đồ giải thuật:................................................................................................ 55
3.1

Yêu cầu của chương trình điều khiển: ...................................................55

3.2

Chương trình chính: ...............................................................................55

3.3

Hàm Sethome( ) đưa cánh tay về vị trí bắt đầu mỗi nhịp thở:...............57

3.4

Hàm ngắt timer mỗi 10ms để cập nhật các điều chỉnh cài đặt: .............57

3.5

Hàm ngắt đếm xung encoder: ................................................................ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................60

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 5-


DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1: Cấu tạo máy trợ thở CPAP.............................................................................9
Hình 2: Biểu đồ lưu lượng, áp suất và thể tích theo thời gian ..................................10
Hình 3: Biểu đồ lưu lượng, áp suất và thể tích theo thời gian ..................................10
Hình 4: Máy thở của nhóm nghiên cứu MIT ............................................................ 13
Hình 5: Máy thở ApolloBVM của trường đại học Rice. ..........................................14
Hình 6: Cơ cấu thanh răng bánh răng. ......................................................................15
Hình 7: Máy thở của ĐH Duy Tân ............................................................................16
Hình 8: Máy trợ thở của trường ĐH Bách KHoa TP.HCM ......................................17
Hình 9: Máy trợ thở của trường ĐH Lạc Hồng ........................................................18
Hình 10: Máy trở thở của ĐH Điện Lực. ..................................................................18
Hình 11: Sơ đồ nguyên lí phương án 1: cơ cấu hai tay đẩy tịnh tiến. .......................20
Hình 12: Sơ đồ ngun lí phương án 2: cớ cấu một tay kẹp. ....................................21
Hình 13: Sơ đồ nguyên lí phương án 3: cơ cấu hai tay kẹp ......................................22
Hình 14: Cấu trúc điều khiển máy trợ thở ................................................................ 23
Hình 15 Cơ chế để tạo ra áp suất trong giai đoạn hít vào .........................................24
Hình 16 Hệ thống điều khiển theo áp suất (minh họa) .............................................24
Hình 17 Phương pháp hiệu chỉnh nối tiếp.................................................................25
Hình 18 Phương pháp điều khiển hồi tiếp trạng thái ................................................25
Hình 19 Sơ đồ ngun lí thiết lập vị trí Home ..........................................................26
Hình 20 Sơ đồ ngun lí chu kì thở ..........................................................................27
Hình 21 Các thơng số cần xác định của tay kẹp .......................................................29

Hình 22 Cơ cấu bóp ambu sử dụng hai tay kẹp ........................................................30
Hình 23 Cơ cấu truyền động bánh răng cho hai tay kẹp. ..........................................30
Hình 24 Sơ đồ phân tích momen xoắn tác dụng lên cơ cấu kẹp ............................... 31
Hình 25 Sơ đồ lực tác dụng hệ thống truyền động. ..................................................36
Hình 26 Phác thảo sơ bộ trục ....................................................................................36
Hình 27 Biểu đồ momen trục I. .................................................................................37
Hình 28 Biểu đồ momen trục II ................................................................................39
Hình 29 Mạch Arduino Uno .....................................................................................42
Hình 30 Cảm biến áp suất MPX5010DP ..................................................................43
Hình 31 Cảm biến lưu lượng AWM720P1. .............................................................. 44
Hình 32 Động cơ Planet 24V 60W. ..........................................................................44
Hình 33 Mạch ổn áp LM2596. ..................................................................................45
Hình 34 Sơ đồ nguyên lý mạch điện .........................................................................46
Hình 35 Sơ đồ đấu dây .............................................................................................. 46
Hình 36 Cấu trúc hệ thống. .......................................................................................47
Hình 37 Mơ hình bộ điều khiển bằng PID. ............................................................... 47
Hình 38 Hàm truyền của hệ thống ống. ....................................................................48
Hình 39 Hàm truyền của hệ thống ống .....................................................................50
Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 6-


Hình 40 Dữ liệu u-P đo được từ hệ thống thực tế .....................................................51
Hình 41 Đáp ứng của hệ thống khi thêm bộ điều khiển PID trong PID Tuner ........52
Hình 42 Đáp ứng step của hệ thống sau khi thêm bộ điều khiển PID ......................52
Hình 43 Sơ đồ giải thuật chương trình chính ............................................................ 56
Hình 44 Lưu đồ giải thuật hàm sethome() ................................................................ 57
Hình 45 Lưu đồ giải thuật hàm ngắt timer mỗi 10ms ...............................................58
Hình 46 Hàm ngắt đếm xung encoder ......................................................................59

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 7-


CHƯƠNG I: MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
Trước diễn biến phức tạp của tình hình dịch bệnh COVID-19 trên thế giới, việc đáp
ứng đủ nhu cầu máy thở cho hoạt động khám chữa bệnh nhân là đặc biệt quan trọng và
cần thiết, liên quan trực tiếp đến tính mạng của người bệnh. Khi dịch bệnh bùng phát
mạnh, nhu cầu sử dụng máy thở tăng cao, khả năng đáp ứng máy thở sẽ gặp rất nhiều
khó khăn. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu và sản xuất các máy thở số lượng lớn gặp
thách thức lớn khi máy thở có cấu tạo rất phức tạp.
Trước tình hình đó nhóm đề xuất nghiên cứu chế tạo, sản xuất máy trợ thở tự động,
có khả năng sản xuất số lượng lớn trong thời gian ngắn, giá rẻ, an toàn cho lực lượng y
bác sỹ dựa trên nghiên cứu một số mẫu máy có sẵn trên thị trường cũng như cấu hình
máy của MIT đang được cơng bố rộng rãi hiện nay. Điều này cho phép các bệnh nhân
ít nghiêm trọng hơn được chăm sóc bởi các bác sĩ lâm sàng ít chun mơn hơn, đồng
thời có thể tập trung các nguồn lực vào những người bệnh nặng và thực sự cần thiết.
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN
1. Thở máy và máy thở không xâm lấn:
Trước hết, ta cần hiểu các khái niệm thơng khí (ventilation) và hơ hấp (respiration).
Thơng khí là một q trình di chuyển cơ học của luồng khí đi vào và đi ra khỏi phổi
cịn hơ hấp là sự trao đổi khí giữa mơi trường và cơ thể. Như vậy, thơng khí là một bộ
phận của q trình hơ hấp của cơ thể.
Thở máy cịn gọi là thơng khí cơ học bằng máy, được sử dụng khi thơng khí tự
nhiên khơng đảm bảo được chức năng của mình, nhằm cung cấp một sự trợ giúp nhân
tạo về thơng khí và oxy hóa.
Máy thở là một thiết bị cơ khí tự động được thiết kế để cung cấp tất cả hoặc một
phần công việc mà cơ thể phải tạo ra để đưa khí (chứa oxy) vào và ra khỏi phổi. Việc

đưa khí vào và ra khỏi phổi được gọi là sự thở hoặc nói một cách chuẩn mực hơn là sự
thơng khí. Bằng cách tạo một dịng khí, với áp lực vừa đủ để đưa một thể tích khí vào
phổi người bệnh, máy thở giúp cho phổi thực hiện sự trao đổi khí ở những bệnh nhân
ngưng thở hoặc thở khơng hiệu quả. Nắm vai trị quan trọng trong việc hỗ trợ điều trị
một số căn bệnh về đường hơ hấp, gây khó thở, suy hơ hấp, điển hình trong các trường
hợp bệnh nhân bị béo phì, hội chứng ngưng thở khi ngủ hoặc bệnh SARS-COV2.
Có hai phương pháp thơng khí:
- Thở máy xâm nhập: thơng khí nhân tạo qua nội khí quản hoặc canun mở khí
quản.
- Thở máy khơng xâm nhập: thơng khí nhân tạo qua mặt nạ mũi hoặc mặt nạ mũi
và miệng.
Máy thở không xâm lấn hay máy trợ thở thực tế là máy thở hỗ trợ bệnh nhân thở mà
không cần phải mở nội khí quản, bản chất là tạo ra một dịng khí có áp lực dương để
Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 8-


hỗ trợ động tác hít vào của bệnh nhân, khi đó bệnh nhân chỉ cần một động tác nhẹ đã
có thể hít vào và đỡ tốn sức (loại CPAP). Loại BiPAP hiện đại hơn, nó cảm nhận được
thì hít vào của bệnh nhân để nâng áp lực hỗ trợ lên cao và cảm nhận thì thở ra của
bệnh nhân để hạ áp lực xuống thấp, để bệnh nhân hít vào dễ và thở ra không bị cản trở.
Máy trợ thở lọc khơng khí vào và ra, lọc hết tác nhân gây bệnh, trong đó có virus. Tuy
nhiên, do kết nối với bệnh nhân bằng mặt nạ úp lên mũi, nó khơng đảm bảo đủ kín,
virus có thể bị bơm vào mơi trường xung quanh, làm cho những người khác có thể bị
nhiễm. Máy trợ thở không phải là phương pháp điều trị bệnh mà chỉ được dùng để hỗ
trợ cải thiện sự thở, duy trì chất lượng sống cho người bệnh.

Hình 1: Cấu tạo máy trợ thở CPAP
Q trình thơng khí từ máy thở vào bệnh nhân: Khơng khí hoặc khí oxy từ bình

chứa đi vào máy thở. Sau đó, bộ phận tạo áp lực có nhiệm vụ đẩy khí đi qua van một
chiều, tới bộ lọc HPEA, qua ống thở và tới bệnh nhân. Trong thì thở ra của bệnh nhân,
khí đi qua bộ lọc HPEA, qua van kiểm tra áp lực dương cuối kì thở ra (check PEEP
exhaust valves) và thải ra mơi trường.
2. Kiểm sốt theo thể tích và kiểm sốt theo áp suất. Các chế độ thở
Khởi động thì thở vào của máy, ta có hai chế độ kiểm soát như sau:
- Kiểm soát theo thể tích (Volum control): ở chế độ này, thể tích khí được cung
cấp bởi máy có thể điều chỉnh được. Sau đó, tùy thuộc vào sự tuân thủ của
phổi mà ta cần tạo ra một áp lực cao để đẩy một lượng khí cần thiết vào phổi
với tốc độ dịng thở đều, trong thời gian được chỉ định. Điều này được thực
hiện bất kể áp suất tích tụ trong phổi là bao nhiêu, được gọi là áp suất đỉnh
(PIP). Máy thở phải có tính năng an tồn để hạn chế áp lực tối đa, có thể dẫn
đến tổn thương phổi. Mặt khác, vời chế độ kiểm sốt thể tích, khi có sự rị rỉ
trong hệ thống, thể tích khí thực tế được đưa đến phổi có thể thấp hơn quy
định, vì máy khơng thể biết được lượng khí cấp cho bệnh nhân và mất là bao
nhiêu.

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 9-


Hình 2: Biểu đồ lưu lượng, áp suất và thể tích theo thời gian
ở chế độ kiểm sốt thể tích
- Kiểm soát theo áp suất (Pressure control): ở chế độ này, áp suất sẽ thay đổi
làm thể tích khí cung cấp thay đổi theo. Một áp suất tương ứng sẽ tạo ra thể
tích khí phù hợp ở bệnh nhân có phổi tuân thủ cao nhưng sẽ cung cấp thể tích
khí không đủ ở bệnh nhân tuân thủ thành ngực kém. Mặt khác, ưu điểm so với
volume mode là nếu có sự rò rỉ trong hệ thống, máy sẽ bù lượng rị rỉ cho đến
áp suất cài đặt, do đó bệnh nhân có thể nhận được cùng một thể tích khí bất kể

có rị rỉ hay khơng.

Hình 3: Biểu đồ lưu lượng, áp suất và thể tích theo thời gian
Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 10-


ở chế độ kiểm soát áp suất.
Các mode thở:
- Chế độ hỗ trợ (Assist Control Mode): máy sẽ kích hoạt theo hơi thở của bệnh
nhân và hỗ trợ hơi thở.
- Chế độ điều khiển (Controlled Mode): máy sẽ bắt đầu thở vào thời điểm được
chỉ định bởi người điều khiển chứ không phải bệnh nhân.
- Chế độ kết hợp (Combined Mode): nhịp thở của BN khởi động máy máy chạy
theo tần số BN – khi BN ngừng thở hay thở chậm hơn máy máy chạy theo tần
số đặt trước

3. Yêu cầu y tế của một máy thở
Tidal Volume (TV): Thể tích lưu thơng Vt
- Là thể tích khí được đưa vào trong mỗi chu kì thở.
- Chỉ định Vt tùy theo tình trạng bệnh lý của bệnh nhân: Phổi “bình thường”: 10
– 15 ml/kg. Phổi “nhỏ”, bệnh phổi tắc nghẽn: 5 – 8 ml/kg
BPM : Nhịp thở mỗi phút
- Là tần số được đặt cho máy đối với người lớn thường cài đặt từ 10-20
nhịp/phút, trẻ sơ sinh 30 – 40 nhịp/phút, trẻ lớn 20 – 30 nhịp/phút.
Tỉ lệ I/E: tỷ lệ thời gian hơ hấp hít vào/thở ra
- Ví dụ, tỷ lệ 1:3 có nghĩa là giai đoạn thở ra kèo dài gấp ba lần so với giai đoạn
hít vào.
- Thông thường thay đổi trong khoảng 1:1 đến 1:3, với tối đa 1:4.

Nồng độ oxy trong khí thở vào FiO2:
- Thường đặt 100% khi bắt đầu cho thở máy, sau đó giảm dần tùy theo tình
trạng BN, cố gắng giảm xuống dưới 60% để tránh nhiễm độc khí O2.
- Duy trì FiO2 để giữ được PaO2 > 60 mmHg, SpO2 > 90% (SpO2: độ bão hòa
oxy trong máu; PaO2: phân áp oxy máu động mạch).
Tốc độ dòng và dạng dòng thở vào:
- Tốc độ dòng thở vào quyết định thời gian thở vào, cần đặt để có được tỷ lệ I/E
mong muốn, thường 40 – 60 lít/phút.
- Cần tăng tốc độ dịng thở vào trong trường hợp BN có tắc nghẽn đường thở.
- Dạng dịng: hằng định (sóng vng), tăng dần, giảm dần – LS: hay dùng dạng
giảm dần (phân bố khí trong phổi đều hơn)
Áp lực dương cuối kì thở ra PEEP:
- Làm mở các phế nang, cải thiện tình trạng trao đổi khí (ARDS), phịng chống
xẹp phổi, chống hiện tượng xẹp lòng phế quản.

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 11-


4. Tình hình nhu cầu và nghiên cứu, sản xuất trong và ngồi nước:
4.1. Tình hình và nhu cầu hiện nay:
Đứng trước hoàn cảnh dịch bệnh SARS-COV2 hiện nay đang lây lan nhanh chóng,
nhiều doanh nghiệp, tổ chức, cũng như các trường Đại học đang tham gia đẩy mạnh
nghiên cứu, sản xuất các thiết bị y tế như : khẩu trang, dụng cụ bảo hộ, .. và máy trợ
thở là một thiết bị đang được rất nhiều nước châu Âu nói riêng và thế giới nói chung
nhập khẩu hiện nay mặc dù các nước đó đã và đang sản xuất với số lượng máy lớn. Có
thể nói cuộc chạy đua tìm máy trợ thở đang rất ráo riết bởi vì khi những bệnh nhân
Covid-19 bị suy hơ hấp nặng thì máy trợ thở được sử dụng trong nhiều tuần, là chìa
khóa để cứu sống những bệnh nhân này.

Tình hình thiếu máy thở ở các nước:
- Tại Mỹ - quốc gia hiện có số người bệnh COVID-19 cao nhất thế giới. Hiệp hội
Hồi sức cấp cứu Hoa Kỳ (SCCM) ước tính có khoảng 960.000 người bệnh trong nước
có thể phải dùng máy thở trong đại dịch. Cịn theo phân tích của Công ty Needham
(Mỹ), số máy thở nước Mỹ cần dùng trong dịch bệnh COVID-19 có thể lên tới
750.000. Tuy nhiên, Mỹ chỉ có khoảng 200.000 máy thở, cũng theo ước tính của
SCCM. Nhưng trang Marketwatch đưa ra con số ước tính chỉ là một nửa: 100.000
chiếc. Khoảng một nửa trong số ước tính của SCCM là những loại máy đời cũ, có thể
khơng đáp ứng tốt nhất cho nhu cầu điều trị người bệnh nặng.
- Tại Anh, số máy thở cịn ít hơn nữa. Đài Al Jazeera dẫn thơng cáo của Bộ Y tế
quốc gia cho biết Anh chỉ có 8.175 máy thở. Trong khi đó, Chính phủ Anh tin sẽ cần
tới 30.000 thiết bị này ở giai đoạn đỉnh dịch. Theo Reuters, khoảng 8.000 máy thở
khác đặt mua từ các nhà sản xuất quốc tế dự kiến chuyển tới Anh trong vài tuần tới.
- Tình trạng thiếu máy thở cịn đặc biệt nghiêm trọng hơn tại những nước có hệ
thống y tế hạn hẹp. Tại Mali, quốc gia Tây Phi này với 19 triệu dân nhưng chỉ có 56
máy thở.
Để góp phần đáp ứng nhu cầu khẩn cấp, nhiều ngành khác, đặc biệt là ngành công
nghiệp xe hơi, cũng đã tham gia sản xuất máy trợ thở. Tại Hoa Kỳ các nhà sản xuất xe
hơi tham gia tích cực nhất, với 3 hãng Tesla, Ford, et General Motors đang liên kết
với các nhà sản xuất thiết bị y tế để cố gắng sản xuất máy trợ thở ở quy mơ lớn.
4.2. Các dự án ở nước ngồi:
Đại dịch Covid-19 đang khiến ngành y tế của nhiều nước trong tình cảnh quá tải,
đặc biệt là thiếu hụt máy thở cho các bệnh nhân. Không chỉ các hãng sản xuất máy thở
chuyên dụng đang tăng cường sản xuất nhằm đáp ứng nhu cầu hiện nay, nhiều công ty
khác, các hãng xe hơi, trường đại học nổi tiếng cũng đã bắt tay nghiên cứu và sản xuất
các máy thở mới góp phần hỗ trợ tối đa nguồn lực phòng chống dịch bệnh hiện nay.

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 12-

Hình 4: Máy thở của nhóm nghiên cứu MIT
Một nhóm các kỹ sư, bác sĩ và nhà khoa học máy tính tại Viện Cơng nghệ
Massachusetts (MIT) của Mỹ đang thiết kế một chiếc máy thở giá rẻ, được chế tạo với
giá dưới 100 USD, có thể được lắp ráp nhanh chóng trên tồn cầu nhằm giải quyết tình
trạng thiếu hụt trong đại dịch COVID-19.
Đây là một ý tưởng được thiết kế từ 10 năm trước của một cựu sinh viên, bao gồm
một bóng Ambu, là một quả bóng thở bóp tay thường được các bác sĩ sử dụng trong
trường hợp cấp cứu bệnh nhân ở hiện trường tai nạn, nơi máy thở khơng có sẵn, một
ống nội khí quản được đưa qua cổ họng bệnh nhân như máy thở cơ học hiện đại. Tuy
nhiên, việc bóp bóng đã được giải phóng khỏi sức người bởi phần cứng cơ học, một
động cơ được điều khiển để truyền động cho các tay kẹp cho phép bắt chước được kỹ
thuật bóp bóng của các bác sĩ cấp cứu. Các thông số cần quan tâm như thể tích khơng
khí cung cấp, số nhịp thở, tỉ lệ IE,.. dễ dàng được điều chỉnh. Hệ thống cảnh báo cũng
được thêm vào để tránh các trường hợp xấu, giúp hỗ trợ theo dõi bệnh nhân tốt hơn.
Bên cạnh đó, máy thở này cịn cho phép bắt nhịp với hơi thở của bệnh nhân, hỗ trợ
việc thở của người bệnh một cách tốt nhất.
Máy thở của MIT được đánh giá là lựa chọn hợp lí cho việc sản xuất máy thở cơng
suất thấp, cung cấp các tính năng máy thở thiết yếu với chi phí thấp so với cơng nghệ
hiện có. Đặc biệt, nhóm MIT cho biết họ đã chia sẻ miễn phí tồn bộ các tài liệu, bản
thiết kế mà mình sử dụng để tạo ra chiếc máy thở giá rẻ trên trang web của nhóm.
Các đặc tính kỹ thuật:
Chế độ kiểm sốt

Volume Control

Chế độ thở

Assist Control

Tidal Volume

200 - 800 ml

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 13-


Số nhịp thở trên phút (BPM)

8 - 40

Tỉ lệ thời gian thở vào/ thở ra (I/E)

1.1 - 1.4 có thể điều chỉnh được

Giá thành

Khoảng 100$

Bộ phận tạo áp lực

Sử dụng một động cơ thông qua bộ
truyền bánh răng để điều khiển hai tay
kẹp bóp bóng ambu.
Sử dụng bộ biến đổi điện áp 220VAV
– 12V DC, có thể sử dụng pin xe hơi
có điện áp 12V-5A khi mất điện.

Nguồn điện

Ưu điểm:
-

Giá thành thấp so với các máy thở trên thị trường.
Có thể đồng bộ nhịp thở với hơi thở của bệnh nhân.
Sử dụng các thiết bị dễ tìm kiếm.
Cài đặt và sử dụng đơn giản.
Kích thước nhỏ, gọn.

Nhược điểm:
- Khơng sử dụng cho mục đích kéo dài (thường là 1 ngày).
Nhóm thiết kế trường đại học Rice bao gồm các sinh viên, giảng viên phồi hợp với
công ty công nghệ Metric Technologies đã chế tạo ra một loại máy thở rẻ tiền có tên là
ApolloBVM.

Hình 5: Máy thở ApolloBVM của trường đại học Rice.

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 14-


Hình 6: Cơ cấu thanh răng bánh răng.
Các đặc tính kỹ thuật:
Chế độ kiểm soát
Chế độ thở

Volume Control
Pressure Control
Control Mode

Tidal Volume

300-650 ml (+50ml)

Số nhịp thở trên phút (BPM)

5 – 30 (+1)

Tỉ lệ thời gian thở vào/ thở ra (I/E)

1:2, 1:3, 1:4, 1:5

Giá thành

~250$

Bộ phận tạo áp lực

Sử dụng hai cặp thanh răng bánh răng
chuyển đổi chuyển động quay của
động cơ thành chuyển động tình tiến
để nén túi khí từ hai phía đối điện.
120V AC – 15W

Nguồn điện
Ưu điểm:

-

Giá thành khá thấp so với các máy thở trên thị trường.
Sử dụng các bộ phận thơng dụng, dễ tìm kiếm.
Cài đặt và sử dụng đơn giản.
Việc sử dụng hai động cơ riêng biệt có thể phịng khi một động cơ bị hư hỏng,
máy sẽ nén một điểm thay vì hai điểm như bình thường.

Nhược điểm:
- Chỉ hỗ trợ một chế độ thở theo nhịp thở cài đặt sẵn của máy.
Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 15-


- Sử dụng hai động cơ và hai cặp truyền động làm tăng giá thành.
- Kết cấu hai cặp thanh răng bánh răng làm tăng kích thước thiết kế.
- Khơng sử dụng cho mục đích kéo dài (thường là 1 ngày).
4.3. Các dự án ở trong nước:

Hình 7: Máy thở của ĐH Duy Tân
Sản phẩm máy thở DTU-Vent là dòng máy thở khơng xâm nhập, cung cấp dịng khí
oxy đến phổi ở một tần suất cố định thông qua mặt nạ mũi hoặc mặt nạ mũi - miệng,
đáp ứng nhanh một lượng khí lớn nhằm kích thích hoạt động thở của người bệnh, như
các bệnh nhân COVID-19 đang trong tình trạng suy hô hấp nguy kịch.
Máy thở sử dụng bơm piston với độ ổn định và chính xác cao của dịng khí, thiết kế
theo các u cầu thơng số đáp ứng những khuyến cáo của AMMI - COVID-19, tự chủ
về cơng nghệ với tỉ lệ nội địa hóa cao. Đồng thời, đội nghiên cứu cũng đặt nặng yêu
cầu thiết kế một máy thở nhỏ gọn để có thể ứng biến nhanh trong các tình huống dịch
bệnh lây lan với pin dự phòng đảm bảo hoạt động liên tục trong 3 giờ đồng hồ khi bị

cúp/ngắt điện.
Các đặc tính kỹ thuật:
Chế độ kiểm soát
Chế độ thở

Volume Control
Pressure Control
Assist Control

Tidal Volume

max: 750 ml

Số nhịp thở trên phút (BPM)
Tỉ lệ thời gian thở vào/ thở ra (I/E)
Giá thành

~20 triệu VNĐ

Bộ phận tạo áp lực

Bơm piston.

Nguồn điện

220V AC – có nguồn pin dự phịng khi
cúp điện.

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 16-


Ưu điểm:
-

Điểu chỉnh thể tích bơm khí với độ chính xác cao nhờ sử dụng bơm piston.
Giảm tiếng ồn khi bơm khí.
Có thể hỗ trợ theo nhịp thở của bệnh nhân.
Có thể tạo độ ẩm và ổn định nhiệt độ khí khi đi vào cơ thể.
Có thể hoạt động ở chế độ máy thở xâm nhập.

Nhược điểm:
- Có giá thành rẻ hơn các máy thở trên thị trường nhưng vẫn khá cao để sinh viên
đại học có thể tiếp cận nghiên cứu.
- Sử dụng thiết bị bơm piston khó tìm kiếm trong tình hình dịch bệnh thiếu vật tư y
tế như hiện nay.
Máy thở phiên bản DTU-Vent Ver 1.0 của Đại học Duy Tân được đánh giá có
những điểm mạnh như: điều chỉnh thể tích bơm với độ chính xác cao hơn và liên tục hơn
so với sản phẩm máy thở sử dụng turbine gió khó điều khiển, thiết kế piston cho phép tiết
kiệm năng lượng so với các thiết kế máy thở khác trên thị trường, giảm tần suất tiếng ồn
khi bơm khí, giảm giá thành sản xuất do dùng vừa đủ số lượng cảm biến, …Mặc dù vậy,
phiên bản máy thở này khó có thể đưa vào sản xuất hàng loạt. Hạn chế ở đây là việc sử
dụng bơm piston mặc dù đem lại hiệu quả cao nhưng khó để mua với số lượng lớn. Đặc
biệt là trong tình hình dịch bệnh như hiện nay, thiếu thốn các trang thiết bị y tế là không
thể tránh khỏi. Bên cạnh đó, giá thành cao của nó gây khó khăn cho việc thương mại hóa,
cũng như khó tiếp cận để nghiên cứu trong phạm vi các trường đại học.
Với tình hình dịch COVI-19 diễn biến phức tạp trong nước, các trường đại học đã
nhanh chóng bắt tay vào nghiên cứu tìm hiểu sản xuất các loại máy thở với chất lượng
đảm bảo, giá rẻ, dễ dàng đáp ứng số lượng lớn trong tình huống khẩn cấp. Giải pháp

được rất nhiều các trường đại học lựa chọn là phát triển máy thở dựa trên nguồn mở có
sẵn của dự án máy thở của nhóm nghiên cứu MIT.

Hình 8: Máy trợ thở của trường ĐH Bách KHoa TP.HCM
Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 17-


Hình 9: Máy trợ thở của trường ĐH Lạc Hồng

Hình 10: Máy trở thở của ĐH Điện Lực.
.

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 18-


5. Đặt ra yêu cầu đề tài:
Với ưu điểm là có khả năng sản xuất số lượng lớn trong thời gian ngắn, giá rẻ, đặc
biệt là dễ tiếp cận với nguồn mở. Nhóm quyết định phát triển máy thở dựa trên phiên
bản của nhóm nghiên cứu MIT. Tuy nhiên, phiên bản máy thở này được cho là một
giải pháp trong tình thế cấp bách, thương vong hàng loạt và nguồn lực hạn chế.
Trong phạm vi môn học Thiết kế hệ thống cơ điện tử, nhóm chỉ thực hiện đề tài dựa
theo các thông số tham khảo về mặt y tế, không thực hiện khâu thực nghiệm và hiệu
chỉnh. Các yêu cầu mà nhóm đề ra:
Thiết bị cho phép người dùng giám sát và cài đặt các thông số của máy như:
- Giám sát thể tích khí lưu thơng do máy thở đưa vào phổi bệnh nhân trong 1 lần
thở (Vt – Tidal Volume): 200 - 800ml +15% (ĐCNN: 10 ml)

- Số nhịp thở trên mỗi phút (BPM): cho phép cài đặt 10 – 40 bpm (ĐCNN: 1
bpm)
- Tỉ lệ giữa thời gian thở vào trên thời gian thở ra (I:E): cho phép cài đặt từ 1:11:4 + 10% (ĐCNN: 0,1)
- Áp suất dương cuối kỳ thở ra (PEEP): cho phép cài đặt trên van 5 - 20 cm H20
(ĐCNN: 1 cm H20)
- Áp suất thở vào đỉnh (PIP): cho phép cài đặt từ 0-100 cm H20 (ĐCNN: 5 cm
H20)
- Mode thở: pressure control, assist control
- Bất cứ trục trặc nào của thiết bị cũng phải phát tín hiệu cảnh báo:
+ Áp suất đo được vượt quá áp suất đỉnh.
+ Phát hiện bất kì sự ngắt kết nối hoặc rị rỉ nào.
+ Áp suất khí đẩy vào khơng được phát hiện (trường hợp bóng ambu bị tháo
ra).
- Sử dụng màng lọc khí thở ra của bệnh nhân, tránh nguy cơ lây nhiễm đối với
người bệnh.
Các thông số trên dựa trên các thơng số được cho của nhóm nghiên cứu MIT và phù
hợp với các yêu cầu về máy thở cho bệnh nhân hiện nay.

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 19-


CHƯƠNG III: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1. Lựa chọn phương án cơ khí:
1.1. Phương án 1:
Sử dụng cơ cấu hai tay đẩy tịnh tiến bóp bóng ambu từ hai phía đối diện.

Hình 11: Sơ đồ nguyên lí phương án 1: cơ cấu hai tay đẩy tịnh tiến.
Ưu điểm:

- Sử dụng hai động cơ hoạt động độc lập, trong khi một động cơ bị trục trặc thì
động cơ kia vẫn có thể tiếp tục q trình.
Nhược điểm:
- Chiếm diện tích khá lớn do sử dụng hai tay đẩy hai bên.
- Việc sử dụng hai động cơ làm tăng chi phí.

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 20-


1.2. Phương án 2:
Sử dụng motor điều khiển một cánh tay bóp bóng ambu. Bóng ambu được đặt trên
một mặt phẳng, cánh tay được điều khiển quay góc phù hợp để có tác động nén lên
bóng ambu, cung cấp lượng khí tương ứng.

Hình 12: Sơ đồ nguyên lí phương án 2: cớ cấu một tay kẹp.
Ưu điểm:
- Kết cấu nhỏ gọn.
Nhược điểm:
- Tác động một phía có thể bóp bóng không đều, dễ gây mỏi vật liệu dẫn đến
nhanh hỏng bóng ambu

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 21-


1.3. Phương án 3:
Cơ cấu sử dụng hai tạy kẹp bóp bóng ambu tương tự động tác bóp bóng bằng hai

tay.

Hình 13: Sơ đồ nguyên lí phương án 3: cơ cấu hai tay kẹp
Ưu điểm:
- Kết cấu nhỏ gọn.
- Sử dụng một động cơ điều khiển hai tay kẹp bóp đồng thời bóp bóng, tăng tuổi
thọ của bóng.
Nhược điểm:
1.4. Kết luận: Dựa vào các ưu nhược điểm đã phân tích nhóm đề xuất lựa chọn
phương án 1, Sử dụng motor thông qua bộ truyền bánh răng điều khiển hai tay
kẹp bóp bóng ambu tương tự như động tác bóp bóng thực tế.

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 22-


2. Lựa chọn phương án cấu trúc điều khiển:
Máy trợ thở gồm các phần cơ bản chính bao gồm mạch cảm biến, mạch điều
khiển, mạch lái động cơ, nút điều chỉnh, cảnh báo, màn hình hiển thị LCD. Với
việc chỉ cần nhận và xử lí dữ liệu từ một cảm biến, nhận và xử lí dữ liệu từ một
encoder sau đó truyền giá trị điều khiển cho động cơ, hiển thị giá trị giám sát
encoder và thực hiện các cảnh báo. Sử dụng cấu trúc điều khiển phân cấp là khơng
cần thiết. Mặt khác, để tiết kiệm chi phí, sử dụng cấu trúc điều khiển tập trung là
phù hợp cho đề bài đã đặt ra.

Hình 14: Cấu trúc điều khiển máy trợ thở
Trong điều khiển tập trung, một MCU duy nhất đồng thời: nhận và sử lí tín
hiệu từ cảm biến áp suất; nhận và xử lí tín hiệu từ một encoder; thực hiện chương
trình chính, tính giá trị điều khiển và truyền cho động cơ; hiển thị các giá trị giám

sát cho LCD, phát cảnh báo.
3. Lựa chọn phương án bộ điều khiển:
Dựa vào các chế độ kiểm soát của máy thở đó là kiểm sốt theo thể tích (Volume
control) và theo áp suất (Pressure control), việc kiểm soát theo áp suất sẽ tiện lợi hơn.
Như đã nêu ở trên thì việc kiểm sốt áp suất nếu có sự rị rỉ trong hệ thống thì máy sẽ
bù lượng rị rỉ đó đúng với áp suất cài đặt mong muốn.

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 23-


Hình 15 Cơ chế để tạo ra áp suất trong giai đoạn hít vào
Với phương án điều khiển theo áp suất thì đầu tiên máy thở sẽ vẽ ra một đường áp
suất mong muốn như theo việc mình cài đặt ban đầu. Khi bắt đầu hít vào, hệ thống sẽ
điều chỉnh lượng khí hít vào để đạt đến áp suất mong muốn ban đầu đã cài. Máy thở sẽ
sẽ tăng lượng hít vào nếu như áp suất quan sát được dưới mức mong muốn, ngược lại
thì sẽ giảm lượng hít vào nếu như áp suất quan sát được cao hơn mức mong muốn.

Hình 16 Hệ thống điều khiển theo áp suất (minh họa)
3.1. Phương pháp hiệu chỉnh nối tiếp:

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 24-


Hình 17 Phương pháp hiệu chỉnh nối tiếp
Phương pháp này ta thêm khâu bù G_C (s) để đáp ứng các thơng số của hệ thống.
Có thể sử dụng các khâu bù thông dụng như P, PI, PD, PID,… Sử dụng các lý thuyết

về phương pháp QĐNS, biểu đồ Bode,..
Ưu, nhược điểm: Đơn giản, sử dụng hiệu quả cho hệ thống tuyến tính, hệ SISO
(Simple Input Simple Output).
3.2. Phương pháp điều khiển hồi tiếp trạng thái:

Hình 18 Phương pháp điều khiển hồi tiếp trạng thái
Theo phương pháp này tất cả các trạng thái của hệ thống được phản hồi về ngõ vào.
Tùy theo vecto hồi tiếp K mà ta có phương pháp điều khiển phân bố cực, điều khiển
tối ưu LQR,..
Ưu, nhược điểm: Sử dụng được cho hệ thống phi tuyến theo thời gian, cho cả hệ
MIMO (Multi Input Multi Output)
❖ Kết luận: Lựa chọn phương pháp hiệu chỉnh nối tiếp vì mơ hình đã cho là mơ hình
SISO nên ta có thể dùng bộ PID để điều khiển.
Thiết kế hệ thống cơ điện tử

- 25-