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

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