máy xét nghiệm nước tiểu

Nước tiểu là một sản phẩm của cơ thể bài tiết những chất độc hại với cơ thể được lọc ra từ máu, trong khi đó máu lại đi khắp nơi để nuôi cơ thể.. Các Thông Số Xét Nghiệm Nước Tiểu Và Ý N

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG



BÀI BÁO CÁO

MÁY XÉT NGHIỆM NƯỚC TIỂU

GVHD: ThS Lê Cao Đăng SVTH:

1 Nguyễn Vũ Hoàng Trạch

2 Nguyễn Trần Duy Tín

3 Nguyễn Đăng Khoa

4 Trần Hữu Trí

5 Nguyễn Công Tuấn

MỤC LỤC Trang

I Tổng quang về xét nghiệm nước tiểu

I.1 Giới thiệu về xét nghiệm nước tiểu 3

I.2 Các thông số xét nghiệm nước tiểu và ý nghĩa trong chẩn đoán 3

II Máy xét nghiệm nước tiểu II.1.Sơ đồ khối 4

II.1.1 Khối nguồn 5

II.1.2 Khối hệ thống điều khiển và vi xử lý II.1.2.1 Thông số PIC18F4550 6

II.1.2.2 Sơ đồ chân MCU PIC18F4550 7

II.1.3 Khối hệ thống quang học II.1.3.1 Hệ thống đo phản xạ 8

II.1.3.2 Linh kiện thu quang 8

II.1.4 Khối hệ thống hiển thị và động cơ II.1.4.1 Khối cảm biến 12

II.1.4.2 Động cơ bước 13

II.1.4.3 Khối điều khiển động cơ 13

III Tài liệu tham khảo 14

I TỔNG QUAN VỀ XÉT NGHIỆM NƯỚC TIỂU

I.1 Giới Thiệu Về Xét Nghiệm Nước Tiểu

Xét nghiệm nước tiểu đã trở thành một trong những xét nghiệm không thể thiếu trong nhiều chẩn đoán lâm sàn đặc biệt là các bệnh về hệ bài tiết gan thận Nước tiểu là một sản phẩm của cơ thể bài tiết những chất độc hại với cơ thể được lọc ra từ máu, trong khi đó máu lại đi khắp nơi để nuôi cơ thể Chính vì vậy nước tiểu, bản chất mang trong nó nhiều thông tin về tình trạng sức khỏe Nên xét nghiệm nước tiểu giúp ích rất nhiều trong việc chẩn đoán lâm sàn, theo dõi và điều trị của bác sĩ

I.2 Các Thông Số Xét Nghiệm Nước Tiểu Và Ý Nghĩa Trong Chẩn Đoán

Nước tiểu là dịch bài xuất quan trọng nhất, nó chứa phần lớn các chất cặn bã của cơ thể Những thay đổi về các chỉ số hóa lý và nhất là thay đổi thành phần hóa học sẽ phản ánh những rối loạn chuyển hóa của cơ thể Máy phân tích nước tiểu sử dụng que thử 10 hoặc 11 thông số có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng, có độ nhạy cao và độ đặc hiệu cao, được sử dụng

để xác định định tính tỷ trọng nước tiểu, protein, đường niệu, nitrite, bạch cầu, máu, cetonic bilirubine…Việc xác định các thong số này dựa trên nguyên tắc quang phổ kế khúc xạ, máy

có khả năng lưu trữ 500 kết quả, màn hình hiển thị tinh thể lỏng, sử dụng công nghệ sensor cảm biến màu

Dưới đây là một số thông số quang trọng :

a Màu sắc của nước tiểu

Màu sắc của nước tiểu có màu từ vàng nhạt đến màu hổ phách tỳ thuộc vào lượng nước tiểu bài xuất và độ đâm nước tiểu Trong một số trường hợp bệnh lý, nước tiểu có thể có các chất làm cho màu sắc thay đổi: bệnh lý gan, chảy máu đường tiết niệu…

b Tỷ trọng nước tiểu

Tỷ trọng nước tiểu thay đổi trong ngày Nước tiểu 24 giờ ở người bình thường, người lớn, chế độ ăn hỗn hợp, đo ở điều kiện nhiệt độ 150C, tỷ trọng từ 1,005-1,030, trung bình là

1,080 ±0,22 Trong một số trường hợp bệnh lý như đái đường tuỵ, tỷ trọng nước tiểu có thể tăng 1,030-1,040, nhưng trong đái tháo nhạt thì tỷ trọng lại giảm

c pH nước tiểu

Giấy trên thanh thử chứa các chất chỉ thị: đỏ methyl, phenolphtalein và xanh bromthymol Giá trị pH thường thấy ở những người khoẻ mạnh nằm ở khoảng 5-6, trung bình 5,8 Độ acide của nước tiểu là do sự có mặt acide tự do (acid acetic, acid uric, phosphate acide và một lượng quan trọng những hợp chất acid dưới dạng muối amoni Quá trình này gắn liền với vai trò của thận trong sự duy trì năng lượng acide base

d Glucose

Xét nghiệm đường niệu để tằm soát tiểu đường, hình thành chuẩn đoán tiểu đường và theo dõi mức độ kiểm soát đường huyết Nồng độ đường máu cao mà không bị bệnh tiểu đường

xảy ra ở một số bệnh lý ảnh hưởng đến khả năng tái hấp thu của ống thận như rối loạn chức năng tuyến giáp, tổn thương hệ thần kinh trung ương

e Bilirubin (Bil):

Dựa trên nguyên tắc của kết hợp bilirubin với muối diazonium sẽ cho màu đỏ Ngay cả nước tiểu cho phản ứng màu hồng nhạt nhất cũng là phản ứng dương tính, nghĩa là có tình trạng bệnh lý Các thành phần khác của nước tiểu chỉ cho màu vàng với thuốc thử này

f Nitrite

Giá trị bình thường: không có vi khuẩn

Xét nghiệm này là một phương pháp nhanh gián tiếp để phát hiện ra vi trùng trong đường niệu Nhiễm trùng tiểu có thể xảy ra ở bệnh nhân không có triệu chứng Những vi khuẩn gram âm chứa enzim chuyển nitrat trong nước tiểu thành nitric

g Keton niệu

Sự hiện diện quá nhiều keton trong nước tiểu kết hợp với tiểu đường hoặc biến đổi quá trình chuyển hóa cacbonhydrat một vài chế độ thức ăn làm lượng cacbonhydrat thấp và giàu lượng

mỡ và protein có thể tạo ra keton trong nước tiểu Xét nghiệm keton niệu ở bệnh nhân tiểu đường có thể cung cấp chẩn đoán sớm của hôn mê nhiễm keton acid do tiểu đường

II MÁY XÉT NGHIỆM NƯỚC TIỂU

II.1 Sơ Đồ Khối Của Máy Nước Tiểu

KHỐI NGUỒN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ VI XỬ

LÝ

HỆ THỐNG QUANG HỌC

KHỐI HIỂN THỊ

VÀ ĐỘNG CƠ

II.1.1 Khối Nguồn

Trong phần này nhóm chia làm 3 phần để cấp cho 3 khối khác một cách độc lập

II.1.1.1 Khối nguồn 5V cung cấp cho hệ thống điều khiển và cảm biến màu

Mạch này dùng IC 7805 và các tụ 2200uF có tác dụng làm phẳng điện áp đầu vào và đẩu ra khỏi IC Mạch nguồn này đáp ứng được nguồn ra từ 4.85V-5.1V

II.1.1.2 Khối Nguồn Cung Cấp Cho Led

Ánh sáng của Led phát ra phải ổn định vì nó đóng vai trò rất quan trọng trong việc ủ và phản chiếu anh sáng lên IC TCS3200, ảnh hưởng đến kết quả xuất ra của máy

Độ chính xác của tín hiệu phụ thuộc vào cường độ phát sáng của Led phát ra trong quá trình làm việc của máy Với nguồn AC cấp vào sau khi qua IC 7812 thì điện áp ra là 12V DC Khi tín hiệu vào làm role hoạt động, lúc này 12V sẽ vào IC LM 317T (có tác dụng làm ổn định dòng), Áp ra sau IC LM 317T là 9.9V

(tính theo công thức: V0=1.25x(1+R2/R1) +IADJxR2)

Thông thường giá trị của IADJ dưới 100uA Suy ra V0 xấp xỉ bằng 1.25x(1+R2/R1)

Ta thay đổi cường độ sáng của các Led bằng cách thay đổi giá trị của biến trở trên mạch

II.1.1.3 Khối nguồn cung cấp cho động cơ LM 2576-ADJ

Dùng LM 2576-ADJ là một IC thuộc họ IC 2576 Nó có thể tạo điện áp ngõ ra từ 1.23V đến 37V Điện áp cung cấp cho động cơ khoảng 8V-10V (hoạt động ổn định) Có thể thay đổi điện áp ngõ ra bằng cách thay đổi biến trở trong mạch

Trong mạch có sử dụng thêm cuộn dây có tác dụng như là tích trữ năng lượng khi có dòng điện đi qua nó (để tránh dòng điện tắt mở liên tục)

II.1.2 KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ VI XỬ LÝ

Trong thiết bị này với các yêu cầu về tốc độ xử lí, phần cứng hỗ trợ nhƣ IO,ADC,…Dòng PIC18F4550 có cấu hình đủ mạnh để thực hiện các yêu cầu trên và đƣợc chọn làm MCU chính trong thiết bị

II.1.2.1 Thông Số PIC18F4550

 CPU sử dụng tập lệnh RICS có tốc độ xử lí cao tiêu hao ít điện năng

 Tập lệnh có 75 lệnh

 Tầm hoạt động điện áp từ 2V - 5,5V

 Chế độ sleep tiết kiệm điện năng

 Tần số dao động tối đa cho phép lên đến 40MHz với bộ nhân tần số PLL, cho phép chọn lựa chế độ dao động (ngoại hoặc nội) Hỗ trợ dao động nội nhiều bậc từ 31 KHz đến 8MHz

 Dòng vào / ra lớn 25mA/25mA

 Trang bị 5 Port bao gồm Port A, B, C, D, E với 33 chân IO

 Trang bị 4 bộ định thời: 1 bộ 8 bit và 3 bộ 16 bit

 Trang bị 2 module Capture/compare/ PWM

 Bộ chuyển đổi ADC 10 bit với 13 input

 Hỗ trợ chuẩn giao tiếp I2C và SPI ở 2 chế độ Master và Slave

 Hỗ trợ giao tiếp chuẩn RS-485, RS-232 và LIN/J2602

 Bộ nhớ Program Memory Plash lớn 32Kbytes có khả năng ghi xóa 100.000 lần

 Bộ nhớ Data Memory (SRam) lên đến 2048bytes

 Các kiểu đóng gói: PDIP 40 chân, TQFN VA QFN 44 chân

II.1.2.2 Sơ Đồ Chân MCU PIC18F4550:

PORT A

 Đây là port I/O từ RA0 đến RA7 , trong đó RA0 đến RẠ hỗ trợ 5 ngõ vào ADC từ AN0 đến AN4

 RA2 và RA3 còn là đầu vào điện áp so sánh chuẩn VREF cho bộ ADC

 RA4 có chức năng ngõ vào clock ngoại cho Timer0

 RA6 và RA7 là ngõ I/O của bộ dao động ngoài

PORT B

 Là port I/O từ RB0 đến RB7 hỗ trợ điện trở kéo lên bằng phần mềm

 Hỗ trợ ngõ vào ADC AN8 đến AN12

 RB6 và RB7 đồng thời là PGC và PGD là ngõ vào data và xung clock lập trình , riêng RB5 giữ chức năng PGM nạp PIC với chế độ điện áp thấp

 RB0 đến RB2 hỗ trợ 3 ngắt ngoài INT0 đến INT2

 RB4 đến BR7 hỗ trợ 4 ngắt thay đổi trạng thái chân RB

 RB3 còn là CCP2 chính CCP2 phụ đƣợc thiết kế trên chân RC1

 RB0, RB1 đồng thời cũng là các ngõ SCK, SCL, SDI, SDA hỗi trợ giao tiếp I2C

PORT C

 Đây là PORT I/O từ RC0 đến RC7 (không có chân RC3)

 Chân RC1 và RC2 hỗ trợ chức năng CCP1 và ngõ ra phụ CCP2

 RC5 đồng thời cũng là ngõ vào ra TX/RX cảu chuẩn giao tiếp USART

PORT D

 Đây là PORT I/O từ RD0 đến RD7

 Từ RD0 đến RD7 đồng thời là ngõ data chức năng parallet PSP0 đến PSP7

PORT E

 Có 3 chân I/O từ RE0 đến RE2

 Chân RE0 đến RE2 đồng thời là ngõ vào ADC từ AN5 đến AN7

Các chân 12, 31 chân VSS đƣợc nối với GND , chân 11,32 là 2 chân cấp nguồn cho MCU đƣợc nối với 5V

Các chân ngắt RB4, RB6 để làm nút Star và Stop

Các chân ngắt RB5, RB7 để làm cờ của 2 sensor quang

II.1.3 Khối Hệ Thống Quang Học

II.1.3.1 Hệ thống đo phản xạ

- Gồm nguồn sáng và linh kiện thu quang

- Khối hộp cách ly: Toàn bộ hệ thống phản xạ được đặt trong một khối hộp màu đen (200*85*55), chất liệu là nhựa cách điện PVE để tránh nhiễu từ môi trường

- Nguồn sáng trắng:

Dùng 3 Led trắng phát đồng thời có miền phổ như sau:

Phổ ánh sáng trắng dùng 3 Led trắng phát đồng thời

Ưu điểm: Dễ thiết kế mạch, cường độ phát của những Led này tương đồng nhau

Khuyết điểm: Phổ ánh sáng không trải dài mà tập trung nhiều trong khoảng bước sóng xanh lam, xanh lá Nhưng thực tế thu tín hiệu cho thấy khả quan, nên sử dụng Led trắng 3mm để làm nguồn phát sáng

II.1.3.2 Linh kiện thu quang:

IC cảm biến màu TCS3200

Sơ đồ chân

Chức năng TCS3200: chuyển cường độ ánh sáng thành tần số

Trên bề mặt thu của TCS3200 có 8x8 dãy Photodiode, 16 Photodiode có bộ lọc màu blue chỉ thu trong miền ánh sáng blue, 16 Photodiode có bộ lọc màu green chỉ thu trong miền

ánh sáng green, 16 bộ lọc red chỉ thu ánh sáng trong miền ánh sáng red và 16 Photodiode không lọc Kích thước của Photodiode là 120µm x 120µm

Tần số thu được: Không lọc + lọc Red+ lọc Blue+ lọc green

Sơ đồ khối TCS3200:

Chức năng các chân:

Các chân điều khiển:

Điều kiện hoạt động:

Đặc tính hoạt động: VDD=5V, TA= 250C

Quan hệ giữa độ nhạy và bước sóng:

- Cách bố trí các linh kiện phát và thu

Toàn bộ hệ thống quang học được bố trí trong một buồng tối là một khối hình hộp chữ nhật với kích thước (200*85*55), đảm bảo cách ly nhiễu với ánh sáng từ bên ngoài, đảm bảo cho việc bố trí que đỡ nước tiểu đo được 13 thông số và đặt các cảm biến vị trí

3 led trắng mắc nối tiếp và đặt lệch nhau một gó 1200 và ở giữa là TCS3200 Các Led được điều chỉnh góc chiếu theo cách tính hình học trong hình chóp đều đáy tam giác

Sơ đồ bố trí 3 Led trắng và TCS3200

Với AH là độ cao tính từ cảm biến TCS3200 đến mẫu, còn các cạnh BC, CD, BD là khoảng cách bố trí giữa các Led trên mạch điện Phương của các cạnh AB, AD, AC là phương chiếu của 3 led với cạnh đáy đã có Từ đó tính được góc đặt thích hợp để tập hợp ánh sáng của 3 led lại tạo nên cường độ ánh sáng phù hợp để chiếu vào mẫu Ngoài ra các led trắng 3mm được bọc ngoài bằng vật liệu cách điện màu đen để chống tán xạ

Với cách bố trí trên nguồn sáng đã hội tụ trên mẫu của que xét nghiệm và ánh sáng phản xạ được TCS3200 ghi nhận lại và chuyển về vị trí điều khiển xử lý

Sơ đồ Layout bố trí 3 led

Hình ảnh khối mắt đọc thực tế

Trên hình ta thấy IC đọc màu TCS3200 đã được bọc bằng một lớp vỏ đen với một lỗ duy nhất cho ánh sáng đi qua đúng bằng diện tích nhận ánh sáng trên TCS3200 có nhiệm vụ chắn bớt những tia tán xạ và chỉ nhận ánh sáng truyền thẳng phản xạ từ mẫu

II.1.4 Khối Hệ Thống Hiển Thị Và Động Cơ

Bộ cơ truyền động gồm có:

- Bộ phận đỡ que thử nước tiểu được di chuyển qua mắt đọc nhờ vào cơ cấu trượt trên thanh vít me, thanh vít me được truyền động nhờ vào bánh rang ăn khớp với bánh rang trên động cơ bước với tỉ số 3:1 Thanh đỡ que thử nước tiểu trong máy dung ứng với que thử 12 thông số của hang Human

- Hai khối cảm biến quang được sử dụng để xác định vị trí và giới hạn quảng đường di chuyển của bộ phận đỡ que thử nước tiểu

- Động cơ bước sử dụng thay cho động cơ DC thuần túy bởi những ưu điểm nổi trội trong việc điều khiển chính xác

II.1.4.1 Khối Cảm Biến

Khối có chức năng nhận biết vị trí của que thử để bắt đầu hoạt động

Cấu tạo của khối gồm 2 con sensor:

- 1 con có chức năng để cho biết vị trí bắt đầu chạy test-crip

- 1 con có chức năng stop khi cho máy dừng hoạt động

Khi đặt que thử vào bộ phận đỡ que thử nước tiểu, con test-crip sẽ hoạt động,đưa tín hiệu về khối xử lý,khối xử lý sẽ hoạt động và cấp điện thế vào motor

Khi motor quay đến giới hạn thì con sensor stop hoạt động, đưa tín hiệu về vi xử lý để động cơ dừng hoạt động

II.1.4.2 Động Cơ Bước

Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổu các xung điện thành những chuyển động rời rạc Trục của động cơ bước quay rời rạc khi các xung điện điều khiển được áp đến nó theo một trình tự hợp lí Tốc động quay của động cơ phụ thuộc vào tần số xung, chiều dài xung phụ thuộc vào số lượng xung áp vào Chiều quay của động cơ phụ thuộc vào trình tự xung áp vào

Động cơ mà máy đang sử dụng là động cơ có số hiệu NPM FT35T-48L4

II.1.4.3 Khối Điều Khiển Động Cơ

Bộ phận dung để điều khiển động cơ là IC L297.Nguyên lý hoạt động của L297 thực chất là bộ chuyển tín hiệu điều khiển logic đơn giản thành chuỗi tín hiệu điều khiển các phase động cơ phù hợp L297 có tích hợp mạch chopper PWM giúp ổn định dòng tải trong cuộn dây động cơ IC L297 có thể tạo ra 3 loại chuỗi xung điều khiển tùy theo tín hiệu ở chân HALF/FULL.Nhà sản xuất gọi 3 chế độ này là bình thường, sóng và chế độ nửa bước.Hai ngõ ra cấm thường được nối trực tiếp với chân enable của L298 để xả dòng ngược cuộn dây Khi dung L297 điều khiển động cơ lưỡng cực, hai tín hiệu này tác động lên phase điều khiển

Chân control để điều chỉnh giữa hai chế độ copper.khi chopper trên các phase, phase không tích cực được tích cực

Mạch dao động nội trong chip kích 2 mạch chopper Nó tạo xung để set 2 flip-flop FF1 và FF2.Khi dòng tải trong cuộn dây bằng dòng qui định, rơi áp trên 2 điện trở cảm ứng dòng bằng với VREH và do đó mạch so sánh reset flip-flop ngắt dòng tải để chờ xung dao động tiếp theo.Dòng tải đỉnh của 2 cuộn dây được đặt thông qua điện áp ở chân VREF

III TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Nguyễn Hồ Khởi, Đỗ Văn Nghĩa (2013) Thiết kế chế tạo mô hình máy xét nghiệm

nước tiểu Luận văn tốt nghiệp, Đại học Bách Khoa TP HCM

2 Bayer Corporation, The CLINITEK 100 Urine Chemistry Analyzer operation manual