Nghiên cứu thiết bị điều khiển bù ô xy trong quá trình kiểm tra và huấn luyện sức khỏe cho người hoạt động trong các môi trường khí quyển áp suất thấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---- NGUYỄN HUY HÙNG NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN BÙ Ô XY TRONG QUÁ TRÌNH KIỂM TRA VÀ HUẤN LUYỆN SỨC KHỎE CHO NGƯỜI HOẠT Đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI



NGUYỄN HUY HÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN BÙ Ô XY

TRONG QUÁ TRÌNH KIỂM TRA VÀ HUẤN LUYỆN SỨC KHỎE

CHO NGƯỜI HOẠT ĐỘNG TRONG MÔI TRƯỜNG

KHÍ QUYỂN ÁP SUẤT THẤP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT Y SINH

HÀ NỘI - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI



NGUYỄN HUY HÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN BÙ Ô XY

TRONG QUÁ TRÌNH KIỂM TRA VÀ HUẤN LUYỆN SỨC KHỎE

CHO NGƯỜI HOẠT ĐỘNG TRONG MÔI TRƯỜNG

KHÍ QUYỂN ÁP SUẤT THẤP

Chuyên ngành: KỸ THUẬT Y SINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT Y SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRỊNH QUANG ĐỨC

HÀ NỘI - 2019

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, bằng sự biết ơn và kính trọng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến nhà trường, Viện Điện tử Viễn thông, Viện Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Kỹ thuật Ysinh và các Giáo sư, P Giáo sư, Tiến sĩ đã nhiệt tình hướng dẫn, giảng dạy và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện đề tài luận văn này

Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy: Ts Trịnh Quang Đức, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè cùng đồng nghiệp đã tạo điều kiện, giúp đỡ em trong trao đổi chuyên môn để hoàn thành đề tài này

Tuy nhiên điều kiện về năng lực bản thân còn hạn chế, đề tài luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để đề tài của em được hoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, tháng 03 năm 2019 Tác giả

Nguyễn Huy Hùng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC BẢNG vii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.VAI TRÒ CỦA MÔI TRƯỜNG KHÍ NGHÈO OXY TRONG HUẤN LUYỆN KHÔNG QUÂN 1

1.1.Khái quát về tình trạng thiếu oxy ở trên cao 1

1.2.Ảnh hưởng của thiếu oxy trong hoạt động bay quân sự 6

2.PHƯƠNG PHÁP HUẤN LUYỆN 7

2.1 Nâng cao khả năng chịu đựng của cơ thể đối với thiếu oxy trên cao 7

2.2 Các phương pháp huấn luyện khả năng chịu đựng cho phi công quân sự 7

2.2.1 Huấn luyện tới thiếu oxy ở trên núi cao 7

2.2.2 Huấn luyện với thiếu oxy trong buồng giảm áp 7

2.2.3.Biện pháp sử dụng thuốc 8

2.2.4 Huấn luyện dùng thiết bị điều khiển nghèo oxy 8

3.CÔNG NGHỆ PHỤC VỤ HUẤN LUYỆN 9

3.1.Chế độ huấn luyện thở nghèo oxy (HRT) 9

3.2.Chế độ mô phỏng bay nghèo oxy (FSHT) 10

3.3.Chế độ mô phỏng bay hỏng hệ thống cấp oxy (OSFT) 10

4.MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 11

CHƯƠNG 2 TIẾP CẬN KIẾN THỨC 13

1 SỰ TƯƠNG QUAN CỦA ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN VÀ OXY 13

1.1 Giới thiệu về cấu trúc khí quyển 13

1.1.1 Tầng đối lưu (Troposphere) 13

1.1.2 Tầng bình lưu (Stratosphere) 15

1.1.3 Tầng trung gian (Mesosphere) 16

1.1.4 Tầng điện ly (Thermosphere) 16

1.1.5 Tầng khuyếch tán (Exosphere) 16

1.2 Sự tương quan của áp suất khí quyển và oxy ở tầng đối lưu 16

2.CÁC MÔ HÌNH HUẤN LUYỆN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 20

3 MÔ HÌNH TỔNG QUAN CỦA HỆ THỐNG ROBD2 23

4.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ROBD2 24

CHƯƠNG 3 CÁC KHỐI THÀNH PHẦN 29

1.KHỐI LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 29

2.KHỐI ĐO THÔNG SỐ KHÍ VÀ ĐIỀU KHIỂN VAN TIẾT LƯU 31

3.KHỐI ĐIỀU KHIỂN VAN ĐIỆN TỪ VÀ GIAO TIẾP I/O 32

4.CÁC CƠ CẤU CHẤP HÀNH 33

4.1 MFC (Mass Flow Controller) 33

4.2.Các van 34

CHƯƠNG 4 THAO TÁC VẬN HÀNH 36

1.LẮP ĐẶT HỆ THỐNG 36

1.1.Máy chính 36

1.1.1.Các thông số kỹ thuật 36

1.1.2.Giao diện người dùng 38

1.1.3.Trình tự lắp đặt: 41

2.HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG 43

3.LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG 50

4.BẢO TRÌ HỆ THỐNG 55

4.1 Quy trình bảo trì hệ thống 55

4.2 Hiệu chỉnh hệ thống 60

4.3 Kiểm tra điện áp mức và tín hiệu ra trên các bảng mạch 67

4.3.1 Bảng vi tính-PC401 67

4.3.2.Bảng đo oxy xung-PC403 và PC404 68

4.3.3.Giao diện bàn phím và hiển thị - PC406 68

4.3.4.Bảng analog - PC412 68

4.3.5.Bảng điều khiển I / O PC416 70

KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HRT Hypoxia Recognition Training

FSHT Flight Simulator Hypoxia Training

OSFT Oxygen System Failure Training

ROBD-2 Reduced Oxygen Breathing Device 2

HPO Hypobaric chamber

MFC MASS flow controller

NAG Nitrogen and Air Generator

PSIG Pounds Per Square Inch Gauge

BPR Back pressure regulator

LPM Liters Per Minute

VAC Volts, Alternating Current

VDC Volts, Direct Current

EMI / RFI Electromagnetic interference/radio-frequency interference SpO2 Độ bão hòa oxy

LCD Liquid Crystal Display

CYL Pressurized gas cylinders

NIST National Institute of Standards and Technology

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Nhiệt độ và khí áp trung bình ở các tầng cấu trúc của khí quyển 14

Hình 2.2 Hệ thống ROBD2 21

Hình 2.3 Hệ Hệ thống buồng giảm áp HPO 6+1 23

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống ROBD2 25

Hình 4.1.Cấu tạo mặt trước của máy chính ROBD2 38

Hình 4.2.Cấu tạo mặt sau của máy chính ROBD2 40

Hình 4.3 Hướng dẫn lắp tùy chọn nguồn điện 42

Hình 4.4.Hiệu chuẩn O2 theo nồng độ oxy trong không khí 47

Hình 4.5.Qúa trình hiệu chuẩn O2 kết thúc khi lượng oxy 100% 48

Hình 4.6.Quá trình hiệu chuẩn N2 49

Hình 4.7.Các thông tin sau sẽ được hiển thị sau mỗi độ cao được kiểm tra: 50

Hình 4.8.Chế độ vận hành bình thường 51

Hình 4.9.Màn hình hiển thị vào chế độ quản trị 51

Hình 4.10.Màn hình hiển thị vào chế độ lập trình 52

Hình 4.11.Chế độ kiểm tra dòng chảy 54

Hình 4.12.Bộ lọc quạt 56

Hình 4.13 Bộ lọc hạt 56

Hình 4.14.Hướng dẫn thay thế bộ lọc cuối 58

Hình 4.15.Thay thế cảm biến oxy 58

Hình 4.16 Mô tả một thiết bị hiệu chuẩn 61

Hình 4.17.Tháo ống nối khí vào MFC 62

Hình 4.18 Ống khuỷu tay 63

Hình 4.19.Kết nối khí chuẩn cho các MFC 63

Hình 4.20.Màn hình hiển thị hiệu chuẩn MFC 64

Hình 4.21.Màn hình hiển thị hiệu chuẩn MFC 65

Hình 4.22.Kiểm tra lưu lượng từng MFC 67

Hình 4.23.Dạng sóng của điểm TP4 68

Hình 4.24.Dạng sóng của TP3 70

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Sự thay đổi áp suất khí quyển, phân áp oxy trong không khí và trong phế

nang theo độ cao 4

Bảng 2.1: Các chất khí trong khí quyển (không tính đến hơi nước) 17

Bảng 2.2.Bảng khí quyển tiêu chuẩn 18

Bảng 4.1.Danh mục bảo trì và thời hạn bảo trì 55

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.VAI TRÒ CỦA MÔI TRƯỜNG KHÍ NGHÈO OXY TRONG HUẤN LUYỆN KHÔNG QUÂN

1.1.Khái quát về tình trạng thiếu oxy ở trên cao

Một trong những đặc điểm cấu tạo của khí quyển là áp lực khí quyển giảm dần theo độ cao do ảnh hưởng của mật độ phân tử khí dưới tác động của lực trọng trường trái đất Thông thường độ cao thấp nhất được tính với gốc là mặt nước biển, bởi do sự thông nhau của các đại dương và đặc tính phân bố theo sức căng bề mặt của chất lỏng nên mặt nước biển được coi là nơi có độ cao bằng nhau dưới tác dụng của lực trọng trường, do đó, là tiêu chuẩn để so sánh với các độ cao khác Tỷ lệ phần trăm của các khí trong khí quyển không bị thay đổi theo độ cao, nhưng do áp lực tuyệt đối của khí quyển giảm theo độ cao, cho nên áp lực riêng phần của các khí cũng giảm theo độ cao

Vì giảm áp lực riêng phần của oxy trong khí quyển giảm theo độ cao, cho nên gây tình trạng thiếu oxy của cơ thể khi bay hoặc hoạt động ở môi trườngtrên cao

O3 (Ozon) 0,000002% (chủ yếu ở tầng bình lưu 30-50 km)

- Quy luật giảm phân áp Oxy theo độ cao: khi lên cao, áp khí quyển giảm, đồng thời áp lực riêng phần của Oxy trong không khí thở vào và trong phế nang cũng giảm theo

Khi giảm phân áp oxy trong không khí thở vào sẽ kéo theo giảm phân áp oxy trong phế nang

Áp lực riêng phần của oxy trong phế nang được tính theo công thức:

1- Theo giáo sư V.S.NOVIKOV:

PO2PN=(PKQ - PH2O) x %O2 - PCO2 PN ( 1- %O2 ) x R (1.1) PKQ- là áp lực khí quyển

PCO2PN - áp lực CO2 ở phế nang = 40 mmHg

PH2O là áp lực hơi nước trong phế nang = 47 mmHg

R - hệ số thở

2- Theo giáo sư Lê Minh:

PO2PN = (PKQ-PH2O x a (Tỷ lệ % oxy phế nang)/100 (1.2)

a : tỷ lệ % oxy ở phế nang được tính là 14%

3- Theo giáo sư Nguyễn Lung:

PO2PN =PO2KQ – (PCO2PN + PH2O) (1.3) Oxy dùng trong y tế có tỷ lệ 2% Nitơ tương đương = 5mmHg

Oxy là một trong những yếu tố quan trọng cấu thành nên sự sống bởi phản ứng với oxy của các hoạt chất hữu cơ như đường để tạo ra năng lượng cho cơ thể hoạt động Bên cạnh các phản ứng tạo năng lượng cho cơ thể, phản ứng của oxy với các enzyme cũng làm cho cơ thể xuất hiện các trao đổi ion vốn là phương tiện giao tiếp của các tế bào Cũng tương tự như vậy, sự sao chép chuỗi DNA và phân chia tế bào cũng cần oxy Có thể nói, oxy là cơ sở của sự sống hiện diện trên trái đất và cũng là phương tiện để duy trì nó

Trong thực tế khi thở oxy tinh khiết, phân áp oxy trong phế nang có thể cao hơn tính toán, do tăng thông khí nên giảm tỷ lệ CO2 trong khí phế nang Nhờ có quá trình khuyếch tán theo quy luật từ nơi có phân áp khí cao về nơi có phân áp khí thấp xuyên qua màng tế bào, đã bảo đảm quá trình sinh lý trao đổi khí đưa oxy đến tế bào và ngược lại đưa CO2 ra khỏi cơ thể

Khi ở độ cao, sự thiếu oxy với những điều kiện nhất định, phản ứng của cơ thể trong điều kiện thiếu oxy ở trên cao rất khác nhau và phụ thuộc vào độ cao, nồng độ, phân áp oxy, tốc độ giảm áp lực riêng phần của oxy, thời gian ở trên độ cao, trạng thái chức năng và sức chịu đựng của từng người khi thiếu oxy

xử lý các nhiệm vụ tình huống phức tạp Ở độ cao này về cơ bản cơ thể vẫn duy trì được sự sống nhờ khả năng bù trừ bằng các phản ứng thích nghi tích cực

- Tầng giới hạn nguy hiểm (tầng bù trừ không hoàn toàn) Từ 4000 – 6000 m Các triệu chứng của bệnh thiếu oxy (bệnh trên cao) sẽ biểu hiện từ mức độ vừa đến nặng, từ giai đoạn hưng phấn sang ức chế, không thể duy trì công tác được lâu, ngay

cả ở tình trạng không hoạt động cũng đã nhận thấy những triệu trứng của tình trạng thiếu oxy cấp Ở độ cao này, khi thiếu oxy, khả năng hiệp đồng các động tác tinh vi kém, phản ứng chậm, các rối loạn về hô hấp, tuần hoàn… đạt đến mức cao, nhưng không thành quy luật

- Tầng giới hạn chết người (tầng nguy hiểm) từ 6000 – 8000m Ở tầng giới hạn này con người có thể rơi vào trạng thái mất ý thức, ngất hôn mê, co giật và chết Sức chịu đựng , tính bền bỉ của mỗi người đối với tình trạng thiếu oxy không giống nhau Một số ít người thậm chí ở độ cao 8000 m vẫn có thể còn ý thức trong thời gian đến chục phút Nhưng phần lớn mọi người không thể chịu đựng nổi khi ở độ cao 7000m nếu không được cung cấp bổ sung oxy

* Thời gian bắt đầu lên đến độ cao nào đó đến khi hôn mê thì gọi là thời gian thời gian chịu đựng, thời gian dự trữ hay thời gian còn ý thức Độ cao càng cao thì thời gian chịu đựng càng ngắn

Độ cao(m) Áp lực không

khí (mmHg)

Áp lực riêng phần của Oxy (mmHg)

Trong K.Khí thở vào Trong K.Khí phế nang

Bảng 1.1 Sự thay đổi áp suất khí quyển, phân áp oxy trong không khí và trong

phế nang theo độ cao

* Tác động của thiếu oxy (phân loại nguyên nhân trạng thái thiếu O2)

Nguyên nhân do thiếu oxy:

- Do thiếu oxy trong không khí thở vào, dạng thiếu oxy này xuất hiện khi lên cao (kể cả trong điều kiện giảm áp ở mặt đất), khi thở hỗn hợp khí với nồng độ oxy thấp

- Cơ sở bệnh học của dạng thiếu oxy này là giảm PO2 ở phế nang, giảm oxy huyết động mạch, giảm oxy huyết cầu tố trong máu động mạch

- Kiểu dạng thiếu oxy này thường gặp trong ngành hàng không và những người leo núi

Nguyên nhân do huyết dịch:

- Thiếu oxy do huyết dịch nguyên nhân do thiếu máu, giảm số lượng hồng cầu hoặc

do nguyên nhân Hemoglobin kém Điều đó có nghĩa là do giảm khối oxy máu hoặc giảm khả năng của Hemoglobin trong việc liên kết vận chuyển vả trao đổi oxy cho

tổ chức

Nguyên nhân do tuần hoàn:

- Có thể do ứ trệ hoặc thiếu máu cục bộ gây nên Khi chức năng tuần hoàn kém sẽ dẫn đến không đảm bảo đủ máu cho các cơ quan trong cơ thể

- Trong các cuộc bay, nguyên nhân này có thể xảy ra cho phi công và tổ lái khi tác động quá tải theo trục dọc của cơ thể gây cản trở máu động mạch đến các cơ quan, nhất là khi thở oxy dưới áp lực dư và trang bị cao không chuẩn bị tốt không tốt

- Tính đặc trưng của dạng thiếu oxy này là tỷ lệ oxy máu động mạch bình thường, nhưng trong máu tĩnh mạch giảm

- Tính đặc trưng của thiếu oxy do tổ chức là tỷ lệ va áp lực O2 trong máu động mạch bình thường, nhưng trong máu tĩnh mạch lại cao, vì không sử dụng được oxy

do các men hô hấp bi vô hiệu hóa ở tế bào.ng thiếu oxy của cơ thể khi bay ở trên cao

Các máy bay hiện đại được trang bị buồng lái kín và khoang máy bay kín với các chế độ điều hòa áp lực phù hợp và trên máy bay có các thiết bị cung cấp oxy cho người lái và hành khách, nhờ đó trong các chuyến bay bình thường không xảy

ra tình trạng thiếu oxy ở cơ thể phi công và hành khách

Trong máy bay chiến đấu, do môi cường độ và tốc độ hoạt động cao nên khi hoạt động bay có thể xảy ra trường hợp hở buồng lái, thủng hoặc vỡ kính nắp buồng lái, hỏng thiết bị cung cấp oxy…

1.2.Ảnh hưởng của thiếu oxy trong hoạt động bay quân sự

Tác động thiếu oxy ở mức độ vừa và nhẹ gây trạng thái hưng phấn bệnh lý, giảm chất lượng hoạt động của phi công, gây ra rối loạn các quá trình thần kinh

Ở mức độ thiếu oxy lớn gây tình trạng ức chế của thần kinh trung ương, do đó làm giảm khả năng phản ứng của phi công

Nhịp điệu hoạt động tâm lý, trí óc bị chậm đi, trí nhớ kém, tư duy khó khăn Các phẩm chất của chú ý bị suy giảm (khả năng phân phối, di chuyển và số lượng của chú ý đều giảm), các động tác phối hợp tinh vi rối loạn, thời gian phản xạ cảm giác vận động tăng…

Những suy giảm của lao động trí óc nói trên gặp ở 60% số người tại độ cao 5000m, càng bay lên cao các dấu hiệu suy giảm càng trầm trọng

Nếu mức độ thiếu oxy cao hơn nữa (độ cao <7500m) cơ thể không đủ khả năng bù trừ, cho nên phát triển ức chế bảo vệ cho các tế bào vỏ não và dưới vỏ Các rối loạn của các chức năng đó sẽ nhanh chóng hồi phục khi ngừng tác động của thiếu oxy hoặc cung cấp oxy trở lại đủ cho cơ thể

Những trường hợp thiếu oxy quá mức (độ cao >8000m) có thể nhanh chóng đưa tới tình trạng chết lâm sang, nếu tình trạng này thoát khỏi vẫn có thể để lại những tổn thương vĩnh viễn ở một số cơ quan của cơ thể

2.PHƯƠNG PHÁP HUẤN LUYỆN

2.1 Nâng cao khả năng chịu đựng của cơ thể đối với thiếu oxy trên cao

Việc đảm bảo điều kiện bay với áp suất tương đương áp suất khí quyển như điều kiện trên mặt đất, ở những nơi độ cao thấp so với mặt nước biển là hết sức hạn chế bởi phương pháp bù áp suất hoặc tăng oxy có thể dẫn đến phá hỏng lớp vật liệu bảo vệ máy bay do chênh lệch áp suất trong và ngoài của vỏ máy bay Do đó, cần thiết phải huấn luyện các phi công có khả năng chịu đựng được cường độ làm việc trong điều kiện thiếu oxy Biện pháp đảm bảo oxy cho cơ thể trong hoạt động bay quân sự được giải quyết chủ yếu bằng sử dụng buồng lái kín và trang bị hệ thống cấp oxy riêng, nhưng với tính chất của hoạt động bay quân sự là thay đổi độ cao liên tục, tốc độ của máy bay rất cao, thường chỉ 1 hoặc 2 phi công tham gia bài bay và

có rất nhiều bài bay phức tạp đòi hỏi sức chịu đựng của phi công Do đó phải có những phương pháp huấn luyện đặc thù

2.2 Các phương pháp huấn luyện khả năng chịu đựng cho phi công quân sự

2.2.1 Huấn luyện tới thiếu oxy ở trên núi cao

Tổ chức rèn luyện thiếu oxy cho phi công ở trên núi cao dựa trên nguyên tắc nâng dần từng bước và thường xuyên, liên tục Để thực hiện được nguyên tắc này

có thể cho phi công sống và luyện tập ở núi cao 2500-4000m trong khoảng thời gian 10-14 ngày, sau đó rèn luyện ở núi cao hơn với độ cao tang thêm 1000-1500m Với phương pháp này sẽ rèn luyện được khả năng chịu đựng khi thiếu oxy tới 8000m.Nhưng có nhược điểm chỉ phù hợp với một số vùng, chi phí cao

2.2.2 Huấn luyện với thiếu oxy trong buồng giảm áp

Có thể cho phi công huấn luyện ở buồng giảm áp với độ cao 5000m kéo dài trong vòng ba tuần với nguyên tắc nâng dần từng bước về thời gian Thời gian trong buồng giảm áp tối đa từ 30-40 phút/lần và 1 lần/ngày

Phương pháp này có nhược điểm là cần có sự hỗ trợ của giáo viên ở trong buồng giảm áp, khi có vấn đề nguy đối với phi công thì các thao tác xử lý của giáo viên phải rất nhanh và chính xác

2.2.3.Biện pháp sử dụng thuốc

Biện pháp dùng thuốc để nâng cao khả năng chịu đựng của cơ thể với thiếu oxy trong y học hàng không là rất tế nhị, đòi hỏi phải nghiên cứu kỹ và sử dụng thận trọng Ví dụ như các loại thuốc kích thích tuần hoàn và hô hấp chỉ nên dung trong những trường hợp bay ở các độ cao gây thiếu oxy ở mức độ vừa và kéo dài tạo cho các trung khu đó bị mệt Trong những trường hợp khác nếu dùng các thuốc

đó sẽ giảm khả năng bền vững của của cơ thể đối với thiếu oxy

2.2.4 Huấn luyện dùng thiết bị điều khiển nghèo oxy

Đây là một phương pháp tương đối mới, phương pháp này sử dụng thiết bị chuyên dụng để điều khiển giảm nồng độ oxy trong không khí kết hợp với áp suất không khí loãng khi so sánh với điều kiện hô hấp tại mặt đất Điều này làm suy giảm khả năng hô hấp của phi công Phi công không đảm bảo tình trạng sức khỏe sẽ

bị ảnh hưởng đến các chức năng vận động, ý thức

Ưu điểm của phương pháp này là huấn luyện đơn giản, ít tốn kém, có thể kiểm tra và huấn luyện cho phi công tại các đơn vị được trang bị máy mà không cần tập trung

Một ưu điểm cơ bản nữa là có thể kiểm tra các chỉ số sức khỏe khi phi công đang thở nghèo oxy Đây là một thuận lợi để so sánh và đưa ra tiêu chuẩn về sức khỏe trước khi tham gia hoạt động bay Trong quá trình huấn luyện theo thiết bị này, bác sĩ có thể kiểm tra nồng độ SPO2, nhịp tim, các chỉ số biến đổi trong máu, điện tim, thần kinh, tâm lý…

Đây là hướng nghiên cứu mà đề tài “Nghiên cứu thiết bị điều khiển bù oxy trong

quá trình kiểm tra và huấn luyện sức khỏe cho người hoạt động trong môi trường

áp suất thấp” đưa ra

3.CÔNG NGHỆ PHỤC VỤ HUẤN LUYỆN

Thiết bị điều khiển nghèo oxy được thiết kế và mô phỏng theo cách vận chuyển các khí của máy ROBD2(Reduced Oxygen Breathing Devide-2) dùng trong hải quân Mỹ để thử nghiệm cho phi công hải quân Thiết bị cho phép tạo ra điều kiện thiếu oxy và áp suất tương đương với điều kiện trong khi bay trên thực tế Công nghệ này cho phép huấn luyện tại chỗ và tiết kiệm chi phí trong huấn luyện phi công Đặc tính của thiết bị bao gồm những chức năng như sau:

* Lưu lượng các khí và áp suất ở từng độ cao được lập trình sẵn

* Các thông số về hô hấp vật lý và tốc độ dòng khí của máy được tính toán ở từng

độ cao bao gồm cả kiểm soát giới hạn oxy cho phép, thể tích của phổi tương ứng với lượng không khí chuyển dịch giữa hít vào và thở ra, nhịp thở , lưu lượng tại mặt

nạ, lưu lượng khí trộn nitơ, lưu lượng trộn không khí

* So sánh sự tương quan giữa độ cao, nồng độ oxy và áp suất trên mặt nạ

Chế độ hoạt động mô phỏng các điều kiện nghèo oxy trong môi trường hoạt động của phi công khi vận hành máy bay chiến đấu ROBD-2 được thiết kế gồm 3 chế độ hoạt động cơ bản

3.1.Chế độ huấn luyện thở nghèo oxy (HRT)

Chương trình huấn luyện thở nghèo oxy là chế độ cơ bản của thiết bị Trong chế

độ, thiết bị sẽ mô phỏng việc thay đổi độ cao và nồng độ oxy phù hợp với độ cao tương ứng Tuy nhiên, áp suất buồng thở sẽ được duy trì không đổi tương ứng với

áp suất 0mmHg (Mực nước biển) Việc giữ và thay đổi độ cao cần được lập trình trước và điều khiển qua tổ hợp bàn phím Thời gian thiết bị duy trì tại một độ cao nhất định sẽ được tính toán và hiển thị để huấn luyện viên đánh giá chất lượng sức khỏe của phi công Khi thay đổi độ cao, máy sẽ tính toán và hiển thị tốc độ tăng giảm độ cao dưới dạng feet/phút hoặc m/phút với giới hạn tối đa là 60000 feet

3.2.Chế độ mô phỏng bay nghèo oxy (FSHT)

Chương trình huấn luyện mô phỏng bay nghèo oxy là chế độ cơ bản có nâng cao của thiết bị Phi công sau khi thích ứng với chế độ HRT sẽ được huấn luyện với chế độ FSHT để làm quen với môi trường hoạt động bên trong khoang máy bay chiến đấu FSHT thay đổi độ cao kèm theo thay dổi áp suất buồng thở từ 28000 feet tới độ cao tối đa 34000 feet, tương ứng với 7.47 mmHg Nồng độ oxy sẽ được thay đổi tương ứng với độ cao như trong chế độ HRT Việc giữ và thay đổi độ cao cần được lập trình trước và điều khiển qua tổ hợp bàn phím Thời gian thiết bị duy trì tại một độ cao nhất định sẽ được tính toán và hiển thị để huấn luyện viên đánh giá chất lượng sức khỏe của phi công Khi thay đổi độ cao, máy sẽ tính toán và hiển thị tốc

độ tăng giảm độ cao dưới dạng feet/phút hoặc m/phút với giới hạn tối đa là 60000 feet

3.3.Chế độ mô phỏng bay hỏng hệ thống cấp oxy (OSFT)

Chế độ bay hỏng hệ thống oxy mô phỏng trường hợp hệ thống oxy bị hỏng trong quá trình vận hành máy bay của phi công OSFT thay đổi độ cao kèm theo áp suất buông thở từ 28000 feet tới độ cao tối đa 34000 feet Ban đầu, nồng độ oxy sẽ được duy trì ở mức 21% để phi công thích ứng với môi trường bình thường Khi nút nhấn O2FALL được khởi động , phi công sẽ bắt đầu vào chế độ OSFT Khi đó, nồng độ oxy sẽ thay đổi theo các mức tương đương với độ cao của máy bay Điều kiện áp suất buồng thở được duy trì tương ứng với độ cao Thời gian thiết bị duy trì tại một độ cao nhất định sẽ được tính toán và hiển thị để huấn luyện viên đánh giá chất lượng sức khỏe của phi công Khi thay đổi độ cao, máy sẽ tính toán và hiển thị tốc độ tăng giảm độ cao dưới dạng feet/phút hoặc m/phút với giới hạn tối đa là

60000 feet

Trong quá trình huấn luyện, có thể kiểm tra các chỉ số sức khỏe cơ bản hoặc kiểm tra chuyên sâu về các biểu hiện sức khỏe của phi công khi hoạt động trong môi trường thiếu oxy

4.MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Qua quá trình khám tuyển, giám định sức khỏe phi công quân sự của đơn vị, việc kiểm tra, đánh giá sức khỏe đầu vào của học viên và kiểm tra, huấn luyện thường xuyên quyết định đến chất lượng đào tạo và khả năng huấn luyện chiến đấu của phi công quân sự

Với đặc thù của phi công quân sự phải chịu nhiều tác động khi bay như: gia tốc, định hướng không gian, quá tải, giảm áp…nhưng yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sức khỏe, khả năng tư duy, vận động của phi công là thiếu oxy ở trên cao

Ở Việt Nam, trên thực tế chúng ta mới chỉ kiểm tra, huấn luyện giảm áp trên cao song song với kiểm tra, huấn luyện thiếu oxy bằng hệ thống buồng giảm áp chỉ

có ở Viện Y học PK-KQ là đạt tiêu chuẩn, với một kíp vận hành gồm 1 bác sĩ, 1 huấn luyện viên, 1 kỹ thuật viên, 1 kỹ sư, buồng có thể kiểm tra cho 6 phi công/kíp

Qua thực tế cho thấy việc đánh giá ảnh hưởng của thiếu oxy trong buồng giảm áp có nhiều nhược điểm, tính chính xác chưa cao, chưa kiểm tra được các chỉ

số sức khỏe chuyên sâu do không thể đặt các thiết bị này trong buồng giảm áp được

Hiện nay, hệ thống giảm áp chỉ có chức năng kiểm tra, giám định, chưa có chức năng huấn luyện tại các đơn vị chiến đấu Sự bao hàm cả công tác huấn luyện

là thực sự cần thiết đối với các đơn vị chiến đấu

Trong quá trình tập luyện, việc các phi công hít thở và hấp thụ oxy làm cho lưu lượng oxy thay đổi, tuy nhiên, sự hấp thụ này là không đồng đều tùy thuộc vào trạng thái hoạt động của phi công Như vậy, việc điều khiển lưu lượng oxy với lưu lượng cố định không đảm bảo được mục tiêu huấn luyện Do đó, hệ thống điều khiển lưu lượng oxy cần bổ sung lượng khí oxy cần thiết dựa trên ổn định nồng độ oxy ở đầu ra

Thiết bị huấn luyện bay nghèo oxy cũng là một trong những phương tiện khá đắt tiền hơn nữa để bảo đám phục vụ tốt công tác huấn luyện thiết bị cần được đảm bảo luôn trong tình trạng sẵn sàng để phục vụ tác chiến Như vậy, đòi hỏi công tác làm chủ khí tài huấn luyện cũng như bảo dưỡng sửa chữa cần phải nhanh và kịp thời

Vì vậy, mục tiêu của đề tài “Nghiên cứu thiết bị điều khiển bù oxy trong quá trình

kiểm tra và huấn luyện sức khỏe cho người hoạt động trong môi trường áp suất thấp” là định hướng nghiên cứu hệ thống điều khiển nghèo oxy ROBD-2 để tạo ra

một công cụ mới cho ứng dụng kiểm tra, huấn luyện sức khỏe phi công quân sự

CHƯƠNG 2 TIẾP CẬN KIẾN THỨC

1 SỰ TƯƠNG QUAN CỦA ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN VÀ OXY

1.1 Giới thiệu về cấu trúc khí quyển

Khí quyển là một áo không khí bao bọc toàn bộ trái đất Chiều dày của khí quyển được tính từ mặt đất tới giới hạn trên tiếp giáp với khoảng không vũ trụ

Bằng các phương pháp nghiên cứu khác nhau: thám sát khí quyển bằng radio, tên lửa, vệ tinh nhân tạo, ngtười ta đều thấy rằng khí quyển có một số đặc điểm là: Giảm dần áp lực theo độ cao, sự phân bố nhiệt độ khác nhau theo các tầng của khí quyển, có sự thường xuyên di chuyển theo chiều ngang và chiều thẳng đứng của khối lượng không khí và sự thay đổi độ ẩm của không khí theo độ cao.v.v…

Khí quyển có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với các sinh vật sống trên trái đất

Khí quyển là môi trường xảy ra các phản ứng trao đổi năng lượng vô cơ và hữu cơ, giữa các giới động vật và thực vật

Khí quyển được chia thành 5 tầng như hình 2.1

Dựa trên những đặc tính vật lý và tính chất hoạt động, khí quyển trái đất được chia thành 5 tầng mỗi tầng có những đặc trưng vật lý khác nhau

1.1.1 Tầng đối lưu (Troposphere)

Là tầng không khí gần mặt đất nhất, độ cao trung bình của nó vào khoảng 11 km: ở hai cực trái đất chỉ cao từ 8 - 10 km, còn ở vùng xích đạo là 15 - 18 km Ðộ cao của tầng khí quyển này do độ cao của các dòng đối lưu quyết định, bởi vậy nó thay đổi theo mùa trong năm và thay đổi theo vĩ độ địa lý, do tính chất nhiệt lực quyết định

Tầng đối lưu là tầng khí quyền hoạt động nhất Các hiện tượng thời tiết, mưa, nắng, mây, dông bão đều xảy ra ở tầng khí quyển này Tầng đối lưu cũng là môi trường sống của tất cả các sinh vật trên trái đất

Ðặc điểm quan trọng của tầng đối lưu là nhiệt độ giảm dần theo độ cao Trung

bình cứ lên cao 100m nhiệt độ giảm xuống 0,640C Nhiệt độ ở giới hạn trên của nó

xuống rất thấp, có thể đạt - 700C ở vùng xích đạo của trái đất

Ở tầng này thường xảy ra hiện tượng các dòng không khí đi lên hoặc đi xuống

(do các trung tâm khí áp cao, khí áp thấp , do gặp các chướng ngại vật trên mặt

đất, do sự tranh chấp giữa các khối không khí ) Hiện tượng thăng giáng của các

khối không khí đã làm thay đổi chế độ nhiệt, ẩm của không khí

Hình 2.1 Nhiệt độ và khí áp trung bình ở các tầng cấu trúc của khí quyển

(Khảo sát khí quyển, Oklahoma - 1997)

Chúng ta biết rằng các chất khí đều chứa đựng năng lượng được gọi là động

năng Ðộng năng của chất khí phụ thuộc vào áp suất khí quyển, nó điều khiển trạng

thái nhiệt: khi bị nén chúng nóng lên, khi giãn nở chúng bị lạnh đi Từ nguyên lý đó

ta có thể suy ra rằng: Khối không khí khi chuyển động đi lên, áp suất giảm dần và

giãn ra do dó chúng lạnh đi

Ngược lại, sự vận chuyển từ cao xuống thấp, không khí ở trạng thái bị nén và làm nhiệt độ của nó tăng lên Giả thiết rằng khối không khí chuyển động nhanh, không có sự trao đổi nhiệt hoặc sự xáo trộn với khối không khí xung quanh Hiện tượng đó được gọi là đoạn nhiệt, có nghĩa là không có sự trao đổi nhiệt với xung quanh

Các khối không khí đi lên bao giờ cũng có hiện tượng đoạn nhiệt lạnh; các khối không khí đi xuống thường kèm theo hiện tượng đoạn nhiệt nóng Ở các khối không khí khô (chưa bão hòa hơi nước) mức độ tăng hoặc giảm nhiệt độ là 10

C cho 100m gọi là đoạn nhiệt khô Ở khối không khí bão hòa hơi nuớc thì mức độ tăng hoặc giảm nhiệt độ là 0,50C/100m gọi là đoạn nhiệt ẩm Ðối với khối không khí bốc lên cao lúc đầu lạnh đi theo mức đoạn nhiệt khô bởi vì nó chưa bão hòa hơi nước, đến một độ cao nhất định nhiệt độ không khí đã giảm đến điểm sương, và trở nên bão hòa hơi nước, sự tiếp tục giảm nhiệt độ theo mức độ đoạn nhiệt ẩm

Tầng đối lưu chiếm 80% khối lượng khí quyển và 90% hơi nước, thành phần khí quyển ở tầng này luôn luôn diễn ra sự trao đổi giữa mặt đất, mặt đại dương và khí quyển

1.1.2 Tầng bình lưu (Stratosphere)

Tầng bình lưu là tầng tiếp giáp với tầng đối lưu, lên cao tới 50 - 55km Ðặc điểm của tầng bình lưu là không khí ít bị xáo trộn theo chiều thẳng đứng Có thể tách tầng này thành hai lớp:

- Lớp đẳng nhiệt: nằm sát tầng đối lưu lên cao tới 25km, nhiệt độ ít thay đổi, trung bình vào khoảng -550C Lớp khí quyển này thường chuyển động theo chiều nằm ngang từ đông sang tây Kích thước các khối không khí này có thể tới hàng nghìn cây số

- Lớp nghịch nhiệt: ở độ cao từ 25 đến trên 50km Ở tầng này nhiệt độ tăng dần theo độ cao, nhiệt độ trung bình vào khoảng 00C, tối đa có thể tới trên +100C

Sư tăng dần nhiệt độ của lớp khí quyển này có thể là do sự có mặt của tầng ôzôn, chất hấp thu mạnh các tia sóng ngắn của bức xạ mặt trời

- Phía trên tầng nghịch nhiệt là đỉnh tầng bình lưu (Stratopause), nhiệt độ khá

ổn định, khoảng 00C ở độ cao 55km

1.1.3 Tầng trung gian (Mesosphere)

Tầng trung gian nằm trên tầng bình lưu cho đến độ cao 80 - 90 km Tầng này nhiệt độ giảm dần theo độ cao và đạt đến giá trị - 700C đến - 800

C

1.1.4 Tầng điện ly (Thermosphere)

Tầng điện ly hay còn gọi là tầng nhiệt quyển là tầng không khí có độ cao từ 80 đến 800km Ở tầng này không khí rất thưa loăng Dưới tác dụng của các tia bức xạ, các chất khí đều bị phân ly và bị ion hoá mạnh Khí quyển ở đây có độ dẫn điện cao

Ðộ dẫn điện cao ở tầng điện ly là nguyên nhân làm phản hồi các sóng vô tuyến phát đi từ mặt đất, nhờ vậy mà mọi thiết bị vô tuyến điện ở mặt đất, ở các vệ tinh nhân tạo mới có thể hoạt động bình thường được

Tầng ion có thể nhận thấy hai cực đại ion hóa ở độ cao 100 km và 180 - 200km

Ðặc điểm quan trọng của tầng khí quyển này là nhiệt độ không khí cao và tăng nhanh theo độ cao Ở độ cao 200km có nhiệt độ 6000C, còn ở giới hạn trên là

20000C

1.1.5 Tầng khuyếch tán (Exosphere)

Giới hạn trên của tầng này vào khoảng 2000 đến 3000 km, là tầng chuyển tiếp giữa khí quyển và không gian vũ trụ (Outer space), không khí tầng này rất thưa loãng thành phần chủ yếu là hydrô và hêli

Tầng lớp khí ngay ở trên mặt đất gọi là tầng đối lưu Trong tầng đối lưu, tập trung phần lớn khối lượng không khí và hơi nước ở trên trái đất Đặc điểm của tầng đối lưu là càng lên cao thì nhiệt độ không khí càng giảm và độ ẩm cũng giảm Các dòng không khí luôn luôn chuyển động, làm cho áp suất không khí không đồng đều Nhiệt độ và độ ẩm ở những khu vực thấp của tầng đối lưu phụ thuộc vào nhiều yếu

tố, vào địa lý từng vùng, vào thời gian trong năm Ở vùng vĩ độ trung bình, cứ lên cao 100m thì nhiệt độ giảm đi 0,6 oC Nhiệt độ không khí ở tầng đối lưu là do năng lượng mặt trời(năng lượng trực tiếp và năng lượng phản xạ) bị không khí hấp thụ Trong vùng vĩ độ trung bình, ở trên mặt đất vào ngày nắng, lượng năng lượng mặt trời từ 0.7 đến 1.5 Mcalo/1cm2/phút Tất cả các hiện tượng về thời tiết(mây, mưa, sấm sét, độ ẩm, áp suất không khí thay đổi,nhiệt độ thay đổi) đều diễn ra ở tầng đối lưu Tính không ổn định ở tầng đối lưu tạo ra những khó khăn nhất định về mặt khí động học cho các chuyến bay, và cả về mặt sinh lý học

Không khí trong khí quyển là một hỗn hợp nhiều khí.Tính theo khối lượng, thành phần các khí trong không khí trên một đơn vị thể tích được tính theo bảng 2.1 Những chất

Trong tất cả các khí tạo nên thành phần không khí, khí oxy có vai trò sinh học quan trọng nhất Trong điều kiện bình thường, oxy là một khí trong suốt, không

có màu sắc, không có mùi vị, có hoạt tính hóa học rất lớn, oxy nặng hơn không khí

ở nhiệt độ 0oC và áp suất khí quyển 760mmHg

Trong ngành hàng không, dùng oxy y học có tỷ lệ oxy không dưới 98,5% và hơi nước không quá 0,07g/m3

Trong điều kiện bình thường ở mặt đất, áp suất khí quyển là 760mmHg thì phân áp oxy là 159mmHg, khoảng 20.94% áp suất khí quyển

Độ cao

(m)

Áp suất không khí (mmHg)

Phân áp Oxy (mmHg)

Bảng 2.2.Bảng khí quyển tiêu chuẩn

Áp suất không khí là tổng áp suất của những khí tạo nên thành phần không khí Hơi nước ảnh hưởng đến áp suất không khí, độ ẩm càng cao thì áp suất không khí càng giảm

Phân áp khí là thành phần áp suất riêng của từng loại khí trong thành phần của không khí Khi lên cao thì áp suất của không khí giảm đi vì chiều cao của cột khí giảm Nhưng sự giảm áp suất không khí không đồng đều Ở các tầng thấp của khí quyển áp suất giảm nhiều hơn so với ở tầng cao

Khi lên cao, áp suất không khí giảm thì phân áp oxy cũng như các khí khác của không khí cũng giảm Ta biết rằng trong tầng đối lưu, tỷ lệ các khí trong thành phần của không khí không thay đổi khi lên cao Biết áp suất ở độ cao đó(B- tính bằng mmHg), biết tỷ lệ % khí đó trong không khí (C-tính bằng %) thì có thể xác định phân áp của khí đó theo công thức sau:

PPA= (mmHg) (2.1)

Từ công thức số 2.1 suy ra cách tính nồng độ oxy theo áp suất khí quyển:

Ví dụ : Phân áp oxy ở mặt nước biển được tính có giá trị là 159 mmHg

Tỷ lệ phần trăm của oxy trong không khí thay đổi C=20,94% Áp suất không khí là 760mmHg

Phân áp của oxy là: PPAO2=

Cp: Nhiệt dung riêng áp suất không đổi 1004,68506 J / (kg · K)

To: Nhiệt độ mực nước biển tiêu chuẩn 288,15 K

g: Gia tốc trọng trường bề mặt trái đất 9,80665 m / s2

M: Khối lượng mol của không khí khô 0,02896968 kg / mol

Ro: Hằng số khí phổ biến 8.31582991 J / (mol · K)

Ví dụ: Ở độ cao 2000m, theo công thức 2.2, áp suất khí quyển tại độ cao 2000 m được tính là:

2.CÁC MÔ HÌNH HUẤN LUYỆN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

Hiện nay, trên thế giới các mô hình huấn luyện khả năng chịu đựng khi thiếu oxy không nhiều Mô hình chủ yếu được áp dụng song song với khả năng chịu đựng

áp suất là hệ thống buồng giảm áp

Một hệ thống buồng giảm áp bao gồm một buồng kín, có khả năng chịu áp lực thành buồng cao, hệ thống tạo chênh lệch áp suất nhờ động cơ hút không khí trong buồng ra ngoài Hệ thống được điều khiển và chỉ thị cho ra mức áp suất tương ứng với độ cao, tốc độ lên, xuống

Bên trong buồng được thiết kế bao gồm ghế đặc chủng cho phi công và huấn luyện viên, được trang bị các thiết bị kiểm tra chức năng như điện tim, spO2, đo nhịp tim, kiểm tra mù màu, khả năng thích ứng tối, kiểm tra chức năng thần kinh tâm lý…Các thiết bị an toàn là rất quan trọng như: Mặt nạ dưỡng khí, hệ thống cấp oxy, các van an toàn, hệ thống van dừng khẩn cấp Ngoài ra hệ thống còn có các thiết bị giao tiếp từ trong buồng ra ngoài và ngược lại

Trên các hệ thống buồng giảm áp thế hệ mới được thiết kế một buồng phụ được thông với buồng chính bằng cửa chịu áp lực Mục đích của việc thiết kế này là tăng độ an toàn và giảm rủi ro cho phi công trong huấn luyện

Khi xảy ra mất an toàn, buồng phụ được cân bằng áp suất với buồng chính, lúc này huấn luyện viên có thể mở cửa thông hai buồng để đưa phi công ra buồng phụ, đóng cửa thông buồng lại, công việc huấn luyện diễn ra bình thường, điều khiển áp suất buồng phụ cân bằng với áp suất bên ngoài, mở cửa chính ra đưa phi công ra ngoài cấp cứu nếu cần thiết

Một kíp huấn luyện trên buồng giảm áp gồm 1 bác sỹ, 1 huấn luyện viên, 1

kỹ sư, 1 kỹ thuật viên và 1 tổ trực cấp cứu

Trong thực tế, việc huấn luyện thiếu oxy trên buồng giảm áp là rất phức tap, tiềm ẩn nguy cơ rủi ro rất cao, chi phí tốn kém Mặt khác, để kiểm tra các chỉ số về sức khỏe khi cơ thể thiếu oxy là gần như không thể, vì trong môi trường giảm áp các thiết bị này không phù hợp

Cả ngành công nghiệp hàng không quân sự và thương mại đều chi một khoản tiền lớn hàng năm để đào tạo các phi công để nhận biết và trải nghiệm các dấu hiệu và triệu chứng của tình trạng thiếu oxy Loại hình đào tạo này được thực hiện thông qua việc sử dụng các buồng giảm áp tại các địa điểm cố định Những buồng này có một số nhược điểm Bởi vì chúng rất tốn kém để xây dựng và vận hành, chỉ một số lượng hạn chế của các buồng này có thể được khai thác Mặc dù có kích thước tương đối lớn, tuy nhiên, chúng thường quá nhỏ để kết hợp các trình mô phỏng nhiệm vụ vào môi trường thiếu oxy Ngoài ra, bất kỳ thiết bị nào được đặt vào buồng phải được kiểm tra rộng rãi để đảm bảo rằng nó tương thích với áp suất khí quyển giảm trong buồng

Hệ thống buồng giảm áp là thiết bị rất đắt tiền, không thể cơ động, do đó ở các đơn vị chiến đấu khó có thể huấn luyện thường xuyên

Từ năm 2017, hải quân Mỹ không dùng buồng giảm áp để huấn luyện thiếu oxy nữa, mà dùng hệ thống ROBD2 để huấn luyện cho các phi công hải quân

Hình 2.2 Hệ thống ROBD2

Hệ thống ROBD2 là thiết bị chuyên dụng dùng để thử nghiệm sức chịu đựng của phi công khi bay lên cao độ lớn Tại đó, nồng độ Oxy trong không khí giảm đáng kể kết hợp với áp suất không khí loãng khi so sánh với điều kiện hô hấp tại mặt đất Điều này làm suy giảm khả năng hô hấp của phi công Phi công không đảm bảo tình trạng sức khỏe sẽ bị ảnh hưởng đến các chức năng vận động, ý thức và tính mạng bản thân cũng như thiệt hại về trang thiết bị quân sự

Hệ thống ROBD2 được thiết kế và mô phỏng theo cách vận chuyển khí dùng trong hải quân Mỹ để thử nghiệm cho phi công Hải quân Theo đánh giá tương quan, hệ thống ROBD2 hoàn toàn có thể áp dụng trong huấn luyện và kiểm tra sức khỏe cho phi công Việt Nam Bên cạnh đó, thiết bị còn được ứng dụng để nâng cao sức khỏe của bộ đội lục quân khi dã chiến đồi núi và vận động viên thể thao đỉnh cao

Ở Việt Nam hiện nay, các phương pháp huấn luyện thiếu oxy chủ yếu là rèn luyện thể lực tại các đơn vị, việc trang bị những thiết bị huấn luyện thiếu oxy là rất cần thiết Tại Viện Y học PK-KQ hiện nay có 3 buồng giảm áp, 2 buồng PK-53 của Liên Xô sản xuất đã cũ, không đảm bảo an toàn cho huấn luyện thếu oxy Buồng giảm áp duy nhất tại Việt Nam đủ khả năng huấn luyện và kiểm tra thiếu oxy là buồng HPO 6+1 được nhập từ Cộng hòa ÁO, do hãng AMST sản xuất

Hình 2.3 Hệ Hệ thống buồng giảm áp HPO 6+1

Hệ thống HPO 6+1 đƣợc thiết kế huấn luyện cho 6 phi công và một huấn luyện viên trong buồng, hệ thống đƣợc điều khiển bằng trạm điều khiển riêng biệt, đƣợc kết nối qua một máy chủ và 5 máy con điều khiển các chức năng khác nhau, các chỉ số đƣợc hiển thị điện tử và đồng hồ cơ kết hợp, có các thiết bị kiểm tra chức năng nhƣ: monitor chuyên dụng, điện tim, nhịp tim, spo2, điện não Ngoài ra hệ thống cũng có các thiết bị an toàn nhƣ buồng phụ, cấp oxy, mặt nạ oxy, các van dừng khẩn cấp…

Một kíp huấn luyện trên buồng giảm áp HPO 6+1 gồm 1 bác sỹ, 1 huấn luyện viên, 1 kỹ sƣ, 1 kỹ thuật viên và 1 tổ trực cấp cứu

Trong thực tế, rất ít khi huấn luyện thiếu oxy trên buồng giảm áp HPO, bởi

vì số lƣợng phi công nhiều, kinh phí tốn kém, một số chỉ số sức khỏe cần kiểm tra khi phi công thiếu oxy gần nhƣ không thực hiện đƣợc

3 MÔ HÌNH TỔNG QUAN CỦA HỆ THỐNG ROBD2

Thiết bị ROBD2 (Reduced Oxygen Breathing Device 2) là hệ thống thế hệ tiếp theo mô phỏng tiếp xúc với độ cao và có thể đƣợc sử dụng cho cả nghiên cứu

và đào tạo thiếu oxy

Một mô hình của hệ thống ROBD2 bao gồm:

Hệ thống máy chính được thiết kế bao gồm các khối: Khối đo thông số khí , khối điều khiển van tiết lưu, khối lập trình điều khiển, các cơ cấu chấp hành như: bộ trộn khí, các van điều khiển lưu lượng, các cảm biến oxy, cảm biến áp suất, các van

từ, van kim, ngoài ra còn có hệ thống đường ống, các bộ lọc khí…

Cơ cấu mặt nạ cấu tạo hai đường riêng biệt để kết nối với đầu ra đường khí của ROBD2 và thở ra của phi công, ngoài ra còn có cơ cấu phổi giả để điều tiết lưu lượng khí dư khi thở

4.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ROBD2

Thiết bị ROBD2 được thiết kế để tạo ra một hỗn hợp động được xác định trước có thể được sử dụng để thở và nhằm mục đích cung cấp một lượng oxy có nồng độ ổn định ở dạng nghèo cho một đối tượng

Thông qua bảng điều khiển phía sau, không khí được điều áp và nitơ đi vào từng cổng tương ứng và chảy vào các bộ lọc hạt riêng lẻ Các bộ lọc này loại bỏ bất

kỳ ngưng tụ và các hạt lớn hơn Các khí riêng lẻ sau đó chảy qua bộ điều khiển lưu lượng khối (Mass Flow Controller-MFC) (MFC1 cho không khí) và (MFC2 cho nitơ) Phụ thuộc vào độ cao được lập trình, hệ thống sẽ tạo ra tỷ lệ chính xác của không khí với lưu lượng nitơ và ôxy để tạo ra hỗn hợp khí thở tương ứng với độ cao

so với mực nước biển được lập trình

Khi độ cao được lập trình tăng lên, mật độ khí sẽ giữ nguyên trong điều kiện

áp suất giảm Sự điều khiển áp suất này là để mô phỏng tình trạng không khí thở cho hệ hô hấp của phi công được huấn luyện thích ứng với điều kiện thiếu oxy

Khí thoát ra từng MFC và trộn trong vùng giữa các đầu ra của MFC và đầu vào vào bộ điều chỉnh áp suất ngược (Back Pressure Regulator - BPR) BPR1 BPR1 phục vụ hai mục đích Chức năng chính là kiểm soát áp suất đến lỗ cố định cảm biến oxy Ở mức 5 PSIG (Pound per Square Inch Gauge, tương ứng với 14.7 PSI hoặc 1 atmosphere), lỗ này điều khiển lưu lượng đến khoảng 150 SCCM (standard cubic centimeters per minute – đơn vị đo lưu lượng chuẩn centimet khối trên phút) vào cảm biến oxy mọi lúc, bất kể tổng lưu lượng được đưa vào vòng thở

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống ROBD2

Mục đích thứ hai của BPR1 là kiểm soát chênh lệch áp suất trên các MFC, giúp đệm MFC khỏi các nhiễu loạn áp suất của chu kỳ hô hấp và hô hấp của đối tượng được thử nghiệm Đồng hồ đo áp suất (Gauge) G1 đọc áp suất ngược dòng của BPR1 và phải luôn đọc 5 PSIG Bộ điều chỉnh áp suất và đồng hồ đo áp suất này được đặt bên trong hệ thống Đồng hồ đo áp suất chủ yếu dùng cho các mục đích thiết lập, xử lý sự cố và xác minh Tất cả các kết nối khí thoát ra khỏi bộ điều chỉnh

áp suất trở lại được coi là một phần của vòng thở Tất cả các thành phần trong vòng thở đều ở kết nối khí nén trực tiếp với cổng đầu ra kết nối với mặt nạ phi công Van điện từ V3, trên đầu vào của MFC2 (bộ phận này tích hợp bên trong MFC2), cho phép một số chế độ hoạt động nhất định khi sử dụng cả hai MFC Chẳng hạn, chế

độ PPT (Positive Pressure Training – Chế độ đào tạo trong điều kiện áp suất dương) cung cấp 95 LPM (litter per minute) không khí cho mặt nạ ở áp suất 10” H2O Vì điều này không thể thực hiện được với một MFC, cả hai đều được sử dụng cùng nhau để cung cấp tốc độ dòng khí cao Ngoài ra, khi đặt ở độ cao mực nước biển (độ cao bằng không) được sử dụng trong một chương trình, cả hai MFC đều được

sử dụng với không khí

Van điện từ V1 được sử dụng để định hướng hỗn hợp khí, được tạo ra bởi các MFC, hoặc oxy 100% đến vòng thở và mặt nạ thở 100% O2 được sử dụng để hiệu chuẩn cảm biến O2 và khi công tắc đổ O2 được kích hoạt 100% O2 cũng được gửi đến mặt nạ khi các tính năng an toàn nhất định bị vi phạm Van này cũng được gọi là van xả oxy

Công tắc áp suất oxy (Pressure switch-PS) (PS1), trên đầu vào của cổng oxy, được sử dụng để phát hiện áp suất bình oxy thấp

Cổng áp suất vòng thở, trên bảng điều khiển phía sau của hệ thống, có thể được sử dụng để kết nối đồng hồ đo áp suất cơ học hoặc bộ chuyển đổi áp suất để theo dõi áp suất vòng thở Cổng này thường sẽ được cắm khi hệ thống đang hoạt động và chủ yếu được cài đặt cho mục đích khắc phục sự cố và xác minh Hệ thống này được tích hợp bộ chuyển đổi áp suất vòng thở Nếu phích cắm không được lắp đặt trong khi hoạt động bình thường, thì tùy chọn áp suất dương sẽ không hoạt động chính xác

Hệ thống tiêu chuẩn đã được thiết kế để hoạt động với mặt nạ thở kín Điều này có nghĩa là dòng khí không thể được gửi trực tiếp vào mặt nạ mà không cần thông hơi một phần của dòng chảy đó Phần thông hơi của đường ống dẫn nước cho phép áp suất vòng thở ở gần 0” H2O trong quá trình kiểm tra hoặc huấn luyện nhận biết thiếu oxy cơ bản (chế độ HRT- Hypoxia Recognition) Điều này được thực hiện

bằng cách xây dựng đủ áp lực bên trong để làm phồng túi thở Túi thở hoạt động như một bình dự trữ để chứa những người có dung tích phổi lớn hơn hoặc ai đó thở với tốc độ cao hơn bình thường Khi túi thở phồng lên, dòng chảy dư thừa được đưa

ra khỏi cổng thông hơi trên bảng điều khiển phía sau của hệ thống Dư lượng khí của túi thở phụ thuộc vào đối tượng được kiểm tra

Điều chỉnh van kim needle valve (NV) cho phép mỗi hệ thống riêng lẻ được thiết lập để tạo ra các yêu cầu thở áp lực dương của các chế độ FSHT (Đào tạo thiếu oxy mô phỏng chuyến bay - Flight Simulator Hypoxia Training), OSFT (Đào tạo lỗi

hệ thống oxy - Oxygen System Failure Training) của hệ thống

Áp suất được tạo ra phù hợp với áp suất được tạo ra trong mặt nạ Phi công ở

độ cao lớn Ở độ cao đủ lớn, áp suất riêng phần của oxy xung quanh không đủ để đưa oxy vào máu từ phổi ngay cả khi phi công đang thở oxy 100% Việc áp dụng áp lực dương là bổ sung để giúp đẩy oxy từ phổi ở độ cao lớn

Van Bypass V2 đóng cho các yêu cầu áp suất dương của các chế độ này và

mở cho chế độ HRT (Đào tạo thiếu oxy cơ bản) Khi van bypass V2 mở ở chế độ HRT, nó sẽ giảm thiểu áp suất trong vòng thở xuống khoảng 0-22” H2O, phụ thuộc vào độ cao Yêu cầu của chế độ HRT là giữ áp suất vòng thở càng gần 0” H2O càng tốt Van bypass V2 đảm bảo nhiệm vụ này trong chế độ HRT Bằng cách đóng V2 cho các chế độ áp suất dương, nó buộc tất cả dòng chảy qua van kim NV NV được thiết lập để cung cấp áp lực dương nhẹ, trong vòng thở, với độ cao tăng dần trên 28.000 feet

Túi thở 3 lít được gắn bên ngoài Túi thở này đáp ứng những hơi thở ngắn, sâu mà dòng chảy hệ thống không thể đáp ứng một mình Cổng thông hơi sẽ làm cạn kiệt dòng khí không được sử dụng trong phần thở của chu kỳ thở

Van V1 kiểm soát lưu lượng oxy 100% đến mặt nạ phi công trong quá trình

xả oxy Oxy được xả khi người vận hành hệ thống ấn vào công tắc đổ khẩn cấp trên bảng điều khiển phía trước Điều này thường sẽ được thực hiện khi người vận hành xác định rằng đối tượng được thử nghiệm đã trở nên thiếu oxy và cần phải phục hồi Hoạt động trộn của các MFC sẽ dừng lại và đầu ra của các MFC sẽ được tách ra

khỏi đường khí vào của mặt nạ orifice 070 sẽ kiểm soát dòng oxy 100% đến mặt

CHƯƠNG 3 CÁC KHỐI THÀNH PHẦN

1.KHỐI LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Module Display/Keyboard Interface được trình bày ở phụ lục 1

Module có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ phím bấm kiểu ma trận và điều khiển hiển thị thông qua bus PLCBus (Programming Logic Controller Bus – Đường dữ liệu từ Bộ điều khiển lập trình logic) PLCBus là jack đưa tín hiệu điều khiển từ bo MCU (Micro Controller Unit – Vi Điều Khiển) đến bo mạch giao diện hiển thị, bàn phím Các tín hiệu BD0-BD7 (Bus Data – Bus dữ liệu) dùng chung đưa đến các IC khác nhau thông qua bộ đệm U10 Khi muốn đưa tín hiệu vào IC nào, sẽ cấp tín hiệu cho phép IC đó hoạt động Cụm U9 và U10 là biến trở số, tương đương với R8

và R9 được dùng để điều khiển độ sáng của display Trong đó, U9 là DAC 8 bít, điện áp đầu ra VREF Điện áp tham chiếu (chân 15) tỷ lệ với mã code D0-D7 được đưa đến từ PLCBus qua bộ thu/nhận hai chiều 3 trạng thái U1 U10 là bộ khuếch đại lặp không đảo để đảm bảo dòng cho màn hình display

Tín hiệu STB (Synchronize Time Block) của PLCBus là clock đồng bộ cho U7, là thiết bị lập trình chức năng có thể xóa Trong trường hợp này, U7 nhận các tín hiệu đầu vào BWR (Bus write), BRD (Bus Read), LCD, BA1, BA2, BA3 (Bus Adress) lập trình tạo ra các tín hiệu chức năng: triger cho bộ đệm U1, HOLD điều khiển giữ bàn phím, BS1, BS2 để điều khiển khóa điện tử (phần Solenoid driver), EDGE, IEN, CONTRAST để cho phép điều khiển độ sáng màn hình, BEEP để đưa đến bộ tạo dao động U3B điều khiển timer U6B để tạo tín hiệu âm thanh ra loa (R6 và C13 tạo độ rộng xung tương đương với độ dài tiếng bíp của loa), KEYPAD, INT

U6A tạo tín hiệu dao động 450 Hz cho bộ đệm logic lập trình được U2 cho phép nhận các tín hiệu từ bàn phím đưa đến vi điều khiển thông qua PLCBus và điều khiển độ sáng màn hình hiển thị

U 8 là bộ đệm cho các tín hiệu BA0, BA1 tạo thành các tín hiệu A0-A1 để điều khiển màn hình hiển thị, đệm cho tín hiệu LCD tạo tín hiệu display để bật/tắt màn

hình, đệm cho tín hiệu BWR tạo tín hiệu R/W để điều khiển đọc/ghi giá trị của bộ DAC U9

Máy tính nhúng thông qua bus (J11) đẩy 8 bít dữ liệu ra hiển thị hoặc nhận 8 bít dữ liệu từ bàn phím thông qua bộ đệm 2 chiều U1 Việc điều hướng dữ liệu được thông qua địa chỉ (J1/24) đến chân DIR (U1/1)

Chức năng logic điều khiển được thực hiện thông qua U7, đây là mảng logic AND lập trình được (GAL) họ 22V10 Đầu ra bộ GAL này thực hiện các chức năng điều khiển hiển thị (CONTRAST, U7/20), điều khiển còi báo hiệu (BEEP), điều khiển việc nhận dữ liệu từ bàn phím (KEYPAD, U7/22) và báo hiệu tín hiệu phản hồi về máy tính (INT, U7/23)

Tín hiệu CONTRAST từ U7/20 được đưa đến để chọn U9 (U9/CS, chip select) U9 là bộ DAC 8 bít (bộ biến đổi số - tương tự), tín hiệu tương tự đầu ra được đưa qua mạch khuyếch đại lặp lại để đưa ra điều khiển hiển thị (có thể là điều chỉnh độ sáng)

Tuy nhiên do có 2 bộ hiển thị (một bộ tùy chọn) nên việc thực hiện logic điều khiển còn phải thông qua các tín hiệu A0, A1, Display, RW ở đầu ra của U8, đây là bộ đệm đầu ra 3 trạng thái

Keypad là bàn phím kiểu ma trận, chức năng logic nhận phím được thực hiện thông qua bộ GAL thứ hai (U2, mảng logic AND lập trình được họ 22V10) Các đầu vào là các tín hiệu hàng, cột, tín hiệu chọn phím (keypad) từ U7/22, tín hiệu giữ phím (hold) từ U7/15 Số hiệu phím và chế độ nhấn được mã hóa trong 5 bít dữ liệu (D0-D5) của đầu ra bộ GAL (U2) Việc thực hiện nhận phím có sự đồng bộ của xung nhịp CLK (U2/10) được tạo ra từ bộ tạo dao động sử dụng IC LM556 (U6)

Việc báo hiệu bằng âm thanh được thực hiện bằng mạch tạo dao động sử dụng IC LM556 Tín hiệu điều khiển mạch tạo dao động âm thanh được cấp đến từ U7/21 (BEEP) sau đó được chốt bằng mạch Triger RS (U3, 74HC123) theo logic điều khiển trong chương trình trên máy tính cấp đến thông qua PLCBus

2.KHỐI ĐO THÔNG SỐ KHÍ VÀ ĐIỀU KHIỂN VAN TIẾT LƯU

Module Analogue Interface được trình bày ở phụ lục 2 và phụ lục 3, có chức năng

nhận tín hiệu từ các cảm biến (áp suất, o xy, lưu lượng…) thông qua các bộ ADC để cấp dữ liệu số vào máy tính thông qua giao diện PLCBus Đồng thời xuất các tín hiệu tương tự thông qua các bộ DAC để cấp đến MFC1, MFC2 Hoạt động của module như sau:

Các tín hiệu tương tự từ các cảm biến được đi qua bộ chọn 16 đầu vào, một đầu ra (MUX-16) rồi được đưa đến đầu vào của bộ ADC 15 bít Việc điều khiển bộ chọn MUX-16 được thực hiện thông qua bộ đếm địa chỉ có đặt trước U11 (74HC161), mối thời điểm chỉ có một tín hiệu cảm biến được đọc vào máy tính Việc đồng bộ và khống chế bộ đếm địa chỉ được thực hiện bằng tín hiệu điều khiển

ở đầu ra U12 (MUX, U12/21) đưa đến chân CLK của bộ đếm (U11)

Việc điều khiển hoạt động đồng bộ của ADC (U5) cũng được thực hiện thông qua các đầu ra của U12 U12 thực tế điều khiển hoạt động của bộ DAC (U4), ADC (U5), MUX-16 (U3), bộ đệm dữ liệu điều hướng 2 chiều (U10) Nói rõ hơn, mỗi thời điểm chỉ 1 trong các thành phần ADC, DAC được kích hoạt (chip select), điều này nhằm tránh việc xung đột bus dữ liệu 8 bít trên PLCBus

Việc đọc dữ liệu từ ADC (U5) và ghi dữ liệu ra DAC phải được thực hiện bởi các tín hiệu đầu ra (A1, A2, RD, WR) của bộ đệm 3 trạng thái (U13, 74AC541) Việc phải cấp các tín hiệu địa chỉ A1, A2 từ đầu ra của U13 đến các đầu vào chọn địa chỉ (A0, A1) của bộ DAC (U4) là bởi đây là bộ DAC được tích hợp 4 bộ DAC bên trong Tuy nhiên chỉ sử dụng 3 bộ DAC trong 4 số đó là DAC_A, DAC_B, DAC_C Mức điện áp tham chiếu cấp cho các bộ DAC bên trong U4 được thực hiện bởi IC U1 (AD586)

Ngoài ra trong module Analogue Interface còn bố trí các bộ ổn định điện áp

1 chiều ±12V, ±5V để cung cấp nguồn cho các IC chức năng hoạt động

Mạch tạo nguồn ±12V và ±5V cung cấp cho các linh kiện trong bo mạch U9 tạo nguồn DC +12V từ nguồn DC +15V U7 tạo nguồn +5V DC từ nguồn +12V DC của đầu ra U9 Giải pháp này được thực hiện để giảm công suất tiêu hao trên U7,