SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 181
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ NUÔI RUỘT HOÀN HỒI NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU TRỊ BỆNH NHÂN HỘI CHỨNG RUỘT NGẮN
STUDY ON DESIGN AND MANUFACTURING OF ARTIFICIAL RECOVERY COLTAL FEEDING DEVICE IN TREATMENT OF PATIENTS WITH SHORT BOWL SYNDROME Nguyễn Duy Văn1,*, Đinh Thế Hoan2, Trần Ngọc Tiến3 TÓM TẮT Các bệnh lý liên quan đến ruột non gây nên các tình trạng nguy hiể
m cho
cơ thể. Một trong số đó là hội chứng ruột ngắn, hội chứng này xảy ra khi độ
dài
ruột non còn lại của cơ thể chỉ chiếm dưới 25% so với chuẩn theo tuổi hoặ
c sau
phẫu thuật, khiến bệnh nhân cần phải được hỗ trợ dinh dưỡng ngoài ruột. ỞViệt Nam, phương pháp hỗ trợ dinh dưỡng cho bệnh nhân như nuôi hoàn hồ
i,
nuôi tĩnh mạch, nuôi ống thông đều thực hiện thủ công, nhược điể
m là gây khó
chịu, đau đớn, tắc hay nhiễm trùng vị trí tiêm của bệnh nhân. Trong nghiên cứ
u
này, bài báo đề xuất nghiên cứu về việc thiết kế một thiết bị nuôi ruột hoàn hồ
i
như một giải pháp thay thế cho phương pháp nuôi thủ công. Thiết bị này sẽ hỗtrợ tái truyền dưỡng chấp và cung cấp dinh dưỡng trực tiếp đến các đoạn ruộ
kết nối hai đầu ruột phía trên và dưới. Sự phát triển của thiết bị này có tiề
m
năng mang lại lợi ích lớn và hỗ trợ cho nhân viên y tế
trong quá trình nuôi
dưỡng, điều trị bệnh. Từ khóa: Nuôi hoàn hồi, bơm nhu động, bệnh lý liên quan đến ruột. ABSTRACT
Pathologies related to the small intestine can pose significant risks to the
body. One such condition is short bowel syndrome, which occurs when the
remaining length of the small intestine in children is less than 25% of the standard
for their age or afte
r surgery, necessitating nutritional support outside the
intestine. In Vietnam, methods of nutritional support for patients such as enteral
feeding, parenteral nutrition, and tube feeding are manually performed, with the
drawback of causing discomfort, pai
n, blockages, or infections at the injection site.
This research proposes the design of a device for enteral nutrition as an alternative
solution to manual feeding methods. This device would support continuous
nutrient infusion and directly provide nutriti
on to the intestinal segments,
connecting the upper and lower ends of the intestine. The development of this
device has the potential to bring significant benefits and support healthcare
professionals in the feeding process. Keywords: Chyme reinfusion, peristaltic pumps, small bowel diseases. 1Lớp Cơ điện tử 02 - K13, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội2Lớp Cơ điện tử 03 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội3Trường Cơ khí - Ô tô, Khoa Cơ khí, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: vannguyen.nue@gmail.com 1. GIỚI THIỆU Ruột non là một bộ phận quan trọng của hệ tiêu hóa trong cơ thể con người, nằm giữa dạ dày và đại tràng với cấu tạo bao gồm tá tràng, hỗng tràng và hồi tràng. Chức năng chính của ruột non là tiêu hóa và hấp thu các chất dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể, bao gồm: điện giải, nước, glucid, protid và vitamin. Bên cạnh đó, ruột non còn chịu trách nhiệm bài tiết dịch ruột, bài tiết nội tiết tố và chức năng miễn dịch. Tuy nhiên, khi gặp phải các bệnh lý liên quan đến ruột non, hội chứng ruột ngắn do bẩm sinh hoặc hậu phẫu thuật, sẽ gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe cả về mặt tiêu hóa và sức khỏe tổng thể của cơ thể con người. Nuôi ruột hoàn hồi là một phương pháp y tế được sử dụng để hỗ trợ điều trị cho bệnh nhân mắc hội chứng ruột ngắn. Phương pháp này nhằm tái thiết lập sự liên tục đường tiêu hóa và đảm bảo cung cấp đủ dinh dưỡng cho đoạn ruột dưới. Một số nghiên cứu đã đưa ra các thiết bị tự động để thay thế phương pháp nuôi ruột hoàn hồi thủ công. Bơm ruột hoàn hồi được lần đầu được triển khai bởi tiến sĩ E. Levy, thiết kế đầu tiên với nguyên lý hút và đẩy của hai bơm nhu động. Một nghiên cứu hồi cứu trên 306 bệnh nhân nhập viện được điều trị bằng Chyme reinfusion từ năm 2000 đến 2018 đã được thực hiện. Chyme reinfusion là việc sử dụng một máy bơm nhu động hút nhũ chấp từ phía ruột trên thoát ra và thực hiện bơm lại nó ngay lập tức trong một ống được đưa vào ruột phía dưới đã phục hồi chức năng đường ruột, giảm 89% nhu cầu Intravenous Solutions và giúp cải thiện tình trạng dinh dưỡng và xét nghiệm gan. Tại Việt Nam, nghiên cứu về phương pháp nuôi hoàn hồi còn hạn chế, phương pháp nuôi hoàn hồi ở Việt Nam đã được thực hiện tại một số bệnh viện chủ yếu bằng phương pháp thủ công là tiến hành nối đầu sonde tá tràng phía trên và dẫn lưu hồi tràng phía dưới bằng dây nối ba chạc để tận dụng dịch tiêu hóa mất qua đầu ruột trên và truyền lại xuống đẩu ruột dưới, tuy nhiên vẫn chưa có nhiều báo cáo cụ thể nào về phương pháp nuôi hoàn hồi. Trong nghiên cứu này, nhóm đề xuất nội dung nghiên cứu,
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
182
KHOA H
ỌC
thiết kế thiết bị nuôi ruột hoàn hồi hoạt động dựa trên nguyên lý của bơm nhu động, các con lăn sẽ nén lên ống mềm và vận chuyển nhũ chấp. Bơm ruột hoàn hồi sẽ là một giải pháp thay thế cho việc nuôi thủ công tốn công sức, đem lại nhiều lợi ích cho cả bệnh nhân và người điều trị, giảm thiểu được thời gian nằm viện. 2. MÔ HÌNH BƠM NHU ĐỘNG NUÔI RUỘT HOÀN HỒI Bài báo đề xuất thiết kế thiết bị nuôi ruột hoàn hồi, một giải pháp khi nuôi hoàn hồi thay thế cho phương pháp nuôi thủ công, thiết bị sẽ được cài đặt để hỗ trợ tái truyền dưỡng chất, dinh dưỡng trực tiếp đến vị trí các đoạn ruột mở thông, nguyên lý hút từ đầu ruột trên, vận chuyển và dẫn lưu xuống đầu ruột dưới bằng bơm ruột hoàn hồi (hình 1). Thiết bị dành cho những bệnh nhân gặp các vấn đề liên quan đến dinh dưỡng đường ruột như đứt ruột, ngắn ruột, xoắn ruột, phẫu thuật cắt ruột,… và cần hỗ trợ dinh dưỡng trong thời gian chờ đợi để làm phẫu thuật tiếp theo và phục hồi. (www.clinicalnutritionjournal.com) Hình 1. Tái truyền dưỡng chất bệnh nhân ruột mở thông Chất lỏng được chứa bên trong một ống mềm được lắp vào trong một vỏ máy bơm hình tròn. Trong quá trình hoạt động máy bơm thực hiện ba quá trình là quá trình hút, vận chuyển và đẩy. Lưu lượng của bơm thay đổi tùy thuộc vào đường kính của ống và vận tốc quay của rotor. Hình 2. Nguyên lý nhu động của bơm và thể tích nhũ chất Bơm ruột hoàn hồi được thiết kế với mục đích phục vụ cho việc hoạt động trong y tế. Bơm ruột hoàn hồi phải đáp ứng được nhiều yêu cầu về độ chính xác cũng như an toàn về cả thiết kế và vận hành. Bơm ruột hoàn hồi sẽ gồm các khối cơ bản sau: khối nguồn, khối nhập số liệu đầu vào, khối hiển thị, khối điều khiển trung tâm, khối điều khiển động cơ và cơ cấu chấp hành. Cài đặt các thông số cho hệ thống thông qua các phím chức năng đưa vào khối điều khiển trung tâm qua các cổng và phương thức giao tiếp. Dựa vào các thông số đã được cài đặt, khối điều khiển trung tâm sẽ xuất ra tín hiệu xung PWM để điều khiển các cơ cấu chấp hành thông qua khối điều khiển động cơ. Việc này giúp cho phần bơm nhu động quay từ đó hút và xả chất lỏng với lưu lượng mong muốn. Hình 3. Bản vẽ phân ra của thiết bị Sơ đồ khối hệ thống: Khối nguồn DC, Pin cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống gồm nguồn 9V, nguồn Adapter 9V. Khối đầu vào: khi nhấn các phím của keypad matrix 4x4. Khối xử lý trung tâm: nhận tín hiệu từ khối đầu vào và xử lý, xuất ra tín hiệu Digital đến khối điều khiển động cơ theo chương trình điều khiển, bên cạnh đó cũng xuất tín hiệu đến khối hiển thị LCD thông qua giao tiếp I2C. Khối điều khiển động cơ TB6560 sẽ nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm và điều khiển động cơ bước quay theo chiều và số vòng mong muốn. Khối xử lý trung tâm (Adruino Uno) Khối tiếp nhận (Keypad matrix 4x4) Khối hiển thị (LCD 16x2) Khối nguồn (Nguồn DC, PIN) Driver điều khiển động cơ TB6560 Động cơ bước Dòng điện năng Dòng tín hiệu 38 Khối đầu ra là động cơ bước nhận tín hiệu Analog từ khối điều khiển và thực hiện theo tín hiệu từ khối điều khiển động cơ. Hình 4. Sơ đồ khối hệ thống 3. LỰA CHỌN LINH KIỆN, ĐO THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN Sử dụng arduino để xây dựng chương trình điều khiển thiết bị.
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 183
Hình 5. Bo mạch arduino Hình 6. động cơ bước NEMA 17 size 42x48mm Cơ cấu chấp hành sử dụng động cơ bước: là loại động cơ chấp hành đặc biệt, thường được sử dụng cho các hệ truyền động rời rạc. Step Motor thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của Rotor và có khả năng cố định Rotor vào những vị trí cần thiết. Bên cạnh đó còn các linh kiện điện tử hỗ trợ như: Mạch điều khiển động cơ TB6560, Keypad matrix 4x4, Màn hình LCD 16x2, Module giao tiếp I2C, Nguồn Power Adaptor DC 9V-2A, Pin vuông panasonic 9V. Hình 7. Đặc tính lưu lượng trung bình của bơm với lưu chất là sữa Hình 8. Đặc tính lưu lượng trung bình của bơm với lưu chất là cháo Sau khi xây dựng hệ thống và gia công phần cứng cho mô hình thiết bị nhóm tác giả tiến hành đo thực nghiệm kết quả và đánh giá. Dựa trên kết quả đo được trên thực nghiệm, nhóm nghiên cứu xây dựng đường đặc tính lưu lượng trung bình của bơm với hai lưu chất sữa và cháo. Nhận xét đường đặc tính: Lưu lượng trung bình thực nghiệm nhỏ hơn lưu lượng trung bình lý thuyết. Khi càng tăng số vòng quay thì độ chênh lệch giữa lưu lượng trung bình lý thuyết và lưu lượng trung bình thực nghiệm với lưu chất là cháo càng tăng. Lưu lượng đạt được trên thực nghiệm với sữa so với lý thuyết tại 4 vòng/phút là 50,505% và tại 20 vòng/phút là 47.605%. Lưu lượng đạt được trên thực nghiệm với cháo so với lý thuyết tại 4 vòng/phút là 50,505% và tại 20 vòng/phút là 44.72%. 4. KẾT LUẬN Phương pháp nuôi hoàn hồi ra đời được xem là phương pháp mang lại hy vọng mới cho những bệnh nhân không may mắc hội chứng cần hỗ trợ dinh dưỡng sớm trực tiếp đến vị trí các đoạn ruột kém hấp thu, mất khả năng hấp thu và bơm ruột hoàn hồi là một giải pháp của nuôi hoàn hồi một cách tự động. Nhóm tác giả đã chế tạo mô hình thiết bị nuôi ruột hoàn hồi nhân tạo và tiến hành thử nghiệm với hai loại lưu chất có độ đặc nhớt khác nhau. Thiết bị hoạt động ổn định, đáp ứng được những yêu cầu về cài đặt thông số liều lượng, tốc độ, loại lưu chất. Từ kết quả thử nghiệm mô hình thực tế, nhóm tác giả đã xây dựng đường đặc tính lưu lượng trung bình của thiết bị. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Thị Thuý Hồng, Lưu Thị Mỹ Thục, Vũ Mạnh Hoàn, Lường Hữu Bảy, Phạm Anh Thơ, 2021. Nuôi ăn hoàn hồi dịch tiêu hóa cho trẻ có dẫn lưu hai đầu ruột: báo cáo ca bệnh. Tạp chí nghiên cứu y học, 149(1), 248-253. [2]. Picot, D. 2013. Entérostomies temporaires à haut débit et réinstillation du chyme à domicile. Expérience d’un centre. Nutrition Clinique et Métabolisme, 27(4), 249-254. [3]. Sharma P., Davidson R., Davidson J., Keane C., Liu C., Ritchie S. R., O'Grady G., 2020. Novel chyme reinfusion device for gastrointestinal fistulas and stomas: feasibility study. Journal of British Surgery, 107(9), 1199-1210. [4]. Kastl Jr A. J., Terry N. A., Wu G. D., Albenberg L. G., 2020. The structure and function of the human small intestinal microbiota: current understanding and future directions. Cellular and molecular gastroenterology and hepatology, 9(1), 33-45. [5]. Picot D., Garin L., Trivin F., Kossovsky M. P., Darmaun D., Thibault R. 2010. Plasma citrulline is a marker of absorptive small bowel length in patients with transient enterostomy and acute intestinal failure. Clinical Nutrition, 29(2), 235-242. [6]. Wei J. P., Li X. H., Zhao Q. C., 2018. Application of Succus Entericus Reinfusion in a Patient with Rectal Cancer and Jejunal Diverticulum: A Case Report and Literature Review. Journal of Nutritional Oncology, 3(4), 189-192. [7]. Tian W., Zhao R., Xu X., Zhao Y., Luo S., Tao S., Yao Z., 2022. Chyme reinfusion reducing the postoperative complications after definitive surgery for small intestinal enteroatmospheric fistula: a cohort study. Frontiers in Nutrition, 9.