Tài liệu Nghiên cứu, cải tiến thiết bị điện châm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu, cải tiến thiết bị điện châm NGUYỄN VĂN HÙNG Ngành Kỹ thuật Y sinh Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Việt Dũng Viện: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI, 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu, cải tiến thiết bị điện châm NGUYỄN VĂN HÙNG Ngành Kỹ thuật Y sinh Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Việt Dũng Chữ ký của GVHD Viện: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI, 2021 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Văn Hùng Đề tài luận văn: Nghiên cứu, cải tiến thiết bị điện châm Chuyên ngành: Ngành Kỹ thuật y sinh Mã số SV: BC190188 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 30 tháng 12 năm 2021 với các nội dung sau: 1. Chỉnh sửa theo ý kiến của hội đồng về các lỗi chế bản. 2. Bổ sung các thông số so sánh với các loại pin phổ biến trên thị trường. 3. Chỉnh sửa lại Lời nói đầu và Danh mục tài liệu tham khảo. Giáo viên hướng dẫn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Ngày 31 tháng 12 năm 2021 Tác giả luận văn LỜI CẢM ƠN Trước tiên, cho phép em được gửi lời cảm ơn tới Thầy, TS. Nguyễn Việt Dũng đã hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong quá trình làm luận văn. Đặc biệt, em xin cảm ơn các thầy cô của bộ môn CNĐT & Kỹ thuật y sinh - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã trang bị cho em những kiến thức chuyên môn để làm nền móng vững chắc trên con đường sự nghiệp của mình. Những kiến thức truyền đạt của các thầy cô đã giúp em rất nhiều trong việc nâng cao trình độ hiểu biết về kỹ thuật thiết bị y tế, đặc biệt là các trang thiết bị điện tử y tế. Cuối cùng em xin gửi lời chúc tốt đẹp đến thầy TS. Nguyễn Việt Dũng. Chúc thầy luôn có sức khoẻ tốt để tiếp tục dìu bước các thế hệ mai sau trên con đường tri thức. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận văn Nguyễn Văn Hùng MỤC LỤC DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................. iii DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................... iv DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. vi LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. DÒNG ĐIỆN VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG ĐIỆN ................................................................................................................................ 3 1.1 Dòng điện ..................................................................................................... 3 1.1.1 Định nghĩa dòng điện, đặc điểm của dòng điện trong các chất khác nhau ................................................................................................. 3 1.1.2 Dòng điện xoay chiều, dòng điện một chiều......................................... 5 1.1.3 Các tác dụng của dòng điện ................................................................. 6 1.2 Tác động của dòng điện lên cơ thể người .................................................... 7 1.2.1 Tác dụng tích cực.................................................................................. 7 1.2.2 Tác dụng tiêu cực.................................................................................. 8 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN CHÂM .................................... 12 2.1 Giới thiệu về máy điện châm ..................................................................... 12 2.2 Vai trò và chức năng của máy điện châm trong y tế .................................. 12 2.2.1 Vai trò ............................................................................................... 12 2.2.2 Chức năng ........................................................................................... 14 2.3 Sơ đồ khối và chức năng các khối của một thiết bị điện châm .................. 15 2.4 Nghiên cứu đặc trưng kỹ thuật của các máy điện châm hiện có tại thị trường và Bệnh viện Y Dược cổ truyền Sơn La .......................................................... 17 2.4.1 Dòng máy của hãng ITO của Nhật bản .............................................. 17 2.4.2 Dòng máy Sanitas SEM40 của Đức ................................................... 20 2.4.3 Dòng máy STN-110 của Hàn Quốc .................................................... 21 2.4.4 Dòng máy SDZ-II của Trung Quốc .................................................... 23 2.4.5 Dòng máy điện châm của Việt Nam ................................................... 25 2.5 Đánh giá và xây dựng chi tiêu kỹ thuật dự kiến cho bộ sạc pin của máy điện châm .......................................................................................................... 27 CHƯƠNG 3. KHÁI QUÁT VỀ CÁC LOẠI PIN ............................................ 31 3.1 Pin .......................................................................................................... 31 3.1.1 Cấu tạo của pin................................................................................... 32 3.1.2 Nguyên lý hoạt động của pin .............................................................. 32 3.1.3 Phân loại pin ...................................................................................... 33 3.2 Các loại pin sạc .......................................................................................... 34 3.2.1 Pin Niken - Cadmium ......................................................................... 34 i 3.2.2 Pin Niken - Kim loại ........................................................................... 35 3.2.3 Pin Lithium - ion................................................................................. 36 3.2.4 Pin Axit - Chì ...................................................................................... 37 3.2.5 Pin Li - Po .......................................................................................... 38 CHƯƠNG 4.THIẾT KẾ, CẢI TIẾN KHỐI NGUỒN CỦA THIẾT BỊ ĐIỆN CHÂM ................................................................................................................. 39 4.1 Thông số kỹ thuật của sản phẩm thiết kế................................................... 39 4.2 Thiết kế sơ đồ khối .................................................................................... 40 4.3 Thiết kế chi tiết .......................................................................................... 41 4.3.1 Khối sạc pin ........................................................................................ 41 4.3.2 Khối pin .............................................................................................. 42 4.3.3 Khối tăng áp ....................................................................................... 45 4.3.4 Khối chuyển đổi điện áp nguồn .......................................................... 45 4.4 Sơ đồ kết nối và lắp đặt ............................................................................. 46 4.4.1 Thiết kế mạch trên phần mềm Altium Designer 19 ............................ 46 4.4.2 Lắp đặt và hoàn thiện ......................................................................... 47 4.5 Thử nghiệm ................................................................................................ 52 4.5.1 Vận hành thử nghiệm tại chỗ ............................................................. 52 4.5.2 Vận hành thử nghiệm thực tế trên khoa lâm sàng.............................. 52 4.6 Ứng dụng thực tế ....................................................................................... 53 4.6.1 Địa điểm áp dụng ............................................................................... 53 4.6.2 Phương pháp thu thập số liệu ............................................................ 53 4.6.3 Khía cạnh đạo đức của nghiên cứu .................................................... 54 4.6.4 Hạn chế của nghiên cứu ..................................................................... 54 4.7 Kết quả ....................................................................................................... 55 4.7.1 Tổng hợp thời gian hoạt động của máy điện châm tại khoa Ngoại tổng hợp ............................................................................................... 55 4.7.2 Tổng hợp thời gian hoạt động của máy điện châm tại khoa Châm cứu dưỡng sinh ............................................................................................... 57 4.7.3 Tổng hợp chung số giờ hoạt động của máy điện châm tại khoa Ngoại tổng hợp và khoa Châm cứu dưỡng sinh .................................................... 60 4.7.4 Kết luận .............................................................................................. 63 CHƯƠNG 5. KẾTLUẬN .................................................................................. 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 66 ii DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Kí hiệu chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ bằng tiếng Anh Chữ viết đầy đủ bằng tiếng Việt 1 AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều 2 DC Direct Current Dòng điện một chiều 3 LED Light-Emitting-Diode Diode phát quang 4 LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng 5 PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in 6 CT Computed Tomography Chụp cắt lớp vi tính 7 MRI Magnetic Resonance Imaging Chụp cộng hưởng từ 8 EMS Electrical Muscle Stimulation Xung điện kích thích 9 TENS Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation Kích thích thần kinh bằng xung điện qua da 10 IC Integrated Circuit Vi mạch tích hợp iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Chiều dòng điện và sự di chuyển của electron ....................................... 3 Hình 1.2 Dòng điện trong chất điện phân .............................................................. 4 Hình 1.3 Dòng điện trong chất khí ........................................................................ 5 Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn dòng điện xoay chiều ................................................... 5 Hình 1.5 Dòng điện một chiều tạo ra từ Pin khô ................................................... 6 Hình 1.6 Sốc điện ngoài lồng ngực........................................................................ 8 Hình 1.7 Một nguyên nhân bị điện giật ................................................................. 8 Hình 1.8 Điện giật gây bỏng da trên cơ thể ......................................................... 11 Hình 2.1 Máy điện châm...................................................................................... 12 Hình 2.2 Sử dụng máy điện châm M8 tại Bệnh viện Y Dược cổ truyền Sơn La 14 Hình 2.3 Sơ đồ khối của một máy điện châm ...................................................... 16 Hình 2.4 Máy điện châm ES-160 của Nhật Bản .................................................. 17 Hình 2.5 Máy điện châm IC-1107 của Nhật Bản ................................................ 19 Hình 2.6 Dòng máy Sanitas SEM40 của Đức ..................................................... 21 Hình 2.7 Dòng máy STN-110 của Hàn Quốc ...................................................... 22 Hình 2.8 Dòng máy SDZ - II của Trung Quốc .................................................... 24 Hình 2.9 Hình dạng bên ngoài máy điện châm M8 ............................................ 26 Hình 2.10 Máy điện châm 5 cọc Electronic Acupuncture 1592-ET-TK21 ......... 27 Hình 2.11 Máy điện châm sử dụng pin dùng một lần.......................................... 28 Hình 2.12 Máy điện châm sử dụng nguồn Adapter ............................................. 29 Hình 3.1 Hình ảnh một số loại pin phổ biến trên thị trường................................ 31 Hình 3.2 Cấu tạo bên trong của một viên pin ...................................................... 32 Hình 3.3 Nguyên lí hoạt động của pin ................................................................. 32 Hình 3.4 Pin không sạc Alkaline ......................................................................... 33 Hình 3.5 Pin sạc Ni-Cd ........................................................................................ 34 Hình 3.6 Pin Ni-MH ............................................................................................ 35 Hình 3.7 Pin Lithium - ion ................................................................................... 36 Hình 3.8 Pin axit-chì ............................................................................................ 38 Hình 3.9 Pin Li - Po ............................................................................................. 38 Hình 4.1 Sơ đồ khối của bộ sạc pin ..................................................................... 41 iv Hình 4.2 Sơ đồ mạch sạc pin sử dụng IC TP4056 ............................................... 42 Hình 4.3 Khối pin 18650 gồm có 4 cell pin mắc song song ................................ 42 Hình 4.4 Sơ đồ mạch bảo vệ pin .......................................................................... 43 Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lí mạch tăng áp ............................................................... 45 Hình 4.6 Sơ đồ mạch chuyển đổi điện áp 5V dùng để cấp nguồn cho IC sạc ..... 46 Hình 4.7 Sơ đồ mạch nguyên lí được vẽ trên phần mềm Altium ........................ 47 Hình 4.8 Sơ đồ mạch in thiết kế trên phần mềm Altium ..................................... 47 Hình 4.9 Mô phỏng mạch in 3D trên phần mềm Altium ..................................... 47 Hình 4.10 Mạch sau khi hoàn tất các công đoạn hàn linh kiện ........................... 48 Hình 4.11 Hàn các dây kết nối vào mạch ............................................................ 48 Hình 4.12 Điện áp đầu ra của mạch đạt mức +9V DC ........................................ 48 Hình 4.13 Lắp đặt mạch và pin vào máy điện châm ............................................ 49 Hình 4.14 Máy điện châm Đông Á SDZ-II đang hoạt động với nguồn cấp từ pin sạc ......................................................................................................................... 49 Hình 4.15 Máy điện châm đang được sạc pin ...................................................... 50 Hình 4.16 Trong khi sạc pin, đèn LED đỏ trên mạch sẽ sáng……………………........ 51 Hình 4.17 Khi sạc đầy, đèn LED xanh trên mạch sẽ sáng để thông báo đã sạc đầy…………………………………………………………………………………..………………….. 51 Hình 4.18 Bảo vệ khỏi hiện tượng xả quá cạn……………………………………………. 52 Hình 4.19 Chức năng bảo vệ quá dòng……………………………...………………..……… 52 Hình 4.20 Máy điện châm SDZ-II ở chế độ vừa sạc vừa sử dụng……………..…...... 53 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Chỉ tiêu kỹ thuật dự kiến cho bộ sạc, xả pin ........................................ 30 Bảng 4.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật dự kiến cho bộ sạc, xả pin dùng cấp nguồn cho máy điện châm ............................................................................................................. 40 Bảng 4.2 Điện áp ra của mạch sau các lần sạc xả…………………...….……...…………. 56 Bảng 4.3 Thời gian hoạt động của máy điện châm SDZ-II tại khoa Ngoại tổng hợp .............................................................................................................................. 55 Bảng 4.4 Thời gian hoạt động của máy điện châm M7 tại khoa Ngoại tổng hợp 56 Bảng 4.5 Thời gian hoạt động của máy điện châm M8 tại khoa Ngoại tổng hợp 57 Bảng 4.6 Thời gian hoạt động của máy điện châm SDZ-II tại khoa Châm cứu dưỡng sinh............................................................................................................ 58 Bảng 4.7 Thời gian hoạt động của máy điện châm M7 tại khoa Châm cứu dưỡng sinh ....................................................................................................................... 59 Bảng 4.8 Thời gian hoạt động của máy điện châm M8 tại khoa Châm cứu dưỡng sinh ....................................................................................................................... 60 Bảng 4.9 Thời gian hoạt động của máy điện châm SDZ-II, M7 và M8 tại khoa Ngoại tổng hợp..................................................................................................... 61 Bảng 4.10 Thời gian hoạt động của máy điện châm SDZ-II, M7 và M8 tại khoa Châm cứu dưỡng sinh .......................................................................................... 62 Bảng 0.11 Thời gian hoạt động khi dùng pin sạc của máy điện châm SDZ-II, M7 và M8 tại khoa Ngoại tổng hợp và khoa Châm cứu dưỡng sinh…………………...62 Bảng 0.12 Thời gian hoạt động khi dùng pin sử dụng một lần của máy điện châm SDZ-II, M7 và M8 tại khoa Ngoại tổng hợp và khoa Châm cứu dưỡng sinh…..63 vi LỜI MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Hiện nay, tại các bệnh viện chuyên khoa Y Dược học Cổ truyền nói chung và Bệnh viện Y Dược Cổ truyền Sơn La nói riêng sử dụng rất nhiều trang thiết bị y tế để làm các thủ thuật khám chữa bệnh và điều trị cho bệnh nhân. Trong đó phương pháp điện châm là một thủ thuật phổ biến, thủ thuật này là phương pháp kết hợp giữa y học cổ truyền (châm cứu) và y học hiện đại (máy điện châm). Máy điện châm tạo ra dạng xung điện nhọn có tần số sóng từ 1-100Hz và cường độ dòng truy xuất dưới 150mA. Hiện tại, đơn vị đang sử dụng 2 dòng máy chính là: Máy điện châm của viện châm cứu Trung ương sản xuất: Modell M7, M8 và máy điện châm của Trung Quốc sản xuất hiệu Đông Á SDZ-II. Thiết bị này sử dụng nguồn điện một chiều, điện áp cấp nguồn 6V DC với máy Việt Nam sản xuất hoặc điệp áp 9V DC do Trung Quốc sản xuất, thiết kế chủ yếu là dùng nguồn điện năng do pin dùng một lần cung cấp. Trên thị trường có khá nhiều máy điện châm do nước ngoài sản xuất như máy của Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc... và một số máy sản xuất trong nước nhưng hầu hết các máy này sử dụng pin dùng một lần hoặc dùng Adapter chuyển đổi từ điện lưới 220V AC. Điều này gây ra không ít những bất lợi khi sử dụng máy điện châm cùng với đó là vấn đề ô nhiễm môi trường và kinh phí mua pin tốn kém. Đối với dùng nguồn điện trực tiếp được biến đổi qua Adapter, khi sử dụng điện trực tiếp cần nhiều ổ cắm điện, mật độ giường bệnh khác nhau dẫn tới tốn kém về vật tư, thời gian và mất an toàn sử dụng điện. Bệnh viện Y Dược Cổ truyền Sơn La có 7 khoa lâm sàng, trực tiếp điều trị cho bệnh nhân nội trú, ngoại trú tại đơn vị với tổng số 340 máy điện châm sử dụng để điều trị cho 420 giường bệnh. Với số lượng máy điều trị lớn nên mỗi năm thải ra môi trường hơn 8.616 quả pin do không tái sử dụng được, mặt khác với giá 6.000 đồng/1 đôi (hiệu Con Thỏ do Việt Nam sản xuất) thì một năm chi khoảng 26.000.000 đồng cho khoản mua pin (theo số liệu kiểm kê tài sản, y dụng cụ của bệnh viện Y Dược Cổ truyền Sơn La năm 2019). Với mong muốn nhằm giảm thiểu nguồn rác thải nguy hại ra môi trường, tiết kiệm nguồn kinh phí mua vật tư tại đơn vị, nâng cao chất lượng điều trị, tôi đã thực hiện Luận văn với đề tài: “Nghiên cứu, cải tiến thiết bị điện châm”. Mục đích, phạm vi và đối tượng nghiên cứu của luận văn Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Cải tiến nguồn cấp cho thiết bị điện châm. 1 Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Nguồn cấp cho máy điện châm sau khi cải tiến sử dụng để cấp nguồn cho tất cả các thiết bị điện châm đang được sử dụng trong y tế. Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Các loại máy điện châm đang được sử dụng tại bệnh viện Y học Cổ truyền Sơn La bao gồm các máy điện châm SDZ-II, máy điện châm M7 và M8. Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả - Các nội dung chính được đưa ra trong Luận văn: Tìm hiểu về dòng điện và các đặc điểm của dòng điện. Khảo sát các máy điện châm đang sử dụng. Khảo sát về các loại pin sạc và pin dùng một lần có trên thị trường. Đánh giá và đưa ra các yêu cầu kỹ thuật cho sản phẩm. Xây dựng và lựa chọn phương pháp chế tạo. Thực hiện chế tạo. Đánh giá thử nghiệm. Kiểm định độ an toàn của sản phẩm. Kết luận và hướng phát triển đề tài. Luận văn “Nghiên cứu, cải tiến thiết bị điện châm” hoàn thành sẽ giúp tiết kiệm nguồn kinh phí mua vật tư cho cơ sở y tế, cải tiến nguồn cấp điện giúp tăng thời gian sử dụng thiết bị điện châm, nâng cao chất lượng điều trị, khắc phục được các nhược điểm hiện có của pin dùng một lần và Adapter, tạo ra môi trường điều trị an toàn cho bệnh nhân và giảm thiểu nguồn rác thải nguy hại ra môi trường. Phương pháp nghiên cứu Trong bài luận văn sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu: Phương pháp phân tích - tổng hợp, phương pháp so sánh, phương pháp liệt kê. Ngoài ra, luận văn còn sử dụng thêm các tài liệu từ các bài báo, các trang web, tạp chí chuyên ngành và công trình nghiên cứu có liên quan. 2 CHƯƠNG 1. DÒNG ĐIỆN VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG ĐIỆN 1.1 Dòng điện 1.1.1 Định nghĩa dòng điện, đặc điểm của dòng điện trong các chất khác nhau a) Định nghĩa dòng điện Dòng điện là dòng chuyển dịch có hướng của các hạt mang điện. Trong các mạch điện, dòng điện tạo ra do sự chuyển dịch của các electron dọc theo dây dẫn. Ngoài ra, hạt mang điện cũng có thể là các ion hoặc chất điện ly. Hình 1.1 biểu thị chiều của dòng điện và sự di chuyển của electron trong dây dẫn. Hình 1.1 Chiều dòng điện và sự di chuyển của electron Dòng điện được quy ước là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích dương, chính vì thế, trong mạch điện với dây dẫn kim loại, các electron tích điện âm dịch chuyển ngược chiều với chiều của dòng điện trong dây dẫn. b) Đặc điểm của dòng điện trong các chất khác nhau Dòng điện trong kim loại là một dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới ảnh hưởng của điện trường. Hệ số của nhiệt điện trở không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà nó còn phụ thuộc vào cả độ tinh khiết và chế độ gia công của vật liệu đó. Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại sẽ giảm liên tục. Dòng điện trong chất điện phân là khái niệm được dùng để chỉ dòng dịch chuyển có hướng của các ion. Những ion âm sẽ dịch chuyển về anot còn các ion dương sẽ di chuyển về catot. Ion có trong chất điện phân là do sự phân li của các phân tử chất tan có trong môi trường dung môi. Trong Hình 1.2, khi các ion di chuyển đến các điện cực thì chúng sẽ thực hiện trao đổi electron với các điện cực sau đó được giải phóng ngay tại đó hoặc được tham gia các phản ứng phụ khác. 3 Một trong những phản ứng phụ phổ biến đó đó là phản ứng cực dương tan. Phản ứng phụ này xảy ra tại các bình điện phân có anot là kim loại mà cầu muối của nó có mặt trong dung dịch điện phân. Hình 1.2 Dòng điện trong chất điện phân Đối với các chất bán dẫn, Bản chất của dòng điện trong chất bán dẫn là do dòng electron chuyển động có hướng sinh ra. Nói cách khác, đó là dòng chuyển dời có hướng của các electron ngược chiều điện trường và các lỗ trống theo chiều điện trường. Đối với bán dẫn tinh khiết thì số lượng lỗ trống và số lượng electron bằng nhau. Khả năng dẫn điện của bán dẫn này sẽ tăng khi nhiệt độ tăng lên. Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện trong điện trường. Trong các hạt mang điện, các ion dương chuyển động cùng chiều với điện trường, các ion âm và các electron chuyển động ngược chiều điện trường. Tuy nhiên chất khí thường là chất cách điện do không có các phần tử mang điện tích. Muốn cho các chất khí dẫn điện, cần có các tác nhân ion hóa để tạo ra các hạt mang điện. Dòng điện trong chất khí điển hình là những tia sét trong Hình 1.3, đây là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và mặt đất hay giữa các đám mây mang các điện tích khác dấu, đôi khi còn xuất hiện trong các trận phun trào núi lửa hay bão cát. 4 Hình 1.3 Dòng điện trong chất khí 1.1.2 Dòng điện xoay chiều, dòng điện một chiều a) Dòng điện xoay chiều Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều và cường độ biến đổi theo thời gian, những thay đổi này thường tuần hoàn theo một chu kỳ nhất định. Hình 1.4 là đồ thị biểu diễn sự biến đổi theo thời gian của điện áp xoay chiều. Dòng điện xoay chiều thường được tạo ra từ các máy phát điện xoay chiều hoặc được biến đổi từ nguồn điện một chiều bởi một mạch điện tử thường gọi là bộ nghịch lưu dùng các thyristor. Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn dòng điện xoay chiều Nguồn xoay chiều được viết tắt tiếng Anh là AC (viết tắt của Alternating Current) và được ký hiệu bởi hình ~ (tượng trưng cho dạng sóng hình sin). Nguồn xoay chiều ra đời sau khi phát hiện ra cảm ứng điện từ, năm 1831, Michael Faraday đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có thể sinh ra dòng điện. Dòng điện 5 xoay chiều là sản phẩm đầu tay của một người nước Anh tên Michael Faraday và nhà văn Pháp Hippolyte Pixii. Sau năm 1891, máy phát điện đa năng được sử dụng để cung cấp dòng điện, và tần số dòng điện xoay chiều của máy phát điện, kế đến động cơ đốt và mạch điện được thiết kế từ 16 Hz đến 100 Hz. b) Dòng điện một chiều Khái niệm một chiều trong kỹ thuật điện là để nói đến dòng chuyển dời đồng hướng của các hạt mang điện trong môi trường dẫn điện, như dây dẫn. Điện một chiều thường được viết tắt là 1C (một chiều) hay DC (theo viết tắt tiếng Anh: "Direct Current"). Dòng điện một chiều được tạo ra từ các nguồn như pin, tế bào năng lượng mặt trời. Hình 1.5 mô tả dòng điện một chiều được tạo ra từ pin khô để thắp sáng bóng đèn. Dòng điện một chiều có thể di chuyển trong vật dẫn như dây điện hoặc trong các vật liệu bán dẫn, vật liệu cách điện hoặc trong chân không ví như trong các chùm ion hoặc chùm electron. Trong dòng một chiều, các điện tích chuyển động theo cùng một chiều là từ cực âm của nguồn điện sang cực dương, khác với chiều của dòng điện xoay chiều và chiều dòng điện quy ước. Hình 1.5 Dòng điện một chiều tạo ra từ pin khô 1.1.3 Các tác dụng của dòng điện a) Tác dụng nhiệt - Biểu hiện: Dòng điện đi qua mọi vật dẫn thông thường, đều làm cho vật dẫn nóng lên. Nếu vật dẫn nóng lên tới nhiệt độ cao thì nó phát sáng. - Ví dụ: Bóng đèn dây tóc, lò sưởi điện,... 6 b) Tác dụng phát sáng - Biểu hiện: Dòng điện có thể làm sáng bóng đèn bút thử điện và đèn điôt phát quang mặc dù các đèn này chưa nóng tới nhiệt độ cao. - Ví dụ: Bóng đèn bút thử điện, đèn LED (Light-Emitting-Diode),... c) Tác dụng từ - Biểu hiện: Dòng điện có tác dụng từ vì nó có thể làm quay kim nam châm. - Ví dụ: Quạt điện, máy bơm nước... d) Tác dụng hoá học - Biểu hiện: Dòng điện có tác dụng hóa học, dùng để ứng dụng vào mạ kim loại cho đồ vật. - Ví dụ: Mạ bạc, mạ vàng,... e) Tác dụng sinh lí - Biểu hiện: Dòng điện có tác dụng sinh lí khi đi qua cơ thể người và các động vật. - Ví dụ: Tê liệt thần kinh người, động vật, chữa một số bệnh. 1.2 Tác động của dòng điện lên cơ thể người 1.2.1 Tác dụng tích cực Dòng điện một chiều với cường độ cỡ mA khi truyền qua cơ thể gây nên những tác dụng sinh lý đặc biệt sau: • Làm giảm ngưỡng kích thích của sợi cơ vận động. • Giảm tính đáp ứng của thần kinh cảm giác do đó giảm đau. • Gây giãn mạch ở phần cơ thể giữa hai điện cực. • Tăng cường khả năng dinh dưỡng của vùng có dòng điện đi qua. • Các tác dụng của dòng điện qua cơ thể được ứng dụng trong châm cứu hay điện châm và là cơ sở của liệu pháp Galvani [1], trong đó người ta đưa dòng điện một chiều cường độ tới hàng chục mA vào cơ thể và kéo dài nhiều phút. Tuy nhiên trong những trường hợp tai biến bất ngờ, điện tác dụng lên cơ thể quá những mức độ mà cơ thể có thể chịu đựng được. Lúc đó điện trở thành một mối nguy hiểm cho sức khoẻ và tính mạng con người. • Đối với những bệnh nhân khi tim đã ngừng đập người ta có thể dùng liệu pháp sốc điện ngoài lồng ngực để cố gắng kích thích tim đập lại với hy vọng duy trì sự sống (Hình 1.6). 7 Hình 1.6 Sốc điện ngoài lồng ngực 1.2.2 Tác dụng tiêu cực a) Hiện tượng điện giật, các mức điện giật Hiện tượng điện giật xảy ra khi một người tiếp xúc với một nguồn năng lượng điện như chạm vào dây dẫn đang có dòng điện chạy qua (Hình 1.7). Năng lượng điện chạy qua một phần của cơ thể gây ra hiện tượng giật. Điện giật nhẹ có thể không gây ra vết thương nào, trường hợp nặng có thể gây bỏng (phổ biến nhất do điện giật gây ra) hoặc để lại những “dị tật” khủng khiếp thậm chí còn gây tử vong. Hình 1.7 Một nguyên nhân bị điện giật Điện giật được chia làm hai loại: Điện một pha giật và điện hai pha giật: • Điện một pha giật: Người đứng trên đất, chạm vào một đường điện, điện lưu từ chỗ tiếp xúc qua cơ thể (chân) thông với mặt đất, cơ thể là chất dẫn điện. Phần lớn các tai nạn điện giật thuộc loại này 8 • Điện hai pha giật: Hai chỗ trên cơ thể đồng thời chạm vào hai đường điện, điện lưu chạy từ chỗ dòng điện thấp đến chỗ dòng điện cao lan truyền ra toàn thân, tạo thành một mạch điện kín khiến con người bị điện giật. Điện áp bước là trường hợp người dẫm lên điện áp bị điện giật, có một sợi dây điện rơi xuống đất, địa điểm rơi của dây điện này tạo thành một vòng tròn, mặt đất trong vòng 20m có rất nhiều đường tròn đồng tâm, điện áp ở những vòng tròn này rất khác nhau. Khoảng cách với đường tròn tâm càng gần thì điện áp càng mạnh, và ngược lại, càng xa thì càng yếu. Khi có người bước vào vòng tròn trong khoảng 10m, khi hai chân bước (khoảng 0,8m) sẽ xuất hiện dòng điện áp, đây chính là dẫm vào vùng điện áp. Điện lưu từ chân bước vào vùng có dòng điện cao chạy sang chân ở cùng có điện áp thấp, thông qua cơ thể khiến con người bị co giật. Ngoài ra tần số dòng điện càng cao (trên 500 Hz) càng ít nguy hiểm vì dòng điện chỉ đi ngoài da và không làm co cơ bắp. Dòng điện có tần số từ 25-100 Hz là dòng điện nguy hiểm nhất [2]. b) Các mức điện giật Độ nguy hiểm của điện giật phụ thuộc vào cường độ dòng điện, thời gian dòng điện chạy qua người, và đường đi của dòng điện trên cơ thể người. Dòng điện chạy qua tim và não là nguy hiểm nhất. Các mức độ điện giật như sau: • 1 mA gây đau nhói. • 5 mA gây giật nhẹ. • 50 đến 150 mA có thể giết chết người, bằng các tác động như rhabdomyolysis [3] (phân hủy cơ), hay làm suy thận cấp (do chất độc của cơ bị phân hủy đi vào máu). • 1 đến 4A gây loạn nhịp tim, và lưu thông máu bị gián đoạn. • 10 A gây ngừng tim. Đa phần các nguồn điện nguy hiểm có hiệu điện thế ổn định, nên theo định luật Ohm, cường độ dòng điện phụ thuộc vào điện trở trên đường truyền qua người và điện áp tiếp xúc. Đối với dòng lớn, nó phụ thuộc thêm các hệ thống hạn chế dòng lớn trong mạch điện (như cầu chì). Dòng điện qua người phụ thuộc vào điện trở người. Điện áp tiếp xúc càng cao thì dòng điện qua người càng lớn. Điện trở lớn thì dòng điện nhỏ. 9 c) Tác hại của điện giật lên các bộ phận trên cơ thể người Các tác hại của điện giật: Các tổn thương do điện được xếp loại từ bỏng da bề mặt nhẹ cho tới rối loạn chức năng đa tạng nặng, thậm chí có thể dẫn đến tình trạng tử vong cao cho bệnh nhân. • Tim: Rối loạn nhịp tim nhẹ xảy ra trong vài giờ đầu. Tuy nhiên nếu bị giật điện do dòng điện một chiều hoặc do sét đánh thì bệnh nhân có thể bị ngừng tim đột ngột hoặc bị rung thất do dòng điện xoay chiều gây nên. Rung thất là rối loạn nhịp tim gây tử vong thường gặp nhất, xảy ra trong khoảng 60% bệnh nhân có đường đi của dòng điện từ tay này sang tay khác. Tái lập nhịp xoang tự nhiên sau ngừng tim được ghi nhận trong một số trường hợp tổn thương do điện, nhưng vì liệt hô hấp kéo dài hơn cho nên nhịp tim có thể chuyển sang rung thất do hạ oxy máu. Một số rối loạn khác tại tim cũng được ghi nhận là: Rối loạn nhịp nhĩ, block tim độ 1 và 2, và block nhánh. • Thận: Tình trạng tiêu cơ vân xảy ra do các mô bị hoại tử và có thể nặng hơn nếu bệnh nhân có tổn thương thận cấp do lắng đọng sắc tố của tế bào cơ trong ống thận. Hiện tượng thoát dịch ra khỏi lòng mạch làm giảm thể tích tuần hoàn, gây tăng ure máu trước thận và hoại tử ống thận cấp. • Thần kinh: Sau tổn thương do điện bệnh nhân có thể bị tổn thương cả hai hệ thống thần kinh trung ương và thần kinh ngoại biên. Các biểu hiện bao gồm: Mất ý thức, yếu hoặc liệt chi, suy giảm hô hấp, rối loạn chức năng thần kinh tự động và rối loạn trí nhớ... Trong đó rối loạn cảm giác và vận động do tổn thương thần kinh ngoại biên là khá phổ biến. • Da: Bỏng nhiệt bề mặt, bỏng nhiệt một phần, và bỏng nhiệt toàn bộ có thể xảy ra sau tổn thương do điện. Bỏng thường thấy nhất ở các vị trí tiếp xúc với điện và các vị trí tiếp xúc với mặt đất tại thời điểm tổn thương. Không được dựa vào tổn thương bên ngoài để xác định mức độ tổn thương bên trong, đặc biệt với các tổn thương do điện áp thấp. Trong Hình 1.8 là vết bỏng nhiệt bề mặt da ở cánh tay gây ra bởi điện giật. 10