(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim

(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim(Luận án tiến sĩ) Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim

Trang 1

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

Phan Đăng Hưng

PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT THU NHẬN TÍN HIỆU TIM ĐỒ TRỞ KHÁNG NGỰC ICG ỨNG DỤNG TRONG

PHÉP ĐO THÔNG SỐ CUNG LƯỢNG TIM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Hà Nội - 2021

Trang 2

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

PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT THU NHẬN TÍN HIỆU TIM ĐỒ TRỞ KHÁNG NGỰC ICG ỨNG DỤNG TRONG

PHÉP ĐO THÔNG SỐ CUNG LƯỢNG TIM

Ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 9520203

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ DUY HẢI

Hà Nội - 2021

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Vũ Duy Hải và các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được tác giả khác công bố

Hà Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2021

Người hướng dẫn khoa học

PGS.TS Vũ Duy Hải

Tác giả luận án

Trang 4

Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS Vũ

Duy Hải, người đã luôn tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình

nghiên cứu Thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo của Bộ môn Công nghệ Điện

tử và Kỹ thuật Y sinh, Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

đã định hướng, đóng góp ý kiến, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu.

Tôi cũng xin cảm ơn các thành viên trong nhóm nghiên cứu tim đồ trở kháng ngực – Trung tâm Điện tử y sinh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; các tình nguyện viên đã hỗ trợ và cùng tham gia với tôi trong việc triển khai các thí nghiệm đo lường, phân tích tín hiệu trở kháng ngực tại phòng thí nghiệm

Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, các đơn vị liên quan của Trường Đại học Bách Khoa Hà nội và Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp đã luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này

Hà Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2021

Tác giả luận án

Trang 5

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

Lý do chọn đề tài 1

Mục tiêu của luận án 2

Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận án 3

Đối tượng nghiên cứu 3

Phạm vi nghiên cứu 3

Phương pháp nghiên cứu 4

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5

Về ý nghĩa khoa học 5

Về ý nghĩa thực tiễn 5

Các đóng góp của luận án 5

Bố cục của luận án 6

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 8

1.1 Tim và huyết động 8

1.1.1 Cấu trúc của tim và hoạt động bơm máu 8

1.1.2 Cung lượng tim và các thông số huyết động liên quan 10

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới cung lượng tim 11

1.1.4 Vai trò cung lượng tim trong chẩn đoán và điều trị 13

1.1.5 Các phương pháp đo cung lượng tim 13

1.2 Phương pháp đo cung lượng tim bằng tim đồ trở kháng ngực 18

1.2.1 Giới thiệu chung 18

1.2.2 Trở kháng ngực và tim đồ trở kháng ngực 18

1.2.3 Tính toán cung lượng tim từ tín hiệu ICG 22

1.3 Kỹ thuật ghi đo tín hiệu ICG 24

1.3.1 Mô hình tổng quát 24

1.3.2 Phương pháp giải điều chế và xử lý tín hiệu 28

1.3.3 Các loại nhiễu điển hình 30

Trang 6

1.4 Một số vấn đề còn tồn tại và các nghiên cứu liên quan 33

1.4.1 Vấn đề độ chính xác và tính hiệu quả khi giải điều chế tín hiệu 33

1.4.2 Vấn đề chồng lấn vị trí đặt điện cực 36

1.4.3 Ảnh hưởng của hoạt động hô hấp 37

1.5 Kết luận chương 1 44

CHƯƠNG 2 NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ TÍNH ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG THU NHẬN TÍN HIỆU ICG 46

2.1 Đề xuất mô hình thu nhận tín hiệu ICG mới 46

2.1.1 Đề xuất ý tưởng số hóa đỉnh sóng mang 46

2.1.2 Mô tả chi tiết giải pháp và mô hình hệ thống 47

2.1.3 Thí nghiệm và kết quả 50

2.2 Đề xuất các vị trí đặt điện cực mới thu nhận tín hiệu ICG 56

2.2.1 Đề xuất vị trí đặt điện cực 56

2.2.2 Thí nghiệm và kết quả 58

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CỦA NHIỄU THỞ TRONG PHÉP ĐO TÍN HIỆU ICG 72

3.1 Xây dựng hệ thống thu nhận đồng thời tín hiệu TEB và ECG 72

3.1.1 Mục đích 72

3.1.2 Thiết kế hệ thống 72

3.1.3 Xây dựng các khối 73

3.1.4 Kết quả 77

3.2 Xây dựng bộ công cụ hỗ trợ xử lý tín hiệu ICG 81

3.2.2 Xây dựng công cụ phần mềm thiết kế và thực hiện lọc số 82

3.2.3 Xây dựng công cụ phần mềm phân tích và xử lý tín hiệu ICG 84

3.3 Quy trình xây dựng bộ dữ liệu nhiễu thở trong phép đo ICG 86

3.3.2 Xây dựng quy trình thu nhận dữ liệu 86

3.3.3 Lựa chọn tình nguyện viên 87

3.3.4 Thực hiện thu nhận dữ liệu 87

3.3.5 Xử lý và chuẩn hóa dữ liệu 89

3.3.6 Mô tả và lưu trữ dữ liệu 89

3.4 Thuật toán tách và xác định đặc trưng nhiễu thở 90

3.4.1 Tách nhiễu thở từ tín hiệu TEB 90

3.4.2 Xác định dải phổ và biên độ của nhiễu thở 96

Trang 7

CHƯƠNG 4 PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN GIẢM NHIỄU THỞ TRONG

PHÉP ĐO TÍN HIỆU ICG 99

4.1 Đề xuất và xây dựng thuật toán lọc nhiễu thở 99

4.1.1 Đề xuất ý tưởng 99

4.1.2 Thiết kế mô hình và triển khai chi tiết thuật toán lọc nhiễu 100

4.2 Đề xuất phương pháp và quy trình đánh giá việc lọc nhiễu thở 105

4.2.1 Phương pháp đánh giá 105

4.2.2 Tiến hành đánh giá 106

4.3 Kết quả và bàn luận 107

4.3.1 Kết quả 107

4.3.2 Bàn luận 114

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 117

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 120

PHỤ LỤC 1 127

PHỤ LỤC 2 132

PHỤ LỤC 3 133

Trang 8

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số

CPLD Complex Programmable Logic

CVP Central Venous Pressure Huyết áp tĩnh mạch trung tâm

DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số

FPGA Field Programmable Gate Array Chip logic số có thể lập trình

được

ICG

Impedance cardiography Impedance cardiographic

Tim đồ trở kháng ngực Thuộc về trở kháng ngực

(Trở kháng ngực do hoạt động của tim)

Trang 9

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

RMSE Root Mean Squared Error Sai số bình phương trung bình

SVI Stroke Volume Index Chỉ số thể tích nhát bóp

SVR Systemic Vascular Resistance Sức cản mạch hệ thống

TEB Thoracic electrical bioimpedance Trở kháng ngực

TPTD Transpulmonary Thermodilution Pha loãng nhiệt xuyên phổi WHO World health organization Tổ chức y tế thế giới

Trang 10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tổng hợp các phương pháp đo cung lượng tim 14 Bảng 1.2 Tổng hợp các phương pháp lọc nhiễu thở trong phép đo tín hiệu ICG 38 Bảng 2.1 Tổng hợp chỉ số RMSE và RMSPE trong các lần đo đối chứng 55 Bảng 2.2 Tổng hợp kết quả đo tại vị trí gắn điện cực chuẩn và vị trí đề xuất số 1 60 Bảng 2.3 Tổng hợp kết quả đo tại vị trí gắn điện cực chuẩn và vị trí đề xuất số 2 63 Bảng 2.4 Tổng hợp kết quả đo tại vị trí gắn điện cực chuẩn và vị trí đề xuất số 3 65 Bảng 2.5 Tổng hợp các chỉ số thống kê đo lường huyết động ở các vị trí đề xuất 68 Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật của mô-đun nguồn DC-DC JHM1524D12 77 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của mạch đo tín hiệu TEB và ECG 78 Bảng 3.3 Chức năng chính của phần mềm lưu và hiển thị dữ liệu TEB và ECG 79 Bảng 4.1 Tổng hợp các chỉ số SNR và RMSPE tính được từ dữ liệu thử nghiệm 108

Trang 11

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc của tim, đường đi của máu giữa các buồng tim và van tim [1] 8

Hình 1.2 Diễn biến chu chuyển tim đối với chức năng tâm thất trái [1] 9

Hình 1.3 Quan hệ giữa cung lượng tim và nhịp tim [6] 11

Hình 1.4 Tín hiệu ICG tiêu biểu và các điểm đặc trưng [25] 19

Hình 1.5 Biểu diễn đồng thời tín hiệu ICG, ECG và trở kháng thay đổi ∆Z [26] 21

Hình 1.6 Sơ đồ khối thực thi thuật toán Pan-Tompkins 21

Hình 1.7 Nguyên lý đo trở kháng ngực 25

Hình 1.8 Minh họa cách sử dụng 8 điện cực tròn 26

Hình 1.9 Cấu trúc một hệ thống đo ICG điển hình bằng phương pháp tương tự 28

Hình 1.10 Cấu trúc một hệ thống đo ICG điển hình bằng phương pháp số hóa 30

Hình 1.11 Vị trí chuẩn của các điện cực theo mô hình 8 điện cực [23] 36

Hình 2.1 Tín hiệu điều chế và các điểm lấy mẫu tại đỉnh 46

Hình 2.2 Vị trí khối thu nhận tín hiệu ICG trong mô hình đề xuất 48

Hình 2.3 Mô hình hệ thống thu nhận tín hiệu ICG đề xuất 49

Hình 2.4 Hệ thống phần cứng dùng trong thử nghiệm thực tế 51

Hình 2.5 Vị trí các điểm đo kiểm tra VA, VB, và VC 52

Hình 2.6 Dạng sóng đo được tại các điểm trung gian 52

Hình 2.7 Dạng sóng của tín hiệu Z thu được sau khi số hóa 53

Hình 2.8 Giá trị đã chuẩn hóa của ΔZ khi đo bằng hệ thống đề xuất 53

Hình 2.9 Giá trị đã chuẩn hóa của ΔZ khi đo bằng thiết bị đối chứng 54

Hình 2.10 Bản ghi một lần đo trong 35 giây của hệ thống đề xuất 56

Hình 2.11 Bản ghi một lần đo trong 35 giây của thiết bị đối chứng 56

Hình 2.12 Minh họa các vị trí điện cực đề xuất 58

Hình 2.13 Vị trí đề xuất và vị trí điện cực chuẩn đo trên thiết bị Niccomo 58

Hình 2.14 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị HR đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 61

Trang 12

Hình 2.15 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị Z0

đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 61 Hình 2.16 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị SV

đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 61 Hình 2.17 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị LVET

đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 62 Hình 2.18 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị CO

đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 62 Hình 2.19 Dạng sóng ICG ở vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 62 Hình 2.20 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị HR

đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 63 Hình 2.21 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị Z0

đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 65 Hình 2.25 Dạng sóng ICG ở vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 65 Hình 2.26 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị HR

đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 66 Hình 2.27 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị Z0

đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 67 Hình 2.31 Dạng sóng ICG ở vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 68

Trang 13

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống thu nhận tín hiệu TEB và ECG 73

Hình 3.2 Ảnh thực tế của khối mạch đo tín hiệu TEB và ECG sau khi hoàn thiện 78 Hình 3.3 Giao diện phần mềm hiển thị và lưu trữ dữ liệu tín hiệu TEB và ECG 79

Hình 3.4 Dữ liệu TEB và ECG được ghi bởi phần mềm dưới dạng file csv 79

Hình 3.5 Giao diện phần mềm khi thiết kế bộ lọc IIR 82

Hình 3.6 Giao diện phần mềm khi thiết kế bộ lọc FIR 83

Hình 3.7 Giao diện thực hiện lọc với tín hiệu nhiễu thở thô sau xử lý 83

Hình 3.8 Giao diện công cụ phần mềm phân tích và xử lý tín hiệu ICG 85

Hình 3.9 Giao diện cửa sổ xử lý tín hiệu ICG bằng biến đổi wavelet 85

Hình 3.10 Hình ảnh tác giả dán các điện cực đo dưới sự hướng dẫn của bác sĩ 88

Hình 3.11 Hình ảnh thu nhận tín hiệu TEB và ECG trên tình nguyện viên 88

Hình 3.12 Sơ đồ thực hiện thuật toán tách nhiễu thở từ tín hiệu TEB 91

Hình 3.13 Kết quả các phép xử lý trung gian của thuật toán phát hiện đỉnh R 93

Hình 3.14 Tín hiệu ECG với các đỉnh R đã được phát hiện và đánh dấu 94

Hình 3.15 Tín hiệu trở kháng ngực ở trạng thái thở bình thường 95

Hình 3.16 Tín hiệu trở kháng ngực ở trạng thái thở nhanh 95

Hình 3.17 Tín hiệu trở kháng ngực ở trạng thái thở gắng sức 95

Hình 3.18 Phổ tín hiệu trở kháng ngực trước và sau khi xử lý ở ba trạng thái 96

Hình 3.19 Ảnh hưởng của nhiễu thở ở trạng thái bình thường lên tín hiệu ICG 97

Hình 3.20 Ảnh hưởng của nhiễu thở ở trạng thái thở nhanh lên tín hiệu ICG 97

Hình 3.21 Ảnh hưởng của nhiễu thở ở trạng thái thở gắng sức lên tín hiệu ICG 98

Hình 4.1 Sơ đồ thực hiện thuật toán theo mô hình lọc nhiễu thở đề xuất 101

Hình 4.2 Sơ đồ thuật toán Mallat phân giải và khôi phục tín hiệu 102

Hình 4.3 Tạo đáp ứng xung của bộ lọc dùng trong biến đổi wavelet 103

Hình 4.4 Mô hình đánh giá hiệu quả lọc nhiễu thở 105

Hình 4.5 Biểu đồ hộp của chỉ số RMSPE của các tình nguyện viên với ba trạng thái thở khác nhau theo phương pháp đề xuất và phương pháp của Seppä 109

Trang 14

Hình 4.6 Các đoạn tín hiệu gốc và đoạn tín hiệu đại diện sau trung bình 109

Hình 4.7 Các chu kỳ tín hiệu ICG đại diện ở trạng thái thở bình thường 110

Hình 4.8 Các chu kỳ tín hiệu ICG đại diện ở trạng thái thở gắng sức 111

Hình 4.9 Các chu kỳ tín hiệu ICG đại diện ở trạng thái thở nhanh 111

Hình 4.10 Chỉ số SNR trung bình đối với ba trạng thái thở 112

Hình 4.11 Dạng sóng tín hiệu ICG chuẩn hóa sau khi thêm nhiễu thở và sau bộ lọc wavelet của một trường hợp thở bình thường điển hình 113

Hình 4.12 Dạng sóng tín hiệu ICG chuẩn hóa sau khi thêm nhiễu thở và sau bộ lọc wavelet của một trường hợp thở gắng sức điển hình 113

Hình 4.13 Dạng sóng tín hiệu ICG chuẩn hóa sau khi thêm nhiễu thở và sau bộ lọc wavelet của một trường hợp thở nhanh điển hình 114

Trang 15

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Theo tổ chức y tế thế giới (WHO), từ năm 2000 đến năm 2019, bệnh tim mạch vẫn là nguyên nhân gây tử vong số một trên thế giới Số liệu năm 2019 cho thấy bệnh thiếu máu cơ tim và đột quỵ đã gây ra 27% số ca tử vong trên toàn cầu Ở Việt Nam,

số người chết vì bệnh tim mạch khoảng 200.000 người, chiếm ¼ tổng số ca tử vong hằng năm Theo thống kê, cứ 3 người trưởng thành thì có 1 người có nguy cơ tim mạch Ngoài nguyên nhân gây tử vong, bệnh tim mạch còn gây ra nhiều biến chứng nặng nề không những ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân mà còn là gánh nặng cho gia đình và xã hội, chi phí cho chăm sóc và điều trị cũng rất tốn kém

Để chẩn đoán, điều trị các bệnh về tim mạch, ngoài tín hiệu điện tim và nhịp tim, các bác sĩ còn dựa vào các tham số huyết động chính như thể tích nhát bóp của tim (SV – stroke volume), thời gian tống máu thất trái (LVET – left ventricular ejection time), và quan trọng nhất là cung lượng tim (CO – cardiac output) Sự kết hợp giữa cung lượng tim, điện tâm đồ, cùng các thông số huyết động khác giúp bác sĩ phân loại khá chính xác các bệnh lý tim mạch, đặc biệt là các bệnh lý xuất phát từ tình trạng thiếu máu cục bộ, huyết áp cao, và nhồi máu cơ tim Việc đo lường và theo dõi thông số CO liên tục cũng hỗ trợ rất nhiều cho bác sĩ trong cấp cứu, phẫu thuật và hồi sức liên quan đến các bệnh về tim mạch và những căn bệnh khác

Thông số CO là một thông số quan trọng trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh tim mạch, đặc biệt trong hồi sức cấp cứu tim mạch Hiện nay có một số phương pháp

đo lường và theo dõi thông số CO Các phương pháp này được phân thành hai nhóm

đó là nhóm các phương pháp đo xâm lấn (can thiệp) và nhóm các phương pháp đo không xâm lấn (không can thiệp)

Trong nhóm phương pháp đo xâm lấn, phương pháp đo catheter động mạch phổi (Swan-Ganz) và phương pháp phân tích sóng mạch kết hợp với pha loãng nhiệt xuyên phổi (PiCCO) vẫn là các phương pháp thường được sử dụng, cho kết quả chính xác cao Tuy nhiên, các phương pháp này tồn tại một số nhược điểm như đòi hỏi kỹ thuật cao, có nguy cơ lây chéo các bệnh truyền nhiễm, nguy hiểm cho người bệnh, và chỉ phù hợp với một số tình huống trong lâm sàng

Nhóm các phương pháp không can thiệp đã và đang từng bước được đầu tư nghiên cứu nhằm khắc phục những hạn chế của nhóm phương pháp có can thiệp để đảm bảo tính thuận lợi trong sử dụng và an toàn cho bệnh nhân Nổi bật trong nhóm này là

Trang 36

− Bình phương: chuyển toàn bộ tín hiệu lên trên phần dương, khuếch đại và làm nổi bật thành phần có biên độ lớn là phức bộ QRS

− Tích phân cửa sổ dịch chuyển: hợp các đỉnh lại tạo nên tính liên tục của tín hiệu

Độ rộng cửa sổ được lựa chọn phù hợp, không quá rộng để không lấy cả đỉnh của

sóng T, nhưng cũng không quá hẹp để vẫn còn các đỉnh thành phần

− Lấy ngưỡng: tín hiệu ECG trong xử lý tín hiệu ICG xuất phát từ một đạo trình duy

nhất Do đó, tín hiệu sau tích phân cửa sổ dịch chuyển được so sánh với một ngưỡng cứng để xác định vùng phức bộ QRS Biên độ ngưỡng được quyết định

sau quá trình thử nghiệm thực tế tín hiệu nhằm đảm bảo không bỏ sót phức bộ

− Định vị vùng chứa đỉnh R: mục tiêu của thuật toán không phải là xác định chính

xác đỉnh sóng Q, R, S trong phức bộ, thay vào đó chỉ hướng đến phát hiện đỉnh

R Tín hiệu sau tích phân cửa sổ dịch chuyển cho phép thiết lập ngưỡng một cách

dễ dàng để đánh dấu vùng chắc chắn chứa đỉnh R

− Tìm điểm cực đại: Sau khi đã định vị được vùng chắc chắn chứa đỉnh R bằng

phương pháp ngưỡng, tọa độ này sẽ được hiệu chỉnh lại so với tín hiệu ECG gốc

do quá trình áp dụng thuật toán Pan-Tompkins tín hiệu sẽ bị trễ một khoảng thời gian cố định Sau đó, thuật toán sẽ tiến hành tìm và đánh dấu điểm có giá trị lớn nhất trong vùng chứa đỉnh R đã xác định

1.2.3 Tính toán cung lượng tim từ tín hiệu ICG

Nhịp tim

Từ công thức (1.1), để tính toán được thông số cung lượng tim CO, ta phải tính được hai thông số quan trọng là thể tích nhát bóp (SV) và nhịp tim (HR) Theo các nghiên cứu đã công bố, cả hai thông số này đều có thể tính được từ tín hiệu ICG Tín hiệu ICG là tín hiệu tuần hoàn theo chu trình hoạt động của tim; do đó, nếu xác định được chu kỳ tuần hoàn của tín hiệu ICG, ta sẽ tính được tần số tuần hoàn hay chính là HR Thông thường, giống như kỹ thuật tính toán nhịp tim từ tín hiệu điện tim ECG, ta chọn khoảng cách hai đỉnh sóng làm chu kỳ tuần hoàn Trong tín hiệu ICG, khoảng cách này là khoảng thời gian giữa hai đỉnh C liên tiếp (ký hiệu là

CC, tính bằng giây) Do đó, HR (nhịp/phút) sẽ được tính theo công thức:

Thực tế, việc xác định các đỉnh C của tín hiệu ICG có thể được thực hiện bằng các thuật toán tương tự việc phát hiển đỉnh R của tín hiệu ECG

Trang 37

Thể tích nhát bóp

Việc xây dựng các công thức tìm sự liên hệ giữa sự thay đổi trở kháng vùng ngực

và thông số thể tích nhát bóp đã được phát triển từ những năm 60 của thế kỷ 20 Sau đây là một số công thức tính SV đã được công nhận và kiểm chứng trên thực tế [28]

a) Công thức Nyboer

Atzler và Lehman là những người đầu tiên đưa ra lý thuyết về tương quan giữa sự thay đổi trở kháng vùng ngực và thể tích máu được thất trái bơm đi trong một chu kì làm việc Nyboer đã phát triển lý thuyết này và đưa ra công thức tính sự thay đổi của thể tích máu ở một vùng bất kì trong cơ thể và sự thay đổi trở kháng của nó như sau:

Trong đó: ∆V là sự thay đổi thể tích máu của một vùng cơ thể (cm3); ρ là điện trở suất của máu (Ωcm), khoảng 130-150 Ωcm; L0 là khoảng cách giữa hai điện cực thu nhận tín hiệu (cm), từ cặp điện cực thu tín hiệu phía trên (cổ) xuống cặp điện cực thu tín hiệu phía dưới (ngực); Z0 là trở kháng nền của vùng cơ thể, giới hạn bởi hai điện cực thu nhận (Ω); ∆Z là trở kháng thay đổi của vùng cơ thể giới hạn bởi hai điện cực thu nhận (Ω) Công thức này được chấp nhận rộng rãi tuy không tính ra cụ thể thông

số thể tích nhát bóp đối với vùng ngực

b) Công thức Kubicek

Kubicek đã cải tiến công thức của Nyboer dành riêng cho vùng ngực bằng cách thay ∆Z = dZ/dtmax LVET và V = SV, khi đó:

SV = ρ × L20× Z0−2× dZ/dtmax× LVET (1.9) Trong đó: SV là thể tích nhát bóp (ml/nhịp); dZ/dtmax là tốc độ thay đổi trở kháng lớn nhất (Ω/s); LVET là thời gian tống máu thất trái (s) Dù công thức Kubicek cho nhiều sai số, tuy nhiên vẫn được chấp nhận rộng rãi vì tính tổng quát của nó Các nghiên cứu sau này có thể hiệu chỉnh lại độ chính xác bằng cách thêm các hệ số hiệu chỉnh vào công thức

Trang 38

thước của bệnh nhân, thời gian bơm máu vào động mạch chủ và khối lượng máu bơm vào động mạch chủ Do đó, công thức được trình bày như sau:

Khi thay công thức trên vào công thức của Kubicek ta được:

d) Công thức Sramek – Bernstein

Một số nghiên cứu sử dụng công thức Sramek – Bernstein có dạng sau:

× (H – 152,4), với H là chiều cao tính bằng cm; đối với nữ giới, IBW = 45,5 + 0,91

× (H – 152,4) [29] Hiện tại, công thức (1.12) của Sramek - Bernstein đang được đánh giá là phổ biến nhất trong việc tính giá trị SV [30]

1.3 Kỹ thuật ghi đo tín hiệu ICG

1.3.1 Mô hình tổng quát

Nguyên lý do

Nguyên lý đo trở kháng ngực TEB được minh họa như trên Hình 1.7 Về mặt điện sinh học, để đo được trở kháng ngực của bệnh nhân, ta cấp một dòng điện (I) đi qua vùng ngực và thu được một điện áp ở đầu ra (U) Nếu I có biên độ không đổi, U sẽ thay đổi tuyến tính với TEB Trong điều kiện không có nhiễu và chỉ có hoạt động bơm máu của tim, TEB chính là Z trong công thức tính ICG Như vậy, điện áp U là tín hiệu cần được xử lý và loại bỏ các can nhiễu để tính Z bằng định luật Ôm theo công thức (1.13) Trong đó, Us là tín hiệu sau xử lý của U

Trang 39

𝑍 = 𝑈𝑠𝐼

(1.13)

Hình 1.7 Nguyên lý đo trở kháng ngực

Do đối tượng đo là các mô sinh học, dòng điện I đưa vào cơ thể thường là dòng điện hình sin có tần số cao và có biên độ không đổi Khi đó, điện áp U là một tín hiệu điều biên (AM – amplitude modulation) có cùng tần số với I và có đường bao thay đổi theo TEB Vì vậy, để tính Z và tín hiệu ICG, mạch điện cần: (1) thu tín hiệu tần

số cao từ điện cực, (2) khuếch đại đến độ lớn phù hợp (nếu cần), (3) giải điều chế AM

để thu được một điện áp tần số thấp hơn, biến thiên theo TEB, và (4) lọc các can nhiễu rồi tính Z theo công thức (1.13) Để làm cơ sở cho việc thiết kế hệ thống ghi đo tại các chương tiếp theo, dải biên độ và dải tần số của các tín hiệu liên quan sẽ lần lượt được trình bày trong Mục 1.3.1.3 và Mục 1.3.1.4

Điện cực đo

Phương pháp tim đồ trở kháng ngực sử dụng các điện cực để đưa dòng điện vào cũng như để lấy điện áp vùng ngực đầu ra Việc sử dụng loại điện cực, số điện cực cũng như vị trí đặt đều ảnh hưởng đến kết quả đo tín hiệu ICG và tỉ số SNR Hiện tại

có một số cách đặt điện cực phổ biến như sau:

− Sử dụng bốn điện cực dải: Cách đo sử dụng bốn điện cực dải là cách đo đầu tiên

do Kubicek [31] đưa ra Cách đo gồm bốn điện cực dải quấn quanh vùng cổ và ngực Cụ thể, hai điện cực ở ngoài cùng đóng vai trò đưa dòng điện vào ngực, hai điện cực phía trong dùng để lấy điện áp thu được ở đầu ra Các điện cực được đặt

ở cổ và dưới dạ dày Khoảng cách giữa hai điện cực dòng điện và điện áp ở cổ và dưới dạ dày lần lượt là 3,2 và 6,4 cm Nhìn chung, cách sử dụng bốn điện cực dải này gặp nhiễu nhiều và cũng không thuận tiện khi đo đạc Hiện nay, cách đặt điện cực kiểu này ít được sử dụng

Dòng điện vào Điện áp ra

Trang 40

− Sử dụng bốn điện cực tròn: Đây là cách đo do Penney [32] đưa ra, gồm hai điện

cực tròn đặt ở phía sau cổ ở đốt sống C-7 và đi ngang về hai phía 6 cm Hai điện cực còn lại đặt ở dưới tim ở bề mặt ngực phía bên trái, một cái ở cuối khu nối liên sườn thứ 9 và cái còn lại ở đầu khu nối liên sườn thứ 10, khoảng cách giữa hai điện cực là 8 cm Dòng điện được vào điện cực bên phải cổ và điện cực ở khu nối liên sườn thứ 9 Hai điện cực còn lại để lấy điện áp đầu ra Phương pháp 4 điện cực tròn tốt hơn phương pháp 4 điện cực dải khi ít nhiễu hơn, tuy nhiên cả hai phương pháp đều không đo được trở kháng đều quanh vùng ngực Phương pháp bốn điện cực dải thiên về trở kháng sau lưng trong khi phương pháp bốn điện cực tròn đo phần trở kháng bên trái ngực chính xác hơn bên phải

− Sử dụng tám điện cực tròn: Cách đo tám điện cực tròn do Bernstein [33] đưa ra

Đúng hơn, cách đo này sử dụng bốn cặp điện cực, với mỗi cặp có vai trò giống nhau Có hai cặp điện cực đưa dòng điện vào và hai cặp điện cực đo điện áp đầu

ra Một cặp điện cực đưa dòng điện được đặt ở cổ trên và cặp còn lại đặt ở trên bụng, cách 5 cm tính từ mẩu xương ức cuối cùng Còn hai cặp điện cực đo điện

áp đầu ra, một cặp ở dưới cặp điện cực dòng điện trên cổ 4,8 cm và một cặp ở phía trên cặp điện cực dòng điện dưới và ngang với cuối đoạn nối xương ức, như trên Hình 1.8 Đây là cách đo có thể bao quát hết trở kháng toàn vùng ngực và có

độ chính xác cao hơn hai cách đặt điện cực nói trên

Hình 1.8 Minh họa cách sử dụng 8 điện cực tròn

Cấu hình điện cực được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trong các thiết bị nghiên cứu cũng như trong các thiết bị thương mại là cấu hình tám điện cực điểm do Bernstein đề xuất Các vị trí đặt điện cực phải được tuân thủ chặt chẽ theo các vị trí

đã được mô tả để tránh sai số khi sử dụng mô hình vùng ngực tương ứng để xây dựng công thức tính SV Sự thay đổi về vị trí điện cực dẫn đến sự thay đổi về biên độ và hình dạng của tín hiệu từ đó làm sai lệch về kết quả đo Bên cạnh đó, với mỗi vị trí đặt điện cực, tín hiệu trở kháng vùng ngực cũng sẽ có sự phân bố khác nhau về năng lượng của thành phần nhiễu thở trong tín hiệu trở kháng tổng thể

Định dạng
Số trang	147
Dung lượng	14,46 MB