Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG 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 LU

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

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)

Trở kháng phổi

(Trở kháng ngực do hoạt động

hô hấp)

LVET Left ventricle ejection time Thời gian tống máu thất trái

PAC-TD Pulmonary Artery Catheter –

Thermodulition

Pha loãng nhiệt catheter động mạch phổi

Trang 9

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

SVR Systemic Vascular Resistance Sức cản mạch hệ thống

Trang 10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tổng hợp các phương pháp đo cung lượng tim 14Bảng 1.2 Tổng hợp các phương pháp lọc nhiễu thở trong phép đo tín hiệu ICG 38Bảng 2.1 Tổng hợp chỉ số RMSE và RMSPE trong các lần đo đối chứng 55Bảng 2.2 Tổng hợp kết quả đo tại vị trí gắn điện cực chuẩn và vị trí đề xuất số 1 60Bảng 2.3 Tổng hợp kết quả đo tại vị trí gắn điện cực chuẩn và vị trí đề xuất số 2 63Bảng 2.4 Tổng hợp kết quả đo tại vị trí gắn điện cực chuẩn và vị trí đề xuất số 3 65Bảng 2.5 Tổng hợp các chỉ số thống kê đo lường huyết động ở các vị trí đề xuất 68Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật của mô-đun nguồn DC-DC JHM1524D12 77Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của mạch đo tín hiệu TEB và ECG 78Bảng 3.3 Chức năng chính của phần mềm lưu và hiển thị dữ liệu TEB và ECG 79Bảng 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 61Hình 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 61Hình 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 62Hình 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 62Hình 2.19 Dạng sóng ICG ở vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 62Hình 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 63Hình 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 65Hình 2.25 Dạng sóng ICG ở vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 65Hình 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 66Hình 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 67Hình 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 16

phương pháp tim đồ trở kháng ngực (ICG – impedance cardiography) với các ưu điểm như dễ dàng thiết lập các phép đo, chi phí vận hành thấp, và theo dõi được thông

số một cách liên tục Những ưu điểm này là vô cùng có ý nghĩa trong công tác điều trị các bệnh tim mạch Tuy nhiên, giá thành của thiết bị, độ chính xác của phép đo,

độ ổn định của kết quả đo, và tính hữu dụng trong thực tế vẫn đang chịu tác động của nhiều yếu tố kỹ thuật và phi kỹ thuật Đây chính là động lực để tác giả đề xuất hướng nghiên cứu, nhằm loại bỏ các rào cản, và góp phần đưa thiết bị đo cung lượng tim không xâm lấn vào ứng dụng đại trà

Mục tiêu của luận án

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG để ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim nhằm tăng cường độ chính xác và khả năng ứng dụng trong thực tế

Các mục tiêu cụ thể của luận án được xây dựng qua quá trình khảo sát các rào cản hiện có đối với việc ứng dụng thiết bị đo cung lượng tim bằng tín hiệu tim đồ trở kháng ngực tại các bệnh viện Theo đó:

− Đối với rào cản về giá thành và độ chính xác của thiết bị, tác giả xác định mục

tiêu là Phát triển giải pháp cải tiến hệ thống thu nhận tín hiệu ICG nhằm xây

dựng một hệ thống mới có độ chính xác cao dựa trên các nền tảng xử lý hiệu năng trung bình sẵn có Mục tiêu này cho phép tối ưu hóa chi phí nghiên cứu phát triển

và chế tạo thiết bị

− Đối với rào cản phi kỹ thuật gây ra do sự chồng lấn của vị trí gắn điện cực tiêu chuẩn với vị trí đặt các đường ống thông tĩnh mạch cổ, tác giả xác định mục tiêu

là Đề xuất và đánh giá một số vị trị đặt điện cực thay thế nhằm thực tế hóa tính

hữu dụng của thiết bị trong các cơ sở y tế Mục tiêu cho phép mở rộng nhóm bệnh nhân có thể tiếp cận và được sử dụng thiết bị

− Đối với rào cản về độ tin cậy của kết quả đo, tác giả xác định một mục tiêu trong

phạm vi nguồn lực có thể tiếp cận, đó là Phát triển giải pháp giảm ảnh hưởng của nhiễu do hoạt động hô hấp (nhiễu thở) đối với tín hiệu tim đồ trở kháng ngực Đây là một trong những vấn đề rất quan trọng trong ghi đo tín hiệu ICG và

được quan tâm nghiên cứu nhiều trên thế giới

Các mục tiêu nghiên cứu xa hơn về cơ bản đều nhằm giải quyết các vấn đề nêu trên ở mức độ sâu hơn và toàn diện hơn Về những nghiên cứu này, do chưa có điều kiện triển khai, tác giả chỉ đề cập như là các hướng phát triển của luận án

Trang 17

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

Đối tượng nghiên cứu

Căn cứ vào các mục tiêu nghiên cứu đã xác định và thực tế quá trình triển khai, đối tượng nghiên cứu của luận án được xác định gồm nhiều nhóm Cụ thể:

− Nhóm đối tượng liên quan đến tim và thông số huyết động, gồm: lý thuyết căn bản về tim, thông số huyết động, cung lượng tim, các phương pháp đo CO đang được ứng dụng trong thực tế;

− Nhóm đối tượng liên quan đến tim đồ trở kháng ngực, gồm: phương pháp đo CO bằng ICG, tín hiệu TEB, tín hiệu ICG và nhiễu khi đo ICG, ảnh hưởng của quá trình hô hấp đến tín hiệu ICG, và các phương pháp giảm thiểu các ảnh hưởng này;

− Nhóm đối tượng liên quan đến phương pháp đo, công cụ đo, và phương tiện xử lý tính toán, gồm: điện cực và vị trí đo tín hiệu ICG, sóng mang đưa vào cơ thể và tín hiệu thu được, phương pháp giải điều chế tín hiệu, các mạch điện xử lý, các phần mềm tính toán, và các thuật toán tách tín hiệu hoặc dải tần số quan tâm;

− Nhóm các đối tượng phụ trợ gồm: tín hiệu điện tim (ECG), thuật toán xác định đỉnh R trong tín hiệu ECG, các bộ nguồn nhiễu thấp, các mạch lọc nhiễu, và một

số kỹ thuật giúp tối ưu hóa hiệu quả của mạch điện phần cứng trong suốt quá trình thực hiện luận án

Phạm vi nghiên cứu

Do giới hạn về cơ sở vật chất và thời gian nghiên cứu, tác giả tập trung giải quyết các vấn đề khoa học mang tính bản chất để đạt được các mục tiêu đã đặt ra Các yếu

tố kỹ thuật liên quan đến chế tạo thử nghiệm không được trình bày chi tiết

Cụ thể, nội dung của luận án được giới hạn trong phạm vi sau đây:

− Lý thuyết về tim, cung lượng tim, và các thông số huyết động: luận án chỉ dừng

lại ở việc trình bày tổng quan về tim, cung lượng tim, và các thông số huyết động ảnh hưởng trực tiếp đến cung lượng tim Nội dung này tóm lược các nền tảng quan trọng cho các đề xuất và các phân tích thiết kế trong luận án

− Lý thuyết về tín hiệu ICG và việc tính toán CO từ tín hiệu ICG: luận án chỉ hệ

thống hóa những kiến thức tổng quan về cơ sở và nguyên lý của phương pháp, đặc điểm của tín hiệu tim đồ trở kháng ngực liên quan đến các sự kiện trong hoạt động của tim, các công thức tính cung lượng tim từ tín hiệu tim đồ trở kháng ngực Luận án không nghiên cứu công thức và phương pháp tính CO từ tín hiệu ICG

Trang 18

− Ảnh hưởng của hoạt động hô hấp lên tín hiệu ICG và thuật toán giảm ảnh hưởng:

luận án chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu thành phần nhiễu do thở trong phép đo tim

đồ trở kháng ngực dựa trên bộ dữ liệu của các tình nguyện viên khỏe mạnh, không

có bệnh lý về tim mạch Việc đánh giá hiệu quả của thuật toán lọc nhiễu được dựa trên bộ dữ liệu nhiễu thở thu thập được của các tình nguyện viên

− Cách thức thu nhận tín hiệu trở kháng ngực và vị trí đặt điện cực: tác giả tập trung

nghiên cứu cách thu nhận tín hiệu trở kháng ngực sử dụng cấu hình tám điện cực điểm là cấu hình được các thiết bị thương mại sử dụng Vị trí đặt điện cực thay thế trong trường hợp bị chồng lấn ở vùng cổ của bệnh nhân được đề xuất trên cơ

sơ khảo sát bệnh viện Tim Hà Nội và bệnh viện Việt Đức, tại Việt Nam Các vị trí chồng lấn khác (nếu có) tuy chưa được xem xét nhưng là ít xảy ra, theo đánh giá từ các bác sĩ về tim mạch

− Các hệ thống phần cứng thu nhận và ghi đo tín hiệu: luận án chỉ tập trung trình

bày quá trình nghiên cứu và thiết kế mô-đun thu nhận tín hiệu trở kháng ngực làm công cụ thu thập dữ liệu Việc chế tạo thử nghiệm các mô-đun cũng được thực hiện với các linh kiện chuẩn, dựa trên thông số công bố của nhà sản xuất để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao Luận án không trình bày quá trình phát triển một thiết bị hoàn thiện có thể tính toán và hiển thị được thông số cung lượng tim

và các thông số huyết động từ tín hiệu ICG

Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu, tác giả áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau để đạt được các mục tiêu đã đề ra ban đầu Về cơ bản, các phương pháp được

sử dụng thường xuyên là:

− Phương pháp phân tích và tổng hợp: nghiên cứu tổng hợp các công trình, bài báo

liên quan đến đề tài của luận án để xác định các vấn đề cần nghiên cứu và làm cơ

sở khoa học để đề xuất và thực hiện các nội dung nghiên cứu Đây là phương pháp nghiên cứu được sử dụng nhiều nhất trong nội dung liên quan đến nhiễu thở và cách lọc nhiễu thở

− Phương pháp chuyên gia: sử dụng trí tuệ và kinh nghiệm lâu năm của đội ngũ bác

sĩ về tim mạch để nhận định và đánh giá đối tượng nghiên cứu Đây là phương pháp đặc biệt quan trọng đối với các nghiên cứu liên quan đến cơ thể người

− Phương pháp thực nghiệm: đề xuất giải pháp, mô hình thuật toán rồi thiết kế, thiết

lập thí nghiệm, tiến hành đo đạc kết quả, so sánh và đánh giá Phương pháp này được sử dụng triệt để trong nghiên cứu về vị trí đặt điện cực thay thế

Trang 19

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Về ý nghĩa khoa học

− Việc nâng cao được chất lượng tín hiệu ICG là tiền đề quan trọng cho các bước tiếp theo trong việc đo lường thông số cung lượng tim bằng phương pháp tim đồ

trở kháng ngực

− Kết quả xác định được các đặc trưng của nhiễu thở cụ thể là về dải tần số và biên

độ trong phép đo tín hiệu ICG là cơ sở quan trọng trong việc thiết kế các thuật toán loại bỏ sự ảnh hưởng của nhiễu thở, giúp cho quá trình thu nhận tín hiệu ICG được chính xác hơn

− Thuật toán lọc nhiễu thở đề xuất trong luận án sẽ đóng góp một giải pháp làm giảm sự ảnh hưởng của nhiễu thở trong phép đo tín hiệu ICG

− Với bộ cơ sở dữ liệu phản ánh đúng các đặc trưng của nhiễu thở trong phép đo ICG sẽ giúp đánh giá được các thuật toán giảm nhiễu thở một cách chính xác và khách quan

− Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là tài liệu tham khảo có ý nghĩa về kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực

Về ý nghĩa thực tiễn

− Kết quả đề xuất các kỹ thuật nhằm nâng cao độ chính xác trong phép đo tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG sẽ đồng nghĩa với việc nâng cao độ chính xác trong việc đo lường các thông số huyết động bằng phương pháp không xâm lấn ICG, đặc biệt là thông số cung lượng tim Vì vậy, các kết quả đạt được trong luận án có thể áp dụng vào thực tiễn để nâng cao độ chính xác cho các thiết bị đo sử dụng kỹ thuật này

− Việc đề xuất các vị trí đặt điện cực mới thay thế cho các vị trí điện cực tiêu chuẩn

sẽ giúp cho quá trình ứng dụng kỹ thuật tim đồ trở kháng ngực trên thực tế lâm sàng được đầy đủ và dễ dàng hơn cho các đối tượng bệnh nhân khác nhau

Các đóng góp của luận án

Các đóng góp của luận án liên quan chặt chẽ đến các mục tiêu nghiên cứu đã đặt

ra trong Mục 2 của phần này Cụ thể:

− Đã đề xuất được một giải pháp thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực với kỹ thuật số hóa đỉnh sóng mang tần số cao Giải pháp này cho phép ghi đo tín hiệu ICG bằng các nền tảng phần cứng có hiệu năng thấp, giúp giảm giá thành nghiên cứu phát triển, giúp mở rộng khả năng tiếp cận lĩnh vực nghiên cứu cho các nhà

Trang 20

khoa học đồng nghiệp, có thể giúp trực tiếp và gián tiếp giảm giá thành của thiết

bị đo CO bằng tín hiệu ICG trong tương lai

− Đã đề xuất được và triển khai đánh giá thực nghiệm thành công một số vị trí đặt điện cực mới, thay thế cho vị trí tiêu chuẩn Đóng góp này giúp cho việc ứng dụng

kỹ thuật tim đồ trở kháng ngực trên thực tế lâm sàng được đầy đủ và dễ dàng hơn cho các đối tượng bệnh nhân khác nhau

− Đã xác định các đặc trưng của nhiễu thở trong phép đo tín hiệu ICG và đề xuất thuật toán lọc nhiễu thở bằng phương pháp kết hợp giữa biến đổi wavelet và trung bình toàn bộ để để nâng cao chất lượng tín hiệu ICG

Bố cục của luận án

Bố cục của luận án được chia thành sáu phần, bắt đầu bằng phần Mở đầu và kết thúc bằng các kết luận và hướng phát triển trong tương lai Nội dung nghiên cứu được trình bày trong bốn chương lớn gồm:

Chương 1 trình bày tổng quan về các thông số huyết động, cung lượng tim, và

tổng hợp các phương pháp đo cung lượng tim Tiếp theo, các nội dung liên quan đến phương pháp tim đồ trở kháng ngực gồm mô hình hệ thống đo, tín hiệu ICG, các điểm đặc trưng, phương pháp tính CO từ tín hiệu ICG, và các loại can nhiễu lần lượt được làm rõ Chương này cũng khảo sát các nghiên cứu liên quan, phân tích những vấn đề còn tồn tại để làm nổi bật ý nghĩa các nghiên cứu được triển khai trong các chương tiếp theo

Chương 2 đóng góp hai giải pháp cải tiến kỹ thuật thu nhận tín hiệu ICG gồm:

(1) giải pháp về mô hình thu nhận tín hiệu ICG theo hướng số hóa đỉnh sóng mang tần số cao, giúp nâng cao hiệu quả của thiết bị và (2) giải pháp thay đổi vị trí đặt điện cực so với cách đo tiêu chuẩn trong trường hợp bị chồng lấn, giúp nâng cao tính ứng dụng của phương pháp Hai giải pháp này hiện thực hóa hai mục tiêu đầu tiên của luận án là giải quyết rào cản kỹ thuật về chế tạo thiết bị và rào cản phi kỹ thuật về ứng dụng thực tế của thiết bị trong các bệnh viện và các cơ sở y tế

Chương 3 xác định các tham số đặc trưng và xây dựng bộ dữ liệu về nhiễu thở

trong kỹ thuật tim đồ trở kháng ngực bao gồm các nội dung: hoàn thiện hệ thống đã

đề xuất ở Chương 2, xây dựng các công cụ hỗ trợ, đề xuất và triển khai thuật toán tách nhiễu thở từ tín hiệu trở kháng ngực Kết quả của chương này là bộ dữ liệu về nhiễu thở và các đặc trưng của nhiễu thở Đây là nền tảng quan trọng cho nghiên cứu

sẽ được triển khai trong Chương 4

Trang 21

Chương 4 đề xuất một thuật toán lọc nhiễu thở bằng cách kết hợp giữa biến đổi

wavelet và phép trung bình toàn bộ Việc đề xuất mô hình và quá trình đánh giá định lượng hiệu quả của thuật toán lọc nhiễu thở được thực hiện trên cơ sở bộ dữ liệu nhiễu thở thu được trong Chương 3 Kết quả của chương này hiện thực hóa mục tiêu cuối cùng của luận án là loại bỏ một trong số các rào cản về độ tin cậy của kết quả đo trong phạm vi nguồn lực có thể tiếp cận

Trang 22

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG TRÌNH

NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Để phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim, việc xây dựng một bức tranh tổng thể về lĩnh vực nghiên cứu là rất quan trọng Do đó, trong chương đầu tiên của luận án, tác giả tập trung trình bày các nền tảng lý thuyết và đánh giá các công trình nghiên cứu liên quan Đầu tiên, loạt lý thuyết căn bản về tim, cung lượng tim, và các thông số huyết động được giới thiệu kèm theo các khái niệm căn bản Tiếp theo, phương pháp đo cung lượng tim bằng tim đồ trở kháng ngực được trình bày rõ ràng và chi tiết để làm nổi bật vai trò quan trọng của việc ghi đo chính xác tín hiệu tim đồ trở kháng ngực Vấn

đề ghi đo này được mô tả một cách đầy đủ và có hệ thống ngay phía sau để làm xương sống cho toàn bộ các nghiên cứu và đề xuất mới của tác giả trong luận án Xuất phát

từ chính quá trình mô tả này, trong phần cuối cùng của Chương 1, tác giả phân tích các vấn đề còn tồn tại, khảo sát và đánh giá hàng hoạt các nghiên cứu liên quan, và khu trú lại ba mục tiêu nghiên cứu của luận án để từng bước giải quyết trong các chương tiếp theo

1.1 Tim và huyết động

1.1.1 Cấu trúc của tim và hoạt động bơm máu

Tim là thành phần quan trọng của hệ tuần hoàn, có chức năng bơm máu liên tục trong suốt cuộc đời con người Tim có kích thước nhỏ tương đương nắm tay, trọng lượng khoảng 270 g ở nam giới và 260 g ở nữ

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

Trang 23

Về vị trí, tim nằm ở trung thất, ngay phía sau xương ức, phía bên trái lồng ngực

và nằm ngay phía trên cơ hoành Mỏm tim nằm hướng về phía bên trái, gần khoang liên sườn thứ 5

Về cấu trúc, tim là một khối cơ rỗng, được chia thành 4 buồng: 2 tâm nhĩ và 2 tâm thất Nhĩ phải và nhĩ trái, thành mỏng, nhận máu tĩnh mạch rồi đưa xuống thất; thất phải và thất trái, thành dày, bơm máu vào động mạch với áp lực cao Hai tâm nhĩ ngăn cách nhau bởi vách liên nhĩ, hai tâm thất ngăn cách nhau bởi vách liên thất Ngăn giữa nhĩ và thất là các van, bên trái có van hai lá, bên phải có van ba lá Ngăn giữa thất trái và động mạch chủ và thất phải và động mạch phổi là các van bán nguyệt Các van giúp cho dòng máu chỉ lưu thông một chiều từ nhĩ xuống thất và từ thất vào

động mạch chủ [2] Hình 1.1 mô tả cấu trúc của tim, đường đi của máu giữa các buồng

tim và van tim

Tim đập nhịp nhàng, đều đặn, khoảng 3 tỷ lần cho một đời người Có thể chia chuỗi hoạt động này thành từng chu kỳ lặp đi lặp lại riêng rẽ Khoảng thời gian từ đầu của một tiếng tim này đến đầu tiếng tim khác gọi là một chu kỳ tim Trong mỗi chu kỳ tim, sự thay đổi áp lực trong trong tâm nhĩ, tâm thất, khiến chúng co và giãn, máu sẽ đi từ vùng áp lực cao đến vùng áp lực thấp Hình 1.2 mô tả diễn biến trong một chu chuyển tim đối với tim trái, thể hiện sự thay đổi áp suất nhĩ trái, áp suất thất trái, áp suất động mạch chủ, thể tích thất trái, điện tâm đồ, tâm thanh đồ, hoạt động đóng mở của van A-V (nhĩ thất), van động mạch chủ

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

Đóng van A-V

Trang 24

Với nhịp tim trung bình khoảng 75 nhịp/phút, mỗi chu kỳ tim kéo dài khoảng 0,8

s Trong 0,4 s đầu tiên của chu kỳ tim, là giai đoạn tim giãn, cả 4 buồng tim đều ở kỳ tâm trương Đầu tiên, tất cả các van đều đóng (giãn đẳng tích), tiếp đó van nhĩ-thất

mở và máu bắt đầu rót xuống thất (tiếng tim T3, máu dội vào thành thất khi tim hút máu về) Trong 0,4 s còn lại được chia thành 2 giai đoạn: tâm nhĩ co ở 0,1 s đầu tiên

để tống nốt máu xuống thất (tiếng tim T4, máu dội vào thành thất khi nhĩ co đẩy máu xuống thất) trong lúc này thất vẫn giãn cho đến khi van nhĩ thất đóng (tiếng tim T1) Tâm thất co ở 0,3 s tiếp theo trong khi tâm nhĩ giãn Ban đầu (khoảng 0,05 s), tất cả các van đều đóng, tâm thất co đẳng tích cho đến khi áp xuất tâm thất lớn hơn áp xuất trong động mạch thì van động mạch mở, bắt đầu giai đoạn tống máu tâm thất (khoảng 0,25 s) Ban đầu tốc độ tốc máu nhanh sau đó tốc độ tống máu giảm dần đến khi áp xuất của tâm thất nhỏ hơn áp xuất trong động mạch thì van động mạch sẽ đóng lại (tiếng tim T2) và lặp lại chu kỳ mới [3]

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

Cung lượng tim (CO – cardiac output) là một thông số huyết động quan trọng, chỉ

số lít máu được tâm thất trái bơm vào động mạch chủ trong một phút Cung lượng tim được xác định bởi hai tham số là nhịp tim (HR – heart rate) và thể tích nhát bóp (SV – stroke volume) thông qua biểu thức sau:

Theo [5], giá trị bình thường của cung lượng tim CO là khoảng 5 - 6 lít/phút và của chỉ số tim CI là khoảng 2,5 – 3,5 lít/phút/m2

Trang 25

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới cung lượng tim

Nhịp tim và cung lượng tim có mối liên hệ trực tiếp tới nhau, khi nhịp tim tăng thì cung lượng tim cũng tăng Tuy nhiên, có một giới hạn cho việc tăng lên của nhịp tim Giá trị của nhịp tim khoảng 260 nhịp/phút thường đi kèm theo triệu chứng sốc, tức là cung lượng tim thấp Thực tế, khi nhịp tim vượt quá 150 nhịp/phút, cung lượng tim bắt đầu giảm Nguyên nhân của hiện tượng này là trong giai đoạn tâm trương, máu được đi xuống tâm thất Thời gian này chính là thời gian đổ đầy thất và có ảnh hưởng lớn tới cung lượng tim Nếu thời gian đổ đầy thất không đủ, tâm thất sẽ nhận được ít máu hơn, khi đó cung lượng tim và thể tích nhát bóp sẽ giảm Ngược lại, nếu nhịp tim quá thấp, dưới 50 nhịp/phút, cung lượng tim cũng sẽ giảm nhanh chóng Dù

đủ thời gian đổ đầy thất nên thể tích nhát bóp là rất tốt, tuy nhiên đây không phải là giá trị nhịp tim phù hợp vì cung lượng tim giảm tỉ lệ thuận cùng nhịp tim Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa cung lượng tim và nhịp tim được minh họa như trên Hình 1.3

CO (l/phút)

HR (nhịp/phút)

5

70

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

Thể tích nhát bóp hay còn gọi là thể tích tống máu được tính bằng thể tích thất cuối thời kỳ tâm trương trừ đi thể tích thất cuối thời kỳ tâm thu Thể tích nhát bóp có thể áp dụng cho cả 2 tâm thất, nhưng thường được đề cập đến tâm thất trái

Chỉ số thể tích tống máu (SVI – stroke volume index) là thể tích máu được bơm

ra từ tâm thất với từng nhịp đập của tim trên một đơn vị diện tích da là một biểu thị khác của thể tích tống máu

Giá trị bình thường của các chỉ số SV (60 – 100 ml/nhịp), SVI (35 – 65 ml/m2), phụ thuộc vào tuổi

Trang 26

SV cũng là một thông số ảnh hưởng trực tiếp tới cung lượng tim Khi nhịp tim thay đổi theo yêu cầu cung lượng tim thì thể tích nhát bóp cũng thay đổi Các yếu tố ảnh hưởng tới thể tích nhát bóp bao gồm tiền gánh, hậu gánh, và sức co bóp của cơ tim

Tiền gánh (preload): liên quan đến lượng máu được đổ xuống tâm thất Trong

lâm sàng, người ta thường dùng từ tiền gánh để chỉ thể tích tâm thất cuối thì tâm trương Các yếu tố quyết định tiền gánh: tuần hoàn trở về, độ giãn nở của thất và thời gian tâm trương Tiền gánh thường được đo lường qua các đại lượng thay thế như thể tích thất trái cuối thời kỳ tâm trương bằng cách siêu âm tim, và phổ biến hơn là áp lực thất trái cuối thời kỳ tâm trương

Hậu gánh (afterload): là sức cản khả năng bơm máu của tâm thất Tâm thất trái,

trong giai đoạn tâm thu, sẽ phải tạo ra áp lực bơm thắng được áp suất động mạch chủ

và sức cản của các mạch máu thì lúc đó, van động mạch chủ mới mở và cho phép máu được bơm đi toàn cơ thể Khi hậu gánh càng lớn thì cơ tim co bóp càng khó khăn nên dễ dẫn tới suy tâm thất Hậu gánh phụ thuộc vào sức đàn hồi của động mạch, sức cản mạch hệ thống và yếu tố nội tại của tim

Sức cản mạch hệ thống (SVR – systemic vascular resistance) là một chỉ số lâm sàng thường được sử dụng để đánh giá hậu gánh thất trái Theo [7], sức cản mạch hệ thống có thể được đo từ sự chênh lệch giữa áp lực động mạch trung bình (MAP – mean arterial pressure) và áp lực tĩnh mạch trung tâm (CVP – central venous pressure) chia cho cung lượng tim CO

Sức cản mạch hệ thống còn được gọi là sức cản mạch máu ngoại biên, nó không

đủ đại diện cho hậu gánh vì nó chưa tính tới yếu tố nội tại của quả tim, tuy nhiên thường được dùng trên lâm sàng Sức cản mạch máu ngoại biên phụ thuộc vào cấu trúc của hệ mạch máu, trương lực của tiểu động mạch và độ quánh của máu

Sức co bóp của cơ tim: là đặc điểm nội tại của cơ tim, khi sức co của cơ tim thay

đổi, hiệu suất làm việc, thể tích tống máu thay đổi dù tiền gánh hoặc hậu gánh không thay đổi Trong lâm sàng, rất khó đánh giá riêng biệt được sức co bóp cơ tim do sự biến thiên của tiền gánh và hậu gánh Mặt khác, tiền gánh và hậu gánh ảnh hưởng trực tiếp đến sức co bóp cơ tim

Trong thực tiễn, có mối liên hệ giữa tiền gánh - hậu gánh - sức co bóp: tiền gánh quyết định một phần sức co bóp của tâm thất Sức co bóp tăng làm tăng cung

Trang 27

lượng tim và huyết áp, do đó làm tăng hậu gánh Ngược lại, khi tăng cung lượng tim sẽ làm tăng hồi lưu tĩnh mạch và do đó làm tăng tiền gánh

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

Cung lượng tim có vai trò rất quan trọng trong y học Việc suy giảm cung lượng tim do nhiều nguyên nhân và liên quan đến mọi quá trình hoạt động của tim Do vậy, khi kết hợp đánh giá giữa thông số cung lượng tim và các thông số huyết động khác

sẽ cho phép bác sĩ phân loại được cụ thể một số bệnh lý tim mạch Đặc biệt là các bệnh lý xuất phát từ tình trạng thiếu máu cục bộ, huyết áp cao hay nhồi máu cơ tim Ngoài ra, dựa vào cung lượng tim và các thông số huyết động có liên quan cũng hỗ trợ rất nhiều cho bác sĩ khi điều trị bệnh nhân trong trường hợp cấp cứu, phẫu thuật

và hồi sức tích cực như ra các quyết định truyền dịch, sử dụng thuốc tăng cơ bóp cơ tim, thuốc co mạch hay thuốc giãn mạch

Trong hồi sức, cung lượng tim có ý nghĩa quan trọng khi chẩn đoán và điều trị sốc Cụ thể:

− Trong chẩn đoán: Sốc là hội chứng lâm sàng được định nghĩa bởi cung lượng máu không đủ và sự vận chuyển oxy không đầy đủ đến các cơ quan và các mô

Để chẩn đoán sốc (tức là chẩn đoán hội chứng giảm cung lượng tim), ngoài dấu hiệu lâm sàng và cận lâm sàng của sốc là giảm tưới máu đến các tạng (ví dụ giảm tưới máu não gây thay đổi tri giác, giảm tưới máu thận gây giảm tiểu tiện, v.v.) thì tiêu chuẩn vàng là sự suy giảm cung lượng tim hay chỉ số tim

− Trong điều trị: Điều trị sốc liên quan đến việc giải quyết nguyên nhân gây sốc:

chảy máu, mất dịch, nhiễm khuẩn, phản vệ, nhồi máu cơ tim, chèn ép tim, v.v Điều trị sốc có thể bằng truyền dịch, thuốc tăng co bóp cơ tim, thuốc co mạch hoặc kết hợp cả truyền dịch và các thuốc Theo dõi liên tục diễn biến cung lượng tim và các thông số huyết động là cơ sở để chọn điều trị, điều chỉnh liều và đánh giá đáp ứng của bệnh nhân cũng như tiên lượng chiều hướng tốt lên hay xấu đi

1.1.5 Các phương pháp đo cung lượng tim

Hiện nay, có nhiều phương pháp đo cung lượng tim cùng tồn tại, mỗi phương pháp có nguyên lý, kỹ thuật, ưu điểm, nhược điểm riêng và được khuyến cáo sử dụng phù hợp với từng tình huống trong khám bệnh thông thường, cấp cứu, phẫu thuật, hồi sức [8, 9] Các phương pháp đo cung lượng tim có thể phân loại theo mức độ xâm lấn gồm hai nhóm đó là nhóm các phương pháp xâm lấn và nhóm các phương pháp không xâm lấn Bảng 1.1 tổng hợp các phương pháp đo lường và theo dõi cung lượng tim hiện nay

Trang 28

Bảng 1.1 Tổng hợp các phương pháp đo cung lượng tim

lấn

Đáp ứng

Tiêm một lượng muối lạnh với thể tích

và nhiệt độ đã biết vào tâm nhĩ phải sử dụng catheter Swan-Ganz Kết quả là nhiệt độ của máu thay đổi và được đo bằng cảm biết tại đầu catheter tại động mạch phổi Dựa vào đường cong thay đổi nhiệt độ và phương trình Stewart – Haminlton để tính cung lượng tim thất phải [10]

quãng

Cao (là tiêu chuẩn vàng)

Yêu cầu đặt catheter tại tim phải Gây ra các biến chứng như như loạn nhịp tim, trào ngược van ba lá, nhiễm trùng, chảy máu, chấn thương mạch máu và độ chính xác phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật tiêm Yêu cầu đo lặp lại 3 lần để lấy kết quả

2

Pha loãng nhiệt

liên tục tại phổi

(Continuous

PAC-TD)

Như phương pháp PAC-TD nhưng sử dụng sợi dây điện cảm biến để sinh nhiệt liên tục [11]

độ của máu Áp dụng phương trình Stewart – Haminlton để tính cung lượng tim thất trái [12, 13]

quãng

Trung bình

Yêu cầu đường động mạch và tĩnh mạch trung tâm

Không đo được huyết áp động mạch phổi Độ chính xác thấp với bệnh nhân rối loạn nhịp tim, đang uống thuốc vận mạch, hở van tim

Trang 29

TT Phương pháp Nguyên lý/kỹ thuật Xâm

lấn

Đáp ứng

độ của chất chỉ thị đo tại vị trí động mạch ngoại biên Cung lượng tim được tính dựa theo diện tích giữa đường cong biểu diễn sự thay đổi nồng

độ của chất chỉ thị áp dụng phương trình Stewart – Haminlton [10]

quãng

Trung bình

Không sử dụng được với bệnh nhân đang điều trị bằng lithium Không thực hiện được nhiều phép đo trong thời gian ngắn vì chất chỉ thị được tích lũy trong

1 sử dụng giá trị cung lượng tim từ phương pháp khác làm giá trị để hiệu chuẩn (Ví dụ như PiCCO, LiDCO)

Nhánh 2 tự hiệu chuẩn từ đặc điểm sóng động mạch và các tham số nhân chủng học (Ví dụ như Flotrac, LiDCOrapid) [13, 14]

tục

Trung bình

Kết quả kém chính xác đối với bệnh nhân rối loạn nhịp tim, thay đổi trương lực mạch nhanh

Trang 30

lấn

Đáp ứng

Còn nhiều giả định về toán học và các vấn đề về sinh lý Phải đặt nội khí quản, không thể áp dụng đối với bệnh nhân bị tổn thương phổi nặng Phương pháp này chỉ nên áp dụng với bệnh nhân thở máy,

có huyết động tương đối ổn định

7 Siêu âm qua

thực quản

Sử dụng hiệu ứng Doppler của sóng siêu âm để đo tốc độ dòng máu trong động mạch chủ, động mạch phổi Đo diện tích mặt cắt ngang của vùng máu lưu thông và biết nhịp tim của bệnh nhân sẽ tính được cung lượng tim [16, 17]

Phải đưa đầu dò vào sâu trong thực quản nên giới hạn ở những bệnh nhân đang dùng thuốc an thần hoặc phải gây mê toàn thân Kết quả đo SV có thể bị nhiễu

do chuyển động và phụ thuộc vào người

Trung bình

Việc đo và tính đường kính của mặt cắt ngang búp sóng chiếu tới và thao tác với đầu dò để đảm bảo góc giữa chùm tia của sóng siêu âm và dòng máu có nguy cơ sai số Kết quả chưa chính xác ở những bệnh nhân béo phì

Trang 31

lấn

Đáp ứng

Khó áp dụng đối với nhóm bệnh nhân rối loạn nhịp tim, giảm tưới máu ngoại vi hoặc có ngón tay, cánh tay phù nề Kết quả dễ sai lệch khi có sự di chuyển của cánh tay

Các giả định cơ bản để ước tính CO sử dụng thời gian truyền sóng xung không đúng ở bệnh nhân bị rối loạn nhịp tim và bệnh nhân có những thay đổi rõ rệt trong kháng mạch ngoại vi

ta thu được điện áp ở đầu ra Dựa vào

sự thay đổi biên độ/pha của điện áp đầu ra để tính các thông số huyết động [18-20]

Hạn chế chung: nhiều giả thiết toán học Kết quả chính xác chưa cao đối với bệnh nhân béo phì, tràn dịch mang phổi, phù phổi, loạn nhịp tim Trường hợp dựa vào biên độ điện áp đầu ra có thêm một số hạn chế như nhiễu tín hiệu do chuyển động, hô hấp, nhiễu điện

Trang 32

1.2 Phương pháp đo cung lượng tim bằng tim đồ trở kháng ngực 1.2.1 Giới thiệu chung

Nhóm các phương pháp đo cung lượng tim không can thiệp đã và đang được nghiên cứu nhằm khắc phục những hạn chế, tăng cường độ chính xác và an toàn cho bệnh nhân Nổi bật trong nhóm này là phương pháp tim đồ trở kháng ngực (ICG – impedance cardiography) với các ưu điểm như dễ dàng thiết lập các phép đo, chi phí vận hành thấp, theo dõi được thông số một cách liên tục, và ít gây nguy hiểm cho con người Những ưu điểm này là vô cùng có ý nghĩa trong công tác chẩn đoán và điều trị các bệnh tim mạch

Về cơ bản, việc tính CO từ tín hiệu ICG được thực hiện thông qua bốn bước gồm: (1) đo sự biến thiên của trở kháng vùng ngực (TEB – thoracic electrical bioimpedance) theo thời gian; (2) xây dựng tín hiệu ICG từ tín hiệu TEB sau khi loại

bỏ các can nhiễu; (3) xác định các điểm đặc trưng trên tín hiệu ICG; rồi (4) tính HR,

SV, và CO dựa trên các điểm đặc trưng này Để phân tích cơ sở của phương pháp và xây dựng nền tảng lý thuyết cho kỹ thuật đo, chi tiết về các đại lượng trên sẽ lần lượt được trình bày trong các phần sau đây

1.2.2 Trở kháng ngực và tim đồ trở kháng ngực

Trở kháng ngực – TEB và Z

Sự luân chuyển dòng máu trong quá trình hoạt động của tim sẽ làm thay đổi trở kháng của vùng ngực (TEB) Do máu cũng là vật chất có trở kháng nhất định, máu được tâm thất trái bơm đi toàn cơ thể đồng nghĩa với một lượng máu máu sẽ ra khỏi vùng ngực và đi đến các vùng khác; khi đó, TEB sẽ có sự thay đổi tương ứng Để thuận tiện cho việc xây dựng các công thức, trở kháng vùng ngực trong điều kiện lý tưởng và chỉ có tim hoạt động được ký kiệu là Z Ký hiệu này là để phân biệt với TEB nói chung, vốn bị can nhiễu các yếu tố không liên quan đến hoạt động của tim như nhiễu điện, hoạt động hô hấp, nhiễu chuyển động, và các loại nhiễu khác

Trở kháng Z có hai thành phần: thành phần trở kháng cố định Z0và thành phần trở kháng thay đổi ∆Z Thành phần trở kháng cố định, hay còn gọi là thành phần trở kháng nền, bao gồm trở kháng của các mô mỡ, cơ, xương, máu dự trữ tại các tế bào, v.v là các thành phần không di chuyển trong suốt quá trình bơm máu của tim mạch

Về mặt lý thuyết, thành phần này là không thay đổi Thành phần còn lại là trở kháng thay đổi của vùng ngực trong quá trình di chuyển của máu qua lồng ngực, được biểu diễn là đường cong thay đổi trở kháng, kí hiệu là ∆Z Như vậy, trở kháng tổng thể của vùng ngực sẽ là:

Trang 33

Z = Z0− ∆Z (1.6)

Dấu trừ trong công thức trên là do máu có độ dẫn cao hơn so với các mô mỡ, cơ, xương hay các thành phần cố định nên khi máu chảy vào vùng ngực sẽ làm tổng trở kháng vùng này giảm xuống Thông thường, trở kháng vùng ngực người lớn là khá nhỏ, khoảng 20-48 Ω; thành phần thay đổi (∆Z), chiếm khoảng 0.5% biên độ của Z

và có dải tần số là 0-50 Hz [21, 22] Nói cách khác, khi máu di chuyển trong lồng ngực, trở kháng ngực chỉ dao động trong dải 100-240 mΩ quanh một đường cơ sở có

độ lớn 20-48 Ω Rõ ràng, việc theo dõi sự thay đổi này là rất thách thức, đòi hỏi một

hệ thống đo đạc có độ chính xác cao, độ ổn định cao, độ phân giải rất cao, và ít bị can nhiễu bởi các yếu tố bên ngoài

Tim đồ trở kháng ngực – ICG

Về khía cạnh huyết động học, tín hiệu ∆Z chưa thể hiện được tốc độ thay đổi của dòng máu ra vào tim một cách rõ nét Thay vào đó, vi phân của tín hiệu này, dZ/dt, mới thể hiện tốc độ thay đổi trở kháng ngực theo quá trình hoạt động của tim, gắn liền với tốc độ thay đổi của dòng máu ra vào tim, và giá trị thể tích nhát bóp được sử dụng để tính toán các thông số huyết động [23, 24] Dạng sóng dZ/dt thay đổi theo thời gian chính là tim đồ trở kháng ngực hay còn gọi là tín hiệu ICG Tín hiệu ICG liên quan đến các thời điểm hoạt động của tim như thời điểm đóng mở các van nhĩ thất, van động mạch chủ Trong phép đo cung lượng tim, cả trở kháng nền Z0 và tín hiệu ICG đều quan trọng do cùng tham gia vào công thức tính thể tích nhát bóp SV

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

Trang 34

Các điểm đặc trưng trên Hình 1.4 tương ứng với các sự kiện trong hoạt động bơm máu của tim như sau:

− Điểm A: ứng với thời điểm bắt đầu tâm nhĩ thu, máu tâm nhĩ trái đẩy xuống tâm thất trái Điểm A không thể quan sát được với trường hợp bệnh nhân bị rung nhĩ

− Điểm B: ứng với thời điểm van động mạch chủ mở Đây là điểm khởi đầu cho đường cong đi lên của tín hiệu ICG trước khi dZ/dt đạt giá trị cực đại Việc xác định điểm B là rất quan trọng trong việc tính các thông số SV và CO

− Điểm C: là đỉnh của tín hiệu ICG, biểu thị tốc độ thay đổi trở kháng nhanh nhất

− Điểm X: tương ứng với thời điểm van động mạch chủ đóng Do đó, thời gian tống máu thất trái (LVET – left ventricle ejection time) chính là khoảng thời gian từ khi xuất hiện điểm B đến khi xuất hiện điểm X

− Điểm O: ứng với thời điểm thay đổi thể tích trong giai đoạn tâm trương và mở van hai lá Do đó, biên độ tại điểm O sẽ phản ánh những triệu chứng liên quan tới tổn thương van hai lá hoặc triệu chứng thiếu máu cục bộ

Mối quan hệ giữa ICG và tín hiệu điện tim – ECG

Về mặt điện sinh học, mối quan hệ giữa tín hiệu ICG và tín hiệu điện tim (ECG – electrocardiogram) là rất mật thiết do đều liên quan trực tiếp đến hoạt động bơm máu của tim Nghiên cứu mối quan hệ này có ý nghĩa không nhỏ trong việc tìm điểm đặc trưng trong tín hiệu ICG và việc loại bỏ các can nhiễu trong tín hiệu ICG, đặc biệt là can nhiễu do hoạt động hô hấp

Về mặt lý thuyết, tín hiệu ICG có thể được xây dựng từ tín hiệu TEB sau khi lọc

bỏ các can nhiễu Tuy nhiên, trong thực tế, việc loại bỏ hoàn toàn nhiễu là bất khả thi Do đó, tín hiệu ICG không chỉ phụ thuộc vào tim và hoạt động bơm máu mà còn phụ thuộc vào nhiễu và hoạt động các bộ phận cấu trúc nên vùng ngực Sự phụ thuộc phức tạp này làm cho việc xác định chính xác các điểm đặc biệt trong tín hiệu ICG là không dễ dàng và có độ tin cậy không cao nếu chỉ căn cứ vào trở kháng đo được Trong khi đó, tín hiệu ECG là tín hiệu điện được sinh ra do quá trình khử cực và tái cực của cơ tim Vì vậy, thông qua tín hiệu ECG thu nhận được, ta có thể xác định chính xác trạng thái của tim và hoạt động bơm máu đang diễn ra Nói cách khác, tín hiệu ECG có thể là những tín hiệu đồng bộ đáng tin cậy cho các thuật toán xác định điểm đặc trưng trên tín hiệu ICG Hình 1.5 thể hiện sơ bộ mối quan hệ giữa các điểm đặc trưng trong tín hiệu ECG, TEB, và ICG trên cùng một trục thời gian Mối quan

hệ này là bền vững do gắn liền với hoạt động của tim

Trang 35

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

Khi phân tích tín hiệu ECG, một trong những dấu hiệu đặc trưng và có độ tin cậy rất cao để nhận dạng mỗi chu kỳ tim là phức bộ QRS và đặc biệt là đỉnh R Đỉnh R

là điểm có biên độ cao nhất trong phức bộ QRS, phức bộ này là đoạn sóng có tốc độ thay đổi về biên độ nhanh hơn nhiều so với các sóng khác trong tín hiệu ECG Việc phát hiện đỉnh R đã được quan tâm nghiên cứu từ lâu và cũng là một trong những cơ

sở quan trọng để phân tích tín hiệu ICG trong luận án này

Trong các nghiên cứu đã được công bố, thuật toán Pan-Tompkins là một thuật toán điển hình, được sử dụng một cách phổ biến, và cho kết quả phát hiện đỉnh R với

độ chính xác cao [27] Sơ đồ khối của thuật toán được mô tả như trong Hình 1.6

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

Trong đó, chức năng cụ thể của các khối xử lý chính như sau:

− Lọc thông dải: bao gồm một bộ lọc thông cao và một bộ lọc thông thấp loại bỏ

các nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu ECG bao gồm: nhiễu cử động, nhiễu trôi đường

cơ sở, nhiễu điện lưới, nhiễu điện từ, …

− Vi phân số: tạo nên tín hiệu về tốc độ thay đổi mức điện áp của tín hiệu ECG

Phức bộ QRS thành phần có tốc độ thay đổi điện áp nhanh nhất, do đó sẽ là thành

phần có biên độ lớn nhất sau vi phân số

Các đỉnh R

Tín hiệu ECG

Lọc thông dải

Đạo hàm

Bình phương

Tích phân cửa sổ dịch chuyển

Lấy ngưỡng

Định vị vùng chứa đỉnh R Tìm điểm

cực đại

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

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	5,62 MB