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

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 timSV – stroke volume, thời

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

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

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận án, tôi đã nhận được sự động viên, tạo điềukiện thuận lợi của cơ quan công tác, nơi đào tạo, các thầy giáo, cô giáo, bạn bè, giađình và đồng nghiệp Đây là nguồn động lực to lớn giúp tôi vượt qua các khó khăn,thử thách để hoàn thành luận án của mình

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 tôihoàn 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 đãđịnh 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 khángngực – Trung tâm Điện tử y sinh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; các tìnhnguyện 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 củaTrường Đại học Bách Khoa Hà nội và Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạođiều 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 đãluôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này

Hà Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2021

Tác giả luận án

Phan Đăng Hưng

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

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

2.3 Kết luận chương 2 70

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

3.2.1 Mục đích 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

3.3.1 Mục đích 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

3.5 Kết luận chương 3 98

ii

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

4.4 Kết luận chương 4 116

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

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 thiếumáu cơ tim và đột quỵ đã gây ra 27% số ca tử vong trên toàn cầu Ở Việt Nam, sốngười chết vì bệnh tim mạch khoảng 200.000 người, chiếm ¼ tổng số ca tử vong hằngnăm 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 nềkhông những ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân mà còn là gánh nặngcho 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 ejectiontime), và quan trọng nhất là cung lượng tim (CO – cardiac output) Sự kết hợp giữacung lượng tim, điện tâm đồ, cùng các thông số huyết động khác giúp bác sĩ phânloại khá chính xác các bệnh lý tim mạch, đặc biệt là các bệnh lý xuất phát từ tìnhtrạng thiếu máu cục bộ, huyết áp cao, và nhồi máu cơ tim Việc đo lường và theo dõithông số CO liên tục cũng hỗ trợ rất nhiều cho bác sĩ trong cấp cứu, phẫu thuật vàhồi 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 bệnhtim mạch, đặc biệt trong hồi sức cấp cứu tim mạch Hiện nay có một số phươngpháp đo lường và theo dõi thông số CO Các phương pháp này được phân thành hainhóm đó là nhóm các phương pháp đo xâm lấn (can thiệp) và nhóm các phươngpháp 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 nhiệtxuyên phổi (PiCCO) vẫn là các phương pháp thường được sử dụng, cho kết quảchính xác cao Tuy nhiên, các phương pháp này tồn tại một số nhược điểm như đòihỏi kỹ thuật cao, có nguy cơ lây chéo các bệnh truyền nhiễm, nguy hiểm cho ngườibệnh, 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 nghiêncứu nhằm khắc phục những hạn chế của nhóm phương pháp có can thiệp để đảm bảotính thuận lợi trong sử dụng và an toàn cho bệnh nhân Nổi bật trong nhóm này là

1

phương pháp tim đồ trở kháng ngực (ICG – impedance cardiography) với các ưuđiểm như dễ dàng thiết lập các phép đo, chi phí vận hành thấp, và theo dõi đượcthông số một cách liên tục Những ưu điểm này là vô cùng có ý nghĩa trong công tácđiều 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 tácđộng của nhiều yếu tố kỹ thuật và phi kỹ thuật Đây chính là động lực để tác giả đềxuất hướng nghiên cứu, nhằm loại bỏ các rào cản, và góp phần đưa thiết bị đo cunglượng 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 nhậntín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG để ứng dụng trong phép đo thông số cung lượngtim 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 ràocản hiện có đối với việc ứng dụng thiết bị đo cung lượng tim bằng tín hiệu tim đồtrở 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 nghiêncứu phát triển và chế tạo thiết bị

− Đối với rào cản phi kỹ thuật gây ra do sự chồng lấn của vị trí gắn điệncực 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 rộngnhóm 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 nêutrên ở mức độ sâu hơn và toàn diện hơn Về những nghiên cứu này, do chưa có điềukiện triển khai, tác giả chỉ đề cập như là các hướng phát triển của luận án

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: lýthuyết 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 củaquá trình hô hấp đến tín hiệu ICG, và các phương pháp giảm thiểu các ảnh hưởngnày;

− Nhóm đối tượng liên quan đến phương pháp đo, công cụ đo, và phươngtiện 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 sốquan 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 quátrình 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 giảiquyết 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 sốhuyết động ảnh hưởng trực tiếp đến cung lượng tim Nội dung này tóm lược cácnền 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 hoạtđộng 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

3

− 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 nhiễuđược 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 támđiện cực

điểm là cấu hình được các thiết bị thương mại sử dụng Vị trí đặt điện cực thaythế 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 vịtrí chồng lấn khác (nếu có) tuy chưa được xem xét nhưng là ít xảy ra, theo đánhgiá 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 trởkháng ngực làm công cụ thu thập dữ liệu Việc chế tạo thử nghiệm các mô-đuncũng được thực hiện với các linh kiện chuẩn, dựa trên thông số công bố của nhàsản xuất để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao Luận án không trình bàyquá trình phát triển một thiết bị hoàn thiện có thể tính toán và hiển thị đượcthông 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 khácnhau để đạt được các mục tiêu đã đề ra ban đầu Về cơ bản, các phương pháp được

sử dụng thường xuyên là:

trình, bài báo liên quan đến đề tài của luận án để xác định các vấn đề cần nghiêncứu 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 liênquan 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 làphương pháp đặc biệt quan trọng đối với các nghiên cứu liên quan đến cơ thểngười

− 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 cựcthay thế

4

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 chocác bước tiếp theo trong việc đo lường thông số cung lượng tim bằng phươngpháp tim đồ trở kháng ngực

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

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 sửdụng kỹ thuật này

− Việc đề xuất các vị trí đặt điện cực mới thay thế cho các vị trí điện cực tiêuchuẩn sẽ giúp cho quá trình ứng dụng kỹ thuật tim đồ trở kháng ngực trên thực tếlâm 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 ngựcvới kỹ thuật số hóa đỉnh sóng mang tần số cao Giải pháp này cho phép ghi đotín hiệu

ICG bằng các nền tảng phần cứng có hiệu năng thấp, giúp giảm giá thành nghiêncứu phát triển, giúp mở rộng khả năng tiếp cận lĩnh vực nghiên cứu cho các nhà

5

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 ứngdụng kỹ thuật tim đồ trở kháng ngực trên thực tế lâm sàng được đầy đủ và dễdàng 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 đổiwavelet 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 kếtthúc bằng các kết luận và hướng phát triển trong tương lai Nội dung nghiên cứuđược 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 đếnphương pháp tim đồ trở kháng ngực gồm mô hình hệ thống đo, tín hiệu ICG, cácđiểm đặc trưng, phương pháp tính CO từ tín hiệu ICG, và các loại can nhiễu lần lượtđược làm rõ Chương này cũng khảo sát các nghiên cứu liên quan, phân tích nhữngvấn đề còn tồn tại để làm nổi bật ý nghĩa các nghiên cứu được triển khai trong cácchương 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 mangtần số cao, giúp nâng cao hiệu quả của thiết bị và (2) giải pháp thay đổi vị trí đặtđiện cực so với cách đo tiêu chuẩn trong trường hợp bị chồng lấn, giúp nâng caotính ứng dụng của phương pháp Hai giải pháp này hiện thực hóa hai mục tiêu đầutiên của luận án là giải quyết rào cản kỹ thuật về chế tạo thiết bị và rào cản phi kỹthuật 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 toántách nhiễu thở từ tín hiệu trở kháng ngực Kết quả của chương này là bộ dữ liệu vềnhiễu thở và các đặc trưng của nhiễu thở Đây là nền tảng quan trọng cho nghiêncứu sẽ được triển khai trong Chương 4

6

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 giáđịnh lượng hiệu quả của thuật toán lọc nhiễu thở được thực hiện trên cơ sở bộ dữliệu nhiễu thở thu được trong Chương 3 Kết quả của chương này hiện thực hóa mụctiêu cuối cùng của luận án là loại bỏ một trong số các rào cản về độ tin cậy của kếtquả đo trong phạm vi nguồn lực có thể tiếp cận

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 trongphép đo thông số cung lượng tim, việc xây dựng một bức tranh tổng thể về lĩnh vựcnghiên cứu là rất quan trọng Do đó, trong chương đầu tiên của luận án, tác giả tậptrung trình bày các nền tảng lý thuyết và đánh giá các công trình nghiên cứu liênquan Đầu tiên, loạt lý thuyết căn bản về tim, cung lượng tim, và các thông số huyếtđộng được giới thiệu kèm theo các khái niệm căn bản Tiếp theo, phương pháp đocung lượng tim bằng tim đồ trở kháng ngực được trình bày rõ ràng và chi tiết để làmnổi 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 làmxương 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 giảphân tích các vấn đề còn tồn tại, khảo sát và đánh giá hàng hoạt các nghiên cứu liênquan, và khu trú lại ba mục tiêu nghiên cứu của luận án để từng bước giải quyếttrong 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 tụctrong suốt cuộc đời con người Tim có kích thước nhỏ tương đương nắm tay, trọnglượng 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]

8

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 khoangliên sườn thứ 5

Về cấu trúc, tim là một khối cơ rỗng, được chia thành 4 buồng: 2 tâm nhĩ và 2tâm 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 tâmnhĩ ngăn cách nhau bởi vách liên nhĩ, hai tâm thất ngăn cách nhau bởi vách liênthất 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 bánnguyệt Các van giúp cho dòng máu chỉ lưu thông một chiều từ nhĩ xuống thất và từthất vào động mạch chủ [2] Hình 1.1 mô tả cấu trúc của tim, đường đi của máugiữa các buồng tim và van tim

Tim đập nhịp nhàng, đều đặn, khoảng 3 tỷ lần cho một đời người Có thể chiachuỗi hoạt động này thành từng chu kỳ lặp đi lặp lại riêng rẽ Khoảng thời gian từđầu của một tiếng tim này đến đầu tiếng tim khác gọi là một chu kỳ tim Trong mỗichu 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 trongmột chu chuyển tim đối với tim trái, thể hiện sự thay đổi áp suất nhĩ trái, áp suất thấttrái, áp suất động mạch chủ, thể tích thất trái, điện tâm đồ, tâm thanh đồ, hoạt độngđóng mở của van A-V (nhĩ thất), van động mạch chủ

Đóng van A-V

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

Với nhịp tim trung bình khoảng 75 nhịp/phút, mỗi chu kỳ tim kéo dài khoảng0,8 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 thất mở và máu bắt đầu rót xuống thất (tiếng tim T3, máu dội vào thành thất khi timhút máu về) Trong 0,4 s còn lại được chia thành 2 giai đoạn: tâm nhĩ co ở 0,1 s đầutiên để tống nốt máu xuống thất (tiếng tim T4, máu dội vào thành thất khi nhĩ co đẩymáu xuống thất) trong lúc này thất vẫn giãn cho đến khi van nhĩ thất đóng (tiếng timT1) 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

nhĩ-áp xuất trong động mạch thì van động mạch mở, bắt đầu giai đoạn tống máu tâmthất (khoảng 0,25 s) Ban đầu tốc độ tốc máu nhanh sau đó tốc độ tống máu giảmdần đến khi áp xuất của tâm thất nhỏ hơn áp xuất trong động mạch thì van độngmạch 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 Cunglượng tim được xác định bởi hai tham số là nhịp tim (HR – heart rate) và thể tíchnhát 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

10

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 thìcung 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 làcung lượng tim thấp Thực tế, khi nhịp tim vượt quá 150 nhịp/phút, cung lượng tim bắtđầu giảm Nguyên nhân của hiện tượng này là trong giai đoạn tâm trương, máu được đixuống tâm thất Thời gian này chính là thời gian đổ đầy thất và có ảnh hưởng lớn tớicung 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 đầythất 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 giữacung lượng tim và nhịp tim được minh họa như trên Hình 1.3

CO (l/phút) 5

(nhịp/phút)

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 thấtcuối 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 thịkhác 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

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

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 tâmtrương Các yếu tố quyết định tiền gánh: tuần hoàn trở về, độ giãn nở của thất vàthời gian tâm trương Tiền gánh thường được đo lường qua các đại lượng thay thếnhư thể tích thất trái cuối thời kỳ tâm trương bằng cách siêu âm tim, và phổ biếnhơn 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 mạchchủ và sức cản của các mạch máu thì lúc đó, van động mạch chủ mới mở và chophép máu được bơm đi toàn cơ thể Khi hậu gánh càng lớn thì cơ tim co bóp càngkhó khăn nên dễ dẫn tới suy tâm thất Hậu gánh phụ thuộc vào sức đàn hồi của độngmạch, 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 lâmsàng thường được sử dụng để đánh giá hậu gánh thất trái Theo [7], sức cản mạch hệthống 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 venouspressure) chia cho cung lượng tim CO

= ( − ) × 80/

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 nhiênthường được dùng trên lâm sàng Sức cản mạch máu ngoại biên phụ thuộc vào cấutrúc 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 gánhkhông 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 ảnhhưởng trực tiếp đến sức co bóp cơ tim

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

12

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 lượngtim do nhiều nguyên nhân và liên quan đến mọi quá trình hoạt động của tim Dovậy, khi kết hợp đánh giá giữa thông số cung lượng tim và các thông số huyết độngkhác sẽ cho phép bác sĩ phân loại được cụ thể một số bệnh lý tim mạch Đặc biệt làcác bệnh lý xuất phát từ tình trạng thiếu máu cục bộ, huyết áp cao hay nhồi máu cơtim Ngoài ra, dựa vào cung lượng tim và các thông số huyết động có liên quancũng 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

Trong hồi sức, cung lượng tim có ý nghĩa quan trọng khi chẩn đoán và điều trịsốc 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), ngoàidấu hiệu lâm sàng và cận lâm sàng của sốc là giảm tưới máu đến các tạng (ví dụgiảm 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 éptim, v.v Điều trị sốc có thể bằng truyền dịch, thuốc tăng co bóp cơ tim, thuốc comạch hoặc kết hợp cả truyền dịch và các thuốc Theo dõi liên tục diễn biến cunglượng 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 hayxấu 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 phươngpháp có nguyên lý, kỹ thuật, ưu điểm, nhược điểm riêng và được khuyến cáo sửdụng phù hợp với từng tình huống trong khám bệnh thông thường, cấp cứu, phẫuthuật, 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 cácphương pháp không xâm lấn Bảng 1.1 tổng hợp các phương pháp đo lường và theodõi cung lượng tim hiện nay

Bảng 1.1 Tổng hợp các phương pháp đo cung lượng tim

Pha loãng nhiệt Tiêm một lượng muối lạnh với thể tíchvà nhiệt độ đã biết vào tâm nhĩ phải sử

Pha loãng nhiệt

Như phương pháp PAC-TD nhưng sử

2 liên tục tại phổi

nhiệt liên tục [11]

PAC-TD)

Sử dụng chất chỉ thị là muối lạnh được

Thermodilution) Stewart – Haminlton để tính cung

lượng tim thất trái [12, 13]

14

TT Phương pháp

Sử dụng một chất chỉ thị màu đưa vào

hệ thống tuần hoàn bằng tĩnh mạch

đường cong biểu diễn sự thay đổi nồng

độ của chất chỉ thị áp dụng phươngtrình

Sử dụng đặc điểm của sóng huyết ápđộng mạch tương ứng với thời kỳ tâmthu và tâm trương để tính thể tích nhátbóp rồi tính cung lượng tim Phương

chuẩn (Ví dụ như PiCCO, LiDCO).Nhánh 2 tự hiệu chuẩn từ đặc điểmsóng động mạch và các tham số nhânchủng học (Ví dụ như Flotrac,LiDCOrapid) [13, 14]

15

TT Phương pháp Nguyên lý/kỹ thuật

Áp dụng nguyên lý Fick với chất chỉFick đo đào thải

CO2

một phần khí CO2 lúc thở ra [11], [15]

Sử dụng hiệu ứng Doppler của sóngsiêu âm để đo tốc độ dòng máu trongđộng mạch chủ, động mạch phổi Đo

thực quản

lưu thông và biết nhịp tim của bệnhnhân sẽ tính được cung lượng tim [16,17]

16

TT Phương pháp Nguyên lý/kỹ thuật

Sử dụng cảm biến ở ngón tay hoặc trên

không xâm lấn)

cung lượng tim [18, 19]

Sử dụng tín hiệu điện tim ECG kết hợptín hiệu sóng mạch thu được từ đầu kẹp

ngoại biên mà tại đó biên độ của sóngđạt được 30% so với đỉnh [18]

Hoạt động bơm máu của tim làm thayđổi trở kháng của vùng ngực Khi cấp

11

đầu ra để tính các thông số huyết động

17

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 đượcnghiên cứu nhằm khắc phục những hạn chế, tăng cường độ chính xác và an toàn chobệnh 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 phívận hành thấp, theo dõi được thông số một cách liên tục, và ít gây nguy hiểm chocon người Những ưu điểm này là vô cùng có ý nghĩa trong công tác chẩn đoán vàđiều 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 electricalbioimpedance) theo thời gian; (2) xây dựng tín hiệu ICG từ tín hiệu TEB sau khiloại 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 phươngpháp 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 trởkháng của vùng ngực (TEB) Do máu cũng là vật chất có trở kháng nhất định, máuđược tâm thất trái bơm đi toàn cơ thể đồng nghĩa với một lượng máu máu sẽ ra khỏivùng ngực và đi đến các vùng khác; khi đó, TEB sẽ có sự thay đổi tương ứng Đểthuận tiện cho việc xây dựng các công thức, trở kháng vùng ngực trong điều kiện lýtưởng và chỉ có tim hoạt động được ký kiệu là Z Ký hiệu này là để phân biệt vớiTEB nói chung, vốn bị can nhiễu các yếu tố không liên quan đến hoạt động của timnhư 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 phầntrở kháng thay đổi ∆Z Thành phần trở kháng cố định, hay còn gọi là thành phần trởkháng 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 khángthay đổi của vùng ngực trong quá trình di chuyển của máu qua lồng ngực, được biểudiễn là đường cong thay đổi trở kháng, kí hiệu là ∆Z Như vậy, trở kháng tổng thểcủa vùng ngực sẽ là:

18

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 trởkháng vùng này giảm xuống Thông thường, trở kháng vùng ngực người lớn là khánhỏ, 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 lồngngực, 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 hỏimột 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 củadòng máu ra vào tim một cách rõ nét Thay vào đó, vi phân của tín hiệu này, dZ/dt, mớithể hiện tốc độ thay đổi trở kháng ngực theo quá trình hoạt động của tim, gắn liền vớitốc độ thay đổi của dòng máu ra vào tim, và giá trị thể tích nhát bóp được sử dụng đểtính toán các thông số huyết động [23, 24] Dạng sóng dZ/dt thay đổi theo thời gianchính là tim đồ trở kháng ngực hay còn gọi là tín hiệu ICG Tín hiệu ICG liên quan đếncác thời điểm hoạt động của tim như thời điểm đóng mở các van nhĩ thất, van độngmạch chủ Trong phép đo cung lượng tim, cả trở kháng nền Z0 và tín hiệu ICG đềuquan 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]

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 đẩyxuống 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 khởiđầu 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, thờigian tống máu thất trái (LVET – left ventricle ejection time) chính là khoảng thờigian 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 liênquan 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 bơmmáu của tim Nghiên cứu mối quan hệ này có ý nghĩa không nhỏ trong việc tìmđiểm 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 khảthi Do đó, tín hiệu ICG không chỉ phụ thuộc vào tim và hoạt động bơm máu màcòn phụ thuộc vào nhiễu và hoạt động các bộ phận cấu trúc nên vùng ngực Sự phụthuộc phức tạp này làm cho việc xác định chính xác các điểm đặc biệt trong tín hiệuICG là không dễ dàng và có độ tin cậy không cao nếu chỉ căn cứ vào trở kháng đođược 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 xácđịnh chính xác trạng thái của tim và hoạt động bơm máu đang diễn ra Nói cáchkhác, tín hiệu ECG có thể là những tín hiệu đồng bộ đáng tin cậy cho các thuật toánxác định điểm đặc trưng trên tín hiệu ICG Hình 1.5 thể hiện sơ bộ mối quan hệ giữacác 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

20

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 tincậy 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 hiệuECG Việc phát hiện đỉnh R đã được quan tâm nghiên cứu từ lâu và cũng là mộttrong 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 toánđiển hình, được sử dụng một cách phổ biến, và cho kết quả phát hiện đỉnh R với độchính xác cao [27] Sơ đồ khối của thuật toán được mô tả như trong Hình 1.6

Tín hiệu ECG

Các đỉnh R

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

21

− 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 sánhvới một ngưỡng cứng để xác định vùng phức bộ QRS Biên độ ngưỡng đượcquyết định sau quá trình thử nghiệm thực tế tín hiệu nhằm đảm bảo không bỏ sótphức 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 pháthiện đỉnh R Tín hiệu sau tích phân cửa sổ dịch chuyển cho phép thiết lậpngưỡng 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 hiệuECG gốc do quá trình áp dụng thuật toán Pan-Tompkins tín hiệu sẽ bị trễ mộtkhoảng 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 tínhđược hai thông số quan trọng là thể tích nhát bóp (SV) và nhịp tim (HR) Theo cácnghiên 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, nếuxác định được chu kỳ tuần hoàn của tín hiệu ICG, ta sẽ tính được tần số tuần hoànhay chính là HR Thông thường, giống như kỹ thuật tính toán nhịp tim từ tín hiệuđiện tim ECG, ta chọn khoảng cách hai đỉnh sóng làm chu kỳ tuần hoàn Trong tínhiệu 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:

= 60/

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

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 Sauđây 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 sựthay đổi trở kháng vùng ngực và thể tích máu được thất trái bơm đi trong một chu kìlàm việc Nyboer đã phát triển lý thuyết này và đưa ra công thức tính sự thay đổi củathể 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; L 0

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/dt max LVET và V = SV, khi đó:

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.

c) Công thức Sramek

Sramek đưa ra một phương pháp khác để tính thể tích nhát bóp sử dụng ba thànhphần: khối lượng mô tham gia khử cực (VEPT) – phụ thuộc vào giới tính, cân nặng, vàchiều cao; thời gian tống máu tâm thất (VET) – tương tự như LVET; và chỉ số co bóptrong giai đoạn tống máu (EPCI) Theo Sramek, thông số SV tỉ lệ thuận với kích

23

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

SV = VEPT × VET × ECPI

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

SV =

Trong đó, H là chiều cao bệnh nhân (cm) So sánh với công thức Kubicek, có thểthấy khoảng cách giữa các điện cực thu nhận tín hiệu được mặc định là bằng 0,17lần chiều cao bệnh nhân Công thức Sramek không được dùng nhiều vì sai số nhiềuhơn công thức Kubicek và cũng không được linh hoạt như công thức trên

d) Công thức Sramek – Bernstein

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

SV=δ×

Trong đó, = IBW/ABW Đây là hệ số hiệu chỉnh dựa vào cân nặng lý tưởng (IBW –ideal body weight) được chọn và cân nặng thực tế (ABW – actual body weight), đềutính bằng kg Theo công thức Devine đối với nam giới, IBW = 50 + 0,91

× (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 mặtđiện sinh học, để đo được trở kháng ngực của bệnh nhân, ta cấp một dòng điện (I) điqua 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 độngbơm máu của tim, TEB chính là Z trong công thức tính ICG Như vậy, điện áp U làtín hiệu cần được xử lý và loại bỏ các can nhiễu để tính Z bằng định luật Ôm theo

24

Điện cực đo

Phương pháp tim đồ trở kháng ngực sử dụng các điện cực để đưa dòng điện vàocũng như để lấy điện áp vùng ngực đầu ra Việc sử dụng loại điện cực, số điện cựccũng như vị trí đặt đều ảnh hưởng đến kết quả đo tín hiệu ICG và tỉ số SNR Hiệntại 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 quanhvùng cổ và ngực Cụ thể, hai điện cực ở ngoài cùng đóng vai trò đưa dòng điệnvào ngực, hai điện cực phía trong dùng để lấy điện áp thu được ở đầu ra Cácđiện 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 sửdụng 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