Tổng quan nghiên cứu

Phân tích trở kháng điện sinh học (Bioelectrical Impedance Analysis - BIA) là một kỹ thuật đo lường không xâm lấn được sử dụng rộng rãi để đánh giá thành phần cơ thể và tình trạng sức khỏe. Theo ước tính, cơ thể người trưởng thành chứa khoảng 61% nước, 17% protein, 14% mỡ, 6% khoáng chất và 2% carbohydrate, trong đó các nguyên tố chính như oxy, hydro, cacbon và nitơ chiếm tới 96% khối lượng cơ thể. Sự thay đổi tỷ lệ các thành phần này phản ánh rõ ràng tình trạng sức khỏe và các bệnh lý như béo phì, suy dinh dưỡng, phù nề. Trong đó, góc pha trở kháng điện sinh học (Phase Angle - PA) được xem là chỉ số quan trọng phản ánh chức năng màng tế bào và sức khỏe tế bào, có thể dùng để đánh giá dinh dưỡng và nguy cơ bệnh tật.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu và thiết kế một hệ thống tự động đo góc pha trở kháng điện sinh học với độ chính xác cao, an toàn cho người sử dụng, nhằm hỗ trợ chẩn đoán và theo dõi sức khỏe. Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển phần cứng và phần mềm cho thiết bị đo, sử dụng dòng điện xoay chiều tần số 100 kHz với cường độ 500 µA, đảm bảo an toàn và độ nhạy tín hiệu. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2022, với các thử nghiệm mô phỏng và đo thực tế trên mẫu mô hình.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp một công cụ đo lường chính xác, nhanh chóng, chi phí thấp và dễ dàng sử dụng trong các cơ sở y tế, góp phần nâng cao hiệu quả chẩn đoán và theo dõi sức khỏe người bệnh thông qua chỉ số góc pha trở kháng điện sinh học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết phân tích trở kháng điện sinh học (BIA) và mô hình mạch tương đương tế bào sinh học.

  1. Phân tích trở kháng điện sinh học (BIA): Kỹ thuật này đo trở kháng của mô cơ thể khi dòng điện xoay chiều nhỏ chạy qua. Trở kháng được biểu diễn dưới dạng số phức gồm điện trở (R) và điện kháng (Xc), với góc pha θ được tính theo công thức

$$ \tan \theta = \frac{X_c}{R} $$

Góc pha phản ánh trạng thái màng tế bào và sức khỏe tế bào, góc pha lớn tương ứng với tế bào nguyên vẹn và khỏe mạnh, góc pha nhỏ biểu thị tổn thương tế bào hoặc suy giảm chức năng.

  1. Mô hình mạch tương đương tế bào: Màng tế bào được mô phỏng như tụ điện, dịch nội bào và ngoại bào như điện trở mắc nối tiếp và song song. Mô hình này giúp giải thích sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp, từ đó xác định góc pha trở kháng điện sinh học.

Các khái niệm chính bao gồm: điện trở (R), điện kháng (Xc), góc pha (θ), tổng lượng nước cơ thể (TBW), nước nội bào (ICW), nước ngoại bào (ECW), và các thành phần cơ thể như khối lượng chất không béo (LBM) và mỡ cơ thể (BF).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thực nghiệm đo góc pha trên mô hình mô phỏng và thử nghiệm thực tế với thiết bị do tác giả thiết kế. Cỡ mẫu thử nghiệm khoảng vài chục mẫu mô và mô hình điện tử để đánh giá độ chính xác và ổn định của hệ thống.

Phương pháp phân tích sử dụng mô phỏng mạch điện trên phần mềm TINA TI, thiết kế mạch tương tự và số, lập trình vi điều khiển TM4C123GH6PM để điều khiển module phát sóng AD9833 và thu tín hiệu qua ADC ADS1115. Các phép đo được thực hiện với dòng điện 500 µA, tần số 100 kHz, đảm bảo an toàn và độ nhạy tín hiệu cao.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, bao gồm các giai đoạn: khảo sát lý thuyết, thiết kế phần cứng, phát triển phần mềm, mô phỏng và thử nghiệm, đánh giá kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác của hệ thống đo góc pha: Kết quả đo thử nghiệm cho thấy góc pha đo được có sai số trung bình dưới 2% so với giá trị thiết lập trên mô hình mô phỏng, thể hiện qua các góc lệch pha thiết lập từ 20° đến 100°. Ví dụ, góc lệch pha thiết lập 50° đo được trung bình là 49.1°, sai số khoảng 1.8%.

  2. Ổn định nguồn dòng: Nguồn dòng Howland cải tiến cung cấp dòng điện ổn định 500 µA tại tần số 100 kHz với trở kháng đầu ra cao, đảm bảo tín hiệu đầu vào cho phép đo có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) tốt, giúp tăng độ chính xác của phép đo.

  3. Hiệu quả lọc tín hiệu: Bộ lọc thông cao và khối khuếch đại đảo loại bỏ thành phần DC hiệu quả, giảm thiểu nguy cơ gây sốc điện và nhiễu tín hiệu, đảm bảo an toàn cho người đo và độ tin cậy của dữ liệu.

  4. Giao tiếp và xử lý số: Vi điều khiển TM4C123GH6PM kết hợp giao tiếp SPI với module AD9833 và giao tiếp I2C với ADC ADS1115 hoạt động ổn định, cho phép thu thập và xử lý dữ liệu nhanh chóng, hiển thị kết quả trên màn hình LCD.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của độ chính xác cao đến từ việc lựa chọn linh kiện điện tử chất lượng cao như điện trở sai số 0.1%, op-amp OPA2211 và TL082 có CMRR cao, cùng với thiết kế mạch PCB hợp lý. So sánh với các nghiên cứu trước đây, hệ thống này có ưu điểm về tính tự động, độ ổn định và khả năng đo góc pha chính xác trong điều kiện an toàn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh góc pha thiết lập và góc pha đo được, biểu đồ đặc tuyến trở kháng theo tần số, và bảng thống kê sai số đo. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển thiết bị y sinh phục vụ chẩn đoán và theo dõi sức khỏe, đặc biệt trong các ứng dụng lâm sàng về dinh dưỡng và bệnh lý tế bào.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường độ chính xác đo lường: Cải tiến thiết kế mạch nguồn dòng và bộ lọc tín hiệu để giảm nhiễu nền, nâng cao tỷ lệ SNR, hướng tới sai số dưới 1% trong các phép đo góc pha. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu thiết bị y sinh.

  2. Phát triển giao diện người dùng thân thiện: Thiết kế phần mềm hiển thị kết quả trực quan, hỗ trợ lưu trữ và phân tích dữ liệu, giúp nhân viên y tế dễ dàng sử dụng và theo dõi. Thời gian: 4 tháng, chủ thể: nhóm phát triển phần mềm.

  3. Mở rộng thử nghiệm lâm sàng: Thực hiện khảo sát trên khoảng 100 bệnh nhân tại các cơ sở y tế để đánh giá hiệu quả và độ tin cậy của thiết bị trong thực tế. Thời gian: 1 năm, chủ thể: bệnh viện và viện nghiên cứu.

  4. Tích hợp đa tần số đo: Nghiên cứu bổ sung khả năng đo trở kháng ở nhiều tần số khác nhau để phân tích sâu hơn về thành phần cơ thể và tình trạng tế bào. Thời gian: 8 tháng, chủ thể: nhóm kỹ thuật và nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và kỹ sư y sinh: Có thể ứng dụng kiến thức và thiết kế mạch trong phát triển các thiết bị đo lường sinh học, nâng cao hiệu quả nghiên cứu và sản xuất thiết bị y tế.

  2. Bác sĩ và chuyên gia dinh dưỡng: Sử dụng thiết bị đo góc pha trở kháng điện sinh học để đánh giá tình trạng dinh dưỡng, theo dõi sức khỏe bệnh nhân, hỗ trợ chẩn đoán các bệnh liên quan đến tế bào và mô.

  3. Sinh viên và học viên ngành kỹ thuật y sinh: Tham khảo phương pháp thiết kế hệ thống đo lường điện tử, kỹ thuật xử lý tín hiệu và lập trình vi điều khiển trong lĩnh vực y sinh.

  4. Các cơ sở y tế và phòng khám: Áp dụng thiết bị đo lường tự động để nâng cao chất lượng dịch vụ khám chữa bệnh, đặc biệt trong các chương trình phòng ngừa và quản lý bệnh mãn tính.

Câu hỏi thường gặp

  1. Góc pha trở kháng điện sinh học là gì?
    Góc pha là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện khi dòng điện xoay chiều chạy qua mô cơ thể, phản ánh tính toàn vẹn và chức năng của màng tế bào. Ví dụ, góc pha cao cho thấy tế bào khỏe mạnh, góc pha thấp biểu thị tổn thương tế bào.

  2. Tại sao chọn tần số 100 kHz cho dòng điện?
    Tần số 100 kHz được chọn vì không kích thích các mô thần kinh hay cơ tim, đồng thời giảm trở kháng da, giúp tín hiệu đo chính xác và an toàn cho người sử dụng.

  3. Làm thế nào để đảm bảo an toàn khi đo?
    Dòng điện sử dụng có cường độ rất nhỏ (500 µA), dưới ngưỡng gây nguy hiểm, cùng với thiết kế nguồn điện cách ly và bộ lọc loại bỏ thành phần DC, đảm bảo không gây sốc điện cho người đo.

  4. Thiết bị có thể áp dụng cho đối tượng nào?
    Thiết bị phù hợp với người trưởng thành khỏe mạnh và bệnh nhân cần theo dõi dinh dưỡng, sức khỏe tế bào, đặc biệt trong các bệnh lý như suy dinh dưỡng, béo phì, phù nề.

  5. Độ chính xác của thiết bị so với các phương pháp khác như thế nào?
    Thiết bị đạt sai số dưới 2% so với giá trị chuẩn trong mô phỏng, tương đương hoặc tốt hơn các phương pháp đo lường không xâm lấn khác như DEXA hay kiểm tra nếp gấp da, với ưu điểm chi phí thấp và dễ sử dụng.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công hệ thống tự động đo góc pha trở kháng điện sinh học với dòng điện 500 µA, tần số 100 kHz, đảm bảo an toàn và độ chính xác cao.
  • Hệ thống sử dụng mạch nguồn dòng Howland cải tiến, bộ lọc thông cao và vi điều khiển TM4C123GH6PM để thu thập và xử lý tín hiệu.
  • Kết quả thử nghiệm cho thấy sai số đo góc pha dưới 2%, phù hợp với các ứng dụng lâm sàng và nghiên cứu.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu với đa tần số đo và phát triển giao diện người dùng thân thiện hơn.
  • Khuyến khích các nhà nghiên cứu, kỹ sư y sinh và cơ sở y tế áp dụng và phát triển thiết bị nhằm nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm lâm sàng rộng rãi và hoàn thiện phần mềm điều khiển, đồng thời nghiên cứu tích hợp đa tần số để nâng cao khả năng phân tích thành phần cơ thể. Để biết thêm chi tiết hoặc hợp tác nghiên cứu, vui lòng liên hệ nhóm tác giả tại Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.