Luận văn thạc sĩ vật lý kỹ thuật xây dựng mô hình thiết bị xác định tĩnh mạch bằng kỹ thuật hồng ngoại gần

Luận văn thạc sĩ vật lý kỹ thuật nghiên cứu xây dựng mô hình thiết bị xác định tĩnh mạch bằng kỹ thuật hồng ngoại gần, ứng dụng tiềm năng trong y học.

• Tác giả: Phan Tuấn Dũng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Thị Hải Miền
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật
• Đề tài: Xây Dựng Mô Hình Thiết Bị Xác Định Tĩnh Mạch Bằng Kỹ Thuật Hồng Ngoại Gần
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC BÀI BÁO KHOA HỌC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Giới thiệu đề tài
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Tình hình tiêm tĩnh mạch hiện nay
• 2.1.1. Các nguyên nhân ảnh hưởng đến việc truy cập tĩnh mạch bệnh nhân
• 2.1.2. Tình hình tiêm tĩnh mạch trên thế giới
• 2.1.3. Tình hình tiêm tĩnh mạch trong nước
• 2.2. Một số thiết bị xác định tĩnh mạch hiện nay
• 2.3. Vein contrast enhancement
• 2.4. Tình hình ứng dụng các thiết bị y tế xác định tĩnh mạch ở nước ta
• 3. CHƯƠNG 3: TƯƠNG TÁC CỦA ÁNH SÁNG HỒNG NGOẠI VÀ MÔ DA
• 3.1. Cơ sở giải phẫu học của bàn tay – cánh tay – mạch máu
• 3.1.1. Cơ sở giải phẫu học của bàn tay
• 3.1.2. Cơ sở giải phẫu học của cánh tay
• 3.1.3. Cấu trúc của tĩnh mạch
• 3.2. Cơ sở giải phẫu học và thuộc tính quang học của da
• 3.3. Tương tác của ánh sáng hồng ngoại và mô da
• 3.3.1. Phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường
• 3.3.2. Hiện tượng hấp thụ
• 3.3.3. Hiện tượng tán xạ
• 3.3.4. Quá trình lan truyền của ánh sáng qua mô
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Xây dựng hệ thống quang học
• 4.1.1. Phương pháp tán xạ
• 4.1.2. Phương pháp truyền qua
• 4.1.3. Kết hợp giữa phương pháp truyền qua và tán xạ
• 4.2. Kết quả nghiên cứu
• 4.2.1. Nhận xét đánh giá về ba phương pháp xác định tĩnh mạch
• 4.2.2. Khảo sát các trạng thái vận động của gân
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH THIẾT BỊ
• 5.1. Mô hình thiết bị
• 5.1.1. Giới thiệu về mô hình thiết bị
• 5.1.2. Thiết kế giao diện thiết bị
• 5.2. Kết quả thử nghiệm
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Luận văn thạc sĩ

Luận văn thạc sĩ với chủ đề 'Xây dựng mô hình thiết bị xác định tĩnh mạch bằng kỹ thuật hồng ngoại gần' được thực hiện bởi Phan Tuấn Dũng tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển một thiết bị y tế sử dụng công nghệ hồng ngoại gần để xác định tĩnh mạch, nhằm hỗ trợ các bác sĩ và y tá trong quá trình tiêm truyền và chẩn đoán bệnh. Luận văn được hoàn thành vào tháng 12 năm 2014, với sự hướng dẫn của TS. Phạm Thị Hải Miền và ThS. Trần Văn Tiến.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng một mô hình thiết bị sử dụng kỹ thuật hồng ngoại gần để xác định tĩnh mạch, giúp cải thiện độ chính xác và giảm thiểu thời gian trong các thủ thuật y tế. Nghiên cứu cũng nhằm đánh giá hiệu quả của các phương pháp quang học khác nhau trong việc thu hình ảnh tĩnh mạch, bao gồm phương pháp truyền qua, tán xạ và kết hợp cả hai.

II. Vật lý kỹ thuật

Luận văn áp dụng các nguyên lý vật lý kỹ thuật để thiết kế và phát triển thiết bị. Cụ thể, nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng ánh sáng hồng ngoại gần với bước sóng 850 nm để chiếu sáng và thu hình ảnh tĩnh mạch. Các hiện tượng quang học như hấp thụ, phản xạ và tán xạ ánh sáng trong mô da được phân tích kỹ lưỡng để tối ưu hóa độ tương phản của hình ảnh tĩnh mạch.

2.1. Tương tác ánh sáng và mô da

Nghiên cứu chỉ ra rằng ánh sáng hồng ngoại gần tương tác với mô da thông qua các hiện tượng hấp thụ và tán xạ. Hemoglobin trong máu hấp thụ mạnh ánh sáng hồng ngoại, tạo ra sự tương phản giữa tĩnh mạch và các mô xung quanh. Điều này cho phép thiết bị thu được hình ảnh rõ ràng của tĩnh mạch dưới da.

III. Mô hình thiết bị

Luận văn đề xuất một mô hình thiết bị sử dụng công nghệ hồng ngoại gần để xác định tĩnh mạch. Thiết bị bao gồm các thành phần chính như đèn LED hồng ngoại, camera hồng ngoại, và các bộ lọc quang học để tăng cường độ tương phản của hình ảnh. Mô hình được thiết kế để có tính cơ động cao, dễ dàng sử dụng trong các cơ sở y tế.

3.1. Thiết kế hệ thống quang học

Hệ thống quang học của thiết bị được thiết kế để tối ưu hóa việc thu hình ảnh tĩnh mạch. Các bộ lọc như kính phân cực và kính lọc cường độ được sử dụng để giảm thiểu ánh sáng chói và tăng cường độ tương phản của hình ảnh. Nghiên cứu cũng so sánh hiệu quả của ba phương pháp quang học: truyền qua, tán xạ và kết hợp cả hai.

IV. Kỹ thuật hồng ngoại gần

Kỹ thuật hồng ngoại gần là công nghệ chính được sử dụng trong luận văn để xác định tĩnh mạch. Công nghệ này có ưu điểm là không xâm lấn, không ion hóa và có chi phí thấp. Nghiên cứu chỉ ra rằng ánh sáng hồng ngoại gần với bước sóng 850 nm là tối ưu để thu hình ảnh tĩnh mạch do sự hấp thụ mạnh của hemoglobin.

4.1. Ứng dụng trong y tế

Kỹ thuật hồng ngoại gần được ứng dụng rộng rãi trong y tế, đặc biệt là trong việc xác định tĩnh mạch và chẩn đoán các bệnh liên quan đến mạch máu. Thiết bị được phát triển trong luận văn có tiềm năng lớn trong việc hỗ trợ các bác sĩ và y tá trong quá trình tiêm truyền, giảm thiểu thời gian và tăng độ chính xác.

V. Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu khoa học để đánh giá hiệu quả của thiết bị. Các thí nghiệm được tiến hành để so sánh độ tương phản của hình ảnh tĩnh mạch thu được từ ba phương pháp quang học khác nhau. Kết quả cho thấy phương pháp kết hợp giữa truyền qua và tán xạ mang lại độ tương phản cao nhất.

5.1. Phân tích kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp kết hợp giữa truyền qua và tán xạ mang lại độ tương phản cao nhất, giúp hình ảnh tĩnh mạch rõ ràng hơn so với các phương pháp đơn lẻ. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng kính phân cực và kính lọc cường độ giúp cải thiện đáng kể chất lượng hình ảnh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Can thiệp mạch máu ngoại biên là một trong những thủ thuật lâm sàng xuất hiện với tần suất cao nhất trong thực hành y khoa hiện đại. Theo thống kê y tế toàn cầu, mỗi năm có khoảng 500 triệu lượt tiêm truyền tĩnh mạch được thực hiện trên thế giới, tuy nhiên có tới khoảng 14 triệu ca gặp thất bại ngay trong lần chọc kim đầu tiên. Tình trạng này diễn ra đặc biệt phổ biến ở các nhóm đối tượng có tĩnh mạch khó quan sát hoặc khó cảm nhận như bệnh nhi, người cao tuổi bị suy giảm độ đàn hồi thành mạch, và bệnh nhân mắc chứng béo phì với lớp mỡ dưới da dày. Thực tế lâm sàng ghi nhận mỗi ngày có khoảng 15.000 bệnh nhân phải chịu từ 4 lần chọc kim trở lên, gây đau đớn, tổn thương thành mạch và tạo tâm lý lo âu nghiêm trọng. Tại Việt Nam, theo báo cáo tổng quan ngành y tế năm 2013, trong tổng số hơn 1,5 triệu lượt can thiệp tiêm truyền ở trẻ em đã ghi nhận khoảng 40.000 lượt gặp trục trặc và thất bại ban đầu do kích thước mạch máu nhỏ và phản xạ co thắt khi sợ hãi.

Trước thực trạng các kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh chuyên sâu như chụp cắt lớp vi tính (CT), chụp cộng hưởng từ (MRI), chụp mạch cản quang (Venography) hay siêu âm Doppler có chi phí đắt đỏ, quy trình vận hành phức tạp và kém linh động, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý Kỹ thuật tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tập trung thực hiện đề tài "Xây dựng mô hình thiết bị xác định tĩnh mạch bằng kỹ thuật hồng ngoại gần". Đề tài được triển khai từ tháng 7 năm 2014 đến tháng 12 năm 2014 nhằm thiết kế và chế tạo một mô hình thiết bị quang học không xâm lấn, sử dụng nguồn phát LED hồng ngoại có bước sóng 850 nm để định vị chính xác mạng lưới tĩnh mạch dưới da và khảo sát hệ thống dây chằng, gân bàn tay. Giải pháp kỹ thuật này hướng tới mục tiêu nâng tỷ lệ chọc kim thành công lần đầu lên trên 95%, giảm thiểu tối đa tổn thương mô mềm và cung cấp công cụ hỗ trợ giá thành thấp cho hệ thống y tế cơ sở.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng quang sinh học mô và lý thuyết tương tác bức xạ điện từ với vật chất. Sự suy giảm cường độ bức xạ khi truyền qua các lớp mô sống tuân theo định luật Beer-Lambert mở rộng qua biểu thức: $I = I_0 \exp(-\mu_a z)$, trong đó $I_0$ là cường độ chùm sáng tới, $\mu_a$ là hệ số hấp thụ quang học của môi trường và $z$ là chiều sâu thâm nhập mô. Hiện tượng tán xạ và khúc xạ ánh sáng tại bề mặt phân cách giữa các lớp biểu bì, bì và hạ bì được định lượng thông qua định luật Snell và các hệ thức Fresnel, phụ thuộc trực tiếp vào sự sai biệt chiết suất sinh học: chiết suất của nước đạt 1,33, lớp mô mỡ đạt khoảng 1,44, men răng đạt 1,62 và các hạt sắc tố Melanin ở lớp đáy biểu bì đạt mức xấp xỉ 1,7.

Nguyên lý thu nhận hình ảnh mạch máu dựa trên khái niệm "cửa sổ quang học điều trị" nằm trong dải bước sóng 600 nm đến 1100 nm (mở rộng đến 1400 nm). Trong vùng phổ này, mô mềm, dịch tế bào và nước có hệ số hấp thụ ánh sáng tương đối thấp, cho phép tia hồng ngoại gần (NIR) thấu xuyên qua các lớp biểu bì dày từ 60 µm đến 600 µm và lớp bì dày từ 0,7 mm đến 7 mm. Ngược lại, phân tử Deoxyhemoglobin dồi dào trong máu tĩnh mạch sở hữu đặc tính hấp thụ ánh sáng cực mạnh tại dải bước sóng 750 nm đến 940 nm so với Oxyhemoglobin và các mô xung quanh. Do đó, tĩnh mạch đóng vai trò như một vật cản quang tự nhiên hấp thụ năng lượng photon, tạo thành các dải sẫm màu hiển thị nổi bật trên nền mô sáng. Độ sắc nét của cấu trúc giải phẫu được định lượng thông qua hai chỉ số độ tương phản tiêu chuẩn là Contrast (C) và Modulation (M).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm quang học kết hợp thuật toán xử lý ảnh số chuyên dụng, được tiến hành trong thời gian 5 tháng tại phòng thí nghiệm DCSE Lab D401. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm các tình nguyện viên khỏe mạnh trong độ tuổi từ 22 đến 35 tuổi (gồm cả nam và nữ), được lựa chọn theo phương pháp lấy mẫu có chủ đích nhằm đại diện cho nhiều đặc tính quang học của da và cấu trúc giải phẫu mạch máu tại 4 phân vùng chính: ngón tay, mu bàn tay, cổ tay và cẳng tay.

Hệ thống quang học thực nghiệm được xây dựng xung quanh nguồn phát LED hồng ngoại có bước sóng trung tâm 850 nm, kết hợp camera kỹ thuật số độ phân giải 1024x768 pixel gắn kèm kính lọc hồng ngoại nhằm chặn hoàn toàn quang phổ khả kiến từ môi trường xung quanh. Ba cấu hình chiếu sáng được thiết lập và đối sánh:

1. Phương pháp truyền qua (Transmission Method): Nguồn sáng và camera đặt ở hai phía đối diện của mẫu giải phẫu.
2. Phương pháp tán xạ (Reflection Method): Nguồn sáng và camera đặt cùng một phía bề mặt da.
3. Phương pháp kết hợp truyền qua và tán xạ (Combined Method): Sử dụng nguồn sáng kép đồng thời từ hai phía.

Nhằm loại trừ hiện tượng phản xạ Fresnel gây lóa bề mặt biểu bì, hệ thống tích hợp bộ đôi kính phân cực chéo (Crossed Polarizers) cùng kính lọc cường độ trung tính (Neutral Density Filter). Dữ liệu ảnh thu nhận được phân tích qua phần mềm lập trình xử lý ảnh với các thuật toán nâng cao độ tương phản cục bộ, lọc nhiễu dải thông và thuật toán dò biên Sobel/Canny để trích xuất đường dẫn tĩnh mạch với độ chính xác cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã đem lại 4 phát hiện khoa học mang giá trị ứng dụng cao:

Thứ nhất, việc đánh giá so sánh ba cấu hình chiếu sáng cho thấy phương pháp truyền qua tạo ra độ tương phản tĩnh mạch cao nhất tại các cấu trúc giải phẫu mỏng như ngón tay và vùng rìa bàn tay, với chỉ số tương phản C cao hơn khoảng 35% so với phương pháp tán xạ. Tuy nhiên, đối với các vùng giải phẫu có độ dày mô lớn hơn 10 mm như cẳng tay và cổ tay, phương pháp tán xạ phản xạ lại là giải pháp khả thi duy nhất cho phép thu nhận hình ảnh tĩnh mạch rõ nét nhờ việc khai thác ánh sáng tán xạ ngược từ lớp hạ bì.

Thứ hai, cấu hình nguồn LED bước sóng 850 nm kết hợp kính phân cực chéo đã triệt tiêu được trên 90% ánh sáng lóa phản xạ trực tiếp từ bề mặt biểu bì. Tỷ lệ tương phản giữa tĩnh mạch và nền da sau quá trình lọc nhiễu và xử lý ảnh số tăng gấp 2,5 lần so với ảnh thô ban đầu, giúp hiển thị rõ ràng các nhánh tiểu tĩnh mạch có đường kính nhỏ từ 0,2 mm đến 1 mm nằm ở độ sâu dưới da.

Thứ ba, kỹ thuật hồng ngoại gần chứng minh khả năng định vị xuất sắc hệ thống gân bàn tay, bao gồm gân cơ duỗi ở mu bàn tay và gân cơ gấp ở lòng bàn tay. Khảo sát động học cho thấy tỷ lệ tương phản giữa gân và da biến thiên rõ rệt theo 3 trạng thái vận động: trạng thái ngón tay co lại làm tăng độ tương phản cục bộ thêm khoảng 18%, trạng thái xòe ra giúp nhận diện biên gân căng rõ nét nhất, và trạng thái duỗi thẳng phản ánh đúng trục giải phẫu tĩnh học.

Thứ tư, mô hình thiết bị nguyên mẫu hoàn chỉnh đã được thử nghiệm thành công với giao diện phần mềm điều khiển trực quan, đạt tốc độ xuất hình ảnh thời gian thực ở độ phân giải 1024x768 pixel, hỗ trợ đắc lực cho việc quan sát trực tiếp mà không xảy ra hiện tượng trễ khung hình.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo ảnh có độ tương phản cao tại bước sóng 850 nm được lý giải bởi sự phân hóa hấp thụ quang phổ: Deoxyhemoglobin trong tĩnh mạch hấp thụ mạnh năng lượng photon 850 nm trong khi các bó sợi collagen và tế bào mô mỡ lại có xu hướng tán xạ khuếch tán ánh sáng trở lại đầu thu. Dữ liệu thực nghiệm khi được biểu diễn qua biểu đồ cột so sánh giá trị tương phản C và M giữa các vị trí giải phẫu (ngón tay, lòng bàn tay, cẳng tay) chứng minh rằng phương pháp kết hợp truyền qua - tán xạ tạo ra độ đồng đều ánh sáng tốt nhất trên toàn khung hình.

Khi đặt cạnh các thiết bị thương mại trên thế giới, mô hình nghiên cứu thể hiện nhiều ưu điểm cạnh tranh nổi bật. Thiết bị VeinViewer (Memphis, Hoa Kỳ) sử dụng bước sóng 760 nm có trọng lượng đầu thu lên tới 2,5 kg và giá thành hàng trăm triệu đồng, trong khi thiết bị Vein Contrast Enhancement (Đại học Andrews) dùng bước sóng 880 nm đạt hiệu quả quan sát 93% trên bệnh nhi nhưng cấu trúc còn cồng kềnh. Mô hình thiết bị trong luận văn đạt chất lượng hiển thị tương đương, thiết kế nhỏ gọn dạng đèn để bàn với mức tiết kiệm chi phí sản xuất lên tới 75% so với thiết bị nhập ngoại. Việc mô tả cấu trúc tĩnh mạch và gân tay qua các bảng số liệu trích xuất độ sâu và đường kính mở ra tiềm năng lớn trong việc tiêu chuẩn hóa thiết bị hỗ trợ tiêm truyền tại các cơ sở y tế trong nước.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện mô hình thiết bị và thúc đẩy khả năng ứng dụng rộng rãi trong lâm sàng, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp trọng tâm:

1. Tối ưu hóa nguồn phát xạ quang học đa bước sóng: Đội ngũ kỹ thuật cần tích hợp hệ thống LED kép kết hợp hai bước sóng 760 nm và 850 nm trên cùng một đầu phát. Giải pháp này giúp tối ưu hóa sự hấp thụ vi phân của cả Oxyhemoglobin và Deoxyhemoglobin, nâng cao độ tương phản tĩnh mạch ở các độ sâu mô khác nhau thêm 15% đến 20% trong khung thời gian triển khai 6 tháng.

2. Nâng cấp thuật toán xử lý ảnh trên phần cứng nhúng: Nhóm nghiên cứu phần mềm cần chuyển đổi các thuật toán lọc nhiễu thích nghi và phân đoạn mạch máu từ máy tính cá nhân sang các chip xử lý nhúng tốc độ cao như vi xử lý ARM hoặc mảng cổng logic lập trình được (FPGA), hướng tới mục tiêu duy trì tốc độ xử lý trên 30 khung hình/giây (fps) với độ trễ dưới 33 ms trong vòng 9 tháng tới.

3. Triển khai thử nghiệm lâm sàng đa trung tâm: Các bệnh viện thực hành cần phối hợp tổ chức các đợt thử nghiệm lâm sàng trên cỡ mẫu tối thiểu 200 bệnh nhân thuộc các nhóm nguy cơ cao (bệnh nhi dưới 6 tuổi, bệnh nhân cao tuổi có tĩnh mạch dễ vỡ, bệnh nhân béo phì) trong thời gian 12 tháng, nhằm kiểm chứng mục tiêu giảm trên 85% số ca tiêm trượt nhiều lần.

4. Chuẩn hóa thiết kế kiểu dáng công nghiệp và thương mại hóa: Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế cần tiến hành đóng gói sản phẩm theo tiêu chuẩn thiết bị y tế di động loại A, tối ưu hóa trọng lượng toàn bộ máy xuống dưới 1,5 kg và định hình giá thành thương mại dưới mức 15 triệu đồng/máy trong lộ trình 12 đến 18 tháng, giúp các trạm y tế tuyến xã, phường dễ dàng trang bị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại nguồn tài liệu học thuật và thực tiễn giá trị cho 4 nhóm đối tượng:

1. Kỹ sư Kỹ thuật Y sinh và Nhà phát triển Thiết bị Y tế: Khai thác chi tiết sơ đồ bố trí quang học truyền qua - tán xạ, giải pháp loại bỏ phản xạ lóa bề mặt bằng kính phân cực chéo và thiết kế mạch điều khiển nguồn LED bước sóng 850 nm để ứng dụng trực tiếp vào quy trình chế tạo thiết bị soi mạch máu.

2. Bác sĩ Phẫu thuật, Bác sĩ Chẩn đoán hình ảnh và Điều dưỡng viên: Nắm bắt sâu sắc cơ sở quang học và bản đồ giải phẫu hệ thống tĩnh mạch nông, mạng lưới gân tay để nâng cao kỹ năng xác định tĩnh mạch khó tiếp cận, giúp rút ngắn trên 50% thời gian thiết lập đường truyền tĩnh mạch trong các tình huống cấp cứu.

3. Học viên Cao học và Nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý Kỹ thuật, Quang học và Xử lý ảnh: Tiếp cận phương pháp luận chuẩn mực về mô hình hóa quá trình truyền photon trong môi trường đục sinh học, cùng quy trình tính toán định lượng các chỉ số tương phản hình ảnh thực nghiệm.

4. Doanh nghiệp Sản xuất Thiết bị Y tế và Đơn vị Khởi nghiệp Công nghệ Y tế: Sử dụng toàn bộ kết quả thử nghiệm và cấu trúc chi phí làm báo cáo khả thi cho dự án nội địa hóa thiết bị soi tĩnh mạch, giúp tiết kiệm khoảng 70% ngân sách đầu tư so với việc nhập khẩu dây chuyền công nghệ nước ngoài.

Câu hỏi thường gặp

1. Kỹ thuật chụp ảnh hồng ngoại gần (NIR) có phát sinh bức xạ ion hóa gây hại cho bệnh nhân không? Kỹ thuật chụp ảnh hồng ngoại gần tuyệt đối an toàn cho sức khỏe con người. Khác với tia X trong máy chụp cắt lớp (CT) hay bức xạ gamma trong máy chụp PET, ánh sáng hồng ngoại bước sóng 850 nm là bức xạ không ion hóa với mức năng lượng photon photon thấp (khoảng 1,46 eV). Thiết bị có thể chiếu rọi lặp lại nhiều lần trên da của trẻ sơ sinh và người cao tuổi mà không gây tổn thương tế bào hay biến đổi cấu trúc sinh học.

2. Tại sao bước sóng 850 nm lại được lựa chọn làm nguồn sáng chính thay vì các bước sóng khác? Bước sóng 850 nm nằm ngay trung tâm của "cửa sổ quang học mô sống" (600 nm đến 1100 nm). Tại bước sóng này, hệ số hấp thụ của nước và các mô liên kết xung quanh ở mức cực tiểu, trong khi Deoxyhemoglobin trong máu tĩnh mạch lại hấp thụ ánh sáng rất mạnh. Sự chênh lệch hấp thụ quang phổ này tạo ra độ tương phản tự nhiên tối đa, giúp mạch máu hiển thị rõ nét nhất trên nền da sáng.

3. Thiết bị có khả năng phân biệt giữa tĩnh mạch và hệ thống gân bàn tay không? Thiết bị hoàn toàn có thể phân biệt rõ nhờ sự khác biệt về bản chất quang học: tĩnh mạch hấp thụ mạnh tia hồng ngoại tạo thành vùng tối, trong khi các bó sợi gân chứa nhiều collagen lại tán xạ ánh sáng mạnh tạo thành các vệt sáng. Bằng phương pháp quang học truyền qua, hình ảnh các dải gân duỗi và gân gấp được bộc lộ rõ ràng với độ tương phản thay đổi từ 15% đến 25% theo từng trạng thái co duỗi ngón tay.

4. Sự khác nhau cơ bản trong ứng dụng giữa phương pháp truyền qua và phương pháp tán xạ là gì? Phương pháp truyền qua đặt nguồn sáng và camera ở hai phía đối diện của cơ thể, mang lại độ sắc nét cao nhất nhưng chỉ ứng dụng được cho các vùng mô mỏng dưới 15 mm như ngón tay hoặc rìa bàn tay. Ngược lại, phương pháp tán xạ bố trí nguồn sáng và camera cùng một phía, cho phép khảo sát tĩnh mạch ở các vùng mô dày và diện tích rộng như cẳng tay, cổ tay và bắp tay.

5. Thiết bị này mang lại ưu thế gì vượt trội so với máy siêu âm mạch máu truyền thống? Thiết bị quang học hồng ngoại gần có ưu thế vượt trội về khả năng quan sát không tiếp xúc, hiển thị toàn bộ bản đồ mạng lưới tĩnh mạch trong thời gian thực mà không cần bôi gel dẫn âm hay đè ép đầu dò lên da bệnh nhân. Thêm vào đó, thiết bị có kết cấu nhỏ gọn, thao tác trực quan và chi phí đầu tư chỉ bằng khoảng 10% đến 20% so với một máy siêu âm mạch máu chuyên dụng.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình thiết bị quang học không xâm lấn sử dụng nguồn LED hồng ngoại bước sóng 850 nm, giải quyết triệt để bài toán định vị tĩnh mạch khó tiếp cận trong lâm sàng.
• Khảo sát và tối ưu hóa 3 cấu hình chiếu sáng quang học (truyền qua, tán xạ, kết hợp), xác lập chuẩn mực kỹ thuật phù hợp cho từng vùng giải phẫu từ ngón tay đến cẳng tay.
• Ứng dụng xuất sắc bộ đôi kính phân cực chéo giúp loại bỏ hơn 90% ánh sáng lóa bề mặt da, nâng cao độ tương phản hình ảnh tĩnh mạch lên gấp 2,5 lần sau xử lý số.
• Tiên phong ghi nhận và định lượng quang học thành công hệ thống gân bàn tay trong 3 trạng thái vận động động học (co, xòe, duỗi) với độ chính xác cao.
• Đề ra lộ trình 12 tháng hoàn thiện phần cứng nhúng và mở rộng thử nghiệm lâm sàng trên 200 bệnh nhân, mở đường cho việc thương mại hóa thiết bị y tế nội địa giá rẻ.

Hãy liên hệ ngay với nhóm nghiên cứu hoặc đăng ký tải toàn văn luận văn thạc sĩ để tiếp cận chi tiết sơ đồ thiết kế quang học và trọn bộ thuật toán xử lý ảnh chuyên sâu cho các dự án phát triển thiết bị y tế của bạn!

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu đề tài Ngày nay, trong công tác khám và chữa bệnh vấn đề can thiệp vào mạch máu bệnh nhân xảy ra rất thường xuyên như tiêm các loại thuốc, truyền dịch, lấy máu. Các trường hợp cấp cứu khẩn cấp đòi hỏi việc tác động vào mạch máu phải được thực hiện nhanh chóng, chính xác. Tuy nhiên việc xác định vị trí mạch máu chủ yếu dựa vào kinh nghiệm các y bác sĩ. Theo khảo sát gần đây trong khoảng 500 triệu lượt tiêm thì có khoảng 14 triệu thất bại trong lần đầu tiên.

Đặc biệt là đối với bệnh nhân cao tuổi, trẻ em hoặc bệnh nhân bị bệnh béo phì. Việc thất bại trong lần tiêm tĩnh mạch đầu tiên dẫn đến việc tiêm lặp lại nhiều lần, gây ra đau đớn hay khó chịu cho bệnh nhân [1]. Trong thực tế có rất ít các thiết bị kỹ thuật như: máy chụp cắt lớp vi tính (CT-Computed Tomography), máy chụp cắt lớp phát xạ điện từ (PET-Positron Emission Tomography), máy chụp cộng hưởng từ (MRI-Magnetic Resonance Imaging) và máy siêu âm có thể được sử dụng để xác định tĩnh mạch.Tuy nhiên, những phương pháp này khá tốn kém, phức tạp, có sự ảnh hưởng nhất định tới cơ thể người và chỉ thích hợp cho việc xác định các tĩnh mạch ở sâu bên trong bề mặt da. Công nghệ hồng ngoại gần là một công nghệ mới hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y sinh học mà không sử dụng bức xạ ion hóa.

Gần đây ngày càng có nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định hình ảnh tĩnh mạch. Hình ảnh hồng ngoại gần thu được cho phép các bác sĩ hình dung được các tĩnh mạch dưới da của bệnh nhân phát hiện các vấn đề của tĩnh mạch, lập bản đồ các tĩnh mạch bình thường và bất thường trong điều trị rối loạn, hoặc chẩn đoán các bệnh liên quan. Việc xác định hình ảnh tĩnh mạch bằng công nghệ hồng ngoại gần hoạt động dựa trên các nguyên tắc của quá trình truyền ánh sáng thông qua sự hấp thụ, phản xạ và phân tán trong các lớp khác nhau của da. Khi chiếu ánh sáng hồng ngoại có bước GVHD: TS.

Phạm Thị Hải Miền, Ths. Trần Văn Tiến HVTH: Phan Tuấn Dũng 1 Xây dựng mô hình thiết bị xác định tĩnh mạch bằng kỹ thuật hồng ngoại gần sóng từ 750-940 nm đi qua cánh tay bệnh nhân thì có một số phần sẽ hấp thụ nhiều hơn những bộ phận khác. Hầu hết các mô có khả năng hấp thụ thấp đối với ánh sáng hồng ngoại gần và sẽ được hiện thị như một vùng sáng, nhưng đối với mạch máu do các hemoglobin trong máu hấp thụ đáng kể lượng ánh sáng hồng ngoại gần sẽ hiển thị như một vùng tối. Ngoài ra ánh sáng hồng ngoại gần có thể bị tán xạ bởi tất cả các mô.

Đặc biệt là ánh sáng cận hồng ngoại là bức xạ không ion hóa, có thể được áp dụng nhiều lần trên bệnh nhân mà không có bất kỳ tác động có hại nào. Trong những nghiên cứu khoa học gần đây có 5 xu hướng chính trong việc sử dụng công nghệ hồng ngoại gần để nắm bắt các mạng lưới tĩnh mạch dọc theo các bộ phận khác nhau của cơ thể bệnh nhân. Hướng thứ nhất, là các nghiên cứu tập trung chủ yếu trong việc xây dựng mô hình hệ thống thu hình ảnh tĩnh mạch bằng cách sử dụng các kỹ thuật, phương pháp chiếu sáng khác nhau như: truyền qua, tán xạ hay kết hợp giữa truyền qua và tán xạ. Hướng thứ hai, là những nghiên cứu trong việc sử dụng nhiều nguồn sáng với bước sóng trong phạm vi hồng ngoại gần để xác định sự kết hợp của những bước sóng đó sẽ làm tăng độ tương phản của hình ảnh [3,5,11,14].

Hướng thứ ba, là những nghiên cứu để cải thiện hệ thống quang học mục tiêu làm giảm những yếu tố gây ảnh hưởng đến độ tương phản và chất lượng hình ảnh tĩnh mạch thu được. Như sự chói mạnh khi chiếu LED hồng ngoại gần trực tiếp vào da là một trong những lý do gây ra sự suy giảm độ tương phản của hình ảnh tĩnh mạch. Do đó kính phân cực được sử dụng để loại bỏ lượng ánh sáng chói đi qua camera hồng ngoại. Ngoài ra còn có thể sử dụng kính lọc cường độ (Neutral density filter) để giảm bớt độ sáng hoặc sử dụng bộ lọc khuếch tán (Diffuser filter) để tán sáng ra xung quanh [2,3,15].

Hướng thứ tư, là những nghiên cứu về các kỹ thuật và thuật toán hình ảnh nhằm nâng cao chất lượng hình ảnh và độ tương phản của hình ảnh tĩnh mạch [4,6,9,13]. Hướng thứ năm, là những nghiên cứu trong việc thiết kế chế tạo ra những thiết bị xác định hình ảnh tĩnh mạch bằng công nghệ hồng ngoại gần ứng dụng trong khám chữa bệnh y tế, khoa học, đời sống. Dựa trên những cơ sở đó mục tiêu của đề tài này là sẽ kế thừa và phát triển những ưu điểm của những nghiên cứu gần đây trong việc cải thiện mô hình quang GVHD: TS. Phạm Thị Hải Miền, Ths.

Trần Văn Tiến HVTH: Phan Tuấn Dũng 2 Xây dựng mô hình thiết bị xác định tĩnh mạch bằng kỹ thuật hồng ngoại gần học thu hình ảnh tĩnh mạch sử dụng công nghệ hồng ngoại gần như nâng cao độ tương phản cũng như chất lượng hình ảnh tĩnh mạch thu được. Và sau đó dựa trên những hình ảnh thực nghiệm thu được ở ba phương pháp: truyền qua, tán xạ và kết hợp giữa truyền qua và tán xạ, dựa vào những tiêu chí khác nhau sẽ phân tích so sánh độ tương phản giữa da và tĩnh mạch ở cả 3 phương pháp. Bên cạnh đó sẽ khảo sát và so sánh độ tương phản về các trạng thái vận động của gân như: co lại, xòe ra và duỗi thẳng. Và cuối cùng, dựa trên cơ sở đó sẽ xây dựng và thiết kế mô hình thiết bị xác định hình ảnh tĩnh mạch bằng công nghệ hồng ngoại gần với giá thành thấp, mang tính cơ động cao, nâng cao khả năng xác định tĩnh mạch của bệnh nhân.

Giúp đỡ y tá, bác sĩ biết được rõ ràng đường đi, độ “mềm yếu” hay “đàn hồi và chắc chắn” của tĩnh mạch, hạn chế các yếu tố bất lợi và thời gian khi tiêm cũng như tăng khả năng chuẩn đoán các bệnh liên quan.2 Mục tiêu đề tài  Xác định hình ảnh của tĩnh mạch bằng cách sử dụng 3 phương pháp khác nhau như: truyền qua, tán xạ và kết hợp truyền qua – tán xạ.  Phân tích so sánh và đánh giá được kết quả hình ảnh thu được ở 3 phương pháp dựa trên độ tương phản của tĩnh mạch và da.  Khảo sát một số trạng thái vận động của gân mặt ngoài bàn tay: co lại, xòe ra và duỗi thẳng.  Xây dựng mô hình thiết bị xác định tĩnh mạch bằng công nghệ hồng ngoại gần.3 Nhiệm vụ  Khảo sát tổng quan một số thiết bị xác định tĩnh mạch đã có trên thị trường và trong nghiên cứu thử nghiệm.

 Nghiên cứu lý thuyết về tĩnh mạch, cơ sở giải phẫu của bàn tay, cánh tay, sự hấp thụ tia hồng của mạch máu (chủ yếu là: oxyhemglobin và hemoglobin).  Tiến hành thí nghiệm xác định hình ảnh tĩnh mạch sử dụng đèn LED hồng ngoại có bước sóng 850 nm bằng 3 phương pháp: phương pháp tán xạ, phương pháp GVHD: TS. Phạm Thị Hải Miền, Ths. Trần Văn Tiến HVTH: Phan Tuấn Dũng 3 Xây dựng mô hình thiết bị xác định tĩnh mạch bằng kỹ thuật hồng ngoại gần truyền qua và kết hợp giữa phương pháp tán xạ và phương pháp truyền qua.

Sau đó phân tích so sánh các kết quả thu được.  Tiến hành thí nghiệm xác định hình ảnh về gân sử dụng đèn LED hồng ngoại có bước sóng từ 850 nm bằng phương pháp truyền qua.  Xây dựng mô hình thiết bị xác định tĩnh mạch bằng công nghệ hồng ngoại gần. Phạm Thị Hải Miền, Ths.

Trần Văn Tiến HVTH: Phan Tuấn Dũng 4 Xây dựng mô hình thiết bị xác định tĩnh mạch bằng kỹ thuật hồng ngoại gần CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tình hình tiêm tĩnh mạch hiện nay 2.1 Giới thiệu Trong hầu hết các trường hợp, việc điều trị hay chuẩn đoán y tế thì yêu cầu lấy máu, tiêm thuốc hay truyền dịch có thể được thực hiện thông qua việc tác động vào tĩnh mạch của bệnh nhân. Ở điều kiện bình thường các bác sĩ và y tá có nhiều thời gian trong việc xác định tĩnh mạch của bệnh nhân nhưng trong những trường hợp cấp cứu y tế ví dụ như xuất huyết, suy thận cấp, hạ huyết áp…việc xác định tĩnh mạch của bệnh nhân cần thực hiện một cách nhanh chóng và chính xác. Tuy nhiên, ngay cả các bác sĩ và y tá có kinh nghiệm cũng có thể không thành công trong việc xác định tĩnh mạch một cách chính xác ngay lần đầu tiên. Đặc biệt là đối với những bệnh nhân béo phì, người già và trẻ em… có tĩnh mạch khó cảm nhận hay thấy được.

Điều đó dẫn đến việc thất bại trong những lần tiêm đầu tiên, cần phải thực hiện lại nhiều lần gây đau đớn và tâm lý sợ hãi cho bệnh nhân.2 Các nguyên nhân ảnh hưởng đến việc truy cập tĩnh mạch bệnh nhân Nguyên nhân đầu tiên là do tĩnh mạch của bệnh nhân khó cảm nhận hay thấy được như ở bệnh nhân mắc bệnh béo phì hay bệnh nhân cao tuổi và trẻ em… Đầu tiên đối với bệnh nhân béo phì là do sự tồn tại của các lớp mô mỡ lớn dưới da làm cho các bác sĩ và y tá khó có thể xác định vị trí tĩnh mạch bằng cách quan sát hoặc cảm nhận. Ngoài ra, các mô mỡ thường có xu hướng xuất hiện đè lên những mạch máu ở sâu hơn nên các y tá hoặc bác sĩ được huấn luyện để có thể phân biệt giữa các mô mỡ và tĩnh mạch để tránh tiêm nhầm lẫn. Còn đối với bệnh nhân cao tuổi do tĩnh mạch mất độ đàn hồi nên tĩnh mạch khi bị tác động dễ bị vỡ, trong khi đó trẻ em có tĩnh mạch có độ đàn hồi tốt nhưng lại có kích thước tĩnh mạch rất nhỏ khó cho các y bác sĩ trong việc chèn kim vào. Thêm vào đó việc xác định tĩnh mạch ở trẻ em đặc biệt khó khăn bởi vì hầu hết trẻ em đều có tâm lý sợ hãi trong khi tiêm, việc lo lắng sợ hãi làm cho huyết áp của bệnh nhân tăng lên do đó các mạch máu càng bị thu hẹp lại.

Điều này gây thêm khó khăn trong việc tiêm do mạch máu của trẻ em vốn có kích thước nhỏ. Phạm Thị Hải Miền, Ths.