Luận văn thạc sĩ: Ảnh hưởng của bệnh động mạch vành lên tín hiệu điện tim

• Tác giả: Lê Phước Anh Tú
• Người hướng dẫn: PGS. Chử Đức Trình
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Bệnh Động Mạch Vành Đến Tín Hiệu Điện Tim
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TÍN HIỆU ĐIỆN TIM VÀ HỆ THỐNG CÁC CHUYỂN ĐẠO
• 1.1. Tế bào và dòng sinh học
• 1.2. Khái niệm về điện tâm đồ
• 1.3. Cơ chế hình thành tín hiệu điện tim
• 1.4. Truyền đạt nhĩ thất
• 1.5. Hệ thống các chuyển đạo
• 1.5.1. Chuyển đạo mẫu
• 1.5.2. Chuyển đạo đơn cực các chi
• 1.5.3. Chuyển đạo trước tim
• 1.6. Đặc điểm của tín hiệu điện tim
• 1.7. Một số ví dụ về dạng điện tim không bình thường
• 1.8. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MÁY ĐIỆN TIM ĐÃ ĐƯỢC NGHIÊN CỨU
• 2.1. Những vấn đề chung của máy điện tim
• 2.2. Đặc điểm của máy điện tim
• 2.3. Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy
• 2.4. Thiết bị ghi điện tim hiện đại
• 2.5. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ĐIỆN TIM
• 3.1. Giới thiệu phương pháp nhận dạng
• 3.2. Nguyên tắc nhận dạng cú pháp tín hiệu
• 3.3. Áp dụng phương pháp nhận dạng cú pháp vào tín hiệu điện tim
• 3.4. Phương pháp xử lý thống kê
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY ĐO ĐIỆN TIM
• 4.1. Thiết kế sơ đồ khối
• 4.2. Thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý
• 4.2.1. Khối bảo vệ đầu vào và tiền khuếch đại
• 4.2.2. Khối chọn chuyển đạo
• 4.2.3. Thiết kế mạch khuếch đại vi sai
• 4.2.4. Khối lọc thông cao 0
• 4.2.5. Khối lọc thông thấp 100MHz
• 4.2.6. Khối lọc triệt tần
• 4.2.7. Khối khuếch đại tín hiệu ra
• 4.3. Vi điều khiển, truyền thông RS232 và giao diện phần mềm hiển thị
• 5. CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 5.1. Thiết bị đo điện tim và giao diện trên máy tính
• 5.2. So sánh tín hiệu điện tim của tác giả với tín hiệu điện tim chuẩn
• 5.3. Kết quả điện tim của một số bệnh nhân
• 5.4. Đánh giá kết quả
• 5.5. Mục tiêu cần giải quyết
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tín hiệu điện tim và hệ thống các chuyển đạo

Tín hiệu điện tim là kết quả của hoạt động điện của các tế bào cơ tim. Các tế bào này tạo ra dòng điện thông qua sự di chuyển của các ion như Na+, K+, và Ca++. Sự thay đổi điện thế giữa mặt trong và mặt ngoài của màng tế bào là nguyên nhân chính tạo ra tín hiệu điện tim. Khi tế bào cơ tim bị kích thích, hiện tượng khử cực xảy ra, dẫn đến sự co bóp của tim. Sau đó, quá trình tái cực diễn ra, giúp tim trở về trạng thái nghỉ. Hệ thống các chuyển đạo được sử dụng để ghi lại tín hiệu điện tim, bao gồm các chuyển đạo mẫu và chuyển đạo đơn cực. Mỗi chuyển đạo sẽ cho ra một dạng sóng điện tim khác nhau, phản ánh hoạt động của tim tại các thời điểm khác nhau.

1.1. Tế bào và dòng sinh học

Dòng sinh học là dòng điện phát sinh từ sự hoạt động của các tế bào sống. Tế bào cơ tim là đơn vị chức năng chính, có khả năng tạo ra và dẫn truyền xung điện. Sự thay đổi nồng độ ion trong và ngoài tế bào là yếu tố quyết định đến hoạt động điện của tim. Khi tế bào khử cực, điện thế bên ngoài trở nên âm tính, trong khi điện thế bên trong trở về trạng thái dương. Quá trình này diễn ra liên tục, tạo ra các xung điện mà chúng ta ghi nhận được qua điện tâm đồ.

1.2. Khái niệm về điện tâm đồ

Điện tâm đồ (ECG) là biểu đồ thể hiện hoạt động điện của tim qua thời gian. Nó được ghi lại bằng cách sử dụng các điện cực đặt trên cơ thể. Các sóng điện tim như P, Q, R, S, T phản ánh các giai đoạn khác nhau trong chu kỳ hoạt động của tim. Việc ghi lại điện tâm đồ giúp bác sĩ chẩn đoán các rối loạn nhịp tim và các bệnh lý liên quan đến tim mạch. Sự phát triển của công nghệ đã giúp cải thiện độ nhạy và độ chính xác của các thiết bị ghi điện tim.

1.3. Cơ chế hình thành tín hiệu điện tim

Tín hiệu điện tim được hình thành từ sự khử cực và tái cực của các buồng tim. Xung động điện bắt đầu từ nút xoang, truyền qua các nhĩ và thất. Quá trình này được điều hòa bởi hệ thống dẫn truyền điện của tim, bao gồm các nút và bó His. Sự đồng bộ trong hoạt động của các buồng tim là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả bơm máu. Các sóng điện tim được ghi lại từ các chuyển đạo khác nhau sẽ cho thấy sự hoạt động của từng phần của tim.

II. Ảnh hưởng của bệnh động mạch vành đến tín hiệu điện tim

Bệnh động mạch vành (CAD) có thể gây ra nhiều biến chứng nghiêm trọng cho hoạt động điện của tim. Khi mạch vành bị hẹp hoặc tắc nghẽn, lượng máu cung cấp cho cơ tim bị giảm, dẫn đến tình trạng thiếu oxy. Điều này có thể gây ra các rối loạn nhịp tim, biểu hiện qua các thay đổi trong điện tâm đồ. Các triệu chứng như đau ngực, khó thở có thể xuất hiện khi cơ tim không nhận đủ máu. Việc theo dõi tín hiệu điện tim là rất quan trọng để phát hiện sớm các dấu hiệu của bệnh động mạch vành.

2.1. Triệu chứng bệnh tim mạch

Các triệu chứng của bệnh động mạch vành thường không rõ ràng và có thể bị nhầm lẫn với các vấn đề sức khỏe khác. Đau ngực, khó thở, và mệt mỏi là những triệu chứng phổ biến. Khi bệnh tiến triển, các triệu chứng có thể trở nên nghiêm trọng hơn, dẫn đến nguy cơ cao hơn về các biến chứng như nhồi máu cơ tim. Việc nhận diện sớm các triệu chứng này thông qua việc theo dõi điện tâm đồ có thể giúp giảm thiểu rủi ro cho bệnh nhân.

2.2. Phương pháp điều trị bệnh tim

Điều trị bệnh động mạch vành thường bao gồm việc thay đổi lối sống, sử dụng thuốc và trong một số trường hợp, phẫu thuật. Các loại thuốc như aspirin, statin, và beta-blockers có thể được sử dụng để kiểm soát triệu chứng và ngăn ngừa tiến triển của bệnh. Phẫu thuật như đặt stent hoặc bắc cầu động mạch vành có thể cần thiết trong các trường hợp nặng. Theo dõi tín hiệu điện tim trong quá trình điều trị là rất quan trọng để đánh giá hiệu quả và điều chỉnh phương pháp điều trị.

2.3. Tác động của bệnh tim đến sức khỏe tổng thể

Bệnh động mạch vành không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe tim mạch mà còn có thể tác động đến sức khỏe tổng thể của bệnh nhân. Các nghiên cứu cho thấy rằng bệnh nhân mắc bệnh động mạch vành có nguy cơ cao hơn về các vấn đề sức khỏe khác như tiểu đường, huyết áp cao và béo phì. Việc quản lý bệnh động mạch vành thông qua chế độ ăn uống, tập thể dục và theo dõi sức khỏe định kỳ là rất cần thiết để duy trì sức khỏe tổng thể.

Tổng quan nghiên cứu

Bệnh động mạch vành là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây tử vong và tàn phế trên toàn cầu, với tỷ lệ mắc bệnh ngày càng gia tăng do lối sống hiện đại và các yếu tố nguy cơ như tăng huyết áp, tiểu đường, và béo phì. Tại Việt Nam, theo ước tính, bệnh lý này chiếm khoảng 20-25% tổng số các bệnh tim mạch, gây áp lực lớn lên hệ thống y tế. Tín hiệu điện tim (ECG) là công cụ chẩn đoán không xâm lấn quan trọng, giúp phát hiện sớm các bất thường về tim, đặc biệt là các tổn thương do bệnh động mạch vành. Tuy nhiên, việc phân tích và nhận dạng chính xác các tín hiệu ECG bị ảnh hưởng bởi bệnh lý này vẫn còn nhiều thách thức do tín hiệu có biên độ nhỏ, dễ bị nhiễu và biến đổi phức tạp.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát ảnh hưởng của bệnh động mạch vành lên tín hiệu điện tim, từ đó đề xuất giải pháp thiết kế và chế tạo máy đo điện tim có khả năng thu nhận và xử lý tín hiệu chính xác, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2013-2015 tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, tập trung vào thiết kế phần cứng và phần mềm cho máy đo điện tim, đồng thời khảo sát các đặc điểm tín hiệu ECG của bệnh nhân mắc bệnh động mạch vành.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển thiết bị y sinh nội địa, giảm phụ thuộc vào nhập khẩu, đồng thời nâng cao chất lượng chẩn đoán và theo dõi bệnh tim mạch. Các chỉ số như biên độ sóng R, thời gian khoảng PQ, và hình dạng phức bộ QRS được sử dụng làm metrics đánh giá hiệu quả thiết bị và độ chính xác trong nhận dạng tín hiệu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết điện sinh học tim mạch: Mô tả quá trình khử cực và tái cực của tế bào cơ tim, sự di chuyển ion Na(^+), K(^+), Ca(^{++}) qua màng tế bào tạo ra tín hiệu điện tim với các sóng đặc trưng P, Q, R, S, T, U. Hiểu rõ cơ chế này giúp giải thích các biến đổi tín hiệu khi có bệnh lý.

• Mô hình hệ thống chuyển đạo điện tâm đồ: Bao gồm 12 chuyển đạo tiêu chuẩn (3 chuyển đạo mẫu, 3 chuyển đạo đơn cực các chi, 6 chuyển đạo trước tim) theo chuẩn Einthoven và Wilson, giúp thu nhận tín hiệu điện tim từ các vị trí khác nhau trên cơ thể, phản ánh chính xác hoạt động điện của tim.

• Phương pháp nhận dạng tín hiệu cú pháp và thống kê: Áp dụng ngữ pháp hình thức để phân tích cấu trúc tín hiệu ECG, kết hợp với xử lý thống kê (phương pháp bình phương nhỏ nhất) để xác định góc nghiêng các đoạn tín hiệu, từ đó nhận dạng các dạng sóng và phát hiện bất thường.

Các khái niệm chính bao gồm: phức bộ QRS, khoảng PQ, sóng P, sóng T, hệ số khử nhiễu đồng pha (CMMR), tần số lấy mẫu tín hiệu, và các thuật ngữ về lọc tín hiệu (lọc thông cao, lọc thông thấp, lọc triệt tần).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, tiến hành qua các bước:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập tín hiệu điện tim từ bệnh nhân tại một số cơ sở y tế, đồng thời sử dụng tín hiệu chuẩn để so sánh. Dữ liệu bao gồm các dạng sóng ECG bình thường và bất thường do bệnh động mạch vành gây ra.

• Thiết kế phần cứng: Chế tạo mạch đo điện tim với các khối chức năng gồm khối nguồn ±9V, khối bảo vệ đầu vào, mạch chọn chuyển đạo sử dụng IC CD4051, mạch khuếch đại vi sai AD620, các bộ lọc thông cao (0.05 Hz), thông thấp (100 Hz), triệt tần 50 Hz, và mạch khuếch đại tín hiệu ra.

• Phần mềm và vi điều khiển: Sử dụng vi điều khiển PIC 16F877A với bộ chuyển đổi ADC 10 bit, giao tiếp RS232, và phần mềm giao diện trên máy tính viết bằng ngôn ngữ C# để hiển thị và lưu trữ tín hiệu.

• Phân tích dữ liệu: Áp dụng phương pháp nhận dạng cú pháp và xử lý thống kê để phân tích tín hiệu, nhận dạng các dạng sóng và phát hiện dấu hiệu bệnh lý. Cỡ mẫu nghiên cứu khoảng vài chục bệnh nhân, lựa chọn mẫu ngẫu nhiên theo tiêu chí chẩn đoán bệnh động mạch vành.

• Timeline nghiên cứu: Từ tháng 1/2013 đến tháng 7/2015, bao gồm giai đoạn khảo sát lý thuyết, thiết kế mạch, thu thập dữ liệu, phân tích và hoàn thiện sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của bệnh động mạch vành lên tín hiệu ECG: Các bệnh nhân mắc bệnh động mạch vành có sự thay đổi rõ rệt về biên độ và hình dạng sóng ECG. Biên độ sóng R tăng lên trên 25 mm trong chuyển đạo trước tim V5, V6, so với mức bình thường khoảng 10-15 mm, phản ánh tình trạng tăng gánh thất trái. Khoảng PQ kéo dài trên 0.20s ở 30% bệnh nhân, cho thấy rối loạn dẫn truyền nhĩ-thất.

2. Đặc điểm phức bộ QRS: Phức bộ QRS ở bệnh nhân có block nhánh trái giãn rộng trên 0.12s, sóng R có móc ở đỉnh, sóng Q và S giảm hoặc biến mất, tỷ lệ xuất hiện block nhánh trái chiếm khoảng 15% trong mẫu nghiên cứu.

3. Hiệu quả của thiết bị đo điện tim tự chế: So sánh tín hiệu thu được với tín hiệu chuẩn, thiết bị đạt độ chính xác trên 90% về biên độ và thời gian các sóng chính, với hệ số khử nhiễu đồng pha (CMMR) trên 60 dB, đảm bảo tín hiệu sạch và ổn định.

4. Tần số lấy mẫu và xử lý tín hiệu: Tần số lấy mẫu 200 Hz đủ để thu nhận đầy đủ các đặc trưng của phức bộ QRS (khoảng 0.07s), với 12-24 mẫu trên mỗi phức bộ, giúp phân tích chính xác và kịp thời.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các biến đổi tín hiệu ECG ở bệnh nhân động mạch vành chủ yếu do tổn thương cơ tim, làm thay đổi quá trình khử cực và tái cực, dẫn đến sự biến dạng sóng điện tim. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trong ngành y sinh học và điện sinh lý học tim mạch, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc sử dụng thiết bị điện tử viễn thông trong chẩn đoán bệnh tim.

Việc thiết kế mạch khuếch đại vi sai AD620 và các bộ lọc thông cao, thấp, triệt tần đã giúp giảm thiểu nhiễu đồng pha và nhiễu tần số lưới điện 50 Hz, nâng cao chất lượng tín hiệu thu được. So với các thiết bị nhập khẩu, thiết bị tự chế có ưu điểm về chi phí thấp, dễ bảo trì và phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh biên độ sóng R giữa bệnh nhân và người bình thường, bảng thống kê thời gian khoảng PQ và tỷ lệ block nhánh trái, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của bệnh động mạch vành lên tín hiệu điện tim.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển thuật toán lọc và nhận dạng nâng cao: Áp dụng các thuật toán lọc số và nhận dạng mẫu phức tạp hơn trên phần mềm để tăng độ chính xác phân tích tín hiệu ECG, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và biến dạng tín hiệu. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, do nhóm nghiên cứu điện tử và y sinh phối hợp thực hiện.

2. Mở rộng mẫu nghiên cứu và thử nghiệm lâm sàng: Thu thập dữ liệu từ nhiều bệnh viện và khu vực khác nhau để đánh giá hiệu quả thiết bị trên đa dạng bệnh nhân, từ đó hoàn thiện thiết kế và chuẩn hóa sản phẩm. Thời gian dự kiến 2 năm, phối hợp với các cơ sở y tế.

3. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ thuật viên và bác sĩ về sử dụng thiết bị và phân tích tín hiệu điện tim, đồng thời chuyển giao công nghệ sản xuất thiết bị cho các doanh nghiệp trong nước. Thời gian 1 năm, do trường đại học và các đối tác doanh nghiệp thực hiện.

4. Phát triển phiên bản thiết bị di động và kết nối mạng: Thiết kế máy đo điện tim cầm tay, tích hợp kết nối không dây để truyền dữ liệu đến trung tâm y tế, hỗ trợ theo dõi bệnh nhân từ xa. Thời gian 2-3 năm, cần đầu tư nghiên cứu và phát triển phần mềm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Điện tử - Viễn thông, Y sinh: Nghiên cứu cung cấp kiến thức tổng hợp về thiết kế mạch điện tử y sinh, xử lý tín hiệu sinh học, và ứng dụng vi điều khiển trong y tế.

2. Bác sĩ chuyên khoa tim mạch và kỹ thuật viên y tế: Hiểu rõ cơ sở lý thuyết và thực tiễn về tín hiệu điện tim, giúp nâng cao kỹ năng chẩn đoán và theo dõi bệnh động mạch vành qua ECG.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế trong nước: Tham khảo quy trình thiết kế, chế tạo và đánh giá máy đo điện tim, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường Việt Nam.

4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách y tế: Đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ điện tử trong chăm sóc sức khỏe cộng đồng, hỗ trợ quyết định đầu tư và phát triển ngành y tế kỹ thuật số.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy đo điện tim tự chế có độ chính xác như thế nào so với máy nhập khẩu?
   Thiết bị đạt độ chính xác trên 90% về biên độ và thời gian các sóng chính, với khả năng khử nhiễu đồng pha trên 60 dB, đảm bảo tín hiệu sạch và ổn định, phù hợp cho chẩn đoán lâm sàng.

2. Tại sao cần sử dụng các bộ lọc thông cao, thông thấp và triệt tần trong máy điện tim?
   Các bộ lọc này giúp loại bỏ nhiễu tần số thấp (ví dụ như dao động cơ thể), nhiễu tần số cao (nhiễu điện tử), và nhiễu tần số 50 Hz từ nguồn điện lưới, đảm bảo tín hiệu ECG thu được trung thực và rõ ràng.

3. Phương pháp nhận dạng cú pháp tín hiệu ECG hoạt động như thế nào?
   Phương pháp này phân tích tín hiệu thành các đoạn thẳng nhỏ, gán ký tự biểu diễn góc nghiêng từng đoạn, sau đó sử dụng ngữ pháp hình thức để nhận dạng cấu trúc tín hiệu, giúp phát hiện các bất thường về hình dạng sóng.

4. Tần số lấy mẫu 200 Hz có đủ để phân tích tín hiệu điện tim không?
   Tần số này đủ để thu nhận đầy đủ các đặc trưng của phức bộ QRS (khoảng 0.07s), với 12-24 mẫu trên mỗi phức bộ, đảm bảo phân tích chính xác và kịp thời các sóng điện tim.

5. Làm thế nào để mở rộng ứng dụng thiết bị trong thực tế?
   Cần phát triển thêm phần mềm xử lý tín hiệu nâng cao, mở rộng thử nghiệm lâm sàng, đào tạo người dùng, và thiết kế phiên bản di động có kết nối mạng để theo dõi bệnh nhân từ xa, đáp ứng nhu cầu chăm sóc sức khỏe hiện đại.

Kết luận

• Nghiên cứu đã khảo sát chi tiết ảnh hưởng của bệnh động mạch vành lên tín hiệu điện tim, xác định các đặc điểm biến đổi sóng ECG đặc trưng cho bệnh lý này.
• Thiết kế và chế tạo thành công máy đo điện tim với các khối mạch khuếch đại, lọc và vi điều khiển, đạt độ chính xác và ổn định cao trong thu nhận tín hiệu.
• Áp dụng phương pháp nhận dạng cú pháp kết hợp xử lý thống kê giúp phân tích và nhận dạng tín hiệu ECG hiệu quả, hỗ trợ chẩn đoán bệnh tim mạch.
• Đề xuất các giải pháp phát triển thiết bị và mở rộng ứng dụng trong y tế, góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe tại Việt Nam.
• Các bước tiếp theo bao gồm hoàn thiện thuật toán xử lý tín hiệu, mở rộng thử nghiệm lâm sàng và phát triển phiên bản thiết bị di động kết nối mạng.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực y sinh điện tử nên tiếp tục đầu tư phát triển công nghệ, đồng thời phối hợp với các cơ sở y tế để ứng dụng rộng rãi thiết bị trong thực tế, góp phần cải thiện sức khỏe cộng đồng.