Tổng quan luận án

Theo số liệu từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) giai đoạn 2000–2019, bệnh tim mạch là nguyên nhân gây tử vong hàng đầu trên thế giới, trong đó bệnh thiếu máu cơ tim và đột quỵ chiếm tới 27% tổng số ca tử vong toàn cầu vào năm 2019. Tại Việt Nam, mỗi năm có khoảng 200.000 người tử vong do bệnh tim mạch, chiếm 1/4 tổng số ca tử vong; thống kê cũng chỉ ra rằng cứ 3 người trưởng thành thì có 1 người có nguy cơ mắc bệnh tim mạch. Trong chẩn đoán, điều trị hồi sức cấp cứu và phẫu thuật, bên cạnh điện tâm đồ (ECG) và nhịp tim (HR), các bác sĩ cần theo dõi các tham số huyết động cốt lõi, đặc biệt là cung lượng tim (Cardiac Output - CO), thể tích nhát bóp (Stroke Volume - SV) và thời gian tống máu thất trái (Left Ventricular Ejection Time - LVET).

Các phương pháp đo CO xâm lấn kinh điển như đo catheter động mạch phổi (Swan-Ganz / PAC-TD) hay phân tích sóng mạch kết hợp pha loãng nhiệt xuyên phổi (PiCCO) đạt độ chính xác cao nhưng mang lại nhiều nguy cơ tai biến lâm sàng (nhiễm trùng, lây chéo, chảy máu, chấn thương mạch máu) và đòi hỏi kỹ thuật phức tạp. Phương pháp tim đồ trở kháng ngực (Impedance Cardiography - ICG) là kỹ thuật đo không xâm lấn, cho phép theo dõi liên tục, an toàn và chi phí thấp. Tuy nhiên, việc ứng dụng ICG vào thực tế lâm sàng tại các bệnh viện còn gặp 3 rào cản kỹ thuật và phi kỹ thuật chính:

  1. Rào cản về phần cứng và giá thành: Mạch xử lý tương tự truyền thống kém ổn định và dễ méo dạng tín hiệu do trôi nhiệt linh kiện, trong khi phương pháp số hóa trực tiếp toàn bộ sóng mang cao tần đòi hỏi bộ chuyển đổi ADC tốc độ cao hàng chục MSPS và chip xử lý FPGA phức tạp, dẫn đến lãng phí tài nguyên tính toán đối với tín hiệu băng gốc tần số thấp.
  2. Rào cản về vị trí đặt điện cực: Cấu hình 8 điện cực điểm tiêu chuẩn (Bernstein) có các điện cực vùng cổ bị chồng lấn trực tiếp với vị trí đặt ống thông tĩnh mạch cảnh trong ở các bệnh nhân hồi sức tích cực (khảo sát thực tế tại Bệnh viện Tim Hà Nội và Bệnh viện Việt Đức).
  3. Rào cản về can nhiễu: Nhiễu do hoạt động hô hấp (nhiễu thở) có biên độ lớn, xuất hiện tuần hoàn, gây hiện tượng trôi đường cơ sở và làm biến dạng các điểm đặc trưng của dạng sóng ICG, dẫn đến sai lệch kết quả tính toán thông số huyết động.

Mục tiêu nghiên cứu

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

  1. 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.
  2. Đề xuất và đánh giá một số vị trí đặt điện cực thay thế nhằm thực tế hóa tính hữu dụng của thiết bị trong các cơ sở y tế.
  3. 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.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Tim và thông số huyết động: CO, SV, HR, LVET, chỉ số cung lượng tim (CI), sức cản mạch hệ thống (SVR).
    • Tín hiệu trở kháng ngực: Trở kháng tổng thể (TEB), trở kháng nền ($Z_0$), trở kháng biến thiên ($\Delta Z$), tín hiệu vi phân ICG ($dZ/dt$) và các dạng nhiễu liên quan.
    • Phương pháp đo và công cụ: Cấu hình điện cực, dòng điện kích thích, kỹ thuật giải điều chế AM, mạch điện xử lý, phần mềm và thuật toán tách tín hiệu.
    • Đối tượng phụ trợ: Tín hiệu điện tim (ECG), thuật toán Pan-Tompkins phát hiện đỉnh R, khối nguồn cách ly y tế nhiễu thấp.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về lý thuyết: Luận án hệ thống hóa lý thuyết huyết động và các công thức tính SV kinh điển; không xây dựng công thức tính CO mới.
    • Về nhiễu thở: Nghiên cứu đặc trưng và đánh giá thuật toán lọc nhiễu thở dựa trên bộ dữ liệu thu thập từ các tình nguyện viên khỏe mạnh, không có bệnh lý tim mạch.
    • Về vị trí điện cực: Khảo sát cấu hình 8 điện cực điểm tại Bệnh viện Tim Hà Nội và Bệnh viện Hữu nghị Việt Đức, đề xuất các vị trí thay thế ở vùng cổ/ngực.
    • Về phần cứng: Tập trung nghiên cứu, thiết kế mô-đun thu nhận tín hiệu TEB/ECG làm công cụ thu thập dữ liệu; không chế tạo thiết bị thương mại hoàn chỉnh.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tiến hành khảo sát và phân loại các phương pháp đo cung lượng tim hiện nay theo mức độ can thiệp vào cơ thể:

Nhóm phương pháp Tên kỹ thuật Nguyên lý / Tác giả / Thiết bị Hạn chế chính ghi nhận
Xâm lấn & Can thiệp Pha loãng nhiệt ngắt quãng tại phổi (PAC-TD) Catheter Swan-Ganz; phương trình Stewart-Hamilton [10] Tiêu chuẩn vàng nhưng gây biến chứng: loạn nhịp, nhiễm trùng, chảy máu
Pha loãng nhiệt liên tục tại phổi Dây điện cảm biến nhiệt liên tục [11] Tương tự PAC-TD
Pha loãng nhiệt xuyên phổi (TPTD) Tiêm muối lạnh tĩnh mạch trung tâm, cảm biến nhiệt động mạch đùi (PiCCO) [12, 13] Yêu cầu đường động/tĩnh mạch trung tâm; sai số khi rối loạn nhịp tim
Pha loãng chất chỉ thị màu xuyên phổi Dùng chất chỉ thị Lithium [10, 13] Không dùng cho người đang trị liệu Lithium; tích lũy chất chỉ thị
Phân tích sóng mạch xâm lấn Phân tích đường cong áp lực động mạch (Flotrac, LiDCOrapid) [13, 14] Kém chính xác khi rối loạn nhịp hoặc thay đổi trương lực mạch nhanh
Đo Fick đào thải $\text{CO}_2$ Định luật Fick với khí $\text{CO}_2$ thở lại [11, 15] Phải đặt nội khí quản; chỉ áp dụng cho bệnh nhân thở máy ổn định
Siêu âm Doppler qua thực quản Đầu dò siêu âm đặt trong thực quản [16, 17] Phải gây mê hoặc dùng an thần; phụ thuộc kỹ năng người đo
Không xâm lấn Siêu âm Doppler qua thành ngực Đầu dò siêu âm đặt trên thành ngực [16, 17] Nguy cơ sai số góc chùm tia; hạn chế ở bệnh nhân béo phì
Phân tích sóng mạch không xâm lấn Cảm biến ngón tay hoặc động mạch quay [18, 19] Khó áp dụng khi giảm tưới máu ngoại vi, tay phù nề hoặc cử động
Đo thời gian truyền sóng động mạch Kết hợp ECG và cảm biến $\text{SpO}_2$ ngoại biên [18] Giả định thời gian truyền sóng không đúng khi kháng mạch thay đổi
Tim đồ trở kháng ngực (ICG / TEB) Bơm dòng cao tần biên độ nhỏ, đo điện áp biến thiên qua điện cực [20] Chịu ảnh hưởng bởi nhiễu chuyển động, nhiễu thở và vị trí điện cực

Tiến trình phát triển lý thuyết ICG và công thức tính thể tích nhát bóp

  • Atzler và Lehman: Đặt nền móng lý thuyết đầu tiên về mối liên hệ giữa sự thay đổi trở kháng ngực và thể tích máu tống đi từ tâm thất.
  • Nyboer: Xây dựng công thức tính biến thiên thể tích máu cục bộ: $\Delta V = \rho \cdot L_0^2 \cdot Z_0^{-2} \cdot \Delta Z$, trong đó $\rho$ là điện trở suất của máu, $L_0$ là khoảng cách điện cực, $Z_0$ là trở kháng nền.
  • Kubicek (1966): Cải tiến công thức Nyboer cho vùng ngực bằng cách đưa vào giá trị vi phân cực đại $(dZ/dt){\max}$ và thời gian tống máu thất trái LVET: $$SV = \rho \cdot L_0^2 \cdot Z_0^{-2} \cdot \left(\frac{dZ}{dt}\right){\max} \cdot LVET$$
  • Sramek (1981): Đưa ra mô hình hình nón cụt cho lồng ngực với thể tích mô tham gia dẫn điện $VEPT = (0,17H)^3 / 4,25$.
  • Sramek - Bernstein (1986): Hoàn thiện công thức tính SV được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, bổ sung hệ số hiệu chỉnh thể trọng $\delta = IBW / ABW$ (tỷ số giữa cân nặng lý tưởng theo công thức Devine và cân nặng thực tế): $$SV = \delta \cdot \frac{(0,17H)^3}{4,25 \cdot Z_0} \cdot \left(\frac{dZ}{dt}\right)_{\max} \cdot LVET$$

Sự tiến hóa của các cấu hình điện cực

  • Cấu hình 4 điện cực dải (Kubicek [31]): Dùng 4 dải băng quấn quanh cổ và bụng; gây bất tiện khi thao tác lâm sàng và nhiều nhiễu.
  • Cấu hình 4 điện cực tròn (Penney [32]): Đặt 2 điện cực sau đốt sống cổ C-7 và 2 điện cực ở liên sườn 9–10 bên trái; đo trở kháng không đồng đều hai bên ngực.
  • Cấu hình 8 điện cực tròn (Bernstein [33]): Gồm 4 cặp điện cực kép (2 cặp ở hai bên cổ, 2 cặp ở hai bên ngực dọc đường giữa nách ngang mỏm kiếm); đây là cấu hình chuẩn được áp dụng trên các thiết bị thương mại như Niccomo (Medis), NICO100C (BIOPAC), MindWare Mobile.

Nghiên cứu về nguồn gốc nhiễu thở

Baker và Geddes (1966) [48] đã tiến hành thực nghiệm trên mô hình động vật nhằm xác định con đường dẫn truyền dòng điện sinh học vùng ngực. Kết quả chỉ ra 79,9% dòng điện dẫn qua thành ngực trước, một phần qua cơ hoành, gan và chỉ có 4,7% đi qua phổi; thể tích phổi gia tăng khi cơ hoành co cứng tạo ra sự tương quan trực tiếp giữa thể tích lồng ngực $\Delta V$ và biến thiên trở kháng $\Delta Z$. Các công trình của Wang [49] và Patterson [50] tiếp tục khẳng định nhiễu thở sinh ra do sự thay đổi kích thước lồng ngực, sự chuyển động của khối cơ hoành - gan và sự trượt cơ học của điện cực tiếp xúc da.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết

  1. Khắc phục sự phức tạp và lãng phí phần cứng của phương pháp số hóa trực tiếp (vốn đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu trên 880 Mbps cho ADC 16-bit 55 MSPS trong khi tín hiệu ICG chỉ cần băng thông 0–50 Hz tương đương 3,2 kbps) bằng một mô hình thu nhận số hóa đỉnh sóng mang tối ưu.
  2. Giải quyết xung đột chồng lấn thực tế giữa điện cực ICG vùng cổ và ống thông tĩnh mạch trung tâm bằng việc xác định và kiểm chứng thực nghiệm các vị trí dán điện cực thay thế.
  3. Giải quyết vấn đề biến dạng dạng sóng ICG do hô hấp bằng cách xác định chính xác đặc trưng phổ/biên độ của nhiễu thở và xây dựng thuật toán lọc kết hợp biến đổi Wavelet với phép lấy trung bình toàn bộ chu kỳ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm cốt lõi

  • Mô hình trở kháng ngực: Khi dòng điện xoay chiều hình sin tần số cao $I$ (thường từ 20 kHz đến 100 kHz, biên độ 0,5 mA đến 5 mA) được đưa vào cơ thể, điện áp thu được $U$ bị điều chế biên độ (AM) bởi trở kháng lồng ngực $Z$: $$Z = Z_0 - \Delta Z$$ Trong đó, $Z_0$ là trở kháng nền (chiếm khoảng 99,5% độ lớn, từ 20–48 $\Omega$), $\Delta Z$ là thành phần trở kháng thay đổi do tim bơm máu (chiếm khoảng 0,5% độ lớn, dao động từ 100–240 $\text{m}\Omega$, dải tần 0–50 Hz).
  • Tín hiệu ICG ($dZ/dt$): Tín hiệu ICG là đạo hàm bậc nhất của $\Delta Z$ theo thời gian. Các điểm mốc huyết động được định nghĩa trên dạng sóng gồm:
    • Điểm A: Bắt đầu thì tâm nhĩ thu.
    • Điểm B: Thời điểm mở van động mạch chủ.
    • Điểm C: Đỉnh cực đại của $dZ/dt$, biểu thị tốc độ thay đổi trở kháng lớn nhất.
    • Điểm X: Thời điểm đóng van động mạch chủ. Khoảng cách thời gian từ B đến X xác định chỉ số $LVET$.
    • Điểm O: Thời điểm mở van hai lá và đổ đầy tâm thất trong kỳ tâm trương.
  • Mối quan hệ đồng bộ với ECG và thuật toán Pan-Tompkins: Quá trình khử cực thất (phức bộ QRS, đặc biệt là đỉnh R) trên tín hiệu ECG đóng vai trò mốc đồng bộ thời gian chuẩn cho chu kỳ tim. Thuật toán Pan-Tompkins được triển khai qua chuỗi xử lý: $$\text{ECG thô} \longrightarrow \text{Lọc thông dải (5–15 Hz)} \longrightarrow \text{Vi phân số} \longrightarrow \text{Bình phương} \longrightarrow \text{Tích phân cửa sổ dịch chuyển} \longrightarrow \text{Dò ngưỡng & Tìm cực đại đỉnh R}$$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ triển khai

  • Phương pháp thu thập dữ liệu phần cứng: Thiết kế mô-đun mạch đo đồng thời TEB và ECG sử dụng khối nguồn DC-DC y tế cách ly JHM1524D12 (đáp ứng tiêu chuẩn an toàn dòng rò sinh học).
  • Phương pháp phần mềm và xử lý số: Xây dựng phần mềm trên máy tính hỗ trợ thiết kế các bộ lọc số IIR, FIR, công cụ phân tích xử lý tín hiệu ICG và thuật toán biến đổi Wavelet rời rạc phân giải đa tỷ lệ theo sơ đồ Mallat.
  • Quy trình thực nghiệm trên người: Thu thập dữ liệu trên các tình nguyện viên khỏe mạnh tại phòng thí nghiệm dưới sự hỗ trợ chuyên môn của bác sĩ tim mạch, thực hiện ghi đo ở 3 trạng thái hô hấp: thở bình thường, thở nhanh và thở gắng sức.
  • Phương pháp phân tích thống kê và đánh giá sai số: Sử dụng hệ số xác định ($R^2$), đồ thị tương quan và phân tích độ phù hợp Bland-Altman, sai số bình phương trung bình gốc (RMSE), sai số phần trăm bình phương trung bình gốc (RMSPE) và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Cơ sở lý thuyết và các công trình nghiên cứu liên quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở giải phẫu, huyết động học của tim và phân tích 11 phương pháp đo cung lượng tim hiện hành. Tác giả đi sâu vào nguyên lý đo trở kháng sinh học lồng ngực (TEB), phân tích cấu trúc tín hiệu ICG và các điểm đặc trưng sinh lý (A, B, C, X, O), đồng thời đối chiếu các công thức tính thể tích nhát bóp (Nyboer, Kubicek, Sramek, Sramek-Bernstein).

Chương này phân tích chi tiết hai hướng tiếp cận thiết kế phần cứng:

  1. Hệ thống tương tự: Gặp phải các sai số do trôi nhiệt linh kiện, méo biên độ và dịch pha qua các bộ lọc thông dải 80–120 kHz, giải điều chế AM và bộ lọc tách $Z_0$ (thông thấp 0,2 Hz), $\Delta Z$ (thông cao 0,15 Hz).
  2. Hệ thống số hóa truyền thống: Số hóa toàn bộ sóng mang cao tần đòi hỏi tốc độ lấy mẫu lớn (khoảng 55 MSPS cho ADC 16-bit để đạt 300 mức lượng tử phân giải cho $\Delta Z$), tạo ra luồng dữ liệu 880 Mbps – quá lớn so với dải thông 0–50 Hz (yêu cầu 3,2 kbps) của tín hiệu ICG.

Đồng thời, chương 1 phân loại và phân tích bản chất của 3 nguồn can nhiễu chính: nhiễu điện (lưới 50 Hz, cảm ứng điện từ), nhiễu cử động cơ thể và nhiễu hô hấp; trích dẫn các bằng chứng thực nghiệm của Baker & Geddes về nguồn gốc phát sinh nhiễu thở.

Chương 2. Nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng của hệ thống thu nhận tín hiệu ICG

Chương 2 tập trung giải quyết hai rào cản đầu tiên thông qua hai giải pháp kỹ thuật:

  1. Đề xuất kỹ thuật số hóa đỉnh sóng mang tần số cao: Thay vì lấy mẫu dày đặc toàn bộ chu kỳ sóng sin, hệ thống chỉ kích hoạt lấy mẫu ADC chính xác tại các đỉnh của sóng mang. Giải pháp này giúp hạ thấp yêu cầu năng lực xử lý của chip số, giảm tốc độ dữ liệu trung gian mà vẫn khôi phục chính xác đường bao $\Delta Z$. Hệ thống phần cứng thực nghiệm được kiểm tra dạng sóng tại các điểm đo trung gian $V_A, V_B, V_C$, cho kết quả đo $\Delta Z$ trong bản ghi 35 giây có độ tương đồng cao với thiết bị đối chứng chuẩn.
  2. Đề xuất và đánh giá 3 vị trí đặt điện cực thay thế: Nhằm khắc phục tình trạng chồng lấn tại tĩnh mạch cảnh trong ở vùng cổ, tác giả khảo sát và đề xuất 3 cấu hình vị trí dán điện cực mới. Thực nghiệm so sánh đối chứng trực tiếp với thiết bị chuẩn Niccomo (hãng Medis) trên các thông số HR, $Z_0$, SV, LVET, CO:
Cấu hình đo Hệ số $R^2$ (HR) Hệ số $R^2$ ($Z_0$) Hệ số $R^2$ (SV) Hệ số $R^2$ (LVET) Hệ số $R^2$ (CO) Mức độ phù hợp Bland-Altman
Vị trí đề xuất số 1 Rất cao Cao Cao Cao Cao Độ lệch trung bình nhỏ, giới hạn phù hợp hẹp
Vị trí đề xuất số 2 Cao Trung bình Trung bình Cao Trung bình Độ lệch chấp nhận được
Vị trí đề xuất số 3 Rất cao Cao Cao Cao Cao Tương quan chặt chẽ với phép đo chuẩn Niccomo

(Các kết quả phân tích thống kê chi tiết được biểu diễn qua đồ thị hồi quy phân tán và biểu đồ Bland-Altman từ Hình 2.14 đến Hình 2.31 trong văn bản).

Chương 3. Nghiên cứu xác định đặc trưng của nhiễu thở trong phép đo tín hiệu ICG

Chương 3 triển khai xây dựng hệ thống phần cứng, bộ công cụ phần mềm và quy trình thực nghiệm để trích xuất đặc trưng của nhiễu thở:

  • Thiết kế phần cứng hoàn chỉnh: Tích hợp khối đo TEB và ECG đồng bộ, sử dụng khối chuyển đổi nguồn y tế DC-DC JHM1524D12 để loại bỏ can nhiễu nguồn và đảm bảo an toàn điện giật.
  • Xây dựng phần mềm chuyên dụng: Phát triển giao diện lưu trữ, hiển thị dữ liệu thời gian thực và công cụ thiết kế bộ lọc số (IIR, FIR), công cụ xử lý biến đổi Wavelet phân tích tín hiệu.
  • Thu thập bộ dữ liệu nhiễu thở: Tiến hành đo trên nhóm tình nguyện viên khỏe mạnh tại phòng thí nghiệm dưới sự giám sát chuyên môn của bác sĩ. Dữ liệu được thu thập ở 3 kịch bản: thở bình thường, thở nhanh và thở gắng sức.
  • Thuật toán phân tách và xác định đặc trưng nhiễu thở: Sử dụng tín hiệu ECG đồng bộ, áp dụng thuật toán Pan-Tompkins để nhận dạng chính xác các đỉnh R. Từ mốc đỉnh R, thuật toán tiến hành phân tách thành phần trở kháng do tim và thành phần do hô hấp trong tín hiệu TEB tổng thể; từ đó xác định dải phổ tần số và biên độ của nhiễu thở tác động làm trôi đường cơ sở và biến dạng dạng sóng ICG ở từng trạng thái thở.

Chương 4. Phát triển thuật toán giảm nhiễu thở trong phép đo tín hiệu ICG

Chương 4 đề xuất giải pháp xử lý số nhằm loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu thở:

  • Đề xuất thuật toán kết hợp Wavelet và trung bình toàn bộ:
    • Bước 1 (Biến đổi Wavelet): Ứng dụng thuật toán Mallat phân giải tín hiệu ICG bị nhiễm nhiễu thành các mức chi tiết và mức xấp xỉ, triệt tiêu các thành phần tần số tương ứng với dải phổ của nhiễu thở đã được xác định ở Chương 3.
    • Bước 2 (Trung bình toàn bộ chu kỳ): Dựa vào mốc đỉnh R của ECG đồng bộ, cắt các chu kỳ ICG riêng lẻ và thực hiện phép lấy trung bình trên toàn bộ tập hợp chu kỳ để loại bỏ triệt để các dao động trôi đường cơ sở còn sót lại.
  • Quy trình và phương pháp đánh giá định lượng: Luận án thiết lập mô hình đánh giá bằng cách cộng thành phần nhiễu thở thực nghiệm thu được ở Chương 3 vào tín hiệu ICG chuẩn với các mức tỷ lệ khác nhau ở cả 3 trạng thái hô hấp (bình thường, nhanh, gắng sức).
  • Kết quả so sánh: Thuật toán đề xuất được đánh giá đối chứng với phương pháp lọc kinh điển của tác giả Seppä. Kết quả phân tích qua các chỉ số SNR và RMSPE cho thấy:
    • Tỷ số SNR trung bình sau lọc của phương pháp đề xuất được cải thiện rõ rệt ở cả 3 trạng thái thở.
    • Sai số RMSPE giảm đáng kể so với phương pháp của Seppä, dạng sóng ICG sau lọc khôi phục rõ nét các điểm đặc trưng B, C, X.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Xác định định lượng đặc trưng nhiễu thở trong phép đo ICG: Luận án đã làm rõ dải phổ tần số và phân bố biên độ của thành phần nhiễu hô hấp tác động lên tín hiệu TEB/ICG ở 3 trạng thái thở khác nhau (bình thường, nhanh, gắng sức) trên cơ thể người.
  2. Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn hóa về nhiễu thở: Cung cấp tập dữ liệu TEB/ECG đồng bộ phản ánh đúng bản chất can nhiễu hô hấp, làm công cụ đối chuẩn khách quan cho các nghiên cứu xử lý tín hiệu ICG tiếp theo.
  3. Phát triển thuật toán lọc phối hợp Wavelet và trung bình toàn bộ: Đóng góp một giải pháp xử lý số kết hợp thuật toán phân giải Mallat với kỹ thuật lấy trung bình đồng bộ theo đỉnh R của ECG, giúp loại bỏ hiệu quả hiện tượng trôi đường cơ sở và khôi phục chính xác các điểm đặc trưng của ICG.

Những đóng góp mới về mặt kỹ thuật và thực tiễn

  1. Giải pháp phần cứng số hóa đỉnh sóng mang cao tần: Cho phép xây dựng hệ thống thu nhận tín hiệu ICG trên các nền tảng vi xử lý/DSP hiệu năng trung bình sẵn có, giảm dung lượng truyền thông và hạ giá thành nghiên cứu, chế tạo thiết bị.
  2. Đề xuất các vị trí đặt điện cực ICG thay thế cấu hình chuẩn: Đã kiểm chứng thực nghiệm thành công các vị trí dán điện cực mới có độ tương quan và phù hợp cao với thiết bị chuẩn Niccomo, giải quyết triệt để rào cản chồng lấn với ống thông tĩnh mạch cổ trong môi trường hồi sức cấp cứu lâm sàng.

Bảng tổng hợp các chỉ số kỹ thuật và kết quả nghiên cứu

Tham số / Hạng mục Quy chuẩn kỹ thuật / Giá trị thực nghiệm trong luận án
Nguồn dòng kích thích sinh học Dòng sin tần số 20–100 kHz, biên độ an toàn 0,5–5 mA
Đặc tính trở kháng ngực $Z_0 = 20 - 48,\Omega$; $\Delta Z = 100 - 240,\text{m}\Omega$ (0,5% của $Z$), dải tần 0–50 Hz
Mô-đun nguồn cách ly y tế JHM1524D12 (nguồn DC-DC cách ly chống giật và triệt nhiễu)
Thuật toán nhận dạng đỉnh R ECG Thuật toán Pan-Tompkins (Lọc dải, vi phân, bình phương, tích phân cửa sổ, ngưỡng)
Phương pháp lọc nhiễu thở Phối hợp biến đổi Wavelet (thuật toán Mallat) và trung bình toàn bộ theo chu kỳ tim
Phương pháp đối chứng đánh giá Thiết bị Niccomo (Medis), phương pháp lọc Seppä, phân tích Bland-Altman, $R^2$, RMSPE, SNR

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Tập dữ liệu thực nghiệm về nhiễu thở và đánh giá vị trí điện cực mới dừng lại trên nhóm đối tượng tình nguyện viên khỏe mạnh, chưa triển khai thử nghiệm trên bệnh nhân có bệnh lý tim mạch thực tế.
  • Luận án không đi sâu vào việc phát triển công thức toán học mới để tính thể tích nhát bóp hay cung lượng tim mà sử dụng các công thức kinh điển đã được công nhận (Kubicek, Sramek-Bernstein).
  • Phần cứng dừng lại ở mức mô-đun mạch đo và phần mềm thu thập, xử lý dữ liệu phục vụ nghiên cứu; chưa tích hợp đóng gói thành một thiết bị y tế cầm tay hoàn chỉnh hiển thị trực tiếp các thông số CO tại giường bệnh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng thử nghiệm lâm sàng trên các nhóm bệnh nhân có bệnh lý tim mạch, bệnh nhân thở máy hoặc bệnh nhân trong phòng hồi sức tích cực tại các bệnh viện.
  • Nhúng toàn bộ thuật toán lọc Wavelet và thuật toán tự động nhận dạng điểm đặc trưng (B, C, X) lên chip vi xử lý/DSP để chế tạo thiết bị đo cung lượng tim ICG hoàn chỉnh.
  • Nghiên cứu xử lý bổ sung các nguồn can nhiễu ngẫu nhiên khác như nhiễu cử động mạnh của bệnh nhân trong quá trình đo kéo dài.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và kỹ sư ngành Kỹ thuật Điện tử, Kỹ thuật Y sinh: Tham khảo chi tiết về nguyên lý đo trở kháng sinh học, thiết kế mạch đo TEB/ECG, kỹ thuật số hóa đỉnh sóng mang và các thuật toán xử lý tín hiệu y sinh (Pan-Tompkins, biến đổi Wavelet Mallat).
  • Các nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Thiết bị Y tế: Tham khảo bức tranh tổng quan về 11 phương pháp đo huyết động, các mô hình điện cực và phương pháp xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn hóa.
  • Bác sĩ và nhân viên y tế tại các khoa Hồi sức cấp cứu, Tim mạch: Tham khảo cơ sở thực nghiệm của các vị trí dán điện cực thay thế khi bệnh nhân có đặt ống thông tĩnh mạch cổ, mở rộng phạm vi ứng dụng của kỹ thuật ICG trong thực tế lâm sàng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao việc số hóa trực tiếp toàn bộ sóng mang cao tần lại gây lãng phí tài nguyên phần cứng trong phép đo ICG?

Để số hóa trực tiếp sóng mang tần số 100 kHz và đảm bảo phân giải thành phần $\Delta Z$ (chiếm 0,5% biên độ $Z$) ở độ phân giải 16-bit với 300 mức lượng tử, bộ chuyển đổi ADC phải lấy mẫu ở tốc độ khoảng 55 MSPS, tạo ra luồng dữ liệu lên tới trên 880 Mbps. Luồng dữ liệu này đòi hỏi chip FPGA đắt đỏ và cấu hình phần cứng phức tạp. Trong khi đó, tín hiệu ICG thực tế nằm ở băng gốc tần số rất thấp (0–50 Hz), chỉ cần tốc độ lấy mẫu khoảng 200 SPS tương đương tốc độ dữ liệu 3,2 kbps (nhỏ hơn gần 275.000 lần).

2. Sự chồng lấn vị trí đặt điện cực ICG chuẩn trong thực tế lâm sàng diễn ra như thế nào?

Theo cấu hình 8 điện cực tròn tiêu chuẩn của Bernstein, hai cặp điện cực phía trên được dán đối xứng ở hai bên cổ (với miếng dán dưới nằm ở gốc cổ). Trong các khoa Hồi sức tích cực (như khảo sát tại Bệnh viện Tim Hà Nội và Bệnh viện Việt Đức), hầu hết bệnh nhân nặng đều phải đặt ống thông tĩnh mạch trung tâm tại tĩnh mạch cảnh trong ở vùng cổ, dẫn đến việc không thể dán điện cực ICG theo đúng vị trí chuẩn.

3. Tín hiệu ICG ($dZ/dt$) biểu diễn các sự kiện sinh lý nào trong chu chuyển tim?

Tín hiệu ICG là đạo hàm bậc nhất của biến thiên trở kháng $\Delta Z$ theo thời gian. Các điểm đặc trưng trên sóng ICG tương ứng với các sự kiện: điểm A ứng với thì tâm nhĩ thu; điểm B ứng với thời điểm mở van động mạch chủ; điểm C là đỉnh cực đại biểu thị tốc độ thay đổi trở kháng nhanh nhất; điểm X ứng với thời điểm đóng van động mạch chủ (khoảng cách B–X xác định thời gian tống máu thất trái LVET); điểm O ứng với thời điểm mở van hai lá và đổ đầy thất trong kỳ tâm trương.

4. Thuật toán lọc nhiễu thở đề xuất trong luận án hoạt động dựa trên nguyên lý gì?

Thuật toán kết hợp hai kỹ thuật: đầu tiên, áp dụng biến đổi Wavelet rời rạc theo thuật toán phân giải Mallat để triệt tiêu các thành phần tần số nằm trong dải phổ của nhiễu thở; tiếp theo, sử dụng đỉnh R của tín hiệu ECG đồng bộ (được phát hiện bằng thuật toán Pan-Tompkins) làm mốc thời gian để cắt các chu kỳ ICG và thực hiện phép tính trung bình toàn bộ các chu kỳ tim, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng trôi đường cơ sở.

5. Công thức Sramek - Bernstein tính thể tích nhát bóp (SV) có cấu trúc như thế nào?

Công thức Sramek - Bernstein được biểu diễn như sau: $$SV = \delta \cdot \frac{(0,17H)^3}{4,25 \cdot Z_0} \cdot \left(\frac{dZ}{dt}\right){\max} \cdot LVET$$ Trong đó: $H$ là chiều cao bệnh nhân (cm); $Z_0$ là trở kháng nền vùng ngực ($\Omega$); $(dZ/dt){\max}$ là biên độ đỉnh C của ICG ($\Omega/\text{s}$); $LVET$ là thời gian tống máu thất trái (s); và $\delta = IBW / ABW$ là hệ số hiệu chỉnh thể trọng giữa cân nặng lý tưởng (tính theo công thức Devine) và cân nặng thực tế.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phan Đăng Hưng đã giải quyết có hệ thống 3 rào cản kỹ thuật và thực tiễn trong phép đo cung lượng tim bằng phương pháp tim đồ trở kháng ngực (ICG). Công trình đã đề xuất thành công kỹ thuật số hóa đỉnh sóng mang giúp tối ưu hóa phần cứng xử lý số, đồng thời xác lập và kiểm chứng thực nghiệm các vị trí đặt điện cực thay thế phục vụ bệnh nhân có đặt ống thông tĩnh mạch cổ. Bên cạnh đó, luận án đã xác định định lượng đặc trưng của nhiễu hô hấp và xây dựng thuật toán lọc nhiễu hiệu quả kết hợp biến đổi Wavelet với phép lấy trung bình toàn bộ chu kỳ tim. Các kết quả nghiên cứu là nền tảng kỹ thuật quan trọng nhằm nâng cao độ chính xác và mở rộng khả năng ứng dụng của thiết bị ICG không xâm lấn trong theo dõi huyết động lâm sàng.