Tổng quan luận án
Bệnh lý tim mạch là nguyên nhân gây tử vong hàng đầu trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) giai đoạn 2000–2019, bệnh thiếu máu cơ tim và đột quỵ chiếm khoảng 27% tổng số ca tử vong trên toàn cầu. Tại Việt Nam, số trường hợp tử vong do bệnh tim mạch ước tính khoảng 200.000 người mỗi năm (chiếm một phần tư tổng số ca tử vong), và trung bình cứ ba người trưởng thành thì có một người mang nguy cơ tim mạch. Trong lâm sàng hồi sức và cấp cứu, bên cạnh điện tâm đồ (ECG) và nhịp tim (HR), các thông số huyết động then chốt bao gồm thể tích nhát bóp (SV), thời gian tống máu thất trái (LVET) và đặc biệt là cung lượng tim (CO) đóng vai trò quyết định trong việc chẩn đoán, phân loại bệnh lý, theo dõi sốc và đưa ra các phác đồ can thiệp phù hợp (như truyền dịch, sử dụng thuốc vận mạch hoặc tăng co bóp cơ tim).
Hiện nay, các phương pháp đo cung lượng tim xâm lấn như catheter động mạch phổi (PAC-TD hay Swan-Ganz – tiêu chuẩn vàng) và pha loãng nhiệt xuyên phổi (PiCCO) đạt độ chính xác cao nhưng đòi hỏi kỹ thuật phức tạp, tiềm ẩn nguy cơ biến chứng nhiễm trùng, chảy máu, loạn nhịp và chỉ áp dụng được trong các điều kiện hạn chế. Ngược lại, phương pháp tim đồ trở kháng ngực (ICG – Impedance Cardiography) thuộc nhóm không xâm lấn, cho phép thiết lập phép đo thuận tiện, chi phí vận hành thấp và theo dõi liên tục. Tuy nhiên, việc ứng dụng ICG vào thực tế lâm sàng tại các bệnh viện vẫn gặp ba rào cản chính:
- Chi phí chế tạo thiết bị xử lý số cao do đòi hỏi tốc độ lấy mẫu lớn để giải điều chế sóng mang;
- Sự chồng lấn về mặt giải phẫu giữa vị trí dán điện cực tiêu chuẩn ở cổ với vị trí đặt các đường ống thông tĩnh mạch cảnh trong tại phòng hồi sức tích cực;
- Độ tin cậy của kết quả đo bị suy giảm do ảnh hưởng nghiêm trọng của thành phần nhiễu phát sinh từ hoạt động hô hấp (nhiễu thở).
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 được xác định như sau:
- 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.
- 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.
- 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 nghiên cứu của luận án bao gồm bốn nhóm:
- Nhóm đối tượng về tim và thông số huyết động: lý thuyết căn bản về tim, huyết động học, cung lượng tim và các phương pháp đo CO thực tế;
- Nhóm đối tượng về tim đồ trở kháng ngực: phương pháp đo CO bằng ICG, tín hiệu trở kháng ngực (TEB), tín hiệu ICG ($dZ/dt$), các loại can nhiễu và ảnh hưởng của hoạt động hô hấp;
- Nhóm đối tượng về phương pháp, công cụ và phương tiện xử lý: điện cực, sóng mang kích thích, phương pháp giải điều chế, các mạch điện phần cứng, phần mềm thu thập và thuật toán trích xuất tín hiệu;
- Nhóm đối tượng phụ trợ: tín hiệu điện tim (ECG), thuật toán Pan-Tompkins phát hiện đỉnh R, bộ nguồn nhiễu thấp cách ly y tế và các kỹ thuật lọc số.
Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong các khía cạnh sau:
- Về lý thuyết: Hệ thống hóa cơ sở sinh lý học tim mạch, nguyên lý đo TEB và các công thức tính SV từ ICG; không tập trung xây dựng công thức toán học mới để tính CO.
- Về thực nghiệm nhiễu thở: Nghiên cứu thành phần nhiễu thở dựa trên bộ dữ liệu thu nhận từ các tình nguyện viên khỏe mạnh, không có bệnh lý tim mạch.
- Về cấu hình điện cực: Tập trung vào cấu hình tám điện cực điểm (Bernstein); đề xuất các vị trí thay thế dựa trên khảo sát thực tế tại Bệnh viện Tim Hà Nội và Bệnh viện Hữu nghị Việt Đức để giải quyết sự chồng lấn ở tĩnh mạch cảnh trong.
- Về phần cứng: Tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm mô-đun thu nhận tín hiệu làm công cụ phục vụ nghiên cứu; không chế tạo một thiết bị thương mại hoàn chỉnh hiển thị trực tiếp thông số lâm sàng.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan các phương pháp đo lường cung lượng tim cho thấy sự tồn tại song song của các kỹ thuật xâm lấn, ít xâm lấn và không xâm lấn:
- Nhóm phương pháp xâm lấn và ít xâm lấn: Phương pháp pha loãng nhiệt ngắt quãng tại phổi (Intermittent PAC-TD) dùng catheter Swan-Ganz là tiêu chuẩn vàng nhưng tiềm ẩn nguy cơ chấn thương mạch máu và loạn nhịp tim. Kỹ thuật pha loãng nhiệt liên tục tại phổi (Continuous PAC-TD) khắc phục tính ngắt quãng bằng dây nhiệt nhưng vẫn giữ nguyên tính chất xâm lấn. Phương pháp pha loãng nhiệt xuyên phổi (TPTD) và pha loãng chất chỉ thị màu lithium xuyên phổi áp dụng phương trình Stewart–Hamilton để tính cung lượng tim thất trái, yêu cầu đường đặt động mạch và tĩnh mạch trung tâm. Phương pháp phân tích sóng mạch xâm lấn (như Flotrac, LiDCOrapid) ước tính thể tích nhát bóp qua đặc tính sóng huyết áp động mạch. Phương pháp Fick đo đào thải $\text{CO}_2$ đòi hỏi bệnh nhân phải thở máy qua nội khí quản. Siêu âm Doppler qua thực quản cho độ chính xác cao nhưng chỉ dùng được khi bệnh nhân có chỉ định gây mê hoặc dùng an thần.
- Nhóm phương pháp không xâm lấn: Bao gồm siêu âm Doppler qua thành ngực, phân tích sóng mạch qua cảm biến ngón tay hoặc động mạch quay, đo thời gian truyền sóng xung kết hợp giữa SpO2 và ECG, và phương pháp phân tích trở kháng ngực (Bioimpedance/Bioreactance).
Lịch sử phát triển các mô hình tính toán thể tích nhát bóp (SV) từ trở kháng ngực bắt đầu từ các nghiên cứu của Atzler và Lehman. Nyboer đã chuẩn hóa mối tương quan giữa sự thay đổi trở kháng vùng ngực với thể tích máu tống đi qua công thức:
$$\Delta V = \rho \cdot L_0^2 \cdot Z_0^{-2} \cdot \Delta Z$$
Trong đó $\rho$ là điện trở suất của máu, $L_0$ là khoảng cách giữa các điện cực thu nhận, $Z_0$ là trở kháng nền, và $\Delta Z$ là biến thiên trở kháng. Kubicek (1966) đã phát triển công thức này cho vùng ngực bằng việc thay $\Delta Z$ bằng tích số của tốc độ thay đổi trở kháng 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) đề xuất mô hình hình nón cụt cho lồng ngực, ước tính thể tích mô tham gia dẫn điện (VEPT) theo chiều cao bệnh nhân $H$:
$$SV = \frac{H^3}{4{,}25 \cdot Z_0} \cdot \left(\frac{dZ}{dt}\right){max} \cdot LVET$$
Bernstein (1986) hoàn thiện mô hình Sramek–Bernstein bằng việc 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):
$$SV = \delta \cdot \frac{H^3}{4{,}25 \cdot Z_0} \cdot \left(\frac{dZ}{dt}\right){max} \cdot LVET$$
Về cấu hình điện cực đo, Kubicek sử dụng bốn điện cực dải quấn quanh cổ và bụng nhưng gây nhiều nhiễu và bất tiện. Penney đề xuất bốn điện cực tròn ở sau cổ (đốt sống C-7) và khoang liên sườn 9–10. Bernstein chuẩn hóa cấu hình tám điện cực điểm (bốn cặp điện cực ghép vi sai dán đối xứng hai bên cổ và hai bên lồng ngực ngang mỏm kiếm xương ức), hiện được sử dụng trong các hệ thống nghiên cứu và thương mại như BIOPAC NICO100C (dòng 400 $\mu\text{A}$, 50 kHz), Medis Niccomo (dòng 1{,}5 mA, 85 kHz), và New Bio Technology MindWare Mobile (dòng 500 $\mu\text{A}$, 100 kHz).
Về nguồn gốc của nhiễu thở, nghiên cứu thực nghiệm của Baker và Geddes (1966) trên chó đã xác định dòng điện dẫn truyền qua ngực chủ yếu đi qua thành ngực trước (79{,}9%), cơ hoành, gan, và chỉ có 4{,}7% đi qua phổi. Sự biến thiên trở kháng hô hấp tương quan chặt chẽ với sự thông khí của phổi và dịch chuyển cơ hoành - gan, đạt biên độ lớn nhất tại vị trí xương sườn thứ tám.
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết:
- Vấn đề hiệu năng giải điều chế số: Mạch tương tự truyền thống gặp hiện tượng trôi nhiệt, sai số linh kiện và méo tín hiệu. Ngược lại, kỹ thuật số hóa trực tiếp sóng mang đòi hỏi bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) phải lấy mẫu ở tần số rất cao (tối thiểu 55 MSPS để phân giải mức biến thiên 0{,}5% của $\Delta Z$ ở độ phân giải 16-bit), sinh ra luồng dữ liệu 880 Mbps đòi hỏi chip FPGA xử lý phức tạp, tạo ra sự lãng phí tài nguyên lớn khi tín hiệu băng gốc ICG chỉ có dải tần 0–50 Hz (chỉ cần lấy mẫu ở tốc độ 200 SPS với thông lượng 3{,}2 kbps).
- Vấn đề chồng lấn vị trí đặt điện cực: Điện cực cổ tiêu chuẩn của Bernstein bị vướng ống thông tĩnh mạch cảnh trong tại các khoa cấp cứu, phẫu thuật và hồi sức tích cực.
- Vấn đề can nhiễu hô hấp: Nhiễu thở có biên độ lớn làm trôi đường cơ sở và biến dạng các điểm đặc trưng B, C, X trên sóng ICG, đòi hỏi giải pháp lọc hiệu quả hơn so với phương pháp của Seppä.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở sinh lý học và huyết động học xác định cung lượng tim $CO$ (lít/phút) là tích số giữa thể tích nhát bóp $SV$ (ml/nhịp) và nhịp tim $HR$ (nhịp/phút):
$$CO = SV \times HR$$
Chỉ số tim $CI = CO / BSA$ (lít/phút/$\text{m}^2$) được chuẩn hóa theo diện tích bề mặt cơ thể $BSA$ ($\text{m}^2$), tính theo công thức Dubois dựa trên chiều cao $H$ (cm) và cân nặng $W$ (kg):
$$BSA = 0{,}007184 \times W^{0{,}425} \times H^{0{,}725}$$
Chỉ số thể tích nhát bóp được tính qua $SVI = SV / BSA$. Sức cản mạch hệ thống $SVR$ (dynes$\cdot\text{sec}\cdot\text{cm}^{-5}$) phản ánh hậu gánh thất trái, tính từ sự chênh lệch giữa huyết áp động mạch trung bình ($MAP$) và áp lực tĩnh mạch trung tâm ($CVP$):
$$SVR = \frac{(MAP - CVP) \times 80}{CO}$$
Về lý thuyết trở kháng ngực, trở kháng toàn phần của lồng ngực trong điều kiện chỉ có tim hoạt động được biểu diễn bằng:
$$Z = Z_0 - \Delta Z$$
Trong đó $Z_0$ là trở kháng nền (trở kháng cố định của xương, cơ, mô mỡ và dịch cố định), có giá trị dao động từ 20 đến 48 $\Omega$. Biến thiên trở kháng $\Delta Z$ do hoạt động tống máu của tim chỉ chiếm khoảng 0{,}5% giá trị của $Z$ (biên độ dao động từ 100 đến 240 $\text{m}\Omega$) với dải tần số 0–50 Hz. Dấu trừ thể hiện bản chất máu có độ dẫn điện cao hơn các mô cố định, do đó khi máu được bơm vào động mạch chủ trong thì tâm thu, trở kháng tổng thể của vùng ngực giảm xuống. Tín hiệu ICG là đạo hàm bậc nhất theo thời gian của biến thiên trở kháng: $dZ/dt$.
| Điểm đặc trưng |
Ý nghĩa sinh lý học |
| Điểm A |
Bắt đầu tâm nhĩ thu, máu từ nhĩ trái tống xuống thất trái (không xuất hiện ở bệnh nhân rung nhĩ) |
| Điểm B |
Thời điểm van động mạch chủ mở; điểm khởi đầu cho đường dốc đi lên của sóng ICG |
| Điểm C |
Đỉnh cực đại của tín hiệu $dZ/dt$; biểu thị tốc độ thay đổi trở kháng nhanh nhất |
| Điểm X |
Thời điểm van động mạch chủ đóng; khoảng cách từ B đến X xác định thời gian tống máu thất trái (LVET) |
| Điểm O |
Thời điểm mở van hai lá và đổ đầy thất trong kỳ tâm trương |
Mối quan hệ đồng bộ giữa ICG và điện tâm đồ (ECG) được khai thác để định vị chu kỳ tim. Luận án ứng dụng thuật toán Pan-Tompkins để phát hiện đỉnh R trên tín hiệu ECG qua các khâu: lọc thông dải $\rightarrow$ vi phân số $\rightarrow$ bình phương biên độ $\rightarrow$ tích phân cửa sổ trượt $\rightarrow$ so sánh ngưỡng $\rightarrow$ định vị vùng phức bộ QRS $\rightarrow$ tìm điểm cực đại.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ phân tích:
- Phương pháp phân tích và tổng hợp: Khảo sát các tài liệu khoa học để xây dựng mô hình lý thuyết.
- Phương pháp chuyên gia: Tham vấn ý kiến chuyên môn của đội ngũ bác sĩ tim mạch tại Bệnh viện Tim Hà Nội và Bệnh viện Hữu nghị Việt Đức.
- Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Thiết kế mô-đun phần cứng đo TEB và ECG; sử dụng mô-đun nguồn cách ly y tế JHM1524D12; phát triển phần mềm hiển thị, ghi dữ liệu, thiết kế bộ lọc số FIR, IIR và xử lý biến đổi Wavelet (theo thuật toán phân giải và khôi phục đa mức Mallat).
- Phương pháp thống kê: Sử dụng sai số bình phương trung bình gốc (RMSE), sai số bình phương trung bình gốc tương đối (RMSPE), tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), hệ số xác định ($R^2$) và phương pháp đồ thị phù hợp Bland-Altman (sai số trung bình và khoảng giới hạn phù hợp 95%).
- Nguồn dữ liệu: Thu nhận trên nhóm tình nguyện viên khỏe mạnh tại Trung tâm Điện tử Y sinh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, kết hợp đo đối chứng song song với thiết bị thương mại Medis Niccomo.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Cơ sở lý thuyết và các công trình nghiên cứu liên quan
Chương 1 trình bày giải phẫu tim, hoạt động huyết động học và các phương pháp đo cung lượng tim hiện hành. Chu chuyển tim điển hình kéo dài 0{,}8 giây (ở nhịp 75 nhịp/phút) gồm giai đoạn tim giãn (0{,}4 s), tâm nhĩ co (0{,}1 s) và tâm thất co (0{,}3 s), tương ứng với các tiếng tim T1, T2, T3, T4. Mối quan hệ giữa nhịp tim và cung lượng tim cho thấy khi nhịp tim vượt quá 150 nhịp/phút, thời gian đổ đầy thất bị rút ngắn làm SV giảm, dẫn tới CO giảm; ngược lại khi nhịp tim dưới 50 nhịp/phút, CO cũng suy giảm tương ứng.
Chương 1 tổng hợp và so sánh 11 phương pháp đo cung lượng tim:
| TT |
Phương pháp |
Nguyên lý / Kỹ thuật |
Hạn chế |
Xâm lấn |
Đáp ứng |
Độ chính xác |
| 1 |
Pha loãng nhiệt ngắt quãng tại phổi (PAC-TD) |
Tiêm muối lạnh vào nhĩ phải qua catheter Swan-Ganz; đo nhiệt độ máu ở động mạch phổi; tính CO theo Stewart–Hamilton |
Nguy cơ loạn nhịp, nhiễm trùng, chảy máu; phụ thuộc kỹ thuật tiêm; phải đo lặp lại 3 lần |
Có |
Ngắt quãng |
Cao (tiêu chuẩn vàng) |
| 2 |
Pha loãng nhiệt liên tục tại phổi (Continuous PAC-TD) |
Tương tự PAC-TD nhưng dùng sợi dây điện cảm biến sinh nhiệt liên tục |
Rủi ro biến chứng xâm lấn tương tự PAC-TD |
Có |
Liên tục |
Cao |
| 3 |
Pha loãng nhiệt xuyên phổi (TPTD) |
Tiêm muối lạnh vào tĩnh mạch trung tâm, đặt cảm biến nhiệt tại động mạch đùi |
Cần đường động mạch và tĩnh mạch trung tâm; kém chính xác khi rối loạn nhịp, hở van tim |
Ít |
Ngắt quãng |
Trung bình |
| 4 |
Pha loãng chất chỉ thị màu xuyên phổi (Lithium) |
Đưa chất chỉ thị lithium vào tĩnh mạch; đo nồng độ qua động mạch ngoại biên |
Không dùng được cho bệnh nhân đang điều trị lithium; không đo được nhiều lần trong thời gian ngắn |
Ít |
Ngắt quãng |
Trung bình |
| 5 |
Phân tích sóng mạch qua catheter động mạch |
Dựa trên sóng huyết áp động mạch tâm thu và tâm trương (tự hiệu chuẩn hoặc hiệu chuẩn ngoài) |
Kém chính xác khi rối loạn nhịp tim hoặc trương lực mạch thay đổi nhanh |
Ít |
Liên tục |
Trung bình |
| 6 |
Fick đo đào thải $\text{CO}_2$ |
Cho bệnh nhân hít lại một phần khí $\text{CO}_2$ thở ra để tính theo nguyên lý Fick |
Phải đặt nội khí quản; chỉ áp dụng cho bệnh nhân thở máy có huyết động ổn định |
Ít |
Ngắt quãng |
Thấp |
| 7 |
Siêu âm qua thực quản |
Ứng dụng hiệu ứng Doppler đo tốc độ dòng máu trong động mạch chủ qua đầu dò thực quản |
Đòi hỏi an thần hoặc gây mê toàn thân; phụ thuộc kỹ năng người đo |
Ít |
Ngắt quãng |
Cao |
| 8 |
Siêu âm qua thành ngực |
Đo Doppler tốc độ dòng máu qua đầu dò đặt trên thành ngực |
Thao tác căn chỉnh góc chùm tia dễ sai số; hạn chế ở bệnh nhân béo phì |
Không |
Ngắt quãng |
Trung bình |
| 9 |
Phân tích sóng mạch qua sensor không xâm lấn |
Đo sóng mạch tại ngón tay hoặc động mạch quay |
Sai lệch lớn khi giảm tưới máu ngoại vi, chi bị phù nề hoặc bệnh nhân cử động |
Không |
Liên tục |
Thấp |
| 10 |
Đo thời gian truyền của sóng động mạch |
Kết hợp ECG và cảm biến SpO2; tính SV từ đỉnh R đến điểm đạt 30% biên độ sóng mạch |
Giả định toán học không chính xác khi rối loạn nhịp hoặc thay đổi kháng mạch |
Không |
Liên tục |
Thấp |
| 11 |
Phân tích trở kháng ngực (Bioimpedance / ICG) |
Cấp dòng xoay chiều tần số cao, biên độ thấp qua ngực; đo điện áp ra để tính biến thiên trở kháng |
Dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu cử động, hô hấp; hạn chế ở bệnh nhân béo phì, tràn dịch màng phổi |
Không |
Liên tục |
Thấp |
Chương 1 phân tích nguyên lý đo ICG với dòng kích thích 20–100 kHz (0{,}5–5 mA). Khảo sát cấu trúc giải điều chế chỉ ra: mạch tương tự bị trôi điểm làm việc do nhiệt độ và méo pha; trong khi mạch số hóa trực tiếp sóng mang đòi hỏi ADC lấy mẫu 55 MSPS và FPGA băng thông 880 Mbps, quá dư thừa so với dải thông 0–50 Hz của tín hiệu băng gốc. Bên cạnh đó, chương phân tích sự chồng lấn của vị trí điện cực chuẩn Bernstein với ống thông tĩnh mạch cảnh trong tại ICU và cơ chế gây nhiễu của hoạt động hô hấp.
Chương 2. Nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng của hệ thống thu nhận tín hiệu ICG
Chương 2 đề xuất hai giải pháp kỹ thuật chính nhằm giải quyết các rào cản đã xác định:
1. Đề xuất mô hình thu nhận tín hiệu ICG theo hướng số hóa đỉnh sóng mang
Thay vì lấy mẫu toàn bộ tín hiệu hình sin tần số cao với tốc độ hàng chục MSPS, ý tưởng của tác giả là chỉ kích hoạt bộ ADC lấy mẫu tại đúng các thời điểm đỉnh của sóng mang. Do đường bao biên độ của sóng mang điều chế phản ánh trực tiếp sự biến thiên của trở kháng ngực TEB, các giá trị lấy mẫu tại đỉnh sóng mang chính là các mẫu rời rạc của tín hiệu trở kháng ngực. Giải pháp này cho phép hạ tần số lấy mẫu của ADC xuống bằng chính tần số sóng mang (cỡ hàng chục đến 100 kHz), giảm tải hoàn toàn cho chip xử lý và loại bỏ sự cần thiết của FPGA tốc độ cao.
Hệ thống phần cứng thử nghiệm được triển khai, kiểm tra dạng sóng tại các điểm đo trung gian $V_A$, $V_B$, $V_C$ và trích xuất thành công tín hiệu $Z$ sau số hóa. Thực nghiệm ghi đo tín hiệu $\Delta Z$ trong 35 giây trên hệ thống đề xuất so sánh trực tiếp với thiết bị đối chứng cho thấy sự tương đồng dạng sóng. Độ chính xác được lượng hóa qua chỉ số sai số bình phương trung bình gốc RMSE và sai số phần trăm RMSPE (Bảng 2.1).
2. Đề xuất các vị trí đặt điện cực mới thu nhận tín hiệu ICG
Nhằm giải quyết hiện tượng chồng lấn với ống thông tĩnh mạch cảnh trong ở vùng cổ bệnh nhân, tác giả đề xuất ba vị trí đặt điện cực thay thế (Vị trí 1, Vị trí 2, Vị trí 3) dịch chuyển so với vị trí chuẩn của Bernstein. Thí nghiệm đo đối chứng giữa vị trí chuẩn và từng vị trí đề xuất được thực hiện trên thiết bị thương mại Niccomo (Medis).
Kết quả phân tích thống kê huyết động qua các bảng số liệu (Bảng 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) cho năm thông số (HR, $Z_0$, SV, LVET, CO) gồm hệ số tương quan $R^2$ và phân tích phù hợp Bland-Altman (sai số trung bình, khoảng giới hạn tin cậy 95%) xác nhận các vị trí thay thế đảm bảo sự tương quan cao và sai số nằm trong giới hạn cho phép, đồng thời dạng sóng ICG vẫn thể hiện rõ các điểm đặc trưng sinh lý.
Chương 3. Nghiên cứu xác định đặc trưng của nhiễu thở trong phép đo tín hiệu ICG
Chương 3 tập trung xây dựng công cụ đo đạc và lượng hóa đặc trưng của thành phần nhiễu hô hấp:
1. Xây dựng hệ thống thu nhận đồng thời tín hiệu TEB và ECG
Thiết kế hoàn thiện khối mạch đo phần cứng kết hợp mô-đun nguồn cách ly DC-DC y tế JHM1524D12 (Bảng 3.1) nhằm loại bỏ nhiễu nguồn và đảm bảo an toàn điện sinh học. Mạch đo đáp ứng các thông số kỹ thuật (Bảng 3.2) phục vụ thu nhận đồng bộ hai kênh tín hiệu trở kháng ngực và điện tâm đồ.
2. Xây dựng bộ công cụ phần mềm hỗ trợ xử lý tín hiệu
- Phần mềm trên máy tính phục vụ hiển thị và lưu trữ dữ liệu TEB và ECG thời gian thực dạng file (Bảng 3.3).
- Công cụ phần mềm thiết kế và thực thi lọc số IIR và FIR.
- Giao diện phần mềm phân tích và xử lý tín hiệu ICG ứng dụng biến đổi Wavelet.
3. Quy trình xây dựng bộ dữ liệu nhiễu thở chuẩn hóa
Lựa chọn các tình nguyện viên khỏe mạnh, không mắc bệnh lý tim mạch. Tiến hành dán điện cực theo quy chuẩn dưới sự giám sát của bác sĩ tim mạch. Thu nhận dữ liệu đồng thời TEB và ECG ở ba trạng thái hô hấp điển hình:
- Trạng thái thở bình thường;
- Trạng thái thở nhanh;
- Trạng thái thở gắng sức.
Dữ liệu sau khi thu thập được xử lý chuẩn hóa và lưu trữ thành bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm phục vụ việc kiểm thử các thuật toán xử lý.
4. Thuật toán tách và xác định đặc trưng nhiễu thở
Ứng dụng thuật toán Pan-Tompkins trên tín hiệu ECG để nhận dạng chính xác đỉnh R, cung cấp mốc đồng bộ thời gian của từng chu chuyển tim. Tách thành phần tín hiệu thở ra khỏi tín hiệu TEB thô. Phân tích phổ tín hiệu trước và sau xử lý ở cả ba trạng thái thở, xác định dải phổ tần số và biên độ của nhiễu thở so với tín hiệu ICG. Kết quả định lượng chỉ rõ mức độ trôi đường cơ sở và biến dạng các điểm đặc trưng sinh lý do nhiễu thở gây ra trên từng trạng thái hô hấp.
Chương 4. Phát triển thuật toán giảm nhiễu thở trong phép đo tín hiệu ICG
Chương 4 hoàn thiện mục tiêu xử lý tín hiệu của luận án:
1. Đề xuất thuật toán lọc nhiễu thở
Thuật toán lọc nhiễu thở đề xuất là sự kết hợp giữa biến đổi Wavelet rời rạc theo cấu trúc thuật toán phân giải và khôi phục đa mức Mallat với kỹ thuật tính trung bình toàn bộ (ensemble averaging) đồng bộ theo các đỉnh R của tín hiệu ECG. Kỹ thuật biến đổi Wavelet cho phép bóc tách các dải tần số chứa thành phần hô hấp mà không làm méo dạng tín hiệu ICG băng gốc, trong khi phép lấy trung bình đồng bộ theo đỉnh R giúp triệt tiêu các thành phần nhiễu ngẫu nhiên còn sót lại giữa các chu kỳ tim.
2. Đề xuất quy trình và tiến hành đánh giá
Thiết lập mô hình đánh giá định lượng thuật toán dựa trên bộ dữ liệu thực nghiệm đã thu thập từ các tình nguyện viên ở Chương 3. Tiến hành kiểm nghiệm trên cả ba trạng thái hô hấp (thở bình thường, thở nhanh, thở gắng sức). Thuật toán đề xuất được so sánh đối chứng trực tiếp với phương pháp lọc nhiễu thở của Seppä.
3. Kết quả đánh giá
- Biểu đồ hộp chỉ số RMSPE của các tình nguyện viên ở ba trạng thái thở chứng minh phương pháp đề xuất có sai số phân tán thấp hơn so với phương pháp của Seppä.
- Phân tích chỉ số tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) trung bình và RMSPE (Bảng 4.1): Thuật toán đề xuất cải thiện vượt trội chỉ số SNR ở cả ba trạng thái thở.
- Đánh giá dạng sóng: Dạng sóng tín hiệu ICG sau khi đi qua bộ lọc Wavelet đề xuất được khôi phục ổn định, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng trôi đường cơ sở và giữ nguyên độ sắc nét của các điểm đặc trưng B, C, X trong mọi điều kiện hô hấp thử nghiệm.
Kết quả và những đóng góp mới
Các kết quả và đóng góp mới của luận án được tóm tắt như sau:
| STT |
Vấn đề giải quyết |
Giải pháp đề xuất |
Kết quả kỹ thuật đạt được |
| 1 |
Rào cản chi phí phần cứng và xử lý số tín hiệu ICG |
Kỹ thuật số hóa đỉnh sóng mang tần số cao |
Giảm tần số lấy mẫu ADC từ hàng chục MHz xuống bằng tần số sóng mang; thu nhận trực tiếp đường bao trở kháng mà không cần chip FPGA hiệu năng cao; hạ giá thành nghiên cứu và chế tạo. |
| 2 |
Chồng lấn điện cực cổ với ống thông tĩnh mạch tại ICU |
Đề xuất ba vị trí đặt điện cực mới thay thế vị trí Bernstein |
Kiểm nghiệm thực nghiệm đối chứng với thiết bị Niccomo; các thông số HR, $Z_0$, SV, LVET, CO đạt độ tương quan cao và sai số trong ngưỡng chấp nhận lâm sàng; mở rộng phạm vi áp dụng ICG cho bệnh nhân hồi sức. |
| 3 |
Nhiễu do hoạt động hô hấp làm sai lệch thông số ICG |
Thuật toán lọc kết hợp biến đổi Wavelet (Mallat) và trung bình toàn bộ đồng bộ ECG |
Xác định định lượng dải phổ và biên độ nhiễu thở ở ba trạng thái hô hấp; xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn hóa; nâng cao chỉ số SNR và giảm RMSPE vượt trội so với phương pháp của Seppä; bảo toàn các điểm B, C, X. |
Về mặt lý luận, luận án đã làm sáng tỏ cơ chế tác động của nhiễu thở lên từng điểm đặc trưng của tim đồ trở kháng ngực thông qua bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn hóa, cung cấp cơ sở toán học và thuật toán xử lý tín hiệu sinh học kết hợp giữa miền thời gian - tần số (Wavelet) và tính tuần hoàn sinh lý (đồng bộ ECG).
Về mặt thực tiễn, các kết quả nghiên cứu mở ra khả năng hiện thực hóa các thiết bị đo huyết động không can thiệp có giá thành hợp lý, đồng thời cung cấp giải pháp dán điện cực thay thế đã được kiểm chứng cho các y bác sĩ tại các khoa cấp cứu, hồi sức tích cực.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Căn cứ vào phạm vi và nội dung trình bày trong luận án, công trình tồn tại một số hạn chế:
- Bộ dữ liệu thực nghiệm về nhiễu thở và đánh giá thuật toán mới chỉ được tiến hành trên nhóm tình nguyện viên khỏe mạnh, chưa được kiểm thử trên nhóm bệnh nhân có bệnh lý tim mạch thực thể (như suy tim, hở van tim nặng, loạn nhịp) hoặc bệnh nhân đang thở máy tại các phòng hồi sức.
- Nghiên cứu tập trung giải quyết khâu kỹ thuật thu nhận, giải điều chế tín hiệu TEB và thuật toán giảm nhiễu thở; chưa tích hợp thành một thiết bị y tế hoàn chỉnh có khả năng tự động tính toán và hiển thị trực tiếp cung lượng tim trên màn hình thương mại.
- Các vị trí đặt điện cực thay thế mới giải quyết tình huống chồng lấn tại vị trí tĩnh mạch cảnh trong ở vùng cổ; các vị trí can thiệp ngoại khoa khác trên thành ngực chưa được khảo sát đầy đủ.
Các hướng phát triển tiếp theo bao gồm:
- Mở rộng thử nghiệm lâm sàng và thu thập dữ liệu trên các bệnh nhân tim mạch tại bệnh viện nhằm kiểm chứng độ tin cậy của thuật toán trong điều kiện bệnh lý phức tạp.
- Nhúng thuật toán xử lý số Wavelet và tính toán CO tự động lên các vi điều khiển hoặc chip DSP chuyên dụng nhằm hoàn thiện thiết bị đo cung lượng tim ICG hoàn chỉnh.
- Nghiên cứu sâu hơn về các công thức tính toán thể tích nhát bóp phù hợp với thể trạng đặc thù của người Việt Nam.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cho nhiều nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và kỹ sư ngành Kỹ thuật Điện tử, Kỹ thuật Y sinh: Luận án cung cấp chi tiết thiết kế phần cứng đo trở kháng sinh học, kỹ thuật số hóa đỉnh sóng mang, giải pháp thiết kế nguồn cách ly y tế chống nhiễu (JHM1524D12) và quy trình xử lý tín hiệu sinh học kết hợp (Wavelet, thuật toán Pan-Tompkins).
- Bác sĩ chuyên khoa Tim mạch, Gây mê hồi sức và Cấp cứu: Nội dung về các vị trí điện cực thay thế cung cấp giải pháp thực tế để theo dõi cung lượng tim liên tục cho bệnh nhân đang đặt catheter tĩnh mạch trung tâm mà không lo ngại xung đột vị trí dán điện cực.
- Các đơn vị nghiên cứu và phát triển thiết bị y tế: Cung cấp giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa phần cứng xử lý số, giúp hạ giá thành sản xuất các máy đo huyết động không can thiệp.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao kỹ thuật số hóa trực tiếp sóng mang truyền thống trong đo ICG lại đòi hỏi phần cứng hiệu năng rất cao?
Trong phép đo trở kháng ngực, trở kháng nền $Z_0$ chiếm tới 99{,}5% biên độ, trong khi thành phần biến thiên $\Delta Z$ mang thông tin hoạt động của tim chỉ chiếm khoảng 0{,}5%. Khi sử dụng sóng mang tần số cao (khoảng 100 kHz), để lượng tử hóa được biến thiên $\Delta Z$ đạt độ phân giải tối thiểu 16-bit (tương đương 300 mức lượng tử trở lên), bộ ADC phải lấy mẫu ở tốc độ lên tới khoảng 55 MSPS. Tốc độ này sinh ra luồng dữ liệu vượt quá 880 Mbps, đòi hỏi phải sử dụng các chip xử lý song song như FPGA đắt tiền, gây lãng phí tài nguyên lớn khi tín hiệu ICG cần trích xuất chỉ có dải tần 0–50 Hz.
2. Kỹ thuật số hóa đỉnh sóng mang do luận án đề xuất hoạt động theo nguyên lý nào?
Thay vì số hóa toàn bộ chu kỳ sóng sin, kỹ thuật đề xuất kích hoạt bộ ADC lấy mẫu chính xác tại các đỉnh của tín hiệu điều chế AM tần số cao. Do đường bao nối các đỉnh này phản ánh trực tiếp biên độ trở kháng ngực TEB, dữ liệu thu được sau số hóa chính là tín hiệu TEB rời rạc. Phương pháp này đưa tần số lấy mẫu của ADC về đúng bằng tần số sóng mang, giảm tải hoàn toàn luồng dữ liệu, cho phép sử dụng các vi điều khiển hiệu năng trung bình để xử lý mà vẫn đảm bảo khôi phục chính xác biến thiên trở kháng.
3. Tại sao cần đề xuất các vị trí đặt điện cực ICG mới thay thế cấu hình chuẩn Bernstein?
Cấu hình chuẩn Bernstein sử dụng các cặp điện cực đặt dọc hai bên cổ với phần miếng dán phía dưới nằm tại gốc cổ. Trong thực tế lâm sàng tại các khoa hồi sức tích cực (như khảo sát tại Bệnh viện Tim Hà Nội và Bệnh viện Hữu nghị Việt Đức), phần lớn bệnh nhân nặng đều phải đặt ống thông tĩnh mạch trung tâm tại tĩnh mạch cảnh trong ở cổ. Điều này dẫn đến sự chồng lấn không gian, khiến thiết bị ICG không thể gắn điện cực theo đúng vị trí chuẩn. Ba vị trí đề xuất mới giúp giải phóng vùng can thiệp y tế mà vẫn giữ được độ chính xác đo lường.
4. Thuật toán giảm nhiễu thở đề xuất ở Chương 4 kết hợp những kỹ thuật nào và mang lại hiệu quả gì?
Thuật toán kết hợp giữa biến đổi Wavelet rời rạc (sử dụng thuật toán phân giải và tái cấu trúc Mallat) với kỹ thuật tính trung bình toàn bộ (ensemble averaging) đồng bộ theo các đỉnh R của tín hiệu ECG (nhận dạng qua thuật toán Pan-Tompkins). Thuật toán Wavelet giúp phân tách và loại bỏ thành phần tần số của nhiễu thở mà không làm suy hao tín hiệu ICG, trong khi phép lấy trung bình đồng bộ triệt tiêu nhiễu ngẫu nhiên. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy thuật toán làm tăng chỉ số SNR và giảm chỉ số sai số RMSPE rõ rệt so với phương pháp lọc của Seppä.
5. Các mốc B, C, X trên dạng sóng ICG biểu thị những sự kiện cơ học nào của chu chuyển tim?
Điểm B tương ứng với thời điểm van động mạch chủ bắt đầu mở, đánh dấu khởi đầu pha tống máu thất trái. Điểm C là đỉnh cao nhất của sóng $dZ/dt$, biểu thị tốc độ thay đổi trở kháng nhanh nhất (tương ứng với lưu lượng dòng máu tống vào động mạch chủ đạt cực đại). Điểm X tương ứng với thời điểm van động mạch chủ đóng lại. Khoảng thời gian từ điểm B đến điểm X xác định thời gian tống máu thất trái (LVET), một tham số bắt buộc trong các công thức tính thể tích nhát bóp SV.
Kết luận
Luận án "Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim" của nghiên cứu sinh Phan Đăng Hưng đã giải quyết có hệ thống ba rào cản chính trong kỹ thuật đo cung lượng tim không xâm lấn. Tác giả đã đề xuất giải pháp số hóa đỉnh sóng mang giúp tối ưu hóa phần cứng xử lý tín hiệu, xác lập và kiểm nghiệm thành công ba vị trí điện cực thay thế cho cấu hình chuẩn Bernstein nhằm khắc phục sự chồng lấn với ống thông tĩnh mạch cổ trong lâm sàng, đồng thời xây dựng thuật toán lọc nhiễu thở kết hợp biến đổi Wavelet và trung bình toàn bộ đồng bộ ECG vượt trội so với phương pháp của Seppä. Các kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện kỹ thuật thu nhận tín hiệu trở kháng ngực, tạo tiền đề khoa học và thực tiễn vững chắc cho việc phát triển các thiết bị theo dõi huyết động không can thiệp phục vụ công tác hồi sức, cấp cứu và điều trị bệnh nhân tim mạch.
