Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), mỗi năm trên toàn cầu có hàng triệu ca tử vong do các bệnh lý đường hô hấp, trong đó hen phế quản và bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính (COPD) là hai căn bệnh phổ biến và gây gánh nặng y tế lớn. Ở Việt Nam, tỷ lệ mắc hen phế quản là khoảng 4,1% dân số, nhưng chỉ 29,1% trong số đó được điều trị dự phòng, trong khi tỷ lệ mắc COPD ở người trên 40 tuổi là 4,2%, với 37,5% bệnh nhân có triệu chứng nghiêm trọng ảnh hưởng đến sinh hoạt hàng ngày. Các bệnh lý hô hấp không chỉ gây tử vong mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng cuộc sống và gánh nặng xã hội.

Trong bối cảnh đó, việc phát triển các thiết bị đo chức năng hô hấp chính xác, tiện lợi và phù hợp với nhiều đối tượng bệnh nhân là rất cần thiết. Phương pháp đo hô hấp ký (spirometry) và dao động xung ký (Impulse Oscillometry - IOS) là hai kỹ thuật hiện đại được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán và theo dõi các bệnh lý hô hấp. Spirometry yêu cầu bệnh nhân hợp tác gắng sức, phù hợp với trẻ từ 6 tuổi trở lên, trong khi IOS có ưu điểm không cần gắng sức, có thể áp dụng cho trẻ từ 4 tuổi trở lên và những bệnh nhân không thể thực hiện spirometry.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và chế tạo một thiết bị đo chức năng phổi tích hợp hai kỹ thuật spirometry và dao động xung ký, nhằm nâng cao độ chính xác, tính ổn định và khả năng ứng dụng lâm sàng. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong năm 2023, với phạm vi khảo sát và thử nghiệm trên các đối tượng mẫu tại một số cơ sở y tế. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ thiết bị y tế trong lĩnh vực vật lý kỹ thuật, hỗ trợ chẩn đoán và điều trị các bệnh hô hấp, đồng thời hướng tới sản phẩm có thể sản xuất đại trà, đáp ứng nhu cầu trong nước và khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: kỹ thuật hô hấp ký (spirometry) và kỹ thuật dao động xung ký (Impulse Oscillometry - IOS). Spirometry đo thể tích và lưu lượng khí hít vào, thở ra theo thời gian, giúp đánh giá các chỉ số như thể tích khí lưu thông (TV), dung tích sống gắng sức (FVC), thể tích thở tối đa giây đầu tiên (FEV1), và các lưu lượng thở đặc trưng (PEF, FEF 25-75). Đây là phương pháp tiêu chuẩn trong chẩn đoán các bệnh tắc nghẽn và hạn chế chức năng phổi.

Kỹ thuật dao động xung ký sử dụng các xung dao động áp suất đa tần số (5-35 Hz) đưa vào đường dẫn khí khi bệnh nhân thở bình thường. Tín hiệu phản hồi được ghi nhận qua cảm biến áp suất và lưu lượng, từ đó tính toán trở kháng đường thở (Zrs), sức cản (Rrs) và độ đàn hồi (Xrs) của hệ hô hấp. IOS có ưu điểm không yêu cầu gắng sức, phù hợp với trẻ nhỏ và bệnh nhân nặng, đồng thời nhạy hơn spirometry trong phát hiện các bất thường đường dẫn khí ngoại vi.

Ba khái niệm chuyên ngành quan trọng được sử dụng trong nghiên cứu gồm: thể tích và dung tích hô hấp (TV, IRV, ERV, RV, VC, FVC), trở kháng hô hấp (Zrs) và các chỉ số sức cản, đàn hồi (Rrs, Xrs). Ngoài ra, các tiêu chuẩn kỹ thuật về hiệu chuẩn cảm biến, xử lý tín hiệu, và quy trình lâm sàng được áp dụng để đảm bảo độ chính xác và tin cậy của thiết bị.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thực nghiệm thu thập từ các phép đo trên mẫu người bình thường và bệnh nhân tại các cơ sở y tế, cùng với dữ liệu hiệu chuẩn thiết bị sử dụng các thiết bị chuẩn như bơm thể tích 3L, thiết bị đo vận tốc gió KIMO VT100, và áp kế chữ U. Cỡ mẫu thử nghiệm khoảng vài chục đối tượng, bao gồm cả người lớn và trẻ em, được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu thuận tiện và có kiểm soát để đảm bảo tính đại diện.

Phương pháp phân tích dữ liệu bao gồm xử lý tín hiệu analog sang số, lọc nhiễu bằng bộ lọc Kalman, tính toán các thông số hô hấp chuẩn tham chiếu dựa trên các hàm thống kê dân số (NHANES III, Berger), và so sánh kết quả đo với các giá trị chuẩn. Các thuật toán được xây dựng để phân tích đồ thị lưu lượng-thể tích, lưu lượng-thời gian và thể tích-thời gian, đồng thời đánh giá độ ổn định và độ chính xác của thiết bị qua các chỉ số Coefficient of Variation (CoV).

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023, bao gồm các giai đoạn: tổng quan lý thuyết, thiết kế phần cứng và phần mềm, thi công thiết bị, hiệu chuẩn và chạy thử, đánh giá kết quả và đề xuất quy trình lâm sàng. Quá trình thử nghiệm được thực hiện lặp lại nhiều lần để đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của thiết bị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế thành công mô hình thiết bị đo chức năng hô hấp tích hợp hai kỹ thuật: Thiết bị đáp ứng các tiêu chí về độ ổn định và độ chính xác với sai số hiệu chuẩn áp suất dưới ±0,05 Pa và lưu lượng dưới ±3% so với giá trị chuẩn. Các cảm biến áp suất và lưu lượng được lựa chọn và hiệu chuẩn kỹ lưỡng, đảm bảo độ nhạy cao trong dải tần số 5-35 Hz.

  2. Kết quả đo trên mẫu người bình thường và bệnh nhân cho thấy độ tin cậy cao: Các chỉ số FEV1, FVC, PEF đo bằng thiết bị mới tương đương với các thiết bị chuẩn, với sai số trung bình dưới 5%. Đo dao động xung ký cho thấy các giá trị trở kháng R5, R10, X5 phù hợp với các giá trị tham chiếu trong nghiên cứu dân số Trung Quốc và châu Á, với độ lệch chuẩn dưới 10%.

  3. Phương pháp đo dao động xung ký nhạy hơn trong phát hiện tắc nghẽn đường dẫn khí ngoại vi: So sánh với spirometry, IOS phát hiện sớm các bất thường ở phế quản nhỏ và ngoại vi, đặc biệt trong các trường hợp hen phế quản và COPD nhẹ, với tỷ lệ phát hiện tăng 15-20% so với spirometry.

  4. Quy trình lâm sàng tối ưu được đề xuất: Thiết bị cho phép thực hiện đo nhanh trong vòng 40-60 giây, phù hợp với bệnh nhân trẻ em từ 4 tuổi trở lên và người lớn không thể hợp tác gắng sức. Quy trình đo kết hợp hai kỹ thuật giúp nâng cao độ chính xác chẩn đoán và theo dõi điều trị.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của thiết bị là do sự kết hợp hiệu quả giữa công nghệ cảm biến chênh áp và thuật toán xử lý tín hiệu hiện đại, đặc biệt là bộ lọc Kalman giúp giảm nhiễu và tăng độ chính xác. Kết quả đo được thể hiện qua các biểu đồ lưu lượng-thể tích và trở kháng tần số, cho phép phân tích chi tiết chức năng phổi.

So với các nghiên cứu trước đây, thiết bị mới có ưu điểm tích hợp hai phương pháp đo, giúp khắc phục hạn chế của từng kỹ thuật riêng lẻ. Ví dụ, spirometry yêu cầu bệnh nhân gắng sức, không phù hợp với trẻ nhỏ hoặc bệnh nhân nặng, trong khi IOS không cần gắng sức nhưng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố kỹ thuật nếu không hiệu chuẩn đúng cách. Việc tích hợp giúp mở rộng phạm vi ứng dụng và nâng cao độ tin cậy.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp một công cụ đo chức năng hô hấp đa năng, chính xác và tiện lợi, góp phần nâng cao chất lượng chẩn đoán và điều trị các bệnh hô hấp phổ biến tại Việt Nam. Thiết bị cũng tạo nền tảng cho phát triển sản phẩm thương mại, đáp ứng nhu cầu trong nước và khu vực, đồng thời hỗ trợ nghiên cứu dịch tễ học và theo dõi điều trị.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất đại trà thiết bị đo chức năng hô hấp tích hợp: Tập trung hoàn thiện thiết kế phần cứng và phần mềm, đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế, với mục tiêu đưa sản phẩm ra thị trường trong vòng 12-18 tháng. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghệ y tế phối hợp với trường đại học.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên và bác sĩ sử dụng thiết bị: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật đo và phân tích kết quả, nhằm nâng cao năng lực chẩn đoán và theo dõi bệnh nhân. Thời gian đào tạo dự kiến 3-6 tháng, do các chuyên gia trong lĩnh vực vật lý kỹ thuật và hô hấp đảm nhiệm.

  3. Xây dựng quy trình lâm sàng chuẩn cho các cơ sở y tế: Áp dụng quy trình đo kết hợp spirometry và IOS cho các đối tượng bệnh nhân khác nhau, đặc biệt trẻ em và người già, nhằm tối ưu hóa hiệu quả chẩn đoán và điều trị. Cần phối hợp với các bệnh viện chuyên khoa để thử nghiệm và hoàn thiện quy trình trong 6 tháng.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng thiết bị trong các bệnh lý hô hấp khác: Thực hiện các nghiên cứu lâm sàng sâu hơn về ứng dụng trong bệnh phổi kẽ, giãn phế quản, và theo dõi bệnh nhân sau COVID-19. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm, phối hợp với các trung tâm nghiên cứu và bệnh viện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý kỹ thuật và Y sinh: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật đo chức năng hô hấp, thiết kế phần cứng và thuật toán xử lý tín hiệu, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

  2. Bác sĩ chuyên khoa hô hấp và kỹ thuật viên y tế: Tham khảo để hiểu rõ về nguyên lý, ưu nhược điểm của hai kỹ thuật đo spirometry và IOS, từ đó áp dụng hiệu quả trong chẩn đoán và theo dõi bệnh nhân.

  3. Doanh nghiệp công nghệ y tế và nhà sản xuất thiết bị y tế: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để phát triển sản phẩm thiết bị đo chức năng hô hấp tích hợp, đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước và quốc tế.

  4. Các cơ sở y tế và bệnh viện: Áp dụng quy trình đo chức năng hô hấp hiện đại, nâng cao chất lượng khám chữa bệnh, đặc biệt trong quản lý các bệnh lý hô hấp mạn tính và trẻ em.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị đo chức năng hô hấp tích hợp hai kỹ thuật có ưu điểm gì so với thiết bị truyền thống?
    Thiết bị tích hợp spirometry và dao động xung ký giúp đo được nhiều chỉ số chức năng phổi hơn, phù hợp với đa dạng đối tượng bệnh nhân, đặc biệt trẻ nhỏ và người không thể gắng sức. Ví dụ, IOS cho phép đo trở kháng đường thở mà không cần gắng sức, giúp phát hiện sớm tắc nghẽn ngoại vi.

  2. Phương pháp đo dao động xung ký có thể áp dụng cho đối tượng nào?
    Phương pháp này phù hợp với trẻ em từ 4 tuổi trở lên, người già, bệnh nhân nặng hoặc không thể hợp tác gắng sức. Thời gian đo nhanh, chỉ khoảng 40 giây, giúp giảm mệt mỏi và tăng tính khả thi trong thực tế lâm sàng.

  3. Độ chính xác của thiết bị được đảm bảo như thế nào?
    Thiết bị được hiệu chuẩn bằng các thiết bị chuẩn như bơm thể tích 3L và thiết bị đo vận tốc gió, với sai số áp suất dưới ±0,05 Pa và lưu lượng dưới ±3%. Thuật toán xử lý tín hiệu sử dụng bộ lọc Kalman giúp giảm nhiễu và tăng độ tin cậy kết quả.

  4. Thiết bị có thể sử dụng trong các bệnh lý hô hấp nào?
    Ngoài hen phế quản và COPD, thiết bị còn có thể ứng dụng trong chẩn đoán và theo dõi viêm tiểu phế quản, bệnh phổi kẽ, giãn phế quản, và các bệnh lý hô hấp khác, đặc biệt trong các trường hợp khó thực hiện spirometry.

  5. Quy trình lâm sàng sử dụng thiết bị như thế nào để đạt hiệu quả tối ưu?
    Quy trình đề xuất bao gồm đo kết hợp spirometry và IOS, với hướng dẫn kỹ thuật viên và bác sĩ về thao tác đo, kiểm soát chất lượng dữ liệu, và phân tích kết quả. Thời gian đo ngắn, phù hợp với bệnh nhân mọi lứa tuổi, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả chẩn đoán.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình thiết bị đo chức năng hô hấp tích hợp kỹ thuật spirometry và dao động xung ký, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ chính xác và ổn định.
  • Thiết bị cho phép đo nhanh, chính xác các chỉ số chức năng phổi, phù hợp với đa dạng đối tượng bệnh nhân, đặc biệt trẻ em và người không thể gắng sức.
  • Kết quả thử nghiệm trên mẫu người bình thường và bệnh nhân cho thấy thiết bị có độ tin cậy cao, tương đương hoặc vượt trội so với các thiết bị chuẩn hiện có.
  • Đề xuất quy trình lâm sàng tối ưu giúp nâng cao hiệu quả chẩn đoán và theo dõi điều trị các bệnh lý hô hấp phổ biến tại Việt Nam.
  • Hướng phát triển tiếp theo là hoàn thiện sản phẩm để sản xuất đại trà, đào tạo nhân lực và mở rộng ứng dụng trong các bệnh lý hô hấp khác, góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe cộng đồng.

Quý độc giả và các đơn vị quan tâm được khuyến khích tiếp cận và ứng dụng kết quả nghiên cứu nhằm phát triển công nghệ y tế trong lĩnh vực chức năng hô hấp.