Luận văn thạc sĩ về thiết kế thiết bị đo chức năng phổi sử dụng phế dung ký và dao động xung ký

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu vật lý kỹ thuật thiết kế chế tạo thiết bị đo chức năng phổi bằng kỹ thuật phế dung ký và dao động, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Nguyễn Tường Duy
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Quang Linh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
• Đề tài: Thiết Kế Thiết Bị Đo Chức Năng Phổi Bằng Kỹ Thuật Phế Dung Ký Và Dao Động Xung Ký
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về thiết bị đo chức năng phổi

Thiết bị đo chức năng phổi được thiết kế nhằm mục đích hỗ trợ trong việc chẩn đoán và theo dõi các bệnh lý hô hấp. Việc áp dụng kỹ thuật phế dung ký và dao động xung ký trong thiết bị này mang lại nhiều lợi ích trong việc đánh giá chức năng phổi. Hai kỹ thuật này không chỉ giúp đo lường chính xác các chỉ số hô hấp mà còn giúp phân tích sâu hơn về tình trạng sức khỏe của bệnh nhân. Theo nghiên cứu, việc sử dụng thiết bị này có thể giảm thiểu thời gian chẩn đoán và nâng cao hiệu quả điều trị cho bệnh nhân mắc các bệnh lý hô hấp. Do đó, việc thiết kế và chế tạo thiết bị đo chức năng phổi là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực công nghệ y tế.

1.1. Tầm quan trọng của việc đo chức năng phổi

Đo chức năng phổi có vai trò cực kỳ quan trọng trong việc phát hiện sớm các bệnh lý hô hấp. Các chỉ số như FEV1, FVC, và PEF cung cấp thông tin quý giá về tình trạng sức khỏe của phổi. Việc sử dụng máy đo phế dung giúp xác định mức độ tắc nghẽn đường hô hấp và đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều trị. Hơn nữa, việc theo dõi thường xuyên các chỉ số này cũng giúp phát hiện kịp thời các biến chứng có thể xảy ra. Như một nghiên cứu chỉ ra, những bệnh nhân được theo dõi thường xuyên có khả năng hồi phục tốt hơn và giảm thiểu nguy cơ tử vong do các bệnh lý hô hấp.

II. Nguyên lý hoạt động của thiết bị

Thiết bị đo chức năng phổi hoạt động dựa trên nguyên lý của phế dung ký và dao động xung ký. Trong đó, phế dung ký đo lường lưu lượng khí qua phế quản trong quá trình hô hấp, trong khi dao động xung ký sử dụng sóng áp suất để đánh giá tính đàn hồi và kháng trở của phổi. Kết hợp hai phương pháp này giúp tăng độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo. Cụ thể, thiết bị sẽ thực hiện các phép đo liên tục và cung cấp dữ liệu theo thời gian thực, cho phép bác sĩ có cái nhìn tổng quát hơn về tình trạng chức năng phổi của bệnh nhân. Theo nghiên cứu, việc tích hợp hai kỹ thuật này không chỉ nâng cao hiệu suất của thiết bị mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong lâm sàng.

2.1. Kỹ thuật phế dung ký

Kỹ thuật phế dung ký là phương pháp đo lường lưu lượng không khí vào và ra khỏi phổi trong quá trình hô hấp. Thiết bị sử dụng cảm biến để ghi lại các thông số như FEV1, FVC, và PEF, từ đó đánh giá khả năng hô hấp của bệnh nhân. Kết quả từ kỹ thuật này giúp xác định mức độ tắc nghẽn và tình trạng viêm trong đường hô hấp. Hơn nữa, với sự phát triển của công nghệ, các thiết bị phế dung hiện đại có khả năng lưu trữ và phân tích dữ liệu, giúp bác sĩ đưa ra những quyết định điều trị chính xác hơn.

2.2. Kỹ thuật dao động xung ký

Kỹ thuật dao động xung ký là một phương pháp mới trong việc đánh giá chức năng phổi. Phương pháp này sử dụng sóng áp suất để đo lường kháng trở và đàn hồi của phổi. Đặc biệt, kỹ thuật này có khả năng phát hiện những thay đổi nhỏ trong chức năng phổi mà các phương pháp truyền thống không thể làm được. Nghiên cứu cho thấy, việc ứng dụng dao động xung ký có thể cải thiện đáng kể độ chính xác trong chẩn đoán các bệnh lý như hen phế quản và COPD. Ngoài ra, việc kết hợp với phế dung ký tạo ra một bức tranh toàn diện hơn về tình trạng sức khỏe của bệnh nhân.

III. Ứng dụng và lợi ích của thiết bị

Thiết bị đo chức năng phổi không chỉ có giá trị trong việc chẩn đoán mà còn có ứng dụng rộng rãi trong theo dõi và điều trị bệnh. Việc sử dụng thiết bị này giúp bác sĩ đánh giá chính xác tình trạng bệnh nhân, từ đó đề xuất các phương pháp điều trị hiệu quả hơn. Theo một nghiên cứu, bệnh nhân được theo dõi thường xuyên bằng thiết bị này có tỷ lệ hồi phục cao hơn và ít gặp biến chứng hơn. Hơn nữa, thiết bị còn có thể được sử dụng trong nghiên cứu dịch tễ học để đánh giá tình trạng sức khỏe cộng đồng, từ đó đưa ra các giải pháp phòng ngừa hiệu quả. Như vậy, thiết bị đo chức năng phổi không chỉ mang lại lợi ích cho cá nhân mà còn cho toàn xã hội.

3.1. Trong chẩn đoán bệnh lý hô hấp

Thiết bị đo chức năng phổi đóng vai trò quan trọng trong việc chẩn đoán các bệnh lý hô hấp như hen phế quản, COPD, và viêm phổi. Với độ chính xác cao, thiết bị giúp bác sĩ phát hiện sớm các dấu hiệu bệnh lý, từ đó can thiệp kịp thời. Theo thống kê, việc chẩn đoán sớm giúp giảm thiểu đáng kể tỷ lệ tử vong và cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân. Hơn nữa, thiết bị cũng hỗ trợ trong việc theo dõi tiến triển của bệnh, giúp bác sĩ điều chỉnh phác đồ điều trị phù hợp.

3.2. Trong nghiên cứu và phát triển

Thiết bị đo chức năng phổi cũng có ứng dụng quan trọng trong nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều trị mới. Nghiên cứu về chức năng phổi không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các bệnh lý mà còn mở ra hướng đi mới trong việc phát triển thuốc và liệu pháp điều trị. Các dữ liệu thu thập từ thiết bị có thể được sử dụng để phân tích và đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều trị khác nhau, từ đó đưa ra những cải tiến cần thiết. Như vậy, thiết bị không chỉ phục vụ cho mục đích chẩn đoán mà còn góp phần vào sự tiến bộ của y học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Khi toàn cầu vẫn đang khẩn trương ứng phó với virus SARS-CoV-2 và biến thể mới thì Tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã đưa ra khuyến cáo, sau COVID-19 là đại dịch của các bệnh không lây nhiễm, trong đó có liên quan đến các bệnh đường hô hấp. Mỗi năm trên thế giới có khoảng hàng triệu ca tử vong do các bệnh lý đường hô hấp trên. Bệnh có thể gặp ở bất kỳ ai, bất kỳ độ tuổi nào nhưng ảnh hưởng nhất là nhóm người già và trẻ nhỏ. Thực tế, trước khi COVID-19 ập đến, các cảnh báo về xu hướng gia tăng người mắc bệnh đường hô hấp do điều kiện đặc thù của nước ta là khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm, thời tiết hay thay đổi.

Cùng với đó là ô nhiễm không khí, môi trường do phát triển công nghiệp, tình trạng hút thuốc lá và sự già hóa dân số cũng khiến tỉ lệ mắc bệnh lý hô hấp ngày càng tăng và có nhiều ca bệnh nặng. Đặc biệt, diễn biến phức tạp khó lường của các bệnh hô hấp nhiễm trùng, tình trạng kháng kháng sinh của vi khuẩn cũng khiến công tác chẩn đoán và điều trị bệnh gặp nhiều khó khăn. Các bệnh hô hấp gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe bệnh nhân, là gánh nặng cho gia đình và xã hội. Những bệnh lý thường gặp bao gồm viêm phế quản cấp, viêm phổi do các loại vi khuẩn, virus; hen phế quản; bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính; ung thư phổi; tràn dịch màng phổi; lao phổi.

Các bệnh này chiếm khoảng 80% số các bệnh lý hô hấp. Bên cạnh đó, còn nhiều bệnh hô hấp khác, tuy nhiên chỉ chiếm tỉ lệ ít hơn, như: giãn phế quản, viêm phổi kẽ, bụi phổi, các biểu hiện phổi trong các bệnh hệ thống, nội tiết, cơ xương khớp, thận… Trong các bệnh lý đường hô hấp, phổ biến là hen phế quản và viêm phổi tắc nghẽn mạn tính (COPD), đang trở thành gánh nặng về y tế toàn cầu. WHO đã ghi nhận, bệnh hen phế quản là nguyên nhân dẫn đến tử vong của 30% trường hợp trẻ em dưới 5 tuổi. Còn COPD là nguyên nhân gây tử vong đứng hàng thứ 3 trên thế giới, năm 2020.

Việt Nam là một trong các quốc gia có tỉ lệ mắc, tử vong, chịu gánh nặng bệnh tật do hai căn bệnh này cao nhất thế giới. Theo con số thống kê, ở nước ta có 4,1% dân số mắc bệnh hen phế quản, nhưng chỉ có 29,1% trong số đó được điều trị bằng liệu pháp dự phòng. 1 Trong khi đó, tỉ lệ mắc COPD khoảng 4,2% dân số trên 40 tuổi và 37,5% người mắc COPD trưởng thành được ghi nhận có triệu chứng nghiêm trọng, điều này gây ảnh hưởng đến công việc và hoạt động sinh hoạt hàng ngày [1][2]. Thực tế, không chỉ hen phế quản hay COPD mới có thể đưa đến tử vong.

Các biến chứng nhiễm trùng hô hấp, đặc biệt là nhiễm trùng hô hấp dưới nếu không được chẩn đoán, xử trí và điều trị kịp thời, có thể gây hàng loạt các biến chứng nguy hiểm tại phổi như áp xe phổi, suy hô hấp. Thậm chí, người bệnh sẽ đối diện với những biến chứng ngoài phổi như nhiễm trùng huyết, tràn dịch màng tim, suy đa phủ tạng và tử vong… Ngày nay, Việt Nam đã đạt được nhiều tiến bộ trong quản lý và điều trị các bệnh về hô hấp. Các kỹ thuật thăm dò chẩn đoán và điều trị trong chuyên ngành hô hấp đã được nghiên cứu, ứng dụng và phát triển nhanh chóng như nội soi phế quản ống mềm, nội soi lồng ngực, nội soi phế quản ảo, sinh thiết xuyên vách phế quản dưới hướng dẫn của màn huỳnh quang… góp phần nâng cao chất lượng chẩn đoán và điều trị cho người bệnh. Nhờ sự tiến bộ của y học nên việc chẩn đoán, điều trị và tiên lượng đã tốt hơn, nhưng đôi khi vẫn còn gặp nhiều biến chứng.

Đặc biệt là ở trẻ nhỏ, người lớn tuổi, người nghiện rượu, hút thuốc lá và có các bệnh kèm theo như suy giảm miễm dịch, suy tim sung huyết, đái tháo đường. Chính vì vậy, bên cạnh vấn đề phòng ngừa thì việc nhận diện để khám - điều trị kịp thời là rất quan trọng giúp giảm thiểu biến chứng cũng như nguy cơ tử vong. Nhất là khi đại dịch COVID-19 vẫn còn phức tạp, chưa có dấu hiệu hạ nhiệt trong thời gian ngắn. Nên ưu tiên lựa chọn các cơ sở y tế chuyên sâu về lĩnh vực hô hấp, với hai tiêu chí quan trọng đó là đội ngũ bác sĩ giàu kinh nghiệm, giỏi chuyên môn và trang thiết bị hiện đại giúp chẩn đoán bệnh chính xác, hiệu quả.

Thăm dò chức năng hô hấp nhằm tìm những thông tin chính xác về lưu lượng không khí lưu thông trong phế quản và trong phổi của bạn, cũng như tình trạng viêm mãn tính trong đường hô hấp nói chung và từng vị trí của đường hô hấp nói riêng. Thăm dò chức năng hô hấp cho phép đánh giá mức độ tắc nghẽn phế quản, mức độ trầm trọng của tổn thương phế nang, theo dõi các bệnh phổi mạn tính, đánh gia tác động của nghề nghiệp lên chức năng phổi, đánh giá nguy cơ trước phẫu thuật cắt phổi… Có nhiều phương pháp thăm dò chức năng hô hấp khác nhau. Các phương pháp chính hiện nay đang được áp dụng chủ yếu ở các cơ sở y tế là phế dung ký, dao động xung 2 ký và phế thân ký…Đo chức năng hô hấp có ứng dụng rất lớn trong chẩn đoán, theo dõi bệnh và nghiên cứu dịch tễ học. Về mặt chẩn đoán, đo chức năng hô hấp giúp đánh giá các dấu hiệu, triệu chứng hoặc bất thường nghi ngờ do bệnh hô hấp; Đánh giá ảnh hưởng của tình trạng bệnh lý trên chức năng phổi; Sàng lọc các trường hợp có yếu tố nguy cơ với bệnh phổi; Đánh giá nguy cơ và tiên lượng trước phẫu thuật (phẫu thuật cắt phổi); Đánh giá tình trạng sức khoẻ trước khi làm nghiệm pháp gắng sức.

Về mặt theo dõi, đo chức năng hô hấp giúp đánh giá can thiệp điều trị (với giãn phế quản, với steroid trong điều trị hen, bệnh phổi mô kẽ…, trong điều trị suy tim sung huyết hoặc một số bệnh khác như kháng sinh trong điều trị xơ nang…); Theo dõi ảnh hưởng của bệnh trên chức năng phổi (bệnh lý tắc nghẽn đường dẫn khí, suy tim sung huyết, hội chứng Guillain-Barre); Theo dõi tác động của việc tiếp xúc với yếu tố nguy cơ trên chức năng phổi (theo dõi những người làm nghề có phơi nhiễm với các chất khí độc hại), Theo dõi tác dụng phụ của thuốc có độc tính trên phổi như Bleomycin, Amiodarone, Methotrexate.), Đánh giá mức độ tàn phế do bệnh tật; Đánh giá bệnh nhân khi tham gia chương trình phục hồi chức năng; Đánh giá mức độ tàn tật (trong y khoa, công nghiệp, bảo hiểm y tế). Tuy nhiên, phương pháp thăm dò chức năng cũng chống chỉ định với 01 số tình trạng bệnh lý như: tràn khí màng phổi; tổn thương phổi có nguy cơ biến chứng (kén khí lớn, đang ho máu, áp-xe phổi.); bệnh nhân không hợp tác (rối loạn tâm thần, điếc.); bệnh nhân chấn thương hàm mặt, lồng ngực; bệnh nhân mới phẫu thuật ngực, bụng, mặt, mắt hoặc có các bệnh lý tim mạch nặng (suy tim, bệnh mạch vành, nghi ngờ hoặc xác định phình tách động mạch). Đo hô hấp ký (Spirometry) là phương pháp ghi lại sự thay đổi các thể tích, dung tích, lưu lượng phổi trong các thì hô hấp bình thường và gắng sức. Khi thực hiện hô hấp ký, kỹ thuật viên sẽ hướng dẫn bệnh nhi tuân thủ đầy đủ quy trình đo (hít thật sâu, thở thật mạnh và kéo dài).

Vì yêu cầu hít thở gắng sức nên phương pháp đo này sẽ phù hợp với bệnh nhi từ 06 tuổi trở lên. Với những bệnh nhi nhỏ tuổi hơn hoặc những trường hợp bệnh nhi có chống chỉ định với phương pháp đo hô hấp ký thì phương pháp đo Dao động xung ký (Impulse Oscillometry - IOS) được tích hợp trên Máy thăm dò chức năng hô hấp Vyntus IOS thực sự tỏ rõ hiệu quả với những ưu điểm vượt. Với các xung động có tần số khác nhau sẽ giúp 3 khảo sát các bất thường ở các vị trí của đường dẫn khí trung ương hay ngoại biên, trong hay ngoài lồng ngực. Các bước sóng với tần số khác nhau sẽ tác động khác nhau lên đường thở do vậy kết quả thu được cũng khác nhau.

Bệnh nhi chỉ cần hít thở bình thường qua ống ngậm trong vòng 30 - 60 giây (thường là 40 giây) mà không cần gắng sức như phương pháp hô hấp ký là có thể đưa ra kết quả chính xác, vì vậy mà phương pháp này có thể thực hiện được ở những trẻ từ 04 tuổi trở lên và đã được Hội Hô hấp Châu Âu (European Respiratory Society - ERS) xem như phương pháp thăm dò chức năng hô hấp thường quy cho cả trẻ em và người lớn với những lợi ích cụ thể như: Đo trực tiếp sức cản đường dẫn khí, tương đương phế thân ký; Làm được test giãn hoặc kích thích phế quản; Kết luận được tắc nghẽn ngoại biên hoặc trung ương. Ngoài ra, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng: Phương pháp đo dao động xung ký nhạy hơn hô hấp ký trong test giãn phế quản, nhạy hơn FEV1 trong test kích thích phế quản bằng Methacholine và nhạy hơn hô hấp ký trong việc đo lường sự thay đổi chức năng đường dẫn khí trong test vận động hay tăng thông khí tự ý. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu Trên cơ sở tổng quan như trên, với mục tiêu nghiên cứu làm chủ kỹ thuật chế tạo thiết bị đo chức năng hô hấp, đề tài được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu sau: - Nghiên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết và ứng dụng thực tiễn của kỹ thuật hô hấp ký và dao động xung ký trong chẩn đoán chức năng hô hấp. - Xây dựng thiết bị đo chức năng hô hấp tích hợp hai phương pháp đo hô hấp ký và dao động xung ký.

- Ứng dụng thiết bị đo, đề xuất quy trình lâm sàng tối ưu cho bệnh nhân. Sản phẩm của đề tài là mô hình thiết bị đo chức năng hô hấp được kiểm nghiệm về chức năng và độ tin cậy hoạt động, hướng đến sản phẩm có thể triển khai sản xuất đại trà. Sinh lý hệ hô hấp Cơ thể sống luôn luôn đòi hỏi được cung cấp oxy để sử dụng trong quá trình chuyển hoá chất và chuyển hoá năng lượng, đồng thời đào thải CO2 (sản phẩm của quá trình chuyển hoá) ra ngoài cơ thể nhằm duy trì một sự hằng định tương đối nồng độ Oxy và CO2 trong nội môi. Cơ thể đơn bào có thể trao đổi trực tiếp với môi trường, nhận oxy từ môi trường và thải CO2 trực tiếp ra ngoài môi trường.