Tổng quan nghiên cứu

Các bệnh lý đường hô hấp hiện đang là một trong những gánh nặng y tế hàng đầu trên phạm vi toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Theo Tổ chức Y tế Thế giới, bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính là nguyên nhân gây tử vong đứng hàng thứ 3 trên thế giới vào năm 2020, trong khi hen phế quản là nguyên nhân dẫn đến tử vong của 30% trường hợp trẻ em dưới 5 tuổi. Tại Việt Nam, tỷ lệ mắc hen phế quản chiếm khoảng 4,1% dân số với chỉ 29,1% bệnh nhân được tiếp cận liệu pháp điều trị dự phòng. Bên cạnh đó, tỷ lệ mắc bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính chiếm khoảng 4,2% dân số trên 40 tuổi, trong đó 37,5% người bệnh ghi nhận các triệu chứng nghiêm trọng làm suy giảm chất lượng cuộc sống.

Thăm dò chức năng thông khí phổi đóng vai trò then chốt trong việc sàng lọc, chẩn đoán sớm và theo dõi đáp ứng điều trị các tổn thương phế quản và phế nang. Kỹ thuật đo phế dung ký truyền thống đòi hỏi đối tượng phải thực hiện động tác hít sâu và thở ra gắng sức tối đa liên tục trong tối thiểu 6 giây. Yêu cầu này gây khó khăn lớn đối với trẻ em dưới 6 tuổi, người cao tuổi, bệnh nhân suy hô hấp nặng hoặc người có chống chỉ định gắng sức. Để giải quyết rào cản này, kỹ thuật dao động xung ký ra đời với ưu điểm vượt trội khi chỉ yêu cầu bệnh nhân thở êm tự nhiên trong 30 đến 40 giây.

Nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình thiết bị đo chức năng phổi tích hợp đồng thời hai kỹ thuật phế dung ký và dao động xung ký. Đề tài được thực hiện từ tháng 2 năm 2023 đến tháng 6 năm 2023 tại Trường Đại học Bách Khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu cốt lõi là làm chủ công nghệ phần cứng, xây dựng thuật toán lọc nhiễu tín hiệu và phát triển phần mềm chẩn đoán tự động. Thiết bị hướng tới việc giảm giá thành sản xuất hơn 60% so với các hệ thống nhập ngoại, tạo tiền đề cung cấp giải pháp chẩn đoán hô hấp chính xác, tiện lợi cho các cơ sở y tế tuyến cơ sở.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng mô hình cơ học phổi đa phế nang kết hợp với lý thuyết tổng trở kháng hệ hô hấp. Trở kháng hô hấp toàn phần là một đại lượng phức bao gồm thành phần kháng lực đường dẫn khí và thành phần dung kháng đại diện cho độ đàn hồi của mô phổi và thành ngực. Thành phần dung kháng được hợp thành bởi tính đàn hồi nhớt và tính trơ quán tính của khối khí chuyển động trong đường dẫn khí.

Đối với kỹ thuật phế dung ký, lý thuyết cơ học chất lưu và định luật bảo toàn năng lượng Bernoulli được áp dụng để xác định lưu lượng dòng khí thở thông qua cảm biến chênh lệch áp suất đặt hai đầu của một màng trở kháng dòng chảy bằng lưới thép không gỉ. Tích phân lưu lượng theo thời gian cho phép xác định chính xác các thể tích và dung tích phổi như dung tích sống gắng sức, thể tích thở ra gắng sức trong giây đầu tiên và lưu lượng đỉnh.

Đối với kỹ thuật dao động xung ký, cơ sở lý thuyết dựa trên việc tạo ra các sóng áp suất âm thanh đa tần số trong dải từ 5 Hz đến 35 Hz phát vào đường thở của bệnh nhân trong lúc thở lưu thông bình thường với thể tích từ 400 đến 600 mL. Các xung tần số thấp như 5 Hz thâm nhập sâu vào tận các tiểu phế quản ngoại biên, trong khi các xung tần số cao như 20 Hz phản ánh sức cản tại các phế quản lớn trung ương. Khung lý thuyết này giúp phân tách rõ ràng kháng lực đường thở tổng thể, kháng lực ngoại biên, diện tích phản ứng và tần số cộng hưởng của hệ thống hô hấp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô hình hóa tính toán kỹ thuật số:

  • Cỡ mẫu và đối tượng khảo sát: Nghiên cứu tiến hành khảo sát và thu thập dữ liệu trên 15 đối tượng tình nguyện viên tại Thành phố Hồ Chí Minh, được chia thành 3 nhóm đại diện gồm: người khỏe mạnh có rèn luyện thể lực thường xuyên, người khỏe mạnh không rèn luyện thể lực và người có tiền sử bệnh lý hen suyễn.
  • Phương pháp chọn mẫu: Áp dụng phương pháp chọn mẫu có chủ đích dựa trên các tiêu chuẩn lâm sàng nghiêm ngặt theo khuyến cáo của Hội Lồng ngực Hoa Kỳ và Hội Hô hấp Châu Âu, loại trừ các đối tượng có nhiễm trùng hô hấp cấp tính hoặc dị tật lồng ngực.
  • Nền tảng phần cứng và cảm biến: Thiết bị sử dụng cảm biến chênh áp kỹ thuật số Sensirion SDP816-500Pa với dải đo từ -500 Pa đến +500 Pa dựa trên nguyên lý dòng nhiệt vi mô kết hợp với vi điều khiển xử lý tín hiệu tốc độ cao và mạch khuếch đại công suất điều khiển loa siêu trầm phát xung áp suất.
  • Thuật toán xử lý và lý do lựa chọn: Bộ lọc Kalman được chọn để xử lý tín hiệu áp suất và lưu lượng thu nhận từ cảm biến nhằm triệt tiêu hiệu quả nhiễu trắng và nhiễu rung cơ học. Phép biến đổi Fourier nhanh được áp dụng để phân tích phổ tín hiệu áp suất và lưu lượng ở miền tần số, trích xuất chính xác các giá trị trở kháng tại từng tần số cụ thể. Các hàm thống kê dân số từ tiêu chuẩn quốc tế NHANES III và tiêu chuẩn Berger được tích hợp để tự động tính toán các giá trị tham chiếu chuẩn theo độ tuổi, giới tính và chiều cao.
  • Thời gian nghiên cứu: Quy trình thiết kế, thi công mạch, hiệu chuẩn phần cứng và chạy thử nghiệm thuật toán được triển khai tập trung trong 5 tháng, từ tháng 2 năm 2023 đến tháng 6 năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và thực nghiệm chế tạo thiết bị đo chức năng phổi đã đạt được các kết quả nổi bật sau:

Thứ nhất, nghiên cứu đã chế tạo hoàn chỉnh mô hình thiết bị đo chức năng hô hấp tích hợp hai phương pháp phế dung ký và dao động xung ký. Phần cứng cơ khí buồng tạo dao động đảm bảo độ kín khí tuyệt đối, tổng trở kháng của toàn bộ hệ thống đo đạt mức dưới 1 hPa.L⁻¹.s và thể tích không gian chết được tối ưu hóa ở mức dưới 70 mL, đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt của Hội Hô hấp Châu Âu cho cả người lớn và trẻ em.

Thứ hai, kết quả hiệu chuẩn tĩnh và động của hệ thống cảm biến đạt độ chính xác rất cao. Khi kiểm tra hiệu chuẩn cảm biến áp suất với áp kế chữ U tiêu chuẩn trong dải áp suất từ 0 đến 500 Pa, sai số đo lường ghi nhận luôn ở mức dưới 1,5%. Trong phép hiệu chuẩn lưu lượng bằng thiết bị đo vận tốc gió chuyên dụng KIMO VT100 và ống bơm tiêm thể tích chuẩn 3000 mL, độ sai lệch thể tích tích lũy đo được chỉ dao động trong khoảng từ 1,8% đến 2,8%, hoàn toàn thỏa mãn giới hạn cho phép sai số ±3% của Hội Lồng ngực Hoa Kỳ.

Thứ ba, chương trình ước tính các thông số tham chiếu chuẩn NHANES III và chuẩn Berger được lập trình chính xác tuyệt đối. Khi so sánh kết quả tính toán trên cùng một tập dữ liệu đầu vào giữa phần mềm tự xây dựng và hệ thống thương mại quốc tế Vyntus IOS, mức độ sai lệch của các chỉ số dung tích sống gắng sức, thể tích thở ra giây đầu tiên, kháng lực ở 5 Hz và kháng lực ở 20 Hz đều nhỏ hơn 0,8%.

Thứ tư, thử nghiệm lâm sàng trên các đối tượng tình nguyện viên cho thấy thiết bị phân biệt rõ ràng giữa người khỏe mạnh và người có bệnh lý đường thở. Ở nhóm người hen suyễn, giá trị kháng lực tại tần số 5 Hz tăng vọt lên mức 155% so với giá trị tham chiếu, đồng thời diện tích phản ứng tăng gấp 2,8 lần so với người bình thường, chứng minh khả năng phát hiện sớm tình trạng co thắt đường thở ngoại biên.

Thảo luận kết quả

Khả năng đáp ứng tần số vượt trội của cảm biến chênh áp SDP816 kết hợp với thuật toán lọc Kalman đã khắc phục triệt để hiện tượng trễ pha và nhiễu tín hiệu vốn là nhược điểm của các hệ thống đo khí dung cơ học cũ. Các dữ liệu đo lường thu được từ hệ thống được biểu diễn trực quan và sinh động thông qua ba dạng đồ thị tiêu chuẩn:

  • Đồ thị thể tích theo thời gian và đồ thị lưu lượng theo thời gian giúp kỹ thuật viên giám sát sự ổn định của từng nhịp thở và đánh giá mức độ hợp tác của người bệnh.
  • Đồ thị lưu lượng theo thể tích giúp nhận diện nhanh hội chứng tắc nghẽn thông qua độ dốc của đoạn thở ra gắng sức.
  • Đồ thị phân bố trở kháng hô hấp và dung kháng theo dải tần số từ 5 Hz đến 35 Hz thể hiện chi tiết sự thay đổi của diện tích phản ứng và tần số ngưỡng, làm nổi bật mức độ tổn thương ở các nhánh phế quản ngoại vi có đường kính dưới 2 mm.

So sánh với các nghiên cứu dao động xung ký trên thế giới, hệ số biến thiên của các lần đo lặp lại trên thiết bị đạt mức dưới 8,5% ở người trưởng thành, thấp hơn giới hạn khuyến nghị 10% của các chuyên gia quốc tế. Điều này khẳng định độ tin cậy và tính ổn định cao của thiết bị tự phát triển. Việc tích hợp thành công hai phương pháp trên cùng một nền tảng phần cứng không chỉ giúp giảm chi phí đầu tư trang thiết bị y tế mà còn tối ưu hóa thời gian khám bệnh, mang lại lợi ích lâm sàng to lớn trong chẩn đoán sớm bệnh lý hô hấp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được từ mô hình thử nghiệm, nghiên cứu đề xuất 4 giải pháp trọng tâm nhằm hoàn thiện và thương mại hóa sản phẩm:

Thứ nhất, tối ưu hóa thiết kế kiểu dáng công nghiệp và tích hợp mạch điện tử thu nhỏ. Cần chuyển đổi toàn bộ khối mạch vi điều khiển và mạch khuếch đại công suất sang dạng bo mạch dán chuyên dụng nhiều lớp, giảm thể tích vỏ máy xuống dưới 180 x 120 x 60 mm và trọng lượng toàn bộ máy xuống dưới 1,0 kg. Mục tiêu này cần được nhóm kỹ sư cơ điện tử hoàn thành trong thời gian 6 tháng tới.

Thứ hai, nâng cấp phần mềm điều khiển và xây dựng thuật toán phân loại bệnh lý tự động bằng trí tuệ nhân tạo. Bổ sung các module cảnh báo sớm lỗi thao tác của bệnh nhân như ho, nuốt nước bọt, rò rỉ khí qua mép miệng và tích hợp mạng nơ-ron nhân tạo nhằm phân loại tự động các thể bệnh hô hấp với độ chính xác mục tiêu đạt trên 96%. Hoạt động này do nhóm lập trình phần mềm y tế triển khai trong thời hạn 9 tháng.

Thứ ba, mở rộng thử nghiệm lâm sàng đa trung tâm trên cỡ mẫu lớn. Cần phối hợp với các bệnh viện chuyên khoa hô hấp lớn tại Thành phố Hồ Chí Minh để tiến hành đo thử nghiệm đối chứng trên ít nhất 250 bệnh nhân gồm cả người lớn và trẻ em từ 3 đến 6 tuổi trong thời gian 12 tháng, nhằm hoàn thiện cơ sở dữ liệu tham chiếu đặc thù cho người Việt Nam.

Thứ tư, hoàn thiện hồ sơ tiêu chuẩn chất lượng và đăng ký cấp phép lưu hành trang thiết bị y tế. Đơn vị phát triển cần tiến hành thử nghiệm độ tương thích điện từ, độ an toàn sinh học của vật liệu ống ngậm theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN và chứng nhận hệ thống quản lý chất lượng ISO 13485 cho thiết bị y tế loại B trong thời gian 18 tháng dưới sự hướng dẫn của cơ quan quản lý y tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn sâu sắc cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Bác sĩ chuyên khoa Hô hấp và Cán bộ Thăm dò chức năng phổi: Luận văn cung cấp toàn diện cơ sở sinh lý học hô hấp, nguyên lý đo dao động xung ký và phương pháp phân tích các chỉ số kháng lực đường thở ngoại vi, hỗ trợ nâng cao năng lực chẩn đoán hen và bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính ở bệnh nhi và người cao tuổi.
  • Kỹ sư Kỹ thuật Y sinh và Nhà thiết kế Thiết bị Y tế: Tài liệu cung cấp bản vẽ thiết kế chi tiết buồng tạo dao động xung, sơ đồ nguyên lý mạch nguồn lọc nhiễu, mạch khuếch đại công suất âm thanh, phương pháp ghép nối cảm biến chênh áp kỹ thuật số và quy trình hiệu chuẩn áp suất, lưu lượng đạt chuẩn quốc tế.
  • Giảng viên, Học viên Cao học và Sinh viên ngành Vật lý Kỹ thuật, Điện tử Y sinh: Luận văn là tài liệu tham khảo chất lượng cao phục vụ giảng dạy và học tập về xử lý tín hiệu y sinh, thuật toán lọc Kalman, biến đổi Fourier nhanh và lập trình giao tiếp cảm biến sinh học thời gian thực.
  • Doanh nghiệp sản xuất Trang thiết bị Y tế và Nhà đầu tư Công nghệ Y tế: Cung cấp giải pháp công nghệ hoàn chỉnh với chi phí linh kiện hợp lý, mở ra cơ hội thương mại hóa thiết bị y tế sản xuất trong nước với mức giá chỉ bằng một phần ba so với thiết bị ngoại nhập, phục vụ hiệu quả các bệnh viện tuyến quận huyện và phòng khám đa khoa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Kỹ thuật dao động xung ký có điểm gì vượt trội so với phế dung ký truyền thống? Kỹ thuật dao động xung ký không đòi hỏi bệnh nhân phải hít thở gắng sức mà chỉ cần thở êm tự nhiên qua ống ngậm trong khoảng 30 đến 40 giây. Phương pháp này đưa các sóng âm từ 5 đến 35 Hz vào đường thở để đo trực tiếp kháng lực, rất phù hợp cho trẻ từ 2 đến 5 tuổi và bệnh nhân suy nhược.

  2. Cảm biến chênh áp Sensirion SDP816-500Pa hoạt động theo nguyên lý nào trong thiết bị? Cảm biến hoạt động dựa trên cơ chế đo dòng nhiệt vi mô khi luồng khí đi qua màng cảm biến nhiệt độ nano. Thiết bị đo độ chênh áp giữa hai đầu lưới thép trở kháng với dải đo từ -500 đến +500 Pa, đạt độ chính xác cao và độ trôi điểm không gần như bằng không trong suốt quá trình thử nghiệm.

  3. Tại sao bộ lọc Kalman lại cần thiết trong quy trình xử lý tín hiệu hô hấp? Thuật toán lọc Kalman tối ưu hóa việc khử nhiễu ngẫu nhiên sinh ra từ sự rung động cơ học của loa phát xung và cử động nuốt của người bệnh. Nhờ đó, tín hiệu áp suất và lưu lượng thu được có tỷ lệ triệt nhiễu cao, cho phép trích xuất chính xác biên độ và pha sóng hài ở từng tần số khảo sát.

  4. Các hệ tiêu chuẩn tham chiếu nào được tích hợp trong phần mềm chẩn đoán của thiết bị? Hệ thống tích hợp hai bộ chuẩn quốc tế gồm chuẩn NHANES III dùng cho phép đo phế dung ký để tính toán các giá trị dự đoán như FVC, FEV1, PEF và chuẩn Berger dùng cho kỹ thuật dao động xung ký nhằm tính toán các chỉ số kháng lực R5, R20, dung kháng X5 và diện tích phản ứng Ax theo thể trạng người bệnh.

  5. Làm thế nào thiết bị có thể phát hiện sớm tình trạng tổn thương các phế quản nhỏ ngoại biên? Thiết bị phát hiện tổn thương đường thở nhỏ nhờ phân tích độ chênh lệch kháng lực giữa tần số thấp và tần số cao. Khi các tiểu phế quản dưới 2 mm bị hẹp do hen suyễn, giá trị kháng lực tại 5 Hz tăng cao trên 120% giá trị tham chiếu trong khi kháng lực tại 20 Hz ít biến đổi, đồng thời diện tích phản ứng Ax mở rộng rõ rệt.

Kết luận

  • Luận văn đã làm chủ hoàn toàn quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo thành công thiết bị đo chức năng hô hấp tích hợp đồng thời hai kỹ thuật phế dung ký và dao động xung ký.
  • Thiết bị đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt với tổng trở kháng hệ thống dưới 1 hPa.L⁻¹.s, không gian chết dưới 70 mL, sai số đo áp suất dưới 1,5% và sai số thể tích khí thở dưới 2,8%.
  • Ứng dụng thành công thuật toán lọc Kalman và phép phân tích phổ Fourier nhanh, cho phép tự động tính toán chính xác các chỉ số cơ học phổi theo tiêu chuẩn quốc tế NHANES III và Berger.
  • Thử nghiệm thực tế trên 15 đối tượng mẫu chứng minh khả năng phân loại chính xác giữa người bình thường và người có hội chứng tắc nghẽn phế quản với hệ số biến thiên lặp lại dưới 8,5%.
  • Đề xuất quy trình đo tối ưu chỉ từ 30 đến 40 giây không xâm lấn, mang lại giải pháp chẩn đoán hô hấp an toàn và thân thiện cho trẻ em nhỏ tuổi và người cao tuổi.

Kế hoạch tiếp theo là hoàn thiện bo mạch chuyên dụng và mở rộng thử nghiệm lâm sàng trên 250 bệnh nhân tại các bệnh viện tuyến đầu trong 12 tháng tới để sẵn sàng thương mại hóa. Đề tài mở ra tiềm năng to lớn trong việc tự chủ sản xuất trang thiết bị y tế công nghệ cao tại Việt Nam. Các chuyên gia y tế, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể trực tiếp tham khảo toàn văn luận văn để tiếp cận chi tiết các giải pháp kỹ thuật và cùng hợp tác phát triển sản phẩm.