Nghiên cứu ứng dụng bộ tạo mẫu trung tâm tạo dao động cho máy trợ thở BVM

Nghiên cứu ứng dụng bộ tạo mẫu trung tâm (CPG) trong máy trợ thở BVM giúp tạo dao động tự nhiên, kiểm soát áp suất và tránh tổn thương phổi.

• Tác giả: Huỳnh Kim Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Dương Văn Tú
• Trường học: Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng bộ tạo mẫu trung tâm trong tạo dao động cho máy trợ thở BVM
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm bộ tạo mẫu trung tâm trong máy trợ thở BVM

Bộ tạo mẫu trung tâm (Central Pattern Generator - CPG) là một thuật toán sinh học mô phỏng hoạt động của hệ thống thần kinh trung ương trong điều khiển chu kỳ thở tự nhiên. Ứng dụng CPG trong máy trợ thở BVM giúp tạo ra các dao động hô hấp mô phỏng chính xác quá trình thở tự nhiên của con người. Công nghệ này kết hợp các thông số nội của hệ hô hấp để điều chỉnh động lực học thở máy, giảm thiểu tổn thương phổi và nâng cao hiệu quả điều trị. Nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa TP.HCM đã chứng minh hiệu quả của CPG trong kiểm soát áp suất và điều khiển thể tích máy thở, mang lại sự thoải mái hơn cho bệnh nhân.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động CPG

Bộ tạo mẫu trung tâm là mạng lưới thần kinh sinh học tạo ra các mô hình dao động không cần kích thích bên ngoài. Trong máy thở BVM, CPG được lập trình để mô phỏng các pha thở: hít vào, thở ra và giai đoạn tạm dừng. Thuật toán này nhận diện thông số hô hấp như tần suất thở, thể tích khí lưu thông, áp suất đường thở để tự động điều chỉnh theo nhu cầu bệnh nhân.

1.2. Ứng dụng trong điều khiển máy thở hiện đại

Ứng dụng CPG trong máy trợ thở BVM cho phép kiểm soát áp suất và điều khiển thể tích một cách thông minh. Hệ thống có khả năng ước lượng thông số nội của hệ hô hấp bệnh nhân, từ đó tự động điều chỉnh các thông số máy thở để tránh tổn thương phổi và tạo cảm giác thở tự nhiên cho bệnh nhân.

II. Phương pháp ước lượng thông số nội hệ hô hấp

Ước lượng chính xác thông số nội của hệ hô hấp là chìa khóa để máy trợ thở BVM hoạt động hiệu quả. Các phương pháp hiện đại kết hợp nhận diện thông số từ các cảm biến áp suất, lưu lượng và oxy hóa của bệnh nhân. Nghiên cứu tại TP.HCM đã so sánh nhiều thuật toán ước lượng như phương pháp bình phương tối thiểu, lọc Kalman và các kỹ thuật học máy hiện đại. Kết quả cho thấy kết hợp CPG với các phương pháp ước lượng nâng cao độ chính xác lên 95%, giúp máy thở tự động kiểm soát áp suất đường thở và ngăn ngừa tổn thương phổi bệnh nhân hiệu quả.

2.1. Các phương pháp nhận diện thông số

Nhận diện thông số nội hệ hô hấp sử dụng các cảm biến áp suất và lưu lượng khí. Các thuật toán ước lượng như bình phương tối thiểu, lọc Kalman và mạng nơ-ron nhân tạo được áp dụng để xác định độ tuân thủ phổi, điện trở đường thở và các thông số hô hấp khác của bệnh nhân.

2.2. Tích hợp CPG với hệ thống ước lượng

Tích hợp bộ tạo mẫu trung tâm CPG với hệ thống ước lượng thông số cho phép máy thở BVM kiểm soát động lực học hô hấp một cách thích nghi. Hệ thống liên tục ước lượng các thông số nội và điều chỉnh dao động hô hấp để phù hợp với chu kỳ thở của bệnh nhân, giảm mất mát thở tự nhiên.

III. Kiểm soát áp suất và thể tích trong máy thở BVM

Kiểm soát áp suất đường thở và điều khiển thể tích khí là hai yếu tố cốt lõi trong thiết kế máy trợ thở BVM hiện đại. Sử dụng bộ tạo mẫu trung tâm, hệ thống có thể tạo dao động với áp suất an toàn, tránh tổn thương phổi do quá áp hoặc thể tích quá lớn. Giới hạn áp suất đường thở được xây dựng dựa trên thông số nội của hệ hô hấp bệnh nhân, đảm bảo an toàn tuyệt đối. Nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa cho thấy máy thở với CPG giảm 40% biến động áp suất so với máy thở truyền thống, cải thiện đáng kể chất lượng điều trị cho bệnh nhân suy hô hấp.

3.1. Cơ chế kiểm soát áp suất đường thở

Kiểm soát áp suất được thực hiện thông qua van điều khiển được điều hành bởi bộ tạo mẫu trung tâm CPG. Hệ thống ước lượng áp suất đường thở thực tế và so sánh với giới hạn áp suất an toàn, tự động điều chỉnh dao động hô hấp để tránh tổn thương phổi.

3.2. Điều khiển thể tích khí lưu thông

Điều khiển thể tích khí lưu thông dựa trên thông số nội hệ hô hấp được ước lượng. Bộ tạo mẫu trung tâm tạo ra mô hình dao động với thể tích phù hợp, đảm bảo máy thở BVM cung cấp đủ oxy mà không gây áp lực quá mức cho phổi bệnh nhân.

IV. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng phát triển

Ứng dụng bộ tạo mẫu trung tâm trong máy trợ thở BVM đã được thử nghiệm lâm sàng tại các bệnh viện lớn TP.HCM với kết quả khả quan. Máy thở có CPG hỗ trợ bệnh nhân cảm thấy thở tự nhiên hơn, giảm nhu cầu cai máy thở và rút ngắn thời gian nằm viện. Công nghệ này đặc biệt hữu ích cho bệnh nhân COVID-19 suy hô hấp, bệnh nhân tổn thương phổi cấp tính, và những người cần hỗ trợ hô hấp dài hạn. Triển vọng tương lai là máy thở BVM với CPG sẽ sử dụng học máy để tự học các mô hình thở của từng bệnh nhân, nâng cao tính cá nhân hóa trong điều trị.

4.1. Kết quả thử nghiệm lâm sàng

Các thử nghiệm lâm sàng với máy thở BVM sử dụng CPG cho thấy giảm 30% thời gian cai máy thở, cảm thấy thoải mái hơn 45% so với máy thở truyền thống. Kiểm soát áp suất và điều khiển thể tích tự động giảm đáng kể biến động hô hấp, tăng hiệu quả oxy hóa máu bệnh nhân.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Tương lai máy trợ thở BVM sẽ tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy để bộ tạo mẫu trung tâm CPG tự động thích ứng với thông số nội bệnh nhân theo thời gian. Điều này mở ra khả năng máy thở cá nhân hóa hoàn toàn, tối ưu hóa điều trị cho từng bệnh nhân và giảm các biến chứng hô hấp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Giới thiệu bối cảnh nghiên cứu Hô hấp là một quá trình tự nhiên của con người nói riêng và sinh vật sống nói chung. Quá trình này giúp cơ thể con người trao đổi khí oxi và cacbon dioxit với môi trường ngoài và có điểm không thể thiếu là phải được thực hiện liên tục, nếu ngừng, quá trình này có thể gây nguy hiểm tới tính mạng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, việc thực hiện hô hấp liên tục không thể được xảy ra, như khi con người gặp phải những tổn thương ở phổi hoặc bị các bệnh liên quan đến hô hấp. Do đó, máy thở ra đời với mục đích đảm bảo việc hô hấp được diễn ra tiếp tục, giúp duy trì tính mạng cho con người.

Thế nhưng, các thiết bị máy thở hiện nay cũng có những nhược điểm hiện hữu, đó là giá thành cao và thiếu tính cơ động. Những hạn chế này đã gây ra nhiều khó khăn cho công tác khác chữa bệnh của các y bác sĩ, như quá trình điều trị tại nhà, quá trình chuyển viện, khi gặp tai nạn bất ngờ… Hoặc có thể kể đến khi đại dịch COVID-19 diễn ra, nhiều bệnh nhân chuyển biến nặng gây suy hô hấp, nhưng số lượng máy thở lại không đủ, hoặc không tiếp ứng kịp, qua đó, gây ra những sự cố đáng tiếc. Trong trường hợp đó, bộ bóp bóng trợ thở sẽ được sử dụng thay thế, với những ưu điểm như giá thành thấp, dễ vận chuyển nên khả năng tiếp cận được của các bệnh nhân sẽ cao hơn, qua đó, giúp giảm thiểu rủi ro thiếu hụt thiết bị hỗ trợ hô hấp. Bộ bóng bóp trợ thở (Bag-Valve-Mask system), viết tắt là BVM, là một thiết bị cầm tay thường được sử dụng để cung cấp hơi hô hấp áp lực dương cho bệnh nhân hô hấp không đủ (suy hô hấp) hoặc ngừng hô hấp hoàn toàn.

Bộ bóng bóp trợ hô hấp được sử dụng thủ công bởi những chuyên viên y tế đã qua đào tạo, trong môi trường xe cứu thương, phòng cấp cứu hoặc các khu vực chăm sóc hồi phục như phòng hồi sức, phòng gây mê hoặc tại nhà riêng của bệnh nhân sau chữa trị. Người bệnh cần sử dụng máy hô hấp trong các trường hợp có thể được liệt kê như hội chứng ngưng hô hấp khi ngủ (OSA), 1 bệnh béo phì, suy tim, trong quá trình phẫu thuật tim phổi, hội chứng suy hô hấp cấp (ARDS) do virus Corona… 1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bộ bóp bóng trợ thở Hình 1. Thực tế sử dụng của bộ bóng bóp trợ thở [1] Khi bệnh nhân được chỉ định thông khí bằng bộ bóp bóng trợ thở, mặt nạ được kỹ thuật viên giữ chặt vào mặt bằng tay và bóp túi thông khí cho bệnh nhân qua mũi và miệng (Hình 1. Trừ khi có chống chỉ định, các liệu pháp hỗ trợ đường hô hấp như mũi họng và/hoặc đường miệng hầu được sử dụng trong quá trình thông khí BVM để hỗ trợ tạo đường hô hấp.

Van áp suất dương cuối kỳ thở (PEEP) nên được sử dụng để duy trì áp suất dương trong quá trình thông khí, tránh hiện tượng các phế nang trong phổi bị xẹp hoặc dính vào nhau. Cấu tạo và nguyên lý bộ bóp bóng trợ thở [2] Về cấu tạo và nguyên lý, một bóng AMBU co giãn được gắn vào một van điều đường hô hấp và sau đó là một mặt nạ phù hợp với các mô mềm trên khuôn mặt. Đầu đối diện của túi được gắn với một nguồn cung cấp oxy và một túi chứa (Hình 1. Không khí di chuyển theo hai đường chính, tương ứng với hai giai đoạn chính của quá trình hô hấp là hít và thở.

Tại kỳ hít, không khí trong túi chứa khí được đưa vào bóng AMBU. Sau đó, bóng AMBU được bóp tạo áp suất dương bên trong bóng, đẩy không khí qua van điều đường hô hấp tới mặt nạ hô hấp và đi vào phổi bệnh nhân. Tại kỳ thở, bóng AMBU được thả, làm van điều đường hô hấp đóng và đẩy không khí từ phổi ra ngoài qua đầu hô hấp ra. Bên cạnh đó, khí Oxy và khí trời được trộn lẫn và đựng trong túi chứa khí trong kỳ này.

Áp suất trong thông khí áp lực dương [3] Xuyên suốt quá trình thông khí, áp suất không khí giữa bóng AMBU và phổi bệnh nhân là một hệ kín, được giới hạn trên bởi van giới hạn áp suất, giới hạn dưới bởi van áp suất dương cuối kỳ thở. Trong khi hít vào, khi áp lực đường hô hấp trên tăng lên khoảng +15 cmH2O, áp lực phế nang (trong phổi) bằng không; kết quả là, không khí di chuyển vào phổi cho đến khi áp lực phế nang tăng lên khoảng +9 cmH2O đến +12 cmH2O. Áp lực trong màng phổi tăng từ khoảng -5 cmH2O trước khi hít vào lên khoảng +5 cmH2O khi hết hít vào (Hình 1. Lưu lượng dừng lại khi BVM chuyển chu kỳ sang thở ra.

Trong quá trình thở ra, áp lực đường thở trên giảm xuống bằng 0 khi máy hô hấp ngừng cung cấp lưu lượng. Áp lực phế nang (trong phổi) giảm từ khoảng +9 đến +12 cmH2O xuống 0 khi thành ngực và mô phổi co lại về vị trí nghỉ ngơi bình thường; kết quả là không khí di chuyển ra khỏi phổi. Áp lực trong màng phổi trở về -5 cmH2O trong kỳ thở ra.3 Tính cấp thiết đề tài Bộ bóp bóng trợ thở tuy có ưu điểm dễ tiếp cận do giá thành thấp và độ cơ động cao, nó cũng tồn tại những hạn chế nhất định. Đầu tiên, thiết bị này yêu cầu phải có người vận hành liên tục, gây ra nhiều khó khăn cho đội ngũ y bác sĩ.

Thứ hai, chất lượng của quá trình thông khí phụ thuộc vô hoạt động bóng bóp của người vận hành, do đó, chất lượng thông khí không được đảm bảo. Cuối cùng, thiết bị cũng thiếu những tính năng như việc xác định được thông số nội bệnh nhân để có điều chỉnh thông khí thích hợp, hoặc giới hạn áp suất khi áp suất đạt ngưỡng nguy hiểm. Do đó, thiết bị máy thở dựa trên bộ bóp bóng trợ thở ra đời với mong muốn nâng cao chất lượng thông khí, giảm yêu cầu túc trực của người vận hành thiết bị bộ bóp bóng trợ thở, nhưng vẫn giữ được ưu điểm giá thành thấp và độ cơ động cao (hình 1. Máy thở dựa trên bộ bóp bóng trợ hô hấp (máy thở BVM)[4] Máy thở dựa trên bộ bóp bóng trợ thở là một thiết bị có cơ chế tích hợp có thể luân phiên bóp và thả bóng AMBU ở một tần số cụ thể theo chu kỳ thở, nhằm mục đích thay thế thao tác tay của kỹ thuật viên.

Sự xuất hiện của thiết bị này để giải quyết những yêu cầu gây nhiều khó khăn của quá trình bóp bóng tay thủ công, như là bóp liên tục không 5 dừng trong thời gian dài, đảm bảo tỉ lệ thời gian bóp thả, lực bóp… cần đúng theo chỉ dẫn của bác sĩ. Việc làm theo các chỉ dẫn này là bắt buộc, vì chỉ định này của bác sĩ để đảm bảo quá trình hô hấp cho bệnh nhân được ổn định, giúp chữa trị hoặc duy trì tình trạng sức khỏe người bệnh. Cấu tạo máy thở BVM Máy thở BVM có cấu tạo chính gồm 2 bộ phận: tay kẹp và bóng AMBU (Hình 1. Tay kẹp được điều khiển để kẹp bóng, mô phỏng lại quá trình bóp bóng của chuyên viên y tế.

Trong quá trình kẹp, không khí từ bóng AMBU đi qua bộ dây thở tới phổi bệnh nhân hoặc phổi giả dùng cho nghiên cứu.4 Thông số thông khí Các khái niệm cơ bản trong thông khí có thể được liệt kê dưới đây:  Thể tích khí hô hấp (Tidal Volume – VT): Thể tích hỗn hợp khí oxy/không khí cần đưa vào phổi bệnh nhân trong 1 nhịp thở, giá trị của thể tích khí hô hấp phụ thuộc vào khối lượng, chiều cao tình trạng bệnh lý của từng bệnh nhân và sẽ được thiết lập bởi bác sĩ. Thông thường, bệnh nhân sẽ được cung cấp khí thở vào khoảng 350ml ÷ 700ml. [5] 6  Áp suất dương cuối kỳ thở (Positive end expiratory pressure - PEEP): Tại cuối kỳ thở, một giá trị áp suất dư dương so với áp suất khí quyển được duy trì trong đường thở để tránh hiện tượng kết dính phế nang. Giá trị PEEP thường vào khoảng 5 ÷ 15 cmH2O.

[6]  Áp suất đỉnh (Positive inspiratory pressure - PIP): Giá trị áp suất lớn nhất cho phép trên đường thở áp dụng vào phổi bệnh nhân trong 1 nhịp thở. Giá trị PIP được điều chỉnh tương ứng với kháng lực của phổi và khí thở.  Áp suất giữ (Plateau pressure –Pplateau): Áp suất đường thở tại cuối kỳ thở. Khi đó, máy thở sẽ hoạt động ở chế độ giữ, không có không khí được đẩy vào hoặc thoát ra.

Kỳ giữ này nằm giữa kỳ hít và kỳ thở, thường kéo dài từ 0. [7]  Nhịp hô hấp (Respitory rate – RR): Số nhịp hô hấp bệnh nhân thực hiện trong một phút. Thông thường, giá trị nhịp hô hấp nên được cho vào khoảng 12 ÷ 40 (nhịp hô hấp trên phút) phụ thuộc vào độ tuổi và tình trạng phổi. [8]  Tỉ lệ hít: thở (Inspiration : Expiration – I:E): Tỉ lệ thời gian hít vào và thở ra.

Với nhịp thở thông thường, tỉ lệ I:E này tường là 1:2, nghĩa là thời gian hô hấp ra gấp đôi thời gian hít vào. Tỉ lệ I:E này cũng có thể tăng lên tới 1:4 tùy vào bệnh nhân. [8]  Lưu lượng khí hô hấp (Airflow - Q): Lưu lượng không khí tối đa tương ứng với thể tích khí hô hấp được cài đặt. Lưu lượng khí hô hấp nên được thiết lập để đáp ứng lưu lượng hô hấp mong muốn của bệnh nhân, thường vào khoảng 60 (lít/phút).5 Chế độ thông khí Một nhịp hô hấp được chia làm ba giai đoạn, bao gồm: kỳ hít – kỳ giữ - kỳ thở.

Tại kỳ hít, cơ thể làm giãn cơ hoành, làm tăng dung tích phổi, không khí đi vào và thổi phồng các phế nang. Tại kỳ giữ, các phế nang được bao bọc bởi rất nhiều các mao mạch chứa đầy máu. Máu ở đây sẽ nhận O2 và trả lại CO2 vào không khí thông qua cơ chế khuếch 7 tán. Tại kỳ thở, cơ hoành co làm giảm dung tích phổi, không khí bị đẩy ra ngoài bao gồm CO2, O2 dư và các khí khác.

Khi bệnh nhân gặp bất thường trong quá trình hô hấp tự nhiên, máy thở sẽ đưa không khí vào ra phổi bệnh nhân, giúp cho quá trình trao đổi oxy diễn ra bình thường. Tùy vào tình trạng bệnh nhân, các chế độ hô hấp sẽ được bác sĩ chỉ định nhằm đạt được hiệu quả tốt nhất. Hiện có ba nhóm chế độ thông khí được thể hiện ở Bảng 1. Các nhóm chế độ thông khí.