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

Nội dung text: 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

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phan Đăng Hưng PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT THU NHẬN TÍN HIỆU TIM ĐỒ TRỞ KHÁNG NGỰC ICG ỨNG DỤNG TRONG PHÉP ĐO THÔNG SỐ CUNG LƯỢNG TIM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội - 2021
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phan Đăng Hưng PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT THU NHẬN TÍN HIỆU TIM ĐỒ TRỞ KHÁNG NGỰC ICG ỨNG DỤNG TRONG PHÉP ĐO THÔNG SỐ CUNG LƯỢNG TIM Ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ DUY HẢI Hà Nội - 2021
3. LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Vũ Duy Hải và các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2021 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS.TS Vũ Duy Hải Phan Đăng Hưng
4. LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận án, tôi đã nhận được sự động viên, tạo điều kiện thuận lợi của cơ quan công tác, nơi đào tạo, các thầy giáo, cô giáo, bạn bè, gia đình và đồng nghiệp. Đây là nguồn động lực to lớn giúp tôi vượt qua các khó khăn, thử thách để hoàn thành luận án của mình. Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS Vũ Duy Hải, người đã luôn tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo của Bộ môn Công nghệ Điện tử và Kỹ thuật Y sinh, Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã định hướng, đóng góp ý kiến, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi cũng xin cảm ơn các thành viên trong nhóm nghiên cứu tim đồ trở kháng ngực – Trung tâm Điện tử y sinh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; các tình nguyện viên đã hỗ trợ và cùng tham gia với tôi trong việc triển khai các thí nghiệm đo lường, phân tích tín hiệu trở kháng ngực tại phòng thí nghiệm. Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, các đơn vị liên quan của Trường Đại học Bách Khoa Hà nội và Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp đã luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2021 Tác giả luận án Phan Đăng Hưng
5. MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài 1 Mục tiêu của luận án 2 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận án 3 Đối tượng nghiên cứu 3 Phạm vi nghiên cứu 3 Phương pháp nghiên cứu 4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5 Về ý nghĩa khoa học 5 Về ý nghĩa thực tiễn 5 Các đóng góp của luận án 5 Bố cục của luận án 6 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 8 1.1 Tim và huyết động 8 1.1.1 Cấu trúc của tim và hoạt động bơm máu 8 1.1.2 Cung lượng tim và các thông số huyết động liên quan 10 1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới cung lượng tim 11 1.1.4 Vai trò cung lượng tim trong chẩn đoán và điều trị 13 1.1.5 Các phương pháp đo cung lượng tim 13 1.2 Phương pháp đo cung lượng tim bằng tim đồ trở kháng ngực 18 1.2.1 Giới thiệu chung 18 1.2.2 Trở kháng ngực và tim đồ trở kháng ngực 18 1.2.3 Tính toán cung lượng tim từ tín hiệu ICG 22 1.3 Kỹ thuật ghi đo tín hiệu ICG 24 1.3.1 Mô hình tổng quát 24 1.3.2 Phương pháp giải điều chế và xử lý tín hiệu 28 1.3.3 Các loại nhiễu điển hình 30 i
6. 1.4 Một số vấn đề còn tồn tại và các nghiên cứu liên quan 33 1.4.1 Vấn đề độ chính xác và tính hiệu quả khi giải điều chế tín hiệu 33 1.4.2 Vấn đề chồng lấn vị trí đặt điện cực 36 1.4.3 Ảnh hưởng của hoạt động hô hấp 37 1.5 Kết luận chương 1 44 CHƯƠNG 2. NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ TÍNH ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG THU NHẬN TÍN HIỆU ICG 46 2.1 Đề xuất mô hình thu nhận tín hiệu ICG mới 46 2.1.1 Đề xuất ý tưởng số hóa đỉnh sóng mang 46 2.1.2 Mô tả chi tiết giải pháp và mô hình hệ thống 47 2.1.3 Thí nghiệm và kết quả 50 2.2 Đề xuất các vị trí đặt điện cực mới thu nhận tín hiệu ICG 56 2.2.1 Đề xuất vị trí đặt điện cực 56 2.2.2 Thí nghiệm và kết quả 58 2.3 Kết luận chương 2 70 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CỦA NHIỄU THỞ TRONG PHÉP ĐO TÍN HIỆU ICG 72 3.1 Xây dựng hệ thống thu nhận đồng thời tín hiệu TEB và ECG 72 3.1.1 Mục đích 72 3.1.2 Thiết kế hệ thống 72 3.1.3 Xây dựng các khối 73 3.1.4 Kết quả 77 3.2 Xây dựng bộ công cụ hỗ trợ xử lý tín hiệu ICG 81 3.2.1 Mục đích 81 3.2.2 Xây dựng công cụ phần mềm thiết kế và thực hiện lọc số 82 3.2.3 Xây dựng công cụ phần mềm phân tích và xử lý tín hiệu ICG 84 3.3 Quy trình xây dựng bộ dữ liệu nhiễu thở trong phép đo ICG 86 3.3.1 Mục đích 86 3.3.2 Xây dựng quy trình thu nhận dữ liệu 86 3.3.3 Lựa chọn tình nguyện viên 87 3.3.4 Thực hiện thu nhận dữ liệu 87 3.3.5 Xử lý và chuẩn hóa dữ liệu 89 3.3.6 Mô tả và lưu trữ dữ liệu 89 3.4 Thuật toán tách và xác định đặc trưng nhiễu thở 90 3.4.1 Tách nhiễu thở từ tín hiệu TEB 90 3.4.2 Xác định dải phổ và biên độ của nhiễu thở 96 3.5 Kết luận chương 3 98 ii
7. CHƯƠNG 4. PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN GIẢM NHIỄU THỞ TRONG PHÉP ĐO TÍN HIỆU ICG 99 4.1 Đề xuất và xây dựng thuật toán lọc nhiễu thở 99 4.1.1 Đề xuất ý tưởng 99 4.1.2 Thiết kế mô hình và triển khai chi tiết thuật toán lọc nhiễu 100 4.2 Đề xuất phương pháp và quy trình đánh giá việc lọc nhiễu thở 105 4.2.1 Phương pháp đánh giá 105 4.2.2 Tiến hành đánh giá 106 4.3 Kết quả và bàn luận 107 4.3.1 Kết quả 107 4.3.2 Bàn luận 114 4.4 Kết luận chương 4 116 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 117 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 PHỤ LỤC 1 127 PHỤ LỤC 2 132 PHỤ LỤC 3 133 iii
8. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ABW Actual Body Weight Cân nặng thực tế ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số BSA Body Surface Area Diện tích bề mặt cơ thể CI Cardiac Index Chỉ số cung lượng tim CO Cardiac output Cung lượng tim Complex Programmable Logic CPLD Vi mạch có thể lập trình được Device CVP Central Venous Pressure Huyết áp tĩnh mạch trung tâm DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số ECG Electrocardiogram Điện tim đồ Chip logic số có thể lập trình FPGA Field Programmable Gate Array được HR Heart rate Nhịp tim IBW Ideal Body Weight Cân nặng lý tưởng Tim đồ trở kháng ngực Impedance cardiography Thuộc về trở kháng ngực ICG Impedance cardiographic (Trở kháng ngực do hoạt động của tim) Trở kháng phổi IP Impedance pneumography (Trở kháng ngực do hoạt động hô hấp) LVET Left ventricle ejection time Thời gian tống máu thất trái MAP Mean Arterial Pressure Huyết áp động mạch trung bình Pulmonary Artery Catheter – Pha loãng nhiệt catheter động PAC-TD Thermodulition mạch phổi iv
9. Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Sai số bình phương trung bình RMSE Root Mean Squared Error gốc Root Mean Squared Percentage Sai số bình phương trung bình RMSPE Error gốc tương đối SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SV Stroke volume Thế tích nhát bóp SVI Stroke Volume Index Chỉ số thể tích nhát bóp SVR Systemic Vascular Resistance Sức cản mạch hệ thống TEB Thoracic electrical bioimpedance Trở kháng ngực TPTD Transpulmonary Thermodilution Pha loãng nhiệt xuyên phổi WHO World health organization Tổ chức y tế thế giới Z Trở kháng vùng ngực Z0 Trở kháng nền ∆V Sự thay đổi thể tích vùng ngực Trở kháng thay đổi của vùng ∆Z ngực v
10. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng hợp các phương pháp đo cung lượng tim 14 Bảng 1.2 Tổng hợp các phương pháp lọc nhiễu thở trong phép đo tín hiệu ICG 38 Bảng 2.1 Tổng hợp chỉ số RMSE và RMSPE trong các lần đo đối chứng 55 Bảng 2.2 Tổng hợp kết quả đo tại vị trí gắn điện cực chuẩn và vị trí đề xuất số 1 60 Bảng 2.3 Tổng hợp kết quả đo tại vị trí gắn điện cực chuẩn và vị trí đề xuất số 2 63 Bảng 2.4 Tổng hợp kết quả đo tại vị trí gắn điện cực chuẩn và vị trí đề xuất số 3 65 Bảng 2.5 Tổng hợp các chỉ số thống kê đo lường huyết động ở các vị trí đề xuất 68 Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật của mô-đun nguồn DC-DC JHM1524D12 77 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của mạch đo tín hiệu TEB và ECG 78 Bảng 3.3 Chức năng chính của phần mềm lưu và hiển thị dữ liệu TEB và ECG 79 Bảng 4.1 Tổng hợp các chỉ số SNR và RMSPE tính được từ dữ liệu thử nghiệm 108 vi
11. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc của tim, đường đi của máu giữa các buồng tim và van tim [1] 8 Hình 1.2 Diễn biến chu chuyển tim đối với chức năng tâm thất trái [1] 9 Hình 1.3 Quan hệ giữa cung lượng tim và nhịp tim [6] 11 Hình 1.4 Tín hiệu ICG tiêu biểu và các điểm đặc trưng [25] 19 Hình 1.5 Biểu diễn đồng thời tín hiệu ICG, ECG và trở kháng thay đổi ∆Z [26] 21 Hình 1.6 Sơ đồ khối thực thi thuật toán Pan-Tompkins 21 Hình 1.7 Nguyên lý đo trở kháng ngực 25 Hình 1.8 Minh họa cách sử dụng 8 điện cực tròn 26 Hình 1.9 Cấu trúc một hệ thống đo ICG điển hình bằng phương pháp tương tự 28 Hình 1.10 Cấu trúc một hệ thống đo ICG điển hình bằng phương pháp số hóa 30 Hình 1.11 Vị trí chuẩn của các điện cực theo mô hình 8 điện cực [23] 36 Hình 2.1 Tín hiệu điều chế và các điểm lấy mẫu tại đỉnh 46 Hình 2.2 Vị trí khối thu nhận tín hiệu ICG trong mô hình đề xuất 48 Hình 2.3 Mô hình hệ thống thu nhận tín hiệu ICG đề xuất 49 Hình 2.4 Hệ thống phần cứng dùng trong thử nghiệm thực tế 51 Hình 2.5 Vị trí các điểm đo kiểm tra VA, VB, và VC 52 Hình 2.6 Dạng sóng đo được tại các điểm trung gian 52 Hình 2.7 Dạng sóng của tín hiệu Z thu được sau khi số hóa 53 Hình 2.8 Giá trị đã chuẩn hóa của ΔZ khi đo bằng hệ thống đề xuất 53 Hình 2.9 Giá trị đã chuẩn hóa của ΔZ khi đo bằng thiết bị đối chứng 54 Hình 2.10 Bản ghi một lần đo trong 35 giây của hệ thống đề xuất 56 Hình 2.11 Bản ghi một lần đo trong 35 giây của thiết bị đối chứng 56 Hình 2.12 Minh họa các vị trí điện cực đề xuất 58 Hình 2.13 Vị trí đề xuất và vị trí điện cực chuẩn đo trên thiết bị Niccomo 58 Hình 2.14 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị HR đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 61 vii
12. 2 Hình 2.15 Biểu đồ phân tán với R và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị Z0 đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 61 Hình 2.16 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị SV đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 61 Hình 2.17 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị LVET đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 62 Hình 2.18 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị CO đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 62 Hình 2.19 Dạng sóng ICG ở vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 62 Hình 2.20 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị HR đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 63 2 Hình 2.21 Biểu đồ phân tán với R và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị Z0 đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 64 Hình 2.22 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị SV đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 64 Hình 2.23 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị LVET đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 64 Hình 2.24 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị CO đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 65 Hình 2.25 Dạng sóng ICG ở vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 65 Hình 2.26 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị HR đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 66 2 Hình 2.27 Biểu đồ phân tán với R và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị Z0 đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 66 Hình 2.28 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị SV đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 67 Hình 2.29 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị LVET đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 67 Hình 2.30 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị CO đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 67 Hình 2.31 Dạng sóng ICG ở vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 68 viii
13. Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống thu nhận tín hiệu TEB và ECG 73 Hình 3.2 Ảnh thực tế của khối mạch đo tín hiệu TEB và ECG sau khi hoàn thiện . 78 Hình 3.3 Giao diện phần mềm hiển thị và lưu trữ dữ liệu tín hiệu TEB và ECG 79 Hình 3.4 Dữ liệu TEB và ECG được ghi bởi phần mềm dưới dạng file .csv 79 Hình 3.5 Giao diện phần mềm khi thiết kế bộ lọc IIR 82 Hình 3.6 Giao diện phần mềm khi thiết kế bộ lọc FIR 83 Hình 3.7 Giao diện thực hiện lọc với tín hiệu nhiễu thở thô sau xử lý 83 Hình 3.8 Giao diện công cụ phần mềm phân tích và xử lý tín hiệu ICG 85 Hình 3.9 Giao diện cửa sổ xử lý tín hiệu ICG bằng biến đổi wavelet 85 Hình 3.10 Hình ảnh tác giả dán các điện cực đo dưới sự hướng dẫn của bác sĩ 88 Hình 3.11 Hình ảnh thu nhận tín hiệu TEB và ECG trên tình nguyện viên 88 Hình 3.12 Sơ đồ thực hiện thuật toán tách nhiễu thở từ tín hiệu TEB 91 Hình 3.13 Kết quả các phép xử lý trung gian của thuật toán phát hiện đỉnh R 93 Hình 3.14 Tín hiệu ECG với các đỉnh R đã được phát hiện và đánh dấu 94 Hình 3.15 Tín hiệu trở kháng ngực ở trạng thái thở bình thường 95 Hình 3.16 Tín hiệu trở kháng ngực ở trạng thái thở nhanh 95 Hình 3.17 Tín hiệu trở kháng ngực ở trạng thái thở gắng sức 95 Hình 3.18 Phổ tín hiệu trở kháng ngực trước và sau khi xử lý ở ba trạng thái 96 Hình 3.19 Ảnh hưởng của nhiễu thở ở trạng thái bình thường lên tín hiệu ICG 97 Hình 3.20 Ảnh hưởng của nhiễu thở ở trạng thái thở nhanh lên tín hiệu ICG 97 Hình 3.21 Ảnh hưởng của nhiễu thở ở trạng thái thở gắng sức lên tín hiệu ICG 98 Hình 4.1 Sơ đồ thực hiện thuật toán theo mô hình lọc nhiễu thở đề xuất 101 Hình 4.2 Sơ đồ thuật toán Mallat phân giải và khôi phục tín hiệu 102 Hình 4.3 Tạo đáp ứng xung của bộ lọc dùng trong biến đổi wavelet 103 Hình 4.4 Mô hình đánh giá hiệu quả lọc nhiễu thở 105 Hình 4.5 Biểu đồ hộp của chỉ số RMSPE của các tình nguyện viên với ba trạng thái thở khác nhau theo phương pháp đề xuất và phương pháp của Seppä 109 ix
14. Hình 4.6 Các đoạn tín hiệu gốc và đoạn tín hiệu đại diện sau trung bình 109 Hình 4.7 Các chu kỳ tín hiệu ICG đại diện ở trạng thái thở bình thường 110 Hình 4.8 Các chu kỳ tín hiệu ICG đại diện ở trạng thái thở gắng sức 111 Hình 4.9 Các chu kỳ tín hiệu ICG đại diện ở trạng thái thở nhanh 111 Hình 4.10 Chỉ số SNR trung bình đối với ba trạng thái thở 112 Hình 4.11 Dạng sóng tín hiệu ICG chuẩn hóa sau khi thêm nhiễu thở và sau bộ lọc wavelet của một trường hợp thở bình thường điển hình 113 Hình 4.12 Dạng sóng tín hiệu ICG chuẩn hóa sau khi thêm nhiễu thở và sau bộ lọc wavelet của một trường hợp thở gắng sức điển hình 113 Hình 4.13 Dạng sóng tín hiệu ICG chuẩn hóa sau khi thêm nhiễu thở và sau bộ lọc wavelet của một trường hợp thở nhanh điển hình 114 x
15. MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Theo tổ chức y tế thế giới (WHO), từ năm 2000 đến năm 2019, bệnh tim mạch vẫn là nguyên nhân gây tử vong số một trên thế giới. Số liệu năm 2019 cho thấy bệnh thiếu máu cơ tim và đột quỵ đã gây ra 27% số ca tử vong trên toàn cầu. Ở Việt Nam, số người chết vì bệnh tim mạch khoảng 200.000 người, chiếm ¼ tổng số ca tử vong hằng năm. Theo thống kê, cứ 3 người trưởng thành thì có 1 người có nguy cơ tim mạch. Ngoài nguyên nhân gây tử vong, bệnh tim mạch còn gây ra nhiều biến chứng nặng nề không những ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân mà còn là gánh nặng cho gia đình và xã hội, chi phí cho chăm sóc và điều trị cũng rất tốn kém. Để chẩn đoán, điều trị các bệnh về tim mạch, ngoài tín hiệu điện tim và nhịp tim, các bác sĩ còn dựa vào các tham số huyết động chính như thể tích nhát bóp của tim (SV – stroke volume), thời gian tống máu thất trái (LVET – left ventricular ejection time), và quan trọng nhất là cung lượng tim (CO – cardiac output). Sự kết hợp giữa cung lượng tim, điện tâm đồ, cùng các thông số huyết động khác giúp bác sĩ phân loại khá chính xác các bệnh lý tim mạch, đặc biệt là các bệnh lý xuất phát từ tình trạng thiếu máu cục bộ, huyết áp cao, và nhồi máu cơ tim. Việc đo lường và theo dõi thông số CO liên tục cũng hỗ trợ rất nhiều cho bác sĩ trong cấp cứu, phẫu thuật và hồi sức liên quan đến các bệnh về tim mạch và những căn bệnh khác. Thông số CO là một thông số quan trọng trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh tim mạch, đặc biệt trong hồi sức cấp cứu tim mạch. Hiện nay có một số phương pháp đo lường và theo dõi thông số CO. Các phương pháp này được phân thành hai nhóm đó là nhóm các phương pháp đo xâm lấn (can thiệp) và nhóm các phương pháp đo không xâm lấn (không can thiệp). Trong nhóm phương pháp đo xâm lấn, phương pháp đo catheter động mạch phổi (Swan-Ganz) và phương pháp phân tích sóng mạch kết hợp với pha loãng nhiệt xuyên phổi (PiCCO) vẫn là các phương pháp thường được sử dụng, cho kết quả chính xác cao. Tuy nhiên, các phương pháp này tồn tại một số nhược điểm như đòi hỏi kỹ thuật cao, có nguy cơ lây chéo các bệnh truyền nhiễm, nguy hiểm cho người bệnh, và chỉ phù hợp với một số tình huống trong lâm sàng. Nhóm các phương pháp không can thiệp đã và đang từng bước được đầu tư nghiên cứu nhằm khắc phục những hạn chế của nhóm phương pháp có can thiệp để đảm bảo tính thuận lợi trong sử dụng và an toàn cho bệnh nhân. Nổi bật trong nhóm này là 1
16. phương pháp tim đồ trở kháng ngực (ICG – impedance cardiography) với các ưu điểm như dễ dàng thiết lập các phép đo, chi phí vận hành thấp, và theo dõi được thông số một cách liên tục. Những ưu điểm này là vô cùng có ý nghĩa trong công tác điều trị các bệnh tim mạch. Tuy nhiên, giá thành của thiết bị, độ chính xác của phép đo, độ ổn định của kết quả đo, và tính hữu dụng trong thực tế vẫn đang chịu tác động của nhiều yếu tố kỹ thuật và phi kỹ thuật. Đây chính là động lực để tác giả đề xuất hướng nghiên cứu, nhằm loại bỏ các rào cản, và góp phần đưa thiết bị đo cung lượng tim không xâm lấn vào ứng dụng đại trà. Mục tiêu của luận án 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 của luận án được xây dựng qua quá trình khảo sát các rào cản hiện có đối với việc ứng dụng thiết bị đo cung lượng tim bằng tín hiệu tim đồ trở kháng ngực tại các bệnh viện. Theo đó: − Đối với rào cản về giá thành và độ chính xác của thiết bị, tác giả xác định mục tiêu là 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. Mục tiêu này cho phép tối ưu hóa chi phí nghiên cứu phát triển và chế tạo thiết bị. − Đối với rào cản phi kỹ thuật gây ra do sự chồng lấn của vị trí gắn điện cực tiêu chuẩn với vị trí đặt các đường ống thông tĩnh mạch cổ, tác giả xác định mục tiêu là Đề xuất và đánh giá một số vị trị đặt điện cực thay thế nhằm thực tế hóa tính hữu dụng của thiết bị trong các cơ sở y tế. Mục tiêu cho phép mở rộng nhóm bệnh nhân có thể tiếp cận và được sử dụng thiết bị. − Đối với rào cản về độ tin cậy của kết quả đo, tác giả xác định một mục tiêu trong phạm vi nguồn lực có thể tiếp cận, đó là 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. Đây là một trong những vấn đề rất quan trọng trong ghi đo tín hiệu ICG và được quan tâm nghiên cứu nhiều trên thế giới. Các mục tiêu nghiên cứu xa hơn về cơ bản đều nhằm giải quyết các vấn đề nêu trên ở mức độ sâu hơn và toàn diện hơn. Về những nghiên cứu này, do chưa có điều kiện triển khai, tác giả chỉ đề cập như là các hướng phát triển của luận án. 2
17. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu Căn cứ vào các mục tiêu nghiên cứu đã xác định và thực tế quá trình triển khai, đối tượng nghiên cứu của luận án được xác định gồm nhiều nhóm. Cụ thể: − Nhóm đối tượng liên quan đến tim và thông số huyết động, gồm: lý thuyết căn bản về tim, thông số huyết động, cung lượng tim, các phương pháp đo CO đang được ứng dụng trong thực tế; − Nhóm đối tượng liên quan đến tim đồ trở kháng ngực, gồm: phương pháp đo CO bằng ICG, tín hiệu TEB, tín hiệu ICG và nhiễu khi đo ICG, ảnh hưởng của quá trình hô hấp đến tín hiệu ICG, và các phương pháp giảm thiểu các ảnh hưởng này; − Nhóm đối tượng liên quan đến phương pháp đo, công cụ đo, và phương tiện xử lý tính toán, gồm: điện cực và vị trí đo tín hiệu ICG, sóng mang đưa vào cơ thể và tín hiệu thu được, phương pháp giải điều chế tín hiệu, các mạch điện xử lý, các phần mềm tính toán, và các thuật toán tách tín hiệu hoặc dải tần số quan tâm; − Nhóm các đối tượng phụ trợ gồm: tín hiệu điện tim (ECG), thuật toán xác định đỉnh R trong tín hiệu ECG, các bộ nguồn nhiễu thấp, các mạch lọc nhiễu, và một số kỹ thuật giúp tối ưu hóa hiệu quả của mạch điện phần cứng trong suốt quá trình thực hiện luận án. Phạm vi nghiên cứu Do giới hạn về cơ sở vật chất và thời gian nghiên cứu, tác giả tập trung giải quyết các vấn đề khoa học mang tính bản chất để đạt được các mục tiêu đã đặt ra. Các yếu tố kỹ thuật liên quan đến chế tạo thử nghiệm không được trình bày chi tiết. Cụ thể, nội dung của luận án được giới hạn trong phạm vi sau đây: − Lý thuyết về tim, cung lượng tim, và các thông số huyết động: luận án chỉ dừng lại ở việc trình bày tổng quan về tim, cung lượng tim, và các thông số huyết động ảnh hưởng trực tiếp đến cung lượng tim. Nội dung này tóm lược các nền tảng quan trọng cho các đề xuất và các phân tích thiết kế trong luận án. − Lý thuyết về tín hiệu ICG và việc tính toán CO từ tín hiệu ICG: luận án chỉ hệ thống hóa những kiến thức tổng quan về cơ sở và nguyên lý của phương pháp, đặc điểm của tín hiệu tim đồ trở kháng ngực liên quan đến các sự kiện trong hoạt động của tim, các công thức tính cung lượng tim từ tín hiệu tim đồ trở kháng ngực. Luận án không nghiên cứu công thức và phương pháp tính CO từ tín hiệu ICG. 3
18. − Ảnh hưởng của hoạt động hô hấp lên tín hiệu ICG và thuật toán giảm ảnh hưởng: luận án chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu thành phần nhiễu do thở trong phép đo tim đồ trở kháng ngực dựa trên bộ dữ liệu của các tình nguyện viên khỏe mạnh, không có bệnh lý về tim mạch. Việc đánh giá hiệu quả của thuật toán lọc nhiễu được dựa trên bộ dữ liệu nhiễu thở thu thập được của các tình nguyện viên. − Cách thức thu nhận tín hiệu trở kháng ngực và vị trí đặt điện cực: tác giả tập trung nghiên cứu cách thu nhận tín hiệu trở kháng ngực sử dụng cấu hình tám điện cực điểm là cấu hình được các thiết bị thương mại sử dụng. Vị trí đặt điện cực thay thế trong trường hợp bị chồng lấn ở vùng cổ của bệnh nhân được đề xuất trên cơ sơ khảo sát bệnh viện Tim Hà Nội và bệnh viện Việt Đức, tại Việt Nam. Các vị trí chồng lấn khác (nếu có) tuy chưa được xem xét nhưng là ít xảy ra, theo đánh giá từ các bác sĩ về tim mạch. − Các hệ thống phần cứng thu nhận và ghi đo tín hiệu: luận án chỉ tập trung trình bày quá trình nghiên cứu và thiết kế mô-đun thu nhận tín hiệu trở kháng ngực làm công cụ thu thập dữ liệu. Việc chế tạo thử nghiệm các mô-đun cũng được thực hiện với các linh kiện chuẩn, dựa trên thông số công bố của nhà sản xuất để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao. Luận án không trình bày quá trình phát triển một thiết bị hoàn thiện có thể tính toán và hiển thị được thông số cung lượng tim và các thông số huyết động từ tín hiệu ICG. Phương pháp nghiên cứu Trong quá trình nghiên cứu, tác giả áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau để đạt được các mục tiêu đã đề ra ban đầu. Về cơ bản, các phương pháp được sử dụng thường xuyên là: − Phương pháp phân tích và tổng hợp: nghiên cứu tổng hợp các công trình, bài báo liên quan đến đề tài của luận án để xác định các vấn đề cần nghiên cứu và làm cơ sở khoa học để đề xuất và thực hiện các nội dung nghiên cứu. Đây là phương pháp nghiên cứu được sử dụng nhiều nhất trong nội dung liên quan đến nhiễu thở và cách lọc nhiễu thở. − Phương pháp chuyên gia: sử dụng trí tuệ và kinh nghiệm lâu năm của đội ngũ bác sĩ về tim mạch để nhận định và đánh giá đối tượng nghiên cứu. Đây là phương pháp đặc biệt quan trọng đối với các nghiên cứu liên quan đến cơ thể người. − Phương pháp thực nghiệm: đề xuất giải pháp, mô hình thuật toán rồi thiết kế, thiết lập thí nghiệm, tiến hành đo đạc kết quả, so sánh và đánh giá. Phương pháp này được sử dụng triệt để trong nghiên cứu về vị trí đặt điện cực thay thế. 4
19. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Về ý nghĩa khoa học − Việc nâng cao được chất lượng tín hiệu ICG là tiền đề quan trọng cho các bước tiếp theo trong việc đo lường thông số cung lượng tim bằng phương pháp tim đồ trở kháng ngực. − Kết quả xác định được các đặc trưng của nhiễu thở cụ thể là về dải tần số và biên độ trong phép đo tín hiệu ICG là cơ sở quan trọng trong việc thiết kế các thuật toán loại bỏ sự ảnh hưởng của nhiễu thở, giúp cho quá trình thu nhận tín hiệu ICG được chính xác hơn. − Thuật toán lọc nhiễu thở đề xuất trong luận án sẽ đóng góp một giải pháp làm giảm sự ảnh hưởng của nhiễu thở trong phép đo tín hiệu ICG. − Với bộ cơ sở dữ liệu phản ánh đúng các đặc trưng của nhiễu thở trong phép đo ICG sẽ giúp đánh giá được các thuật toán giảm nhiễu thở một cách chính xác và khách quan. − Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là tài liệu tham khảo có ý nghĩa về kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực. Về ý nghĩa thực tiễn − Kết quả đề xuất các kỹ thuật nhằm nâng cao độ chính xác trong phép đo tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG sẽ đồng nghĩa với việc nâng cao độ chính xác trong việc đo lường các thông số huyết động bằng phương pháp không xâm lấn ICG, đặc biệt là thông số cung lượng tim. Vì vậy, các kết quả đạt được trong luận án có thể áp dụng vào thực tiễn để nâng cao độ chính xác cho các thiết bị đo sử dụng kỹ thuật này. − Việc đề xuất các vị trí đặt điện cực mới thay thế cho các vị trí điện cực tiêu chuẩn sẽ giúp cho quá trình ứng dụng kỹ thuật tim đồ trở kháng ngực trên thực tế lâm sàng được đầy đủ và dễ dàng hơn cho các đối tượng bệnh nhân khác nhau. Các đóng góp của luận án Các đóng góp của luận án liên quan chặt chẽ đến các mục tiêu nghiên cứu đã đặt ra trong Mục 2 của phần này. Cụ thể: − Đã đề xuất được một giải pháp thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực với kỹ thuật số hóa đỉnh sóng mang tần số cao. Giải pháp này cho phép ghi đo tín hiệu ICG bằng các nền tảng phần cứng có hiệu năng thấp, giúp giảm giá thành nghiên cứu phát triển, giúp mở rộng khả năng tiếp cận lĩnh vực nghiên cứu cho các nhà 5
20. khoa học đồng nghiệp, có thể giúp trực tiếp và gián tiếp giảm giá thành của thiết bị đo CO bằng tín hiệu ICG trong tương lai. − Đã đề xuất được và triển khai đánh giá thực nghiệm thành công một số vị trí đặt điện cực mới, thay thế cho vị trí tiêu chuẩn. Đóng góp này giúp cho việc ứng dụng kỹ thuật tim đồ trở kháng ngực trên thực tế lâm sàng được đầy đủ và dễ dàng hơn cho các đối tượng bệnh nhân khác nhau. − Đã xác định các đặc trưng của nhiễu thở trong phép đo tín hiệu ICG và đề xuất thuật toán lọc nhiễu thở bằng phương pháp kết hợp giữa biến đổi wavelet và trung bình toàn bộ để để nâng cao chất lượng tín hiệu ICG. Bố cục của luận án Bố cục của luận án được chia thành sáu phần, bắt đầu bằng phần Mở đầu và kết thúc bằng các kết luận và hướng phát triển trong tương lai. Nội dung nghiên cứu được trình bày trong bốn chương lớn gồm: Chương 1 trình bày tổng quan về các thông số huyết động, cung lượng tim, và tổng hợp các phương pháp đo cung lượng tim. Tiếp theo, các nội dung liên quan đến phương pháp tim đồ trở kháng ngực gồm mô hình hệ thống đo, tín hiệu ICG, các điểm đặc trưng, phương pháp tính CO từ tín hiệu ICG, và các loại can nhiễu lần lượt được làm rõ. Chương này cũng khảo sát các nghiên cứu liên quan, phân tích những vấn đề còn tồn tại để làm nổi bật ý nghĩa các nghiên cứu được triển khai trong các chương tiếp theo. Chương 2 đóng góp hai giải pháp cải tiến kỹ thuật thu nhận tín hiệu ICG gồm: (1) giải pháp về mô hình thu nhận tín hiệu ICG theo hướng số hóa đỉnh sóng mang tần số cao, giúp nâng cao hiệu quả của thiết bị và (2) giải pháp thay đổi vị trí đặt điện cực so với cách đo tiêu chuẩn trong trường hợp bị chồng lấn, giúp nâng cao tính ứng dụng của phương pháp. Hai giải pháp này hiện thực hóa hai mục tiêu đầu tiên của luận án là giải quyết rào cản kỹ thuật về chế tạo thiết bị và rào cản phi kỹ thuật về ứng dụng thực tế của thiết bị trong các bệnh viện và các cơ sở y tế. Chương 3 xác định các tham số đặc trưng và xây dựng bộ dữ liệu về nhiễu thở trong kỹ thuật tim đồ trở kháng ngực bao gồm các nội dung: hoàn thiện hệ thống đã đề xuất ở Chương 2, xây dựng các công cụ hỗ trợ, đề xuất và triển khai thuật toán tách nhiễu thở từ tín hiệu trở kháng ngực. Kết quả của chương này là bộ dữ liệu về nhiễu thở và các đặc trưng của nhiễu thở. Đây là nền tảng quan trọng cho nghiên cứu sẽ được triển khai trong Chương 4. 6
21. Chương 4 đề xuất một thuật toán lọc nhiễu thở bằng cách kết hợp giữa biến đổi wavelet và phép trung bình toàn bộ. Việc đề xuất mô hình và quá trình đánh giá định lượng hiệu quả của thuật toán lọc nhiễu thở được thực hiện trên cơ sở bộ dữ liệu nhiễu thở thu được trong Chương 3. Kết quả của chương này hiện thực hóa mục tiêu cuối cùng của luận án là loại bỏ một trong số các rào cản về độ tin cậy của kết quả đo trong phạm vi nguồn lực có thể tiếp cận. 7
22. CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN Để phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim, việc xây dựng một bức tranh tổng thể về lĩnh vực nghiên cứu là rất quan trọng. Do đó, trong chương đầu tiên của luận án, tác giả tập trung trình bày các nền tảng lý thuyết và đánh giá các công trình nghiên cứu liên quan. Đầu tiên, loạt lý thuyết căn bản về tim, cung lượng tim, và các thông số huyết động được giới thiệu kèm theo các khái niệm căn bản. Tiếp theo, phương pháp đo cung lượng tim bằng tim đồ trở kháng ngực được trình bày rõ ràng và chi tiết để làm nổi bật vai trò quan trọng của việc ghi đo chính xác tín hiệu tim đồ trở kháng ngực. Vấn đề ghi đo này được mô tả một cách đầy đủ và có hệ thống ngay phía sau để làm xương sống cho toàn bộ các nghiên cứu và đề xuất mới của tác giả trong luận án. Xuất phát từ chính quá trình mô tả này, trong phần cuối cùng của Chương 1, tác giả phân tích các vấn đề còn tồn tại, khảo sát và đánh giá hàng hoạt các nghiên cứu liên quan, và khu trú lại ba mục tiêu nghiên cứu của luận án để từng bước giải quyết trong các chương tiếp theo. 1.1 Tim và huyết động 1.1.1 Cấu trúc của tim và hoạt động bơm máu Tim là thành phần quan trọng của hệ tuần hoàn, có chức năng bơm máu liên tục trong suốt cuộc đời con người. Tim có kích thước nhỏ tương đương nắm tay, trọng lượng khoảng 270 g ở nam giới và 260 g ở nữ. Hình 1.1 Cấu trúc của tim, đường đi của máu giữa các buồng tim và van tim [1] 8