Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Thiết kế chế tạo thiết bị đo chức năng phổi bằng kỹ thuật phế dung ký và dao động xung ký

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TƯỜNG DUY

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO CHỨC NĂNG PHỔI BẰNG KỸ THUẬT PHẾ DUNG KÝ

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS HUỲNH QUANG LINH (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS MAI HỮU XUÂN (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS NGUYỄN TRƯỜNG THANH HẢI (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 09 tháng 07 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 TS TRẦN TRUNG NGHĨA – CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

5 TS NGUYỄN TRƯỜNG THANH HẢI – PHẢN BIỆN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Tường Duy MSHV: 2070065 Ngày, tháng, năm sinh: 27/10/1997 Nơi sinh: Đồng Tháp Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số : 8520401

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

o Nội dung 1: 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

o Nội dung 2: Xây dựng thiết bị đo chức năng hô hấp tích hợp hai phương pháp đo hô hấp ký và dao động xung ký

o Nội dung 3: Ứng dụng thiết bị đo, đề xuất quy trình lâm sàng tối ưu cho bệnh nhân

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023 IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Huỳnh Quang Linh

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hai kỹ thuật mới, hô hấp ký và dao động xung ký, đã được áp dụng để chế tạo thiết bị đo chức năng hô hấp hỗ trợ quá trình tiên lượng, chẩn đoán và phân loại các bệnh lý hô hấp Đề tài được thực hiện nhằm nghiên cứu làm chủ công nghệ, chế tạo thử nghiệm mô hình thiết bị đo chức năng hô hấp kết hợp hai kỹ thuật trên, tiến đến phát triển thành sản phẩm đại trà

Đề tài đã thực hiện và giải quyết thành công các mục tiêu sau: (i) 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; (ii) Chế tạo thử nghiệm thiết bị đo chức năng hô hấp tích hợp hai phương pháp đo hô hấp ký và dao động xung ký vả (iii) Thử nghiệm thiết bị đo, đề xuất quy trình lâm sàng tối ưu cho bệnh nhân

Sản phẩm của đề tài là mô hình đầy đủ của thiết bị đo chức năng hô hấp, ban đầu đạt được các tiêu chí về tính ổn định và tính chuẩn xác, làm cơ sở cho sự phát triển hoàn thiện sản phẩm thương mại

The research project successfully accomplished the following objectives: (i) Conducting a comprehensive review of the theoretical fundamentals and practical applications of spirometry and pulse oscillation in the functional diagnosis of respiratory disorders; (ii) Manufacturing and testing a prototype respiratory measurement device that combines the aforementioned techniques; and (iii) Carrying out device testing and proposing an optimized clinical procedure for patients

The result of this project is a fully developed model of the functional respiratory measurement device, which initially satisfies the stability and accuracy criteria, thereby serving as a basis for further enhancement and progression towards a commercially available product

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam kết toàn bộ nội dung của đề tài là kết quả nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả, số liệu trong đề tài là trung thực và hoàn toàn khách quan Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình

Học viên

Nguyễn Tường Duy

MỤC LỤC

2.3.2 Các dạng đồ thị trong phép đo hô hấp ký 18

2.3.3 Các yêu cầu đối với phép đo hô hấp ký 20

2.4.1 Khái quát phương pháp đo dao động xung ký 21

2.4.4 Ứng dụng lâm sàng phương pháp đo dao động xung ký 23 2.4.5 Tiêu chuẩn kỹ thuật của thiết bị đo dao động xung ký 25 2.5 Kiểm soát nhiễm khuẩn trong đánh giá chức năng hô hấp 33

3.2.2 Mô hình cơ học phổi áp dụng trong kỹ thuật đo chức năng hô hấp 45

4.3 Chọn và xác định các thông số đặc trưng của cảm biến 55

4.5.2 Ứng dụng loa điện như bộ tạo dao động áp suất 69

4.6.4 Mạch lọc nhiễu và bộ đệm Op - amp cho tín hiệu Analog 72

4.6.5 Mạch thu nhận và chuyển đổi tín hiệu: 73

4.7 Xác định trở kháng không khí của lưới thép dùng trong thiết bị 77 4.8 Xây dựng chương trình xử lý và hiển thị kết quả 79

4.8.2 Áp dụng bộ lọc Kalman lọc nhiễu cho tín hiệu đưa về từ cảm biến 82

4.8.4 Tính toán các thông số hô hấp chuẩn tham chiếu 88 4.8.5 Chương trình chẩn chẩn đoán và phân loại bệnh 92

CHƯƠNG 6: HIỆU CHUẨN, CHẠY THỬ VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 100

6.2.1 Đánh giá chương trình tính toán các thông số hô hấp chuẩn tham chiếu 111 6.2.2 Áp dung quy trình kỹ thuật thăm dò chức năng hô hấp khảo sát trên các

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.5: Giá trị FEF 25-75 hoặc MMEF (Maximal Mid Expiratory Flow )

Hình 2.6: Đồ thị thể tích theo thời gian cùng với các thông số hô hấp 18

Hình 2.7: Tương quang đồ thị lưu lượng theo thời gian và đồ thị thể tích theo

Hình 3.1: Nguyên lý đo khí dung theo mô hình lưu lượng kế Fleisch 39

Hình 3.2: Nguyên lý đo khí dung theo mô hình lưu lượng kế Lilly 39

Hình 3.4: Nguyên lý đo khí dung theo phương pháp Hot-wire 40

Hình 3.6: Mô hình đa phế nang trong cơ học phổi 45

Hình 3.7: Mô hình cơ học phổi áp dụng trong kỹ thuật đo chức năng hô hấp 46

Hình 4.1: Nguyên lý cảm biến lưu lượng sử dụng trở kháng dòng chảy 51

Hình 4.2: Nguyên lý đo thể tích trong khảo sát chức năng hô hấp 53

Hình 4.3: Sơ đồ các khối chức năng của thiết bị đo chức năng hô hấp 54

Hình 4.4: Mô hình thiết bị đo chức năng hô hấp 55

Hình 4.5: Nguyên lý cảm biến chênh áp dựa trên cơ chế trao đổi nhiệt 56

Hình 4.6: Mô hình lưu lượng kế chiết lưu sử dụng cảm biến chênh áp 57

Hình 4.9: Bản vẽ chi tiết ống ngậm dùng đo chức năng hô hấp 61

Hình 4.12: Sơ đồ mạch tổng thể của thiết bị đo chức năng hô hấp 70

Hình 4.15: Mạch lọc nhiễu và bộ đệm Op - amp cho tín hiệu Analog 72

Hình 4.18: Lưu đồ thuật toán của chương trình xử lý và hiển thị kết quả 80

Hình 4.20: Tín hiệu điện áp ngõ ra của cảm biến 85

Hình 4.21: Biến đổi tín hiệu áp suất và lưu lương về miền tần số 87

Hình 4.22: Lưu đồ thuật toán của chương trình tính toán các tông số hô hấp 88

Hình 4.23: Lưu đồ thuật toán chương trình tính toán các thông số hô hấp

Hình 4.24: Lưu đồ chương trình đọc hô hấp ký và đưa ra kết quả chẩn đoán 94

Hình 4.25: Lưu đồ chương trình đọc dao động xung ký

và đưa ra kết quả chẩn đoán 95

Hình 5.1: Bộ tạo dao động áp suất và bộ đo lưu lượng thiết bị đo

Hình 5.2: Vỏ máy của khối nguồn và xử lý tín hiệu thiết bị đo chức năng hô hấp 96

Hình 5.3: Vỏ máy của khối tạo dao động áp suất và bộ đo lưu lượng

Hình 5.4: Cấu tạo của cảm biến chênh áp SDP816-500Pa 98

Hình 5.6: Cấu tạo mạch mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 98

Hình 5.8: Mạch điện hoàn chỉnh của thiết bị đo chức năng hô hắp 99

Hình 6.3: Đồ thị tương quan giá trị áp suất đo được so với giá trị chuẩn

và độ lệch chuẩn giữa các lần đo, với trục dọc là giá trị áp suất (Pa) 103

Hình 6.4: Bộ điều chỉnh lưu lượng, áp suất dùng trong hiệu chuẩn thiết bị 104

Hình 6.5: Thiết bị đo vận tốc gió KIMO VT100 dùng trong hiệu chuẩn thiết bị 105

Hình 6.6: Các vị trí đo vận tốc không khí trong phép đo hiệu chuẩn lưu lượng 105

Hình 6.7: Thao tác đo vận tốc gió ở đầu ra của hô hấp kế 106

Hình 6.8: Đồ thị tương quan giá trị lưu lượng đo được so với giá trị chuẩn

và độ lệch chuẩn giữa các lần đo, với trục dọc là giá trị lưu lượng (L/phút) 108

Hình 6.9: Dùng bơm tiêu chuẩn 600mL hiệu chuẩn thể tích cho thiết bị 109

Hình 6.10: Đồ thị tương quan giá trị thể tích đo được so với giá trị chuẩn và

độ lệch chuẩn giữa các lần đo, với trục dọc là giá trị thể tích 110

Hình 6.11: Kết quả đo ở người bình thường có luyện tập thể lực 117

Hình 6.12: Kết quả đo ở người bình thường không luyện tập thể lực 117

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các giá trị thể tích / dung tích hô hấp trung bình ở người khỏe mạnh 16

Bảng 2.2: Tiêu chuẩn hiển thị cho các giá trị lưu lượng, thể tích và thời gian 20

Bảng 2.3: Giá trị tham chiếu trong phép đo dao động xung ký ở người

Bảng 3.1: So sánh đặc tính của các phương pháp đo lưu lượng 41

Bảng 4.1: Các đặc tính kỹ thuật của vi điều khiển Arduino Uno R3 74

Bảng 4.2: Các thông số trong tính toán trở kháng không khí của lưới thép 79

Bảng 4.3: Hàm thống kê dân số cho các giá trị FEV1, FEV6, FVC, PEF,

Bảng 4.4: Hàm thống kê dân số cho các giá trị FEV1 / FEV6, FEV1 / FVC

Bảng 4.5: Hàm thống kê dân số cho các giá trị R5, R10, R15, R20, R5-15,

Bảng 6.2: Kết quả hiệu chuẩn giá trị lưu lượng 107

Bảng 6.3: Kết quả hiệu chuẩn giá trị thể tích 110

Bảng 6.4: So sánh kết quả từ chương trình ước tính giá trị tham chiếu

Bảng 6.5: So sánh kết quả từ chương trình ước tính giá trị tham chiếu

LIỆT KÊ CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADC Analog-To-Digital Converter Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

ATS American Thoracic Society Hội Lồng ngực Hoa Kỳ

động xung

CMRR Common Mode Rejection

Ratio Tỉ lệ triệt nhiễu đồng pha

COPD Chronic Obstructive

Pulmonary Disease Bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính

ERS European Respiratory Society Hội Hô hấp Châu Âu ERV Expiratory Reserve Volume Thể tích dự trữ thở ra

FEF Forced Expiratory Flow Lưu lượng thở gắng sức

FEV1 Forced Expiratory Volume

during the first seconds Thể tích thở tối đa giây đầu tiên

FOT Forced Oscillation Technique Kỹ thuật dao động cưỡng bức

FRC Functional Residual Capacity Dung tích cặn chức năng

động xung

FVC Forced Vital Capacity Dung tích sống gắng sức

IC Inspiratory Capacity Dung tích dự trữ hít vào

IRV Inspiratory Reserve Volume Thể tích dự trữ hít vào MEF Maximal Expiratory Flow Lưu lượng thở tối đa

NHANES III The third National Health and Nutrition Examination Survey

Khảo sát quốc gia về sức khỏe và dinh dưỡng lần thứ ba của Mỹ

SVC Slow Vital Capacity Dung tích sống chậm

TLC Total Lung Capacity Dung tích toàn phổi

WHO World Health Organization Tổ chức y tế thế giới

X5;10;15;20 Độ đàn hồi của phổi đo ở các tần số 5;10;15;20 Hz

dao động xung

CHƯƠNG 1: MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.1 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

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

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

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

1.2 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

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1 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 Cơ thể đa bào, đặc biệt với cấu trúc phức tạp như cơ thể con người thì các tế bào không thể trao đổi trực tiếp Oxy và CO2 với môi trường bên ngoài, mà chúng phải thông qua một bộ máy chuyên biệt để cung cấp Oxy và đào thải CO2, đó là bộ máy hô hấp Bộ máy hô hấp của người bao gồm đường dẫn khí, phổi, lồng ngực và các cơ hô hấp Chức năng hô hấp bao gồm chức năng thông khí, vận chuyển khí và hô hấp tế bào Rối loạn chức năng của một bộ phận nào của bộ máy hô hấp đều có thể dẫn đến những quá trình bệnh lý khác nhau [3][4]

2.1.1 Đường dẫn khí

Đường dẫn khí gồm có mũi hoặc miệng, sau đó đến hầu (họng), thanh quản, khí quản, phế quản, các tiểu phế quản, đến các tiểu phế quản tận là các tiểu phế quản ở trước ống phế nang, đến các túi phế nang và các phế nang Mũi, miệng, hầu và thanh quản được xếp là đường hô hấp trên Đường hô hấp dưới bắt đầu từ khí quản đến phế quản và các tiểu phế quản

Hình 2.1: Cấu tạo hệ hô hấp [4]

Để có thể xác định được vị trí giải phẫu và ứng dụng lâm sàng khi soi phế quản, đường hô hấp dưới được chia thành các thế hệ (các mức hoặc các đoạn) Thế hệ số không của đường hô hấp dưới là khí quản, sau đó hai phế quản gốc trái và phải được xếp là thế hệ thứ nhất, tiếp theo ở mỗi một bên của phổi cứ mỗi lần phế quản và các tiểu phế quản phân chia là một thế hệ Có từ hai mươi đến hai mươi ba thế hệ trước khi đến phế nang [1][2]

Hình 2.2: Các đoạn trong đường dẫn khí dưới [4]

Đường dẫn khí dưới được phủ một lớp biểu mô lát mặt trong, có xen kẽ các tuyến tiết nhày và tiết nước, phía trên lớp biểu mô có hệ thống lông mao luôn luôn chuyển động theo hướng về phía hầu Các tuyến ở lớp biểu mô luôn tiết dịch nhày và có tác dụng làm bám dính các hạt bụi, vi khuẩn

Chức năng của đường dẫn khí:

- Chức năng dẫn khí: Chức năng dẫn khí là chức năng quan trọng của đường dẫn khí, chức năng dẫn khí chỉ được thực hiện tốt khi đường dẫn khí được thông thoáng Để đánh giá mức độ thông thoáng của đường dẫn khí chúng ta có thể đo sức cản của đường dẫn khí

- Chức năng bảo vệ: Chức năng bảo vệ được thực hiện ngay từ khi không khí đi qua đường mũi Hệ thống lông mũi có tác dụng cản các hạt bụi to và chỉ có những hạt bụi có kích thước < 5mm (còn gọi là bụi hô hấp) mới vào được đến phế nang Lớp dịch nhày và sự chuyển động của hệ thống lông mao trên bề mặt các biểu mô lát mặt trong đường dẫn khí có tác dụng bám dính các hạt bụi, vi khuẩn và đẩy chúng ra ngoài

- Chức năng làm ấm và bão hoà hơi nước của không khí khi hít vào: Đặc điểm cấu trúc của đường hô hấp trên và đường hô hấp dưới có tác dụng làm cho không khí hít vào được sưởi ấm lên đến nhiệt độ của cơ thể là 37oC và được bão hoà hơi nước nhờ hệ thống mao mạch phong phú của đường dẫn khí và nhờ có các tuyến tiết nước, tiết nhày trong lớp biểu mô lát mặt trong đường dẫn khí [3]

2.1.2 Phổi - phế nang

Phổi nằm trong lồng ngực, gồm có phổi phải và phổi trái, đơn vị cấu tạo cuối cùng của phổi là các phế nang Phế nang là đơn vị cấu tạo cuối cùng của phổi và nó là đơn vị chức năng thực hiện quá trình trao đổi khí Phế nang được các mao mạch phổi bao bọc như một mạng lưới Mỗi phế nang như một cái túi nhỏ rất mỏng manh, nhận không khí từ nhánh tận cùng của cây phế quản là các ống phế nang Từ các ống phế nang có các túi phế nang và đến các phế nang Ở người có khoảng 300 triệu phế nang và có diện tích tiếp xúc giữa phế nang và mao mạch là khoảng 70-120m2 tuỳ theo thì hô hấp là thở ra hay hít vào [3]

Hình 2.3: Cấu tạo các thùy của phổi [4]

Phế nang được cấu tạo gồm một lớp biểu mô phế nang, trên bề mặt của lớp biểu mô phế nang có phủ một lớp dịch là chất hoạt diện còn được gọi là lớp surfactant có khả năng thay đổi được sức căng bề mặt trong các phế nang Lớp biểu mô phế nang có hai loại tế bào

- Tế bào phế nang nhỏ hay còn gọi là tế bào phế nang typ I Tế bào phế nang nhỏ có cấu tạo phần bào tương trải dài ra theo thành phế nang Tế bào phế nang nhỏ là tế bào lót nguyên thuỷ của phế nang, nó mẫn cảm với mọi đột nhập có hại vào phế nang

- Tế bào phế nang lớn hay còn gọi là tế bào phế nang typ II Tế bào phế nang lớn thường đứng thành cụm từ 2 đến 3 tế bào đứng cạnh nhau Trong bào tương của tế bào phế nang lớn, khi nghiên cứu dưới kính hiển vi điện tử người ta thấy chúng có hai loại khác nhau: Loại tế bào phế nang lớn trong bào tương có nhiều ty thể và loại tế bào phế nang lớn trong bào tương có nhiều lysosom Người ta cho rằng đây là hai giai đoạn hoạt động và phát triển của tế bào phế nang lớn Tế bào phế nang lớn có khả năng bài tiết ra chất hoạt diện

Các phế nang có thành phế nang hay còn gọi là lớp màng đáy phế nang Lớp màng này tiếp xúc với mô liên kết nằm ở các khoảng kẽ giữa các phế nang hoặc tiếp xúc trực tiếp với thành mao mạch phế nang Nơi tiếp giáp giữa phế nang và mao mạch là nơi xảy ra quá trình trao đổi khí giữa phế nang và mao mạch và còn được gọi là màng hô hấp là đơn vị trực tiếp xảy ra quá trình trao đổi khí [3]

2.1.3 Màng hô hấp

Màng hô hấp là đơn vị hô hấp của phế nang, nơi tiếp xúc giữa phế nang và mao mạch và là nơi trực tiếp xảy ra quá trình trao đổi khí Nghiên cứu dưới kính hiển vi điện tử, màng hô hấp có cấu tạo gồm 6 lớp Từ phế nang đến mao mạch có các lớp sau:

- Lớp chất hoạt diện (lớp surfactant) là lớp dịch phủ trên lớp biểu mô phế nang có khả năng thay đổi được sức căng bề mặt trong lòng phế nang Thành phần chính của lớp surfactant là các phospholipid và do tế bào phế nang lớn tiết ra

- Lớp biểu mô phế nang có tế bào phế nang nhỏ và tế bào phế nang lớn

- Lớp màng đáy phế nang là thành phế nang lót ở dưới lớp biểu mô phế nang tiếp giáp với lớp liên kết hoặc trực tiếp với lớp màng đáy mao mạch, nó được cấu tạo bởi lớp chất tạo keo

- Lớp liên kết hoặc còn gọi là lớp khoảng kẽ có các sợi liên kết, sợi chun, đôi khi người ta bắt gặp xác của các đại thực bào ăn mỡ hoặc ăn bụi trong lớp liên kết này

- Lớp màng đáy mao mạch, nó là thành mao mạch, là lớp lót dưới nội mạc mao mạch và cũng được cấu tạo bởi lớp chất tạo keo

- Lớp nội mạc mao mạch được cấu tạo bởi các tế bào nội mạc và nó có cấu tạo giống như các tế bào phế nang nhỏ

Hình 2.4: Cấu tạo màng hô hấp [3]

Màng hô hấp tuy được cấu tạo bởi 6 lớp nhưng nó rất mỏng, bề dày trung bình của màng hô hấp chỉ vào khoảng 0,6mm, có chỗ chỉ khoảng 0,2mm Ở người trưởng thành diện tích của màng hô hấp trong khoảng 50-100m2 và lượng máu chứa trong hệ mao mạch phổi khoảng 60-140mL Đường kính mao mạch chỉ khoảng 5mm trong khi đó đường kính hồng cầu khoảng 7,5mm, do đó khi đi qua mao mạch hồng cầu phải tự kéo dài ra mới đi lọt, tạo điều kiện cho quá trình khuếch tán khí được dễ dàng

2.1.4 Lồng ngực

Lồng ngực là một buồng hoàn toàn kín chứa phổi và tim là hai cơ quan chính ở bên trong lồng ngực, xung quanh là khung xương bao bọc, phía trên có các cơ và mô liên kết ở vùng cổ, phía dưới có cơ hoành ngăn cách với ổ bụng Cơ hoành có hai vòm và được cấu tạo bởi các sợi cơ vân Thành lồng ngực có xương ức ở phía trước, 12 đôi xương sườn, các cơ liên sườn và các mô liên kết làm cho thành lồng ngực có tính đàn hồi, phía sau có cột

sống gồm các đốt xương sống Lồng ngực có tính đàn hồi và có khả năng thay đổi kích thước lồng ngực trong một giới hạn nhất định nhờ hoạt động của các cơ hô hấp

2.1.5 Áp suất âm và cơ chế tạo áp suất âm trong khoang màng phổi

Màng phổi có hai lá là lá thành và lá tạng được tạo thành bởi một lớp mô liên kết xơ mỏng trong đó có những tế bào sợi và đại thực bào, những bó sợi chun chạy dọc theo các hướng khác nhau và được lợp bởi một lớp trung biểu mô

Lá thành bao mặt trong của thành ngực và cơ hoành, lá tạng bao bọc mặt ngoài phổi, chúng áp sát nhau và liên tục với nhau ở rốn phổi Giữa hai lá có một ít dịch mỏng tạo cho chúng dễ trượt lên nhau và cũng khó tách rời nhau Màng phổi có nhiều mao mạch máu và mao mạch bạch huyết Lá thành của phổi có một số sợi thần kinh chi phối có nguồn gốc từ các dây thần kinh hoành và thần kinh liên sườn Lá tạng có các nhánh của thần kinh giao cảm và phó giao cảm Lá thành và lá tạng liên tiếp nhau tạo thành một khoang gọi là khoang màng phổi và là một khoang ảo vì bình thường giữa lá thành và lá tạng không có một khoảng trống nào mà chúng áp sát vào nhau với một lớp dịch rất mỏng Trong một số trường hợp bệnh lý làm cho lá tạng và lá thành tách rời nhau, giữa chúng tạo thành khoang thực chứa khí hoặc chứa dịch như trong các trường hợp tràn dịch, tràn khí màng phổi

Áp suất trong khoang màng phổi thấp hơn áp suất khí quyển được gọi là áp suất âm trong khoang màng phổi Áp suất âm trong khoang màng phổi có thể đo được bằng cách đo trực tiếp hoặc gián tiếp

Mô phổi có tính đàn hồi do đó theo tính chất vật lý của các sợi đàn hồi thì nếu càng bị kéo căng ra thì lực đàn hồi co lại càng lớn Phổi ở thì hít vào bị căng giãn ra do đó có xu hướng co về phía rốn phổi Phổi càng giãn nở to thì lực đàn hồi co về phía rốn phổi càng lớn trong khi đó lồng ngực được coi là một bình kín và cứng tuy có khả năng đàn hồi nhưng nhỏ hơn rất nhiều so với mô phổi Ở thì hít vào lồng ngực tăng kích thước, lá thành bám sát vào thành ngực còn lá tạng áp sát vào phổi, do tính chất đàn hồi của phổi lá tạng có xu hướng tách ra khỏi lá thành làm cho thể tích trong khoang ảo của màng phổi tăng lên Theo định luật vật lý, trong một bình kín nếu nhiệt độ không thay đổi, áp suất trong bình sẽ giảm khi thể tích của bình tăng lên Chính vì lý do trên nên khi thể tích của khoang ảo màng phổi có xu hướng tăng lên thì áp suất trong khoang ảo sẽ giảm xuống làm cho áp suất trong khoang màng phổi đã âm lại càng âm hơn Khi phổi càng nở ra ở thì hít vào thì lực đàn hồi

co lại của phổi càng lớn và làm cho áp suất càng âm Khi phổi càng thu nhỏ lại ở thì thở ra thì áp suất sẽ bớt âm hơn do lực đàn hồi co lại về phía rốn phổi giảm xuống, lá tạng giảm bớt lực co tách khỏi lá thành và thể tích của khoang ảo dần trở về trạng thái ban đầu

Để giải thích cơ chế áp suất âm trong khoang màng phổi người ta còn dựa vào sự tăng trưởng kích thước của lồng ngực ở đứa trẻ sau khi sinh, kích thước của lồng ngực thường tăng nhanh hơn phổi vì thế khiến cho thành ngực và đi liền với nó là lá thành có xu thế tách khỏi mặt ngoài của phổi tức là tách khỏi lá tạng vì lá tạng áp sát mặt ngoài của phổi Mặt khác áp suất khí quyển thông qua đường dẫn khí tác động vào các phế nang luôn làm phổi nở thêm và bám sát theo thành ngực Do tính chất đàn hồi của mô phổi nên phổi lại có xu hướng co nhỏ lại không theo độ nở của thành ngực Sự co kéo ngược chiều nhau (lồng ngực nở to ra, mô phổi co nhỏ lại) đã tạo ra áp suất âm trong khoang màng phổi Một yếu tố nữa góp phần tạo áp suất âm trong khoang màng phổi là dịch màng phổi được bơm liên tục vào các mạch bạch huyết

Tính chất đàn hồi của phổi và lồng ngực là yếu tố chính tạo nên áp suất âm trong khoang màng phổi

- Ở cuối thì thở ra bình thường áp suất âm trong khoang màng phổi khoảng -4 mmHg - Ở cuối thì hít vào bình thường áp suất âm trong khoang màng phổi khoảng -7 mmHg - Khi hít vào hết sức áp suất âm trong khoang màng phổi có thể xuống tới -30 mmHg - Khi thở ra hết sức áp suất âm trong khoang màng phổi còn khoảng -1 mmHg

Áp suất âm trong khoang màng phổi có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong sinh lý học hô hấp và tuần hoàn:

- Áp suất âm trong khoang màng phổi làm cho phổi dễ dàng nở ra bám sát với thành ngực làm cho lá tạng luôn dính sát vào lá thành, làm cho phổi đi theo các cử động của lồng ngực một cách dễ dàng

- Áp suất âm trong khoang màng phổi làm cho lồng ngực có áp suất thấp hơn các vùng khác nên máu về tim dễ dàng và máu lên phổi dễ dàng, làm nhẹ gánh cho tim phải

- Áp suất âm trong khoang màng phổi làm cho hiệu suất trao đổi khí đạt được cao nhất vì khi hít vào không khí vào phổi nhiều nhất là lúc áp suất âm nhất và máu về phổi nhiều nhất tạo nên sự trao đổi khí tốt nhất nhờ sự tương đồng giữa thông khí và tưới máu phổi [3]

2.2 Các thể tích, dung tích hô hấp và lưu lượng thở

2.2.1 Các giá trị thể tích:

- Thể tích khí lưu thông (Tidal Volume - TV):

Thể tích khí lưu thông là thể tích khí lưu chuyển trong một lần hít vào hoặc thở ra thông thường Để đo thể tích khí lưu thông đối tượng đo thở ra hít vào bình thường, sẽ ghi được đồ thị thể tích khí lưu thông Ở người trưởng thành, bình thường thể tích khí lưu thông khoảng 400-500mL, nó chiếm khoảng 12% thể tích của dung tích sống Thể tích lưu thông ở nam cao hơn ở nữ và giảm ở người già Thể tích khí lưu thông trừ thể tích khoảng chết, phần còn lại thường xuyên được trộn lẫn với khí cặn, khí dự trữ, tất cả khoảng 3000mL để làm đổi mới không khí phế nang Như vậy mỗi lần hít vào có 1/10 lượng không khí phế nang được đổi mới, ta gọi 1/10 này là tỷ số thông khí

- Thể tích dự trữ hít vào (Inspiratory Reserve Volume - IRV):

Thể tích dự trữ hít vào là thể tích khí thu được khi cố gắng hít vào hết sức sau thì hít vào thông thường Thể tích này khoảng từ 1500 – 2000mL Thể tích dự trữ hít vào còn được gọi là dung lượng dự trữ hít vào hoặc thể tích khí bổ túc Bình thường thể tích dự trữ hít vào chiếm khoảng 56% thể tích của dung tích sống Đo IRV bằng cách cho đối tượng hít vào hết sức sau khi hít vào thông thường

- Thể tích dự trữ thở ra (Expiratory Reserve Volume- ERV):

Thể tích dự trữ thở ra là thể tích khí thu được khi cố gắng thở ra hết sức sau thì thở ra thông thường Thể tích này khoảng 1100 - 1500mL Bình thường thể tích dự trữ thở ra còn được gọi là dung lượng dự trữ thở ra hay lượng khí dự trữ của phổi Đo ERV bằng cách cho đối tượng thở ra hết sức sau khi thở ra bình thường

- Thể tích khí cặn (Residual Volume - RV):

Thể tích khí cặn là thể tích khí còn lại trong phổi sau khi đã thở ra hết sức Bình thường thể tích khí cặn khoảng 1000 - 1200mL Thể tích khí cặn cùng với thể tích dự trữ thở ra pha trộn với không khí lưu thông thu được sau một lần hít vào thông thường làm đổi mới không khí phế nang Thể tích khí cặn tăng lên làm cho tỷ số thông khí giảm, khả năng đổi mới thành phần khí phế nang giảm Để đo thể tích khí cặn chúng ta có thể sử dụng phương pháp đo theo nguyên tắc pha loãng khí hay sử dụng phế thân ký

- Thể tích thở tối đa giây đầu tiên – FEV1:

Là thể tích khí lớn nhất có thể thở ra được trong một giây đầu tiên Trên một người bình thường FEV1chiếm khoảng 75% dung tích sống Tỷ số % được gọi là tỷ số Tiffeneau Tỷ số này giảm khi FEV1 giảm Chỉ số này đánh giá khả năng làm việc của phổi, mức độ thun giãn của phổi, lồng ngực và cơ hoành cũng như độ thông thoáng của đường hô hấp

- Thông khí phút (ký hiệu là VE – Minute Volume):

Thông khí phút là lưu lượng khí thở được trong một phút lúc nghỉ ngơi Thông khí phút được tính bằng cách lấy thể tích khí lưu thông nhân với tần số thở (f) trong một phút:

- Thông khí tự ý tối đa (Maximal Volumtary Ventilation - MVV):

Là lượng khí tối đa có thể huy động được trong một phút, đánh giá khả năng hô hấp trong lao động nặng, thể thao hoặc tình trạng gắng sức khác, đồng thời nó cũng đánh giá khả năng dự trữ hô hấp, tính đàn hồi của phổi [3]

Người Việt Nam bình thường ở tuổi trưởng thành có dung tích sống 3,5 - 4 lít với nam giới; 2,5 - 3 lít với nữ giới Nó phụ thuộc vào tuổi, giới, chiều cao Ở người già dung tích sống giảm, ở nam giới dung tích sống cao hơn ở nữ giới VC có thể tăng lên nhờ luyện

tập và giảm nhiều ở một số bệnh phổi hay ngực như tràn dịch màng phổi, u phổi, gù, vẹo lồng ngực…

- Dung tích sống gắng sức (Forced Vital Capacity- FVC):

Dung tích sống gắng sức là thể tích khí thu được do hít vào thật hết sức rồi thở ra thật nhanh, thật mạnh và thật hết sức Cách đo FVC cũng giống như đo VC chỉ khác là khi thở ra hết sức phải thở thật nhanh, thật mạnh và thật hết sức Người bình thường FVC và VC bằng nhau, sự khác biệt không có ý nghĩa thống kê Tuy nhiên, ở những người có tắc nghẽn đường thở, FVC giảm rõ rệt và là biểu hiện sớm của rối loạn thông khí tắc nghẽn Trong các đánh giá và điều tra ở cộng đồng, chỉ số FVC được sử dụng để tiến hành các nghiên cứu dịch tễ học nhằm phát hiện sớm các biến đổi về CNTKP

- Dung tích dự trữ hít vào (Inspiratory Capacity- IC):

Dung tích hít vào là số lít khí hít vào tối đa kể từ vị trí cuối thì thở ra bình thường, bao gồm thể tích khí lưu thông và thể tích khí dự trữ hít vào:

Dung tích hít vào thể hiện khả năng hô hấp thích ứng với nhu cầu cung cấp O2 tăng lên của cơ thể Bình thường dung tích hít vào khoảng 2000 – 2500mL Đo IC bằng cách hít vào hết sức sau khi thở ra bình thường

- Dung tích cặn chức năng (Functional Residual Capacity- FRC):

Dung tích cặn chức năng là số lít khí có trong phổi cuối thì thở ra bình thường, bao gồm thể tích khí cặn và dự trữ thở ra:

Bình thường thể tích này khoảng 2000mL đến 3000mL Dung tích cặn chức năng có ý nghĩa quan trọng vì chính thể tích khí này được pha trộn với lượng không khí mới hít vào và hỗn hợp khí sau khi đã pha trộn này sẽ trao đổi với máu Dung tích cặn chức năng càng lớn thì khí hít vào bị pha trộn càng nhiều, nồng độ O2 ở đó càng thấp, cường độ trao đổi khí với máu càng nhỏ, không có lợi cho cơ thể Dung tích cặn chức năng tăng lên trong một số bệnh gây khí phế thủng phổi, hoặc giãn phế nang như trong bệnh hen phế quản, bệnh bụi phổi ở giai đoạn nặng

- Dung tích toàn phổi (Total Lung Capacity – TLC):

Dung tích toàn phổi là toàn bộ số lít khí có trong phổi sau khi hít vào tối đa, bao gồm dung tích sống và thể tích khí cặn:

Bình thường dung tích toàn phổi khoảng 5 lít, thể hiện khả năng chứa đựng của phổi Đây là một thông số quan trọng để đánh giá rối loạn chức năng thông khí hạn chế [3]

2.2.3 Các lưu lượng thở:

Lưu lượng thở là số lượng thể tích khí được huy động trong một đơn vị thời gian Đơn vị là lít trong một phút (lít/phút) hoặc lít trong một giây (lít/giây) Lưu lượng thở nói lên khả năng hay tốc độ huy động khí đáp ứng nhu cầu cơ thể và sự thông thoáng của đường dẫn khí

- Lưu lượng tối đa trung bình trong một khoảng nhất định của FVC:

Thường được ký hiệu là FEF (Forced Expiratory Flow) hoặc MEF (Maximal Expiratory Flow) cùng với khoảng phần trăm của FVC đã thở ra

+ FEF 0,2-1,2: Lưu lượng tính từ điểm 0,2 lít đến điểm 1,2 lít khí đã thở ra Thông số này gần đây ít được quan tâm hơn, người ta cho rằng nó biến động nhiều theo từng cá nhân khiến cho ranh giới giữa số bình thường và số rối loạn chức năng không rõ ràng Là lưu lượng trung bình thở ra ở quãng đầu của FVC, đánh giá mức độ thông thoáng của phế quản lớn

+ FEF 25-75 hoặc MMEF (Maximal Mid Expiratory Flow ) : Đó là lưu lượng trung bình được tính từ điểm 25% đến điểm 75% của FVC Như vậy là đúng một nửa của FVC và là nửa ở vị trí giữa của FVC Thông số này ngày càng được quan tâm vì là một thông số nhạy và sớm, giúp phát hiện rối loạn thông khí tắc nghẽn ở giai đoạn đầu, khi triệu chứng tắc nghẽn còn dễ chữa và dễ hồi phục chức năng, ở giai đoạn này các phế quản lớn chứa cơ hẹp, mới co các ống thở nhỏ ở ngoại vi đường kính dưới 2mm

Hình 2.5: Giá trị FEF 25-75 hoặc MMEF (Maximal Mid Expiratory Flow ) trong

khảo sát lưu lượng thở [5]

- Lưu lượng tức thời tại một điểm xác định của FVC:

Thường được ký hiệu là FEF đi cùng với một số % thể tích của FVC đã thở ra hoặc MEF đi cùng với số % thể tích của FVC còn lại trong phổi Chúng ta có các giá trị:

+ Lưu lượng đỉnh (Peak Expiratory Flow - PEF hay Peak Flow - PF): Lưu lượng đo tại điểm bắt đầu thở ra gắng sức sau khi đã hít vào hết sức Bình thường, PEF có giá trị gần bằng dung tích toàn phổi và nó phụ thuộc rất nhiều vào khả năng gắng sức của đối tượng Ngày nay người ta sử dụng các lưu lượng đỉnh kế để các bệnh nhân hen có thể đo PEF thường xuyên ở nhà nhằm phát hiện các dấu hiệu sớm của các cơn hen

+ FEF 25 hoặc MEF 75: Lưu lượng thở ra tại vị trí còn lại 75% hoặc 25% của FVC, đánh giá mức độ thông thoáng của các phế quản lớn

+ FEF 50 hoặc MEF 50: Lưu lượng thở ra tại vị trí còn lại 50% của FVC, đánh giá mức độ thông thoáng của các phế quản vừa

+ FEF 75 hoặc MEF 25: Lưu lượng thở ra tại vị trí còn lại 25% của FVC, đánh giá mức độ thông thoáng của các phế quản nhỏ [3]

Bảng 2.1: Các giá trị thể tích / dung tích hô hấp trung bình ở người khỏe mạnh [6]

Thể tích / dung tích hô hấp

Giá trị trung bình ở người bình thường

(mL)

Thể tích khí lưu thông (Tidal Volume - TV) 400 – 600

Dung tích toàn phổi (Total Lung Capacity - TLC) 5000 – 6500

Dung tích sống (Vital Capacity – VC) 4200 – 4800

Dung tích dự trữ hít vào (Inspiratory Capacity- IC) 3600 – 4300

Thể tích dự trữ thở ra (Expiratory Reserve Volume- ERV) 950 – 1300

Thể tích dự trữ hít vào (Inspiratory Reserve Volume -

Dung tích cặn chức năng (Functional Residual Capacity-

Thể tích khí cặn (Residual Volume - RV) 1200 - 1700

2.3 Phương pháp đo hô hấp ký

2.3.1 Khái quát phương pháp đo hô hấp ký

Phép đo hô hấp ký (phế dung ký) là một xét nghiệm sinh lý bằng cách đo thể tích và lưu lượng không khí hít vào hoặc thở ra theo thời gian Tuy không trực tiếp đưa ra kết quả nhưng nó là một công cụ hữu hiệu kết hợp cùng với các xét nghiệm cận lâm sàn và chẩn đoán hình ảnh Đây được xem là một bài kiểm tra sàng lọc cơ bản giống như đo huyết áp trong điều trị tim mạch hay đo đường huyết trong chẩn đoán tiểu đường

Các trường hợp chỉ định tiến hành đo hô hấp ký:

- Lượng giá các triệu chứng, dấu hiệu lâm sàng hay các xét nghiệm cận lâm sàng bất thường

- Đo ảnh hưởng của bệnh lên chức năng hô hấp

- Khám phát hiện trên các đối tượng có nguy cơ cao

- Lượng giá nguy cơ trước khi phẫu thuật

- Lượng giá sức khỏe trước khi tập luyện

- Lượng giá mức độ thương tật

Từ kết quả đo các giá trị thể tích, dung tích hô hấp và lưu lượng thở được ghi nhận lại sau đó được so sánh với các giá trị chuẩn được xây dựng trước Các giá trị chuẩn này được tính dựa trên độ tuổi, chiều cao, giới tính và chủng tộc

2.3.2 Các dạng đồ thị trong phép đo hô hấp ký - Đồ thị thể tích - thời gian:

Đồ thị thể hiện sự biến thiên thể tích theo thời gian Qua phân tích đồ thị cho ta biết nhiều thông số hô hấp quan trọng, bao gồm các giá trị thể tích và các giá trị dung tích

Hình 2.6: Đồ thị thể tích theo thời gian cùng với các thông số hô hấp [5]

- Đồ thị lưu lượng - thời gian:

Đây là đồ thị thể hiện sự biến thiên thể tích theo thời gian Thường được hiển thị cùng với đồ thị lưu lượng theo thời gian để người giám sát thực hiện quan sát suốt quá trình đo, thể hiện tính hợp tác của bệnh nhân và độ tin cậy của kết quả

Hình 2.7: Tương quang đồ thị lưu lượng theo thời gian và đồ thị thể tích theo thời gian

[7]

- Đồ thị lưu lượng - thể tích:

Được xem là đồ thị điển hình của phép đo phế dung ký Từ việc phân tích đồ thị này ta có thể phân loại tình trạng của bệnh nhân thuộc hội chứng phổi tắc nghẽn, phổi hạn chế hay phổi hỗn hợp, là tắc nghẽn đường dẫn khí lớn hay đường dẫn khí nhỏ…

Hình 2.8: Đồ thị lưu lượng theo thể tích [5]

2.3.3 Các yêu cầu đối với phép đo hô hấp ký

Các yêu cầu về mặt kỹ thuật đối với thiết bị đo:

- Thiết bị đo phế dung phải có khả năng tích lũy thể tích trong 15s (thời gian dài hơn được khuyến nghị) và độ chính xác thấp nhất là ± 0.05 L, với phạm vi lưu lượng từ 0 - 14L.s-1

- Tổng trở kháng không khí của thiết bị phải ≤ 1.5 cmH2O.s.L-1 Một số thiết bị có thể thay đổi trở kháng do sự ngưng tụ hơi nước Độ chính xác phải được đáp ứng trong điều kiện đo diễn tập tám lần FVC, liên tiếp trong thời gian 10 phút

- Đồ thị lưu lượng theo thời gian và thể tích theo thời gian phải được hiển thị đồng thời khi tiến hành đo

- Khi đo FEV, các giá trị trong khoản thời gian 1s trước khi tiến hành và 2s sau khi kết thúc cần phải được ghi nhận

- MVV thông khí tự ý tối đa (12s đến 15s ở người bình thường) đơn vị L.min-1 Đáp ứng tần số (± 10%) từ 0 đến 4Hz và lưu lượng lớn hơn 12L.s-1 [8]

Các yêu cầu trong trình bày một báo cáo đo phế dung ký:

Các đường cong lưu lượng - thời gian, thể tích – thời gian, và lưu lượng - thể tích phải tuân theo các chuẩn hiển thị như trong bảng [8]

Bảng 2.2: Tiêu chuẩn hiển thị cho các giá trị lưu lượng, thể tích và thời gian [8]

Độ phân giải Độ chia Độ phân giải Độ chia

Lưu lượng 0.200L.s-1 2.5mm.L-1.s-1 0.100L.s-1 5mm.L-1.s-1

Các yêu cầu trong việc hiệu chuẩn thiết bị:

Phế dung kế phải được hiệu chuẩn bằng 1 bơm cơ học có độ chính xác 15mL hoặc ± 0.5% trên tổng thể tích (15mL cho bơm 3L)

Hệ thống được hiệu chuẩn thể tích hằng ngày bằng bơn 3L Sự rò rỉ phải được phát hiện bằng cách sử dụng một áp suất dương ≥ 3.0 cmH2O (0.3 kPa) nếu thể tích hao hụt ≥ 30mL sau 1 phút là rò rỉ và cần được sửa chữa

Liên quan đến độ chính xác của lưu lượng, kiểm tra hiệu chuẩn phải được thực hiện mỗi ngày, bằng cách sử dụng ống bơm 3L bơm ít nhất ba lần để tạo ra các lưu lượng khác nhau đi từ 0.5 đến 12L.s-1 (thời gian tiêm cho bơm 3L để tạo dòng chảy chậm là trên 6s, để tạo dòng chảy trung bình là từ 6 dến 0.5s và dòng chảy cao là <0.5s) Các giá trị thể tích thu nhận ứng với các giá trị lưu lượng trên phải có độ chính xác ±3.5% [9] [10]

2.4 Phương pháp đo dao động xung ký

2.4.1 Khái quát phương pháp đo dao động xung ký

Phép đo phế dung ký và phế thân ký chỉ mới được ứng dụng trong y học gần đây, bắt đầu được sử dụng vào giữa thế kỷ 20, nhờ vào những tiến bộ trong kỹ thuật cảm biến và đo lường sinh hiệu Trên nền tảng kỹ thuật này đã hình thành một phương pháp mới để chẩn đoán chức năng phổi, phương pháp này được gọi là kỹ thuật dao động cưỡng bức (FOT) FOT có sự khác biệt cơ bản so với phép đo phế dung ký và phế thân ký ở chỗ nó không yêu cầu đối tượng đo phải hợp tác một cách tích cực trong quá trình đo lường Thay vào đó, tín hiệu kích thích được áp vào phổi dưới dạng các dao động áp suất được đưa vào qua đường dẫn khí (ví dụ: mũi và/hoặc miệng ở đối tượng bình thường hoặc đường mở khí quản ở bệnh nhân thở máy) sau đó các tín hiệu phản hồi được định lượng và phân thích Các thông số sinh lý lại được giải thích qua các thuật ngữ kỹ thuật và vật lý, đây là điểm khá xa lạ với nhiều người trong lĩnh vực sinh học và y tế Điều này có thể giải thích tại sao FOT chỉ mới bắt đầu được chấp nhận như một kỹ thuật đánh giá lâm sàng về chức năng phổi

Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là đối tượng không cần gắng sức như hô hấp ký Khi đo các chức năng hô hấp bằng phương pháp hô hấp ký người bệnh cần gắng sức nên có thể là một trở ngại gây khó khăn cho nhóm những bệnh nhân lớn tuổi hay có các bệnh lý nặng Trong những trường hợp này thì phương pháp dao động cưỡng bức chiếm ưu thế hơn, vì khi đó người bệnh không cần phải gắng sức

Mặt khác phép đo dao động cung cấp một mô tả chi tiết về mối quan hệ giữa áp suất và lưu lượng trên các tần số rời rạc Điều này cung cấp cái nhìn sâu hơn về sức cản và phản ứng của hệ hô hấp so với phương pháp đo phế dung thông thường

IOS đã được Hội Hô hấp Châu Âu (European Respiratory Society – ERS) xem là một phương pháp thăm dò chức năng hô hấp thường quy cho cả trẻ em và người lớn Năm 2006 Hội Lồng ngực Hoa Kỳ (American Thoracic Society – ATS) cùng với ERS đã viết hướng dẫn thăm dò chức năng hô hấp ở trẻ mẫu giáo trong đó có giới thiệu IOS

Dao động lần đầu tiên được sử dụng để định lượng hành vi cơ học của hệ hô hấp bởi Dubois et al vào năm 1956 Phương pháp tiếp cận thường được gọi là kỹ thuật dao động cưỡng bức (FOT), trong đó các đặc điểm của đường thở dưới dạng trở kháng được theo dõi bằng cách sử dụng sóng âm thanh có tần số khác nhau Đã có một số sửa đổi trong FOT trong 6 thập kỷ qua liên quan đến cấu hình, loại dao động, tần số và đánh giá các thông số đường thở Một sự phát triển như vậy, được biết đến là phương pháp đo dao động xung (IOS), đã được ông bố bởi Michaelson và cộng sự vào năm 1975 Trong kỹ thuật này tín hiệu kích thích là một xung bao gồm nhiều tần số khác nhau tại cùng một thời điểm [7] [11] [12]