Khảo sát và thiết kế thiết bị đo nồng độ oxy bão hoà trong máu bằng phương pháp quang học

Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - HUỲNH HOÀI PHONG KHẢO SÁT VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ OXY BÃO HÒA TRONG MÁU BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2004 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN MINH THÁI Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2004 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày tháng năm 200 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : HUỲNH HOÀI PHONG Phái : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 14 -02-1977 Nơi sinh : Bình Định Chuyên ngành : NGÀNH KỸ THUẬT LASER MSHV : KTLS – 1307 TÊN ĐỀ TÀI : KHẢO SÁT VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ OXY BÃO HÒA TRONG MÁU BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : Nhiệm vụ: Khảo sát thiềt kế thiết bị đo nồng độ oxy bão hòa máu Nội dung công việc thực hiện: • Khảo sát trình trao đổi khí phổi tế bào • Các phương pháp đo nồng độ oxy máu • Phương pháp đo nồng độ oxy bão hòa máu thông qua mạch đập • Thiết kế máy đo • Thuật tóan xử lý tín hiệu • Chuẩn hóa • Đánh giá sai số nguồn sai số ảnh hưởng đến kết đo III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/10/2004 V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS TRẦN MINH THÁI CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS.TS TRẦN MINH THÁI Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày tháng năm 2004 PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn thầy cô phòng thí nghiệm Công nghệ Laser trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, suốt hai năm qua tận tình giúp đỡ cung cấp kiến thức quan trọng quang học nói chung kỹ thuật laser nói riêng Cũng ứng dụng chúng vào nghiên cứu khoa học đặc biệt đạt thành tựu to lớn áp dụng quang châm laser cho điều trị người Để hoàn thành luận văn cao học xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy PGS, TS Trần Minh Thái, TS, Đinh Sơn Thạch trực tiếp hướng dẫn, cung cấp kiến thức tài liệu vô q báu Bên cạnh xin chân thành cảm ơn thầy cô phòng thí nghiệm vật lý laser bạn học viên cao học khóa 13 nhiệt tình giúp đỡ học tập đóng góp ý kiến thiết thực cho việc hòan tất luận văn Tuy nhiên có hạn chế mặt công nghệ, thời gian kiến thức đặc biệt khan tài liệu tham khảo cho lónh vực Cho nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Hi vọng luận văn cải thiện tốt cho quan tâm đến LỜI CAM ĐOAN Công trình thực phòng thí nghiệm Công nghệ laser Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Tôi xin cam đoan kết công trình thực chưa công bố nơi khác MỤC LỤC PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO OXY TRONG ĐỘNG MẠCH 1.2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI PHẦN 2: TỔNG QUAN 2.1 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH HẤP THỤ VÀ TRAO ĐỔI OXY TRONG MÁU 2.1.2 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH THÔNG KHÍ 2.1.3 CÁC CƠ QUAN HÔ HẤP 2.1.4 THÔNG KHÍ CƠ HỌC 2.1.5 SỰ KHUẾCH TÁN TRONG MÁU 2.1.6 HEMOGLOBIN 2.1.7 ĐẶC TÍNH HÒA TAN TRONG HUYẾT TƯƠNG 2.1.8 QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN O2 ĐẾN TẾ BÀO 2.1.9 SỬ DỤNG OXY TRONG TẾ BÀO 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO OXY TRONG MÁU 2.2.1 PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC 2.2.2 CẢM BIẾN TRANSCUTANEOUS PO2 2.2.3 PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC PHẦN 3: THIẾT KẾ MÁY ĐO 3.1 ĐỊNH LUẬT BEER LÊN MÔ VÀ PHỔ HẤP THỤ TRONG KỸ THUẬT ĐO NỒNG ĐỘ OXY THÔNG QUA XUNG ĐỘNG MẠCH 3.1.1 ĐỊNH LUẬT BEER LÊN MÔ 3.1.2 HỆ SỐ SUY HAO CỦA HEMOGLOBIN 3.1.3 PHỔ HẤP THỤ CỦA HEMOGLOBIN 3.1.4 TUYẾN TÍNH HÓA HÓA THÀNH PHẦN BÃO HÒA 3.2 ĐẦU DÒ CẢM BIẾN 3.2.1 ĐẦU DÒ TRUYỀN QUA 3.2.2 ĐẦU DÒ PHẢN XẠ 3.2.3 CHỌN ĐẦU DÒ 3.3 THIẾT BÒ 4 5 10 11 12 13 13 14 17 19 29 29 29 30 32 37 40 40 41 42 43 3.3.1 LÝ THUYẾT TỔNG QUÁT CỦA HOẠT ĐỘNG 3.3.2 SƠ ĐỒ KHỐI 3.3.3 MODUL TƯƠNG TỰ 3.3.4 MODUL XỬ LÝ SỐ VÀ HIỂN THỊ 3.3.5 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ VÀ THIẾT BỊ 3.4 XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ THUẬT TÓAN 3.4.1 LẬP TỈ SỐ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỈNH - ĐỈNH 49 3.4.2 THUẬT TÓAN XÁC ĐỊNH TỈ LỆ R, GIÁ TRỊ OXY BẢO HÒA VÀ NHỊP TIM 3.5 PHƯƠNG PHÁP CHUẨN HÓA 3.5.1 PHƯƠNG PHÁP CỔ ĐIỂN 3.5 PHƯƠNG PHÁP CHUẨN HÓA THƯỜNG DÙNG 3.5.3 PHƯƠNG PHÁP CHUẨN HÓA DÙNG TRONG THIẾT BỊ NÀY 43 44 45 46 46 49 51 53 53 55 58 PHẦN 4: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 59 4.1 THIẾT BỊ 59 4.2 KẾT QUẢ ĐO ĐƯC 60 4.2.1 BẢNG KẾT QUẢ DỰ LIỆU ĐỰƠC LẤY TRỰC TIẾP TỪ CỔNG COM KHI THỰC HIỆN ĐO TRÊN NGƯỜI THẬT 61 4.2.2 KẾT QUẢ ĐO TRỰC TIẾP TRÊN BỆNH NHÂN VÀ HIỂN THỊ RA ĐÈN LED 69 4.3 ĐÁNH GIÁ TÍNH CHÍNH XÁC, SAI SỐ VÀ GIỚI HẠN TIN CẬY TRONG THIẾT BỊ NÀY 71 4.3.1 ĐÁNH GIÁ SAI SỐ 69 4.3.2 ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỐI VỚI NỒNG ĐỘ BÃO HÒA 71 PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 KẾT LUẬN 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 81 82 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO OXY TRONG ĐỘNG MẠCH Sự phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật mang lại cho nhiều ứng dụng thực tế có hữu ích Đã góp phần không nhỏ vào việc phát triển ngành kỹ thuật y sinh học Hơn thập kỷ qua năm gần nhà khoa học không ngừng nghiên cứu ứng dụng khoa học kỹ thuật lên người mà ta biết báo cáo thành công họ, tất công trình họ có mục đích sức khoẻ người tốt loại bỏ bệnh tật nguy hiểm khó trị tăng sức đề kháng phòng ngừa bệnh tật công Như biết oxy thành phần quan trọng thiếu việc trì thể sống Cho nên việc xác định hàm lượng oxy có máu việc làm hữu ích giúp cho bác só theo dõi có phương pháp điều trị thích hợp Đo nồng độ oxy máu kỹ thuật đo xác định thành phần oxy máu mà thực nhiều phương pháp khác như: Phương pháp hoá học Phương pháp cảm biến áp lực PO2 Phương pháp quang học 1.1.1 ĐO NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU THÔNG QUA MẠCH ĐẬP ĐỘNG MẠCH Đây phép đo thực phương pháp quang học với ưu điểm cảm biến quang học mà ứng dụng nhiều lónh vực y học lẽ mang lại an toàn cho bệnh nhân tiếp xúc không điện bệnh nhân thiết bị Cho nên có nhiều kỹ thuật quang học phát triển chẳng hạn kỹ thuật laser Doppler dùng để đo vận tốc dịch chuyển dòng máu… Tuy nhiên luận văn mục tiêu tác giả xin trình bày ứng dụng khác cảm biến quang việc đo nồng độ oxy máu thông qua thay đổi lượng máu động mạch không cần phải lấy mẫu máu để xét nghiệm, thiết bị thực chức gọi Máy Đo Nồng Độ Oxy Thông Qua Mạch Đập -1- LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 Những bệnh nhân có vấn đề phổi, điều quan trọng bác só điều trị việc theo dõi khả trao đổi khí phổi theo dõi hàm lượng oxy máu động mạch Nó trở thành công cụ hữu ích dùng phòng mổ, hồi sức cấp cứu hay săn sóc đặc biệt 1.1.1.1 Khái quát Thông qua nhịp đập động mạch mà hàm lượng máu động mạch thay đổi Do vậy, lợi dụng thành phần máu thay đổi làm cho thành phần ánh sáng truyền qua mô nơi có động mạch thay đổi Hemoglobin máu loại protein bao bọc hồng cầu Chức hồng cầu ta biết phần Hemoglobin bao gồm hai thành phần O2Hb Hb Hai loại hemoglobin có phổ hấp thụ ánh sáng khác nhau, nhờ hấp thụ mà ta tính lượng oxy bão hoà có máu Hình 1.1 Mô tả phổ hấp thụ ánh sáng hemoglobin oxyhemoglobin (trích dẫn từ Medical Electronic, Dr Neil Townsend) 1.1.1.2 Nguồn sáng Một ưu điểm lớn thiết bị so với thiết bị khác sử dụng đèn LED nguồn sáng Những đèn LED truyền ánh với cường độ lớn Dựa vào đặc tính hấp thụ thành phần hemoglobin O2Hb có máu hình 1.10 ta thấy O2Hb hấp thụ mạnh bước sóng 660nm đến 800nm Hb hấp thụ bước sóng hồng ngoại gần từ 850nm đến 1000nm Trong kỹ thuật đo hai bước sóng chọn làø 660nm 940nm 1.1.1.3 Photodiode -2- LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 Bộ thu quang photodiode, tạo dòng điện tuyến tính tỷ lệ với cường độ ánh sáng tới Sự phát triển công nghệ bán dẫn cho phép photodiode đủ nhỏ để vừa với đầu dò ngón tay Những tiến giúp tạo thiết bị đo xác thuận tiện dụng cụ trước Một photodiode phân biệt ánh sáng đỏ hồng ngoại, để quan tâm đến điều này, hệ thống vi xử lý thay bật tắt LED Máy đo lấy mẫu tín hiệu khỏi photodiode LED đỏ bật, LED hồng ngoại bật, hai tắt Bằng cách lấy mẫu cà hai LED tắt, pulse oximeter trừ ánh sáng xung quanh Sơ đồ 1.2 biểu diễn thiết bị đo truyền qua thiết bị đo khác theo kiểu phản xạ Giống tên gọi, thiết bị đo lan truyền đo lượng ánh sáng qua mô thu quang ngón tay Một pulse oximeter phản xạ đo lượng ánh sáng phản xạ lại đến photodiode Cả hai loại sử dụng kỹ thuật không giống điều chỉnh đầu dò việc định cỡ Hình vẽ 1.2 (trích dẫn từ Neonatal and Pediatrict Pulse oximetry) 1.2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Nội dung luận văn xây dựng mô hình thiết kế thiết bị xác định hàm lượng oxy bão hoà máu phép đo thực dựa hấp thụ ánh sáng hai thành phần hemoglobin oxyhemoglobin có máu thông qua nhịp đập động mạch Tuy nhiên bị giới hạn công nghệ, tác giả thiết kế phần máy phần lại cảm biến dùng sản phẩm hãng Nellco loại dùng lần Nhiệm vụ luận văn bao gồm • Trình bày nguyên lý phép đo • Xây dựng mô hình toán học • Thiết kế máy đo • Chuẩn hoá máy đo • Đánh giá sai số • Kiểm tra kết bệnh nhân -3- LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 Bảng kết cho thấy giá trị max từ RAC tín hiệu red, giá trị max tín hiệu IRAC tín hiệu hồng ngoại Sau dò tìm giá trị max min, thuật toán tính tỉ lệ R từ dùng phương trình 3.27 công thức 3.29 ta có giá trị nhịp tim Ví Dụ: Quan sát bảng kết sau ta có giá trị: Cnt=004 - 183[141] - 106[142] - 095[139] - 028[140] Cnt=004 - 187[169] - 110[173] - 099[166] - 031[168] Cnt=003 - 208[123] - 050[124] - 000[129] Cnt=004 - 209[123] - 133[124] - 123[137] - 052[125] f1:0.127513 - f2:0.324978 RMAX:142 RMIN:125 IRMAX:173 IRMIN:125 R=0.392376 - SpO2:100.051600 - Heart Beat:77.922080 Ta nhận thấy giá trị RDC, IRDC giá trị offset để điều chỉnh nguồn led 4.2.2 Kết Quả Đo Trực Tiếp Trên Bệnh Nhân Và Hiển Thị Ra Đèn Led Kết đo trực tiếp bệnh nhân bệnh viện An Bình Khoa Hồi Sức Cấp Cứu kết đo giá trị SpO2 98 nhịp tim 61 nhịp/s Trong kết từ máy Pulse oximeter hãng Nonin Mỹ với qiá trị SpO2 98 nhịp tim 59 nhịp/s Sở dó có khác sai số hai thiết bị mà phần lớn phụ thuộc vào đầu đo Kết đo mô tả hình 4.3 so sánh với máy Nonin hình 4.4 - 70 - LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 Hình 4.3 Hình 4.4 - 71 - LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 4.3 ĐÁNH GIÁ TÍNH CHÍNH XÁC, SAI SỐ VÀ GIỚI HẠN TIN CẬY TRONG THIẾT BỊ NÀY 4.3.1Đánh giá sai số 4.3.1.1Đánh giá sai số dựa máy đo oxy CO Tiêu chuẩn quang trọng phép đo nồng độ oxi bão hoà động mạch CO - oximeter, miêu tả chương trước Một so sánh số ghi dụng cụ đo máy đo oxy xung số ghi dụng cụ CO – oximeter mà ta dùng để kiểm tra độ xác phương pháp thiết bị đo oxy xung Sai số trường hợp định nghóa giá trị trung bình khác số ghi thiết bị đo oxy xung, biểu diễn sau: N bias = ∑x i =1 i N (7.1) =x Với xi tính cách trừ giá trị đo CO – oximeter thứ i từ nồng độ oxi bão hoà tương ứng biểu diễn máy đo pulse oximeter N tổng giá trị đo Đơn vị % Độ xác giá trị đo sai sót ngẫu nhiên, mức độ lập lại Sự tán sắc điểm xung quanh phương tiện phản ánh độ xác phép đo Độ xác thường miêu tả cách sử dụng thống kê tiêu chuẩn sai số cho sai khác số ghi máy đo xung số ghi CO – oximeter giá trị lập lại phương trình (7.2).Đơn vị % ∑ (x N precision = SD = i =1 i −x ) (4.1) N −1 Một vài nghiên cứu sử dụng giới hạn tin cậy 95% cho phân bố thông thường với 1.96 lần SD : 95% giới hạn tin cậy = 1.96 × SD ≈ × SD 10 Ví dụ: bias = x = ∑x i =1 10 - 72 - i = 15 = 1.5% 10 (4.2) LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOAÙ 13 ∑ (x 10 precision = i =1 i −x ) 10 − = 20.5 = 1.51% 95% giới hạn tin cậy = × 1.51% = 3.02% Sai số 1.5% nghóa việc kiểm tra pulse oximeter có khuynh hướng vược ước tính mức độ oxi bão hoà (sai số thực) Giới hạn tin cậy 95% 3.02% nghóa pulse oximeter cho kết khoảng 1.5% – 3.02% 1.5% + 3.02%, hay –1.52% 4.52% từ giá trị thực ( số ghi CO – oximeter) với khả 0.95 4.3 1.2 Đánh giá sai số dựa thiết bị chuẩn khác Vì thiết bị đo oxy CO việc đánh giá kết dựa máy chuẩn khác Pulse Oximeter Datex Ohmeda Model 3800 với sai số máy 1% mức oxy bảo hoà 90% ∆ Giá trị nồng độ oxy Giá trị nồng độ oxy ∆ = ⏐Y-X⏐ máy Pulse Meter 3800 Máy thiết kế Y Datex Ohmeda X 98 98 93 94 97 97 96 98 95 93 95 97 94 93 97 95 97 98 98 99 Từ bảng ta có sai số ∆= ∆1+… +∆10/10=12/10=1.2 Vậy sai số thiết bị sai số máy chuẩn sai số phép đo ∆ =1+1.2=2.2(%) Tuy nhiên việc sử dụng sai số độ xác hữu ích cho việc lấy hình ảnh rõ ràng từ máy đo Trong thực nghiệm lâm sàng, giới hạn tin cậy nhỏ ± 3% xem chấp nhận cho hầu hết trường hợp 4.3.2 ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỐI VỚI NỒNG ĐỘ BÃO HOÀ - 73 - LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 Độ xác mức độ khác nồng độ oxi bão hoà không giống Để tạo thảo luận hiệu hơn, nồng độ oxi bão hoà chia thành khoảng : nồng độ bão hoà bình thường, nồng độ bão hoà cao, điều kiện giảm oxi mô ( mức độ nồng độ bão hoà thấp) 4.3.2.1Nồng độ bão hoà cao ( lớn 97.5%) Máy đo oxy xung thiết kế số đo nồng độ bão hoà nhỏ 100%, giới hạn khả tạo sai số thực phép tính xác khác với giải thích khoảng cao Những phép đo xác xác định cách công sai sót vị trí, nồng độ oxi bão hoà xác tương ứng không tới hạn khoảng Miễn nồng độ oxi bão hoà vượt 97%, bệnh nhân điều kiện thuận lợi, họ không đòi hỏi chăm sóc y học khẩn cấp 4.3.2.2Nồng độ bão hoà bình thường ( 90 đến 97.5%) Sau thập kỷ phát triển từ lần có giá trị thương mại, hầu hết kiểu máy đo oxy xung có đặc tính đáng tin cậy khoảng Trong thí nghiệm Webb, 10 13 đơn vị có sai số hoàn toàn đáng tin cậy nhỏ 1.0%, sai số tiêu chuẩn nhỏ 2% đơn vị, và 3% lại Choe, Taylor vaø Whitwam (1988), vaø Yelderman vaø New (1983) tìm kết tương tự Máy đo xác định tốt sai số ø làm việc điều kiện bình thường 4.3.2.3Độ bão hoà thấp ( nhỏ 80%) Pulse oximeter có khả gây sai số cao độ bão hoà thấp, phần lớn nhà sản xuất có đạo đức gây giảm oxi mô tự nhiên nhiều lần người tình nguyện cho mục đích đối chiếu Độ thị 4.5 minh hoạ đặc tính hấp thu 0% máu bão hoà oxi dốc 100% máu bão hoà oxi bước sóng 660nm Trong khoảng này, thành phần phần trăm hemoglobin bão hoà giảm, hệ số góc quang phổ hấp thu tăng Bất kỳ sai sót không đáng kể đỉnh bước sóng LED thay đổi đáng kể số đo pulse oximeter - 74 - LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 Hình 4.5 Sai số kết hợp với độ bão hoà thấp giải thích quy tỷ số signal – to – noise máy đo Khi độ bão hoà giảm, ánh sáng đỏ xuyên qua mô bở hấp thụ Hb cao, tín hiệu AC trở nên yếu Để bù cho giảm này, dòng truyền LED việc tăng thêm photodiode amplifier tăng lên để trì tín hiệu AC khoảng Khi độ lợi tăng lên, nhiễu điện tín hiệu điện từ quan thể tăng, kết bị ảnh hưởng Hầu công trình nghiên cứu xác độ bão hoà lớn 80%, không xác độ bảo hoà sai thấp 4.3.2.4 Độ xác trình tưới máu Máy đo oxy xung đòi hỏi phép ghi nhịp đập biến đổi thể tích thích hợp để phân biệt hấp thu máu động mạch từ hấp thu chất khác ( máu tónh mạch, mô, xương) Một giảm nhịp đập huyết quản đáng ý, giảm thân nhiệt bất ngờ, tắt mạch, giảm huyết áp, đường dẫn máu phụ tim phổi, hay ngưng đập tim, cho kết thiếu tín hiệu ghi biến đổi thể tích để tiến hành cách đáng tin cậy máy đo nồng độ oxi Hầu hết máy đo cho kết sai số xảy dạng sóng mô tả thể tích tưới máu thấp Những thuốc gây giãn mạch cục hiệu dụng để nâng cao cải thiện trình tưới máu động mạch Đối với nhi sơ sinh việc sử dụng mền ủ ấp khoa nhi phủ kín xung quanh cẳng tay phương pháp đơn giản để làm tăng khả tưới máu ngón tay lạnh khả tưới máu thấp tín hiệu pulse oximeter yếu - 75 - LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 4.3.2.5Sự xung huyết tónh mạch Một vấn đề tiềm tàng khác phép đo oxy xung động mạch xung huyết tónh mạch khiến cho hình ảnh giả tạo đập tónh mạch Sự xung huyết tónh mạch tích tụ máu quan, kết áp suất trong tónh mạch Do biên độ xung việc biến đổi thể tích phép đo nhịp đập mô nhượng bộ, vài xung cho máu tónh mạch lượng oxi thấp kết hợp với tín hiệu lượng oxi cao động mạch máu gây Sự giảm thành tónh mạch xung huyết làm giảm biên độ xung quan ( ngón tay) Pulse oximeter phân biệt hấp thụ tónh mạch đập điều gây động mạch động mạch nhỏ Những dòng tónh mạch đập gây xung động mạch truyền qua mạch máu nối ngón tay Vì vậy, SpO2 đo pulse oximeter máu động mạch dời huyết quản, số đo SpO2 bị ảnh hưởng máu tónh mạch Những huyết quản đập dẫn đến dự báo pulse oximeter giá trị SpO2 thấp độ bão hoà thực tế Nhiều hình ảnh khác tín hiệu biến đổi thể tích tónh mạch nhỏ da đập, có độ oxi bão hoà tương tự độ bão hoà động mạch mạch máu truyền đạt da Tuy nhiên, số tónh mạch tónh mạch nhỏ nhiều, chúng vận chuyển hemoglobin với độ bão hoà oxi thấp, chúng đập sau phương pháp phân biệt hai loại.Do đó, giá trị SpO2 thấp độ bão hoà oxi động mạch có mặt xung huyết tónh mạch Những nguyên nhân khác làm tăng nhịp đập tónh mạch tách mạch máu ra, u niên bên phải tắc nghẽn tim phải 4.3.2.6 Tính xác cử động giả Với hầu hết công cụ y học, cử động giả tạo cho sai sót đáng kể cho máy đo xung Máy đo oxy xung tín hiệu nhịp đập mà thông thường thành phần phần trăm nhỏ tổng số tín hiệu biến đổi thể tích Do đó, máy móc cảm biến tạm thời liên quan đến da gây giả tạo đáng kể cho phép đo quang học Hơn nữa, giả tạo tạm thời bắt chước nhịp tim đập, dụng cụ phân biệt nhịp đập những cử động giả tạo nhịp đập thông thường động mạch, cách gây số đo sai Thực tế giả tạo bị khử việc xử lý tín hiệu kỹ thuật số giá trị trung bình SpO2 giây trước chúng biểu lộ Những cử động giả tạo run, lên cơn, tập thể dục thường nhận thấy tốc độ tim đập sai dạng sóng biến đổi thể tích bị biến dạng - 76 - LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 4.3.2.7Độ xác giao thoa quang học Những nguồn ánh sáng nhẹ bên ảnh hưởng đến máy làm ảnh hưởng đến nhạy máy Pulse oximeter thiết kế để loại bỏ ánh sáng xung quanh cho photodiode đo tín hiệu yếu Khi cường độ ánh sáng xung quanh cao ( từ đèn nhiệt ánh sáng mặt trời), photodiode cảm thấy ánh sáng truyền qua mô cho tính toán SpO2 Việc bảo vệ photodiode khỏi ánh sáng nhe để ngăn ngừa vấn đề Một giải pháp che dầu dò vật liệu mờ khăn lau phẫu thuật Mặc dù gần hoàn toàn có lợi đứa trẻ sơ sinh lanh lợi bệnh nhân hiếu động, khăn lau thường trở nên choán chỗ phơi đầu dò máy đo oxi Một cách điều trị hiệu vấn đề che kín đầu dò, gắn với ngón tay, với gói từ miếng gạc có cồn đề nghị Siegel Graveinstein ( 1987) Gói sản xuất có dạng thuận tiện, chỗ chứa tối cho ngón tay, đầu dò dùng cho máy dẻo đặt chỗ thích hợp 4.3.2.8 Độ xác ảnh hưởng nhuộm màu tónh mạch Trong trình phẫu thuật, việc sử dụng chất nhuộm màu cần thiết Phần nguyên cứu xem ảnh hưởng của thuốc nhuộm số đo thiết bị Một vài thuốc nhuộm cung cấp cho tónh mạch xuất bị liên kết với đột biến làm giảm số đo SpO2 pulse oximeter ( Scheller người khác 1986) 15 đối tượng màu trắng nghiên cứu, đối tượng đối tượng thuốc nhuộm : màu đỏ tía pha chaøm ( InCa), indocyanine green ( InGr), vaø methylene blue ( MeBl) Trong tất đối tượng, số đo 97% nhiều cho hai vị trí ngón chân ngón tay Bảng 7.5 tóm tắt đặc tính đối tượng, thời gian từ chích thấy giảm số đo SpO2 lần đầu tiên, số đo SpO2 thấp ( điểm thấp nhất), thời gian đòi hỏi để quay lại đường ( khoảng thời gian), cho thuốc nhuộm Trong thuốc nhuộm, InCa sản xuất cho thay đổi số đo SpO2 nhỏ Sự giảm đường quan sát từ đối tượng cho InCa có vị trí ngón chân Độ lớn độ oxi bão hoà giảm nhỏ dần theo InCa số đo SpO2 thấp quan sát đối tượng 92% Ngược lại, số đo giảm độ oxi bão hoà quan sát tất đối tượng vị trí theo việc áp dụng MeBl, với số đo điểm thấp SpO2 65% Số đo SpO2 thấp quan sát - 77 - LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 đối tượng theo MeBl 1%.Trong đối tượng cho MeBl, nồng độ oxi bão hoà đo lại thấp đường khoảng phút ngón tay ngón chân Số đo SpO2 giảm áp dụng InGr chất trung gian MeBl InCa Đồ thị4.5 cho thấy hấp thu quang phổ thuốc nhuộm xác định máy đo ảnh phổ Trích dẫn từ IEEE Biomedical engineering hand book) Tất thuốc nhuộm hấp thụ ánh sáng miền bước sóng 660nm, LED đỏ pulse oximeter phát sáng MeBl có độ hấp thụ vô cao miền Điều giải thích MeBl gây trở ngại mức độ cao với số đo SpO2 thuốc nhuộm khác ( định luật Law) Tương tự, hấp thụ InGr yếu InCa bước sóng này, điều quán với quan sát số đo SpO2 ảnh hưởng với mức độ nhiều đối tượng cho InGr InCa Hấp thụ thuốc nhuộm không đáng kể miền 940nm có hiệu không đáng kể cường độ ánh sáng IR dò photodiode Những đáp ứng thay đổi số đo SpO2 đối tượng theo việc tiêm thuốc nhuộm liên quan đến khác biệt hiệu suất tim thể tích máu Ví dụ với MeBl, số đo SpO2 lớn giảm xuống khoảng thời gian dài giảm xuống thấy đối tượng nhỏ ( diện tích bề mặt thể = 1.34m2) Việc đo hiệu suất tim đầu dò transcutaneous thuốc nhuộm tónh mạch khác nghiên cứu trẻ em người lớn tìm mối tương quan tốt với phương pháp pha loãng thuốc nhuộm sử dụng liên tục với mẫu thử máu động mạch - 78 - LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 Satio người khác (1995) quan sát sau tiêm máu động mạch với thuốc nhuộm màu xanh patent blue, giảm bớt số đo pulse oximeter chịu đựng 20 phút Những bác só lâm sàng nên hiểu rõ ảnh hưởng có lợi thuốc nhuộm cung cấp cho tónh mạch số đo SpO2 thời gian phòng mổ không bị lãng phí phân tích xâm lấn nhiều không làm được, ví dụ : khí máu động mạch, số đo SpO2 thấp sai tạm thời gây việc cung cấp thuốc nhuộm 4.3.2.9 Tác Dụng Của Nhiệt Độ 4.3.2.9.1Nhiệt độ xung quanh Sự tiếp xúc thể với nhiệt độ lạnh gây thay đổi trình tưới máu mà gây không xác Sự phụ thuộc nhiệt độ led đầu dò không ảnh hưởng đến giá trị pulse oximeter Reynolds (1991) có tăng 5.5nm đỉnh bước sóng 660nm cho LED, tăng 7.8nm đỉnh bước sóng 950nm nhiệt độ tăng từ đến 50oC Bảng sau liệt kê hệ số tắt Hb HbO2 bước sóng nhiệt độ khác Những đường cong đo theo lý thuyết có đồ thị 4.6 Do đó, ảnh hưởng thay đổi vị trí bước sóng LEDs độ xác pulse oximeter không đáng kể nhiệt độ tăng từ đến 50oC Hb HbO2 λ (nm) 0oC 660 086 940 0.20 50o C - 79 - 0oC 50oC 0.90 0.12 0.16 0.20 0.29 0.30 LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 Hình 4.6 (trích dẫn từ Design of pulse oximeters JG Webster) Giảm biên độ tín hiệu AC nhiệt độ thấp nguyên nhân cho pulse oximeter nhạy nhiễu chuyển động, ví dụ điều gây co giật ho bệnh nhân Những nhiễu chuyển động gây cho pulse oximeter giá trị SpO2 sai Theo Reynolds (1991) kết luận không xác số đo pulse oximeter nhiệt độ thân nhiệt cực thấp giống với việc không xác giảm trình tưới máu, kết phụ thuộc vào nhiệt độ LEDs máy dò pulse oximeter 4.3.2.10 Lỗi đầu dò vị trí đầu dò ảnh hưởng đến tính xác thiết bị 4.3.2.10.1 Do Giao Thoa Aùnh Saùng Aùnh saùng xung quanh ánh sáng mặt trời, đèn mổ nguyên nhân lỗi kết đọc SaO2 Cách đơn giản để ngăn cản ảnh hưởng ánh sáng từ môi trường xung quanh bao bọc ánh sáng không tới photodiode - 80 - LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 4.3.2.10.2 Lỗi tắt tín hiệu quang Nối tắt tín hiệu quang ánh sáng từ Led thẳng đến photodiode mà không xuyên qua tế bào Nối tắt quang nguyên nhân cho kết đọc SaO2 sai ánh sáng tới photodiode tăng lên Do chọn Sensor cho phù hợp với kích cỡ bệnh nhân vị trí đặt đặt vị trí Vẽ hình 4.7((trích dẫn từ Design of pulse oximeters JG Webster) 4.3.2.10.3 Màu Sơn Của Móng Tay Màu sơn móng tay hấp thụ ánh sáng nhiều làm cho ánh sáng đến photodiode nhỏ màu sơn tẩy cho kết xác - 81 - LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 KẾT LUẬN Theo dõi nồng độ oxy máu vấn đề quan trọng người điều trị cho bệnh nhân nặng Cho nên thiết bị chế tạo với mục đích phục vụ cho khoa phòng cấp cứu, hồi sức , săn sóc đặc biệt phòng mổ… Thiết bị đo nồng độ oxy bão hoà máu thông qua nhịp đập động mạch, có phép đo dựa nguyên lý phổ hấp thụ ánh sáng hai thành phần khác máu Oxy hemoglobin hemoglobin có hồng cầu Kết hợp vớiø hoạt động xung động mạch Phổ hấp thụ ánh sáng hai thành phần khác Cho nên, chiếu hai nguồn ánh sáng với bước sóng khác xuyên qua động mạch kết thu photodiode khác Bằng thuật toán xử lý xác định tỉ lệ thành phần hấp thụ hai thành phần oxyhemoglobin hemoglobin kết qua û thành phần phần trăm lượng oxy có máu nuôi tế bào Công thức xác định thành phần phần trăm oxy máu là: C HbO2 HbO2 SO2 = × 100% = C × 100% Hb + HbO2 HbO2 + C Hb Do có đặc tính hấp thụ ánh sáng khác oxy hemoglobin phổ hấp thụ mạnh bước sóng 940nm hemoglobin hấp thụ 660nm Cho nên, nguồn sáng dùng phép đo có bước sóng 660nm 940nm chiếu từ hai led phát xạ riêng biệt Hoạt động hai led dược lái nguồn dòng theo thời gian.sau ánh sáng chiếu xuyên qua tế bào đến photodiode khuếch đại, lọc biến đổi AD gửi đến xử lý trung tâm tính toán xác định tỉ lệ hấp thụ hai thành phần oxy hemoglobin hemoglobin Xây dựng thuật toán dựa mô hình định luật Beer xác định tỉ lệ R thành phần hấp thụ O2 Hb Hb xác định dựa phương pháp Peak – Peak xung tín hiệu mà ta thu Giá trị R có tra đưa vào phương trình chuẩn hoá ta kết thành phần oxy bão hoà Kết thiết bị kiểm tra bệnh viện An Bình Tp Hồ Chí Minh khoa hồi sức cấp cứu so sánh kết với thiết bị khác - 82 - LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 Trong luận văn đồng thời nêu lên phương pháp chuẩn hoá thiết bị đánh giá sai số kết đo nguồn sai số ảnh hưởng đến kết đo giúp cho người sử dụng có kết đáng tin cậy Kết luận văn thiết bị đo nồng độ oxy bão hoà máu dùng để tuyên đoán giá trị oxy bão máu đời nước ta theo tác giả biết thiết bị sản xuất nước Như công việc đươc thực đề tài này: • Xây dựng mô hình toán dựa định luật Beer đường đặt tuyến thực nghiệm • Thiết kế phần cứng cho thiết bị • Xây dựng thuât toán xử lý tín hiệu • Hiển thị kết • Chuẩn hoá thiết bị, kiểm nghiệm kết đánh giá sai số 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kỹ thuật đo nồng độ oxy bão hoà máu liên kết kiến thức y sinh học, quang học, kỹ thuật điện tử kiến thức tin học Cho nên hướng mở cho quan tâm đến luận văn Trong giới hạn đề tài đưa thiết bị đo phương pháp chuẩn hoá chưa đưa thiết bị chuẩn hoá hướng phát triển đề tài Hoặc ta tích hợp chức đo diện tâm đồ, huyết áp tự động lên thiết bị dùng dạng card Và kiến thức tin học làm nên phần mềm phân tích kết đo thời điểm trình theo dõi bệnh nhân, giúp cho người điều trị xem giá trị thời điểm có ích bệnh nhân điều trị lâu dài - 83 - LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC KỸ THUẬT LASER – KHOÁ 13 TÀI LIỆU THAM KHAÛO IEEE BIOMEDICAL ENGINEERRING HANDBOOK J W SALYER, NEONATE AND PEDIATRICT PULSE OXIMETRY DR, SJ FEARNLEY PULSE OXIMETRY JOSEPH JCARR, J M BROWN INTRODUCTION TO BIOMEDICAL EQUIPMENT TECHNOLOGY PHANQUỐC PHÔ GIÁO TRÌNH CẢM BIẾN DR NEIL TOWNSEND MEDICAL ELECTRONIC DATEX OHMEDA EDUCATION BOOK J G WEBSTER 1997 DESIGN OF PULSE OXIMETER - 84 - ... THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ OXY BÃO HÒA TRONG MÁU BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : Nhiệm vụ: Khảo sát thiềt kế thiết bị đo nồng độ oxy bão hòa máu Nội dung công việc thực hiện: • Khảo. .. oxygen → carbon dioxide + nước + lượng 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO OXY TRONG MÁU Có nhiều phương pháp có liên quan đến việc đo nồng độ oxy hemoglobin bão hoà máu quang học Đo nồng độ oxy bão hoà máu. .. máu kỹ thuật đo xác định thành phần oxy máu mà thực nhiều phương pháp khác như: Phương pháp hoá học Phương pháp cảm biến áp lực PO2 Phương pháp quang học 1.1.1 ĐO NỒNG ĐỘ OXY TRONG MÁU THÔNG QUA