Phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng tim

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 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận án, nhận động viên, tạo điều kiện thuận lợi quan công tác, nơi đào tạo, thầy giáo, giáo, bạn bè, gia đình đồng nghiệp Đây nguồn động lực to lớn giúp vượt qua khó khăn, thử thách để hồn thành luận án Trước tiên, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Vũ Duy Hải, người ln tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, bảo tơi suốt q trình nghiên cứu Thầy dành nhiều thời gian tâm huyết, hỗ trợ mặt để tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo Bộ môn Công nghệ Điện tử Kỹ thuật Y sinh, Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội định hướng, đóng góp ý kiến, giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu Tơi xin cảm ơn thành viên nhóm nghiên cứu tim đồ trở kháng ngực – Trung tâm Điện tử y sinh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; tình nguyện viên hỗ trợ tham gia với việc triển khai thí nghiệm đo lường, phân tích tín hiệu trở kháng ngực phịng thí nghiệm Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, đơn vị liên quan Trường Đại học Bách Khoa Hà nội Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho q trình học tập, nghiên cứu Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn bạn bè, gia đình đồng nghiệp quan tâm, động viên, giúp đỡ hoàn thành luận án Hà Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2021 Tác giả luận án Phan Đăng Hưng MỤC LỤC MỤC LỤC .i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục tiêu luận án Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Về ý nghĩa khoa học Về ý nghĩa thực tiễn Các đóng góp luận án Bố cục luận án CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.1 Tim huyết động 1.1.1 Cấu trúc tim hoạt động bơm máu 1.1.2 Cung lượng tim thông số huyết động liên quan 10 1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới cung lượng tim 11 1.1.4 Vai trị cung lượng tim chẩn đốn điều trị 13 1.1.5 Các phương pháp đo cung lượng tim 13 1.2 Phương pháp đo cung lượng tim tim đồ trở kháng ngực 18 1.2.1 Giới thiệu chung 18 1.2.2 Trở kháng ngực tim đồ trở kháng ngực 18 1.2.3 Tính tốn cung lượng tim từ tín hiệu ICG 22 1.3 Kỹ thuật ghi đo tín hiệu ICG 24 1.3.1 Mơ hình tổng qt 24 1.3.2 Phương pháp giải điều chế xử lý tín hiệu 28 1.3.3 Các loại nhiễu điển hình 30 i 1.4 Một số vấn đề tồn nghiên cứu liên quan 33 1.4.1 Vấn đề độ xác tính hiệu giải điều chế tín hiệu 33 1.4.2 Vấn đề chồng lấn vị trí đặt điện cực 36 1.4.3 Ảnh hưởng hoạt động hô hấp 37 1.5 Kết luận chương 44 CHƯƠNG NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ TÍNH ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG THU NHẬN TÍN HIỆU ICG 46 2.1 Đề xuất mơ hình thu nhận tín hiệu ICG 46 2.1.1 Đề xuất ý tưởng số hóa đỉnh sóng mang 46 2.1.2 Mô tả chi tiết giải pháp mơ hình hệ thống 47 2.1.3 Thí nghiệm kết 50 2.2 Đề xuất vị trí đặt điện cực thu nhận tín hiệu ICG 56 2.2.1 Đề xuất vị trí đặt điện cực 56 2.2.2 Thí nghiệm kết 58 2.3 Kết luận chương 70 CHƯƠNG 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 ECG 72 3.1.1 Mục đích 72 3.1.2 Thiết kế hệ thống 72 3.1.3 Xây dựng khối 73 3.1.4 Kết 77 3.2 Xây dựng cơng 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 thực lọc số 82 3.2.3 Xây dựng cơng cụ phần mềm phân tích xử lý tín hiệu ICG 84 3.3 Quy trình xây dựng liệu nhiễu thở phép đo ICG 86 3.3.1 Mục đích 86 3.3.2 Xây dựng quy trình thu nhận liệu 86 3.3.3 Lựa chọn tình nguyện viên 87 3.3.4 Thực thu nhận liệu 87 3.3.5 Xử lý chuẩn hóa liệu 89 3.3.6 Mô tả lưu trữ liệu 89 3.4 Thuật toán tách 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 biên độ nhiễu thở 96 3.5 Kết luận chương 98 ii CHƯƠNG PHÁT TRIỂN THUẬT TỐN GIẢM NHIỄU THỞ TRONG PHÉP ĐO TÍN HIỆU ICG 99 4.1 Đề xuất xây dựng thuật toán lọc nhiễu thở 99 4.1.1 Đề xuất ý tưởng 99 4.1.2 Thiết kế mô hình triển khai chi tiết thuật tốn lọc nhiễu 100 4.2 Đề xuất phương pháp 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 bàn luận 107 4.3.1 Kết 107 4.3.2 Bàn luận 114 4.4 Kết luận chương 116 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 117 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 PHỤ LỤC 127 PHỤ LỤC 132 PHỤ LỤC 133 iii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Theo tổ chức y tế giới (WHO), từ năm 2000 đến năm 2019, bệnh tim mạch nguyên nhân gây tử vong số giới Số liệu năm 2019 cho thấy bệnh thiếu máu tim đột quỵ gây 27% số ca tử vong toàn cầu Ở Việt Nam, số người chết bệnh tim mạch khoảng 200.000 người, chiếm ¼ tổng số ca tử vong năm Theo thống kê, người trưởng thành có người có nguy tim mạch Ngoài nguyên nhân gây tử vong, bệnh tim mạch gây nhiều biến chứng nặng nề ảnh hưởng đến chất lượng sống cho bệnh nhân mà cịn gánh nặng cho gia đình xã hội, chi phí cho chăm sóc điều trị tốn Để chẩn đoán, điều trị bệnh tim mạch, ngồi tín hiệu điện tim nhịp tim, bác sĩ dựa vào tham số huyết động thể tích nhát bóp tim (SV – stroke volume), thời gian tống máu thất trái (LVET – left ventricular ejection time), quan trọng cung lượng tim (CO – cardiac output) Sự kết hợp cung lượng tim, điện tâm đồ, thông số huyết động khác giúp bác sĩ phân loại xác bệnh lý tim mạch, đặc biệt bệnh lý xuất phát từ tình trạng thiếu máu cục bộ, huyết áp cao, nhồi máu tim Việc đo lường theo dõi thông số CO liên tục hỗ trợ nhiều cho bác sĩ cấp cứu, phẫu thuật hồi sức liên quan đến bệnh tim mạch bệnh khác Thông số CO thông số quan trọng việc chẩn đoán điều trị bệnh tim mạch, đặc biệt hồi sức cấp cứu tim mạch Hiện có số phương pháp đo lường theo dõi thông số CO Các phương pháp phân thành hai nhóm nhóm phương pháp đo xâm lấn (can thiệp) nhóm phương pháp đo khơng xâm lấn (khơng can thiệp) Trong nhóm phương pháp đo xâm lấn, phương pháp đo catheter động mạch phổi (Swan-Ganz) phương pháp phân tích sóng mạch kết hợp với pha loãng nhiệt xuyên phổi (PiCCO) phương pháp thường sử dụng, cho kết xác cao Tuy nhiên, phương pháp tồn số nhược điểm đòi hỏi kỹ thuật cao, có nguy lây chéo bệnh truyền nhiễm, nguy hiểm cho người bệnh, phù hợp với số tình lâm sàng Nhóm phương pháp không can thiệp bước đầu tư nghiên cứu nhằm khắc phục hạn chế nhóm phương pháp có can thiệp để đảm bảo tính thuận lợi sử dụng an tồn cho bệnh nhân Nổi bật nhóm phương pháp tim đồ trở kháng ngực (ICG – impedance cardiography) với ưu điểm dễ dàng thiết lập phép đo, chi phí vận hành thấp, theo dõi thông số cách liên tục Những ưu điểm vơ có ý nghĩa cơng tác điều trị bệnh tim mạch Tuy nhiên, giá thành thiết bị, độ xác phép đo, độ ổn định kết đo, tính hữu dụng thực tế chịu tác động nhiều yếu tố kỹ thuật phi kỹ thuật Đây động lực để tác giả đề xuất hướng nghiên cứu, nhằm loại bỏ rào cản, góp phần đưa thiết bị đo cung lượng tim không xâm lấn vào ứng dụng đại trà Mục tiêu luận án Mục tiêu tổng quát luận án nghiên cứu phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG để ứng dụng phép đo thông số cung lượng tim nhằm tăng cường độ xác khả ứng dụng thực tế Các mục tiêu cụ thể luận án xây dựng qua trình khảo sát rào cản có việc ứng dụng thiết bị đo cung lượng tim tín hiệu tim đồ trở kháng ngực bệnh viện Theo đó: − Đối với rào cản giá thành độ xác thiết bị, tác giả xác định mục tiêu Phát triển giải pháp cải tiến hệ thống thu nhận tín hiệu ICG nhằm xây dựng hệ thống có độ xác cao dựa tảng xử lý hiệu trung bình sẵn có Mục tiêu cho phép tối ưu hóa chi phí nghiên cứu phát triển chế tạo thiết bị − Đối với rào cản phi kỹ thuật gây chồng lấn vị trí gắn điện cực tiêu chuẩn với vị trí đặt đường ống thơng tĩnh mạch cổ, tác giả xác định mục tiêu Đề xuất đánh giá số vị trị đặt điện cực thay nhằm thực tế hóa tính hữu dụng thiết bị sở y tế Mục tiêu cho phép mở rộng nhóm bệnh nhân tiếp cận sử dụng thiết bị − Đối với rào cản độ tin cậy kết đo, tác giả xác định mục tiêu phạm vi nguồn lực tiếp cận, Phát triển giải pháp giảm ảnh hưởng nhiễu hoạt động hô hấp (nhiễu thở) tín hiệu tim đồ trở kháng ngực Đây vấn đề quan trọng ghi đo tín hiệu ICG quan tâm nghiên cứu nhiều giới Các mục tiêu nghiên cứu xa nhằm giải vấn đề nêu mức độ sâu toàn diện Về nghiên cứu này, chưa có điều kiện triển khai, tác giả đề cập hướng phát triển luận án Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu Căn vào mục tiêu nghiên cứu xác định thực tế trình triển khai, đối tượng nghiên cứu luận án xác định gồm nhiều nhóm Cụ thể: − Nhóm đối tượng liên quan đến tim thông số huyết động, gồm: lý thuyết tim, thông số huyết động, cung lượng tim, phương pháp đo CO ứng dụng thực tế; − Nhóm đối tượng liên quan đến tim đồ trở kháng ngực, gồm: phương pháp đo CO ICG, tín hiệu TEB, tín hiệu ICG nhiễu đo ICG, ảnh hưởng q trình hơ hấp đến tín hiệu ICG, phương pháp giảm thiểu ảnh hưởng này; − Nhóm đối tượng liên quan đến phương pháp đo, công cụ đo, phương tiện xử lý tính tốn, gồm: điện cực vị trí đo tín hiệu ICG, sóng mang đưa vào thể tín hiệu thu được, phương pháp giải điều chế tín hiệu, mạch điện xử lý, phần mềm tính tốn, thuật tốn tách tín hiệu dải tần số quan tâm; − Nhóm đối tượng phụ trợ gồm: tín hiệu điện tim (ECG), thuật tốn xác định đỉnh R tín hiệu ECG, nguồn nhiễu thấp, mạch lọc nhiễu, số kỹ thuật giúp tối ưu hóa hiệu mạch điện phần cứng suốt trình thực luận án Phạm vi nghiên cứu Do giới hạn sở vật chất thời gian nghiên cứu, tác giả tập trung giải vấn đề khoa học mang tính chất để đạt mục tiêu đặt Các yếu tố kỹ thuật liên quan đến chế tạo thử nghiệm khơng trình bày chi tiết Cụ thể, nội dung luận án giới hạn phạm vi sau đây: − Lý thuyết tim, cung lượng tim, thông số huyết động: luận án dừng lại việc trình bày tổng quan tim, cung lượng tim, thông số huyết động ảnh hưởng trực tiếp đến cung lượng tim Nội dung tóm lược tảng quan trọng cho đề xuất phân tích thiết kế luận án − Lý thuyết tín hiệu ICG việc tính tốn CO từ tín hiệu ICG: luận án hệ thống hóa kiến thức tổng quan sở nguyên lý phương pháp, đặc điểm tín hiệu tim đồ trở kháng ngực liên quan đến kiện hoạt động tim, công thức tính cung lượng tim từ tín hiệu tim đồ trở kháng ngực Luận án không nghiên cứu công thức phương pháp tính CO từ tín hiệu ICG − Ảnh hưởng hoạt động hơ hấp lên tín hiệu ICG thuật toán giảm ảnh hưởng: luận án dừng lại việc nghiên cứu thành phần nhiễu thở phép đo tim đồ trở kháng ngực dựa liệu tình nguyện viên khỏe mạnh, khơng có bệnh lý tim mạch Việc đánh giá hiệu thuật toán lọc nhiễu dựa liệu nhiễu thở thu thập tình nguyện viên − Cách thức thu nhận tín hiệu trở kháng ngực 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 cấu hình thiết bị thương mại sử dụng Vị trí đặt điện cực thay trường hợp bị chồng lấn vùng cổ bệnh nhân đề xuất sơ khảo sát bệnh viện Tim Hà Nội bệnh viện Việt Đức, Việt Nam Các vị trí chồng lấn khác (nếu có) chưa xem xét xảy ra, theo đánh giá từ bác sĩ tim mạch − Các hệ thống phần cứng thu nhận ghi đo tín hiệu: luận án tập trung trình bày q trình nghiên cứu thiết kế mơ-đun thu nhận tín hiệu trở kháng ngực làm cơng cụ thu thập liệu Việc chế tạo thử nghiệm mô-đun thực với linh kiện chuẩn, dựa thông số công bố nhà sản xuất để đảm bảo độ xác độ tin cậy cao Luận án khơng trình bày q trình phát triển thiết bị hồn thiện tính tốn hiển thị thông số cung lượng tim thơng số huyết động từ tín hiệu ICG Phương pháp nghiên cứu Trong trình nghiên cứu, tác giả áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác để đạt mục tiêu đề ban đầu Về bản, phương pháp sử dụng thường xuyên là: − Phương pháp phân tích tổng hợp: nghiên cứu tổng hợp cơng trình, báo liên quan đến đề tài luận án để xác định vấn đề cần nghiên cứu làm sở khoa học để đề xuất thực nội dung nghiên cứu Đây phương pháp nghiên cứu sử dụng nhiều nội dung liên quan đến nhiễu thở cách lọc nhiễu thở − Phương pháp chuyên gia: sử dụng trí tuệ kinh nghiệm lâu năm đội ngũ bác sĩ tim mạch để nhận định đánh giá đối tượng nghiên cứu Đây phương pháp đặc biệt quan trọng nghiên cứu liên quan đến thể người − Phương pháp thực nghiệm: đề xuất giải pháp, mơ hình thuật tốn thiết kế, thiết lập thí nghiệm, tiến hành đo đạc kết quả, so sánh đánh giá Phương pháp sử dụng triệt để nghiên cứu vị trí đặt điện cực thay ... tổng quát luận án nghiên cứu phát triển kỹ thu? ??t thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG để ứng dụng phép đo thông số cung lượng tim nhằm tăng cường độ xác khả ứng dụng thực tế Các mục tiêu... tham khảo có ý nghĩa kỹ thu? ??t thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực Về ý nghĩa thực tiễn − Kết đề xuất kỹ thu? ??t nhằm nâng cao độ xác phép đo tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG đồng nghĩa với việc... kết đo phạm vi nguồn lực tiếp cận CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN Để phát triển kỹ thu? ??t thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ứng dụng phép đo thông số cung lượng