Trở kháng ngực và tim đồ trở kháng ngực

1.2 Phương pháp đo cung lượng tim bằng tim đồ trở kháng ngực

1.2.2 Trở kháng ngực và tim đồ trở kháng ngực

Trở kháng ngực – TEB và Z

Sự luân chuyển dòng máu trong quá trình hoạt động của tim sẽ làm thay đổi trở kháng của vùng ngực (TEB). Do máu cũng là vật chất có trở kháng nhất định, máu được tâm thất trái bơm đi toàn cơ thể đồng nghĩa với một lượng máu máu sẽ ra khỏi vùng ngực và đi đến các vùng khác; khi đó, TEB sẽ có sự thay đổi tương ứng. Để thuận tiện cho việc xây dựng các công thức, trở kháng vùng ngực trong điều kiện lý tưởng và chỉ có tim hoạt động được ký kiệu là Z. Ký hiệu này là để phân biệt với TEB nói chung, vốn bị can nhiễu các yếu tố không liên quan đến hoạt động của tim như nhiễu điện, hoạt động hô hấp, nhiễu chuyển động, và các loại nhiễu khác.

Trở kháng Z có hai thành phần: thành phần trở kháng cố định Z0và thành phần trở kháng thay đổi ∆Z. Thành phần trở kháng cố định, hay còn gọi là thành phần trở kháng nền, bao gồm trở kháng của các mô mỡ, cơ, xương, máu dự trữ tại các tế bào, v.v. là các thành phần không di chuyển trong suốt quá trình bơm máu của tim mạch. Về mặt lý thuyết, thành phần này là không thay đổi. Thành phần còn lại là trở kháng thay đổi của vùng ngực trong quá trình di chuyển của máu qua lồng ngực, được biểu diễn là đường cong thay đổi trở kháng, kí hiệu là ∆Z. Như vậy, trở kháng tổng thể của vùng ngực sẽ là:

19

Z = Z0− ∆Z (1.6)

Dấu trừ trong cơng thức trên là do máu có độ dẫn cao hơn so với các mơ mỡ, cơ, xương hay các thành phần cố định nên khi máu chảy vào vùng ngực sẽ làm tổng trở kháng vùng này giảm xuống. Thông thường, trở kháng vùng ngực người lớn là khá nhỏ, khoảng 20-48 Ω; thành phần thay đổi (∆Z), chiếm khoảng 0.5% biên độ của Z và có dải tần số là 0-50 Hz [21, 22]. Nói cách khác, khi máu di chuyển trong lồng ngực, trở kháng ngực chỉ dao động trong dải 100-240 mΩ quanh một đường cơ sở có độ lớn 20-48 Ω. Rõ ràng, việc theo dõi sự thay đổi này là rất thách thức, đòi hỏi một hệ thống đo đạc có độ chính xác cao, độ ổn định cao, độ phân giải rất cao, và ít bị can nhiễu bởi các yếu tố bên ngoài.

Tim đồ trở kháng ngực – ICG

Về khía cạnh huyết động học, tín hiệu ∆Z chưa thể hiện được tốc độ thay đổi của dòng máu ra vào tim một cách rõ nét. Thay vào đó, vi phân của tín hiệu này, dZ/dt, mới thể hiện tốc độ thay đổi trở kháng ngực theo quá trình hoạt động của tim, gắn liền với tốc độ thay đổi của dòng máu ra vào tim, và giá trị thể tích nhát bóp được sử dụng để tính tốn các thơng số huyết động [23, 24]. Dạng sóng dZ/dt thay đổi theo thời gian chính là tim đồ trở kháng ngực hay cịn gọi là tín hiệu ICG. Tín hiệu ICG liên quan đến các thời điểm hoạt động của tim như thời điểm đóng mở các van nhĩ thất, van động mạch chủ. Trong phép đo cung lượng tim, cả trở kháng nền Z0 và tín hiệu ICG đều quan trọng do cùng tham gia vào cơng thức tính thể tích nhát bóp SV.

20

Các điểm đặc trưng trên Hình 1.4 tương ứng với các sự kiện trong hoạt động bơm máu của tim như sau:

− Điểm A: ứng với thời điểm bắt đầu tâm nhĩ thu, máu tâm nhĩ trái đẩy xuống tâm thất trái. Điểm A không thể quan sát được với trường hợp bệnh nhân bị rung nhĩ.

− Điểm B: ứng với thời điểm van động mạch chủ mở. Đây là điểm khởi đầu cho đường cong đi lên của tín hiệu ICG trước khi dZ/dt đạt giá trị cực đại. Việc xác định điểm B là rất quan trọng trong việc tính các thơng số SV và CO.

− Điểm C: là đỉnh của tín hiệu ICG, biểu thị tốc độ thay đổi trở kháng nhanh nhất.

− Điểm X: tương ứng với thời điểm van động mạch chủ đóng. Do đó, thời gian tống máu thất trái (LVET – left ventricle ejection time) chính là khoảng thời gian từ khi xuất hiện điểm B đến khi xuất hiện điểm X.

− Điểm O: ứng với thời điểm thay đổi thể tích trong giai đoạn tâm trương và mở van hai lá. Do đó, biên độ tại điểm O sẽ phản ánh những triệu chứng liên quan tới tổn thương van hai lá hoặc triệu chứng thiếu máu cục bộ.

Mối quan hệ giữa ICG và tín hiệu điện tim – ECG

Về mặt điện sinh học, mối quan hệ giữa tín hiệu ICG và tín hiệu điện tim (ECG – electrocardiogram) là rất mật thiết do đều liên quan trực tiếp đến hoạt động bơm máu của tim. Nghiên cứu mối quan hệ này có ý nghĩa khơng nhỏ trong việc tìm điểm đặc trưng trong tín hiệu ICG và việc loại bỏ các can nhiễu trong tín hiệu ICG, đặc biệt là can nhiễu do hoạt động hơ hấp.

Về mặt lý thuyết, tín hiệu ICG có thể được xây dựng từ tín hiệu TEB sau khi lọc bỏ các can nhiễu. Tuy nhiên, trong thực tế, việc loại bỏ hoàn toàn nhiễu là bất khả thi. Do đó, tín hiệu ICG khơng chỉ phụ thuộc vào tim và hoạt động bơm máu mà còn phụ thuộc vào nhiễu và hoạt động các bộ phận cấu trúc nên vùng ngực. Sự phụ thuộc phức tạp này làm cho việc xác định chính xác các điểm đặc biệt trong tín hiệu ICG là khơng dễ dàng và có độ tin cậy khơng cao nếu chỉ căn cứ vào trở kháng đo được. Trong khi đó, tín hiệu ECG là tín hiệu điện được sinh ra do q trình khử cực và tái cực của cơ tim. Vì vậy, thơng qua tín hiệu ECG thu nhận được, ta có thể xác định chính xác trạng thái của tim và hoạt động bơm máu đang diễn ra. Nói cách khác, tín hiệu ECG có thể là những tín hiệu đồng bộ đáng tin cậy cho các thuật toán xác định điểm đặc trưng trên tín hiệu ICG. Hình 1.5 thể hiện sơ bộ mối quan hệ giữa các điểm đặc trưng trong tín hiệu ECG, TEB, và ICG trên cùng một trục thời gian. Mối quan hệ này là bền vững do gắn liền với hoạt động của tim.

21

Hình 1.5 Biểu diễn đồng thời tín hiệu ICG, ECG và trở kháng thay đổi ∆Z [26]

Khi phân tích tín hiệu ECG, một trong những dấu hiệu đặc trưng và có độ tin cậy rất cao để nhận dạng mỗi chu kỳ tim là phức bộ QRS và đặc biệt là đỉnh R. Đỉnh R là điểm có biên độ cao nhất trong phức bộ QRS, phức bộ này là đoạn sóng có tốc độ thay đổi về biên độ nhanh hơn nhiều so với các sóng khác trong tín hiệu ECG. Việc phát hiện đỉnh R đã được quan tâm nghiên cứu từ lâu và cũng là một trong những cơ sở quan trọng để phân tích tín hiệu ICG trong luận án này.

Trong các nghiên cứu đã được cơng bố, thuật tốn Pan-Tompkins là một thuật tốn điển hình, được sử dụng một cách phổ biến, và cho kết quả phát hiện đỉnh R với độ chính xác cao [27]. Sơ đồ khối của thuật tốn được mơ tả như trong Hình 1.6.

Hình 1.6 Sơ đồ khối thực thi thuật tốn Pan-Tompkins

Trong đó, chức năng cụ thể của các khối xử lý chính như sau:

− Lọc thông dải: bao gồm một bộ lọc thông cao và một bộ lọc thông thấp loại bỏ

các nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu ECG bao gồm: nhiễu cử động, nhiễu trôi đường cơ sở, nhiễu điện lưới, nhiễu điện từ, …

− Vi phân số: tạo nên tín hiệu về tốc độ thay đổi mức điện áp của tín hiệu ECG.

Phức bộ QRS thành phần có tốc độ thay đổi điện áp nhanh nhất, do đó sẽ là thành phần có biên độ lớn nhất sau vi phân số.

Các đỉnh R Tín hiệu ECG Lọc thơng dải Đạo hàm Bình phương Tích phân cửa sổ dịch chuyển Lấy ngưỡng Định vị vùng chứa đỉnh R Tìm điểm cực đại

22

− Bình phương: chuyển tồn bộ tín hiệu lên trên phần dương, khuếch đại và làm nổi

bật thành phần có biên độ lớn là phức bộ QRS.

− Tích phân cửa sổ dịch chuyển: hợp các đỉnh lại tạo nên tính liên tục của tín hiệu.

Độ rộng cửa sổ được lựa chọn phù hợp, không quá rộng để không lấy cả đỉnh của sóng T, nhưng cũng khơng q hẹp để vẫn còn các đỉnh thành phần.

− Lấy ngưỡng: tín hiệu ECG trong xử lý tín hiệu ICG xuất phát từ một đạo trình duy

nhất. Do đó, tín hiệu sau tích phân cửa sổ dịch chuyển được so sánh với một ngưỡng cứng để xác định vùng phức bộ QRS. Biên độ ngưỡng được quyết định sau q trình thử nghiệm thực tế tín hiệu nhằm đảm bảo khơng bỏ sót phức bộ.

− Định vị vùng chứa đỉnh R: mục tiêu của thuật tốn khơng phải là xác định chính

xác đỉnh sóng Q, R, S trong phức bộ, thay vào đó chỉ hướng đến phát hiện đỉnh R. Tín hiệu sau tích phân cửa sổ dịch chuyển cho phép thiết lập ngưỡng một cách dễ dàng để đánh dấu vùng chắc chắn chứa đỉnh R.

− Tìm điểm cực đại: Sau khi đã định vị được vùng chắc chắn chứa đỉnh R bằng

phương pháp ngưỡng, tọa độ này sẽ được hiệu chỉnh lại so với tín hiệu ECG gốc do q trình áp dụng thuật tốn Pan-Tompkins tín hiệu sẽ bị trễ một khoảng thời gian cố định. Sau đó, thuật tốn sẽ tiến hành tìm và đánh dấu điểm có giá trị lớn nhất trong vùng chứa đỉnh R đã xác định.