1.3 Kỹ thuật ghi đo tín hiệu ICG
1.3.1 Mơ hình tổng qt
Nguyên lý do
Nguyên lý đo trở kháng ngực TEB được minh họa như trên Hình 1.7. Về mặt điện sinh học, để đo được trở kháng ngực của bệnh nhân, ta cấp một dòng điện (I) đi qua vùng ngực và thu được một điện áp ở đầu ra (U). Nếu I có biên độ khơng đổi, U sẽ
thay đổi tuyến tính với TEB. Trong điều kiện khơng có nhiễu và chỉ có hoạt động bơm máu của tim, TEB chính là Z trong cơng thức tính ICG. Như vậy, điện áp U là
tín hiệu cần được xử lý và loại bỏ các can nhiễu để tính Z bằng định luật Ơm theo cơng thức (1.13). Trong đó, Us là tín hiệu sau xử lý của U.
25
𝑍 = 𝑈𝐼𝑠 (1.13)
Hình 1.7 Nguyên lý đo trở kháng ngực
Do đối tượng đo là các mô sinh học, dòng điện I đưa vào cơ thể thường là dịng
điện hình sin có tần số cao và có biên độ khơng đổi. Khi đó, điện áp U là một tín hiệu điều biên (AM – amplitude modulation) có cùng tần số với I và có đường bao thay đổi theo TEB. Vì vậy, để tính Z và tín hiệu ICG, mạch điện cần: (1) thu tín hiệu tần số cao từđiện cực, (2) khuếch đại đến độ lớn phù hợp (nếu cần), (3) giải điều chế AM
để thu được một điện áp tần số thấp hơn, biến thiên theo TEB, và (4) lọc các can
nhiễu rồi tính Z theo cơng thức (1.13). Để làm cơ sở cho việc thiết kế hệ thống ghi đo tại các chương tiếp theo, dải biên độ và dải tần số của các tín hiệu liên quan sẽ lần
lượt được trình bày trong Mục 1.3.1.3 và Mục 1.3.1.4.
Điện cực đo
Phương pháp tim đồ trở kháng ngực sử dụng các điện cực để đưa dòng điện vào
cũng như để lấy điện áp vùng ngực đầu ra. Việc sử dụng loại điện cực, số điện cực cũng như vị tríđặt đều ảnh hưởng đến kết quảđo tín hiệu ICG và tỉ số SNR. Hiện tại có một số cách đặt điện cực phổ biến như sau:
− Sử dụng bốn điện cực dải: Cách đo sử dụng bốn điện cực dải là cách đo đầu tiên
do Kubicek [31] đưa ra. Cách đo gồm bốn điện cực dải quấn quanh vùng cổ và ngực. Cụ thể, hai điện cực ở ngoài cùng đóng vai tròđưa dòng điện vào ngực, hai
điện cực phía trong dùng để lấy điện áp thu được ởđầu ra. Các điện cực được đặt
ở cổ và dưới dạ dày. Khoảng cách giữa hai điện cực dòng điện và điện áp ở cổ và dưới dạ dày lần lượt là 3,2 và 6,4 cm. Nhìn chung, cách sử dụng bốn điện cực dải
này gặp nhiễu nhiều và cũng không thuận tiện khi đo đạc. Hiện nay, cách đặt điện cực kiểu này ít được sử dụng.
26
− Sử dụng bốn điện cực tròn: Đây là cách đo do Penney [32] đưa ra, gồm hai điện
cực tròn đặt ở phía sau cổ ở đốt sống C-7 và đi ngang về hai phía 6 cm. Hai điện cực còn lại đặt ở dưới tim ở bề mặt ngực phía bên trái, một cái ở cuối khu nối liên
sườn thứ 9 và cái còn lại ở đầu khu nối liên sườn thứ 10, khoảng cách giữa hai điện cực là 8 cm. Dòng điện được vào điện cực bên phải cổ và điện cực ở khu nối liên sườn thứ9. Hai điện cực còn lại để lấy điện áp đầu ra. Phương pháp 4 điện cực tròn tốt hơn phương pháp 4 điện cực dải khi ít nhiễu hơn, tuy nhiên cả hai
phương pháp đều không đo được trở kháng đều quanh vùng ngực. Phương pháp
bốn điện cực dải thiên về trở kháng sau lưng trong khi phương pháp bốn điện cực tròn đo phần trở kháng bên trái ngực chính xác hơn bên phải.
− Sử dụng tám điện cực tròn: Cách đo tám điện cực tròn do Bernstein [33] đưa ra.
Đúng hơn, cách đo này sử dụng bốn cặp điện cực, với mỗi cặp có vai trò giống
nhau. Có hai cặp điện cực đưa dòng điện vào và hai cặp điện cực đo điện áp đầu ra. Một cặp điện cực đưa dòng điện được đặt ở cổ trên và cặp còn lại đặt ở trên bụng, cách 5 cm tính từ mẩu xương ức cuối cùng. Còn hai cặp điện cực đo điện
áp đầu ra, một cặp ở dưới cặp điện cực dòng điện trên cổ 4,8 cm và một cặp ở
phía trên cặp điện cực dòng điện dưới và ngang với cuối đoạn nối xương ức, như
trên Hình 1.8. Đây là cách đo có thể bao qt hết trở kháng tồn vùng ngực và có
độ chính xác cao hơn hai cách đặt điện cực nói trên.
Hình 1.8 Minh họa cách sử dụng 8 điện cực tròn
Cấu hình điện cực được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trong các thiết bị nghiên cứu cũng như trong các thiết bị thương mại là cấu hình tám điện cực điểm do
Bernstein đề xuất. Các vị trí đặt điện cực phải được tuân thủ chặt chẽ theo các vị trí
đã được mơ tả để tránh sai số khi sử dụng mơ hình vùng ngực tương ứng để xây dựng
cơng thức tính SV. Sựthay đổi về vị trí điện cực dẫn đến sựthay đổi vềbiên độ và hình dạng của tín hiệu từđó làm sai lệch về kết quả đo. Bên cạnh đó, với mỗi vị trí
đặt điện cực, tín hiệu trở kháng vùng ngực cũng sẽ có sự phân bố khác nhau về năng lượng của thành phần nhiễu thở trong tín hiệu trở kháng tổng thể.
27
Dòng điện kích thích
Dòng điện kích thích trong phép đo trở kháng ngực thường là dòng điện xoay
chiều tần số cao để giảm trở kháng của các mô sinh học, nhất là trở kháng da, vốn
khơng có ý nghĩa trong phép đo huyết động. Theo [28], dòng điện được lựa chọn thường có biên độ không đổi khoảng từ 0,5 mA đến 5 mA để đảm bảo đạt được tỉ số
SNR tốt và tần số từ 20 kHz –100 kHz đểđảm bảo độ an toàn vềđiện. Tần số dưới 20 kHz dễ gây ra hiện tượng giật trong khi tại tần số lớn hơn 100 kHz, bắt đầu xuất hiện tụ kí sinh gây méo tín hiệu và khó khắc phục. Tại tần số 100 kHz, trở kháng vùng da giảm đi khoảng 100 lần so với vùng tần số thấp. Điều này giúp giảm thiểu nhiễu cử động tác động lên tín hiệu trở kháng thay đổi.
Thực tế, các thiết bị thương mại của mỗi hãng có thể sử dụng các dòng điện kích
thích khác nhau đáng kể. Trong thiết bị NICO100C của hãng BIOPAC, dòng điện kích thích có biên độ khơng đổi là 400 µA và tần số 50 kHz [34]. Thiết bị Niccomo của hãng Medis sử dụng dòng điện có cường độ là 1.5 mA và tần số là 85 kHz [35].
Trong khi đó, thiết bị MindWare Mobile Impedance Cardiograph của hãng New Bio
Technology sử dụng mức 500 µA, ở tần số 100 kHz [36].
Tín hiệu thu từ điện cực
Như đã phân tích trong Mục 1.3.1.1, tín hiệu thu từ điện cực là một tín hiệu điều
biên. Về mặt tần số, tín hiệu này có cùng tần số với dòng điện kích thích và có đường
bao biên độ phản ánh sựthay đổi của trở kháng ngực có tần số thấp hơn nhiều. Về
mặt biên độ, tín hiệu này chỉ khoảng 10 mV (với Z = 20 Ω và I = 0,5 mA) đến 240 mV (với Z = 48 Ω và I = 5 mA). Biên độ này thay đổi rất nhỏ trong suốt quá trình đo do trở kháng nền vùng ngực chiếm tới 99.5% trở kháng tổng thể [21]. Tuy nhiên, như
đã phân tích trong Mục 1.2.2.1, thành phần trở kháng thay đổi (Z) mới là thành phần
tạo nên tín hiệu ICG và đóng góp vào việc tính CO; thành phần này chỉ chiếm khoảng 0.5% độ lớn của Z. Do đó, tín hiệu thu được từ điện cực sẽ có các đặc điểm sau: − Tần số sóng mang: 20-100 kHz (giá trị cụ thể do tín hiệu kích thích quyết định) − Dải tần số tín hiệu băng gốc: 0-50 Hz
− Độ cao trung bình của đường bao biên độ (phản ánh Z0): khoảng 10-240 mV − Sựthay đổi độ cao của đường bao biên độ (phản ánh ΔZ): 0,05-1,2 mV
Với những đặc điểm trên, rõ ràng việc giải điều chếđể tái tạo chính xác sự biến thiên của ΔZ là rất khó khăn, đòi hỏi hệ thống đo và xử lý tín hiệu phải có độ chính xác cao và độ phân giải rất cao.
28