Luận án Tiến sĩ 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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Hà Nội - 2021


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 CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả dưới sự
hướng dẫn khoa học của PGS.TS Vũ Duy Hải và các tài liệu tham khảo đã được trích
dẫn. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, khách quan và chưa
từng được tác giả khác công bố.
Hà Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2021
Người hướng dẫn khoa học

Tác giả luận án

PGS.TS Vũ Duy Hải

Phan Đăng Hưng


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận án, tôi đã nhận được sự động viên, tạo điều kiện
thuận lợi của cơ quan công tác, nơi đào tạo, các thầy giáo, cơ giáo, bạn bè, gia đình
và đồng nghiệp. Đây là nguồn động lực to lớn giúp tôi vượt qua các khó khăn, thử
thách để hồn thành luận án của mình.
Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS Vũ
Duy Hải, người đã ln tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo tơi trong suốt quá trình
nghiên cứu. Thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tơi hồn
thành luận án này.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo của Bộ môn Công nghệ Điện
tử và Kỹ thuật Y sinh, Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
đã định hướng, đóng góp ý kiến, giúp đỡ tơi trong q trình học tập, nghiên cứu.

Tơi cũng xin cảm ơn các thành viên trong nhóm nghiên cứu tim đồ trở kháng
ngực – Trung tâm Điện tử y sinh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; các tình nguyện
viên đã hỗ trợ và cùng tham gia với tôi trong việc triển khai các thí nghiệm đo lường,
phân tích tín hiệu trở kháng ngực tại phịng thí nghiệm.
Tơi xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, các đơn vị liên quan của Trường
Đại học Bách Khoa Hà nội và Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện
thuận lợi cho tơi trong q trình học tập, nghiên cứu.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp đã luôn
quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này.
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 .................................................................................................................... 1
Lý do chọn đề tài ............................................................................................................. 1
Mục tiêu của luận án ...................................................................................................... 2
Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận án.................................... 3
Đối tượng nghiên cứu .................................................................................................. 3
Phạm vi nghiên cứu...................................................................................................... 3
Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 4
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án................................................................... 5
Về ý nghĩa khoa học .................................................................................................... 5
Về ý nghĩa thực tiễn ..................................................................................................... 5

Các đóng góp của luận án .............................................................................................. 5
Bố cục của luận án .......................................................................................................... 6

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU
LIÊN QUAN .............................................................................................................. 8
1.1 Tim và huyết động .................................................................................................... 8
1.1.1 Cấu trúc của tim và hoạt động bơm máu ............................................................ 8
1.1.2 Cung lượng tim và các thông số huyết động liên quan ..................................... 10
1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới cung lượng tim......................................................... 11
1.1.4 Vai trò cung lượng tim trong chẩn đoán và điều trị .......................................... 13
1.1.5 Các phương pháp đo cung lượng tim ................................................................ 13
1.2 Phương pháp đo cung lượng tim bằng tim đồ trở kháng ngực .......................... 18
1.2.1 Giới thiệu chung................................................................................................ 18
1.2.2 Trở kháng ngực và 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 và xử lý tín hiệu ..................................................... 28
1.3.3 Các loại nhiễu điển hình ................................................................................... 30
i


1.4 Một số vấn đề còn tồn tại và các nghiên cứu liên quan ....................................... 33
1.4.1 Vấn đề độ chính xác và tính hiệu quả khi giải điều chế tín hiệu ...................... 33
1.4.2 Vấn đề chồng lấn vị trí đặt điện cực ................................................................. 36
1.4.3 Ảnh hưởng của hoạt động hô hấp ..................................................................... 37
1.5 Kết luận chương 1 ................................................................................................... 44

CHƯƠNG 2. 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 mới ....................................................... 46
2.1.1 Đề xuất ý tưởng số hóa đỉnh sóng mang ........................................................... 46
2.1.2 Mơ tả chi tiết giải pháp và mơ hình hệ thống ................................................... 47
2.1.3 Thí nghiệm và kết quả....................................................................................... 50
2.2 Đề xuất các vị trí đặt điện cực mới thu nhận tín hiệu ICG ................................. 56
2.2.1 Đề xuất vị trí đặt điện cực ................................................................................. 56
2.2.2 Thí nghiệm và kết quả....................................................................................... 58
2.3 Kết luận chương 2 ................................................................................................... 70

CHƯƠNG 3. 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 và ECG .......................... 72
3.1.1 Mục đích ........................................................................................................... 72
3.1.2 Thiết kế hệ thống .............................................................................................. 72
3.1.3 Xây dựng các khối ............................................................................................ 73
3.1.4 Kết quả .............................................................................................................. 77
3.2 Xây dựng bộ cơng cụ hỗ trợ xử lý tín hiệu ICG ................................................... 81
3.2.1 Mục đích ........................................................................................................... 81
3.2.2 Xây dựng cơng cụ phần mềm thiết kế và thực hiện lọc số ............................... 82
3.2.3 Xây dựng cơng cụ phần mềm phân tích và xử lý tín hiệu ICG......................... 84
3.3 Quy trình xây dựng bộ dữ liệu nhiễu thở trong phép đo ICG............................ 86
3.3.1 Mục đích ........................................................................................................... 86
3.3.2 Xây dựng quy trình thu nhận dữ liệu ................................................................ 86
3.3.3 Lựa chọn tình nguyện viên ............................................................................... 87
3.3.4 Thực hiện thu nhận dữ liệu ............................................................................... 87
3.3.5 Xử lý và chuẩn hóa dữ liệu ............................................................................... 89
3.3.6 Mơ tả và lưu trữ dữ liệu .................................................................................... 89
3.4 Thuật toán tách và 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 và biên độ của nhiễu thở ....................................................... 96

3.5 Kết luận chương 3 ................................................................................................... 98

ii


CHƯƠNG 4. PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN GIẢM NHIỄU THỞ TRONG
PHÉP ĐO TÍN HIỆU ICG..................................................................................... 99
4.1 Đề xuất và xây dựng thuật toán lọc nhiễu thở ..................................................... 99
4.1.1 Đề xuất ý tưởng ................................................................................................. 99
4.1.2 Thiết kế mơ hình và triển khai chi tiết thuật toán lọc nhiễu ........................... 100
4.2 Đề xuất phương pháp và 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 quả và bàn luận .............................................................................................. 107
4.3.1 Kết quả ............................................................................................................ 107
4.3.2 Bàn luận .......................................................................................................... 114
4.4 Kết luận chương 4 ................................................................................................. 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 1 ........................................................................................................... 127
PHỤ LỤC 2 ........................................................................................................... 132
PHỤ LỤC 3 ........................................................................................................... 133

iii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ABW

Actual Body Weight

Cân nặng thực tế

ADC

Analog to Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự sang số

BSA

Body Surface Area

Diện tích bề mặt cơ thể

CI

Cardiac Index

Chỉ số cung lượng tim

CO

Cardiac output

Cung lượng tim

CPLD

Complex Programmable Logic
Device

Vi mạch có thể lập trình được

CVP

Central Venous Pressure

Huyết áp tĩnh mạch trung tâm

DSP

Digital Signal Processor

Bộ xử lý tín hiệu số

ECG

Electrocardiogram

Điện tim đồ

FPGA

Field Programmable Gate Array

Chip logic số có thể lập trình
được

HR

Heart rate

Nhịp tim

IBW

Ideal Body Weight

Cân nặng lý tưởng

Impedance cardiography

Tim đồ trở kháng ngực

ICG

Thuộc về trở kháng ngực

Impedance cardiographic

(Trở kháng ngực do hoạt động
của tim)
Trở kháng phổi

IP

Impedance pneumography

(Trở kháng ngực do hoạt động
hô hấp)

LVET

Left ventricle ejection time

Thời gian tống máu thất trái

MAP

Mean Arterial Pressure

Huyết áp động mạch trung bình

PAC-TD

Pulmonary Artery Catheter –
Thermodulition

Pha loãng nhiệt catheter động
mạch phổi

iv


Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

RMSE

Root Mean Squared Error

Sai số bình phương trung bình
gốc

RMSPE

Root Mean Squared Percentage
Error

Sai số bình phương trung bình
gốc tương đối

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SV

Stroke volume

Thế tích nhát bóp

SVI

Stroke Volume Index

Chỉ số thể tích nhát bóp

SVR

Systemic Vascular Resistance

Sức cản mạch hệ thống

TEB

Thoracic electrical bioimpedance

Trở kháng ngực

TPTD

Transpulmonary Thermodilution

Pha loãng nhiệt xuyên phổi

WHO

World health organization

Tổ chức y tế thế giới

Z

Trở kháng vùng ngực

Z0

Trở kháng nền

∆V

Sự thay đổi thể tích vùng ngực

∆Z

Trở kháng thay đổi của vùng
ngực

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tổng hợp các phương pháp đo cung lượng tim ........................................ 14
Bảng 1.2 Tổng hợp các phương pháp lọc nhiễu thở trong phép đo tín hiệu ICG .... 38

Bảng 2.1 Tổng hợp chỉ số RMSE và RMSPE trong các lần đo đối chứng .............. 55
Bảng 2.2 Tổng hợp kết quả đo tại vị trí gắn điện cực chuẩn và vị trí đề xuất số 1 .. 60
Bảng 2.3 Tổng hợp kết quả đo tại vị trí gắn điện cực chuẩn và vị trí đề xuất số 2 .. 63
Bảng 2.4 Tổng hợp kết quả đo tại vị trí gắn điện cực chuẩn và vị trí đề xuất số 3 .. 65
Bảng 2.5 Tổng hợp các chỉ số thống kê đo lường huyết động ở các vị trí đề xuất .. 68
Bảng 3.1 Thơng số kĩ thuật của mô-đun nguồn DC-DC JHM1524D12 .................. 77
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của mạch đo tín hiệu TEB và ECG ............................. 78
Bảng 3.3 Chức năng chính của phần mềm lưu và hiển thị dữ liệu TEB và ECG .... 79
Bảng 4.1 Tổng hợp các chỉ số SNR và RMSPE tính được từ dữ liệu thử nghiệm 108

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu trúc của tim, đường đi của máu giữa các buồng tim và van tim [1] .... 8
Hình 1.2 Diễn biến chu chuyển tim đối với chức năng tâm thất trái [1] .................... 9
Hình 1.3 Quan hệ giữa cung lượng tim và nhịp tim [6] ........................................... 11
Hình 1.4 Tín hiệu ICG tiêu biểu và các điểm đặc trưng [25] ................................... 19
Hình 1.5 Biểu diễn đồng thời tín hiệu ICG, ECG và trở kháng thay đổi ∆Z [26] ... 21
Hình 1.6 Sơ đồ khối thực thi thuật tốn Pan-Tompkins ........................................... 21
Hình 1.7 Ngun lý đo trở kháng ngực .................................................................... 25
Hình 1.8 Minh họa cách sử dụng 8 điện cực tròn .................................................... 26
Hình 1.9 Cấu trúc một hệ thống đo ICG điển hình bằng phương pháp tương tự ..... 28
Hình 1.10 Cấu trúc một hệ thống đo ICG điển hình bằng phương pháp số hóa ...... 30
Hình 1.11 Vị trí chuẩn của các điện cực theo mơ hình 8 điện cực [23] ................... 36
Hình 2.1 Tín hiệu điều chế và các điểm lấy mẫu tại đỉnh ........................................ 46
Hình 2.2 Vị trí khối thu nhận tín hiệu ICG trong mơ hình đề xuất .......................... 48
Hình 2.3 Mơ hình hệ thống thu nhận tín hiệu ICG đề xuất ...................................... 49
Hình 2.4 Hệ thống phần cứng dùng trong thử nghiệm thực tế ................................. 51
Hình 2.5 Vị trí các điểm đo kiểm tra VA, VB, và VC ................................................ 52

Hình 2.6 Dạng sóng đo được tại các điểm trung gian .............................................. 52
Hình 2.7 Dạng sóng của tín hiệu Z thu được sau khi số hóa .................................... 53
Hình 2.8 Giá trị đã chuẩn hóa của ΔZ khi đo bằng hệ thống đề xuất ...................... 53
Hình 2.9 Giá trị đã chuẩn hóa của ΔZ khi đo bằng thiết bị đối chứng ..................... 54
Hình 2.10 Bản ghi một lần đo trong 35 giây của hệ thống đề xuất .......................... 56
Hình 2.11 Bản ghi một lần đo trong 35 giây của thiết bị đối chứng ........................ 56
Hình 2.12 Minh họa các vị trí điện cực đề xuất ....................................................... 58
Hình 2.13 Vị trí đề xuất và vị trí điện cực chuẩn đo trên thiết bị Niccomo ............. 58
Hình 2.14 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị HR
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 ........................................................... 61
vii


Hình 2.15 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị Z0
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 ........................................................... 61
Hình 2.16 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị SV
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 ........................................................... 61
Hình 2.17 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị LVET
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 ........................................................... 62
Hình 2.18 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị CO
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 ........................................................... 62
Hình 2.19 Dạng sóng ICG ở vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1 ................................ 62
Hình 2.20 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị HR
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 ........................................................... 63
Hình 2.21 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị Z0
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 ........................................................... 64
Hình 2.22 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị SV
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 ........................................................... 64
Hình 2.23 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị LVET
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 ........................................................... 64

Hình 2.24 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị CO
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 ........................................................... 65
Hình 2.25 Dạng sóng ICG ở vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2 ................................ 65
Hình 2.26 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị HR
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 ........................................................... 66
Hình 2.27 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị Z0
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 ........................................................... 66
Hình 2.28 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị SV
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 ........................................................... 67
Hình 2.29 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị LVET
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 ........................................................... 67
Hình 2.30 Biểu đồ phân tán với R2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị CO
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 ........................................................... 67
Hình 2.31 Dạng sóng ICG ở vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 3 ................................ 68
viii


Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống thu nhận tín hiệu TEB và ECG ................................ 73
Hình 3.2 Ảnh thực tế của khối mạch đo tín hiệu TEB và ECG sau khi hồn thiện . 78
Hình 3.3 Giao diện phần mềm hiển thị và lưu trữ dữ liệu tín hiệu TEB và ECG .... 79
Hình 3.4 Dữ liệu TEB và ECG được ghi bởi phần mềm dưới dạng file .csv .......... 79
Hình 3.5 Giao diện phần mềm khi thiết kế bộ lọc IIR ............................................. 82
Hình 3.6 Giao diện phần mềm khi thiết kế bộ lọc FIR ............................................ 83
Hình 3.7 Giao diện thực hiện lọc với tín hiệu nhiễu thở thơ sau xử lý .................... 83
Hình 3.8 Giao diện cơng cụ phần mềm phân tích và xử lý tín hiệu ICG ................. 85
Hình 3.9 Giao diện cửa sổ xử lý tín hiệu ICG bằng biến đổi wavelet ..................... 85
Hình 3.10 Hình ảnh tác giả dán các điện cực đo dưới sự hướng dẫn của bác sĩ ...... 88
Hình 3.11 Hình ảnh thu nhận tín hiệu TEB và ECG trên tình nguyện viên ............. 88
Hình 3.12 Sơ đồ thực hiện thuật tốn tách nhiễu thở từ tín hiệu TEB ..................... 91
Hình 3.13 Kết quả các phép xử lý trung gian của thuật toán phát hiện đỉnh R ........ 93

Hình 3.14 Tín hiệu ECG với các đỉnh R đã được phát hiện và đánh dấu ................ 94
Hình 3.15 Tín hiệu trở kháng ngực ở trạng thái thở bình thường ............................ 95
Hình 3.16 Tín hiệu trở kháng ngực ở trạng thái thở nhanh ...................................... 95
Hình 3.17 Tín hiệu trở kháng ngực ở trạng thái thở gắng sức ................................. 95
Hình 3.18 Phổ tín hiệu trở kháng ngực trước và sau khi xử lý ở ba trạng thái ........ 96
Hình 3.19 Ảnh hưởng của nhiễu thở ở trạng thái bình thường lên tín hiệu ICG ..... 97
Hình 3.20 Ảnh hưởng của nhiễu thở ở trạng thái thở nhanh lên tín hiệu ICG ......... 97
Hình 3.21 Ảnh hưởng của nhiễu thở ở trạng thái thở gắng sức lên tín hiệu ICG .... 98
Hình 4.1 Sơ đồ thực hiện thuật tốn theo mơ hình lọc nhiễu thở đề xuất .............. 101
Hình 4.2 Sơ đồ thuật tốn Mallat phân giải và khơi phục tín hiệu ......................... 102
Hình 4.3 Tạo đáp ứng xung của bộ lọc dùng trong biến đổi wavelet ................... 103
Hình 4.4 Mơ hình đánh giá hiệu quả lọc nhiễu thở ................................................ 105
Hình 4.5 Biểu đồ hộp của chỉ số RMSPE của các tình nguyện viên với ba trạng thái
thở khác nhau theo phương pháp đề xuất và phương pháp của Seppä .......... 109

ix


Hình 4.6 Các đoạn tín hiệu gốc và đoạn tín hiệu đại diện sau trung bình .............. 109
Hình 4.7 Các chu kỳ tín hiệu ICG đại diện ở trạng thái thở bình thường .............. 110
Hình 4.8 Các chu kỳ tín hiệu ICG đại diện ở trạng thái thở gắng sức ................... 111
Hình 4.9 Các chu kỳ tín hiệu ICG đại diện ở trạng thái thở nhanh ........................ 111
Hình 4.10 Chỉ số SNR trung bình đối với ba trạng thái thở ................................... 112
Hình 4.11 Dạng sóng tín hiệu ICG chuẩn hóa sau khi thêm nhiễu thở và sau bộ lọc
wavelet của một trường hợp thở bình thường điển hình ............................... 113
Hình 4.12 Dạng sóng tín hiệu ICG chuẩn hóa sau khi thêm nhiễu thở và sau bộ lọc
wavelet của một trường hợp thở gắng sức điển hình..................................... 113
Hình 4.13 Dạng sóng tín hiệu ICG chuẩn hóa sau khi thêm nhiễu thở và sau bộ lọc
wavelet của một trường hợp thở nhanh điển hình ......................................... 114

x


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Theo tổ chức y tế thế giới (WHO), từ năm 2000 đến năm 2019, bệnh tim mạch
vẫn là nguyên nhân gây tử vong số một trên thế giới. Số liệu năm 2019 cho thấy bệnh
thiếu máu cơ tim và đột quỵ đã gây ra 27% số ca tử vong trên toàn cầu. Ở Việt Nam,
số người chết vì bệnh tim mạch khoảng 200.000 người, chiếm ¼ tổng số ca tử vong
hằng năm. Theo thống kê, cứ 3 người trưởng thành thì có 1 người có nguy cơ tim
mạch. Ngoài nguyên nhân gây tử vong, bệnh tim mạch cịn gây ra nhiều biến chứng
nặng nề khơng những ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân mà cịn là
gánh nặng cho gia đình và xã hội, chi phí cho chăm sóc và điều trị cũng rất tốn kém.
Để chẩn đoán, điều trị các bệnh về tim mạch, ngồi tín hiệu điện tim và nhịp tim,
các bác sĩ còn dựa vào các tham số huyết động chính như thể tích nhát bóp của tim
(SV – stroke volume), thời gian tống máu thất trái (LVET – left ventricular ejection
time), và quan trọng nhất là cung lượng tim (CO – cardiac output). Sự kết hợp giữa
cung lượng tim, điện tâm đồ, cùng các thông số huyết động khác giúp bác sĩ phân
loại khá chính xác các bệnh lý tim mạch, đặc biệt là các bệnh lý xuất phát từ tình
trạng thiếu máu cục bộ, huyết áp cao, và nhồi máu cơ tim. Việc đo lường và theo dõi
thông số CO liên tục cũng hỗ trợ rất nhiều cho bác sĩ trong cấp cứu, phẫu thuật và hồi
sức liên quan đến các bệnh về tim mạch và những căn bệnh khác.
Thông số CO là một thông số quan trọng trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh
tim mạch, đặc biệt trong hồi sức cấp cứu tim mạch. Hiện nay có một số phương pháp
đo lường và theo dõi thơng số CO. Các phương pháp này được phân thành hai nhóm
đó là nhóm các phương pháp đo xâm lấn (can thiệp) và nhóm các 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) và phương pháp phân tích sóng mạch kết hợp với pha lỗng nhiệt xun
phổi (PiCCO) vẫn là các phương pháp thường được sử dụng, cho kết quả chính xác

cao. Tuy nhiên, các phương pháp này tồn tại một số nhược điểm như đòi hỏi kỹ thuật
cao, có nguy cơ lây chéo các bệnh truyền nhiễm, nguy hiểm cho người bệnh, và chỉ
phù hợp với một số tình huống trong lâm sàng.
Nhóm các phương pháp khơng can thiệp đã và đang từng bước được đầu tư nghiên
cứu nhằm khắc phục những hạn chế của nhóm phương pháp có can thiệp để đảm bảo
tính thuận lợi trong sử dụng và an toàn cho bệnh nhân. Nổi bật trong nhóm này là
1


phương pháp tim đồ trở kháng ngực (ICG – impedance cardiography) với các ưu
điểm như dễ dàng thiết lập các phép đo, chi phí vận hành thấp, và theo dõi được thông
số một cách liên tục. Những ưu điểm này là vơ cùng có ý nghĩa trong cơng tác điều
trị các bệnh tim mạch. Tuy nhiên, giá thành của thiết bị, độ chính xác của phép đo,
độ ổn định của kết quả đo, và tính hữu dụng trong thực tế vẫn đang chịu tác động của
nhiều yếu tố kỹ thuật và phi kỹ thuật. Đây chính là động lực để tác giả đề xuất hướng
nghiên cứu, nhằm loại bỏ các rào cản, và góp phần đưa thiết bị đo cung lượng tim
không xâm lấn vào ứng dụng đại trà.

Mục tiêu của luận án
Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật thu nhận
tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ICG để ứng dụng trong phép đo thông số cung lượng
tim nhằm tăng cường độ chính xác và khả năng ứng dụng trong thực tế.
Các mục tiêu cụ thể của luận án được xây dựng qua q trình khảo sát các rào cản
hiện có đối với việc ứng dụng thiết bị đo cung lượng tim bằng tín hiệu tim đồ trở
kháng ngực tại các bệnh viện. Theo đó:
− Đối với rào cản về giá thành và độ chính xác của thiết bị, tác giả xác định mục
tiêu là Phát triển giải pháp cải tiến hệ thống thu nhận tín hiệu ICG nhằm xây
dựng một hệ thống mới có độ chính xác cao dựa trên các nền tảng xử lý hiệu năng
trung bình sẵn có. Mục tiêu này cho phép tối ưu hóa chi phí nghiên cứu phát triển
và chế tạo thiết bị.

− Đối với rào cản phi kỹ thuật gây ra do sự chồng lấn của vị trí gắn điện cực tiêu
chuẩn với vị trí đặt các đường ống thơng tĩnh mạch cổ, tác giả xác định mục tiêu
là Đề xuất và đánh giá một số vị trị đặt điện cực thay thế nhằm thực tế hóa tính
hữu dụng của thiết bị trong các cơ sở y tế. Mục tiêu cho phép mở rộng nhóm bệnh
nhân có thể tiếp cận và được sử dụng thiết bị.
− Đối với rào cản về độ tin cậy của kết quả đo, tác giả xác định một mục tiêu trong
phạm vi nguồn lực có thể tiếp cận, đó là Phát triển giải pháp giảm ảnh hưởng
của nhiễu do hoạt động hơ hấp (nhiễu thở) đối với tín hiệu tim đồ trở kháng
ngực. Đây là một trong những vấn đề rất quan trọng trong ghi đo tín hiệu ICG và
được quan tâm nghiên cứu nhiều trên thế giới.
Các mục tiêu nghiên cứu xa hơn về cơ bản đều nhằm giải quyết các vấn đề nêu
trên ở mức độ sâu hơn và toàn diện hơn. Về những nghiên cứu này, do chưa có điều
kiện triển khai, tác giả chỉ đề cập như là các hướng phát triển của luận án.

2


Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu
Căn cứ vào các mục tiêu nghiên cứu đã xác định và thực tế quá trình triển khai,
đối tượng nghiên cứu của luận án được xác định gồm nhiều nhóm. Cụ thể:
− Nhóm đối tượng liên quan đến tim và thông số huyết động, gồm: lý thuyết căn
bản về tim, thông số huyết động, cung lượng tim, các phương pháp đo CO đang
được ứng dụng trong thực tế;
− Nhóm đối tượng liên quan đến tim đồ trở kháng ngực, gồm: phương pháp đo CO
bằng ICG, tín hiệu TEB, tín hiệu ICG và nhiễu khi đo ICG, ảnh hưởng của q
trình hơ hấp đến tín hiệu ICG, và các phương pháp giảm thiểu các ảnh hưởng này;
− Nhóm đối tượng liên quan đến phương pháp đo, cơng cụ đo, và phương tiện xử lý
tính tốn, gồm: điện cực và vị trí đo tín hiệu ICG, sóng mang đưa vào cơ thể và
tín hiệu thu được, phương pháp giải điều chế tín hiệu, các mạch điện xử lý, các

phần mềm tính tốn, và các thuật tốn tách tín hiệu hoặc dải tần số quan tâm;
− Nhóm các đối tượng phụ trợ gồm: tín hiệu điện tim (ECG), thuật tốn xác định
đỉnh R trong tín hiệu ECG, các bộ nguồn nhiễu thấp, các mạch lọc nhiễu, và một
số kỹ thuật giúp tối ưu hóa hiệu quả của mạch điện phần cứng trong suốt quá trình
thực hiện luận án.
Phạm vi nghiên cứu
Do giới hạn về cơ sở vật chất và thời gian nghiên cứu, tác giả tập trung giải quyết
các vấn đề khoa học mang tính bản chất để đạt được các mục tiêu đã đặt ra. Các yếu
tố kỹ thuật liên quan đến chế tạo thử nghiệm không được trình bày chi tiết.
Cụ thể, nội dung của luận án được giới hạn trong phạm vi sau đây:
− Lý thuyết về tim, cung lượng tim, và các thông số huyết động: luận án chỉ dừng
lại ở việc trình bày tổng quan về tim, cung lượng tim, và các thông số huyết động
ảnh hưởng trực tiếp đến cung lượng tim. Nội dung này tóm lược các nền tảng quan
trọng cho các đề xuất và các phân tích thiết kế trong luận án.
− Lý thuyết về tín hiệu ICG và việc tính tốn CO từ tín hiệu ICG: luận án chỉ hệ
thống hóa những kiến thức tổng quan về cơ sở và nguyên lý của phương pháp,
đặc điểm của tín hiệu tim đồ trở kháng ngực liên quan đến các sự kiện trong hoạt
động của tim, các cơng thức tính cung lượng tim từ tín hiệu tim đồ trở kháng ngực.
Luận án khơng nghiên cứu cơng thức và phương pháp tính CO từ tín hiệu ICG.

3


− Ảnh hưởng của hoạt động hơ hấp lên tín hiệu ICG và thuật toán giảm ảnh hưởng:
luận án chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu thành phần nhiễu do thở trong phép đo tim
đồ trở kháng ngực dựa trên bộ dữ liệu của các tình nguyện viên khỏe mạnh, khơng
có bệnh lý về tim mạch. Việc đánh giá hiệu quả của thuật toán lọc nhiễu được dựa
trên bộ dữ liệu nhiễu thở thu thập được của các tình nguyện viên.
− Cách thức thu nhận tín hiệu trở kháng ngực và 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 là cấu hình được các thiết bị thương mại sử dụng. Vị trí đặt điện cực thay
thế trong trường hợp bị chồng lấn ở vùng cổ của bệnh nhân được đề xuất trên cơ
sơ khảo sát bệnh viện Tim Hà Nội và bệnh viện Việt Đức, tại Việt Nam. Các vị
trí chồng lấn khác (nếu có) tuy chưa được xem xét nhưng là ít xảy ra, theo đánh
giá từ các bác sĩ về tim mạch.
− Các hệ thống phần cứng thu nhận và ghi đo tín hiệu: luận án chỉ tập trung trình
bày q trình nghiên cứu và thiết kế mơ-đun thu nhận tín hiệu trở kháng ngực làm
công cụ thu thập dữ liệu. Việc chế tạo thử nghiệm các mô-đun cũng được thực
hiện với các linh kiện chuẩn, dựa trên thông số công bố của nhà sản xuất để đảm
bảo độ chính xác và độ tin cậy cao. Luận án khơng trình bày q trình phát triển
một thiết bị hồn thiện có thể tính tốn và hiển thị được thơng số cung lượng tim
và các thơng số huyết động từ tín hiệu ICG.
Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình nghiên cứu, tác giả áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác
nhau để đạt được các mục tiêu đã đề ra ban đầu. Về cơ bản, các phương pháp được
sử dụng thường xuyên là:
− Phương pháp phân tích và tổng hợp: nghiên cứu tổng hợp các cơng trình, bài báo
liên quan đến đề tài của luận án để xác định các vấn đề cần nghiên cứu và làm cơ
sở khoa học để đề xuất và thực hiện các nội dung nghiên cứu. Đây là phương pháp
nghiên cứu được sử dụng nhiều nhất trong nội dung liên quan đến nhiễu thở và
cách lọc nhiễu thở.
− Phương pháp chuyên gia: sử dụng trí tuệ và kinh nghiệm lâu năm của đội ngũ bác
sĩ về tim mạch để nhận định và đánh giá đối tượng nghiên cứu. Đây là phương
pháp đặc biệt quan trọng đối với các nghiên cứu liên quan đến cơ thể người.
− Phương pháp thực nghiệm: đề xuất giải pháp, mơ hình thuật tốn rồi thiết kế, thiết
lập thí nghiệm, tiến hành đo đạc kết quả, so sánh và đánh giá. Phương pháp này
được sử dụng triệt để trong nghiên cứu về vị trí đặt điện cực thay thế.

4

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Về ý nghĩa khoa học
− Việc nâng cao được chất lượng tín hiệu ICG là tiền đề quan trọng cho các bước
tiếp theo trong việc đo lường thông số cung lượng tim bằng phương pháp tim đồ
trở kháng ngực.
− Kết quả xác định được các đặc trưng của nhiễu thở cụ thể là về dải tần số và biên
độ trong phép đo tín hiệu ICG là cơ sở quan trọng trong việc thiết kế các thuật
toán loại bỏ sự ảnh hưởng của nhiễu thở, giúp cho q trình thu nhận tín hiệu ICG
được chính xác hơn.
− Thuật tốn lọc nhiễu thở đề xuất trong luận án sẽ đóng góp một giải pháp làm
giảm sự ảnh hưởng của nhiễu thở trong phép đo tín hiệu ICG.
− Với bộ cơ sở dữ liệu phản ánh đúng các đặc trưng của nhiễu thở trong phép đo
ICG sẽ giúp đánh giá được các thuật toán giảm nhiễu thở một cách chính xác và
khách quan.
− Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là tài liệu tham khảo có ý
nghĩa về kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực.
Về ý nghĩa thực tiễn
− Kết quả đề xuất các kỹ thuật nhằm nâng cao độ chính xác trong phép đo tín hiệu
tim đồ trở kháng ngực ICG sẽ đồng nghĩa với việc nâng cao độ chính xác trong
việc đo lường các thông số huyết động bằng phương pháp không xâm lấn ICG,
đặc biệt là thơng số cung lượng tim. Vì vậy, các kết quả đạt được trong luận án có
thể áp dụng vào thực tiễn để nâng cao độ chính xác cho các thiết bị đo sử dụng kỹ
thuật này.
− Việc đề xuất các vị trí đặt điện cực mới thay thế cho các vị trí điện cực tiêu chuẩn
sẽ giúp cho quá trình ứng dụng kỹ thuật tim đồ trở kháng ngực trên thực tế lâm
sàng được đầy đủ và dễ dàng hơn cho các đối tượng bệnh nhân khác nhau.

Các đóng góp của luận án
Các đóng góp của luận án liên quan chặt chẽ đến các mục tiêu nghiên cứu đã đặt

ra trong Mục 2 của phần này. Cụ thể:
− Đã đề xuất được một giải pháp thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực với kỹ
thuật số hóa đỉnh sóng mang tần số cao. Giải pháp này cho phép ghi đo tín hiệu
ICG bằng các nền tảng phần cứng có hiệu năng thấp, giúp giảm giá thành nghiên
cứu phát triển, giúp mở rộng khả năng tiếp cận lĩnh vực nghiên cứu cho các nhà
5


khoa học đồng nghiệp, có thể giúp trực tiếp và gián tiếp giảm giá thành của thiết
bị đo CO bằng tín hiệu ICG trong tương lai.
− Đã đề xuất được và triển khai đánh giá thực nghiệm thành công một số vị trí đặt
điện cực mới, thay thế cho vị trí tiêu chuẩn. Đóng góp này giúp cho việc ứng dụng
kỹ thuật tim đồ trở kháng ngực trên thực tế lâm sàng được đầy đủ và dễ dàng hơn
cho các đối tượng bệnh nhân khác nhau.
− Đã xác định các đặc trưng của nhiễu thở trong phép đo tín hiệu ICG và đề xuất
thuật toán lọc nhiễu thở bằng phương pháp kết hợp giữa biến đổi wavelet và trung
bình tồn bộ để để nâng cao chất lượng tín hiệu ICG.

Bố cục của luận án
Bố cục của luận án được chia thành sáu phần, bắt đầu bằng phần Mở đầu và kết
thúc bằng các kết luận và hướng phát triển trong tương lai. Nội dung nghiên cứu được
trình bày trong bốn chương lớn gồm:
Chương 1 trình bày tổng quan về các thông số huyết động, cung lượng tim, và
tổng hợp các phương pháp đo cung lượng tim. Tiếp theo, các nội dung liên quan đến
phương pháp tim đồ trở kháng ngực gồm mơ hình hệ thống đo, tín hiệu ICG, các điểm
đặc trưng, phương pháp tính CO từ tín hiệu ICG, và các loại can nhiễu lần lượt được
làm rõ. Chương này cũng khảo sát các nghiên cứu liên quan, phân tích những vấn đề
cịn tồn tại để làm nổi bật ý nghĩa các nghiên cứu được triển khai trong các chương
tiếp theo.
Chương 2 đóng góp hai giải pháp cải tiến kỹ thuật thu nhận tín hiệu ICG gồm:

(1) giải pháp về mơ hình thu nhận tín hiệu ICG theo hướng số hóa đỉnh sóng mang
tần số cao, giúp nâng cao hiệu quả của thiết bị và (2) giải pháp thay đổi vị trí đặt điện
cực so với cách đo tiêu chuẩn trong trường hợp bị chồng lấn, giúp nâng cao tính ứng
dụng của phương pháp. Hai giải pháp này hiện thực hóa hai mục tiêu đầu tiên của
luận án là giải quyết rào cản kỹ thuật về chế tạo thiết bị và rào cản phi kỹ thuật về
ứng dụng thực tế của thiết bị trong các bệnh viện và các cơ sở y tế.
Chương 3 xác định các tham số đặc trưng và xây dựng bộ dữ liệu về nhiễu thở
trong kỹ thuật tim đồ trở kháng ngực bao gồm các nội dung: hoàn thiện hệ thống đã
đề xuất ở Chương 2, xây dựng các công cụ hỗ trợ, đề xuất và triển khai thuật tốn
tách nhiễu thở từ tín hiệu trở kháng ngực. Kết quả của chương này là bộ dữ liệu về
nhiễu thở và các đặc trưng của nhiễu thở. Đây là nền tảng quan trọng cho nghiên cứu
sẽ được triển khai trong Chương 4.
6


Chương 4 đề xuất một thuật toán lọc nhiễu thở bằng cách kết hợp giữa biến đổi
wavelet và phép trung bình tồn bộ. Việc đề xuất mơ hình và q trình đánh giá định
lượng hiệu quả của thuật tốn lọc nhiễu thở được thực hiện trên cơ sở bộ dữ liệu nhiễu
thở thu được trong Chương 3. Kết quả của chương này hiện thực hóa mục tiêu cuối
cùng của luận án là loại bỏ một trong số các rào cản về độ tin cậy của kết quả đo trong
phạm vi nguồn lực có thể tiếp cận.

7


CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC CƠNG TRÌNH
NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
Để phát triển kỹ thuật thu nhận tín hiệu tim đồ trở kháng ngực ứng dụng trong
phép đo thông số cung lượng tim, việc xây dựng một bức tranh tổng thể về lĩnh vực
nghiên cứu là rất quan trọng. Do đó, trong chương đầu tiên của luận án, tác giả tập

trung trình bày các nền tảng lý thuyết và đánh giá các cơng trình nghiên cứu liên quan.
Đầu tiên, loạt lý thuyết căn bản về tim, cung lượng tim, và các thông số huyết động
được giới thiệu kèm theo các khái niệm căn bản. Tiếp theo, phương pháp đo cung
lượng tim bằng tim đồ trở kháng ngực được trình bày rõ ràng và chi tiết để làm nổi
bật vai trị quan trọng của việc ghi đo chính xác tín hiệu tim đồ trở kháng ngực. Vấn
đề ghi đo này được mơ tả một cách đầy đủ và có hệ thống ngay phía sau để làm xương
sống cho tồn bộ các nghiên cứu và đề xuất mới của tác giả trong luận án. Xuất phát
từ chính q trình mơ tả này, trong phần cuối cùng của Chương 1, tác giả phân tích
các vấn đề cịn tồn tại, khảo sát và đánh giá hàng hoạt các nghiên cứu liên quan, và
khu trú lại ba mục tiêu nghiên cứu của luận án để từng bước giải quyết trong các
chương tiếp theo.

1.1 Tim và huyết động
1.1.1 Cấu trúc của tim và hoạt động bơm máu
Tim là thành phần quan trọng của hệ tuần hồn, có chức năng bơm máu liên tục
trong suốt cuộc đời con người. Tim có kích thước nhỏ tương đương nắm tay, trọng
lượng khoảng 270 g ở nam giới và 260 g ở nữ.

Hình 1.1 Cấu trúc của tim, đường đi của máu giữa các buồng tim và van tim [1]
8


Về vị trí, tim nằm ở trung thất, ngay phía sau xương ức, phía bên trái lồng ngực
và nằm ngay phía trên cơ hồnh. Mỏm tim nằm hướng về phía bên trái, gần khoang
liên sườn thứ 5.
Về cấu trúc, tim là một khối cơ rỗng, được chia thành 4 buồng: 2 tâm nhĩ và 2 tâm
thất. Nhĩ phải và nhĩ trái, thành mỏng, nhận máu tĩnh mạch rồi đưa xuống thất; thất
phải và thất trái, thành dày, bơm máu vào động mạch với áp lực cao. Hai tâm nhĩ
ngăn cách nhau bởi vách liên nhĩ, hai tâm thất ngăn cách nhau bởi vách liên thất.
Ngăn giữa nhĩ và thất là các van, bên trái có van hai lá, bên phải có van ba lá. Ngăn

giữa thất trái và động mạch chủ và thất phải và động mạch phổi là các van bán nguyệt.
Các van giúp cho dòng máu chỉ lưu thông một chiều từ nhĩ xuống thất và từ thất vào
động mạch chủ [2]. Hình 1.1 mơ tả cấu trúc của tim, đường đi của máu giữa các buồng
tim và van tim.
Tim đập nhịp nhàng, đều đặn, khoảng 3 tỷ lần cho một đời người. Có thể chia
chuỗi hoạt động này thành từng chu kỳ lặp đi lặp lại riêng rẽ. Khoảng thời gian từ
đầu của một tiếng tim này đến đầu tiếng tim khác gọi là một chu kỳ tim. Trong mỗi
chu kỳ tim, sự thay đổi áp lực trong trong tâm nhĩ, tâm thất, khiến chúng co và giãn,
máu sẽ đi từ vùng áp lực cao đến vùng áp lực thấp. Hình 1.2 mơ tả diễn biến trong
một chu chuyển tim đối với tim trái, thể hiện sự thay đổi áp suất nhĩ trái, áp suất thất
trái, áp suất động mạch chủ, thể tích thất trái, điện tâm đồ, tâm thanh đồ, hoạt động
đóng mở của van A-V (nhĩ thất), van động mạch chủ.

Đóng van
A-V

Hình 1.2 Diễn biến chu chuyển tim đối với chức năng tâm thất trái [1]
9


Với nhịp tim trung bình khoảng 75 nhịp/phút, mỗi chu kỳ tim kéo dài khoảng 0,8
s. Trong 0,4 s đầu tiên của chu kỳ tim, là giai đoạn tim giãn, cả 4 buồng tim đều ở kỳ
tâm trương. Đầu tiên, tất cả các van đều đóng (giãn đẳng tích), tiếp đó van nhĩ-thất
mở và máu bắt đầu rót xuống thất (tiếng tim T3, máu dội vào thành thất khi tim hút
máu về). Trong 0,4 s còn lại được chia thành 2 giai đoạn: tâm nhĩ co ở 0,1 s đầu tiên
để tống nốt máu xuống thất (tiếng tim T4, máu dội vào thành thất khi nhĩ co đẩy máu
xuống thất) trong lúc này thất vẫn giãn cho đến khi van nhĩ thất đóng (tiếng tim T1).
Tâm thất co ở 0,3 s tiếp theo trong khi tâm nhĩ giãn. Ban đầu (khoảng 0,05 s), tất cả
các van đều đóng, tâm thất co đẳng tích cho đến khi áp xuất tâm thất lớn hơn áp xuất
trong động mạch thì van động mạch mở, bắt đầu giai đoạn tống máu tâm thất (khoảng

0,25 s). Ban đầu tốc độ tốc máu nhanh sau đó tốc độ tống máu giảm dần đến khi áp
xuất của tâm thất nhỏ hơn áp xuất trong động mạch thì van động mạch sẽ đóng lại
(tiếng tim T2) và lặp lại chu kỳ mới [3].
1.1.2 Cung lượng tim và các thông số huyết động liên quan
Cung lượng tim (CO – cardiac output) là một thông số huyết động quan trọng, chỉ
số lít máu được tâm thất trái bơm vào động mạch chủ trong một phút. Cung lượng
tim được xác định bởi hai tham số là nhịp tim (HR – heart rate) và thể tích nhát bóp
(SV – stroke volume) thơng qua biểu thức sau:
𝐶𝑂 = 𝑆𝑉 × 𝐻𝑅

(1.1)

Trong đó: HR là số lần tim đập trong một phút, đơn vị là nhịp/phút; SV là thể tích
máu được tâm thất trái bơm đi trong một nhịp tim, đơn vị là ml/nhịp.
Trong lâm sàng, chỉ số cung lượng tim (CI – cardiac index) là cung lượng tim
bơm ra trong một phút trên một đơn vị diện tích da (BSA – body surface area) cũng
là một biểu hiện khác của cung lượng tim. Chỉ số này khơng phụ thuộc vóc dáng to,
nhỏ, nặng, nhẹ của bệnh nhân nên dễ so sánh trên lâm sàng.
𝐶𝐼 = 𝐶𝑂/𝐵𝑆𝐴

(1.2)

𝐵𝑆𝐴 = 0.007184 . 𝑊 0.425 . 𝐻 0.725

(1.3)

Trong đó: CI có đơn vị là lít/phút/m2; BSA là diện tích bề mặt cơ thể (m2) được
tính dựa vào chiều cao H (cm) và cân nặng W (kg) của bệnh nhân theo công thức
Dubois [4] như sau:

Theo [5], giá trị bình thường của cung lượng tim CO là khoảng 5 - 6 lít/phút và
của chỉ số tim CI là khoảng 2,5 – 3,5 lít/phút/m2.

10


1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới cung lượng tim
Nhịp tim và cung lượng tim có mối liên hệ trực tiếp tới nhau, khi nhịp tim tăng
thì cung lượng tim cũng tăng. Tuy nhiên, có một giới hạn cho việc tăng lên của nhịp
tim. Giá trị của nhịp tim khoảng 260 nhịp/phút thường đi kèm theo triệu chứng sốc,
tức là cung lượng tim thấp. Thực tế, khi nhịp tim vượt quá 150 nhịp/phút, cung lượng
tim bắt đầu giảm. Nguyên nhân của hiện tượng này là trong giai đoạn tâm trương,
máu được đi xuống tâm thất. Thời gian này chính là thời gian đổ đầy thất và có ảnh
hưởng lớn tới cung lượng tim. Nếu thời gian đổ đầy thất không đủ, tâm thất sẽ nhận
được ít máu hơn, khi đó cung lượng tim và thể tích nhát bóp sẽ giảm. Ngược lại, nếu
nhịp tim quá thấp, dưới 50 nhịp/phút, cung lượng tim cũng sẽ giảm nhanh chóng. Dù
đủ thời gian đổ đầy thất nên thể tích nhát bóp là rất tốt, tuy nhiên đây không phải là
giá trị nhịp tim phù hợp vì cung lượng tim giảm tỉ lệ thuận cùng nhịp tim. Đồ thị thể
hiện mối quan hệ giữa cung lượng tim và nhịp tim được minh họa như trên Hình 1.3.
CO
(l/phút)
5

0

50

70

150

HR
(nhịp/phút)

Hình 1.3 Quan hệ giữa cung lượng tim và nhịp tim [6]

Thể tích nhát bóp hay cịn gọi là thể tích tống máu được tính bằng thể tích thất
cuối thời kỳ tâm trương trừ đi thể tích thất cuối thời kỳ tâm thu. Thể tích nhát bóp có
thể áp dụng cho cả 2 tâm thất, nhưng thường được đề cập đến tâm thất trái.
Chỉ số thể tích tống máu (SVI – stroke volume index) là thể tích máu được bơm
ra từ tâm thất với từng nhịp đập của tim trên một đơn vị diện tích da là một biểu thị
khác của thể tích tống máu.
𝑆𝑉𝐼 = 𝑆𝑉/𝐵𝑆𝐴

(1.4)

Giá trị bình thường của các chỉ số SV (60 – 100 ml/nhịp), SVI (35 – 65 ml/m2),
phụ thuộc vào tuổi.

11