Đo nồng độ các chất trong máu bằng phương pháp đo không can thiệp sử dụng kỹ thuật tạo ảnh và phân tích phổ sóng quang âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------VŨ ĐỨC THUẬT

VŨ ĐỨC THUẬT

Đề tài:

KỸ THUẬT Y SINH

ĐO NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT TRONG MÁU BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO
KHÔNG CAN THIỆP SỬ DỤNG KỸ THUẬT TẠO ẢNH VÀ
PHÂN TÍCH PHỔ SÓNG QUANG ÂM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Kỹ thuật y sinh

KHOÁ 2014B
Hà Nội – Năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

VŨ ĐỨC THUẬT

Đề tài:
ĐO NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT TRONG MÁU BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO
KHÔNG CAN THIỆP SỬ DỤNG KỸ THUẬT TẠO ẢNH VÀ
PHÂN TÍCH PHỔ SÓNG QUANG ÂM

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Y Sinh

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Kỹ thuật y sinh

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Trịnh Quang Đức

Hà Nội – Năm 2016


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Vũ Đức Thuật
Đề tài luận văn: Đo nồng độ các chất trong máu bằng phương pháp
đo không can thiệp sử dụng kỹ thuật tạo ảnh và phân tích phổ sóng quang âm
Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh
Mã số SV: CB140296
Người hướng dẫn và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả không
phải chỉnh sửa luận văn.
Giáo viên hướng dẫn

Ngày 29 tháng 10 năm 2016
Tác giả luận văn

Ts. Trịnh Quang Đức
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS. Phạm Thành Công


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thiện luận văn Thạc sĩ tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc t ớ i
TS. Trịnh Quang Đức, người thầy ngay từ đầu đã định hướng và tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu.
Tôi xin trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ học tập và tạo điều kiện tốt nhất của
các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Điện tử và Kỹ thuật Y sinh, Trung tâm
Điện tử Y sinh và các thầy cô trong viện Điện tử - Viễn thông trong suốt thời
gian học tập, nghiên cứu, thực hiện luận văn.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè đã luôn động
viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình học tập,
thực hiện đề tài nghiên cứu.
Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2016
Tác giả luận văn

Vũ Đức Thuật


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, tất cả các số liệu và những kết quả nghiên cứu
trong luận văn này đều do tôi nghiên cứu, số liệu hoàn toàn trung thực,
không trùng lặp với các đề tài khác và chưa được sử dụng để bảo vệ bất kỳ
luận văn nào.
Tôi xin cam đoan mọi thông tin, số liệu trích dẫn trong luận văn đều
chính xác và được chỉ rõ nguồn gốc, mọi sự giúp đỡ, tạo điều kiện cho việc
thực hiện luận văn đều đã được cảm ơn!
Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2016

Tác giả luận văn

Vũ Đức Thuật


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢN VẼ .......................................................................................... 4
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................. 6
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. 6
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 7
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ........................................................................................................ 8
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ............................................. 10
1.1 Sinh chất máu và bệnh lý .................................................................................... 10
1.2 Các phương pháp đo sinh chất máu truyền thống và phương pháp đề xuất. ....... 14
1.3 Mục tiêu đề tài ...................................................................................................... 17
CHƯƠNG 2. CÁC ĐẶC TÍNH QUANG HỌC CỦA MÔ SINH HỌC, TƯƠNG
TÁC CỦA MÔ SINH HỌC VỚI ÁNH SÁNG .......................................................... 18
2.1 Đặc tính quang học của mô sinh học ................................................................... 18
2.1.1 Hiện tượng hấp thụ ....................................................................................... 19
2.1.2 Hiện tượng khúc xạ và phản xạ ..................................................................... 20
2.1.3 Hiện tượng tán xạ .......................................................................................... 22
2.2 Tương tác nhiệt .................................................................................................... 24
2.2.1 Sự phát sinh nhiệt .......................................................................................... 24
2.2.2 Sự truyền nhiệt .............................................................................................. 24
2.2.3 Hiệu ứng quang âm ....................................................................................... 25
2.2.3 Tần số dao động tự nhiên .............................................................................. 28
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP QUANG ĐO NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT TRONG
MÁU .............................................................................................................................. 29
3.1 Phương pháp đo độ phân cực quang .................................................................... 29

3.1.1 Ánh sáng phân cực ........................................................................................ 29
3.1.2 Sự quay phân cực quang ............................................................................... 30
3.1.3 Thí nghiệm ..................................................................................................... 32
3.2 Phương pháp phân tích phổ Raman ..................................................................... 33

1


3.2.1 Hiệu ứng Raman ........................................................................................... 33
3.3 Phương pháp đo sử dụng mô hình phân tán ánh sáng .......................................... 35
3.3.1 Cơ sở phương pháp ....................................................................................... 35
3.3.2 Thực hiện phép đo ......................................................................................... 36
3.4 Khả năng truyền qua của tia hồng ngoại gần ....................................................... 37
3.4.1 Cơ sở phép đo ............................................................................................... 37
3.4.2 Phương pháp đo ............................................................................................ 38
3.4.3 Phương pháp quang âm ................................................................................ 39
3.5 Thảo luận .............................................................................................................. 39
CHƯƠNG 4. CÁC KỸ THUẬT TẠO ẢNH QUANG .............................................. 40
4.1 Tạo ảnh quang ...................................................................................................... 40
4.2 Các kỹ thuật tạo ảnh quang .................................................................................. 40
4.2.1 Kỹ thuật OCT (Optical Coherence Tomography) ......................................... 40
4.2.2 Kỹ thuật tạo ảnh DOT (Diffuse Optical Tomography) ................................. 43
4.2.3 Kỹ thuật tạo ảnh quang âm (PAT) ................................................................ 44
4.2.3.1 Nguyên lý tạo ảnh quang âm...................................................................... 44
4.3.2.2 Thuật toán tái tạo ảnh chuyển đổi miền thời gian (Time Reversal) .......... 48
4.3 Thảo luận .............................................................................................................. 50
CHƯƠNG 5. KỸ THUẬT PHÂN TÍCH PHỔ QUANG ÂM .................................. 52
5.1 Nguyên lý phân tích phổ quang âm ..................................................................... 52
5.2 Phương trình truyền sóng âm ............................................................................... 53
5.3 Phân tách sóng tổng hợp ...................................................................................... 61

5.3.1 Phân tích Fourier .......................................................................................... 61
5.3.2 Biến đổi Fourier rời rạc và biến đổi Fourier nhanh .................................... 62
5.4 Thảo luận .............................................................................................................. 63
CHƯƠNG 6. MÔ PHỎNG ĐO NỒNG ĐỘ GLUCOSE .......................................... 64
6.1 Mục đích mô phỏng ............................................................................................. 64
6.2 Yêu cầu mô phỏng ............................................................................................... 64
6.3 Giả thiết điều kiện mô phỏng ............................................................................... 65

2


6.3.1 Mô hình mô phỏng ........................................................................................ 65
6.3.2 Chi tiết điều kiện mô phỏng .......................................................................... 66
6.4 Mô phỏng ............................................................................................................. 70
6.4.1 Xung kích thích .............................................................................................. 70
6.4.2 Xây dựng hàm biên độ áp suất P................................................................... 72
6.4.3 Phương trình truyền áp suất của các chất thành phần theo thời gian ......... 72
6.4.5 Phân tích phổ tổng hợp ................................................................................. 73
6.4.6 Phát hiện đỉnh, xác định áp suất Glucose ..................................................... 73
6.5 Kết quả và thảo luận ............................................................................................. 74
6.5.1 Xung vuông.................................................................................................... 74
6.5.2 Sóng tổng hợp có được khi tác dụng xung vuông vào mẫu .......................... 74
6.5.3 Kết quả phân tích phổ sóng âm ..................................................................... 75
6.5.5 Phát hiện đỉnh ............................................................................................... 75
6.5.6 Biểu diễn nồng độ các chất thành phần và chất tổng hợp dưới dạng màu .. 76
6.5.7 Thảo luận ...................................................................................................... 79
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 81
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 83

3


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Lấy mẫu máu để xét nghiệm .......................................................................... 11
Hình 1.2. Một mô hình xét nghiệm máu không can thiệp ............................................. 16
Hình 2.1 Đặc tính khúc xạ, phản xạ, hấp thụ và tán xạ trong mô sinh học ................... 18
Hình 2.2 Mô tả định luật Lambert- Beer ........................................................................ 19
Hình 2.3 Phổ hấp thụ của mô sinh học .......................................................................... 20
Hình 2.4 Hiện tượng khúc xạ và phản xạ ....................................................................... 21
Hình 2.5 Phản xạ gương (bên trái), phản xạ khuếch tán (bên phải) .............................. 21
Hình 2.6 Tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie ....................................................................... 23
Hình 2.7 Sự hình thành sóng quang âm ......................................................................... 26
Hình 2.8. Sự hình thành và thu nhận sóng quang âm .................................................... 26
Hình 2.9 Tốc độ truyền âm trong mô và nước ............................................................... 27
Hình 3.1 Sự phân cực của sóng ánh sáng ....................................................................... 29
Hình 3.2 Ánh sáng phân cực thẳng ................................................................................ 30
Hình 3.4 Mô hình đo độ phân cực quang ứng dụngđo nồng độ glucose trong mắt thỏ. 32
Hình 3.5 Chu trình trao đổi năng lượng của tán xạ Raman ........................................... 34
Hình 3.6 Mô hình đo nồng độ glucose trong máu phương pháp không can thiệp sử
dụng phân tích phổ Raman ............................................................................................. 34
Hình 3.7 Đo nồng độ glucose sử dụng mô hình phân tán ánh sáng ............................... 36
Hình 3.8 Thiết bị đo nồng độ Glucose sử dụng đo mức truyền qua thùy tai của tia hồng
ngoại gần. ....................................................................................................................... 38
Hình 4.1 Giao thoa kế Michelson .................................................................................. 41
Hình 4.2 Sơ đồ tổng quát một hệ thống tạo ảnh OCT.................................................... 42
Hình 4.3 Tạo ảnh DOT trong miền tần số ...................................................................... 43
Hình 4.4 Kỹ thuật tạo ảnh quang âm ............................................................................. 44
Hình 4.5 Mô hình thực hiện kỹ thuật tạo ảnh quang âm ................................................ 45
Hình 4.6 Một ảnh chức năng của sự thay đổi chuyển động mạch máu. ........................ 46

Hình 4.7 Thể hiện các thay đổi hemoglobin deoxy và hemoglobin oxy trong các mạch
máu nhỏ. ......................................................................................................................... 47

4


Hình 4.8 Chỉ ra một u melanoma ở da và các cấu trúc mạch máu bao quanh nó. ......... 47
Hình 4.9 Cơ chế tạo ảnh quang âm bằng kỹ thuật đảo ngược thời gian ........................ 49
Hình 4.10 Sự chồng lấp mức hấp thụ của các chất tại một bước sóng .......................... 51
Hình 5.1 Sóng thành phần thu được từ việc phân tích sóng tổng hợp ........................... 52
Hình 5.2 Thiết kế cho mô phỏng: Xung laserchiếu đến một mạch máu dạng hình cầu
qua lớp mô mềm ............................................................................................................. 58
Hình 5.3 Tổng quát mô hình xác định nồng độ các chất trong máu bằng kỹ thuật tạo
ảnh và phân tích phổ sóng quang âm ............................................................................. 63
Hình 6.1 Thuật toán mô phỏng ...................................................................................... 65
Hình 6.2 Hệ số hấp thụ của một số chất trong dải hồng ngoại. ..................................... 66
Hình6.3 Độ hấp thụ đã được chuẩn hóa của Glucose, Albumin, Globulin .................. 67
Hình 6.4 Mối quan hệ giữa áp suất sóng quang âm tạo ra trong hỗn hợp chất với độ dày
mô mềm và công suất laser chiếu .................................................................................. 69
Hình 6.7 Xung vuông kích thích có chu kỳ xung. ......................................................... 74
Hình 6.8 Sóng âm tổng hợp thu nhận được ................................................................... 74
Hình 6.9 Phân tích Fourier của phổ tổng hợp ................................................................ 75
Hình 6.10 Phát hiện áp suất đỉnh của Glucose và nước ................................................. 75
Hình 6.11 Màu tổng hợp của các chất thành phần ......................................................... 76
Hình 6.12 Chất thành phần Glucose .............................................................................. 76
Hình 6.13 Chất thành phần Urea .................................................................................... 77
Hình 6.14 Chất thành phần Nước................................................................................... 77
Hình 6.15 Chất thành phần Albumin ............................................................................. 78
Hình 6.16 Chất thành phần Globulin ............................................................................. 78

5


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Nồng độ của một số chất quan trọng trong huyết tương người bình thường . 12
Bảng 2.1 Các thuộc tính âm của một số loại mô............................................................ 27
Bảng 3.1 Góc quay quang đặc trưng của một số chất .................................................... 31
Bảng 4.1 Các kỹ thuật tạo ảnh quang ............................................................................. 49
Bảng 6.1 Mối quan hệ giữa áp suất sóng quang âm tạo ra trong hỗn hợp chất với độ
dày mô mềm và công suất laser chiếu ............................................................................ 68
Bảng 6.2 Các thông số của các chất thành phần cho điều kiện mô phỏng .................... 69
Bảng 6.3 Các đặc tính vật lý của mẫu mô phỏng ........................................................... 70
Hình 6.5 Hàm bước đơn vị; Hình 6.6 Hàm xung vuông ................................................ 72
Hình 6.12 Chất thành phần Glucose .............................................................................. 76

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
DOT: Diffuse optical tomography
OCT: Optical Coherence tomography
PAT: Photoacoustic Tomography
PAS: Photoacoustic Spectrocopy

6


LỜI MỞ ĐẦU
Qua thực tế làm việc tại phòng trang thiết bị y tế của Bệnh viện Giao thông vận
tải Trung ương tôi thấy việc xác định nồng độ các chất trong máu là một xét nghiệm
không thể thiếu trong việc chẩn đoán và điều trị các bệnh lý mắc phải. Phương pháp
xét nghiệm máu dùng trong bệnh viện là lấy máu trực tiếp từ cơ thể sau đó thực hiện
xét nghiệm nồng độ chất bằng các phương pháp khác nhau như: phương pháp đo màu,

phương pháp điện hóa...
Phương pháp xét nghiệm máu (phương pháp can thiệp) có ưu điểm cho kết quả
đo chính xác, tuy nhiên tồn tại các nhược điểm như: phương pháp đo cần phải lấy máu
trực tiếp từ bệnh nhân gây đau, gây ra các rủi ro lây nhiễm cao, không thể thực hiện
được thường xuyên, yêu cầu cần được thực hiện bởi các y tá, bác sỹ có chuyên môn,
không thuận tiện trong một số trường hợp và ngoài ra công việc lưu trữ máu cũng cần
thiết phải được tiến hành.
Để khắc phục các nhược điểm trên của phương pháp đo can thiệp, phương pháp
đo nồng độ các chất bằng cách không lấy máu trực tiếp từ cơ thể ra đời dựa trên các
đặc tính quang học của mô sinh học (phương pháp không can thiệp).
Nhận thấy được những ưu điểm nổi bật của phương pháp đo không can thiệp.
Trong đề tài này, tôi đã quyết định nghiên cứu một phương pháp đo nồng độ các chất
trong máu bằng phương pháp không can thiệp với độ chính xác cao, cho khả năng tạo
ảnh các chất với chất lượng hình ảnh tốt với độ phân giải, độ sâu tạo ảnh và độ tương
phản cao.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Trịnh Quang Đức cùng toàn thể
thầy cô trong bộ môn kỹ thuật y sinh - Viện Điện Tử Viễn Thông đã nhiệt tình chỉ bảo,
hướng dẫn tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

7


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Trong luận văn này, tôi trình bày các nghiên cứu ban đầu để chứng tỏ tính khả
thi của kỹ thuật tạo ảnh quang âm kết hợp với phân tích phổ quang âm ứng dụng trong
định lượng lâm sàng phân tích máu bằng phương pháp đo không can thiệp. Luận văn
được trình bày giả định các thông số cho hệ thống đo thực nghiệm trong tương lai, từ
đó mô phỏng để thu nhận các kết quả qua một chương trình đã được xây dựng trong
môi trường mô phỏng Matlab và kiểm nghiệm tính khả thi của kỹ thuật này với trường
hợp xác định nồng độ Glucose. Một hỗn hợp chất bao gồm các thành phần: Glucose,

Urea, Albumin, gamma - Globulin, Nước, nồng độ Glucose được tách ra khỏi hỗn hợp
dưới ánh sáng kích thích 300 mW và phân tích Fourier tín hiệu quang âm. Qua mô
phỏng, nồng độ Glucose được xác định là 2.8 g/l tương ứng với áp suất quang âm thu
được là 2.27 Pa trong điều kiện độ sâu của mô mềm là 10 mm, độ dày hỗn hợp chất tạo
ảnh là 1mm.

8


MỞ ĐẦU
Phương pháp xét nghiệm máu không can thiệp đo nồng độ các chất trong máu
sử dụng kỹ thuật tạo ảnh và phân tích phổ sóng quang âm có thể cho kết quả về nồng
độ chất với độ chính xác cao, bên cạnh đó có thể nhìn thấy được ảnh trực quan mức
phân bố cũng như vị trí các chất có trong máu. Trong quá trình nghiên cứu, tôi đã đưa
ra được mô hình lý thuyết, cũng như mô phỏng để chứng minh tính khả thi của phương
pháp đã lựa chọn. Nội dung báo cáo đồ án của tôi bao gồm các chương:
-

Chương 1: Nêu lên tầm quan trọng của việc xét nghiệm máu, tổng quan các
phương pháp xét nghiệm máu, sự cần thiết của phương pháp đo không can thiệp
ý nghĩa tạo ảnh các chất. Từ đó đưa ra mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài.

-

Chương 2: Nêu lên các thuộc tính quang của mô sinh học, các tương tác quang
của ánh sáng với mô sinh học vận dụng cho phương pháp đo không can thiệp

-

Chương 3: Đưa ra nguyên lý thực hiện của một số phương pháp quang đo không

can thiệp, ưu nhược điểm của các phương pháp đo.

-

Chương 4: Đưa ra nguyên lý thực hiện của một số phương pháp tạo ảnh quang,
ưu nhược điểm của các phương pháp tạo ảnh.Trên cơ sở kiến thức đã phân tích
và mục tiêu đề tài, so sánh đánh giá và lựa chọn phương pháp đo phù hợp.

-

Chương 5: Tại sao phải sử dụng phương pháp phân tích phổ sóng quang âm, nội
dung phương pháp, trình bày lý thuyết và mô hình của phương pháp.

-

Chương 6: Thực hiện mô phỏng và chứng minh tính khả thi của phương pháp
bằng chương trình đã được xây dựng trên môi trường Matlab, đưa ra kết quả mô
phỏng, đánh giá nhận xét.

-

Kết luận: Tổng kết các kết quả đạt được sau quá trình thực hiện đồ án.

9


CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
1.1.

Sinh chất máu và bệnh lý

Chức năng chính của máu là cung cấp các chất nuôi dưỡng các tổ chức trong cơ

thể cũng như loại bỏ các chất thải trong quá trình chuyển hóa như khí carbonic và acid
lactic. Máu cũng là phương tiện vận chuyển của các tế bào (cả tế bào có chức năng bảo
vệ cơ thể lẫn tế bào gây bệnh) và các chất khác nhau (các amino acid, lipid, hormone)
giữa các tổ chức và cơ quan trong cơ thể. Các rối loạn về thành phần cấu tạo của máu
hay ảnh hưởng đến sự tuần hoàn bình thường của nó có thể dẫn đến rối loạn chức năng
của nhiều cơ quan khác nhau. [1]
Hiện nay nhiều người đã quan tâm hơn tới việc phòng chống bệnh hơn là chữa
bệnh. Một trong những biện pháp kiểm soát sức khỏe và phòng bệnh tốt nhất là xét
nghiệm máu. Xét nghiệm máu rất quan trọng, nó cung cấp các chỉ số giúp chẩn đoán và
phát hiện nhiều bệnh lý khác nhau. Thực hiện xét nghiệm máu có thể biết được một số
bệnh liên quan đến não (thiếu máu não, nhiễm trùng não); các bệnh về máu (bạch cầu,
tiểu cầu, hồng cầu, suy tủy, huyết tán, ung thư máu…); các bệnh về gan (viêm gan A,
B, C, D, E…, tăng men gan, xơ gan, ung thư gan…); các bệnh truyền nhiễm như HIV;
rối loạn chuyển hóa lipid (mỡ máu); bệnh tiểu đường; các bệnh về thận… . Có rất
nhiểu bệnh có thể phát hiện được qua kết quả xét nghiệm máu. Thông thường khi khám
sức khỏe định kỳ người khám sẽ được thực hiện những xét nghiệm máu sau:

10


Hình 1.1 Lấy mẫu máu để xét nghiệm
Một số bệnh lý có thể được chẩn đoán khi biết nồng độ chất liên quan trong máu:
-

Tỷ số A/G (Albumin/Globulin) đại diện cho số lượng tương

đối của

các Albumin và Globulin, với người bình thường ở mức từ 1,2 - 1,8. Tỷ số A/G < 1
thường do giảm albumin hoặc tăng globulin hoặc do phối hợp cả hai. Albumin giảm
trong suy dinh dưỡng, suy kiệt, lao, ung thư. Tăng globulin trong đau tủy, nhiễm
khuẩn; giảm albumin và tăng globulin gặp trong xơ gan, viêm thận cấp, hội chứng thận
hư nhiễm mỡ…[2]
-

Triglycerid: Là dạng chất béo thông thường nhất mà cơ thể tiêu thụ và là thành

phần chính yếu của dầu thực vật cũng như mỡ động vật, nồng độ đối với người bình
thường 0.46-2.2 mmol/L. Triglycerid > 2.2 mmol/L hội chứng tăng lipid máu nguyên
phát và thứ phát, vữa xơ động mạch, bệnh lý về dự trữ glycogen, hội chứng thận hư,
viêm tụy, suy gan. Nếu quá 11 mmol/L có thể dẫn đến viêm tụy cấp tính. Triglycerid
<0.46mmol/L phát hiện các bệnh lý trong xơ gan, một số bệnh mạn tính, suy kiệt,
cường tuyến giáp [2].

11


Bảng 1.1 Nồng độ của một số chất quan trọng trong huyết tương người bình
thường
Tên chất

Nồng độ (mg/dL)

Glucose

65 – 105

Urea

7 – 18

Albumin

3200 – 4800

Globulin

2600 – 4600

Cholesterol

< 200

-

Cholesterol là thành phần mỡ gây hại trong máu: ở người bình thường từ 3.6 –

5.2 mmol/L. Cholesterol > 5.2 mmol/L do mắc bệnh xơ vữa động mạch, tim mạch, do
bẩm sinh, hội chứng thận hư, suy thận, rối loạn chức năng tụy... Cholesterol < 3.6
mmol/L do suy dinh dưỡng, cường giáp, mắc hội chứng suy giảm miễn dịch mắc phải,
bệnh tăng sinh tủy… [2].
-

Glucose chỉ số đường trong máu là chìa khóa trong chẩn đoán bệnh đái tháo

đường, bình thường glucose huyết tương khi đói < 6.1 mmol/L, nếu mức độ glucose
huyết tương khi đói ≥ 7.0 mmol/L trong ít nhất 2 lần xét nghiệm liên tiếp ở các ngày
khác nhau thì bị đái tháo đường (diabetes mellitus). Glucose huyết tương thường tăng

trong đái tháo đường týp I và týp II [2], đái tháo đường là một trong những nguyên
nhân chính gây ra nhiều bệnh hiểm nghèo điển hình như bệnh tim mạch vành, tai biến
mạch máu não, mù mắt, suy thận, liệt dương, hoại thư... trong 4 thành phố lớn ở Việt
Nam: Hà Nội, Huế, Thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng tỷ lệ người mắc bệnh tiểu
đường là 4%, riêng quận Hoàn Kiếm Hà Nội tỷ lệ người mắc bệnh lên tới 7% [3]. Phần
lớn những người bị bệnh được phát hiện và điều trị muộn. Do đó việc phát hiện và
chẩn đoán sớm người mắc bệnh đái tháo đường là một vấn đề rất cần thiết.

12


Trong luận văn này sẽ đặc biệt quan tâm đến việc đo nồng độ glucose trong máu
chẩn đoán bệnh đái tháo đường. Tháng sáu 2009, một ủy ban quốc tế gồm các chuyên
gia trong Hiệp hội tiểu đường Mỹ, Hiệp hội châu Âu cho các nghiên cứu về bệnh tiểu
đường và Liên đoàn bệnh tiểu đường quốc tế đề nghị kiểm tra tiểu đường tuýp 2 bao
gồm [3]:
-

Glycated hemoglobin (HbA1c). Chỉ số máu này cho thấy mức độ trung bình

đường trong máu trong hai đến ba tháng. Nó hoạt động bằng cách đo tỷ lệ đường trong
máu gắn với hemoglobin, protein mang oxy trong các tế bào hồng cầu. Ở mức lượng
đường trong máu cao, các hemoglobin nhiều hơn sẽ có đường đính kèm. Mức HbA1c
là 6.5 phần trăm hoặc cao hơn vào hai bài kiểm tra riêng biệt cho thấy bị tiểu đường.
Kết quả giữa 6 và 6.5 phần trăm được xem là tiền tiểu đường, chỉ ra nguy cơ phát triển
bệnh tiểu đường.
Nếu xét nghiệm HbA1c là không có, hoặc nếu có điều kiện nhất định có thể làm
các xét nghiệm HbA1c không chính xác – chẳng hạn như nếu đang mang thai hoặc có
một hình thức bất thường của hemoglobin (được gọi là biến thể hemoglobin) – bác sĩ
có thể sử dụng các xét nghiệm để chẩn đoán bệnh tiểu đường sau:

-

Kiểm tra đường huyết ngẫu nhiên. Một mẫu máu sẽ được đưa vào một thời

điểm ngẫu nhiên bất kể khi mới ăn, mức độ đường trong máu ngẫu nhiên là 200 mg /
dL (mg / dL) hoặc cao hơn cho thấy bệnh tiểu đường.

-

Thử lượng đường trong máu nhịn ăn. Một mẫu máu sẽ được xét nghiệm sau

khi nhịn ăn qua đêm. Mức độ đường huyết lúc đói dưới 100 mg/dL là bình thường.
Mức độ đường huyết lúc đói 100-125 mg/dL được coi là tiền tiểu đường. Nếu là 126

13


mg/dL hoặc cao hơn vào hai xét nghiệm riêng biệt, sẽ được chẩn đoán bệnh tiểu
đường.

Xét nghiệm dung nạp glucose đường uống cũng có thể được thực hiện. Đối với
thử xét nghiệm này, nhịn ăn qua đêm, và lượng đường trong máu lúc đói được đo. Sau
đó, uống một chất lỏng có đường, và lượng đường trong máu được kiểm tra định kỳ
cho một vài giờ tới. Hơn 200 mg/dL sau hai giờ cho thấy bệnh tiểu đường. Trong
khoảng 140 và 199 mg/dL cho thấy tiền tiểu đường.
1.2 Các phương pháp đo sinh chất máu truyền thống và phương pháp đề xuất.
Hiện nay có hai phương pháp chính để xét nghiệm máu, cũng nhu xét nghiệm
tiểu đường, là phương pháp đo can thiệp và phương pháp đo không can thiệp. Phương
pháp xác định nồng độ các chất trong máu truyền thống là việc xử lý các mẫu máu lấy
được trực tiếp từ cơ thể còn gọi là phương pháp đo can thiệp.

Một phương pháp đo can thiệp thường được sử dụng là kỹ thuật đo màu. Kỹ
thuật đo màu phân tích thành phần dung dịch dựa trên việc so sánh cường độ và màu
của dung dịch cần xác định thành phần với màu của dung dịch chuẩn. Ví dụ đối với kỹ
thuật phân tích điểm cuối [4]: Độ hấp thụ của dung dịch được đo khi dung dịch của
bệnh phẩm và thuốc thử đã phản ứng xong. Sau đó, độ hấp thụ này sẽ được nhân trực
tiếp với hệ số k, đưa ra kết quả dưới dạng nồng độ hấp thụ.
k=
Trong đó: + Cstd là nồng độ của dung dịch chuẩn
+ ABSstd là độ hấp thụ của dung dịch chuẩn
14


=> Csample = k × ABSsample
Trong đó: + Csample là nồng độ của mẫu cần đo
+ ABSsample là độ hấp thụ quang học của mẫu cần đo
Ưu điểm của phương pháp đo máu can thiệp: cho kết quả nhanh, chính xác và
đặc biệt không cần phải tách từng chất có trong dung dịch cần đo. Tuy nhiên phương
pháp này có các nhược điểm quan trọng: phải lấy máu xử lý trực tiếp từ bệnh nhân gây
rủi ro lây nhiễm cao, hơn nữa, cần được thực hiện bởi các y, bác sĩ, kỹ thuật viên có
chuyên môn và rất bất tiện trong một số trường hợp như phải lấy máu trực tiếp đối với
trẻ em…
Chính vì các nhược điểm này các nhóm nghiên cứu đặt vấn đề tìm một phương
pháp khác thực hiện xác định nồng độ các chất trong máu để chẩn đoán bệnh mà không
cần lấy máu trực tiếp còn gọi là phương pháp đo không can thiệp.
Phương pháp đo không can thiệp ra đời khắc phục được nhược điểm của
phương pháp đo can thiệp truyền thống. Một số phương pháp đo không can thiệp bao
gồm: phương pháp đo độ phân cực ánh sáng, sử dụng mức truyền qua của tia hồng
ngoại gần, phân tích phổ Raman, phương pháp quang âm…
Đo nồng độ chất bằng phương pháp đo độ phân cực ánh sáng là dựa trên việc
quan sát góc quay phân cực quang được tạo ra bởi hiện tượng làm quay mặt phẳng

phân cực ánh sáng của các phân tử chất trong môi trường ngậm nước (được trình bày
cụ thể trong chương 3).
Đo nồng độ chất bằng phương pháp phân tích phổ Raman dựa trên việc thu nhận
và phân tích các tín hiệu Raman thu được từ mẫu vật chất cần đo, nó mang các thông
tin quan trọng về cấu trúc hóa học của các mẫu vật chất này (trình bày chi tiết trong
chương 3).

15


Hình 1.2. Một mô hình xét nghiệm máu không can thiệp
Đo nồng độ chất bằng phương pháp sử dụng mức truyền qua của tia hồng ngoại
gần dựa trên sự suy giảm khác nhau của ánh sáng hồng ngoại khi đi qua các môi
trường vật chất khác nhau. Chiếu ánh sáng kích thích vào các vùng có nhiều mao mạch
đích như: ngón tay, bàn tay, thùy tai… Thu nhận, phân tích và tính toán cường độ ánh
sáng đầu ra cho ta các thông tin về một số loại sinh chất (vị trí, độ sâu) và nồng độ các
thành phần hóa học cấu tạo của nó [6]. Phương pháp đo có nhược điểm lớn là không đo
chính xác nồng độ glucose do xảy ra hiện tượng chồng lấp mức hấp thụ của các chất
trong mao mạch. Mức nồng độ chất trong từng loại mạch máu khác nhau là khác nhau,
phương pháp sử dụng tính chất suy giảm của ánh sáng hồng ngoại gần chỉ thu được
mức nồng độ glucose trung bình trong tất cả các mạch máu.
Kỹ thuật tạo ảnh quang âm (PAT) dựa trên hiệu ứng quang âm (xảy ra khi ánh
sáng chiếu đến một số chất liệu hấp thụ, năng lượng ánh sáng được hấp thụ chuyển
sang dạng nhiệt năng. Nhiệt năng này sau đó sẽ tạo nên các co dãn nhiệt và tạo nên áp
suất trong lòng vật thể làm xuất hiện các sóng cơ học gọi là các sóng quang âm có
bước sóng và các tần số dao động sóng khác nhau (còn được gọi là tần số dao động tự
nhiên). Các sóng quang âm không chỉ phụ thuộc vào hệ số hấp thụ quang mà còn các
thông số về hệ số giãn nở nhiệt, nhiệt dung riêng và vận tốc truyền âm. Sóng âm thu
nhận được là tổng hợp của nhiều sóng âm thành phần của các chất trong mô với bước
sóng khác nhau), tạo hình ảnh dạng hấp thụ ta thấy được ảnh trực quan mức độ phân bố

16


của các chất có trong mạch máu [7]. Tuy nhiên hiện tượng chồng lấp mức hấp thụ vẫn
xảy ra gây sai số lớn trong việc xác định nồng độ chất. Kỹ thuật phân tích phổ quang
âm kết hợp với phép tạo ảnh quang âm: phân tích sóng quang âm tổng hợp thu nhận
được dựa trên tần số dao động tự nhiên đặc trưng của sóng khi đi qua các môi trường
vật chất khác nhau thành các sóng thành phần. Từ đó kết hợp với phân bố của hấp thụ
quang học đưa ra giá trị đo chính xác nồng độ các chất quan tâm dựa trên mối quan hệ
giữa áp suất sóng quang âm và nồng độ chất thành phần.
Sự kết hợp kỹ thuật tạo ảnh quang âm (PAT) và phân tích phổ quang âm (PAS)
có khả năng xác định được chính xác nồng độ chất trong máu.
1.3. Mục tiêu đề tài
Qua những phân tích trên đây ta thấy được tầm quan trọng của việc xác định
nồng độ các chất trong máu để chẩn đoán các bệnh lý phức tạp, các ưu điểm của
phương pháp đo không can thiệp đối với phương pháp đo can thiệp, đồng thời thấy
được tính khả thi của sự kết hợp kỹ thuật tạo ảnh quang âm và phân tích phổ quang âm
trong việc đo chính xác nồng độ các chất trong máu. Từ đó đưa ra nghiên cứu đề tài
“Đo nồng độ các chất trong máu bằng phương pháp đo không can thiệp sử dụng kỹ
thuật tạo ảnh và phân tích phổ sóng quang âm”.
Mục đích của đề tài: đề xuất được mô hình phương pháp ông can thiệp để đo
nồng độ các chất trong máu với độ chính xác cao và tạo được ảnh các chất này cho ra
ảnh với độ sâu tạo ảnh, độ tương phản, độ phân giải tốt. Thiết lập cơ sở lý thuyết, mô
phỏng, chứng minh tính khả thi của phương pháp dựa trên những điều kiện kỹ thuật
trên thực tế.

17


CHƯƠNG 2. CÁC ĐẶC TÍNH QUANG HỌC CỦA MÔ SINH HỌC, TƯƠNG

TÁC CỦA MÔ SINH HỌC VỚI ÁNH SÁNG
Đặc tính quang học của mô sinh học và tương tác của mô sinh học với ánh sáng
là đối tượng nghiên cứu để xây dựng các kỹ thuật đo nồng độ các chất bằng phương
pháp không can thiệp. Trong chương này sẽ trình bày đặc điểm chi tiết về các hiện
tượng quang học xảy ra trong mô sinh học gồm có: tán xạ, phản xạ, khúc xạ, truyền
qua và hiện tượng hấp thụ. Từ đó sẽ trình bày về tương tác nhiệt, sự truyền nhiệt của
ánh sáng với mô sinh học, hiệu ứng quang âm và tần số dao động tự nhiên của các
phân tử chất có trong mô sinh học đó.
2.1 Đặc tính quang học của mô sinh học
Các đặc tính quang học của mô sinh học bao gồm: đặc tính hấp thụ, tán xạ, phản
xạ, khúc xạ. Trong các môi trường không trong suốt và đồng nhất như các mô sinh học,
hiệu ứng hấp thụ và tán xạ chiếm chủ yếu. Khúc xạ chỉ đóng vai trò đáng kể khi ánh
sáng truyền qua các môi trường như trong các mô mắt.
Hình 2.1, mô tả tổng quát các đặc tính quang học của mô sinh học:

Hình 2.1 Đặc tính khúc xạ, phản xạ, hấp thụ và tán xạ trong mô sinh học

18


2.1.1 Hiện tượng hấp thụ
Giải thích theo quan niệm cổ điển: Sự hấp thụ ánh sáng là kết qủa của sự hấp
thụ năng lượng sóng điện từ (sóng ánh sáng) bởi vật chất. Dưới tác dụng của điện
trường của sóng ánh sáng có tần số xác định các electron của nguyên tử nhảy lên một
quỹ đạo mới dựa trên mức năng lượng đã hấp thụ. Do đó, cường độ của ánh sáng sau
khi qua môi trường cũng thay đổi một phần năng lượng được hấp thụ, năng lượng bị
hấp thụ có thể chuyển thành các dạng năng lượng khác, ví dụ năng lượng nhiệt, khi đó
vật sẽ sinh nhiệt. Định luật Lambert – Beer mô tả chính xác quy luật hấp thụ ánh sáng.
Với

là cường độ chùm sáng tới (J/s), (J/s) cường độ chùm sáng thu nhận được sau

khi đi qua chất mẫu có độ dày l (cm), hệ số hấp thụ của môi trường

[8].

Công thức thể hiện của định luật Lambert – Beer:

Hình 2.2 Mô tả định luật Lambert- Beer
Đối với các mô sinh học, sự hấp thụ xảy ra từ các phân tử nước, các đại phân tử
protein, các sắc tố, và cả những sinh chất có trong huyết tương.

19


Hình 2.3 Phổ hấp thụ của mô sinh học
Hình 2.3 mô tả phổ hấp thụ ánh sáng của mô sinh học: máu toàn phần,
melanosome, mô biểu bì hấp thụ chủ yếu trong dải bước sóng từ 600 nm đến 1000 nm;
nước hấp thụ mạnh trong vùng hồng ngoại, hồng ngoại xa và hấp thụ thấp hơn nhiều
trong vùng đỏ, hồng ngoại gần với khoảng bước sóng từ 600 nm đến 2300nm [9]. Dải
bước sóng này an toàn, không bị ion hoá, có thể đâm xuyên đến vài cm trong cơ thể,
vùng cận hồng ngoại này còn được gọi là “cửa sổ quang học của mô sinh học” thường
được ứng dụng cho các phương pháp quang để chẩn đoán và điều trị bệnh.
Đặc tính hấp thụ ánh sáng của mô sinh học đối với ánh sáng hồng ngoại gần
thường được sử dụng trong kỹ thuật tạo ảnh quang âm.
2.1.2 Hiện tượng khúc xạ và phản xạ
Trong chuyển động sóng, phản xạ là hiện tượng sóng khi lan truyền tới bề mặt
tiếp xúc của hai môi trường bị đổi hướng lan truyền theo hướng ngược với hướng của
sóng tới. Các ví dụ về phản xạ có thể quan sát được trực tiếp là các trường hợp với các
sóng như ánh sáng, âm thanh hay sóng nước. Sự phản xạ của ánh sáng có thể là phản

xạ định hướng (như phản xạ trên gương) hay phản xạ khuếch tán (như phản xạ trên tờ
giấy trắng) tuỳ thuộc vào cấu trúc của vật liệu tạo nên môi chất. Tính chất của bề mặt
cũng ảnh hưởng đến sự thay đổi biên độ, pha hay trạng thái phân cực của sóng. [10].

20