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
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

LỜI CAM ĐOAN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Tác giả xin cam đoan đây là cơng 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

Phan Đăng Hưng

chưa từng được tác giả khác công bố.

Phan Đăng
HàHưng
Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2021
Người hướng dẫn khoa học

Tác giả luận án

PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT THU NHẬN
TÍN HIỆU TIM ĐỒ TRỞ KHÁNG NGỰC ICG ỨNG DỤNG
PHÁT
TRIỂN
KỸ THUẬT
THU
PGS.TS
Vũ

Duy Hải
PhanNHẬN
Đăng Hưng
TRONG
PHÉP
ĐO THƠNG
SỐ CUNG
LƯỢNG
TIM
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
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ DUY HẢI

Hà Nội - 2021
Hà Nội - 2021


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 luôn 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.
Tôi 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.
Tôi 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 tơi 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 tôi trong q trình học tập, nghiên cứu.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp đã
ln quan tâm, động viên, giúp đỡ tơi hồn 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
1

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 công 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 Mô 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

2


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 tốn 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

3


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
Tim đồ trở kháng ngực

Impedance cardiography

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

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
4


Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

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

5

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 Thông số kĩ thuật của mô-đun nguồn DC-DC JHM1524D12..................77
Bảng 3.2 Thơng 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

6


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 trịn....................................................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
7


Hình 2.15 Biểu đồ phân tán với R 2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị Z 0
đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 1...........................................................61
Hình 2.16 Biểu đồ phân tán với R 2 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 R 2 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 R 2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị Z 0

đo tại vị trí chuẩn và vị trí đề xuất số 2...........................................................64
Hình 2.22 Biểu đồ phân tán với R 2 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 R 2 và sự phù hợp Bland-Altman giữa các giá trị Z 0
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 R 2 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
8


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 toán tách nhiễu thở từ tín hiệu TEB.....................91
Hình 3.13 Kết quả các phép xử lý trung gian của thuật tốn 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
Hình 4.6 Các đoạn tín hiệu gốc và đoạn tín hiệu đại diện sau trung bình..............109
9


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

10


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 cịn 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 thông 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 loãng nhiệt
xuyên 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 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
1


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 khơng 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 thơng 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 thông 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 hô 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.

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:

2




Nhóm đối tượng liên quan đến tim và thơng 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 khơng 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 không nghiên cứu cơng thức và phương pháp tính CO từ tín hiệu
ICG.



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

3


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 quá 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 thông số cung
lượng tim và các thông 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 thông 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
5


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
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 thơng 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 còn 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]

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
9


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 thơng 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:
(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 không phụ thuộc vóc dáng to,
nhỏ, nặng, nhẹ của bệnh nhân nên dễ so sánh trên lâm sàng.
(1.2)
Trong đó: CI có đơn vị là lít/phút/m ; BSA là diện tích bề mặt cơ thể (m ) được tính
dựa vào chiều cao H (cm) và cân nặng W (kg) của bệnh nhân theo công thức Dubois
[4] như sau:
2

2

(1.3)
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.
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
10

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.

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.
(1.4)
Giá trị bình thường của các chỉ số SV (60 – 100 ml/nhịp), SVI (35 – 65 ml/m ), phụ
thuộc vào tuổi.
2

SV cũng là một thông số ảnh hưởng trực tiếp tới cung lượng tim. Khi nhịp tim thay
đổi theo yêu cầu cung lượng tim thì thể tích nhát bóp cũng thay đổi. Các yếu tố ảnh
hưởng tới thể tích nhát bóp bao gồm tiền gánh, hậu gánh, và sức co bóp của cơ tim.
Tiền gánh (preload): liên quan đến lượng máu được đổ xuống tâm thất. Trong lâm
sàng, người ta thường dùng từ tiền gánh để chỉ thể tích tâm thất cuối thì tâm trương.
Các yếu tố quyết định tiền gánh: tuần hoàn trở về, độ giãn nở của thất và thời gian
tâm trương. Tiền gánh thường được đo lường qua các đại lượng thay thế như thể
tích thất trái cuối thời kỳ tâm trương bằng cách siêu âm tim, và phổ biến hơn là áp
lực thất trái cuối thời kỳ tâm trương.
Hậu gánh (afterload): là sức cản khả năng bơm máu của tâm thất. Tâm thất trái,
trong giai đoạn tâm thu, sẽ phải tạo ra áp lực bơm thắng được áp suất động mạch
chủ và sức cản của các mạch máu thì lúc đó, van động mạch chủ mới mở và cho

phép máu được bơm đi toàn cơ thể. Khi hậu gánh càng lớn thì cơ tim co bóp càng
khó khăn

11


nên dễ dẫn tới suy tâm thất. Hậu gánh phụ thuộc vào sức đàn hồi của động
mạch, sức cản mạch hệ thống và yếu tố nội tại của tim.
Sức cản mạch hệ thống (SVR – systemic vascular resistance) là một chỉ số lâm sàng
thường được sử dụng để đánh giá hậu gánh thất trái. Theo [7], sức cản mạch hệ
thống có thể được đo từ sự chênh lệch giữa áp lực động mạch trung bình (MAP –
mean arterial pressure) và áp lực tĩnh mạch trung tâm (CVP – central venous
pressure) chia cho cung lượng tim CO.
(1.5)
Sức cản mạch hệ thống còn được gọi là sức cản mạch máu ngoại biên, nó khơng đủ
đại diện cho hậu gánh vì nó chưa tính tới yếu tố nội tại của quả tim, tuy nhiên
thường được dùng trên lâm sàng. Sức cản mạch máu ngoại biên phụ thuộc vào cấu
trúc của hệ mạch máu, trương lực của tiểu động mạch và độ quánh của máu.
Sức co bóp của cơ tim: là đặc điểm nội tại của cơ tim, khi sức co của cơ tim thay
đổi, hiệu suất làm việc, thể tích tống máu thay đổi dù tiền gánh hoặc hậu gánh
không thay đổi. Trong lâm sàng, rất khó đánh giá riêng biệt được sức co bóp cơ tim
do sự biến thiên của tiền gánh và hậu gánh. Mặt khác, tiền gánh và hậu gánh ảnh
hưởng trực tiếp đến sức co bóp cơ tim.
Trong thực tiễn, có mối liên hệ giữa tiền gánh - hậu gánh - sức co bóp: tiền gánh
quyết định một phần sức co bóp của tâm thất. Sức co bóp tăng làm tăng cung
lượng tim và huyết áp, do đó làm tăng hậu gánh. Ngược lại, khi tăng cung lượng
tim sẽ làm tăng hồi lưu tĩnh mạch và do đó làm tăng tiền gánh.
1.1.4 Vai trò cung lượng tim trong chẩn đốn và điều trị
Cung lượng tim có vai trị rất quan trọng trong y học. Việc suy giảm cung lượng tim
do nhiều nguyên nhân và liên quan đến mọi quá trình hoạt động của tim. Do vậy,

khi kết hợp đánh giá giữa thông số cung lượng tim và các thông số huyết động khác
sẽ cho phép bác sĩ phân loại được cụ thể một số bệnh lý tim mạch. Đặc biệt là các
bệnh lý xuất phát từ tình trạng thiếu máu cục bộ, huyết áp cao hay nhồi máu cơ tim.
Ngồi ra, dựa vào cung lượng tim và các thơng số huyết động có liên quan cũng hỗ
trợ rất nhiều cho bác sĩ khi điều trị bệnh nhân trong trường hợp cấp cứu, phẫu thuật
và hồi sức tích cực như ra các quyết định truyền dịch, sử dụng thuốc tăng cơ bóp cơ
tim, thuốc co mạch hay thuốc giãn mạch.
Trong hồi sức, cung lượng tim có ý nghĩa quan trọng khi chẩn đoán và điều trị sốc.
Cụ thể:


Trong chẩn đoán: Sốc là hội chứng lâm sàng được định nghĩa bởi cung lượng
máu không đủ và sự vận chuyển oxy không đầy đủ đến các cơ quan và các mô.
Để chẩn đoán sốc (tức là chẩn đoán hội chứng giảm cung lượng tim), ngoài dấu
hiệu lâm sàng và cận lâm sàng của sốc là giảm tưới máu đến các tạng (ví dụ

12