Đo lường và phân tích tín hiệu thở của người nhằm hỗ trợ chẩn đoán một số bệnh lý
- 114 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đo lường và phân tích tín hiệu thở
của người nhằm hỗ trợ chẩn đoán
một số bệnh lý
TRẦN VIỆT HƯNG
Ngành: Kỹ thuật y sinh
Giảng viên hướng dẫn: TS. Vương Hoàng Nam
Trường: Điện – Điện tử
HÀ NỘI, 2022
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đo lường và phân tích tín hiệu thở
của người nhằm hỗ trợ chẩn đoán
một số bệnh lý
TRẦN VIỆT HƯNG
Ngành: Kỹ thuật y sinh
Giảng viên hướng dẫn: TS. Vương Hoàng Nam
Chữ ký của GVHD
Trường: Điện – Điện tử
Hà Nội, 2022
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: Trần Việt Hưng
Đề tài luận văn: Đo lường và phân tích tín hiệu thở của người nhằm hỗ trợ
chẩn đoán một số bệnh lý
Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh
Mã số HV: 20202373M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
21/10/2022 với các nội dung sau:
- Sửa câu từ trong luận văn,
- Biên dịch lại tài liệu cho rõ nghĩa hơn(trang 48, 51…);
- Sửa lại định dạng trong luận văn (gạch đầu dòng, chấm, gạch…),
- Rà soát chỉnh sửa lỗi chính tả;
- Bổ xung trích nguồn (gần như toàn bộ hình vẽ trong Chương 2);
- Đánh số lại công thức (trang 11, 14, 16…);
- Bổ xung chữ ký của Giáo viên hướng dẫn và học viên
Ngày 31 tháng 10 năm 2022
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
TS. Vương Hoàng Nam Trần Việt Hưng
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TS. Nguyễn Thái Hà
LỜI CẢM ƠN
Qua quá trình học tập và làm luận văn, mặc dù gặp một số khó khăn nhất
định nhưng đến nay tôi đã thực hiện xong khóa học cao học và hoàn thành luận
văn. Tôi xin chân thành cảm ơn những người thân đã là chỗ dựa tinh thần, tạo
động lực lớn cho tôi trong quá trình làm luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới thầy TS. Vương Hoàng Nam đã
hướng dẫn và chỉ bảo tận tình tôi trong quá trình làm luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô của bộ môn CNĐT & Kỹ
thuật y sinh – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã trang bị cho tôi những kiến
thức chuyên môn thuộc lĩnh vực kỹ thuật y sinh.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới các Y Bác sỹ – Khoa thăm dò
chức năng hô hấp, Bệnh viện Đại học Y Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi thu
thập dữ liệu.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới lãnh đạo Trường Điện – Điện tử,
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi có một môi trường
để học tập và nghiên cứu khoa học.
Học viên
Trần Việt Hưng
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: Đo lường và phân tích tín hiệu thở của người nhằm hỗ trợ chẩn đoán
một số bệnh lý
Tác giả luận văn: Trần Việt Hưng Khóa:2020B
Người hướng dẫn: TS. Vương Hoàng Nam
Từ khóa (Keyword): Tín hiệu thở, đo lường tín hiệu thở, phân tích tín hiệu thở,
bệnh lý hô hấp, tín hiệu thở thể hiện bệnh lý về hô hấp.
Nội dung tóm tắt:
a) Lý do chọn đề tài:
Phát hiện, thu nhận và phân tích dữ liệu tín hiệu thở là một trong những
ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực y tế. Việc phát hiện ra các bất thường trong
tín hiệu thở rất có thể là khởi đầu cho việc ngăn chặn một hệ quả xấu liên quan
đến hô hấp của cơ thể. Đã có rất nhiều phương pháp cũng như công nghệ được
phát triển nhằm mục đích phát hiện và theo dõi tín hiệu thở.
Dữ liệu được thu thập có thể là dữ liệu âm thanh thu qua micro gắn với
máy tính. Cảm biến gắn trên lồng ngực ghi nhận chuyển động khi hô hấp của đối
tượng theo dõi. Cảm biến nhiệt thu thập dữ liệu hơi thở dựa trên nguyên tắc nhiệt
độ hơi thở lúc hít vào sẽ thấp hơn so với nhiệt độ hơi thở khi thở ra. Các phương
pháp sử dụng cảm biến nói chung là cho kết quả tốt với một chi phí thấp đầu tư
cho mua thiết bị. Kết hợp với các thuật toán học máy trên dữ liệu thu thập được
cũng đem lại kết quả ấn tượng.
Bên cạnh đó dựa trên những tín hiệu lâm sàng kỹ thuật số đã thu thập
được, những phép phân tích sử dụng các biến đổi toán học dể nhận dạng đặc
trưng tín hiệu cũng dễ dàng thực hiện dựa trên các thuật toán cài đặt trên máy
tính. Trên cơ sở một số vấn đề nêu trên, tác giả đã lựa chọn đề tài cho luận văn
là: “Đo lường và phân tích tín hiệu thở của người nhằm hỗ trợ chẩn đoán một
số bệnh lý”.
b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn: Đưa ra các phương pháp đo lường
và kỹ thuật phân tích tín hiệu thở, hỗ trợ bác sỹ chẩn đoán một số bệnh lý về hô
hấp. Dữ liệu về tín hiệu thở nhận được là cơ sở để phân tích, chẩn đoán, điều trị,
phục hồi chức năng các bệnh liên quan đến hô hấp, theo dõi sự hô hấp của người
có vấn đề tắc nghẽn hô hấp, hoặc sử dụng làm cơ sở để chẩn đoán các bệnh lý
khác.
Đối tượng: Dữ liệu tín hiệu thở của các tình nguyện viên trên Lab và dữ
liệu tín hiệu thở của các bệnh nhân mắc bệnh hô hấp tại Bệnh viện Đại học Y Hà
Nội
Phạm vi nghiên cứu: Bài luận này sẽ tập trung quan tâm đến phân tích
dữ liệu tín hiệu thở tại phòng Lab và Bệnh viện Đại học Y Hà Nội, được thực
hiện từ tháng 12 năm 2021 đến tháng 9 năm 2022.
c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
Nội dung chính của luận văn gồm 03 chương, trong đó:
Chương 1. trình bày nội dung: Lý thuyết về tín hiệu thở
Trình bày giải phẫu và sinh lý học về hệ hô hấp.
Nguồn gốc và các đặc trưng của tín hiệu thở.
Tìm hiểu ứng dụng của tín hiệu thở trong lâm sàng.
Chương 2: trình bày nội dung: Đo lường và phân tích tín hiệu thở
Các phương pháp đo lường tín hiệu thở xâm lấn và không xâm lấn hiện
nay trong các cơ sở y tế.
Đánh giá nhịp thở và tín hiệu thở.
Mô hình và sơ đồ chức năng của hệ thống đo tín hiệu thở.
Quá trình thu nhận tín hiệu thở, đánh giá một số phương pháp xử lý tín
hiệu thở.
Chương 3. trình bày nội dung: Dữ liệu tín hiệu thở và một số bệnh lý liên quan
Phân tích dữ liệu tín hiệu thở của người tình nguyện đo tại phòng Lab,
Phân tích dữ liệu tín hiệu thở của người mắc bệnh hô hấp đo tại Bệnh viện
Đại học Y Hà Nội.
Mối liên hệ giữa nhịp thở, trí nhớ và cảm giác sợ hãi.
Mối liên hệ giữa tín hiệu thở và một số bệnh lý về phổi như: hội chứng thở
chậm, hội chứng ngưng thở tắc nghẽn khi ngủ, hội chứng tăng thông khí
phổi, bệnh hen và bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính.
d) Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết khoa học để phân
tích tín hiệu thở. Thu thập thông tin, dữ liệu để có được thông tin chi tiết
về đối tượng nghiên cứu, đồng thời là dữ liệu chi tiết và số liệu cụ thể từ
các cuộc điều tra hoặc khảo sát. Từ đó để phân tích hoặc nghiên cứu
chuyên sâu, các dữ liệu và đối tượng phải được chuẩn bị và nghiên cứu kỹ
lưỡng. Các thông tin trên sẽ tập trung chủ yếu vào đối tượng nghiên cứu
nhằm mục đích thống kê và phân tích từ đó đưa ra các đặc điểm bệnh lý
liên quan đến tín hiệu thở.
e) Kết luận
Đề tài “Đo lường và phân tích tín hiệu thở của người nhằm hỗ trợ chẩn
đoán một số bệnh lý” đã đưa ra các phương pháp đo lường và phân tích tín hiệu
thở dựa trên cơ sở lý thuyết khoa học, tiến hành thu thập dữ liệu tín hiệu thở trên
phòng Lab, tại Bệnh viện và phân tích các dữ liệu đó nhằm hỗ trợ chẩn đoán một
số bệnh lý về đường hô hấp.
Đề tài đã đạt được các mục tiêu đề ra là:
Đánh giá các phương pháp thu nhận tín hiệu thở hiện nay trong các cơ sở
y tế.
Trình bày các phương pháp phân tích và xử lý tín hiệu thở.
Thu thập dữ liệu tín hiệu thở, phân tích các dữ liệu đó nhằm hỗ trợ chẩn
đoán một số bệnh lý về đường hô hấp.
Các bệnh lý về đường hô hấp và dạng tín hiệu thở tương ứng.
Kiến nghị hướng phát triển:
Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu tín hiệu thở phục vụ cho việc chẩn đoán các
bệnh lý về đường hô hấp và nghiên cứu phương pháp nhận dạng.
Xây dựng thuật toán phân loại tín hiệu thở dựa trên học máy cũng để phục
vụ cho việc chẩn đoán các bệnh lý về hô hấp một cách nhanh chóng và
chính xác hơn.
MỤC LỤC
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................ viii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VỀ TÍN HIỆU THỞ .................................................. 3
1.1 Giải phẫu và sinh lý học về hệ hô hấp ........................................................... 3
1.1.1 Hệ hô hấp trên ......................................................................................... 4
1.1.2 Hệ hô hấp dưới ........................................................................................ 6
1.2 Nguồn gốc của tín hiệu thở ........................................................................... 7
1.2.1 Cơ chế hô hấp ....................................................................................... 10
1.2.2 Sự thông khí của phổi ........................................................................... 14
1.2.3 Dung tích – Thể tích của phổi ............................................................... 17
1.3 Các đặc trưng của tín hiệu thở ..................................................................... 21
1.4 Ứng dụng tín hiệu thở trong lâm sàng ......................................................... 23
1.5 Kết luận chương .......................................................................................... 25
CHƯƠNG 2. ĐO LƯỜNG VÀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU THỞ .......................... 26
2.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 26
2.2 Phương pháp đo lường và theo dõi tín hiệu thở xâm lấn ............................ 27
2.2.1 Xét nghiệm khí máu động mạch ........................................................... 27
2.2.2 Sinh thiết phổi ....................................................................................... 30
2.3 Phương pháp đo lường và theo dõi tín hiệu thở không xâm lấn ................. 32
2.3.1 Đo FeNO ............................................................................................... 33
2.3.2 Hô hấp ký .............................................................................................. 34
2.3.3 Dao động xung ký (IOS) ....................................................................... 34
2.3.4 Phế thân ký............................................................................................ 35
2.3.5 Monitor theo dõi bệnh nhân .................................................................. 36
2.4 Nhịp thở và tín hiệu thở ............................................................................... 38
2.4.1 Giới thiệu .............................................................................................. 38
2.4.2 Đánh giá nhịp thở và tín hiệu thở ......................................................... 50
2.5 Một số phương pháp xử lý tín hiệu thở ....................................................... 65
2.5.1 Giới thiệu .............................................................................................. 65
i
2.5.2 Thu nhận tín hiệu thở ............................................................................. 65
2.5.3 Phương pháp biến đổi Fourier (FFT) .................................................... 67
2.5.4 Phương pháp biến đổi Wavelet (WT) .................................................... 68
2.5.5 Phân phối tần số - thời gian ................................................................... 70
2.6 Kết luận chương ........................................................................................... 71
CHƯƠNG 3. DỮ LIỆU TÍN HIỆU THỞ VÀ MỘT SỐ BỆNH LÝ LIÊN QUAN73
3.1 Giới thiệu ...................................................................................................... 73
3.2 Dữ liệu tín hiệu thở của người tình nguyện đo tại phòng Lab ..................... 74
3.3 Dữ liệu tín hiệu thở của người bệnh đo tại Bệnh viện ................................. 79
3.4 Mối liên hệ giữa nhịp thở, trí nhớ và cảm giác sợ hãi ................................. 84
3.4.1 Nhịp thở ảnh hưởng đến hoạt động não bộ ........................................... 84
3.4.2 Mối liên hệ giữa nhịp thở và cảm giác sợ hãi........................................ 85
3.4.3 Mối liên hệ giữa khả năng ghi nhớ và nhịp thở ..................................... 85
3.5 Mối liên hệ giữa tín hiệu thở và một số bệnh lý về phổi ............................. 86
3.5.1 Hội chứng thở chậm .............................................................................. 86
3.5.2 Hội chứng ngưng thở tắc nghẽn khi ngủ ............................................... 88
3.5.3 Hội chứng tăng thông khí phổi .............................................................. 89
3.5.4 Bệnh hen ................................................................................................ 90
3.5.5 Bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính (COPD) ................................................. 91
3.6 Kết luận chương ........................................................................................... 92
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 95
ii
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết đầy đủ Chữ viết đầy đủ
Kí hiệu chữ viết tắt
(Tiếng Anh) (Tiếng Việt)
MV Minute Ventilation Thông khí phút
VT Tidal Volume Thể tích khí lưu thông
RR Respiratory Rate Tần số thở
Inspiratory Reserve
IRV Thể tích dự trữ hít vào
Volume
Expiratory Reserve
ERV Thể tích dự trữ thở ra
Volume
RV Residual Volume Thể tích khí cặn
Functional Residual
FRC Dung tích cặn chức năng
Capacity
VC Vital Capacity Dung tích sống
TLC Total Lung Capacity Tổng dung tích phổi
IC Inspiratory Capacity Lượng không khí tối đa
Chronic Obstructive Bệnh phổi tắc nghẽn
COPD
Pulmonary Disease mạn tính
ABG Arterial Blood Gases Khí máu động mạch
IOS Impulse Oscillometry Dao động xung ký
Diffusing Lung Capacity Phương pháp đo khuếch
DLCO
For Carbon Monoxide tán khí CO
ECG Electrocardiogram Điện tim
iii
Positive End Expiratory Áp lực dương tính cuối
PEEP
Airway Pressure thì thở ra
Áp lực tối đa trong
PIP Peak Inspiratory Pressure đường thở khi kết thúc
giai đoạn hít vào
Tổn thương phổi cấp tính
Ventilator-Induced Lung
VILI nhu mô và đường thở
Injury
gây bởi thở máy
Acute Respiratory Hội chứng suy hô hấp
ARDS
Distress Syndrome cấp tiến triển
Peak Expiratory Flow
PEFR Lưu lượng đỉnh thở ra
Rate
WT Wavelet Transform Biến đổi Wavelet
Time-Frequency Phân phối tần số - thời
TFR
Distribution gian
Hội chứng ngưng thở tắc
OSA Obstructive Sleep Apnea
nghẽn khi ngủ
iv
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hệ hô hấp gồm hai phần: Đường hô hấp trên và đường hô hấp dưới ..... 3
Hình 1.2 Trong hô hấp bên ngoài, oxy khuếch tán qua màng hô hấp từ phế nang
đến mao mạch, trong khi carbon dioxide khuếch tán ra khỏi mao mạch vào phế
nang ........................................................................................................................ 9
Hình 1.3 Oxy khuếch tán ra khỏi mao mạch và các tế bào, trong khi carbon
dioxide khuếch tán ra khỏi tế bào và vào mao mạch ........................................... 10
Hình 1.4 Định luật Boyle trong một loại khí ....................................................... 12
Hình 1.5 Hít vào và thở ra xảy ra do sự mở rộng và co lại của khoang ngực...... 15
Hình 1.6 Các yếu tố làm tăng thông khí phổi ...................................................... 16
Hình 1.7 Hai biểu đồ này cho thấy a) Thể tích hô hấp và b) Sự kết hợp của các
thể tích dẫn đến khả năng hấp ............................................................................. 18
Hình 1.8 Biểu đồ lưu lượng thể tích phổi ............................................................ 20
Hình 1.9 Biểu đồ phổ tín hiệu thở điển hình của phổi (biểu đồ bên trái) cùng với
phổ trung bình của trường hợp hít vào và thở ra (biểu đồ bên phải) và quy trình
tương ứng (biểu đồ trên cùng) .............................................................................. 22
Hình 1.10 Một biểu đồ tín hiệu thở khí quản điển hình (biểu đồ bên trái) cùng với
phổ trung bình hít vào và thở ra (biểu đồ bên phải) và luồng tương ứng (biểu đồ
trên cùng).............................................................................................................. 23
Hình 2.1 Xét nghiệm khí máu động mạch giúp chẩn đoán bệnh lý chính xác .... 28
Hình 2.2 Cách lấy máu để làm xét nghiệm khí máu động mạch ......................... 29
Hình 2.3 Kết quả xét nghiệm khí máu động mạch .............................................. 30
Hình 2.4 Kĩ thuật sinh thiết phổi bằng kim .......................................................... 32
Hình 2.5 Đo FeNO tại phòng khám bệnh viện .................................................... 33
Hình 2.6 Đo hô hấp ký tại phòng khám bệnh viện .............................................. 34
Hình 2.7 Đo IOS tại phòng khám bệnh viện ........................................................ 35
Hình 2.8 Đo phế thân ký tại phòng khám bệnh viện............................................ 36
Hình 2.9 Dạng sóng EtCO2 ................................................................................. 37
Hình 2.10 Dạng sóng thở đo bằng phương pháp trở kháng ................................. 38
Hình 2.11 Hít thở giúp cung cấp đầy đủ oxy cho hoạt động sống của cơ thể ..... 39
Hình 2.12 Dạng tín hiệu thở đo bằng đai hô hấp ................................................. 42
Hình 2.13 Dạng tín hiệu thở ứng với các hoạt động thở khác nhau .................... 43
v
Hình 2.14 Tư thế và hoạt động của người ảnh hưởng tới tín hiệu thở ................. 43
Hình 2.15 Đường cong áp lực - thời gian của thông khí kiểm soát thể tích ........ 44
Hình 2.16 Đường cong áp lực - thời gian của thông khí kiểm soát áp lực ........... 45
Hình 2.17 Đường cong áp lực thời gian của nhịp thở tự phát .............................. 45
Hình 2.18 Đường cong thể tích - thời gian ........................................................... 45
Hình 2.19 Các đường cong lưu lượng - thời gian khác nhau ............................... 46
Hình 2.20 Vòng lặp PV của nhịp thở tự phát không có PEEPe hoặc hỗ trợ áp lực.48
Hình 2.21 Vòng lặp PV của nhịp thở bắt buộc do máy thở bắt đầu với thông khí
kiểm soát thể tích. ................................................................................................. 48
Hình 2.22 Vòng lặp PV của nhịp thở bắt buộc do bệnh nhân bắt đầu với thông
khí kiểm soát thể tích. ........................................................................................... 49
Hình 2.23 Vòng lặp lưu lượng - thể tích của thông khí áp lực với kiểu lưu lượng
dốc giảm dần. ........................................................................................................ 50
Hình 2.24 PEEP tự động trên đường cong lưu lượng - thời gian ......................... 51
Hình 2.25 PEEP tự động trên vòng lặp FV .......................................................... 52
Hình 2.26 Sự không đồng bộ lưu lượng trên đường cong áp lực - thời gian........ 53
Hình 2.27 Sự không đồng bộ lưu lượng trên một vòng lặp PV ............................ 54
Hình 2.28 Sự không đồng bộ lưu lượng trên một vòng lặp PV ............................ 54
Hình 2.29 Sự rối loạn kích hoạt trên đường cong áp lực - thời gian .................... 55
Hình 2.30 Sự rối loạn kích hoạt trên đường cong lưu lượng - thời gian .............. 55
Hình 2.31 Sự rối loạn chu kỳ trong quá trình thông khí hỗ trợ bằng áp lực......... 56
Hình 2.32 Điều chỉnh cài đặt độ nhạy .................................................................. 57
Hình 2.33 Cài đặt độ nhạy không nhạy trên vòng lặp PV .................................... 57
Hình 2.34 Tự động kích hoạt ................................................................................ 58
Hình 2.35 Rò rỉ khí hoặc tăng sức cản đường thở ................................................ 58
Hình 2.36 Rò rỉ khí trên đường cong áp lực - thời gian ....................................... 59
Hình 2.37 Rò rỉ khí trên đường cong thể tích - thời gian của thông khí kiểm soát
thể tích ................................................................................................................... 59
Hình 2.38 Rò rỉ khí trên một vòng lặp PV ............................................................ 60
Hình 2.39 Rò rỉ khí trên vòng lặp FV ................................................................... 60
Hình 2.40 Thở ra chủ động ................................................................................... 61
Hình 2.41 Đánh giá tác dụng của thuốc giãn phế quản ........................................ 62
vi
Hình 2.42 Thay đổi sức cản đường thở ................................................................ 62
Hình 2.43 Đánh giá mức độ phong tỏa thần kinh cơ ........................................... 63
Hình 2.44 Thay đổi sức cản đường thở ................................................................ 64
Hình 2.45 Thay đổi mức độ độ giãn nở của phổi................................................. 64
Hình 2.46 Các giai đoạn xử lý tín hiệu thở .......................................................... 66
Hình 2.47 Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị đo tín hiệu thở ................................ 67
Hình 2.48 Thực hiện phân tích DWT................................................................... 70
Hình 3.1 Thiết bị ghi dữ liệu PowerLab 26T ....................................................... 75
Hình 3.2 Kết nối đai cảm biến với PowerLab 26T .............................................. 75
Hình 3.3 Hộp thoại Input Amplifier..................................................................... 76
Hình 3.4 Dạng tín hiệu thở của tình nguyện viên khi thở đều ............................. 77
Hình 3.5 Dạng tín hiệu thở của tình nguyện viên khi hít sâu vào và giữ ............. 77
Hình 3.6 Dạng tín hiệu thở của tình nguyện viên khi thở gấp ............................. 78
Hình 3.7 Dạng tín hiệu thở của tình nguyện viên khi trở lại trạng thái thở bình
thường sau khi thở gấp ......................................................................................... 78
Hình 3.8 Dạng tín hiệu thở của tình nguyện viên khi nín thở .............................. 79
Hình 3.9 Đo đa hô hấp ký tại bệnh viện ............................................................... 80
Hình 3.10 Tín hiệu thở của bệnh nhân khi thở đều .............................................. 81
Hình 3.11 Tín hiệu thở của bệnh nhân khi hít thở sâu ......................................... 81
Hình 3.12 Tín hiệu thở của bệnh nhân khi chuyển sang tư thế đứng .................. 82
Hình 3.13 Tín hiệu thở khi bệnh nhân được yêu cầu thổi hơi vào ống thở ......... 82
Hình 3.14 Tín hiệu thở xuất hiện quãng ngưng thở dài khoảng 18 giây ............. 83
Hình 3.15 Dạng tín hiệu tương ứng với một số loại tắc nghẽn khác nhau có thể
gặp trên tín hiệu thở ............................................................................................. 83
Hình 3.16 Tín hiệu thở của bệnh nhân thở chậm (nhịp thở 6 lần/phút) ............... 86
Hình 3.17 Tín hiệu thở của bệnh nhân mắc hội chứng ngưng thở tắc nghẽn khi
ngủ ........................................................................................................................ 88
vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các xét nghiệm chức năng phổi ............................................................ 19
viii
MỞ ĐẦU
Phát hiện, thu nhận và phân tích dữ liệu tín hiệu thở là một trong những ứng
dụng quan trọng trong lĩnh vực y tế. Việc phát hiện ra các bất thường trong tín
hiệu thở rất có thể là khởi đầu cho việc ngăn chặn một hệ quả xấu liên quan đến
hô hấp của cơ thể. Đã có rất nhiều phương pháp cũng như công nghệ được phát
triển nhằm mục đích phát hiện và theo dõi tín hiệu thở [1,2].
Hành động hít thở là một việc thiết yếu, cơ bản và cũng rất quan trọng với
tất cả động vật sống. Hơi thở là một hỗn hợp của nitơ, oxy, cacbonic, hơi nước
và một lượng rất nhỏ các chất hữu cơ dễ bay hơi [1]. Hành động hít thở gồm hai
giai đoạn liên tiếp, hít vào và thở ra và diễn ra liên tục. Thông tin tín hiệu thở trên
một phút được ghi nhận tùy thuộc vào trạng thái hành động của người đó [1]. Ví
dụ như thông tin tín hiệu thở khi đi bộ, khi chạy, khi làm việc nặng hay khi đang
ngủ và khi nghỉ ngơi. Hít thở cũng đóng vai trò như một yếu tố quan trọng, được
dùng như một thước đo để đánh giá trong lĩnh vực y tế.
Việc theo dõi tín hiệu thở về cơ bản là việc thu thập dữ liệu bằng các thiết
bị khác nhau và sử dụng dữ liệu từ các thiết bị này cho việc phân tích dữ liệu [2].
Đã có rất nhiều kỹ thuật đã được sử dụng để theo dõi tín hiệu thở [3]. Dựa trên
yếu tố thiết bị được sử dụng có tiếp xúc với người cần theo dõi tín hiệu thở hay
không, có thể chia phương pháp thành tiếp xúc và không tiếp xúc, cũng có thể
một phương pháp sử dụng nhiều thiết bị và kết hợp cả hai phương pháp trên
[3,4]. Phương pháp tiếp xúc sử dụng các loại cảm biến nhiệt điện, cảm biến hô
hấp và cảm biến âm thanh. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là độ chính
xác của dữ liệu nhận được trong quá trình thu thập [2,4].
Đã có nhiều nghiên cứu theo dõi tín hiệu thở dựa trên các loại cảm biến và
dựa trên học máy đem lại những kết quả khả quan. Dữ liệu được thu thập có thể là
dữ liệu âm thanh thu qua micro gắn với máy tính. Cảm biến gắn trên lồng
ngực ghi nhận chuyển động khi hô hấp của đối tượng theo dõi. Cảm biến
nhiệt thu thập dữ liệu hơi thở dựa trên nguyên tắc nhiệt độ hơi thở lúc hít
vào sẽ thấp hơn so với nhiệt độ hơi thở khi thở ra [4]. Các phương pháp sử
dụng cảm biến nói chung là cho kết quả tốt với một chi phí thấp đầu tư cho
mua thiết bị. Kết hợp với các thuật toán học máy trên dữ liệu thu thập được
cũng đem lại kết quả ấn tượng [3-5].
1
Bên cạnh đó dựa trên những tín hiệu lâm sàng kỹ thuật số đã thu thập
được, những phép phân tích sử dụng các biến đổi toán học dể nhận dạng
đặc trưng tín hiệu cũng dễ dàng thực hiện dựa trên các thuật toán cài đặt
trên máy tính.
Trên cơ sở một số vấn đề nêu trên, tác giả đã lựa chọn đề tài cho luận văn
là: “Đo lường và phân tích tín hiệu thở của người nhằm hỗ trợ chẩn đoán một
số bệnh lý”
2
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VỀ TÍN HIỆU THỞ
1.1 Giải phẫu và sinh lý học về hệ hô hấp
Hệ hô hấp có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống. Với chức năng
trao đổi khí, giúp cung cấp khí O2 lên các cơ quan như tim và não (đây là hai cơ
quan liên quan đến vận hành và nuôi sống cơ thể). Cơ thể sống luôn luôn đòi hỏi
được cung cấp O2 để sử dụng trong quá trình chuyển hoá chất và chuyển hoá
năng lượng, đồng thời đào thải CO2 (một sản phẩm của quá trình chuyển hoá) ra
ngoài cơ thể nhằm duy trì một sự hằng định tương đối của nồng độ O2 và
CO2 trong nội môi. Cơ thể đơn bào có thể trao đổi trực tiếp với môi trường, nhận
O2 từ môi trường và thải CO2 trực tiếp ra ngoài môi trường. Cơ thể đa bào, đặc
biệt với cấu trúc phức tạp như cơ thể con người thì các tế bào không thể trao đổi
trực tiếp O2 và CO2 với môi trường bên ngoài, mà chúng phải thông qua một bộ
máy chuyên biệt để cung cấp O2 và đào thải CO2, đó là bộ máy hô hấp [2,4].
Cùng với hệ tiêu hóa và hệ tuần hoàn, hệ hô hấp đóng một vai trò quan
trọng trong cơ thể người. Hệ hô hấp đảm nhiệm việc lấy O2 từ môi trường bên
ngoài để cung cấp cho mọi hoạt động sống của cơ thể người [3].
Theo cấu tạo, nhiệm vụ và chức năng các nhà giải phẫu phân chia hệ hô
hấp thành hai phần: đường hô hấp trên và đường hô hấp dưới.
Hình 1.1 Hệ hô hấp gồm hai phần: Đường hô hấp trên và đường hô hấp
dưới [3]
3
Đường hô hấp trên (trên nắp thanh quản) gồm: mũi, hầu, họng, xoang,
thanh quản. Chức năng của đường hô hấp trên là lấy không khí bên ngoài cơ thể,
làm ẩm, sưởi ấm không khí và lọc không khí trước khi đưa vào phổi.
Đường hô hấp dưới (dưới nắp thanh quản) gồm: khí quản, cây phế quản,
phế nang, màng phổi, phổi,… Chức năng của đường hô hấp dưới là thực hiện lọc
không khí và trao đổi khí.
1.1.1 Hệ hô hấp trên
1.1.1.1 Mũi
Cấu tạo: là bộ phận đầu tiên có chức năng đưa không khí đi qua để vào
phổi [3]. Cấu tạo của mũi gồm 3 phần:
– Mũi ngoài: phần mũi chính giữa mặt, bao gồm 1 khung xương sụn được
phủ bằng mặt ngoài và niêm mạc ở mặt trong..
– Ổ mũi: vách chia thành 2 ngăn, mỗi ngăn thông ra mặt lỗ mũi trước,
liên tiếp với tỵ hầu qua lỗ mũi sau và có 4 thành. Phần trước của mỗi ngăn ổ mũi
là tiền đình mũi, da phủ tiền đình mũi có lông và tuyến nhầy để cản bụi.
– Các xoang cạnh mũi: các hốc ở trong các xương xung quanh ổ mũi bao
gồm xoang hàm trên, xoang trán, xoang bướm và các tiểu xoang sàng. Chúng mở
vào ổ mũi, được lót bằng một lớp niêm mạc liên tiếp với niêm mạc của ổ mũi.
Chức năng: dẫn khí, làm sạch và sưởi ấm trước khi vào phổi, là cơ
quan khứu giác.
1.1.1.2 Hầu
Hầu là một ống cơ và sợi được phủ bởi niêm mạc, dài chừng 12-14cm, đi
từ nền sọ tới đầu trên của thực quản [3].
Vị trí: hầu nằm trước cột sống cổ, nó mở thông ở phía trước vào ổ mũi, ổ
miệng và thanh quản
Cấu tạo: gồm 3 phần:
– Phần mũi (tỵ hầu): phần cao nhất, liên tiếp với lỗ mũi sau, trên nóc có
amidan vòm, hai thành bên có loa vòi eustachi [35] thông lên hòm nhĩ và hố
rosenmuler [34].
– Phần miệng (khẩu hầu): phía trên thông với họng mũi, phía dưới thông
với họng thanh quản, phía trước mở thông với khoang miệng. Thành sau của
4
khẩu hầu liên tiếp với thành sau họng mũi và bao gồm các lớp niêm mạc, cân và
các cơ khít họng.
– Phần thanh quản (thanh hầu): giới hạn từ ngang tầm xương móng đến
miệng thực quản, có hình như cái phễu với miệng mở to, thông với khẩu hầu, đáy
phễu là miệng thực quản.
Ngoài ra, quanh hầu còn có các tổ chức lympho tạo thành một vòng bao
quanh gọi là vòng waldeyer [33].
Chức năng: là phần quan trọng bảo vệ các tác nhân từ bên ngoài vào cơ
thể. Chức năng nuốt đưa thức ăn xuống miệng thực quản.
1.1.1.3 Thanh quản
Thanh quản được cấu tạo bởi những sụn nối với nhau bằng các dây chằng
và các màng khớp giữa các sụn được vận động bởi các cơ [3].
Vị trí: thanh quản nằm ở phần đường dẫn khí nằm giữa hầu và khí quản,
nằm lộ ở phần trước cổ, đối diện với các đốt sống cổ III, IV, V và VI.
Cấu tạo:
Khung sụn:
– Sụn thượng thiệt hay còn gọi là sụn nắp thanh quản, nằm cao phía trước
lỗ trên của thanh quản, là sụn đơn, hình chiếc lá mà cuống lá dính vào góc giữa
hai mảnh sụn giáp, khi hạ xuống sẽ đậy thanh quản lại.
– Sụn giáp: là sụn đơn gần giống quyển sách mở ra sau, phía trên có
sụn nắp thanh quản.
– Sụn nhẫn: là một sụn đơn, hình nhẫn, nằm dưới sụn giáp.
– Sụn phễu: bao gồm hai sụn, nằm ở bờ trên mảnh sụn nhẫn. Ngoài ra
còn có sụn sừng là đôi sụn nhỏ nằm ở đỉnh hai sụn phễu.
Các cơ thanh quản: bao gồm 3 nhóm cơ chính:
– Nhóm cơ làm hẹp thanh môn: cơ phễu nắp thanh hầu, cơ phễu ngang và
chéo, cơ giáp phễu, cơ nhẫn phễu bên.
– Nhóm cơ làm rộng thanh môn: cơ giáp nắp thanh hầu, cơ nhẫn phễu sau.
– Nhóm cơ làm căng và chùng dây thanh âm: cơ thanh âm, cơ nhẫn giáp.
Chức năng: thanh quản có chức năng chính là phát âm, lời nói phát ra do
luồng không khí thở ra tác động lên thanh quản, sự căng và vị trí của các nếp
thanh âm có ảnh hưởng đến tần số âm thanh.
5
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đo lường và phân tích tín hiệu thở
của người nhằm hỗ trợ chẩn đoán
một số bệnh lý
TRẦN VIỆT HƯNG
Ngành: Kỹ thuật y sinh
Giảng viên hướng dẫn: TS. Vương Hoàng Nam
Trường: Điện – Điện tử
HÀ NỘI, 2022
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đo lường và phân tích tín hiệu thở
của người nhằm hỗ trợ chẩn đoán
một số bệnh lý
TRẦN VIỆT HƯNG
Ngành: Kỹ thuật y sinh
Giảng viên hướng dẫn: TS. Vương Hoàng Nam
Chữ ký của GVHD
Trường: Điện – Điện tử
Hà Nội, 2022
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: Trần Việt Hưng
Đề tài luận văn: Đo lường và phân tích tín hiệu thở của người nhằm hỗ trợ
chẩn đoán một số bệnh lý
Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh
Mã số HV: 20202373M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
21/10/2022 với các nội dung sau:
- Sửa câu từ trong luận văn,
- Biên dịch lại tài liệu cho rõ nghĩa hơn(trang 48, 51…);
- Sửa lại định dạng trong luận văn (gạch đầu dòng, chấm, gạch…),
- Rà soát chỉnh sửa lỗi chính tả;
- Bổ xung trích nguồn (gần như toàn bộ hình vẽ trong Chương 2);
- Đánh số lại công thức (trang 11, 14, 16…);
- Bổ xung chữ ký của Giáo viên hướng dẫn và học viên
Ngày 31 tháng 10 năm 2022
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
TS. Vương Hoàng Nam Trần Việt Hưng
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TS. Nguyễn Thái Hà
LỜI CẢM ƠN
Qua quá trình học tập và làm luận văn, mặc dù gặp một số khó khăn nhất
định nhưng đến nay tôi đã thực hiện xong khóa học cao học và hoàn thành luận
văn. Tôi xin chân thành cảm ơn những người thân đã là chỗ dựa tinh thần, tạo
động lực lớn cho tôi trong quá trình làm luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới thầy TS. Vương Hoàng Nam đã
hướng dẫn và chỉ bảo tận tình tôi trong quá trình làm luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô của bộ môn CNĐT & Kỹ
thuật y sinh – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã trang bị cho tôi những kiến
thức chuyên môn thuộc lĩnh vực kỹ thuật y sinh.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới các Y Bác sỹ – Khoa thăm dò
chức năng hô hấp, Bệnh viện Đại học Y Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi thu
thập dữ liệu.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới lãnh đạo Trường Điện – Điện tử,
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi có một môi trường
để học tập và nghiên cứu khoa học.
Học viên
Trần Việt Hưng
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: Đo lường và phân tích tín hiệu thở của người nhằm hỗ trợ chẩn đoán
một số bệnh lý
Tác giả luận văn: Trần Việt Hưng Khóa:2020B
Người hướng dẫn: TS. Vương Hoàng Nam
Từ khóa (Keyword): Tín hiệu thở, đo lường tín hiệu thở, phân tích tín hiệu thở,
bệnh lý hô hấp, tín hiệu thở thể hiện bệnh lý về hô hấp.
Nội dung tóm tắt:
a) Lý do chọn đề tài:
Phát hiện, thu nhận và phân tích dữ liệu tín hiệu thở là một trong những
ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực y tế. Việc phát hiện ra các bất thường trong
tín hiệu thở rất có thể là khởi đầu cho việc ngăn chặn một hệ quả xấu liên quan
đến hô hấp của cơ thể. Đã có rất nhiều phương pháp cũng như công nghệ được
phát triển nhằm mục đích phát hiện và theo dõi tín hiệu thở.
Dữ liệu được thu thập có thể là dữ liệu âm thanh thu qua micro gắn với
máy tính. Cảm biến gắn trên lồng ngực ghi nhận chuyển động khi hô hấp của đối
tượng theo dõi. Cảm biến nhiệt thu thập dữ liệu hơi thở dựa trên nguyên tắc nhiệt
độ hơi thở lúc hít vào sẽ thấp hơn so với nhiệt độ hơi thở khi thở ra. Các phương
pháp sử dụng cảm biến nói chung là cho kết quả tốt với một chi phí thấp đầu tư
cho mua thiết bị. Kết hợp với các thuật toán học máy trên dữ liệu thu thập được
cũng đem lại kết quả ấn tượng.
Bên cạnh đó dựa trên những tín hiệu lâm sàng kỹ thuật số đã thu thập
được, những phép phân tích sử dụng các biến đổi toán học dể nhận dạng đặc
trưng tín hiệu cũng dễ dàng thực hiện dựa trên các thuật toán cài đặt trên máy
tính. Trên cơ sở một số vấn đề nêu trên, tác giả đã lựa chọn đề tài cho luận văn
là: “Đo lường và phân tích tín hiệu thở của người nhằm hỗ trợ chẩn đoán một
số bệnh lý”.
b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn: Đưa ra các phương pháp đo lường
và kỹ thuật phân tích tín hiệu thở, hỗ trợ bác sỹ chẩn đoán một số bệnh lý về hô
hấp. Dữ liệu về tín hiệu thở nhận được là cơ sở để phân tích, chẩn đoán, điều trị,
phục hồi chức năng các bệnh liên quan đến hô hấp, theo dõi sự hô hấp của người
có vấn đề tắc nghẽn hô hấp, hoặc sử dụng làm cơ sở để chẩn đoán các bệnh lý
khác.
Đối tượng: Dữ liệu tín hiệu thở của các tình nguyện viên trên Lab và dữ
liệu tín hiệu thở của các bệnh nhân mắc bệnh hô hấp tại Bệnh viện Đại học Y Hà
Nội
Phạm vi nghiên cứu: Bài luận này sẽ tập trung quan tâm đến phân tích
dữ liệu tín hiệu thở tại phòng Lab và Bệnh viện Đại học Y Hà Nội, được thực
hiện từ tháng 12 năm 2021 đến tháng 9 năm 2022.
c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
Nội dung chính của luận văn gồm 03 chương, trong đó:
Chương 1. trình bày nội dung: Lý thuyết về tín hiệu thở
Trình bày giải phẫu và sinh lý học về hệ hô hấp.
Nguồn gốc và các đặc trưng của tín hiệu thở.
Tìm hiểu ứng dụng của tín hiệu thở trong lâm sàng.
Chương 2: trình bày nội dung: Đo lường và phân tích tín hiệu thở
Các phương pháp đo lường tín hiệu thở xâm lấn và không xâm lấn hiện
nay trong các cơ sở y tế.
Đánh giá nhịp thở và tín hiệu thở.
Mô hình và sơ đồ chức năng của hệ thống đo tín hiệu thở.
Quá trình thu nhận tín hiệu thở, đánh giá một số phương pháp xử lý tín
hiệu thở.
Chương 3. trình bày nội dung: Dữ liệu tín hiệu thở và một số bệnh lý liên quan
Phân tích dữ liệu tín hiệu thở của người tình nguyện đo tại phòng Lab,
Phân tích dữ liệu tín hiệu thở của người mắc bệnh hô hấp đo tại Bệnh viện
Đại học Y Hà Nội.
Mối liên hệ giữa nhịp thở, trí nhớ và cảm giác sợ hãi.
Mối liên hệ giữa tín hiệu thở và một số bệnh lý về phổi như: hội chứng thở
chậm, hội chứng ngưng thở tắc nghẽn khi ngủ, hội chứng tăng thông khí
phổi, bệnh hen và bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính.
d) Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết khoa học để phân
tích tín hiệu thở. Thu thập thông tin, dữ liệu để có được thông tin chi tiết
về đối tượng nghiên cứu, đồng thời là dữ liệu chi tiết và số liệu cụ thể từ
các cuộc điều tra hoặc khảo sát. Từ đó để phân tích hoặc nghiên cứu
chuyên sâu, các dữ liệu và đối tượng phải được chuẩn bị và nghiên cứu kỹ
lưỡng. Các thông tin trên sẽ tập trung chủ yếu vào đối tượng nghiên cứu
nhằm mục đích thống kê và phân tích từ đó đưa ra các đặc điểm bệnh lý
liên quan đến tín hiệu thở.
e) Kết luận
Đề tài “Đo lường và phân tích tín hiệu thở của người nhằm hỗ trợ chẩn
đoán một số bệnh lý” đã đưa ra các phương pháp đo lường và phân tích tín hiệu
thở dựa trên cơ sở lý thuyết khoa học, tiến hành thu thập dữ liệu tín hiệu thở trên
phòng Lab, tại Bệnh viện và phân tích các dữ liệu đó nhằm hỗ trợ chẩn đoán một
số bệnh lý về đường hô hấp.
Đề tài đã đạt được các mục tiêu đề ra là:
Đánh giá các phương pháp thu nhận tín hiệu thở hiện nay trong các cơ sở
y tế.
Trình bày các phương pháp phân tích và xử lý tín hiệu thở.
Thu thập dữ liệu tín hiệu thở, phân tích các dữ liệu đó nhằm hỗ trợ chẩn
đoán một số bệnh lý về đường hô hấp.
Các bệnh lý về đường hô hấp và dạng tín hiệu thở tương ứng.
Kiến nghị hướng phát triển:
Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu tín hiệu thở phục vụ cho việc chẩn đoán các
bệnh lý về đường hô hấp và nghiên cứu phương pháp nhận dạng.
Xây dựng thuật toán phân loại tín hiệu thở dựa trên học máy cũng để phục
vụ cho việc chẩn đoán các bệnh lý về hô hấp một cách nhanh chóng và
chính xác hơn.
MỤC LỤC
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................ viii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VỀ TÍN HIỆU THỞ .................................................. 3
1.1 Giải phẫu và sinh lý học về hệ hô hấp ........................................................... 3
1.1.1 Hệ hô hấp trên ......................................................................................... 4
1.1.2 Hệ hô hấp dưới ........................................................................................ 6
1.2 Nguồn gốc của tín hiệu thở ........................................................................... 7
1.2.1 Cơ chế hô hấp ....................................................................................... 10
1.2.2 Sự thông khí của phổi ........................................................................... 14
1.2.3 Dung tích – Thể tích của phổi ............................................................... 17
1.3 Các đặc trưng của tín hiệu thở ..................................................................... 21
1.4 Ứng dụng tín hiệu thở trong lâm sàng ......................................................... 23
1.5 Kết luận chương .......................................................................................... 25
CHƯƠNG 2. ĐO LƯỜNG VÀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU THỞ .......................... 26
2.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 26
2.2 Phương pháp đo lường và theo dõi tín hiệu thở xâm lấn ............................ 27
2.2.1 Xét nghiệm khí máu động mạch ........................................................... 27
2.2.2 Sinh thiết phổi ....................................................................................... 30
2.3 Phương pháp đo lường và theo dõi tín hiệu thở không xâm lấn ................. 32
2.3.1 Đo FeNO ............................................................................................... 33
2.3.2 Hô hấp ký .............................................................................................. 34
2.3.3 Dao động xung ký (IOS) ....................................................................... 34
2.3.4 Phế thân ký............................................................................................ 35
2.3.5 Monitor theo dõi bệnh nhân .................................................................. 36
2.4 Nhịp thở và tín hiệu thở ............................................................................... 38
2.4.1 Giới thiệu .............................................................................................. 38
2.4.2 Đánh giá nhịp thở và tín hiệu thở ......................................................... 50
2.5 Một số phương pháp xử lý tín hiệu thở ....................................................... 65
2.5.1 Giới thiệu .............................................................................................. 65
i
2.5.2 Thu nhận tín hiệu thở ............................................................................. 65
2.5.3 Phương pháp biến đổi Fourier (FFT) .................................................... 67
2.5.4 Phương pháp biến đổi Wavelet (WT) .................................................... 68
2.5.5 Phân phối tần số - thời gian ................................................................... 70
2.6 Kết luận chương ........................................................................................... 71
CHƯƠNG 3. DỮ LIỆU TÍN HIỆU THỞ VÀ MỘT SỐ BỆNH LÝ LIÊN QUAN73
3.1 Giới thiệu ...................................................................................................... 73
3.2 Dữ liệu tín hiệu thở của người tình nguyện đo tại phòng Lab ..................... 74
3.3 Dữ liệu tín hiệu thở của người bệnh đo tại Bệnh viện ................................. 79
3.4 Mối liên hệ giữa nhịp thở, trí nhớ và cảm giác sợ hãi ................................. 84
3.4.1 Nhịp thở ảnh hưởng đến hoạt động não bộ ........................................... 84
3.4.2 Mối liên hệ giữa nhịp thở và cảm giác sợ hãi........................................ 85
3.4.3 Mối liên hệ giữa khả năng ghi nhớ và nhịp thở ..................................... 85
3.5 Mối liên hệ giữa tín hiệu thở và một số bệnh lý về phổi ............................. 86
3.5.1 Hội chứng thở chậm .............................................................................. 86
3.5.2 Hội chứng ngưng thở tắc nghẽn khi ngủ ............................................... 88
3.5.3 Hội chứng tăng thông khí phổi .............................................................. 89
3.5.4 Bệnh hen ................................................................................................ 90
3.5.5 Bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính (COPD) ................................................. 91
3.6 Kết luận chương ........................................................................................... 92
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 95
ii
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết đầy đủ Chữ viết đầy đủ
Kí hiệu chữ viết tắt
(Tiếng Anh) (Tiếng Việt)
MV Minute Ventilation Thông khí phút
VT Tidal Volume Thể tích khí lưu thông
RR Respiratory Rate Tần số thở
Inspiratory Reserve
IRV Thể tích dự trữ hít vào
Volume
Expiratory Reserve
ERV Thể tích dự trữ thở ra
Volume
RV Residual Volume Thể tích khí cặn
Functional Residual
FRC Dung tích cặn chức năng
Capacity
VC Vital Capacity Dung tích sống
TLC Total Lung Capacity Tổng dung tích phổi
IC Inspiratory Capacity Lượng không khí tối đa
Chronic Obstructive Bệnh phổi tắc nghẽn
COPD
Pulmonary Disease mạn tính
ABG Arterial Blood Gases Khí máu động mạch
IOS Impulse Oscillometry Dao động xung ký
Diffusing Lung Capacity Phương pháp đo khuếch
DLCO
For Carbon Monoxide tán khí CO
ECG Electrocardiogram Điện tim
iii
Positive End Expiratory Áp lực dương tính cuối
PEEP
Airway Pressure thì thở ra
Áp lực tối đa trong
PIP Peak Inspiratory Pressure đường thở khi kết thúc
giai đoạn hít vào
Tổn thương phổi cấp tính
Ventilator-Induced Lung
VILI nhu mô và đường thở
Injury
gây bởi thở máy
Acute Respiratory Hội chứng suy hô hấp
ARDS
Distress Syndrome cấp tiến triển
Peak Expiratory Flow
PEFR Lưu lượng đỉnh thở ra
Rate
WT Wavelet Transform Biến đổi Wavelet
Time-Frequency Phân phối tần số - thời
TFR
Distribution gian
Hội chứng ngưng thở tắc
OSA Obstructive Sleep Apnea
nghẽn khi ngủ
iv
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hệ hô hấp gồm hai phần: Đường hô hấp trên và đường hô hấp dưới ..... 3
Hình 1.2 Trong hô hấp bên ngoài, oxy khuếch tán qua màng hô hấp từ phế nang
đến mao mạch, trong khi carbon dioxide khuếch tán ra khỏi mao mạch vào phế
nang ........................................................................................................................ 9
Hình 1.3 Oxy khuếch tán ra khỏi mao mạch và các tế bào, trong khi carbon
dioxide khuếch tán ra khỏi tế bào và vào mao mạch ........................................... 10
Hình 1.4 Định luật Boyle trong một loại khí ....................................................... 12
Hình 1.5 Hít vào và thở ra xảy ra do sự mở rộng và co lại của khoang ngực...... 15
Hình 1.6 Các yếu tố làm tăng thông khí phổi ...................................................... 16
Hình 1.7 Hai biểu đồ này cho thấy a) Thể tích hô hấp và b) Sự kết hợp của các
thể tích dẫn đến khả năng hấp ............................................................................. 18
Hình 1.8 Biểu đồ lưu lượng thể tích phổi ............................................................ 20
Hình 1.9 Biểu đồ phổ tín hiệu thở điển hình của phổi (biểu đồ bên trái) cùng với
phổ trung bình của trường hợp hít vào và thở ra (biểu đồ bên phải) và quy trình
tương ứng (biểu đồ trên cùng) .............................................................................. 22
Hình 1.10 Một biểu đồ tín hiệu thở khí quản điển hình (biểu đồ bên trái) cùng với
phổ trung bình hít vào và thở ra (biểu đồ bên phải) và luồng tương ứng (biểu đồ
trên cùng).............................................................................................................. 23
Hình 2.1 Xét nghiệm khí máu động mạch giúp chẩn đoán bệnh lý chính xác .... 28
Hình 2.2 Cách lấy máu để làm xét nghiệm khí máu động mạch ......................... 29
Hình 2.3 Kết quả xét nghiệm khí máu động mạch .............................................. 30
Hình 2.4 Kĩ thuật sinh thiết phổi bằng kim .......................................................... 32
Hình 2.5 Đo FeNO tại phòng khám bệnh viện .................................................... 33
Hình 2.6 Đo hô hấp ký tại phòng khám bệnh viện .............................................. 34
Hình 2.7 Đo IOS tại phòng khám bệnh viện ........................................................ 35
Hình 2.8 Đo phế thân ký tại phòng khám bệnh viện............................................ 36
Hình 2.9 Dạng sóng EtCO2 ................................................................................. 37
Hình 2.10 Dạng sóng thở đo bằng phương pháp trở kháng ................................. 38
Hình 2.11 Hít thở giúp cung cấp đầy đủ oxy cho hoạt động sống của cơ thể ..... 39
Hình 2.12 Dạng tín hiệu thở đo bằng đai hô hấp ................................................. 42
Hình 2.13 Dạng tín hiệu thở ứng với các hoạt động thở khác nhau .................... 43
v
Hình 2.14 Tư thế và hoạt động của người ảnh hưởng tới tín hiệu thở ................. 43
Hình 2.15 Đường cong áp lực - thời gian của thông khí kiểm soát thể tích ........ 44
Hình 2.16 Đường cong áp lực - thời gian của thông khí kiểm soát áp lực ........... 45
Hình 2.17 Đường cong áp lực thời gian của nhịp thở tự phát .............................. 45
Hình 2.18 Đường cong thể tích - thời gian ........................................................... 45
Hình 2.19 Các đường cong lưu lượng - thời gian khác nhau ............................... 46
Hình 2.20 Vòng lặp PV của nhịp thở tự phát không có PEEPe hoặc hỗ trợ áp lực.48
Hình 2.21 Vòng lặp PV của nhịp thở bắt buộc do máy thở bắt đầu với thông khí
kiểm soát thể tích. ................................................................................................. 48
Hình 2.22 Vòng lặp PV của nhịp thở bắt buộc do bệnh nhân bắt đầu với thông
khí kiểm soát thể tích. ........................................................................................... 49
Hình 2.23 Vòng lặp lưu lượng - thể tích của thông khí áp lực với kiểu lưu lượng
dốc giảm dần. ........................................................................................................ 50
Hình 2.24 PEEP tự động trên đường cong lưu lượng - thời gian ......................... 51
Hình 2.25 PEEP tự động trên vòng lặp FV .......................................................... 52
Hình 2.26 Sự không đồng bộ lưu lượng trên đường cong áp lực - thời gian........ 53
Hình 2.27 Sự không đồng bộ lưu lượng trên một vòng lặp PV ............................ 54
Hình 2.28 Sự không đồng bộ lưu lượng trên một vòng lặp PV ............................ 54
Hình 2.29 Sự rối loạn kích hoạt trên đường cong áp lực - thời gian .................... 55
Hình 2.30 Sự rối loạn kích hoạt trên đường cong lưu lượng - thời gian .............. 55
Hình 2.31 Sự rối loạn chu kỳ trong quá trình thông khí hỗ trợ bằng áp lực......... 56
Hình 2.32 Điều chỉnh cài đặt độ nhạy .................................................................. 57
Hình 2.33 Cài đặt độ nhạy không nhạy trên vòng lặp PV .................................... 57
Hình 2.34 Tự động kích hoạt ................................................................................ 58
Hình 2.35 Rò rỉ khí hoặc tăng sức cản đường thở ................................................ 58
Hình 2.36 Rò rỉ khí trên đường cong áp lực - thời gian ....................................... 59
Hình 2.37 Rò rỉ khí trên đường cong thể tích - thời gian của thông khí kiểm soát
thể tích ................................................................................................................... 59
Hình 2.38 Rò rỉ khí trên một vòng lặp PV ............................................................ 60
Hình 2.39 Rò rỉ khí trên vòng lặp FV ................................................................... 60
Hình 2.40 Thở ra chủ động ................................................................................... 61
Hình 2.41 Đánh giá tác dụng của thuốc giãn phế quản ........................................ 62
vi
Hình 2.42 Thay đổi sức cản đường thở ................................................................ 62
Hình 2.43 Đánh giá mức độ phong tỏa thần kinh cơ ........................................... 63
Hình 2.44 Thay đổi sức cản đường thở ................................................................ 64
Hình 2.45 Thay đổi mức độ độ giãn nở của phổi................................................. 64
Hình 2.46 Các giai đoạn xử lý tín hiệu thở .......................................................... 66
Hình 2.47 Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị đo tín hiệu thở ................................ 67
Hình 2.48 Thực hiện phân tích DWT................................................................... 70
Hình 3.1 Thiết bị ghi dữ liệu PowerLab 26T ....................................................... 75
Hình 3.2 Kết nối đai cảm biến với PowerLab 26T .............................................. 75
Hình 3.3 Hộp thoại Input Amplifier..................................................................... 76
Hình 3.4 Dạng tín hiệu thở của tình nguyện viên khi thở đều ............................. 77
Hình 3.5 Dạng tín hiệu thở của tình nguyện viên khi hít sâu vào và giữ ............. 77
Hình 3.6 Dạng tín hiệu thở của tình nguyện viên khi thở gấp ............................. 78
Hình 3.7 Dạng tín hiệu thở của tình nguyện viên khi trở lại trạng thái thở bình
thường sau khi thở gấp ......................................................................................... 78
Hình 3.8 Dạng tín hiệu thở của tình nguyện viên khi nín thở .............................. 79
Hình 3.9 Đo đa hô hấp ký tại bệnh viện ............................................................... 80
Hình 3.10 Tín hiệu thở của bệnh nhân khi thở đều .............................................. 81
Hình 3.11 Tín hiệu thở của bệnh nhân khi hít thở sâu ......................................... 81
Hình 3.12 Tín hiệu thở của bệnh nhân khi chuyển sang tư thế đứng .................. 82
Hình 3.13 Tín hiệu thở khi bệnh nhân được yêu cầu thổi hơi vào ống thở ......... 82
Hình 3.14 Tín hiệu thở xuất hiện quãng ngưng thở dài khoảng 18 giây ............. 83
Hình 3.15 Dạng tín hiệu tương ứng với một số loại tắc nghẽn khác nhau có thể
gặp trên tín hiệu thở ............................................................................................. 83
Hình 3.16 Tín hiệu thở của bệnh nhân thở chậm (nhịp thở 6 lần/phút) ............... 86
Hình 3.17 Tín hiệu thở của bệnh nhân mắc hội chứng ngưng thở tắc nghẽn khi
ngủ ........................................................................................................................ 88
vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các xét nghiệm chức năng phổi ............................................................ 19
viii
MỞ ĐẦU
Phát hiện, thu nhận và phân tích dữ liệu tín hiệu thở là một trong những ứng
dụng quan trọng trong lĩnh vực y tế. Việc phát hiện ra các bất thường trong tín
hiệu thở rất có thể là khởi đầu cho việc ngăn chặn một hệ quả xấu liên quan đến
hô hấp của cơ thể. Đã có rất nhiều phương pháp cũng như công nghệ được phát
triển nhằm mục đích phát hiện và theo dõi tín hiệu thở [1,2].
Hành động hít thở là một việc thiết yếu, cơ bản và cũng rất quan trọng với
tất cả động vật sống. Hơi thở là một hỗn hợp của nitơ, oxy, cacbonic, hơi nước
và một lượng rất nhỏ các chất hữu cơ dễ bay hơi [1]. Hành động hít thở gồm hai
giai đoạn liên tiếp, hít vào và thở ra và diễn ra liên tục. Thông tin tín hiệu thở trên
một phút được ghi nhận tùy thuộc vào trạng thái hành động của người đó [1]. Ví
dụ như thông tin tín hiệu thở khi đi bộ, khi chạy, khi làm việc nặng hay khi đang
ngủ và khi nghỉ ngơi. Hít thở cũng đóng vai trò như một yếu tố quan trọng, được
dùng như một thước đo để đánh giá trong lĩnh vực y tế.
Việc theo dõi tín hiệu thở về cơ bản là việc thu thập dữ liệu bằng các thiết
bị khác nhau và sử dụng dữ liệu từ các thiết bị này cho việc phân tích dữ liệu [2].
Đã có rất nhiều kỹ thuật đã được sử dụng để theo dõi tín hiệu thở [3]. Dựa trên
yếu tố thiết bị được sử dụng có tiếp xúc với người cần theo dõi tín hiệu thở hay
không, có thể chia phương pháp thành tiếp xúc và không tiếp xúc, cũng có thể
một phương pháp sử dụng nhiều thiết bị và kết hợp cả hai phương pháp trên
[3,4]. Phương pháp tiếp xúc sử dụng các loại cảm biến nhiệt điện, cảm biến hô
hấp và cảm biến âm thanh. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là độ chính
xác của dữ liệu nhận được trong quá trình thu thập [2,4].
Đã có nhiều nghiên cứu theo dõi tín hiệu thở dựa trên các loại cảm biến và
dựa trên học máy đem lại những kết quả khả quan. Dữ liệu được thu thập có thể là
dữ liệu âm thanh thu qua micro gắn với máy tính. Cảm biến gắn trên lồng
ngực ghi nhận chuyển động khi hô hấp của đối tượng theo dõi. Cảm biến
nhiệt thu thập dữ liệu hơi thở dựa trên nguyên tắc nhiệt độ hơi thở lúc hít
vào sẽ thấp hơn so với nhiệt độ hơi thở khi thở ra [4]. Các phương pháp sử
dụng cảm biến nói chung là cho kết quả tốt với một chi phí thấp đầu tư cho
mua thiết bị. Kết hợp với các thuật toán học máy trên dữ liệu thu thập được
cũng đem lại kết quả ấn tượng [3-5].
1
Bên cạnh đó dựa trên những tín hiệu lâm sàng kỹ thuật số đã thu thập
được, những phép phân tích sử dụng các biến đổi toán học dể nhận dạng
đặc trưng tín hiệu cũng dễ dàng thực hiện dựa trên các thuật toán cài đặt
trên máy tính.
Trên cơ sở một số vấn đề nêu trên, tác giả đã lựa chọn đề tài cho luận văn
là: “Đo lường và phân tích tín hiệu thở của người nhằm hỗ trợ chẩn đoán một
số bệnh lý”
2
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT VỀ TÍN HIỆU THỞ
1.1 Giải phẫu và sinh lý học về hệ hô hấp
Hệ hô hấp có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống. Với chức năng
trao đổi khí, giúp cung cấp khí O2 lên các cơ quan như tim và não (đây là hai cơ
quan liên quan đến vận hành và nuôi sống cơ thể). Cơ thể sống luôn luôn đòi hỏi
được cung cấp O2 để sử dụng trong quá trình chuyển hoá chất và chuyển hoá
năng lượng, đồng thời đào thải CO2 (một sản phẩm của quá trình chuyển hoá) ra
ngoài cơ thể nhằm duy trì một sự hằng định tương đối của nồng độ O2 và
CO2 trong nội môi. Cơ thể đơn bào có thể trao đổi trực tiếp với môi trường, nhận
O2 từ môi trường và thải CO2 trực tiếp ra ngoài môi trường. Cơ thể đa bào, đặc
biệt với cấu trúc phức tạp như cơ thể con người thì các tế bào không thể trao đổi
trực tiếp O2 và CO2 với môi trường bên ngoài, mà chúng phải thông qua một bộ
máy chuyên biệt để cung cấp O2 và đào thải CO2, đó là bộ máy hô hấp [2,4].
Cùng với hệ tiêu hóa và hệ tuần hoàn, hệ hô hấp đóng một vai trò quan
trọng trong cơ thể người. Hệ hô hấp đảm nhiệm việc lấy O2 từ môi trường bên
ngoài để cung cấp cho mọi hoạt động sống của cơ thể người [3].
Theo cấu tạo, nhiệm vụ và chức năng các nhà giải phẫu phân chia hệ hô
hấp thành hai phần: đường hô hấp trên và đường hô hấp dưới.
Hình 1.1 Hệ hô hấp gồm hai phần: Đường hô hấp trên và đường hô hấp
dưới [3]
3
Đường hô hấp trên (trên nắp thanh quản) gồm: mũi, hầu, họng, xoang,
thanh quản. Chức năng của đường hô hấp trên là lấy không khí bên ngoài cơ thể,
làm ẩm, sưởi ấm không khí và lọc không khí trước khi đưa vào phổi.
Đường hô hấp dưới (dưới nắp thanh quản) gồm: khí quản, cây phế quản,
phế nang, màng phổi, phổi,… Chức năng của đường hô hấp dưới là thực hiện lọc
không khí và trao đổi khí.
1.1.1 Hệ hô hấp trên
1.1.1.1 Mũi
Cấu tạo: là bộ phận đầu tiên có chức năng đưa không khí đi qua để vào
phổi [3]. Cấu tạo của mũi gồm 3 phần:
– Mũi ngoài: phần mũi chính giữa mặt, bao gồm 1 khung xương sụn được
phủ bằng mặt ngoài và niêm mạc ở mặt trong..
– Ổ mũi: vách chia thành 2 ngăn, mỗi ngăn thông ra mặt lỗ mũi trước,
liên tiếp với tỵ hầu qua lỗ mũi sau và có 4 thành. Phần trước của mỗi ngăn ổ mũi
là tiền đình mũi, da phủ tiền đình mũi có lông và tuyến nhầy để cản bụi.
– Các xoang cạnh mũi: các hốc ở trong các xương xung quanh ổ mũi bao
gồm xoang hàm trên, xoang trán, xoang bướm và các tiểu xoang sàng. Chúng mở
vào ổ mũi, được lót bằng một lớp niêm mạc liên tiếp với niêm mạc của ổ mũi.
Chức năng: dẫn khí, làm sạch và sưởi ấm trước khi vào phổi, là cơ
quan khứu giác.
1.1.1.2 Hầu
Hầu là một ống cơ và sợi được phủ bởi niêm mạc, dài chừng 12-14cm, đi
từ nền sọ tới đầu trên của thực quản [3].
Vị trí: hầu nằm trước cột sống cổ, nó mở thông ở phía trước vào ổ mũi, ổ
miệng và thanh quản
Cấu tạo: gồm 3 phần:
– Phần mũi (tỵ hầu): phần cao nhất, liên tiếp với lỗ mũi sau, trên nóc có
amidan vòm, hai thành bên có loa vòi eustachi [35] thông lên hòm nhĩ và hố
rosenmuler [34].
– Phần miệng (khẩu hầu): phía trên thông với họng mũi, phía dưới thông
với họng thanh quản, phía trước mở thông với khoang miệng. Thành sau của
4
khẩu hầu liên tiếp với thành sau họng mũi và bao gồm các lớp niêm mạc, cân và
các cơ khít họng.
– Phần thanh quản (thanh hầu): giới hạn từ ngang tầm xương móng đến
miệng thực quản, có hình như cái phễu với miệng mở to, thông với khẩu hầu, đáy
phễu là miệng thực quản.
Ngoài ra, quanh hầu còn có các tổ chức lympho tạo thành một vòng bao
quanh gọi là vòng waldeyer [33].
Chức năng: là phần quan trọng bảo vệ các tác nhân từ bên ngoài vào cơ
thể. Chức năng nuốt đưa thức ăn xuống miệng thực quản.
1.1.1.3 Thanh quản
Thanh quản được cấu tạo bởi những sụn nối với nhau bằng các dây chằng
và các màng khớp giữa các sụn được vận động bởi các cơ [3].
Vị trí: thanh quản nằm ở phần đường dẫn khí nằm giữa hầu và khí quản,
nằm lộ ở phần trước cổ, đối diện với các đốt sống cổ III, IV, V và VI.
Cấu tạo:
Khung sụn:
– Sụn thượng thiệt hay còn gọi là sụn nắp thanh quản, nằm cao phía trước
lỗ trên của thanh quản, là sụn đơn, hình chiếc lá mà cuống lá dính vào góc giữa
hai mảnh sụn giáp, khi hạ xuống sẽ đậy thanh quản lại.
– Sụn giáp: là sụn đơn gần giống quyển sách mở ra sau, phía trên có
sụn nắp thanh quản.
– Sụn nhẫn: là một sụn đơn, hình nhẫn, nằm dưới sụn giáp.
– Sụn phễu: bao gồm hai sụn, nằm ở bờ trên mảnh sụn nhẫn. Ngoài ra
còn có sụn sừng là đôi sụn nhỏ nằm ở đỉnh hai sụn phễu.
Các cơ thanh quản: bao gồm 3 nhóm cơ chính:
– Nhóm cơ làm hẹp thanh môn: cơ phễu nắp thanh hầu, cơ phễu ngang và
chéo, cơ giáp phễu, cơ nhẫn phễu bên.
– Nhóm cơ làm rộng thanh môn: cơ giáp nắp thanh hầu, cơ nhẫn phễu sau.
– Nhóm cơ làm căng và chùng dây thanh âm: cơ thanh âm, cơ nhẫn giáp.
Chức năng: thanh quản có chức năng chính là phát âm, lời nói phát ra do
luồng không khí thở ra tác động lên thanh quản, sự căng và vị trí của các nếp
thanh âm có ảnh hưởng đến tần số âm thanh.
5