Luận văn Nghiên cứu thiết bị đo thông số huyết động dùng siêu âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------o0o--------- LÊ MINH ĐÔNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐO THÔNG SỐ HUYẾT ĐỘNG DÙNG SIÊU ÂM Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Y SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN: GS TS. NGUYỄN ĐỨC THUẬN Hà Nội – 2/2016 1 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: Lê Minh Đông Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết bị đo thông số huyết động dùng siêu âm. Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh Mã số SV: CB140284 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 3/3/2016 với các nội dung sau: Hội đồng không yêu cầu tác giả chỉnh sửa. Ngày 07 tháng 03 năm 2016 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn GS TS Nguyễn Đức Thuận Lê Minh Đông CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Nguyễn Thái Hà 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả dữ liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kì công trình nào khác. Tác giả Lê Minh Đông 3 LỜI CẢM ƠN Hoàn thành luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới GS.TS Nguyễn Đức Thuận, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới các Thầy Cô trong Bộ môn Công nghệ Điện tử và Kỹ thuật Y sinh, Trung tâm Điện tử y sinh và các Thầy Cô trong Viện Điện tử - Viễn thông đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu, thực hiện luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn Anh Phan Thành Đô, quản lý công ty TNHH thiết bị y tế Điện Dương đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện luận văn này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè đã luôn động viên, khích lệ và tạo điều kiện cho tôi học tập, nghiên cứu tốt. Hà Nội, ngày 7 tháng 2 năm 2016 Tác giả Lê Minh Đông 4 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 3 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU ....................................................... 9 PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 12 CHƯƠNG 1. TIM VÀ THÔNG SỐ HUYẾT ĐỘNG .............................................. 14 1.1. Tim và hệ tuần hoàn ........................................................................................ 14 1.2. Huyết động. ..................................................................................................... 20 1.2.1. Huyết áp (BP) ........................................................................................... 21 1.2.2. Cung lượng tim (CO) và sức cản mạch hệ thống (SVR) .......................... 21 1.2.3. Tiền gánh và thể tích nhát bóp. ................................................................ 22 1.2.4. Tiền gánh - Sức bóp cơ tim - Hậu gánh. .................................................. 23 1.2.5. Tổng lượng ô-xy cung cấp - DO2 ............................................................ 24 1.2.6. Sơ đồ quan hệ các thông số huyết động ................................................... 25 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO THÔNG SỐ HUYẾT ĐỘNG ................ 26 2.1. Các phương pháp đo can thiệp ........................................................................ 26 2.1.1. Phương pháp Fick ..................................................................................... 26 2.1.2. Phương pháp pha loãng chất chỉ thị ......................................................... 28 2.1.3. Phương pháp pha loãng nhiệt ................................................................... 30 2.1.4. Phương pháp PiCCO ................................................................................ 31 2.2. Các phương pháp đo không can thiệp ............................................................. 33 2.2.1. Phương pháp cộng hưởng từ .................................................................... 33 2.2.2. Phương pháp Tim đồ trở kháng ngực (ICG) ............................................ 34 2.2.3. Phương pháp siêu âm Doppler ................................................................. 36 CHƯƠNG 3. ĐO THÔNG SỐ HUYẾT ĐỘNG BẰNG SIÊU ÂM DOPPLER ...... 39 3.1. Cơ sở lý thuyết siêu âm ................................................................................... 39 3.1.1. Nguyên lý siêu âm tổng quan. .................................................................. 39 5 3.1.1.1. Một số tính chất vật lý của siêu âm .................................................... 39 3.1.1.2. Quá trình lan truyền sóng âm trong cơ thể. ........................................ 41 3.1.2.1. Đầu dò siêu âm. .................................................................................. 44 3.1.2.2. Bộ phận xử lý tín hiệu và thông tin. ................................................... 46 3.1.2.3. Các kiểu siêu âm ................................................................................ 47 3.2. Theo dõi huyết động bằng siêu âm Doppler. .................................................. 49 3.2.1. Nguyên lý theo dõi huyết động bằng siêu âm Doppler. ........................... 49 3.2.2. Sơ đồ khối tổng quan thiết bị.................................................................... 54 3.2.3. Kỹ thuật đo ............................................................................................... 55 CHƯƠNG 4. THIẾT BỊ ĐO THÔNG SỐ HUYẾT ĐỘNG KHÔNG XẤM LẤN DỰA TRÊN NGUYỀN LÝ SIÊU ÂM DOPPLER (USCOM) ................................ 59 4.1. Thiết bị USCOM ............................................................................................. 59 4.2. Ứng dụng thiết bị USCOM ............................................................................. 65 4.2.1. Các trường hợp lâm sàng điển hình về ứng dụng USCOM tại ÚC. ......... 65 4.2.2. Ứng dụng thiết bị USCOM tại bệnh viện Việt Đức ................................. 68 4.2.3. Ứng dụng thiết bị USCOM tại bệnh viện Nhi Trung Ương ..................... 70 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................... 77 5.1. Kết Luận ......................................................................................................... 77 5.2. Hướng phát triển ............................................................................................. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 79 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ........................................................................... 80 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ........................................................................... 81 6 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ đầy đủ 1 AV Aortic Valve 2 PV Pulmonary Valve 3 TV Tricuspid Valve 4 MV Mitral Valve 5 BP Blood Pressure 6 CO Cardiac Output Monitoring 7 SVR Systemic Vascular Resistance 8 SV Stroke Volume 9 HR Heart Rate 10 LVEDV Left Ventricle End Diasole Volume 11 Vpk Peak Velocity of Ventricular Ejection 12 DO2 Oxygen Delivery 13 Sao2 Oxygen Saturation of Arterial Blood. 14 Spo2 Peripheral Capillary Oxygen Saturation 15 Dpo2 Peripheral Capillary Oxygen Delivery 7 16 Dpo2I Peripheral Capillary Oxygen Delivery Index 17 PiCCO Pulse Contour Cardiac Output 18 VEPC Velocity Encoded Phase Contrast 19 ICG Impedance Cardiography 20 RCSA Right Cross Sectional Area 21 LCSA Left Cross Sectional Area 22 FT Flow Time 23 vti Velocity Time Integral 24 CI Cardiac Index 25 BSA Body Surface Area 26 SVI Stroke Volume Index 27 USCOM Utrasonic Cardiac Output Monitoring 28 SVV Stroke Volume Variation 29 SVRI Systemic Vascular Resistance Index 30 ET % Ejection Time 31 FTc Flow Time Correct 32 INO Inotropic Index 8 33 MD Minute Distance 34 CPO Cardiac Power 35 PKN Potential & Kinetic Energy Ratio 36 SW Stroke Work 38 SVS Stroke Volume Saturation 39 Pmn Mean Pressure Gradient Across The Valve 40 GEDI Global End Diastolic Index 41 MAP Mean Arterial Pressure 42 APsys Arterial Pressure Systolic 43 APdia Arterial Pressure Diastolic 44 MPAP Mean Pulmonary Arterial Pressure 45 GEF Global Ejection Fraction 46 CPI Cardiac Power Index 47 PVPI Pulmonary Vascular Permeability Index 48 ELWL Extra Vascular Lung Water Index 49 Scv02 Central Venous Oxygen Saturation 50 V02 Volume of Oxygen 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 Vị trí tim trong lồng ngực .......................................................................... 14 Hình 1.2 Vị trí các van tim ........................................................................................ 15 Hình 1.3 Hệ tuần hoàn .............................................................................................. 16 Hình 1.4 Kỳ tâm trương, kỳ tâm thu ......................................................................... 17 Hình 1.5 Chu kỳ tim. ................................................................................................. 17 Hình 1.6 Dòng chảy phân lớp ................................................................................... 18 Hình 1.7 Dòng chảy qua van ..................................................................................... 18 Hình 1.8 Dòng chảy phân lớp qua đoạn mạch cong ................................................. 19 Hình 1.9 Dòng rối qua van hẹp ................................................................................. 19 Hình 1.10 Định luật ôm với hệ tuần hoàn ................................................................. 20 Hình 1.11 Đặc tuyến Frank - Starling ....................................................................... 22 Hình 1.12 Sơ đồ quan hệ các thông số huyết động ................................................... 25 Hình 2.1 Các phương pháp theo dõi huyết động. ...................................................... 26 Hình 2.2 Phương pháp Fick ...................................................................................... 27 Hình 2.3 Phương pháp pha loãng chất chỉ thị ........................................................... 29 Hình 2.4 Phương pháp pha loãng nhiệt ..................................................................... 31 Hình 2.5 Phương pháp PiCCO .................................................................................. 32 Hình 2.6 Đồ thị huyết áp động mạch khi theo dõi bằng ........................................... 32 Hình 2.7 Các thông số huyết động trên PiCCO ........................................................ 33 Hình 2.8 Phương pháp tim đồ trở kháng ngực ICG .................................................. 35 Hình 2.9 Đường cong thay đổi trở kháng và tốc độ thay đổi trở kháng ngực . ....... 35 Hình 2.10: Đo tốc độ dòng máu dựa trên nguyên lý siêu âm Doppler ..................... 37 Hình 2.11 Van động mạch chủ và van độn ............................................................... 37 Hình 3.1 Sơ đồ minh họa các thông số chu kỳ( cycle) bước song (wave length), tần số siêu âm .................................................................................................................. 41 Hình 3.2 Chùm tia siêu âm qua môi trường trở kháng khác nhau ............................ 44 Hình 3.3 Đo tốc độ dòng máu dựa trên nguyên lý siêu âm Doppler......................... 50 10 Hình 3.4 Van động mạch chủ, van động phổi ........................................................... 51 Hình 3.5 Đường kính van tỷ lệ với chiều cao ........................................................... 51 Hình 3.6 Dữ liệu Doppler thu được .......................................................................... 52 Hình 3.7 Tính cung lượng tim và thể tích và thể tích nhát bóp ................................ 53 Hình 3.8 Sơ đồ khối thiết bị đo huyết động bằng siêu âm Doppler .......................... 54 Hình 3.9 Hương chùm siêu âm qua van động mạch chủ (trái), van động mạch phổi (phải) ......................................................................................................................... 55 Hình 3.10 Xoay dò vị trí van động mạch chủ (trái), van động mạch phổi (phải) ..... 55 Hình 3.11 Chùm siêu âm bị phản xạ qua môi trường khí ......................................... 56 Hình 3.12 Các hướng khác nhau của đầu dò, giá trị vận tốc thu được khác nhau .... 57 Hình 3.13 Dữ liệu thu được ở các hướng khác nhau ................................................ 57 Hình 3.14 Dạng tín hiệu cần thu ............................................................................... 58 Hình 4.1 Theo dõi huyết động không xâm 1ấn bằng USCOM ................................. 59 Hình 4.2 Thiết bị USCOM ........................................................................................ 60 Hình 4.3 Đồ thị xu hướng thay đổi thông số huyết động theo thời gian .................. 63 Hình 4.4 So sánh USCOM và Flow probe ................................................................ 63 Hình 4.5 Thông số kỹ thuật USCOM........................................................................ 64 Hình 4.6 Kết quả USCOM trước điều trị bệnh nhân 1a ............................................ 65 Hình 4.7 Dải thông số huyết động bình thường tại Úc ............................................. 66 Hình 4.8 Xu hướng thay đổi huyết động bệnh nhân 1a ............................................ 66 Hình 4.9 Chiều hướng tác động của thuốc với các thông số huyết động. ................. 67 Hình 4.10 Kết quả theo dõi huyết động bệnh nhân 1b .............................................. 68 Hình 4.11 Kết quả so sánh giá trị thông sô huyết động trên USCOM và PiCCO ... 69 Hình 4.12 Kết quả đối chiếu USCOM giữa hai người đo ......................................... 70 Hình 4.13 Kết quả đo bệnh nhân A sau dùng noradrenaline ................................... 71 Hình 4.14 Kết quả đo bệnh nhân A sau truyền dịch ................................................. 72 Hình 4.15 Kết quả đo bệnh nhân HA chưa dùng dopamine, noradrenaline ............ 73 Hình 4.16 Kết quả đo bệnh nhân HA sau khi dùng dopamine,noradrenaline .......... 74 Hình 4.17 Kết quả đo Bác sỹ T ................................................................................. 75 11 Hình 4.18 Kết quả đo Bác sỹ D................................................................................. 75 Hình 4.19 Kết quả đo Bác sỹ H ................................................................................. 76 12 PHẦN MỞ ĐẦU Theo dõi các thông số huyết động là rất cần thiết đối với các Bác Sỹ để chẩn đoán và điều trị các bệnh lý dẫn đến mất cân bằng tưới máu và cung cấp oxy cho các tế bào. Những thông số phản ánh lượng máu lưu thông trong hệ tuần hoàn, sức cản của hệ mạch với quá trình máu vận chuyển hay khả năng co bóp của cơ tim, là nguồn tư liệu hữu ích để các Bác Sỹ đánh giá tình trạng tim mạch và tình trạng hệ thống tuần hoàn. Trên thế giới hiện nay có nhiều phương pháp đo thông số huyết động được thực hiện. Trong đó nhóm các phương pháp can thiệp gồm phương pháp: Fick, pha loãng chất chỉ thị màu, pha loãng nhiệt, PiCCO; nhóm các phương pháp không can thiệp được sử dụng hiện nay là phương pháp cộng hưởng từ, tim đồ trở kháng ngực và siêu âm Doppler.Trong khi đó, chẩn đoán và điều trị tim tại Việt Nam còn gặp nhiều hạn chế do giá cả đắt đỏ, thiếu trang thiết bị, bệnh nhân quá tải. Xét thấy phương pháp đo thông số huyết động dùng siêu âm Doppler là phương pháp mới, an toàn, hoàn toàn không xâm lấn, dễ thực hiện, chi phí cho mỗi lần thực hiện thấp. Hơn 10 năm đưa ra thị trường đã có trên 200 công bố khoa học dựa trên thực tiễn lâm sàng chứng minh tính hiệu quả của phương pháp trong việc cung cấp thông tin về huyết động tới các Bác Sỹ. Điều này cho thấy, việc nghiên cứu thiết bị đo thông số huyết động bằng siêu âm là thiết thực với tình hình ở Việt Nam cũng như xu hướng phát triển của thế giới. Trong nội dung của luận văn, tác giả đã nghiên cứu về các thông số huyết động chính, quan hệ giữa các thông số huyết động; các phương pháp đo thông số huyết động; nguyên lý, kỹ thuật đo, vận hành và ứng dụng thiết bị theo dõi huyết động bằng siêu âm Doppler trên thế giới và Việt Nam. Luận văn gồm các nội dung chính như sau:  CHƯƠNG 1: TIM VÀ THÔNG SỐ HUYẾT ĐỘNG. Trình bày tổng quan về tim, hệ tuần hoàn các thông số huyết động cũng như quan hệ giữa các thông số huyết động.  CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO THÔNG SỐ HUYẾT ĐỘNG 13 Trình bày tổng quan ưu và nhược các phương pháp theo dõi huyết động theo hai nhóm phương pháp can thiệp và phương pháp không can thiệp.  CHƯƠNG 3: ĐO THÔNG SỐ HUYẾT ĐỘNG BẰNG SIÊU ÂM DOPPLER Trình bày lý thuyết siêu âm, nguyên lý, kỹ thuật đo thông huyết động bằng siêu âm Doppler.  CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ ĐO THÔNG SỐ HUYẾT ĐỘNG KHÔNG XÂM LẤN DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ SIÊU ÂM DOPPLER (USCOM) Trình bày về tính năng và ứng dụng của thiết bị USCOM trong theo dõi và điều trị.  CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận về các kết quả đạt được trong đề tài và đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo Kết quả chính mà luận văn đạt được: - Một trong những nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam về đo lường thông số huyết động bằng siêu âm Doppler được trình bày một cách toàn diện trong luận văn kỹ thuật. - Đã tìm hiểu được nguyên lý, kỹ thuật đo và tính năng của thiết bị mới trong theo dõi huyết động trên thế giới. - Tìm hiểu ứng dụng của thiết bị trên những trường hợp lâm sàng điển hình. Thực hành lấy tín hiệu và tìm hiểu nhận định tính chính xác của thiết bị tại những bệnh viên đầu tiên thử nghiệm thiết bị mới trong đo lường thông số huyết động. 14 CHƯƠNG 1. TIM VÀ THÔNG SỐ HUYẾT ĐỘNG 1.1. Tim và hệ tuần hoàn Tim là bộ phận quan trọng trong hệ tuần hoàn với chức năng bơm đều đặn để đẩy máu theo các động mạch đem dưỡng khí và các chất dinh dưỡng đến toàn bộ cơ thể, đồng thời loại bỏ các chất thải trong quá trình trao đổi chất. Tim hút máu từ tĩnh mạch về sau đó đẩy máu đến phổi để trao đổi khí CO2 lấy khí O2 [9]. Trái tim nằm ở khoang giữa trung thất trong ngực, nghiêng một góc, đỉnh tim hướng về phía bên trái cơ thể. Khoảng 2/3 quả tim nằm phía bên trái, 1/3 còn lại nằm phía bên phải. Quả tim bình thường có kích thước bằng nắm tay siết chặt (hình 1.1) Hình 1.1 Vị trí tim trong lồng ngực Trong cơ thể người tim được chia thành bốn phần: tâm nhĩ trái và tâm nhĩ phải ở nửa trên; tâm thất trái và tâm thất phải ở nửa dưới. Thường tâm nhĩ phải và tâm thất phải được gộp vào gọi là nửa bên phải và phần kia được gọi là nửa bên trái của tim. Tim được bao bọc trong một túi bảo vệ, gọi là màng ngoài tim có chứa một lượng nhỏ chất bôi trơn. Tim được cấu tạo thành ba lớp: thượng