Ứng dụng tín hiệu PPG và trí tuệ nhân tạo trong phát hiện tăng huyết áp và rối loạn nhịp tim

Bệnh tim mạch là mối đe dọa lớn với sức khỏe cộng đồng toàn cầu, gây khoảng 17,9 triệu ca tử vong mỗi năm, chiếm 31% tổng số ca tử vong, theo WHO. Tại Việt Nam, bệnh tim mạch là nguyên nhân tử vong hàng đầu với 200.000 ca mỗi năm, vượt ung thư. Nhiều trường hợp tử vong do không được phát hiện, điều trị kịp thời. Tỷ lệ huyết áp cao – yếu tố nguy cơ chính – tăng đáng kể trong 40 năm qua, số ca can thiệp tim mạch cũng tăng gấp 10 lần trong một thập kỷ. Nhóm nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh  và Bệnh viện Thống Nhất đang phát triển hệ thống giúp giảm tải bệnh viện, hỗ trợ chẩn đoán chính xác. Công nghệ photoplethysmographic (PPG), sử dụng thiết bị nhỏ gọn như đồng hồ, nhẫn, hứa hẹn giúp đo lưu thông máu, ước tính huyết áp, dự đoán sớm bệnh tim mạch, đột quỵ, xây dựng bộ dữ liệu PPG cho người Việt.

Thực trạng bệnh tăng huyết áp và rối loạn nhịp tim tại Việt Nam

Do lối sống thiếu vận động, chế độ ăn uống không hợp lý, sử dụng thuốc lá, bia rượu, và sự thay đổi trong xã hội, kinh tế, văn hóa. Những yếu tố này góp phần làm gia tăng bệnh tim mạch, đặc biệt khi việc theo dõi sức khỏe và thăm khám định kỳ trở nên khó khăn tại Việt Nam. "Tình hình tăng huyết áp và rối loạn nhịp tim tại Việt Nam đang ở mức báo động. Các bệnh lý này không chỉ gây ra nhiều biến chứng nguy hiểm mà còn ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuộc sống và nền kinh tế.

Không chỉ vậy, xu hướng trẻ hóa của bệnh tim mạch đang dấy lên hồi chuông cảnh báo, khi nhồi máu cơ tim và tai biến mạch máu não – những căn bệnh từng được xem là "đặc quyền" của người cao tuổi – ngày càng phổ biến ở người dưới 40 tuổi. Thói quen sinh hoạt thiếu lành mạnh, áp lực công việc và lối sống ít vận động là những nguyên nhân chính làm gia tăng tình trạng này. Nếu không có biện pháp phòng ngừa hiệu quả, gánh nặng y tế từ bệnh tim mạch sẽ ngày càng trầm trọng.

Để bảo vệ sức khỏe bản thân và gia đình, mỗi người cần chủ động thay đổi lối sống, khám sức khỏe định kỳ và tuân thủ phác đồ điều trị. Đồng thời, cần có sự chung tay của cộng đồng và các cơ quan chức năng để nâng cao nhận thức và cung cấp các dịch vụ y tế chất lượng. Vì vậy, nhu cầu cần một thiết bị có thể chẩn đoán tại nhà và hỗ trợ nhân viên y tế phát hiện bệnh sớm về tim mạch và tăng huyết áp. Nhóm nghiên cứu trường Đại học Bách khoa cùng với bệnh viện Thống nhất đã sử dụng công nghệ photoplethysmographic (PPG) và AI để có thể xác định bệnh tăng huyết áp và rối loạn nhịp tim. Ưu điểm của thiết bị là nhỏ gọn và không xâm lấn khi chẩn đoán, đồng thời cách sử dụng cũng rất đơn giản nhưng lại cho kết quả tốt ở nhiều trường hợp.

Hình ảnh người dân đến khám và lấy mẫu tại Bệnh Viện

Nghiên cứu này đã tập trung vào việc phát triển các thuật toán AI để trích xuất thông tin sức khỏe từ tín hiệu PPG. Bằng cách tận dụng sức mạnh của học sâu, nhóm nghiên cứu đã xây dựng các mô hình dự đoán chính xác huyết áp tâm thu và tâm trương từ tín hiệu PPG. Nâng cao độ chính xác bằng cách cải tiến mạng nơ-ron ConvNext, tập trung vào việc khai thác mối quan hệ thời gian giữa các điểm dữ liệu trong tín hiệu PPG.

Ngoài ra nhóm cũng đã phát triển các thuật toán để phát hiện sớm tình trạng tăng huyết áp và rối loạn nhịp tim. Bằng cách chuyển đổi tín hiệu PPG thành phổ tần số thời gian qua đó đã có thể xác định các đặc trưng đặc trưng của các bệnh lý này. Các mô hình học sâu như CNN và CNN-TSTM đã được huấn luyện trên cơ sở dữ liệu lớn để phân loại các mẫu tín hiệu một cách chính xác.

Đánh giá hiệu quả của thuật toán bằng cách xây dựng một hệ thống đo lường bao gồm các thiết bị y tế như OMRON HEM-7121, ECG300G và Beurer PO80. Kết quả nghiên cứu cho thấy các thuật toán đã đạt được độ chính xác cao trong việc dự đoán huyết áp và phát hiện các bất thường trong nhịp tim.

Bên cạnh việc phát triển các thuật toán và thiết bị cũng đã xây dựng một bộ dữ liệu PPG lớn, bao gồm hơn 1823 mẫu từ nhiều đối tượng khác nhau. Bộ dữ liệu này sẽ là nền tảng quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí khoa học uy tín và trình bày tại các hội thảo quốc tế. Ngoài ra kết quả nghiên cứu cũng đã được đăng ký bảo hộ sở hữu trí tuệ, góp phần khẳng định vị thế dẫn đầu trong lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng công nghệ AI trong y tế. Bằng sáng chế đã được Cục Sở hữu trí tuệ chấp nhận đơn hợp lệ với số đơn 1-2024-01614 và số quyết định 7O917/QĐ-SHTT vào tháng 6/2024. Nghiên cứu đã hoàn thành mục tiêu đào tạo 01 Thạc sĩ vào ngày 07/07/2023.

Thực hiện lấy mẫu người dân

Hiệu quả về khoa học và công nghệ: Đề tài gồm có các nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo để nhận dạng các vấn đề về huyết áp và rối loạn nhịp tim, tất cả quá trình thực hiện do trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh và Bệnh viện Thống Nhất thực hiện nên đã làm chủ được công nghệ và dữ liệu về con người Việt nam. Từ đó sẽ giúp cho việc phát triển về công nghệ nhận dạng các vấn đề về huyết áp và nhịp tim một cách nhanh chóng và đơn giản hơn. Việc thực hiện đo các chỉ số huyết áp và nhịp tim có thế chỉ do người bệnh tự thực hiện và gửi đến bệnh viện.

Hiệu quả về Kinh tế - Xã hội: Đề tài sau khi được đưa vào sử dụng có thể giải quyết rất lớn cho khâu khám và sàng lọc, có thể nhận dạng một số bệnh nhịp tim và huyết áp sau đó gửi cho Bác sỹ chuyên khoa kiểm tra để lên phương án. Nghiên cứu này cũng có thể áp dụng cho việc theo dõi bệnh tại nhà, khuyến cáo người bệnh nên đi khám bệnh hoặc kết nối với bệnh viện và trực tiếp đến Bác sỹ để có thể có các yêu cầu về thực hiện các biện pháp y tế cấp thiết cho những bệnh nhân lớn tuổi. Đề tài này cũng sẽ là tiền đề cho các xác định bệnh từ xa cũng như giảm tải cho việc xét nghiệm tại các bệnh viện của Thành phố Hồ Chí Minh.

Thực hiện thu thập và phân tích dữ liệu tín hiệu Photoplethysmography

Nhóm nghiên cứu đã hoàn thành thu thập và phân tích dữ liệu tín hiệu Photoplethysmography (PPG) kết hợp huyết áp từ người bệnh và người bình thường, tạo cơ sở dữ liệu phục vụ huấn luyện mạng AI. Mô hình AI phát triển có khả năng nhận dạng nguy cơ huyết áp và tính giá trị huyết áp theo tiêu chuẩn BHS, đồng thời chẩn đoán nhịp tim và rối loạn nhịp tim. Dựa vào dữ liệu người Việt Nam, mô hình hỗ trợ chẩn đoán và theo dõi sức khỏe tim mạch, cải thiện quản lý bệnh và mở ra cơ hội theo dõi sức khỏe từ xa.

Đề tài đã tạo ra cơ sở dữ liệu quan trọng về người Việt Nam, giúp nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực chẩn đoán bệnh. Nhóm nghiên cứu đề xuất với Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM kiến nghị như sau:

Thực hiện mở rộng cơ sở dữ liệu để đại diện cho đa dạng chủng tộc và cơ địa người Việt. Thu thập thêm thông tin về các bệnh từ người bệnh để phục vụ cho chẩn đoán AI. Tiếp tục nghiên cứu các bệnh có thể chẩn đoán qua cảm biến PPG. Đẩy mạnh thương mại hóa nghiên cứu để thu hút doanh nghiệp tham gia và hỗ trợ nghiên cứu thêm các bệnh khác để cải thiện khả năng khám chữa bệnh từ xa, đặc biệt cho người cao tuổi.