Nghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dưới

Nghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dướiNghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dưới

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐÀO MINH ĐỨC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC HỒI

CHỨC NĂNG CHI DƯỚI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2023

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐÀO MINH ĐỨC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC HỒI

CHỨC NĂNG CHI DƯỚI

Người hướng dẫn khoa học:

Hướng dẫn 1: PGS.TS Trần Xuân Tùy Hướng dẫn 2: PGS.TS Phạm Đăng Phước

Đà Nẵng - Năm 2023

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả mô phỏng và thực nghiệm nêu trong luận án là trung thực, các thông số được tham khảo trên các tạp chí, sách chuyên khảo của trong và ngoài nước

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc

Nghiên cứu sinh thực hiện luận án

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ tình cảm của mình đối với tập thể cán bộ hướng dẫn đã giúp đỡ

về phương pháp, nội dung, các hướng nghiên cứu chính và đánh giá kết quả nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận án Cảm ơn tập thể Ban lãnh đạo và cán bộ Khoa

Cơ Khí, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng đã góp ý và tạo mọi điều kiện

để thực hiện luận án Cảm ơn tập thể Ban giám hiệu Trường Đại học Phạm Văn Đồng

đã tạo điều kiện thuận lợi cho triển khai đánh giá thực nghiệm của luận án Cảm ơn Lãnh đạo Bệnh viện Đa khoa Trung ương Quảng Nam và tập thể bác sĩ, kỹ thuật viên, bệnh nhân Khoa Phục hồi chức năng - Bệnh viện Đa khoa Trung ương Quảng Nam

đã giúp đỡ trong quá trình thực nghiệm thiết bị

NCS Đào Minh Đức

TÓM TẮT

Ngày nay, số người bị bệnh tai biến mạch máu não ngày càng tăng ở trên thế giới cũng như tại Việt Nam Tai biến mạch máu não ảnh hưởng rất lớn đến bệnh nhân nếu không chữa trị kịp thời, tỷ lệ tử vong do tai biến mạch máu não ngày càng tăng, bệnh xảy ra ở nhiều lứa tuổi khác nhau, thông thường tai biến mạch máu não gây liệt nửa người, liệt các chi… Do đó phục hồi chức năng sau di chứng tai biến mạch máu não là một yêu cầu cấp bách để phục hồi chức năng vận động cho bệnh nhân tai biến mạch máu não

Qua tham khảo nhiều bài báo và sách chuyên khảo quốc tế cũng như trong

nước được công bố trong các năm gần đây thì nội dung “Nghiên cứu thiết bị phục hồi

chức năng chi dưới” đã được nhiều tác giả quan tâm Ngoài ra, việc nghiên cứu chế

tạo thiết bị y tế phục vụ cộng đồng trong nước đang được nhà nước khuyến khích nghiên cứu phát triển

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dưới

có 3 bậc tự do phục vụ điều trị cho bệnh nhân tai biến mạch máu não (có bậc cơ 1 đến 3), với các bài tập thụ động gấp và duỗi ở khớp háng, khớp gối và khớp cổ chân

Về lý thuyết là nghiên cứu thiết lập các phương trình động học và động lực học của

mô hình Thiết lập mối quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của cơ cấu chấp hành,

áp dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển Trượt để nghiên cứu đáp ứng của mô hình về vị trí góc quay của các khớp so với giá trị góc quay cài đặt Mô phỏng đáp ứng của mô hình trên máy vi tính bằng phần mềm Matlab, với kết quả mô phỏng được

sẽ phân tích và lựa chọn bộ điều khiển phù hợp cho mô hình

Về nghiên cứu thực nghiệm là thiết kế kết cấu của thiết bị, tính toán và chọn

cơ cấu dẫn động các khớp là động cơ một chiều kết hợp với cơ cấu truyền động tịnh tiến cơ khí Tiến hành gia công các chi tiết của thiết bị với vật liệu là nhôm, sử dụng công nghệ in 3D để in các bộ phận che đỡ cho bệnh nhân tránh tiếp xúc trực tiếp với kim loại Thiết kế và lắp ráp mạch điều khiển cơ cấu chấp hành, mạch đọc tín hiệu cảm biến đo góc quay và đo dòng điện của tải Thực hiện lắp ráp các chi tiết cơ khí, ghép nối tương thích giữa mạch điều khiển, phần mềm theo dõi và điều khiển thiết bị

với cơ cấu chấp hành để thành một thiết bị nghiên cứu thực nghiệm đảm bảo các yêu cầu của trang thiết bị y tế

Trên cơ sở kết quả của nghiên cứu lý thuyết, thiết lập các thông số cho bộ điều khiển và xây dựng giải thuật điều khiển Viết chương trình điều khiển và giao diện phần mềm điều khiển từ máy tính cho mô hình bằng phần mềm Visual Basic Với phần mềm này thông số tập luyện của bệnh nhân sẽ được hiển thị bằng đồ thị theo thời gian thực, nhờ đó bệnh nhân và kỹ thuật viên theo dõi đánh giá quá trình tập luyện Mô hình đã được vận hành với các chế độ không tải và với người tình nguyện

để kiểm tra tính an toàn và các tham số kỹ thuật Thiết bị đã đạt được giấy chứng

nhận Thử nghiệm thiết bị do Viện trang thiết bị và công trình y tế - Bộ Y tế đánh giá

Mô hình cũng đã được cho phép triển khai khảo sát đánh giá tính an toàn và hiệu quả vận hành tại Khoa Phục hồi chức năng Bệnh viện Đa khoa Trung ương Quảng Nam Thiết bị đã được lấy ý kiến đánh giá của bác sĩ và kỹ thuật viên, thử nghiệm đánh giá trên 10 bệnh nhân tại Khoa Phục hồi chức năng Kết quả đã được Hội đồng Y đức trong Y sinh học của Bệnh viện Đa khoa Trung ương Quảng Nam công nhận thiết bị đảm bảo tính an toàn và vận hành Ngoài ra thiết bị cũng đang được triển khai đánh giá hiệu quả điều trị cho bệnh nhân tại Khoa Phục hồi chức năng Bệnh viện Đa khoa Trung ương Quảng Nam Kết quả của đề tài sẽ thúc đẩy phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới, kết quả này là một bước tiến quan trọng trong việc nghiên cứu và làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị y tế Công nghệ chế tạo thiết bị tương đương với thiết bị nước ngoài, ngoài ra giao diện phần mềm điều khiển là Việt hóa nên dễ dàng trong việc vận hành thiết bị đây là ưu điểm lớn so với các thiết bị ngoài nước Góp phần nâng cao tiềm lực nghiên cứu và chế tạo thiết bị y tế ở nước ta, từng bước hạn chế sự phụ thuộc vào công nghệ chế tạo của các nước tiên tiến trên thế giới Các kết quả nghiên cứu liên quan đến đề tài đã được công bố gồm: 04 bài báo được đăng trên tạp chí nước ngoài trong đó 03 bài thuộc tạp chí ISI Ngoài ra, tác giả cũng đã công bố 04 báo cáo khoa học được đăng trong kỷ yếu của các hội nghị quốc tế trong đó 3 bài Scopus và 01 bài báo cáo khoa học được đăng trong kỷ yếu của hội nghị chuyên ngành trong nước

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ xii

MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU 2

3 ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 4

1.1 Khái quát về phục hồi chức năng 4

1.1.1 Khái niệm về phục hồi chức năng 4

1.1.2 Mục đích của phục hồi chức năng 5

1.1.3 Kỹ thuật tập luyện phục hồi chức năng 5

1.1.4 Nhu cầu tập phục hồi chức năng của bệnh nhân tai biến 5

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 7

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước ngoài 9

1.3.1 Các công trình nghiên cứu thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng cho một khớp chi dưới 10

1.3.2 Các công trình nghiên cứu về thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng cho

3 khớp chi dưới 16

1.3.3 Các thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới đã được thương mại hóa 23

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 28

2.1 Tầm vận động các khớp chi dưới 28

2.1.1 Khớp cổ chân 28

2.1.2 Khớp gối 29

2.1.3 Khớp háng 30

2.1.4 Thông số sinh học chi dưới 30

2.2 Cơ sở lý thuyết về các bài tập phục hồi chức năng chi dưới 32

2.3 Lý thuyết về động học và động lực học robot 36

2.3.1 Phương trình động học robot 36

2.3.2 Phương trình động lực học robot 40

2.4 Lý thuyết về điều khiển Trượt 44

2.4.1 Đối tượng điều khiển 44

2.4.2 Mặt trượt 44

2.4.3 Luật điều khiển Trượt 45

2.5 Xây dựng mô hình nghiên cứu 45

2.6 Thiết lập phương trình động học 47

2.6.1 Gắn hệ tọa độ lên các khâu 48

2.6.2 Lập bảng thông số động học Denavit – Hartenberg 48

2.6.3 Xác định các ma trận A 49

2.6.4 Phương trình động học thuận của mô hình nghiên cứu 49

2.7 Tính toán động học các khớp 50

2.7.1 Khớp háng 51

2.7.2 Khớp gối 53

2.7.3 Khớp cổ chân 53

2.8 Thiết lập phương trình động lực học của mô hình 54

Chương 3 MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 59

3.1 Mô hình hóa hàm truyền của từng khâu dẫn động các khớp 59

3.1.1 Mô hình nghiên cứu của cơ dẫn động khớp 59

3.1.2 Thiết lập các phương trình động lực học và hàm truyền của cơ cấu tịnh tiến 61

3.2 Mô phỏng đáp ứng của mô hình nghiên cứu 67

3.2.1 Mô phỏng đáp ứng với bộ điều khiển PID 67

3.2.2 Kết quả mô phỏng đáp ứng với bộ điều khiển PID 71

3.2.3 Mô phỏng đáp ứng với bộ điều khiển Trượt 75

3.2.4 Kết quả mô phỏng đáp ứng với bộ điều khiển Trượt 83

3.2.5 So sánh đáp ứng của 2 bộ điều khiển 86

Chương 4 THIẾT KẾ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 90

4.1 Thiết kế thiết bị 90

4.1.1 Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị 90

4.1.2 Thiết kế kết cấu cơ khí 91

4.1.3 Thiết kế mạch điều khiển 94

4.1.4 Thiết kế phần mềm điều khiển 99

4.1.5 Xây dựng lưu đồ thuật toán 101

4.1.6 Lắp ráp thiết bị 104

4.2 Thử nghiệm thiết bị 108

4.2.1 Thử nghiệm trên người bình thường 108

4.2.2 Thử nghiệm thiết bị trên bệnh nhân 112

4.3 Kết quả và bàn luận 117

4.3.1 Kết quả 117

4.3.2 Bàn luận 118

KẾT LUẬN CHUNG 126

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 128

TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 PHỤ LỤC 1

PHỤ LỤC 2

PHỤ LỤC 3

PHỤ LỤC 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu/ Từ

CNC Computer Number Control (Điều khiển số)

DH Denavit - Hartenberg

EMG Electromyography (Điện cơ)

LCD Liquid Crystal Display (Màn hình tinh thể lỏng)

PAM Pneumatic Artifical Muscles (Cơ nhân tạo khí nén)

PHCN Phục hồi chức năng

PID Proportional Integral Derivative (Vi phân - Tích

phân - Tỷ lệ)

PWM Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung)

RMSE Root Mean Square Error (Sai số bình phương trung

bình gốc)

TBMMN Tai biến mạch máu não

VLTL Vật lý trị liệu

WHO World Health Organization (Tổ chức Y tế thế giới)

f Hệ số ma sát thu gọn về trục động cơ N.m.s/rad

f g Hệ số ma sát nhớt trên trục vít me N.m.s/rad

f L Giá trị hệ số ma sát thu gọn về trục vít me N.m.s/rad

fm Hệ số ma sát trên trục động cơ điện N.m.s/rad

J g Giá trị mô men quán tính khối lượng trên trục vít

Jm Mô men quán tính khối lượng động cơ điện Kg.m2

La Độ tự cảm của động cơ điện một chiều H

Ra Điện trở của động cơ điện một chiều Ω

DANH MỤC CÁC BẢNG Thứ tự

Bảng 2.1 Tầm vận động các động tác của cổ chân 28 Bảng 2.2 Tầm vận động các động tác của khớp gối 29 Bảng 2.3 Tầm vận động các động tác của khớp háng 30 Bảng 2.4 Bảng thông số DH của mô hình nghiên cứu 49 Bảng 3.1 Các thông số của mô hình nghiên cứu với bộ điều khiển PID 69 Bảng 3.2 Các thông số của mô hình nghiên cứu với bộ điều khiển Trượt 78 Bảng 3.3 So sánh bộ điều khiển PID và bộ điều khiển Trượt 88

Bảng 4.2 Bảng đánh giá về vận hành thiết bị của bệnh nhân 113 Bảng 4.3 Bảng đánh giá về tính an toàn thiết bị của bệnh nhân 114 Bảng 4.4 Bảng đánh giá về vận hành thiết bị của bác sĩ và kỹ thuật viên 114 Bảng 4.5 Bảng đánh giá về tính an toàn thiết bị của bác sĩ và kỹ thuật viên 115 Bảng 4.6 Bảng đánh giá về hiệu quả điều trị thiết bị của bác sĩ và kỹ thuật

viên

115

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Thứ tự

Hình 1.1 Công trình nghiên cứu của tác giả Từ Diệp Công Thành 7 Hình 1.2 Công trình nghiên cứu của [11] và [12] 8

Hình 1.7 Thiết bị tập của Zhihao Zhou 12 Hình 1.8 Thiết bị tập cổ chân cho 3 khớp của Jody A.Saglia 13 Hình 1.9 Thiết bị tập khớp cổ chân của Y.H Tsoi 13 Hình 1.10 Thiết bị tập một bậc tự do khớp gối 14 Hình 1.11 Thiết bị tập hỗ trợ khớp gối và háng 15 Hình 1.12 Thiết bị tập của B.D.M.Charparo-Rico 16

Hình 1.20 Thiết bị tập của Trinachoke Eiammanussakul 22

Hình 2.2 Bậc tự do của khớp gối 29

Hình 2.6 Tập gấp/duỗi khớp gối và khớp háng ở vị trí nằm 34 Hình 2.7 Tập gấp và duỗi khớp cổ chân ở vị trí nằm 35 Hình 2.8 Tập gấp và duỗi khớp gối ở vị trí ngồi 35 Hình 2.9 Tập gấp và duỗi khớp cổ chân ở vị trí ngồi 36 Hình 2.10 Tập gấp và duỗi khớp háng ở vị trí ngồi 36

Hình 2.12 Mô hình nghiên cứu tập ở tư thế ngồi 46 Hình 2.13 Mô hình nghiên cứu tập ở tư thế nằm 46 Hình 2.14 Sơ đồ động học của mô hình nghiên cứu 47 Hình 2.15 Sơ đồ động học của mô hình nghiên cứu khi gắn hệ tọa

độ

48

Hình 2.16 Mô hình cơ cấu tay quay con trượt ngược 50 Hình 2.17 Mô hình tính toán động học khớp háng 52 Hình 2.18 Mô hình tính toán động học khớp gối 53 Hình 2.19 Mô hình tính toán động học khớp cổ chân 54 Hình 2.20 Mô hình tính toán động học lực học 55

Hình 3.3 Mô hình thu gọn giá trị khối lượng, mô men quán tính

khối lượng và ma sát về trục động cơ

61

Hình 3.4 Sơ đồ khối hàm truyền của cơ cấu tịnh tiến 63 Hình 3.5 Sơ đồ khối hàm truyền của cơ cấu dẫn động 65 Hình 3.6 Sơ đồ khối hàm truyền thu gọn của cơ cấu dẫn động 65 Hình 3.7 Sơ đồ thu gọn hàm truyền của cơ cấu dẫn động 65

Hình 3.8 Sơ đồ thu gọn hàm truyền của cơ cấu dẫn động sau khi

đặt tham số

66

Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển vòng kín của bộ điều khiển PID 67 Hình 3.10 Sơ đồ điều khiển của bộ điều khiển PID 68 Hình 3.11 Sơ đồ mô phỏng điều khiển PID trong Matlab Simulink 68 Hình 3.12 Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp cổ chân góc tập 00

đến 300 với bộ điều khiển PID

72

Hình 3.13 Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp cổ chân góc tập 00

đến 450 với bộ điều khiển PID

72

Hình 3.14 Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp gối góc tập 00 đến

900 với bộ điều khiển PID

73

Hình 3.15 Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp gối góc tập 00 đến

1350 với bộ điều khiển PID

74

Hình 3.16 Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp háng góc tập 00 đến

800 với bộ điều khiển PID

Hình 3.19 Sơ đồ điều khiển của bộ điều khiển Trượt trong phần

mềm mô phỏng Matlab Simulink

82

Hình 3.20 Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp cổ chân 00 đến 300

với bộ điều khiển Trượt

83

Hình 3.21 Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp cổ chân 00 đến 450

với bộ điều khiển Trượt

83

Hình 3.22 Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp gối (00 đến 900) với

bộ điều khiển Trượt

84

Hình 3.23 Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp gối (00 đến 1350) với

bộ điều khiển Trượt

85

Hình 3.24 Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp háng 00 đến 800 với

bộ điều khiển Trượt

86

Hình 3.25 So sánh đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp cổ chân với

2 bộ điều khiển PID và Trượt

87

Hình 3.26 So sánh đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp gối với 2 bộ

điều khiển PID và Trượt

87

Hình 3.27 So sánh đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp háng với 2

bộ điều khiển PID và Trượt

Hình 4.7 Sơ đồ mạch mô đun điều khiển cơ cấu tịnh tiến 96

Hình 4.9 Khối hiển thị và giao tiếp encoder 97 Hình 4.10 Mô đun đo dòng điện và mô đun điều khiển bằng tay 97

Hình 4.15 Mẫu thiết kế giao diện chính của phần mềm 100 Hình 4.16 Thiết kế giao diện chính của phần mềm 101 Hình 4.17 Lưu đồ thao tác điều khiển thiết bị trên phần mềm 102 Hình 4.18 Lưu đồ thuật toán giao tiếp phần mềm và hệ thống điều

khiển

103

Hình 4.19 Kết cấu hoàn chỉnh của mô hình 104

Hình 4.21 Tư thế điều chỉnh vị trí ghế ra hoặc vào 105 Hình 4.22 Sơ đồ kết nối điều khiển của mô hình 106 Hình 4.23 Kết quả thử nghiệm tập khớp cổ chân với góc tập 00 đến

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Tai biến là nguyên nhân hàng đầu gây tàn phế và là nguyên nhân gây tử vong

ở nhiều nước trên thế giới Thống kê ở Mỹ, hàng năm có khoảng 795.000 người bị tai biến trong đó số người mới bị là 610.000 người và 185.000 người tai biến tái phát Các nghiên cứu dịch tễ học chỉ ra rằng 82-92% tai biến ở đây là nhồi máu não Theo

Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), mỗi năm có 15 triệu người bị tai biến trên toàn thế giới, trong đó 5 triệu người chết và 5 triệu người bị tàn tật vĩnh viễn Đàn ông có nguy

cơ tai biến cao hơn phụ nữ Đàn ông có tỷ lệ tai biến là 62,8/100.000 dân và tỷ lệ tử vong 26,3% Trong khi phụ nữ có tỷ lệ tai biến là 59/100.000 dân và tỷ lệ tử vong là 39,2% Mặc dù tai biến thường được coi là bệnh lý của người có tuổi nhưng 1/3 số tai biến xảy ra ở người dưới 65 tuổi Nguy cơ tai biến tăng theo tuổi, nhất là những người trên 64 tuổi Việt Nam có hơn 90 triệu dân, số bệnh mới mắc là 200.000 người/năm, số người trẻ tuổi mắc bệnh ngày càng tăng nhanh, đây thực sự là gánh nặng cho gia đình và xã hội

Tai biến mạch máu não sẽ để lại hậu quả nặng nề cho bệnh nhân, một số bệnh nhân sẽ bị liệt nửa người sau tai biến Tập phục hồi chức năng cho bệnh nhân sau tai biến đã trở thành một vấn đề xã hội lớn cấp bách Hiện nay, phương pháp tập vận động cho bệnh nhân thường được kỹ thuật viên chuyên ngành vật lý trị liệu điều trị,

vì vậy chất lượng điều trị chủ yếu phụ thuộc vào kinh nghiệm của các kỹ thuật viên trị liệu Ở các bệnh viện và ở các trung tâm hỗ trợ tập phục hồi chức năng trong nước, nhu cầu thiết bị phục hồi chức năng tự động là tăng lên đáng kể, thiết bị tự động sẽ giúp bệnh nhân thực hiện chính xác, định lượng và hiệu quả tập luyện Các thiết bị trong nước đa phần là thuần cơ khí chưa có tính tự động cao trong quá trình hỗ trợ tập luyện cho bệnh nhân sau tai biến Trong thập kỷ qua, thiết bị tự động phục hồi chức năng chi dưới nhận được sự quan tâm ngày càng tăng từ các nhà nghiên cứu cũng như các bác sĩ phục hồi chức năng ở trên thế giới Các ứng dụng thiết bị tự động phục hồi chức năng chi dưới có thể giải phóng sức lao động của các bác sĩ và kỹ thuật viên, ngoài ra thiết bị tự động sẽ phân tích dữ liệu trong quá trình tập luyện và đánh

giá tình trạng phục hồi của bệnh nhân Do lợi thế về độ chính xác và độ tin cậy, thiết

bị tự động phục hồi chức năng có thể cung cấp một cách hiệu quả để cải thiện kết quả điều trị phục hồi chức năng sau tai biến Tuy nhiên, thiết bị nước ngoài vẫn có nhược điểm là giá thành cao và giao diện vận hành điều khiển thường là ngôn ngữ nước ngoài gây khó khăn cho người sử dụng Ở Việt Nam, nghiên cứu chế tạo thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân tai biến là đề tài mới và còn ít các

công trình nghiên cứu được công bố Bộ Y tế cũng đang dự thảo Đề án "Phát triển

công nghiệp trang thiết bị y tế sản xuất trong nước đến năm 2025 và tầm nhìn đến năm 2030" Mục tiêu của Đề án là phát triển ngành sản xuất trang thiết bị y tế

(TTBYT) trong nước đồng bộ, hiện đại, đáp ứng hội nhập quốc tế, phù hợp với năng lực sản xuất các mặt hàng có thế mạnh và điều kiện kinh tế - xã hội của đất nước Từ các cơ sở phân tích trên và trước những nhu cầu cấp bách của xã hội hiện nay đối với bệnh tai biến, tác giả nhận thấy cần thiết phải triển khai thực hiện đề tài luận án

“Nghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dưới” Đề tài luận án có tính

khoa học về mặt lý thuyết và thực nghiệm, góp phần phát triển và làm chủ công nghệ

về lĩnh vực trang thiết bị y tế ở Việt Nam

2 MỤC TIÊU

Mục tiêu chung: Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị hỗ trợ tập phục hồi

chức năng chi dưới với bài tập gấp/duỗi cho khớp háng, khớp gối và khớp cổ chân

Mục tiêu cụ thể:

- Thiết lập phương trình động học và động lực học của mô hình nghiên cứu

- Thiết lập hàm truyền của cơ cấu tịnh tiến, mô phỏng đáp ứng quá độ của mô hình nghiên cứu với bộ điều khiển PID và Trượt

- Thử nghiệm thiết bị và đánh giá kết quả đạt được

3 ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân liệt tai biến (có bậc cơ 1 đến 3) với 3 bậc tự do, sử dụng cơ cấu tịnh tiến dẫn động các khớp và được điều khiển giám sát bằng phần mềm từ máy tính

3.2 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết tổng quan kết hợp với mô phỏng bằng phần mềm Matlab

và kiểm chứng bằng chế tạo thiết bị thực nghiệm

3.3 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu các chuyển động có tần suất hoạt động nhiều nhất của các khớp chi dưới cụ thể là chuyển động gấp/duỗi ở các khớp cổ chân, khớp gối và khớp háng

- Bộ điều khiển áp dụng cho mô hình là điều khiển PID và Trượt

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển của đề tài, nội dung chính được trình bày trong 4 chương với cấu trúc như sau:

- Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết và mô hình nghiên cứu

- Chương 3: Mô phỏng đáp ứng quá độ của một số thông số của mô hình nghiên cứu

- Chương 4: Thiết kế thiết bị thực nghiệm và kết quả nghiên cứu thực nghiệm

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- Với nghiên cứu thiết kế thiết bị có cấu tạo đơn giản trong luận án có thể làm cơ

sở và gợi ý cho các nhà sản xuất nghiên cứu ứng dụng thiết bị tự động đối với lĩnh vực y sinh vào thực tiễn

- Hiện nay, nhu cầu tập luyện phục hồi chức năng của bệnh nhân ngày một tăng cao, vì vậy nghiên cứu thiết bị tự động sẽ góp phần đáp ứng nhu cầu điều trị phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân tại các cơ sở y tế

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về phục hồi chức năng và các phương pháp điều trị phục hồi chức năng cho bệnh nhân sau tai biến Các nghiên cứu về thiết

bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân ở Việt Nam và trên thế giới Trong đó đặc biệt chú ý các nghiên cứu các thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng chi dưới cho 3 khớp: khớp cổ chân, khớp gối và khớp háng Từ đó có thể đề xuất phương

án thiết kế chế tạo và điều khiển cho thiết bị phù hợp với người Việt Nam

1.1 Khái quát về phục hồi chức năng

1.1.1 Khái niệm về phục hồi chức năng

Trong Y khoa cụm từ "Phục hồi chức năng" (PHCN) được định nghĩa là khả

năng phục hồi hoạt động của một cơ quan, một bộ phận cơ thể người bị suy giảm, rối loạn, bị mất đi, có nguy cơ làm cho bệnh nhân trở thành một người tàn tật PHCN là một ngành được xây dựng trên cơ sở một ngành y học hiện đại Trải qua nhiều năm, công tác Vật lý trị liệu - Phục hồi chức năng (VLTL-PHCN) đã được đầu tư và nghiên cứu nên đã cho một số kết quả khả quan Nhờ có PHCN mà nhiều người bị hậu quả của vết thương hoặc do bệnh lý đã trở lại với cuộc sống, lao động, sinh hoạt hàng ngày [1], [2], [3]

Chăm sóc phục hồi chức năng được chia thành các nhóm sau [2]:

phải phòng ngừa loét và những biến chứng khác có thể xảy ra và phải làm sao để giúp

họ vượt qua khó khăn và ảnh hưởng của tàn tật [1], [2], [3]

1.1.2 Mục đích của phục hồi chức năng

- Đề phòng bệnh lý và tàn tật phát triển mạnh hơn

- Giúp bệnh nhân tự mình di chuyển và đi lại từ nơi này đến nơi khác, bao gồm

cả việc hướng dẫn bệnh nhân sử dụng các dụng cụ trợ giúp và đi lại

- Giúp bệnh nhân làm được các công việc tự phục vụ mình: Đánh răng, tắm rửa, vệ sinh, mặc quần áo, …

- Giúp bệnh nhân thích nghi với các di chứng còn lại

- Giúp bệnh nhân trở lại với nghề cũ hoặc có nghề mới phù hợp với hoàn cảnh hiện tại theo [1], [2], [3]

1.1.3 Kỹ thuật tập luyện phục hồi chức năng

Tập luyện vận động là một nội dung quan trọng trong PHCN Hiện nay, kỹ thuật tập luyện vận động cho bệnh nhân chủ yếu dựa vào kỹ thuật viên Đó là những nhân viên PHCN đã được đào tạo và công tác tại Khoa VLTL-PHCN Để thiết kế một bài tập, kỹ thuật viên cần khám xét và đánh giá kỹ càng mức độ tổn thương vận động của bệnh nhân bằng các kỹ thuật như đo tầm vận động khớp, đánh giá lực cơ bằng tay hay các bài đánh giá trắc nghiệm về hoạt động chức năng của cơ quan vận động Căn cứ vào các kết quả lượng giá, bác sĩ và kỹ thuật viên sẽ đề xuất kế hoạch tập luyện phục hồi cho bệnh nhân và tiến hành điều trị cho bệnh nhân bằng các bài tập vận động như tập thụ động, tập chủ động, tập có trợ giúp, tập tăng tiến, … Trong quá trình tập luyện, kỹ thuật viên là người trực tiếp thực hiện các thao tác và thủ thuật vận động cho bệnh nhân Vì vậy, kết quả PHCN phụ thuộc rất nhiều vào kiến thức, kỹ năng, kinh nghiệm và cả tình trạng sức khỏe của kỹ thuật viên cũng như sự hợp tác của bệnh nhân [1], [2], [3]

1.1.4 Nhu cầu tập phục hồi chức năng của bệnh nhân tai biến

Nhiều năm qua, tai biến mạch máu não (TBMMN) đã và đang là một thách thức lớn đối với nền y học thế giới cũng như Việt Nam Theo thống kê của Tổ chức

Y tế thế giới, tỷ lệ mắc TBMMN hàng năm là 350/100.000 dân và có xu hướng ngày

càng tăng Tại Việt Nam, tỷ lệ hiện mắc và mới mắc trung bình tương ứng là 116/100.000 dân và 28,25/100.000 dân [4], [5] Bệnh có thể xảy ra ở mọi lứa tuổi nhưng thường gặp nhất là ở nhóm người cao tuổi Bệnh tai biến có tỉ lệ tử vong cao, trong trường hợp bệnh nhân qua được thì cũng để lại những di chứng nặng nề như liệt nửa người, nói khó [6] Bệnh nhân cần được tiếp tục chăm sóc và PHCN để giảm mức độ tàn phế và thương tật thứ cấp, nâng cao chất lượng cuộc sống, đặc biệt là những trường hợp do hoàn cảnh kinh tế phải xuất viện sớm Bệnh nhân xuất viện cần được đánh giá nhu cầu chăm sóc và PHCN để được hỗ trợ tốt khi trở về cộng đồng [7]

- Về phân bố nhu cầu PHCN chung cho thấy khi xuất viện, người bệnh bị TBMMN có nhu cầu PHCN chiếm 89,6%

- Về phân bố theo nhóm nhu cầu PHCN: Trong số có nhu cầu PHCN thì có tới 70,1% người bệnh có nhu cầu PHCN trong sinh hoạt hàng ngày; 55,5% có nhu cầu PHCN giao tiếp và 59,1% có nhu cầu PHCN vận động Tỷ lệ nhu cầu PHCN sinh hoạt hàng ngày (ăn, mặc, vệ sinh cá nhân, …) cao nhất là bởi vì các hoạt động hàng ngày cần có sự vận động của chi trên và chi dưới [7] Nhu cầu PHCN vận động có vai trò rất quan trọng đối với người bị TBMMN do những người này thường gặp thương tổn liệt nửa người Nguyên nhân này khiến họ gặp rất nhiều khó khăn trong sinh hoạt và cũng như tái hòa nhập cộng đồng Vì vậy, đánh giá nhu cầu PHCN vận động của bệnh nhân sớm sẽ giúp bác sĩ và kỹ thuật viên có phác đồ tập luyện phù hợp nhất cho người bệnh

Hiện nay, 50% bệnh nhân tai biến phải chịu những di chứng làm ảnh hưởng chức năng vận động, khiến họ không thể tự chăm sóc bản thân Số người bị di chứng

và tàn tật do tai biến mạch não ngày càng tăng [8] Vì vậy, phục hồi chức năng cho các bệnh nhân tai biến trở thành nhu cầu cấp bách nhằm giảm tối đa các di chứng và sớm đưa bệnh nhân có được sự thích nghi khi quay trở lại với cuộc sống ở gia đình

và xã hội Nên kết hợp tập phục hồi chức năng bằng phương pháp vật lý trị liệu của

Đông y và Tây y cho bệnh nhân sau tai biến mạch máu não là phương pháp giúp bệnh nhân phục hồi tốt nhất, hạn chế tối đa di chứng và biến chứng [9] Để quá trình hồi

phục cho hiệu quả tốt như mong muốn thì trong quá trình tập luyện người bệnh và người nhà bệnh nhân phải chủ động và tích cực trong việc tập luyện Việc tập luyện phục hồi chức năng sau tai biến được tiến hành theo từng giai đoạn và phải điều trị phục hồi sớm, khi tình trạng tổn thương ở não đã tương đối ổn định [1], [5].

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước

Các thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới trong nước sản xuất thường

có kết cấu đơn giản mang tính thuần cơ khí và chỉ sử dụng những bệnh nhân bị liệt

có bậc cơ 4-5tập phục hồi Nghiên cứu về thiết bị tự động hỗ trợ cho bệnh nhân phục hồi chi dưới cũng đã có một số tác giả trong nước quan tâm và đã đạt được kết quả

nhất định

Hình 1.1 Công trình nghiên cứu của tác giả Từ Diệp Công Thành

Tác giả Từ Diệp Công Thành, Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí

Minh (2006) đã nghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi cổ chân kết cấu thể hiện ở Hình 1.1 [10] Cơ cấu chấp hành ở đây là cơ cấu cơ nhân tạo PAM (Pneumatic Artificial Muscle), sử dụng năng lượng khí nén để điều khiển Tác giả đã xây dựng được mô hình toán và áp dụng các luật điều khiển PID và Neutral cho thiết bị Các kết quả tập luyện được hiển thị lên máy tính bằng phần mềm Visual Basic Kết quả cho thấy việc

sử dụng cơ cấu PAM sẽ làm cho việc điều khiển cổ chân khá linh hoạt, tuy nhiên do việc sử dụng khí nén nên việc điều khiển cơ cấu chấp hành sẽ gặp nhiều khó khăn.

Nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã thiết kế và chế tạo thiết bị khung xương hỗ trợ cho bệnh nhân tập dáng đi

Hình 1.2 a [11] Các tác giả đã xây dựng phương trình động lực học cho thiết bị và

mô phỏng đáp ứng của thiết bị theo các bài tập dáng đi của người Kết quả, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm trên người bình thường cho kết quả đáp ứng phù hợp với nghiên cứu lý thuyết

a) b) Hình 1.2 Công trình nghiên cứu của [11] và [12]

a) Thiết bị tập của [11]; b) Thiết bị tập của [12]

Tác giả Đào Văn Hiệp và các cộng sự đã thiết kế và chế tạo khung xương

ngoài hỗ trợ cho người đi [12] thể hiện trên Hình 1.2 b Nhóm nghiên cứu sử dụng cảm biến cơ bắp EMG (Electromyography) để thu nhận tín hiệu trong quá trình vận động của người để điều khiển Thiết bị đã được thử nghiệm trên người bình thường

và đạt được kết quả nhất định

Tác giả Huỳnh Long Triết Giang và các cộng sự đã thiết kế và chế tạo thiết

bị hỗ trợ phục hồi chức năng khớp gối [13] thể hiện trên Hình 1.4 Các tác giả đã xây

dựng phương trình động lực học cho thiết bị, sử dụng bộ điều khiển PID cho thiết bị Kết quả, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm cho các bài tập của khớp gối phù hợp với

lý thuyết nghiên cứu

Hình 1.3 Công trình nghiên cứu của [13]

Nhận xét: Hiện nay, thiết bị tự động hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới cho

bệnh nhân cũng đã có một số nhà khoa học trong nước quan tâm nghiên cứu Tuy nhiên, các công trình chỉ đang dừng ở việc thử nghiệm trên người bình thường chưa

có kết quả thử nghiệm đánh giá trên bệnh nhân để đánh giá hiệu quả của thiết bị

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước ngoài

Ngày nay, nghiên cứu về thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng cho chi dưới

ở nước ngoài được chia thành các nhóm sau:

- Thiết bị hỗ trợ tập riêng từng khớp, các thiết bị này được phân thành 2 nhóm sau:

+ Thiết bị tập khớp cổ chân, đối với thiết bị này cũng có 2 hướng nghiên cứu: nhóm 1 tập trung vào bài tập gấp/duỗi cho khớp cổ chân; nhóm 2 tập trung vào bài tập cho cả 3 bậc tự do của khớp cổ chân

1.3.1 Các công trình nghiên cứu thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng cho

một khớp chi dưới

1.3.1.1 Thiết bị tập khớp cổ chân một bậc tự do

Anido Roy và các cộng sự (2007) đã thiết kế thiết bị tập cổ chân Ankle Boot

để tập phục hồi chức năng khớp cổ chân cho bệnh nhân bị tai biến thể hiện trên Hình 1.4a [14] Cơ cấu được dẫn động bằng 2 động cơ một chiều không chổi than, các giá trị góc tập được đo bằng 2 encoder, mô men dẫn động được đo bằng cảm biến dòng điện của động cơ Mô men tạo ra trong quá trình gấp là 23 N.m/rad trong quá trình duỗi là 15 N.m/rad Các tác giả đã sử dụng bộ điều khiển PD để điều khiển cho thiết

bị Đã thử nghiệm trên 4 bệnh nhân và cho kết quả về mối quan hệ giữa mô men là 9-34 N.m/rad trong quá trình gấp và duỗi cổ chân

Hình 1.4 Thiết bị tập cổ chân

a) Thiết bị tập Ankle Boot ; b) Thiết bị tập Chou-Ching K.Lin

Chou-Ching K.Lin và các cộng sự (2008) đã thiết kế thiết bị tập cổ chân thông

minh để tập phục hồi chức năng cho bệnh nhân bị tai biến trên Hình 1.4b [15] Cơ cấu chấp hành là động cơ servo xoay chiều dẫn động khớp cổ chân gấp và duỗi, thiết

bị có cảm biến đo mô men và đo góc chuyển động Để điều khiển cho thiết bị nhóm

tác giả dùng bộ điều khiển Fuzzy + PD Đã thực nghiệm trên 5 người với tốc độ tập

50/s và khoảng dịch chuyển ± 250, kết quả cho sai số góc quay là 0.70và mô men dẫn động là 0.22 N.m

Hình 1.5 Thiết bị tập Ye Ding

Ye Ding và các cộng sự (2010) đã thiết kế thiết bị tập cổ chân để tập phục hồi

chức năng cho bệnh nhân ở 2 trạng thái ngồi và đứng thể hiện ở Hình 1.5 [16] Thiết

bị sử dụng động cơ một chiều dẫn động, cảm biến đo lực và đo gia tốc được dùng để

đo các thông số cần thiết Ngoài ra nhóm đã phát triển phần mềm thực tế ảo tạo ra quỹ đạo chuyển động cho cơ cấu trong quá trình tập luyện của bệnh nhân Nhóm đã thử nghiệm thiết bị với 6 người tình nguyện kết quả với những người tập chân phải cho hiệu quả tốt hơn Kết quả nghiên cứu sẽ tạo tiền đề cho việc chế tạo thiết bị tập phục hồi khớp cổ chân cho bệnh nhân tai biến kết hợp môi trường ảo để tập luyện

Yong-Lae Park và các cộng sự (2014) đã thiết kế thiết bị để tập phục hồi chức

năng khớp cổ chân cho bệnh nhân sử dụng cơ cấu cơ bắp khí nén PAM (Pneumatic Artificial Muscle) được thể hiện ở Hình 1.6 [17] Thiết bị hoạt động thông qua 4 cơ cấu PAM dẫn động cổ chân vận động theo các động tác (gấp - duỗi, gấp trong - gấp ngoài) Sử dụng cảm biến đo biến dạng và đo gia tốc để xác định các thông số điều

khiển của cơ cấu Nhóm tác giả đã thử nghiệm với các tần số khác nhau và giá trị đặt góc khác nhau, kết quả cho sai số góc nhỏ khi sử dụng tần số 0.1Hz

Hình 1.6 Thiết bị tập của Yong-Lae Park

Zhihao Zhou và các cộng sự (2016) đã thiết kế thiết bị để tập phục hồi chức

năng bị động cho khớp cổ chân của bệnh nhân được thể hiện ở Hình 1.7 [18] Cơ cấu dẫn động là động cơ một chiều và đo mô men bằng cảm biến gắn trên trục động cơ Ngoài ra để đo giá trị lực cơ trong quá trình tập luyện một cảm biến đo cơ EMG được

sử dụng Nhóm đã áp dụng bộ điều khiển PID để điều khiển cơ cấu và sử dụng phần mềm Labview để theo dõi các thông số tập luyện của bệnh nhân Kết quả đã xác định giá trị mô men của bệnh nhân trong quá trình tập luyện, xây dựng các cấp điều chỉnh

mô men tương ứng các góc tập

Hình 1.7 Thiết bị tập của Zhihao Zhou

1.3.1.2 Thiết bị tập khớp cổ chân 3 bậc tự do

Jody A.Saglia và các cộng sự (2009) thiết kế thiết bị tập vận động cho khớp

cổ chân với 2 bậc tự do dựa trên cơ cấu song song thể hiện ở Hình 1.8 [19] Thiết bị

thực hiện các động tác tập cho cổ chân (gấp mu trong - gấp mu ngoài, gấp và duỗi) bằng cách điều khiển vị trí 3 cơ cấu tịnh tiến Sử dụng encoder để xác định góc tập luyện, dùng máy tính xử lý và bộ điều khiển PD để điều khiển Đã thực nghiệm trên người bình thường, tuy nhiên cũng chưa thử nghiệm trên bệnh nhân

Hình 1.8 Thiết bị tập cổ chân cho 3 khớp của Jody A.Saglia

Y.H.Tsoi và các cộng sự (2009) đã thiết kế thiết bị tập vận động cho khớp cổ

chân với 2 bậc tự do dựa trên cơ cấu song song thể hiện ở Hình 1.9 [20] Nhóm tác

giả sử dụng 4 động cơ chuyển động tịnh tiến, các cảm biến đo lực được gắn trên đế tập Thiết lập được phương trình động lực học của cơ cấu và sử dụng công cụ Sim Mechanic để mô phỏng các thông số tính toán Kết quả cho sai số đáp ứng góc nhỏ

và xác định được lực tác dụng lên cơ cấu trong quá trình chuyển động Các thông số

được tìm nhờ giải thuật tối ưu, tạo tiền đề cho việc chế tạo thực nghiệm sau này

Hình 1.9 Thiết bị tập khớp cổ chân của Y.H Tsoi

1.3.1.3 Các công trình nghiên cứu thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng

khớp gối

Jason Nickitczuk và các cộng sự (2010) thiết kế thiết bị tập vận động cho

khớp gối với 1 bậc tự do với bài tập gấp/duỗi thể hiện ở Hình 1.10a [21] Dẫn động

cơ cấu là động cơ sử dụng bộ truyền bánh răng để tăng mô men, sử dụng cảm biến

đo mô men và đo góc để đọc các tham số tập luyện Dùng bộ điều khiển vòng kín PID và máy tính để xử lý theo thời gian thực Trong thiết bị này có hệ thống dừng an toàn dựa trên các cảm biến đo biến dạng giúp bệnh nhân trong trường hợp quá tải Nhóm tác giả đã thử nghiệm và so sánh với thiết bị tập BIODEX, kết quả sai số của thiết bị là 7% so với thiết bị chuẩn BIODEX

a) b) Hình 1.10 Thiết bị tập một bậc tự do khớp gối

a) Thiết bị của Jason Nickitczuk ; b) Thiết bị của Willian M.dos Santos

Willian M.dos Santos và các cộng sự (2014) đã thiết kế thiết bị tập vận động

cho khớp gối với 1 bậc tự do dẫn động cơ cấu là động cơ một chiều 150W thể hiện ở

Hình 1.10b [22] Nhóm tác giả sử dụng cảm biến đo góc là encoder để đọc các tham

số tập luyện Dùng bộ điều khiển vòng kín PD điều khiển vị trí, PI để điều khiển mô

men và PI điều khiển vận tốc Thiết bị có kích thước nhỏ, kết cấu đơn giản, hỗ trợ

bệnh nhân tập luyện trong trạng thái đi bộ

Bing Chen và các cộng sự (2018) đã thiết kế thiết bị tập vận động cho khớp

gối với 1 bậc tự do dẫn động cơ cấu là cơ cấu 4 khâu song song thể hiện ở Hình 1.11a

[23] Nhóm tác giả đã phân tích động học của cơ cấu, sử dụng phần mềm ADAMS

để phân tích và mô phỏng Kết quả tìm ra được mối quan hệ giữa góc tập, vận tốc và gia tốc với khoảng dịch chuyển của cơ cấu 4 khâu

Marianne Romero và các cộng sự (2017) Đã thiết kế thiết bị tập vận động

cho khớp gối với 1 bậc tự do dẫn động cơ cấu là cơ cấu 5 khâu thể hiện ở Hình 1.11b [24] Đã xây dựng phương trình động học, phương trình động lực học và mô phỏng

để tìm ra mối quan hệ giữa góc tập và chiều dài các khâu

a) b) Hình 1.11 Thiết bị tập hỗ trợ khớp gối và háng

a) Thiết bị tập của Chen Yuhang ; b) Thiết bị tập của Marianne L.Romero

B.D.M.Charparo-Rico và các cộng sự (2016) đã thiết kế thiết bị tập vận động

cho khớp gối với cơ cấu dẫn động cơ cấu song song 2 bậc tự do thể hiện ở Hình 1.12 [25] Sử dụng vi điều khiển PIC để điều khiển và thiết kế giao diện bằng phần mềm

C++ Phân tích động lực học của cơ cấu, tính toán các thông số cần thiết để thiết kế cho thiết bị Thiết bị được chế tạo và có thông số: vận tốc tập 2350/phút, dòng điện

động cơ là 3A, độ chính xác là ±0.28mm

Hình 1.12 Thiết bị tập của B.D.M.Charparo-Rico Nhận xét: Thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới cho một khớp của

bệnh nhân như khớp cổ chân hoặc khớp gối đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu Ưu điểm của nhóm thiết bị này là tập trung điều khiển cho 1 khớp nên việc điều khiển đơn giản và khả năng vận hành hiệu quả cao Nhược điểm là đối với bệnh nhân tai biến mạch máu não do đặc thù là liệt nửa người nên các khớp chi dưới thường là bị liệt hết nên các thiết bị trên chỉ đáp ứng một phần nhu cầu tập cho bệnh nhân

1.3.2 Các công trình nghiên cứu về thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng

cho 3 khớp chi dưới

1.3.2.1 Thiết bị tập đi

Các thiết bị này tập trung vào việc tập luyện cho bệnh nhân để cải thiện chức năng di chuyển của chân Với những thiết bị này, trọng lượng của bệnh nhân được đỡ bằng một hệ thống treo trên không Chi dưới bệnh nhân được gắn với thiết bị tập đi

và được hỗ trợ di chuyển trên một băng tải di động

Jan.F.Veneman và các cộng sự (2007) đã thiết kế thiết bị LOPES hỗ trợ cho

bệnh nhân tập đi với chuyển động song song với băng tải thể hiện ở Hình 1.13a [26]

Thiết bị có 8 bậc tự do với cơ cấu chấp hành là động cơ servo xoay chiều, sử dụng cảm biến EMG để đo lực cơ của bệnh nhân Nhóm tác giả đã thử nghiệm và xây dựng được phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các góc của khớp háng, khớp gối với lực tác dụng tại các khớp

a) b)

Hình 1.13 Thiết bị tập đi

a) Thiết bị tập của Jan.F.Veneman; b) Thiết bị tập của Xin Jin

Xin Jin và các cộng sự (2015) đã phát triển hệ thống tập luyện C-ALEX

để cải thiện đi lại cho bệnh nhân tai biến thể hiện ở Hình 1.13b [27] Để dẫn

động chi dưới của bệnh nhân, sử dụng hệ thống dây cáp và được điều khiển bằng các động cơ servo bố trí ở trên giàn tập Sử dụng các cảm biến đo biến dạng trên cáp và phần mềm LabView để điều khiển cho thiết bị Nghiên cứu đã xây dựng phương trình động lực học của cơ cấu dẫn động, sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển Nhóm tác giả đã thử nghiệm trên người bình thường cho sai số nhỏ góc tập

Hình 1.14 Hệ thống GaitMaster 5

Hệ thống GaitMaster 5 (GM5), đây là thiết bị đã được phát triển tại Đại học

Tsukuba thể hiện ở Hình 1.14 [28] Bệnh nhân đặt chân của mình vào miếng đệm

được lót bằng cảm biến và cơ cấu chuyển động có thể di chuyển chân bệnh nhân về phía trước (mô phỏng đi bộ) hoặc lên xuống (như leo cầu thang) Thiết bị có hệ thống thực tế ảo giúp mô phỏng bước chân của người bình thường trong tập luyện Ngoài

ra, thiết bị có thể kiểm soát tư thế và kiểm soát trọng lượng của bệnh nhân

Henning Schmidt và các cộng sự (2007) đã thiết kế thiết bị Haptic Walker hỗ

trợ cho bệnh nhân tập đi thể hiện ở Hình 1.15a [29] Thiết bị được dẫn động bằng động cơ servo xoay chiều và thực hiện các bài tập đã lập trình sẵn theo hướng dẫn của bác sĩ

Jungwon Yoon và các cộng sự (2010) đã phát triển hệ thống tập luyện với 6

bậc tự do cho phép bệnh nhân tập đi trong môi trường thực tế ảo, vận tốc tập được

cập nhật liên tục thể hiện ở Hình 1.15b [30] Sử dụng động cơ servo xoay chiều để

dẫn động và phần mềm Labview để điều khiển Thử nghiệm trên người bình thường cho kết quả chuyển động của thiết bị là 0.05-0.1m/s

Ngoài ra, một số thiết bị được phát triển để giúp bệnh nhân có thể tự đi lại trên

nền đất mà không có bộ phận đỡ trọng lượng của bệnh nhân:

Hybrid Assistive Limb (HAL) thể hiện ở Hình 1.16a [31] là một robot được

thiết kế để phục hồi chức năng cho bệnh nhân và hỗ trợ cho con người làm những việc nặng Thiết bị đã được thiết kế và chế tạo trong một số phiên bản, hiện tại đã

được sử dụng để tiến hành các thử nghiệm lâm sàng

Shiqian Wang và các cộng sự (2013) [32] đã phát triển hệ thống tập luyện

Mindwalker cho phép bệnh nhân tập đi thể hiện ở Hình 1.16b Thiết bị được dẫn động bằng cơ cấu tịnh tiến, cảm biến encoder đo góc tập và phần mềm Matlab để điều khiển Thiết bị cho phép hỗ trợ bệnh nhân có trọng lượng đến 100kg, có thể vận động bước đi theo chương trình tập đã cài đặt trước

a) b) Hình 1.15 Thiết bị tập mô phỏng bước đi của chân

a) Thiết bị tập của Henning Schmidt ; b) Thiết bị tập của Jungwon Yoon

a) b) Hình 1.16 Hệ thống hỗ trợ đi lại

a) Hệ thống HAL; b) Thiết bị tập của Shiqian Wang

Nhận xét: Thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân với nguyên

lý tập trung vào dáng đi đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Ưu điểm của nhóm thiết bị này là tập trung điều khiển cho các khớp chi dưới vận động theo dáng đi của người từ đó góp phần cải thiện chức năng vận động cho bệnh nhân Nhược điểm là thiết bị có kết cấu phức tạp nên dẫn đến việc điều khiển sẽ trở nên khó khăn Thiết bị

chỉ sử dụng ở những nơi có không gian lớn, ngoài ra đối với bệnh nhân tai biến trong giai đoạn đầu chưa có bậc cơ lớn việc di chuyển sẽ gặp nhiều khó khăn trong quá

trình tập luyện

1.3.2.2 Thiết bị tập cố định

Mục tiêu của thiết bị này cải thiện tầm vận động và phát triển sức chịu đựng của các cơ của các khớp chi dưới Bệnh nhân có thể tập ở tư thế nằm hoặc ngồi, cơ cấu dẫn động các khớp chi dưới vận động theo bài tập đã lập trình sẵn

a) b) Hình 1.17 Thiết bị tập của [33-34]

a) Thiết bị tập của Lixun Zhang; b) Thiết bị tập của M.Bouri

Lixun Zhang và các cộng sự (2010) đã phát triển thiết bị tập luyện cho phép

bệnh nhân tập vận động của các khớp cổ chân, khớp gối và khớp háng thể hiện ở Hình 1.17a [33] Cơ cấu dẫn động thực hiện chuyển động quay bằng cách sử dụng cơ cấu tay quay con trượt ngược Cảm biến lực được sử dụng để đo lực tác dụng của chi dưới trong quá trình vận động Phân tích động lực học của thiết bị và áp dụng bộ điều khiển PID với vòng hồi tiếp là giá trị lực và giá trị góc Đã thử nghiệm cho kết quả về mối quan hệ giữa giá trị góc tập - lực tác dụng

M.Bouri và các cộng sự (2009) đã phát triển thiết bị tập luyện Lambda dựa

trên cơ cấu chuyển động song song cho phép bệnh nhân tập luyện các khớp chi dưới

thể hiện ở Hình 1.17b [34] Cơ cấu được dẫn động bằng các động cơ có lực tác dụng

1000N, sử dụng cảm biến đo lực và cảm biến đo góc encoder để theo dõi các tham số vận động của bệnh nhân Phân tích phương trình động lực học và sử dụng bộ điều

khiển PID cho thiết bị Kết quả thử nghiệm cho sai số chuyển động tịnh tiến của cơ cấu là 0.05-0.3 mm

Bingjing Guo và các cộng sự (2015) đã phát triển thiết bị tập luyện là cánh

tay robot 4 bậc tự do cho phép bệnh nhân tập luyện các khớp chi dưới thể hiện ở Hình 1.18 [35] Thiết kế kết cấu cơ khí và phân tích động lực học của cơ cấu được trình bày Thiết bị gồm 4 động cơ servo xoay chiều, sử dụng card GT-400 để điều khiển động cơ Tiến hành thử nghiệm và cho kết quả sai số 0.120 ở các khớp vận động

Hình 1.18 Thiết bị tập của Bingjing Guo

Farouk Chrif và các cộng sự (2017) đã phát triển thiết bị tập luyện được dẫn

động bằng động cơ chuyển động tịnh tiến cho phép bệnh nhân tập luyện các khớp chi dưới thể hiện ở Hình 1.19 [36] Thiết bị có cảm biến đo lực tại bàn chân và cảm biến encoder để đo góc tập Phần mềm Matlab được ứng dụng để điều khiển và theo dõi các tham số khi thử nghiệm, kết quả đã xác định được giá trị lực là 80-120N trong

quá trình tập

Hình 1.19 Thiết bị tập của Farouk Chrif

Trinachoke Eiammanussakul và các cộng sự (2017) đã phát triển thiết bị

tập luyện được dẫn động bằng động cơ cho phép bệnh nhân tập luyện các khớp cổ chân, khớp gối và khớp háng thể hiện ở Hình 1.20 [37] Sử dụng động cơ servo xoay chiều để dẫn các khớp thông qua các sợi cáp Phương trình động lực học của thiết bị được thiết lập, sử dụng bộ điều khiển PI cho thiết bị Kết quả khi thử nghiệm khi tập chủ động các khớp cho sai số nhỏ 0.0219 rad

Hình 1.20 Thiết bị tập của Trinachoke Eiammanussakul

Hongbo Wang và các cộng sự (2017) đã phát triển thiết bị tập luyện được

dẫn động bằng động cơ servo xoay chiều cho phép bệnh nhân tập luyện các khớp cổ chân, gối và háng thể hiện ở Hình 1.2 [38] Phương trình động lực học của thiết bị được thiết lập, sử dụng bộ điều khiển PID cho thiết bị Kết quả khi thử nghiệm khi tập chủ động các khớp cho sai số nhỏ 0.30-10

Hình 1.21 Thiết bị tập của Hongbo Wang