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 Đức Sơn Đề tài luận văn: Nghiên cứu phát triển h
TỔNG QUAN
Cơ sinh là gì?
Cơ sinh được định nghĩa là sự nghiên cứu về chuyển động của các sinh vật sống sử dụng khoa học cơ học Cơ học là một nhánh của vật lý liên quan đến việc mô tả chuyển động và cách các lực tạo ra chuyển động Lực tác động lên sinh vật có thể tạo ra chuyển động, là tác nhân kích thích lành mạnh cho sự tăng trưởng và phát triển hoặc làm quá tải các mô, gây thương tích Cơ sinh cung cấp các công cụ khái niệm và toán học cần thiết để hiểu cách các sinh vật sống di chuyển và cách các chuyên gia về vận động học có thể cải thiện chuyển động hoặc làm cho chuyển động an toàn hơn
Cơ sinh là nghiên cứu về chuyển động và nguyên nhân của nó trong các sinh vật sống Cơ sinh cung cấp thông tin quan trọng về các kiểu chuyển động, thiết bị và bài tập liên quan hiệu quả và an toàn nhất để cải thiện chuyển động của con người Theo một nghĩa nào đó, các chuyên gia về vận động học giải quyết các vấn đề về chuyển động của con người hàng ngày và một trong những công cụ quan trọng nhất là cơ sinh
Nói chung, cơ sinh quan tâm đến việc ứng dụng cơ học cổ điển vào các vấn đề sinh học khác nhau Cơ sinh kết hợp lĩnh vực cơ học kỹ thuật với lĩnh vực sinh học và sinh lý học Về cơ bản, cơ sinh liên quan đến cơ thể con người Trong cơ sinh, các nguyên tắc cơ học được áp dụng vào việc hình thành, thiết kế, phát triển và phân tích các thiết bị và hệ thống trong sinh học và y học Về bản chất, cơ sinh là một ngành khoa học đa ngành liên quan đến việc áp dụng các nguyên lý cơ học vào cơ thể con người khi chuyển động và đứng yên
Sự phát triển của lĩnh vực cơ sinh đã cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về nhiều thứ, bao gồm các tình trạng bình thường và bệnh lý, cơ chế kiểm soát thần kinh cơ, cơ chế lưu lượng máu trong vi tuần hoàn, cơ chế luồng không khí trong phổi và cơ chế phát triển và hình thành Nó đã góp phần vào sự phát triển của các thủ tục chẩn đoán và điều trị y tế Nó đã cung cấp các phương tiện để thiết kế và sản xuất thiết bị, dụng cụ và dụng cụ y tế, thiết bị công nghệ hỗ trợ cho người
2 khuyết tật cũng như các thiết bị thay thế và cấy ghép nhân tạo Nó đã góp phần thúc đẩy phát triển các phương tiện để cải thiện hiệu suất của con người tại nơi làm việc và trong thi đấu thể thao
Các khía cạnh khác nhau của cơ sinh sử dụng các khái niệm và phương pháp cơ học ứng dụng khác nhau Ví dụ, các nguyên lý tĩnh học được áp dụng để xác định độ lớn và tính chất của các lực liên quan đến các khớp và cơ khác nhau của hệ cơ xương Các nguyên lý động lực học được sử dụng để mô tả chuyển động và có nhiều ứng dụng trong cơ học thể thao Các nguyên lý cơ học của các vật thể biến dạng cung cấp các công cụ cần thiết để phát triển trường và các phương trình cấu thành cho các vật liệu và hệ thống sinh học, từ đó được sử dụng để đánh giá hành vi chức năng của chúng trong các điều kiện khác nhau Các nguyên lý cơ học chất lỏng được sử dụng để nghiên cứu lưu lượng máu trong hệ tuần hoàn của con người và luồng không khí trong phổi
Các ứng dụng của cơ sinh vào chuyển động của con người có thể được phân thành hai lĩnh vực chính: cải thiện hiệu suất và giảm hoặc điều trị chấn thương
Hiệu suất chuyển động của con người có thể được tăng cường theo nhiều cách Chuyển động hiệu quả liên quan đến các yếu tố giải phẫu, kỹ năng thần kinh cơ, năng lực sinh lý và khả năng tâm lý cũng như nhận thức Hầu hết các chuyên gia về vận động học đều quy định những thay đổi về kỹ thuật và đưa ra hướng dẫn cho phép một người cải thiện hiệu suất Cơ sinh hữu ích nhất trong việc cải thiện thành tích trong thể thao hoặc các hoạt động mà kỹ thuật là yếu tố chi phối hơn là cấu trúc thể chất hoặc năng lực sinh lý Kinh nghiệm của huấn luyện viên cho anh ta biết rằng vận động viên này đủ khỏe để thực hiện kỹ năng này, nhưng họ phải quyết định xem vận động viên thể dục nên tập trung vào phần nào để đạt được thành tích tốt nhất Huấn luyện viên sử dụng kiến thức của mình về cơ sinh để giúp phân tích định tính tình huống này
Nghiên cứu cơ sinh về kỹ thuật thể thao đôi khi có xu hướng tụt hậu so với những thay đổi đang diễn ra một cách tự nhiên trong thể thao Các vận động viên và huấn luyện viên luôn thử nghiệm các kỹ thuật mới Sinh viên cơ sinh có thể ngạc nhiên khi thấy rằng khoa học cơ sinh về kỹ thuật chuyển động thường hạn
3 chế, cơ sinh là yếu tố chính đóng góp cho một trong những kỹ năng quan trọng nhất của các chuyên gia về vận động học: phân tích định tính về chuyển động của con người
Số lượng lớn các kỹ thuật, các biến thể của chúng cũng như tỷ lệ thay đổi và đổi mới cao có xu hướng vượt xa các nguồn lực nghiên cứu cơ sinh
Mặc dù kỹ thuật luôn có liên quan đến sự chuyển động của con người, nhưng trong một số hoạt động, các yếu tố tâm lý, giải phẫu hoặc sinh lý có liên quan chặt chẽ hơn đến thành công Chạy là một ví dụ điển hình của loại chuyển động này
Có rất nhiều nghiên cứu về cơ chế sinh học của hoạt động chạy để huấn luyện viên có thể tinh chỉnh kỹ thuật của vận động viên chạy cho phù hợp với đặc điểm của những vận động viên chạy ưu tú Mặc dù những điều chỉnh kỹ thuật này tạo ra những cải thiện nhỏ về thành tích nhưng hầu hết thành tích chạy đều liên quan đến khả năng sinh lý và quá trình luyện tập của họ Điều này cho thấy rằng các huấn luyện viên điền kinh có thể sử dụng cơ chế sinh học để tinh chỉnh kỹ thuật chạy, nhưng họ chỉ nên mong đợi những thay đổi nhỏ về thành tích từ những sửa đổi này
Hiệu suất của con người cũng có thể được nâng cao nhờ những cải tiến trong thiết kế thiết bị Nhiều cải tiến trong số này liên quan đến vật liệu mới và thiết kế kỹ thuật Khi những thay đổi này được tích hợp với thông tin về người vận hành, chúng ta có thể nói rằng những cải tiến của thiết bị là dựa trên cơ sở sinh học
Có nhiều ví dụ về việc ứng dụng cơ sinh trong việc thay đổi thiết kế thiết bị đã cải thiện thành tích thể thao như thế nào Các nhà nghiên cứu cơ sinh là một trong những người đầu tiên kêu gọi vợt tennis nhỏ hơn để phù hợp hơn với sức mạnh cơ bắp của các tay vợt trẻ
Tổng quan chung về lĩnh vực phục hồi chức năng
Phục hồi chức năng là biện pháp hồi phục lại các chức năng bị giảm hoặc bị mất do chấn thương, tai nạn, đột quỵ, bại não gây ra Quá trình này thường được thực hiện song song với phòng và chữa bệnh nhằm mang lại kết quả chữa trị cao nhất, giúp người bệnh mau chóng lấy lại sức khỏe tốt và có hệ xương khớp chắc khỏe
1.2.1 Giới thiệu về mảng phục hồi chức năng trong y tế
Phục hồi chức năng là một trong 3 thuật ngữ được sử dụng rất phổ biến trong ngành y khoa, bao gồm phòng bệnh, chữa bệnh, phục hồi chức năng Đây là một chuyên ngành trong y học, có chức năng nghiên cứu và ứng dụng nhiều biện pháp khác nhau để giúp tình trạng bệnh lý thuyên giảm hoặc phục hồi lại chức năng một số cơ quan sau điều trị, chữa bệnh
Thông thường, khi bị bệnh hoặc gặp chấn thương, nhiều người vẫn hay nghĩ đến các biện pháp điều trị nhanh khỏi bệnh và tránh gặp nguy hiểm Thế nhưng họ lại ít nghĩ đến vấn đề duy trì sức khỏe lâu dài, ổn định, làm thế nào để hòa nhập lại với cuộc sống, sống có ích và có thể tham gia nhiều hoạt động xã hội
Chính vì thế, phục hồi chức năng sẽ là biện pháp nhằm cải thiện và hồi phục các cơ quan, bộ phận gặp vấn đề, trả lại khả năng hoạt động hiệu quả, giảm thiểu tình trạng tái phát bệnh sau điều trị, hỗ trợ phòng bệnh để tránh gây liệt, tàn phế
Có thể hiểu đơn giản, phục hồi chức năng là một mảng lớn, kết hợp rất nhiều biện pháp khác nhau từ y học cho đến xã hội học, tâm lý học, kinh tế, giáo dục, hướng nghiệp, giao tiếp, để hồi phục các bộ phận bị tổn thương, nhằm giúp người bệnh luôn có sức khỏe tốt, sống vui vẻ và có ích cho xã hội
1.2.2 Mục đích của phục hồi chức năng
Phục hồi chức năng cần thực hiện đi đôi với phòng bệnh và chữa bệnh, lựa chọn một hoặc nhiều phương pháp khác nhau để tác động như vật lý trị liệu, dụng cụ trợ giúp, tạo tâm lý thoải mái cho người bệnh, cải thiện môi trường sống và sinh hoạt, chọn công việc phù hợp, Trên thực tế, mục đích chính của biện pháp này là:
- Hỗ trợ hiệu quả cho người bệnh phục hồi lại chức năng của các cơ quan, bộ phận tổn thương trong và sau quá trình điều trị, phẫu thuật
- Giúp người bệnh thích nghi tốt với môi trường sống, sống tự lập không nhờ sự trợ giúp của người khác, không trở thành gánh nặng cho gia đình và xã hội
- Ngăn ngừa và phòng chống tình trạng tái phát bệnh sau điều trị, duy trì sức khỏe lâu dài, ổn định, sống vui khỏe với gia đình và những người xung quanh
- Tác động tích cực vào suy nghĩ của người bệnh, giúp họ có cách nhìn nhận xã hội tốt hơn, tinh thần thoải mái và dễ chịu, hạn chế các dấu hiệu căng thẳng, stress trong công việc và cuộc sống
1.2.3 Các bệnh cần phục hồi chức năng
Phục hồi chức năng là quá trình thường chỉ áp dụng cho những người có vấn đề về tâm lý, chấn thương thần kinh cột sống – cơ xương khớp, người khuyết tật, cụ thể như sau:
- Bệnh nhân bị thoát vị đĩa đệm nhẹ và vừa, sai khớp, trật khớp, đau nhức lưng, viêm cột sống chưa dính khớp, vẹo cột sống, có thể sử dụng máy kéo giãn giảm áp cột sống DTS để hỗ trợ điều trị và phục hồi chức năng
- Người bị đau khớp, viêm khớp, căng cơ, hội chứng ống cổ tay, sau khi chơi thể thao, lao động nặng nhọc hoặc gặp chấn thương, có thể dùng phương pháp chiếu tia Laser để điều trị Ngoài ra, một số cách giảm đau khác như chiếu hồng ngoại IR, điện xung, sóng xung kích, cũng có thể áp dụng tùy từng trường hợp cụ thể
- Người bị thoái hóa khớp, đau nhức xương khớp do tuổi cao hoặc gặp chấn thương, cũng có thể áp dụng một số biện pháp giảm đau để điều trị và phục hồi chức năng cơ xương khớp
- Trẻ em bị các triệu chứng như chậm nói, nói ngọng, tự kỷ, chậm phát triển trí não, bàn chân bẹt, có thể áp dụng một số biện pháp vật lý trị liệu để phục hồi chức năng
- Bệnh nhân cần thực hiện một số biện pháp phục hồi chức năng sau các ca phẫu thuật chấn thương sọ não, thay dây chằng gối, thay khớp, thần kinh cột sống,
Kết chương
Ứng dụng cơ sinh có thể giúp hỗ trợ điều trị, phục hồi chức năng thông qua theo dõi chuyển động cơ thể, mang lại nhiều cơ hội mới cũng như sức khoẻ cho người bệnh
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THEO DÕI CHUYỂN ĐỘNG CƠ THỂ
Hiện trạng tại Việt Nam
Theo thống kê tại Việt Nam có khoảng 7,8% dân số tương đương với 6,1 triệu người là những người bị khuyết tật về một chức năng nào đó như vận động, thị giác, thính giác, ngôn ngữ Trong đó, số người bị khuyết tật về chức năng vận động chiếm tỷ lệ cao nhất lên đến 35,5% Đội ngũ chuyên gia phục hồi chức năng của ta còn chưa đủ, trang thiết bị tập luyện còn rất thiếu thốn, chủ yếu là các thiết bị tập luyện cổ điển, thông thường Để có thể tạo nên kết quả phục hồi toàn diện, thiết bị trợ giúp người bệnh tập khớp gối dạng ngồi trong quá trình phục hồi chức năng là một phần không thể thiếu Tại Việt Nam hiện nay, tất cả các bệnh viện đa khoa tuyến tỉnh đều đã có khoa Phục hồi chức năng, 240 quận/huyện, 2500 phường/xã đã triển khai phục hồi chức năng Tuy vậy, phục hồi chức năng nhất là chức năng vận động cho bệnh nhân sau phẫu thuật khớp gối còn đang là vấn đề mới đối với chúng ta Chúng ta chưa có đủ các trang thiết bị chuyên môn dùng cho chuyên khoa này
Ngoài ra, phục hồi chức năng dựa vào cộng đồng lồng ghép vào hệ thống chăm sóc sức khỏe ban đầu của ngành y tế hiện đang là bước đi chính và là biện pháp chiến lược để giải quyết vấn đề khuyết tật tại Việt Nam Như vậy, nhu cầu về thiết bị trợ giúp phục hồi chức năng vận động nói chung và phục hồi chức năng khớp gối nói riêng là rất lớn Đã có một số công ty trong nước sản xuất các dụng cụ trợ giúp chức năng khớp gối Tuy nhiên, các dụng cụ này khá đơn giản, không có tính tùy biến cao Khi tập luyện, các bệnh nhân phải dùng sức của hai cánh tay để tạo lực đưa chân lên Như vậy lực, góc và thời gian tác động lên khớp gối hoàn toàn là cảm tính, phụ thuộc vào bệnh nhân Điều này gây ra hiệu quả của hoạt động phục hồi chức năng không cao, dễ gây chấn thương do khớp gối sau khi phẫu thuật rất yếu Thời gian cần thiết để phục hồi chức năng cho bệnh nhân sẽ bị kéo dài Các thiết bị của nước ngoài thì nhờ có cơ cấu hỗ trợ lực động từ bên ngoài nên lực, góc và thời gian tác động lên khớp gối hoàn toàn có thể điều chỉnh được Nhờ đó khả năng
12 phục hồi của bệnh nhân cao hơn và thời gian phục hồi cũng nhanh hơn (thời gian tập luyện phục hồi rút ngắn được 30%) Tuy nhiên giá thành một thiết bị ngoại nhập là khá đắt
Như vậy, việc ứng dụng các tiến bộ mới của công nghệ thông tin, điện tử, điều khiển tự động, cơ khí vào nghiên cứu, chế tạo thiết bị trợ giúp phục hồi chức năng khớp gối cho bệnh nhân sau phẫu thuật là rất cần thiết Thiết bị sau khi chế tạo thành công có thể được ứng dụng không những tại các phòng Phục hồi chức năng mà còn có thể được sử dụng tại nhà dưới sự chỉ dẫn chi tiết, tỉ mỉ của bác sỹ Nhờ đó làm giảm suất đầu tư thiết bị của các bệnh viện, trung tâm chăm sóc sức khỏe, giảm nhập siêu, đồng thời góp phần phát triển một ngành kinh tế kỹ thuật chuyên dụng có khả năng xuất khẩu.
Các công nghệ hiện nay ứng dụng trong theo dõi chuyển động cơ thể
Theo dõi chuyển động của con người là một khái niệm rộng Trước khi định nghĩa theo dõi chuyển động ta cần nắm được khái niệm về ước tính tư thế, từ các dạng tư thế sẽ theo dõi được các chuyển động Có thể hiểu ước tính tư thế là quá trình cấu hình lại các bộ phận cơ thể, được ước tính bằng dữ liệu đầu vào của các thiết bị đo Khi tư thế được ước tính liên tục theo thời gian, ta gọi là theo dõi chuyển động
Theo dõi chuyển động của cơ thể có thể chia làm ba nhóm chính, bao gồm: Theo dõi chuyển động liên quan đến các bộ phận cơ thể người, theo dõi một người đang chuyển động, và nhận biết các hoạt động của con người từ chuỗi hình ảnh Theo dõi chuyển động của các bộ phận cơ thể người bao gồm việc phân đoạn cơ thể người ở mức độ thấp thành các đoạn được kết nối bằng các khớp và khôi phục cấu trúc ba chiều của cơ thể người bằng cách sử dụng các phép chiếu hai chiều của nó trên một chuỗi hình ảnh
Hình 2.1 Theo dõi chuyển động
Những nghiên cứu ban đầu về theo dõi chuyển động của con người được thực hiện vào đầu thế kỷ 17, dựa trên các nguyên tắc cơ học của Newton Với sự phát triển của các thiết bị đo điện cơ và khoa học máy tính, hiện nay Theo dõi dáng đi đã trở thành một công cụ lâm sàng hữu ích trong việc quản lý các vấn đề liên quan tới vận động cho những bệnh nhân mắc các bệnh lý về thần kinh và chấn thương chỉnh hình Việc đo lường chính xác các tham số động học như góc khớp, góc thả hông, và các thông số dáng đi trong không gian ba chiều là cơ sở quan trọng giúp y bác sĩ xác định được các bất thường hoặc khuyết tật chức năng của cơ thể Những bất thường về dáng đi có thể do bệnh tật hoặc chấn thương ở hông, lưng, cổ, bàn chân, đầu gối hoặc mắt cá chân Theo dõi dáng đi có thể hỗ trợ bác sĩ trong các quá trình:
• Xác định nguồn gốc của các vấn đề về cơ, thần kinh hoặc xương
• Dự đoán nguồn gốc cơn đau của bệnh nhân khi đứng hoặc đi bộ
• Hỗ trợ chẩn đoán dị tật xương hoặc sai lệch xương
• Hỗ trợ phát hiện rối loạn chức năng cơ hoặc thần kinh
• Kiểm tra sự tiến triển của các bệnh như viêm khớp hoặc chứng loạn dưỡng cơ
Hình 2.2 Theo dõi chuyển động trong phục hồi chức năng
Các thông số thu được trong Theo dõi chuyển động được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thể thao Các thông số động học này được sử dụng để xác định các thực nghiệm mô tả kỹ thuật thể thao, cung cấp các giải thích về mặt cơ sinh, về các dạng chuyển động trong thể thao Các giải thích, mô tả về mặt cơ sinh được sử dụng để cải thiện và nâng cao quá trình giảng dạy các kỹ thuật thể thao Hơn nữa, kết quả Theo dõi chuyển động là cơ sở quan trọng giúp cho việc tối ưu hóa kỹ thuật chuyển động được thực hiện một cách hiệu quả Do đó, Theo dõi chuyển động góp phần cải thiện thành tích một cách đáng kể cho các vận động viên Trong một số môn thể thao cần tốc độ, sự nhanh nhẹn như bóng đá, điền kinh, các vận động viên thường tham gia và các chuyển động nhanh hoặc cần thay đổi hướng đột ngột, dễ dẫn tới chấn thương chi dưới Theo dõi dáng đi giúp phát hiện, đánh giá, và theo dõi các chấn thương nhằm đưa ra các phương án phục hồi phù hợp
Hình 2.3 Theo dõi chuyển động trong thể thao
Thông qua Theo dõi chuyển động, một số thông tin như thời gian sải chân, độ dài sải chân, sự nhịp nhàng của cơ thể khi di chuyển được ghi nhận Các đặc điểm này được gọi chung là sinh trắc học dáng đi Sinh trắc học dáng đi là đặc điểm sinh trắc duy nhất của cơ thể có thể được nhận biết từ khoảng cách xa, có thể trích xuất thông tin từ các hình ảnh ngay cả khi độ phân giải của hình ảnh không quá cao Hơn nữa, với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống camera giám sát an ninh, việc sử dụng đặc điểm sinh trắc học dáng đi để giám sát các hành vi bất thường tại khu vực công cộng hoặc các điểm nóng về an ninh quốc phòng đang ngày càng phát triển
Hình 2.4 Theo dõi chuyển động trong giám sát công cộng
2.2.2 Một số công nghệ theo dõi chuyển động cơ thể
Việc theo dõi chuyển động của con người trong quá trình vận động có thể thực hiện bằng phương pháp quan sát trực tiếp người thực hiện, hoặc sử dụng các trang thiết bị đo vận động và chuyển động cơ học của cơ thể và hoạt động của các cơ Các đánh giá cơ bản về dáng đi trên lâm sàng chủ yếu dựa trên quan sát tốc độ và dáng đi Phương pháp này thích hợp để đánh giá, theo dõi tình trạng chức năng và sức khỏe tổng thể của một nhóm đối tượng Tuy nhiên, phương pháp này thiếu độ chính xác, số lượng dữ liệu định lượng thu được rất hạn chế, gây khó khăn cho việc Theo dõi chuyển động một cách chi tiết và toàn diện Do đó, các phương pháp theo dõi chuyển động sử dụng các thiết bị đo vận động ngày càng phát triển
Theo dõi chuyển động trong thực hành lâm sàng
Hình 2.5 Theo dõi chuyển động trong phòng thí nghiệm chuyên ngành
Trong thực hành lâm sàng, dáng đi của người bệnh thường được quan sát và đánh giá bởi các y bác sĩ hoặc nhân viên điều dưỡng Các kết quả Theo dõi được mang tính chủ quan cao, phụ thuộc vào kinh nghiệm và cách giải thích của người quan sát Do đó, việc phát triển các phương pháp Theo dõi dáng đi một cách khách quan và định lượng đã thu hút rất nhiều nhà khoa học trong nhiều thập kỷ qua Hiện nay, Theo dõi dáng đi có thể được thực hiện bằng một số phương pháp như: sử dụng tấm đo áp lực, sử dụng thiết bị đo điện cơ, sử dụng điện kế, sử dụng gia tốc kế và con quay hồi chuyển, sử dụng hệ thống chụp chuyển động
Theo dõi chuyển động sử dụng tấm lực đo áp lực
Tấm lực đo áp lực là hệ thống bao gồm nhiều cảm biến cơ học được thiết kế nhằm mục đích đo đạc các lực khi chân tiếp xúc với mặt đất trong các giai đoạn của tư thế đi Các tấm lực thường sử dụng các cảm biến áp điện Khi có lực tác dụng lên tấm, các cảm biến này biến đổi áp suất thành điện tích, các thay đổi điện áp tỷ lệ với các lực tác dụng
Hình 2.6 Theo dõi chuyển động sử dụng tấm lực
Theo dõi chuyển động sử dụng tín hiệu điện cơ
Tín hiệu điện cơ thường được sử dụng nhằm mục đích theo dõi hoạt động của cơ bắp trong quá trình vận động Phương pháp này sử dụng các điện cực dán trên bề mặt da để đo cường độ hoạt động của các cơ theo thời gian Kết quả đo điện cơ được sử dụng để phát hiện các hoạt động và dáng đi bất thường, đánh giá khả năng kiểm soát thần kinh cơ của bệnh nhân Tần số của tín hiệu điện cơ cũng được sử dụng để phát hiện tình trạng mỏi cơ, từ đó phát hiện các chấn thương tiềm ẩn
Hình 2.7 Theo dõi chuyển động sử dụng tín hiệu điện cơ
Công nghệ chụp chuyển động(Sử dụng điểm đánh dấu)
Công nghệ chụp chuyển động là phương pháp phổ biến nhất hiện nay trong theo dõi dáng đi Phương pháp này sử dụng hệ thống quang học hoặc điện từ để ghi lại các chuyển động của cơ thể Chuyển động của cơ thể được ghi lại bằng cách theo dõi liên tục các điểm đánh dấu được gắn trên cơ thể Các điểm đánh dấu này có thể được chế tạo bằng các vật liệu phản quang, phản ánh sáng hồng ngoại, hoặc bằng các vật liệu tự phát quang như đèn led Thông qua hệ thống chụp chuyển động, tọa độ trong không gian ba chiều của các điểm đánh dấu được xác định Từ các tọa độ này, vận tốc và gia tốc chuyển động có thể được tính toán thông qua các công thức toán học
Hình 2.8 Theo dõi chuyển động bằng cách chụp chuyển động
Phương pháp Theo dõi chuyển động sử dụng thị giác máy tính (Sử dụng mã nguồn mở OpenCV và Mediapipe)
MediaPipe là một khung mã nguồn mở để xây dựng các quy trình nhằm thực hiện suy luận thị giác máy tính đối với dữ liệu cảm giác tùy ý như video hoặc âm thanh Bằng cách sử dụng MediaPipe, quy trình nhận thức như vậy có thể được xây dựng dưới dạng biểu đồ của các thành phần mô-đun
OpenCV (Thư viện thị giác máy tính nguồn mở) là thư viện các chức năng lập trình chủ yếu dành cho thị giác máy tính theo thời gian thực
Theo dõi chuyển động sử dụng thị giác máy tính là phương pháp sử dụng camera để ghi lại các chuyển động của một đối tượng sau đó so sánh với dữ liệu mẫu đã có và xử lý trên máy tính
Hình 2.9 Theo dõi chuyển động dựa trên thị giác máy tính
Theo dõi chuyển động sử dụng gia tốc kế và con quay hồi chuyển
Gia tốc kế và con quay hồi chuyển kết hợp với nhau tạo thành thiết bị cảm biến đeo được sử dụng trong quá trình ghi đo chuyển động của cơ thể Gia tốc kế là cảm biến quán tính có thể đo trực tiếp gia tốc theo một hoặc nhiều trục Con quay hồi chuyển là cảm biến tốc độ, đo trực tiếp vận tốc góc Trong ghi đo dáng đi, việc kết hợp với con quay hồi chuyển có tác dụng làm tăng thêm tiện ích của gia tốc kế Phương pháp này có thể ghi dữ liệu đo liên tục trong khoảng thời gian dài
Nhìn chung, tất cả những phương pháp trên đều có độ nhạy cao và đưa ra kết quả Theo dõi đáng tin cậy Tuy nhiên, các tấm đo lực thường có kích thước vừa hoặc tương đối nhỏ Việc sử dụng các tấm lực trong Theo dõi dáng đi thường gặp phải một số hạn chế như: vị trí đặt chân không đủ rộng, các yếu tố tâm lý ảnh hưởng có thể gây ra các kết quả sai lệch trong quá trình kiểm tra Tín hiệu điện cơ thường bị ảnh hưởng bởi nhiễu do một số nguyên nhân như: sự tương tác giữa các nhóm cơ, nhiễu điện từ có nguồn gốc từ các thiết bị bên ngoài, hoặc nhiễu từ các thiết bị khuếch đại tín hiệu Việc xử lý tín hiệu điện cơ sau khi đo được cũng là một trong những vấn đề cần được lưu ý trong Theo dõi dáng đi Việc dán các điện cực của điện kế vào da thường không phù hợp khi quá trình đo kéo dài Để Theo
21 dõi dáng đi trong thời gian dài, cần phải sử dụng các móc hoặc dây buộc vòng để cố định điện kế Các phụ kiện này có thể gây khó chịu cho bệnh nhân, làm ảnh hưởng tới quá trình thực hiện chuyển động Sử dụng chụp chuyển động trong Theo dõi dáng đi có ưu điểm đáng kể như: có thể ghi lại những chuyển động phức tạp với chất lượng tốt nhất; không yêu cầu gắn các thiết bị đo lường trên cơ thể, cho phép Theo dõi dữ liệu trong thời gian dài và không gây tâm lý khó chịu cho người thực hiện Tuy nhiên, hệ thống chụp chuyển động thường yêu cầu các thiết bị chuyên dụng, có giá thành cao
THIẾT KẾ
Mục tiêu
Để thiết kế một thiết bị phù hợp, tôi đã nghiên cứu các yêu cầu của thiết bị: Đầu tiên, thiết bị có thể sử dụng tại nhà mà có thể không cần sự trợ giúp từ các y bác sỹ Để đạt được điều đó thì thiết bị phải được thiết kế thật gọn nhẹ, dễ dàng lắp đặt và hoạt động một cách ổn định
Thứ hai, thiết bị cần phải có khả năng đo đạc và lưu trữ dữ liệu Thiết bị sử dụng cảm biến gia tốc để đo đạc mang lại độ chính xác cao, ngoài ra phải có khả năng lưu trữ được dữ liệu và có thể kết nối với ứng dụng/ phần mềm trên máy tính để có thể theo dõi được chuyển biến của tình trạng bệnh nhân
Thứ ba, lượng dữ liệu được lưu trữ có khả năng theo dõi từ xa giúp cho các bác sỹ có thể theo dõi, đánh giá được tình trạng bệnh nhân
Từ đó, tôi tìm ra các tiêu chí đáp ứng và thiết kế nên hệ thống
Yêu cầu
Sau khi xác định được các mục tiêu cần có, thiết bị cần phải có các tính năng cơ bản giúp đáp ứng được các yêu cầu của các bác sĩ điều trị như thu thập các dữ
26 liệu cần thiết mà từ đó có thể tính toán được tình trạng hiện tại của bệnh nhân như: góc vận động, truyền và lưu trữ dữ liệu
Thiết bị sẽ được thiết kế gọn, nhẹ và tiện sử dụng; có độ tin cậy cao và thời lượng sử dụng đáp ứng với các bài tập của bệnh nhân
Thiết bị được thiết kế sẽ có các chức năng như: chức năng đo: Có thể đo và lưu trữ dữ liệu các góc chuyển động khác nhau:
Sau khi đo đạc, thiết bị có thể kết nối và truyền tải dữ liệu thông qua các thiết bị có sử dụng Wifi của bác sĩ (hoặc bệnh nhân) để có thể theo dõi từ xa
Ngoài ra, thiết bị còn tích hợp chức năng đếm giúp cho việc đếm số bài tập phù hợp mà bệnh nhân đã thực hiện, từ đó có thể kiểm tra tình hình tiến triển của bệnh nhân
• Thiết kế nhẹ, nhỏ gọn, dễ đeo
• Độ tin cậy, ổn định, thời gian đáp ứng
• Dây đeo mềm mại, tạo cảm giác thoải mái khi đeo
Lên ý tưởng thiết kế ban đầu
Trong sơ đồ này, cảm biến được kết nối với bộ vi điều khiển cũng là mô-đun Wi-Fi, dữ liệu của cảm biến sẽ được truyền qua sóng Wi-Fi phát ra từ modem Wi-
Fi cổng và được lưu trữ trong nền tảng ứng dụng có thể được cài đặt trong điện thoại thông minh
Cảm biến để có thể thu nhận được sự chuyển động của cơ thể sẽ là các loại cảm biến gia tốc, cảm biến trọng trường để có thể xác định được các thông số chuyển động cũng như vị trí trong không gian.
Thiết kế và xây dựng nguyên mẫu
3.3.1 Lựa chọn thành phần: a Lựa chọn vi điều khiển phù hợp giữa 2 module Wi-Fi ESP8266 và ESP32
Có nhiều loại vi điều khiển khác nhau trong thực tế nhưng để lựa chọn phù hợp với các loại cảm biến đã có thì các mô đun vi điều khiển có thể được lựa chọn là 2 mô đun ESP8266 và ESP32
Bảng 3.1 Lựa chọn vi điều khiển
Vi điều khiển Thuận lợi Nhược điểm
Có thể tích hợp tín hiệu Bluetooth
Giá thành cao Cung cấp thêm GPIO
Dễ dàng tích hợp với các cảm biến và ứng dụng
Không có kết nối Bluetooth
Tích hợp cao trên chip Ít GPIO hơn
Chứa tần số vô tuyến tự hiệu chỉnh (RF)
Thông số yếu hơn ESP32
Tóm lại, ESP32 tốt hơn ESP8266 về chức năng, nhưng tôi quyết định chọn ESP8266 vì đơn giản hơn để tích hợp với các cảm biến và ứng dụng b Lựa chọn cảm biến
MPU6050, GY-521 và ADXL345 đều là các loại cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như robot, máy bay không người lái và bộ điều khiển trò chơi
• MPU6050: Đây là cảm biến 6 trục bao gồm gia tốc kế 3 trục và con quay hồi chuyển 3 trục Nó có bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số có thể lập trình (DMP) có thể thực hiện các phép tính phức tạp trên dữ liệu cảm biến, giảm tải cho bộ vi xử lý Nó cũng có cảm biến nhiệt độ tích hợp và có thể giao tiếp với bộ xử lý chủ bằng giao diện I2C hoặc SPI MPU6050 được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, chẳng hạn như ổn định chuyến bay của máy bay không người lái
• GY-521: Đây là bảng mạch đa chức năng dành cho cảm biến MPU6050, có nghĩa là nó bao gồm các thành phần bổ sung giúp sử dụng dễ dàng hơn GY-
521 cũng có bộ điều chỉnh điện áp trên bo mạch và bộ chuyển mức để tương thích với hệ thống 3,3V hoặc 5V
• ADXL345: Đây là cảm biến gia tốc 3 trục đo gia tốc trong phạm vi +/- 2g, +/- 4g hoặc +/- 16g Nó có độ phân giải cao (13-bit) và có thể giao tiếp với bộ xử lý chủ bằng giao diện I2C hoặc SPI Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu phát hiện chuyển động hoặc giám sát hoạt động
Từ những yêu cầu cụ thể của dự án, tôi quyết định chọn MPU-6050 dựa trên những lý do dưới đây:
• Độ chính xác: Nó có bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 16 bit tích hợp để đo chính xác dữ liệu gia tốc và con quay hồi chuyển
• Tốc độ lấy mẫu: Tốc độ lấy mẫu của cảm biến xác định tần suất thực hiện phép đo MPU6050 có tốc độ lấy mẫu lên tới 1 kHz, cao hơn ADXL345 (3200 Hz) và GY-521 (800 Hz)
• Phản ứng tổng hợp cảm biến tích hợp: MPU6050 có Bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số (DMP) tích hợp có thể thực hiện phản ứng tổng hợp cảm biến để kết hợp dữ liệu từ gia tốc kế và con quay hồi chuyển
• Cách sử dụng: MPU6050 có thể phức tạp hơn trong việc thiết lập và sử dụng nhưng nó cung cấp nhiều tính năng nâng cao hơn c LCD
Màn hình LCD 16x2 là lựa chọn phổ biến cho nhiều dự án điện tử do đơn giản và linh hoạt:
• Màn hình hiển thị rõ ràng, dễ đọc: Màn hình LCD 16x2 được thiết kế hiển thị 16 ký tự trên mỗi dòng với 2 dòng, giúp dễ dàng đọc và hiển thị các thông tin quan trọng
• Tiêu thụ điện năng thấp: Màn hình LCD 16x2 được thiết kế để sử dụng rất ít năng lượng, điều này lý tưởng cho các dự án chạy bằng pin hoặc các nguồn năng lượng thấp khác
• Nhiều loại bộ vi điều khiển tương thích: Màn hình LCD 16x2 tương thích với nhiều loại bộ vi điều khiển, bao gồm Arduino, Raspberry Pi và nhiều loại khác
• Tính sẵn có của các thư viện: Có rất nhiều thư viện có sẵn cho màn hình LCD 16x2, giúp dễ dàng giao tiếp với bộ vi điều khiển và hiển thị dữ liệu
• Tính linh hoạt: Màn hình LCD 16x2 có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm hiển thị số đọc cảm biến, điều hướng menu và ghi dữ liệu
• Tiết kiệm chi phí: Màn hình LCD 16x2 là một lựa chọn rất hợp lý để hiển thị thông tin trong dự án này, giúp những người có sở thích và sinh viên có thể truy cập được d Loa báo
Bộ loa 5V là một loại thiết bị báo hiệu âm thanh tạo ra âm thanh khi có tín hiệu điện cấp vào nó:
• Điện áp: Bộ loa 5V hoạt động bằng nguồn điện áp DC 5V, thường được sử dụng trong nhiều dự án điện tử và tương thích với hầu hết các bộ vi điều khiển
• Đầu ra âm thanh: Bộ loa 5V thường tạo ra âm thanh to và rõ, có thể hữu ích cho việc phát tín hiệu cảnh báo hoặc báo động trong dự án
Kiểm tra và xác nhận
Gắn cảm biến MPU6050 vào chân bệnh nhân bằng dây đeo hoặc băng dính Đảm bảo cảm biến được gắn chắc chắn và thẳng hàng với khớp gối của bệnh nhân
Hiệu chỉnh cảm biến bằng cách đặt chân ở vị trí cân bằng và đặt lại số đo góc về 0
Hướng dẫn bệnh nhân thực hiện bài tập duỗi chân bằng cách duỗi thẳng chân và nâng chân lên phạm vi góc định trước, tôi đặt 3 mức góc để kiểm tra độ chính xác của hệ thống:
35 Theo dõi góc đầu gối bằng cảm biến
MPU6050 và hiển thị trên màn hình LCD theo thời gian thực
Cung cấp phản hồi cho bệnh nhân dựa trên hiệu suất của họ Ví dụ: chúng ta có thể sử dụng ứng dụng Blynk để hiển thị biểu đồ góc đầu gối theo thời gian, đặt góc mục tiêu để bệnh nhân tiếp cận và cung cấp tín hiệu âm thanh hoặc hình ảnh khi họ đạt hoặc vượt quá góc mục tiêu
Lưu trữ dữ liệu bài tập trong ứng dụng
Blynk để phân tích và theo dõi sau này
Như trên hình 19, vị trí cảm biến được gắn ở một bên hông chân của người thí nghiệm
Dữ liệu khi đó được chuyển về hệ thống thông qua Blynk để người dử dụng có thể theo dõi được Hình 20, chỉ ra vị chí của cảm biến khi chân người di chuyển, khi đó các dữ liệu đã chỉ ra sự thay đổi và truyền được về hệ thống Với việc sử dụng cảm biến MPU6050 này cho phép chúng ta có thể theo dõi được quá trình chuyển động chân của bệnh nhân hoặc người làm thí nghiệm Nếu vị trí cảm biến đặt tại ví trí khác như tay, đầu cổ,… thì cũng cho phép chúng ta ghi được các thông số chuyển động của cảm biến
Hình 3.11 Góc đầu gối Hình 3.10 Vị trí trung lập
Khi sử dụng thiết bị gắn vào bộ phận cần kiểm tra (khớp tay hoặc khớp chân), khi bệnh nhân thực hiện bài kiểm tra, thiết bị sẽ gửi dữ liệu về phần mềm trên máy tính và phần mềm sẽ tự động ghi lại dữ liệu và đưa ra đồ thị thể hiện trạng thái của bệnh nhân
Ngoài ra, bác sĩ cũng có thể tuỳ chọn xuất dữ liệu để có thể phục vụ cho mục đích nghiên cứu sau này
Dữ liệu thu thập được thể hiện như sau:
Bảng 3.2 Dữ liệu thu thập
Hình 3.12 Giao diện phần mềm
Ta có thể thấy, tuy vẫn có sai số nhưng điều này chứng minh tính khả thi của việc sử dụng cảm biến MPU-6050 và bộ vi điều khiển ESP8266 để đo góc đầu gối trong bài tập duỗi chân ở bệnh nhân đột quỵ và nghiên cứu khả năng sử dụng thiết lập này trong việc theo dõi tiến triển của bệnh nhân đột quỵ trong quá trình phục hồi chức năng Kết quả của thí nghiệm này có thể góp phần phát triển các công cụ đo lường chính xác và đáng tin cậy hơn để theo dõi quá trình phục hồi chức năng của bệnh nhân đột quỵ Điều quan trọng cần lưu ý là việc sử dụng một cảm biến duy nhất để theo dõi góc đầu gối trong khi tập luyện có thể không cung cấp số đo chính xác nhất vì có thể xảy ra lỗi do cảm biến bị lệch hoặc chuyển động của cảm biến trên chân Tuy nhiên, nó có thể là một phương pháp tiết kiệm chi phí và di động, cung cấp thông tin hữu ích để theo dõi góc đầu gối trong quá trình tập luyện hoặc phục hồi chức năng