Nâng cấp đánh giá thiết bị phục hồi chức năng chi trên tại bệnh viện 198

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  LÊ MINH HOÀN NÂNG CẤP ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CHI TRÊN TẠI BỆNH VIỆN 198 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH Hà Nội - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  LÊ MINH HOÀN NÂNG CẤP ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CHI TRÊN TẠI BỆNH VIỆN 198 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT Y SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN Hà Nội - 2019 Mục Lục LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ,CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH SÁCH BẢNG BIỂU DANH SÁCH HÌNH VẼ PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 10 1.1 Phục hồi chức 10 1.1.1 Vai trò phục hồi chức năngtrong hệ thống chăm sóc sức khỏe 10 1.1.2 Định nghĩa phục hồi chức 10 1.1.3 Mục đích phục hồi chức 12 1.2 Nhu cầu thực tế 13 1.3 Xây dựng đề tài nghiên cứu 15 CHƯƠNG II LÝ THUYẾT GIẢI PHẪU CHI TRÊN 16 2.1 Lý thuyết giải phẫu hệ chi 16 2.1.1 Cơ vùng nách 16 2.1.2 Cơ vùng cánh tay 18 2.1.3 Cơ vùng cẳng tay 19 2.1.4 Các bàn tay 20 2.2 Xương khớp chi 20 2.2.1 Tổng quan 20 2.2.2 Phức hợp khớp vai 21 2.2.3 Phức hợp cánh tay cẳng tay 22 2.2.4 Phức hợp cổ tay bàn tay 26 2.3 Bài tập phục hồi chức 30 2.3.1 Khái niệm chuỗi chuyển động 30 2.3.2 Tập vận động tư nằm – tập vận động thụ động cho chi 31 2.4 Kết Luận 36 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ VÀ NÂNG CẤP THIẾT KẾ CƠ KHÍ 37 3.1 Thiết kế khí cũ 37 3.1.1 Thiết kế khung khí 37 3.1.2 Ý tưởng ban đầu 41 3.1.3 Truyền chuyển động 43 3.2 Sản phẩm thiết kế cũ 45 3.3 Đánh giá thiết kế cũ 46 3.4 Thiết kế khí thiết bị 47 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ, NÂNG CẤP MẠCH ĐIỀU KHIỂN 50 4.1 Mạch Điều Khiển Cũ 50 4.1.1 Khối nguồn 50 4.1.2 Động 50 4.1.3 Sơ đồ nguyên lý thiết bị cũ 55 4.2 Đánh giá thiết kế mạch điện tử 58 4.3 Thiết kế mạch điều khiển 59 4.3.1 Khối bàn phím hiển thị 60 4.3.2 Khối điều khiển động 62 a.Khối vi xử lý 64 b Khối nguồn khối RS232 67 c Khối điều khiển động cảm biến góc encoder 68 4.3.3 Thiết kế mạch in 69 CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 73 5.1 Thử nghiệm hệ thống 73 5.2 Kết luận 76 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, tất số liệu kết nghiên cứu luận văn tơi nghiên cứu, số liệu hồn tồn trung thực, không trùng lặp với đề tài khác chưa sử dụng để bảo vệ luận văn Tôi xin cam đoan thông tin, số liệu trích dẫn luận văn xác rõ nguồn gốc, giúp đỡ, tạo điều kiện cho việc thực luận văn cảm ơn! DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ,CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT TÊN VIẾT TẮT TÊN ĐẦY ĐỦ VĐK VI ĐIỀU KHIỂN PIC Programmable Intelligent Computer AVR Advanced Virtual RISC ADC Analog digital convert V Volt A Ampe C Celsius CPU Central Processing Unit PWM Pulse-width modulation 10 ADC Analog digital convert 11 UART Universal Asinchonus Receiver Transmitter 12 SPI Serial Peripheral Interface 13 I/O Inpu/output 14 ALU Arithmetic and logic unit 15 RAM Random Access Memory 16 DRAM Dynamic RAM 17 ROM Read-only memory 18 EEPROM Electrically Erasable Programmable Memory 19 R Resistor 20 RTD Regional Transportation District 21 JTAG Joint Test Action Group 22 R/W Read/Write 23 RS Register Select 24 EN Enable 25 ms Mili second 26 W Watt Read-Only 27 PCB Printed circuit board 28 I2C Inter-Intergrated Circuit 29 NTC National Telecommunications Conference 30 LCD Liquid Crystal Display 31 ASCII American Standard Code for Information Interchange 32 LED Light Emitting Diode 33 VCC Voltage Controlled Clock 34 GND Ground 35 PD1 PortD 36 MHZ Megahertz 37 K Kilo 38 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers 39 ADN Axit Deoxiribo Nucleic 40 ARN Axit ribonucleic 41 GIFR General Interrupt Flag Register 42 MCUCR MCU Control Register 43 GICR General Interrupt Control Register 44 NO Nomal open 45 NC Normal close 46 C Common 47 TIMSK Timer/Counter Interrupt Mask Register 48 TCNT Timer/Counter Register 50 PID Proportional Integral Derivative 51 PHCN Phục hồi chức 52 TƯQĐ Trung ương quân đội 53 TVĐ Tầm Vận Động 54 CPM Continuous Passive Motion 55 MCP Metacarpophalangeal DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng Thông số kỹ thuật động STEPSYN 54 Bảng Các họ vi điều khiển có thị trường 64 Bảng Kết thực nghiệm không tải…………………….……………………75 Bảng Kết chạy có tải 76 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1 Buổi tập phục hồi chức bệnh viện 198 11 Hình Thiết bị Kinetec 6080 Elbow CPM 14 Hình Các vùng nách……………………………………………………… 16 Hình 2 Cơ vùng cánh tay .18 Hình 3: Cơ vùng cẳng tay .19 Hình 4: Xương chi 20 Hình 5: Tầm vận động khuỷu 23 Hình 6: Góc mang 24 Hình 7: Tầm vận động khớp cẳng tay 24 Hình 8: Ví dụ vặn chặt ốc .25 Hình 9: Gấp cánh tay 25 Hình 10: Phân tích trạng thái cánh tay 26 Hình 11: Duỗi cánh tay 26 Hình 12: Xương cổ tay bàn tay 27 Hình 13: Khớp cổ tay 27 Hình 14: Tầm vận động cổ tay 28 Hình 15: Hoạt động cổ - bàn tay 29 Hình 16: Hoạt động ngón 30 Hình 17: Tập gấp 32 Hình 18: Tập dạng khép 32 Hình 19: Tập xoay 33 Hình 20: Tập động tác nâng duỗi khớp vai 33 Hình 21: Tập vận động khớp khuỷu .34 Hình 22: Tập sấp ngửa cẳng tay 34 Hình 23: Tập vận động khớp cổ tay 34 Hình 24: Tập nghiêng trụ nghiêng quay 35 Hình 25: Tập gấp duỗi 35 Hình 26: Tập dạng khép 35 Hình 27: Tập gấp duỗi khớp ngón 36 Hình 28: Tập đối chiếu ngón với ngón khác .36 Hình Chọn loại vẽ ……………………………………………………… 38 Hình Chọn mặt phẳng 2D 38 Hình 3 Bản vẽ 2D 39 Hình Dựng mơ hình 3D 39 Hình Chọn bề dày cho vật thể 39 Hình Vật thể tạo thành 40 Hình Chọn vẽ tháo lắp 40 Hình Chọn đường dẫn đến chi tiết vẽ .41 Hình Ý tưởng ban đầu 41 Hình 10 Hồn thiện ý tưởng đợt 42 Hình 11 Hồn thiện ý tưởng đợt 42 Hình 12 Thiết kế khí hồn thiện thiết bị cũ .43 Hình 13 Cơ cấu vitme 43 Hình 14 Nguyên lý hoạt động vitme 44 Hình 15 Sản phẩm thực tế .45 Hình 16 Cấu tạo thiết bị cũ 45 Hình 17 Thiết kế khí thiết bị .47 Hình 18 Phối cảnh 3D thiết bị .48 Hình 19 Bản vẽ thiết kế thiết bị .49 Hình Sơ đồ khối mạch điều khiển thiết bị cũ………………………………….50 Hình Sơ đồ điều khiển động bước 51 Hình Điều khiển động bước 52 Hình 4 Điều khiển góc 53 Hình Động bước dùng luận văn 54 Hình Tính tốn lực .55 Hình Sơ đồ nguyên lý thiết bị cũ .56 Hình Lưu đồ thuật tốn điều khiển động 57 a.Khối vi xử lý Vi điều khiển coi khối quan trọng thiết bị Nó cho phép nhận tín hiệu điều khiển, thực điều khiển theo yêu cầu người thiết kế, đồng thời, với dung lượng nhớ đủ lớn phù hợp với chức năng, cho phép vi điều khiển tham gia xử lý số loại liệu khác Hiện nay, có nhiều loại vi điều khiển thị trường dòng vi điều khiển ATMEL, TI, NXP, ADI, Microchip,….Mỗi loại có đặc điểm riêng khác biệt số chân, dung lượng nhớ, khả hỗ trợ giao tiếp,…Bảng số họ vi điều khiển khác có thị trường Bảng Các họ vi điều khiển có thị trường STT Vi điều khiển đặc trưng Hãng sản xuất Vi điều khiển 8051 Intel Vi điều khiển AVR Atmel Vi điều khiển PIC Mcrochip Vi điều khiển MSP430 TI Tuy nhiên, thực tế cung cấp linh kiện phục vụ trình nghiên cứu loại vi điều khiển họ PIC Microchip AVR ATMEL hai loại linh kiện phổ biến thị trường, đồng thời dễ mua nhất, thời gian mua linh kiện nhanh giá của loại vi điều khiển tương đối hợp lý Để thuận tiện trình thực thiết kế, thiết kế chủ yếu sử dụng vi điều khiển AVR ATMEL AVR họ vi điều khiển hãng Atmel sản xuất AVR chip vi điều khiển bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC(Reduced Instruction Set Computer), kiểu cấu trúc thể ưu xử lí Việc ứng dụng công nghệ số, sử dụng vi điều khiển việc thiết kế chế tạo khởi động mềm hoàn toàn phù hợp với điều kiện thực tế xu chung Sử dụng công nghệ số thiết kế, chế tạo khởi động mềm giúp ta dễ dàng tạo dáng đường đặc tính 64 khởi động theo ý muốn mà mạch điều khiển tương tự để làm việc gặp nhiều khó khăn Hình 17 Vi điều khiển Atmega 128 Trong thiết kế nâng cấp lựa chọn vi điều khiển Atmega 128 với tính sau: Những Tính Năng Chính Của ATmega128: - ROM : 128 Kbytes - SRAM: 4Kbytes - EEPROM : 4Kbytes - 64 ghi I/O - 160 ghi vào mở rộng - 32 ghi đa mục đích - định thời bit (0,2) - định thời 16 bit (1,3) - Bộ định thời watchdog - Bộ dao động nội RC tần số MHz, MHz, MHz, MHz - ADC kênh với độ phân giải 10 bit (Ở dòng Xmega lên tới 12 bit ) - kênh PWM bit - kênh PWM lập trình thay đổi độ phân giải từ tới 16 bit 65 - Bộ so sánh tương tự lựa chọn ngõ vào - Hai khối USART lập trình - Khối truyền nhận nối tiếp SPI - Khối giao tiếp nối tiếp dây TWI - Hỗ trợ boot loader - chế độ tiết kiệm lượng - Lựa chọn tần số hoạt động phần mềm - Đóng gói 64 chân kiểu TQFP - Tần số tối đa 16MHz - Điện áp : 4.5v - 5.5v Vi điều khiển Atmega 128 chọn vi điều khiển trung tâm cấu trúc vi điều khiển mạnh Tốc độ xử lý vi điều khiển đủ lớn để đảm bảo thơng số thiết bị Mạch ngun lý khối vi điều khiển hình Hình 18 Khối vi xử lý 66 b Khối nguồn khối RS232 Khối nguồn thiết kế đơn giản Khối nguồn ở ta sử dụng Ic 7805 để tạo nguồn điện +5VDC họ IC LM2576 để tạo điện áp +12VDC để cung cấp điện áp cho toàn mạch điều khiển Khối RS232 ở khối điều khiển động ta sử dụng IC MAX232 để nhận tín hiệu từ khối bàn phím hiển thị Hình 19 Khối nguồn RS232 67 c Khối điều khiển động cảm biến góc encoder Hình 20 Khối điều khiển động cảm biến góc Điều khiển động bước ở sử dụng IC TL521 Đây họ Ic cách ly quang ( Opto) Hình 21 Cách ly quang TLP521 68 Opto hay gọi cách ly quang linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm led photo diot hay photo transitor Được sử dụng đẻ ly khối chênh lệch điện hay cơng suất nhu khối có cơng suất nhỏ với khối điện áp lớn Hình 22 Cấu tạo Opto Nguyên lý hoạt động: Khi có dịng nhỏ di qua đầu led có opto làm cho led phát sáng Khi led phát sáng làm thơng cực photo diot, mở cho dịng điện chạy qua Tác dụng: Cách ly điều khiển hai tầng mạch điện khác Với sơ đồ ứng dụng cung cấp 5V vào chân số 1, LED phía Opto nối chân số sáng, xảy hiệu ứng quang điện dẫn đến 3-4 thông,mức logic bị chuyển từ sang mà không cần tác động trực tiếp từ IC 4.3.3 Thiết kế mạch in Mạch in thiết kế phần mềm Altium Phần mềm thiết kế mạch tự động Altium Designer môi trường thiết kế điện tử đồng nhất, tích hợp thiết kế nguyên lý, thiết kế mạch in PCB, lập trình hệ thống nhúng FPGA Các điểm đặc trưng Altium Designer : Giao diện thiết kế, quản lý chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên cho tài liệu thiết kế 69 Hình 23 Phần mềm thiết kế mạch tự động Altium Designer Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, dây tự động theo thuật toán tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ việc tìm giải pháp thiết kế chỉnh sửa mạch, linh kiện, netlist có sẵn từ trước theo tham số Mở, xem in file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ thông tin linh kiện, netlist, liệu vẽ, kích thước, số lượng… Hệ thống thư viện linh kiện phong phú, chi tiết hoàn chỉnh bao gồm tất linh kiện nhúng, số, tương tự… Đặt sửa đối tượng lớp khí, định nghĩa luật thiết kế, tùy chỉnh lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện PCB Mơ mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực không gian chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mơ hình STEP, kiểm tra khoảng cách cách điện, cấu hình cho 2D 3D Hỗ trợ thiết kế PCB sang FPGA ngược lại Từ mạch nguyên lý sử dụng phần mềm altium để xuất mạch in hình 70 Hình 24 Sơ đồ mạch in bo mạch bàn phím hiển thị hình ảnh mạch thực tế Hình 25 Sơ đồ mạch in bo mạch điều khiển động thiết kế Phần mềm Altium Designer 71 Hình 26 Hình ảnh mạch thực tế bo mạch điều khiển 72 CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 5.1 Thử nghiệm hệ thống Do hệ thống chưa đặt phần khí, nên phần thử nghiệm, hệ thống thử nghiệm chủ yếu tập trung vào đánh giá khả di chuyển động hoạt động mạch điều khiển.Trên hình 5.1 mạch điều khiển mạch hiển thị thiết bị Hình Mạch điều khiển mạch hiển thị Màn hình hiển thị thiết bị sử dụng LCD 20x4 để hiển thị nội dung thời gian chạy, tốc độ, giới hạn cài đặt,thời gian dừng Hình Màn hình hiển thị thiết bị 73 Trong luận văn ta đánh giá qua thiết bị phục hồi chức chi thiết kế cũ.Mơ hình thí nghiệm chia làm giai đoạn chạy có tải khơng tải Trước hết ta ghép nối thành phần để thực thử nghiệm hệ thống gồm động bước, nguồn 12v, mạch diều khiển thiết bị cũ hình 5.3 Hình Ghép nối thực thử nghiệm hệ thống Mơ hình thử nghiệm thực sau: Cài đặt giá trị góc, thời gian, tốc độ cho thiết bị chạy khơng có tải Sau sử dụng thước đo góc 180 độ để xác định lại độ xác góc mà ta cài đặt Hình Thước đo góc 180 độ Kết thực nghiệm bảng sau 74 Bảng Kết thực nghiệm khơng tải Góc đặt Góc quay thực tế 10 10 20 20 30 30 Nhận xét: Dựa vào kết đo thực nghiệm bảng 5.1 ta thấy độ xác q trình điều khiển động chạy không tải 100% - Chạy thực nghiệm có tải Vẫn sử dụng mơ hình sử dụng có tải cách đặt tay lên để sử dụng Hình 5 Thực chạy có tải 75 Kết thực nghiệm thể bảng 5.2 Bảng Kết chạy có tải Góc đặt Góc quay thực tế 10 10 20 20 30 31 5.2 Kết luận Qua kết thực nghiệm ta thấy chức hoạt động sản phẩm hoạt động tương đối tốt Góc cài đặt xác Hướng phát triển đề tài: Đề tài phát triển cách chọn vật liệu tốt hơn, thiết kế thêm tính khác xoay cánh tay cách xoay tay nắm thiết kế ở nước ngồi Để áp dụng vào thực tiễn đề tài cần thêm thời gian hỗ trợ kinh phí chất xám 76 KẾT LUẬN Trong luận văn này, tơi trình bày tồn thiết kế thiết bị phục hồi chức chi bao gồm thiết kế thiết bị cũ thiết kế nâng cấp Thiết bị chuyển động linh hoạt theo chuyển động gập cánh tay cẳng tay.Tơi đánh giá đề tài khó mới, có nhiều vấn đề tơi chưa có kinh nghiệm Tuy nhiên làm việc nghiêm túc mặt cảm thấy hài lịng với làm Với việc hạn chế thời gian thiết bị chưa hoàn thành sản phẩm khí Tơi mong muốn hồn thành sản phẩm khí để có sản phẩm hồn chỉnh phục vụ hoạt động phục hồi chức bệnh viện 198 nơi công tác Đề tài chế tạo thiết bị phục hồi chức thiết thực Tuy nhiên so với yêu cầu thực tế đề tài khả phát triển tơi làm khơng q lớn Tuy chúng tơi hi vọng giúp ích cho bạn muốn tìm hiểu phát triển thêm đề tài Mặc dù kiến thức giới hạn tơi sẵn lịng trao đổi thêm với bạn quan tâm Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn GS.TS Nguyễn Đức Thuận tận tình giúp đỡ tơi hồn thành luận văn 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Donnan GA, Fisher M, Macleod M, Davis SM Stroke.The Lancet 2008;371:1612–23 Annual Report 2009 Stroke Foundation of New Zealand Inc., 2010 [2] Teasell RW, Kalra L What’s new in stroke rehabilitation Stroke 2004;35: 383–5 [3] Huang motor VS, learning Krakauer perspective JW Robotic Journal of neurorehabilitation: NeuroEngineering a computational and Rehabilitation 2009:6 [4] Hogan N, Krebs HI, Charnnarong J, Srikrishna P, Sharon A MIT-MANUS: a workstation for manual therapy and training I In: IEEE international workshop on robot and human communication 1992 p 161–5 [5] Krebs HI, Palazzolo JJ, Dipietro L, Ferraro M, Krol J, Rannekleiv K, et al Rehabilitation robotics: performance-based progressive robot-assisted therapy Autonomous Robots 2003;15:7–20 [6] Burgar CG, Lum PS, Shor PC, Van Der Loos HFM Development of robots for rehabilitation therapy: the Palo Alto VA/Stanford experience Journal of Rehabilitation Research and Development 2000;37:663–73 [7] Loureiro R, Amirabdollahian F, Topping M, Driessen B, Harwin W Upper limb robot mediated stroke therapy—GENTLE/s approach Autonomous Robots 2003;15:35–51 [8] L Diller Post-stroke rehabilitation practice guidelines International handbook of neuropsychological rehabilitation Critical issues in neurorehabilitation New York: Plenum, pages 167-82, 2000 78 ... đó, tơi nghiên cứu đề tài: Nâng cấp đánh giá thiết bị phục hồi chức chi bệnh viện 198 Mục đích đề tài: Nghiên cứu cấu tạo chi người , chuyên ngành phục hồi chức thiết bị cũ chế tạo trước đó, từ... phục hồi chức năng, mục đích yêu cầu đặt với thiết bị cần chế tạo nâng cấp luận văn Đồng thời giới thiệu số thiết bị phục hồi chức chi có mặt thị trường 1.1 Phục hồi chức 1.1.1 Vai trò phục hồi. .. chi phí dựa thiết kế thiết bị cũ Để làm điều ta cần giải vấn đề sau:  Tìm hiểu lý thuyết giải phẫu chi  Phân tích đánh giá thiết kế khí thiết bị phục hồi chức cũ  Thiết kế nâng cấp thiết bị