7. Bố cục chung của luận án
1.3 Tiềm năng ứng dụng cảm biến IMU tron gy tế
1.3.1 Giới thiệu
Tính năng nhận biết và phân tích chuyển động dựa trên cảm biến IMU đã trở nên phổ biến trong các thiết bị điện tử dân dụng cũng như cơng nghiệp. Có rất nhiều ứng dụng về chẩn đốn và đo đạc y tế có thể khai thác các lợi thế từ việc kết hợp độ
chính xác của các thiết bị cơng nghiệp với tính cơ động và kinh tế của các thiết bị dân dụng [23], [24].
Đôi khi, khả năng nhận biết chuyển động của các hệ thống sử dụng trong lĩnh vực y tế cũng tương đương các hệ thống quân sự cao cấp. Ví dụ như hoạt động định hướng chính xác, thường xuất hiện trong các ứng dụng cho phương tiện đường bộ, đường không và đường biển, đang dần được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng y tế từ dụng cụ phẫu thuật tới sử dụng robot. Tuy nhiên, cho dù các yêu cầu về thiết kế cho hệ thống định hướng trong phẫu thuật và cho các hệ thống định hướng truyền thống trong các khí tài qn sự có nhiều điểm tương đồng, thì vẫn có những u cầu đặc biệt khác phát sinh từ điều kiện hoạt động và khả năng vận hành trong môi trường y tế.
Bảng 1.3 Ứng dụng IMU trong y tế (nguồn [23], [24])
Loại cảm biến Các ứng dụng
Gia tốc / Vị trí Hỗ trợ hô hấp nhân tạo Giám sát hoạt động Giám sát hồi đáp sinh học
Độ nghiêng
Phát hiện bệnh nhân ngã
Giám sát tư thế của giường bệnh hay của bệnh nhân Giám sát độ nghiêng của đầu và cổ bệnh nhân cùng với hệ thống ống thở, ống truyền dinh dưỡng để tránh tắc nghẽn Giám sát huyết áp
Thiết bị chụp hình
Góc / Tốc độ góc Máy quétDụng cụ phẫu thuật cơ bản Bộ phận cơ thể giả
Giao động Phát hiện rung giúp điều khiển kích thích não để cắt cơn rung cho các bệnh nhân Parkinson Giám sát hao mòn thiết bị
Chấn động Bảo hành thiết bị giá trị cao Liên hợp cảm
biến
Định hướng chính xác trong phẫu thuật Chẩn đoán từ xa
Ngày nay, các cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc được chế tạo bằng cơng nghệ MEMS và có mặt trong rất nhiều loại thiết bị điện, điện tử. Những cảm biến dựa trên cơ chế qn tính, tiêu thụ ít điện năng, và có kích cỡ nhỏ như thế này rất có ích đối với bất kỳ ứng dụng nào có liên quan tới chuyển động, và thậm chí với những ứng dụng mà sự bất động là điều tối quan trọng. Bảng 1.3 liệt kê một số
ứng dụng y tế cụ thể sử dụng cảm biến IMU [23], [24].
1.3.2 Ưu thế của IMU trong y tế
Việc sử dụng các cảm biến IMU để hỗ trợ cho hoạt động ước lượng chuyển động đã trở nên rất phổ biến. Thông thường, cảm biến IMU được dùng kèm với các thiết bị định hướng khác như GPS. Do hệ thống GPS hoạt động dựa vào kết nối với các vệ tinh trên quỹ đạo nên khi kết nối này khơng ổn định thì các cảm biến IMU sẽ được sử dụng để tiếp tục định vị. Các loại cảm biến khác như camera và cảm biến từ trường cũng có thể được dùng, tùy theo mục tiêu về hiệu năng hay điều kiện mơi trường. Mỗi loại cảm biến đều có những ưu và nhược điểm riêng. Lúc này cảm biến IMU có thể nâng cao độ chính xác của các loại cảm biến khác do không bị ảnh hưởng bởi cùng một loại nhiễu. Ngoài ra cảm biến IMU có khả năng hoạt động độc lập dựa vào qn tính mà khơng cần đến các hạ tầng bên ngoài như vệ tinh, từ trường, hay camera. Các kiểu cảm biến chuyển động chính cùng với điểm mạnh, các hạn chế và khả năng ứng dụng trong y tế được liệt kê trong Bảng 1.4.
Trong khi định vị dùng GPS có khả năng bị mất liên lạc vệ tinh và định vị dùng camera trong y tế cũng có khả năng bị chắn tầm nhìn thì các định vị dùng cảm biến IMU có khả năng định vị độc lập. Như vậy, cảm biến IMU có tiềm năng ứng dụng lớn hơn các loại cảm biến khác trong y tế.
Một trong những ứng dụng y tế được liệt kê trong Bảng 1.3 có liên quan đến việc sử dụng các cảm biến IMU để tăng độ chính xác trong việc lắp khớp gối, khớp hông nhân tạo nhằm giảm sai lệch của các khớp ghép xuống dưới 10. Hiện nay, có đến hơn 95% các ca thay toàn bộ khớp gối chỉ dựa vào các kỹ thuật cơ khí thuần tuý để lắp ghép với mức sai lệch đến 30 hoặc cao hơn.
Bảng 1.4 Tiềm năng ứng dụng của cảm biến trong y tế (nguồn: [23], [24])Kiểu cảm Kiểu cảm
biến Điểm mạnh Hạn chế Tiềm năng ứng dụng trong y tế
GPS Tham chiếu gốc trongtoàn bộ quá trình định hướng
Dễ bị chắn Không
Từ trường Không cần cơ sở hạ tầng Dễ bị nhiễu từ trường Hạn chế
Camera Trực quan Dễ bị chắn hướng nhìn Hạn chế
Qn tính Hoạt động độc lập Tham chiếu tương đốiso với điểm gốc tuỳ chọn
Có
Dù cho dùng phương pháp cơ khí hay dùng camera để căn chỉnh thì vẫn có xấp xỉ 30% số ca thay khớp gối bị lệch trục, nghĩa là có độ lệch lớn hơn 3º. Những trường hợp này thường gây khó chịu và phải phẩu thuật lại. Do vậy cần phải nâng cao độ chính xác để việc phẩu thuật trở nên dễ dàng hơn, thời gian phẫu thuật ngắn, bệnh nhân dễ chịu hơn sau khi phẫu thuật. Các IMU đã được chứng minh là có thể cải thiện được độ chính xác của việc thay khớp gối [23], [24].
Sự xuất hiện của các hệ thống cảm biến có độ chính xác cao và ổn định trong các mơi trường hoạt động khác nhau làm cho cảm biến IMU đang ngày càng được sử dụng nhiều trong lĩnh vực y tế. Những thiết bị sử dụng cảm biến IMU này có lợi thế hơn so với các phương pháp hiện tại về các mặt như độ chính xác, mức tiêu thụ năng lượng, kích cỡ, dễ triển khai, và khả năng dự phòng.
Trong luận án này hướng đến việc sử dụng cảm biến IMU để đo thông số bước đi cho người dùng phục vụ cho quá trình chẩn đốn bệnh tật, tình trạng sức khoẻ, tiến triển của bệnh nhân và tiến trình phục hồi chức năng.
1.4Tổng quan tình hình nghiên cứu việc ứng dụng cảm biến IMU trong ước lượng thông số bước đi
Theo kết quả nghiên cứu của bài báo khảo sát về việc ứng dụng cảm biến IMU để ước lượng thông số bước đi [25], thì thuật tốn sử dụng cảm biến IMU để ước
lượng thông số bước đi có thể chia thành 3 mơ hình: mơ hình trừu tượng, mơ hình dáng đi và mơ hình tích phân trực tiếp.