Người dùng Tiêu chuẩn INS +ZUPT INS + cập nhật quaternion (phương đứng) INS + cập nhật quaternion (encoder) INS + cập nhật vị trí (encoder) 1 TB 0,360 0,481 0566 0,383 RMSE 0,399 0,513 0,595 0,441 2 TB 0,712 0,623 0,903 0,299 RMSE 0,729 0,699 0,915 0,441 3 TB 0,060 0,121 0,174 0,218 RMSE 0,076 0,132 0,183 0,225 4 TB 0,237 0,317 0,379 0,325 RMSE 0,311 0,383 0,440 0,381 5 TB 0,060 0,149 0,219 0,272 RMSE 0,152 0,205 0,262 0,309 Tổng TB 0,286 0,338 0,448 0,299 RMSE 0,404 0,437 0,545 0,369
Như có thể thấy trong các Bảng 4.9 và Bảng 4.10, các phương trình cập nhật đóng vai trị quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của việc ước lượng khoảng cách di chuyển trong trường hợp đẩy đi liên tục (sai số RMSE giảm từ 28,316 𝑚 xuống 0,412 𝑚 và giá trị trung bình sai số giảm từ 9,337 𝑚 xuống 0,327 𝑚). Tuy nhiên các phương trình cập nhật này có tác dụng khơng lớn trong trường hợp đẩy đi từng bước (sai số RMSE giảm từ 0,480 𝑚 xuống 0,2 𝑚 và giá trị trung bình sai số giảm từ 0,445 𝑚 xuống 0,059 𝑚). Trong đó, phương trình cập nhật vị trí sử dụng thơng tin từ encoder cho kết quả tốt nhất.
Trong các trường hợp chuyển động liên quan đến việc nhấc khung tập đi lên (xem Bảng 4.11 và Bảng 4.12) thì các phương trình cập nhật sử dụng encoder khơng có tác dụng vì lúc này các encoder không ghi lại chuyển động của khung tập đi. Lúc này, các cập nhật ZUPT và độ cao trong INS cơ bản tại các khoảng thời gian ZVI được xác định sau mỗi bước đi đã cập nhật vận tốc và độ cao để nâng cao độ chính xác.
Trang 122
Bên cạnh đó, khi so sánh kết quả trong các cột 4 và 5 của Bảng 4.9 và Bảng 4.10 ta thấy rằng thuật tốn INA sử dụng phương trình cập nhật quaternion sử dụng encoder cho kết quả tốt hơn cập nhật quaternion sử dụng phương đứng trong trường hợp đẩy đi liên tục và đẩy đi từng bước.
4.6.6 Đánh giá độ chính xác sử dụng hệ thống Optitrack
Độ chính xác của hệ thống đề xuất còn được kiểm chứng bằng hệ thống giám sát chuyển động dùng Optitrack qua thí nghiệm thứ ba. Trong đó, sử dụng hai hạt phản quang được gắn trên 2 bàn chân người dùng và một hạt phản quang được bố trí ngay tại tâm của hệ toạ độ BCS để hệ thống camera giám sát được quỹ đạo di chuyển của bàn chân theo thời gian. Việc bố trí của hệ thống camera, việc so khớp dữ liệu và tính tốn sai số giữa quỹ đạo ước lượng và quỹ đạo thực ghi lại bởi hệ thống OptiTrack đã được trình bày ở Mục 3.7.1.
Trang 123
Hình 4.15 Quỹ đạo 3D chuyển động của khung tập đi được ước lượng Bảng 4.13 Sai số ước lượng cho khoảng 2 m di chuyển Bảng 4.13 Sai số ước lượng cho khoảng 2 m di chuyển
Loại chuyển động
Số lượng
bước trung bình (mm) Độ dài bước Sai số (mm)
Đẩy đi liên tục 4 522,60 1,61 4 524,35 2,32 4 519,90 2,32 4 527,07 1,58 4 527,20 2,28 Đẩy đi từng bước 5 421,39 0,99 5 421,65 0,87 5 423,61 0,81 5 420,33 0,72 5 421,83 1,14 Nhấc 2 chân sau 5 427,93 4,61 5 423,65 5,01 5 422,53 5,3 5 415,29 6,81 5 425,39 5,63 Nhấc hoàn toàn 4 523,66 4,97 4 527,02 3,97 4 525,71 6,49 4 526,37 8,11 4 527,50 3,7 Trung bình 473,75 3,46 (0,73%)
Trang 124
Hình 4.14 thể hiện vị trí của khung tập đi (đại diện bởi hạt phản quang gắn tại tâm hệ toạ độ BCS) và sai số của việc ước lượng được trong trường hợp sử dụng khung tập đi thẳng khoảng 2 𝑚 bằng cách nhấc hồn tồn khung tập đi. Ở hình bên trái, đường nét liền màu xanh là vị trí ước lượng trong khi đường nét đứt màu đỏ là vị trí thực ghi lại bởi hệ thống OptiTrack. Ở hình bên phải là sai số của việc ước lượng so với vị trí thực. Theo đó, khi sử dụng bộ lọc Kalman thì sai số vị trí ước lượng cuối cùng khoảng dưới 1 𝑚𝑚. Quỹ đạo 3D của khung tập được thể hiện trên Hình 4.15.
Để đánh giá độ chính xác về mặt định lượng, thí nghiệm trên được lặp lại cho 4 loại chuyển động khác với khoảng cách di chuyển là 2 𝑚 với hệ thống OptiTrack, mỗi loại chuyển động thực hiện 5 lần với kết quả được thể hiện trong Bảng 4.13. Trong đó, độ dài bước trung bình được tính từ hệ thống OptiTrack. Sai số RMSE được tính bằng cách so sánh độ dài mỗi bước ước lượng bởi hệ thống đề xuất với độ dài mỗi bước đi đo được từ hệ thống OptiTrack. Trong đó, sai số trung bình là 7,3 𝑚𝑚 trong 1 bước đi. Đây là sai số hoàn toàn chấp nhận được trong ứng dụng ước lượng thông số bước đi phục vụ đánh giá tình trạng sức khỏe.
Hình 4.16 Phát hiện thời điểm bước chân sử dụng OptiTrack
Để đánh giá thuật toán phát hiện bước chân trong quá trình đẩy đi liên tục, Hình 4.16 thể hiện kết quả việc sử dụng hệ thống khung tập đi để đi thẳng 2 𝑚 bằng
Trang 125
cách đẩy đi liên tục. Trong đó, tốc độ đẩy và các điểm bàn chân chạm đất được thể hiện trong hình đầu. Ở hình thứ hai, khoảng cách di chuyển của bàn chân trái và phải tương ứng được thể hiện bằng đường màu xanh và nét đứt màu đỏ. Trong đó, đoạn nằm ngang của đồ thị khoảng cách di chuyển thể hiện bàn chân đang chạm đất. Có thể thấy rằng các các điểm đánh dấu bước chân ở hình đầu xuất hiện ngay giữa khoảng thời gian đường khoảng cách nằm ngang ở hình thứ hai. Điều này chứng minh thuật toán phát hiện các bước chân trong trường hợp khung tập đi được đẩy đi liên tục là chính xác.
4.6.7 Đánh giá vai trị của bộ lọc Kalman trong INS
Hình 4.17 Quỹ đạo chuyển động của khung tập đi được ước lượng khi không sử
dụng bộ lọc Kalman
Để đánh giá vai trò của bộ lọc Kalman trong INS, kết quả thí nghiệm đi 2 𝑚 với hệ thống OptiTrack ở trên được trích xuất trong trường hợp khơng sử dụng bộ lọc Kalman để cập nhật như trong Hình 4.17. Trong đó, đường liền màu xanh thể hiện vị trí ước lượng, đường nét đứt màu đỏ thể hiện vị trí thực được ghi lại bởi hệ thống OptiTrack, sai lệch ước lượng cũng được trích xuất ở hình bên phải. Sai số ước lượng
Trang 126
vị trí cuối cùng lên đến hơn 60 𝑚. Đây là sai số quá lớn so với khoảng cách di chuyển là 2 𝑚. Do vậy, hệ thống INS phải sử dụng với các bộ lọc, trong trường hợp này là bộ lọc Kalman.
4.6.8 Đánh giá độ chính xác trong chuyển động có đổi hướng
Thí nghiệm thứ tư được thực hiện với 5 người dùng sử dụng khung tập đi theo một số quỹ đạo cho trước. Quỹ đạo di chuyển đầu tiên là đi quãng đường 40 𝑚 dọc theo hành lang 20 𝑚 và vòng ngược lại. Chuyển động này bao gồm một chuyển động quay 1800 với tổng quãng đường di chuyển là 40 𝑚 . Quỹ đạo di chuyển thứ hai là đi 2 vịng theo hình chữ nhật có kích thước 5 × 7 𝑚 bao gồm 7 chuyển động quay 900. Tổng quãng đường đi được trong quỹ đạo này là 48 𝑚.
Bảng 4.14 và Bảng 4.15 thể hiện khoảng cách ước lượng của thí nghiệm này. Các giá trị sai số RMSE của khoảng cách ước lượng trong trường hợp đi dọc hành lang và đi theo hình chữ nhật lần lượt là 0,704 𝑚 và 0,800 𝑚. Các giá trị sai số trung bình trong 2 trường hợp này lần lượt là 0,638 𝑚 trong tổng số 40 𝑚 (tương ứng với sai số 1,6%) và 0,712 𝑚 trong tổng số 48 𝑚 (tương ứng với sai số 1,4%). Các sai số này cũng tương ứng với các sai số ở các thí nghiệm khác đã trình bày. Như vậy hệ thống đề xuất đã hoạt động tốt trong trường hợp người dùng thực hiện các hoạt động chuyển hướng đi.
Bảng 4.14 Khoảng cách ước lượng (m) sử dụng khung tập đi đi dọc và ngược
lại hành lang 20 m
Lượt đi Người dùng
1 2 3 4 5 1 39,694 39,502 38,743 39,626 39,533 2 39,585 39,423 38,946 39,634 39,621 3 39,467 39,306 38,887 39,762 39,563 4 39,332 38,785 39,291 39,179 39,681 5 39,435 39,602 38,863 39,261 39,372 Trung bình 39,503 39,323 38,946 39,492 39,545 Sai số: 0,638 𝑚 RMSE: 0,704 m
Trang 127
Bảng 4.15 Khoảng cách ước lượng (m) sử dụng khung tập đi đi theo hình chữ
nhật 5x7 m 2 vòng
Lượt đi Người dùng
1 2 3 4 5 1 47,342 47,790 47,150 46,487 47,347 2 47,161 47,087 48,053 46,894 47,401 3 47,361 47,635 46,590 47,098 47,575 4 47,146 47,035 47,034 47,521 47,589 5 47,607 47,637 46,862 47,147 47,642 Trung bình 47,323 47,437 47,138 47,029 47,511 Sai số: 0,712 𝑚 RMSE: 0,800 m
4.6.9 Thực nghiệm với bệnh nhân
Thực nghiệm được thực hiện tại Khoa Vật lý Trị liệu – Phục hồi chức năng của Bệnh viện Quân y 17 tại Đà Nẵng từ ngày 25/12/2020 đến 2/1/2021. Thực nghiệm thực hiện với 10 bệnh nhân đi lại khó khăn, do bị các bệnh như đứt dây chằng, xuất huyết não và vỡ mâm chày trái, và đang điều trị phục hồi chức năng đi. Thông tin của các bệnh nhân như trong Bảng 4.16.
Bảng 4.16 Thơng tin bệnh nhân tham gia thí nghiệm TT Bệnh nhân Năm sinh Giới
tính Tình trạng Bệnh lý
1 Nguyễn Phúc Q. 09/09/1984 Nam Đi lại khó khăn Đứt dây chằng chéo trước 2 Trần Quốc T. 20/10/1997 Nam Đi lại khó khăn Đứt dây chằng chéo trước 3 Trần Ngọc T. 09/10/1996 Nam Đi lại khó khăn Đứt dây chằng chéo trước 4 Nguyễn Thanh T. 28/09/2000 Nam Đi lại khó khăn Đứt dây chằng 5 Nguyễn Minh C. Nam Đi lại khó khăn Đứt dây chằng 6 Phan Thị Y. 05/04/1983 Nữ Đi lại khó khăn Xuất huyết não 7 Phạm Bá T. 1977 Nam Đi lại rất khó
khăn
Vỡ mâm chày trái
8 Lê Văn T. Nam Đi lại khó khăn Đứt dây chằng 9 Phan Văn L. Nam Đi lại khó khăn Đứt dây chằng 10 Hồ Đắc T. Nam Đi lại khó khăn Đứt dây chằng
Trang 128
Các bệnh nhân đã được hướng dẫn cách sử dụng hệ thống khung tập đi và hoàn toàn tự nguyện tham gia vào thực nghiệm đi dọc hành lang 5 lần 5 𝑚 sử dụng hệ thống khung tập đi nói trên dưới sự quan sát, phối hợp của các điều dưỡng tại bệnh viện. Kết quả thơng số bước đi được trích xuất như trong Bảng 4.17. Trong đó, bệnh nhân Nguyễn Minh C. hầu như không bước đi được. Các thông tin về thông số bước đi được trích xuất gồm số bước, độ dài một bước, thời gian bước, tốc độ bước, tần số bước và loại chuyển động khi sử dụng khung tập đi.
Bảng 4.17 Thông số bước đi của bệnh nhân
TT Thời gian (s) Sai số Quãng đường (m) Số bước Độ dài bước (m) Thời gian bước (s/bước) Tốc độ bước (m/s) Tần số bước (bước/s) Loại chuyển động Thông số bước đi của bệnh nhân Nguyễn Phúc Q.
1 29 0,1 19 0,263 1,526 0,172 0,655 Đẩy đi liên tục 2 30 0,14 21 0,238 1,429 0,167 0,7 Đẩy đi liên tục 3 27 0,02 19 0,263 1,421 0,185 0,704 Đẩy đi liên tục 4 29 0,01 19 0,263 1,526 0,172 0,655 Đẩy đi liên tục 5 29 0,06 19 0,263 1,526 0,172 0,655 Đẩy đi liên tục
TB 28,8 0,066 19,4 0,258 1,486 0,174 0,674
Thông số bước đi của bệnh nhân Trần Quốc T.
1 13 0,02 14 0,357 0,929 0,385 1,077 Đẩy đi liên tục 2 11 0,06 13 0,385 0,846 0,455 1,182 Đẩy đi liên tục 3 11 0,07 13 0,385 0,846 0,455 1,182 Đẩy đi liên tục 4 11 0,04 12 0,417 0,917 0,455 1,091 Đẩy đi liên tục 5 10 0,01 12 0,417 0,833 0,5 1,2 Đẩy đi liên tục
TB 11,2 0,04 12,8 0,392 0,874 0,45 1,146
Thông số bước đi của bệnh nhân Trần Ngọc T.
1 28 0,04 8 0,625 3,5 0,179 0,286 Đẩy đi từng bước 2 29 0,04 8 0,625 3,625 0,172 0,276 Đẩy đi từng bước 3 28 0,04 8 0,625 3,5 0,179 0,286 Đẩy đi từng bước 3 30 0,14 8 0,625 3,75 0,167 0,267 Đẩy đi từng bước 3 27,5 0,1 8 0,625 3,438 0,182 0,291 Đẩy đi từng bước
TB 28,5 0,072 8 0,625 3,563 0,176 0,281
Thông số bước đi của bệnh nhân Nguyễn Thanh T.
1 32 0,04 10 0,5 3,2 0,156 0,313 Đẩy đi từng bước 2 31 0,05 9 0,556 3,444 0,161 0,29 Đẩy đi từng bước 3 27 0,01 9 0,556 3 0,185 0,333 Đẩy đi từng bước 4 28 0,03 9 0,556 3,111 0,179 0,321 Đẩy đi từng bước 5 26,5 0,06 9 0,556 2,944 0,189 0,34 Đẩy đi từng bước
TB 28,9 0,038 9,2 0,545 3,14 0,174 0,319
Thông số bước đi của bệnh nhân Nguyễn Minh C.
Trang 129
Thông số bước đi của bệnh nhân Phan Thị Y.
1 20 0,22 8 0,625 2,5 0,25 0,4 Nhấc hoàn toàn 2 20 0,1 8 0,625 2,5 0,25 0,4 Nhấc hoàn toàn 3 21 0,03 8 0,625 2,625 0,238 0,381 Nhấc hoàn toàn 4 20,5 0,07 8 0,625 2,563 0,244 0,39 Nhấc hoàn toàn 5 20,5 0,19 8 0,625 2,563 0,244 0,39 Nhấc hoàn toàn TB 20,4 0,122 8 0,625 2,55 0,245 0,392
Thông số bước đi của bệnh nhân Phạm Bá T.
1 50 0,12 21 0,238 2,381 0,1 0,42 Đẩy đi từng bước 2 42 0,1 21 0,238 2 0,119 0,5 Đẩy đi từng bước 3 38 0,07 20 0,25 1,9 0,132 0,526 Đẩy đi từng bước 4 40 0,09 20 0,25 2 0,125 0,5 Đẩy đi từng bước 5 51 0,1 20 0,25 2,55 0,098 0,392 Đẩy đi từng bước
TB 44,2 0,096 20,4 0,245 2,166 0,115 0,468
Thông số bước đi của bệnh nhân Lê Văn T.
1 40 0,11 10 0,5 4 0,125 0,25 Đẩy đi từng bước 2 43 0,08 10 0,5 4,3 0,116 0,233 Đẩy đi từng bước 3 43 0,05 10 0,5 4,3 0,116 0,233 Đẩy đi từng bước 4 40 0,04 10 0,5 4 0,125 0,25 Đẩy đi từng bước 5 43 0,04 10 0,5 4,3 0,116 0,233 Đẩy đi từng bước
TB 41,8 0,064 10 0,5 4,18 0,12 0,24
Thông số bước đi của bệnh nhân Phan Văn L.
30 0,08 10 0,5 3 0,167 0,333 Nhấc hoàn toàn 30 0,03 10 0,5 3 0,167 0,333 Nhấc hoàn toàn 30 0,04 10 0,5 3 0,167 0,333 Nhấc hoàn toàn 31 0,08 10 0,5 3,1 0,161 0,323 Nhấc hoàn toàn 31 0,03 10 0,5 3,1 0,161 0,323 Nhấc hoàn toàn TB 30,4 0,004 10 0,5 3,04 0,165 0,329
Thông số bước đi của bệnh nhân Hồ Đắc T.
1 52 0,04 13 0,385 4 0,096 0,25 Nhấc hoàn toàn 2 48 0,09 13 0,385 3,692 0,104 0,271 Nhấc hoàn toàn 3 49 0,18 13 0,385 3,769 0,102 0,265 Nhấc hoàn toàn 4 51 0,2 13 0,385 3,923 0,098 0,255 Nhấc hoàn toàn 5 50 0,1 13 0,385 3,846 0,1 0,26 Nhấc hoàn toàn TB 50 0,122 13 0,385 3,846 0,1 0,26 Trung bình 0,069 (1,38%)
Độ chính xác của các thơng số bước đi được minh chứng gián tiếp thông qua tổng độ dài các bước đi đo được so với tổng quãng đường đi là 5 𝑚. Theo kết quả thí nghiệm, sai số trung bình khoảng cách là 0,069 𝑚 (1,38%) tương ứng với sai số 7 𝑚𝑚 cho một bước đi trung bình là 0,5 𝑚. Sai số của việc ước lượng thông số bước đi này được bác sĩ đánh giá là nhỏ trong ứng dụng đo thông số bước đi (xem Phụ lục
Trang 130
3). Trong đó, các thơng số bước đi trên có thể được được dùng để hỗ trợ khoanh vùng chẩn đoán một số bệnh, đánh giá tình trạng sức khoẻ và theo dõi tiến trình phục hồi chức năng.
Cụ thể, nhìn chung tốc độ bước đi của các bệnh nhân trên đều rất nhỏ (lớn nhất là 0,45 𝑚/𝑠), đây là tốc độ rất chậm so với tốc độ bước di bình thường nên cần hỗ trợ đi lại và các hoạt động hằng ngày, cần có các biện pháp để giảm nguy cơ té ngã, cần sử dụng khung tập đi để di chuyển trong nhà. Riêng bệnh nhân Trần Quốc T. có tốc độ bước đi 0,45 𝑚/𝑠 thì có thể đi ra bên ngồi nhưng hạn chế. Các bệnh nhân Nguyễn Phúc Q., Phạm Bá T. có bước đi rất ngắn, tốc độ rất chậm nên khả năng đi lại rất yếu. Do vậy các bệnh nhân cần luyện tập phục hồi chức năng tại bệnh viện, cần có người hỗ trợ trong q trình luyện tập phục hồi chức năng để tránh nguy cơ té ngã. Dựa vào thơng số bước đi có thể thấy được khả năng đi lại của bệnh nhân và sắp xếp theo thứ tự giảm dần như sau:
- Trần Quốc T. - Phạm Thị Y.