Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống hỗ trợ tập vật lý trị liệu các chi với sự hỗ trợ của thực ảo (VR)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:85

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống hỗ trợ tập vật lý trị liệu các chi với sự hỗ trợ của thực ảo (VR)" nhằm chế tạo một thiết bị vật lý trị liệu mới theo công nghệ robotic, hỗ trợ phục hồi chức năng chuyển động của chi trên và chi dưới cho bệnh nhân bị đột quỵ hoặc có các tổn thương về hệ thần kinh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống hỗ trợ tập vật lý trị liệu các chi với sự hỗ trợ của thực ảo (VR)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG HỖ TRỢ TẬP VẬT LÝ TRỊ LIỆU CÁC CHI VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA THỰC ẢO (VR) MÃ SỐ: SV2020-41 SKC 0 0 7 3 8 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG HỖ TRỢ TẬP VẬT LÝ TRỊ LIỆU CÁC CHI VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA THỰC ẢO (VR) SV2020-41 Chủ nhiệm đề tài: Phan Thanh Bình TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020 i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG HỖ TRỢ TẬP VẬT LÝ TRỊ LIỆU CÁC CHI VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA THỰC ẢO (VR) SV2020-41 Thuộc nhóm ngành khoa học: kỹ thuật công nghệ SV thực hiện: Phan Thanh Bình Nam/nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 181462B – Cơ khí chế tạo máy Năm thứ: 2 /Số năm đào tạo: 4 Ngành học: CNKT Cơ điện tử Người hướng dẫn: PGS-TS Nguyễn Trường Thịnh TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020 ii
MỤC LỤC MỤC LỤC ....................................................................................................................... i DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ iv DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................... v CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU.................................................................................................. 1 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu .......................................................................... 1 1.2. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 2 1.3. Mục tiêu của đề tài .............................................................................................. 2 1.3.1 Mục tiêu tổng quát ......................................................................................... 2 1.3.2 Mục tiêu cụ thể .............................................................................................. 3 1.4. Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: ....................................................... 4 1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 4 CHƯƠNG 2: NỀN TẢNG GIẢI PHẨU HỌC TRONG VẬT LÝ TRỊ LIỆU CHI....... 4 2.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 4 2.1.1 Rối loạn thần kinh ......................................................................................... 5 2.1.2 Tai biến mạch máu não hoặc đột quỵ ............................................................ 6 2.1.3. Phục hồi chức năng ...................................................................................... 7 2.2. Giải phẫu học hệ thống xương khớp ở các chi .................................................... 7 2.3. Lý thuyết về vận động ....................................................................................... 10 2.4. Các nguyên nhân gây mất khả năng vận động các chi ...................................... 16 2.5. Các phương pháp phục hồi chức năng các chi .................................................. 17 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ............................. 19 3.1. Cơ sở lý thuyết phân tích hệ thống .................................................................... 19 3.2. Đề xuất mô hình vật lý trị liệu cho chi .............................................................. 19 i
3.3. Tổng quan về hệ thống cơ khí dùng trong phục hồi chức năng chi .................. 21 3.4. Phân tích bài toán động học cơ hệ ..................................................................... 25 3.5. Phân tích bài toán động lực học ........................................................................ 27 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN ................................... 38 4.1. Giới Thiệu .......................................................................................................... 38 4.2 Hệ thống điện...................................................................................................... 43 4.2.1 Máy tính giao tiếp với vi điều khiển và kinect ............................................ 43 4.2.2 Giao tiếp giữa cảm biến và vi điều khiển .................................................... 44 4.3 Hệ thống truyền và xuất dữ liệu ......................................................................... 45 4.4 Truyền thông....................................................................................................... 45 4.5 Hệ thống cảm biến .............................................................................................. 46 4.5.1 Kinect .......................................................................................................... 46 4.5.2 Encoder ........................................................................................................ 47 4.5.3 Cảm biến momen xoắn ................................................................................ 48 CHƯƠNG 5: TƯƠNG TÁC THỰC ẢO...................................................................... 50 5.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 50 5.2. Phần mềm giám sát hệ thống tập ....................................................................... 54 5.3. Tương tác giữa người sử dụng và hệ thống ....................................................... 59 5.4. Giao diện với người sử dụng ............................................................................ 59 5.5. Giao diện kết nối với bộ điều khiển .................................................................. 61 5.6. Cơ sở thiết kế giao diện trên hệ thống ............................................................... 61 5.7. Kết luận.............................................................................................................. 62 CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ...................................... 63 6.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 63 ii
6.2. Những người tham gia ....................................................................................... 63 6.3. Quá trình hệ thống ............................................................................................. 63 6.4. Thực nghiệm trong bệnh viện ............................................................................ 64 6.5. Chơi có ý nghĩa .................................................................................................. 64 6.6. Thiết kế lặp ........................................................................................................ 65 6.7. Thử thách trò chơi ............................................................................................. 65 6.8. Ứng dụng AR..................................................................................................... 66 6.9. Sự tương tác ....................................................................................................... 67 6.10. Công nghệ AR ................................................................................................. 67 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................. 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 71 iii
DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa VR Virtual Reality (thực tế ảo) 3D Three-dimensional (Không gian 3 chiều) PNS Paraneoplastic Neurological Syndromes (Hội chứng thần kinh cận u) DOF Bậc tự do PC Personal Computer (máy tính) HDMI High-Definition Multimedia Interface (giao diện đa phương tiện) LCD Liquid Crystal Display (màn hình tinh thể lỏng) AR Augmented Reality ( công nghệ thực tế ảo tăng cường) EMG Electromyography (điện cơ) iv
DANH MỤC HÌNH Hình 1: Động mạch bình thường và động mạch sơ vữa. ................................................ 5 Hình 2: Đột quỵ do tai biến mạch máu não. ................................................................... 7 Hình 3: Số bậc tư do của các chi trên và dưới trong quan niệm của cơ học. ................. 8 Hình 4: Gắn hệ trục tọa độ lên người. ............................................................................ 9 Hình 5: chuyển động khớp cổ tay. .................................................................................. 9 Hình 6: Các cơ cẳng tay (tay trái); (A) Nhìn trước; (B) Nhìn sau (1. Cơ gan tay dài; 2. Cơ cánh tay; 3. Cơ cánh tay quay; 4. Cơ ngữa; 5. Cơ gấp cổ tay quay; 6. Cơ khuỷu; 7. Cơ cổ tay trụ; 8. Gân cơ duỗi chung các ngón). ........................................................... 11 Hình 7: Các cơ vùng mông (1 và 6. Cơ mông lớn; 2. Cơ hình lê; 3. Cơ mông nhỡ; 4. Cơ mông bé; 5. Cơ bịt trong và hai cơ sinh đôi; 7. Cơ vuông đùi). ....................... 13 Hình 8: Các cơ vùng đùi (1. Cơ thắt lưng chậu; 2. Cơ may; 3. Cơ tứ đầu; 4. Cơ khép dài; 5. Cơ lược; 6. Cơ khép ngắn; 7. Cơ khép lớn; 8. Cơ bán gân; 9. Cơ bán màng; 10. Cơ nhị đầu đùi). ............................................................................................................ 14 Hình 9: Các cơ vùng cẳng chân .................................................................................... 15 Hình 10: Phương pháp sử dụng gương để điều trị phục hồi tay................................... 18 Hình 11: Mô hình khâu và khớp của cơ tay người. ...................................................... 20 Hình 12: Số bậc tự do tay và khớp cổ tay. ................................................................... 20 Hình 13: Ảnh chụp thực tế người sử dụng trục quay trên ............................................ 22 Hình 14: Ảnh chụp thực tế người sử dụng trục quay dưới. .......................................... 23 Hình 15: Góc lệch giữa 2 chân theo phương ngang. .................................................... 24 Hình 16: Thanh điều chỉnh khoảng cách. ..................................................................... 25 Hình 17: Các hệ trục được gắn vào cánh tay, sơ đồ góc quay ở vị trí khớp cùi trỏ. .... 26 Hình 18: Mô hình thiết bị tập vật lý trị liệu cho bệnh nhân sau tai biến mạch máu não. ...................................................................................................................................... 27 Hình 19: Mô hình giữa cơ hệ các chi người và hệ thống tập vật lý trị liệu. ................. 29 Hình 20: Cấu trúc phần điều khiển của hệ thống vật lý trị liệu. ................................... 38 Hình 21: Cấu trúc của hệ thống giám sát chuyển động của khung xương. .................. 39 Hình 22: Biểu diễn đồ họa của môi trường ảo. ............................................................ 40 v
Hình 23: Sơ đồ bộ điều khiển với việc tiên đoán các góc quay. .................................. 41 Hình 24: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hỗ trợ với sự tác động của chủ và tớ. ......... 42 Hình 25: Sơ đồ máy tính giao tiếp với vi điều khiển và Kinect. .................................. 44 Hình 26: Sơ đồ kết nối cảm biến với vi điều khiển. ..................................................... 45 Hình 27: Cấu trúc hệ thống điều khiển. ........................................................................ 45 Hình 28: Kinect. ........................................................................................................... 47 Hình 29: Encoder. ......................................................................................................... 47 Hình 30: Cấu tạo bên trong Encoder ............................................................................ 48 Hình 31: Cấu trúc bên trong cảm biên moment ........................................................... 49 Hình 32: Sơ đồ khối cảm biến moment ........................................................................ 50 Hình 33: Cấu trúc phần mềm........................................................................................ 52 Hình 34: Cấu trúc quá trình vật lý trị liệu .................................................................... 54 Hình 35: Phần mềm điều khiển mô tả giai đoạn chính của quá trình thực thi. ............ 55 Hình 36: Sơ đồ khối thực thi vòng lặp để thu thập khối dữ liệu lớn. ........................... 56 Hình 38: Kiến trúc trò chơi........................................................................................... 58 Hình 38: Giao diện phần mềm...................................................................................... 60 Hình 40: Cấu trúc chương trình điều khiển .................................................................. 61 Hình 41: Human Upper Limb Articulations ................................................................. 66 Hình 42: Different Categories for Object Tracking Algorithm. ................................... 68 vi
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống hỗ trợ tập vật lý trị liệu các chi với sự hỗ trợ của thực ảo (VR) SV thực hiện MSSV Nam/nữ Dân tộc Lớp Nguyễn Anh Quốc 18146363 Nam Kinh 181462A Phan Thanh Bình 18146368 Nam Kinh 181462B Nguyễn Khắc Toàn 18146388 Nam Kinh 181461A Khoa: Cơ khí Chế tạo máy Năm thứ: 2 Số năm đào tạo: 4 - Người hướng dẫn: PGS-TS. Nguyễn Trường Thịnh 2. Mục tiêu đề tài: Chế tạo một thiết bị vật lý trị liệu mới theo công nghệ robotic, hỗ trợ phục hồi chức năng chuyển động của chi trên và chi dưới cho bệnh nhân bị đột quỵ hoặc có các tổn thương về hệ thần kinh 3. Tính mới và sáng tạo: Việc ứng dụng các công nghệ mới đặc biệt là công nghệ thực tế ảo vào trong hoạt động tập vật lý trị liệu của người bệnh sau tau biến là điểm nổi bật của đề tài này. Hệ thống được thiết kế phù hợp với đặc tính của người Việt Nam nhằm tang hiệu quả cho quá trình tập luyện phục hồi chức năng đặc biệt các chức năng vận động của các chi. Hệ thống thu thập dữ liệu từ các cơ cấu tập tay và chân về vị trí, vận tốc và lực của các thiết bị này nhằm giúp và hỗ trợ người bệnh thực hiện các chức năng phục hồi vận động chi. Hệ thống kèm theo các bài tập với nhiều môi trường ảo khác nhau, giúp người bệnh giảm tâm lý bệnh tật, là động lực cho các bệnh nhân luyện tập nhằm khôi phục chức năng vận động của các chi. 4. Kết quả nghiên cứu: vii
Đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ thống vật lý trị liệu dành cho bệnh nhân sau tai biến với sự hỗ trợ của trí tuệ nhân tạo và thực tế ảo. Đã ứng dụng các kiến thức đã được học và nghiên cứu trong các môn học để ứng dụng cho việc triển khai hệ thống sử dụng cho bệnh nhân cần hồi phục chức năng của các chi. Việc sử dụng các công nghệ mới như AI, robot, big data, VR, IoT vào trong sản phẩm này làm cho hệ thống thông minh và thân thiện với người dùng. 5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Việc tạo ra một sản phẩm điều trị cho bệnh nhân bị vấn đề về điều khiển chức năng cơ giúp làm giảm chi phí trong điều trị cho bệnh, giải quyết vấn đề thiếu nhân lực trong y tế, giúp cho người bệnh dễ dàng hơn trong việc phục hồi chức năng các chi, giảm bớt gánh nặng cho bệnh nhân và rộng hơn là hệ thống y tế, kinh tế - xã hội. 6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có): Ngày 27 tháng 7 năm 2020 SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (kí, họ và tên) Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi): viii
Ngày 27 tháng 7 năm 2020 Xác nhận của Trường Người hướng dẫn (kí tên và đóng dấu) (kí, họ và tên) ix
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu Đột quỵ hay còn gọi là tai biến mạch máu não là căn bệnh do lưu lượng máu đến não giảm đi dẫn đến việc chết tế bào, là căn bệnh rất phổ biến và nguy hiểm trong xã hội hiện đại. Có hai loại đột quỵ chính: thiếu máu cục bộ do thiếu máu cung cấp cho cơ quan trong cơ thể và xuất huyết do chảy máu. Đột quỵ là nguyên nhân hàng đầu gây ra khuyết tật ở người trưởng thành, với 65% trong số gần bốn triệu người ở Hoa Kỳ sống sót sau một cơn đột quỵ sống với các khuyết tật từ nhẹ đến nặng. Theo số liệu của Hội Đột quỵ Thế giới, cứ 6 người sẽ có 1 người bị đột quỵ. Ở Việt Nam, mỗi năm có 200.000 người bị đột quỵ, tỷ lệ tử vong do đột quỵ ở nam giới là 18% và ở nữ giới là 23%. Đột quỵ là chứng bệnh vô cùng nguy hiểm nó đến bất ngờ khiến người bệnh có thể tử vong nếu không biết cách cấp cứu kịp thời. Nếu may mắn được cứu sống, bệnh nhân có nguy cơ cao mắc các biến chứng nguy hiểm như rối loạn nhận thức, mất khả năng vận động, nhiễm trùng đường tiết niệu, khó khăn trong việc nói hoặc nuốt, rối loạn tâm lý, không có khả năng di chuyển hoặc cảm giác ở một bên của cơ thể, có vấn đề hiểu hoặc nói, chóng mặt hoặc mất thị lực sang một bên… Ngoài ra, còn ảnh hưởng nặng nề đến tình hình tài chính và tinh thần của người nhà bệnh nhân bị đột quỵ. Theo thống kê của Hội phòng chống tai biến mạch máu não Việt Nam, mỗi năm có 200.000 ca nhập viện vì tai biến, một nửa trong đó là tử vong, 92% bệnh nhân trong số những người còn sống sót thì mắc di chứng yếu liệt tay chân, trong đó 27% là những ca di chứng nặng. Nhiều phương pháp trị liệu truyền thống đặc biệt là vật lý trị liệu đã được sử dụng trong phục hồi chức năng cũng như thúc đẩy quá trình phục hồi chức năng. Lợi ích của vật lý trị liệu Tùy thuộc vào mục đích điều trị, lợi ích của vật lý trị liệu bao gồm:  Kiểm soát đau mà giảm dần việc sử dụng thuốc giảm đau opioid  Tránh phẫu thuật  Cải thiện khả năng vận động và di chuyển  Phục hồi sau chấn thương.  Phục hồi sau đột quỵ hoặc tê liệt 1
 Cải thiện cân bằng  Phòng ngừa các tình trạng sức khỏe liên quan đến tuổi. 1.2. Lý do chọn đề tài Trong bối cảnh trị liệu dựa trên thủ công hoặc trị liệu truyền thống, các bài tập phục hồi chức năng được cung cấp bởi nhà vật lý trị liệu với sự chú ý một-một giữa nhà trị liệu và bệnh nhân. Thực hành này dẫn đến kiệt sức vật lý trị liệu trong thời gian dài và thiếu hụt những nhà vật lý trị liệu. Thêm vào đó, chi phí phục hồi chức năng và chi phí lao động đang diễn ra quá cao đối với bệnh nhân và gia đình họ trên toàn thế giới. Thêm vào đó, các bài tập phục hồi chức năng truyền thống lặp đi lặp lại dễ dẫn đến nhàm chán và mất điều kiện trong đào tạo phục hồi chức năng dài hạn. Do những hạn chế này, liệu pháp phục hồi chức năng dựa trên công nghệ trở thành một lựa chọn khả thi. Sử dụng công nghệ trong phục hồi chức năng cung cấp một số lợi thế như: Trong môi trường mà chi phí lao động tiếp tục tăng và chi phí của công nghệ đang giảm, việc sử dụng công nghệ chắc chắn sẽ có hiệu quả về chi phí trong thời gian dài. Hơn nữa, chỉ có các liệu pháp dựa trên công nghệ mới có thể cung cấp các bài tập có động lực lặp đi lặp lại mà không gây nguy cơ mệt mỏi cho nhà trị liệu. Thêm vào đó, chỉ có điều trị phục hồi chức năng dựa trên công nghệ mới có thể kích thích dẻo não để phục hồi nhanh chóng các chức năng vận động. Do đó, chúng tôi thực hiện đề tài này nhằm phát triển hệ thống phục hồi dựa trên công nghệ, nó sẽ thu hẹp khoảng cách của những thiếu sót hiện tại như chi phí cao, thiếu nhân lực và các bài tập phục hồi truyền thống nhàm chán, giúp cho người bệnh dễ dàng hơn trong việc phục hồi chức năng các chi, giảm bớt gánh nặng cho người nhà và rộng hơn là hệ thống y tế. 1.3. Mục tiêu của đề tài 1.3.1 Mục tiêu tổng quát Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm giải quyết nhu cầu cấp thiết về việc phục hồi chức năng các chi cho bệnh nhân bị đột quỵ hoặc có các tổn thương về hệ thần kinh bằng cách áp dụng công nghệ thực tế ảo (VR). Việc kết hợp nền tảng phương pháp tập luyện có sự hỗ trợ của VR cùng với những hiểu biết sâu sắc về phục hồi chức năng hệ thần kinh, sẽ là giải pháp tiên phong cho sự chuyển đổi mô hình hoạt động 2
phục hồi chức năng mang lại tính hiệu quả cao cho bệnh nhân. Robot sẽ cung cấp các bài tập phục hồi chức năng đa dạng dưới hình thức trò chơi tương tác, giúp cho bệnh nhân thích thú tập luyện. Ngoài ra, robot cũng có chế độ giúp bệnh nhân dùng tay bình thường tập cho tay bị đột quỵ, mang lại cảm giác vận động tốt hơn cho bệnh nhân, từ đó giúp kết quả hồi phục tốt hơn. 1.3.2 Mục tiêu cụ thể a) Chế tạo một thiết bị vật lý trị liệu mới theo công nghệ robotic, dành riêng cho việc hỗ trợ phục hồi chức năng chuyển động của chi trên và chi dưới cho bệnh nhân bị đột quỵ hoặc có các tổn thương về hệ thần kinh. Robot giúp người bệnh chuyển động lặp đi lặp lại tạo phản xạ feedback ngược về não và có thể chuyển động nhiều hơn so với điều trị thông thường. b) Tăng hiệu quả điều trị và phục hồi bằng cách lập trình để robot cung cấp các liệu trình vật lý trị liệu phù hợp với cơ địa của từng bệnh nhân. Tự điều chỉnh mức độ khó (cường độ và mức độ phức tạp của chuyển động) trong điều trị dựa trên khả năng của bệnh nhân. Cung cấp nhiều chế độ tập luyện, được thiết lập tùy theo mức độ tổn thương bệnh lý cũng như sự tiến bộ trong quá trình tập luyện. c) Sử dụng được với dải bệnh nhân rộng: mãn tính và bán cấp tính d) Thông qua robot, thiết kế các trò chơi phục hồi chức năng hấp dẫn, hiệu quả cao với chương trình đa chức năng 3D cho phép bệnh nhân chủ động tập luyện thông qua các trò chơi một cách dễ dàng hơn và thú vị hơn. e) Có chức năng lên kế hoạch tập luyện, tăng hiệu quả điều trị. f) Giảm thiểu sự can thiệp của nhân viên y tế, giúp bệnh nhân có thể tự tập luyện ở nhà nhưng vẫn có được sự giám sát của bác sĩ. g) Dựa trên các kết quả tập vận động, Robot sẽ lưu trữ, phân tích tự động và đưa ra các sơ đồ trực quan về mức độ cải thiện của bệnh nhân theo thời gian thực và có phản hồi ngay lập tức cho bác sĩ và cả bệnh nhân. h) Robot cho phép bệnh nhân có thế sử dụng chính bàn tay khỏe mạnh của họ để luyện tập lặp lại những chuyển động tương tự cho bàn tay bị liệt. i) Robot có tính năng an toàn rất cao vì sẽ được trang bị bộ phận cảm biến tự động ngắt khi có vận động đột ngột ngoài lập trình. 3
1.4. Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Để nghiên cứu và phát triển một thiết bị tập phục hồi chức năng cổ tay và cẳng tay, phương pháp nghiên cứu được trình bày một cách ngắn gọn như sau: + Dựa trên cơ sở y học và đặc tính chuyển động của khớp cổ tay và cẳng tay: hai chuyển động này là chuyển động xoay, hoàn toàn độc lập và trục của khớp xoay vuông góc với nhau. + Chế tạo thiết bị: Sử dụng các thiết bị gia công tiên tiến để gia công các chi tiết đảm bảo cơ tính và đạt độ chính xác cao. Sử dụng máy ép nhựa trục vít kết hợp với gia công khuôn mãu để gia công các chi tiết đặc thù bằng nhựa, máy phay CNC và tiện CNC để gia công các chi tiết kim loại có biên dạng đơn giản, … + Thử nghiệm sản phẩm: Sản phẩm được thực nghiệm dựa trên 2 nhóm người: nhóm người có cơ tay khỏe mạnh bình thường và nhóm người bị liệt cổ tay, cẳng tay hoặc cả cổ tay và cẳng tay. Dữ liệu được đưa về máy tính và phân tích, kết hợp với độ ngũ y bác sĩ có kiến thức về y học và vật lý trị liệu sẽ đánh giá mức độ hồi phục của nhóm bệnh nhân thứ hai. Thông qua đó đánh giá được độ tin cậy của thiết bị. 1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Với khả năng và các điều kiện cho phép, đề tài này chỉ nghiên cứu những bệnh nhân bị tai biến vừa và nhẹ, chưa bị liệt hoàn toàn 2 chi trên và 2 chi dưới. Các bài tập cũng đa dạng ở mức tương đối và sẽ phát triển tiếp trong thời gian tới. CHƯƠNG 2: NỀN TẢNG GIẢI PHẨU HỌC TRONG VẬT LÝ TRỊ LIỆU CHI 2.1. Giới thiệu Chương này bao gồm phần giới thiệu cơ bản về hệ thần kinh của con người và những thiệt hại liên quan đến hệ thần kinh khi bị tai biến. Phương pháp phục hồi từ những thiệt hại này sẽ được xem xét thông qua các công nghệ tiên tiến có sẵn đặc biệt là phục hồi chức năng chi trên. Ngoài ra, chương này cũng sẽ xem xét các hệ thống phục hồi định hướng sinh học thông qua phương pháp học máy. Chương này cũng sẽ nêu ra những thiếu sót trong các hệ thống hiện có mà nghiên cứu này nhằm khắc phục. 4
2.1.1 Rối loạn thần kinh Bất kỳ tổn thương hoặc thiệt hại trong con đường xung thần kinh sẽ dẫn đến rối loạn thần kinh, trong đó bất thường về cấu trúc, sinh hóa hoặc điện được gây ra trong não, tủy sống hoặc các dây thần kinh ngoại biên khác. Rối loạn thần kinh có thể được phân thành hai loại chính: rối loạn thần kinh trung ương và rối loạn PNS. Các rối loạn thứ nhất ảnh hưởng đến não hoặc tủy sống trong đó tổn thương do chấn thương, nhiễm trùng, thoái hóa, khiếm khuyết cấu trúc, khối u, rối loạn tự miễn và đột quỵ. Các rối loạn thứ hai làm tổn thương các dây thần kinh do các bệnh hệ thống, thiếu vitamin, chấn thương, bệnh hệ thống miễn dịch hoặc nhiễm virus. Trong số các rối loạn này, đột quỵ hoặc tai biến mạch máu não (CVA), chấn thương sọ não (TBI) và chấn thương tủy sống (SCI) là những rối loạn phổ biến nhất trên toàn thế giới. Hình 1: Động mạch bình thường và động mạch sơ vữa. 5
2.1.2 Tai biến mạch máu não hoặc đột quỵ Đột quỵ hoặc CVA xảy ra do sự hình thành các mảng bám trong mạch máu. Mảng bám được tạo thành từ chất béo, cholesterol, canxi và các chất khác từ máu. Nó sẽ kết tủa đến lòng mạch máu và trở nên dày hơn và cứng lại trong một khoảng thời gian, và sau đó nó bắt đầu hạn chế lưu lượng máu như trong Hình 1 (được thông qua từ [25]). Có ba loại đột quỵ: (1) đột quỵ do thiếu máu cục bộ khi dòng máu bị gián đoạn do cục máu đông vỡ thành những mảnh nhỏ từ bất kỳ bộ phận nào của cơ thể và đến não gây tắc nghẽn mạch máu não, (2) đột quỵ xuất huyết khi mạch máu bị vỡ và lấp đầy máu giữa hộp sọ và não gây ra quá nhiều áp lực lên não và (3) cơn thiếu máu não thoáng qua (TIA) được xác định là thiếu hụt thần kinh khu trú do thiếu máu não, kéo dài dưới 24 giờ. Trong mọi trường hợp, do đó, việc cung cấp oxy cho não sẽ bị xáo trộn gây ra cái chết của các tế bào não. Do các tế bào não chết, một số chức năng của não không thể hoạt động bình thường tùy thuộc vào phần nào của não bị tổn thương. Các minh họa về đột quỵ thiếu máu cục bộ, đột quỵ xuất huyết và TIA được mô tả trong Hình 2 (được thông qua từ [26]). - Suy giảm vận động: Sau CVA sẽ có một số mức độ tê liệt do cả rối loạn tế bào thần kinh vận động trên và / hoặc trên, tình trạng tế bào thần kinh vận động trên thường liên quan đến chứng tăng phản xạ đồng thời, tùy thuộc vào vị trí bị ảnh hưởng. - Rối loạn nhận thức: Rối loạn chức năng nhận thức có thể xuất hiện với các tổn thương liên quan đến vỏ não và bao gồm các khiếm khuyết về sự tỉnh táo, chú ý, định hướng, trí nhớ hoặc chức năng điều hành. 6
Hình 2: Đột quỵ do tai biến mạch máu não. 2.1.3. Phục hồi chức năng Phục hồi chức năng là quá trình đào tạo một người nào đó phục hồi hoặc cải thiện các chức năng bị mất do bị thương hoặc bị bệnh và nó sẽ bắt đầu ngay khi tình trạng y tế của nạn nhân ổn định. Phục hồi chức năng thành công phụ thuộc vào đào tạo và tập thể dục chuyên sâu, và thực hành lặp đi lặp lại của phong trào chức năng giúp nạn nhân phát triển các kỹ năng để thay đổi các điều kiện gây ra rào cản trong cuộc sống của họ [39]. Sự cải thiện tỷ lệ thuận với nỗ lực của bệnh nhân trong khóa đào tạo và nỗ lực này được gợi lên tốt nhất trong phục hồi chức năng truyền thống của nhà trị liệu [40]. Để đạt được phục hồi thành công như vậy, cần có sự chú ý một-một giữa bệnh nhân và nhà trị liệu và đây là cách làm hiện tại trong hầu hết các cơ sở phục hồi chức năng. 2.2. Giải phẫu học hệ thống xương khớp ở các chi 7
Shoulder Elbow Body Wrist Hand Hip Knee Ankle Foot Hình 3: Số bậc tư do của các chi trên và dưới trong quan niệm của cơ học. z x x y y Vị trí hệ trục tham chiếu khớp vai Chuyển động quay quanh trục y 8