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): Đề tài nghiên cứu khoa học

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

S K C 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

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

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

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

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

Virtual Reality (thực tế ảo) VR

Three-dimensional (Không gian 3 chiều) 3D

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)

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

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

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)

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

 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

Tùy thuộc vào mục đích điều trị, lợi ích của vật lý trị liệu bao gồm:

 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

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.

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.

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.

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.

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

Hình 3: Số bậc tư do của các chi trên và dưới trong quan niệm của cơ học.

Vị trí hệ trục tham chiếu khớp vai Chuyển động quay quanh trục y

Chuyển động quay quanh trục x Chuyển động quay quanh trục z

Hình 4: Gắn hệ trục tọa độ lên người.

Thiết bị

Thiết bị tập phục hồi chức năng cổ tay và cẳng tay có 3 chức năng chính như

 Phần cơ khí có 2 bậc tự do phù hợp với chuyển động co - duỗi của cổ tay

và xoay cẳng tay.

a) Duỗi cổ tay b) Co cổ tay c) Xoay cẳng tay

Hình 5: chuyển động khớp cổ tay.

 Thiết bị được bố trí các cảm biến vị trí và cảm biến lực tại các vị trí cần

thiết giúp xác định được đồng thời giá trị góc xoay và lực tác động của

người tập, cũng như thời gian đáp ứng các thông số đó. Thông qua đó, dữ

liệu luyện tập được lưu trữ và hiển thị dưới dạng biểu đồ trực quan.

 Thiết bị được kết nối trực tiếp với bác sĩ điều trị thông qua ứng dụng trên

điện thoại, giúp bác sĩ tiện theo dõi người bệnh ngay tại nhà. Đồng thời có

những quyết định điều trị phù hợp và kịp thời trong quá trình luyện tập

của người bệnh.

2.3. Lý thuyết về vận động

Các cơ vùng cánh tay

Các cơ vùng cánh tay được chia thành hai vùng là vùng cánh tay trước và vùng

cánh tay sau. Các bó cơ vùng cánh tay trước gồm ba cơ sắp xếp làm hai lớp: cơ nhị

đầu cánh tay, cơ quạ cánh tay và cơ cánh tay, cả 3 cơ do thần kinh cơ bì điều khiển.

Có tác dụng gấp cẳng tay là chính. Bó cơ vùng cánh tay sau là cơ tam đầu cánh tay.

Cơ gồm có ba đầu nguyên ủy ở ổ chao xương vai và mặt sau xương cánh tay, bám tận

ở mỏm khuỷu. Cơ do dây thần kinh quay chi phối vận động có nhiệm vụ là duỗi cẳng

tay. Khuỷu là nối cẳng tay vào cánh tay gồm có các vùng ở phía trên và dưới nếp

khuỷu ba khoát ngón tay. Phía trước là vùng khuỷu trước, phía sau là vùng khuỷu sau,

chính giữa là khớp khuỷu. Ở vùng khuỷu trước, có ba toán cơ tạo nên hố khuỷu: Toán

cơ mỏm trên lồi cầu trong; Toán cơ mỏm trên lồi cầu ngoài; Toán cơ giữa: gồm có

phần dưới cơ cánh tay và cơ nhị đầu cánh tay. Ba toán cơ tạo nên hai rãnh: rãnh nhị

đầu ngoài và rãnh nhị đầu trong cách nhau bởi cơ nhị đầu. Hai rãnh gặp nhau ở phía

dưới tạo thành hình chữ V. Có mạch máu thần kinh đi trong các rãnh này.

Các cơ cẳng tay

Cẳng tay được giới hạn từ đường thẳng ngang ở dưới nếp gấp khuỷu ba khoát

ngón tay đến nếp gấp xa nhất ở cổ tay. Cẳng tay chia làm hai vùng: vùng cẳng tay

trước và vùng cẳng tay sau, ngăn cách nhau bởi xương quay, xương trụ và màng gian

cốt.

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).

Vùng cẳng tay trước

Các cơ vùng cẳng tay trước gồm 8 cơ có động tác gấp ngón tay và bàn tay, sấp

bàn tay. Hầu hết do dây thần kinh giữa chi phối vận động ngoại trừ cơ gấp cổ tay trụ

và hai bó trong của cơ gấp các ngón tay sâu do thần kinh trụ chi phối. Các cơ vùng

cẳng tay trước sắp xếp thành ba lớp: Lớp nông: cơ gấp cổ tay trụ, cơ gan tay dài, cơ

gấp cổ tay quay, cơ sấp tròn; Lớp giữa: cơ gấp các ngón nông; Lớp sâu: cơ gấp các

ngón sâu, cơ gấp ngón cái dài, cơ sấp vuông.

Vùng cẳng tay sau

Các cơ vùng cẳng tay sau xếp thành 2 lớp: thứ nhất là lớp nông gồm hai nhóm

là nhóm ngoài có cơ cánh tay quay, cơ duỗi cổ tay quay dài, cơ duỗi cổ tay quay ngắn;

Nhóm sau gồm cơ duỗi các ngón, cơ duỗi ngón út, cơ duỗi cổ tay trụ, cơ khuỷu. Thứ

hai là lớp sâu gồm cơ dạng ngón cái dài, cơ duỗi ngón cái ngắn, cơ duỗi ngón cái dài,

cơ duỗi ngón trỏ, cơ ngữa. Thần kinh chi phối cho các cơ vùng cánh tay sau là dây

thần kinh quay, nhiệm vụ là ngữa bàn tay duỗi ngón tay và bàn tay.

Cơ ở bàn tay

Bàn tay giới hạn từ nếp gấp cổ tay xa nhất đến đầu các ngón tay, được chia làm

hai phần: gan tay và mu tay. Các cơ bàn tay gồm các cơ mô cái, cơ mô út, các cơ gian

cốt mu tay và gan tay và cơ giun. Các cơ này do dây thần kinh giữa và trụ chi phối vận

động.

Bảng 1: Chức năng vận động của các nhóm bó cơ tay

STT Bó cơ Chức năng vận động

1 Xoay thân mình và cánh tay Cơ ngực lớn

2 Nâng lồng ngực (hít vào) khi xương vai cố định Cơ ngực bé

3 Kéo xương đòn xuống dưới và nâng lồng ngực Cơ dưới đòn

4 Cơ răng trước Xoay xương vai lên trên

5 Dạng cánh tay, gấp cánh tay, duổi cánh tay Cơ delta

6 Dạng, duổi cánh tay, xoay ngoài, khép cánh tay. Cơ bả vai

7 Xoay trong cánh tay dưới khớp vai Cơ dưới vai

8 Vùng cánh tay dưới Gấp cẳng tay tại khuỷu, ngữa cằng tay tại khớp

quay, gấp cánh tay tại khớp vao.

9 Cơ cánh tay trước Gấp cẳng tay

10 Cơ cánh tay sau Duỗi cảng tay, duỗi khớp vai

11 Cơ cẳng tay (vùng trước Sấp cằng tay, sấp nhẹ cằng tay, gấp sấp bàn tay,

trong)

12 Khu cẳng tay Gấp cằng tay, ngữa cằng tay, nghiêng bàn tay

Cơ vùng mông

Vùng mông là một vùng có nhiều mạch máu và thần kinh quan trọng từ chậu

hông đi qua để xuống chi dưới. Các cơ vùng mông gồm hai nhóm có chức năng khác

nhau. Loại cơ chậu mấu chuyển gồm các cơ: cơ căng mạc đùi, cơ mông lớn, cơ mông

nhỡ, cơ mông bé và cơ hình lê. Ðây là những cơ duỗi dạng và xoay đùi. Loại cơ ụ ngồi

xương mu mấu chuyển gồm các cơ: cơ bịt trong, cơ sinh đôi, cơ vuông đùi và cơ bịt

ngoài. Các cơ này có động tác chủ yếu là xoay ngoài đùi.

Cơ vùng đùi

Ðùi được giới hạn phía trên bởi nếp lằn bẹn ở trước và lớp lằn mông ở sau. Phía

dưới bởi một đường ngang phía trên nền xương bánh chè 3 khoát ngón tay. Các cơ đùi

được được chia thành hai vùng. Cơ vùng đùi trước gồm hai khu cơ: Khu cơ trước là

khu gấp đùi và duỗi cẳng chân gồm cơ tứ đầu dùi, cơ may và cơ thắt lưng chậu, chủ

yếu do dây thần kinh đùi chi phối vận động. Ðộng tác: duỗi cẳng chân, riêng cơ thẳng

đùi còn giúp gấp đùi. Khu cơ trong là khu khép đùi gồm cơ lược cơ thon và 3 cơ khép:

cơ khép dài, khép ngắn và khép lớn có nhiệm vụ khép đùi do dây thần kinh bịt chi

phối vận động.

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).

Các cơ vùng đùi sau

Gồm ba cơ ụ ngồi cẳng chân là cơ bán màng, bán gân và cơ nhị đầu đùi có

nhiệm vụ duỗi đùi và gấp cẳng chân. Dây thần kinh chi phối cho các cơ vùng đùi sau

là các nhánh của dây thần kinh ngồi là hố khoeo, hố khoeo là 1 hố hìmh trám 4 cạnh

nằm phía sau khớp gối chứa bó mạch và thần kinh vùng khoeo. Trong hố khoeo có

thần kinh chày, động mạch khoeo, tĩnh mạch khoeo, một số mạch máu, thần kinh khác

và các nốt bạch huyết nông của vùng khoeo, trong đó đặc biệt có hai dây thần kinh

nông là dây thần kinh bì bắp chân trong tách từ dây dây thần kinh chày và dây thần

kinh bì bắp chân ngoài tách từ thần kinh mác chung; Tĩnh mạch nông đặc biệt có tĩnh

mạch hiển bé đi từ cung tĩnh mạch mu chân lên đến khoeo thì đi vào sâu để đổ vào

tĩnh mạch kheo, tĩnh mạch hiển bé là tĩnh mạch hay bị bệnh giãn tĩnh mạch.

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).

Các cơ vùng cẳng chân

Cẳng chân được giới hạn phía trên bởi đường vòng qua dưới lồi củ chày, ở phía

dưới bởi đường vòng qua hai mắt cá. Các cơ vùng cẳng chân được chia thành hai

vùng:

Các cơ vùng cẳng chân trước

Do dây thần kinh mác chung chi phối vận động có nhiệm vụ duỗi ngón chân, xoay

ngoài bàn chân và gấp mu bàn chân. Các cơ này được chia thành hai khu: Cơ khu cơ

trước: do dây thần kinh mác sâu chi phối vận động. Các cơ là cơ chày trước, cơ duỗi

ngón cái dài, cơ duỗi các ngón chân dài và cơ mác ba. Và cơ khu ngoài: gồm hai cơ:

cơ mác dài, cơ mác ngắn do dây thần kinh mác nông chi phối vận động

Các cơ vùng cẳng chân sau

Do dây thần kinh chày chi phối vận động có nhiệm vụ chính là gấp ngón chân, gấp

gan bàn chân và xoay trong bàn chân. Các cơ được chia làm 2 lớp bởi mạc cẳng chân

sâu gồm lớp nông: cơ tam đầu cẳng chân và cơ gan chân; lớp sâu có cơ khoeo, cơ gấp

ngón cái dài, cơ chày sau và cơ gấp các ngón chân dài.

Các cơ bàn chân

Bàn chân bắt đầu từ dưới hai mắt cá tới đầu mút các ngón chân. Gồm có gan chân và

mu chân. Trong đó chứa các cơ mu chân và gan chân.

Hình 9: Các cơ vùng cẳng chân

(1. Cơ chày trước; 2. Cơ duỗi các ngón dài; 3. Cơ duỗi dài ngón cái; 4. Cơ tam đầu;

5. Cơ mác dài; 6. Cơ mác ba).

2.4. Các nguyên nhân gây mất khả năng vận động các chi

Liệt nửa người hay đột quỵ là thuật ngữ để mô tả trường hợp giảm chức năng

đột ngột nửa người bên trái hoặc bên phải do tổn thương của động mạch não. Tỉ lệ tử

vong do tai biến mạch máu não còn cao và di chứng thường nặng nề, ảnh hưởng đến

sức khỏe lao động và cuộc sống không chỉ với người bệnh mà còn ảnh hưởng đến gia

đình và xã hội. Một trong những triệu chứng là liệt nửa người, đây là là liệt một tay,

một chân và thân cùng bên (có thể kèm theo liệt mặt hoặc không). Những nguyên

nhân gây nên tổn thương tai biến mạch máu não:

- Nhồi máu não: Thiếu máu não cục bộ, chiếm 80% trong tai biến mạch máu não, xảy

ra khi một mạch máu bị tắc hoặc nghẽn, khu vực não mà mạch máu đó cung cấp bị

thiếu máu và hoại tử.

- Xuất huyết (chảy máu) não chiếm 20% trong tai biến mạch máu não: Máu thoát ra

khỏi thành mạch chảy vào nhu mô não

- Các nguyên nhân khác: Bại não, viêm não, viêm màng não, chấn thương sọ não, vỡ

phình mạch não, bệnh tim mạch, u não…

Triệu chứng của bệnh tùy theo nguyên nhân liệt nửa người, các triệu chứng có thể biểu

hiện ở các mức độ liệt nặng nhẹ khác nhau. Bao gồm:

- Liệt: liệt một tay, một chân cùng bên, có thể có liệt mặt cùng bên hoặc đối bên với

chi bị liệt. Ban đầu liệt mềm, sau chuyển sang liệt cứng (tổn thương trung ương) với

tăng trương lực cơ, phản xạ gân xương, cảm giác. Mẫu co cứng thường xuất hiện ở

giai đoạn hồi phục, thể hiện bằng hiện tượng co cứng gấp ở chi trên và co cứng duỗi ở

chi dưới.

- Rối loạn cảm giác: Tê, đau, rát, giảm hoặc mất cảm giác bên liệt; Rối loạn tri giác:

có thể hôn mê, vật vả, kích thích…; Rối loạn tâm thần: có thể có hoặc không sau khi

bị bệnh; Rối loạn ngôn ngữ: tùy vùng não bị tổn thương mà có thể có các rối loạn về

ngôn ngữ: thất ngôn, nói khó, nói ngọng, mất khả năng hiểu ngôn ngữ, mất khả năng

diễn đạt ngôn ngữ; Rối loạn thị giác: bán manh (mất một nữa thị trường một hoặc 2

mắt);

- Các hậu quả của bất động: có thể có các thương tật thứ cấp như: loét do đè ép, teo cơ,

cứng khớp, cốt hóa lạc chỗ, huyết khối tĩnh mạch, bội nhiễm phổi hoặc nhiễm trùng

đường tiết niệu…

- Mẫu co cứng thường gặp: đầu nghiêng sang bên liệt, mặt quay sang bên lành; Chi

trên co cứng gấp với: xương bả vai bị kéo ra sau, đai vai bị đẩy xuống dưới; Khớp vai

khép và xoay trong; Khớp khủy gấp, cẳng tay quay sấp; Khớp cổ tay gấp mặt lòng, hơi

nghiêng về phía xương trụ, các ngón tay gấp, khép; Thân mình bị co ngắn và kéo ra

sau. Chi dưới co cứng duỗi với hông bị kéo lên trên và ra sau; Khớp háng duỗi, khép

và xoay trong; Khớp gối và khớp cổ chân duỗi, các ngón chân khép, bàn chân nghiêng

trong.

Trong phục hồi chức năng, phần quan trọng là phòng ngừa co cứng và sử dụng các kĩ

thuật cơ bản, các bài tập để chống lại mẫu co cứng.

2.5. Các phương pháp phục hồi chức năng các chi

Phục hồi chức năng phải được bắt đầu càng sớm càng tốt ngay sau đột quỵ, mỗi

giai đoạn có các kỹ thuật phục hồi khác nhau phù hợp với tình trạng cụ thể của người

bệnh trong giai đoạn đó. Những nghiên cứu về tập sớm nhất cho bệnh nhân thì nên tập

sau 24 tiếng thì có lợi hơn là tập trước 24 tiếng sau khi xảy ra đột quỵ. Vì vậy, các bác

sĩ thường khuyên rằng bệnh nhân nên tập sau 24h thì có hiệu quả tốt hơn. Cơ thể con

người là một khối thống nhất nên trong quá trình tập luyện phải chú ý đến toàn bộ cơ

thể với các bài tập vận động cân xứng cả hai bên hướng theo các mẫu vận động bình

thường, không sử dụng bên lành bù trừ hoặc thay thế cho bên bị liệt. Bằng mọi cách có

thể phải làm cho trương lực cơ trở lại bình thường hoặc gần bình thường trước khi

thực hiện vận động, đảm bảo vận động được dễ dàng hơn theo các mẫu vận động bình

thường mà trước khi bị liệt người bệnh đã sử dụng. Tập và hướng dẫn người bệnh vận

động theo các cách mà trước khi bị liệt họ đã làm với các mẫu vận động bình thường,

sử dụng các bài tập, các kỹ thuật vận động và các dụng cụ trợ giúp cần thiết phù hợp,

có liên quan gần gũi với cuộc sống và sinh hoạt thường ngày của người bệnh.

Điều trị vận động cưỡng bức bên tay bị liệt (CIMT): là phương pháp hạn chế hoạt

động của tay không bị liệt, bắt buộc tay bị liệt phải cử động và lặp đi lặp lại động tác

này thật nhiều lần. Phương pháp này đã được minh chứng là rất hiệu quả trong phục

hồi chức năng sau tai biến mạch máu não.

Liệu pháp luyện tập cưỡng bức hay còn gọi kỹ thuật vận động cưỡng bức tay bên liệt

được thiết kế với mục đích ép buộc bên cánh tay bị liệt hoạt động hết khả năng. Liệu

pháp này sẽ giúp kích thích và tác động đáng kể đến các tế bào thần kinh. Nhiều

nghiên cứu cho thấy kỹ thuật này giúp những người bị đột quỵ nhẹ đến vừa sử dụng

được bên cánh tay liệt. Quá trình này cần ít nhất 2 năm để có mang lại hiệu quả. Bạn

cần hạn chế sử dụng tay bên không bị liệt và để cho cánh tay liệt hoạt động tối đa 6

giờ một ngày.

Sử dụng gương để phục hồi bàn tay: Người bệnh sử dụng một tấm gương đặt giữa 2

bàn tay. Bàn tay bị liệt che đi ở mặt sau của gương, bàn tay không bị liệt đặt phía

trước, soi vào gương và thực hiện các động tác co duỗi linh hoạt. Hình ảnh bàn tay

phản chiếu trong gương sẽ “đánh lừa” bộ não, khiến nó nghĩ rằng bệnh nhân đang cử

động cả 2 tay, bàn tay bị liệt cũng đang co duỗi giống như tay không liệt. Liệu pháp

này đặc biệt tốt với những người bị suy giảm vận động nghiêm trọng sau tai biến.

Hình 10: Phương pháp sử dụng gương để điều trị phục hồi tay.

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

3.1. Cơ sở lý thuyết phân tích hệ thống

Đối với bệnh nhân bị tai biến đẫn đến bại liệt hoặc những trường hợp tai nạn

khác đẫn đến bại liệt thì rất cần đến tập vật lí trị liệu. Giai đoạn đầu người bệnh cần

phục hồi chức năng khớp sau đó tiếp đến là phục hồi chức năng cơ để có thể di chuyển

được, do đó về các bài tập vật lí trị liệu về khớp phải đáp ứng được các chuyển động

các khớp trên cơ thể, điều đó dẫn đến cần có nhiều trang thiết bị cho từng bài tập khác

nhau. Để tối ưu hóa hơn về không gian và chức năng đối với các thiết bị tâp vật lí trị

liệu thì cần có một sản phẩm bao gồm tất cả các chức năng mà không ảnh hưởng đến

chất lượng bài tập. Tư thế tay quay và chân đạp đảm bảo được tính linh hoạt cho các

khớp cổ tay, cẳng tay, bả vai, hông, đầu gối, cổ chân hoạt động một cách tối đa về khả

năng vận động. Cũng vì thế mà chúng tôi chọn cơ cấu tay quay và chân đạp trong thiết

bị tập vật lý trị liệu này.

Trong nghiên cứu trước đây, khái niệm cơ bản về hệ thống quay tay và đạp chân đã

được kiểm tra. Hệ thống nhằm mục đích tập tất cả các bó cơ của tay và chân trong khi

ngồi, không đặt cơ thể lên chân. Bằng cách sử dụng hệ truyền động liên kết có thể điều

chỉnh lực tác động bằng hệ thống có thể điều chỉnh giá trị. Vì mục tiêu của nghiên cứu

này là xây dựng một hệ thống phục hồi chức năng chi trên và chi dưới, nên cần có một

mô hình không tác động lên chân làm cho thân được đặt trên ghế. Khoảng quay của

các khớp sẽ quyết định kích thước của bánh quay tay và đạp chân.

3.2. Đề xuất mô hình vật lý trị liệu cho chi

Hình 11: Mô hình khâu và khớp của cơ tay người.

Hệ thống tập luyện phải đảm bảo là tất cả các bó cơ phải được vận động. Như

trong hình thì các khớp của cánh tay (bỏ qua bàn tay) thì số bậc tự do của cánh tay là 7

gồm có 3 bậc tự do tại khớp vai theo 3 trục, khớp cùi trỏ có 1 bậc tự do và khớp cổ tay

có 3 bậc tự do. Để hoạt động thì tất cả các khớp đều phải vận động và được tập luyện

và hồi phục.

Hình 12: Số bậc tự do tay và khớp cổ tay.

Người bệnh sau tai biến mạch máu não thường chỉ có thể ngồi hoặc nằm với

những hệ cơ xương cứng. Do đó, trong nghiên cứu này chúng tôi triển khai cho người

bệnh sẽ ngồi để tập luyện. Việc tập luyện phải đảm bảo khoảng hoạt động các khớp

của người bệnh không quá lớn, các chuyển động cũng không quá phức tạp để người

bệnh dễ dàng thực hiện và đây cũng chính là động lực để họ có thể vận động mực độ

tăng lên trong quá trình tập luyện. Trong quá trình tập luyện cần phải cho các chi hoạt

động có đôi, có thể một chi bị yếu thì chi còn lại hoạt động để có thể hỗ trợ và đánh

lừa thần kinh nhằm kích thích hệ thống hoạt động. Ngoài ra hệ thống phải đảm bảo

tăng độ khó và nặng trong quá trình tập luyện. Do đó trong nghiên cứu này, một hệ

thống tập luyện dựa trên nền tảng quay đĩa bằng tay và chân với độ điều chỉnh

moment quay tùy thuộc vào mức độ bệnh. Cấu trúc hệ thống tập đề xuất được chỉ ra

trong hình 18.

3.3. Tổng quan về hệ thống cơ khí dùng trong phục hồi chức năng chi

Dựa vào kết quả cuộc nghiên cứu về mối quan hệ giữa các kích thước bàn tay

và nhân trắc học yếu tố con người. Phần cơ khí của máy được nghiên cứu, thiết kế dựa

trên tài liệu về kết quả của nghiên cứu về mối quan hệ giữa các kích thước bàn tay và

nghiên cứu về nhân trắc học yếu tố con người được thực hiện tại Việt Nam. Từ đó lựa

chọn kích thước tối ưu nhất cho từng bộ phận, chi tiết máy để mang lại sự thoải mái,

thuận tiện nhất cho người sử dụng.

Hình: Tính toán, thiết kế bộ phận trục quay trên.

Hình 13: Ảnh chụp thực tế người sử dụng trục quay trên

Dựa vào kết quả nghiên cứu và kiến quả khảo sát thực tế, tôi đạt được kết quả

khoảng cách xa nhất từ vai đến lòng bàn tay là 565 – 610 mm và khoảng cách tối thiểu

khi sử dụng trục quay trên là 243 – 288 mm. Từ đó Ta tính được đường kính trục quay

318-322mm. Để thuận tiện trong công việc thi công và chế tạo, tôi chọn chiều dài của

mỗi cánh tay đòn là 160mm được làm bằng kim loại dạng khối hình chữ nhật có kích

thước tại vị trí nhỏ nhất là 10x20mm đảm bảo độ bền cho bộ phận.

Tính toán thiết kế bộ phận trục tay dưới

Hình 14: Ảnh chụp thực tế người sử dụng trục quay dưới.

Trạng thái duỗi (khoảng cách lớn nhất từ hông đến lòng bàn chân khi sử dụng máy):

Khoảng cách trung bình từ đầu gối đến lòng bàn chân:

K1 = √𝟏𝟐𝟎𝟐 + 𝟑𝟕𝟔𝟐 − 𝟐. 𝟏𝟐𝟎. 𝟑𝟕𝟔. 𝐜𝐨𝐬 (𝜶) = 432 (mm)

Với góc α trung bình theo thực nghiệm là 110

Khoảng cách trung bình từ hông đến lòng bàn chân:

K = √𝑲𝟏𝟐 + 𝟒𝟐𝟐𝟐 − 𝟐. 𝑲𝟏. 𝟒𝟐𝟐. 𝐜𝐨𝐬 (𝜶𝟏) = 853 (mm)

Với góc α1 trung bình theo thực nghiệm là 170

Trạng thái co (khoảng cách nhỏ nhất từ hông đến lòng bàn chân khi sử dụng máy):

Khoảng cách trung bình từ hông đến cổ chân:

M1 = √𝟒𝟐𝟐𝟐 + 𝟑𝟕𝟔𝟐 − 𝟐. 𝟒𝟐𝟐. 𝟑𝟕𝟔. 𝐜𝐨𝐬 (𝜷) = 514 (mm)

Với góc 𝜷 trung bình theo thực nghiệm là 80

Khoảng cách trung bình từ hông đến lòng bàn chân:

M = √𝑴𝟏𝟐 + 𝟏𝟐𝟎𝟐 − 𝟐. 𝑴𝟏. 𝟏𝟐𝟎. 𝐜𝐨𝐬 (𝜷𝟏) = 628 (mm)

Với góc β1 trung bình theo thực nghiệm là 170

Hình 15: Góc lệch giữa 2 chân theo phương ngang.

Theo góc lệch trung bình giữa hai chân theo phương ngang là 15~20 độ. Từ đó tôi tính

ra được đường kính trục quay nằm trong khoảng 395 – 339 mm. Kích thước 320 mm

cũng nằm trong khoảng này, do đó tôi chọn kích thước đường kính trục quay dưới là

320 mm để đồng bộ với kích thước trục quay trên, thuận tiện trong chế tạo.

Các chi tiết khác

Các chi tiết, bộ phận còn lại của máy được thiết kế theo hướng lắp rắp để tiết kiệm

diện tích, dễ dàng vận chuyển đồng thời linh hoạt trong quá trình sử dụng. Tùy vào

từng trường hợp, từng cơ địa của mỗi người sử dụng để điều chỉnh khoảng cách, kích

thước cũng như độ ma sát của trục quay khi tập luyện. Từ đó người sử dụng dễ dàng

phân chia cấp độ luyện tập, nhanh chóng cải thiện và phục hồi chức năng của khớp và

cơ.

Hình 16: Thanh điều chỉnh khoảng cách.

3.4. Phân tích bài toán động học cơ hệ

Cánh tay của con người là một cấu trúc phức tạp được tạo thành từ các thành

phần gồm xương và cơ bắp và các mô mềm. Cấu trúc cánh tay người có nhiều bậc tự

do và khó mô hình hóa. Với mục đích thiết kế hệ thống tập luyện vật lý trị liệu cần

phải xác định cấu hình vật lý cũng như số khâu và số khớp phù hợp. Mô hình này

chúng ta bỏ qua các nhóm bó cơ và mô mềm, như vậy chi trên được mô hình hóa bằng

cách sử dụng các liên kết cứng và khớp xoay tròn. Mô hình này có 7 bậc tự do (DOF)

là đủ để đại diện cho chuyển động và động lực chi trên của con người. Mô hình 7-

DOF được tạo thành từ 3 khớp ở vai, một ở khuỷu tay và 3 ở cổ tay.

Hình 17: Các hệ trục được gắn vào cánh tay, sơ đồ góc quay ở vị trí khớp cùi trỏ.

Mô hình cánh tay người bệnh với 7 DOF. Nếu như tay người để hoạt động và

thao tác chỉ cần 6 DOF. Do đó vị trí bàn tay và hướng có khá nhiều phương pháp giải.

Các giá trị góc quay có thể xác định vị trí khuỷu tay hoặc bàn tay. Với điều này, một

điểm nằm ở bàn tay có thể được xác định là tham số xác định để tính toán vị trí của

khớp thông qua quỹ đạo tiếp cận.

Mô hình động học của tay người có gắn 8 hệ trục theo phương pháp Denavot-

Hartenberg trong đó có 1 hệ trục cố định tham chiếu toàn cục và 7 hệ trục tham chiếu

cục bộ cho mỗi khớp. Hệ trục cố định này nằm ở tâm của vai của tập luyện vật lý trị

liệu.

Ánh xạ giữa không gian khớp và không gian tác vụ có thể được xác định bằng mô

hình động học của hệ thống. Để có thể xác định vị trí của tay người, cần có bài toán

động học thuận để giải các giá trị biến khớp dựa trên giá trị vị trí và góc quay định

hướng của tay người. Mặt khác, bài toán động học nghịch ngược lại của bài toán thuận

trong đó các vị trí khớp được xác định trước để tìm vị trí và hướng tay gắp.

Hình 18: Mô hình thiết bị tập vật lý trị liệu cho bệnh nhân sau tai biến mạch máu não.

3.5. Phân tích bài toán động lực học

Trong phần này, mô hình động học của cánh tay người được mô tả trong hình

được xem xét. Mô hình này bao gồm 7 khớp xoay bản lề. Khớp đầu tiên với 3 chuyển

động trực giao và có thể xem như 3 khớp này nối tiếp với nhau. Khớp thứ tư đặt khuỷu

tay (củi trỏ), còn lại ba khớp cuối cùng đặt ở cổ tay và đây cũng được xxem như khớp

cầu. Phương pháp xác định bài toán động học thuận được sử dụng dựa trên phương

pháp Denavot – Hartenberg, các hệ trục và tham số của phương pháp này được chúng

mô tả trong hình 4 và trình bày trong Bảng 2.

Bảng 2: Tham số Denevit-Hartenberg

# l Var d  

1 0 0 /2 1 1

2 0 0 /2 2 2

3 0 L3 -/2 3 3

4 0 0 -/2 4 4

5 0 L5 /2 5 5

6 0 0 /2 6 6

7 0 0 0 7 7

Các tham số Denavit-Hartenberg của mô hình động học được thể hiện trong bảng trên.

L1 và L2 là độ dài các khâu của cánh tay trên và dưới tương ứng. Các góc quay của

các khớp sẽ có khoảng quay phù hợp phạm vi chung của chi trên của con người, các

điểm kỳ dị được đặt ngoài không gian làm việc có thể hướng tới của cánh tay. Các hệ

trục khung liên kết và các tham số liên kết đã được xác định. Các ma trận chuyển vị

đồng nhất từ hệ trục này tới hệ trục khác được được tính như sau:

Ma trận Jacobi mô tả môi liên hệ giữa vận tốc khớp ’ và vận tốc hệ trục ttoa5 độ đặt

ở lòng bàn tay theo giải thuật [4]. Khi ma trận Jacobi của cánh tay người là ma trận 6

hàng và 7 cột thi sẽ tồn tại ít nhất một vectơ q’n thỏa mãn:

Lời giải của phương trình này là một không gian vectơ. Khi ma trận Jacobi là ma trận

vuông, kích thước của không gian thiếu là 0.

Hình 19: Mô hình giữa cơ hệ các chi người và hệ thống tập vật lý trị liệu.

Chúng ta xem như thân người sẽ không di chuyển trong quá trình hoạt động trị liệu.

Điểm tham chiếu cho việc tính toán toàn bộ các thông số là hệ trục tham chiếu toán cụ

là trên ghế ngồi đặt ở vị trí cố định của người cần trị liệu. Vị trí này hoàn toàn có thể

xác định dựa vào nhân trắc học của người. Quỹ đạo chuyển động của bàn tay có hình

tròn với phương trình tham số là:

Quỹ đạo di chuyển của bàn chân cũng phải tuân thủ theo đường trong với phương

trình tham số như sau:

Bài toán động học nghịch

Từ bài toán động học thuận, có 7 biến khớp của tay cần giải mà chỉ có 6 tham số đã

biết có là 3 tham số vị trí và 3 hướng vì vậy cần phài có khống chế thêm vào. Điều

kiện thêm vào là vị trí của cùi trỏ. Như vậy vị trí của cổ tay (Pw – Wrist), cùi trỏ (Pe –

Elbow), Ps (bả vai – Shoulder) thì chúng ta có thể xác định góc 4 xác định bởi công

thức sau:

Với L1 là chiều dài cánh tay trên, L2 là chiều dài cánh tay dưới. Khi 4 đã biết, thì ma

tar65n chuyển vị từ hệ trục 3 tới 4 cũng được biết, thì chúng ta có thể giải được 1 và

2 dựa trên vị trí của cùi trỏ.

Lấy phương trình chuyển vị toàn bộ cánh tay nhân với ma trận chuyển vị nghịch đảo

của 0T1 và 1T2 thì góc 3 có thể tìm từ giải từ vị trí theo trục x của vị trí cổ tay.

Bên canh đó góc 5, 6, 7 có được tính từ chuyển vị thuần nhất xác định bởi ma trận

biểu diễn sự chuyển vị từ khớp cổ tay so với khớp cùi trỏ 4T7. Điều này có thể giải

2T3. Góc khớp 6 có thể được tìm từ phần tử rw23 và sau đó có thể tìm được 5 và 7 có

bằng cách nhân ma trận chuyển vị tổng thể với các ma trận nghịch đảo của 0T1, 1T2 và

thể tìm được từ rw13 và rw22.

[4] L. Sciavicco and B. Siciliano, Modelling and Control of Robot Manipulators.

Springer-Verlag Advanced Textbooks in Control and Signal Processing Series, 2000.

Lực đẩy của tay người giả sử chúng ta cho đó là F trùng với trục của cánh tay dưới so

với mặt phẩn nằm ngang là góc . Từ đó chúng ta có thể tách lực F này ra thành 2

thành phần: Fn là lực theo hướng pháp tuyến và Ft là lực theo hướng tiếp tuyến.

Từ việc phân tích chúng ta thấy áp lực lớp cao su bó căng vành trị xoay là p. Diện tích

tiếp xúc giữa lớp cao su và vành trụ là:

Trong đó:  là góc vành cung tiếp xúc giữa vành ma sát và hình trụ quay; R là bán

kính của bánh trụ; t là chiều rộng của lớp tiếp xúc giữa lớp cao su và hình trụ. Từ đó

chúng ta có thể tính moment của lực ma sát cản trở chuyển động trong vật lý trị liệu là

như sau:

Trong đó có N là phản lực phân bố tiếp xúc trên bề mặt S khi góc bó là .

Lực F tạo ra bởi tay người đang hợp với mặt phẳng ngang một góc , góc này sẽ thay

đổi tùy theo vị trí tay cầm chứ không hoàn toàn cố định. Lực F này sẽ chia thành 2

thành phần: lực pháp tuyến Fn và lực tiếp tuyến Ft. Lực pháp tuyến sẽ tạo một lực

không tạo ra chuyển động vòng quay của tay quay. Còn lực tiếp tuyến tạo ra chuyển

động của vòng quay và đây là chính là mong muốn chuyển động của người tập vật lý

trị liệu. Lực Ft tạo ra để quay bánh xe bởi tay của người tập vật lý trị liệu được xác

định như sau:

Moment tạo ra bới lực tiếp tuyến M được xác định như sau:

Như vậy thì moment M này phải lớn hơn moment ma sát Mf để có thể tạo ra chuyển

động cho việc tập vật lý trị liệu như sau:

Điểm O gắn chặt trên khớp vai coi như không thay đổi trong quá trình vận động tập

vật lý trị liệu. TRong quá trình tay nắm của người bệnh gắn chặt vào tay quay thì các

góc quay của 7 bậc tự do sẽ thay đổi quỹ đạo theo đường tròn với tâm là (x01, y01, z01)

với bán kính là R1. Để dễ dàng tính toán chúng ta xem tam giác OAB luôn nằm trên

mặt phẳng do đó chúng ta xem góc  như là góc tạo bởi giữa 2 mặt phẳng OAB và mặt

phằng nằm ngay. Giả sử điểm O có tọa độ là (xO, yO, zO) và điểm B có tọa độ (xB, yB,

zB). Góc  sẽ được tính như sau:

Mà chúng ta có tay quay sẽ di chuyển theo đường tròn với tâm là (x01, y01, z01) và bán

kính là R1, như vậy quỷ đạo chuyển động của tay quay với phương trình tham số là:

Như vậy góc quay  sẽ thay đổi theo vị trí của tay quay như sau:

Chúng ta tính được lực ma sát trên lớp cao su bó lên vành trụ xoay như sau:

Ta xét phần dây đai

Gọi:

- Fn là tổng áp lực của bánh đai lên dây đai (N)

(N/m2)

- F1 và F2 là lực căng 2 đầu dây, 2 lực này khác phương và chiều nhưng có cùng

độ lớn (N)

là độ dãn của dây đai khi nâng vít (m) -

Quy bánh đai về hệ trục như hình trên ta có

Phân tích hình vẽ ta thấy vector N gồm 2 thành phần Nx và Ny

Theo tính chất đối xứng vòng xuyến nên Fny = ∫ 𝑑Fny = 0

𝛽

Khi đó Fn = ∫ 𝒅𝑭𝒏𝒙 = ∫ 𝒅𝑭𝒏.cos 𝛼

𝛽 2 −𝛽 2

. cos 𝛼 = 2Nrtsin Độ lớn: Fn = ∫ 𝑑𝑟𝑡𝑁𝑑𝛼

𝛽

Xét trục Ox, phương trình cân bằng: Fn - F1x - F2x = 0

𝐹1

𝑘∆𝑙

= 0  2Nrtsin - 2F1sin

𝑟𝑡

 N = =

Khi đó ta có

Công thức liên quan giữa lực và gia tốc góc

Phần chi trên

Đặt A là khớp vai

B là khuỷu tay

C là điểm tiếp xúc của bàn tay và tay cầm

D là tâm trục quay chi trên

là góc tạo bởi (ABC) và mặt phẳng nằm ngang

là góc tạo bởi thanh trục dọc tay quay và mặt phẳng nằm ngang

là góc tạo bởi lực F do người bệnh tạo ra và tiếp tuyến

Lấy chiều dương là chiều ngược kim đồng hồ

Ta có

(rad)

- Lực F sẽ sinh ra 3 thành phần

+ Lực hướng tâm không sinh moment

+ Lực vòng

+ Ngoài ra theo như thực nghiệm, F còn sinh ra một lực giúp bàn đạp thoát khỏi

những điểm chết, gọi lực này là Fx:

Cùng hướng với Fa

Độ lớn

Với a là hệ số (a<1)

Vì hệ số a là nhỏ, nên lực Fx chỉ có tác dụng tại những vị trí gần điểm chết, vì thế để

cho việc tính toán dễ dàng trong phân tích lực thông thường, ta không thể hiện lực

này.

Khi đó lực sinh moment



Phần chi dưới

Vì mặt phẳng tạo bởi khớp háng, đầu gối và bàn chân gần như không thay đổi trong

quá trình đạp nên ta coi mặt phẳng này là mặt phẳng thẳng đứng Oyz,

- Xét mặt phẳng Oyz, đặt

E là khớp hông

F là đầu gối

G là điểm tiếp xúc giữa bàn chân và bàn đạp

H là tâm trục quay chi dưới

là góc tạo bởi EF và đường nằm ngang

là góc tạo bởi thanh trục dọc tay quay và đường nằm ngang

là góc tạo bởi lực F do chân người bệnh tạo ra và tiếp tuyến

Tương tự như khảo sát phần chi trên ta có lực bệnh nhân tác động lên bàn đạp:

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN

4.1. Giới Thiệu

Hệ thống điện điều khiển cho máy đòi hỏi phải có thể thu thập, xử lý, lưu trữ

dữ liệu và thông tin đào tạo của bệnh nhân. Thông tin bao gồm các chi tiết bệnh nhân,

giá trị ngưỡng đạt tối đa khi bắt đầu tập luyện, tọa độ của quỹ đạo cánh tay/chân thực

sự ở giai đoạn ban đầu cũng như góc tối đa ở khớp vai hoặc khuỷu tay/khuỷu chân.

Đây là những dữ liệu quan trọng để đánh giá hiệu suất cải thiện bệnh nhân trong suốt

thời gian tập luyện.

Hình 20: Cấu trúc phần điều khiển của hệ thống vật lý trị liệu.

Dữ liệu ban đầu sẽ được thu thập và lưu trong mô-đun cơ sở dữ liệu trước khi

trị liệu đầu tiên bằng cách quét thông tin cũng như lịch sử khám chữa bệnh. Sau đó, tất

cả các dữ liệu cần thiết sẽ được lưu tự động vào cuối mỗi buổi trị liệu. Điều này sẽ tìm

giá trị ngưỡng tập từ mô đun thu thập dữ liệu thời gian thực, lưu tất cả các giá trị vị trí,

vận tốc, lực của từng vị trí để đảm bảo nguồn thông tin thu thập được hửu ích cho quá

trình trị liệu. Tất cả các dữ liệu góc khớp tay và chân được chuyển tới module môi

trường ảo ảnh và gửi thông tin vào module cơ sở dữ liệu như trong sơ đồ khối như

Hình 20. Tất cả các dữ liệu này sẽ là dữ liệu tham khảo cho buổi tập luyện tiếp theo sẽ

được tải tự động trong hệ thống theo bệnh nhân cụ thể.

Hình 21: Cấu trúc của hệ thống giám sát chuyển động của khung xương.

Trong hệ thống, bốn điểm đánh dấu màu được đính kèm để xác định vị trí hiện

tại của khớp tay thật: vai, khuỷu tay, cổ tay và đầu ngón tay (Hình 21) trong mỗi

khung hình bằng một webcam duy nhất. Ý tưởng của module này là tạo ra môi trường

ảo ảnh thị giác cho người dùng / bệnh nhân bằng cách kết nối thông tin của các chi

thực và ảo. Điều này được thực hiện bằng cách tập luyện trên hệ thống với các chi bị

suy yếu cùng với sự trợ giúp của module theo dõi. Từ module theo giám sát này, vị trí

hiện tại của khớp vai, khớp khuỷu tay, khớp cổ tay và đầu ngón tay được xác định và

đây là nơi loại bỏ các phân đoạn cánh tay thực và đính kèm mô hình. Mô hình này sẽ

cho phép người dùng cảm nhận như cánh tay của chính họ trên màn hình hiển thị. Để

tạo ra môi trường ảo giác như vậy, bốn lớp được phát triển mô tả như Hình 21. Lớp

đầu tiên được cung cấp với video trực tiếp qua webcam để tạo môi trường AR. Trong

lớp thứ hai, ba đối tượng phủ sóng được phát triển dựa trên chiều rộng và chiều cao

của cánh tay trên của người dùng, cẳng tay và bàn tay được chụp bởi webcam. Vùng

bên trong của các đối tượng phủ sóng được nhập với nền AR được chụp từ môi trường

AR để nó sẽ xuất hiện dưới dạng loại bỏ cánh tay thật khỏi màn hình hiển thị.

Vị trí của các đối tượng phủ sóng dựa trên vị trí hiện tại của điểm đánh dấu màu ở vai,

khuỷu tay và khớp cổ tay để cánh tay thật sẽ luôn chồng lên các đối tượng phủ sóng

bất cứ khi nào người dùng cánh tay di chuyển. Trong lớp thứ ba, hệ thống sẽ được gắn

ở điểm đánh dấu khớp vai và phủ lên trên các vật thể che phủ để tạo cảnh ảo giác của

cánh tay thật. Việc kết xuất hệ thống được hoàn thành trong nền tảng GUI với công cụ

đồ họa 3D. Để hình dung gần nhất có thể với các chi thật của người dùng, hệ thống

giám sát, thu thập và xử lý thông tin để đảm bảo người bệnh cảm giác thật. Một trong

những chức năng của hệ thống là tạo ra ảo giác quyền sở hữu và khi người dùng

không thể hoàn thành nhiệm vụ cần thiết do chuyển động của động cơ bị hạn chế, nó

sẽ đảm nhận công việc của cánh tay thực như thể người dùng vẫn đang thực hiện

nhiệm vụ tiếp cận. Sự xuất hiện này trên màn hình sẽ đánh lừa người sử dụng bằng nỗ

lực của chính mình để đạt đến mục tiêu.

Hình 22: Biểu diễn đồ họa của môi trường ảo.

Mô-đun thu thập dữ liệu thời gian thực

Việc sử dụng thu thập tín hiệu từ vị trí, vận tốc và lực là một trong những thành

phần quan trọng nhất để cung cấp một hệ thống phục hồi chức năng chi hiệu quả. Do

đó, mô đun thu thập dữ liệu trong hệ thống được phát triển để so sánh dữ liệu do người

dùng xác định với dữ liệu thời gian thực từ các tín hiệu được xử lý hoặc dự đoán ý

định của người dùng từ tín hiệu sinh học tiềm ẩn của họ là tín hiệu EMG, đồng thời nó

cũng phục vụ như một phản hồi sinh học cho người dùng để thúc đẩy sự phục hồi từ

các chức năng bị mất một cách hiệu quả. Mô đun thu thập dữ liệu là mô-đun trong đó

hai nền tảng giao tiếp thông qua giao tiếp phổ biến (UDP) bằng cách thiết lập giao

thức internet (IP) và thông tin cổng cho cả người gửi (Matlab) và người nhận (CS6).

Một trong những thách thức trong thiết kế hệ thống tập vật lý trị liệu trong môi trường

ảo việc thiết kế hệ thống điều khiển. Hệ thống tập luyện nên rõ ràng và thích hợp thì

càng tốt cho người dùng trong quá trình vận động của cánh tay, đồng thời có thể cung

cấp các dữ liệu hỗ trợ thích hợp cần thiết trong quá trình phục hồi.

Hình 23: Sơ đồ bộ điều khiển với việc tiên đoán các góc quay.

Quỹ đạo của bàn tay đặt vào tay cầm hay chân đạp được xác định là đường tròn sẽ cho

ra các giá trị lực, vận tốc, vị trí từ các thông số của cảm biến lực và encoder. Việc xác

định vị trí các khớp cũng sẽ là các tham số dành cho việc tính toán cùng với cảm biến

lực và encoder để tính toán chính xác cần thiết trong quá trình điều khiển.

Với n là hệ trục thứ n mà cảm biến gắn lên, fmeas là vectơ lực được đo bới cảm biến

lực, Ri là ma trận quay của hệ trục thứ i, f là lực so với hệ trục toàn cục.

Khi mục tiêu là đảm bảo lực tương tác là 0 thì lực tham chiếu là tập 0 và sao số của

lực giữa người sử dụng và hệ thống là tổng của tất cả các lực chuyển tới hệ trục tham

chiếu. Phương trình sẽ là:

Với fe là sai số lực ở hệ trục tham chiếu, còn fu, fl, fw là lực của khâu cánh tay trên,

cánh tạy dưới, cổ tay. Sai số lực được chuyển thành tại vị trí cổ tay. Hướng cổ tay thì

moment tác động lên cổ tay được xác định để tính lực tạo ở cổ tay. Giống như tính

toán vị trí cổ tay, tất cả đều phải so sành với hệ trục tham chiếu toàn cục.

Với w là moment tổng tác động lên cổ tay và cũng như là ở cảm biến lực tác động tay

quay. Thêm vào đó thay đổi vị trí góc quay cũng được tính dựa vào lực tác động lên

trục quay. Các góc quay tương ứng cũng các khớp sẽ được tính dựa trên bài toán phân

tích động lực học.

Hình 24: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hỗ trợ với sự tác động của chủ và tớ.

Sơ đồ (Hình 24) khối điều khiển trợ giúp song phương cho thấy sự hỗ trợ lực

lượng được cung cấp bởi chủ cho cánh tay nô lệ. Trong hệ thống điều khiển này cánh

tay người bị yếu hay bị tê/liệt được xem như cánh tay tớ, cánh tay này sẽ chuyển động

kéo theo và được theo dõi giám sát bởi cánh tay chủ áp đặt lên nó. Trong đó, fact và

act là lực và moment thật sự của tay người bệnh tác động lên hệ thống tập luyện. Bên

cạnh đó meas và cmd là góc khớp đo và mong muốn, mi và si là giá trị moment của

khớp thứ i của bộ chủ và tớ.

Thông tin vị trí của tay và cùi trỏ cũng như quỹ đạo của chúng có thể xác định thông

qua bài toán động học nghịch. Ở mức độ điều khiền thấp, bám theo vị trí khớp được

thực hiện thông qua việc điều khiển PID.

Mục tiêu của việc điều khiển hỗ trợ là cung cấp sự hỗ trợ cần thiết để đạt được mục

tiêu cụ thể trong quá trình phục hồi chức năng trong vật lý trị liệu. Mục tiêu nhằm đạt

được duy trì chuyển động đối xứng của 2 tay tuần tự. Trong sơ đồ điều khiển này, một

lực kích hoạt được tạo ra bằng bộ điều khiển PD điều khiển sai số giữa độ chính xác

mong muốn. Thêm vào đó, sai số góc xoay của tay người tập thực tế và góc mong

muốn cũng phải được xác định để xác định độ chính xác hệ thống.

4.2 Hệ thống điện

4.2.1 Máy tính giao tiếp với vi điều khiển và kinect

Để giao tiếp với vi điều khiển, nhóm giao tiếp qua cổng COM port với tốc độ

115200 baudrate. Tín hiệu gửi qua vi điều khiển là dạng chuỗi, chính là tốc độ quay và

momen lực của tay quay và chân đạp. Các giá trị được gửi về máy tính xử lí và hiển

thị lên màn hình giao diện. Kinect đồng thời kết nối với máy tính và truyền dữ liệu về

máy tính nhận dạng khung xương và tính toán tọa độ các khớp trên cơ thể người.

Hình 25: Sơ đồ máy tính giao tiếp với vi điều khiển và Kinect.

4.2.2 Giao tiếp giữa cảm biến và vi điều khiển

Vi điều khiển có các chân tín hiệu digital và analog, Encoder truyền tín hiệu về

vi điều khiển dưới dạng tín hiệu digital và cảm biến momen quay truyền tín hiệu về vi

điều khiển dưới dạng analog.

Hình 26: Sơ đồ kết nối cảm biến với vi điều khiển.

4.3 Hệ thống truyền và xuất dữ liệu

Cấu trúc hệ thống điều khiển gồm 2 nhánh và 1 bộ xử lí trung tâm(PC). Với

nhánh 1 gồm vi điều khiển tổng hợp các dữ liệu từ cảm biến, sau đó đưa về bộ xử lí

trung tâm (PC), nhánh 2 là Kinect chứa các cảm biến về quang học, hồng ngoại, độ

sâu và gửi về bộ xử lí trung tâm (hình 25 và hình 27). Bộ xử lí trung tâm (PC) tổng

hợp và hiển thị các thông số lên màn hình.

Hình 27: Cấu trúc hệ thống điều khiển.

4.4 Truyền thông

Máy tính giám sát tính hiệu qua kết nối cổng COM. Trên máy tính xử lí trung

tâm có chương trình: đọc dữ liệu từ vi điều khiển, đọc dự liệu từ Kinect, mô phỏng 3D

nhân vật đạp xe, lập biểu đồ thời gian thực về góc quay của tay và chân, giao diện hiển

thị các thông số từ vi điều khiển và Kinect. Ngôn ngữ lập trình phần mềm là C# và

ngôn ngữ lập trình vi điều khiển là C++.

4.5 Hệ thống cảm biến

4.5.1 Kinect

Kinect (tên mật trong thời gian phát triển là Project Natal) là thiết bị cảm biến ngoại vi

thu chuyển động phát triển bởi Microsoft dành cho máy console Xbox 360 và

Windows. Khi kết nối vào Xbox 360, người chơi có thể điều khiển và tương tác với

máy console mà không cần tay cầm điều khiển, thông qua giao diện người dùng tự

nhiên sử dụng cử chỉ và lệnh thoại.

Hiện tại Microsoft đưa ra 2 phiên bản Kinect. Một cho Xbox 360 và 1 cho PC (Kinect

for PC). Microsoft ra mắt bộ công cụ phát triển phần mềm Kinect cho Windows 7

(SDK – Software Developer Kit) ngày 16 tháng 6 năm 2011. Bộ công cụ phát triển

phần mềm này cho phép các nhà phát triển viết ứng dụng cho Kinect ở ngôn ngữ C#,

C++/CLI, Visual Basic 2005.

Kinect là một thiết bị tích hợp cảm biến chiều sâu, camera màu và một nhóm

microphones cùng nhiều thứ khác đặt bên trong một hộp nhỏ và phẳng. Hộp phẳng

này được gắn kèm với một động cơ nhỏ để có thể cho phép thiết bị thay đổi góc quay

theo phương ngang. Thiết bị cảm biến Kinect bao gồm những thành phần sau:

• Color camera

• Infrared (IR) emitter

• IR depth sensor

• Tilt motor

• Microphone array ( gồm 4 microphone giống nhau hoạt động ở 16bit với tốc độ lấy

mẫu là 16KHz)

• LED

• Cảm biến gia tốc

Hình 28: Kinect.

4.5.2 Encoder

Gới thiệu

Encoder là một bộ phận rất quan trọng trong sơ đồ cấu tạo của máy CNC. Có

thể dễ hình dung rằng nó giống như bộ phận công tơ mét ở xe máy hay ô tô, nó sẽ đo

đạc và hiển thị các thông số về tốc độ của máy cho người sử dụng biết thông qua hệ

thống giám sát của máy tính điều khiển.

Hình 29: Encoder.

Encoder ở các hệ thống điều khiển tự động là bộ phận để đo lường dịch chuyển thẳng

hoặc góc, đồng thời chuyển đổi vị trí góc/vị trí thẳng mà nó ghi nhận được thành tín

hiệu nhị phân.

Cấu tạo

Được cấu tạo gồm một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa được đục lỗ

(rãnh), khi đĩa này quay và chiếu đèn led lên trên mặt đĩa thì sẽ có sự ngắt quãng.

Hình 30: Cấu tạo bên trong Encoder

Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu (photosensor) để

thu nhận tín hiệu từ đĩa quay.

Nguyên lý hoạt động của Encoder

Với các tín hiệu có ánh sáng chiếu qua, hoặc không có ánh sáng chiếu qua,

người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Số xung đếm được và tăng

lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt!

Giả sử trên đĩa chỉ có 1 lỗ duy nhất thì cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn

led thì có nghĩa là đĩa đã quay được 1 vòng.

Đây là nguyên lý hoạt động của loại Encoder cơ bản, còn đối với với nhiều chủng loại

khác thì đương nhiên đĩa quay sẽ có nhiều lỗ hơn và tín hiệu thu nhận cũng sẽ khác

hơn.

4.5.3 Cảm biến momen xoắn

Các cảm biến đo mô-men xoắn thế hệ đầu tiên thường có tín hiệu ngõ ra dạng tương

tự. Hiện tượng nhiễu thường xuất hiện giữa module cấp nguồn và điều khiển, nhất là

trong trường hợp dây cấp nguồn dài. Vì vậy, mức điện áp ngõ ra của cảm biến thường

được tăng lên tới ± 5V hoặc ± 10V. Tuy nhiên trong nhiều ứng dụng khác, khó có thể

giảm hay loại bỏ những phần nhiễu này. Giải pháp ở đây chính là sử dụng cảm biến

điện tử với tín hiệu được số hóa. Hình dưới đây mô tả các phần tử của cảm biến:

Hình 31: Cấu trúc bên trong cảm biên moment

Phần tử strain gauge (điện trở đo biến dạng - giống bên trong loadcell) được đặt ở trên

trục. Phần tử quay của bộ chuyển đổi cũng được đặt trên trục. Mạch điện được đặt ở

phần thân vỏ. Bên trong mạch điện có một vi điều khiển, dùng để đo giá trị thu được

từ strain gauge. Tín hiệu từ strain gauge cũng sẽ được khuếch đại và số hóa ở đây. Tín

hiệu số này được chuyển đổi sang chuẩn giao tiếp như RS-485. Vi điều khiển còn có

các chức năng khác như giám sát bộ cấp nguồn, lưu số serial của thiết bị, giá trị chuẩn

hóa, khoảng đo, ngày hiệu chuẩn …

Hình 32: Sơ đồ khối cảm biến moment

CHƯƠNG 5: TƯƠNG TÁC THỰC ẢO

5.1. Giới thiệu

Trong những năm gần đây, lĩnh vực thực tế ảo (VR) đã phát triển và được ứng

dụng rộng rãi trong cuộc sống. Các ứng dụng thực tế cho việc sử dụng công nghệ này

bao gồm nhiều lĩnh vực, từ đào tạo hàng không và ứng dụng quân sự, đến đào tạo

công nghiệp về vận hành máy móc, đến y học, nơi các bác sĩ phẫu thuật có thể được

đào tạo về kỹ thuật phẫu thuật bằng hệ thống VR. Môi trường ảo (hoặc thực tế ảo) là

mô phỏng của môi trường thế giới thực được tạo thông qua phần mềm máy tính và

được người dùng trải nghiệm thông qua giao diện máy con người. Một loạt các thiết bị

phần cứng và phần mềm có thể được sử dụng để tạo ra các mô phỏng VR với mức độ

phức tạp khác nhau. Trong khi ở thế giới thực, chúng ta có được kiến thức về môi

trường của mình trực tiếp thông qua các giác quan của chúng ta về thị giác, thính giác,

xúc giác, quyền sở hữu, ngửi mùi trong thế giới ảo, chúng ta sử dụng các giác quan

tương tự để có được thông tin về thế giới ảo thông qua giao diện máy con người (ví

dụ, màn hình hiển thị gắn trên đầu). Giao diện máy của con người có thể cung cấp

thông tin cụ thể cho một hoặc nhiều giác quan, tùy thuộc vào loại thiết bị đã được

chọn để sử dụng. Thông tin thu thập về môi trường ảo thông qua giao diện sau đó

được sử dụng để hướng dẫn các tương tác của người tham gia trong thế giới ảo. Đầu

vào từ môi trường ảo cũng có thể được kết hợp với đầu vào cảm giác tự nhiên từ môi

trường thực, để tạo đầu vào lai cho hệ thần kinh trung ương (CNS).

Thiết bị hiển thị

Thiết bị hiển thị hình ảnh đơn giản nhất là màn hình máy tính để bàn, sử dụng

màn hình đồ họa 2 chiều nâng cao. Mặc dù các màn hình như vậy sẽ không thực tế

như màn hình 3 chiều âm thanh nổi thực, cảm giác về chiều sâu có thể được tăng

cường thông qua việc sử dụng các tín hiệu sâu như phối cảnh, chuyển động tương đối,

tắc và phối cảnh trên không.1 Sử dụng tinh thể lỏng máy chiếu màn hình (LCD) và

màn hình treo tường lớn vì màn hình cũng sẽ nâng cao cảm giác nhận thức sâu sắc (và

do đó cảm giác về sự hiện diện) ở người dùng. Các thiết lập như vậy rất thuận tiện, dễ

sử dụng, không cần đeo kính hoặc tai nghe có dây và cho phép cả nhà trị liệu và bệnh

nhân có thể xem cùng một cảnh một cách dễ dàng. Những màn hình này đã được ưa

thích trong các nghiên cứu lâm sàng cho đến nay, vì chúng tương đối rẻ và dễ sử dụng,

và không có báo cáo về sự xuất hiện của bệnh không gian mạng trong các nghiên cứu

sử dụng các hệ thống như vậy với dân số lâm sàng. Để di chuyển đến một môi trường

ảo đắm chìm hơn, người ta cần một màn hình có thể cung cấp âm thanh nổi 3 chiều

thực sự. Điều này có thể được thực hiện không tốn kém với kính nhấp nháy hiển thị

các chế độ xem phải / trái xen kẽ của hình ảnh được đồng bộ hóa với tốc độ khung

hình; hoặc rộng rãi hơn với màn hình hiển thị gắn trên đầu (HMD), cho phép xem âm

thanh nổi thông qua màn hình nhỏ được gắn phía trước mỗi mắt và liên kết của quan

điểm VR với chuyển động của đầu; hoặc hệ thống trình chiếu âm thanh nổi màn hình

lớn, cung cấp âm thanh nổi hấp dẫn với kính phân cực nhẹ. Ở cấp độ cao, hệ thống

CAVE ™, được phát triển tại Đại học Illinois ở Chicago, 8,9 cung cấp môi trường ảo

3 chiều, độ phân giải cao, độ phân giải cao, video và âm thanh 3 chiều.

Bài tập phục hồi chức năng

Hình 33: Cấu trúc phần mềm.

Tổ chức kiến trúc phần mềm tổng thể cho máy trạm phục hồi chức năng PC

được hiển thị trong Hình 33. Mô phỏng VR bao gồm bốn bài tập. Mỗi người trong số

họ tập trung vào một tham số cụ thể của chuyển động tay: phạm vi, tốc độ, phân số và

sức mạnh. Bài tập phạm vi chuyển động được thiết kế để cải thiện khả năng uốn cong

và mở rộng ngón tay của bệnh nhân. Bệnh nhân được yêu cầu uốn cong các ngón tay

càng nhiều càng tốt và sau đó mở chúng càng nhiều càng tốt. Trong bài tập chuyển

động tốc độ, bệnh nhân được yêu cầu mở hoàn toàn bàn tay và sau đó đóng lại càng

nhanh càng tốt. Bài tập phân số liên quan đến việc sử dụng các chỉ số, ngón giữa, vòng

và ngón tay nhỏ. Mục tiêu của bài tập là uốn cong một ngón tay càng nhiều càng tốt

trong khi những ngón còn lại được giữ mở. Bài tập được thực hiện riêng cho mỗi trong

bốn ngón tay. Các bài tập sức mạnh được thiết kế để cải thiện việc nắm bắt bệnh nhân.

Các ngón tay liên quan là ngón cái, ngón trỏ, giữa và vòng. Bệnh nhân được yêu cầu

đóng các ngón tay chống lại các lực tác dụng lên đầu ngón tay. Để giảm mệt mỏi và

căng gân, các ngón tay được di chuyển cùng nhau và ngón cái được di chuyển một

mình cho tất cả các bài tập ngoại trừ phân đoạn. Bài tập được thực hiện riêng cho ngón

tay cái bởi vì, khi toàn bộ bàn tay được đóng lại, ngón cái hoặc bốn ngón tay không

đạt được phạm vi chuyển động đầy đủ. Thực hiện các bài tập cho ngón trỏ, ngón giữa,

nhẫn và ngón tay nhỏ cùng một lúc là tốt bởi vì, ở đây, các ngón tay không ảnh hưởng

đến nhau phạm vi chuyển động của nhau. Quá trình phục hồi được chia thành các

phiên, khối và thử nghiệm. Một thử nghiệm bao gồm một thực hiện của mỗi bài tập.

Ví dụ, đóng ngón tay cái hoặc ngón tay là một thử nghiệm phạm vi chuyển động. Một

khối là một nhóm các thử nghiệm cùng loại bài tập. Một phiên là một nhóm các khối,

mỗi khối khác nhau.

Trong bài viết này, một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về thiết bị thường được sử

dụng trong các hệ thống đào tạo VR được cung cấp. Sau đây là một đánh giá về cơ sở

khoa học và những lợi thế tiềm năng của việc sử dụng các hệ thống VR trong lĩnh vực

phục hồi chức năng. Cuối cùng, trạng thái của các ứng dụng VR cho các ứng dụng VR

trong phục hồi động cơ đã được xem xét. Các chủ đề ứng dụng đã được sắp xếp theo

các danh mục cụ thể chẩn đoán hoặc nhiệm vụ để người đọc dễ tham khảo. Trọng tâm

trong bài viết này đã được giới hạn trong lĩnh vực phục hồi chức năng động cơ.

Cấu trúc hệ thống phần mềm sử dụng trong hệ thống tương tác thực ảo VR được mô tả

trong hình 34. Phần mềm thu thập/điều khiển/phân tích và mô hình hóa trong môi

trường ảo là một ứng dụng chạy theo thời gian thực đích trên nền tảng máy tính. Cốt

lõi của nó là một mô hình môi trường ảo giao tiếp với các cổng đầu vào và đầu ra của

bộ truyền động và cảm biến của hệ thống tập vật lý trị liệu. Giao diện người nhằm

hướng dẫn cho người tập các động tác, tư thế, hoạt động và vận động đúng theo yêu

cầu, có thể tahy đổi cường độ theo sự phục hồi hay tăng cường vận động theo thời

gian. Trên giao diện này sẽ hiển thi hình ảnh ảo người tập để có thể động viên người

tập với những hình ảnh tích cực, nhưng âm thanh và hình ảnh khuyến khích người tập.

Quá trình hiển thị này trong môi trường ảo dựa trên dữa liệu thu thập từ camera có

phân tích khung xương, đo vị trí và vận tốc cucu4ng như moment tạo ra của 2 bánh

quay trong quá trình tập của người bệnh. Hệ thống phần mềm cũng cho phép người

dùng chỉnh các thông số tập cũng như điều chỉnh các chế độ trong quá trình tập luyện.

Việc thực thi các hoạt động tập luyện trên nền tảng trò chơi và môi trường ảo là trên

một máy tính và giao tiếp của chúng trên nền tảng máy tính thông qua một mạng cục

bộ với giao thức gói dữ liệu người dùng. Chương này chúng ta sẽ nói về việc giám sát

và thu thập dữ liệu từ các hệ thống cảm biến như camera, encoder, cảm biến lực.

Ngoài ra, trong chương này cũng nói về môi trường ảo và cấu trúc giao diện dành cho

quá trình vật lý trị liệu.

Hình 34: Cấu trúc quá trình vật lý trị liệu

5.2. Phần mềm giám sát hệ thống tập

Phần mềm giám sát và điều khiển hệ thống tập là một ứng dụng trên nền tàng

máy tính được viết bằng ngôn ngữ C và tuân thủ tiêu chuẩn chức năng của hệ thống

vật lý trị liệu trên nền tảng robot. Các khối chức năng dành cho người dùng được tạo

trong C và điều này sẽ thực thi cơ sở mã cho phần mềm điều khiển. Mô hình ảo có

giao diện với các hệ thống vật lý thông qua nền tảng để được hỗ trợ việc thu tập dữ

liệu. Mô hình môi trường ảo thực hiện trong ba giai đoạn. Đầu tiên, giai đoạn khởi tạo

mô hình, sau đó là giai đoạn vòng lặp mô phỏng thực và cuối cùng là giai đoạn kết

thúc để thực hiện các hướng dẫn. Trong giai đoạn khởi tạo mô hình, các phương thức

khởi tạo mô hình trong môi trường ảo kết nối với phần cứng được gọi. Mục đích của

hai phương thức này là khai báo một số tham số, khởi tạo trạng thái và tín hiệu ra và

vào, thời gian lấy mẫu và thời gian thiết lập. Trong quá trình thực hiện thời gian mẫu

là 1 mili giây.

Hình 35: Phần mềm điều khiển mô tả giai đoạn chính của quá trình thực thi.

Vòng lặp mô phỏng thực tế ảo thực hiện tất cả các tính toán. Giai đoạn này

được thực hiện cho đến khi người dùng quyết định chấm dứt quá trình hoạt động.

Phương thức này cập nhật ở mỗi chu kỳ mẫu (1 ms) để cập nhật tất cả các đầu ra của

từng mô hình điều khiển. Phương thức thực thi thiết lập tất cả các tham số liên quan

của người dùng cho hệ thống hoạt động (nút bật, chế độ tập luyện, v.v.), xử lý tín hiệu

(chuyển đổi tín hiệu cảm biến), cập nhật trạng thái hệ thống (vị trí đầu cuối, vận tốc và

lực) của mô-men xoắn tay quay. Giai đoạn cuối cùng của việc thực hiện là chấm dứt

quá trình thực thi.

Bảng điều khiển và thu thập dữ liệu

Hệ thống điều khiển và ứng dụng thu thập dữ liệu đã được phát triển trên nền

tảng giao diện đồ họa Unity. Nền tảng này kết nối với các hệ thống thu thập tín hiệu

cảm biến để mô phỏng và tính toán các hoạt động của người bệnh theo thời gian thực.

Nó giao tiếp với phần mềm điều khiển thông qua các chuẩn truyền thông của máy tính

chủ. Để chạy phần mềm điều khiển, mô hình môi trường là một platform trên nền tảng

C và khi kích hoạt hệ thống hoạt động thì lệnh start được gọi để khởi động ứng dụng.

Để thu thập dữ liệu, các hệ thống cần được trang bị các cảm biến để xác định chính

xác giá trị các thông số từ đó có thể trực quan hóa và phân tích dữ liệu từ ứng dụng

mong muốn. Những dữ liệu này được số hóa sau đó sẽ được phân tích tính toán để

hiển thị ra màn hình tương tác với các giá trị mà người bệnh có thể quan sát trực quan.

Hình 36: Sơ đồ khối thực thi vòng lặp để thu thập khối dữ liệu lớn.

Hình 36 mô tả việc thực thi các lệnh thu thập dữ liệu, phương thức sử dụng hai

đối tượng phạm vi cả hai nhận cùng một dữ liệu nhưng tại các khung thời gian khác

nhau, xen kẽ lẫn nhau. Phạm vi đầu tiên được thiết lập hoạt động và kích hoạt khi thực

hiện. Trong quá trình thu thập dữ liệu, quy trình tiếp tục kiểm tra xem trạng thái phạm

vi hoạt động đã kết thúc chưa. Nếu có thì nó được dừng và phạm vi thứ hai được lệnh

bắt đầu. Dữ liệu và dấu thời gian của phạm vi đầu tiên được đổ vào một biến sẽ được

duy trì thông qua việc thực thi mã. Phạm vi đầu tiên và thứ hai sẽ giữ vai trò xen kẽ là

phạm vi hoạt động, chuyển dữ liệu sang biến. Nội dung của biến sẽ được lưu vào một

văn bản định dạng ASCII trong máy tính chủ.

Cấu trúc môi trường ảo và trò chơi ảo

Môi trường mô phỏng và các trò chơi để tập vật lý trị liệu được triển khai bằng

nền tảng Unity. Thiết kế tận dụng lợi thế của công cụ mô phỏng và các mẫu mô phỏng

hệ thống có sẵn đi kèm với phần mềm.

Môi trường ảo

Công cụ mô phỏng nhằm giải quyết một số vấn đề phát sinh từ một ứng dụng đa quy

trình rất phức tạp cho hệ thống cơ điện tử. Những vấn đề như vậy được giải quyết là

tốc độ xử lý của phần mềm, khả năng kết hợp và khả năng quan sát trực quan. Công cụ

mô phỏng sử dụng một công cụ vật lý gọi là Unity. Môi trường mô phỏng bao gồm

các thực thể đại diện cho các đối tượng trong thế giới thực. Mỗi thực thể có các thành

phần vật lý và hình ảnh. Thành phần vật lý định nghĩa các tính chất vật lý của đối

tượng và xác định sự tương tác giữa đối tượng và môi trường. Thành phần trực quan

de nes thuộc tính hình ảnh của đối tượng và liên quan đến kết xuất của đối tượng.

Thách thức thực hiện môi trường ảo là trong việc tạo và thao tác hai thành phần này.

Kiến trúc trò chơi

Kiến trúc của mô phòng ảo trong quá trình tập vật lý trị liệu bao gồm các lớp như sau:

bộ điều khiển, lớp điều khiển, lớp chính, lớp tập luyện mô phỏng. Đường với mũi tên

thể hiện sự kế thừa. Lớp ở đầu mũi tên là lớp cha. Mũi tên với đường chấm chấm biểu

thị mối quan hệ lớp trong đó lớp ở đầu mũi tên là ví dụ.

Hình 37: Kiến trúc trò chơi

Phát hiện va chạm trong thực tế Augmented

Phát hiện va chạm là rất cần thiết trong nhiều ứng dụng như trò chơi máy tính,

mô phỏng vật lý, robot, tạo mẫu ảo và mô phỏng kỹ thuật để đảm bảo sự xuất hiện

thực tế. Trong môi trường AR, phát hiện va chạm là một trong những khía cạnh thiết

yếu để tạo ra cách thức tương tác giữa các đối tượng ảo và các đối tượng thực mà chụp

bằng webcam xảy ra. Nó thường đề cập đến việc phát hiện một vấn đề có vẻ đơn giản:

phát hiện hai hoặc nhiều đối tượng đang giao nhau. Cụ thể hơn, phát hiện va chạm liên

quan đến các vấn đề xác định liệu các vật thể có giao nhau hay không, khi nào vụ va

chạm sẽ xảy ra hoặc đã xảy ra và làm thế nào các vật thể tiếp xúc với nhau. Để trả lời

các câu hỏi đó một cách hiệu quả, hệ thống hoặc thuật toán va chạm phải được thiết kế

bằng cách xem xét một số yếu tố như biểu diễn miền ứng dụng, các loại truy vấn khác

nhau, tham số mô phỏng môi trường, hiệu suất, độ mạnh và dễ thao tác và sử dụng

[209]. Biểu diễn miền ứng dụng: Các biểu diễn hình học như biểu diễn đa giác hoặc

biểu diễn hình học rắn có tính xây dựng của cảnh và các đối tượng của nó đóng vai trò

quan trọng trong việc phát triển các thuật toán phát hiện va chạm. Trong bất kỳ môi

trường AR nào, có thể truyền hình học kết xuất trực tiếp vào hệ thống va chạm; tuy

nhiên, tốt hơn là có hình học riêng biệt để đơn giản hóa và tăng tốc độ phát hiện.

Ngoài ra, việc cung cấp các hệ thống va chạm chuyên biệt cho các tình huống cụ thể

thay vì có một hệ thống phát hiện va chạm bao gồm tất cả là điều khôn ngoan.

5.3. Tương tác giữa người sử dụng và hệ thống

Hệ thống sử dụng ba phương thức cơ bản để người dùng có thể tương tác với hệ

thống. Phương thức thứ nhất là thông qua các nút nhất cơ bản (lên, xuống, trái, phải và

nút chọn, xóa) được gắn trên máy, từ đó người sử dụng có thể dễ dàng tìm kiếm và lựa

chọn bài tập phù hợp, dễ dàng thiết lập các thông số của hệ thống. Phương thức thứ

hai là sử dụng các thiết bị cơ bản như chuột máy tính, bàn phím máy tính kết nối với

hệ thống thông qua cổng usb để thao tác, lựa chọn bài tập, kiểm tra các thông số của

hệ thống. Đối với phương pháp tương tác này, người sử dụng có thể truy cập vào một

số chức năng nâng cao và tinh chỉnh một số thông số của hệ thống mà phương pháp

thứ nhất không thể thực hiện được. Phương pháp thứ ba là người dùng trực tiếp tương

tác với phần cơ học của hệ thống. Đây là phương pháp chính và chủ yếu cho người

dùng sử dụng máy tập phục hồi chức năng. Trước khi bắt đầu luyện tập, người dùng

cần kiểm tra máy về tính phù hợp của hệ thống đối với cơ địa cá nhân. Từ đó điều

chỉnh hệ thống phù hợp bằng cách thay đổi khoảng cách từ các trục quay đến ghế

ngồi, điều chỉnh cấp độ ma sát của trục quay để phù hợp với bài tập. Khi bắt đầu luyện

tập, người dùng sẽ tương tác với hệ thống bằng các quay và đạp các trục quay, các

cảm biến và encoder sẽ nhận dữ liệu và gửi về cho hệ thống xử lý, sau đó hệ thống sẽ

thông báo lên màn hình kết quả sau khi xử lý để người sử dụng điều chỉnh tư thế, tốc

độ, cấp độ luyện tập cho phù hợp.

5.4. Giao diện với người sử dụng

Khi khởi động hệ thống sẽ xuất hiện màn hình chào mừng người sử dụng để

người dụng lựa chọn bài tập. Khi bắt đầu vào bài tập, giao diện hiển thị tương tự như

hình 38.

Hình 38: Giao diện phần mềm

Giao diện được thiết kế với tông màu chủ đạo là màu xanh dương tạo cảm giác

thân thiện, không gây chói mắt. Giao diện bao gồm một phần khung nhìn VR, một mô

hình cơ thể người, một khung nhìn thực tế cho người sử dụng, hai đồ thị mô tả chuyển

động của tay và chân trong quá trình tập luyện. Đồng thời là các thông số cần thiết cho

người sử dụng như tốc độ luyện tập của cơ tay và cơ chân, độ chính xác...

Khung nhìn VR là một chương trình được thiết kế từ nền tảng Unity để tạo khung

cảnh người đạp xe trên đường. Khi người sử dụng luyện tập cơ tay và cơ chân, nhân

vật trong khung nhìn VR cũng chuyển động đạp xe và di chuyển với vận tốc tỷ lệ

thuận với tốc độ luyện tập trung bình của người sử dụng.

Mô hình cơ thể người là mô hình thể hiện các bó cơ chính trên cơ thể. Khi

người sử dụng luyện tập, hệ thống sẽ thu thập dữ liệu thông qua các cảm biến và

encoder để xử lý và đưa ra kết quả các bó cơ đang được luyện tập. Từ đó hiển thị lên

giao diện bằng cách đổi màu các bó cơ đang hoạt động sang màu đỏ nhạt. Đồng thời

mô hình cũng sẽ báo hiệu khi người sử dụng luyện tập sai bằng cách hiển thi màu đỏ

đậm có viền đen tại các khớp có góc chuyển động sai. Từ đó người sử dụng dễ dàng

kiểm tra sự chính xác cũng như các bó cơ đang luyện tập.

Khung nhìn thực tế cho người sử dụng được trích xuất từ camera của cảm biến

Kinect để cung cấp cho người sử dụng một góc nhìn trực quan, thấy rõ quá trình tập

luyện của bản thân.

Hai đồ thị mô tả chuyển động tay và chân của người sử dụng là khung nhìn

cung cấp nội dung chi tiết về lực cơ tay và chân trong quá trình tập luyện của người sử

dụng. Từ đó có thể dễ dàng nhận thấy tác dụng của quá trình luyện tập.

Các thông số cần thiết bao gồm tốc độ luyện tập của cơ tay, cơ chân, độ chính

xác của quá trình tập luyện, máy trợ lực và thời gian luyện tập. Các thông số này cho

biết số vòng quay trung bình mỗi phút khi luyện tập của người sử dụng, co biết độ

chính xác trung bình và mức hoạt động của máy trợ lực. Đồng thời hiển thị thời gian

đã luyện tập.

5.5. Giao diện kết nối với bộ điều khiển

Giao diện được hiển thị trên màn hình LCD và kết nối với bộ điều khiển thông

qua dây cáp kết nối theo chuẩn HDMI. Bộ điều khiển liện tục cập nhật dữ liệu từ các

thiết bị đầu vào là các cảm biến, encoder, … sau đó đưa vào chương trình xử lý và gửi

kết quả hiện thị lên màn hình LCD.

Hình 39: Cấu trúc chương trình điều khiển

5.6. Cơ sở thiết kế giao diện trên hệ thống

Giao diện được thiết kế trên nền tảng WPF (Windows Presentation Foundation)

của Visual Studio. Với nền màu xanh dương được kết hợp hài hòa với màu trắng tạo

ra giao diện mang lại cảm giác nhẹ nhàng, dễ nhìn cho người sử dụng và phù hợp với

ngành y tế nhiều áp lực.

Khung nhìn VR tạo sự hứng thú, mang đến trải nghiệm mới cho người sự dụng

khi tập luyện, tránh sự nhàm chán dẫn đến mất kiên trì. Đồng thời sẽ có các mốc thời

gian để người luyện tập có thêm động lực cố gắng vượt qua kỷ lục cũ, thiết lập kỷ lục

mới, nhanh chóng phục hồi chức năng khớp và các bó cơ.

Mô hình cơ thể người với các bó cơ tiêu chuẩn giúp người luyện tập có cảm

giác cơ bắp to chắc đồng thời xác định đúng các bó cơ đang luyện tập để mang lại hiểu

quả cao.

Khung nhìn thực tế cung cấp một góc nhìn trực quan nhất giúp cho người tập

luyện quan sát đầy đủ, chi tiết quá trình tập luyện trong thực tế của bản thân. Từ đó dễ

dàng điều chỉnh các động tác đã tập sai để đạt hiệu quả cao trong trình tập luyện hồi

phục chức năng khớp và các bó cơ.

Hai đồ thị được thiết kế đơn giản, dễ quan sát để người sử dụng kiểm tra lực tay

và lực chân trong quá trình chuyển động. Từ đó nhận biết người tập luyện có đang bị

mất sức trong quá trình tập luyện hoặc cấp độ luyện tập đã phù hợp hay chưa để điều

chỉnh cho phù hợp với từng trường hợp.

Các thông số cung cấp cho người sử dụng một các cụ thể nhất về kết quả của

quá trình luyện tập. Người sử dụng dễ quan sát thấy tốc độ của tay và của chân, độ

chính xác trung bình trong cả bài tập. Đây là thông số quan trọng và dễ so sánh đối

chiếu với các lần tập trước để tìm ra phương án cải thiện chất lượng bài tập. Cùng với

đó phần trăm máy trợ lực, thông số này sẽ tăng lên khi người sử dụng không đủ sức để

tự luyện tập. Khi đó hệ thống sẽ trợ lực cho người sử dụng để hoàn thành bài tập. Đây

là thông số giúp những người có lực cơ thấp so sánh đối chiếu với các lần tập luyện

trước đó về hiệu quả tập luyện. Cùng với đó là thông số thời gian để người sử dụng

sắp xếp thời gian luyện tập phù hợp.

5.7. Kết luận

Sau quá trình lựa chọn, thiết kế tôi đã hoàn thành giao diện với tiêu chí thân

thiện, trực quan, dễ sử dụng, dễ tương tác, mang lại cảm xúc tích cực cho người sử

dụng. Đồng thời giúp người sử dụng kiểm soát toàn bộ quá trình luyện tập, cung cấp

đầy đủ các thông số, các công cụ cần thiết đễ người tập luyện phát hiện các lỗi sai

trong bài tập và có thể dễ dàng sửa lại cho đúng tư thế bằng cách sử dụng các khung

nhìn, công cụ trong giao diện. Từ đó tối ưu quá trình tập luyện, mang lại hiệu quả cao

nhất cho bài tập

CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

6.1. Giới thiệu

Trong phần này, hệ thống phát triển ở trên được thử nghiệm để cho thấy hiệu quả của

nó và kết quả từ các thí nghiệm đã được công bố trong [218, 268]. Trong thử nghiệm,

hai giai đoạn đã được thực hiện: giai đoạn đào tạo và giai đoạn thử nghiệm. Trong giai

đoạn huấn luyện, tất cả những người tham gia đã nhận được một số buổi đào tạo về

cách thao tác AIRS sau đó là giai đoạn thử nghiệm trong đó người tham gia được yêu

cầu thực hiện HỆ THỐNG một cách độc lập. Kết quả từ cả giai đoạn đào tạo và thử

nghiệm cũng được phân tích và thảo luận trong phần này.

6.2. Những người tham gia

Mười lăm người tham gia với thị lực bình thường và cảm giác liên lạc đã tham gia thí

nghiệm. Trong số đó, 14 người tham gia thuận tay phải và một người thuận tay trái.

Tất cả những người tham gia đã ký một tài liệu đồng ý trước khi thí nghiệm được tiến

hành. Bảy người tham gia được yêu cầu thực hiện chương trình đào tạo cánh tay trái,

trong khi những người còn lại thực hiện chương trình đào tạo cánh tay phải.

6.3. Quá trình hệ thống

Phần này mô tả các quy trình trong khi thao túng hệ thống. Trước khi bắt đầu bài tập,

người dùng yêu cầu chọn tập luyện tay trái hoặc tay phải tùy thuộc vào bên nào của

cánh tay bị tê liệt (trong trường hợp này được yêu cầu). Ngoài ra, ba cấp độ trị liệu

phục hồi khác nhau: cấp độ ban đầu (Chế độ ngưỡng), cấp độ trung gian (Chế độ dự

đoán) và cấp độ nâng cao (Chế độ dự đoán) có sẵn trong hệ thống và người dùng cần

chọn một trong các cấp độ dựa trên / mức độ suy yếu cánh tay. Sau đó, mức độ phù

hợp sẽ được hiển thị cho người dùng.

6.4. Thực nghiệm trong bệnh viện

Một trong những mục tiêu của các hệ thống phục hồi được phát triển của chúng tôi là

nhằm giảm tải vật lý trị liệu, bằng cách thay thế bằng các trò chơi dựa trên thực tế tăng

cường được giám sát tối thiểu

Đầu tiên, chúng tôi trình bày mục tiêu của chúng tôi, so sánh giữa các bài tập phục

hồi chức năng truyền thống và các bài tập của chúng tôi, các dịch vụ giá trị gia tăng

được tích hợp trong hệ thống của chúng tôi và lợi ích từ hệ thống phát triển của chúng

tôi. Các chuyên gia lâm sàng đã trả lời với phản hồi rất tích cực như sau:

- Các bài tập rất có động lực và sẽ rất hữu ích cho bệnh nhân bị liệt do bất kỳ khiếm

khuyết thần kinh.

- Bài tập TOR sẽ rất phù hợp với bệnh nhân SCI.

- Tất cả các bài tập được phát triển tốt để phối hợp tay-mắt sẽ mang lại lợi ích lớn cho

bệnh nhân.

- Phát triển các bài tập khác nhau với mức độ chuyển động và nhận thức khác nhau

cho giai đoạn phục hồi khác nhau của bệnh nhân là phù hợp.

- Mô phỏng phản hồi sinh học rất tạo động lực cho cả bệnh nhân và nhà trị liệu.

- Khả năng theo dõi mức ngưỡng EMG là một lợi thế lớn cho các nhà trị liệu để đánh

giá hiệu quả của bệnh nhân trong các buổi trị liệu.

- Sự phát triển dường như có thể giúp phục hồi nhanh chóng cho bất kỳ mức độ bệnh

nhân bị liệt nào, nhưng có thể trả lời nhanh như thế nào bằng cách tiến hành các thử

nghiệm lâm sàng.

Do những phản hồi tích cực ở trên từ các chuyên gia lâm sàng, sự phát triển của chúng

tôi đã được coi là một hệ thống được công nhận phù hợp với mọi cấp độ của bệnh

nhân bị liệt. Ngoài ra, các chuyên gia lâm sàng rất vui khi thực hiện các thử nghiệm

lâm sàng với bệnh nhân của họ và các yêu cầu quản trị cần thiết đang được tiến hành.

6.5. Chơi có ý nghĩa

Mục tiêu của một thiết kế trò chơi thành công là tạo ra trò chơi có ý nghĩa. Trong một

trò chơi nghiêm túc, trò chơi có ý nghĩa xuất phát từ mối quan hệ giữa hành động của

người chơi và kết quả của hệ thống, nơi sự tương tác là rõ ràng, người chơi có thể

nhận thấy hành động của mình ảnh hưởng đến trò chơi ngay lập tức thông qua phản

hồi và tích hợp, hành động của anh ta không chỉ có tác dụng tức thời nhưng cũng có

tác dụng ở giai đoạn sau của trò chơi.

6.6. Thiết kế lặp

Để đạt được một thiết kế trò chơi nghiêm ngặt và hiệu quả, cần có một phương pháp

lặp. Điều này bắt đầu với các quy tắc trò chơi cơ bản và cơ chế cốt lõi vì không thể

lường trước đầy đủ trải nghiệm của trò chơi. Chẳng hạn, chúng chỉ có thể được tìm ra

bằng cách chơi, xem nó xuất sắc ở đâu và nó dừng lại ở đâu. Trong quá trình thiết kế

trò chơi, nó được chơi, đánh giá, điều chỉnh và chơi lại, cho phép cải tiến các phiên

bản tiếp theo của trò chơi bao gồm thẩm mỹ, hiểu và dễ thao tác.

6.7. Thử thách trò chơi

đóng một trong những vai trò chính trong bài tập phục hồi chức năng. Điều này là để

theo dõi hiệu suất của bệnh nhân cũng như phù hợp với mức độ khó của trò chơi với

khả năng của bệnh nhân. Thêm vào đó, thử thách của trò chơi khiến người dùng tham

gia vào thời gian phục hồi lâu hơn. Để cho phép thử thách tối ưu, cần phải liên tục

điều chỉnh các cấp độ trò chơi bằng cách kết hợp các kỹ năng hiện có của bệnh nhân

mà không có cảm giác chán nản hoặc mất hứng thú.

Hình 40: Human Upper Limb Articulations

6.8. Ứng dụng AR

Điều quan trọng là phải biết cách phát triển ứng dụng AR tốt và có hai câu hỏi

cốt lõi cho vấn đề này như sau:

1) Điều gì làm cho một ứng cử viên tốt cho một ứng dụng AR?

2) Điều gì tạo nên một ứng dụng AR tốt?

Câu hỏi đầu tiên đề cập đến mức độ phù hợp của ứng dụng ứng viên là khả năng chi

trả do AR cung cấp trong khi câu hỏi thứ hai giải quyết ứng dụng AR được thực thi tốt

như thế nào và đáp ứng nhu cầu của người dùng ứng dụng. Trong bối cảnh chi phí, AR

cho phép người ta áp dụng thông tin kỹ thuật số vào thế giới thực theo cách người

dùng cảm nhận thông tin kỹ thuật số như một phần của thế giới thực. Sau đó, hãy ghi

nhớ những khả năng chi trả này, một ứng cử viên sáng giá cho ứng dụng AR là một

người khai thác những khả năng đó theo cách tích cực để giải quyết vấn đề theo cách

này hay cách khác. Đối với câu hỏi thứ hai, để có thể hoàn thành một ứng dụng AR

tốt, điều quan trọng là phải thực hiện đánh giá để tìm ra khía cạnh nào của ứng dụng

đang hoạt động, không phải là gì, tại sao lại như vậy và cách khắc phục hoặc cải thiện

nó. Việc đánh giá có thể bao gồm, ứng dụng có hoàn thành mục tiêu thúc đẩy việc tạo

ra ứng dụng không? Khăn, đối tượng mục tiêu có thực sự sử dụng ứng dụng và sử

dụng nó một cách hiệu quả không? và AR Có phải là phương tiện phù hợp để sử dụng

cho ứng dụng không? Bằng cách này, một ứng dụng AR hiệu quả và thú vị sẽ đạt

được.

6.9. Sự tương tác

Trong thực tế Augmented, sự tương tác đóng một vai trò quan trọng trong trải

nghiệm người dùng tổng thể. Có một số phương thức tương tác mà người dùng có thể

giao tiếp với thế giới ảo, ứng dụng AR hoặc người dùng khác theo kinh nghiệm bằng

các nút vật lý, phím, thanh trượt hoặc bất kỳ trình điều khiển nào khác để tương tác

trong trải nghiệm AR. Trong bối cảnh của thế giới ảo, sự tương tác có thể là điều

khiển người dùng trực tiếp trong đó người dùng điều khiển thế giới ảo theo cách tương

tự như cách họ làm trong thế giới vật lý, điều khiển vật lý nơi người dùng sử dụng

thiết bị vật lý mà họ sử dụng có thể giữ và chạm, điều khiển ảo như nút ảo mà người

dùng có thể thao tác trong thế giới ảo và điều khiển tác nhân trong đó người dùng đưa

ra lệnh cho một số tác nhân trong thế giới VR để thực hiện hành động thay mặt cho

người dùng.

6.10. Công nghệ AR

Trong thực tế Augmented (AR), mọi trải nghiệm đều liên quan đến một số công

nghệ như công nghệ thị giác máy tính để theo dõi vị trí và hướng của vật thể ảo, một

số hình thức tính toán để tích hợp các yếu tố ảo của trải nghiệm với thế giới thực, một

số cơ chế để hiển thị các yếu tố ảo về kinh nghiệm và một số kỹ thuật hoặc động cơ để

phát hiện sự va chạm giữa các vật thể ảo.

Hình 41: Different Categories for Object Tracking Algorithm.

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Đề tài này đã thực hiện và triển khai được các vấn đề sau:

- Đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo được hệ thống phục hồi chức năng dành cho

bệnh nhân vật lý trị liệu các chi đặc biệt là bệnh nhân sau tai biến;

- Đã phát triển được các bài tập trị liệu hiệu quả và tương tác theo thời gian thực

giữa người sử dụng và hệ thống;

- Tất cả bài tập dành cho bệnh nhân tập vật lý trị liệu trong môi trường hiện thực

tăng cường AR để tăng cường động lực với môi trường tập luyện nhằm đảm

bảo an toàn hơn cho bệnh nhân bị suy yếu các chi.

- Tất cả các bài tập có thể được thực hiện dưới sự giám sát tối thiểu của hệ thống

với sự trợ giúp của trí tuệ nhân tạo và các bài tập dựa trên lịch sử tập luyện của

bệnh nhân.

- Cùng với hướng dẫn cho các bài tập phục hồi chức năng các chi trong môi

trường lâm sàng, các bài tập phục hồi chức năng chi đã được bắt chước trong

môi trường AR có thêm phản hồi âm thanh và hình ảnh ngay tức thời.

- Trong môi trường AR, bệnh nhân được yêu cầu phải tương tác với các vật thể

ảo với cánh tay hoặc chân bị suy yếu để hoàn thành nhiệm vụ đó là cử động các

chi tăng cường sức mạnh cơ bắp và phạm vi chuyển động của các chi.

- Ngoài ra, việc tích hợp mô phỏng phản hồi sinh học thời gian thực tùy chỉnh

với các bài tập trị liệu trong hệ thống với sự tham gia của người bệnh giúp họ

thực hiện các bài tập trị liệu lâu hơn.

- Hiệu suất của hệ thống được đánh giá bằng cách phân tích dữ liệu, phân tích

hiệu suất và các thông số hoạt động dựa trên các cảm biến để cho biết mức độ

phục hồi của từng bệnh nhân.

- Hệ thống phục hồi chức năng dành cho bệnh nhân sau đột quỵ mất khả năng

hoạt động của các chi giúp giảm chi phí chăm sóc sức khỏe, giảm số lượng kỹ

thuật viên hoặc nhà trị liệu cũng như giảm nhàm chán trong lĩnh vực phục hồi

chức năng.

- Trong đề tài này, các hệ thống phục hồi chức năng chi mới được nghiên cứu,

thiết kế và chế tạo đã cho thấy rằng hệ thống giúp phục hồi từ các chức năng

chuyển động của các chi. Khác với các phương pháp trị liệu khác ở hệ thống

này, các bài tập phục hồi chức năng chi còn dựa vào hệ thống tương tác AR

theo thời gian thực.

- Thêm vào đó, khái niệm những hình ảnh ảo được sử dụng để kích thích sự phục

hồi của não để tăng cường phục hồi vận động nhanh hơn.

Trong luận án này, các hệ thống phục hồi chức năng chi trên mới được phát triển và

chứng minh để tăng cường sự phục hồi từ các chuyển động hạn chế ở một chi trên.

Trái ngược với các bài tập trị liệu khác, các bài tập phục hồi chức năng chi trên dựa

trên AR hiệu quả và có động lực đã được phát triển bằng cách tích hợp với mô phỏng

phản hồi sinh học thời gian thực. Thêm vào đó, khái niệm ảo ảnh đã được sử dụng để

kích thích độ dẻo của não để tăng cường phục hồi vận động theo cách tiếp cận nhanh

hơn. Phương pháp điều khiển của mô hình VHA tạo ra khái niệm ảo giác, ngoài ra còn

tăng cường sự kích thích bản chất dẻo của não bằng phương pháp sinh học, sEMG.

Các kết quả đánh giá, từ phân tích thống kê, kiểm tra khả năng sử dụng và phản hồi từ

các chuyên gia lâm sàng đã rất đáng khích lệ để phục vụ như một hệ thống phục hồi

chức năng chi trên mới trong môi trường lâm sàng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Abraham W. C., Bear M. F. (1996). Metaplasticity: the plasticity of synaptic

plasticity. Trends Neurosci. 19, 126–130. 10.1016/s0166-2236(96)80018-x

2. Bolognini N., Russo C., Edwards D. J. (2016). The sensory side of post-stroke

motor rehabilitation. Restor. Neurol. Neurosci. 34, 571–586. 10.3233/rnn-150606

3. Borich M. R., Brodie S. M., Gray W. A., Ionta S., Boyd L. A. (2015).

Understanding the role of the primary somatosensory cortex: opportunities for

rehabilitation. Neuropsychologia 79, 246–255.

10.1016/j.neuropsychologia.2015.07.007

4. Campolo, Domenico. "H-Man: design & development of forearm support with

position detection ability for use in clinical settings and at home for neuro-

rehabilitation." (2018).

5. Hesham Galal Mahran, EmadTawfik Ahmed, Shamekh Mohammed El-Shamy and

Amir Abdel-Raouf El-Fiky. Department of Physical Therapy, Faculty of Applied

Medical Sciences, Umm Al-Qura University, Saudi Arabia. Department of

Physical Therapy, Faculty of Applied Medical Sciences, Taif University, Saudi

Arabia. Department of Physical Therapy for Neuromuscular Disorders and Its

Surgeries, Faculty of Physical Therapy, Cairo University, Egypt.2016

6. Hidalgo, Julio Cesar Cabrera, et al. "Development of a hand rehabilitation

therapy system with soft robotic glove." International Conference on Applied

Human Factors and Ergonomics. Springer, Cham, 2019.

7. Neva J. L., Brown K. E., Feldman S. J., Staines W. R., Boyd L. A. (2018).

Sensorimotor integration in chronic stroke: baseline differences and response to

sensory training. Restor. Neurol. Neurosci. 36, 245–259. 10.3233/RNN-170790

8. Omarkulov N, Telegenov K, Zeinullin M, Tursynbek I, Shintemirov A. Preliminary

mechanical design of NU-Wrist: A 3-DOF self-aligning Wrist rehabilitation robot.

In2016 6th IEEE International Conference on Biomedical Robotics and

Biomechatronics (BioRob) 2016 Jun 26 (pp. 962-967). IEEE.

9. Spalletti C., Alia C., Lai S., Panarese A., Lamola G., Bertolucci F., et al .. (2017).

Neuroplastic changes following brain ischemia and their contribution to stroke

recovery: novel approaches in neurorehabilitation. Front. Cell. Neurosci. 11:76.

10.3389/fncel.2017.00076

10. Taube, W., Université de Fribourg) Neurophysiological Adaptations in Response

to Balance Training, Article in Deutsche Zeitschrift für Sportmedizin 63(9):273-

277 · January 2012

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)

Chủ đề:

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

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020

Chủ nhiệm đề tài: Phan Thanh Bình

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi