Cải tiến hệ thống định vị quán tính nhằm nâng cao độ chính xác ước lượng thông số bước đi trong chăm sóc sức khỏe

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM DUY DƯỞNG

CẢI TIẾN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH
NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ƯỚC LƯỢNG THƠNG SỐ
BƯỚC ĐI TRONG CHĂM SĨC SỨC KHỎE

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng, 2022


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM DUY DƯỞNG

CẢI TIẾN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH
NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ƯỚC LƯỢNG THƠNG SỐ
BƯỚC ĐI TRONG CHĂM SĨC SỨC KHỎE

Chuyên ngành:

Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số:

9 52 02 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khố học:
Hướng dẫn 1: PGS.TS Đồn Quang Vinh
Hướng dẫn 2: TS. Nguyễn Anh Duy

Đà Nẵng, 2022


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắc

Từ tiếng Anh

Giải thích

3D

3-Dimension

Ba chiều

10MWT

10 Meter Walk Test

Bài kiểm tra đi bộ 10 m

25FWT

25-Foot Walk Test

Bài kiểm tra đi bộ 25 feet

4MWT

4 Meter Walk Test

Bài kiểm tra đi bộ 4 m

BCS

Body Coordinate System

Hệ toạ độ vật thể

DCM

Direction Cosine Matrix

Ma trận Cosin hướng

DOF

Degrees of Freedom

Bậc tự do

EKF

Extended Kalman Filter

Bộ lọc Kalman mở rộng

GPS

Global Positioning System

Định vị toàn cầu

ICS

Inertial Coordinate System

Hệ toạ độ IMU

IMU

Inertial Measurement Unit

Cảm biến quán tính

INA

Inertial Navigation Algorithm

Thuật tốn định vị qn tính

INS

Inertial Navigation System

Hệ thống định vị quán tính

MEKF

Multiplicative Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng kiểu nhân

MEMS

Micro-Electromechanical Systems

Hệ thống vị cơ - điện tử

PINS

Platform Inertial Navigation System

Hệ thống định vị qn tính có đế

RMSE

Root Mean Square Error

Căn trung bình bình phương sai số

SINS

Strapdown Inertial Navigation System Hệ thống định vị qn tính khơng đế

STD

Standard Dviation

Độ lệch chuẩn
Giá trị trung bình

TB
TGU

The Timed Up and Go Test

Bài kiểm tra thời gian đứng dậy và đi

WCS

World Coordinate System

Hệ toạ độ toàn cục

ZUPT

Zero Velocity Update

Cập nhật tại các ZVI

ZVI

Zero Velocity Interval

Điểm có vận tốc bằng khơng


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đã và đang tác động ngày càng mạnh mẽ tới
tất cả các lĩnh vực từ kinh tế, văn hóa, xã hội đến chính trị, quốc phịng, an ninh và
mơi trường. Rất nhiều chủ trương, chính sách, chiến lược của Đảng, Nhà nước đã ban
hành nhằm tiếp cận và chủ động tham gia cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 [1].
Bộ Y tế cũng đã ban hành nhiều văn bản quy phạm pháp luật và các văn bản chỉ
đạo làm cơ sở cho chuyển đổi số trong y tế. Đặc biệt, quyết định số 4888/QĐBYT
ngày 18/10/2019 của Bộ Y tế đã phê duyệt Đề án ứng dụng và phát triển công nghệ
thông tin y tế thông minh giai đoạn 2019-2025 [2]. Trong đó có nêu nhiệm vụ “Đẩy
mạnh nghiên cứu, phát triển, ứng dụng các công nghệ thơng minh trong y tế”. Trong
xu thế đó, đề tài xây dựng các hệ thống thông minh nhằm ước lượng chuyển động
dùng trong chăm sóc sức khoẻ.
Chăm sóc sức khỏe là việc chẩn đốn, điều trị và phịng ngừa bệnh tật, thương
tích, và suy yếu về thể chất lẫn tinh thần. Trong đó, việc chẩn đốn bệnh tật và đánh
giá tình trạng sức khỏe của bệnh nhân là bước quan trọng đầu tiên. Việc này cần có
một quy trình chặt chẽ từ lâm sàng đến cận lâm sàng và đặc biệt là các chỉ số dữ liệu
từ xét nghiệm, chẩn đốn hình ảnh, các thơng số đánh giá từ các nghiệm pháp hỗ trợ
góp phần quan trọng trong việc đưa ra các chẩn đốn chính xác hơn. Đối với lĩnh vực
phục hồi chức năng vận động cho bệnh nhân thì việc ước lượng các thông số bước đi
là rất quan trọng [3]–[5].
Thông số bước đi của con người phụ thuộc vào sự tác động lẫn nhau phức tạp

của các bộ phận chính của hệ thần kinh, cơ xương và tim mạch [6]. Nên khi có sự tổn
thương ở các hệ cơ quan này thì thơng số bước đi cũng thay đổi theo. Do vậy, việc đo
thông số bước đi sẽ hỗ trợ bác sĩ chẩn đoán sớm và theo dõi diễn biến của một số
bệnh liên quan đến hệ thần kinh (như bệnh đa xơ cứng, bệnh Parkinson), cơ xương,
tim mạch, di chứng đột quỵ và lão hố từ đó giúp đưa ra phác đồ điều trị tốt nhất [7],
[8]. Ngồi ra, thơng số bước đi được dùng để đánh giá tình trạng sức khoẻ và đưa ra
1
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


các lời khuyên cho bệnh nhân, gia đình về các vấn đề liên quan đến sự hỗ trợ, nhập
viện, nhu cầu phục hồi chức năng, thời điểm xuất viện và tiến trình phục hồi [9]; theo
dõi tiến trình hồi phục chức năng để đưa ra lộ trình luyện tập, rút ngắn thời gian điều
trị và hồi phục chức năng của một số bệnh có ảnh hưởng đến thơng số bước đi thơng
qua các quy trình lượng giá dáng đi và nghiệm pháp đi bộ 10 mét, đi bộ 6 phút được
quy định trong các hướng dẫn của bộ Y tế với các quyết định số 5737/QĐ-BYT ngày
22/12/2017 [10] và số 5623/QĐ-BYT ngày 21/9/2018 [11].
Những thông số bước đi được ứng dụng nhiều trong y tế như tốc độ bước, độ
dài bước chân, độ dài sải chân, góc bước, thời gian bước, độ rộng bước,…[12]. Trong
đó, tốc độ bước đi là dấu hiệu rất quan trọng và là một thước đo nhanh, đơn giản và
đáng tin cậy cho các tiêu chí đánh giá sức khỏe [3], [4]. Tốc độ bước đi được xem là
dấu hiệu quan trọng thứ 6 bên cạnh huyết áp, mạch, hô hấp, nhiệt độ và các cơn đau
[13].
Hiện nay, trên thế giới có các hệ thống ước lượng thông số bước đi như
OptoGait [14], hệ thống Strideway của Tekscan [15], Robot hồi phục chức năng
Yeecon [16], hệ thống camera phân tích dáng đi A7 của Yeecon [17]. Trong đó, hệ
thống robot hồi phục chức năng Yeecon có giá đến 200.000 $, hệ thống camera phân
tích dáng đi Yeecon có giá từ 25.000 đến 50.000$.

Những hệ thống đắt tiền và bị giới hạn phạm vi làm việc này rất khó ứng dụng
rộng rãi tại các cơ sở y tế ở Việt Nam. Hiện nay, các bác sĩ hoặc kỹ thuật viên chủ
yếu khám lâm sàng với sự hỗ trợ của các nghiệm pháp đi bộ 10MWT, nghiệm pháp
đi bộ 6 phút, nghiệm pháp đo thời gian đứng dậy và đi TUG [18], đi bộ 4

4MWT

[19],… Hạn chế của việc này là dễ nhầm lẫn do sự chủ quan, ít thông tin và các yếu
tố liên quan đến độ chính xác và độ phân giải kém [8].
Cùng với sự phát triển của công nghệ, các cảm biến IMU ngày càng có kích
thước nhỏ gọn giá thành rẻ và có thể được ứng dụng vào việc xây dựng các hệ thống
ước lượng thông số bước đi. Trong đề tài này, xây dựng những hệ thống ước lượng

2
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


thơng số bước đi có giá thành rẻ, linh hoạt và không bị giới hạn phạm vi làm việc sử
dụng cảm biến IMU.
Cấu tạo của một cảm biến IMU gồm một cảm biến gia tốc 3D (dùng để đo giá
trị gia tốc theo 3 trục) và một cảm biến vận tốc góc 3D (dùng để đo giá trị vận tốc góc
quay theo 3 trục). Cảm biến IMU được gắn lên vật thể chuyển động để ước lượng
hướng, vận tốc và vị trí của chuyển động thơng qua thuật tốn định vị qn tính INA.
Trong đó, hướng chuyển động trong hệ toạ độ tham chiếu bên ngoài WCS được xác
định bằng cách tích phân tín hiệu vận tốc góc; vận tốc chuyển động được xác định
bằng cách tích phân của gia tốc sau khi đã loại bỏ gia tốc trọng trường sử dụng hướng
chuyển động; vị trí chuyển động được xác định bằng tích phân vận tốc chuyển động.
Như vậy, khi các cảm biến IMU được gắn lên các bộ phận của cơ thể ở vị trí thích

hợp (thường đặt trên bàn chân) thì các thơng số bước đi của người dùng có thể được
trích xuất từ hướng, vận tốc và vị trí theo thời gian của cảm biến IMU trong quá trình
chuyển động.
Nhược điểm của hệ thống ước lượng chuyển động sử dụng cảm biến IMU là
chỉ đạt được độ chính xác trong thời gian ngắn do sai số gây ra bởi thành phần nhiễu
của cảm biến bị tích luỹ theo thời gian khi sử dụng nguyên lý tích phân [20]. Nhược
điểm này càng thể hiện rõ đối với các cảm biến IMU dùng trong dân dụng có độ
chính xác thấp. Do vậy, cần nghiên cứu cải tiến hệ thống INS nhằm nâng cao độ chính
xác của việc ước lượng chuyển động sử dụng cảm biến IMU. Một hệ thống sử dụng
thuật toán INA cho cảm biến IMU để ước lượng hướng, vận tốc và vị trí của một vật
thể chuyển động gọi là hệ thống INS.
Được sự tạo điều kiện và giúp đỡ của Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa–
Đại học Đà Nẵng, Khoa Điện – Đại học Ulsan (Hàn Quốc) và các giảng viên hướng
dẫn khoa học, tác giả thực hiện nội dung luận án có tên: “Cải tiến hệ thống định vị
quán tính nhằm nâng cao độ chính xác ước lượng thơng số bước đi trong chăm sóc
sức khỏe”. Trong đó, sẽ đề xuất các hệ thống định vị qn tính INS để ước lượng
thơng số bước đi trong trường hợp cảm biến IMU đặt trên bàn chân cho người dùng
3
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


có khả năng đi lại bình thường và cảm biến IMU đặt trên khung tập đi cho người dùng
cần hỗ trợ đi lại, đặc biệt là các đối tượng tập vận động phục hồi chức năng.
Trong các hệ thống INS này, một bộ lọc Kalman được sử dụng để kết hợp
thông tin từ các cảm biến phụ trợ hoặc các đặc trưng chuyển động để cập nhật và nâng
cao độ chính xác của hệ thống INS trên. Việc này bao gồm việc xây dựng mơ hình và
xây dựng các phương trình cập nhật cho bộ lọc Kalman.

2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu xây dựng một số hệ thống có thể tự động ước lượng thông số bước
đi của người dùng nhằm phục vụ các bài kiểm tra thông số bước đi, tạo kênh thơng
tin khách quan và chính xác nhằm hỗ trợ bác sĩ trong q trình chẩn đốn bệnh tật,
tình trạng sức khoẻ, đưa ra lời khuyên về lộ trình trong điều trị, theo dõi tiến trình
phục hồi chức năng.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống ước lượng
thông số bước đi sử dụng cảm biến IMU.
Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu của luận án là xây dựng phần cứng
và thuật toán để ước lượng thông số bước đi sử dụng cảm biến IMU. Trong đó, các
thơng số đưa vào lý thuyết và thực nghiệm sử dụng cho cảm biến IMU loại MTi-100
và MTi-1 của hãng Xsens. Luận án dừng lại ở việc ước lượng một số thông số bước
đi gồm tốc độ bước, độ dài bước/sải chân, thời gian bước, tần số bước cho trường hợp
cảm biến IMU đặt trên bàn chân của người dùng có khả năng tự đi lại và trường hợp
cảm biến IMU đặt trên khung tập đi cho người dùng cần hỗ trợ đi lại; luận án không
đi sâu vào phân tích đánh giá tình trạng sức khoẻ của người dùng. Do mục đích hướng
đến là các bài kiểm tra thông số bước đi được tiến hành trong môi trường thuận lợi
nên các hệ thống được thực hiện trên mặt bằng phẳng nằm ngang, khơng có vật cản.

4
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm,
nghiên cứu từ tổng quan đến chi tiết, kế thừa các kết quả nghiên cứu đã được công bố

trên thế giới đặc biệt là các công bố của tác giả luận án và cộng sự.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Về khoa học:
Nghiên cứu có hệ thống về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và công nghệ chế tạo
cảm biến IMU, thuật toán INA, thuật toán của hệ thống INS, bộ lọc Kalman và triển
khai thuật toán INA và bộ lọc Kalman kiểu MEKF cho hệ thống INS.
Đề xuất và triển khai được hệ thống mới để ước lượng thông số bước đi có sử
dụng cảm biến IMU đặt trên bàn chân và đặt trên khung tập đi, nâng cao độ chính xác
theo hướng đáp ứng nhu cầu của các cơ sở y tế trong nước. Trong đó có:
-

Đề xuất hệ thống phần cứng gồm cảm biến IMU đặt trên bàn chân kết

hợp với cảm biến khoảng cách luôn hướng xuống mặt đất;
-

Xây dựng mơ hình bộ lọc cho bộ lọc Kalman có thêm 2 biến trạng thái

của cảm biến khoảng cách;
-

Xây dựng các phương trình cập nhật bộ lọc Kalman cho hệ thống sử

dụng các thông tin từ cảm biến khoảng cách;
-

Đề xuất hệ thống phần cứng gồm cảm biến IMU đặt trên khung tập đi

kết hợp với 2 encoder gắn với 2 bánh của khung tập đi;

-

Đề xuất phương pháp hiệu chỉnh mối quan hệ giữa cảm biến IMU và

-

Đề xuất phương pháp phát hiện và phân loại chuyển động của khung tập

-

Xây dựng các phương trình cập nhật cho bộ lọc Kalman sử dụng thông

khung
tập đi;
đi;

tin từ các encoder;
-

Tiến hành các thực nghiệm để kiểm chứng và phân tích kết quả.
5

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Về thực tiễn:
Luận án là cơng trình khoa học – công nghệ trong việc xây dựng các hệ thống
ước lượng các thông số bước đi cho người dùng sử dụng bộ lọc Kalman dựa trên hệ

thống INS. Góp phần nâng cao độ chính xác trong ước lượng thơng số bước đi trong
một số trường hợp cụ thể.
Từ kết quả nghiên cứu, thực nghiệm xây dựng thuật toán INA và bộ lọc
Kalman dựa trên hệ thống INS giúp làm chủ công nghệ định vị qn tính từ đó triển
khai hệ thống INS rộng rãi vào thực tế.
Từ kết quả nghiên cứu của luận án có thể hướng đến chế tạo thiết bị ước lượng
các thông số bước đi cho người dùng để sử dụng tại các trung tâm chăm sóc sức khỏe,
phục hồi chức năng. Tạo kênh thơng tin chính xác, khách quan hỗ trợ cho bác sĩ trong
việc đánh giá tình trạng sức khoẻ, tiến trình phục hồi chức năng thơng qua thơng số
bước đi. Những hệ thống này góp phần vào việc:
-

Chẩn đoán sớm, theo dõi diễn biến của một số bệnh liên quan đến thông số
bước đi nhằm đưa ra phác đồ điều trị tốt nhất;

-

Đánh giá tình trạng sức khoẻ của người dùng và đưa ra các lời khuyên về sự
hỗ trợ, vấn đề nhập viện, nhu cầu phục hồi chức năng, thời điểm xuất viện và
tiến trình hồi phục;

-

Theo dõi tiến trình hồi phục chức năng, đưa ra lộ trình luyện tập nhằm rút
ngắn thời gian điều trị và phục hồi chức năng.
Với các hệ thống ước lượng thơng số bước đi, người dùng có thể thực hiện

việc lấy dữ liệu tại nhà và gửi thông tin đến trung tâm chăm sóc sức khoẻ, bệnh viện
để đánh giá. Điều này cho phép giảm tải cho bệnh viện và giảm chi phí đi lại, khám
chữa bệnh cho bệnh nhân.

6. Những đóng góp mới của luận án
Đóng góp mới của luận án là đã đề xuất và triển khai một hệ thống mới để ước
lượng thông số bước đi có sử dụng cảm biến qn tính đặt trên bàn chân và khung tập

6
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


đi, nâng cao độ chính xác theo hướng đáp ứng yêu cầu của các cơ sở y tế trong công
tác chăm sóc sức khoẻ.
Hệ thống này góp phần vào việc:
-

Chẩn đoán sớm, theo dõi diễn biến của một số bệnh liên quan đến thông

số bước đi nhằm đưa ra phác đồ điều trị tốt nhất;
-

Đánh giá tình trạng sức khoẻ của người dùng và đưa ra các lời khuyên

về sự hỗ trợ, vấn đề nhập viện, nhu cầu phục hồi chức năng, thời điểm xuất viện và
tiến trình hồi phục;
-

Theo dõi tiến trình hồi phục chức năng, đưa ra lộ trình luyện tập nhằm

rút ngắn thời gian điều trị và phục hồi chức năng.

7. Bớ cục chung của luận án
Ngồi phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo và mục lục thì bố
cục luận án gồm 4 chương. Trong đó, đóng góp mới của luận án được trình bày trong
Chương 3 và 0.
Chương 1 (Nghiên cứu tổng quan việc ước lượng thơng số bước đi trong chăm
sóc sức khoẻ), giới thiệu một số khái niệm về thông số bước đi; tầm quan trọng của
thông số bước đi trong đánh giá tình trạng sức khoẻ; một số kỹ thuật ước lượng thông
số bước đi truyền thống và nhu cầu phát triển các hệ thống tự động ước lượng thông
số bước đi; tiềm năng ứng dụng cảm biến IMU trong y tế cũng như trong các hệ thống
tự động ước lượng thơng số bước đi này; tổng quan tình hình nghiên cứu về việc ứng
dụng cảm biến IMU trong phân tích thơng số bước đi nói chung và trong hai trường
hợp ứng dụng cụ thể trong luận án nói riêng.
Chương 2 (Nghiên cứu triển khai thuật toán hệ thống định vị quán tính),
nghiên cứu tổng quan cảm biến IMU, một số thơng số kỹ thuật của dịng MTi-1 và
MTi-100 được sử dụng trong luận án; nghiên cứu triển khai thuật toán SINS, nghiên
cứu, lựa chọn và xây dựng bộ lọc Kalman cho hệ thống SINS theo kiểu MEKF.
Chương 3 (Nghiên cứu xây dựng hệ thống định vị quán tính đặt trên bàn
chân), đề xuất hệ thống INS đặt trên bàn chân có sử dụng thêm cảm biến khoảng cách
7
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


nhằm sử dụng thông tin từ cảm biến khoảng cách để cập nhật cho hệ thống INS, từ
đó nâng cao độ chính xác của việc ước lượng thơng số bước đi. Trong đó, bao gồm
xây dựng mơ hình cho bộ lọc Kalman và xây dựng các phương trình cập nhật. Hiệu
quả của hệ thống cũng đã kiểm chứng thông qua các thí nghiệm.
Chương 4 (Nghiên cứu xây dựng hệ thống định vị quán tính đặt trên khung

tập đi), đề xuất một hệ thống INS đặt trên khung tập đi kết hợp với các encoder ghi
lại chuyển động hai bánh trước của khung tập đi nhằm nâng cao độ chính xác của việc
ước lượng. Việc này bao gồm xây dựng thuật toán hiệu chỉnh mối quan hệ giữa các
thành phần trong hệ thống, xây dựng các thuật toán phát hiện và phân loại chuyển
động, xây dựng các phương trình cập nhật sử dụng các thông tin từ encoder. Hiệu quả
của hệ thống cũng đã kiểm chứng thơng qua các thí nghiệm. Hệ thống cũng đã được
thực nghiệm tại bệnh viện để bác sĩ đánh giá độ chính xác cũng như chẩn đốn, đánh
giá tình trạng sức khoẻ và theo dõi tiến trình phục hồi chức năng.

8
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VIỆC ƯỚC LƯỢNG
THÔNG SỐ BƯỚC ĐI TRONG CHĂM SÓC SỨC KHOẺ
Trong chương này, phần thứ nhất, trình bày khái niệm và tầm quan trọng của
thơng số bước đi trong chẩn đốn tình trạng sức khoẻ cũng như phục hồi chức năng.
Từ tiềm năng và thế mạnh của cảm biến IMU trong y tế, luận án đề xuất sử dụng cảm
biến IMU để xây dựng hệ thống ước lượng thơng số bước đi có giá thành rẻ nhưng
đảm bảo độ chính xác phù hợp với nhu cầu trong nước. Phần thứ hai, luận án trình
bày tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về việc ứng dụng cảm
biến IMU trong ước lượng thơng số bước đi. Từ đó chọn hướng triển khai có tiềm
năng và phù hợp với xu hướng chung trên thế giới. Đồng thời, luận án chỉ ra những
hạn chế của các cơng trình nghiên cứu liên quan và đề ra giải pháp khắc phục được
các hạn chế đó. Mục tiêu của chương này là xác định được tầm quan trọng của thông
số bước đi, xác định hướng triển khai phù hợp để xây dựng hệ thống đo thông số bước
đi, đề ra giải pháp khắc phục các hạn chế của các cơng trình nghiên cứu liên quan.

1.1 Một số khái niệm về thông số bước đi
Một số khái niệm trong mục này được trích dẫn theo tài liệu “Hướng dẫn quy
trình kỹ thuật chuyên ngành phục hồi chức năng” của Bộ Y tế [7]. Trong đó, các quy
trình phục hồi chức năng có quy trình về tập dáng đi và tập với khung tập đi, các
nghiệm pháp đi bộ liên quan trực tiếp đến việc ước lượng thông số bước đi của luận
án.
Hoạt động đi là một hoạt động điều hợp khéo léo và thăng bằng đạt được trong
q trình phát triển của cơ thể và có thể cải thiện nhờ tập luyện. Hoạt động đi có nhiều
hình thức khác nhau như đi bộ, chạy, lên xuống cầu thang,… Hoạt động đi liên quan
đến các khớp và cơ nhưng khơng cần sự cố gắng một cách có ý thức nào để thực hiện
trừ khi các cơ, khớp bị tổn thương hoặc bị mất điều khiển.
Khi đi, các thành phần cơ thể di chuyển theo một trật tự nhất định thích nghi
với địa hình di chuyển, với khơng gian và với những bất trắc bên ngoài. Tất cả các cơ

9
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


quan cảm giác đều liên quan đến hoạt động đi nên khi có bất cứ phần nào trong hệ
thống cảm giác bị mất kiểm sốt đều có thể ảnh hưởng đến dáng đi.
Một chu kỳ bước đi hoàn chỉnh được tính từ lúc một bàn chân chạm gót đến
lúc chạm gót tiếp theo như trong Hình 1.1. Trong đó, có hai thời điểm quan trọng là
thời điểm chạm gót và thời điểm nhấc ngón chân. Khoảng thời gian từ lúc chạm gót
đến lúc nhấc ngón gọi là thì chống (giai đoạn chạm đất), lúc này chân chống đặt trên
mặt đất để chống đỡ cơ thể. Khoảng thời gian từ lúc nhấc ngón đến lúc chọn gót tiếp
theo gọi là thì đu đưa (giai đoạn quay), lúc này chân đối diện chống đỡ cơ thể để chân
này nhấc khỏi mặt đất và di chuyển tới trước.

Giữa thì
đu đưa

Giữa thì
đu đưa

đu đưa

Giai đoạn chạm đất
(thì chống)

Hình 1.1 Chu kỳ bước chân (nguồn:[6])
Trong khi đi, các nhóm cơ tham gia vào hoạt động đi gồm:
-

Các cơ đẩy là các cơ duỗi gối và háng, cơ gập mặt lịng bàn chân, gập
ngón chân;

10
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


-

Các cơ đu quay là các cơ gập mặt lưng bàn chân, cơ gập và duỗi gối,
duỗi của ngón chân và cơ gập háng;

-

Các cơ dạng, xoay trong, xoay ngoài khớp háng, gập bên và xoay thân
cũng hoạt động trong giai đoạn chuyển trọng lượng và cử động chậu.
Nếu không có cử động thăng bằng của chậu trong cả hai cử động kéo và
xoay khớp háng, khơng thể có dáng đi đúng được;

-

Các cơ xoay của thân trên và đầu cũng hoạt động, do vậy mặt và phần
thân trên duy trì hướng về phía trước. Tầm độ hoạt động của mỗi nhóm
cơ này tuỳ thuộc trên độ dài và chiều cao của bước chân.

Trong quá trình tập luyện phục hồi chức năng cần phải duy trì sức mạnh của
những nhóm cơ liên quan để chúng hoạt động hiệu quả khi đi, đặc biệt là những nhóm
cơ chịu sức nặng của chi. Những nhóm cơ phụ của thân cũng phải được tập mạnh và
cũng cần chú ý sự đưa tay bình thường khi đi.

1.2 Tầm quan trọng và ứng dụng của thông số bước đi
Thông số bước đi của con người phụ thuộc vào sự tác động lẫn nhau phức tạp
của hệ thần kinh, cơ xương và tim mạch [6]. Nên khi có sự tổn thương ở các hệ cơ
quan này thì thơng số bước đi cũng thay đổi theo [7]. Do vậy việc đo thông số bước
đi sẽ hỗ trợ bác sĩ chẩn đoán sớm và theo dõi diễn biến của một số bệnh liên quan đến
hệ thần kinh, cơ xương và tim mạch từ đó giúp đưa ra phác đồ điều trị tốt nhất. Những
thay đổi trong thông số bước đi đặc biệt hữu ích cho việc tìm kiếm thông tin đáng tin
cậy về diễn biến của các bệnh khác nhau: các bệnh thần kinh như bệnh đa xơ cứng
hoặc bệnh Parkinson; các bệnh toàn thân như bệnh tim mạch; di chứng từ đột quỵ và
bệnh gây ra bởi lão hóa [8].

11
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Hình 1.2 Một số chứng rối loại dáng đi (nguồn:[6])
a) Dáng đi bình thường b) Dáng đi co cứng c) Dáng đi thất điều tiểu não d) Dáng
đi Parkinson e) Dáng đi hướng trước
Cụ thể, tài liệu [6] đã liệt kê các chứng rối loạn dáng đi thông thường và nguyên
nhân sinh ra như cơ xương khớp, thần kinh cơ (thần kinh ngoại biên), cột sống, và rối
loạn não. Dựa vào các thơng số bước đi hồn tồn có thể phân biệt được các chứng
rối loạn dáng đi quan trọng khác nhau như: dáng đi co cứng, dáng đi thất điều tiểu
não, dáng đi Parkinson và dáng đi hướng trước. Trong đó (xem Hình 1.2):
-

Dáng đi co cứng có độ rộng bước hẹp và bàn chân xoay vào trong;

-

Dáng đi thất điều tiểu não có bước đi mở rộng và khơng đồng nhất;

-

Dáng đi của người bị bệnh Parkinson có bước đi ngắn hẹp và thời gian
bước không đều;

-

Dáng đi hướng trước có bước đi rất ngắn, rộng và khơng đều. Bảng 1.1
Ứng dụng thông số bước đi (nguồn: [8])
Lĩnh vực

Thông số bước đi
Y tế Thể thao Nhận dạng

12
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Vận tốc bước
X
X
Độ dài bước
X
X
Độ dài sải chân
X
X
Nhịp bước
X
X
Độ rộng bước
X
X
Góc bước
X
X
Thời gian bước
X
Thời gian đưa chân

X
Thời gian chạm đất
X
Quãng đường đi
X
X
Thời gian dừng
X
Run rẩy
X
Té ngã
X
Lộ trình
X
X
Hướng của các khớp
X
X
Phản lực mặt đất
X
X
Góc khớp
X
X
Lực cơ
X
X
Qn tính
X
X

Hình dáng cơ thể
X
X
Như vậy khi chẩn đốn các chứng rối loạn dáng đi thì

X
X
X
X
X
X

X
cần phải đo độ rộng

bước, độ dài bước, thời gian bước, hướng bước trong từng bước chân. Việc chẩn đoán
các chứng rối loạn dáng đi cũng gián tiếp chẩn đoán nguyên nhân gây ra các rối loạn
này. Trong đó:
-

Dáng đi co cứng: do chấn thương sọ não, chấn thương cột sống hoặc tai
biến mạch não.

-

Dáng đi thất điều tiểu não: do tổn thương tiểu não giữa, bán cầu tiểu não
hoặc xơ cứng lan tỏa.

-

Dáng đi của người bị bệnh Parkinson: do sự thoái hoá tế bào thần kinh.

-

Dáng đi hướng trước: nguyên nhân vẫn chưa rõ ràng, chủ yếu liên quan
đến các yếu tố nguy cơ tim mạch, chẳng hạn như huyết áp cao và
cholesterol cao.

13
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Các thông số bước đi được ứng dụng trong y tế được thể hiện như trong Bảng
1.1 [8]. Những thông số bước đi được ứng dụng nhiều trong y tế như tốc độ bước, độ
dài bước chân, độ dài sải chân (xem Hình 1.3), góc bước, thời gian bước, độ rộng
bước…[12]. Trong đó, tốc độ bước đi là dấu hiệu rất quan trọng và là một thước đo
nhanh, đơn giản và đáng tin cậy cho các tiêu chí đánh giá sức khỏe [3], [4]. Tốc độ
bước đi được xem là dấu hiệu quan trọng thứ 6, việc kiểm tra tốc độ bước đi cũng như
việc thường xuyên theo dõi huyết áp, mạch, hô hấp, nhiệt độ và các cơn đau [13].

Hình 1.3 Các thơng số bước đi (nguồn:[6])
Theo tài liệu [9], tốc độ bước đi có thể cho thấy sức khỏe của một người và
đánh giá tốt về mức độ an toàn hoặc té ngã và các rủi ro. Tốc độ bước đi biểu thị rằng
một người có thể hoạt động độc lập hoặc phụ thuộc vào một người khác và yêu cầu
trợ giúp trong một số công việc hằng ngày. Dựa vào tốc độ bước đi các bác sĩ hoặc
chun gia có thể đưa ra các đánh giá tình trạng sức khoẻ, lời khuyên cho bệnh nhân
hoặc gia đình về các vấn đề liên quan đến sự hỗ trợ, nhập viện, nhu cầu phục hồi chức
năng, thời điểm xuất viện và tiến trình phục hồi như trong Hình 1.4 với một số điểm

chú ý như sau:
-

Về mức độ phụ thuộc và nhập viện: khi tốc độ bước đi nhỏ hơn 0,6 𝑚/𝑠
thì khả năng bị phụ thuộc vào người khác và yêu cầu hỗ trợ trong các hoạt
động sinh hoạt hằng ngày, nhiều khả năng nhập viện. Ngược lại, khi tốc độ
bước đi lơn hơn 1 𝑚/𝑠 thì có thể độc lập trong các hoạt động sinh hoạt
hàng ngày và ít có khả năng nhập viện;

-

Về cảnh báo nguy cơ té ngã: khi tốc độ bước đi bé hơn 1 𝑚/𝑠 thì cần hỗ
trợ để giảm nguy cơ té ngã;
14

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


-

Về địa điểm phục hồi chức năng: khi tốc độ bước đi bé hơn 0,2 𝑚/𝑠 thì cần
điều trị tại các cơ sở điều dưỡng và phục hồi chức năng, ngược lại có thể
luyện tập phục hồi chức năng tại nhà;

-

Về tiến trình phục hồi chức năng: khi tốc độ bước đi bé hơn 0,4 𝑚/𝑠 thì
người bệnh nên sử dụng khung tập đi trong nhà; khi tốc độ bước đi lớn hơn

0,4 𝑚/𝑠 thì có thể đi ra bên ngồi nhưng cịn hạn chế; khi tốc độ bước đi
lớn hơn 0,8 𝑚/𝑠 thì có thể tham gia các hoạt động cộng đồng, khi tốc độ
bước đi lớn hơn 1,2 𝑚/𝑠 thì đảm bảo một người hoạt động hồn tồn độc
lập trong cộng đồng, đi lại bình thường.

Tốc độ bước đi phục vụ cho đánh giá (trong tài liệu [9]) có thể là tốc độ đi bộ
trung bình trong qng đường dài hoặc được tính tốn từ thời gian hồn thành các bài
kiểm tra 10 𝑚 đi bộ hoặc 10 feet đi bộ,...
Các bài kiểm tra đi bộ 10 𝑚 và đi bộ 6 phút cũng được sử dụng trong các quy
trình phục hồi chức năng tại các bệnh viện và trung tâm phục hồi chức năng ở Việt
Nam. Các bài kiểm tra này còn được dùng với thuật ngữ nghiệm pháp (hoặc thử
nghiệm) đi bộ 10 mét và nghiệm pháp đi 6 phút được bộ Y tế ban hành trong các
quyết định số 5737/QĐ-BYT ngày 22/12/2017 [10] và quyết định số 5623/QĐ-BYT
ngày 21/9/2018 [11] về việc hướng dẫn quy trình kỹ thuật phục hồi chức năng. Trong
đó có chỉ định dùng cho các bệnh như đột quỵ não, chấn thương sọ não, xơ cứng rải
rác, chấn thương tuỷ sống, bệnh Parkinson, u não, các bệnh thần kinh có ở trẻ em,
người già ít vận động, các rối loạn do thần kinh, rối loạn tiền đình. Khung đánh giá
tốc độ bước đi theo giới tính và lứa tuổi theo quy định của Bộ Y tế [10] như trong
Bảng 1.2.

15
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ