Hcmute nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống hỗ trợ tập vật lý trị liệu các chi với sự hỗ trợ của thực ảo (vr)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG
HỖ TRỢ TẬP VẬT LÝ TRỊ LIỆU CÁC CHI VỚI SỰ
HỖ TRỢ CỦA THỰC ẢO (VR)

MÃ SỐ: SV2020-41

SKC 0 0 7 3 8 7

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG HỖ TRỢ
TẬP VẬT LÝ TRỊ LIỆU CÁC CHI VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA THỰC ẢO (VR)

SV2020-41

Chủ nhiệm đề tài: Phan Thanh Bình

TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020
i

Luan van


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 cơng nghệ

SV thực hiện:

Phan Thanh Bình

Nam/nữ: Nam

Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: 181462B – Cơ khí chế tạo máy

Năm thứ: 2

Ngành học: CNKT Cơ điện tử
Người hướng dẫn: PGS-TS Nguyễn Trường Thịnh

TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020
ii

Luan van

/Số năm đào tạo: 4


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 mơ hình vật lý trị liệu cho chi .............................................................. 19
i

Luan van


3.3. Tổng quan về hệ thống cơ khí dùng trong phục hồi chức năng chi .................. 21
3.4. Phân tích bài tốn động học cơ hệ ..................................................................... 25
3.5. Phân tích bài toán động lực học ........................................................................ 27
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN ................................... 38
4.1. Giới Thiệu .......................................................................................................... 38
4.2 Hệ thống điện...................................................................................................... 43
4.2.1 Máy tính giao tiếp với vi điều khiển và kinect ............................................ 43
4.2.2 Giao tiếp giữa cảm biến và vi điều khiển .................................................... 44
4.3 Hệ thống truyền và xuất dữ liệu ......................................................................... 45
4.4 Truyền thông....................................................................................................... 45
4.5 Hệ thống cảm biến .............................................................................................. 46
4.5.1 Kinect .......................................................................................................... 46
4.5.2 Encoder ........................................................................................................ 47
4.5.3 Cảm biến momen xoắn ................................................................................ 48
CHƯƠNG 5: TƯƠNG TÁC THỰC ẢO...................................................................... 50
5.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 50
5.2. Phần mềm giám sát hệ thống tập ....................................................................... 54
5.3. Tương tác giữa người sử dụng và hệ thống ....................................................... 59
5.4. Giao diện với người sử dụng ............................................................................ 59

5.5. Giao diện kết nối với bộ điều khiển .................................................................. 61
5.6. Cơ sở thiết kế giao diện trên hệ thống ............................................................... 61
5.7. Kết luận.............................................................................................................. 62
CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ...................................... 63
6.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 63
ii

Luan van


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

Luan van


DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT
Ý nghĩa

Từ viết tắt
VR

Virtual Reality (thực tế ảo)

3D

Three-dimensional (Không gian 3 chiều)

PNS

Paraneoplastic Neurological Syndromes (Hội chứng thần kinh
cận u)

DOF

Bậc tự do

PC

Personal Computer (máy tính)

HDMI

High-Definition Multimedia Interface (giao diện đa phương
tiện)

LCD

Liquid Crystal Display (màn hình tinh thể lỏng)

AR

Augmented Reality ( công nghệ thực tế ảo tăng cường)

EMG

Electromyography (điện cơ)

iv

Luan van


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 mơng (1 và 6. Cơ mơng 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: Mơ 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: Mơ hình thiết bị tập vật lý trị liệu cho bệnh nhân sau tai biến mạch máu não.
...................................................................................................................................... 27
Hình 19: Mơ hình giữa cơ hệ các chi người và hệ thống tập vật lý trị liệu. ................. 29
Hình 20: Cấu trúc phần điều khiển của hệ thống vật lý trị liệu. ................................... 38
Hình 21: Cấu trúc của hệ thống giám sát chuyển động của khung xương. .................. 39
Hình 22: Biểu diễn đồ họa của môi trường ảo. ............................................................ 40
v

Luan van


Hình 23: Sơ đồ bộ điều khiển với việc tiên đốn 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 mơ tả giai đoạn chính của q trình thực thi. ............ 55
Hình 36: Sơ đồ khối thực thi vịng lặp để thu thập khối dữ liệu lớn. ........................... 56
Hình 38: Kiến trúc trị chơi........................................................................................... 58
Hình 38: Giao diện phần mềm...................................................................................... 60
Hình 40: Cấu trúc chương trình điều khiển .................................................................. 61
Hình 41: Human Upper Limb Articulations ................................................................. 66
Hình 42: Different Categories for Object Tracking Algorithm. ................................... 68

vi

Luan van


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 Tồn

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

Luan van


Đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ thống vật lý trị liệu dành cho bệnh
nhân sau tai biến với sự hỡ 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 thơng 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

Luan van


Ngày 27 tháng 7 năm 2020
Xác nhận của Trường

Người hướng dẫn

(kí tên và đóng dấu)

(kí, họ và tên)

ix

Luan van


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,
mỡi 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 vơ 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, khơng 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… Ngồi ra,
cịn 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, mỡi
năm có 200.000 ca nhập viện vì tai biến, một nửa trong đó là tử vong, 92% bệnh nhân
trong số những người cịn sống sót thì mắc di chứng yếu liệt tay chân, trong đó 27% là
những ca di chứng nặng. Nhiều phương pháp trị liệu truyền thống đặc biệt là vật lý trị

liệu đã được sử dụng trong phục hồi chức năng cũng như thúc đẩy quá trình phục hồi
chức năng.
Lợi ích của vật lý trị liệu
Tùy thuộc vào mục đích điều trị, lợi ích của vật lý trị liệu bao gồm:


Kiểm soát đau mà giảm dần việc sử dụng thuốc giảm đau opioid



Tránh phẫu thuật



Cải thiện khả năng vận động và di chuyển



Phục hồi sau chấn thương.



Phục hồi sau đột quỵ hoặc tê liệt
1

Luan van




Cải thiện cân bằng



Phịng 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 tồn 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
cơng nghệ đang giảm, việc sử dụng cơng nghệ chắc chắn sẽ có hiệu quả về chi phí
trong thời gian dài. Hơn nữa, chỉ có các liệu pháp dựa trên cơng nghệ mới có thể cung
cấp các bài tập có động lực lặp đi lặp lại mà khơng gây nguy cơ mệt mỏi cho nhà trị
liệu. Thêm vào đó, chỉ có điều trị phục hồi chức năng dựa trên cơng nghệ mới có thể
kích thích dẻo não để phục hồi nhanh chóng các chức năng vận động. Do đó, chúng tơi
thực hiện đề tài này nhằm phát triển hệ thống phục hồi dựa trên cơng 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 hỡ 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 mơ hình hoạt động
2

Luan van


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 trị
chơi tương tác, giúp cho bệnh nhân thích thú tập luyện. Ngồi 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) Thơng qua robot, thiết kế các trị 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 thơng qua các
trị 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 tồn rất cao vì sẽ được trang bị bộ phận cảm biến tự động
ngắt khi có vận động đột ngột ngồi lập trình.
3

Luan van


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
vng góc với nhau.
+ Chế tạo thiết bị: Sử dụng các thiết bị gia công tiên tiến để gia cơng các chi tiết
đảm bảo cơ tính và đạt độ chính xác cao. Sử dụng máy ép nhựa trục vít kết hợp với gia
cơng khn mãu để gia cơng 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. Thơng 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 cơng nghệ tiên tiến có sẵn đặc biệt
là phục hồi chức năng chi trên. Ngoài ra, chương này cũng sẽ xem xét các hệ thống
phục hồi định hướng sinh học thông qua phương pháp học máy. Chương này cũng sẽ
nêu ra những thiếu sót trong các hệ thống hiện có mà nghiên cứu này nhằm khắc phục.

4

Luan van


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, thối 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 tồn thế giới.

Hình 1: Động mạch bình thường và động mạch sơ vữa.

5

Luan van


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 thơng qua từ [25]).
Có ba loại đột quỵ: (1) đột quỵ do thiếu máu cục bộ khi dịng máu bị gián đoạn do cục
máu đơng 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 mơ tả trong Hình 2
(được thơng qua từ [26]).
- Suy giảm vận động: Sau CVA sẽ có một số mức độ tê liệt do cả rối loạn tế bào thần
kinh vận động trên và / hoặc trên, tình trạng tế bào thần kinh vận động trên thường liên
quan đến chứng tăng phản xạ đồng thời, tùy thuộc vào vị trí bị ảnh hưởng.
- Rối loạn nhận thức: Rối loạn chức năng nhận thức có thể xuất hiện với các tổn
thương liên quan đến vỏ não và bao gồm các khiếm khuyết về sự tỉnh táo, chú ý, định
hướng, trí nhớ hoặc chức năng điều hành.

6

Luan van


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 nỡ lực của bệnh nhân trong khóa đào tạo và nỗ lực này được gợi lên tốt nhất
trong phục hồi chức năng truyền thống của nhà trị liệu [40]. Để đạt được phục hồi
thành công như vậy, cần có sự chú ý một-một giữa bệnh nhân và nhà trị liệu và đây là
cách làm hiện tại trong hầu hết các cơ sở phục hồi chức năng.
2.2. Giải phẫu học hệ thống xương khớp ở các chi

7

Luan van


Shoulder

Elbow
Body
Wrist
Hand
Hip

Knee

Ankle
Foot

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

z

x

x

y

y

Chuyển động quay quanh trục y

Vị trí hệ trục tham chiếu khớp vai

8

Luan van


z

z

y
y

x

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
sau:
 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 thơng số đó. Thơng qua đó, dữ
liệu luyện tập được lưu trữ và hiển thị dưới dạng biểu đồ trực quan.
9

Luan van


 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 d̃i cẳng
tay. Khuỷu là nối cẳng tay vào cánh tay gồm có các vùng ở phía trên và dưới nếp
khuỷu ba khốt 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 tốn cơ tạo nên hố khuỷu: Tốn
cơ mỏm trên lồi cầu trong; Toán cơ mỏm trên lồi cầu ngồi; Tốn 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 khốt
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.

10

Luan van


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 d̃i 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 trịn; Lớp giữa: cơ gấp các ngón nơng; 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 nơng gồm hai nhóm
là nhóm ngồi có cơ cánh tay quay, cơ duỗi cổ tay quay dài, cơ duỗi cổ tay quay ngắn;
Nhóm sau gồm cơ d̃i các ngón, cơ d̃i ngón út, cơ d̃i cổ tay trụ, cơ khuỷu. Thứ
hai là lớp sâu gồm cơ dạng ngón cái dài, cơ d̃i ngón cái ngắn, cơ d̃i ngón cái dài,
cơ d̃i 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 d̃i ngón tay và bàn tay.
11

Luan van


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

Cơ ngực lớn

Xoay thân mình và cánh tay

2

Cơ ngực bé

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

3

Cơ dưới địn

Kéo xương đòn xuống dưới và nâng lồng ngực

4

Cơ răng trước

Xoay xương vai lên trên

5

Cơ delta

Dạng cánh tay, gấp cánh tay, duổi cánh tay

6

Cơ bả vai

Dạng, duổi cánh tay, xoay ngoài, khép cánh tay.

7

Cơ dưới vai

Xoay trong cánh tay dưới khớp 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 mơng 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 d̃i dạng và xoay đùi. Loại cơ ụ ngồi
xương mu mấu chuyển gồm các cơ: cơ bịt trong, cơ sinh đôi, cơ vng đùi và cơ bịt
ngồi. Các cơ này có động tác chủ yếu là xoay ngoài đùi.
12

Luan van

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 khốt 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 mơng (1 và 6. Cơ mơng lớn; 2. Cơ hình lê; 3. Cơ mơng 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 d̃i 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
13

Luan van