Nghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dưới

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐÀO MINH ĐỨC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC HỒI
CHỨC NĂNG CHI DƯỚI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2023


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐÀO MINH ĐỨC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỤC HỒI
CHỨC NĂNG CHI DƯỚI

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số ngành: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
Hướng dẫn 1: PGS.TS. Trần Xuân Tùy
Hướng dẫn 2: PGS.TS. Phạm Đăng Phước

Đà Nẵng - Năm 2023

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả mô phỏng và thực nghiệm nêu trong luận án là trung thực, các thơng số được
tham khảo trên các tạp chí, sách chun khảo của trong và ngồi nước.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này đã được
cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Nghiên cứu sinh thực hiện luận án
(Ký và ghi rõ họ tên)

Đào Minh Đức

i


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ tình cảm của mình đối với tập thể cán bộ hướng dẫn đã giúp đỡ
về phương pháp, nội dung, các hướng nghiên cứu chính và đánh giá kết quả nghiên
cứu trong quá trình thực hiện luận án. Cảm ơn tập thể Ban lãnh đạo và cán bộ Khoa
Cơ Khí, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng đã góp ý và tạo mọi điều kiện
để thực hiện luận án. Cảm ơn tập thể Ban giám hiệu Trường Đại học Phạm Văn Đồng
đã tạo điều kiện thuận lợi cho triển khai đánh giá thực nghiệm của luận án. Cảm ơn
Lãnh đạo Bệnh viện Đa khoa Trung ương Quảng Nam và tập thể bác sĩ, kỹ thuật viên,
bệnh nhân Khoa Phục hồi chức năng - Bệnh viện Đa khoa Trung ương Quảng Nam
đã giúp đỡ trong quá trình thực nghiệm thiết bị.
NCS. Đào Minh Đức

ii

TÓM TẮT
Ngày nay, số người bị bệnh tai biến mạch máu não ngày càng tăng ở trên thế
giới cũng như tại Việt Nam. Tai biến mạch máu não ảnh hưởng rất lớn đến bệnh nhân
nếu không chữa trị kịp thời, tỷ lệ tử vong do tai biến mạch máu não ngày càng tăng,
bệnh xảy ra ở nhiều lứa tuổi khác nhau, thông thường tai biến mạch máu não gây liệt
nửa người, liệt các chi… Do đó phục hồi chức năng sau di chứng tai biến mạch máu
não là một yêu cầu cấp bách để phục hồi chức năng vận động cho bệnh nhân tai biến
mạch máu não.
Qua tham khảo nhiều bài báo và sách chuyên khảo quốc tế cũng như trong
nước được cơng bố trong các năm gần đây thì nội dung “Nghiên cứu thiết bị phục hồi
chức năng chi dưới” đã được nhiều tác giả quan tâm. Ngoài ra, việc nghiên cứu chế
tạo thiết bị y tế phục vụ cộng đồng trong nước đang được nhà nước khuyến khích
nghiên cứu phát triển.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dưới
có 3 bậc tự do phục vụ điều trị cho bệnh nhân tai biến mạch máu não (có bậc cơ 1
đến 3), với các bài tập thụ động gấp và duỗi ở khớp háng, khớp gối và khớp cổ chân.
Về lý thuyết là nghiên cứu thiết lập các phương trình động học và động lực học của
mơ hình. Thiết lập mối quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của cơ cấu chấp hành,
áp dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển Trượt để nghiên cứu đáp ứng của mơ
hình về vị trí góc quay của các khớp so với giá trị góc quay cài đặt. Mơ phỏng đáp
ứng của mơ hình trên máy vi tính bằng phần mềm Matlab, với kết quả mơ phỏng được
sẽ phân tích và lựa chọn bộ điều khiển phù hợp cho mô hình.
Về nghiên cứu thực nghiệm là thiết kế kết cấu của thiết bị, tính tốn và chọn
cơ cấu dẫn động các khớp là động cơ một chiều kết hợp với cơ cấu truyền động tịnh
tiến cơ khí. Tiến hành gia công các chi tiết của thiết bị với vật liệu là nhôm, sử dụng
công nghệ in 3D để in các bộ phận che đỡ cho bệnh nhân tránh tiếp xúc trực tiếp với
kim loại. Thiết kế và lắp ráp mạch điều khiển cơ cấu chấp hành, mạch đọc tín hiệu
cảm biến đo góc quay và đo dịng điện của tải. Thực hiện lắp ráp các chi tiết cơ khí,
ghép nối tương thích giữa mạch điều khiển, phần mềm theo dõi và điều khiển thiết bị

iii


với cơ cấu chấp hành để thành một thiết bị nghiên cứu thực nghiệm đảm bảo các yêu
cầu của trang thiết bị y tế.
Trên cơ sở kết quả của nghiên cứu lý thuyết, thiết lập các thông số cho bộ điều
khiển và xây dựng giải thuật điều khiển. Viết chương trình điều khiển và giao diện
phần mềm điều khiển từ máy tính cho mơ hình bằng phần mềm Visual Basic. Với
phần mềm này thông số tập luyện của bệnh nhân sẽ được hiển thị bằng đồ thị theo
thời gian thực, nhờ đó bệnh nhân và kỹ thuật viên theo dõi đánh giá q trình tập
luyện. Mơ hình đã được vận hành với các chế độ không tải và với người tình nguyện
để kiểm tra tính an tồn và các tham số kỹ thuật. Thiết bị đã đạt được giấy chứng
nhận Thử nghiệm thiết bị do Viện trang thiết bị và cơng trình y tế - Bộ Y tế đánh giá.
Mơ hình cũng đã được cho phép triển khai khảo sát đánh giá tính an tồn và hiệu quả
vận hành tại Khoa Phục hồi chức năng Bệnh viện Đa khoa Trung ương Quảng Nam.
Thiết bị đã được lấy ý kiến đánh giá của bác sĩ và kỹ thuật viên, thử nghiệm đánh giá
trên 10 bệnh nhân tại Khoa Phục hồi chức năng. Kết quả đã được Hội đồng Y đức
trong Y sinh học của Bệnh viện Đa khoa Trung ương Quảng Nam cơng nhận thiết bị
đảm bảo tính an tồn và vận hành. Ngoài ra thiết bị cũng đang được triển khai đánh
giá hiệu quả điều trị cho bệnh nhân tại Khoa Phục hồi chức năng Bệnh viện Đa khoa
Trung ương Quảng Nam. Kết quả của đề tài sẽ thúc đẩy phát triển trong lĩnh vực
nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới, kết quả
này là một bước tiến quan trọng trong việc nghiên cứu và làm chủ công nghệ chế tạo
thiết bị y tế. Công nghệ chế tạo thiết bị tương đương với thiết bị nước ngoài, ngoài ra
giao diện phần mềm điều khiển là Việt hóa nên dễ dàng trong việc vận hành thiết bị
đây là ưu điểm lớn so với các thiết bị ngồi nước. Góp phần nâng cao tiềm lực nghiên
cứu và chế tạo thiết bị y tế ở nước ta, từng bước hạn chế sự phụ thuộc vào công nghệ
chế tạo của các nước tiên tiến trên thế giới. Các kết quả nghiên cứu liên quan đến đề
tài đã được công bố gồm: 04 bài báo được đăng trên tạp chí nước ngồi trong đó 03
bài thuộc tạp chí ISI. Ngồi ra, tác giả cũng đã cơng bố 04 báo cáo khoa học được

đăng trong kỷ yếu của các hội nghị quốc tế trong đó 3 bài Scopus và 01 bài báo cáo
khoa học được đăng trong kỷ yếu của hội nghị chuyên ngành trong nước.

iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
TÓM TẮT ................................................................................................................ iii
MỤC LỤC ..................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ............................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ....................................... xii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.....................................................................................1
2. MỤC TIÊU ........................................................................................................2
3. ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .................2
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................................................3
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI .............................3
Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ..............................................................4
1.1. Khái quát về phục hồi chức năng..................................................................4
1.1.1. Khái niệm về phục hồi chức năng..............................................................4
1.1.2. Mục đích của phục hồi chức năng ............................................................5
1.1.3. Kỹ thuật tập luyện phục hồi chức năng.....................................................5
1.1.4. Nhu cầu tập phục hồi chức năng của bệnh nhân tai biến .........................5
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước ...............................................7
1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu nước ngồi ...............................................9
1.3.1. Các cơng trình nghiên cứu thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng cho một
khớp chi dưới.....................................................................................................10

v


1.3.2. Các cơng trình nghiên cứu về thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng cho
3 khớp chi dưới..................................................................................................16
1.3.3. Các thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới đã được thương mại
hóa

.................................................................................................................23

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU .....................28
2.1. Tầm vận động các khớp chi dưới................................................................28
2.1.1. Khớp cổ chân ...........................................................................................28
2.1.2. Khớp gối ..................................................................................................29
2.1.3. Khớp háng ...............................................................................................30
2.1.4. Thông số sinh học chi dưới .....................................................................30
2.2. Cơ sở lý thuyết về các bài tập phục hồi chức năng chi dưới ....................32
2.3. Lý thuyết về động học và động lực học robot ............................................36
2.3.1. Phương trình động học robot ..................................................................36
2.3.2. Phương trình động lực học robot............................................................40
2.4. Lý thuyết về điều khiển Trượt ....................................................................44
2.4.1. Đối tượng điều khiển ...............................................................................44
2.4.2. Mặt trượt .................................................................................................44
2.4.3. Luật điều khiển Trượt..............................................................................45
2.5. Xây dựng mơ hình nghiên cứu ....................................................................45
2.6. Thiết lập phương trình động học ................................................................47
2.6.1. Gắn hệ tọa độ lên các khâu .....................................................................48
2.6.2. Lập bảng thông số động học Denavit – Hartenberg...............................48
2.6.3. Xác định các ma trận A ...........................................................................49

2.6.4. Phương trình động học thuận của mơ hình nghiên cứu .........................49

vi


2.7. Tính tốn động học các khớp ......................................................................50
2.7.1. Khớp háng ...............................................................................................51
2.7.2. Khớp gối ..................................................................................................53
2.7.3. Khớp cổ chân ..........................................................................................53
2.8. Thiết lập phương trình động lực học của mơ hình ...................................54
Chương 3. MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA MƠ
HÌNH NGHIÊN CỨU .............................................................................................59
3.1. Mơ hình hóa hàm truyền của từng khâu dẫn động các khớp ..................59
3.1.1. Mơ hình nghiên cứu của cơ dẫn động khớp ............................................59
3.1.2. Thiết lập các phương trình động lực học và hàm truyền của cơ cấu tịnh
tiến

.................................................................................................................61

3.2. Mơ phỏng đáp ứng của mơ hình nghiên cứu .............................................67
3.2.1. Mô phỏng đáp ứng với bộ điều khiển PID ..............................................67
3.2.2. Kết quả mô phỏng đáp ứng với bộ điều khiển PID .................................71
3.2.3. Mô phỏng đáp ứng với bộ điều khiển Trượt ...........................................75
3.2.4. Kết quả mô phỏng đáp ứng với bộ điều khiển Trượt ..............................83
3.2.5. So sánh đáp ứng của 2 bộ điều khiển......................................................86
Chương 4. THIẾT KẾ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN
CỨU THỰC NGHIỆM ...........................................................................................90
4.1. Thiết kế thiết bị.............................................................................................90
4.1.1. Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị ...................................................................90
4.1.2. Thiết kế kết cấu cơ khí .............................................................................91

4.1.3. Thiết kế mạch điều khiển .........................................................................94
4.1.4. Thiết kế phần mềm điều khiển .................................................................99

vii


4.1.5. Xây dựng lưu đồ thuật toán ...................................................................101
4.1.6. Lắp ráp thiết bị ......................................................................................104
4.2. Thử nghiệm thiết bị ....................................................................................108
4.2.1. Thử nghiệm trên người bình thường .....................................................108
4.2.2. Thử nghiệm thiết bị trên bệnh nhân ......................................................112
4.3. Kết quả và bàn luận ...................................................................................117
4.3.1. Kết quả ..................................................................................................117
4.3.2. Bàn luận ................................................................................................118
KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................126
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐÃ ĐƯỢC
CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ..................................................................................128
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................130
PHỤ LỤC 1
PHỤ LỤC 2
PHỤ LỤC 3
PHỤ LỤC 4

viii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu/ Từ
viết tắt
CNC

DH

Ý nghĩa
Computer Number Control (Điều khiển số)
Denavit - Hartenberg

EMG

Electromyography (Điện cơ)

LCD

Liquid Crystal Display (Màn hình tinh thể lỏng)

PAM

Pneumatic Artifical Muscles (Cơ nhân tạo khí nén)

PHCN

Phục hồi chức năng

PID

Đơn vị

Proportional Integral Derivative (Vi phân - Tích
phân - Tỷ lệ)

PWM

Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung)

RMSE

Root Mean Square Error (Sai số bình phương trung
bình gốc)

TBMMN

Tai biến mạch máu não

VLTL

Vật lý trị liệu

WHO

World Health Organization (Tổ chức Y tế thế giới)

f

Hệ số ma sát thu gọn về trục động cơ

N.m.s/rad

fg

Hệ số ma sát nhớt trên trục vít me

N.m.s/rad

fL

Giá trị hệ số ma sát thu gọn về trục vít me

N.m.s/rad

fm

Hệ số ma sát trên trục động cơ điện

N.m.s/rad

Jg

Giá trị mô men quán tính khối lượng trên trục vít Kg.m2
me

JL

Giá trị mơ men qn tính khối lượng thu gọn về trục N.m2
vít me

Jm

Mơ men quán tính khối lượng động cơ điện

Kg.m2

Ka

Hằng số tỷ lệ của mô men xoắn

N.m/A

Ki

Hằng số suất điện động

V.s/rad

ix


La

Độ tự cảm của động cơ điện một chiều

H

Ra

Điện trở của động cơ điện một chiều

Ω

tx

Bước vít me

m

x


DANH MỤC CÁC BẢNG
Thứ tự
Tên gọi
bảng
Bảng 2.1. Tầm vận động các động tác của cổ chân

Trang
28

Bảng 2.2. Tầm vận động các động tác của khớp gối

29

Bảng 2.3. Tầm vận động các động tác của khớp háng

30

Bảng 2.4. Bảng thông số DH của mơ hình nghiên cứu

49

Bảng 3.1. Các thơng số của mơ hình nghiên cứu với bộ điều khiển PID

69

Bảng 3.2. Các thơng số của mơ hình nghiên cứu với bộ điều khiển Trượt

78

Bảng 3.3. So sánh bộ điều khiển PID và bộ điều khiển Trượt

88

Bảng 4.1. Bảng thông số của thiết bị

107

Bảng 4.2. Bảng đánh giá về vận hành thiết bị của bệnh nhân

113

Bảng 4.3. Bảng đánh giá về tính an tồn thiết bị của bệnh nhân

114

Bảng 4.4. Bảng đánh giá về vận hành thiết bị của bác sĩ và kỹ thuật viên.

114

Bảng 4.5. Bảng đánh giá về tính an toàn thiết bị của bác sĩ và kỹ thuật viên

115

Bảng 4.6. Bảng đánh giá về hiệu quả điều trị thiết bị của bác sĩ và kỹ thuật

115

viên
Bảng 4.7. So sánh kết cấu cơ khí của thiết bị

118

Bảng 4.8. So sánh phần điều khiển của thiết bị

122

Bảng 4.9. So sánh thử nghiệm của thiết bị

124

xi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Thứ tự

Tên gọi

Trang

Hình 1.1.

Cơng trình nghiên cứu của tác giả Từ Diệp Cơng Thành

7

Hình 1.2.

Cơng trình nghiên cứu của [11] và [12]

8

Hình 1.3.

Cơng trình nghiên cứu của [13]

9

Hình 1.4.

Thiết bị tập cổ chân

10

Hình 1.5.

Thiết bị tập Ye Ding

11

Hình 1.6.

Thiết bị tập của Yong-Lae Park

12

Hình 1.7.

Thiết bị tập của Zhihao Zhou

12

Hình 1.8.

Thiết bị tập cổ chân cho 3 khớp của Jody A.Saglia

13

Hình 1.9.

Thiết bị tập khớp cổ chân của Y.H. Tsoi

13

hình

Hình 1.10. Thiết bị tập một bậc tự do khớp gối

14

Hình 1.11. Thiết bị tập hỗ trợ khớp gối và háng

15

Hình 1.12. Thiết bị tập của B.D.M.Charparo-Rico

16

Hình 1.13. Thiết bị tập đi

17

Hình 1.14. Hệ thống GaitMaster 5

17

Hình 1.15. Thiết bị tập mơ phỏng bước đi của chân.

19

Hình 1.16. Hệ thống hỗ trợ đi lại

19

Hình 1.17. Thiết bị tập của [33] và [34]

20

Hình 1.18. Thiết bị tập của Bingjing Guo

21

Hình 1.19. Thiết bị tập của Farouk Chrif

21

Hình 1.20. Thiết bị tập của Trinachoke Eiammanussakul

22

Hình 1.21. Thiết bị tập của Hongbo Wang

22

Hình 1.22. Hệ thống hỗ trợ đi lại

23

Hình 1.23. Hệ thống Gangtrainer GTI

24

Hình 1.24. Hệ thống MotionMaker

25

Hình 2.1.

28

Bậc tự do của khớp cổ chân

xii

Hình 2.2.

Bậc tự do của khớp gối

29

Hình 2.3.

Bậc tự do của khớp háng

30

Hình 2.4.

Chiều cao các bộ phận của người

31

Hình 2.5.

Khối lượng các bộ phận chi dưới

32

Hình 2.6.

Tập gấp/duỗi khớp gối và khớp háng ở vị trí nằm

34

Hình 2.7.

Tập gấp và duỗi khớp cổ chân ở vị trí nằm

35

Hình 2.8.

Tập gấp và duỗi khớp gối ở vị trí ngồi

35

Hình 2.9.

Tập gấp và duỗi khớp cổ chân ở vị trí ngồi

36

Hình 2.10. Tập gấp và duỗi khớp háng ở vị trí ngồi

36

Hình 2.11. Khâu khớp và các thơng số DH

37

Hình 2.12. Mơ hình nghiên cứu tập ở tư thế ngồi

46

Hình 2.13. Mơ hình nghiên cứu tập ở tư thế nằm

46

Hình 2.14. Sơ đồ động học của mơ hình nghiên cứu

47

Hình 2.15. Sơ đồ động học của mơ hình nghiên cứu khi gắn hệ tọa

48

độ
Hình 2.16. Mơ hình cơ cấu tay quay con trượt ngược

50

Hình 2.17. Mơ hình tính tốn động học khớp háng

52

Hình 2.18. Mơ hình tính tốn động học khớp gối

53

Hình 2.19. Mơ hình tính tốn động học khớp cổ chân

54

Hình 2.20. Mơ hình tính tốn động học lực học

55

Hình 3.1.

Mơ hình dẫn động khớp cổ chân

60

Hình 3.2.

Mơ hình hóa cơ cấu dẫn động khớp

60

Hình 3.3.

Mơ hình thu gọn giá trị khối lượng, mơ men qn tính

61

khối lượng và ma sát về trục động cơ
Hình 3.4.

Sơ đồ khối hàm truyền của cơ cấu tịnh tiến

63

Hình 3.5.

Sơ đồ khối hàm truyền của cơ cấu dẫn động

65

Hình 3.6.

Sơ đồ khối hàm truyền thu gọn của cơ cấu dẫn động

65

Hình 3.7.

Sơ đồ thu gọn hàm truyền của cơ cấu dẫn động

65

xiii


Hình 3.8.

Sơ đồ thu gọn hàm truyền của cơ cấu dẫn động sau khi

66

đặt tham số
Hình 3.9.

Sơ đồ điều khiển vịng kín của bộ điều khiển PID

Hình 3.10. Sơ đồ điều khiển của bộ điều khiển PID

67
68

Sơ đồ mô phỏng điều khiển PID trong Matlab Simulink

68

Hình 3.12. Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp cổ chân góc tập 00

72

Hình 3.11.

đến 300 với bộ điều khiển PID
Hình 3.13. Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp cổ chân góc tập 00

72

đến 450 với bộ điều khiển PID
Hình 3.14. Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp gối góc tập 00 đến

73

900 với bộ điều khiển PID
Hình 3.15. Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp gối góc tập 00 đến

74

1350 với bộ điều khiển PID
Hình 3.16. Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp háng góc tập 00 đến

75

800 với bộ điều khiển PID
Hình 3.17. Sơ đồ điều khiển vịng kín của bộ điều khiển Trượt

75

Hình 3.18. Sơ đồ điều khiển vịng kín khi áp dụng bộ điều khiển

81

Trượt với mơ hình nghiên cứu
Hình 3.19. Sơ đồ điều khiển của bộ điều khiển Trượt trong phần

82

mềm mơ phỏng Matlab Simulink
Hình 3.20. Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp cổ chân 00 đến 300

83

với bộ điều khiển Trượt
Hình 3.21. Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp cổ chân 00 đến 450

83

với bộ điều khiển Trượt
Hình 3.22. Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp gối (00 đến 900) với

84

bộ điều khiển Trượt
Hình 3.23. Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp gối (00 đến 1350) với
bộ điều khiển Trượt

xiv

85


Hình 3.24. Đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp háng 00 đến 800 với

86

bộ điều khiển Trượt
Hình 3.25. So sánh đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp cổ chân với

87

2 bộ điều khiển PID và Trượt
Hình 3.26. So sánh đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp gối với 2 bộ

87

điều khiển PID và Trượt
Hình 3.27. So sánh đáp ứng của cơ cấu dẫn động khớp háng với 2

88

bộ điều khiển PID và Trượt
Hình 4.1.

Khung đỡ cho bệnh nhân trong phần mềm Inventor

91

Hình 4.2.

Bộ phận dẫn động khớp cổ chân trong phần mềm

92

Inventor
Hình 4.3.

Cơ cấu dẫn động khớp gối trong phần mềm Inventor

93

Hình 4.4.

Cơ cấu dẫn động khớp háng trong phần mềm Inventor

93

Hình 4.5.

Thiết bị hồn thiện trong phần mềm Inventor

94

Hình 4.6.

Sơ đồ mạch điện của mơ hình

95

Hình 4.7.

Sơ đồ mạch mô đun điều khiển cơ cấu tịnh tiến

96

Hình 4.8.

Sơ đồ mạch mơ đun cơng suất

96

Hình 4.9.

Khối hiển thị và giao tiếp encoder

97

Hình 4.10. Mơ đun đo dịng điện và mơ đun điều khiển bằng tay

97

Hình 4.11. Mơ đun vi điều khiển

98

Hình 4.12. Giao diện khởi động phần mềm

99

Hình 4.13. Các menu của phần mềm

99

Hình 4.14. Thanh cơng cụ trên phần mềm

100

Hình 4.15. Mẫu thiết kế giao diện chính của phần mềm

100

Hình 4.16. Thiết kế giao diện chính của phần mềm

101

Hình 4.17. Lưu đồ thao tác điều khiển thiết bị trên phần mềm

102

Hình 4.18. Lưu đồ thuật tốn giao tiếp phần mềm và hệ thống điều

103

khiển

xv


Hình 4.19. Kết cấu hồn chỉnh của mơ hình

104

Hình 4.20. Tư thế ngồi và nằm

105

Hình 4.21. Tư thế điều chỉnh vị trí ghế ra hoặc vào

105

Hình 4.22. Sơ đồ kết nối điều khiển của mơ hình

106

Hình 4.23. Kết quả thử nghiệm tập khớp cổ chân với góc tập 00 đến

108

300
Hình 4.24. Kết quả thử nghiệm tập khớp cổ chân với góc tập 00 đến

108

450
Hình 4.25. Kết quả thử nghiệm tập khớp gối với góc tập 00 đến 600

109

Hình 4.26. Kết quả thử nghiệm tập khớp gối với góc tập 00 đến 900

109

Hình 4.27. Kết quả thử nghiệm tập khớp gối với góc tập 00 đến

110

1200
Hình 4.28. Kết quả thử nghiệm tập khớp gối với góc tập 00 đến

110

1350
Hình 4.29. Kết quả thử nghiệm tập khớp háng với góc tập 00 đến

111

450
Hình 4.30. Kết quả thử nghiệm tập khớp háng với góc tập 00 đến

111

600
Hình 4.31. Kết quả thử nghiệm tập khớp háng với góc tập 00 đến

112

800
Hình 4.32. Kết quả thử nghiệm tập trên bệnh nhân

113

Hình 4.33. Biểu đồ so sánh về tầm vận động các khớp của thiết bị

120

Hình 4.34. Biểu đồ so sánh về kết quả điều khiển của thiết bị

123

xvi


MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Tai biến là nguyên nhân hàng đầu gây tàn phế và là nguyên nhân gây tử vong
ở nhiều nước trên thế giới. Thống kê ở Mỹ, hàng năm có khoảng 795.000 người bị
tai biến trong đó số người mới bị là 610.000 người và 185.000 người tai biến tái phát.
Các nghiên cứu dịch tễ học chỉ ra rằng 82-92% tai biến ở đây là nhồi máu não. Theo

Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), mỗi năm có 15 triệu người bị tai biến trên tồn thế
giới, trong đó 5 triệu người chết và 5 triệu người bị tàn tật vĩnh viễn. Đàn ơng có nguy
cơ tai biến cao hơn phụ nữ. Đàn ơng có tỷ lệ tai biến là 62,8/100.000 dân và tỷ lệ tử
vong 26,3%. Trong khi phụ nữ có tỷ lệ tai biến là 59/100.000 dân và tỷ lệ tử vong là
39,2%. Mặc dù tai biến thường được coi là bệnh lý của người có tuổi nhưng 1/3 số
tai biến xảy ra ở người dưới 65 tuổi. Nguy cơ tai biến tăng theo tuổi, nhất là những
người trên 64 tuổi. Việt Nam có hơn 90 triệu dân, số bệnh mới mắc là 200.000
người/năm, số người trẻ tuổi mắc bệnh ngày càng tăng nhanh, đây thực sự là gánh
nặng cho gia đình và xã hội.
Tai biến mạch máu não sẽ để lại hậu quả nặng nề cho bệnh nhân, một số bệnh
nhân sẽ bị liệt nửa người sau tai biến. Tập phục hồi chức năng cho bệnh nhân sau tai
biến đã trở thành một vấn đề xã hội lớn cấp bách. Hiện nay, phương pháp tập vận
động cho bệnh nhân thường được kỹ thuật viên chuyên ngành vật lý trị liệu điều trị,
vì vậy chất lượng điều trị chủ yếu phụ thuộc vào kinh nghiệm của các kỹ thuật viên
trị liệu. Ở các bệnh viện và ở các trung tâm hỗ trợ tập phục hồi chức năng trong nước,
nhu cầu thiết bị phục hồi chức năng tự động là tăng lên đáng kể, thiết bị tự động sẽ
giúp bệnh nhân thực hiện chính xác, định lượng và hiệu quả tập luyện. Các thiết bị
trong nước đa phần là thuần cơ khí chưa có tính tự động cao trong q trình hỗ trợ
tập luyện cho bệnh nhân sau tai biến. Trong thập kỷ qua, thiết bị tự động phục hồi
chức năng chi dưới nhận được sự quan tâm ngày càng tăng từ các nhà nghiên cứu
cũng như các bác sĩ phục hồi chức năng ở trên thế giới. Các ứng dụng thiết bị tự động
phục hồi chức năng chi dưới có thể giải phóng sức lao động của các bác sĩ và kỹ thuật
viên, ngồi ra thiết bị tự động sẽ phân tích dữ liệu trong quá trình tập luyện và đánh
1


giá tình trạng phục hồi của bệnh nhân. Do lợi thế về độ chính xác và độ tin cậy, thiết
bị tự động phục hồi chức năng có thể cung cấp một cách hiệu quả để cải thiện kết quả
điều trị phục hồi chức năng sau tai biến. Tuy nhiên, thiết bị nước ngồi vẫn có nhược
điểm là giá thành cao và giao diện vận hành điều khiển thường là ngôn ngữ nước

ngồi gây khó khăn cho người sử dụng. Ở Việt Nam, nghiên cứu chế tạo thiết bị hỗ
trợ tập phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân tai biến là đề tài mới và cịn ít các
cơng trình nghiên cứu được công bố. Bộ Y tế cũng đang dự thảo Đề án "Phát triển
công nghiệp trang thiết bị y tế sản xuất trong nước đến năm 2025 và tầm nhìn đến
năm 2030". Mục tiêu của Đề án là phát triển ngành sản xuất trang thiết bị y tế
(TTBYT) trong nước đồng bộ, hiện đại, đáp ứng hội nhập quốc tế, phù hợp với năng
lực sản xuất các mặt hàng có thế mạnh và điều kiện kinh tế - xã hội của đất nước. Từ
các cơ sở phân tích trên và trước những nhu cầu cấp bách của xã hội hiện nay đối với
bệnh tai biến, tác giả nhận thấy cần thiết phải triển khai thực hiện đề tài luận án
“Nghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi chức năng chi dưới”. Đề tài luận án có tính
khoa học về mặt lý thuyết và thực nghiệm, góp phần phát triển và làm chủ công nghệ
về lĩnh vực trang thiết bị y tế ở Việt Nam.

2. MỤC TIÊU
Mục tiêu chung: Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị hỗ trợ tập phục hồi
chức năng chi dưới với bài tập gấp/duỗi cho khớp háng, khớp gối và khớp cổ chân.
Mục tiêu cụ thể:
- Thiết lập phương trình động học và động lực học của mơ hình nghiên cứu.
- Thiết lập hàm truyền của cơ cấu tịnh tiến, mô phỏng đáp ứng q độ của mơ
hình nghiên cứu với bộ điều khiển PID và Trượt.
- Thử nghiệm thiết bị và đánh giá kết quả đạt được.

3. ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân liệt tai biến (có
bậc cơ 1 đến 3) với 3 bậc tự do, sử dụng cơ cấu tịnh tiến dẫn động các khớp và được
điều khiển giám sát bằng phần mềm từ máy tính.
2

3.2. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết tổng quan kết hợp với mô phỏng bằng phần mềm Matlab
và kiểm chứng bằng chế tạo thiết bị thực nghiệm.
3.3. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu các chuyển động có tần suất hoạt động nhiều nhất của các khớp
chi dưới cụ thể là chuyển động gấp/duỗi ở các khớp cổ chân, khớp gối và khớp háng.
- Bộ điều khiển áp dụng cho mơ hình là điều khiển PID và Trượt.

4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển của đề
tài, nội dung chính được trình bày trong 4 chương với cấu trúc như sau:
- Chương 1: Nghiên cứu tổng quan
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết và mơ hình nghiên cứu
- Chương 3: Mô phỏng đáp ứng quá độ của một số thơng số của mơ hình
nghiên cứu
- Chương 4: Thiết kế thiết bị thực nghiệm và kết quả nghiên cứu thực nghiệm

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học:
- Luận án góp phần mở rộng thêm mơ hình tốn cho cơ cấu tịnh tiến ứng dụng
trong thiết bị tự động hỗ trợ phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân.
- Kết quả của luận án làm phong phú thêm về giải pháp điều khiển cho thiết bị tự
động hỗ trợ phục hồi chức năng chi dưới.
- Góp phần phát triển khoa học vào lĩnh vực thiết bị y tế ở Việt Nam.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Với nghiên cứu thiết kế thiết bị có cấu tạo đơn giản trong luận án có thể làm cơ
sở và gợi ý cho các nhà sản xuất nghiên cứu ứng dụng thiết bị tự động đối với lĩnh
vực y sinh vào thực tiễn.
- Hiện nay, nhu cầu tập luyện phục hồi chức năng của bệnh nhân ngày một tăng
cao, vì vậy nghiên cứu thiết bị tự động sẽ góp phần đáp ứng nhu cầu điều trị phục hồi

chức năng chi dưới cho bệnh nhân tại các cơ sở y tế.

3


Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về phục hồi chức năng và các phương
pháp điều trị phục hồi chức năng cho bệnh nhân sau tai biến. Các nghiên cứu về thiết
bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới cho bệnh nhân ở Việt Nam và trên thế giới.
Trong đó đặc biệt chú ý các nghiên cứu các thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng chi
dưới cho 3 khớp: khớp cổ chân, khớp gối và khớp háng. Từ đó có thể đề xuất phương
án thiết kế chế tạo và điều khiển cho thiết bị phù hợp với người Việt Nam.

1.1. Khái quát về phục hồi chức năng
1.1.1. Khái niệm về phục hồi chức năng
Trong Y khoa cụm từ "Phục hồi chức năng" (PHCN) được định nghĩa là khả
năng phục hồi hoạt động của một cơ quan, một bộ phận cơ thể người bị suy giảm, rối
loạn, bị mất đi, có nguy cơ làm cho bệnh nhân trở thành một người tàn tật. PHCN là
một ngành được xây dựng trên cơ sở một ngành y học hiện đại. Trải qua nhiều năm,
công tác Vật lý trị liệu - Phục hồi chức năng (VLTL-PHCN) đã được đầu tư và nghiên
cứu nên đã cho một số kết quả khả quan. Nhờ có PHCN mà nhiều người bị hậu quả
của vết thương hoặc do bệnh lý đã trở lại với cuộc sống, lao động, sinh hoạt hàng
ngày [1], [2], [3].
Chăm sóc phục hồi chức năng được chia thành các nhóm sau [2]:
1. Khó khăn về vận động.
2. Khó khăn về nghe, nói.
3. Khó khăn về học.
4. Khó khăn về nhìn.
5. Người có hành vi xa lạ.
6. Động kinh.

7. Mất cảm giác.
Ngồi ra cịn có những vấn đề về chăm sóc PHCN cho người bệnh chấn thương cột
sống, người bệnh nặng, hôn mê, nằm lâu, … tàn tật ảnh hưởng rất lớn đến bản thân
người bệnh và gia đình người bệnh, vì vậy người điều dưỡng dù làm việc ở đâu cũng
phải áp dụng các nguyên tắc là: Việc chăm sóc nên bắt đầu từ khi họ mới bị tàn tật,
4


phải phịng ngừa lt và những biến chứng khác có thể xảy ra và phải làm sao để giúp
họ vượt qua khó khăn và ảnh hưởng của tàn tật [1], [2], [3].

1.1.2. Mục đích của phục hồi chức năng
- Đề phòng bệnh lý và tàn tật phát triển mạnh hơn.
- Giúp bệnh nhân tự mình di chuyển và đi lại từ nơi này đến nơi khác, bao gồm
cả việc hướng dẫn bệnh nhân sử dụng các dụng cụ trợ giúp và đi lại.
- Giúp bệnh nhân làm được các công việc tự phục vụ mình: Đánh răng, tắm
rửa, vệ sinh, mặc quần áo, …
- Giúp bệnh nhân thích nghi với các di chứng còn lại.
- Giúp bệnh nhân trở lại với nghề cũ hoặc có nghề mới phù hợp với hoàn cảnh
hiện tại theo [1], [2], [3].

1.1.3. Kỹ thuật tập luyện phục hồi chức năng
Tập luyện vận động là một nội dung quan trọng trong PHCN. Hiện nay, kỹ
thuật tập luyện vận động cho bệnh nhân chủ yếu dựa vào kỹ thuật viên. Đó là những
nhân viên PHCN đã được đào tạo và công tác tại Khoa VLTL-PHCN. Để thiết kế một
bài tập, kỹ thuật viên cần khám xét và đánh giá kỹ càng mức độ tổn thương vận động
của bệnh nhân bằng các kỹ thuật như đo tầm vận động khớp, đánh giá lực cơ bằng
tay hay các bài đánh giá trắc nghiệm về hoạt động chức năng của cơ quan vận động.
Căn cứ vào các kết quả lượng giá, bác sĩ và kỹ thuật viên sẽ đề xuất kế hoạch tập
luyện phục hồi cho bệnh nhân và tiến hành điều trị cho bệnh nhân bằng các bài tập

vận động như tập thụ động, tập chủ động, tập có trợ giúp, tập tăng tiến, … Trong quá
trình tập luyện, kỹ thuật viên là người trực tiếp thực hiện các thao tác và thủ thuật vận
động cho bệnh nhân. Vì vậy, kết quả PHCN phụ thuộc rất nhiều vào kiến thức, kỹ
năng, kinh nghiệm và cả tình trạng sức khỏe của kỹ thuật viên cũng như sự hợp tác
của bệnh nhân [1], [2], [3].

1.1.4. Nhu cầu tập phục hồi chức năng của bệnh nhân tai biến
Nhiều năm qua, tai biến mạch máu não (TBMMN) đã và đang là một thách
thức lớn đối với nền y học thế giới cũng như Việt Nam. Theo thống kê của Tổ chức
Y tế thế giới, tỷ lệ mắc TBMMN hàng năm là 350/100.000 dân và có xu hướng ngày
5


càng tăng. Tại Việt Nam, tỷ lệ hiện mắc và mới mắc trung bình tương ứng là
116/100.000 dân và 28,25/100.000 dân [4], [5]. Bệnh có thể xảy ra ở mọi lứa tuổi
nhưng thường gặp nhất là ở nhóm người cao tuổi. Bệnh tai biến có tỉ lệ tử vong cao,
trong trường hợp bệnh nhân qua được thì cũng để lại những di chứng nặng nề như
liệt nửa người, nói khó [6]. Bệnh nhân cần được tiếp tục chăm sóc và PHCN để giảm
mức độ tàn phế và thương tật thứ cấp, nâng cao chất lượng cuộc sống, đặc biệt là
những trường hợp do hoàn cảnh kinh tế phải xuất viện sớm. Bệnh nhân xuất viện cần
được đánh giá nhu cầu chăm sóc và PHCN để được hỗ trợ tốt khi trở về cộng đồng
[7].
- Về phân bố nhu cầu PHCN chung cho thấy khi xuất viện, người bệnh bị
TBMMN có nhu cầu PHCN chiếm 89,6%.
- Về phân bố theo nhóm nhu cầu PHCN: Trong số có nhu cầu PHCN thì có tới
70,1% người bệnh có nhu cầu PHCN trong sinh hoạt hàng ngày; 55,5% có nhu cầu
PHCN giao tiếp và 59,1% có nhu cầu PHCN vận động. Tỷ lệ nhu cầu PHCN sinh
hoạt hàng ngày (ăn, mặc, vệ sinh cá nhân, …) cao nhất là bởi vì các hoạt động hàng
ngày cần có sự vận động của chi trên và chi dưới [7]. Nhu cầu PHCN vận động có
vai trị rất quan trọng đối với người bị TBMMN do những người này thường gặp

thương tổn liệt nửa người. Nguyên nhân này khiến họ gặp rất nhiều khó khăn trong
sinh hoạt và cũng như tái hịa nhập cộng đồng. Vì vậy, đánh giá nhu cầu PHCN vận
động của bệnh nhân sớm sẽ giúp bác sĩ và kỹ thuật viên có phác đồ tập luyện phù hợp
nhất cho người bệnh.
Hiện nay, 50% bệnh nhân tai biến phải chịu những di chứng làm ảnh hưởng
chức năng vận động, khiến họ không thể tự chăm sóc bản thân. Số người bị di chứng
và tàn tật do tai biến mạch não ngày càng tăng [8]. Vì vậy, phục hồi chức năng cho
các bệnh nhân tai biến trở thành nhu cầu cấp bách nhằm giảm tối đa các di chứng và
sớm đưa bệnh nhân có được sự thích nghi khi quay trở lại với cuộc sống ở gia đình
và xã hội. Nên kết hợp tập phục hồi chức năng bằng phương pháp vật lý trị liệu của
Đông y và Tây y cho bệnh nhân sau tai biến mạch máu não là phương pháp giúp bệnh
nhân phục hồi tốt nhất, hạn chế tối đa di chứng và biến chứng [9]. Để quá trình hồi

6


phục cho hiệu quả tốt như mong muốn thì trong quá trình tập luyện người bệnh và
người nhà bệnh nhân phải chủ động và tích cực trong việc tập luyện. Việc tập luyện
phục hồi chức năng sau tai biến được tiến hành theo từng giai đoạn và phải điều trị
phục hồi sớm, khi tình trạng tổn thương ở não đã tương đối ổn định [1], [5].

1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
Các thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng chi dưới trong nước sản xuất thường
có kết cấu đơn giản mang tính thuần cơ khí và chỉ sử dụng những bệnh nhân bị liệt
có bậc cơ 4-5 tập phục hồi. Nghiên cứu về thiết bị tự động hỗ trợ cho bệnh nhân phục
hồi chi dưới cũng đã có một số tác giả trong nước quan tâm và đã đạt được kết quả
nhất định.

Hình 1.1. Cơng trình nghiên cứu của tác giả Từ Diệp Công Thành
Tác giả Từ Diệp Công Thành, Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí

Minh (2006) đã nghiên cứu chế tạo thiết bị phục hồi cổ chân kết cấu thể hiện ở Hình
1.1 [10]. Cơ cấu chấp hành ở đây là cơ cấu cơ nhân tạo PAM (Pneumatic Artificial
Muscle), sử dụng năng lượng khí nén để điều khiển. Tác giả đã xây dựng được mơ
hình tốn và áp dụng các luật điều khiển PID và Neutral cho thiết bị. Các kết quả tập
luyện được hiển thị lên máy tính bằng phần mềm Visual Basic. Kết quả cho thấy việc

7