Luận án 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 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả mô phỏng và thực nghiệm nêu trong luận án là trung thực, các thông số được tham khảo trên các tạp chí, sách chuyên khảo của trong và ngoài nước. Tôi 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 ii LỜI CẢM ƠN Tôi 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 iii 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 công 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 mô 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 mô hình về vị trí góc quay của các khớp so với giá trị góc quay cài đặt. Mô phỏng đáp ứng của mô hình trên máy vi tính bằng phần mềm Matlab, với kết quả mô 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 toán 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 dòng 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 iv 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 mô 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 quá trình tập luyện. Mô hình đã được vận hành với các chế độ không tải và với người tình nguyện để kiểm tra tính an toàn và các tham số kỹ thuật. Thiết bị đã đạt được giấy chứng nhận Thử nghiệm thiết bị do Viện trang thiết bị và công trình y tế - Bộ Y tế đánh giá. Mô hình cũng đã được cho phép triển khai khảo sát đánh giá tính an toàn 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 công nhận thiết bị đảm bảo tính an toàn 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 ngoài 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 ngoài trong đó 03 bài thuộc tạp chí ISI. Ngoài ra, tác giả cũng đã công 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. v 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 ngoài ............................................... 9 1.3.1. Các công trình nghiên cứu thiết bị hỗ trợ tập phục hồi chức năng cho một khớp chi dưới ..................................................................................................... 10 vi 1.3.2. Các công 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 MÔ 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 mô 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 mô hình nghiên cứu ......................... 49 vii 2.7. Tính toán 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 mô hình ................................... 54 Chương 3. MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ............................................................................................. 59 3.1. Mô hình hóa hàm truyền của từng khâu dẫn động các khớp .................. 59 3.1.1. Mô 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. Mô phỏng đáp ứng của mô 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 viii 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 CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .................................................................................. 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 130 PHỤ LỤC 1 PHỤ LỤC 2 PHỤ LỤC 3 PHỤ LỤC 4 ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu/ Từ viết tắt Ý nghĩa Đơn vị CNC Computer Number Control (Điều khiển số) DH 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 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 me Kg.m2 JL Giá trị mô men quán tính khối lượng thu gọn về trục vít me N.m2 Jm Mô men quán tính khối lượng động cơ điện Kg.m 2 Ka Hằng số tỷ lệ của mô men xoắn N.m/A Ki Hằng số suất điện động V.s/rad x 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 xi DANH MỤC CÁC BẢNG Thứ tự bảng Tên gọi Trang Bảng 2.1. Tầm vận động các động tác của cổ chân 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 mô hình nghiên cứu 49 Bảng 3.1. Các thông số của mô hình nghiên cứu với bộ điều khiển PID 69 Bảng 3.2. Các thông số của mô 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 toàn 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 viên 115 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 xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Thứ tự hình Tên gọi Trang Hình 1.1. Công trình nghiên cứu của tác giả Từ Diệp Công Thành 7 Hình 1.2. Công trình nghiên cứu của [11] và [12] 8 Hình 1.3. Công 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 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 mô 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. Bậc tự do của khớp cổ chân 28 xiii 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 thông số DH 37 Hình 2.12. Mô hình nghiên cứu tập ở tư thế ngồi 46 Hình 2.13. Mô hình nghiên cứu tập ở tư thế nằm 46 Hình 2.14. Sơ đồ động học của mô hình nghiên cứu 47 Hình 2.15. Sơ đồ động học của mô hình nghiên cứu khi gắn hệ tọa độ 48 Hình 2.16. Mô hình cơ cấu tay quay con trượt ngược 50 Hình 2.17. Mô hình tính toán động học khớp háng 52 Hình 2.18. Mô hình tính toán động học khớp gối 53 Hình 2.19. Mô hình tính toán động học khớp cổ chân 54 Hình 2.20. Mô hình tính toán động học lực học 55 Hình 3.1. Mô hình dẫn động khớp cổ chân 60 Hình 3.2. Mô hình hóa cơ cấu dẫn động khớp 60 Hình 3.3. Mô hình thu gọn giá trị khối lượng, mô men quán tính khối lượng và ma sát về trục động cơ 61 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