Luận án tiến sĩ về cải tiến hệ thống định vị quán tính trong chăm sóc sức khỏe

Luận án tiến sĩ nghiên cứu cải tiến hệ thống định vị quán tính, nâng cao độ chính xác ước lượng thông số bước đi trong chăm sóc sức khỏe.

• Tác giả: Phạm Duy Dương
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đoàn Quang Vinh
• Trường học: Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Cải Tiến Hệ Thống Định Vị Quán Tính Để Nâng Cao Độ Chính Xác Trong Chăm Sóc Sức Khỏe
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỤC LỤC
• 1.1. DANH MỤC HÌNH VẼ
• 1.2. DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1.3. CHỮ VIẾT TẮT
• 1.4. Lý do chọn đề tài
• 1.5. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 1.8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.9. Những đóng góp mới của luận án
• 1.10. Bố cục chung của luận án
• 2. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VIỆC ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ BƯỚC ĐI TRONG CHĂM SÓC SỨC KHỎE
• 2.1. Một số khái niệm về thông số bước đi
• 2.2. Tầm quan trọng và ứng dụng của thông số bước đi
• 2.3. Tiềm năng ứng dụng cảm biến IMU trong y tế
• 2.3.1. Ưu thế của IMU trong y tế
• 2.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu việc ứng dụng cảm biến IMU trong ước lượng thông số bước đi
• 2.4.1. Mô hình trừu tượng
• 2.4.2. Mô hình dáng đi
• 2.4.3. Tích phân trực tiếp
• 2.4.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu ước lượng thông số bước đi sử dụng IMU đặt trên bàn chân
• 2.4.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu ước lượng thông số bước đi sử dụng IMU đặt trên khung tập đi
• 2.4.6. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
• 2.5. Kết luận chương
• 3. NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI THUẬT TOÁN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH
• 3.1. Cảm biến quán tính
• 3.1.1. Giới thiệu cảm biến
• 3.1.2. Cảm biến IMU
• 3.1.3. Cảm biến gia tốc
• 3.1.4. Cảm biến vận tốc góc
• 3.1.5. Cảm biến IMU MTi-1 và MTi-100 của hãng Xsens
• 3.2. Triển khai hệ thống định vị quán tính
• 3.2.1. Hệ thống định vị INS
• 3.2.2. Triển khai thuật toán của hệ thống SINS
• 3.2.3. Triển khai bộ lọc Kalman kiểu MEKF cho hệ SINS
• 3.3. Kết luận chương
• 4. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH ĐẶT TRÊN BÀN CHÂN
• 4.1. Giới thiệu chương
• 4.2. Đề xuất hệ thống INS đặt trên bàn chân
• 4.3. Xây dựng mô hình bộ lọc MEKF cho hệ thống
• 4.4. Xây dựng các phương trình cập nhật cho bộ lọc Kalman
• 4.4.1. Cập nhật vận tốc ZUPT
• 4.4.2. Xây dựng phương trình cập nhật sử dụng cảm biến khoảng cách
• 4.5. Thực thi bộ lọc Kalman cho hệ thống
• 4.6. Trích xuất thông số bước đi từ quỹ đạo bàn chân
• 4.7. Thí nghiệm kiểm chứng hệ thống và phân tích kết quả
• 4.7.1. Thí nghiệm với hệ thống OptiTrack
• 4.7.2. Thí nghiệm đi dọc hành lang 30 m
• 4.8. Đánh giá hiệu quả hệ thống đề xuất
• 4.9. Kết luận chương
• 5. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH ĐẶT TRÊN KHUNG TẬP ĐI
• 5.1. Giới thiệu chương
• 5.2. Đề xuất hệ thống INS đặt trên khung tập đi
• 5.2.1. Giới thiệu về hệ thống
• 5.2.2. Kết nối phần cứng và đồng bộ dữ liệu
• 5.2.3. Thuật toán ước lượng mối quan hệ giữa hệ toạ độ ICS và BCS
• 5.3. Thuật toán phát hiện và phân loại chuyển động của khung tập đi
• 5.3.1. Định nghĩa chuyển động của khung tập đi
• 5.3.2. Thuật toán phát hiện chuyển động của khung tập đi
• 5.3.3. Thuật toán phân loại chuyển động của khung tập đi
• 5.4. Ước lượng quỹ đạo chuyển động của khung tập đi
• 5.4.1. Xây dựng phương trình cập nhật quaternion dựa vào phương đứng của khung tập đi
• 5.4.2. Xây dựng phương trình cập nhật quaternion sử dụng góc quay quanh trục đứng
• 5.4.3. Xây dựng phương trình cập nhật vị trí sử dụng thông tin từ encoder
• 5.4.4. Kết hợp quỹ đạo ước lượng bởi IMU và quỹ đạo ước lượng bởi encoder
• 5.4.5. Trích xuất thông số bước đi
• 5.5. Thí nghiệm đánh giá hoạt động của thuật toán
• 5.5.1. Hệ thống thí nghiệm
• 5.5.2. Mô tả các thí nghiệm
• 5.5.3. Đánh giá thuật toán kết hợp chuyển động do IMU và encoder ước lượng
• 5.6. Đánh giá thuật toán sử dụng thông tin encoder để cập nhật cho bộ lọc Kalman
• 5.7. Phân tích đánh giá sự ảnh hưởng của các phương trình cập nhật sử dụng thông tin từ encoder
• 5.8. Đánh giá độ chính xác sử dụng hệ thống Optitrack
• 5.9. Đánh giá vai trò của bộ lọc Kalman trong INS
• 5.10. Đánh giá độ chính xác trong chuyển động có đổi hướng
• 5.11. Thực nghiệm với bệnh nhân
• 5.12. Đánh giá hiệu quả hệ thống đề xuất
• 5.13. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Cải tiến hệ thống định vị quán tính

Hệ thống định vị quán tính (INS) là một công nghệ quan trọng trong việc ước lượng các thông số chuyển động của con người, đặc biệt trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe. Việc cải tiến hệ thống này nhằm nâng cao độ chính xác trong việc ước lượng thông số bước đi là rất cần thiết. Các cảm biến IMU (Inertial Measurement Unit) được sử dụng để thu thập dữ liệu về gia tốc và vận tốc góc, từ đó giúp xác định vị trí và hướng di chuyển. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất của hệ thống INS là sai số tích lũy theo thời gian, dẫn đến độ chính xác giảm sút. Do đó, việc áp dụng các thuật toán như bộ lọc Kalman để cải thiện độ chính xác là rất quan trọng. Theo nghiên cứu, việc kết hợp thông tin từ các cảm biến phụ trợ có thể giúp giảm thiểu sai số và nâng cao độ chính xác của hệ thống.

1.1. Ứng dụng công nghệ IMU trong y tế

Cảm biến IMU đã được chứng minh là có tiềm năng lớn trong việc theo dõi và đánh giá tình trạng sức khỏe của bệnh nhân. Các thông số như tốc độ bước, độ dài bước chân và thời gian bước đều có thể được ước lượng chính xác thông qua việc sử dụng cảm biến này. Việc theo dõi các thông số này không chỉ giúp bác sĩ trong việc chẩn đoán mà còn hỗ trợ trong quá trình phục hồi chức năng cho bệnh nhân. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng cảm biến IMU có thể cung cấp thông tin chính xác và kịp thời về tình trạng sức khỏe của bệnh nhân, từ đó giúp đưa ra các quyết định điều trị hợp lý hơn.

II. Phân tích dữ liệu và ứng dụng thực tiễn

Việc phân tích dữ liệu từ hệ thống INS là một bước quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của các thông số bước đi. Các thuật toán như bộ lọc Kalman không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn cho phép theo dõi liên tục các thông số trong thời gian thực. Điều này rất hữu ích trong việc theo dõi tiến trình phục hồi chức năng của bệnh nhân. Hệ thống này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ phục hồi chức năng cho bệnh nhân sau phẫu thuật đến việc theo dõi sức khỏe cho người cao tuổi. Việc sử dụng công nghệ này không chỉ giúp nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe mà còn giảm thiểu chi phí điều trị.

2.1. Đánh giá hiệu quả hệ thống

Đánh giá hiệu quả của hệ thống định vị quán tính là một phần không thể thiếu trong nghiên cứu. Các thí nghiệm thực tế cho thấy rằng hệ thống có thể đạt được độ chính xác cao trong việc ước lượng các thông số bước đi. Việc sử dụng cảm biến IMU kết hợp với bộ lọc Kalman đã cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong việc theo dõi chuyển động của bệnh nhân. Kết quả từ các thí nghiệm cho thấy rằng hệ thống không chỉ hoạt động hiệu quả trong môi trường phòng thí nghiệm mà còn có thể áp dụng trong thực tế, giúp bác sĩ theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân một cách chính xác và kịp thời.

III. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu về việc cải tiến hệ thống định vị quán tính đã chỉ ra rằng việc ứng dụng công nghệ IMU trong chăm sóc sức khỏe có thể mang lại nhiều lợi ích. Hệ thống này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác trong việc ước lượng thông số bước đi mà còn hỗ trợ bác sĩ trong việc chẩn đoán và theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân. Để phát triển hơn nữa, cần tiếp tục nghiên cứu và cải tiến các thuật toán cũng như công nghệ cảm biến, nhằm tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống. Việc này sẽ góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.

3.1. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Để tiếp tục phát triển hệ thống định vị quán tính, cần nghiên cứu sâu hơn về các thuật toán xử lý tín hiệu và cải tiến độ chính xác của cảm biến IMU. Việc tích hợp thêm các công nghệ mới như học máy có thể giúp nâng cao khả năng phân tích và dự đoán tình trạng sức khỏe của bệnh nhân. Ngoài ra, việc mở rộng ứng dụng của hệ thống trong các lĩnh vực khác như thể thao và phục hồi chức năng cũng là một hướng đi tiềm năng. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc phát triển các mô hình dự đoán chính xác hơn, từ đó cải thiện chất lượng chăm sóc sức khỏe cho người dân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 thông số bước đi trong chẩn đoán 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 thông 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 thông 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 công 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 công trình nghiên cứu liên quan.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 (có nhiều hình thức khác nhau của nó như đi bộ, chạy, lên xuống cầu thang…) là một hoạt động điều hợp khéo léo và thăng bằng đạt được trong quá trình phát triển của cơ thể và có thể cải thiện nhờ tập luyện. Hoạt động đi liên quan đến các khớp và cơ nhưng không 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 không gian và với những bất trắc bên ngoài. Tất cả các cơ 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 soát đều có thể ảnh hưởng đến dáng đi.

Trang 16 luan an 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. 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.

Giai đoạn chạm đất Giai đoạn quay (thì chống) (thì đu đưa) Chạm gót Đầu thì Giữa thì Cuối thì Chuyển Đầu thì Giữa thì Cuối thì chống chống chống chân đu đưa đu đưa đu đưa 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 lòng bàn chân, gập ngón chân, - 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, không 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 Trang 17 luan an 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.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 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 thông 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].2 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 (nguồn:[6]) 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 Trang 18 luan an sống, và rối loạn não.

Dựa vào các thông số bước đi hoàn toàn 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, 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 không 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 không đều.1 Ứng dụng thông số bước đi (nguồn: [8]) Lĩnh vực Thông số bước đi Y tế Thể thao Nhận dạng Vận tốc bước X X X Độ dài bước X X X Độ dài sải chân X X X Nhịp bước X X X Độ rộng bước X X X Góc bước X 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 Quán tính X X Hình dáng cơ thể X X X Như vậy khi chẩn đoán các chứng rối loạn dáng đi thì 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: Trang 19 luan an - Dáng đi co cứng: do chấn thương sọ não, chấn thương cột sống, tai biến mạch não - Dáng đi thất điều tiểu não: do tổn thương tiểu não giữa, bán cầu tiểu não, 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 Các thông số bước đi được ứng dụng trong y tế được thể hiện như trong Bảng 1.

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]. Chu kỳ bước Độ rộng bước Độ dài bước Độ dài sải chân Hình 1.3 Các thông 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 chuyên 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 điểm chú ý như sau: Trang 20 luan an - 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.

- 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.