Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Kéo giãn cột sống (KGCS) là phương pháp vật lý trị liệu (VLTL) và phục hồi chức năng (PHCN) kinh điển, có lịch sử phát triển từ lâu đời và đã được chứng minh mang lại hiệu quả điều trị cao đối với các bệnh lý thoái hóa cột sống (THCS), thoát vị đĩa đệm (TVĐĐ), vẹo cột sống và đau thần kinh tọa. Việc ứng dụng thiết bị KGCS điều khiển tự động giúp kiểm soát chính xác lực kéo, giảm áp lực nội đĩa đệm, giải phóng chèn ép rễ thần kinh và hạn chế tỷ lệ bệnh nhân phải can thiệp phẫu thuật.

Tuy nhiên, tại các cơ sở y tế và phòng khám VLTL ở Việt Nam, phần lớn thiết bị KGCS hiện đại đều phải nhập khẩu từ nước ngoài (Mỹ, Anh, Đài Loan...) với chi phí rất cao (lên đến hàng trăm triệu đồng), gây áp lực lớn về ngân sách đầu tư và gặp nhiều khó khăn trong công tác bảo trì, sửa chữa hoặc thay thế linh kiện khi xảy ra sự cố. Mặt khác, các thiết bị tự chế trong nước còn bộc lộ nhiều hạn chế về độ ổn định, thiếu cơ chế an toàn và dễ hỏng hóc. Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị kéo giãn cột sống ứng dụng trong vật lý trị liệu" được thực hiện nhằm xây dựng một thiết bị KGCS điều khiển tự động có giá thành hợp lý, linh kiện dễ tìm kiếm, giao diện thân thiện và đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật trong trị liệu.

Nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể qua 6 nội dung chính:

  1. Thiết kế tổng thể thiết bị gồm 06 khối chức năng.
  2. Thiết kế và gia công khung cơ khí chịu lực.
  3. Thiết kế khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển.
  4. Lựa chọn các khối chức năng: khối nguồn, khối điều khiển truyền động, khối động cơ và khối đo lực.
  5. Thiết kế khối hiển thị thông số và giao diện người dùng.
  6. Lập trình chương trình điều khiển, thuật toán kiểm soát lực kéo và cơ chế an toàn.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống cơ điện tử và giải thuật điều khiển thiết bị kéo giãn cột sống tự động. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm nhúng và thử nghiệm đo kiểm lực kéo thực tế trong dải tải trọng từ 1 kg đến 60 kg, hỗ trợ cả hai chế độ kéo liên tục và kéo ngắt quãng phục vụ điều trị cột sống cổ và thắt lưng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống dựa trên cơ sở giải phẫu học cột sống người gồm 33 đốt sống (7 đốt sống cổ C1-C7, 12 đốt sống ngực T1-T12, 5 đốt sống thắt lưng L1-L5, 5 đốt sống cùng S1-S5 và 3-5 đốt sống cụt) cùng 23 đĩa đệm gian đốt. Về mặt sinh cơ học, nghiên cứu tham chiếu số liệu của Nachemson về áp lực nội đĩa đệm (ALNĐĐ) tại khoang gian đốt L3-L4 ở các tư thế khác nhau:

Tư thế hoạt động Áp lực nội đĩa đệm L3 - L4 (kg)
Nằm ngửa 15
Nằm nghiêng 70
Đứng thẳng 100
Đứng cúi 150
Đứng cúi xách vật nặng 20 kg 200
Ngồi ghế không tựa 140
Ngồi cúi 190
Ngồi ghế cúi xách vật nặng 20 kg 270
Ho, rặn, cười 50

Thiết bị được thiết kế tuân thủ 04 quy luật cơ bản trong vật lý trị liệu: quy luật Arndt - Schulz, nguyên lý liều kích thích, quy luật Wilder về trạng thái ban đầu, và quy luật về đặc trưng cá thể/chuyển trạng thái. Về kỹ thuật cơ sinh học, đề tài áp dụng mô hình phân tích lực kéo trên giường trượt của Lee và Evans: khi lực kéo tổng $F_{trac} = 35\text{ kg}$ tác dụng ở góc $18^\circ$, thành phần lực kéo ngang hữu ích $F_h = 35 \times \cos(18^\circ) = 33\text{ kg}$ và thành phần lực nâng thẳng đứng $F_v = 35 \times \sin(18^\circ) = 10\text{ kg}$.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phương pháp khảo sát, phân tích so sánh: Khảo sát tính năng, thông số kỹ thuật (TSKT) của 3 dòng thiết bị ngoại nhập tiêu biểu: Triton Traction Unit 4749 (DJO/Chattanooga - Mỹ), ET 800 + EU300 (Everyway Medical Instruments - Đài Loan), và BTL-6000 Traction (BTL Industries Ltd - Anh).
  • Phương pháp thiết kế phần cứng và cơ khí: Ứng dụng vật liệu nhôm chịu lực gia công khung máy, tích hợp hệ thống truyền động bánh răng ly hợp điện từ và bộ vi điều khiển AVR.
  • Phương pháp lập trình nhúng: Xây dựng firmware bằng ngôn ngữ C trên nền tảng CodeVisionAVR, phân chia tác vụ xử lý theo mô hình phân tán đa vi điều khiển.
  • Phương pháp đo kiểm thực nghiệm: Sử dụng máy đo lực chuyên dụng Force Gauge FG-5100 (Lutron, tải trọng tối đa 100 kg, cảm biến chữ Z) để đánh giá độ chính xác và sai số của hệ thống.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống thiết bị kéo giãn cột sống được thiết kế và chế tạo bao gồm 06 khối chức năng chính:

Khối chức năng Linh kiện / Thiết bị sử dụng Thông số kỹ thuật & Nhiệm vụ
Khối điều khiển trung tâm 01 IC chính ATmega1284, 03 IC phụ ATmega16 (U1, U2, U4) Xử lý trung tâm, truyền thông UART không đồng bộ giữa các IC; U1 đọc Loadcell, U2 điều khiển động cơ, U4 đọc phím nhấn
Khối đo lực Cảm biến Loadcell NS1 (hãng MAVIN), module khuếch đại HX711 Tải trọng tối đa 200 kg; chuyển đổi tín hiệu lực kéo sang dữ liệu số gửi về IC U1
Khối điều khiển truyền động Bo mạch cầu điều khiển motor DC Nhận tín hiệu điều hướng (DIR) và điều xung (PWM) từ IC U2 để điều khiển động cơ
Khối động cơ Động cơ điện một chiều DC 24V - 15W Tích hợp hộp số giảm tốc có tỷ số truyền lớn, kéo cáp qua hệ thống ly hợp
Khối nguồn Bộ nguồn xung tổ ong Chuyển đổi điện áp từ 220 VAC sang 24 VDC (cấp động cơ) và 5 VDC (cấp vi điều khiển)
Khối hiển thị & giao tiếp Màn hình GLCD LCM240128A-V3, bàn phím chức năng Hiển thị thời gian điều trị, lực kéo tối đa, lực nền, tốc độ kéo và tiếp nhận cài đặt

Cấu trúc phần cứng cơ khí sử dụng khung nhôm chịu lực lên đến 99 kg, tích hợp trục kéo truyền lực qua bánh răng ly hợp điều khiển bằng khóa điện từ, đầu trục có lò xo tự cuốn cáp và hệ thống bánh xe ròng rọc dẫn hướng.

Về mặt an toàn, hệ thống bố trí giắc kết nối P4/P13 nối với công tắc an toàn cầm tay màu xanh dành cho bệnh nhân. Khi người bệnh bấm nút khẩn cấp, hệ thống ngắt toàn bộ tiến trình điều trị, chuyển động cơ sang chế độ xả dây tự động và kích hoạt còi báo động trên thân máy. Thuật toán kiểm soát lực thực hiện lấy mẫu liên tục với chu kỳ 5 ms/lần; nếu lực đo vượt quá giá trị cài đặt, motor sẽ nhả dây và ngược lại sẽ kéo thêm để duy trì lực kéo ổn định.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 khái quát lịch sử phát triển của liệu pháp kéo giãn cột sống từ các nghiên cứu cổ điển của Edwin Smith (1862), Gayle Cruchfield (1900-1972), James Cyriax (thập niên 1950-1960), Worden và Humphrey (1964, thử nghiệm lực kéo 59,9 kg giúp tăng chiều cao đốt sống từ 8-11 mm), Lind (1974), nghiên cứu của nhóm Weber, Ljunggren, Walker (giúp 25% bệnh nhân TVĐĐ không phải mổ), Gillstrom và cộng sự (1985, đánh giá qua CT Scanner), Sauders (1993), Luigi Tesio và Alessandra Merlo (1993, 19/30 bệnh nhân giảm đau). Tại Việt Nam, tác giả nêu bật công trình chế tạo giường kéo đa năng kết hợp nồi xông của GS. Hồ Hữu Lương tại Bệnh viện Quân Y 4 (cải tiến qua các năm 1970, 1988, 1991). Trên cơ sở phân tích hạn chế về giá thành và bảo dưỡng của máy nhập khẩu, chương này xác định mục tiêu, 6 nhiệm vụ và bố cục của khóa luận.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày chi tiết giải phẫu học cột sống, cấu trúc đoạn vận động (dây chằng dọc trước/sau, nhân nhầy, mâm sụn, vòng sợi collagen, lỗ ghép) và cơ chế bệnh sinh của TVĐĐ thắt lưng (chiếm 82% các ca đau thắt lưng, thường gặp nhất ở đĩa đệm L4-L5). Chương phân tích tác dụng cơ học và điều trị của KGCS: làm giảm ALNĐĐ, tăng thẩm thấu dinh dưỡng, thu nhỏ thể tích khối thoát vị chưa xơ hóa, giãn cơ thụ động, giải phóng chèn ép rễ thần kinh và điều chỉnh sai lệch khớp đốt sống.

Chương 2 tổng hợp hệ thống chỉ định và chống chỉ định điều trị:

  • Chỉ định: THCS chèn ép rễ thần kinh, TVĐĐ mức độ vừa và nhẹ, sai lệch khớp đốt sống nhẹ, hội chứng đau thắt lưng mạn tính, vẹo cột sống không do chấn thương.
  • Chống chỉ định: Bệnh nhân tổn thương/chèn ép tủy, đau cột sống cổ cấp tính, lao cột sống, u ác tính, viêm/áp xe vùng lưng, loãng xương, tăng huyết áp, chấn thương gãy biến dạng xương, viêm đa khớp dạng thấp, phụ nữ có thai hoặc đang hành kinh, suy tim/gan/thận nặng.

Ngoài ra, chương phân loại các kỹ thuật kéo: kéo liên tục (bằng trọng lượng cơ thể, bằng lực đối trọng qua ròng rọc/bao cát, kết hợp thủy trị liệu trong bể sâu 2 m) và kéo ngắt quãng (có lực nền hoặc không có lực nền). Kỹ thuật kéo ngắt quãng quy định lực nền tối thiểu bằng 50% trọng lượng cơ thể, lực kéo từ 65% đến tối đa 80% trọng lượng cơ thể, thời gian giữ lực kéo 30-40 giây, giữ lực nền 20-30 giây, tổng thời gian liệu trình từ 15-20 phút.

Chương 3: Phương pháp nghiên cứu

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị. Tác giả khảo sát 3 hệ thống máy thương mại trên thị trường:

  1. Triton Traction Unit 4749: Lực kéo 0-90 kg (0-890N), thời gian kéo 0-99 phút, thời gian ghì/nghỉ 0-99 giây, bước kéo 1-9 bước, công suất 75W, màn hình cảm ứng LCD xoay 270°.
  2. ET 800 + EU300: Đầu kéo ET800 (lực kéo 2,5-91 kg, công suất 150 VA, thời gian 1-99 phút) kết hợp giường nâng hạ điện EU300 (tải trọng 225 kg, chiều dài 2390 mm, nâng hạ 470-910 mm).
  3. BTL-6000 Traction: Lực kéo 0-100 kg, tải trọng giường 170 kg, tốc độ kéo 1-12 kg/s, màn hình cảm ứng 5,7 inch, hỗ trợ chuỗi 99 phân đoạn.

Từ đó, nhóm tác giả xác lập thông số thiết kế cho thiết bị của đề tài: nguồn 220V - 50Hz, lực kéo 1-60 kg, chế độ kéo liên tục và ngắt quãng, thời gian kéo 1-99 phút, thời gian giữ lực kéo và lực nền 1-99 giây. Chương này mô tả chi tiết sơ đồ nguyên lý phần cứng, cách đấu nối chân các IC (MAIN2, U1, U2, U4), bản vẽ cơ khí khung nhôm, lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển chính (P1: ngắt quãng, P2: liên tục), công thức tính tổng thời gian liệu trình $T = T0 + (T1+T2) \times N + T3$, quy trình kiểm soát 3 giai đoạn điều trị (kéo lên, duy trì, giảm lực theo $T_{out} = N \times T_g$), thuật toán kiểm soát lực 5 ms/lần và mạch công tắc an toàn.

Cuối chương, nhóm nghiên cứu tiến hành đo kiểm lực kéo thực tế bằng thiết bị chuẩn Lutron Force Gauge FG-5100, xác nhận hệ thống vận hành chính xác với sai số nằm trong giới hạn $\pm 5%$.

Chương 4: Kết luận & Hướng phát triển

Chương 4 tổng kết các kết quả đạt được trong việc hoàn thiện thiết bị kéo giãn cột sống điều khiển tự động có cấu trúc phần cứng vững chắc, giải thuật kiểm soát lực ổn định và đáp ứng các yêu cầu an toàn y sinh. Đồng thời, chương vạch ra các định hướng nâng cấp thiết bị trong tương lai như mở rộng dải lực kéo, tối ưu hóa giao diện và phát triển thêm các module bổ trợ.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm thiết bị kéo giãn cột sống ứng dụng trong vật lý trị liệu với các kết quả cụ thể:

  • Chế tạo hoàn chỉnh 01 máy chính tích hợp màn hình GLCD LCM240128A-V3, 01 dây công tắc dừng khẩn cấp cầm tay và 01 cáp nguồn.
  • Thiết bị vận hành ổn định ở cả hai chế độ kéo liên tục và kéo ngắt quãng, hỗ trợ dải lực kéo từ 1 kg đến 60 kg, thời gian điều trị cài đặt linh hoạt từ 1 đến 99 phút.
  • Kết quả đo kiểm lực kéo độc lập bằng thiết bị Force Gauge FG-5100 của hãng Lutron (cảm biến chữ Z) cho thấy sai số lực kéo thực tế đạt mức $\pm 5%$, hoàn toàn nằm trong tiêu chuẩn cho phép đối với thiết bị tập phục hồi chức năng cơ học.
  • Đóng góp giải pháp tự chủ công nghệ chế tạo thiết bị y tế trong nước: kết hợp linh hoạt dòng vi điều khiển phổ biến ATmega1284 và ATmega16 cùng cảm biến Loadcell MAVIN NS1 (200 kg) và IC chuyển đổi HX711, giúp hạ giá thành sản xuất so với thiết bị nhập khẩu, dễ dàng sửa chữa và thay thế linh kiện tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận còn một số hạn chế do điều kiện nghiên cứu:

  • Dải lực kéo tối đa của thiết bị mới đạt 60 kg (thấp hơn so với mức 90-100 kg của các thiết bị nhập khẩu như Triton hay BTL-6000).
  • Hệ thống mới dừng lại ở việc thử nghiệm đo kiểm lực kéo trên máy đo chuyên dụng và cảm biến lực tĩnh, chưa có số liệu thử nghiệm lâm sàng dài hạn trên bệnh nhân tại các bệnh viện.
  • Thiết bị chưa tích hợp giường kéo trượt nâng hạ điện đồng bộ và tính năng đo điện cơ (EMG) để phản hồi sinh học.

Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài bao gồm:

  • Nâng công suất động cơ và độ bền khung cơ khí để mở rộng dải lực kéo lên 90 - 100 kg.
  • Nghiên cứu tích hợp module đo điện cơ (EMG) nhằm theo dõi trương lực cơ thời gian thực trong quá trình kéo.
  • Thiết kế đồng bộ giường kéo phân đoạn nâng hạ tự động điều khiển điện.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, cũng như các kỹ sư thiết kế thiết bị y tế.

Các nội dung có giá trị ứng dụng thực tiễn cao bao gồm:

  • Thiết kế kiến trúc phân tán đa vi điều khiển AVR (ATmega1284 kết hợp ATmega16) xử lý đồng thời giao diện hiển thị, đo lường cảm biến và điều khiển động cơ.
  • Giải thuật kiểm soát lực vòng lặp kín tần số cao (5 ms/lần) kết hợp mạch ngắt an toàn khẩn cấp cho thiết bị y tế.
  • Tổng hợp cơ sở lý thuyết cơ sinh học cột sống, bảng số liệu áp lực nội đĩa đệm Nachemson và phương pháp tính toán lực cơ học theo Lee & Evans.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống điều khiển trung tâm của thiết bị được phân chia nhiệm vụ giữa các vi điều khiển như thế nào?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển chính ATmega1284 (IC MAIN2) để quản lý hiển thị trên màn hình GLCD và truyền thông không đồng bộ (UART) với 3 vi điều khiển phụ ATmega16:

  • IC U1: Đọc giá trị lực từ cảm biến Loadcell NS1-200 thông qua mạch chuyển đổi HX711.
  • IC U2: Nhận tín hiệu từ IC chính và xuất lệnh điều khiển hướng (DIR), điều xung (PWM) sang bo mạch công suất động cơ.
  • IC U4: Quản lý ma trận phím nhấn giao diện người dùng, đọc các tham số cài đặt (lực kéo, lực nền, thời gian, tốc độ) gửi về IC chính.

2. Thông số kỹ thuật hoạt động của thiết bị do nhóm tác giả chế tạo gồm những gì?
Thiết bị hoạt động với nguồn điện 220V - 50Hz; dải lực kéo điều chỉnh từ 1 kg đến 60 kg; hỗ trợ 2 chế độ kéo liên tục và kéo ngắt quãng; thời gian kéo cài đặt từ 1 đến 99 phút; thời gian giữ lực kéo và lực nền từ 1 đến 99 giây.

3. Cơ chế bảo đảm an toàn cho bệnh nhân được thiết kế và vận hành ra sao?
Thiết bị trang bị công tắc an toàn cầm tay màu xanh nối với giắc P4/P13 trên bo mạch. Khi bệnh nhân hoặc kỹ thuật viên nhấn nút khẩn cấp, hệ thống lập tức ngắt chương trình điều trị, kích hoạt motor quay nhả dây để triệt tiêu lực kéo và phát còi báo động thông báo trạng thái lỗi.

4. Thuật toán kiểm soát lực kéo hoạt động với chu kỳ bao nhiêu và xử lý thế nào khi có sai lệch lực?
Chương trình thực hiện đọc lực kéo liên tục từ Loadcell với tần số lấy mẫu 5 ms/lần. Nếu lực đo thực tế vượt quá giá trị cài đặt, vi điều khiển điều khiển động cơ quay nhả dây; nếu lực đo nhỏ hơn giá trị đặt, động cơ sẽ kéo thêm cho đến khi lực kéo đạt trạng thái cân bằng.

5. Kết quả đo kiểm độ chính xác lực kéo của thiết bị đạt mức nào và dùng công cụ gì?
Độ chính xác lực kéo của thiết bị được đo kiểm bằng máy đo lực chuyên dụng Force Gauge FG-5100 của hãng Lutron (tải trọng tối đa 100 kg, sử dụng cảm biến lực chữ Z), kết quả đo thực tế đạt sai số trong khoảng $\pm 5%$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công thiết bị kéo giãn cột sống tự động ứng dụng trong vật lý trị liệu. Thiết bị được xây dựng dựa trên cơ sở cơ sinh học cột sống vững chắc, sở hữu cấu trúc phần cứng nhôm chịu lực bền bỉ, hệ thống điều khiển đa vi điều khiển AVR tin cậy và giải thuật kiểm soát lực chính xác với sai số $\pm 5%$. Đây là một giải pháp thiết bị y tế nội địa có tính ứng dụng thực tiễn cao, giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư và thuận tiện trong bảo trì cho các cơ sở điều trị phục hồi chức năng tại Việt Nam.