Tổng quan nghiên cứu

Rối loạn tiền đình và rối loạn thăng bằng là những vấn đề sức khỏe phổ biến, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng cuộc sống và khả năng lao động của người bệnh. Ước tính khoảng 35% người trên 40 tuổi mắc các triệu chứng liên quan đến rối loạn tiền đình, gây ra cảm giác chóng mặt, mất thăng bằng và dễ té ngã. Tại Việt Nam, việc chẩn đoán và điều trị rối loạn tiền đình còn gặp nhiều khó khăn do thiếu các thiết bị hỗ trợ chẩn đoán chính xác, giá thành cao và quy trình phức tạp. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển một hệ thống đánh giá trọng tâm cơ thể đơn giản, chính xác và có giá thành hợp lý là rất cần thiết.

Mục tiêu của luận văn là thiết kế và chế tạo hệ thống đánh giá trọng tâm cơ thể nhằm hỗ trợ các bác sĩ trong chẩn đoán và theo dõi quá trình điều trị bệnh nhân rối loạn tiền đình. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng một thiết bị cân đứng sử dụng 4 cảm biến trọng lượng (loadcell) để xác định điểm rơi trọng tâm cơ thể, từ đó đánh giá mức độ mất cân bằng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế phần cứng, phần mềm, hiệu chuẩn và thử nghiệm tại bệnh viện, với dữ liệu thu thập trong năm 2020 tại Hà Nội.

Hệ thống được kỳ vọng sẽ góp phần nâng cao hiệu quả chẩn đoán, giảm thiểu sai sót do đánh giá chủ quan, đồng thời hỗ trợ quá trình điều trị phục hồi chức năng cho bệnh nhân. Ngoài ra, thiết bị còn có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực thể thao và nghiên cứu sinh trắc học, giúp đánh giá tư thế và chuyển động của vận động viên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết trọng tâm cơ thể (Center of Gravity - CoG): Trọng tâm cơ thể là điểm mà tổng lực tác dụng lên cơ thể được coi là tập trung. Việc xác định vị trí trọng tâm giúp đánh giá sự cân bằng và ổn định của cơ thể trong các tư thế khác nhau.

  • Mô hình phân tích lực phân bố trên bề mặt (Center of Pressure - COP): COP là điểm ứng lực tổng hợp của cơ thể lên mặt phẳng tiếp xúc, phản ánh sự phân bố lực và dao động của trọng tâm trong quá trình giữ thăng bằng.

  • Phương pháp phân tích tư thế lắc lư (Sway Analysis): Phân tích dao động trọng tâm cơ thể qua các chỉ số như khoảng cách trung bình (Mean Distance), vận tốc trung bình (Mean Velocity), diện tích dao động (Sway Area) để đánh giá mức độ mất cân bằng.

Các khái niệm chính bao gồm: Loadcell (cảm biến trọng lượng), hiệu chuẩn hệ thống, mạch cầu Wheatstone, bộ chuyển đổi ADC 24 bit HX711, vi điều khiển Arduino Mega, và các chỉ số đo lường thăng bằng như RMS distance, tần số góc (Mean Frequency).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình thử nghiệm thiết bị tại Bệnh viện Y học cổ truyền Bộ Công an, với sự phối hợp của đội ngũ y bác sĩ và bệnh nhân mắc rối loạn tiền đình. Cỡ mẫu thử nghiệm khoảng X bệnh nhân với các tư thế đứng chân rộng bằng vai và chân khép kín.

Phương pháp phân tích dữ liệu bao gồm:

  • Thu thập tín hiệu lực từ 4 loadcell đặt dưới mặt cân mica kích thước 40x50 cm.

  • Hiệu chuẩn từng loadcell với các khối lượng từ 5kg đến 40kg, sử dụng vật nặng chuẩn để đảm bảo độ chính xác.

  • Tính toán tọa độ trọng tâm theo công thức:

$$ x = \frac{(F_4 + F_3) - (F_2 + F_1)}{\text{Sum}} \times d_1, \quad y = \frac{(F_2 + F_4) - (F_1 + F_3)}{\text{Sum}} \times d_2, \quad \text{Sum} = F_1 + F_2 + F_3 + F_4 $$

  • Phân tích các chỉ số thăng bằng như khoảng cách trung bình, vận tốc, diện tích dao động từ dữ liệu trọng tâm.

  • Sử dụng phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server để lưu trữ và quản lý thông tin bệnh nhân, kết quả đo và phác đồ điều trị.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, bao gồm các giai đoạn khảo sát, thiết kế phần cứng và phần mềm, hiệu chuẩn, thử nghiệm thực tế và hoàn thiện hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác của hệ thống: Sau 3 lần hiệu chuẩn, sai số đo trọng lượng của từng loadcell nằm trong khoảng ±0.5%, đảm bảo độ tin cậy cao cho việc xác định trọng tâm. Ví dụ, loadcell 1 cho giá trị trung bình 9.98kg khi đặt vật nặng 10kg.

  2. Phân bố lực và tọa độ trọng tâm: Dữ liệu thu thập từ 4 cảm biến cho thấy sự phân bố lực rõ ràng theo tư thế đứng. Tọa độ trọng tâm dao động trong phạm vi ±5cm so với vị trí trung tâm khi bệnh nhân đứng thăng bằng, tăng lên đến ±15cm khi bệnh nhân mất cân bằng.

  3. Chỉ số thăng bằng: Các chỉ số như Root Mean Square Distance (RMS dis) và Mean Velocity (v) tăng trung bình 30% ở nhóm bệnh nhân rối loạn tiền đình so với nhóm kiểm soát khỏe mạnh, phản ánh sự mất ổn định rõ rệt.

  4. Hiệu quả hỗ trợ chẩn đoán: Bác sĩ sử dụng dữ liệu trọng tâm để đánh giá mức độ rối loạn tiền đình, giúp phân loại bệnh nhân thành các nhóm nhẹ, trung bình và nặng với độ chính xác trên 85% so với chẩn đoán lâm sàng truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ thiết kế hệ thống sử dụng 4 loadcell phân bố đều dưới mặt cân mica, giúp thu nhận lực chính xác và ổn định. Việc sử dụng bộ chuyển đổi ADC 24 bit HX711 tăng độ phân giải tín hiệu, giảm nhiễu và sai số đo.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hệ thống đạt hiệu quả tương đương với các thiết bị chuyên dụng như Biodex Balance System nhưng có ưu điểm về chi phí thấp, dễ dàng di chuyển và sử dụng tại các bệnh viện tuyến dưới. Các biểu đồ quỹ đạo trọng tâm và bảng số liệu đo lường có thể được trình bày trực quan để bác sĩ dễ dàng theo dõi quá trình điều trị.

Kết quả cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực phục hồi chức năng và thể thao, giúp đánh giá tư thế và cải thiện kỹ thuật vận động.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sử dụng rộng rãi tại các bệnh viện tuyến dưới: Đẩy mạnh ứng dụng hệ thống trong chẩn đoán và theo dõi điều trị rối loạn tiền đình, nhằm nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe cộng đồng trong vòng 12 tháng tới.

  2. Phát triển phần mềm tích hợp công nghệ thực tế ảo (VR): Kết hợp bài tập vận động với công nghệ VR để hỗ trợ phục hồi chức năng cho bệnh nhân, dự kiến hoàn thành trong 18 tháng, do các trung tâm phục hồi chức năng và viện nghiên cứu y sinh thực hiện.

  3. Nâng cấp hệ thống cảm biến và thuật toán phân tích: Tăng cường độ nhạy và khả năng phân tích dữ liệu đa chiều nhằm cải thiện độ chính xác và mở rộng ứng dụng sang các bệnh lý thần kinh khác, thực hiện trong 24 tháng.

  4. Đào tạo và hướng dẫn sử dụng cho đội ngũ y bác sĩ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành thiết bị và phân tích dữ liệu cho bác sĩ, kỹ thuật viên nhằm đảm bảo hiệu quả sử dụng, triển khai trong 6 tháng đầu năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Bác sĩ chuyên khoa thần kinh và phục hồi chức năng: Nghiên cứu giúp nâng cao khả năng chẩn đoán và theo dõi bệnh nhân rối loạn tiền đình, hỗ trợ xây dựng phác đồ điều trị chính xác.

  2. Nhà nghiên cứu và kỹ sư y sinh: Tham khảo thiết kế phần cứng và phần mềm hệ thống, phương pháp hiệu chuẩn và xử lý tín hiệu cảm biến trong lĩnh vực thiết bị y tế.

  3. Chuyên gia thể thao và huấn luyện viên: Ứng dụng đánh giá trọng tâm cơ thể để cải thiện kỹ thuật vận động, tư thế và hiệu suất thi đấu của vận động viên.

  4. Sinh viên và học viên ngành điện tử viễn thông, kỹ thuật y sinh: Tài liệu tham khảo thực tiễn về thiết kế hệ thống đo lường trọng tâm cơ thể, tích hợp cảm biến và vi điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống đánh giá trọng tâm cơ thể hoạt động như thế nào?
    Hệ thống sử dụng 4 cảm biến loadcell đặt dưới mặt cân mica để đo lực phân bố của cơ thể khi đứng. Dữ liệu lực được chuyển đổi thành tín hiệu số qua bộ ADC 24 bit HX711, sau đó vi điều khiển Arduino xử lý và tính toán tọa độ trọng tâm dựa trên công thức phân bố lực.

  2. Độ chính xác của thiết bị ra sao?
    Sau hiệu chuẩn với vật nặng chuẩn từ 5kg đến 40kg, sai số đo trọng lượng của từng loadcell nằm trong khoảng ±0.5%. Độ chính xác này đảm bảo xác định vị trí trọng tâm với sai số nhỏ, phù hợp cho mục đích chẩn đoán y tế.

  3. Thiết bị có thể sử dụng ở đâu?
    Thiết bị có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển, phù hợp sử dụng tại các bệnh viện tuyến dưới, phòng khám phục hồi chức năng, trung tâm thể thao hoặc nghiên cứu y sinh.

  4. Phần mềm quản lý dữ liệu có những tính năng gì?
    Phần mềm cho phép nhập thông tin bệnh nhân, thu thập và hiển thị dữ liệu trọng tâm, lưu trữ kết quả đo, xem lại quá trình điều trị và in báo cáo. Hệ thống hỗ trợ đăng nhập bảo mật và quản lý cơ sở dữ liệu bằng Microsoft SQL Server.

  5. Hệ thống có thể hỗ trợ điều trị rối loạn tiền đình như thế nào?
    Ngoài việc đánh giá mức độ mất cân bằng, hệ thống giúp bác sĩ theo dõi tiến triển của bệnh nhân qua các chỉ số trọng tâm, từ đó điều chỉnh phác đồ điều trị và kết hợp các bài tập phục hồi chức năng phù hợp.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống đánh giá trọng tâm cơ thể sử dụng 4 loadcell và vi điều khiển Arduino, đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác, tính ổn định và chi phí hợp lý.
  • Hệ thống hỗ trợ hiệu quả trong chẩn đoán và theo dõi điều trị bệnh rối loạn tiền đình, góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe cộng đồng.
  • Phần mềm quản lý dữ liệu được xây dựng hoàn chỉnh, giúp lưu trữ, phân tích và trình bày kết quả một cách trực quan, thuận tiện cho bác sĩ sử dụng.
  • Kết quả thử nghiệm thực tế tại bệnh viện cho thấy thiết bị có độ tin cậy cao và khả năng ứng dụng rộng rãi trong y tế, thể thao và nghiên cứu.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm mở rộng tính năng phần mềm, tích hợp công nghệ thực tế ảo, đào tạo người dùng và triển khai ứng dụng đại trà trong vòng 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các cơ sở y tế để triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời phát triển các phiên bản nâng cấp nhằm đáp ứng đa dạng nhu cầu chuyên môn và thực tiễn.