CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Chấn thương khớp cổ chân là một trong những thương tích phổ biến nhất phát sinh trong quá trình tham gia các môn thể thao hoặc khi vận động mạnh. Tuy nhỏ hơn khớp gối và khớp háng, bề mặt sụn của khớp cổ chân mỏng, độ dày trung bình 3-4mm nhưng nó phải chịu toàn bộ trọng lượng cơ thể người. Lực đó gấp 2-4 lần khi đi bộ, 6-8 lần khi chạy; ngoài ra, khớp cổ chân phải đảm nhiệm những nhiệm vụ phức tạp là loại vận động "đa trục" (gấp mu bàn chân, xoay ngoài, nghiêng ngoài; lấp lòng/xoay trong, nghiêng trong). do đó, chỉ một chấn thương nhỏ cũng ảnh hưởng lớn tới chức năng vận động.
Nếu không được điều trị đúng cách và đầy đủ thì các chấn thương hoặc bệnh lý của cổ chân có thể trở thành mãn tính. Bệnh nhân sẽ bị sưng đau từng đợt, kéo dài dai dẳng, ảnh hưởng đến việc đi đứng hàng ngày. Khi điều trị nội khoa nhiều đợt không hiệu quả thì vấn đề phẫu thuật khớp cổ chân sẽ được đặt ra. Sau phẫu thuật, việc có thể đo chính xác những thay đổi về khả năng vận động của khớp cổ chân là vô cùng quan trọng.
Nó cho phép đánh giá kết quả của việc điều trị, từ đó đưa ra một quy trình hồi phục chức năng phù hợp giúp bệnh nhân có thể khôi phục lại chức năng vận động. Có rất nhiều nghiên cứu về thiết bị đo và kiểm tra khả năng vận động của khớp cổ chân. Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ tập trung vào vấn đề đo độ cứng của khớp cổ chân mà không chỉ ra sự khác biệt khi di chuyển của khớp cổ chân giữa bệnh nhân sau phẫu thuật và người bình thường. Đề tài này xoay quanh việc thiết kế một thiết bị có chức năng đo khớp cổ chân.
Thiết bị bao gồm cảm biến lực, động cơ DC. Thiết bị có thể hồi tiếp các giá trị trả về thông qua chuẩn giao tiếp cơ bản RS232 (hay COM) thông qua phần cứng UART. Điều này giúp đánh giá chính xác khả năng vận động của bệnh nhân sau phẫu thuật. Đề tài này được thực hiện trong bối cảnh nhóm nghiên cứu Cơ Điện Tử ứng dụng – Bộ môn Cơ Điện Tử đang thực hiện mục tiêu tiếp cận với lĩnh vực y sinh.
Ở đề tài này, nhóm được giao nhiệm vụ “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân”. Nhằm đưa thiết bị vào những ứng dụng thực tế trong đời sống con người.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Nhằm mục đích học tập và nghiên cứu lĩnh vực cơ điện tử y sinh nhóm đã chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo thiết bị đo khớp cổ chân”. - Tham gia nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. - Nghiên cứu sản phẩm đáp ứng nhu cầu thực tiễn phục vụ con người.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
- Tính toán, thiết kế và mô phỏng cho “Thiết bị đo khớp cổ chân” sử dụng phần mềm Solidworks. - Chế tạo mô hình “Thiết bị đo khớp cổ chân” sử dụng phần mềm Solidworks. 1 do an - Tính toán và lựa chọn các chi tiết, mạch, nguyên liệu chế tạo, lắp ráp cho thiết bị có cơ cấu cơ khí đơn giản và hoạt động hiệu quả. - Nghiên cứu tính toán để điều khiển “Thiết bị đo khớp cổ chân”.
- Lập trình các chức năng cho thiết bị. - Kiểm tra và thử nghiệm vận hành thiết bị.4 Giới hạn đề tài 1.1 Đối tượng nghiên cứu - Động lực học Thiết bị đo khớp cổ chân. - Thuật toán điều khiển Thiết bị đo khớp cổ chân. - Giao tiếp người dùng và ứng dụng.2 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu ứng dụng của thiết bị trong thực tế.5 Phương pháp nghiên cứu Nhóm tiến hành tham khảo các mẫu thiết kế có sẵn trên thị trường thông qua mạng internet nhằm nắm được nguyên lý đo của khớp cổ chân ở thời điểm hiện tại.
Từ đó rút ra một số kinh nghiệm cho sản phẩm của nhóm. Nguồn tài liệu chủ yếu từ các bài báo nghiên cứu khoa học quốc tế và các luận văn của nước ngoài, bên cạnh đó có tham khảo đồ án khóa trước về phục hồi khớp cổ tay, cảm biến lực. Sự góp ý từ phía giảng viên hướng dẫn và các giảng viên thuộc Bộ môn Cơ điện tử. Từ tài liệu và các kinh nghiệm bên trên, nhóm tiến hành đưa ra kế hoạch thực hiện và các phương án thiết kế, tính toán động học, nghiên cứu giải thuật điều khiển và tính toán sức bền của thiết bị.
Sau khi hoàn thiện phần cơ khí của thiết bị, tiến hành chạy thử và kiểm tra các lỗi, cố gắn khắc phục các vẫn đề phát sinh và tăng độ ổn định, khảo sát các sai lệch khi vận hành và rút ra kết luận.6 Các ứng dụng thực tế và một số sản phẩm nổi bật Phương pháp Lunge (Weight-bearing Lunge Test): Đây là phương pháp mà sử dụng một phần trọng lượng cơ thể của bệnh nhân đặt lên chân đã được phẫu thuật của bệnh nhân. Vì khi bước đi, mỗi chân sẽ phải chịu sức nặng của toàn bộ cơ thể lên chân trụ. Phương pháp này được mô tả như sau: (1) Bệnh nhân đứng đối diện cách tường khoảng 10 cm tính từ chân đến tường. (2) Một chân lùi ra sau một chiều dài bàn chân của bệnh nhân.
(3) Khụy gối đến khi nào đầu gối chạm tường (Giữ cho gót chân chạm đất) (4) Nếu đầu gối không thể chạm tường mà gót chân không nhấc lên, di chuyển chân đến gần tường hơn. Và lặp lại từ các động tác từ bước 1. (5) Nếu đầu gối có thể chậm tường mà không cần nhấc gót, di chuyển chân ra xa tường hơn. Và lặp lại từ các động tác từ bước 1.
2 do an (6) Thực hiện bước (5), (6) cho đến khi đầu gối có thể chạm tường mà gót chân vẫn chạm đất. (7) Đo các chỉ số: a) Khoảng cách giữa tường và ngón cái (<9-10cm được xem là hạn chế) hoặc b) Đo góc tạo bởi xương chày và cẳng chân thẳng (<35-38 độ được coi là hạn chế) (8) Đổi chân và thực hiện tương tự cho chân còn lại. Tuy nhiên, phương pháp đo này có độ chính xác không cao vì phụ thuộc chủ quan vào tay nghề của kỹ thuật viên.1 Mô tả lý thuyết đo của phương pháp Lunge Hình 1.2 Đo khả năng vận động của khớp cổ chân bằng phương pháp Lunge Đo góc cổ chân sử dụng thiết bị cầm tay thước đo khớp y sinh (Biplane Goniometer).3 Thước đo khớp y sinh - Model F00630 3 do an Hình 1.4 Đo góc và lực tải của cổ chân bằng phương pháp thủ công Hình 1.5 một thiết bị đo khớp cổ chân thụ động IAROM Hình 1.6 Thiết bị đo khớp cổ chân bằng Con-Trex MJ system (Isokinetic machine) 4 do an Hình 1.7 Hệ thống đo cổ chân thụ động JACE A330, một bậc tự do Hình 1.8 Hệ thống cổ đo chân thụ động hai bậc tự do Optiflex Hình 1.9 Hệ thống đa khớp Biodex Multi-Joint System 4 Pro 5 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cấu trúc giải phẫu ống gót 2.1 Vị trí Ống gót thuộc vùng cổ chân, ở sau dưới mắt cá trong, do mặt trong xương gót lõm thành một đường rãnh, và có cơ dạng ngón chân cái bắt ngang như một nhịp cầu từ sau ra trước biến thành một đường ống gọi là ống gót. Trong ống gót có bó mạch thần kinh chày sau, các gân cơ của lớp sâu khu cẳng chân sau đi xuống gan chân.2 Cấu tạo Ống gót gồm có 2 thành - Thành ngoài là mặt trong xương gót.
- Thành trong là cơ dạng ngón cái Ống gót lại được chia làm 2 tầng: tầng trên và tầng dưới ống gót được ngăn cách nhau bởi 1 chế cân ngang (cân của cơ dạng ngón cái). 6 do an Hình 2.1 Sơ đồ ống gót (mạch máu và thần kinh) - Tầng trên ống gót gồm có: gân cơ ở lớp sâu khu cẳng chân sau xuống (gân cơ cẳng chân sau, gân cơ gấp chung, gân cơ gấp dài ngón cái), động tĩnh mạch gan chân trong và thần kinh gan chân trong. Thần kinh chày 3. Bao của gân cơ chày sau 4.
Bao của gân cơ gấp chung ngón chân 7 do an 5. Động mạch chày sau 6. Bao của cơ gấp riêng ngón cái 7. Bó mạch thần kinh gan chân trong Hình 3.
Sơ đồ ống gót (mạch máu và thần kinh) - Tầng trên ống gót gồm có: gân cơ ở lớp sâu khu cẳng chân sau xuống (gân cơ cẳng chân sau, gân cơ gấp chung, gân cơ gấp dài ngón cái), động tĩnh mạch gan chân trong và thần kinh gan chân trong.2 Thiết đồ cắt đứng ngang qua ống gót - Tầng dưới ống gót gồm có: cơ vuông gan chân (cơ Sylvius), động mạch gan chân ngoài và thần kinh gan chân ngoài. Gân cơ chày sau 2. Gân cơ gấp dài các ngón chân 3. Gân cơ gấp dài ngón I 4.
Cơ vuông gan chân 6. Bó mạch thần kinh gan chân ngoài 7. Bó mạch thần kinh gan chân trong Hình 3. Thiết đồ cắt đứng ngang qua ống gót - Tầng dưới ống gót gồm có: cơ vuông gan chân (cơ Sylvius), động mạch gan chân ngoài và thần kinh gan chân ngoài.
8 do an Hình 2.3 Các xương cổ chân Với 1. Xương chêm II 4. Các xương đốt bàn 6. Xương gót 9 do an Hình 2.4 Cấu trúc giải phẫu vùng gót chân Xương: Có hai xương dài là xương chày và xương mác thuộc về cẳng chân, và những xương khác nhỏ và ngắn hơn thuộc vùng bàn chân (xương gót, xương sên, …).
Dây chằng: Có rất nhiều dây chằng, là các sợi gần nối liền những xương đó với nhau. Trong đó các dây chằng phía bên ngoài cổ chân rất dễ bị chấn thương (dãn, rách) khi cổ chân bị lật. Khớp cổ chân chỉ có một bậc tự do, có nghĩa là nó chỉ có thể tạo chuyển động trong 1 mặt phẳng. Khớp cổ chân là một khớp xoay có chuyển động gập lên (dorsiflexion) và duỗi thẳng (plantarflexion).5 Mô tả chuyển động gập/ duỗi của cổ chân Với sự kết hợp của cẳng chân, nó có thể điều khiển được chuyển động lấp lòng/xoay trong, nghiêng trong (inversion), xoay ngoài, nghiêng ngoài (eversion) so với mặt phẳng thẳng.
10 do an Hình 2.6 Mô tả chuyển động nghiêng trong/ ngoài của cổ chân Hình 2.7 Chuyển động cơ bản có thể của cổ chân 11 do an Motion Normal Duỗi thẳng 50° Gập 20° Nghiêng trong 35° Nghiêng ngoài 15° Bảng 2.1 Các hạn chế của khớp cổ chân 2.2 Thiết bị đo khớp cổ chân 2.1 Bậc tự do Hình 2.8 Cơ cấu hoàn chỉnh Hình 2.