CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU Mối liên hệ giữa tư thế ngồi và cơn đau ngày càng trở thành một chủ đề được quan tâm khi lối sống ít vận động ở con người hiện đại ngày càng tăng. Sự phát triển của các công cụ tiện ích, các thiết bị điện tử phục vụ cho mục đính giải trí như điện thoại di động, tivi, máy tính,… cũng làm giảm các hoạt động thể chất ở con người, và khi sử dụng các thiết bị này cũng kéo dài thời gian ngồi hằng ngày của con người. Trong nhiều năm, tư thế ngồi đã được xác định là một trong những yếu tố rủi ro chính phát triển bệnh đau thắt lưng (LBP) [1, 2]. Tỷ lệ phổ biến của bệnh đau thắt lưng đã và đang ảnh hưởng đến nền kinh tế của các nước công nghiệp hóa theo nhiều cách [3, 4].
Tỷ lệ phổ biến của LBP được báo cáo trong những nghề đòi hỏi người lao động phải ngồi trong phần lớn thời gian trong ngày làm việc cao hơn đáng kể so với tỷ lệ phổ biến của dân số nói chung [5, 6]. Cần lưu ý rằng tư thế không đúng, đặc biệt là khi ngồi và ngồi lâu, được coi là yếu tố quan trọng nhất dẫn đến sự xuất hiện và duy trì LBP, cũng như căng cơ ở cổ [7, 8]. Bên cạnh đó, việc giữ những tư thế ngồi không đúng kết hợp với cuộc sống ít vận động trong thời gian dài có thể làm tăng nguy cơ chấn thương do gập cơ [9], và có thể gây ra các rối loạn cơ xương như đau lưng với chức năng phổi suy giảm [10], đau thắt lưng hoặc chấn thương [11], đau cơ và mô liên kết của gân [12], tăng tải trọng cột sống [13], thay đổi vị trí cột sống cổ [14]. Bên cạnh đó còn loét do tỳ đè ở một số bệnh nhân [15].
Bản thân việc ngồi với tư thế duy trì lưng thẳng với ít sự thay đổi tư thế hoặc vị trí không cho thấy mối liên hệ gia tăng với sự hiện diện của bệnh đau thắt lưng [16]. Từ đây có thể thấy việc mất cân bằng trong tư thế ngồi cũng như việc duy trì tư thế xấu sẽ gây nhiều ảnh hưởng đến sức khỏe của các cá nhân và gây ra các bệnh khác nhau. Các nhà nghiên cứu đã suy đoán rằng mọi người chỉ thỉnh thoảng xem xét tư thế của chính họ [17]. Bằng chứng học thuật cho thấy rằng tư thế ngồi theo thói quen thường nghiêng về tư thế cong lưng hơn so với các tư thế thẳng đứng khác [18, 19].
Mặc dù các phương pháp thay đổi tư thế ngồi bao gồm ghế có thể điều chỉnh và thay đổi tư thế chủ động của người ngồi, nhưng không phải tất cả các ghế đều được trang bị thiết bị điều chỉnh. Các nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng ngay cả khi có cơ chế điều chỉnh thì nó cũng hiếm khi được sử dụng và người dùng có xu hướng điều chỉnh ghế ngay lần đầu sử 1 dụng [20]. Điều này có thể là do người ngồi cảm thấy không cần phải điều chỉnh lại ghế một khi họ thấy rằng nó đã thoải mái. Có thể thấy tư thế mà người ngồi cho là thoải mái nhất là do cảm nhận chủ quan của chính họ, chưa có công cụ giúp người ngồi nhận ra tư thế ngồi hiện tại và điều chỉnh cho phù hợp.
Mục tiêu đề tài: tìm ra giải pháp cải thiện sự mất cân bằng trong tư thế ngồi, giúp người dùng nhận ra và hạn chế các tư thế ngồi xấu, cũng như nhắc nhở người dùng vận động sau một khoảng thời gian ngồi liên tục. Đồng thời theo dõi sự thay đổi các thông số sinh tồn của cơ thể trong thời gian ngồi. Từ đó tránh những ảnh hưởng xấu phát sinh từ việc ngồi đến sức khỏe mỗi cá nhân. Chúng tôi đã thực hiện đề tài: Thiết kế thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim theo thời gian thực dành cho ghế thông minh.
Nhiệm vụ: để thực hiện mục tiêu trên, đề tài đưa ra những nhiệm vụ sau: Nghiên cứu về tư thế ngồi: tổng quan, thực trạng, đưa ra tư thế ngồi đúng và tư thế ngồi xấu, cùng với những hưởng đến sức khỏe. Tìm hiểu và nghiên cứu cơ sở và nguyên lý của thiết bị. Thiết kế chế tạo thiết bị nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim theo thời gian thực. Tìm hiểu về các phương pháp học máy, học sâu được sử dụng để phân loại tư thế ngồi, các tiêu chí lựa chọn phương pháp phù hợp với đề tài.
Huấn luyện mô hình phân loại bằng các dữ liệu thu được từ cảm biến. Đánh giá kết quả, hiệu suất của mô hình từ đó lựa chọn mô hình phù hợp. Nhúng mô hình phân loại vào vi điều khiển, thực hiện dự đoán kết quả nhận dạng tư thế ngồi và nhịp tim trên chính vi điều khiển và gửi kết quả về điện thoại thông qua Bluetooth. 2 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về tư thế ngồi Lưng là một cấu trúc phức tạp gồm xương, cơ và các mô khác tạo thành lưng hoặc phần sau của thân người, từ cổ đến xương chậu.
Ở trung tâm là cột sống, không chỉ nâng đỡ trọng lượng của phần trên cơ thể mà còn chứa đựng và bảo vệ tủy sống – cấu trúc hệ thống thần kinh mỏng manh mang tín hiệu điều khiển chuyển động của cơ thể và truyền đạt cảm giác. Xếp chồng lên nhau là khoảng 30 xương - đốt sống - tạo thành cột sống, còn được gọi là xương sống. Mỗi xương này chứa một lỗ hình tròn, khi xếp chồng lên nhau thẳng hàng với tất cả các xương khác, sẽ tạo ra một kênh bao quanh tủy sống. Tủy sống đi xuống từ đáy não và kéo dài (ở người lớn) đến ngay bên dưới khung xương sườn.1 Minh họa mặt cắt ngang của cột sống [21].
Đốt sống là xương tạo thành cột sống. Các dây thần kinh nhỏ (“rễ”) đi vào và đi ra từ tủy sống qua các khoảng trống giữa các đốt sống này. Bởi vì xương cột sống tiếp tục phát triển lâu dài sau khi tủy sống phát triển hết chiều dài trong thời thơ ấu, nên các rễ 3 thần kinh ở lưng dưới và chân kéo dài nhiều inch xuống cột sống trước khi thoát ra ngoài. Bó rễ thần kinh lớn này được gọi là Cauda Equina (đuôi ngựa).
Khoảng cách giữa các đốt sống được duy trì bởi các miếng sụn tròn, xốp gọi là đĩa đệm. Chúng tạo sự linh hoạt ở lưng dưới và hoạt động như bộ giảm xóc xuyên suốt cột sống để đệm xương khi cơ thể di chuyển. Các dây chằng và gân giữ cố định các đốt sống và gắn các cơ vào cột sống. Bắt đầu từ đỉnh, cột sống có bốn vùng đốt sống: Bảy đốt sống cổ hoặc cổ (được dán nhãn C1-C7).
Mười hai đốt sống ngực hoặc lưng trên (được dán nhãn T1-T12). Năm đốt sống thắt lưng (được dán nhãn L1-L5), được gọi là lưng dưới. Xương cùng và xương cụt, một nhóm xương hợp nhất với nhau ở đáy cột sống. Trong phạm vi của luận văn này việc phân định tư thế ngồi chủ yếu dựa vào hình dạng của lưng đối tượng khi ngồi.
Các tác động của tư thế ngồi đến các thành phần của lưng cũng sẽ được xem xét. Từ đó đưa ra nhận định về tư thế ngồi đúng và tư thế ngồi xấu, xác định dữ liệu đầu ra của bài toán phân loại.1 Tư thế ngồi đúng Tư thế cơ thể không chỉ được coi là sự sắp xếp không gian của các bộ phận cơ thể riêng lẻ và dáng người, mà còn là cách duy trì tư thế đứng thẳng. Thuật ngữ tâm khối là điểm mà khối lượng của cơ thể được phân bố đều nhau, cũng là điểm cân bằng của cơ thể [22]. Mặc dù trọng tâm tổng thể của cơ thể khi đứng được đặt khá cao (nằm ngay dưới đốt sống cùng S2, khoảng 55% chiều cao của cơ thể), nhưng tư thế thẳng đứng vẫn được duy trì tự động, ngay cả trong các tình huống thay đổi liên quan đến các hoạt động hàng ngày khác nhau.
Tư thế thẳng đứng của cơ thể là một đặc điểm không chỉ riêng của loài người mà còn giữa các cá thể với nhau. Do đó, tư thế của những người khác nhau là tương tự nhau, nhưng không đồng nhất. Hơn nữa, tư thế của một cá nhân không cố định. Tư thế cơ thể đúng có thể được định nghĩa là tư thế thuận tiện cho hoạt động vận động bình thường, đồng thời không làm rối loạn hoạt động của các cơ quan nội tạng.
Bất chấp sự khác biệt 4 giữa các cá nhân, tư thế của nhiều người đáp ứng các tiêu chí trên và không gây ra bất kỳ bệnh tật nào. Sự sắp xếp không gian của các đoạn cơ thể phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc bình thường của bộ phận hỗ trợ hệ thống xương khớp và sự điều chỉnh hiệu quả của tư thế cơ thể. Trong điều kiện bình thường, hai yếu tố này đảm bảo sự đối xứng trong mặt phẳng phía trước giữa lực nén và lực kéo tác động lên cả hai bên của trục cơ thể, điều này rất quan trọng đối với việc điều chỉnh tư thế cơ thể. Trong mặt phẳng đứng dọc (sagittal plane – mặt phẳng cắt theo đường giữa của cơ thể, chia cơ thể thành bên trái và bên phải), điều quan trọng là mối quan hệ giữa các hình chiếu của trọng tâm của các phần cơ thể phía trên và các khớp bên dưới các phần cơ thể.
Chúng thường rất gần với các trục quay của các khớp, do đó các mô-men xoắn liên quan đến trọng lực là tương đối nhỏ. Kết quả là, việc duy trì tư thế thẳng đứng của cơ thể không đòi hỏi các cơ phản trọng lực phải căng quá mức [23]. Một tư thế ngồi tốt phải có đường cong cột sống thắt lưng cong tương tự như tư thế đứng [24, 25], các chuyên gia về công thái học ủng hộ tư thế ngồi thẳng [26, 27]. Tư thế ngồi thẳng lưng được mô tả là đầu và thân thẳng đứng, hai chân dưới cong một góc khoảng 90° ở hông và đầu gối, đồng thời bàn chân đặt chắc chắn trên sàn [28].
Tư thế này cũng được áp dụng trong các nghiên cứu của Castanharo và cộng sự trong việc định lượng tải trọng tác động lên cột sống thắt lưng của các đối tượng khi được yêu cầu điều chỉnh từ tư thế ngồi cong lưng sang tư thế ngồi thẳng lưng [29]. Tương tự với nghiên cứu chứng minh tầm quan trọng của tư thế ngồi bằng cách đo áp lực ngồi của Lee và các cộng sự [30]. Ngoài ra tiêu chí cho tư thế ngồi thẳng lưng trên còn được áp dụng trong các khảo sát và đánh giá [31, 32, 33].