Luận án Cải tiến hệ thống định vị quán tính nhằm nâng cao độ chính xác ước lượng thông số bước đi trong chăm sóc sức khỏe

Nội dung text: Luận án Cải tiến hệ thống định vị quán tính nhằm nâng cao độ chính xác ước lượng thông số bước đi trong chăm sóc sức khỏe

1. ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM DUY DƯỞNG CẢI TIẾN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ BƯỚC ĐI TRONG CHĂM SÓC SỨC KHỎE LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, 2021
2. ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM DUY DƯỞNG CẢI TIẾN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ BƯỚC ĐI TRONG CHĂM SÓC SỨC KHỎE Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoá học: Hướng dẫn 1: PGS.TS Đoàn Quang Vinh Hướng dẫn 2: TS. Nguyễn Anh Duy Đà Nẵng, 2021
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả là khoa học, trung thực và chưa từng công bố trước đây. Luận án được thực hiện dưới sự giúp đỡ của hai hướng dẫn khoa học và được sự tạo điều kiện thuận lợi của Khoa Điện, Trường ĐH Bách Khoa – ĐHĐN và Khoa Điện, Trường Đại học Ulsan, Hàn Quốc. Tác giả luận án
4. MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC HÌNH VẼ 4 DANH MỤC BẢNG BIỂU 6 CHỮ VIẾT TẮT 7 MỞ ĐẦU 8 1. Lý do chọn đề tài 8 2. Mục tiêu nghiên cứu 11 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11 4. Phương pháp nghiên cứu 11 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 12 6. Những đóng góp mới của luận án 13 7. Bố cục chung của luận án 14 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VIỆC ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ BƯỚC ĐI TRONG CHĂM SÓC SỨC KHOẺ 16 1.1 Một số khái niệm về thông số bước đi 16 1.2 Tầm quan trọng và ứng dụng của thông số bước đi 18 1.3 Tiềm năng ứng dụng cảm biến IMU trong y tế 23 1.3.1 Giới thiệu 23 1.3.2 Ưu thế của IMU trong y tế 25 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu việc ứng dụng cảm biến IMU trong ước lượng thông số bước đi 26 1.4.1 Mô hình trừu tượng 27 1.4.2 Mô hình dáng đi 28 1.4.3 Tích phân trực tiếp 30 1.4.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu ước lượng thông số bước đi sử dụng IMU đặt trên bàn chân 33 1.4.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu ước lượng thông số bước đi sử dụng IMU đặt trên khung tập đi 35 1.4.6 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 37 1.5 Kết luận chương 38 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI THUẬT TOÁN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH 39 2.1 Cảm biến quán tính 39 2.1.1 Giới thiệu cảm biến 39 2.1.2 Cảm biến IMU 39 2.1.3 Cảm biến gia tốc 41 2.1.4 Cảm biến vận tốc góc 42 2.1.5 Cảm biến IMU MTi-1 và MTi-100 của hãng Xsens 44 2.2 Triển khai hệ thống định vị quán tính 47 2.2.1 Hệ thống định vị INS 47 2.2.2 Triển khai thuật toán của hệ thống SINS 48 2.3 Triển khai bộ lọc Kalman kiểu MEKF cho hệ SINS 55 Trang 1
5. 2.4 Kết luận chương 62 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH ĐẶT TRÊN BÀN CHÂN 63 3.1 Giới thiệu chương 63 3.2 Đề xuất hệ thống INS đặt trên bàn chân 64 3.3 Xây dựng mô hình bộ lọc MEKF cho hệ thống 66 3.4 Xây dựng các phương trình cập nhật cho bộ lọc Kalman 69 3.4.1 Cập nhật vận tốc ZUPT 69 3.4.2 Xây dựng phương trình cập nhật sử dụng cảm biến khoảng cách 70 3.5 Thực thi bộ lọc Kalman cho hệ thống 73 3.6 Trích xuất thông số bước đi từ quỹ đạo bàn chân 74 3.7 Thí nghiệm kiểm chứng hệ thống và phân tích kết quả 75 3.7.1 Thí nghiệm với hệ thống OptiTrack 77 3.7.2 Thí nghiệm đi dọc hành lang 30 m 85 3.8 Đánh giá hiệu quả hệ thống đề xuất 87 3.9 Kết luận chương 88 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH ĐẶT TRÊN KHUNG TẬP ĐI 89 4.1 Giới thiệu chương 89 4.2 Đề xuất hệ thống INS đặt trên khung tập đi 90 4.2.1 Giới thiệu về hệ thống 90 4.2.2 Kết nối phần cứng và đồng bộ dữ liệu 91 4.2.3 Thuật toán ước lượng mối quan hệ giữa hệ toạ độ ICS và BCS 93 4.3 Thuật toán phát hiện và phân loại chuyển động của khung tập đi 95 4.3.1 Định nghĩa chuyển động của khung tập đi 95 4.3.2 Thuật toán phát hiện chuyển động của khung tập đi 97 4.3.3 Thuật toán phân loại chuyển động của khung tập đi 99 4.4 Ước lượng quỹ đạo chuyển động của khung tập đi 100 4.4.1 Xây dựng phương trình cập nhật quaternion dựa vào phương đứng của khung tập đi 102 4.4.2 Xây dựng phương trình cập nhật quaternion sử dụng góc quay quanh trục đứng 103 4.4.3 Xây dựng phương trình cập nhật vị trí sử dụng thông tin từ encoder 106 4.4.4 Kết hợp quỹ đạo ước lượng bởi IMU và quỹ đạo ước lượng bởi encoder 107 4.5 Trích xuất thông số bước đi 108 4.6 Thí nghiệm đánh giá hoạt động của thuật toán 111 4.6.1 Hệ thống thí nghiệm 111 4.6.2 Mô tả các thí nghiệm 113 4.6.3 Đánh giá thuật toán kết hợp chuyển động do IMU và encoder ước lượng 114 4.6.4 Đánh giá thuật toán sử dụng thông tin encoder để cập nhật cho bộ lọc Kalman 117 Trang 2
6. 4.6.5 Phân tích đánh giá sự ảnh hưởng của các phương trình cập nhật sử dụng thông tin từ encoder 119 4.6.6 Đánh giá độ chính xác sử dụng hệ thống Optitrack 122 4.6.7 Đánh giá vai trò của bộ lọc Kalman trong INS 125 4.6.8 Đánh giá độ chính xác trong chuyển động có đổi hướng 126 4.6.9 Thực nghiệm với bệnh nhân 127 4.7 Đánh giá hiệu quả hệ thống đề xuất 130 4.8 Kết luận chương 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 133 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO 136 PHỤ LỤC 143 Trang 3
7. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Chu kỳ bước chân 17 Hình 1.2 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 18 Hình 1.3 Các thông số bước đi 20 Hình 1.4 Tốc độ bước đi liên quan đến sự phụ thuộc, nhập viện, nhu cầu phục hồi chức năng, thời điểm xuất viện và tiến trình phục hồi 22 Hình 2.1 Cấu tạo của một IMU 6DOF 40 Hình 2.2 IMU cổ điển được gắn trên tên lửa IRBM S3 41 Hình 2.3 Sơ đồ khối của một hệ lò xo – gia trọng 41 Hình 2.4 Con quay hồi chuyển: a) Cấu tạo, b)Nguyên lý 42 Hình 2.5 Lực Coriolis 44 Hình 2.6 Cấu tạo cảm biến vận tốc góc 44 Hình 2.7 Sơ đồ khối chức năng của cảm biến MTi-1 45 Hình 2.8 Bảng mạch sử dụng cảm biến MTi-1 46 Hình 2.9 Cảm biến IMU dòng MTi-100 46 Hình 2.10 Nguyên lý của hệ SINS 49 Hình 2.11 Hoạt động của bộ lọc Kalman 61 Hình 2.12 Thuật toán của hệ thống INS sử dụng bộ lọc Kalman MEKF 61 Hình 3.1 Tổng quan về INS đặt trên bàn chân 65 Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán thực thi bộ lọc Kalman cho hệ thống INS trên bàn chân 74 Hình 3.3 Hệ thống INS đăt trên bàn chân sử dụng cho thí nghiệm 76 Hình 3.4 Hệ thống OptiTrack được dùng trong thí nghiệm và minh hoạ việc sử dụng hệ thống ghi lại chuyển động 77 Hình 3.5 Tín hiệu IMU và việc phát hiện ZVI 78 Hình 3.6 Phát hiện ZVI của chuyển động từ các ZVI của cảm biến gia tốc và vận tốc góc 79 Hình 3.7 Vị trí bàn chân không sử dụng bộ lọc Kalman 80 Hình 3.8 Vị trí bàn chân sử dụng bộ lọc MEKF cập nhật ZUPT 82 Hình 3.9 Vị trí bàn chân sử dụng bộ lọc MEKF cập nhật ZUPT và độ cao tại ZVI 83 Hình 3.10 Ước lượng vị trí bàn chân sử dụng thuật toán đề xuất 84 Hình 3.11 Ước lượng hướng bàn chân 85 Hình 3.12 Ước lượng vị trí theo phương đứng của bàn chân 85 Hình 4.1 Tổng quan hệ thống khung tập đi đề xuất 90 Hình 4.2 Các hệ trục tọa độ sử dụng 91 Hình 4.3 Định nghĩa các chuyển động của người dùng khi sử dụng khung tập đi 96 Hình 4.4 Thuật toán phân loại chuyển động 99 Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán thực thi bộ lọc Kalman cho INS trên khung tập đi 101 Hình 4.6 Chuyển động quay của khung tập đi 103 Trang 4
8. Hình 4.7 Hệ trục toạ độ BCSN dùng trong xác định bước đi 108 Hình 4.8 Chuyển động có chu kỳ của bánh xe trong quá trình đẩy đi liên tục 109 Hình 4.9 Thông số bước đi trong quá trình đẩy khung tập đi 20 m 111 Hình 4.10 Độ cao và tư thế của khung tập đi trong quá trình sử dụng 111 Hình 4.11 Hệ thống khung tập đi được chế tạo 112 Hình 4.12 Hệ thống khung tập đi được cải tiến 112 Hình 4.13 Kết quả việc phát hiện và phân loại chuyển động 114 Hình 4.14 Quỹ đạo chuyển động của khung tập đi với hệ thống Optitrack 122 Hình 4.15 Quỹ đạo 3D chuyển động của khung tập đi được ước lượng 123 Hình 4.16 Phát hiện thời điểm bước chân sử dụng OptiTrack 124 Hình 4.17 Quỹ đạo chuyển động của khung tập đi được ước lượng khi không sử dụng bộ lọc Kalman 125 Trang 5
9. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Ứng dụng thông số bước đi 19 Bảng 1.2 Tốc độ bước đi (m/s) theo giới tính và độ tuổi 23 Bảng 1.3 Ứng dụng IMU trong y tế 24 Bảng 1.4 Tiềm năng ứng dụng của cảm biến trong y tế 26 Bảng 2.1 Thông số cảm biến vận tốc góc của MTi-1 và MTi-100 45 Bảng 2.2 Thông số cảm biến gia tốc của MTi-1 và MTi-100 46 Bảng 3.1 Giá trị khởi tạo ban đầu và ước lượng thông số của cảm biến khoảng cách tại 2 vị trí 76 Bảng 3.2 Sai số vị trí khi sử dụng các loại cập nhật 81 Bảng 3.3 Thông số bước đi ước lượng trong thí nghiệm đi 3 bước 83 Bảng 3.4 Thông tin người dùng tham gia vào các thí nghiệm 86 Bảng 3.5 Ước lượng thông số bước đi và sai lệch trên quãng đường 30 m 86 Bảng 4.1 Đấu nối cảm biến với arduino 92 Bảng 4.2 Khung dữ liệu đóng gói 92 Bảng 4.3 Kết quả thông số bước đi một người dùng khung tập đi đi thẳng 20 m 110 Bảng 4.4 Kết quả 5 người dùng khung tập đi đi thẳng 20 m 115 Bảng 4.5 Độ chính xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động đẩy đi liên tục 117 Bảng 4.6 Độ chính xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động đẩy đi từng bước 117 Bảng 4.7 Độ chính xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động nhấc 2 chân sau khung tập đi 118 Bảng 4.8 Độ chính xác việc ước lượng khoảng cách di chuyển với chuyển động nhấc hoàn toàn khung tập đi 118 Bảng 4.9 Sai số ước lượng (m) cho 20 m đẩy đi liên tục 119 Bảng 4.10 Sai số ước lượng (m) cho 20 m đẩy đi từng bước 120 Bảng 4.11 Sai số ước lượng (m) cho 20 m nhấc hoàn toàn 120 Bảng 4.12 Sai số ước lượng (m) cho 20 m nhấc 2 chân sau 121 Bảng 4.13 Sai số ước lượng cho khoảng 2 m di chuyển 123 Bảng 4.14 Khoảng cách ước lượng (m) sử dụng khung tập đi đi dọc và ngược lại hành lang 20 m 126 Bảng 4.15 Khoảng cách ước lượng (m) sử dụng khung tập đi đi theo hình chữ nhật 5x7 m 2 vòng 127 Bảng 4.16 Thông tin bệnh nhân tham gia thí nghiệm 127 Bảng 4.17 Thông số bước đi của bệnh nhân 128 Trang 6
10. CHỮ VIẾT TẮT Viết tắc Từ tiếng Anh Giải thích 10MWT 10 Meter Walk Test Bài kiểm tra đi bộ 10 m 25FWT 25-Foot Walk Test Bài kiểm tra đi bộ 25 feet 4MWT 4 Meter Walk Test Bài kiểm tra đi bộ 4 m BCS Body Coordinate System Hệ toạ độ vật thể DCM Direction Cosine Matrix Ma trận Cosin hướng DOF Degrees of Freedom Bậc tự do EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng GPS Global Positioning System Định vị toàn cầu ICS Inertial Coordinate System Hệ toạ độ IMU IMU Inertial Measurement Unit Cảm biến quán tính INA Inertial Navigation Algorithm Thuật toán định vị quán tính INS Inertial Navigation System Hệ thống định vị quán tính MEKF Multiplicative Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng kiểu nhân MEMS Micro-Electromechanical Systems Hệ thống vị cơ - điện tử PINS Platform Inertial Navigation System Hệ thống định vị quán tính có đế RMSE Root Mean Square Error Căn trung bình bình phương sai số SINS Strapdown Inertial Navigation System Hệ thống định vị quán tính không đế STD Standard Dviation Độ lệch chuẩn TB Giá trị trung bình TGU The Timed Up and Go Test Bài kiểm tra thời gian đứng dậy và đi WCS World Coordinate System Hệ toạ độ toàn cục ZUPT Zero Velocity Update Cập nhật tại các ZVI ZVI Zero Velocity Interval Điểm có vận tốc bằng không Trang 7
11. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đã và đang tác động ngày càng mạnh mẽ tới tất cả các lĩnh vực từ kinh tế, văn hóa, xã hội đến chính trị, quốc phòng, an ninh và môi trường. Rất nhiều chủ trương, chính sách, chiến lược của Đảng, Nhà nước đã ban hành nhằm tiếp cận và chủ động tham gia cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 [1]. Bộ Y tế cũng đã ban hành nhiều văn bản quy phạm pháp luật và các văn bản chỉ đạo làm cơ sở cho chuyển đổi số trong y tế. Đặc biệt quyết định số 4888/QĐ-BYT ngày 18/10/2019 của Bộ Y tế đã phê duyệt Đề án ứng dụng và phát triển công nghệ thông tin y tế thông minh giai đoạn 2019-2025 [2]. Trong đó có nêu nhiệm vụ “Đẩy mạnh nghiên cứu, phát triển, ứng dụng các công nghệ thông minh trong y tế”. Trong xu thế đó, đề tài xây dựng các hệ thống thông minh nhằm ước lượng chuyển động dùng trong chăm sóc sức khoẻ. Chăm sóc sức khỏe là việc chẩn đoán, điều trị và phòng ngừa bệnh tật, thương tích, và suy yếu về thể chất lẫn tinh thần. Trong đó, việc chẩn đoán bệnh tật và đánh giá tình trạng sức khỏe của bệnh nhân là bước quan trọng đầu tiên. Việc này cần có một quy trình chặt chẽ từ lâm sàng đến cận lâm sàng và đặc biệt là các chỉ số dữ liệu từ xét nghiệm, chẩn đoán hình ảnh, các thông số đánh giá từ các nghiệm pháp hỗ trợ góp phần quan trọng trong việc đưa ra các chẩn đoán chính xác hơn. Đối với lĩnh vực phục hồi chức năng vận động cho bệnh nhân thì việc ước lượng các thông số bước đi là rất quan trọng trong quá trình phục hồi chức năng cũng như chăm sóc sức khỏe [3]–[5]. 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. 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 (như bệnh đa xơ cứng, bệnh Parkinson), cơ xương, tim mạch, di chứng đột quỵ và lão hoá từ đó giúp đưa ra phác đồ điều trị tốt nhất [7], [8]. Ngoài ra, thông số bước đi được dùng để đánh giá tình trạng sức khoẻ và đưa ra Trang 8
12. các lời khuyên cho bệnh nhân, 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 [9]; theo dõi tiến trình hồi phục chức năng đưa ra lộ trình luyện tập, rút ngắn thời gian điều trị và hồi phục chức năng của một số bệnh ảnh hưởng đến thông số bước đi thông qua các quy trình lượng giá dáng đi và nghiệm pháp đi bộ 10 mét, đi bộ 6 phút được quy định trong các hướng dẫn của bộ Y tế trong các quyết định số 5737/QĐ-BYT ngày 22/12/2017 [10] và số 5623/QĐ-BYT ngày 21/9/2018 [11]. Những thông số bước đi được ứng dụng nhiều trong y tế như tốc độ bước, độ dài bước chân, độ dài sải chân, 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 bên cạnh huyết áp, mạch, hô hấp, nhiệt độ và các cơn đau [13]. Hiện nay, trên thế giới có các hệ thống ước lượng thông số bước đi như OptoGait [14], hệ thống Strideway của Tekscan [15], Robot hồi phục chức năng Yeecon [16], hệ thống camera phân tích dáng đi A7 của Yeecon [17]. Trong đó, hệ thống robot hồi phục chức năng Yeecon có giá đến 200.000 $, hệ thống camera phân tích dáng đi Yeecon có giá 25.000 đến 50.000$. Những hệ thống đắt tiền và bị giới hạn phạm vi làm việc này rất khó ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam nên các bác sĩ hoặc kỹ thuật viên chủ yếu khám lâm sàng với sự hỗ trợ của các nghiệm pháp đi bộ 10 mét, nghiệm pháp đi bộ 6 phút, nghiệm pháp đo thời gian đứng dậy và đi TUG [18], đi bộ 4 4MWT [19], Hạn chế của việc này là dễ nhầm lẫn do sự chủ quan, ít thông tin và các yếu tố liên quan đến độ chính xác kém, độ phân giải kém [8]. Cùng với sự phát triển của công nghệ, các cảm biến IMU ngày càng có kích thước nhỏ gọn giá thành rẻ và có thể được ứng dụng vào việc xây dựng các hệ thống ước lượng thông số bước đi. Trong đề tài xây dựng những hệ thống ước lượng thông số bước đi có giá thành rẻ, linh hoạt và không bị giới hạn phạm vi làm việc sử dụng cảm biến IMU. Trang 9
13. Cấu tạo của một cảm biến IMU gồm một cảm biến gia tốc 3D (dùng để đo giá trị gia tốc theo 3 trục) và một cảm biến vận tốc góc 3D (dùng để đo giá trị vận tốc góc quay theo 3 trục). Cảm biến IMU được gắn lên vật thể chuyển động để ước lượng hướng, vận tốc và vị trí của chuyển động thông qua thuật toán định vị quán tính INA. Trong đó, hướng chuyển động trong hệ toạ độ tham chiếu bên ngoài WCS được xác định bằng cách tích phân tín hiệu vận tốc góc; vận tốc chuyển động được xác định bằng cách tích phân của gia tốc sau khi đã loại bỏ gia tốc trọng trường sử dụng hướng chuyển động trong khi vị trí chuyển động được xác định bằng tích phân vận tốc chuyển động. Như vậy, khi các cảm biến IMU được gắn lên các bộ phận của cơ thể người dùng ở vị trí thích hợp (ví dụ như bàn chân) thì các thông số bước đi của người dùng có thể được trích xuất từ hướng, vận tốc và vị trí theo thời gian của cảm biến IMU trong quá trình chuyển động. Nhược điểm của hệ thống INS là chỉ đạt được độ chính xác trong thời gian ngắn do sai số gây ra bởi thành phần nhiễu của cảm biến bị tích luỹ theo thời gian khi sử dụng nguyên lý tích phân [20]. Nhược điểm này càng thể hiện rõ đối với các cảm biến IMU dùng trong dân dụng có độ chính xác thấp. Do vậy, cần nghiên cứu cải tiến hệ thống INS nhằm nâng cao độ chính xác của việc ước lượng chuyển động sử dụng cảm biến IMU. Một hệ thống sử dụng thuật toán INA cho cảm biến IMU để ước lượng hướng, vận tốc và vị trí của một vật thể chuyển động gọi là hệ thống INS. Được sự tạo điều kiện và giúp đỡ của Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa– Đại học Đà Nẵng, Khoa Điện – Đại học Ulsan (Hàn Quốc) và các giảng viên hướng dẫn khoa học, tác giả thực hiện nội dung luận án có tên: “Cải tiến hệ thống định vị quán tính nhằm nâng cao độ chính xác ước lượng thông số bước đi trong chăm sóc sức khỏe”. Trong đó, sẽ đề xuất các hệ thống định vị quán tính INS để ước lượng thông số bước đi trong trường hợp cảm biến IMU đặt trên bàn chân cho người dùng có khả năng đi lại bình thường và cảm biến IMU đặt trên khung tập đi cho người dùng cần hỗ trợ đi lại, đặc biệt là các đối tượng tập vận động phục hồi chức năng. Trong các hệ thống INS này, một bộ lọc Kalman được sử dụng để kết hợp thông tin từ các cảm biến phụ trợ hoặc các đặc trưng chuyển động để cập nhật và Trang 10
14. nâng cao độ chính xác của hệ thống INS trên. Việc này bao gồm việc xây dựng mô hình và xây dựng các phương trình cập nhật cho bộ lọc Kalman. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng một số hệ thống có thể tự động ước lượng thông số bước đi của người dùng nhằm phục vụ các bài kiểm tra thông số bước đi, tạo kênh thông tin khách quan và chính xác nhằm hỗ trợ bác sĩ trong quá trình chẩn đoán bệnh tật, tình trạng sức khoẻ của người dùng, đưa ra lời khuyên về lộ trình trong điều trị, theo dõi tiến trình phục hồi chức năng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống ước lượng thông số bước đi sử dụng cảm biến IMU. Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu của luận án là xây dựng phần cứng và thuật toán để ước lượng thông số bước đi sử dụng cảm biến IMU. Trong đó, các hệ số kinh nghiệm đưa vào luận án và thực nghiệm minh chứng kết quả sử dụng cảm biến IMU loại MTi-100 và MTi-1 của hãng Xsens. Việc ước lượng chuyển động trong chăm sóc sức khoẻ là vấn đề rất rộng, nên giới hạn phạm vi nghiên cứu là ước lượng thông số bước đi phục vụ cho vấn đề chẩn đoán tình trạng sức khoẻ. Cụ thể, dừng lại ở việc ước lượng một số thông số bước đi gồm tốc độ bước, độ dài bước/sải chân, thời gian bước, tần số bước cho trường hợp cảm biến IMU đặt trên bàn chân của người dùng có khả năng tự đi lại và trường hợp cảm biến IMU đặt trên khung tập đi cho người dùng cần hỗ trợ đi lại; luận án không đi sâu vào phân tích đánh giá tình trạng sức khoẻ của người dùng. Do mục đích hướng đến là các bài kiểm tra thông số bước đi được tiến hành trong môi trường thuận lợi nên các hệ thống được thực hiện trên mặt bằng phẳng nằm ngang, không có vật cản. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, nghiên cứu từ tổng quan đến chi tiết, kế thừa các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên thế giới đặc biệt là các công bố của tác giả luận án và cộng sự. Trang 11
15. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Về khoa học: Nghiên cứu có hệ thống các lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và công nghệ chế tạo cảm biến IMU, thuật toán INA, thuật toán của hệ thống INS, bộ lọc Kalman và triển khai thuật toán INA và bộ lọc Kalman kiểu MEKF cho hệ thống INS. Đề xuất và triển khai được một hệ thống mới để ước lượng thông số bước đi có sử dụng cảm biến quán tính đặt trên bàn chân và đặt trên khung tập đi đảm bảo các tiêu chí về kinh tế, kỹ thuật. Trong đó có: - Đề xuất hệ thống phần cứng gồm cảm biến IMU kết hợp với cảm biến khoảng cách luôn hướng xuống mặt đất; - Xây dựng mô hình bộ lọc cho bộ lọc Kalman có thêm 2 biến trạng thái của cảm biến khoảng cách vào ước lượng; - Xây dựng các phương trình cập nhật bộ lọc Kalman cho hệ thống sử dụng các thông tin từ cảm biến khoảng cách; - Đề xuất hệ thống phần cứng gồm cảm biến IMU đặt trên khung tập đi kết hợp với 2 encoder gắn với 2 bánh; - Đề xuất phương pháp hiệu chỉnh mối quan hệ giữa cảm biến IMU và khung tập đi; - Đề xuất phương pháp phát hiện và phân loại chuyển động của khung tập đi; - Xây dựng các phương trình cập nhật cho bộ lọc Kalman sử dụng thông tin từ các encoder; - Tiến hành các thực nghiệm để kiểm chứng và phân tích kết quả. Về thực tiễn: Luận án là công trình khoa học – công nghệ trong việc xây dựng các hệ thống ước lượng các thông số bước đi cho người dùng sử dụng bộ lọc Kalman dựa trên hệ thống INS. Góp phần nâng cao độ chính xác trong ước lượng chuyển động trong một số trường hợp cụ thể, tạo kênh thông tin chính xác, khách quan hỗ trợ cho bác sĩ trong việc đánh giá tình trạng sức khoẻ cũng như tiến trình phục hồi chức năng thông qua thông số bước đi. Trang 12
16. Từ kết quả nghiên cứu, thực nghiệm xây dựng INA và bộ lọc Kalman dựa trên INS giúp làm chủ công nghệ định vị quán tính từ đó triển khai INS rộng rãi vào thực tế. Từ kết quả nghiên cứu của luận án có thể hướng đến chế tạo thiết bị ước lượng các thông số bước đi cho người dùng để sử dụng tại các trung tâm chăm sóc sức khỏe, phục hồi chức năng. Tạo kênh thông tin chính xác, khách quan hỗ trợ cho bác sĩ trong việc đánh giá tình trạng sức khoẻ, tiến trình phục hồi chức năng thông qua thông số bước đi. Những hệ thống này góp phần vào việc: - Chẩn đoán sớm, theo dõi diễn biến của một số bệnh liên quan đến thông số bước đi nhằm đưa ra phác đồ điều trị tốt nhất. - Đánh giá tình trạng sức khoẻ của người dùng và đưa ra các lời khuyên về sự hỗ trợ, vấn đề nhập viện, nhu cầu phục hồi chức năng, thời điểm xuất viện và tiến trình hồi phục. - Theo dõi tiến trình hồi phục chức năng, đưa ra lộ trình luyện tập nhằm rút ngắn thời gian điều trị và phục hồi chức năng Với các hệ thống ước lượng thông số bước đi, người dùng có thể thực hiện việc lấy dữ liệu tại nhà và gửi thông tin đến trung tâm chăm sóc sức khoẻ, bệnh viện để đánh giá. Điều này cho phép giảm tải cho bệnh viện và giảm chi phí đi lại, khám chữa bệnh cho bệnh nhân. 6. Những đóng góp mới của luận án Đóng góp mới của luận án là đã đề xuất và triển khai được một hệ thống mới để ước lượng thông số bước đi có sử dụng cảm biến quán tính đặt trên bàn chân và khung tập đi, nâng cao độ chính xác theo hướng đáp ứng yêu cầu của các cơ sở y tế trong công tác chăm sóc sức khoẻ. Hệ thống này góp phần vào việc: - Chẩn đoán sớm, theo dõi diễn biến của một số bệnh liên quan đến thông số bước đi nhằm đưa ra phác đồ điều trị tốt nhất. Trang 13
17. - Đánh giá tình trạng sức khoẻ của người dùng và đưa ra các lời khuyên về sự hỗ trợ, vấn đề nhập viện, nhu cầu phục hồi chức năng, thời điểm xuất viện và tiến trình hồi phục. - Theo dõi tiến trình hồi phục chức năng, đưa ra lộ trình luyện tập nhằm rút ngắn thời gian điều trị và phục hồi chức năng. 7. Bố cục chung của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo và mục lục thì luận án được bố cục thành 4 chương. Trong đó, đóng góp của luận án được trình bày trong Chương 3 và Chương 4. Chương 1 (Nghiên cứu tổng quan việc ước lượng thông số bước đi trong chăm sóc sức khoẻ), giới thiệu một số khái niệm về thông số bước đi; tầm quan trọng của thông số bước đi trong đánh giá tình trạng sức khoẻ; một số kỹ thuật ước lượng thông số bước đi truyền thống và nhu cầu phát triển các hệ thống tự động ước lượng thông số bước đi; tiềm năng ứng dụng cảm biến IMU trong y tế cũng như trong các hệ thống tự động ước lượng thông số bước đi này; tổng quan tình hình nghiên cứu về việc ứng dụng cảm biến IMU trong phân tích thông số bước đi nói chung và trong hai trường hợp ứng dụng cụ thể trong luận án nói riêng. Chương 2 (Nghiên cứu triển khai thuật toán của hệ thống định vị quán tính), nghiên cứu tổng quan IMU, một số thông số kỹ thuật của dòng MTi-1 và MTi-100 được sử dụng trong luận án; nghiên cứu triển khai thuật toán INA, INS; nghiên cứu, lựa chọn và xây dựng bộ lọc Kalman cho hệ thống INS theo kiểu MEKF. Chương 3 (Nghiên cứu xây dựng hệ thống định vị quán tính đặt trên bàn chân), đề xuất hệ thống INS đặt trên bàn chân có sử dụng thêm cảm biến khoảng cách nhằm sử dụng thông tin từ cảm biến khoảng cách để cập nhật cho hệ thống INS, từ đó nâng cao độ chính xác của việc ước lượng thông số bước đi. Trong đó, bao gồm xây dựng mô hình cho bộ lọc Kalman và xây dựng các phương trình cập nhật. Hiệu quả của hệ thống cũng đã kiểm chứng thông qua các thí nghiệm. Chương 4 (Nghiên cứu xây dựng hệ thống định vị quán tính đặt trên khung tập đi), đề xuất một hệ thống INS đặt trên khung tập đi kết hợp với các encoder ghi Trang 14
18. lại chuyển động hai bánh trước của khung tập đi nhằm nâng cao độ chính xác của việc ước lượng. Việc này bao gồm xây dựng thuật toán hiệu chỉnh mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống, xây dựng các thuật toán phát hiện và phân loại chuyển động, xây dựng các phương trình cập nhật sử dụng các thông tin từ encoder. Hiệu quả của hệ thống cũng đã kiểm chứng thông qua các thí nghiệm. Hệ thống cũng đã được thực nghiệm tại bệnh viện để bác sĩ đánh giá độ chính xác cũng như chẩn đoán, đánh giá tình trạng sức khoẻ và theo dõi tiến trình phục hồi chức năng. Trang 15
19. 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. 1.1 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
20. 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 1.1. 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
21. 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. 1.2 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]. Hình 1.2 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