HỆ THỐNG CẢM BIẾN IMU THEO DÕI
PHỤC HỒI CHỨC NĂNG SAU ĐỘT QUỴ
(IMU-Based Functional Assessment System for Post-Stroke Rehabilitation)
Embedded Files
HỆ THỐNG CẢM BIẾN IMU THEO DÕI
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu chính của nghiên cứu là xây dựng một hệ thống đo lường chuyển động chi dưới dựa trên cảm biến quán tính (Inertial Measurement Unit – IMU), nhằm phục vụ đánh giá mức độ phục hồi vận động của bệnh nhân sau đột quỵ. Hệ thống được phát triển hướng đến các tiêu chí: kích thước nhỏ gọn, tiện lợi khi sử dụng, độ chính xác cao, chi phí hợp lý và đặc biệt phù hợp để sử dụng trong điều kiện chăm sóc y tế tại nhà.
PHƯƠNG PHÁP VÀ CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG
CẤU HÌNH CẢM BIẾN
Để đo lường góc vận động của chi dưới bệnh nhân, hệ thống sử dụng 4 cảm biến IMU được đặt tại các vị trí quan trọng trên cơ thể gồm bụng, đùi, cẳng chân và bàn chân.
XỬ LÝ TÍN HIỆU
Mỗi cảm biến sẽ thu thập dữ liệu về góc quay theo các trục định hướng trong không gian. Do đặc điểm chu kỳ lấy mẫu của các cảm biến có sự chênh lệch, nhóm nghiên cứu đã áp dụng kỹ thuật nội suy nhằm đồng bộ các dữ liệu thu được từ các cảm biến về cùng một mốc thời gian thống nhất. Góc quay giữa hai khớp liên tiếp được xác định bằng hiệu giữa các dữ liệu góc tương ứng từ hai cảm biến đặt liền kề nhau. Ví dụ, góc của khớp hông được xác định dựa trên hiệu góc pitch của cảm biến đặt ở bụng và cảm biến đặt tại đùi.
KIỂM CHỨNG ĐỘ CHÍNH XÁC
Độ chính xác của hệ thống IMU được đánh giá bằng việc so sánh kết quả đo góc thu được từ cảm biến IMU với dữ liệu góc thu được từ hệ thống encoder và hệ thống VICON – một hệ thống chuyên dụng đo lường chuyển động chính xác cao, thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm chuyển động. Kết quả kiểm chứng cho thấy sai số tuyệt đối trung bình của hệ thống IMU nằm dưới ngưỡng 5°, một mức sai số được xem là chấp nhận được và phù hợp để ứng dụng vào các nghiên cứu lâm sàng về phục hồi chức năng vận động.
THÍ NGHIỆM SO SÁNH VỚI ENCODER
Trong thí nghiệm đầu tiên, nhóm nghiên cứu tiến hành kiểm chứng độ chính xác của hệ thống IMU bằng cách so sánh trực tiếp với encoder quay – một thiết bị đo góc quay có độ phân giải cao, thường dùng trong các ứng dụng điều khiển chính xác.
Một thiết bị mô phỏng chuyển động quay gồm một trục encoder và một đế xoay gắn các hộp IMU được thiết kế. Các hộp IMU được bố trí đồng trục và cố định vào các khối quay có khớp nối với trục encoder. Khi trục encoder quay một góc nhất định, các hộp cảm biến IMU tương ứng cũng quay cùng một góc.
Hệ thống đo được tổ chức theo cặp: IMU1-2, IMU2-3 và IMU3-4, tương ứng với ba khớp hông, gối và cổ chân. Trong đó, IMU1 được cố định và đóng vai trò thay thế thân mình (bụng). Góc giữa các cặp cảm biến được tính toán như sau:
Khớp hông: góc giữa IMU1 và IMU2.
Khớp gối: góc giữa IMU2 và IMU3.
Khớp cổ chân: góc giữa IMU3 và IMU4.
Việc đo lường sai số được thực hiện bằng cách ghi nhận góc quay từ encoder và từ cảm biến IMU tương ứng trong cùng một chu kỳ chuyển động, sau đó nội suy về cùng mốc thời gian để phân tích sự khác biệt.
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Sai số tuyệt đối trung bình giữa góc đo từ IMU và encoder trong toàn bộ chuỗi thử nghiệm nằm dưới ngưỡng 5°. Độ lệch góc ghi nhận ổn định theo thời gian, không có hiện tượng trôi hệ thống hoặc nhiễu đột biến, cho thấy hệ thống IMU có khả năng tái tạo chuyển động quay một cách đáng tin cậy trong môi trường chuẩn hóa.
THÍ NGHIỆM SO SÁNH VỚI HỆ THỐNG VICON
Thí nghiệm thứ hai được thực hiện trong môi trường mô phỏng vận động thực tế. Các hộp cảm biến IMU được gắn lên người tình nguyện tại các vị trí chuẩn: bụng, đùi, cẳng chân và bàn chân. Song song đó, hệ thống VICON – gồm các camera hồng ngoại và các marker phản quang – được thiết lập để thu thập chuyển động 3D của người dùng thông qua việc gắn marker tại các điểm giải phẫu đại diện cho các khớp.
Hệ thống VICON xử lý dữ liệu thu được để trích xuất thông tin về các góc khớp như gập – duỗi hông, đầu gối và cổ chân, đóng vai trò như dữ liệu tham chiếu tiêu chuẩn trong điều kiện vận động thực tế.
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Phân tích so sánh dữ liệu từ IMU và VICON cho thấy sai số tuyệt đối trung bình trong đo lường các góc khớp cũng nằm dưới ngưỡng 5°. Dù có sự khác biệt nhỏ do sai số gắn thiết bị, độ trễ và rung động sinh học, nhưng xu hướng chuyển động giữa hai hệ thống là đồng nhất và tương quan cao. Điều này chứng minh rằng hệ thống IMU đáp ứng tốt yêu cầu về độ chính xác trong môi trường ứng dụng thực tiễn lâm sàng. Sai số tuyệt đối trung bình nhỏ hơn 5°, đáp ứng yêu cầu về độ tin cậy cho ứng dụng trong phục hồi chức năng.
Bài tập co duỗi khớp hông: sai số 4,028 độ
Bài tập : sai số 4,028 độ
CÁC PHIÊN BẢN ĐÃ PHÁT TRIỂN
PHIÊN BẢN 1 - GIAO TIẾP CÓ DÂY CƠ BẢN
Phiên bản đầu tiên của hệ thống IMU được thiết kế theo hướng tối giản, sử dụng kết nối có dây giữa các cảm biến IMU và bộ xử lý trung tâm. Toàn bộ dữ liệu cảm biến được truyền trực tiếp qua cáp vật lý đến bộ thu, không có cơ chế truyền thông không dây. Thiết kế này phù hợp trong giai đoạn kiểm thử nguyên lý hoạt động, nơi độ ổn định đường truyền và loại bỏ nhiễu từ môi trường là ưu tiên hàng đầu.
Tuy nhiên, hệ thống có dây gây hạn chế lớn về khả năng di chuyển của người dùng và không thuận tiện cho việc triển khai trong thực tế lâm sàng hoặc tại nhà. Dây dẫn làm tăng rủi ro va chạm vật lý và giảm sự thoải mái khi gắn thiết bị, nhất là với bệnh nhân phục hồi sau đột quỵ cần vận động tự nhiên.
PHIÊN BẢN 2 - GIAO TIẾP KHÔNG DÂY QUA WIFI
Phiên bản thứ hai đánh dấu bước chuyển mình quan trọng về kiến trúc truyền thông khi tích hợp module Raspberry Pi Pico W – một vi điều khiển hỗ trợ kết nối Wi-Fi nội bộ. Giao thức truyền thông được lựa chọn là MQTT, một giao thức nhẹ, phổ biến trong các hệ thống IoT, cho phép truyền dữ liệu hiệu quả giữa các node cảm biến và máy tính chủ.
Việc chuyển sang kiến trúc không dây giúp cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng, tăng tính di động và giảm rối rắm trong thao tác đeo thiết bị. Hệ thống trở nên dễ mở rộng và thuận lợi hơn trong lập trình nhờ môi trường hỗ trợ ổn định từ MQTT. Tuy nhiên, phiên bản này vẫn phụ thuộc vào hạ tầng Wi-Fi, dẫn đến độ trễ dao động khá lớn (20–100 ms), ảnh hưởng tới các ứng dụng thời gian thực. Ngoài ra, tính ổn định phụ thuộc vào chất lượng sóng mạng Wi-Fi địa phương cũng là một yếu tố cần cân nhắc.
PHIÊN BẢN 3 - GIAO TIẾP TỐC ĐỘ CAO BẰNG ESP-NOW
Phiên bản mới nhất (Version 3) hướng đến mục tiêu cải thiện tốc độ truyền, tăng tính ổn định và hỗ trợ khả năng nhân rộng sản xuất. Hệ thống sử dụng cấu trúc kết hợp giữa Raspberry Pi Pico (làm vi điều khiển chính) và module ESP32 với giao thức ESP-NOW – một công nghệ truyền không dây độc quyền của Espressif cho phép truyền dữ liệu ngang hàng (peer-to-peer) không cần Wi-Fi.
Ưu điểm chính của kiến trúc này là độ trễ cực thấp (~5–10 ms), rất phù hợp với các ứng dụng yêu cầu phản hồi nhanh và đồng bộ thời gian chính xác. Bên cạnh đó, việc loại bỏ sự phụ thuộc vào Wi-Fi giúp hệ thống hoạt động ổn định hơn trong các môi trường khác nhau, kể cả khi không có kết nối mạng. Thiết kế mạch in hai lớp (2-layer PCB) được áp dụng nhằm giảm kích thước thiết bị và tăng mật độ linh kiện, thuận lợi cho sản xuất hàng loạt bằng công nghệ SMT.
Tuy nhiên, đi kèm với những cải tiến trên là sự phức tạp gia tăng trong cả thiết kế phần cứng lẫn phần mềm. Việc đồng bộ giữa nhiều node ESP-NOW đòi hỏi lập trình tinh vi hơn và gặp giới hạn về số lượng thiết bị hỗ trợ (tối đa khoảng 10 node trong một mạng đơn lẻ). Chi phí phát triển bản mẫu cao hơn, nhưng bù lại hệ thống đạt được sự cân bằng giữa tốc độ, độ ổn định và khả năng triển khai thực tế.
TÍCH HỢP TIÊU CHUẨN FMA
TRONG ĐÁNH GIÁ LÂM SÀNG
Hệ thống sử dụng chuẩn đánh giá Fugl-Meyer Assessment (FMA) làm nền tảng để xác định các chuyển động then chốt cần theo dõi như gập duỗi hông, gối, cổ chân. Đây là các chỉ số được công nhận rộng rãi trong phục hồi chức năng sau đột quỵ và cho phép đánh giá khách quan sự tiến triển của bệnh nhân.
FMA được chia thành 5 nhóm chính gồm: vận động chi trên, vận động chi dưới, cân bằng, cảm giác, và chức năng khớp, trong đó điểm số càng cao thể hiện khả năng vận động càng tốt và mức độ phục hồi càng cao.
Google Sites
Report abuse