XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ
Hệ thống đề xuất
Sau khi khảo sát và nghiên cứu các phương pháp đo lường cùng với những ưu nhược điểm của các thiết bị đã đề cập, tôi đề xuất thiết kế một hệ thống đánh giá trọng tâm cơ thể Hệ thống này sẽ bao gồm một cân đứng nhằm xác định chính xác điểm trọng tâm của cơ thể.
Quá trình thực hiện gồm có các phần sau:
- Khảo sát các thiết bị có sẵn trên thị trường, các phương pháp đánh giá thăng bằng cơ thể của thiết bị
- Phân tích yêu cầu và lựa chọn giải pháp xây dựng phần cứng của thiết bị
- Phân tích thiết kế phần cứng và kết nối phần mềm ứng dụng
- Xây dựng sản phẩm hoàn chỉnh
- Thử nghiệm thiết bị tại Bệnh viện
- Đánh giá quá trình Bác sĩ điều trị cho bệnh nhân thông qua các số liệu thu được và theo dõi từ thiết bị
Mục đích đề tài
Nghiên cứu và thiết kế một hệ thống đánh giá trọng tâm cơ thể nhằm hỗ trợ bác sĩ trong công tác chẩn trị bệnh và chăm sóc sức khỏe cho bệnh nhân cũng như cộng đồng Hệ thống này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả trong việc điều trị và quản lý sức khỏe.
- Các nghiên cứu về mô hình sinh trắc học
- Hỗ trợ trong luyện tập, nghiên cứu phát triển phương pháp mới và phương pháp điều trị trong thể thao
Hỗ trợ bác sĩ trong việc đánh giá mức độ bệnh bằng cách tập trung vào khả năng thăng bằng của bệnh nhân, từ đó giúp đưa ra kết luận chính xác và phác đồ điều trị phù hợp cho từng trường hợp.
- Hỗ trợ quá trình tập luyện điều trị bênh nhân bị mất căn bằng, chấn thương
- Phục vụ công tác nghiên cứu, đào tạo và phát triển nền y học, tạo tiền đề cho những nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực lâm sàng.
Kết luận chương
Trong bài viết này, tôi đã nghiên cứu về bệnh lý Tiền đình và khảo sát các thiết bị hiện có trên thế giới cũng như các phương pháp đánh giá trọng tâm cơ thể Từ đó, tôi đã phát triển các lập luận và nghiên cứu để đưa ra giả thuyết và ý tưởng nhằm xây dựng "hệ thống đánh giá trọng tâm cơ thể" Hệ thống này sẽ hỗ trợ các bác sĩ trong việc chẩn đoán và điều trị cho bệnh nhân bị rối loạn tiền đình.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Ý tưởng thiết kế
Ý tưởng chính là sử dụng sự phân bố khối lượng cơ thể khi đứng trên một mặt phẳng để xác định điểm rơi trọng tâm Hệ thống đo trọng tâm cơ thể người bao gồm cả phần cứng và phần mềm.
Phần cứng của thiết bị bao gồm 4 cảm biến trọng lượng và vi điều khiển Arduino, được thiết kế để thu nhận sự phân bố khối lượng cơ thể tại 4 vị trí khác nhau Thiết bị gồm hai phần chính: bàn cân và bảng điều khiển Bàn cân có mặt làm từ MICA dày 2cm với kích thước 400x500 mm, bên dưới gắn 4 cảm biến trọng lượng (loadcell) và hộp mạch chính Hộp mạch chính tích hợp bo mạch Arduino Mega cùng các module như Bluetooth, MicroSDcard và module khuếch đại HX711 kết nối với loadcell Bảng điều khiển trang bị màn hình LCD 16x2 để hiển thị trạng thái hoạt động của thiết bị.
1 module thời gian thực RTC cùng với một ma trận bàn phím 4x4 để nhập số và thực hiện các thao tác điều khiển thiết bị
Thiết bị này phân tích sự thay đổi tư thế của cơ thể bằng cách đo lường lực phân bố khi người dùng đứng trên mặt phẳng Có hai tư thế được kiểm tra: chân rộng bằng vai và chân khép kín, mỗi tư thế cho kết quả cân bằng khác nhau Dữ liệu về khối lượng cơ thể được thu thập thông qua 4 cảm biến, từ đó xác định quỹ đạo trọng tâm của cơ thể và hiển thị trên màn hình Nhờ vào quỹ đạo này, bác sĩ có thể đánh giá mức độ cân bằng của bệnh nhân, hỗ trợ chẩn đoán và theo dõi hiệu quả điều trị.
Phương pháp phân tích điểm rơi trọng tâm cơ thể được thể hiện qua các công thức sau: x = ((F4 + F3) – (F2 + F1)) * d1/Sum và y = ((F2 + F4) – (F1 + F3)) * d2/Sum, trong đó Sum = F1 + F2 + F3 + F4 Các lực F1, F2, F3, F4 được thu thập từ các cảm biến, trong khi x và y đại diện cho tọa độ của các điểm quỹ đạo của trung tâm áp lực.
Thiết kế phần cứng
2.2.1 Thiết kế cơ khí: Để thiết bị thiết kế được đơn giản và dễ sử dụng, các phần thiết kế được thể hiện như trong Hình 2.2
Một tấm Mica dày 2 cm được sử dụng làm bề mặt thang đo, nhẹ hơn gỗ cùng kích thước, trong khi tấm mica mỏng làm đế Bốn đế hình tròn bằng nhựa chứa loadcell để bảo vệ thiết bị Hộp nhựa nhỏ được đặt ở một bên đế để chứa tất cả các thành phần của mạch.
Hình 2.2 Thiết kế cơ khí của thiết bị
Tấm mica là nguyên liệu lý tưởng cho thiết kế mặt phẳng cân nhờ vào tính chất cứng cáp, nhẹ nhàng, khả năng chịu nước và giá thành hợp lý Đặc biệt, mica 2mm được ưa chuộng vì độ bền cao, khó bị biến dạng dưới tác động của lực.
Hình 2.4 Mô hình hộp tấm Mica sau khi cắt ghép các tấm
Kích thước: để phù hợp với tư thế đứng của người khi đứng chân rộng bằng vai, một mặt cân đã được thiết kế với kích thước 40*50cm
Cảm biến lực được lắp đặt đối xứng ở hai bên cạnh của cân, nằm ngay dưới vị trí đặt chân khi người sử dụng đứng với khoảng cách hai chân rộng bằng vai.
Hộp mạch chính: được đặt ở giữa mặt dưới của cân để khoảng cách từ hộp mạch đến mỗi cảm biến lực là như nhau
Tấm Mica, hay còn gọi là Acrylic, là một vật liệu phổ biến trong ngành quảng cáo Với đặc tính là nhựa dẻo, Mica có màu sắc đa dạng và bề mặt trơn bóng, phẳng, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Hình 2.5 Hình minh họa tấm Mica gồm nhiều chủng loại màu sắc
Tấm nhựa mica, với tỉ trọng chỉ bằng 1/2 so với thủy tinh và khả năng cho khoảng 98% ánh sáng xuyên qua, là một lựa chọn phổ biến trong ngành quảng cáo Mica có thể bị đốt cháy ở nhiệt độ 460°C và dễ bị trầy xước hơn kính, do đó cần được phủ lớp chống xước Mặc dù dễ bị trầy xước, mica không vỡ như thủy tinh mà thường nứt thành nhiều miếng lớn khi chịu va đập mạnh Tuy được coi là bền hơn thủy tinh, mica vẫn không chịu được áp lực lớn và có thể bị trầy xước Giá thành của mica dao động khoảng 500 nghìn đồng/m² cho loại dày 5mm, và hiện tại có ba loại mica phổ biến trên thị trường.
Mica (Nhật Bản) Ƣu điểm
- Giá thành rẻ - Có màu trong suốt, chất lượng vượt trội so với mica Trung Quốc
- Nó có khả năng chịu lực, chịu nhiệt tốt, không bị ố vàng do thời tiết đảm bảo tính thẩm mỹ của sản phẩm
- Có tính chất và ưu điểm tương đương mica Đài Loan
- mica Nhật có ưu điểm vượt trội là có thêm tính năng kháng tia UV cao
- Có độ bền cao hơn
Mica Trung Quốc có độ bền thấp và khả năng chịu nhiệt kém, dễ bị rạn nứt và biến đổi màu sắc khi tiếp xúc với ánh sáng, dẫn đến tuổi thọ ngắn.
- Giá thành cao Ứng dụng thực tế
- Do dễ rạn nứt vì thế loại mica Trung Quốc rất khó gia công làm bóng chỉ cần một tác động nhẹ đã bị ảnh hưởng
- Sử dụng rộng rãi và phổ biến trên thị trường
- Sử dụng rộng rãi và phổ biến trên thị trường
B ả ng 2.1 B ả ng tóm lượ c kh ả o sát các lo ạ i mica hi ệ n có trên th ị trườ ng
Mica Đài Loan vượt trội hơn so với kính và các loại mica khác, nhờ vào những ưu điểm nổi bật, rất phù hợp cho các thiết kế hiện đại.
Để đảm bảo sự tiếp xúc lực chính xác giữa loadcell và khung cân đứng, tránh lệch lạc khi có tác động từ người sử dụng, phương pháp hiệu quả là sử dụng đầu bịt ống nhựa ϕ48 gắn ở bốn chân khung cân Những nút bịt nhựa này được thiết kế vừa vặn với kích thước của loadcell, giúp việc lắp đặt trở nên dễ dàng và an toàn, giảm thiểu nguy cơ làm hỏng loadcell.
Hình 2.6 Hình ảnh hệ thống sau khi hoàn thành
2.2.2 Thiết kế hệ thống thu nhận và xử lý dữ liệu a Sơ đồ khối hệ thống :
Hệ thống thu nhận và xử lý dữ liệu là bộ não của thiết bị cân đứng, có chức năng thu thập và xử lý thông tin để tạo ra cơ sở dữ liệu phục vụ cho việc xây dựng mô hình Hệ thống này bao gồm 6 khối chính, cùng với 2 khối từ bảng điều khiển, thể hiện cấu trúc hoạt động của nó.
Hình 2.7 Sơ đồ khối của hệ thống
Cung cấp nguồn 5V cho khối cảm biến, khối HX711, khối Arduino, khối bluetooth, … làm việc
Chuyển đổi sự thay đổi về lực thành sự thay đổi về điện áp và tạo thành tín hiệu tương tự cho đầu vào của khối HX711
Khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu tương tự từ khối cảm biến thành tín hiệu số
Khối Arduino Điều khiển Bluetooth và HX711, nhận tín hiệu số, thu dữ liệu và gửi chúng tới máy tính và khối bluetooth
Truyền dữ liệu từ khối Arduino tới cổng Bluetooth của máy tính
Nhận dữ liệu từ khối Arduino thông qua Bluetooth hoặc cổng COM trực tiếp
Dữ liệu sẽ được trình bày trên màn hình máy tính thông qua phần mềm, đồng thời cũng được lưu trữ để phục vụ cho việc tính toán và nghiên cứu trong tương lai.
Bao gồm các nút nhấn đẻ nhập thông tin bệnh nhân và điều khiển hoạt động của thiết bị
Hiện thị trạng thái của thiết bị
Lưu trữ dữ liệu tới thẻ nhớ MicroSD khi không có máy tính
Cung cấp thời gian và ngày tháng cho tên file
Khi không có máy tính, bàn phím ma trận cho phép chèn thông tin bệnh nhân và điều khiển thiết bị Trạng thái của thang đo được hiển thị qua màn hình LCD, trong khi dữ liệu được lưu trữ trên thẻ MicroSD Cảm biến khối lượng, hay còn gọi là Loadcell, cũng là một phần quan trọng trong hệ thống này.
Loadcell là một cảm biến chuyên dụng, có khả năng chuyển đổi lực hoặc khối lượng thành tín hiệu điện áp đo được Đầu ra phổ biến nhất của loadcell là mili vôn trên vôn (mV/V).
Chức năng: chuyển đổi lực, khối lượng thành tín hiệu điện ( tín hiệu analog )
Load Cells thủy lực là thiết bị sử dụng pit-tông và xy-lanh để đo lường tải trọng Chúng hoạt động bằng cách truyền tải sự thay đổi áp suất thông qua chuyển động của pit-tông, mang lại độ chính xác cao trong việc xác định trọng lượng Các load cells này thường được ứng dụng trong các ngành công nghiệp cần kiểm soát tải trọng một cách hiệu quả và an toàn.
22 tông và bố trí màng ngăn để tạo ra sự thay dổi áp lực trên ống Bourdon được kết nối với các cảm biến
Pneumatic Load Cells là loại cảm biến tải sử dụng khí nén để tạo áp lực lên màng ngăn, với khí thoát ra qua vòi ở đáy loadcell Bên trong loadcell có đồng hồ đo áp suất, giúp theo dõi và điều chỉnh chính xác mức tải.
- Strain Gauge Load Cells: là loại loadcell đo độ biến dạng, lực tác dụng lên sẽ làm biến dạng cảm biến
Trong đồ án này, em sử dụng Strain gauge loadcell do độ phổ biến và giá thành phải chăng
Giới thiệu cơ bản về Strain Gauge:
Strain Gauge là thiết bị đo sự thay đổi điện trở tỷ lệ với độ biến dạng do áp suất hoặc lực tác động Thiết bị này thường được cấu tạo từ sợi dây mảnh hoặc lá được sắp xếp theo mô hình lưới, giúp tạo ra sự thay đổi tuyến tính của điện trở khi có biến dạng theo một hướng cụ thể Các loại Strain Gauge phổ biến thường có giá trị điện trở cơ bản như 120, 350 và 1000 ohm.
Hình 2.8 Giới thiệu về Strain Gauge
Thiết kế phần mềm
Qua tìm hiểu, nghiên cứu một số ứng dụng trong lĩnh vực y tế, hệ thống có một số yêu cầu được đặt ra như sau: a Yêu cầu chức năng:
• Nhận thông tin của bệnh nhân
• Nhận dữ liệu và vẽ biểu đồ trung tâm vị trí áp lực hiện tại của bệnh nhân
• Nhận chẩn đoán về tình trạng bệnh nhân
• Nhận phác đồ điều trị từ bác sĩ
• Hiển thị toàn bộ quá trình điều trị
32 b Yêu cầu ngoài chức năng :
• Giao diện chức năng đơn giản và rõ ràng
• Dễ dàng gọi thông tin
• Thuận tiện cho việc quản lý bệnh nhân cho bác sĩ c Sơ đồ chức năng :
Phụ thuộc vào các yêu cầu chức năng được đề cập từ phần trước, hệ thống có chức năng dưới đây:
• Thu thập thông tin của bệnh nhân và đo vị trí COP
• Lưu dữ liệu và nhìn lại quá trình đo
Mô tả của từng phiên bản sẽ được hiển thị trong bảng dưới đây:
B ả ng 2.2 Sơ đồ ch ức năng củ a Trung tâm ứ ng d ụng đo áp suấ t
Chức năng Giải thích Dịch thuật
Đăng nhập vào hệ thống bằng cách sử dụng kết nối máy chủ, người dùng cần nhập tài khoản và thông tin từ cơ sở dữ liệu.
Đăng nhập mà không cần kết nối máy chủ cho phép khách hàng truy cập hệ thống để thực hiện các phép đo mô phỏng mà không cần tạo tài khoản.
Sign up Đăng ký Tạo một tài khoản để đăng nhập
Simulate Mô phỏng Chạy một tệp hiện có để xem hoạt động hệ thống
Danh sách bệnh nhân được liên kết với từng tài khoản, cho phép người dùng xem và thực hiện phép đo cho bệnh nhân đã chọn.
Measure Đo lường Thực hiện các phép đo cho bệnh nhân được chọn
Process Quá trình Làm việc trên dữ liệu từ các phép đo View results Xem kết quả Hiển thị kết quả từ quá trình
Set up the system Thiết lập hệ thống Thiết lập kết nối với phần cứng
B ả ng 2.3 B ả ng mô t ả ch ức năng d Đối tượ ng s ử d ụ ng:
Gồm 2 đối tượng là: Người dùng (Bác sĩ, y tá) và Quản trị viên
Người dùng là người quản lý cao nhất của chương trình, có nhiệm vụ nhập thông tin từ bệnh nhân và theo dõi sự thay đổi của COP.
• Quản trị viên: Quản trị viên quản lý cơ sở dữ liệu và cập nhật hệ thống
+ Người dùng được sử dụng để thực hiện các chức năng sau:
• Thêm thông tin của bệnh nhân
• Đo COP của bệnh nhân
+ Quản trị viên chỉ có thể sử dụng thực hiện các chức năng sau:
• Quản lý cơ sở dữ liệu
2.3.2 Thiết kế quản lý cơ sở dữ liệu
Dựa trên phân tích chức năng người dùng, tôi đã xây dựng cơ sở dữ liệu cho chương trình bằng Microsoft SQL Server, tập trung vào việc quản lý hai đối tượng chính là Bác sĩ và Bệnh nhân Mặc dù mỗi đối tượng yêu cầu thông tin và vai trò khác nhau, nhưng chúng vẫn có mối quan hệ chặt chẽ với nhau.
B ả ng 2.4 B ảng sơ đồ cơ sở d ữ li ệ u
Cơ sở dữ liệu bao gồm 7 bảng: Bác sĩ, Bệnh nhân, Người thân, Đăng ký, Xét nghiệm, Thông số và Ngày thử nghiệm Mối quan hệ giữa các bảng được thiết lập thông qua các liên kết giữa khóa ngoại và khóa chính, giúp tổ chức và quản lý thông tin hiệu quả.
Bảng được thiết kế nhằm cụ thể hóa thông tin về đối tượng, giúp quản lý trở nên dễ dàng hơn Các chi tiết cụ thể được trình bày trong các bảng 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 2.10 và 2.11 dưới đây.
No Column Name Data Type Null Meaning
1 IdDoctor varchar(5) No ID code of Doctor
2 NameDoctor nvarchar(50) No Name of Doctor
3 DateOfBirth date Date of birth of Doctor
4 Gender nvarchar(10) Gender of Doctor
5 PhoneNumber nvarchar(15) Phone number of Doctor
6 Address nvarchar(100) Address of Doctor
7 Department nvarchar(50) Department of Doctor
8 Email nvarchar(50) Email of Doctor
9 Id int ID of Registration Account
No Column Name Data Type Null Meaning
1 IdPatient int No ID code of patient
2 NamePatient nvarchar(50) No Name of patient
3 DateOfBirth date Date of birth of patient
4 Gender nvarchar(10) Gender of patient
5 PhoneNumber nvarchar(15) Phone number of patient
6 Address nvarchar(100) Address of patient
7 IdNextOfKin varchar(5) No ID code of next of kin
8 IdDoctor varchar(5) No ID code of Doctor
No Column Name Data Type Null Meaning
1 Id int No ID of Registration Account
2 UserName nvarchar(50) User name of Account
3 Password nvarchar(50) Password of Account
No Column Name Data Type Null Meaning
1 IdNextOfKin varchar(5) No ID code of next of kin
2 NameNextOfKin nvarchar(50) No Name of next of kin
3 PhoneNumber nvarchar(15) Phone number of next of kin
4 Address nvarchar(100) Address of next of kin
5 Relationship nvarchar(10) Relationship with Patient
B ả ng 2.8 B ả ng thông tin liên quan
No Column Name Data Type Null Meaning
1 IdDateOfTest varchar(15) No ID of Date of Test
2 DateOfTest Datetime Date of test
3 IdPatient varchar(5) No ID of parameters
B ả ng 2.9 B ảng ngày đo bệ nh nhân
No Column Name Data Type Null Meaning
1 IdParameter nvarchar(5) No ID of parameters
2 Height float No Height of patient
3 Weight float Weight of patient
4 LegPosition float Position of legs
5 TotalAngleX float The projection of tilt angle φ in the horizontal direction down to the coordinate plane
6 MeanDis float Mean distance of CoP
7 RmsDis float Root meansquare distance of
8 MeanV float Average velocity of CoP
9 MeanF float The rotational frequency
10 TotalPath float The total length of the COP path
11 SwayArea float The area enclosed by the COP path per unit of time
12 AreaCC float The 95% confidence circle area
13 AreaCE float The 95% confidence ellipse area
14 IdDateOfTest varchar(15) no ID of Date of Test
15 IdLegPosition Nvarchar(50) no ID of Leg Position
No Column Name Data Type Null Meaning
1 IdTest int no ID of Test number
2 NumberTest int no Number of Test in a day
3 Diagnose ntext Diagnose of Doctor
4 Data ntext Link of Data Test
5 IdDateOfTest varchar(15) ID of Date of test
B ả ng 2.11 B ả ng ki ể m tra b Giao di ện đăng nhậ p và b ả ng d ữ li ệ u thông tin b ệ nh nhân:
Dưới đây là bảng giao diện đăng nhập và bảng thông tin bệnh nhân trong dữ liệu quản lý của máy chủ:
B ả ng 2.12 B ả ng giao di ện đăng nhậ p
B ả ng 2.13 B ả ng d ữ li ệ u thông tin qu ả n lý b ệ nh nhân
Khi bắt đầu sử dụng ứng dụng, người dùng cần nhập Tên người dùng và mật khẩu, sau đó nhấn nút Đăng nhập để truy cập cơ sở dữ liệu Nếu chưa có tài khoản, họ có thể nhấp vào nút Đăng ký để tạo tài khoản mới Ngoài ra, người dùng cũng có tùy chọn Đăng nhập với tư cách Khách nếu không cần truy cập vào cơ sở dữ liệu.
40 thậm chí họ không cần phải tạo tài khoản Nút khách mang đến biểu mẫu Mô phỏng c G iao diện đăng kí và biểu mẫu đo :
Dưới đây là các yêu cầu kê khai thông tin đăng ký giao điện và bảng biểu mẫu đo:
B ả ng 2.14 B ảng đăng ký giao diệ n bi ể u m ẫ u
B ả ng 2.15 B ả ng giao di ệ n bi ể u m ẫu đo
Bảng biểu mẫu đo cung cấp thông tin chi tiết về bệnh nhân, bao gồm dữ liệu từ 4 loadcell, các thông số kỹ thuật, nút điều khiển, ngày kiểm tra và chẩn đoán của bác sĩ, cùng với biểu đồ quỹ đạo của COP.
Arduino Mega 2560 có khả năng nhận điện áp từ cảm biến đo áp suất và chuyển đổi tín hiệu điện áp thành tín hiệu số Dữ liệu thô sau đó được lưu trữ và phân tích thông qua ứng dụng.
Khi hệ thống hoạt động, giao diện đo liên tục hiển thị 10 điểm thay đổi theo thời gian, cho thấy sự biến đổi của COP bệnh nhân trong quá trình đo Mỗi khi một điểm mới xuất hiện, điểm cuối cùng sẽ biến mất, với điểm mới nhất có màu tối nhất, trong khi các điểm trước đó dần mờ đi.
Hình 2.18 phía dưới cho thấy 10 điểm liên tiếp tại một thời điểm trong một phép đo
Hình 2.18 Sơ đồ t ọa độ COP ph ụ thu ộc vào đo thờ i gian
Và hình 2.19 là hình hiển thị giao diện biểu mẫu chính của ứng dụng với danh sách đo bệnh nhân trên thực tế
B ả ng 2.16 Giao di ệ n bi ể u m ẫ u chính
Kết luận chương
Sau khi hoàn thành thiết kế và thực hiện, tôi đã tạo ra một thiết bị cân đứng kết hợp với hệ thống điện tử thu nhận tín hiệu đo đầu vào Thiết bị này xử lý dữ liệu một cách khách quan, mang lại kết quả tin cậy Hệ thống cân đứng có khả năng tháo lắp dễ dàng, di chuyển linh hoạt và cho phép đo kiểm tra bệnh nhân ở bất kỳ đâu theo yêu cầu Các linh kiện trong hệ thống thu nhận và xử lý dữ liệu rất đơn giản, dễ mua và lắp đặt, đồng thời có thể thay thế khi gặp sự cố.
HIỆU CHUẨN VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ HỆ THỐNG
Hiệu chuẩn từng loadcell
Nguyên tắc hoạt động của loadcell là chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu số thông qua bộ ADC, tạo ra các tín hiệu với hệ số nhân nhất định Để đạt được khối lượng mong muốn, cần xác định hệ số nhân này Phương pháp hiệu chuẩn loadcell bao gồm việc lần lượt đặt các khối lượng từ 1kg đến 25kg lên cảm biến, từ đó xác định giá trị đầu ra tương ứng và tìm ra hàm số mô tả mối quan hệ giữa khối lượng thực tế và giá trị thu được.
3.1.1 Đối với khối lƣợng nhỏ: Đối với các khối lượng nhỏ như 1kg, 3kg, 5kg và 10kg có thể sử dụng những quả cân có khối lượng 1kg, 3kg, 5kg và 10kg đặt trực tiếp lên loadcell để thực hiện bước hiệu chuẩn cho từng loadcell
Hình 3.1 Hiệu chuẩn hệ thống với khối lượng nhỏ
3.1.2 Đối với khối lƣợng lớn: Đối với các khối lượng lớn hơn 15kg khó tìm được vật nặng có khối lượng nặng này để đặt trực tiếp lên loadcell được.Vì vậy, phải thiết kế ra một hệ thống có tác dụng nén khối lượng cần thiết lên tiếp điểm của loadcell Ý tưởng đặt ra là thiết kết hai thanh sắt có ốc vít để lên một mặt phẳng và có cân cơ để theo dõi khối lượng được nén Khối lượng nén được thay đổi thông qua các thanh sắt và ốc vít:
Thiết lập hệ thống như sau
Cân cơ học Tấm mica
Hình 3.1 Hiệu chuẩn hệ thống với khối lượng lớn
1 Vặn ốc ở 2 đầu thanh sắt để cố định lực, xoắn và dừng khi cân đạt 5kg, 10kg, 15kg, 20kg, 25kg…
2 Với mỗi mức cân nặng, ghi lại kết quả vào bẳng Excel
3 Lặp lại bước 2 và 3 đủ 5 lần, sau đó lấy giá trị trung bình
4 Từ dữ liệu thu được, vẽ đồ thị và tính toán ra hệ số hiệu chỉnh tương ứng cho mỗi loadcell
Tấm mica tạo mặt phẳng cho hai thanh sắt nén đồng đều, trong khi cân cơ học theo dõi và kiểm soát khối lượng nén vào loadcell, đảm bảo số liệu tính toán chính xác Để tăng khối lượng, chỉ cần vặn hai ốc ở đầu thanh inox sao cho hai bên đồng đều và song song với mặt đất Để kiểm tra độ song song, sử dụng một chiếc thước nước đo độ cân bằng đặt lên thanh sắt nén Cuối cùng, theo dõi độ nén trên màn hình hiển thị của cân cơ học và thay đổi khối lượng nén từ 5kg đến 25kg để thu nhận kết quả.
B ả ng 3.1 B ả ng giá tr ị trung bình c ủ a 4 loadcell t ừ 5kg đế n 40kg
=> Sau khi hiệu chỉnh, bất kỳ cân nặng nào tác dụng lên Loadcell, thì màn hình sẽ hiển thị chính xác cân nặng đó
3.1.3 Kết quả hiệu chuẩn từng loadcell :
Mỗi loadcell đều có giá trị hiệu chuẩn riêng, do đó cần thực hiện hiệu chuẩn cho từng loadcell Sau khi hoàn tất quá trình hiệu chuẩn, chúng ta sẽ nhận được bảng kết quả với hàm số đã được xác định.
Khối lƣợng Kết quả đo lần 1 Kết quả đo lần 2
Khối lƣợng Kết quả đo lần 1 Kết quả đo lần 2
Khối lƣợng Kết quả đo lần 1 Kết quả đo lần 2
Khối lƣợng Kết quả đo lần 1 Kết quả đo lần 2
B ả ng 3.2 B ả ng k ế t qu ả calibration cho b ố n loadcell
Từ những thông số thu thập được, ta thực hiện vẽ đồ thị để đưa ra được đánh giá trực quan nhất về việc thực hiện hiệu chuẩn này
Hình 3 2 Đồ thị giá trị hiệu chuẩn loadcell 1
Hình 3 3 Đồ thị giá trị hiệu chuẩn loadcell 2
Hình 3.4 Đồ thị giá trị hiệu chuẩn loadcell 3
Hình 3.5 Đồ thị giá trị hiệu chuẩn loadcell 4
Qua các đồ thị, độ tuyến tính của các loadcell được xác định rõ ràng Sau quá trình hiệu chuẩn, các thông số và hàm số cho phép rút ra khoảng hệ số hiệu chuẩn tạm thời cho từng loadcell Hệ số này có sự dao động nhỏ do bộ chuyển đổi tín hiệu ADC có mức lượng tử nhỏ, thay đổi nhanh trong quá trình đo.
B ả ng 3.3 B ả ng giá tr ị hi ệ u chu ẩ n b ố n loadcell
Hiệu chuẩn hệ thống
Sau khi lắp ráp các loadcell vào hệ thống cân đứng, việc quan trọng tiếp theo là tiến hành hiệu chuẩn toàn bộ hệ thống Điều này là cần thiết vì khung cân đứng có khối lượng riêng khác 0, ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả cân.
Khi lắp ráp loadcell, có thể xảy ra sai số riêng, do đó cần điều chỉnh hệ số hiệu chuẩn để phù hợp với hệ thống Quá trình hiệu chuẩn là rất quan trọng và phải được thực hiện chính xác Phương pháp hiệu chuẩn bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn đầu sử dụng vật nặng với diện tích tiếp xúc nhỏ để căn chỉnh độ chính xác, và giai đoạn hai sử dụng người với khối lượng thực tế lớn hơn để đảm bảo quá trình đo đạc chính xác khi áp dụng vào thực tế.
3.2.1 Các bước hiệu chuẩn bằng vật nặng :
Sau khi hoàn thành mạch và gắn vào thiết bị, hệ thống có thể hoạt động nhưng không chính xác do vị trí đặt Loadcell chưa đúng hoặc chưa được cân bằng Để đảm bảo độ chính xác, việc hiệu chuẩn hệ thống là rất cần thiết Vật nặng sử dụng để hiệu chuẩn có khối lượng 5kg và 10kg Quy trình hiệu chuẩn bao gồm 6 bước cụ thể.
Bước 1: Gắn 4 loadcell đã được hiệu chỉnh vào cân
Bước 2: Kiểm tra mặt phẳng của cân bằng thước nước (độ nghiêng của mặt phẳng khoảng 0.2 – 0.5 độ)
Bước 3: Tác dụng lực vào 1 điểm để tính toán tọa độ (X,Y) tại điểm đó, Vật nặng và người được sử dụng để kiểm tra giá trị tổng
Bước 4: Thu thập dữ liệu và lưu vào file Excel
Bước 5: So sánh vị trí do loadcell tính toán với vị trí thực tế đo trên cân, sau đó điều chỉnh vị trí của loadcell để hai vị trí này khớp nhau.
Bước 6: Tính toán sai số hệ thống
No X Y Xtb Ytb Độ lệch Δx Δy
B ả ng 3.4 B ả ng k ế t qu ả sau 3 l ầ n hi ệ u chu ẩ n
Sau khi hiệu chuẩn, hệ thống làm việc ổn định và hiển thị cân nặng chính xác với mức sai số thấp ( ).
Kết luận chương
Sau khi hoàn tất quá trình hiệu chuẩn và đánh giá sai số của hệ thống, chúng tôi đã xác định hệ số calib cho từng loadcell cùng với sai số thực tế của toàn bộ hệ thống Sai số này hoàn toàn nằm trong mức chấp nhận, chứng minh rằng hệ thống này khả thi và có thể được áp dụng thực tế để đo đạc và thu thập dữ liệu.
THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
Quá trình thử nghiệm
Để đánh giá quá trình điều trị của bệnh nhân, tôi thu thập dữ liệu về sự thay đổi trọng tâm cơ thể hàng ngày từ khi nhập viện đến khi ra viện, sử dụng thiết bị đo và theo dõi Bệnh nhân sẽ đứng trên thiết bị ở hai tư thế: hai chân song song bằng vai và hai chân chụm sát nhau, sau đó nhắm mắt và giữ thăng bằng trong 30 giây Mỗi bệnh nhân được đo hai lần mỗi ngày, với kết quả được ghi lại cùng với đánh giá lâm sàng của bác sĩ Mỗi lần đo kéo dài 30 giây, thu thập 300 mẫu, mỗi mẫu bao gồm một cặp điểm (x,y).
Khi bệnh nhân đứng lên thiết bị, sự thay đổi vị trí có thể gây ra sai lệch do giật mình, chưa tập trung hoặc trạng thái không ổn định trong khoảng 5-10 giây Do đó, 100 mẫu đầu tiên trong mỗi lần đo sẽ được loại bỏ khỏi quá trình đánh giá.
Để xác định gốc tọa độ mới cho trọng tâm tĩnh của người bệnh, chúng ta cần sử dụng thuật toán phân cụm K-means Mặc dù thiết bị mặc định trọng tâm tĩnh tại điểm gốc O (0,0), nhưng trong thực tế, trọng tâm tĩnh của người bệnh không rơi chính xác vào điểm này Việc tìm ra gốc tọa độ mới sẽ giúp cải thiện độ chính xác trong việc theo dõi và phân tích.
Mỗi lần thực hiện đo đạc, chúng ta sẽ xác định một gốc tọa độ mới với các giá trị ( , ) Từ gốc tọa độ này, chúng ta sẽ tiến hành tính toán lại tọa độ mới của trọng tâm, được ký hiệu là (X,Y).
(X,Y) được tính dựa theo (x,y) và ( , ) nhờ công thức như sau:
Phương pháp phân tích dữ liệu
Theo Tiến sĩ Thomas E Prieto, việc tập hợp tọa độ của điểm trọng tâm có thể chuyển đổi thành các thông số dễ hiểu và dễ theo dõi cho các bác sĩ Những thông số này bao gồm: khoảng cách trung bình (mean distance MD), căn bậc hai khoảng cách trung bình (root mean square distance), vận tốc trung bình (mean velocity), tần số góc trung bình (mean frequency), và tổng quãng đường di chuyển của trọng tâm.
(total path), 95% confident circle area, 95% confident ellipse area, sway area…
Bệnh nhân mắc rối loạn tiền đình thường có xu hướng dao động theo phương ngang, vì vậy tôi đã bổ sung thông số tổng giá trị góc nghiêng theo phương x để đánh giá quá trình thay đổi.
Hầu hết các thông số được tính toán dựa trên các điểm tọa độ mới (X,Y) dựa theo các công thức dưới đây:
Resultant distance (RD): là khoảng cách giữa mỗi điểm (X,Y) tới gốc tọa độ ( , )
RD[n] = [X[n] 2 + Y[n] 2 ] 1/2 , n = 1, ,N Trong đó, N là số điểm của 1 set data được đưa vào đánh giá Trong phần đánh giá này: N = 200
Mean distance: là khoảng cách trung bình từ các điểm trọng tâm tới gốc tọa độ ( , )
Total path: là tổng quãng đường di chuyển của điểm trọng tâm trong quá trình đo
Mean velocity: là vận tốc trung bình của dao động của trọng tâm trong quá trình đo v = Total path / T (8)
95% confidence circle là vòng tròn có bán kính bằng 95% giá trị RD
(9) Trong đó: hệ số z 0.5 =1.645 ,sRD là độ lệch chuẩn của các giá trị RD
95% confidence ellipse area: là elip chứa khoảng 95% các điểm trọng tâm
2 – s xy 2 ] 1/2 (10) Đối với lượng mẫu lớn n>120, F 0.5[2,∞] = 3.00 sRD, sx, sy là độ lệch chuẩn của RD, X, Y s xy là phương sai của X,Y
Sway area: diện tích ước tính được bao quanh bởi đường dẫn các điểm tọa độ theo thời gian
Mean frequency: tần số góc của các điểm trọng tâm dao động quanh điểm gốc tọa độ ( , )
Góc nghiêng của điểm trọng tâm so với trục đứng được tính bằng công thức arcsin((X² + Y²)^(1/2) / h), trong đó h là khoảng cách từ trọng tâm thực của người đến mặt phẳng đo Giá trị của h được xác định là h = 0.543 * chiều cao của nữ và h = 0.56 * chiều cao của nam.
Góc nghiêng theo phương x: là hình chiếu của góc nghiêng xuống mặt phẳng tọa độ (X,Y)
Các bước vận hành thiết bị
Bước 1: Bật công tắc nguồn cho cân, LCD hiển thị: “Xin chào”
• TH2: Dùng nguồn DC: cắm điện
Bước 2: Nhập ID bệnh nhân từ bàn phím, rồi nhấn OK
Bước 3: Nhập chiều cao bệnh nhân, nhấn OK, LCD hiển thị: “Thêm bệnh nhân thành công” + “Sẵn sàng đo?”
Bước 4: Yêu cầu bệnh nhân đứng chân rộng bằng vai và nhắm mắt, nhấn nút Start
Bước 5: LCD đếm ngược 30s, nhấn nút Save để lưu, LCD báo: “Lưu thành công”, nếu không lưu thì ấn Cancel
Bước 6: Lặp lại bước 4,5 với tư thế đứng chụm chân
Bước 7: Sau khi đo xong ấn công tắc nguồn để tắt thiết bị
Kết quả
Dưới đây là các bảng và đồ thị thể hiện kết quả tính toán các thông số của bệnh nhân, cùng với ghi chép quá trình điều trị cho những người bị rối loạn tiền đình Những kết quả này cung cấp cái nhìn tổng quan về tình trạng và tiến triển của bệnh nhân trong quá trình điều trị.
59 được lấy mẫu từ ngày đầu vào viện và ngày cuối ra viện để so sánh với hồ sơ bệnh án của bệnh nhân và đánh giá:
Bảng 4.1 Bảng đồ thị kết quả tính toán các thông số bệnh nhân
Bảng 4.2 Bảng đồ thị đánh giá quá trình điều trị bệnh nhân
Kết quả đo từ bệnh nhân mắc bệnh được so sánh với quá trình điều trị trong bệnh án thực tế, đồng thời tiến hành so sánh với thông số của 50 người không mắc bệnh Thiết bị đo trọng tâm cơ thể được thiết kế có thể hỗ trợ bác sĩ trong việc đánh giá và theo dõi quá trình chẩn đoán và điều trị bệnh cho bệnh nhân tiền đình.
Sau quá trình nghiên cứu và thiết kế, tôi đã phát triển một thiết bị cân đứng giúp các bác sĩ đánh giá và chẩn đoán bệnh cho bệnh nhân mắc hội chứng tiền đình.
Trong quá trình nghiên cứu, Thầy giáo Tiến sĩ Trần Anh Vũ đã hướng dẫn tôi chi tiết các bước cơ bản để thiết kế và thực hiện một đề tài Thầy cũng chia sẻ quy trình xây dựng cần thiết để phát triển sản phẩm, cùng với phương pháp kiểm tra, đánh giá và xử lý lỗi, nhằm tối ưu hóa sản phẩm thiết kế.
Tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện đề tài để ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn, hỗ trợ các bác sĩ trong việc khám và điều trị bệnh Với tính mới mẻ và cấp thiết của đề tài trong lĩnh vực y tế, tôi hy vọng rằng trong tương lai sẽ có nhiều nghiên cứu hữu ích hơn nữa, phục vụ cho công tác chăm sóc sức khỏe của toàn hệ thống y tế.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy giáo Tiến sĩ Trần Anh Vũ và toàn thể các Thầy Cô giáo Bộ môn Điện tử Viễn Thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, vì đã tận tâm truyền đạt những kiến thức quý báu trong thời gian qua.
Xin trân trọng cảm ơn Quý Thầy Cô giáo!
