NỀN TẢNG GIẢI PHẨU HỌC TRONG VẬT LÝ TRỊ LIỆU CHI
Giới thiệu
Chương này giới thiệu về hệ thần kinh con người và thiệt hại do tai biến gây ra Nó sẽ xem xét các phương pháp phục hồi chức năng, đặc biệt là cho chi trên, thông qua công nghệ tiên tiến Đồng thời, chương cũng khám phá các hệ thống phục hồi định hướng sinh học với sự hỗ trợ của học máy Cuối cùng, chương sẽ chỉ ra những hạn chế của các hệ thống hiện tại mà nghiên cứu này hướng tới việc khắc phục.
Tổn thương hoặc thiệt hại trên con đường xung thần kinh có thể gây ra rối loạn thần kinh, dẫn đến những bất thường về cấu trúc, sinh hóa hoặc điện trong não, tủy sống và các dây thần kinh ngoại biên.
Rối loạn thần kinh được chia thành hai loại chính: rối loạn thần kinh trung ương và rối loạn hệ thần kinh ngoại biên (PNS) Rối loạn thần kinh trung ương ảnh hưởng đến não và tủy sống, gây ra bởi chấn thương, nhiễm trùng, thoái hóa, khiếm khuyết cấu trúc, khối u, rối loạn tự miễn và đột quỵ Trong khi đó, rối loạn PNS liên quan đến tổn thương các dây thần kinh do các bệnh hệ thống, thiếu vitamin, chấn thương, bệnh hệ thống miễn dịch hoặc nhiễm virus Đột quỵ (CVA), chấn thương sọ não (TBI) và chấn thương tủy sống (SCI) là những rối loạn thần kinh phổ biến nhất trên toàn thế giới.
Hình 1: Động mạch bình thường và động mạch sơ vữa
2.1.2 Tai biến mạch máu não hoặc đột quỵ Đột quỵ hoặc CVA xảy ra do sự hình thành các mảng bám trong mạch máu Mảng bám được tạo thành từ chất béo, cholesterol, canxi và các chất khác từ máu Nó sẽ kết tủa đến lòng mạch máu và trở nên dày hơn và cứng lại trong một khoảng thời gian, và sau đó nó bắt đầu hạn chế lưu lượng máu như trong Hình 1 (được thông qua từ [25])
Có ba loại đột quỵ chính: (1) đột quỵ do thiếu máu cục bộ, xảy ra khi dòng máu đến não bị gián đoạn do cục máu đông, (2) đột quỵ xuất huyết, khi mạch máu bị vỡ và gây áp lực lên não, và (3) cơn thiếu máu não thoáng qua (TIA), là tình trạng thiếu hụt thần kinh khu trú tạm thời do thiếu máu não.
Trong vòng 24 giờ, việc cung cấp oxy cho não sẽ bị gián đoạn, dẫn đến cái chết của các tế bào não Sự chết của các tế bào này ảnh hưởng đến chức năng não, tùy thuộc vào khu vực bị tổn thương Hình 2 minh họa các loại đột quỵ như đột quỵ thiếu máu cục bộ, đột quỵ xuất huyết và TIA.
Suy giảm vận động sau đột quỵ (CVA) có thể dẫn đến nhiều mức độ tê liệt, do rối loạn tế bào thần kinh vận động trên và dưới Tình trạng này thường đi kèm với chứng tăng phản xạ đồng thời, tùy thuộc vào vị trí não bộ bị ảnh hưởng.
Rối loạn nhận thức là tình trạng chức năng nhận thức bị suy giảm, thường liên quan đến tổn thương ở vỏ não Tình trạng này có thể biểu hiện qua các khiếm khuyết như giảm sự tỉnh táo, khó khăn trong việc chú ý, định hướng, trí nhớ kém và suy yếu chức năng điều hành.
Hình 2: Đột quỵ do tai biến mạch máu não
Phục hồi chức năng là quá trình giúp người bệnh phục hồi hoặc cải thiện các chức năng bị mất do chấn thương hoặc bệnh tật, và quá trình này sẽ bắt đầu ngay khi tình trạng sức khỏe của họ đã ổn định.
Phục hồi chức năng hiệu quả phụ thuộc vào việc đào tạo và tập luyện chuyên sâu, cùng với việc thực hành lặp đi lặp lại các chuyển động chức năng, giúp nạn nhân phát triển kỹ năng vượt qua rào cản trong cuộc sống Tỷ lệ cải thiện tỷ lệ thuận với nỗ lực của bệnh nhân trong quá trình đào tạo, và nỗ lực này được tối ưu hóa thông qua phương pháp phục hồi chức năng truyền thống của nhà trị liệu Để đạt được kết quả phục hồi thành công, sự chú ý một-một giữa bệnh nhân và nhà trị liệu là điều cần thiết, và đây là phương pháp phổ biến tại hầu hết các cơ sở phục hồi chức năng hiện nay.
Giải phẫu học hệ thống xương khớp ở các chi
Hình 3: Số bậc tư do của các chi trên và dưới trong quan niệm của cơ học y x z y x
Vị trí hệ trục tham chiếu khớp vai Chuyển động quay quanh trục y x y z y z
Chuyển động quay quanh trục x Chuyển động quay quanh trục z
Hình 4: Gắn hệ trục tọa độ lên người
Thiết bị tập phục hồi chức năng cổ tay và cẳng tay có 3 chức năng chính như sau:
Phần cơ khí được thiết kế với 2 bậc tự do, cho phép thực hiện các chuyển động co - duỗi của cổ tay và xoay cẳng tay Các chuyển động này bao gồm: a) Duỗi cổ tay, b) Co cổ tay, và c) Xoay cẳng tay.
Hình 5: chuyển động khớp cổ tay
Thiết bị được trang bị cảm biến vị trí và cảm biến lực, cho phép xác định đồng thời góc xoay và lực tác động của người tập, cùng với thời gian phản hồi các thông số này Dữ liệu luyện tập sẽ được lưu trữ và hiển thị một cách trực quan dưới dạng biểu đồ.
Thiết bị kết nối trực tiếp với bác sĩ qua ứng dụng điện thoại, giúp bác sĩ theo dõi bệnh nhân tại nhà một cách thuận tiện Điều này cho phép bác sĩ đưa ra những quyết định điều trị phù hợp và kịp thời trong quá trình luyện tập của bệnh nhân.
Lý thuyết về vận động
Các cơ vùng cánh tay
Cơ vùng cánh tay được phân chia thành hai khu vực chính: cánh tay trước và cánh tay sau Vùng cánh tay trước bao gồm ba cơ chính, được sắp xếp thành hai lớp: cơ nhị đầu cánh tay, cơ quạ cánh tay và cơ cánh tay, tất cả đều được điều khiển bởi thần kinh cơ bì.
Có tác dụng gấp cẳng tay là chính Bó cơ vùng cánh tay sau là cơ tam đầu cánh tay
Cơ tay gồm ba đầu nguyên ủy nằm ở ổ chao xương vai và mặt sau xương cánh tay, bám tận ở mỏm khuỷu, do dây thần kinh quay chi phối và có nhiệm vụ duỗi cẳng tay Khớp khuỷu nối cẳng tay với cánh tay, bao gồm các vùng phía trên và dưới nếp khuỷu ba khoát ngón tay: vùng khuỷu trước, vùng khuỷu sau và khớp khuỷu chính giữa Tại vùng khuỷu trước, ba toán cơ tạo nên hố khuỷu: toán cơ mỏm trên lồi cầu trong, toán cơ mỏm trên lồi cầu ngoài và toán cơ giữa, gồm phần dưới cơ cánh tay và cơ nhị đầu cánh tay Ba toán cơ này tạo ra hai rãnh: rãnh nhị đầu ngoài và rãnh nhị đầu trong, cách nhau bởi cơ nhị đầu, với hai rãnh gặp nhau ở phía dưới tạo thành hình chữ V, nơi có mạch máu và dây thần kinh đi qua.
Các cơ cẳng tay
Cẳng tay là phần cơ thể nằm giữa khuỷu tay và cổ tay, được giới hạn từ đường thẳng ngang dưới nếp gấp khuỷu ba khoát ngón tay đến nếp gấp xa nhất ở cổ tay Cẳng tay được chia thành hai vùng: vùng cẳng tay trước và vùng cẳng tay sau, được ngăn cách bởi xương quay, xương trụ và màng gian cốt.
Hình 6: Các cơ cẳng tay (tay trái); (A) Nhìn trước; (B) Nhìn sau (1 Cơ gan tay dài; 2
Cơ cánh tay; 3 Cơ cánh tay quay; 4 Cơ ngữa; 5 Cơ gấp cổ tay quay; 6 Cơ khuỷu; 7
Cơ cổ tay trụ; 8 Gân cơ duỗi chung các ngón)
Vùng cẳng tay trước
Các cơ vùng cẳng tay trước bao gồm 8 cơ, chủ yếu thực hiện động tác gấp ngón tay và bàn tay, cũng như sấp bàn tay Hầu hết các cơ này được chi phối bởi dây thần kinh giữa, ngoại trừ cơ gấp cổ tay trụ và hai bó trong của cơ gấp các ngón tay sâu, do thần kinh trụ điều khiển Các cơ này được phân chia thành ba lớp: lớp nông gồm cơ gấp cổ tay trụ, cơ gan tay dài, cơ gấp cổ tay quay và cơ sấp tròn; lớp giữa chứa cơ gấp các ngón nông; và lớp sâu bao gồm cơ gấp các ngón sâu, cơ gấp ngón cái dài và cơ sấp vuông.
Vùng cẳng tay sau
Các cơ vùng cẳng tay sau được chia thành hai lớp Lớp nông bao gồm hai nhóm: nhóm ngoài với cơ cánh tay quay, cơ duỗi cổ tay quay dài và ngắn; nhóm sau gồm cơ duỗi các ngón, cơ duỗi ngón út, cơ duỗi cổ tay trụ và cơ khuỷu Lớp sâu gồm cơ dạng ngón cái dài, cơ duỗi ngón cái ngắn, cơ duỗi ngón cái dài, cơ duỗi ngón trỏ và cơ ngữa Thần kinh quay là dây thần kinh chi phối cho các cơ vùng cẳng tay sau, có nhiệm vụ ngửa bàn tay và duỗi các ngón tay.
Bàn tay được chia thành hai phần chính: gan tay và mu tay, với giới hạn từ nếp gấp cổ tay đến đầu các ngón tay Các cơ bàn tay bao gồm cơ mô cái, cơ mô út, cơ gian cốt mu tay và gan tay, cùng với cơ giun Những cơ này được điều khiển bởi dây thần kinh giữa và dây thần kinh trụ, đảm bảo các hoạt động vận động của bàn tay.
Bảng 1: Chức năng vận động của các nhóm bó cơ tay
STT Bó cơ Chức năng vận động
1 Cơ ngực lớn Xoay thân mình và cánh tay
2 Cơ ngực bé Nâng lồng ngực (hít vào) khi xương vai cố định
3 Cơ dưới đòn Kéo xương đòn xuống dưới và nâng lồng ngực
4 Cơ răng trước Xoay xương vai lên trên
5 Cơ delta Dạng cánh tay, gấp cánh tay, duổi cánh tay
6 Cơ bả vai Dạng, duổi cánh tay, xoay ngoài, khép cánh tay
7 Cơ dưới vai Xoay trong cánh tay dưới khớp vai
8 Vùng cánh tay dưới Gấp cẳng tay tại khuỷu, ngữa cằng tay tại khớp quay, gấp cánh tay tại khớp vao
9 Cơ cánh tay trước Gấp cẳng tay
10 Cơ cánh tay sau Duỗi cảng tay, duỗi khớp vai
11 Cơ cẳng tay (vùng trước trong)
Sấp cằng tay, sấp nhẹ cằng tay, gấp sấp bàn tay,
12 Khu cẳng tay Gấp cằng tay, ngữa cằng tay, nghiêng bàn tay
Vùng mông chứa nhiều mạch máu và thần kinh quan trọng từ chậu hông xuống chi dưới Các cơ ở vùng mông được chia thành hai nhóm với chức năng khác nhau Nhóm cơ chậu mấu chuyển bao gồm cơ căng mạc đùi, cơ mông lớn, cơ mông nhỡ, cơ mông bé và cơ hình lê, có vai trò duỗi, dạng và xoay đùi Trong khi đó, nhóm cơ ụ ngồi xương mu mấu chuyển gồm cơ bịt trong, cơ sinh đôi, cơ vuông đùi và cơ bịt ngoài, chủ yếu thực hiện động tác xoay ngoài đùi.
Cơ vùng đùi được giới hạn bởi nếp lằn bẹn ở phía trên và lớp lằn mông ở phía dưới, với đường ngang trên nền xương bánh chè cách khoảng 3 khoát ngón tay Vùng đùi được chia thành hai khu: khu cơ trước và khu cơ trong Khu cơ trước bao gồm cơ tứ đầu đùi, cơ may và cơ thắt lưng chậu, chủ yếu do dây thần kinh đùi chi phối, với chức năng duỗi cẳng chân và gấp đùi (đặc biệt là cơ thẳng đùi) Khu cơ trong, hay còn gọi là khu khép đùi, bao gồm cơ lược, cơ thon và ba cơ khép (khép dài, khép ngắn, khép lớn), có nhiệm vụ khép đùi và được chi phối bởi dây thần kinh bịt.
Hình 7: Các cơ vùng mông (1 và 6 Cơ mông lớn; 2 Cơ hình lê; 3 Cơ mông nhỡ;
4 Cơ mông bé; 5 Cơ bịt trong và hai cơ sinh đôi; 7 Cơ vuông đùi)
Các cơ vùng đùi sau
Cơ vùng đùi sau gồm ba cơ chính: cơ bán màng, cơ bán gân và cơ nhị đầu đùi, có chức năng duỗi đùi và gấp cẳng chân Các cơ này được chi phối bởi các nhánh của dây thần kinh ngồi Hố khoeo, nằm phía sau khớp gối, là một hố hình trám chứa bó mạch và thần kinh vùng khoeo, bao gồm thần kinh chày, động mạch khoeo, tĩnh mạch khoeo cùng một số mạch máu và thần kinh khác Trong hố khoeo còn có các nốt bạch huyết nông và hai dây thần kinh bì bắp chân, một từ dây thần kinh chày và một từ thần kinh mác chung Tĩnh mạch hiển bé, một tĩnh mạch nông, từ cung tĩnh mạch mu chân đi lên khoeo và sau đó đổ vào tĩnh mạch kheo, thường liên quan đến tình trạng giãn tĩnh mạch.
Hình 8 mô tả các cơ vùng đùi bao gồm: cơ thắt lưng chậu, cơ may, cơ tứ đầu, cơ khép dài, cơ lược, cơ khép ngắn, cơ khép lớn, cơ bán gân và cơ bán màng Những cơ này đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ chuyển động và duy trì sự ổn định của cơ thể.
Các cơ vùng cẳng chân
Cẳng chân được giới hạn phía trên bởi đường vòng qua dưới lồi củ chày và phía dưới bởi đường vòng qua hai mắt cá Khu vực này bao gồm hai vùng cơ khác nhau, mỗi vùng đóng vai trò quan trọng trong chức năng vận động của chân.
Các cơ vùng cẳng chân trước
Dây thần kinh mác chung có vai trò quan trọng trong việc điều khiển vận động của chân, bao gồm duỗi ngón chân, xoay ngoài bàn chân và gấp mu bàn chân Các cơ liên quan được chia thành hai khu vực: khu cơ trước, được chi phối bởi dây thần kinh mác sâu, bao gồm cơ chày trước, cơ duỗi ngón cái dài, cơ duỗi các ngón chân dài và cơ mác ba; và khu cơ ngoài, gồm hai cơ là cơ mác dài và cơ mác ngắn, được chi phối bởi dây thần kinh mác nông.
Các cơ vùng cẳng chân sau
Dây thần kinh chày chịu trách nhiệm chính trong việc điều khiển các chuyển động như gấp ngón chân, gấp gan bàn chân và xoay trong bàn chân Các cơ trong khu vực này được phân chia thành hai lớp bởi mạc cẳng chân sâu: lớp nông bao gồm cơ tam đầu cẳng chân và cơ gan chân, trong khi lớp sâu chứa các cơ khoeo, cơ gấp ngón cái dài, cơ chày sau và cơ gấp các ngón chân dài.
Bàn chân bao gồm phần từ mắt cá đến đầu ngón chân, được chia thành gan chân và mu chân Cấu trúc của bàn chân chứa các cơ quan quan trọng như cơ mu chân và gan chân.
Hình 9: Các cơ vùng cẳng chân
(1 Cơ chày trước; 2 Cơ duỗi các ngón dài; 3 Cơ duỗi dài ngón cái; 4 Cơ tam đầu;
5 Cơ mác dài; 6 Cơ mác ba).
Các nguyên nhân gây mất khả năng vận động các chi
Liệt nửa người hay đột quỵ là tình trạng giảm chức năng đột ngột của nửa cơ thể do tổn thương động mạch não, thường gây ra di chứng nặng nề và ảnh hưởng đến sức khỏe lao động cũng như đời sống của bệnh nhân và gia đình họ Tỉ lệ tử vong do tai biến mạch máu não vẫn cao, với triệu chứng điển hình là liệt một tay, một chân và thân cùng bên, có thể kèm theo liệt mặt Các nguyên nhân gây tổn thương tai biến mạch máu não cần được nhận diện để có biện pháp phòng ngừa hiệu quả.
Nhồi máu não, chiếm 80% trong các trường hợp tai biến mạch máu não, xảy ra do thiếu máu não cục bộ khi một mạch máu bị tắc nghẽn Kết quả là khu vực não mà mạch máu đó cung cấp bị thiếu máu và dẫn đến hoại tử.
- Xuất huyết (chảy máu) não chiếm 20% trong tai biến mạch máu não: Máu thoát ra khỏi thành mạch chảy vào nhu mô não
- Các nguyên nhân khác: Bại não, viêm não, viêm màng não, chấn thương sọ não, vỡ phình mạch não, bệnh tim mạch, u não…
Triệu chứng của bệnh tùy theo nguyên nhân liệt nửa người, các triệu chứng có thể biểu hiện ở các mức độ liệt nặng nhẹ khác nhau Bao gồm:
Liệt là tình trạng mất khả năng vận động ở một tay hoặc một chân cùng bên, có thể kèm theo liệt mặt cùng bên hoặc đối bên Ban đầu, liệt thường ở dạng mềm, sau đó chuyển sang dạng cứng do tổn thương ở hệ thống thần kinh trung ương, dẫn đến tăng trương lực cơ, phản xạ gân xương và cảm giác Trong giai đoạn hồi phục, mẫu co cứng thường xuất hiện, thể hiện qua hiện tượng co cứng gấp ở chi trên và co cứng duỗi ở chi dưới.
Rối loạn cảm giác có thể biểu hiện bằng tê, đau, rát, hoặc giảm mất cảm giác ở bên liệt Bên cạnh đó, rối loạn tri giác có thể dẫn đến hôn mê, vật vã hoặc kích thích Rối loạn tâm thần có thể xảy ra sau khi bị bệnh, với biểu hiện có hoặc không Rối loạn ngôn ngữ phụ thuộc vào vùng não bị tổn thương, có thể gây ra thất ngôn, nói khó, nói ngọng, hoặc mất khả năng hiểu và diễn đạt ngôn ngữ Cuối cùng, rối loạn thị giác có thể gây ra bán manh, tức là mất một nửa thị trường ở một hoặc hai mắt.
Bất động lâu dài có thể dẫn đến nhiều hậu quả nghiêm trọng, bao gồm các thương tật thứ cấp như loét do đè ép, teo cơ, cứng khớp, cốt hóa lạc chỗ, huyết khối tĩnh mạch, bội nhiễm phổi và nhiễm trùng đường tiết niệu.
Mẫu co cứng thường gặp bao gồm nhiều đặc điểm như: đầu nghiêng sang bên liệt và mặt quay sang bên lành; chi trên co cứng gấp với xương bả vai bị kéo ra sau, đai vai bị đẩy xuống dưới, khớp vai khép và xoay trong, khớp khuỷu gấp, cẳng tay quay sấp, khớp cổ tay gấp mặt lòng hơi nghiêng về phía xương trụ, các ngón tay gấp và khép, cùng với thân mình bị co ngắn và kéo ra sau Đối với chi dưới, co cứng duỗi thể hiện qua hông bị kéo lên trên và ra sau, khớp háng duỗi, khép và xoay trong, khớp gối và khớp cổ chân duỗi, các ngón chân khép và bàn chân nghiêng vào trong.
Trong quá trình phục hồi chức năng, việc phòng ngừa co cứng là rất quan trọng Sử dụng các kỹ thuật cơ bản và thực hiện các bài tập phù hợp giúp chống lại hiện tượng co cứng, từ đó cải thiện khả năng vận động và nâng cao chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.
Các phương pháp phục hồi chức năng các chi
Phục hồi chức năng sau đột quỵ cần được bắt đầu sớm, lý tưởng là sau 24 giờ để đạt hiệu quả tốt nhất Mỗi giai đoạn phục hồi yêu cầu kỹ thuật phù hợp với tình trạng cụ thể của bệnh nhân Trong quá trình tập luyện, cần chú ý đến toàn bộ cơ thể, thực hiện các bài tập vận động cân xứng và không sử dụng bên lành để bù đắp cho bên bị liệt Việc khôi phục trương lực cơ gần như bình thường là cần thiết trước khi thực hiện các động tác Người bệnh nên được hướng dẫn thực hiện các bài tập tương tự như trước khi bị liệt, sử dụng các kỹ thuật và dụng cụ hỗ trợ phù hợp với sinh hoạt hàng ngày Phương pháp điều trị vận động cưỡng bức bên tay bị liệt (CIMT) đã chứng minh hiệu quả trong việc phục hồi chức năng sau tai biến mạch máu não.
Liệu pháp luyện tập cưỡng bức, hay còn gọi là kỹ thuật vận động cưỡng bức tay bên liệt, được thiết kế để ép buộc cánh tay bị liệt hoạt động tối đa, nhằm kích thích và tác động tích cực đến các tế bào thần kinh Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng kỹ thuật này có thể giúp những người bị đột quỵ nhẹ đến vừa phục hồi khả năng sử dụng cánh tay liệt Để đạt được hiệu quả, quá trình luyện tập cần kéo dài ít nhất 2 năm, trong đó người bệnh cần hạn chế sử dụng tay không bị liệt và cho phép cánh tay liệt hoạt động tối đa 6 giờ mỗi ngày.
Sử dụng gương trong phục hồi chức năng bàn tay là một phương pháp hiệu quả, đặc biệt cho những người bị liệt sau tai biến Bằng cách đặt một tấm gương giữa hai bàn tay, bệnh nhân có thể che bàn tay bị liệt phía sau gương và đặt bàn tay không bị liệt phía trước Khi soi vào gương và thực hiện các động tác co duỗi linh hoạt, hình ảnh phản chiếu sẽ "đánh lừa" bộ não, khiến nó tin rằng cả hai tay đều đang hoạt động Phương pháp này giúp cải thiện khả năng vận động cho những người có suy giảm nghiêm trọng.
Hình 10: Phương pháp sử dụng gương để điều trị phục hồi tay.
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
Cơ sở lý thuyết phân tích hệ thống
Đối với bệnh nhân bị bại liệt do tai biến hoặc tai nạn, việc tập vật lý trị liệu là rất cần thiết để phục hồi chức năng Giai đoạn đầu, người bệnh cần phục hồi chức năng khớp, sau đó là chức năng cơ để có thể di chuyển Các bài tập vật lý trị liệu cần đáp ứng được các chuyển động của khớp trên cơ thể, do đó yêu cầu trang thiết bị đa dạng cho từng bài tập Để tối ưu hóa không gian và chức năng, cần có sản phẩm tích hợp tất cả các chức năng mà không làm giảm chất lượng bài tập Cấu trúc tay quay và chân đạp giúp tăng cường tính linh hoạt cho các khớp cổ tay, cẳng tay, bả vai, hông, đầu gối và cổ chân, đảm bảo khả năng vận động tối đa Vì lý do này, chúng tôi đã chọn cơ cấu tay quay và chân đạp cho thiết bị tập vật lý trị liệu.
Nghiên cứu trước đây đã kiểm tra khái niệm về hệ thống quay tay và đạp chân, nhằm tập luyện tất cả các bó cơ tay và chân trong khi ngồi mà không tác động lên chân Hệ thống sử dụng truyền động liên kết cho phép điều chỉnh lực tác động thông qua giá trị có thể điều chỉnh Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một hệ thống phục hồi chức năng cho chi trên và chi dưới, yêu cầu một mô hình không tác động lên chân để cơ thể được đặt trên ghế Kích thước của bánh quay tay và đạp chân sẽ được xác định bởi khoảng quay của các khớp.
Đề xuất mô hình vật lý trị liệu cho chi
Hình 11: Mô hình khâu và khớp của cơ tay người
Hệ thống tập luyện cần đảm bảo rằng tất cả các nhóm cơ đều được vận động đầy đủ Cánh tay có tổng cộng 7 bậc tự do, bao gồm 3 bậc tại khớp vai, 1 bậc tại khớp cùi trỏ và 3 bậc tại khớp cổ tay Để cánh tay hoạt động hiệu quả, tất cả các khớp cần được tập luyện và hồi phục đúng cách.
Hình 12: Số bậc tự do tay và khớp cổ tay
Người bệnh sau tai biến mạch máu não thường chỉ có thể ngồi hoặc nằm do cơ xương cứng Nghiên cứu này triển khai cho người bệnh ngồi để tập luyện, với các bài tập đảm bảo khoảng hoạt động khớp không quá lớn và chuyển động đơn giản, giúp người bệnh dễ dàng thực hiện Điều này tạo động lực để họ tăng cường vận động trong quá trình tập luyện Ngoài ra, cần cho các chi hoạt động có đôi, với chi yếu được hỗ trợ bởi chi còn lại để nâng cao hiệu quả tập luyện.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát triển một hệ thống tập luyện sử dụng nền tảng quay đĩa bằng tay và chân, cho phép điều chỉnh moment quay tùy theo mức độ bệnh Hệ thống này nhằm tăng cường độ khó và nặng trong quá trình tập luyện, giúp người dùng cải thiện sức khỏe và thể lực Cấu trúc của hệ thống tập luyện được trình bày trong hình 18.
3.3 Tổng quan về hệ thống cơ khí dùng trong phục hồi chức năng chi
Dựa trên kết quả nghiên cứu về mối quan hệ giữa kích thước bàn tay và nhân trắc học con người tại Việt Nam, phần cơ khí của máy đã được thiết kế và nghiên cứu kỹ lưỡng Việc này nhằm lựa chọn kích thước tối ưu cho từng bộ phận và chi tiết máy, đảm bảo sự thoải mái và thuận tiện nhất cho người sử dụng.
Hình: Tính toán, thiết kế bộ phận trục quay trên
Hình 13: Ảnh chụp thực tế người sử dụng trục quay trên
Dựa trên kết quả nghiên cứu và khảo sát thực tế, khoảng cách xa nhất từ vai đến lòng bàn tay được xác định là 565 – 610 mm, trong khi khoảng cách tối thiểu khi sử dụng trục quay trên là 243 – 288 mm Từ đó, đường kính trục quay được tính toán là 318-322 mm Để thuận tiện cho việc thi công và chế tạo, tôi đã chọn chiều dài của mỗi cánh tay đòn là 160 mm, được làm bằng kim loại dạng khối hình chữ nhật với kích thước nhỏ nhất là 10x20 mm, đảm bảo độ bền cho bộ phận.
Tính toán thiết kế bộ phận trục tay dưới
Trạng thái duỗi (khoảng cách lớn nhất từ hông đến lòng bàn chân khi sử dụng máy): Khoảng cách trung bình từ đầu gối đến lòng bàn chân:
Với góc α trung bình theo thực nghiệm là 110
Khoảng cách trung bình từ hông đến lòng bàn chân:
Với góc α1 trung bình theo thực nghiệm là 170
Trạng thái co (khoảng cách nhỏ nhất từ hông đến lòng bàn chân khi sử dụng máy): Khoảng cách trung bình từ hông đến cổ chân:
Hình 14: Ảnh chụp thực tế người sử dụng trục quay dưới
Với góc 𝜷 trung bình theo thực nghiệm là 80
Khoảng cách trung bình từ hông đến lòng bàn chân:
Với góc β1 trung bình theo thực nghiệm là 170
Theo góc lệch trung bình giữa hai chân theo phương ngang khoảng 15~20 độ, tôi tính toán được đường kính trục quay dao động từ 395 đến 339 mm Kích thước 320 mm nằm trong khoảng này, vì vậy tôi quyết định chọn kích thước đường kính trục quay dưới là 320 mm.
320 mm để đồng bộ với kích thước trục quay trên, thuận tiện trong chế tạo
Các bộ phận của máy được thiết kế tối ưu để tiết kiệm diện tích và dễ dàng vận chuyển, mang lại tính linh hoạt trong quá trình sử dụng Người dùng có thể điều chỉnh khoảng cách, kích thước và độ ma sát của trục quay phù hợp với cơ địa cá nhân, từ đó dễ dàng phân chia cấp độ luyện tập Điều này giúp nhanh chóng cải thiện và phục hồi chức năng của khớp và cơ.
Hình 15: Góc lệch giữa 2 chân theo phương ngang
Hình 16: Thanh điều chỉnh khoảng cách
3.4 Phân tích bài toán động học cơ hệ
Cánh tay con người là một cấu trúc phức tạp bao gồm xương, cơ bắp và mô mềm, với nhiều bậc tự do khó mô hình hóa Để thiết kế hệ thống tập luyện vật lý trị liệu, cần xác định cấu hình vật lý cùng số khâu và khớp phù hợp Mô hình cánh tay được xây dựng bằng các liên kết cứng và khớp xoay tròn, bỏ qua các nhóm bó cơ và mô mềm Mô hình này có 7 bậc tự do (DOF), bao gồm 3 khớp ở vai, 1 ở khuỷu tay và 3 ở cổ tay, đủ để đại diện cho chuyển động và động lực của chi trên con người.
Hình 17: Các hệ trục được gắn vào cánh tay, sơ đồ góc quay ở vị trí khớp cùi trỏ
Mô hình cánh tay người bệnh với 7 DOF cho phép xác định vị trí và hướng của tay, trong khi tay người chỉ cần 6 DOF để hoạt động Các giá trị góc quay giúp xác định vị trí của khủy tay hoặc bàn tay, từ đó có thể tính toán vị trí của khớp thông qua quỹ đạo tiếp cận với một điểm cụ thể ở bàn tay.
Mô hình động học của tay người sử dụng 8 hệ trục theo phương pháp Denavit-Hartenberg, bao gồm 1 hệ trục cố định tham chiếu toàn cục tại tâm vai và 7 hệ trục tham chiếu cục bộ cho mỗi khớp Ánh xạ giữa không gian khớp và không gian tác vụ có thể được xác định thông qua mô hình động học của hệ thống Để xác định vị trí tay người, cần giải bài toán động học thuận nhằm tìm giá trị biến khớp dựa trên vị trí và góc quay của tay Ngược lại, bài toán động học nghịch được sử dụng để xác định vị trí và hướng tay gắp khi các vị trí khớp đã được xác định trước.
Hình 18: Mô hình thiết bị tập vật lý trị liệu cho bệnh nhân sau tai biến mạch máu não
3.5 Phân tích bài toán động lực học
Mô hình động học của cánh tay người được mô tả gồm 7 khớp xoay bản lề, trong đó khớp đầu tiên có 3 chuyển động trực giao Ba khớp này được nối tiếp với nhau, trong khi khớp thứ tư là khuỷu tay và ba khớp cuối cùng nằm ở cổ tay, được xem như khớp cầu Phương pháp Denavit-Hartenberg được áp dụng để xác định bài toán động học thuận, với các hệ trục và tham số được trình bày rõ ràng trong hình 4 và Bảng 2.
Bảng 2: Tham số Denevit-Hartenberg
Các tham số Denavit-Hartenberg cho mô hình động học được trình bày trong bảng Độ dài các khâu L1 và L2 tương ứng với cánh tay trên và dưới Các góc quay của khớp được thiết lập trong khoảng quay phù hợp với phạm vi chung của chi trên con người, trong khi các điểm kỳ dị được đặt ngoài không gian làm việc có thể đạt tới của cánh tay Hệ trục khung liên kết và các tham số liên kết đã được xác định, và ma trận chuyển vị đồng nhất giữa các hệ trục được tính toán theo quy trình cụ thể.
Ma trận Jacobi thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc khớp và vận tốc của hệ trục tọa độ đặt ở lòng bàn tay Theo giải thuật, khi ma trận Jacobi của cánh tay người có 6 hàng và 7 cột, sẽ tồn tại ít nhất một vectơ q’n thỏa mãn điều kiện n 0.
Lời giải của phương trình này là một không gian vectơ Khi ma trận Jacobi là ma trận vuông, kích thước của không gian thiếu là 0 x R y R z R
Hình 19: Mô hình giữa cơ hệ các chi người và hệ thống tập vật lý trị liệu
Trong quá trình hoạt động trị liệu, thân người được coi là không di chuyển Điểm tham chiếu để tính toán các thông số là hệ trục tọa độ trên ghế ngồi cố định của người cần trị liệu, có thể xác định dựa vào nhân trắc học Quỹ đạo chuyển động của bàn tay có hình tròn, với phương trình tham số được xác định cụ thể.
Quỹ đạo di chuyển của bàn chân cũng phải tuân thủ theo đường trong với phương trình tham số như sau:
Bài toán động học nghịch
Trong bài toán động học thuận với 7 biến khớp của tay, chỉ có 6 tham số đã biết, bao gồm 3 tham số vị trí và 3 tham số hướng, do đó cần thêm một điều kiện khống chế Điều kiện này là vị trí của cùi trỏ Khi xác định vị trí của cổ tay (Pw), cùi trỏ (Pe) và bả vai (Ps), chúng ta có thể tính toán góc θ4 theo công thức cụ thể.
Phân tích bài toán động học cơ hệ
Cánh tay con người là một cấu trúc phức tạp bao gồm xương, cơ bắp và mô mềm, với nhiều bậc tự do khó mô hình hóa Để thiết kế hệ thống tập luyện vật lý trị liệu, cần xác định cấu hình vật lý, số khâu và số khớp phù hợp Mô hình cánh tay được xây dựng bằng cách sử dụng các liên kết cứng và khớp xoay tròn, bỏ qua các nhóm bó cơ và mô mềm Mô hình này có 7 bậc tự do (DOF), bao gồm 3 khớp ở vai, 1 ở khuỷu tay và 3 ở cổ tay, đủ để đại diện cho chuyển động và động lực của chi trên con người.
Hình 17: Các hệ trục được gắn vào cánh tay, sơ đồ góc quay ở vị trí khớp cùi trỏ
Mô hình cánh tay người bệnh có 7 DOF, trong khi tay người chỉ cần 6 DOF để hoạt động và thao tác Điều này cho thấy rằng vị trí và hướng của bàn tay có nhiều phương pháp giải khác nhau Các giá trị góc quay giúp xác định vị trí của khuỷu tay và bàn tay Nhờ đó, một điểm trên bàn tay có thể được sử dụng như tham số để tính toán vị trí của khớp thông qua quỹ đạo tiếp cận.
Mô hình động học của tay người sử dụng 8 hệ trục theo phương pháp Denavit-Hartenberg, bao gồm 1 hệ trục cố định tham chiếu toàn cục và 7 hệ trục tham chiếu cục bộ cho từng khớp Hệ trục cố định này được đặt ở tâm vai trong quá trình vật lý trị liệu Ánh xạ giữa không gian khớp và không gian tác vụ có thể được xác định thông qua mô hình động học của hệ thống Để xác định vị trí tay người, cần giải bài toán động học thuận nhằm tìm các giá trị biến khớp dựa trên vị trí và góc quay của tay Ngược lại, bài toán động học nghịch sẽ xác định trước các vị trí khớp để tìm vị trí và hướng của tay gắp.
Hình 18: Mô hình thiết bị tập vật lý trị liệu cho bệnh nhân sau tai biến mạch máu não.
Phân tích bài toán động lực học
Mô hình động học của cánh tay người bao gồm 7 khớp xoay bản lề, với khớp đầu tiên có 3 chuyển động trực giao nối tiếp nhau Khớp thứ tư là khuỷu tay, trong khi ba khớp cuối cùng nằm ở cổ tay, được xem như khớp cầu Để xác định bài toán động học thuận, phương pháp Denavit-Hartenberg được áp dụng, với các hệ trục và tham số được trình bày trong hình 4 và Bảng 2.
Bảng 2: Tham số Denevit-Hartenberg
Các tham số Denavit-Hartenberg trong mô hình động học được trình bày trong bảng, trong đó L1 và L2 biểu thị độ dài của các khâu cánh tay trên và dưới Các góc quay của khớp được thiết lập để phù hợp với phạm vi chuyển động chung của chi trên con người, với các điểm kỳ dị được đặt ngoài không gian làm việc khả thi của cánh tay Hệ trục khung liên kết và các tham số liên kết đã được xác định rõ ràng Ma trận chuyển vị đồng nhất giữa các hệ trục được tính toán theo quy trình cụ thể.
Ma trận Jacobi thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc khớp θ’ và vận tốc hệ trục tọa độ đặt ở lòng bàn tay theo thuật toán Khi ma trận Jacobi của cánh tay người có kích thước 6 hàng và 7 cột, sẽ tồn tại ít nhất một vectơ q’n thỏa mãn điều kiện n = 0.
Lời giải của phương trình này là một không gian vectơ Khi ma trận Jacobi là ma trận vuông, kích thước của không gian thiếu là 0 x R y R z R
Hình 19: Mô hình giữa cơ hệ các chi người và hệ thống tập vật lý trị liệu
Trong quá trình hoạt động trị liệu, thân người được xem là không di chuyển, và điểm tham chiếu để tính toán các thông số là hệ trục tham chiếu toán học được đặt trên ghế ngồi cố định của người cần trị liệu Vị trí này có thể xác định dựa trên nhân trắc học của từng cá nhân Quỹ đạo chuyển động của bàn tay được mô tả bằng hình tròn với phương trình tham số tương ứng.
Quỹ đạo di chuyển của bàn chân cũng phải tuân thủ theo đường trong với phương trình tham số như sau:
Bài toán động học nghịch
Từ bài toán động học thuận với 7 biến khớp của tay, chỉ có 6 tham số đã biết bao gồm 3 tham số vị trí và 3 tham số hướng, do đó cần thêm một điều kiện khống chế Điều kiện này là vị trí của cùi trỏ Như vậy, với vị trí của cổ tay (Pw), cùi trỏ (Pe), và bả vai (Ps), chúng ta có thể xác định góc θ4 thông qua công thức sau:
Khi biết chiều dài cánh tay trên (L1) và cánh tay dưới (L2), cùng với giá trị của 4 và ma trận chuyển vị từ hệ trục 3 tới 4, chúng ta có khả năng giải quyết được giá trị của 1.
2 dựa trên vị trí của cùi trỏ
Để xác định góc 3, ta có thể sử dụng phương trình chuyển vị toàn bộ cánh tay và nhân với ma trận chuyển vị nghịch đảo của 0 T1 và 1 T2 Kết quả sẽ cho phép tìm ra vị trí theo trục x của cổ tay.
Góc 5, 6, 7 được tính từ chuyển vị thuần nhất xác định bởi ma trận biểu diễn sự chuyển vị từ khớp cổ tay so với khớp cùi trỏ 4 T7 Để giải bài toán này, ta cần nhân ma trận chuyển vị tổng thể với các ma trận nghịch đảo của 0 T1 và 1 T2.
2T3 Góc khớp 6 có thể được tìm từ phần tử rw23 và sau đó có thể tìm được 5 và 7 có thể tìm được từ rw13 và rw22
[4] L Sciavicco and B Siciliano, Modelling and Control of Robot Manipulators Springer-Verlag Advanced Textbooks in Control and Signal Processing Series, 2000
Lực đẩy của tay người, ký hiệu là F, tạo với mặt phẳng nằm ngang một góc α Lực F này có thể được phân tách thành hai thành phần: Fn, lực theo hướng pháp tuyến, và Ft, lực theo hướng tiếp tuyến.
Áp lực từ lớp cao su bó căng vành trị xoay được xác định là p, trong khi diện tích tiếp xúc giữa lớp cao su và vành trụ được tính toán dựa trên các yếu tố liên quan.
Trong vật lý trị liệu, moment của lực ma sát cản trở chuyển động được tính dựa vào góc vành cung tiếp xúc giữa vành ma sát và hình trụ quay (β), bán kính của bánh trụ (R) và chiều rộng lớp tiếp xúc giữa lớp cao su và hình trụ (t).
Trong đó có N là phản lực phân bố tiếp xúc trên bề mặt S khi góc bó là
Lực F do tay người tạo ra hợp với mặt phẳng ngang một góc , góc này thay đổi tùy vào vị trí tay cầm Lực F được chia thành hai thành phần: lực pháp tuyến Fn và lực tiếp tuyến Ft Lực pháp tuyến không gây ra chuyển động vòng quay, trong khi lực tiếp tuyến là yếu tố chính tạo ra chuyển động mà người tập vật lý trị liệu mong muốn Để xác định lực Ft cần thiết để quay bánh xe, ta sử dụng công thức cos 2.
Moment tạo ra bới lực tiếp tuyến M được xác định như sau:
Như vậy thì moment M này phải lớn hơn moment ma sát Mf để có thể tạo ra chuyển động cho việc tập vật lý trị liệu như sau:
Điểm O tại khớp vai được coi là cố định trong quá trình vận động vật lý trị liệu Khi tay nắm của bệnh nhân gắn chặt vào tay quay, các góc quay của 7 bậc tự do sẽ thay đổi theo quỹ đạo hình tròn với tâm tại (x01, y01, z01) và bán kính R1 Để tính toán dễ dàng, tam giác OAB được giả định nằm trên mặt phẳng, và góc được xác định là góc giữa hai mặt phẳng OAB và mặt phẳng nằm ngang Với tọa độ O là (xO, yO, zO) và B là (xB, yB, zB), góc được tính bằng công thức arctan B O.
Tay quay sẽ chuyển động theo quỹ đạo hình tròn với tâm tại tọa độ (x01, y01, z01) và bán kính R1 Phương trình tham số mô tả quỹ đạo chuyển động của tay quay được xác định rõ ràng.
Như vậy góc quay sẽ thay đổi theo vị trí của tay quay như sau:
Chúng ta tính được lực ma sát trên lớp cao su bó lên vành trụ xoay như sau:
Ta xét phần dây đai
- Fn là tổng áp lực của bánh đai lên dây đai (N)
- F1 và F2 là lực căng 2 đầu dây, 2 lực này khác phương và chiều nhưng có cùng độ lớn (N)
- l là độ dãn của dây đai khi nâng vít (m)
Quy bánh đai về hệ trục như hình trên ta có ms n n n
F r tNf F r tN dF drtN dF rtNd dx dx
Phân tích hình vẽ ta thấy vector N gồm 2 thành phần Nx và Ny
Theo tính chất đối xứng vòng xuyến nên Fny = ∫ 𝑑Fny = 0
Khi đó F n = ∫ 𝒅𝑭𝒏𝒙 = ∫ 𝒅𝑭𝒏.cos 𝛼 Độ lớn: Fn = ∫ 𝑑𝑟𝑡𝑁𝑑𝛼
Xét trục Ox, phương trình cân bằng: Fn - F1x - F2x = 0
Khi đó ta có M f r 2 ftNr fk l
Công thức liên quan giữa lực và gia tốc góc
Phần chi trên Đặt A là khớp vai
C là điểm tiếp xúc của bàn tay và tay cầm
D là tâm trục quay chi trên
là góc tạo bởi (ABC) và mặt phẳng nằm ngang
là góc tạo bởi thanh trục dọc tay quay và mặt phẳng nằm ngang
là góc tạo bởi lực F do người bệnh tạo ra và tiếp tuyến
Lấy chiều dương là chiều ngược kim đồng hồ
- Lực F sẽ sinh ra 3 thành phần
+ Lực hướng tâm không sinh moment F n F sin
+ Ngoài ra theo như thực nghiệm, F còn sinh ra một lực giúp bàn đạp thoát khỏi những điểm chết, gọi lực này là Fx:
Cùng hướng với Fa Độ lớn F x aF sin Với a là hệ số (a
