Thiết kế và điều khiển cơ cấu khớp gối hỗ trợ cho bệnh nhân đau khớp trên cơ sở dùng phanh với lưu chất tùy biến (magneto-rheological fluid) và cơ cấu điều chỉnh độ cứng

Sự gia tăng số lượng bệnh nhân đau khớp gối, đặc biệt người già có xu hướng ngày càng phổ biến ở nước ta. Ngoài ra, số lượng bệnh nhân bị yếu khớp sau các tai nạn, đặc biệt là tai nạn giao thông cũng cần những thiết bị hỗ trợ cho di chuyển. Chính vì thế, nghiên cứu một cơ cấu hỗ trợ với hiệu năng cao và linh động cho người bệnh khớp gối dùng cho người dân nước ta rất cần thiết. Các yếu tố liên quan mặt nhân thể học của người Việt Nam được thể hiện trong các tham khảo. Việc thiết kế cơ cấu hỗ trợ trước tiên sẽ xem xét phân tích chỉ số cơ thể của người dân theo các công bố chuẩn (Body mass index - BMI). Theo tài liệu khảo sát chỉ số BMI của người dân Việt Nam từ 1992 đến 2002 có những thông số đáng lưu tâm như sau: nhóm quá cân tăng từ 1.4% lên 1.8%, nhóm nhẹ cân tăng từ 32.1% lên 33.5% trong nhóm dân số từ 2-17 tuổi; nhóm quá cân tăng từ 2% lên 5.2%, nhóm nhẹ cân giàm từ 32.6% xuống 24.8% trong nhóm dân số từ 18-65 tuổi. Như vậy, chỉ số BMI của nhóm người trưởng thành tăng khá cao và đây là vấn đề nghiêm trọng trong phát triển kinh tế của nước. Hình 1 mô tả sự phân bố quá cân và nhẹ cân của người dân Việt Nam trong khoảng (1992-2002).

Về chỉ số hình thể của người dân Việt Nam, tham khảo đã có những dữ liệu rõ ràng trong năm 2006- 2007 như sau: chiều cao trung bình của nam 165.7 cm, chiều cao trung bình của nữ 155.2 cm, tỉ lệ dân số nam/nữ là 1.07. Qua những chỉ số này cho thấy hình thể của người dân Việt Nam thuộc nhóm thấp của thế giới, cần phải cải thiện nhiều. Tỉ lệ nữ trong dân số Việt Nam ít hơn nam, và chỉ số hình thể cũng bất lợi, quá thấp so với các nước trên thế giới. Đây cũng là một trong những vấn đề nghiêm trọng của cơ thể người Việt Nam và điều này cũng ảnh hưởng đến sức khỏe.

Về chỉ số thu nhập bình quân đầu người của Việt Nam, thu nhập đạt được thuộc nhóm trung bình thấp của thế giới, gần 69,8 triệu đồng việt nam trong năm 2017 theo thống kê của ngân hàng thế giới. Về chỉ số phân bổ chất khoáng trong xương của phụ nữ Việt Nam, các chỉ số đạt được như sau: chỉ số mật độ khoáng xương tại cột sống là 1.16 g/cm2 (chuẩn là 0.13 g/cm2), tại vị trí hông là 1.02 g/cm2 (tiêu chuẩn là 0.12), tại cổ xương đùi là 0.94 g/cm2 (tiêu chuẩn là 0.11). Theo mô hình chuổi bậc 3, tuổi đạt độ cao nhất khoáng trong xương là từ 27 tuổi đến 29 tuổi. Độ tuổi bị loãng xương cao nhất từ 50 tuổi đến 65 tuổi chiếm 23%. Tỉ lệ này cao hơn nhiều so với các nước như Trung Quốc, Nhật, Hàn Quốc và khu vực Cáp-Ca (Liên Xô cũ). Một điểm chú ý thêm là tỉ lệ này của người nữ Việt Nam cao hơn trong khu vực châu Á và khu vực Cáp-Ca. Đây là vấn đề sức khỏe nghiêm trọng với người dân Việt Nam.

Xuất phát từ thực tiễn đó, nhóm tác giả do Cơ quan chủ trì Qũy phát triển khoa học và công nghệ QG cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài TS. Đỗ Xuân Phú thực hiện nghiên cứu “Thiết kế và điều khiển cơ cấu khớp gối hỗ trợ cho bệnh nhân đau khớp trên cơ sở dùng phanh với lưu chất tùy biến (magneto-rheological fluid) và cơ cấu điều chỉnh độ cứng” với mục tiêu nghiên cứu lý thuyết biến dạng dao động trên cơ sở độ cứng thay đổi của hệ dầm. Trên nền tảng lý thuyết này, nghiên cứu phát triển và chế tạo cơ cấu với độ cứng thay đổi dùng cho khớp gối bệnh nhân đau khớp được thực hiện; Nghiên cứu phát triển mới cơ cấu phanh lưu chất điện từ (cơ cấu thắng, hoặc cơ cấu cứng thay đổi để tạo thành cơ cấu hỗ trợ hoàn chỉnh; Từ mô hình cơ cấu đã chế tạo, việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh cho cơ cấu được thực hiện với mục tiêu tạo sự thoải mái nhất cho người bệnh.

Để thực hiện đề tài, các tác giả đã áp dụng những phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp kế thừa và tham kiến chuyên gia: phân tích những nghiên cứu đã và đang thực hiện tại nước ta và trên thế giới. Kế thừa những kiến thức này, các yêu cầu mới sẽ được đặt ra và phát triển tiếp.

- Phương pháp phân tích, phản biện: quá trình nghiên cứu sẽ phân tích ưu nhược điểm của các giải pháp hiện có, từ đó đề xuất phát triển những luận điểm mới tạo nền tảng cho yêu cầu phát triển hệ thống mới.

- Phương pháp mô hình hóa dùng giải tích và tính toán số: hệ thống mới sẽ được mô hình hóa để từ đó có thể áp dụng giải tích và tính toán số. Đây là cơ sở đánh giá ban đầu cho hệ thống, tạo tiền đề cho các giai đoạn tiếp theo.

- Phương pháp thống kê kinh nghiệm, thử sai: hệ thống mới sẽ được phát triển trong phòng thí nghiệm, sau đó đem áp dụng thực tế để đánh giá. Các kết quả này là cơ sở cải tiến hệ thống và cho tương lai

- Phương pháp thực nghiệm: hệ thống mới được chế tạo ra các mô hình thực tế. Sau đó đánh giá khả năng khai thác trong phòng thí nghiệm và trong thực tế.

Qua quá trình nghiên cứu và chế tạo cơ cấu hỗ trợ chi dưới, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công cơ cấu và phát triển thành công các thuật toán điều khiển mới cho cơ cấu có tính ưu việt cao. Thêm vào đó, nhóm cũng đã thiết kế thành công đôi giày thông minh cảm ứng lực dùng cho cơ cấu hỗ trợ. Đây là bước tiến mới trong dùng đôi giày này hỗ trợ di chuyển mượt mà cho cơ cấu. Các giảm xóc và phanh dùng lưu chất từ biến MR cũng đã nghiên cứu chế tạo thành công, thử nghiệm trong các môi trường rung động phức tạp đạt kết quả cao. Các kết quả đạt được cũng mở ra nhiều hướng mới trong nghiên cứu cơ cấu hỗ trợ trong tương lai như liệt kê bên dưới.

Một số hướng mới của cơ cấu được đề nghị như sau để từ đó có thể thương mại hóa cơ cấu như sau:

- Chế tạo bộ tích hợp điều khiển cao cấp vào trong cơ cấu

- Tối ưu nguồn năng lượng cho điều khiển cơ cấu

- Tích hợp giảm xóc dùng dung dịch từ biến MR đã nghiên cứu vào cơ cấu

- Tích hợp thắng từ dùng dung dịch từ biến MR đã nghiên cứu vào cơ cấu

- Phát triển dạng khung 1 thanh nâng cao tính gọn cho cơ cấu

- Tích hợp động cơ và bánh răng điều hòa làm cho cơ cấu tinh gọn, đẹp và thẩm mỹ

- Các hướng mới này sẽ được nghiên cứu triệt để trong thời gian sắp tới nhắm mục tiêu này cho thị trường nước ta và quốc tế.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 16885/2019) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Đ.T.V (NASATI)