Luận văn Thiết kế và chế tạo giường y tế thông minh (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Thiết kế và chế tạo giường y tế thông minh (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC Sĩ VŨ ÐÌNH CHI THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO GIƯỜNG Y TẾ THÔNG MINH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 06520103 S K C0 0 4 8 6 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ VŨ ĐÌNH CHI THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO GIƢ ỜNG Y TẾ THÔNG MINH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016 1
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ VŨ ĐÌNH CHI THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO GIƢỜNG Y TẾ THÔNG MINH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN TRƢỜNG THỊNH PGS. TS. LÊ HIẾU GIANG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016 2
4. Quyết Định Giao Đề Tài 3
5. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Vũ Đình Chi Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 01-08-1970 Nơi sinh: TPHCM Quê quán: Hải Phòng Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 45, Đƣờng 8, Khu phố 1, Phƣờng Linh Đông, Quận Thủ Đức, TPCHM. Điện thoại cơ quan: (08)37225.766 Điện thoại nhà riêng: (08)38979.747 Fax: (08)38964.922 E-mail:chivd@hcmute.edu.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ: 09/1992 đến 09/ 1997 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TpHCM Ngành học: Cơ Khí Chế Tạo Máy Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế thiết bị máy gắp chai và vô chai của dây chuyền sản xuất nƣớc ngọt CoCa-CoLa. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 7/1997, trƣờng Đh Sƣ Phạm Kỹ 4
6. Thuật TpHCM Ngƣời hƣớng dẫn: Th.s Trần Ngọc Hào III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trung tâm dạy nghề Việt Hàn nay 09/1998÷2004 Giáo viên Trƣờng Trung Học Kỹ Thuật Thực Hành Trung tâm dạy nghề Quận 9 nay 2004÷2009 Giáo viên Trƣờng Trung Cấp Nghề Đông Sài Gòn Phòng Thanh Tra Giáo Dục - Đại Học Sƣ 10/2010÷nay Chuyên viên Phạm Kỹ Thuật.TPHCM 5
7. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 07 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) 6
8. LỜI CẢM TẠ Qua quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, học trò kính gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến:  Thầy PGS.TS. Nguyễn Trƣờng Thịnh đã trực tiếp hƣớng dẫn, tận tình chỉ dạy, tạo điều kiện và động viên học trò trong suốt quá trình thực hiện.  Thầy PGS.TS. Lê Hiếu Giang đã giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài.  Quý thầy, cô giáo đã tham gia công tác giảng dạy các thành viên trong lớp Cao học chuyên ngành Kỹ Thuật Cơ khí 2014A trong toàn bộ khoá học.  Quý thầy, cô giảng dạy tại khoa Cơ khí Chế tạo máy, phòng Đào tạo – bộ phận sau đại học – Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ ngƣời thực hiện trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng.  Kính gửi lời cảm tạ tới BGH Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho cho các học viên tại trƣờng đƣợc học tập và nghiên cứu. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 07 năm 2016 Họ và tên học viên 7
9. TÓM TẮT ĐỀ TÀI Ngày nay, ngƣời bệnh cần đƣợc chăm sóc chu đáo hơn, và có những bệnh nhân không thể di chuyển đƣợc, mặt khác, nhân sự trong ngành y tế còn ít, vì thế cần có giải pháp để ngƣời bệnh tự chăm sóc bản thân trong những nhu cầu cơ bản. Bên cạnh đó cũng có yêu cầu về tƣ thế khác nhau, đặc biệt là những ngƣời bị chấn thƣơng ở tứ chi cần đƣợc chăm ở những vị trí khác nhau cụ thể là từng chi hoặc nhiều chi. Những ngƣời bị bệnh bại liệt không di chuyển và cần đƣợc nằm yên một chỗ, nhƣ thế sẽ kéo theo các bệnh sẽ phát sinh sau này. Đề tài đƣợc thực hiện nhằm nghiên cứu chế tạo một giƣờng y tế thông minh-có thể nhận ra đƣợc tiếng nói thay vì sử dụng các thao tác, có khả năng hỗ trợ linh hoạt trong việc cử động của ngƣời bệnh giúp bệnh nhân có thể thay thế một số vị trí nằm mà không cần di chuyển ngƣời bệnh ra khỏi giƣờng, hỗ trợ ngƣời bệnh tự điều khiển một số chuyển động giƣờng để đáp ứng nhu cầu của ngƣời bệnh. Đề xuất phƣơng án thiết kế và chế tạo giƣờng y tế thông minh, đƣợc điều khiển giƣờng bắng giọng nói tiếng Việt, thông qua các câu nói đơn giản nhằm giúp các bệnh nhân trong các tƣ thế nằm thích hợp. 8
10. ABSTRACT This study was under taken to research and manufacture of a smart medical bed- can recognize voice instead of using manipulation, with the ability to support flexible in the movement of patients to help patients can replace some position without moving the patient out of bed, support patient auto motion controller some beds to response the needs of the patient. Proposed plan designed and manufactured medical beds smart, controlled beds Vietnamese voice, through the simple the sayings to help the patient in the suiable sleeping posture. 9
11. MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH 13 DANH MỤC BẢNG 15 CÁC CHỮ VIẾT TẮT 16 Chƣơng 1 18 TỔNG QUAN 18 1.1. Tình hình nghiên cứu 18 1.2. Nội dung nghiên cứu 22 1.2.1. Tổng quan về ứng dụng công nghệ điện tử trong y sinh 25 1.2.2. Phạm vi nghiên cứu 29 1.2.3. Giới hạn đề tài 30 1.3. Dàn ý nghiên cứu 30 Chƣơng 2 31 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 31 2.1. Các bệnh liên quan 31 2.2. Giƣờng bệnh nhân 50 2.3. Quá trình xử lý tiếng nói 51 2.3.1. Tiếng nói và đặc trƣng của tiếng nói 51 2.3.2. Các phƣơng pháp trích đặc trƣng tiếng nói MFCC 53 2.3.3. Các phƣơng pháp nhận dạng tiếng nói dựa trên khoảng cách Euclide 59 Chƣơng 3 64 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIƢỜNG BẰNG GIỌNG NÓI 64 10
12. 3.1. Đặt vấn đề thiết kế 64 3.1.1. Tổng quan về giƣờng bệnh 64 3.1.2. Chức năng của từng khối 65 3.2. Thiết kế từng khối 70 3.2.1. Khối 1 70 3.2.2. Khối 2 71 3.2.3. Khối 3 71 3.2.4. Khối 4 71 3.2.5. Sơ đồ nghiên cứu của giƣờng y tế 72 3.3. Kế hoạch áp dụng phƣơng pháp điều khiển giƣờng bệnh bằng tiếng nói 72 3.3.1. Kế hoạch từng tiếng đếm 72 3.3.2. Lƣu đồ tiếng đếm 73 3.4. Thiết kế hệ thống nhận dạng tiếng nói trên C6713 74 3.4.1. Giới thiệu Kit C6713 74 3.4.2. Hoạt động 79 3.5. Thiết kế phần điều khiển động lực cho giƣờng 79 3.5.1. Sơ đồ điều khiển động lực 79 Chƣơng 4 83 KẾT QUẢ 83 4.1. Kết quả quá trình xử lý nhận dạng trên kit 83 4.2. Kết quả của phần điều khiển động lực 86 4.3. Kết quả kết nối trên giƣờng thật 86 11
13. Chƣơng 5 87 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 87 5.1. Kết luận của đề tài 87 5.2. Hƣớng phát triển đề tài 87 PHỤ LỤC 89 MÃ NGUỒN CHƢƠNG TRÌNH TRÊN MATLAB 89 HÌNH ẢNH 99 Tài Liệu Tham Khảo 106 12
14. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Các vị trí loét thƣờng gặp Hình 1.2: Các lĩnh vực lien quan Hình 1.3: Phân loại điện từ trƣờng Hình 2.1: Sơ đồ phác thảo mặt giƣờng thiết kế Hình 2.2: Sơ đồ khối của MFCC Hình 2.3: Sơ đồ rút trích đặc trƣng chi tiết Hình 2.4: Một ví dụ về ngân hàng bộ lọc Mel-Spaced Hình 2.5: Quan hệ giữa tần số theo Hz và theo Mel Hình 2.6: Mô tả quá trình cắt khoảng lặng Hình 2.7: Lƣu đồ chi tiết quá trình cắt hoảng lặng Hình 3.1: 2-phần mông; 3-phần chân phải; 4-phần chân trái Hình 3.2: 2-phần mông; 3-phần chân phải; 4-phần chân trái Hình 3.3: 1-phần lƣng đầu; 2-phần mông cố định Hình 3.4: 1-phần lƣng đầu; 2-phần mông; 3-phần chân phải; 4-phần chân trái Hình 3.5: 1-phần lƣng đầu; 2-phần mông; 3-phần chân phải; 4-phần chân trái Hình 3.6: Nguyên lý hoạt động khối Motor một Hình 3.7: Sơ đồ trạng thái của bốn Motor HÌnh 3.8: Sơ đồ nghiên cứu giƣờng Hình 3.9: Sơ đồ bố trí các tiếng đếm điều khiển Motor Hình 3.10: Sơ đồ khối DSP C6713 Hình 3.11: Sơ đồ bộ nhớ của 6713 13
15. Hình 3.12: Sơ đồ khối của bộ codec Hình 3.13: Sơ đồ bố trí trên KIT C6713 Hình 3.14: Sơ đồ tiếng đếm điều khiển giƣờng bệnh Hình 3.15: Sơ đồ mặt giƣờng điều khiển 14
16. DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Bệnh đái tháo đƣờng Bảng 4.1: Kết quả nhận dạng ngƣời thứ nhất Bảng 4.2: Kết quả nhận dạng ngƣời thứ hai Bảng 4.3: Kết quả nhận dạng ngƣời thứ ba Bảng 4.4: Kết quả nhận dạng ngƣời thứ tƣ Bảng 4.5: Kết quả nhận dạng ngƣời thứ năm Bảng 4.6: Bảng tổng hợp phần tram nhận dạng dung của năm ngƣời 15
17. CÁC CHỮ VIẾT TẮT MFCC: Mel-frequency Cepstral Coefficients VQ: Vector Quantization ADC: Analog-to-Digital Converter DAC: Digital-to-Analog Converter DSP: Digital Signal Processing LPC: Linear Predictive Coder DSK: KIT: BEN: bioengineering (công nghệ sinh học) BPH: biophysics (sinh lý) BEM: bioelectromagetism ( sinh học) MPH: medical physics (vật lý y khoa) MEN: medical engineering (kỹ thuật sinh học) MEL: medical electronics (điện tử y tế-điện tử sinh học) HIV: bệnh suy giảm hệ miễn dịch BK: Bacille de kock (vi khuẩn kock-bệnh lao) TIA: (thiếu máu cục bộ) AVM: (vỡ dị dạng động tĩnh mạch) mg/dL: milligram trên mỗi lít; mmol/dL: milimoles trên mỗi lít Hyppocrat: (460-377 TCN) CT Scanner: 16
18. DNA: (đột biến gen) FFT: Fast Fourier transform 17
19. Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Tình hình nghiên cứu Hiện nay đã có rất nhiều loại giƣờng bệnh có thể thay drap giƣờng cho bệnh nhân, mà không cần di chuyển ngƣời bệnh nhƣng lại không thể thay đổi tƣ thế của ngƣời bệnh một cách linh hoạt nhất, còn loại giƣờng bệnh có khả năng thay đổi tƣ thế cho ngƣời bệnh lại không có khả năng thay thế drap trải giƣờng mà không di chuyển ngƣời bệnh, mặt khác theo nhân chủng học của con ngƣời thì không ai giống ai cả, dẫn đến các tƣ thế cũng khác nhau, ví dụ ở một số bệnh nhƣ sau: về những bệnh khiển cho bệnh nhân khó cử động đƣợc chia làm ba nhóm. - Do chấn thƣơng tại tay/ chân dẫn đến bệnh nhân khó/ không, cử động đƣợc tay/ chân, ở nhóm bệnh này, bệnh nhân chỉ hạn chế chức năng vận động tay/ chân, còn các bộ khác của cơ thể không bị ảnh hƣởng. - Bệnh nhân suy nhƣợc cơ thể, làm bệnh nhân khó đi lại nhƣ: bệnh nội khoa, bệnh suy tim, bệnh hạ kali máu, bệnh lao giai đoạn cuối, bệnh ung thƣ giai đoạn cuối, ở nhóm bệnh này, bệnh nhân có thể hôn mê, khó vận động và đi lại do họ suy nhƣợc. - Bệnh do tổn thƣơng hệ thần kinh: bệnh bại liệt, bệnh chấn thƣơng sọ não, ở nhóm bệnh này, bệnh nhân không cử động đƣợc tay/ chân, hoặc có thể hôn mê. Nhận thấy những hạn chế của các loại giƣờng y tế hiện nay, cũng nhƣ nhu cầu thực t về một số loại giƣờng y tế có khả năng hỗ trợ linh hoạt trong việc cử động của ngƣời bệnh, cũng nhƣ thay thế drap giƣờng mà không cần di chuyển bệnh nhân ra khỏi giƣờng, em đã tìm hiểu và quyết định thực hiện đề tài: “ Thiết kế và chế tạo giƣờng y tế thông minh.” (bệnh nhân điều khiển giƣờng bằng giọng nói tiếng việt). Giƣờng y tế là loại thiết bị để ngƣời bệnh nằm nghỉ ngơi, hàn gánh các tế bào, bộ phận của cơ thể, hồi phục sức khỏe, với những ngƣời phải nằm bất động, nhƣng vẫn 18
20. nói thành tiếng và có nguy cơ bị nở loét hoại tử trên thân thể là rất cao. Vết loét da thƣờng xảy ra với những ngƣời lớn tuổi ít vận động, ngƣời bị liệt, bại liệt và ngồi xe lăn, ngƣời bị thƣơng tứ chi, Chúng không gây nguy hiểm đến tính mạng ngƣời bệnh nhƣng cần đƣợc chăm sóc đúng cách để tránh gây ra tình trạng đau đớn không đáng có. Chính vì thế những ngƣời lớn tuổi ít vận động, ngƣời bị liệt, bại liệt và ngồi xe lăn, thƣờng bị loét do ngồi, nằm lâu ở một vị trí, tuyệt đại đa số 80% các vết loét xảy ra ở phần xƣơng cùng hay gót chân. Ngăn chặn vết loét trên ngƣời bệnh nhân là rất quan trọng và phải đảm bảo bệnh nhân không nằm ở một vị trí cố định với thời gian dài hơn hai giờ liên tục, do đó, sau hai giờ liên tục, thay đổi vị trí nằm của ngƣời bệnh nhân, việc thay đổi tƣ thế nằm của bệnh nhân này, nếu thực hiện bằng sức ngƣời sẽ gây khó khăn, cần có thiết bị hỗ trợ để thay đổi tƣ thế nằm thực hiện một cách dễ dàng. Vì thế, đối với giƣờng dành cho bệnh nhân không có khả năng hoặc khó có khả năng cử động, chính vì thế giƣờng y tế phải thực hiện một số các yêu cầu sau: Hỗ trợ ngƣời bệnh thay đổi vị trí nằm nhằm tránh hoại tử, lở loét, hỗ trợ nhân viên bệnh viện, các Bác sỹ trong việc chăm sóc bệnh nhân, mặt khác, với những bệnh nhân bị thƣơng ở tứ chi cần phải đƣợc giữ ở vị trí cố định, tuy nhiên, chân còn lại sẽ có nhu cầu cử động độc lập, vì vậy giƣờng y tế cũng cần đảm bảo đƣợc yêu cầy này. Dựa trên các bài báo, tạp chí trên thế giới - Trình bày một hệ thống giƣờng đƣợc điều khiển thông qua máy tính và một máy chủ với sự giám sát của một hoặc nhiều thiết bị giám sát khác [1], ”Smart bed system US 20080126132 Al” của Adrian F. Warner, Michael T.Suchecki, công bố 29 tháng 5 năm 2008. - Đề tài nghiên cứu phát triển một nền tảng phần mềm, phần cứng để giải quyết vấn đề lở loét, hoại tử của bệnh nhân, nằm cố định ở một vị trí dài hơn hai giờ đồng hồ [2]. “A smart bed platform for monitoring & Ulcer prevention” do các 19
21. tác giả Yousefi, R. ; Quality of Life Technol, Lab. ; Univ. of Texas at Dallas, - - Richardson, TX, USA ; Ostadabbas, S. ; Faezipour, M. ; Nourani, M. công bố tại Thƣợng Hải, ngày 15-17 tháng 10 năm 2011 Các công trình nghiên cứu đặc trƣng Trọng tâm nghiên cứu phát triển phần mềm – phần cứng trong điều kiện tốn kém ít nhất để sử dụng trong các việc điều trị các bệnh ngoại khoa, nội khoa, bệnh bại liệt và lở loét ở bệnh nhân, giúp các nhân viên y tế, Bác sỹ chăm sóc sức khỏe bệnh nhân tốt hơn, phát huy độ bền của giƣờng. Mô tả các nền tảng thu thập thông tin từ các cảm biến khác nhau đƣợc kết hợp vào giƣờng, phân tích các dữ liệu đầu ra theo sơ đồ khối để ra lệnh cho các cơ cấu của giƣờng chuyển động, những chuyển động này tạo thành khối thống nhất hỗ trợ cho bệnh nhân, các nhân viên y tế, Bác sỹ thuận tiện trong việc chăm sóc, điều trị của giƣờng. Phân tích các nghiên cứu trong nƣớc Đánh giá ƣu điểm, nhƣợc điểm so với tình hình ở việt nam, - Gần đây, một loại giƣờng của Nguyễn Long Uy Bảo đã đáp ứng đƣợc yêu cầu, có thể thay thế drap giƣờng mà không cần di chuyển bệnh nhân ra khỏi giƣờng, tuy nhiên, giƣờng này có hạn chế về việc nâng hạ phần lƣng và phần đầu, phần chân trái, phần chân phải và toàn bộ giƣờng khi nâng lên, hạ xuống. Ngoài ra, cũng có các loại giƣờng sử dụng tay quay hoặc nút bấm đối với giƣờng có sử dụng động cơ điện để thay đổi các tƣ thế nằm của bệnh nhân. Tuy nhiên, loại giƣờng này chỉ có chức năng nâng, hạ phần đầu, phần lƣng, phần chân, còn phần mông nơi có xƣơng cùng thì đƣợc giữ cố định, nên không thể thay drap giƣờng mà không di chuyển bệnh nhân. Mặt khác, ở phần này lại dễ bị hoại tử, hay gây lở loét, 20