5 nhà khoa học Việt: Chế tạo khung xương robot hỗ trợ người đột quỵ luyện tập phục hồi chức năng

Sản phẩm cho người đột quỵ, chấn thương chân

Khung xương robot (Exoskeleton) là một sáng kiến đột phá trong lĩnh vực phục hồi chức năng cho người đột quỵ, chấn thương chân, nhằm hỗ trợ người bệnh đứng lên, ngồi xuống, giữ thăng bằng và đi lại trong quá trình tập vật lý trị liệu.

Theo thạc sĩ Bùi Quang Vinh, Trưởng phòng thí nghiệm cơ khí chính xác và tự động hóa, SHTP Labs, trong khi các sản phẩm trên thị trường chủ yếu tập trung cho các khớp khác nhau trên chân, không mang tính tổng thể, khung xương robot bao gồm cả đôi chân, có cơ chế hoạt động gần giống xương người.

Khung xương robot giúp người bệnh được trải nghiệm tự đi trên đôi chân mình, giúp các khối cơ chân hoạt động, làm khả năng hồi phục tốt hơn. Thay vì người bệnh phải ở một chỗ, không được trải nghiệm tự đi lại như trước, dễ gây cảm giác nhàm chán và kém hiệu quả. Ngoài ra, khả năng trợ lực của khung xương cũng có thể giúp giảm gánh nặng cho người dùng khi mang vác vật nặng, hỗ trợ bộ đội trong những chuyến hành quân xa.

“Điều này mang không chỉ mang lại lợi ích về mặt thể chất, quá trình trị liệu mà còn nâng cao tinh thần, tạo ra niềm hy vọng cho người bệnh nhanh chóng phục hồi và cải thiện chất lượng cuộc sống”, thạc sĩ Vinh nói.

Khung xương robot được làm chủ yếu bằng vật liệu nhôm, giúp giảm trọng lượng nhưng vẫn đảm bảo độ bền và độ cứng cần thiết (trọng lượng khoảng 20 kg), có khả năng tăng giảm độ cao để phù hợp chiều cao của từng lứa tuổi, thể chất khác nhau. Ở các khớp khung xương được bố trí 4 động cơ điện, công suất 400W, có hộp số giúp tăng giảm tốc độ, phù hợp cho từng cường độ tập khác nhau.

Nguồn điện sử dụng cho hệ thống gồm 2 pin lithium 20Ah, một pin cấp cho khung xương robot, một cấp cho khung bệ tì tay và mạch điều khiển. Hai hệ thống có thể hoạt động cùng lúc bằng dây cáp kết nối hay độc lập tùy vào mục đích sử dụng. Sản phẩm có nút bấm khẩn cấp, dừng toàn bộ hoạt động của hệ thống khi xảy ra lỗi có thể gây nguy hiểm cho người dùng trong quá trình tập.

Nhóm cũng xây dựng phần mềm quản lý việc tập luyện bằng việc sử dụng công cụ mô phỏng. Thông qua quá trình tập luyện, dữ liệu về sự thay đổi góc nghiêng của khớp chân, khoảng cách mỗi bước chân... được cung cấp để bác sĩ thiết lập các bài tập với cường độ phù hợp với bệnh nhân.

Tiếp tục nghiên cứu, thử nghiệm để đưa sản phẩm ra thị trường

Trong suốt 3 năm phát triển của khung xương robot, nhóm nghiên cứu đã gặp nhiều khó khăn. Từ việc nghiên cứu các công nghệ tiên tiến đến việc thiết kế và chế tạo sản phẩm, mỗi bước đi đều đòi hỏi sự tỉ mỉ và kiên nhẫn. Nhóm đã phải vượt qua nhiều thách thức kỹ thuật để đảm bảo tính ổn định và hiệu suất của khung xương robot.

Theo thạc sĩ Bùi Quang Vinh, để tạo ra động cơ cho khung xương robot là rất khó. Nó phải đáp ứng yếu tố nhỏ gọn không bị vướng trong quá trình tập luyện cũng như tính thẩm mỹ, nhưng cần có công suất lớn để đảm bảo sức tải của chân. "Khác với các thiết bị tập phục hồi chức năng tay, khung xương robot tập chân phải đảm bảo giữ trọng tâm tốt, không bị ngã trong quá trình sử dụng", thạc sĩ Vinh nói.

Để giữ trọng tâm, nhóm thực hiện các phân tích nhằm giữ thăng bằng kết hợp phát triển hệ thống nâng đỡ đứng lên ngồi xuống sử dụng khung bệ tì tay với các xi lanh điện. Khi sử dụng, người bệnh sẽ sử dụng khung bệ tì tay như một phương án tập luyện đứng lên, ngồi xuống và giữ thăng bằng khi tập chân.

Các khâu khớp trên hệ khung xương Exoskeleton cũng phải tương đồng với các khớp như khớp gối, khớp hông, cổ chân. Điều này giúp người dùng cảm thấy thoải mái, đồng thời không gây ảnh hưởng đến các bệnh lý về khớp xương, dáng đi trong quá trình trị liệu.

Đặc biệt, để hoàn thiện khung xương, các nhà khoa học cần phải thu thập dữ liệu theo ý kiến bác sỹ đối với từng bệnh nhân cụ thể, theo phác đồ điều trị để có bài tập phục hồi chức năng phù hợp nhất. Vì khung xương, tình hình sức khỏe của các bệnh nhân là khác nhau.

Do đó, sắp tới nhóm nghiên cứu sẽ hợp tác với bệnh viện phục hồi chức năng, đưa hệ thống vào thử nghiệm cho một số bệnh nhân để đánh giá hiệu quả, làm cơ sở tối ưu sản phẩm, hướng đến thương mại hóa trong tương lai.

“Đây là bước phát triển ở giai đoạn đầu nên dữ liệu thu thập chưa nhiều, cũng như cần phải tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện thêm và phối hợp với đội ngũ y để thu thập thêm dữ liệu của bệnh nhân. Việc sản xuất hàng loạt để đưa ra thị trường vẫn chưa thể triển khai trong thời gian gần”, thạc sĩ Bùi Quang Vinh chia sẻ.

Nhóm cũng dự kiến thiết kế cảm biến gắn ở bàn chân để đo lực tập và ứng dụng trí tuệ nhân tạo phân tích dữ liệu từ chế độ tập của bệnh nhân để xây dựng bài tập tối ưu hơn. Vì hướng nghiên cứu mang tính liên ngành nên thạc sĩ Vinh cũng mong muốn có sự tham gia của nhiều chuyên gia, đặc biệt là các cơ quan y tế để hoàn thiện và đưa sản phẩm đến với cuộc sống.

Theo PGS.TS Lê Hoài Quốc, Chủ tịch Hội tự động hóa TP.HCM, thực tế các nghiên cứu khung xương ngoài cho chân tại Việt Nam chủ yếu mới dừng lại các ở các đề tài khoa học, chưa có nhiều sản phẩm thương mại ứng dụng thực tế. Hệ thống tập luyện cho chân phải tải được trọng lượng cơ thể bệnh nhân từ tư thế ngồi, đứng, bước đi... Điều này phụ thuộc vào thể trạng và tình trạng phục hồi mỗi bệnh nhân nên cần tính toán một cách chính xác.

Hiện nghiên cứu của nhóm mới dừng ở giai đoạn đầu. Để thương mại hóa cần thử nghiệm trên nhiều bệnh nhân, đánh giá trải nghiệm của họ và tối ưu hóa thiết kế cũng như chi phí để hoàn thiện sản phẩm về công nghệ cũng như giá thành phù hợp.

"Chúng tôi sẽ hỗ trợ nhóm kết nối với bác sĩ chuyên ngành phục hồi chức năng và các bệnh viện để thử nghiệm. Để sản phẩm ứng dụng, nhà khoa học chỉ là người cung cấp thiết bị tập, còn bác sĩ mới là người chỉ định chế độ, điều kiện tập với từng bệnh nhân", PGS.TS Lê Hoài Quốc nhận định.

Ngọc Duy