Tài liệu Phân tích dáng đi chống đau sử dụng máy véc tơ hỗ trợ

MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................................3 6. Cấu trúc luận văn.................................................................................................3 CHƯƠNG 1. DÁNG ĐI CHỐNG ĐAU ........................................................................4 1.1. CÁC GIAI ĐOẠN TRONG DÁNG ĐI Ở NGƯỜI ..........................................4 1.1.1. Giai đoạn tựa (chống) ...........................................................................4 1.1.2. Giai đoạn đu đưa ...................................................................................5 1.2. CÁC THAY ĐỔI DÁNG ĐI TRÊN LÂM SÀNG ...........................................6 1.3. DÁNG ĐI CHỐNG ĐAU ................................................................................7 1.3.1. Định nghĩa dáng đi chống đau ..............................................................7 1.3.2. Nguyên nhân .........................................................................................8 1.3.3. Các triệu chứng của dáng đi chống đau ................................................9 1.3.4. Cách chẩn đoán bệnh ..........................................................................10 1.4. TỔNG KẾT CHƯƠNG 1 ...............................................................................12 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH DÁNG ĐI ..........................................13 2.1. PHÂN TÍCH DÁNG ĐI .................................................................................13 2.1.1. Sử dụng cảm biến ...............................................................................13 2.1.2. Sử dụng dữ liệu thu được từ camera ...................................................14 2.2. TRÍCH ĐẶC TRƯNG ...................................................................................17 2.2.1. Thuộc tính số ......................................................................................18 2.2.2. Thuộc tính nhị phân ............................................................................20 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DÁNG ĐI ..........................................21 2.3.1. Phương pháp dựa vào đặc trưng..........................................................21 2.3.2. Phương pháp dựa vào mô hình ...........................................................22 2.4. TỔNG KẾT CHƯƠNG 2 ...............................................................................29 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH DÁNG ĐI CHỐNG ĐAU SỬ DỤNG MÁY VÉC TƠ HỖ TRỢ ......................................................................................................................30 3.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG .....................................................................30 3.2. XÂY DỰNG DỮ LIỆU .................................................................................31 3.2.1. Phần mềm thiết kế 3D MakeHuman ...................................................31 3.2.2. Phần mềm Blender ..............................................................................32 3.3. TRÍCH ĐẶC TRƯNG HOG .........................................................................34 3.4. HUẤN LUYỆN..............................................................................................38 3.4.1. Bài toán phân lớp ................................................................................38 3.4.2. Xây dựng mô hình phân lớp sử dụng SVM để nhận dạng dáng đi ......39 3.4.3. Phát hiện dáng đi chống đau ...............................................................39 3.5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .........................................................................39 3.5.1. Dữ liệu thử nghiệm .............................................................................39 3.5.2. Quá trình thực nghiệm ........................................................................41 3.5.3. Kết quả thử nghiệm.............................................................................44 3.6. TỔNG KẾT CHƯƠNG 3 ...............................................................................44 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................45 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................46 QUYẾT Đ NH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN PHÂN TÍCH DÁNG ĐI CHỐNG ĐAU SỬ DỤNG MÁY VÉC TƠ HỖ TRỢ Học viên: Hoàng Thị Minh Huyền Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 84800101 Khóa: K34.KMT.QB Trường Đại học Bách khoa - ĐH Đà Nẵng Tóm tắt: Ngày nay, các nghiên cứu trong lĩnh vực thị giác máy tính hỗ trợ rất nhiều cho công tác y tế, đặc biệt là ứng dụng phân tích dáng đi để chẩn đoán và phát hiện các bệnh tiềm ẩn liên quan đến khung xương. Trong luận văn này đề xuất giải pháp phân tích dáng đi chống đau của bệnh nhân bị bệnh xương khớp sử dụng máy véc tơ hỗ trợ. Quá trình xử lý bao gồm các bước: (1) xây dựng dữ liệu; (2) trích đặc trưng HoG; (3) huấn luyện dữ liệu đặc trưng và thu được mô hình dữ liệu đã phân lớp; (4) tiến hành nhận dạng để đưa ra kết luận. Từ khóa –Thị giác máy tính, phân tích dáng đi, dáng đi chống đau, đặc trưng HOG, học máy vectơ hỗ trợ. GAIT ANTI PAIN ANALYSIS USE SUPPORT VECTOR MACHINE Abstract: Nowaday, researchs in computer vison a lot of support for medical work, especially the gait analysis application to diagnose and detect underlying diseases associated with the skeleton. In this essay proposed solutions gait anti pain analysis of osteoarthritis patients use support vecto machine. The process consists of steps: (1) building data; (2) selective features HoG; (3) Characteristic data training and obtained stratified data model; (4) Conduct the identification to make conclusions. Keywords– Computer vision, gait analysis, antalgic gait, HOG features, support vector machine (SVM). DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 2D Two Dimension 3D Three Dimension AMI Accumulated Motion Image HOG Histogram of Oriented Gradients LDA Linear Discriminant Analysis MLP Multilinear Principal Components MMH Maximum Marginal Hyperland MII Motion Intensity Image NB Naïve Bayes SVM Support Vector Machine DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Tổng hợp các đặc trưng dáng đi trong nghiên cứu[43]. ...............................21 Bảng 2.2. Tỷ lệ phân loại sử dụng dữ liệu từ tính năng chụp không đánh dấu .............23 Bảng 3.1. Số khung hình lấy từ mỗi nhân vật. .............................................................40 Bảng 3.2. Kết quả nhận dạng dáng đi. .........................................................................44 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Chu kỳ dáng đi gồm 8 giai đoạn. ...................................................................4 Hình 1.2. Mô tả khung xương chân cho giai đoạn chống. ..............................................4 Hình 1.3. Mô tả khung xương chân cho giai đoạn đu đưa..............................................5 Hình 1.4. Chuỗi hình minh họa dáng đi chống đau. .......................................................8 Hình 1.5. Khớp bình thường và viêm xương khớp. .....................................................11 Hình 2.1. Hình ảnh thảm cảm biến trên sàn nhà. .........................................................13 Hình 2.2. Hình chiếu và các đặc trưng sử dụng trong nghiên cứu................................14 Hình 2.3. Hệ thống giám sát hành vi té ngã. ................................................................15 Hình 2.4. Camera Kinect và hệ thống máy tính thử nghiệm. .......................................15 Hình 2.5. Định vị không đánh dấu (markerless) ở nhiều góc quay khác nhau. ............16 Hình 2.6. Hình ảnh thu được trong nghiên cứu. ...........................................................17 Hình 2.7. Một ví dụ về MII, với các dòng lần lượt là chuỗi ảnh đầu vào, chuỗi hình chiếu đối tượng trước và sau khi canh giữa, cuối cùng là MII. .................18 Hình 2.8. Ví dụ về ảnh chuyển động tích lũy. ..............................................................19 Hình 2.9. Ví dụ về hai đối tượng thực hiện cùng hành động với vẻ bên ngoài khác nhau nhưng có thuộc tính đồng nhất. ........................................................19 Hình 2.10. Các vectơ chỉ hướng tương ứng với luồng quang học. ...............................20 Hình 2.11. Một số đặc trưng quan hệ hình học. ...........................................................20 Hình 2.12. Đường nét liền trên hình là đường phân chia tập dữ liệu gồm hai thuộc tính.24 Hình 2.13. Một bộ dữ liệu hai chiều được phân chia tuyến tính. Có vô hạn đường thẳng phân chia tuyến tính có thể. .............................................................25 Hình 2.14. Hai siêu phẳng phân chia tuyến tính cùng với biên độ của nó. Cái có biên độ lớn hơn sẽ phân loại chính xác hơn. .....................................................26 Hình 2.15. Minh họa đường biểu diễn H1, H2 và support vectors. ..............................27 Hình 2.16. Minh họa chức năng của kernel SVM. .......................................................29 Hình 3.1. Giải pháp đề xuất. .......................................................................................31 Hình 3.2. Giao diện công cụ MakeHuman. ..................................................................32 Hình 3.3. Giao diện phần mềm Blender. ......................................................................33 Hình 3.4. Dữ liệu dáng đi chống đau. ..........................................................................33 Hình 3.5. Ảnh đầu vào và HoG. ...................................................................................35 Hình 3.6. Chia khối trích đặc trưng HOG. ...................................................................36 Hình 3.7. Các bước rút trích đặc trưng HOG. ..............................................................37 Hình 3.8. Chuỗi ảnh thể hiện dáng đi bình thường và chống đau. ...............................40 Hình 3.9. Giao diện làm việc và nhân vật mặc định.....................................................41 Hình 3.10. Nhân vật sau khi chỉnh sửa. .......................................................................41 Hình 3.11. Thêm khung xương cho nhân vật. ..............................................................42 Hình 3.12. Giao diện ban đầu của Blender. .................................................................42 Hình 3.13. Nhân vật được import vào Blender. ...........................................................43 Hình 3.14. Minh họa kết quả nhận dạng. .....................................................................43 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Các phương pháp sinh trắc học để nhận diện con người dựa trên đặc điểm sinh lý/hành vi của đối tượng như nhận dạng khuôn mặt, giọng nói, mống mắt, vân tay, hình dạng tay và dáng đi, đã và đang đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc nhận dạng con người dựa trên tính phổ biến và độc đáo của chúng. Y học hiện đại cho rằng: dáng đi của người khỏe mạnh cũng có những biểu hiện khác nhau tùy theo tuổi tác, tình trạng sức khỏe. Ví dụ về tuổi tác, trẻ em thích đi gấp hoặc chạy chầm chậm, thanh niên khỏe mạnh đi nhanh mạnh mẽ, người già thì thường đi chậm với những bước nhỏ. Tuy nhiên, khi con người mắc một số bệnh nào đó có thể làm cho dáng đi thay đổi rất lớn và có tính đặc trưng nhất định. Theo các chuyên gia y tế, bệnh xương khớp chiếm tới ⅓ dân số thế giới. Tỉ lệ người trên 55 tuổi bị bệnh đã lên tới 80%. Tại Việt Nam, có khoảng 7% dân số đang gặp phải các vấn đề về xương khớp, tương đương với khoảng hơn 6 triệu người. Nếu cứ diễn biến theo tình hình hiện tại thì đến năm 2020, con số này sẽ là 10 triệu người. Tại các bệnh viện lớn, mỗi ngày có hàng trăm bệnh nhân tới khám và tái khám bệnh xương khớp, trong đó có tới phân nửa phải nhập viện và điều trị.Trước đây, xương khớp chủ yếu gặp ở người cao tuổi, tuy nhiên hiện nay, có tới 30% người trên 35 tuổi bị bệnh, và tỉ lệ này vẫn đang có dấu hiệu gia tăng [18]. Bệnh lý cơ xương khớp là vấn đề sức khỏe đang được thế giới rất quan tâm, vì quy mô lớn và hệ quả nghiêm trọng của bệnh trong cộng đồng. Bệnh ít khi dẫn đến tử vong và không biểu hiện nguy kịch như bệnh tim mạch, hô hấp, ung thư… nhưng tần suất của bệnh cao nhất, đồng thời là nguyên nhân chính gây đau, mất chức năng vận động và giảm chất lượng cuộc sống. Ngày nay, các nghiên cứu trong lĩnh vực thị giác máy tính hỗ trợ rất nhiều cho công tác y tế, đặc biệt là các nghiên cứu phân tích dáng đi giúp quan sát bệnh nhân và có thể phát hiện sớm một số bệnh tật. Ứng dụng phân tích dáng đi trong lĩnh vực y tế đã được triển khai từ rất sớm để chẩn đoán và phát hiện các bệnh tiềm ẩn liên quan đến khung xương [16]. Trong các phương pháp học máy, SVM là một phương pháp hiệu quả cho bài toán phân lớp dữ liệu. Nó là một công cụ đắc lực cho các bài toán về xử lý ảnh, phân loại văn bản, phân tích quan điểm. SVM thể hiện được nhiều ưu điểm, như: tính toán hiệu quả trên các tập dữ liệu lớn, tiết kiệm được bộ nhớ. Một yếu tố làm nên hiệu quả 2 của SVM đó là việc sử dụng Kernel function khiến cho các phương pháp chuyển không gian trở nên linh hoạt hơn [19]. Tổng hợp những lí do trên, tôi đề xuất chọn đề tài luận văn cao học: “Phân tích dáng đi chống đau sử dụng máy véc tơ hỗ trợ”. 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu Mục tiêu của đề tài là xây dựng giải pháp sử dụng máy véc tơ hỗ trợ (SVM) để phân tích dáng đi chống đau, từ đó nhận dạng dáng đi của người thu được từ camera thuộc dáng đi chống đau hay không? 2.2. Nhiệm vụ Với mục tiêu như trên, đề tài thực hiện những nhiệm vụ sau: - Tìm hiểu một số triệu chứng lâm sàng về bệnh xương khớp là nguyên nhân tạo ra dáng đi chống đau ở người; - Tìm hiểu phương pháp học máy: máy véc tơ hỗ trợ; - Nghiên cứu giải pháp phân tích dáng đi của người có dáng đi chống đau bằng máy véc tơ hỗ trợ; - Xây dựng chương trình demo để kiểm tra kết quả. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu 3.1. - Dáng đi chống đau của những người bị bệnh đau ở bàn chân, mắt cá chân, đầu gối, hông hoặc xương chậu; - Phương pháp huấn luyện học máy: máy véc tơ hỗ trợ (SVM); - Các phương pháp nhận dạng dựa trên dáng đi. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu phân tích dáng đi chống đau với dữ liệu từ camera hoặc dữ liệu có sẵn. 4. Phương pháp nghiên cứu 4.1. Nghiên cứu lý thuyết - Tìm hiểu các tài liệu về bệnh xương khớp ở chân: bàn chân, mắt cá chân, đầu gối, hông hoặc xương chậu; - Tìm hiểu các tài liệu về xử lý ảnh; 3 - Tìm hiểu về bài toán phân tích dáng đi; - Tìm hiểu phương pháp phân lớp sử dụng máy véc tơ hỗ trợ; - Nghiên cứu các bài báo liên quan. 4.2. Nghiên cứu thực nghiệm - Xây dựng dữ liệu; - Xây dựng mô hình; - Đánh giá kết quả. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài Cung cấp về mặt lý thuyết và phương pháp phân tích dáng đi, được áp dụng trong các hướng nghiên cứu sâu hơn, cụ thể hơn. 5.3. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Có thể hoàn chỉnh và phát triển để ứng dụng trong lĩnh vực y tế nhằm hỗ trợ trong việc chẩn đoán các bệnh liên quan đến khung xương là nguyên nhân gây ra dáng đi chống đau. 6. Cấu trúc luận văn Nội dung của luận văn được trình bày bao gồm các phần chính như sau: Chương 1. Dáng đi chống đau Chương này trình bày tổng quan các giai đoạn của một dáng đi bình thường, các thay đổi dáng đi trên lâm sàng. Ngoài ra còn trình bày một số vấn đề của dáng đi chống đau như: định nghĩa dáng đi chống đau, nguyên nhân gây nên dáng đi chống đau, các triệu chứng và cách chẩn đoán bệnh cho bệnh nhân có dáng đi chống đau. Chương 2. Tổng quan về phân tích dáng đi Chương này giới thiệu các hướng tiếp cận bài toán phân tích dáng đi, các phương pháp phân tích dáng đi, đồng thời giới thiệu các cách biểu diễn đặc trưng được sử dụng trong phân tích dáng đi. Chương 3. Phân tích dáng đi chống đau sử dụng máy véc tơ hỗ trợ Chương này mô tả giải pháp đề xuất của phương pháp phân tích dáng đi sử dụng máy véc tơ hỗ trợ gồm trích xuất đặc trưng HOG, xây dựng mô hình dựa trên mô hình máy véc tơ hỗ trợ SVM, tính ngưỡng xác xuất để nhận biết dáng đi chống đau của người bị bệnh xương khớp, trình bày kết quả thực nghiệm của giải pháp đề xuất. Kết luận và hướng phát triển 4 CHƯƠNG 1. DÁNG ĐI CHỐNG ĐAU 1.1. CÁC GIAI ĐOẠN TRONG DÁNG ĐI Ở NGƯỜI Dáng đi được định nghĩa là chuỗi liên tục thành nhịp các giai đoạn đu đưa (swing) và tựa (support) của hai chân khi bàn chân hoặc ở trong không (đu đưa) hoặc tiếp xúc với đất (tựa).Dáng đi được đặc trưng bởi có một giai đoạn tựa kép trong đó cả hai chân tiếp xúc với đất, xen kẽ với các giai đoạn tựa đơn khi chân kia đưa tới trước để bước tiếp. Trong khi đi không có giai đoạn hai chân đều hở đất (nghĩa là giai đoạn bay). Hình 1.1.Chu kỳ dáng đi gồm 8 giai đoạn. 1.1.1. Giai đoạn tựa (chống) Giai đoạn tựa là khi bàn chân tiếp xúc với đất, tính từ thời điểm bàn chân chạm đất đến khi bàn chân rời khỏi đất. Giai đoạn này thường được chia thành các thì: thì tiếp đất (hay chạm đất) , thì chuyển trọng lượng, giữa thì tựa, cuối thì tựa (nhấc gót), và tiền thì đu (nhấc ngón chân). Hình 1.2.Mô tả khung xương chân cho giai đoạn chống. 5 - Thì tiếp đất (chạm đất): Giai đoạn này bao gồm thời điểm khi gót chân 1 chạm sàn. - Thì chuyển trọng lượng: Giai đoạn này bắt đầu khi chân 1 bắt đầu tiếp xúc với mặt sàn và tiếp tục cho đến khi gót chân 2 được nâng lên. Ở cuối giai đoạn chuyển trọng lượng, bàn chân 1 tiếp xúc hoàn toàn với mặt sàn. - Giữa thì chống: Trong suốt giữa thì chống, chân 1 chống đỡ toàn bộ trọng lượng cơ thể trong khi chân 2 đu ra trước. Giữa thì chống bắt đầu khi chân 2 được nâng lên và tiếp tục cho đến khi trọng lượng cơ thể đặt hết lên bàn chân 1. - Cuối thì chống: Giai đoạn này hoàn thành giai đoạn chống đơn. Tư thế này bắt đầu khi gót chân 1 nâng lên và tiếp tục cho đến khi chân 2 chạm mặt đất. Trong suốt giai đoạn này, trọng lượng cơ thể di chuyển về phía trước của bàn chân 2. Ở cuối giai đoạn chống, khối cơ thể tiếp tục tiến ra trước trên chân 2 trong khi thân đổ ra trước. - Tiền thì đu: Giai đoạn này xảy ra khi chân 2 tiến từ giai đoạn gót chạm đất đến giai đoạn chuyển trọng lượng [20]. 1.1.2. Giai đoạn đu đưa Giai đoạn đu đưa xảy ra từ lúc bàn chân rời đất đến khi bàn chân đó chạm đất lại. Giai đoạn này thường được chia thành đầu thì đu, giữa thì đu và cuối thì đu. Tỷ lệ thời gian tương ứng sử dụng trong hai giai đoạn đu đưa và tựa thay đổi đáng kể khi đi và chạy. Khi đi bình thường thì tựa chiếm 60%, giai đoạn đu đưa chiếm 40%. Khi đi nhanh và chạy, thời gian giai đoạn tựa giảm đi đồng thời thời gian giai đoạn đu đưa sẽ tăng lên. Ví dụ như: chạy vừa có thời gian tựa là 55%,thời gian đua đưa là 45% và chạy nhanh có thời gian tựa là 50%, thời gian đu đưa là 50% [17]. Hình 1.3. Mô tả khung xương chân cho giai đoạn đu đưa. - Đầu thì đu: Trong suốt đầu thì đu, chân 1 bị đẩy ra trước. Giai đoạn này chiếm khoảng một phần ba của thời kỳ đu, bắt đầu bằng việc nâng bàn chân từ mặt sàn lên và kết thúc khi đầu bàn chân 1 đối diện với chân 2. Trong giai đoạn này, bàn chân 1 được nâng lên, hông và đầu gối chân 1 gập để đưa các chi lên. 6 - Giữa thì đu: Giai đoạn này bắt đầu khi chân 1 đối diện với chân 2 và kết thúc khi chân 1 tiến tới trước. Lúc này, xương ống chân 1 thẳng đứng, đầu gối kéo dài phản ứng với trọng lực, trong khi mắt cá chân tiếp tục gập mu bàn chân. - Cuối thì đu: Giai đoạn này bắt đầu khi xương ống chân 1 thẳng đứng và kết thúc khi bàn chân 1 chạm sàn và hướng về phía trước. Trong giai đoạn này, đầu gối mở rộng, khớp gối duỗi, khớp cổ chân ở vị trí trung gian. 1.2. CÁC THAY ĐỔI DÁNG ĐI TRÊN LÂM SÀNG Có thể nhìn dáng đi để đoán biết sức khỏe - đó là nhận định từ các chuyên gia sau một quá trình nghiên cứu về vấn đề này. Tư thế đi có liên quan đến mức độ đồng bộ của nhiều bộ phận khác nhau trên cơ thể bao gồm: tay, lưng, xương chậu, hông, đầu gối, bắp chân, các cơ gân kheo (cơ kéo) và bàn chân nhằm giữ thăng bằng khi bạn bước về phía trước. Nhiều bệnh lý ảnh hưởng đến dáng đi và chức năng đi lại của bệnh nhân. Sau đây là một số dáng đi bệnh lý thường gặp: - Dáng đi chống đau: Đây là dáng đi của người bị đau khớp. Để giảm đau bệnh nhân rút ngắn thời gian tựa ở bên đau và nhanh chóng chuyển trọng lượng sang chân không bị đau. - Dáng đi cứng khớp háng: Khi khớp háng bị cứng, bệnh nhân không thể gấp khớp háng khi đi để nhấc chân lên hở đất trong thì đu đưa. - Dáng đi khớp háng không vững: Sự vững của khớp háng khi đi là nhờ các đầu xương của khớp được giữ trong vị trí vững bởi các cơ và dây chằng quanh khớp. Trong trường hợp này, bệnh nhân có thể có một trong hai dáng đi sau bởi phụ thuộc các yếu tố kèm theo. + Dáng đi Trendelenberg: Như trường hợp phá vỡ giải phẫu bên phải trong gãy cổ xương đùi chưa liền. Hoạt động của cơ mông nhỡ kéo xương chậu xuống dưới trong thì tựa không hiệu quả hoặc yếu do mất một điểm tựa vững. Xương chậu hạ xuống ở phía bên kia (tức là bên trái) gây nên mất thăng bằng. + Dáng đi cơ mông nhỡ: Khi cơ mông nhỡ phải bị liệt, nó không thể kéo xương chậu phải xuống do giảm chức năng cơ dạng ở trong thì tựa. - Dáng đi chân ngắn: Chân ngắn chân dài trở nên rõ khi một chân ngắn hơn chân kia 1 inch (2,5 cm). Dáng đi nghiêng chậu xuống dưới rõ và biến dạng bàn chân ngựa. - Dáng đi bước cao: Khi bàn chân rũ (yếu cơ gập mu chân), bàn chân vỗ lên đất khi đánh gót và sau đó rũ xuống trong thì đu đưa. Để đưa bàn chân hở đất, khớp háng gấp nhiều hơn tạo nên dáng đi bước cao. - Dáng đi cây kéo: Đây là dáng đi đặc trưng của một trẻ bại não, co cứng rõ rệt hai háng và cổ chân gập lòng. 7 - Dáng đi bệnh nhân Parkinson: Thân người gập về phía trước, đi bước nhỏ, nhanh, chân đi với tầm vận động nhỏ hơn… - Dáng đi liệt nửa người:Quét vòng (dạng chân) để hở chân liệt trong thì đu đưa. - Dáng đi thất điều: Đi lảo đảo, mất thăng bằng như người say rượu - Dáng đi lật bật:Bệnh nhân đi lên các ngón chân như bị đẩy, bắt đầu đi chậm sau nhanh dần cho đến khi bệnh nhân vịn để ngừng lại - Dáng đi chân ngựa: Đi gập cổ chân do hoạt động quá mức cơ gấp lòng bàn chân. - Dáng đi co cứng: Thấy trong liệt cứng hai chân, vận động cứng, hai chân sát nhau, háng và gối gấp nhẹ, co rút bàn chân[17]. 1.3. DÁNG ĐI CHỐNG ĐAU Bệnh nhân bị đau chân sẽ ảnh hưởng đáng kể đến khả năng đi bộ. Một bệnh nhân được cho là có dáng đi chống đau khi bệnh nhân tránh gây áp lực lên chân bị đau khi đi bộ. Có thể có nhiều nguyên nhân dẫn đến dáng đi chống đau như:bị bệnh về xương khớp ở chân, bị chấn thương, bị biến dạng khớp,…Những khó khăn trong quá trình đi bộ dẫn đến những hạn chế nhất định trong một số hoạt động. 1.3.1. Định nghĩa dáng đi chống đau Dáng đi chống đau là khi bệnh nhân cố gắng tránh đặt trọng lượng cơ thể lên chân bị đau trong khi đi bộ. Khi đi bộ, trọng lượng cơ thể sẽ được truyền qua chân xuống đất. Vì vậy, với những bệnh nhân bị đau chân để giảm đau khi đi bộ, người bệnh cố gắng đặt trọng lượng cơ thể lên chân bị đau càng nhỏ càng tốt trong thời gian ngắn nhất có thể trong giai đoạn tựa của chu kỳ dáng đi và thường chuyển trọng lượng đột ngột sang chân không bị đau. Sải chân được rút ngắn ở phía bên chân bị đau, ảnh hưởng đến nhịp điệu của chu kỳ dáng đi bình thường của bệnh nhân. Những bệnh nhân đau ở khớp chân, đầu gối hoặc khớp hông thường sẽ có dáng đi chống đau. Dáng đi chống đau có thể là dáng đi của bất cứ ai ở mọi lứa tuổi, những người cao tuổi hay trẻ nhỏ; những vận động viên dường như bị nó thường xuyên hơn và dáng đi chống đau được nhìn thấy ở nam giới nhiều hơn phụ nữ [22]. 8 Hình 1.4.Chuỗi hình minh họa dáng đi chống đau. Dáng đi chống đau có thể xuất hiện đột ngột hoặc dần dần do bệnh hoặc tổn thương dây thần kinh hoặc hệ thống cơ xương. Nó có thể nhẹ, trung bình hoặc nặng, tạm thời hoặc vĩnh viễn. Một ví dụ về dáng đi chống đau xuất hiện đột ngột là khi bạn ngồi trên bàn chân hoặc chân của bạn để ở một vị trí khó xử trong một thời gian. Khi bạn đứng dậy, bàn chân hoặc chân của bạn cảm thấy như nó đang bị tấn công bởi vô số cái kim. Những lúc như vậy, bạn sẽ đi bộ với dáng đi chống đau cho đến khi cảm giác bình thường trở lại. Một ví dụ khác về dáng đi chống đau đến dần dần là dáng đi của một người đang bị bệnh gút. Bệnh gút là một dạng viêm khớp ảnh hưởng đến các khớp, chủ yếu là khớp ở chân ngón cái, nơi tinh thể axít uric có thể tích lũy. Nó rất phổ biến và rất đau đớn. Nhiều bệnh nhân mô tả bệnh gút là cảm giác như ngón chân của họ đang bốc cháy, và trong thời gian bùng phát, họ buộc phải đi bộ với dáng đi chống đau[22]. 1.3.2. Nguyên nhân Có nhiều yếu tố có thể gây ra dáng đi chống đau. Tùy vào độ tuổi để có những nguyên nhân thường gặp, chẳng hạn đối với trẻ em, nguyên nhân phổ biến nhất gây ra dang đi chống đau là chấn thương, tiếp theo là do nhiễm trùng và viêm: - Chấn thương: Đây thường là chấn thương nhẹ và sẽ tự lành. Tuy nhiên trong trường hợp trẻ đi với dáng đi chống đau kéo dài thì có thể trẻ đã bị gãy xương ở chân. - Nhiễm trùng: Nhiễm vi rút hoặc vi khuẩn trong xương và khớp đang phát triển có thể gây đau và gây nên dáng đi chống đau ở trẻ nhỏ. - Viêm khớp: Viêm khớp phổ biến ở người lớn từ 65 tuổi trở lên, tuy nhiên ở trẻ em một số cũng mắc phải bệnh này. Nó ảnh hưởng đến các khớp xương và gây đau, sưng. 9 Đối với những người lớn tuổi, có 2 loại viêm khớp có thể gây đau và gây ra dáng đi chống đau như sau: - Viêm xương khớp (bệnh khớp thoái hóa) là bệnh mà các khớp trở nên đau và cứng. Bệnh viêm xương khớpthường gặp ở đầu gối, háng và xương sống. Đôi khi, những khớp khác như khớp ở bàn tay vẫn có thể xuất hiện triệu chứng như trên. Trong các khớp xương này có một bộ phận gọi là sụn, sụn có chức năng đệm khi hai đầu xương ở các khớp này chạm vào nhau. Khi bị viêm khớp, sụn bị hủy hoại và mất khả năng đệm cho xương do đó sẽ không còn hàng rào bảo vệ giữa hai đầu xương nữa. Các xương sẽ cọ xát vào nhau khi bệnh nhân cử động dẫn đến các khớp trở nên sưng và đau đớn. - Bệnh viêm khớp dạng thấp hay còn gọi là bệnh viêm đa khớp dạng thấp. Bệnh gây viêm (đỏ, sưng) dẫn đến đau, xơ cứng và sưng khớp, phần lớn là khớp tay, khớp lưng, khớp bàn chân và khớp gối. Viêm khớp mắt cá, khớp gối hoặc khớp bàn chân có thể gây khó khăn cho bệnh nhân khi đi đứng và cúi người. Những bệnh như: bệnh gút, bệnh viêm khớp vảy nến cũng là những dạng của bệnh viêm khớp. Vì vậyđó cũng là một trong những nguyên nhân gây ra dáng đi chống đau cho những bệnh nhân mắc những bệnh này. Ngoài ra dáng đi chống đau còn có thể bị gây ra bởi nhiều nguyên nhân khác như: sự biến dạng của khớp và chân; bị chấn thương do tai nạn (tai nạn lao động, tai nạn giao thông, tai nạn khi chơi thể thao); đau thần kinh tọa;các khối u ở bàn chân, chân hoặc hông; tổn thương cơ hoặc gân; …[21]. 1.3.3. Các triệu chứng của dáng đi chống đau Có những triệu chứng và dấu hiệu cụ thể của dáng đi chống đau mà bác sĩ tìm kiếm khi chẩn đoán. Sau đây là một số các triệu chứng đặc trưng cho dáng đi chống đau: - Phong cách đi bộ không bình thường: thay đổi dáng đi để giảm đau bởi nếu đi bộ bình thường thì sẽ làm tăng cảm giác đau cho người bệnh; - Độ dài của bước chân ngắn hơn độ dài bước chân của dáng đi bình thường; - Độ dài của bước đi không giống nhau, cụ thể là chân bị đau sẽ có bước đi ngắn hơn chân không bị đau; - Tốc độ bước đi giảm; - Thời gian ở giai đoạn đu đưa của chân đau sẽ tăng và ở chân không đau sẽ giảm; - Thời gian ở giai đoạn tựa của chân đau sẽ giảm và ở chân không đau sẽ tăng[21]. 10 1.3.4. Cách chẩn đoán bệnh Dáng đi chống đau là một dáng đi không bình thường, rất dễ nhìn thấy và được bác sĩ điều trị phát hiện bằng mắt thường. Tuy nhiên như trên đã trình bày, có thể có rất nhiều nguyên gây ra dáng đi chống đau và cũng tùy vào lứa tuổi để có một số nguyên nhân cụ thể thườnggặp. Đây là lý do quan trọng tại sao bác sĩ phải tìm thấy nguyên nhân khi bệnh nhân có dáng đi chống đau, hoặc nếu bệnh nhân đang thay đổi cách họ đi bộ để giảm đau ở: chân, mắt cá chân hoặc bàn chân. Mục tiêu của bác sĩ điều trị là xác định nguyên nhân gây ra dáng đi chống đau. Bởi nếu không được điều trị đúng, nó có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng hơn cho người bệnh. Sau đây là các cách thường được sử dụng để chẩn đoán nguyên nhân gây ra dáng đi chống đau[7]: a) Khám lâm sàng Bệnh nhân có dáng đi chống đau khi khám lâm sàng sẽ có những dấu hiệu triệu chứng cụ thể như sau: - Người bệnh có cảm giác đau: Đó là triệu chứng chủ yếu khiến bệnh nhân đi khám bệnh. Bệnh nhân có triệu chứng đau ở chân và cảm giác đau tăng khi đi bộ, đứng và chạy bộ. Ngoài ra cơ thể bệnh nhân mệt mỏi: bệnh nhân có thể bị suy nhược; vận động khó khăn; - Dáng đi bộ của bệnh nhân có những thay đổi: Dáng đi bất thường có liên quan đến khả năng sử dụng chân bị đau. Dáng đi bộ thay đổi trong suốt cả ngày, đau nặng vào buổi sáng và do đó sự thay đổi dáng đi biểu hiện rõ nét hơn vào buổi sáng. Dáng đi của bệnh nhân có bước đi ngắn hơn bình thường và rút ngắn thời gian giai đoạn tựa ở chân bị đau. Đặc biệt bệnh nhân sẽ bị đau nhiều hơn khi cố gắng đi bộ bình thường. Ngoài những triệu chứng trên, trong nhiều trường hợp, bệnh nhân có dấu hiệu khớp bị sưng và cứng. b) Xét nghiệm máu Khi xét nghiệm máu, các chỉ số sau thường sử dụng là yếu tố thấp RF (Rheumatoid factor), Anti-CCP(Anti-cyclic citrullined peptide), tốc độ lắng máu VSS (Erythrocyte sedimentation rate), CRP (C-reactive protein), Anti-DNA và Uric Acid. - Yếu tố thấp khớp (Rheumatoid Factors - RF):Xét nghiệm có kết quả dương tính ở những bệnh nhân bị viêm khớp dạng thấp; - Anti-CCP (Anti-cyclic citrullinated): Anti-CCP là một xét nghiệm rất hữu ích, được sử dụng để chẩn đoán viêm khớp dạng thấp ở giai đoạn sớm. Ngoài ra nồng độ của Anti-CCP cao hay thấp cũng tiên lượng được mức độ tổn thương của khớp. 11 - Tốc độ máu lắng:Đây là xét nghiệm để chẩn đoán bệnh nhân có bị viêm khớp hay không? Xét nghiệm này đo thời gian tế bào hồng cầu rơi xuống đáy ống nghiệm. Tỷ lệ lắng đọng tăng phản ánh một tình trạng viêm không đặc hiệu trong cơ thể. - CRP (C reactive protein): Đây là protein sản xuất tại gan và được sản xuất trong trường hợp viêm cấp hoặc nhiễm trùng. CRP dương tính ở những bệnh nhân mắc các bệnh như: viêm khớp dạng thấp, bệnh thấp khớp, ung thư, lao, viêm phổi, nhồi máu cơ tim, Lupus. - Anti DNA và anti-SM: Bệnh nhân Lupus có kháng thể với chất liệu di truyền DNA. Nó là một công cụ chẩn đoán hữu ích ở những bệnh nhân không có bệnh Lupus. - Acid Uric: Là sản phẩm phân hủy của purines trong trong chu trình chuyển hóa acid uric. Quá nhiều axit uric có thể ra tinh thể hình thành ở các khớp và gây ra bệnh gút. Ngoài ra, phân tích dịch khớp có thể cung cấp cho bác sĩ với nhiều chi tiết quan trong trong quá trình điều trị và theo dõi bệnh. Xét nghiệm máu có thể giúp chẩn đoán viêm khớp, theo dõi điều trị và theo dõi diễn biến của bệnh.Các xét nghiệm máu là những công cụ chẩn đoán rất có giá trị. Tuy nhiên không chỉ dựa vào các xét nghiệm máu mà còn phải kết hợp với kết quả của chẩn đoán hình ảnh, tiền sử và lâm sàng của bệnh nhân để có một chẩn đoán chính xác. c) Nghiên cứu hình ảnh hoặc phóng xạ - Chụp X-quang: Được sử dụng trong hầu hết các xét nghiệm có liên quan đến chấn thương và đau nhức xương khớp.Hình ảnh chụp x-quang cho thấy rõ cấu trúc xương, mật độ xương, các tổ chức xung quanh xương khớp, tổn thương xương khớp,…từ đó nhận định được nguyên nhân gây ra dáng đi chống đau. - Chụp cộng hưởng từ MRI và chụp cắt lớp vi tính CT: Đó là những kỹ thuật tiên tiến góp phần phát hiện nhiều những thương tổn trong khớp và tổ chức xung quanh khớp. Hình 1.5. Khớp bình thường và viêm xương khớp. 12 d) Nội soi khớp Phương pháp này được thực hiện thông qua ống nội soi quang học, những tổn thương khớp lớn như khớp gối được phát hiện tốt. Nội soi khớp góp phần phát hiện các tổn thương sụn khớp, dây chằng, bao hoạt dịch, gân cơ,… và hỗ trợ lấy mẫu trong quá trình sinh thiết hay can thiệp phẫu thuật ngoại khoa. e) Xét nghiệm dịch khớp Chọc hút dịch khớp và xét nghiệm dịch khớp là biện pháp có giá trị để chẩn đoán bệnh khớp và theo dõi kết quả điều trị. Bình thường dịch khớp trong suốt, có ít tế bào, quánh và số lượng dịch ít. Sự thay đổi về màu sắc, thể tích và thành phần tế bào dịch khớp có giá trị trong chẩn đoán bệnh khớp. 1.4. TỔNG KẾT CHƯƠNG 1 Một dáng đi bình thường gồm hai giai đoạn chính: giai đoạn chống và giai đoạn đu đưa, được xác định dựa vào cử động di chuyển của cùng một chân. Nhiều bệnh lý sẽ ảnh hưởng đến dáng đi và chức năng đi lại của con người. Cụ thể trong trường hợp bệnh nhân bị đau xương khớp, thì người bệnh sẽ có dáng đi chống đau. Trong chương 1, luận văn đã trình bày định nghĩa dáng đi chống đau, nguyên nhân, triệu chứng và cách chẩn đoán bệnh. Trong nội dung chương 2 tiếp theo, luận văn sẽ trình bày những kiến thức tổng quan về phân tích dáng đi. 13 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH DÁNG ĐI 2.1. PHÂN TÍCH DÁNG ĐI Phân tích dáng đi là một trong những bài toán chính của các hệ thống tự động có chức năng giám sát và chăm sóc y tế tại nhà cũng như hệ thống hỗ trợ việc khám bệnh của các trung tâm y tế. Nhiều hướng tiếp cận để giải quyết vấn đề này đã được đề xuất, dựa trên các nền tảng phần cứng và giải pháp xử lý khác nhau. Có hai hướng nghiên cứu chính thường được áp dụng cho bài toán phân tích dáng đi: xử lý dữ liệu từ cảm biến, và sử dụng hệ thống thị giác máy tính. Điểm khác biệt chủ yếu giữa các hướng trên là thiết bị hỗ trợ được sử dụng trong quá trình nghiên cứu, được trình bày cụ thể dưới đây. 2.1.1. Sử dụng cảm biến Hiện tại, có nhiều nghiên cứu về sử dụng cảm biến trong việc phân tích dáng đi. Các bộ cảm biến được sử dụng trên một số bộ phận của cơ thể, chẳng hạn như bàn chân, đầu gối, đùi hay eo. Trong nghiên cứu[30], các tác giả đã thí nghiệm với 1536 bộ cảm biến riêng lẻ sắp xếp trên một mặt sàn hình chữ nhật kích thước 3x0.5m được thực hiện trên 15 người. Mỗi người bước qua tấm thảm 12 lần, hoàn thành hai chu kỳ dáng đi bằng chân không, hệ thống sẽ đo chiều dài sải chân, nhịp sải chân, và thời gian trên ngón chân và gót chân với tỷ lệ thành công là 80%. Hình 2.1.Hình ảnh thảm cảm biến trên sàn nhà. Mặc dù có nhiều nghiên cứu về việc sử dụng cảm biến trong phân tích, nhận dạng dáng đi nhưng việc sử dụng cảm biến cũng có nhiều nhược điểm như cảm biến phải được đặt chính xác và an toàn, phải tính toán sai lệch trọng lực, tiếng ồn, tín hiệu. Hơn nữa, mỗi cảm biến thường giới hạn sử dụng để đo ít đặc trưng dáng đi... Ngoài ra,