Tài liệu Thiết kế và phát triển hệ thống ghi đo chuyển động chi dưới trong không gian ba chiều bằng hệ camera nhúng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Thiết kế và phát triển hệ thống ghi đo chuyển động chi dưới trong không gian ba chiều bằng hệ camera nhúng HOÀNG THỊ THU HIỀN Ngành Kỹ thuật Y sinh Giảng viên hướng dẫn: TS. Đào Việt Hùng Viện: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI, 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Thiết kế và phát triển hệ thống ghi đo chuyển động chi dưới trong không gian ba chiều bằng hệ camera nhúng HOÀNG THỊ THU HIỀN Ngành Kỹ thuật Y sinh Giảng viên hướng dẫn: TS. Đào Việt Hùng Chữ ký của GVHD Viện: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI, 2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Hoàng Thị Thu Hiền Đề tài luận văn: Thiết kế và phát triển hệ thống ghi đo chuyển động chi dưới trong không gian ba chiều bằng hệ camera nhúng Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh Mã số SV: 20202686M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 20/10/2022 với các nội dung sau: - Đã chỉnh sửa một số lỗi chính tả và định dạng trong bài luận văn - Đã chỉnh sửa trích dẫn tài liệu tham khảo Ngày Giáo viên hướng dẫn TS. Đào Việt Hùng tháng năm 2022 Tác giả luận văn Hoàng Thị Thu Hiền CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS. TS Trần Quang Vinh LỜI CẢM ƠN Để có thể hoàn thành luận văn này, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới TS. Đào Việt Hùng đã hướng dẫn và tạo điều kiện thuận cho tôi trong quá trình thực hiện. Đồng cảm ơn các bạn sinh viên nghiên cứu tại phòng 308A nhà C9, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hỗ trợ tôi trong quá trình tiến hành thử nghiệm hệ thống. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả Hoàng Thị Thu Hiền MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................ 1 1.1 Đo lường trong y học ....................................................................................... 1 1.2 Ghi đo chuyển động ......................................................................................... 1 1.2.1 Định nghĩa ........................................................................................ 1 1.2.2 Ứng dụng .......................................................................................... 2 1.2.3 Các phương pháp ghi đo chuyển động ............................................. 5 1.3 Phương pháp ghi đo chuyển động sử dụng thị giác máy tính ......................... 9 1.4 Mục tiêu của luận văn .................................................................................... 11 1.5 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, và phương pháp nghiên cứu ...................... 11 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu ..................................................................... 11 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 12 1.5.3 Phương pháp nghiên cứu ................................................................ 13 1.6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn .......................................................... 13 1.7 Bố cục của luận văn ....................................................................................... 13 CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT CĂN BẢN VỀ GHI ĐO CHUYỂN ĐỘNG SỬ DỤNG THỊ GIÁC MÁY TÍNH ........................................................................ 15 2.1 Kỹ thuật xử lý ảnh số ..................................................................................... 15 2.1.1 Khái niệm thị giác máy tính và xử lý ảnh số .................................. 15 2.1.2 Thư viện xử lý ảnh số ..................................................................... 16 2.1.3 Một số phương pháp lọc nhiễu trong xử lý ảnh ............................. 17 2.1.4 Hiệu chuẩn camera ......................................................................... 20 2.1.5 Đồng bộ các camera ....................................................................... 24 2.2 Hệ thống phần cứng ....................................................................................... 27 2.2.1 Hệ thống ghi đo chuyển động không sử dụng điểm đánh dấu ....... 27 2.2.2 Hệ thống ghi đo chuyển động sử dụng điểm đánh dấu .................. 28 CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CHI TIẾT .............. 36 3.1 Khảo sát thuật toán ước tính tư thế ................................................................ 36 3.2 Khảo sát giao thức truyền dữ liệu .................................................................. 39 3.3 Khảo sát các phương pháp hiệu chuẩn camera .............................................. 41 3.4 Khảo sát một số hệ camera nhúng ................................................................. 43 i 3.5 Đề xuất giải pháp chi tiết............................................................................... 43 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG HỆ THỐNG .......................................................... 46 4.1 Cấu hình hệ thống thu nhận và xử lý ảnh ...................................................... 46 4.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán ........................................................................... 46 4.2.1 Thuật toán đồng bộ và hiển thị video............................................. 48 4.2.2 Thuật toán hiệu chuẩn camera ....................................................... 50 4.2.3 Thuật toán tính tọa độ hai chiều ..................................................... 51 4.2.4 Thuật toán tái tạo tọa độ ba chiều .................................................. 52 4.2.5 Thuật toán tính góc và vận tốc ....................................................... 53 CHƯƠNG 5. KIỂM THỬ PHƯƠNG PHÁP ĐO VÀ KẾT LUẬN............... 55 5.1 Thiết lập thí nghiệm ...................................................................................... 55 5.1.1 Thiết lập thiết bị đo ........................................................................ 55 5.1.2 Thiết lập dụng cụ hiệu chuẩn ......................................................... 57 5.2 Các bước tiến hành ........................................................................................ 58 5.2.1 Hiệu chuẩn camera ......................................................................... 58 5.2.2 Đồng bộ thu nhận video từ Raspberry Pi ....................................... 59 5.2.3 Tính góc khớp và vận tốc ............................................................... 62 5.2.4 Thử nghiệm với tình nguyện viên .................................................. 63 5.3 Kết quả thí nghiệm ........................................................................................ 64 5.3.1 Hiệu chuẩn camera ......................................................................... 64 5.3.2 Đồng bộ thu nhận video từ Raspberry Pi ....................................... 67 5.3.3 Tính góc và tính vận tốc................................................................. 68 5.3.4 Thử nghiệm với tình nguyện viên .................................................. 74 5.4 Kết luận và kiến nghị .................................................................................... 78 5.4.1 Kết luận chung ............................................................................... 78 5.4.2 Kiến nghị và đề xuất ...................................................................... 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 80 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 84 ii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các ma trận hạt nhân Gaussian phổ biến .............................................. 19 Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của một số phiên bản Nvidia Jetson ....................... 30 Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của một số phiên bản BeagleBone.......................... 32 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của Raspberry Pi 3 model B+ và BeagleBone Black Rev C .................................................................................................................... 43 Bảng 3.2 Điểm so sánh Raspberry Pi 3 model B+ và BeagleBone Black Rev C 45 Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật của Raspberry Pi 3 model B+ ................................. 56 Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật của cameraV1 ......................................................... 56 Bảng 5.3 Thông số kỹ thuật chính của máy tính Dell Inspiron 7400 .................. 57 Bảng 5.4 Kết quả hiệu chuẩn camera trái ............................................................ 66 Bảng 5.5 Kết quả hiệu chuẩn camera phải ........................................................... 66 Bảng 5.6 Kết quả thí nghiệm đồng bộ hai camera (1) ......................................... 67 Bảng 5.7 Kết quả thí nghiệm đồng bộ hai camera (2) ......................................... 67 Bảng 5.8 Kết quả thí nghiệm đồng bộ hai camera (3) ......................................... 67 Bảng 5.9 Kết quả thí nghiệm đồng bộ hai camera (4) ......................................... 68 Bảng 5.10 Sai số đo khoảng cách......................................................................... 69 Bảng 5.11 Lỗi đo lường liên quan tới khoảng cách giữa hai camera .................. 72 Bảng 5.12 Sai số phép đo vận tốc ........................................................................ 74 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ghi đo chuyển động [2] .......................................................................... 2 Hình 1.2 Ghi đo chuyển động trong phục hồi chức năng [4] ................................ 3 Hình 1.3 Ghi đo chuyển động trong thể thao ......................................................... 4 Hình 1.4 Ghi đo chuyển động trong giám sát công cộng ...................................... 4 Hình 1.5 Ghi đo chuyển động trong phòng thí nghiệm chuyên ngành .................. 5 Hình 1.6 Ghi đo chuyển động sử dụng tấm lực ..................................................... 6 Hình 1.7 Ghi đo chuyển động sử dụng tín hiệu điện cơ ........................................ 7 Hình 1.8 Ghi đo chuyển động sử dụng điện kế ..................................................... 7 Hình 1.9 Ghi đo chuyển động sử dụng cảm biến đeo ............................................ 8 Hình 1.10 Hệ thống chụp chuyển động trong phòng thí nghiệm......................... 10 Hình 1.11 Trang phục chuyên dụng gắn các điểm đánh dấu phản quang ........... 10 Hình 2.1 Mô hình camera lỗ kim ......................................................................... 21 Hình 2.2 Mô hình máy chủ/khách ....................................................................... 26 Hình 2.3 Hệ thống ghi đo chuyển động ............................................................... 27 Hình 2.4 Hệ thống chụp chuyển động VICON .................................................... 28 Hình 2.5 Bo mạch Jetson Nano Developer Kit .................................................... 29 Hình 2.6 Bo mạch Jetson TX2 ............................................................................. 29 Hình 2.7 Bo mạch Jetson Xavier NX .................................................................. 30 Hình 2.8 Bo mạch BeagleBone Black ................................................................. 31 Hình 2.9 Bo mạch BeagleBone Blue ................................................................... 31 Hình 2.10 Bo mạch BeagleBone AI-64 ............................................................... 32 Hình 2.11 Bo mạch Raspberry Pi ........................................................................ 33 Hình 2.12 Module camera tiêu chuẩn .................................................................. 35 Hình 2.13 Module camera không có bộ lọc hồng ngoại. ..................................... 35 Hình 3.1 Ước tính tư thế sử dụng thư viện OpenPose ......................................... 37 Hình 3.2 Mô hình stereo camera .......................................................................... 37 Hình 3.3 Hai mặt phẳng trực giao để hiệu chuẩn máy ảnh .................................. 42 Hình 3.4 Mẫu bàn cờ phẳng được sử dụng để hiệu chuẩn camera ...................... 42 Hình 4.1 Hệ thống thu nhận ảnh được đề xuất .................................................... 46 Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống .............................................................................. 47 Hình 4.3 Mô hình đồng bộ Raspberry Pi ............................................................. 48 iv Hình 4.4 Các trạng thái lệnh ghi, dừng, và gửi video .......................................... 48 Hình 4.5 Truy xuất video từ Firebase sử dụng ngôn ngữ javascript .................... 49 Hình 4.6 Hàm tạo nút bấm cho giao diện website ............................................... 49 Hình 4.7 Sơ đồ thuật toán hiệu chuẩn camera ..................................................... 50 Hình 5.1 Raspberry Pi và cameraV1 .................................................................... 55 Hình 5.2 Các điểm đánh dấu phản quang ............................................................ 55 Hình 5.3 Dụng cụ hiệu chuẩn máy ảnh ................................................................ 57 Hình 5.4 Dụng cụ hiệu chuẩn hệ thống ................................................................ 58 Hình 5.5 Giao diện bật camera trên Raspberry Pi................................................ 58 Hình 5.6 Một số hình ảnh bàn cờ được sử dụng để hiệu chuẩn camera .............. 59 Hình 5.7 Trang chủ tạo project ............................................................................ 59 Hình 5.8 Thêm tên project mới ............................................................................ 60 Hình 5.9 Khởi tạo cloud ....................................................................................... 60 Hình 5.10 Giao diện cloud sau khi được khởi tạo ............................................... 60 Hình 5.11 Thêm Firebase vào ứng dụng web ...................................................... 61 Hình 5.12 Cấu hình Firebase trên Raspberry Pi................................................... 61 Hình 5.13 Thiết lập thí nghiệm đồng bộ các máy ảnh ......................................... 62 Hình 5.14 Hai khung hình tương ứng thu được từ hai camera ............................ 62 Hình 5.15 Vị trí gắng các điểm đánh dấu phản quang ở chi trên......................... 64 Hình 5.16 Vị trí gắn các điểm đánh dấu phản quang ở chi dưới ......................... 64 Hình 5.17 Kết quả nhận dạng các góc của bàn cờ ............................................... 65 Hình 5.18 Kết quả đồng bộ hai Raspberry Pi ...................................................... 68 Hình 5.19 Hiển thị tọa độ ba chiều trên các khung hình ...................................... 69 Hình 5.20 Lỗi đo lường trong trạng thái tĩnh ....................................................... 71 Hình 5.21 Lỗi đo lường khi chuyển động chậm .................................................. 71 Hình 5.22 Lỗi đo lường khi chuyển động nhanh ................................................. 72 Hình 5.23 Giá trị góc hiển thị trên mỗi khung hình ............................................. 73 Hình 5.24 Giá trị vận tốc đo được khi chuyển động chậm .................................. 74 Hình 5.25 Giá trị vận tốc đo được khi chuyển động nhanh ................................. 74 Hình 5.26 Giá trị góc khớp gối đo được .............................................................. 75 Hình 5.27 Một số thì trong chu kì dáng đi của cơ thể .......................................... 75 Hình 5.28 Góc khớp gối đo được ở tình nguyện viên khỏe mạnh ....................... 76 v Hình 5.29 Góc khớp gối đo được ở bệnh nhân .................................................... 76 Hình 5.30 Giá trị góc khủy tay đo được .............................................................. 77 Hình 5.31 Định nghĩa góc khủy tay trong giải phẫu............................................ 78 vi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Đo lường trong y học Đo lường là nền tảng của các nghiên cứu trong y tế và thực hành lâm sàng. Đo lường là cơ sở của hầu hết các quyết định khám và điều trị lâm sàng. Đo lường là cơ sở phát triển các tiêu chuẩn chẩn đoán bệnh lý, đánh giá sự thay đổi tình trạng của bệnh nhân theo thời gian, và xác định tiên lượng [1]. Các y bác sĩ thường dựa vào các kết quả đo bởi các thiết bị hoặc phương pháp đo lường để đưa ra các quyết định điều trị phù hợp cho người bệnh. Trong một số ngành khoa học khác, các phép đo không chính xác sẽ dẫn tới những hậu quả về vật chất hoặc làm giảm sự hài lòng của khách hàng. Tuy nhiên, trong y học, một phép đo hoặc phương pháp đo không chính xác có thể gây ra nhiều hậu quả ảnh hưởng tới sức khỏe người bệnh, thậm chí có thể dẫn tới tử vong. Do đó, các phương pháp và thiết bị đo chính xác và phù hợp có vai trò quan trọng trong lĩnh vực y tế. Một trong những lĩnh vực đo lường thu hút sự nghiên cứu và phát triển là ghi đo chuyển động của cơ thể. Trong lĩnh vực y tế, ghi đo chuyển động được sử dụng trong hỗ trợ cho các hệ thống phục hồi chức năng như phục hồi chức năng chi trên, chi dưới. Ghi đo chuyển động cung cấp các tham số định lượng của từng chuyển động cụ thể, do đó giúp dễ dàng xác định các vấn đề liên quan đến phạm vi chuyển động, xác định mối liên hệ giữa sự bất thường trong chuyển động với các cơn đau hoặc chấn thương. Độ chính xác của dữ liệu chính là chìa khóa trong việc ghi đo chuyển động. Ghi đo chính xác, thu thập, và làm rõ ý nghĩa của dữ liệu giúp các bác sĩ nhận diện được vùng cơ thể mà bệnh nhân chưa phục hồi, từ đó ước lượng được thời gian phục hồi, cũng như đưa ra chẩn đoán, phác đồ điều trị phù hợp. 1.2 Ghi đo chuyển động 1.2.1 Định nghĩa Ghi đo chuyển động của con người là một khái niệm rộng. Trước khi định nghĩa ghi đo chuyển động ta cần nắm được khái niệm về ước tính tư thế, từ các dạng tư thế sẽ ghi đo được các chuyển động. Có thể hiểu ước tính tư thế là quá trình cấu hình lại các bộ phận cơ thể, được ước tính bằng dữ liệu đầu vào của các 1 thiết bị đo. Khi tư thế được ước tính liên tục theo thời gian, ta gọi là ghi đo chuyển động. Ghi đo chuyển động của cơ thể có thể chia làm ba nhóm chính, bao gồm: Ghi đo chuyển động liên quan đến các bộ phận cơ thể người, theo dõi một người đang chuyển động, và nhận biết các hoạt động của con người từ chuỗi hình ảnh. Ghi đo chuyển động của các bộ phận cơ thể người bao gồm việc phân đoạn cơ thể người ở mức độ thấp thành các đoạn được kết nối bằng các khớp và khôi phục cấu trúc ba chiều của cơ thể người bằng cách sử dụng các phép chiếu hai chiều của nó trên một chuỗi hình ảnh. Hình 1.1 Ghi đo chuyển động [2] 1.2.2 Ứng dụng Những nghiên cứu ban đầu về ghi đo chuyển động của con người được thực hiện vào đầu thế kỷ 17, dựa trên các nguyên tắc cơ học của Newton [3]. Với sự phát triển của các thiết bị đo điện cơ và khoa học máy tính, hiện nay ghi đo dáng đi đã trở thành một công cụ lâm sàng hữu ích trong việc quản lý các vấn đề liên quan tới vận động cho những bệnh nhân mắc các bệnh lý về thần kinh và chấn thương chỉnh hình. Việc đo lường chính xác các tham số động học như góc khớp, góc thả hông, và các thông số dáng đi trong không gian ba chiều là cơ sở quan trọng giúp y bác sĩ xác định được các bất thường hoặc khuyết tật chức năng của cơ thể. Những bất thường về dáng đi có thể do bệnh tật hoặc chấn thương ở hông, lưng, cổ, bàn chân, đầu gối hoặc mắt cá chân. Ghi đo dáng đi có thể hỗ trợ bác sĩ trong các quá trình: • Xác định nguồn gốc của các vấn đề về cơ, thần kinh hoặc xương. 2 • Dự đoán nguồn gốc cơn đau của bệnh nhân khi đứng hoặc đi bộ. • Hỗ trợ chẩn đoán dị tật xương hoặc sai lệch xương. • Hỗ trợ phát hiện rối loạn chức năng cơ hoặc thần kinh. • Kiểm tra sự tiến triển của các bệnh như viêm khớp hoặc chứng loạn dưỡng cơ. Hình 1.2 Ghi đo chuyển động trong phục hồi chức năng [4] Các thông số thu được trong ghi đo chuyển động được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thể thao. Các thông số động học này được sử dụng để xác định các thực nghiệm mô tả kỹ thuật thể thao, cung cấp các giải thích về mặt cơ sinh học, về các dạng chuyển động trong thể thao. Các giải thích, mô tả về mặt cơ sinh học được sử dụng để cải thiện và nâng cao quá trình giảng dạy các kỹ thuật thể thao. Hơn nữa, kết quả ghi đo chuyển động là cơ sở quan trọng giúp cho việc tối ưu hóa kỹ thuật chuyển động được thực hiện một cách hiệu quả. Do đó, ghi đo chuyển động góp phần cải thiện thành tích một cách đáng kể cho các vận động viên. Trong một số môn thể thao cần tốc độ, sự nhanh nhẹn như bóng đá, điền kinh, các vận động viên thường tham gia và các chuyển động nhanh hoặc cần thay đổi hướng đột ngột, dễ dẫn tới chấn thương chi dưới. Ghi đo dáng đi giúp phát hiện, đánh giá, và theo dõi các chấn thương nhằm đưa ra các phương án phục hồi phù hợp. 3 Hình 1.3 Ghi đo chuyển động trong thể thao Thông qua ghi đo chuyển động, một số thông tin như thời gian sải chân, độ dài sải chân, sự nhịp nhàng của cơ thể khi di chuyển được ghi nhận. Các đặc điểm này được gọi chung là sinh trắc học dáng đi. Sinh trắc học dáng đi là đặc điểm sinh trắc duy nhất của cơ thể có thể được nhận biết từ khoảng cách xa, có thể trích xuất thông tin từ các hình ảnh ngay cả khi độ phân giải của hình ảnh không quá cao. Hơn nữa, với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống camera giám sát an ninh, việc sử dụng đặc điểm sinh trắc học dáng đi để giám sát các hành vi bất thường tại khu vực công cộng hoặc các điểm nóng về an ninh quốc phòng đang ngày càng phát triển. Hình 1.4 Ghi đo chuyển động trong giám sát công cộng 4 1.2.3 Các phương pháp ghi đo chuyển động Việc ghi đo chuyển động của con người trong quá trình vận động có thể thực hiện bằng phương pháp quan sát trực tiếp người thực hiện, hoặc sử dụng các trang thiết bị đo vận động và chuyển động cơ học của cơ thể và hoạt động của các cơ. Các đánh giá cơ bản về dáng đi trên lâm sàng chủ yếu dựa trên quan sát tốc độ và dáng đi. Phương pháp này thích hợp để đánh giá, theo dõi tình trạng chức năng và sức khỏe tổng thể của một nhóm đối tượng. Tuy nhiên, phương pháp này thiếu độ chính xác, số lượng dữ liệu định lượng thu được rất hạn chế, gây khó khăn cho việc ghi đo chuyển động một cách chi tiết và toàn diện. Do đó, các phương pháp ghi đo chuyển động sử dụng các thiết bị đo vận động ngày càng phát triển. Hình 1.5 Ghi đo chuyển động trong phòng thí nghiệm chuyên ngành Trong thực hành lâm sàng, dáng đi của người bệnh thường được quan sát và đánh giá bởi các y bác sĩ hoặc nhân viên điều dưỡng. Các kết quả ghi đo được mang tính chủ quan cao, phụ thuộc vào kinh nghiệm và cách giải thích của người quan sát. Do đó, việc phát triển các phương pháp ghi đo dáng đi một cách khách quan và định lượng đã thu hút rất nhiều nhà khoa học trong nhiều thập kỷ qua. Hiện nay, ghi đo dáng đi có thể được thực hiện bằng một số phương pháp như: sử dụng tấm đo áp lực, sử dụng thiết bị đo điện cơ, sử dụng điện kế, sử dụng gia tốc kế và con quay hồi chuyển, sử dụng hệ thống chụp chuyển động [5]. 5 Tấm lực đo áp lực là hệ thống bao gồm nhiều cảm biến cơ học được thiết kế nhằm mục đích đo đạc các lực khi chân tiếp xúc với mặt đất trong các giai đoạn của tư thế đi. Các tấm lực thường sử dụng các cảm biến áp điện. Khi có lực tác dụng lên tấm, các cảm biến này biến đổi áp suất thành điện tích, các thay đổi điện áp tỷ lệ với các lực tác dụng [6]. Hình 1.6 Ghi đo chuyển động sử dụng tấm lực Tín hiệu điện cơ thường được sử dụng nhằm mục đích theo dõi hoạt động của cơ bắp trong quá trình vận động. Phương pháp này sử dụng các điện cực dán trên bề mặt da để đo cường độ hoạt động của các cơ theo thời gian. Kết quả đo điện cơ được sử dụng để phát hiện các hoạt động và dáng đi bất thường, đánh giá khả năng kiểm soát thần kinh cơ của bệnh nhân. Tần số của tín hiệu điện cơ cũng được sử dụng để phát hiện tình trạng mỏi cơ, từ đó phát hiện các chấn thương tiềm ẩn [7]. 6 Hình 1.7 Ghi đo chuyển động sử dụng tín hiệu điện cơ Điện kế là thiết bị được sử dụng để đánh giá sự linh hoạt và tính di động của các khớp xương. Thiết bị này được gắn trực tiếp vào da của bệnh nhân để đo góc khớp trong quá trình vận động. Vì vậy, khi các khớp chuyển động quá mức sẽ dẫn tới sai số trong phép đo [8]. Hình 1.8 Ghi đo chuyển động sử dụng điện kế Gia tốc kế và con quay hồi chuyển kết hợp với nhau tạo thành thiết bị cảm biến đeo được sử dụng trong quá trình ghi đo chuyển động của cơ thể. Gia tốc kế 7 là cảm biến quán tính có thể đo trực tiếp gia tốc theo một hoặc nhiều trục. Con quay hồi chuyển là cảm biến tốc độ, đo trực tiếp vận tốc góc. Trong ghi đo dáng đi, việc kết hợp với con quay hồi chuyển có tác dụng làm tăng thêm tiện ích của gia tốc kế. Phương pháp này có thể ghi dữ liệu đo liên tục trong khoảng thời gian dài [9]. Hình 1.9 Ghi đo chuyển động sử dụng cảm biến đeo Công nghệ chụp chuyển động là phương pháp phổ biến nhất hiện nay trong ghi đo dáng đi [5]. Phương pháp này sử dụng hệ thống quang học hoặc điện từ để ghi lại các chuyển động của cơ thể. Chuyển động của cơ thể được ghi lại bằng cách theo dõi liên tục các điểm đánh dấu được gắn trên cơ thể. Các điểm đánh dấu này có thể được chế tạo bằng các vật liệu phản quang, phản ánh sáng hồng ngoại, hoặc bằng các vật liệu tự phát quang như đèn led. Thông qua hệ thống chụp chuyển động, tọa độ trong không gian ba chiều của các điểm đánh dấu được xác định. Từ các tọa độ này, vận tốc và gia tốc chuyển động có thể được tính toán thông qua các công thức toán học. Nhìn chung, tất cả những phương pháp trên đều có độ nhạy cao và đưa ra kết quả ghi đo đáng tin cậy. Tuy nhiên, các tấm đo lực thường có kích thước vừa hoặc tương đối nhỏ. Việc sử dụng các tấm lực trong ghi đo dáng đi thường gặp phải một số hạn chế như: vị trí đặt chân không đủ rộng, các yếu tố tâm lý ảnh hưởng có thể gây ra các kết quả sai lệch trong quá trình kiểm tra [10]. Tín hiệu 8 điện cơ thường bị ảnh hưởng bởi nhiễu do một số nguyên nhân như: sự tương tác giữa các nhóm cơ, nhiễu điện từ có nguồn gốc từ các thiết bị bên ngoài, hoặc nhiễu từ các thiết bị khuếch đại tín hiệu [11] [12]. Việc xử lý tín hiệu điện cơ sau khi đo được cũng là một trong những vấn đề cần được lưu ý trong ghi đo dáng đi. Việc dán các điện cực của điện kế vào da thường không phù hợp khi quá trình đo kéo dài. Để ghi đo dáng đi trong thời gian dài, cần phải sử dụng các móc hoặc dây buộc vòng để cố định điện kế. Các phụ kiện này có thể gây khó chịu cho bệnh nhân, làm ảnh hưởng tới quá trình thực hiện chuyển động. Trong phương pháp sử dụng gia tốc kế và con quay hồi chuyển, vị trí gắn các cảm biến có thể ảnh hưởng tới kết quả đo. Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng gia tốc kế khi gắn trên da có gia tốc cực đại lớn hơn đáng kể so với gia tốc kế đặt trên xương [13] [14]. Do đó, hiện nay phương pháp chụp chuyển động thường được sử dụng trong ghi đo dáng đi. 1.3 Phương pháp ghi đo chuyển động sử dụng thị giác máy tính Chụp chuyển động là phương pháp sử dụng camera để ghi lại các chuyển động của một đối tượng sau đó xử lý trên máy tính. Kỹ thuật này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, giải trí, thể thao, y học, thị giác máy tính và robot. Trong lĩnh vực an ninh, ghi đo chuyển động sử dụng thị giác máy tính giúp phát hiện những đối tượng có hành vi khả nghi và truy vết đối tượng đó từ khung hình này sang khung hình khác, từ đó suy đoán được vị trí và hướng di chuyển của đối tượng. Trong điện ảnh và thực tế ảo, các diễn viên hay nhà sáng tạo nội dung mặc bộ đồ đặc biệt có gắn các điểm đánh dấu phản quang; hệ thống camera chuyên biệt sử dụng kỹ thuật ghi hình chuyển động để mô phỏng hành động của diễn viên trên phần mểm đồ họa và dựng lên những thước phim hoặc nội dung trên nền tảng số. Số lượng camera được các hãng sản xuất khuyên dùng ít nhất là bốn để đạt được độ chính xác giống với nhà sản xuất đưa ra. Mỗi hệ thống ghi đo chuyển động sử dụng thị giác máy tính có số lượng camera khác nhau, phụ thuộc vào nhu cầu bài toán ghi đo và ngân sách xây dựng hệ thống. Các camera được sử dụng thường có tốc độ chụp cao, có thể lên đến 2000 khung hình/giây. Đối tượng được theo dõi chuyển động mặc một bộ quần áo chuyên dụng có gắn sẵn các 9 điểm đánh dấu, các điểm này được theo dõi trong suốt quá trình ghi hình. Các điểm đánh dấu thường được làm bằng vật liệu phản quang hoặc đèn led. Hình 1.10 Hệ thống chụp chuyển động trong phòng thí nghiệm Hình 1.11 Trang phục chuyên dụng gắn các điểm đánh dấu phản quang Các camera được đặt ở các góc khác nhau, hướng về phía đối tượng. Các camera này đồng thời ghi lại chuyển động của đối tượng. Dữ liệu hình ảnh được gửi về máy tính để ghi đo, và nhận dạng các điểm đánh dấu. Dữ liệu từ các 10