MỞ ĐẦU 1.1 Trong nƣớc Trước khi tìm hiểu về những sản phẩm đương đại ta nhìn nhận lại một số sản phẩm truyền thống đã được sản xuất ở Việt Nam. Chân giả bằng da gò và ổ mỏm cụt bằng da gò Loại chân giả này có thể được xuất hiện vào đầu thế kỷ 19, sau chân giả gỗ và cùng thời với chân giả nhôm. Nó được gọi là chân giả bằng da nhưng thực chất những chi tiết ổn định, chịu tải, chịu mài mòn đều được gia cố bằng kim loại. Phần lớn được ứng dụng cho mỏm cụt vùng cổ chân và bàn chân.
Loại da thường dùng là loại da đế bò thuộc bằng tananh (chất làm ổn định và chống phân huỷ da là chất được chiết xuất từ thực vật). Ưu điểm: Trọng lượng nhẹ, dễ tạo dáng, định hình khi thoát nước, thấm không khí, thấm mồ hôi gây cảm giác mát mẻ cho mỏm cụt; không dị ứng với mỏm cụt nên không cần mỏm cụt phụ; trong quá trình sử dụng ổ mỏm cụt, mỏm cụt tự ôm form và rất dễ sửa chữa, thay đổi kích thước. Nhược điểm: Độ bền vững kém, biến dạng khi gặp nước. Chân giả bằng gỗ và ổ mỏm cụt bằng gỗ Chân giả bằng gỗ phải được xem như loại chân giả xuất hiện sớm nhất, theo dạng chân cà kheo.
Nhưng cũng phải đến đầu thế kỷ 20 người ta mới khai thác hết những ưu điểm vốn có của gỗ trong chế tạo chân giả. Là sản phẩm sẵn có trong thiên nhiên, rất thuận lợi trong việc chế tạo trước ở dạng bán thành phẩm, thuận lợi trong công nghệ dóng hàng theo không gian 3 chiều. Gỗ dẫn điện, dẫn nhiệt kém, không có dị ứng với 1 Luan van cơ thể người, đặc biệt là có cảm giác mát mẻ đối với mỏm cụt. Trong công nghệ chế tạo gỗ dễ tạo hình, dễ thay đổi kích thước, khi đi chân giả ít phát tiếng kêu.
Nhược điểm lớn nhất của gỗ là thấm thoát nước nên có sự giãn nở gây hiện tượng nứt vỡ, mục. Tuy nhiên cho đến nay người ta vẫn cho rằng chân giả bằng gỗ có nhiều ưu điểm hơn hẳn các vật liệu nhân tạo khác, thậm c hí còn được coi là loại sản phẩm cao cấp. Chân giả làm bằng hợp kim nhẹ Chân giả hợp kim ra đời rất sớm, nhưng hợp kim nhôm được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chỉnh hình lại là đầu thế kỷ thứ 20. Chân giả nhôm kết hợp với thép thể hiện sự hơn hẳn về độ bền sử dụng và làm đơn giản công nghệ chế tạo.
Nhưng nó cũng bộc lộ rất nhiều nhược điểm: Nhôm là vật liệu dẫn điện, dẫn nhiệt tốt cộng thêm sự không thích nghi khi tiếp xúc với cơ thể nên phải có ổ mỏm cụt phụ. Trong quá trình sử dụng thường phát ra tiếng kêu. Có hiện tượng khớp giả (chuyển động đồng thời) do sự kém chặt chẽ và chính xác giữa mỏm cụt với ổ mỏm cụt và giữa ổ mỏm cụt với chân giả. Cục sở hữu trí tuệ vừa cấp bằng sáng chế số 5673 cho TS Phan Văn An, Trung tâm công nghệ vật liệu với sản phẩm ống chân giả composite cacbon.
Chân giả bằng nhựa composite cacbon được chế tạo từ loại vật liệu gồm hai lớp sợi cacbon bện chéo kết hợp với 4 - 6 lớp sợi bazan cùng một loại nhựa tổng hợp. Nhờ vậy chân giả này có ống chân nhẹ, độ bền cao và chịu lực tốt. Cấu tạo khớp gối có độ nảy, độ văng tốt hơn và do có lò xo nên dễ dàng lắp ráp, hỏng bộ phận nào thay bộ phận đó.2 Ngoài nƣớc Chân giả cho người khuyết tật sử dụng cơ cấu đàn hồi (ESAR) là một loại thiết bị hỗ trợ có khả năng tích trữ năng lượng (động năng) thành năng lượng đàn hồi trong các khâu mềm của cơ cấu. Sau đó phần năng lượng này sẽ được giải phóng để hỗ trợ người khuyết tật trong quá trình bước đi hoặc chạy giúp làm giảm quá trình chuyển hóa năng lượng.
Tính linh hoạt của loại thiết bị này đã được chứng minh là có khả năng giúp cải 2 Luan van thiện hoạt động và chức năng cho các bệnh nhân bị khuyết tật chân dưới gối [ Hafner 2002]. So với loại chân giả truyền thống (SACH) chân giả ESAR luôn được bệnh nhân khuyết tật chọn dùng bằng chứng là sự phát triển mạnh của các hãng sản xuất chân giả trên thế giới (College-park, Endolite, Flex-Foot Ceterus, Freedom Innovations, Seattle Foot, Springlite Feet,…). Tuy nhiên việc chọn lựa một bộ chân giả đàn hồi thích hợp cho bệnh nhân vẫn còn phụ thuộc nhiều vào phản hồi từ bệnh nhận sau khi lắp đặt hoặc phần lớn dựa vào kinh nghiệm của các chuyên viên chỉnh hình. Các nghiên cứu gần đây tập trung tìm tòi một phương pháp chọn lựa khách quan hơn và mang tính định lượng dựa trên nghiên cứu độ cứng của cơ cấu và mức độ tích trữ năng lượng bên trong cơ cấu [South 2010 , Ventura 2011 ] hoặc dựa trên tính toán tối ưu hóa quá trình trao đổi chất và phản lực tác dụng lên khớp gối [Fey 2012 ].
Các kỹ thuật tối ưu hóa mô dạng [South 2010, Faustini 2005 ] và tối ưu hóa hình dạng [Fey 2012 ] rất thường được sử dụng trong thiết kế các bộ phận giả sử dụng cơ cấu đàn hồi dùng trong y học. Tuy nhiên trong các công trình này người ta sử dụng phương pháp thay đổi bề dày của mô hình như là một cách để điều chỉnh độ cứng [South 2010]. Chính vì lý do đó, thiết kế sau cùng có thể có hình dạng không mang tính thẩm mỹ cao.3 Các loại bàn chân giả [Phạm Thúy 2012] 1.1 Bàn chân với khớp mắt cá đặc và gót chân đàn hồi (Hình 1.1: Bàn chân với khớp mắt cá đặc và gót chân đàn hồi Hình 1.2: Bàn chân có khớp một trục 3 Luan van Tên của bàn chân được đặt đúng với đặc điểm của nó bàn chân với khớp mắt cá đặc và gót chân đàn hồi được. Được thiết kế đơn giản với một lõi bằng gỗ, composite hay bằng nhựa cứng, được đúc bên ngoài là vật liệu xốp, đàn hồi (PU, cao su) theo hình dáng thẩm mỹ của bàn chân.
Về chức năng của bàn chân thì rất hạn chế so với các bàn chân khác, nhưng bù lại với thiết kế đơn giản và giá thành thấp nên được sử dụng nhiều ở các nước đang phát triển.2 Bàn chân có khớp một trục (Hình 1.2) Bàn chân có khớp một trục được thiết kế với hai phần riêng biệt. Khớp cổ chân thường được đúc bằng các vật liệu có độ bền cao như hợp kim nhôm, titan hay cũng có thể bằng thép, inox. Phần bàn chân có lõi gỗ hoặc composite được đúc từ những vật liệu xốp mềm (PU) giúp bàn chân có tính thẩm mỹ hơn. Bàn chân một trục có khả năng chuyển động theo hướng gấp gan và gấp mu bàn chân một cách thụ động nó giúp người sử dụng chân giả có được sự tiếp đất êm ái và bước đi nhịp nhàng.
Nhược điểm của bàn chân một trục là trọng lượng nặng và cần bảo dưỡng thường xuyên.3 Bàn chân có khớp đa trục (Hình 1.4: Bàn chân cacbon Hình 1.3: Bàn chân có khớp đa trục 4 Luan van Thường được chế tạo với hai trục chuyển động là gấp gan, gấp mu và nghiêng trong, nghiêng ngoài, hai chuyển động này cho phép người đi chân giả di chuyển thoải mái trên địa hình không bằng phẳng, giúp người đi chân giả giữ thăng bằng tốt hơn, ngoài ưu điểm trên bàn chân có khớp đa trục thường có trọng lượng nặng hơn. Bàn chân có khớp đa trục truyền thống đã được sử dụng một thời gian dài nhưng với sự phát triển của kỹ thuật và đầu tư nghiên cứu chúng đã dần được thay thế bằng các loại bàn chân có tính ưu việt hơn như bàn chân carbon có độ linh hoạt và trọng lượng nhẹ hơn.4 Bàn chân Carbon (Hình 1.4) Bàn chân carbon không thực sự có các trục khớp như bàn chân đa tr ục nhưng carbon với đặc tính khả năng đàn hồi tốt nên nó cho phép thực hiện các chuyển động chức năng tương tự như chân thật (gấp gan - gấp mu, nghiêng trong - nghiêng ngoài) khi có ngoại lực tác động, ngoài ra chân giả cacbon còn tích trữ năng lượng giúp người đi chân giả đi chân nhẹ nhàng và giảm tổn hao năng lượng. Những nhược điểm của các thiết kế, chế tạo trên. - Trong lượng nặng và cần bảo dưỡng thường xuyên, khó bảo dưỡng.
- Cứng nhắc không linh ho ạt. - Nhiều chi tiết lắp ráp và chế tạo phức tạp, giá thành cao không phù hợp với kinh tế người Việt Nam… - Sản phẩm chân giả phần lớn được nhập từ nước ngoài. Từ những nhược điểm trên tác giả đề xuất ra một phương án thiết kế, chế tạo khắc phục những nhược điểm này. Vì một số nguyên nhân trên đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm cho người khuyết tật” là cần thiết, được tiến hành với mục đích: - Cải thiện dáng đi cho người khuyết tật.
- Giảm giá thành sản phẩm. 5 Luan van - Tiết kiệm vật liệu. - Dễ gia công và chế tạo. - Giúp giảm chi phí lắp ráp.
- Tích trữ năng lượng giúp người đi chân giả, đi chân nhẹ nhàng và giảm tổn hao năng lượng. - Có khả năng giảm chấn làm giảm áp lực trực tiếp lên mỏm cụt , khớp gối và khớp hông. - Giảm tiếng ồn phát ra từ chân giả, tăng độ chính xác và giảm độ mài mòn.2 Tính cấp thiết Các sản phẩm khớp mắt cá chân giả dùng cơ cấu mềm đã được phát triển và thương mại hóa nhiều trên thế giới. Tuy nhiên tại Việt Nam đây vẫn là một loại sản phẩm xa lạ với hầu hết bệnh nhân khuyết tật chân dưới gối do giá thành còn quá cao.
Một số đơn vị phân phối cũng tiến hành nhập sản phẩm nhưng chủ yếu là cơ cấu chân giả chuyên dụng cho các vận động viên khuyết tật có khả năng tài chính vững chắc. Việc tập trung nghiên cứu một sản phẩm mắt cá chân giả tận dụng nguồn nguyên liệu trong nước cũng như làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo sẽ giúp làm giảm giá thành sản phẩm, đưa sản phẩm đến gần hơn với bệnh nhân.3 Mục tiêu của đề tài. “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khớp mắt cá chân bằng cơ cấu mềm cho người khuyết tật” - Cải thiện dáng đi cho người khuyết tật - Giảm giá thành sản phẩm thông qua đơn giản hóa quá trình gia công, lắp ráp. - Tích trữ và giải phóng năng lượng phù hợp với từng giai đoạn trong chu trình bước đi giúp người khuyết tật có dáng đi tự nhiên, thoải mái và giảm tổn hao năng lượng.