Luận văn: Thiết kế & mô phỏng kết cấu xương sọ nhân tạo để cấy ghép

Nghiên cứu mô phỏng quy trình cấy ghép xương sọ nhân tạo, ứng dụng công nghệ tiên tiến trong phẫu thuật tạo hình sọ não và phục hồi chức năng.

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Anh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Kim Cúc
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế mô phỏng cấy ghép xương sọ nhân tạo
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Mô phỏng Cấy ghép Xương sọ Nhân tạo

Mô phỏng cấy ghép xương sọ nhân tạo là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong y học hiện đại, kết hợp giữa kỹ thuật cơ khí và ứng dụng y học. Luận văn này tập trung vào việc nghiên cứu thiết kế mô hình và mô phỏng kết cấu các sản phẩm cấy ghép xương sọ trong cơ thể người. Mục đích chính là nâng cao chất lượng và hiệu quả của quá trình cấy ghép thông qua việc phân tích ảnh hưởng của độ dày mảnh xương đến kết quả cấy ghép. Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật. Công nghệ này giúp các bác sĩ và kỹ sư hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động và độ bền của các vật liệu cấy ghép.

1.1. Khái niệm về Xương sọ và Cây ghép

Xương sọ là cấu trúc bảo vệ quan trọng cho não bộ và các cơ quan cảm giác. Khi xương sọ bị tổn thương do tai nạn hoặc bệnh lý, cấy ghép xương nhân tạo trở thành phương pháp điều trị hiệu quả. Các mảnh xương nhân tạo được thiết kế để thay thế phần xương bị hỏng, phục hồi chức năng bảo vệ và cải thiện thẩm mỹ cho bệnh nhân.

1.2. Phương pháp Phần tử Hữu hạn FEM trong Mô phỏng

Phương pháp phần tử hữu hạn là công nghệ mô phỏng số học cho phép phân tích ứng suất, biến dạng và tính chất cơ học của vật liệu. ANSYS là phần mềm hàng đầu được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng kết cấu xương. Kỹ thuật này giúp dự đoán hành vi của vật liệu cấy ghép dưới tác động của lực, từ đó tối ưu hóa thiết kế trước khi sử dụng trên bệnh nhân.

II. Quy trình Thiết kế và Mô hình hóa Cấy ghép Xương sọ

Quá trình thiết kế mô hình cấy ghép xương sọ bao gồm nhiều bước phức tạp và cần thiết. Đầu tiên, các hình ảnh chẩn đoán như chụp cắt lớp CT được sử dụng để tái tạo hình học chính xác của xương sọ bệnh nhân. Sau đó, phần mềm Mimics được dùng để xử lý hình ảnh và tạo mô hình 3D chi tiết. Mảnh xương nhân tạo được thiết kế tùy chỉnh theo kích thước vùng xương bị tổn thương. Lưới hóa mô hình là bước quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả mô phỏng. Cuối cùng, các điều kiện biên được xác định để mô phỏng môi trường thực tế trong cơ thể người.

2.1. Xử lý Hình ảnh và Tái tạo Mô hình 3D

Hình ảnh chụp CT cắt lớp cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc xương. Phần mềm Mimics cho phép xử lý các tập tin hình ảnh DICOM, tách riêng xương khỏi các mô khác và tái tạo mô hình 3D chính xác. Quá trình này bao gồm phân đoạn hình ảnh, làm mịn bề mặt và loại bỏ các nhiễu để đảm bảo độ chính xác cao nhất.

2.2. Thiết kế Mảnh xương Nhân tạo tùy chỉnh

Mảnh xương nhân tạo được thiết kế dựa trên vùng xương bị hỏng của từng bệnh nhân. Sử dụng phần mềm CAD, các kỹ sư tạo ra các mảnh ghép có hình dạng và kích thước phù hợp, đảm bảo khớp khít với vùng xương còn lại. Vị trí lỗ vít được xác định cẩn thận để cố định mảnh ghép một cách an toàn và hiệu quả.

III. Phân tích Kết quả Mô phỏng và Hiệu quả Cấy ghép

Kết quả mô phỏng từ phương pháp phần tử hữu hạn cung cấp thông tin quý giá về hành vi của hệ thống cấy ghép. Các chỉ số quan trọng bao gồm phân bố ứng suất, biến dạng và hệ số an toàn dưới các tác động khác nhau. Luận văn tập trung vào ảnh hưởng của độ dày mảnh xương đến hiệu quả cấy ghép - một yếu tố then chốt ảnh hưởng đến độ bền và khả năng tích hợp của implant. Thông qua mô phỏng nhiều kịch bản với độ dày khác nhau, có thể xác định giá trị tối ưu để đạt được cân bằng hoàn hảo giữa độ bền cơ học và khối lượng vật liệu.

3.1. Phân bố Ứng suất và Biến dạng

Phân bố ứng suất trên mảnh xương ghép được hiển thị rõ ràng qua bản đồ nhiệt màu trong ANSYS. Các vùng chịu ứng suất cao được xác định, giúp dự đoán nơi dễ xảy ra rối loạn hay gãy implant. Biến dạng của mảnh ghép dưới tải trọng cho biết mức độ tương thích cơ học với xương tự nhiên.

3.2. Tối ưu hóa Độ dày Mảnh xương Nhân tạo

Nghiên cứu so sánh nhiều mức độ dày khác nhau của mảnh xương để tìm giá trị tối ưu. Độ dày quá mỏng có thể dẫn đến thất bại cấy ghép, trong khi quá dày gây lãng phí vật liệu và có thể tạo ra ứng suất tập trung không mong muốn. Kết quả cho thấy độ dày tối ưu đạt được hiệu quả cấy ghép cao nhất.

IV. Hướng phát triển và Ứng dụng Thực tiễn

Luận văn về mô phỏng cấy ghép xương sọ nhân tạo mở ra nhiều hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện công nghệ. Một trong những hướng đột phá là nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng và vị trí tắm cố định trên hiệu quả cấy ghép. Ngoài ra, mật độ và cấu trúc lưới của vật liệu cũng cần được khám phá sâu hơn để cải thiện tính tương thích sinh học. Các loại vít cố định khác nhau cũng nên được so sánh để tìm giải pháp tối ưu nhất. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này sẽ giúp nâng cao chất lượng điều trị cho bệnh nhân có tổn thương xương sọ, từ tai nạn giao thông đến các khối u não.

4.1. Các vấn đề Nghiên cứu Tiếp theo

Ảnh hưởng của tắm cố định: Vị trí, số lượng và kiểu dáng tắm ảnh hưởng lớn đến sự ổn định của mảnh ghép. Mật độ lưới vật liệu: Các cấu trúc lưới khác nhau (dense, porous) mang lại tính tương thích sinh học khác nhau. Loại vít: So sánh vít trụ hoá và vít thực tế để lựa chọn loại phù hợp nhất.

4.2. Ứng dụng Lâm sàng và Triển vọng

Kết quả nghiên cứu mô phỏng cấy ghép xương sọ có thể được áp dụng trực tiếp trong lâm sàng để thiết kế implant cá nhân hóa. Điều này giúp tăng tỷ lệ thành công của phẫu thuật và cải thiện chất lượng sống của bệnh nhân. Trong tương lai, công nghệ này sẽ hỗ trợ bác sĩ trong lập kế hoạch phẫu thuật chi tiết, từ đó giảm thiểu biến chứng và rủi ro.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về xương sọ và phương pháp phẩn tử hữu hạn. - Chương 2: Quả trình mô phỏng cây ghép. - Chương 3: Mõ phỏng mánh ghép xương sọ nhận tạo. Phương pháp nghiền cứu Kết hợp nghiên cửu lý thuyết vá nghiên cứu thực nghiệm.

- Nghiên cửulý thuy: + Nghiên cửu về cầu tạo xương sọ và phương, pháp phần tứ hữu hạn. + Nghiên cứu phương pháp thiết kế các sản phẩm cây ghép xương so - Nghiên cửu thạc nghiệm: + Thực hiện tạo mô hình các mảnh xương nhân tạo trên phủ hợp với từng tốn thương trên phần mềm dựa theo dữ liệu và thông tin từ chụp cắt lớp của các bệnh nhân. + Thực hiện mô phỏng để nghiên cứu ảnh hưởng của độ đày mảnh xương sọ nhân tạo đến hiệu quả của việc cây ghép. Kết luận Luận văn đã đạt được một số kết quã quan trọng sau: ÿ Tìm hiểu được cân tạo xương sợ, nấm rõ vật liệu cấy ghứp cũng như việc ủng đụng phân tử hữu hạn trong việc cây ghép xương nhân tạo.

Từ đó đưa ra được phương phúp phương pháp tết kế và chế tạo các sản phẩm cấy ghép XƯƠNG SỐ. ñjJ Thực nghiệm tạo các trãnh xương phù hợp với các lổn thương trên phẩn nêm từ dựa theo đữ hiệu và thông lạm từ chụp dắt lớp của các bệnh nhân. EXmh Hình ảnh 2-4 Các bước liên quan dến thiết kẻ mô cấy ghép sọ tủy chính trong Matic®. Hình ảnh 2-5 Giảm thiểu độ dày và tại vít nhỏ để cổ định vịt (s) Độ dày thực tế, (b) Chiều dây giám; (c) Cây phép dược gắn với các tại vít nhỏ.

27 linh ảnh 2-6 Két qua FLA minh hoa: (a) phan bẻ ứng suất, (b) sự phan bố bién đạng, (c)độ chuyển vị lớn nhất. 2 Hinh ánh 2-7 113M Các bộ phận được chê tạo. 5% Hình ãnh 2- Quá trình pha xi ming sinh hoc. „31 Tlinh anh 2-9 Minh ghép so bing hop kim Titan trong nghiên c cứu của Wadea Ameen 2018.

"- Tiỉnh ãnh2-10 Các tâm cây ghéppctyethgls iene xp. - - 40 Tình ãnh 2-1 1 Quá trình cây polyethylene xếp. Hình ảnh 2-12 a) Mô hình thê có khuyết tật nhỏ hơn (hình tròn, 2412 mmn3), b) Mã hình thô có khuyết tật lớn hơn (hình elip, 8030 m2), e) Mô hình phụ - 4 Tlinh ảnh 2-13 Bốn độ dày cây ghép PMIMA khảo nhau. - 48 Hình ảnh 2-14 (a) TMI giả thương phẩm cỏ sẵn và lắp lên vị trí của nỗ 5 (b) TMI giả thiết kế giải phẫu và lắp lên vị trí của nó.

- - 48 Tình ảnh 2-1 5 Mô phông chuyển động ứng suất trên ba raô hình 4 Hình ảnh 2-16 Hướng lực TMU (nũi tên đen) và kết quả mô hình phần lử hữu han cho thành phần bd phan gid. 50 Tỉnh ảnh 3-1 Mô lảnh 3D dược xây dựng từ đữ liệu chup CT qua phan mém Slteør cửa bệnh nhân nữ 19 Mỗi. sl Hình ảnh 3-2 Mô hình 3D dược xây dựng từ đừ liệu chụp CT qua phân mém Slieer của bệnh nhân mam 29 luỗi $1 Hình ánh 3-3 Tạo mãnh vá sợ phải trong phần mềm Meshmixer 52 Hình ảnh 3-4 Tạo mảnh vá sọ tran tong phin mém Meshmixer 52 Hình ảnh 3-5 Mô hình hộp sọ phải của bệnh nhân nữ trên phản mềm Solid. 53 Hình ảnh 3-6 Mành vá trán của bệnh nhân nam: --54 Hình ảnh 3-7 Công cụ chia lưới trên phân nêm AN8.

secs SA Hình ảnh 3-8 Mô hình mảnh và sọ phải sau khi chúa lưới. SỐ 1Iinh ảnh 3-9 Mô hình mánh và trải sau khi chia lưởi. Hình ảnh 3-10 Ngoại lực đặt với ba phương khác nhau. Linh anh 3-11 Vi tri dit ngoại lực mảnh sọ trán.

- - Hình ánh 3-12 Phân bố biến dạng của mảnh vá sọ trán 5mm với các trường hợp đặt ngoại lực theo phương khác nhau. OF Hình ảnh 2-4 Các bước liên quan dến thiết kẻ mô cấy ghép sọ tủy chính trong Matic®. Hình ảnh 2-5 Giảm thiểu độ dày và tại vít nhỏ để cổ định vịt (s) Độ dày thực tế, (b) Chiều dây giám; (c) Cây phép dược gắn với các tại vít nhỏ. 27 linh ảnh 2-6 Két qua FLA minh hoa: (a) phan bẻ ứng suất, (b) sự phan bố bién đạng, (c)độ chuyển vị lớn nhất.

2 Hinh ánh 2-7 113M Các bộ phận được chê tạo. 5% Hình ãnh 2- Quá trình pha xi ming sinh hoc. „31 Tlinh anh 2-9 Minh ghép so bing hop kim Titan trong nghiên c cứu của Wadea Ameen 2018. "- Tiỉnh ãnh2-10 Các tâm cây ghéppctyethgls iene xp.

- - 40 Tình ãnh 2-1 1 Quá trình cây polyethylene xếp. Hình ảnh 2-12 a) Mô hình thê có khuyết tật nhỏ hơn (hình tròn, 2412 mmn3), b) Mã hình thô có khuyết tật lớn hơn (hình elip, 8030 m2), e) Mô hình phụ - 4 Tlinh ảnh 2-13 Bốn độ dày cây ghép PMIMA khảo nhau. - 48 Hình ảnh 2-14 (a) TMI giả thương phẩm cỏ sẵn và lắp lên vị trí của nỗ 5 (b) TMI giả thiết kế giải phẫu và lắp lên vị trí của nó. - - 48 Tình ảnh 2-1 5 Mô phông chuyển động ứng suất trên ba raô hình 4 Hình ảnh 2-16 Hướng lực TMU (nũi tên đen) và kết quả mô hình phần lử hữu han cho thành phần bd phan gid.

50 Tỉnh ảnh 3-1 Mô lảnh 3D dược xây dựng từ đữ liệu chup CT qua phan mém Slteør cửa bệnh nhân nữ 19 Mỗi. sl Hình ảnh 3-2 Mô hình 3D dược xây dựng từ đừ liệu chụp CT qua phân mém Slieer của bệnh nhân mam 29 luỗi $1 Hình ánh 3-3 Tạo mãnh vá sợ phải trong phần mềm Meshmixer 52 Hình ảnh 3-4 Tạo mảnh vá sọ tran tong phin mém Meshmixer 52 Hình ảnh 3-5 Mô hình hộp sọ phải của bệnh nhân nữ trên phản mềm Solid. 53 Hình ảnh 3-6 Mành vá trán của bệnh nhân nam: --54 Hình ảnh 3-7 Công cụ chia lưới trên phân nêm AN8. secs SA Hình ảnh 3-8 Mô hình mảnh và sọ phải sau khi chúa lưới.

SỐ 1Iinh ảnh 3-9 Mô hình mánh và trải sau khi chia lưởi. Hình ảnh 3-10 Ngoại lực đặt với ba phương khác nhau. Linh anh 3-11 Vi tri dit ngoại lực mảnh sọ trán. - - Hình ánh 3-12 Phân bố biến dạng của mảnh vá sọ trán 5mm với các trường hợp đặt ngoại lực theo phương khác nhau.

OF MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG. DANH MỤC ĐỎ THỊ. TONG QUAN VE XƯƠN: : SQ VA PHUONG PHAP PHAN TU HOU HAN 1 1.1 Tổng quan về xương sọ i 1.1 Câu trúc xương se i 1.2 Cấu tạo xương hảm.3 Chấn thương xương sỌ.2 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn.1 Ứng dụng phản tử hữu hạn và phan mém - - 13 1.2 Ứng dụng của phản tử hữu hạn trong cây ghép xương sọ trên oœ thể người - - 20 CHUONG 2. QUA TRINH MO PHONG CẢY GHÉP 2.1 Phẫu thuật cấy ghép sọ.1 Giới thiệuchúng 23 212° Quy trinh xây đựng mảnh ghép hộp sọ 25 2.2 Vật liệu cây ghép, 29 2.1 Các tỉnh chất của vật liệu cây ghép.

eo se se. Một số loại vật liệu cây ghép hiện nay.3 Dánh giá các loại vật liệu cây ghép.3 Một số nghiên cứu liên quan hiện nay - - 4 2. Hiệu suất cơ amh học của cấy ghép sọ với các độ đày và đặc tính vật liệu khác nhau của tác giả Petr Marcián và cộng sự (2019) 47 3.2 Mô phông phục hình khớp thải đương hàm bằng phương pháp phan tử hữu hạn của táo giả Alireza Omidi và cộng sự (2019).343 Nghiên củu lực tác động sau khi thay TIM giả của David C. Ackland va ode véng siz (2015).

M6 PHONG MANH GHEP XUONG SO NHAN TAO. Phương pháp phần tử hữu hạn.1 Thêng số vậtliệu - - 5A MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG. DANH MỤC ĐỎ THỊ. TONG QUAN VE XƯƠN: : SQ VA PHUONG PHAP PHAN TU HOU HAN 1 1.1 Tổng quan về xương sọ i 1.1 Câu trúc xương se i 1.2 Cấu tạo xương hảm.3 Chấn thương xương sỌ.2 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn.1 Ứng dụng phản tử hữu hạn và phan mém - - 13 1.2 Ứng dụng của phản tử hữu hạn trong cây ghép xương sọ trên oœ thể người - - 20 CHUONG 2.

QUA TRINH MO PHONG CẢY GHÉP 2.1 Phẫu thuật cấy ghép sọ.1 Giới thiệuchúng 23 212° Quy trinh xây đựng mảnh ghép hộp sọ 25 2.2 Vật liệu cây ghép, 29 2.1 Các tỉnh chất của vật liệu cây ghép. eo se se. Một số loại vật liệu cây ghép hiện nay.3 Dánh giá các loại vật liệu cây ghép.3 Một số nghiên cứu liên quan hiện nay - - 4 2. Hiệu suất cơ amh học của cấy ghép sọ với các độ đày và đặc tính vật liệu khác nhau của tác giả Petr Marcián và cộng sự (2019) 47 3.2 Mô phông phục hình khớp thải đương hàm bằng phương pháp phan tử hữu hạn của táo giả Alireza Omidi và cộng sự (2019).343 Nghiên củu lực tác động sau khi thay TIM giả của David C.

Ackland va ode véng siz (2015). M6 PHONG MANH GHEP XUONG SO NHAN TAO. Phương pháp phần tử hữu hạn.1 Thêng số vậtliệu - - 5A k“». Điều kiện biên.

Kết quả mô phỏng 3. Kết quả chưngvà thảo luận. Kết quá đạt dược. Định hướng pháttriển TAI LIEU THAM KHẢO.

“Tôm tắt nị a. Mục đích nghiên cứu của luận văn Nghiên cửu ảnh hưởng của độ đày mãnh xương sọ nhân tạo đến hiệu quả của việc cây phép. Từ đó giúp nâng cao chất lượng trong việc cấy ghép xương sợ nhân tạo b. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Đối lượng ruhiên cứu của luận văn là phương pháp thiết kế mô hình các san phẩm cây ghép xương sọ.

- Phạm vi nghiên cửu của luận văn tập trung vào nghiên cứu phương pháp thiết kế mô hình các sản phẩm cây ghép xương so nhân tạo trong cơ thẻ người. Đẳng thời, luận văn cũng nghiên cứu ảnh hưởng của độ đây mãnh sọ râu lạo tới sự hiệu quả trong việc cấy ghép. c, Các nội dung chính Luận van gém 03 chương với nội dung như sau. - Chương 1: Tổng quan về xương sọ và phương pháp phẩn tử hữu hạn.

- Chương 2: Quả trình mô phỏng cây ghép. - Chương 3: Mõ phỏng mánh ghép xương sọ nhận tạo. Phương pháp nghiền cứu Kết hợp nghiên cửu lý thuyết vá nghiên cứu thực nghiệm. - Nghiên cửulý thuy: + Nghiên cửu về cầu tạo xương sọ và phương, pháp phần tứ hữu hạn.

+ Nghiên cứu phương pháp thiết kế các sản phẩm cây ghép xương so - Nghiên cửu thạc nghiệm: + Thực hiện tạo mô hình các mảnh xương nhân tạo trên phủ hợp với từng tốn thương trên phần mềm dựa theo dữ liệu và thông tin từ chụp cắt lớp của các bệnh nhân. + Thực hiện mô phỏng để nghiên cứu ảnh hưởng của độ đày mảnh xương sọ nhân tạo đến hiệu quả của việc cây ghép.