ĐẶT VẤN ĐỀ Xương sọ là một phần xương quan trọng trong cơ thể, có nhiệm vụ bảo vệ não, một cơ quan đặc biệt của cơ thể. Mỗi năm trên thế giới có hàng vạn trường hợp phải phẫu thuật do chấn thương sọ não, u não. Nhu cầu tạo hình lại hộp sọ sau đó cho bệnh nhân để đảm bảo chức năng và thẩm mỹ là nhu cầu bắt buộc. Phục hồi hộp sọ hoặc thay thế khuyết tật sọ có thể được định nghĩa là một thủ tục y tế để phục hồi vùng không lành hoặc bị tổn thương trên hộp sọ.
Mục tiêu chính là bảo vệ các mô và dây thần kinh trong hộp sọ, cùng với việc nhận ra hình dạng cơ thể và đạt được sự ổn định tinh thần ở bệnh nhân. Phục hồi sọ thường được thực hiện trên những bệnh nhân bị chấn thương đầu do hậu quả của bất kỳ chấn thương (tai nạn), nhiễm trùng hoặc dị tật bẩm sinh nào. Các chấn thương hoặc dị dạng hộp sọ được coi là một trong những vấn đề sức khỏe quan trọng và đáng lo ngại nhất, ảnh hưởng đến một lượng lớn dân số trên toàn thế giới. Hơn nữa, việc sửa chữa các hỏng hóc trong sọ đặt ra những thách thức nghiêm trọng, ngay cả đối với các bác sĩ phẫu thuật có kinh nghiệm, vì phần cơ thể được phẫu thuật bao gồm các dây thần kinh, mô mềm hoặc các cơ quan khác, bên trong một khu vực hạn chế.
Một loạt các phương pháp tiếp cận khác nhau, chẳng hạn như ghép xương tự thân, sử dụng các mô cấy tiêu chuẩn được sản xuất từ các phương pháp truyền thống, như kỹ thuật đúc, rèn, gia công và luyện kim bột, v., là những kỹ thuật phổ biến trong phục hồi sọ não. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, việc áp dụng các phương pháp phẫu thuật này đã bị giảm thiểu do những hạn chế của chúng. Chẳng hạn, kỹ thuật ghép xương tự thân bao gồm các phương pháp phẫu thuật phức tạp, bệnh nhân mất nhiều máu, đau đớn…. Tương tự, việc sử dụng các mô cấy thông thường, đòi hỏi phải uốn cong hoặc sắp xếp lại vật lý bằng cách sử dụng các lần chạy thử để tùy chỉnh phù hợp với đường viền xương của bệnh nhân, là một cách tiếp cận tốn thời gian, không chính xác và tốn công sức.
Hơn nữa, bất kỳ sự khác biệt nào sẽ dẫn đến việc cấy ghép không thành công, một số lượng lớn các sửa đổi và ảnh hưởng đến sức khoẻ, tâm lý của bệnh nhân. Do đó, để giảm thiểu sự chênh lệch và phù hợp với đường viền xương cũng như mang lại hiệu quả thẩm mỹ nâng cao, bắt buộc phải sử dụng phương pháp thiết kế cấy ghép tùy chỉnh. Thiết kế tùy chỉnh của mô cấy có thể cải thiện đáng kể độ chính xác của việc lắp và giảm thời gian phẫu thuật so với các tấm tiêu chuẩn. Trong các giai đoạn thiết kế tuỷ chỉnh mô cấy, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn đóng một vai trò quan trọng để đánh giá độ ổn định cơ sinh học của thiết bị cấy ghép sọ tùy chỉnh được thiết kế.
Ngoài việc việc thiết kế các mảnh ghép sọ nhân tạo, việc lựa chọn vật liệu cấy ghép cũng ảnh hưởng quan trọng sự thành công của việc cấy ghép xương. Cùng với Y tế, Kỹ thuật y sinh là một lĩnh vực gần gũi với kỹ thuật vì nó thường được sử dụng các công cụ truyền thống của kĩ thuật để phân tích hệ thống sinh học. Trong những thập kỉ qua, phương pháp phần tử hữu hạn đã trở thành một cách để hỗ trợ việc để đánh giá phẫu thuật trong cơ thể. Ưu điểm chính của tính toán bằng phương pháp số trong cơ sinh học là có thể xác định phản ứng bên trong của một giải phẫu mà không bị hạn chế về đạo đức.
Điều này dẫn đến mô hình phần tử hữu hạn dần trở thành phổ biến trong một số lĩnh vực Cơ Sinh học. Từ những lý do trên, dưới sự định hướng của hai giảng viên hướng dẫn TS. Nguyễn Thị Kim Cúc và TS. Lê Quang Trà, tôi đã chọn đề tài: ―Nghiên cứu thiết kế mô phỏng kết cấu xương hàm và xương sọ nhân tạo trong cơ thể người‖ với mục đích góp một phần nhỏ bé trong việc nghiên cứu và thiết kế, nâng cao chất lượng và độ chính xác của xương sọ nhân tạo và ứng dụng trong nền Y học Việt Nam.
TỔNG QUAN VỀ XƢƠNG SỌ VÀ PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 1.1 Tổng quan về xƣơng sọ 1.1 Cấu trúc xƣơng sọ Xương sọ người đó là cấu trúc xương để nâng đỡ toàn bộ khuôn mặt, phần đầu và bảo vệ não bộ. Xương sọ của người được chia thành hộp sọ và xương mặt tạo nên khuôn mặt. Hình ảnh 1-1 Xương sọ người là cấu trúc bảo vệ não và nâng đỡ đầu [1]. Có hai loại xương trong hộp sọ, bao gồm: - Xương phẳng (Flat bones): Đây là những xương mỏng, phẳng.
Một số xương có thể có đường cong nhẹ. - Xương không đều (Irregular bones): Đây là những xương có hình dạng phức tạo và không phù hợp với bất cứ loại xương nào khác trong cơ thể. Hộp sọ gồm tám loại xương xương sọ, mỗi xương có hình dạng độc đáo: Xương trán: là xương phẳng tạo nên trán, nó cũng tạo thành phần trên của ổ cắm mắt. Xương đỉnh đầu: là một cặp xương phẳng nằm ở hai bên đầu, phía sau xương trán.
Xương thái dương: là một cặp xương bất thường nằm dưới mỗi xương đỉnh. Xương chẩm: là một xương phẳng nằm ở phía sau đầu lâu, có một mở cho phép tủy sống của bạn để kết nối với bộ não của bạn. Xương bướm: là một xương bất thường nằm bên dưới xương trán, kéo dài chiều rộng của hộp sọ và tạo thành một phần lớn của cơ sở của hộp sọ. 1 Xương mũi: là một xương bất thường nằm ở phía trước của xương bướm.
Nó tạo nên một phần khoang mũi. Xương mũi Xương lệ Xương đỉnh Xương trán Xương thái dương Xương bướm Xương gò má Xương xoăn Xương hàm trên Xương hàm dưới Hình ảnh 1-2 Hình ảnh xương sọ nhìn từ phía trước [2]. Xương đỉnh Xương trán Xương bướm Xương xoăn Xương mũi Xương thái dương Xương lệ Xương hàm trên Xương chẩm Xương gò má Xương hàm dưới Hình ảnh 1-3 Hình ảnh xương sọ nhìn từ phía bên [3]. Hộp sọ người hoạt động như một cấu trúc bảo vệ não bộ, cố định khoảng cách giữa hai mắt để có thể quan sát được vật thể và cố định vị trí hai tai để não bộ nhận tín hiệu âm thanh, phán đoán phương hướng.
Theo nghiên cứu của Alcino 2 Barbosa (2020) có tổng cộng 22 xương trong hộp sọ, bên cạnh xương, hộp sọ cũng chứa sụn và dây chằng [4]. Chủ yếu các xương sọ được nối với nhau bằng các khớp xương, được gọi là chỉ khâu sọ, có thành phần chủ yếu là collagen. Chỉ khâu là các khớp linh hoạt cho phép xương phát triển đồng đều khi não phát triển và hộp sọ mở rộng. Có mười ba vết khâu trong hộp sọ người, bốn trong số đó được coi là những đường khâu chính: đường khâu thân, đường khâu sagittal, đường khâu vảy và đường khâu lambdoid.
Các tài liệu thiếu sự nhất trí về tính chất cơ học của chỉ khâu sọ. Điều này là do sự phân bố không gian khác nhau của các sợi collagen, dẫn đến hình dạng và tính chất cơ học khác nhau. Những đặc tính này thay đổi đáng kể theo tuổi, ví dụ, mô đun chỉ khâu sọ được báo cáo là từ 50 đến 200 MPa ở trẻ sơ sinh và 4 GPa ở người lớn. Để hiểu rõ hơn về chấn thương đầu do chấn thương, các mô hình cơ học và toán học của đầu người đã được nghiên cứu.
Điều cần thiết cho sự phát triển của các mô hình này là nghiên cứu hành vi cơ học của các vật liệu và cấu trúc cấu thành nên đầu con người. Một báo cáo khác chỉ ra rằng hộp sọ nam lớn hơn và nặng hơn hộp sọ nữ, bên cạnh đó hộp sọ nữ tròn và ít nhô ra. Xương hộp sọ được chia thành xương sọ và xương mặt, xương sọ có 8 xương trong khi xương mặt có đến 14 xương. Hộp sọ người là một cấu trúc chắc chắn, trung bình cần 356.07 kg để nghiền nát một hộp sọ người.
Cấu trúc Mặt cắt ngang xương sọ xương xốp Lớp xương đặc Lớp xương ngoài Cấu trúc phân lớp Xương hình cầu Lớp xương Lớp xương trong xốp Hình ảnh 1-4 Cấu trúc xương sọ. Xương xốp này còn được gọi là xương hình cầu (cấu trúc giàn giáo), và các khoảng trống giữa các xương hình cầu chứa đầy tủy xương màu đỏ hoặc vàng. Xương đỉnh của con người được quan sát trong micro-CT, và dữ liệu xác định về độ dày của xương vỏ não trong, độ dày của xương vỏ ngoài, độ dày lưỡng cực và 3 độ xốp là 0,35, 0,76 và 5,08 và 39 đến 42%. Tương ứng, độ dày và độ xốp của xương sọ thay đổi theo tuổi và giới tính của con người.
Lớp xốp là những thanh khoáng chất tạo thành một mạng lưới ba chiều trong ma trận của phần bên trong của lớp xương đặc [4]. Xương đặc là một mô vôi hóa dày đặc, tạo thành lớp ngoài của tất cả các xương và bao quanh xương tủy. Nhìn chung, xương không mềm cũng không dễ gãy, mà là sự kết hợp của cả hai, thể hiện một tính chất gần như giòn. Phần khoáng chất không ổn định, giòn hơn và phần hữu cơ (collagen) dễ uốn hơn.
Tính chất gần như giòn thể hiện sự giảm dần ứng suất sau khi đạt đến ứng suất chảy hoặc giới hạn đàn [6]. Ngoài ra, một mối tương quan có ý nghĩa thống kê giữa độ dày lớp xốp và tổng độ dày hộp sọ đã được tìm thấy. Nghiên cứu của Lillie (2016) đã báo cáo dữ liệu về độ dày của cả vỏ não và xương ngoài [7]. Các giá trị được báo cáo về độ dày vỏ não nằm trong khoảng từ 1 đến 2,6 mm, thay đổi theo độ tuổi và giới tính (20 đến 99 tuổi).
Lớp vỏ não bên ngoài Lớp xương xốp Lớp vỏ não bên trong Hình ảnh 1-5 Hình ảnh CT cắt ngang xương trán nam giới 56 tuổi trong nghiên cứu của Lillie [7]. 4 Xương đỉnh Độ biến dạng (mm) Nữ Số năm tuổi Xương thái dương Độ biến dạng (mm) Số năm tuổi Xương đỉnh Độ biến dạng (mm) Nam Số năm tuổi Xương thái dương Độ biến dạng (mm) Số năm tuổi Hình ảnh 1-6 Xu hướng hồi quy đại diện của độ dày vỏ não ngoài của nữ (trên) và nam (dưới) từ mặt cắt 3 cm2 [7].