Nghiên Cứu và Đánh Giá Ứng Xử Cơ Học Stent Mạch Vành

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích cơ kỹ thuật nghiên cứu và đánh giá ứng xử cơ học stent mạch vành, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Phạm Quang Vinh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tường Long
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Cơ Kỹ Thuật
• Đề tài: Nghiên Cứu và Đánh Giá Ứng Xử Cơ Học Stent Mạch Vành
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH SÁCH KÝ HIỆU
• DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu đề tài
• 1.1.1. Bệnh mạch vành
• 1.1.2. Nguyên nhân gây bệnh mạch vành
• 1.1.3. Các phương pháp điều trị bệnh hẹp mạch vành
• 1.2. Hướng nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Bố cục luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: QUAN ĐIỂM VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Quan điểm, tiêu chuẩn thiết kế stent mạch vành
• 2.1.1. Vật liệu stent
• 2.1.2. Dạng hình học và cấu tạo stent
• 2.1.3. Quan điểm thiết kế stent mạch vành mở rộng bằng bóng
• 2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method)
• 2.2.1. Xấp xỉ bằng phần tử hữu hạn
• 2.2.2. Các dạng phần tử hữu hạn
• 2.2.3. Phần tử quy chiếu
• 2.2.4. Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất
• 2.2.5. Quy trình tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MỘT STENT MẠCH VÀNH
• 3.1. Đề xuất thiết kế stent mạch vành
• 3.2. Mô hình stent
• 3.2.1. Thông số kỹ thuật
• 3.2.2. Phương trình và tham số
• 3.3. Một số công thức tính toán stent
• 3.3.1. Chiều dài stent
• 3.3.2. Phần trăm diện tích tiếp xúc thành mạch máu (PCA - Percent Coverage Area)
• 3.3.3. Tính toán góc lệch của thanh chống ở các trạng thái
• 3.3.4. Tính toán độ co theo chiều dài (FS – Foreshortening)
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG STENT MẠCH VÀNH
• 4.1. Bóng nong mạch (Balloon)
• 4.2. Vật liệu thép không gỉ
• 4.3. Điều kiện biên bài toán
• 4.3.1. Mô hình Mắt cáo đóng
• 4.3.2. Mô hình Mắt cáo mở
• 5. CHƯƠNG 5: MỘT SỐ CÁC KIỂM TRA STENT MẠCH VÀNH
• 5.1. Các kiểm tra kỹ thuật không lâm sàng
• 5.1.1. Mô tả đặc tính vật liệu
• 5.1.2. Các thuộc tính Kích thước và Chức năng của stent
• 5.2. Đánh giá thiết kế stent
• 5.3. Chế tạo và thực nghiệm tại nhà máy
• 5.3.1. Chế tạo mô hình
• 6. CHƯƠNG 6: QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ THIẾT KẾ STENT
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 7.1. Ý nghĩa khoa học
• 7.2. Ý nghĩa thực tiễn
• CÁC BÀI BÁO THAM GIA
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Ứng Xử Cơ Học Stent Mạch Vành

Bệnh mạch vành là tình trạng động mạch vành bị hẹp, làm giảm lưu lượng máu đến cơ tim. Nguyên nhân chủ yếu là do xơ vữa động mạch, huyết khối, hoặc lắng đọng canxi. Các phương pháp điều trị bao gồm can thiệp mạch vành qua da (nong bóng, đặt stent mạch vành) và phẫu thuật bắc cầu mạch vành. Đặt stent trở thành phương pháp phổ biến để mở rộng và hỗ trợ thành mạch, giảm nguy cơ tái hẹp sau nong mạch. Tuy nhiên, vấn đề tái hẹp trong stent (IRS) vẫn là một thách thức, thúc đẩy các nghiên cứu về thiết kế và vật liệu stent tối ưu. Các nghiên cứu lâm sàng đã chỉ ra sự hiệu quả của BMS trong việc giảm tái hẹp so với PTCA. Tuy nhiên, một tỷ lệ đáng kể bệnh nhân vẫn gặp phải tái hẹp. Do đó, các giải pháp mới để ức chế sự tăng sinh tế bào bằng cách truyền cục bộ các chất chống tái hẹp đang được phát triển.

1.1. Bệnh Mạch Vành và Sự Cần Thiết của Stent Mạch Vành

Bệnh mạch vành làm giảm lưu lượng máu đến tim, gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Stent mạch vành giúp mở rộng mạch máu bị tắc nghẽn, cải thiện lưu thông máu. Đây là giải pháp can thiệp tối thiểu, nhưng hiệu quả, đã trở thành một phương pháp điều trị phổ biến. Nghiên cứu về ứng xử cơ học stent là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả và độ an toàn.

1.2. Các Phương Pháp Điều Trị Hẹp Mạch Vành Hiện Nay

Các phương pháp điều trị hẹp mạch vành bao gồm dùng thuốc, nong mạch bằng bóng (PTCA), đặt stent mạch vành (CAS) và phẫu thuật bắc cầu mạch vành. Can thiệp mạch vành qua da (PCI) là một lựa chọn phổ biến. Stent mạch vành có nhiều loại khác nhau, từ stent kim loại trần (BMS) đến stent phủ thuốc (DES).

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Đánh Giá Độ Bền Stent Mạch Vành

Thiết kế stent mạch vành đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm đảm bảo độ bền cơ học, tính tương thích sinh học, khả năng chống tái hẹp lồng mạch và khả năng phân phối thuốc hiệu quả (đối với DES). Đánh giá stent toàn diện đòi hỏi phải kiểm tra các thuộc tính kích thước và chức năng của stent. Các yếu tố như độ bền stent, độ dẻo stent, ứng suất stent, và biến dạng stent cần được xem xét kỹ lưỡng. Tái hẹp lồng mạch sau khi đặt stent là một vấn đề lớn cần được giải quyết. Cần phải thiết kế stent sao cho giảm thiểu tối đa lực tác động lên thành mạch và đảm bảo tương thích sinh học để giảm thiểu nguy cơ này.

2.1. Yêu Cầu Về Độ Bền Cơ Học và Tương Thích Sinh Học Stent

Stent mạch vành phải có độ bền cơ học cao để chịu được áp lực trong mạch máu. Đồng thời, phải tương thích sinh học để tránh phản ứng viêm và hình thành huyết khối. Vật liệu stent đóng vai trò then chốt trong việc đáp ứng các yêu cầu này. Các vật liệu thường dùng bao gồm thép không gỉ, hợp kim Coban-Crom, và các vật liệu tự tiêu.

2.2. Vấn Đề Tái Hẹp Lòng Mạch Sau Khi Đặt Stent

Tái hẹp lòng mạch là một biến chứng thường gặp sau khi đặt stent. Nó xảy ra do sự tăng sinh tế bào quá mức trong lòng mạch, gây hẹp trở lại. Các giải pháp hiện tại bao gồm sử dụng stent phủ thuốc (DES) để ức chế sự tăng sinh tế bào và cải thiện thiết kế stent để giảm thiểu kích ứng thành mạch.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Ứng Xử Cơ Học Stent Bằng FEA

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng stent và dự đoán ứng xử cơ học stent. FEA stent cho phép các nhà nghiên cứu và kỹ sư đánh giá stent trong các điều kiện khác nhau, chẳng hạn như áp lực, biến dạng, và lực tác động lên thành mạch. Các phần mềm mô phỏng stent chuyên dụng giúp phân tích chi tiết ứng suất stent và biến dạng stent. Sử dụng FEA trong thiết kế stent giúp tối ưu hóa hình dạng và vật liệu stent để đạt được hiệu suất tốt nhất. FEA có thể dự đoán khả năng tái cấu trúc mạch máu.

3.1. Ứng Dụng Phần Mềm Mô Phỏng FEA trong Thiết Kế Stent

Các phần mềm mô phỏng stent như ANSYS, ABAQUS được sử dụng rộng rãi để phân tích ứng xử cơ học stent. FEA stent cho phép mô hình hóa stent và tối ưu hóa thiết kế stent trước khi sản xuất thực tế. Việc sử dụng các phần mềm này giúp giảm chi phí và thời gian phát triển.

3.2. Phân Tích Ứng Suất và Biến Dạng Stent Bằng Phương Pháp FEA

Phân tích ứng suất và biến dạng stent là rất quan trọng để đảm bảo độ bền stent và tránh gãy vỡ. FEA stent cung cấp thông tin chi tiết về sự phân bố ứng suất trong stent, giúp xác định các vị trí có nguy cơ hỏng hóc cao. Các nhà nghiên cứu sử dụng kết quả FEA để tối ưu hóa thiết kế stent, giảm thiểu ứng suất và biến dạng.

IV. Tối Ưu Hóa Thiết Kế Stent Mạch Vành Phương Pháp Vật Liệu

Tối ưu hóa thiết kế stent là quá trình tìm kiếm hình dạng và vật liệu stent tốt nhất để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và an toàn. Các phương pháp tối ưu hóa thiết kế stent bao gồm sử dụng thuật toán tối ưu hóa, kết hợp với mô phỏng stent bằng FEA. Các vật liệu stent mới, chẳng hạn như hợp kim có khả năng nhớ hình dạng (shape memory alloys), cũng đang được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất của stent. Quá trình tối ưu hóa thiết kế stent có thể bao gồm việc thay đổi hình học stent, kích thước thanh chống, và cấu trúc liên kết. Mục tiêu là giảm thiểu tái hẹp lồng mạch, tăng tương thích sinh học và cải thiện khả năng phân phối thuốc (nếu là DES).

4.1. Ảnh Hưởng của Hình Dạng và Hình Học Stent đến Ứng Xử

Hình dạng stent và hình học stent có ảnh hưởng lớn đến ứng xử cơ học stent. Ví dụ, các stent có thiết kế mắt cáo mở có xu hướng ít gây tái hẹp lồng mạch hơn so với stent có thiết kế mắt cáo đóng. Ảnh hưởng của hình dạng stent cần được xem xét cẩn thận trong quá trình thiết kế.

4.2. Lựa Chọn Vật Liệu Tối Ưu Cho Stent Mạch Vành

Lựa chọn vật liệu stent phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ bền stent, độ dẻo stent, và tương thích sinh học stent. Các vật liệu stent phổ biến bao gồm thép không gỉ 316L, hợp kim Coban-Crom L605, và hợp kim Nitinol. Các vật liệu tự tiêu (bioabsorbable polymers) cũng đang được nghiên cứu để tạo ra stent tạm thời, giúp mạch máu phục hồi tự nhiên sau khi lành.

V. Nghiên Cứu Thực Nghiệm Đánh Giá Thiết Kế Stent Mạch Vành

Sau khi mô phỏng stent bằng FEA và tối ưu hóa thiết kế stent, cần tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm để xác nhận kết quả mô phỏng và đánh giá thiết kế stent trong điều kiện thực tế. Các tiêu chuẩn đánh giá stent của FDA và ISO cung cấp hướng dẫn chi tiết về các thử nghiệm cần thiết. Các thử nghiệm này bao gồm kiểm tra độ bền stent, độ dẻo stent, khả năng chịu lực tác động lên thành mạch, và khả năng chống tái hẹp lồng mạch. Dữ liệu từ các nghiên cứu lâm sàng stent là yếu tố quyết định để đánh giá hiệu quả và an toàn của stent trên bệnh nhân.

5.1. Các Tiêu Chuẩn Đánh Giá Stent Mạch Vành Của FDA và ISO

FDA (Food and Drug Administration) và ISO (International Standard Organization) đưa ra các tiêu chuẩn đánh giá stent chi tiết. Các tiêu chuẩn này bao gồm các yêu cầu về độ bền stent, độ dẻo stent, tương thích sinh học, và khả năng chống tái hẹp lồng mạch. Tuân thủ các tiêu chuẩn này là bắt buộc để được phép bán stent trên thị trường.

5.2. So Sánh Kết Quả Mô Phỏng và Thử Nghiệm Thực Tế Stent

So sánh kết quả mô phỏng stent bằng FEA với kết quả thử nghiệm thực tế stent là rất quan trọng để xác nhận tính chính xác của mô hình FEA. Nếu có sự khác biệt lớn, cần xem xét lại các giả định và tham số trong mô hình FEA. Việc so sánh này giúp cải thiện độ tin cậy của mô phỏng stent và tối ưu hóa thiết kế stent.

5.3. Chế tạo và thực nghiệm tại nhà máy

Quá trình chế tạo mô hình stent bao gồm các công đoạn: Cắt Laser, đánh bóng điện hóa để loại bỏ lớp oxit và các gờ, cạnh sắc nhọn. Sau đó, stent được đo đạc để xác định kích thước thực tế. Cuối cùng, stent được xếp lên bóng nong và bung lên để kiểm tra khả năng giản nở và độ co rút.

VI. Quy Trình Đánh Giá Thiết Kế Stent Mạch Vành Toàn Diện

Một quy trình đánh giá thiết kế stent toàn diện bao gồm các bước: (1) Thiết kế ban đầu; (2) Mô phỏng stent bằng FEA; (3) Tối ưu hóa thiết kế stent; (4) Nghiên cứu thực nghiệm; (5) Nghiên cứu lâm sàng stent; (6) Đánh giá và cải tiến. Quy trình này phải tuân thủ các tiêu chuẩn đánh giá stent của FDA và ISO. Mục tiêu là tạo ra stent mạch vành an toàn và hiệu quả, giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của bệnh nhân mắc bệnh mạch vành. Quá trình đánh giá và cải tiến là liên tục, dựa trên dữ liệu từ nghiên cứu lâm sàng stent và phản hồi từ bác sĩ.

6.1. Các Bước Trong Quy Trình Đánh Giá Thiết Kế Stent Mạch Vành

Quy trình đánh giá thiết kế stent bao gồm: Thiết kế ban đầu, mô phỏng stent, tối ưu hóa thiết kế, nghiên cứu thực nghiệm, nghiên cứu lâm sàng, và đánh giá & cải tiến. Mỗi bước đều quan trọng để đảm bảo độ bền stent, tương thích sinh học stent, và hiệu quả lâm sàng.

6.2. Ứng Dụng Quy Trình Đánh Giá Trong Phát Triển Stent Mới

Quy trình đánh giá thiết kế stent được ứng dụng để phát triển các stent mạch vành mới, với các cải tiến về vật liệu stent, hình dạng stent, và khả năng phân phối thuốc. Mục tiêu là tạo ra các stent thế hệ mới, có hiệu quả điều trị tốt hơn và ít biến chứng hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới, các bệnh lý tim mạch là nguyên nhân gây tử vong hàng đầu với khoảng 17,3 triệu ca mỗi năm, chiếm 30% tổng số ca tử vong trên toàn cầu. Tại Việt Nam, thống kê của ngành y tế cho thấy bệnh lý tim mạch chiếm xấp xỉ 33,3% tổng số ca tử vong, trong đó tỷ lệ tăng huyết áp ở nhóm dân số từ 25 đến 65 tuổi đạt mức 16,9%. Can thiệp mạch vành qua da bằng đặt giá đỡ (stent) là kỹ thuật điều trị tối ưu giúp tái thông mạch máu xơ vữa. Tuy nhiên, chi phí nhập khẩu thiết bị còn rất cao, cùng với tỷ lệ tái hẹp trong lòng stent dao động từ 20% đến 30% ở các thế hệ stent kim loại truyền thống, đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc tự chủ nghiên cứu và chế tạo stent trong nước.

Đề tài tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa hình học và đánh giá toàn diện ứng xử cơ học của stent mạch vành chế tạo từ hợp kim Cobalt-Chromium (Co-Cr L605). Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình tham số hóa, tính toán mô phỏng sự giãn nở - co ngót bằng phương pháp phần tử hữu hạn và đối chiếu thực nghiệm theo các chỉ tiêu kỹ thuật không lâm sàng. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh phối hợp cùng Công ty Cổ phần Nhà máy Trang thiết bị Y tế USM HealthCare trong giai đoạn từ tháng 8/2016 đến tháng 1/2018. Ý nghĩa thực tiễn của công trình là kiểm soát độ co hồi bán kính dưới 5%, giảm thiểu độ co rút chiều dài và hạ giá thành điều trị can thiệp tim mạch cho bệnh nhân tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết cơ học môi trường liên tục và lý thuyết đàn - dẻo phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu để mô tả quá trình biến dạng lớn của stent khi nong bóng. Tiêu chuẩn chảy dẻo Von-Mises và phương trình cấu trương quan hệ ứng suất - biến dạng thực được sử dụng nhằm xác định giới hạn đàn hồi và vùng tập trung ứng suất dư. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đóng vai trò nền tảng để giải hệ phương trình cân bằng phi tuyến tiếp xúc giữa bóng nong mạch và khung kim loại.

Khung nghiên cứu vận hành dựa trên 5 khái niệm cơ học cốt lõi:

• Độ co hồi bán kính (Radial Recoil - RC): tỷ lệ suy giảm đường kính stent sau khi xả áp suất bóng nong.
• Độ co rút chiều dài (Foreshortening - FS): mức biến thiên chiều dài stent giữa trạng thái nén xếp và trạng thái bung mở hoàn toàn.
• Hiện tượng đầu xương chó (Dogboning - DB): sự giãn nở không đồng đều giữa hai đầu và thân stent.
• Diện tích bao phủ thành mạch (Percent Coverage Area - PCA): tỷ lệ tiếp xúc bề mặt kim loại với nội mạc động mạch.
• Tái hẹp trong stent (In-Stent Restenosis - ISR): phản ứng tăng sinh mô sẹo tế bào sau can thiệp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thiết lập mô hình tính toán cho mẫu stent nhóm M (Medium) có chiều dài danh định 7,39 mm, đường kính ngoài ban đầu 1,60 mm, chiều dày thành ống 0,07 mm, cấu trúc 6 vòng uốn khúc với 8 mắt lưới (16 thanh chống mỗi vòng). Mẫu thực nghiệm được lấy từ các lô phôi ống Co-Cr L605 đạt chuẩn y tế chế tạo tại nhà máy USM HealthCare. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích số thông qua phần mềm ANSYS và mô hình hóa tham số trên SolidWorks là khả năng khảo sát chi tiết trường ứng suất cục bộ tại các đỉnh uốn crown với độ chính xác cao, giúp hạn chế rủi ro nứt gãy trước khi sản xuất hàng loạt.

Nguồn dữ liệu đầu vào bao gồm đường cong ứng suất - biến dạng thực nghiệm của hợp kim Co-Cr L605 đã qua ủ nhiệt (nhiệt luyện), cùng hệ thống chỉ tiêu kỹ thuật từ hướng dẫn của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) và tiêu chuẩn quốc tế ISO 25539-2 dành cho thiết bị cấy ghép mạch máu. Quy trình nghiên cứu kéo dài 17 tháng, bao gồm các mốc: xây dựng bộ phương trình tham số CAD trong 4 tháng, thiết lập bài toán mô phỏng biên động lực học trong 6 tháng, gia công mẫu bằng công nghệ cắt laser kết hợp đánh bóng điện hóa và thử nghiệm nong bóng thực tế trong 7 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc tham số hóa hình học trên SolidWorks cho phép kiểm soát chính xác sự thay đổi kích thước sau gia công. Quá trình đánh bóng điện hóa làm tiêu hao lớp vật liệu bề mặt 0,04 mm, đưa chiều rộng thanh chống ngoài từ 0,11 mm xuống 0,09 mm và thanh chống giữa từ 0,09 mm xuống 0,07 mm, tạo biên dạng bo tròn nhẵn mịn giúp giảm trở lực dòng máu.

Thứ hai, mô phỏng quá trình nong stent từ đường kính ép nén 1,00 mm lên đường kính danh định 3,00 mm và xả tải cho thấy ứng suất tương đương Von-Mises phân bố tập trung chủ yếu tại mặt trong của các bán kính uốn cong đỉnh sóng. Ứng suất cực đại đạt giá trị nằm trong ngưỡng an toàn chịu lực của hợp kim Co-Cr L605, không xuất hiện hiện tượng vượt giới hạn bền kéo gây nứt gãy tế vi.

Thứ ba, các thông số cơ học vận hành đạt mức tối ưu vượt trội. Độ co hồi bán kính (RC) ghi nhận ở mức 3,8% đến 4,2%, thấp hơn đáng kể so với mức giới hạn tiêu chuẩn cho phép (10%). Độ co rút chiều dài (FS) duy trì ở mức dưới 3,5%, giảm hơn 50% so với các dòng stent mắt cáo đóng thuần túy thế hệ cũ (thường dao động từ 8% đến 12%).

Thứ tư, kết quả đối chiếu giữa mô phỏng phần tử hữu hạn và thử nghiệm thực nghiệm tại nhà máy USM HealthCare đạt độ tương thích cao. Sai số kích thước đường kính bung mở và chiều dài biến dạng giữa mô hình số và mẫu thử thực tế chỉ chênh lệch khoảng 2,5% đến 4,8%.

Thông số cơ học	Kết quả mô phỏng (FEM)	Kết quả thực nghiệm tại nhà máy	Mức độ tương thích
Đường kính bung xả tải (mm)	2,98 mm	2,95 mm	98,9%
Độ co hồi bán kính (RC)	4,12%	4,35%	94,7%
Độ co rút chiều dài (FS)	3,24%	3,41%	95,0%
Chiều dày thanh chống sau xử lý (mm)	0,070 mm	0,068 mm	97,1%

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội về ứng xử cơ học xuất phát trực tiếp từ cấu trúc lai độc đáo: tích hợp mắt cáo đóng (Closed Cell) tại hai đầu biên và mắt cáo mở (Open Cell) ở các khoang giữa. Cấu trúc mắt cáo đóng ở hai đầu giúp tăng cường độ cứng vững xuyên tâm, cố định chắc chắn vị trí tổn thương và triệt tiêu hiện tượng đầu xương chó (Dogboning). Trong khi đó, các mắt cáo mở ở thân giữa tạo các nhịp liên kết linh hoạt, giúp stent dễ dàng uốn lượn qua các đoạn mạch vành gập góc mà không làm suy giảm diện tích lòng mạch.

Khi so sánh với vật liệu thép không gỉ 316L (chiều dày thanh chống tiêu chuẩn 140 µm với tỷ lệ tái hẹp lâm sàng khoảng 25,8%), thiết kế Co-Cr L605 với thanh chống siêu mỏng 70 µm giúp giảm thể tích kim loại chiếm chỗ trong lòng mạch, hạ thấp phản ứng viêm và hạn chế nguy cơ tăng sinh nội mạc xuống khoảng 15%. Biểu đồ quan hệ ứng suất - thời gian và trường chuyển vị nút được biểu diễn trực quan qua các lát cắt màu trên ANSYS, chứng minh tính ổn định tuyệt đối của cấu trúc trong suốt chu trình chịu tải từ 0 đến 16 atm của bóng nong.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất công nghiệp trang thiết bị y tế, các giải pháp cụ thể được kiến nghị như sau:

• Chuẩn hóa quy trình mô phỏng số học (FEM) trong quy trình R&D sản phẩm mới: Doanh nghiệp sản xuất cần ứng dụng bộ thông số CAD tham số hóa kết hợp ANSYS để thay thế các bước thử nghiệm cơ học phá hủy ban đầu. Mục tiêu là rút ngắn chu kỳ thiết kế từ 6 tháng xuống dưới 2 tháng, cắt giảm 40% chi phí chế tạo mẫu thử nghiệm trong vòng 6 tháng tới.
• Nâng cấp độ chính xác gia công laser và đánh bóng điện hóa: Bộ phận kỹ thuật tại nhà máy USM HealthCare cần duy trì việc kiểm soát dung sai ăn mòn bề mặt ở mức 0,04 mm ± 0,002 mm. Giải pháp này giúp loại bỏ triệt để vi bavia, đảm bảo độ nhẵn bóng quang học và giữ nguyên tính năng chống huyết khối của stent trước quý IV/2018.
• Triển khai thử nghiệm độ bền mỏi chu kỳ cao: Nhóm nghiên cứu Cơ kỹ thuật tại các trường đại học phối hợp với viện nghiên cứu y sinh cần tiến hành kiểm tra mỏi chịu tải mạch đập tương đương 400 triệu chu kỳ (tương ứng 10 năm làm việc liên tục trong cơ thể) theo đúng tiêu chuẩn ISO 25539-2 trong vòng 12 tháng tiếp theo.
• Đẩy mạnh hợp tác thử nghiệm tiền lâm sàng trên động vật: Doanh nghiệp thiết bị y tế cùng các bệnh viện chuyên khoa tim mạch cần thành lập hội đồng nghiên cứu đánh giá phản ứng sinh học in vivo trên mô hình động vật lớn, hướng tới hoàn thiện hồ sơ đăng ký lưu hành trang thiết bị y tế loại D với Bộ Y tế trong giai đoạn 2018-2020.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp tiếp cận của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư R&D và chuyên gia sản xuất thiết bị y tế: Tài liệu cung cấp bản vẽ kỹ thuật chi tiết, phương trình giải tích tính toán góc lệch thanh chống, cùng quy trình tích hợp giữa phần mềm thiết kế SolidWorks và máy cắt laser công nghiệp.
2. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên ngành Cơ kỹ thuật, Cơ điện tử y sinh: Cung cấp khung phương pháp giải bài toán phần tử hữu hạn phi tuyến tiếp xúc, kỹ thuật chia lưới phi cấu trúc cho các chi tiết thành mỏng siêu nhỏ và cách thiết lập điều kiện biên phi tuyến.
3. Bác sĩ tim mạch can thiệp và cán bộ y tế: Giúp các chuyên gia lâm sàng nắm vững bản chất cơ học của hiện tượng co hồi, độ uốn linh hoạt và mức độ bao phủ thành mạch của stent Co-Cr, từ đó đưa ra quyết định lựa chọn kích cỡ bóng và áp suất nong tối ưu cho từng ca bệnh.
4. Cơ quan quản lý chất lượng và kiểm định thiết bị y tế: Là cơ sở tham khảo khoa học hữu ích để xây dựng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về đánh giá kiểm tra cơ học không lâm sàng cho các sản phẩm cấy ghép nội mạch sản xuất tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Hợp kim Cobalt-Chromium L605 có ưu điểm gì vượt trội so với thép không gỉ 316L?
Hợp kim Co-Cr L605 sở hữu mô đun đàn hồi cao và độ bền kéo lớn hơn thép 316L khoảng 20% đến 30%. Đặc tính này cho phép thiết kế thanh chống mỏng chỉ 0,07 mm (thay vì 0,14 mm ở thép 316L) mà vẫn đảm bảo lực nâng đỡ xuyên tâm, đồng thời cải thiện khả năng cản quang dưới tia X và an toàn tuyệt đối khi chụp cộng hưởng từ (MRI).

Tại sao cấu trúc stent lại cần kết hợp giữa mắt cáo đóng và mắt cáo mở?
Cấu trúc mắt cáo đóng ở hai đầu cung cấp lực giãn nở đồng đều và độ cứng vững xuyên tâm cao, ngăn ngừa hiện tượng đầu loe hay sụp đổ thành mạch. Các vòng mắt cáo mở ở giữa cung cấp độ mềm dẻo, giúp stent dễ dàng uốn lượn qua các đoạn mạch cong gập mà không gây tổn thương hay xé rách lớp nội mạc.

Độ co hồi bán kính (Radial Recoil) ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả điều trị?
Độ co hồi bán kính phản ánh mức độ stent bị co nhỏ lại do đàn hồi sau khi bóng xẹp. Nếu chỉ số này vượt quá 10%, lòng mạch sẽ không được mở rộng hoàn toàn, làm giảm lưu lượng máu nuôi tim và gia tăng nguy cơ thiếu máu cục bộ cơ tim tái phát sau thủ thuật nong mạch.

Phương pháp mô phỏng số ANSYS hỗ trợ nhà sản xuất tiết kiệm chi phí như thế nào?
Mô phỏng FEM giúp dự báo trước trường phân bố ứng suất, độ giãn nở và các điểm có nguy cơ nứt gãy cấu trúc ngay trên máy tính. Nhờ đó, doanh nghiệp loại bỏ được các phương án thiết kế lỗi, cắt giảm hơn 40% số lần chế tạo khuôn mẫu và thử nghiệm phá hủy vật liệu đắt tiền.

Luận văn đã tham chiếu những tiêu chuẩn quốc tế nào để đánh giá chất lượng stent?
Công trình áp dụng trực tiếp hai tiêu chuẩn quốc tế khắt khe nhất hiện nay gồm: Hướng dẫn kiểm tra kỹ thuật không lâm sàng cho stent nội mạch của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) và Tiêu chuẩn ISO 25539-2 dành riêng cho thiết bị cấy ghép tim mạch nội mạch.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế thành công mẫu stent mạch vành cải tiến từ hợp kim Co-Cr L605 với cấu trúc lai kết hợp mắt cáo đóng và mắt cáo mở, đạt chiều dày siêu mỏng 0,07 mm.
• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình tham số hóa CAD trên SolidWorks, cho phép tự động cập nhật hình học giữa hai trạng thái cắt laser thô và đánh bóng điện hóa hoàn thiện.
• Thiết lập quy trình mô phỏng phần tử hữu hạn trên ANSYS, chứng minh độ co hồi bán kính duy trì ổn định ở mức 4,12% và độ co rút chiều dài đạt 3,24%.
• Kiểm chứng thực nghiệm tại nhà máy USM HealthCare cho thấy sai số hình học và cơ học giữa mô hình tính toán và sản phẩm thực tế luôn nằm dưới ngưỡng 5%.
• Đóng góp quy trình đánh giá kỹ thuật không lâm sàng chuẩn hóa theo tiêu chuẩn FDA và ISO 25539-2, tạo nền tảng vững chắc để phát triển ngành sản xuất thiết bị y tế công nghệ cao tại Việt Nam.

Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2018-2020 là mở rộng nghiên cứu độ bền mỏi 400 triệu chu kỳ và hoàn thiện công nghệ phủ thuốc chống tăng sinh nội mạc. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác trực tiếp mô hình tham số hóa này để phát triển các dòng stent mạch vành nội địa chất lượng cao, tối ưu chi phí điều trị cho cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I.1 Giới thiệu đề tài[1] Hình 1. 1: Phương pháp can thiệp mạch vành 1.1 Bệnh mạch vành Động mạch vành là hệ thống mạch máu có chức năng nuôi dưỡng tim. Tuần hoàn trong động mạch vành là tuần hoàn dinh dưỡng tim. Mỗi trái tim của chúng ta có hai động mạch vành: động mạch vành phải và động mạch vành trái, các động mạch vành này xuất phát từ gốc động mạch chủ qua các trung gian là các xoang Valsalva và chạy trên bề mặt trái tim.

Động mạch vành trái chạy một đoạn ngắn (1 – 3cm) sau đó chia thành 2 nhánh lớn là động mạch liên thất trước và động mạch mũ, đoạn ngắn đó được gọi là thân chung động mạch vành. Như vậy, hệ thống động mạch vành có ba nhánh lớn làm nhiệm vụ nuôi dưỡng tim là: động mạch liên thất trước, động mạch mũ và động mạch vành phải. Từ ba nhánh lớn này cho ra rất nhiều các nhánh động mạch nhỏ hơn như các nhánh vách, nhánh chéo, nhánh bờ… sẽ có nhiệm vụ mang máu giàu oxy từ động mạch chủ đi nuôi dưỡng tất cả các cấu trúc trong trái tim. Khi bị bệnh lý động mạch vành, dòng máu từ động mạch vành tới cơ tim giảm sút, khi đó cơ tim không nhận đủ oxy và xuất hiện triệu chứng cơn đau thắt ngực.

NGUYỄN TƯỜNG LONG HVTH: PHẠM QUANG VINH LUẬN VĂN THẠC SĨ 2 NGÀNH CƠ KỸ THUẬT Hình 1. 2: Hệ thống động mạch vành của tim Bệnh mạch vành, bệnh tim do mạch vành, bệnh tim thiếu máu cục bộ (và cả những cụm từ như suy vành, thiểu năng vành) là những cụm từ khác nhau để chỉ tình trạng động mạch vành - động mạch cấp máu nuôi dưỡng tim - bị hẹp. Hậu quả là lượng máu cung cấp cho cơ tim bị giảm sút. Nguyên nhân chủ yếu của hẹp động mạch vành là do xơ vữa động mạch.

3: Mạch máu xơ vữa GVHD: TS. NGUYỄN TƯỜNG LONG HVTH: PHẠM QUANG VINH LUẬN VĂN THẠC SĨ 3 NGÀNH CƠ KỸ THUẬT 1.2 Nguyên nhân gây bệnh mạch vành Có nhiều nguyên nhân gây ra bệnh mạch vành nhưng các chuyên gia đều thống nhất các nguyên nhân chính là do xơ vữa động mạch, huyết khối hoặc sự lắng đọng Canxi. Khi Cholesteron trong máu cao, các hạt mỡ sẽ bám vào thành động mạch, lâu dần tạo thành một lớp mỡ, làm hẹp lòng động mạch, cản trở dòng máu tới nuôi tim. Lớp mỡ đó trong y học gọi là xơ vữa động mạch.

Ngoài ra còn một số nguyên nhân khác như: ✓ Yếu tố di truyền: Nếu bố mẹ bị bệnh mạch vành thì con dễ bị bệnh này.Có những dòng họ có rất nhiều người cùng bị bệnh mạch vành nặng. ✓ Lứa tuổi, giới tính, hút thuốc lá, Cholesterol trong máu cao, tiểu đường, cao huyết áp, béo phì, nghiện rượu bia, ít hoạt động thể lực và stress, thường căng thẳng thần kinh cũng có nhiều nguy cơ bị bệnh mạch vành.3 Các phương pháp điều trị bệnh hẹp mạch vành[2] Có hai biện pháp tái thông mạch vành bị hẹp là can thiệp mạch vành qua da (nong bóng, đặt stent) và phẫu thuật bắc cầu mạch vành. ❖ Can thiệp mạch vành qua da Can thiệp mạch vành qua da (PCI: Precutaneous Coronary Intervention), bao gồm nong mạch vành bằng bóng (PTCA: Percutaneous Transluminal Coronary Angioplasty) và đặt stent động mạch vành (CAS: Coronary Artery Stenting). PTCA được giới thiệu lần đầu tiên vào thử nghiệm lâm sàng bởi Andreas Grüntzig vào cuối những năm 1970.

Trong quá trình PTCA, một ống thông bóng nong có khả năng mở rộng được đưa vào bên trong một động mạch để tiến vào vị trí có mảng xơ vữa ban đầu hay vết thương bị tái hẹp sau điều trị, bóng nong lúc này đã được xếp và gấp cánh. Tiếp theo đó, bóng được thổi phồng bằng cách bơm áp suất để cải thiện độ mở lòng mạch và giúp dòng máu lưu thông bình thường. Tuy nhiên, quá trình này lại gây tổn thương cho mạch máu, dẫn đến độ co lại đàn hồi của thành mạch, sự tăng sinh của mô sẹo trong lòng mạch và tái cấu trúc âm tính. Các hiện tượng này thường gây ra tái hẹp, làm cho lưu lượng máu bị nghẽn trở lại và không vận chuyển đủ oxy cho các mô ở tim.

Bên cạch việc dẫn đến tái hẹp, một vấn đề nghiệm trọng khác đối với PTCA là sự sụp đổ của động mạch. Điều này có thể xảy ra ngay sau khi bóng được làm xẹp do trước đó mạch bị mở rộng quá mức, hoặc thậm chí trong thời gian hồi phục của động mạch sau khi GVHD: TS. NGUYỄN TƯỜNG LONG HVTH: PHẠM QUANG VINH LUẬN VĂN THẠC SĨ 4 NGÀNH CƠ KỸ THUẬT nong. Một khi mạch bị sụp đổ, phẫu thuật bắc cầu động mạch vành khẩn cấp là lựa chọn duy nhất.

Để khắc phục vấn đề trên của PTCA, kỹ thuật đặt stent động mạch vành (CAS) đã được đề nghị và phát triển. Trong CAS, một stent kim loại được xếp và cố định lên trên ống thông bóng nong, sau đó được đưa vào phân đoạn bị hẹp của động mạch bằng cách thổi phồng và làm xẹp bóng. Chức năng của stent là tạo thành một giàn đỡ để mở rộng và hỗ trợ thành mạch, qua đó làm giảm hiện tượng tái hẹp sau khi nong mạch bằng bóng. Cuối thập niên 1980, Sigwart và những người khác đã báo cáo về sự cấy ghép thành công stent kim loại trần hay stent thường (BMS: bare-metal stent) vào động mạch vành của 8 bệnh nhân.

Nhiều năm sau, với sự phát triển của một số thế hệ mới, sự chấp nhận của BMS đã chứng tỏ tính hiệu quả trong việc giảm tái hẹp so với chỉ dùng PTCA, đồng thời làm giảm đáng kể tỷ lệ các biến cố tim mạch chính trong bệnh viện (MACE: Major Adverse Cardiac Event) cũng như tử vong. Tuy nhiên, từ 20 đến 30% bệnh nhân cho thấy phát triển các bằng chứng lâm sàng về tái hẹp. Tái hẹp trong stent (ISR – Instent Restenosis) đã trở thành một vấn đề lâm sàng mới và rất đáng quan tâm. Để giảm ISR một cách hiệu quả, nhiều nhà nghiên cứu đã phát triển các giải pháp mới để ức chế sự tăng sinh tế bào bằng cách truyền cục bộ các chất chống tái hẹp vào động mạch bị bệnh mà được cấy ghép stent.

❖ Phẫu thuật bắc cầu mạch vành là một phẫu thuật nhằm tái thông dòng chảy mạch vành, nhờ đó cải thiện dòng máu nuôi cơ tim. Khi phẫu thuật, bác sỹ sẽ sử dụng một đoạn động mạch hoặc tĩnh mạch “lành lặn”, không bị hẹp từ chính cơ thể của bạn để nối từ động mạch chủ đến nhánh mạch vành bị hẹp. Cầu nối này sẽ đảm đương vai trò vận chuyển máu giàu oxy đến nuôi cơ tim. Trong một cuộc mổ, phẫu thuật viên có thể làm nhiều cầu nối chủ- vành cho tất cả các mạch vành bị hẹp nặng.

4: Điều trị bệnh mạch vành bằng phương pháp phẫu thuật bắc cầu động mạch. NGUYỄN TƯỜNG LONG HVTH: PHẠM QUANG VINH LUẬN VĂN THẠC SĨ 5 NGÀNH CƠ KỸ THUẬT Phẫu thuật bắc cầu được sử dụng khi mạch vành không còn khả năng sửa chữa bằng các thủ thuật nong mạch PTCA. Bệnh động mạch vành (CAD - Coronary Artery Disease) Can thiệp mạch vành Bắc cầu qua da mạch vành (PCI - Percutaneous Coronary (CAPG - Coronary Arterial including Angioplasty Artery Pypass Graft) And Stenting) Bóng nong mạch STENT (PTCA - Percutaneous ( CAS - Coronary Artery Stenting) Transluminal Coronary Angioplasty) Stent trần (BMS - Bare medal stent) Stent phủ thuốc (DES - Drug-eluting stents) Stent tự tiêu (BS - Bioabsorbable stent) Hình 1. 5: Phương pháp điều trị bệnh động mạch vành 1.4 Thực trạng bệnh hẹp động mạch vành Hiện nay trên thế giới, các bệnh về tim mạch (Cardiovascular Diseases hay tên gọi khác là Heart Diseases) là nguyên nhân chính gây tử vong trên toàn cầu.

Theo báo cáo mới nhất của Tổ chức y tế thế giới, trong năm 2008, số lượng người chết do các vần đề tim mạch là khoảng 17.3 triệu người, chiếm 30% tổng số lượng tử vong toàn cầu (WHO – World Health Organization, 2013). Trong số các bệnh lý về tim, bệnh tim mạch vành (coronary artery diseases) là bệnh thường gặp nhất và là nguyên nhân chính dẫn đến các bệnh lý khác về tim về sau. Bệnh tim mạch vành là tên gọi chung cho các bệnh lý về tim do các vấn đề về động mạch vành gây ra. NGUYỄN TƯỜNG LONG HVTH: PHẠM QUANG VINH LUẬN VĂN THẠC SĨ 6 NGÀNH CƠ KỸ THUẬT Còn ở Việt Nam, theo một nghiên cứu do Bộ Y tế thực hiện ở Việt Nam, bệnh tim mạch, chủ yếu là đột quỵ và bệnh thiếu máu cục bộ cơ tim, chiếm một phần ba tất cả các ca tử vong và đứng đầu trong mười nguyên nhân gây tử vong.

Tuy nhiên, không có những thống kê chính xác để hiểu rõ sự phổ biến của căn bệnh này. Qua khảo sát cho thấy bệnh Tim mạch tại các thành phố lớn đang tăng nhanh đến mức báo động. Trung tâm Nghiên cứu Sức khỏe quốc gia cho biết con số ước lượng của sự lan rộng của bệnh tăng huyết áp hiện nay là 16.9% theo lứa tuổi từ 25-65 tuổi. Ở độ tuổi 65, hơn nữa kể cả nam và nữ đều lo ngại căn bệnh cao huyết áp.

Bên cạnh đó, họ còn nhận thấy một điều sự tăng nhanh hơn căn bệnh này ở người lớn tuổi tại các thành phố lớn như thành phố Hồ Chí Minh là 6.4%, thực tế cho thấy rằng các bệnh Tim Mạch này đáng lo ngại hơn đối với các người dân sinh sống tại các đô thị lớn. Từ đó cho thấy số lượng rất lớn bệnh nhân cần được thực hiện can thiệp ngày càng tăng ở Việt Nam và trên thế giới, nhưng chi phí cho một lần can thiệp lại rất cao đối với hầu hết người dân Việt Nam. Vì vậy, vấn đề giảm giá thành stent là một mục tiêu hàng đầu cho các nhà sản xuất, để thêm nhiều bệnh nhân có thể tiếp cận phương pháp điều trị này. Đây là mục tiêu luận văn hướng đến.2 Hướng nghiên cứu Dựa vào một số yêu cầu kiểm tra trong tiêu chuẩn FDA (Food and Drug Administration – Non Clinincal Engineering Tests and Recommended Labeling for Intravascular Stents and Associated Delivery Systems[3] và ISO 25539-2 Cardiovascular Implants – Endovascular devices – Part 2: Vascular Stents[4] để đánh giá tính hiệu quả của một thiết kế stent đã đề xuất bằng phương pháp giải tích, mô phỏng và kết hợp với mô hình chế tạo để thử nghiệm.

Từ đó thiết lập một quy trình trình đánh giá tính hiệu quả một thiết kế stent bằng phương pháp mô phỏng để giảm thiểu thời gian và chi phí trong quá trình nghiên cứu phát triển sản phẩm mới.