Khảo sát tác dụng của từ trường trong kích thích liền xương - Luận văn thạc sĩ vật lý kỹ thuật

Chuyên đề nghiên cứu Tác dụng của từ trường trong kích thích liền xương: ..., cập nhật xu hướng mới, giá trị tham khảo cao cho chuyên gia chuyên ngành

• Tác giả: Nguyễn Thị Ngọc Lam
• Người hướng dẫn: Ts. Huỳnh Quang Linh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
• Đề tài: Khảo Sát Tác Dụng Của Từ Trường Trong Kích Thích Liền Xương
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp kích thích liền xương bằng từ trường

Phương pháp kích thích liền xương bằng từ trường đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong y học. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng tác dụng của từ trường có thể thúc đẩy quá trình liền xương nhanh chóng. Các phương pháp như dòng điện một chiều (DC), điện từ trường dạng xung (PEMF), và điện trường kết hợp (CMF) đều được sử dụng để kích thích sinh xương. Đặc biệt, kích thích liền xương bằng từ trường có thể gia tăng quá trình sinh tạo xương thông qua sự vôi hóa và khoáng hóa mô liên kết xương. Các thiết bị kích thích liền xương thường được áp dụng cho những vết gãy khó liền, giúp cải thiện tỉ lệ thành công trong điều trị. Theo nghiên cứu, dòng điện và năng lượng được sử dụng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước, trọng lượng và khả năng chịu đựng của bệnh nhân. Việc khảo sát đáp ứng của bệnh nhân là rất cần thiết để tối ưu hóa hiệu quả điều trị.

1.1 Các phương pháp kích thích sinh xương

Để kích thích sinh tạo tế bào xương, nhiều phương pháp điện và từ được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm dòng điện một chiều, điện từ trường dạng xung, và cặp điện dung. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Dòng điện một chiều thường được sử dụng trong giai đoạn đầu của phẫu thuật, trong khi điện từ trường dạng xung có thể được áp dụng từ bên ngoài. Các thiết bị kích thích liền xương có thể giúp điều trị các vết gãy khó liền, đặc biệt là ở những vị trí như xương thuyền và xương chày. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng dòng điện và từ trường có thể làm tăng tốc độ liền xương và cải thiện mật độ canxi hóa tại vết gãy.

II. Cơ chế tác dụng của từ trường lên xương

Cơ chế tác động của từ trường lên mô xương là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Tác động của từ trường lên xương được giải thích qua nhiều cơ chế sinh học khác nhau. Một trong những cơ chế chính là sự kích thích sinh xương thông qua hiệu ứng điện từ. Nghiên cứu cho thấy rằng từ trường có thể tạo ra dòng điện cảm ứng trong mô xương, từ đó kích thích sự phát triển của tế bào xương. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tác dụng của từ trường có thể làm tăng cường sự hình thành mạch máu tại vị trí gãy, giúp cung cấp dưỡng chất cần thiết cho quá trình liền xương. Việc hiểu rõ cơ chế này không chỉ giúp tối ưu hóa phương pháp điều trị mà còn mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ y tế.

2.1 Tính chất áp điện của xương

Xương có tính chất áp điện, nghĩa là khi bị tác động bởi lực cơ học, nó sẽ phát sinh điện trường. Tính chất này đóng vai trò quan trọng trong việc kích thích sinh xương. Khi từ trường được áp dụng, nó có thể tương tác với tính chất áp điện của xương, tạo ra hiệu ứng sinh học tích cực. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng từ trường có thể làm tăng cường sự phát triển của tế bào xương và cải thiện quá trình liền xương. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các thiết bị y tế mới, giúp điều trị hiệu quả hơn cho những bệnh nhân gặp khó khăn trong việc liền xương.

III. Kết quả và hướng phát triển của đề tài

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng từ trường trong điều trị kích thích liền xương mang lại hiệu quả tích cực. Nhóm thỏ được điều trị bằng từ trường cho thấy quá trình liền xương nhanh hơn và mật độ canxi hóa cao hơn so với nhóm không được điều trị. Điều này chứng tỏ rằng tác dụng của từ trường có thể được ứng dụng rộng rãi trong y học, đặc biệt là trong điều trị các vết gãy khó liền. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là chế tạo thiết bị kích thích liền xương sử dụng từ trường với giá thành thấp, gọn nhẹ, có thể sử dụng tại nhà. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng điều trị cho bệnh nhân và giảm thiểu chi phí y tế.

3.1 Những kết quả chính của luận văn

Luận văn đã đạt được những kết quả quan trọng trong việc khảo sát tác dụng của từ trường trong kích thích liền xương. Các thí nghiệm trên thỏ cho thấy rằng việc áp dụng từ trường giúp tăng tốc độ liền xương và cải thiện mật độ canxi hóa. Những kết quả này không chỉ khẳng định tính đúng đắn của lý thuyết mà còn mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ y tế. Việc chế tạo thiết bị kích thích liền xương sử dụng từ trường sẽ là bước tiến quan trọng trong việc điều trị các bệnh nhân gặp khó khăn trong việc liền xương.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP KÍCH THÍCH SINH XƯƠNG BẰNG TỪ TRƯỜNG 1. Các phương pháp kích thích sinh xương [1, 2, 3, 4, 5] Để kích thích sinh tạo tế bào xương, có nhiều phương pháp điện và từ được áp dụng sử dụng các hiệu ứng sinh học do điện từ trường gây nên hỗ trợ quá trình làm liền xương một cách nhanh chóng. Những phương pháp này có thể sử dụng dòng điện một chiều (DC), điện từ trường dạng xung (PEMF), điện trường kết hợp (CMF), dòng điện xoay chiều (AC), hoặc cặp điện dung (CC) cung cấp tác động kích thích đến vị trí tổn thương. Những dòng điện khác nhau được áp đặt vào vết xương gãy thông qua các điện cực (dán hoặc cấy vào da) phát ra với cường độ 10 - 20µA tối ưu cho việc phát triển xương tốt nhất.

Nếu dòng điện nhỏ hơn 5 µA thì không có phản ứng gì với xương, trong khi dòng lớn hơn 20 µA có thể gây hại cho xương. Kết quả của quá trình kích thích xương là gia tăng quá trình sinh tạo xương thông qua sự vôi hóa và khoáng hóa của việc tái tạo mô liên kết xương và gia tăng mạch máu tại chỗ gãy. Các máy kích thích liền xương thường được sử dụng cho việc điều trị các vết gãy khó liền do không đồng nhất và những xương có ứng suất lực tại vết gãy yếu như xương thuyền, xương chày, xương đùi, xương cánh tay và trục xương bàn chân. Các thiết bị kích thích xương này có thể dùng như một liệu pháp hỗ trợ trong phẫu thuật ghép xương.

Với mỗi phương pháp, dòng điện và năng lượng tương ứng được sử dụng phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau của mỗi người như: kích thước, trọng lượng, khả năng chịu đựng, việc tuân thủ của bệnh nhân và chi phí điều trị. Trên thực tế, dòng áp dụng vào vết gãy có thể thay đổi tùy thuộc vào độ sâu và trở kháng của mô. Đáp 14 ứng tăng sinh của xương được cho là phụ thuộc vào liều lượng. Vì vậy khảo sát đáp ứng của bệnh nhân là rất cần thiết.

Dòng một chiều (DC - Direct Current) Máy kích thích dùng dòng DC bao gồm việc cấy ghép dây dẫn với chiều dài khác nhau tại chỗ gãy. Những kích thích này thường được sử dụng trong giai đoạn đầu của phẫu thuật đốt sống để tối ưu hóa tỉ lệ kết hợp xương và còn trong suốt quá trình phẫu thuật và ghép xương gãy không đồng nhất và do ứng suất lực. Các dây điện cực được kết nối với nguồn pin Lithium nhỏ được cấy da. Hệ thống này tác dụng dòng 20 µA một chiều lên vị trí gãy trong vòng 6 tháng.

Nguồn phát này được lấy ra khỏi cơ thể vào lần phẫu thuật thứ 2 khi kết thúc điều trị nhưng dây dẫn vẫn còn tại vị trị gãy. Dòng điện một chiều cung cấp một dòng không đổi, đồng nhất tại vi trí gãy trong suốt thời gian sống của pin, loại trừ được sự phụ thuộc vào bệnh nhân và trở kháng mô. Cặp điện dung (Capacitive Coupling – CC) Thiết bị sử dụng cặp điện dung sử dụng nguồn pin bên ngoài 9V để cấp nguồn cho 2 điện cực được gắn vào da. Thiết bị này phát 5V đỉnh-đỉnh sóng sin tại tần số 60kHz với dòng 5- 10mA tại da và 15 – 20 µA tại chỗ gãy.

Thiết bị này hoạt động 24 giờ mỗi ngày và pin 9V được thay đổi hàng ngày. Yếu tố thuận lợi chính của thiết bị này là bệnh nhân dễ dàng áp dụng điện cực da, kích thước và trọng lượng của thiết bị nhỏ. Điện cực nằm ngang cho phép dòng điện tác động đến một khu vực tương đối rộng của xương. Nhược điểm của thiết bị này là da sẽ bị kích ứng và pin phải thay đổi thường xuyên.

Thiết bị này chỉ dùng cho những vết gãy ở những vị trí cố định, ít vận động. Điện từ trường xung (Pulse Electromagnetic Fields – PEMF) 15 Dùng một cuộn dây có điện từ trường dạng xung chay qua áp lên vị trí vết gãy. Bệnh nhân mang theo pin và điều khiển thiết bị khoảng 10 giờ/ ngày. Các cuộn dây này được đặt trực tiếp lên da.

Máy dùng PEMF là thiết bị đầu tiên kích thích điện từ trường từ bên ngoài, tuy nhiên do máy nặng và kích thước lớn hơn các máy khác nên làm cho bệnh nhân không thích mang theo trong thời gian dài. Từ trường kết hợp (Combined Magnetic Field - CMF) Loại thiết bị này dùng hệ thống cuộn dây bên ngoài với sự kết hợp giữa dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều để sinh ra cả hai từ trường tĩnh và từ trường xoay chiều. Thiết bị CMF có nhiều kích cỡ khác nhau và cuộn dây được thiết kế phù hợp với nhiều vị trí gãy khác nhau. Kích thước và sự sắp xếp cuộn dây của CMF giúp bệnh nhân cảm thấy dễ chịu, thiết bị chỉ điều trị 30 phút mỗi ngày.

Xung siêu âm- Pulsed Ultrasound Thiết bị này được áp bên ngoài và bao gồm nguồn pin và đầu phát. Thiết bị này có thể tác động trực tiếp lên da đè qua chỗ gãy hoặc qua khoảng mở tại chỗ gãy (nếu cần thiết). Thiết bị dùng xung siêu âm lớn có kích thước lớn hơn các thiết bị trên, nhưng thời gian điều trị ngắn 20 phút/ngày thuận lợi cho việc điều trị của bệnh nhân. Một số kết quả trên thế giới Những nghiên cứu đã cho thấy hiệu quả của việc dùng các thiết bị trên vào kích thích sinh xương.

Brighton và Pollack [16] đã có kết quả xuất sắc trong việc sử dụng cặp điện dung điều trị 22 trường hợp tái tạo vết gãy không đồng nhất. Thời gian trung bình của những vết gãy không đồng nhất trước khi tiến hành điều trị là 3.3 năm và 17 trong số 22 ca (77%) liền xương với việc kích thích bằng dòng CC sau khi điều trị 22 tuần. 16 Benazzo và các cộng sự [13, 14] đã báo cáo kết quả 88% thành công trong việc điều trị rạn xương chi dưới của 25 vận động viên bằng việc kích thích điện trên xương trung bình 52 ngày. Một số tác giả [5] đã ghi nhận tầm quan trọng của hiệu quả điều trị phụ thuộc vào liều lượng áp dụng (cường độ dòng hoặc xung nhân với thời gian điều trị trên một đơn vị khối lượng cơ thể).

Tuy nhiên cũng có nhiều ý kiến phản biện về điều đó. Brighton và các đồng nghiệp [16] có cho rằng để đáp ứng với kích thích điện có thể liên quan đến một số loại tế bào trong nhiều giai đoạn của chu kỳ tế bào. Basett và cộng sự [18-24] đã giới thiệu kỹ thuật dùng PEMF để kích thích liền xương. Kết quả của thực nghiệm có thể so sánh với các phương pháp dùng dòng điện để kích thích với tỉ lệ thành công 72 -87%.2Ứng dụng từ trường vào điều trị trên thế giới và Việt Nam 1.1 Ứng dụng của từ trường trên thế giới Việc ứng dụng dòng điện trong việc điều trị kích thích liền xương được ứng dụng rộng rãi nhờ vào những kết quả nhất quán của nghiên cứu sự phát triển của xương trong việc điều trị các tổn thương không đồng nhất hoặc lâu lành.

Nguyên lý cơ bản của kích thích liền xương được xây dựng trên cơ sở định luật Wolff [18]. Ý tưởng chính của định luật này nói rằng, xương ở một người hoặc hoặc động vật khỏe mạnh sẽ thích ứng với tải cơ học mà nó chịu áp đặt. Nếu tải trên một xương nào đó thay đổi đặc biệt, cấu trúc của nó sẽ tự biến đổi để cân bằng với tải. Các ý tưởng mở rộng suy ra, xương có khả năng phát triển thành xương mới và tái tạo không chỉ dưới tác dụng cơ học mà còn nhờ vào cả điện trường và từ trường.

Năm 1950, Yasuda và Fukuda [15] lần đầu tiên phát hiện hiện tượng phân cực trong xương, làm cơ sở cho việc áp dụng điện từ trường trong việc tái tạo cấu trúc xương một cách định hướng. 17 Basset và cộng sự [19] đã chứng minh khi áp dụng dòng điện và xương thì ở điện cực âm xương bị lõm và ở điện cực dương xương bị lồi do hiệu ứng sinh xương và nguyên bào sợi. Việc ứng dụng điện từ trường dạng xung với tần số thấp ( 3- 3000 Hz) [19 – 21] Năm 1974, Basett đã giới thiệu kỹ thuật dùng PEMF để kích thích liền xương. Kết quả của thực nghiệm có thể so sánh với các phương pháp dùng dòng điện để kích thích với tỉ lệ thành công 72 -87%.

Năm 1994, nhóm nghiên cứu Viện Vật lý Y sinh Bô Quốc phòng đã điều trị thử nghiệm và có những so sánh hiệu quả điều trị của tần số 72 Hz (Theo Basset năm 1977 với độ rộng xung 0.38 ms) và 75 Hz (theo nhóm của chúng tôi với độ rộng xung 0.3 ms) và đã chứng minh được tỉ lệ liền xương 100% [1]. Nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm áp dụng PEMF dùng để định hình xương xung quanh bề mặt dụng cụ cấy ghép. Một dụng cụ cấy ghép được cài vào đùi thỏ trắng. Một điện từ trường dạng xung với độ rộng xung 25µs và tần số xung 100 Hz được tác động vào.

PEMF kích thích trong 4h hoặc 8h/ngày với cường độ cảm ứng 0. Động vật sẽ bị giết sau khi cấy 1,2 hay 4 tuần. Sau đó nhuộm phần nhựa với 2% chất Fuchsine và 1% methylen blue, các xương mới hình thành xung quanh dụng cụ cấy ghép được đánh giá bằng việc phân tích hình ảnh trên máy tính. Mối liên hệ giữa xương và tỷ lệ PEMF có ý nghĩa lớn hơn so với kiểm soát các nhóm.

Cả hai tỷ lệ kết hợp xương và tỷ lệ diện tích xương khi dùng từ trường 0.3 mT khi điều trị xương đùi thì có ý nghĩa lớn hơn giá trị tương tự 0,8mT. Sẽ không có sự khác biệt đáng kể trong tỷ lệ kết nối xương và tỷ lệ điện tích xương khi PEMF được dùng trong 4h/ngày hay 8h/ngày. Mặc dù sau 2 tuần điều trị xương được định hình xung quanh dụng cụ cấy nhiều hơn so với điều trị một tuần nhưng không có sự khác biệt nào giữa 2 tuần và 4 tuần điều trị. Những kết quả này cho thấy kích thích PEMF có thể dùng để điều chỉnh định hình xương xung quanh bề mặt của dụng cụ cấy ghép.

18 Việc cấy kết hợp xương đã được ứng dụng phổ biến trong nha khoa. Sau khi xương được kết hợp, phần siêu cấu trúc sẽ ở trên dụng cụ cấy. Bệnh nhân sẽ khó chịu trong khoảng thời gian dài từ lúc cấy ghép và khi hình thành các siêu cấu trúc. Theo Masumoto và một số chuyên gia khác, một vài quy trình ứng dụng điện từ trường được cải tiến để kết hợp xương trong chỉnh hình răng.