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

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Tổng quan về phương pháp kích thích liền xương bằng từ trường
• 1.1. Các phương pháp kích thích sinh xương
• 1.2. Ứng dụng từ trường vào điều trị trên thế giới và Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: Cơ chế tác dụng của từ trường lên xương
• 2.1. Tính chất áp điện của xương
• 2.2. Cơ chế tác động của từ trường lên mô xương
• 2.3. Ý nghĩa sinh học của phương pháp điều trị liền xương bằng PEMF
• 2.4. Dạng sóng của PEMF
• 2.5. Cơ chế kích thích sinh xương của từ trường
• 2.6. Các tác dụng khác của từ trường có tác dụng hỗ trợ kích thích liền xương
• 3. CHƯƠNG 3: An toàn từ trường trong điều trị
• 3.1. Tác động vật lý - Từ trường tĩnh
• 3.2. Tác động vật lý - Từ trường biến đổi theo thời gian
• 3.3. Liều tác dụng của từ trường
• 4. CHƯƠNG 4: Chế tạo thiết bị từ trường kích thích liền xương
• 4.1. Thông số vật lý của từ trường
• 4.2. Mô tả thiết bị
• 5. CHƯƠNG 5: Thí nghiệm chiếu từ trường trên thỏ
• 5.1. Các bước tiến hành thí nghiệm
• 6. CHƯƠNG 6: Kết quả và hướng phát triển của đề tài
• 6.1. Những kết quả chính của luận văn
• 6.2. So sánh thiết bị vừa chế tạo với các thiết bị trên thị trường
• 6.3. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính trong lĩnh vực chấn thương chỉnh hình, khoảng 5% đến 10% các ca gãy xương trên thế giới gặp phải tình trạng chậm liền xương hoặc hình thành khớp giả, làm kéo dài thời gian phục hồi từ 6 tháng đến hơn 2 năm. Phương pháp điều trị truyền thống chủ yếu dựa vào cố định cơ học lâu dài hoặc phẫu thuật can thiệp ghép xương phức tạp, tiềm ẩn nguy cơ nhiễm trùng và gây tổn thương mô mềm. Trong khi đó, các thiết bị trị liệu từ trường nhập ngoại hiện có giá thành rất cao, dao động từ 87.000.000 VNĐ đến 180.000.000 VNĐ, với kích thước cồng kềnh chỉ phù hợp cho các bệnh viện lớn mà không thể áp dụng điều trị cá nhân tại nhà.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là khảo sát cơ chế tương tác lý sinh của điện từ trường lên mô xương, xác định các thông số kỹ thuật tối ưu như tần số phát xung 15 Hz và biên độ điện áp 12V đỉnh-đỉnh. Trên cơ sở lý thuyết đó, đề tài tiến hành thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình thiết bị phát từ trường xung chuyên dụng gọn nhẹ và thử nghiệm kiểm chứng trên mô hình động vật.

Nghiên cứu được triển khai thực hiện từ tháng 01/2011 đến tháng 12/2011 tại Bộ môn Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi chế tạo thành công thiết bị có chi phí sản xuất thấp, giúp giảm hơn 70% giá thành so với các dòng máy nhập khẩu, đồng thời hỗ trợ rút ngắn thời gian liền xương từ 30% đến 40% cho bệnh nhân chấn thương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng định luật Wolff về sự thích ứng cấu trúc xương theo tải trọng cơ học và khám phá về hiện tượng áp điện sinh học của Yasuda và Fukuda từ năm 1950. Cấu trúc xương tự nhiên chứa 90% là sợi collagen. Khi xương chịu biến dạng nén hoặc chịu tác động của từ trường biến thiên theo thời gian, bề mặt chịu nén sẽ xuất hiện điện tích âm, tạo lực hút mạnh mẽ đối với các ion canxi và các nhóm phosphat tự do để thúc đẩy quá trình kết tinh hydroxyapatite.

Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào 4 khái niệm cốt lõi:

1. Hiện tượng áp điện sinh học: Chuyển đổi kích thích cơ học và từ trường thành tín hiệu điện sinh học trên mạng lưới sợi collagen.
2. Điện từ trường xung: Dạng sóng từ trường biến thiên tần số cực thấp tạo ra dòng điện cảm ứng nội mô trong khoảng sinh học tối ưu từ 10 đến 20 µA. Dòng điện dưới 5 µA không tạo đáp ứng sinh học, trong khi dòng vượt quá 20 µA có thể gây hoại tử tế bào.
3. Quá trình canxi hóa can non: Phản ứng hóa sinh 3Ca2+ + 2(PO4)3- tạo thành Ca3(PO4)2 để chuyển hóa mô sụn sợi thành xương cứng.
4. Tái tạo tế bào xương: Sự kích hoạt đồng thời của tạo cốt bào và tế bào trung mô dưới tác động điều hòa của các nhân tố sinh trưởng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát lý thuyết điện từ trường y sinh, thiết kế chế tạo mạch điện tử và thực nghiệm kiểm chứng in vivo trên động vật. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình theo dõi liên tục các chỉ số sinh hóa và hình ảnh cấu trúc mô học.

Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết lập gồm 4 cá thể thỏ trắng thuần chủng có cùng độ tuổi và trọng lượng tương đồng. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát được áp dụng để chia thành 2 nhóm: nhóm can thiệp được chiếu từ trường xung và nhóm đối chứng để tự phục hồi. Việc chọn mẫu thuần nhất này nhằm loại bỏ các sai số sinh lý ngoại lai, đảm bảo tính chuẩn mực khoa học và làm nổi bật tác động độc lập của từ trường.

Phương pháp phân tích dựa trên chẩn đoán hình ảnh X-quang định kỳ và nhuộm tiêu bản mô học bằng dung dịch fuchsine 2% kết hợp methylene blue 1%. Mẫu vi cấu trúc được phân tích dưới kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét SEM với độ phóng đại từ 10 lần đến 100 lần. Toàn bộ timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng, trong đó giai đoạn thiết kế chế tạo mạch kéo dài 6 tháng và giai đoạn can thiệp thực nghiệm trên thỏ diễn ra trong 2 đến 4 tuần.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát và thực nghiệm mang lại 4 phát hiện quan trọng có giá trị khoa học cao:

Thứ nhất, từ trường xung kích hoạt mạnh mẽ sự tổng hợp các nhân tố sinh trưởng. Tác động của điện từ trường làm tăng nồng độ IGF-I lên 53% và giải phóng IGF-II tăng gấp 5 lần tương đương mức tăng 93%. Đồng thời, lượng mRNA của yếu tố chuyển đổi sinh trưởng TGF-beta trong tế bào tăng gấp 3 lần và thụ thể TGF-beta 1 tăng tới 130% so với điều kiện tự nhiên.

Thứ hai, kích thích tăng sinh vi mạch và vận chuyển khoáng chất. Thiết bị giúp tăng 28% khả năng vận chuyển ion canxi qua màng tế bào, đồng thời giải phóng yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi FGF-2 gấp 7 lần, giúp hình thành mạng lưới mao mạch mới nuôi dưỡng vùng tổn thương chỉ trong vài ngày thay vì hàng tháng.

Thứ ba, xác định ngưỡng cảm ứng từ hiệu dụng. Khảo sát thực nghiệm cho thấy cường độ cảm ứng từ mức thấp 0.3 mT mang lại hiệu quả tạo bè xương trabecular dày dặn và liên kết chặt chẽ hơn so với mức từ trường cao 0.8 mT.

Thứ tư, đẩy nhanh tốc độ liền xương thực tế. Nhóm cá thể được điều trị bằng từ trường xung hình thành cầu can xương vững chắc và đạt mật độ canxi hóa cao chỉ sau 2 tuần điều trị, rút ngắn khoảng 50% thời gian so với tiến trình liền xương tự nhiên 4 tuần ở nhóm đối chứng.

Thảo luận kết quả

Cơ chế của hiện tượng trên bắt nguồn từ việc từ trường biến thiên tạo ra dòng điện cảm ứng cục bộ, làm thay đổi điện thế màng tế bào và mở các kênh ion canxi. Sự gia tăng nồng độ canxi nội bào nhanh chóng trung hòa điện tích âm của nhóm sulphat trong chất nền sụn, tạo điều kiện cho các tế bào hủy sụn xâm nhập để phân giải mô sụn sợi và mở đường cho tạo cốt bào bồi đắp mô xương mới.

Kết quả nghiên cứu hoàn toàn tương đồng với các công bố quốc tế của các chuyên gia đầu ngành trên thế giới với tỷ lệ liền xương thành công từ 72% đến 87%. Đồng thời, số liệu này củng cố các thử nghiệm lâm sàng trước đây của Viện Vật lý Y Sinh học trên bệnh nhân kéo dài chi, giúp rút ngắn thời gian mang khung cố định ngoài từ 2 đến 3 tháng.

Dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa qua biểu đồ cột so sánh diện tích khoáng hóa và bảng theo dõi mật độ bè xương theo thời gian. Trên biểu đồ vi cấu trúc, nhóm sử dụng từ trường 0.3 mT đạt mật độ bè xương cao hơn khoảng 45% so với nhóm 0.8 mT. Các hình ảnh mô học với thang đo chuẩn từ 0.2 mm đến 2 mm chứng minh rõ ranh giới xương mới nhuộm màu tím đậm bao quanh cấu trúc xương cũ, khẳng định chất lượng liền xương vượt trội.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát triển và ứng dụng rộng rãi kết quả của luận văn vào thực tiễn đời sống, 4 giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

Thứ nhất, tối ưu hóa thiết kế mạch vi điều khiển tự động. Nhóm kỹ sư y sinh cần tiến hành tích hợp bộ vi xử lý chuyên dụng nhằm kiểm soát chính xác tần số phát xung 15 Hz, điện áp 12V đỉnh-đỉnh và độ rộng xung dương 200 µs với độ lệch tần số dưới 1%, hoàn thành trong thời gian 6 tháng.

Thứ hai, mở rộng quy mô thử nghiệm tiền lâm sàng đa trung tâm. Các viện nghiên cứu y sinh cần phối hợp với các bệnh viện chấn thương chỉnh hình triển khai thử nghiệm trên cỡ mẫu mở rộng từ 20 đến 50 cá thể động vật trong vòng 12 tháng, nhằm đạt độ tin cậy thống kê với giá trị p dưới 0.05.

Thứ ba, chuẩn hóa phác đồ điều trị an toàn bức xạ từ trường. Bộ Y tế và các hội đồng chuyên môn cần ban hành quy chuẩn hướng dẫn thời gian chiếu xạ từ 4 đến 8 giờ mỗi ngày với mức cảm ứng từ kiểm soát nghiêm ngặt dưới ngưỡng giới hạn 60 mT theo khuyến cáo của tổ chức ICNIRP, hoàn thiện trong lộ trình 9 tháng.

Thứ tư, đẩy mạnh thương mại hóa thiết bị y tế gia đình. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế trong nước cần liên kết chuyển giao công nghệ để sản xuất hàng loạt thiết bị với giá thành mục tiêu dưới 5.000.000 VNĐ trong vòng 18 tháng, giúp người bệnh tiết kiệm hơn 80% chi phí điều trị ngoại trú so với việc sử dụng máy ngoại nhập.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo học thuật và ứng dụng kỹ thuật giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng:

1. Bác sĩ và chuyên gia chấn thương chỉnh hình: Nắm vững cơ sở lý sinh của từ trường để chỉ định liệu pháp hỗ trợ điều trị hiệu quả cho các ca gãy xương khó liền, khớp giả hoặc bệnh nhân đái tháo đường có tốc độ liền xương chậm hơn bình thường 40%.

2. Kỹ sư y sinh và nhà thiết kế thiết bị y tế: Khai thác các thông số kỹ thuật chi tiết về mạch phát xung tần số 15 Hz, độ rộng xung 200 µs và cảm ứng từ 0.3 mT để phát triển các thiết bị vật lý trị liệu cầm tay có giá thành dưới 10.000.000 VNĐ.

3. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Vật lý kỹ thuật: Tiếp cận phương pháp luận nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng trường điện từ và thử nghiệm sinh học in vivo, làm nền tảng phát triển các đề tài khoa học chuyên sâu.

4. Kỹ thuật viên vật lý trị liệu và phục hồi chức năng: Ứng dụng quy trình chiếu từ trường chuẩn hóa từ 4 đến 8 giờ mỗi ngày để thiết lập liệu trình phục hồi tối ưu cho bệnh nhân tại các phòng khám và trung tâm y tế.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp kích thích liền xương bằng từ trường xung hoạt động dựa trên cơ chế nào? Phương pháp hoạt động bằng cách tạo ra dòng điện cảm ứng sinh học từ 10 đến 20 µA bên trong mô xương nhờ hiệu ứng áp điện của collagen. Dòng điện này làm tăng 28% lượng ion canxi vận chuyển qua màng tế bào, kích hoạt phản ứng kết tủa canxi phosphat và thúc đẩy quá trình khoáng hóa can non nhanh chóng.

Thông số từ trường nào mang lại hiệu quả kích thích liền xương cao nhất? Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh tần số xung cực thấp 15 Hz kết hợp với cường độ cảm ứng từ 0.3 mT mang lại mật độ tạo xương tối ưu. Dạng xung bất đối xứng có thời gian xung dương 200 µs và xung âm 20 µs giúp tế bào xương đáp ứng sinh học tốt hơn đáng kể so với mức từ trường 0.8 mT.

Liệu pháp từ trường xung có đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người bệnh không? Thiết bị phát từ trường trong phạm vi dưới 1 mT, thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng an toàn quốc tế 60 mT của tổ chức ICNIRP. Liệu pháp hoàn toàn không xâm lấn, không gây bỏng rát hay đau đớn, nhưng chống chỉ định tuyệt đối đối với người đang mang máy tạo nhịp tim hoặc cấy ghép kim loại nhiễm từ.

Thiết bị chế tạo trong luận văn có ưu điểm gì so với máy nhập khẩu? Thiết bị có giá thành dự kiến dưới 5.000.000 VNĐ, tiết kiệm hơn 90% chi phí so với các dòng máy nhập khẩu từ Anh hoặc Đức có giá từ 87.000.000 đến 180.000.000 VNĐ. Máy sử dụng nguồn điện 12V an toàn, kết cấu nhỏ gọn, cho phép người bệnh tự điều trị thuận tiện tại nhà.

Thời gian chiếu từ trường mỗi ngày bao lâu thì đạt kết quả phục hồi tốt nhất? Bệnh nhân nên duy trì chiếu từ trường từ 4 đến 8 giờ mỗi ngày liên tục trong 2 đến 4 tuần tùy mức độ chấn thương. Đối với các ca phẫu thuật kéo dài chi, việc phối hợp từ trường giúp rút ngắn thời gian mang khung cố định ngoài từ 2 đến 3 tháng.

Kết luận

• Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về hiệu ứng áp điện của collagen và cơ chế kích thích sinh xương của điện từ trường xung, làm rõ sự gia tăng mạnh mẽ của các nhân tố IGF-I, IGF-II và TGF-beta.
• Xác lập chính xác bộ thông số kỹ thuật tối ưu phục vụ tái tạo xương gồm tần số 15 Hz, điện áp 12V đỉnh-đỉnh, thời gian xung dương 200 µs và cảm ứng từ 0.3 mT.
• Chế tạo thành công mô hình thiết bị từ trường xung chuyên dụng kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn an toàn bức xạ theo quy định ICNIRP.
• Kiểm chứng hiệu quả thực nghiệm trên mô hình động vật, chứng minh khả năng tăng sinh bè xương trabecular và rút ngắn thời gian canxi hóa vết gãy sau 2 tuần can thiệp.
• Đề ra lộ trình nghiên cứu mở rộng thử nghiệm lâm sàng trên 50 ca bệnh trong 12 tháng tới nhằm hoàn thiện quy trình thương mại hóa sản phẩm.

Luận văn đã đóng góp một giải pháp khoa học công nghệ mang tính ứng dụng cao, mở ra triển vọng tự chủ sản xuất thiết bị kích thích liền xương giá rẻ tại Việt Nam, góp phần giảm gánh nặng chi phí y tế cho cộng đồng. Các đơn vị y tế, nhà khoa học và doanh nghiệp hãy tăng cường hợp tác liên ngành để sớm đưa thiết bị từ trường xung vào phác đồ điều trị phục hồi chức năng đại trà trên toàn quốc.

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.