Luận văn thạc sĩ về thiết kế và mô phỏng khớp háng nhân tạo bipolar

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích công nghệ chế tạo máy thiết kế và mô phỏng gia công khớp háng nhân tạo bipolar, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi

• Tác giả: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc
• Người hướng dẫn: TS. Trần Nguyên Duy Phương
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Thiết Kế Và Mô Phỏng Gia Công Khớp Háng Nhân Tạo Bipolar
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về khớp háng nhân tạo bipolar

Khớp háng nhân tạo bipolar được thiết kế nhằm điều trị các vấn đề liên quan đến gãy cổ xương đùi, đặc biệt ở người cao tuổi. Khớp này có cấu tạo đặc biệt với hai bề mặt khớp, giúp tăng phạm vi chuyển động và giảm ma sát. Việc sử dụng khớp háng nhân tạo không chỉ giúp phục hồi chức năng mà còn giảm thiểu cơn đau cho bệnh nhân. Khớp bipolar được phát triển từ khớp đơn cực, giúp cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của khớp. Theo nghiên cứu, khớp bipolar sử dụng phần sụn tự nhiên trong ổ cối, giúp duy trì tính ổn định và khả năng hoạt động của khớp. Điều này khác biệt rõ rệt so với khớp toàn phần, nơi mà sụn tự nhiên bị thay thế hoàn toàn. Các chỉ định thay khớp thường gặp bao gồm hoại tử vô trùng xương đùi và các tổn thương nặng ở đầu cổ xương đùi. Những vấn đề này nếu không được can thiệp kịp thời có thể dẫn đến những biến chứng nghiêm trọng.

1.1 Giới thiệu chung về khớp háng

Khớp háng là một trong những khớp lớn nhất trong cơ thể, có chức năng quan trọng trong việc duy trì sự cân bằng và vận động. Cấu tạo của khớp háng bao gồm chỏm đầu xương đùi và ổ cối của khung chậu, tạo thành một khớp tròn vững chắc. Điều này giúp khớp có khả năng chịu tải trọng lớn trong các hoạt động hàng ngày. Đặc biệt, sự hiện diện của sụn viền làm cho ổ cối sâu hơn, tăng cường tính ổn định cho khớp. Tuy nhiên, khi gặp phải các vấn đề như gãy cổ xương đùi, việc thay thế bằng khớp háng nhân tạo là cần thiết để phục hồi chức năng và giảm đau cho bệnh nhân.

II. Vật liệu chế tạo khớp háng nhân tạo

Vật liệu chế tạo khớp háng là một yếu tố quan trọng quyết định đến độ bền và khả năng hoạt động của khớp. Các loại vật liệu phổ biến bao gồm hợp kim titan, thép không gỉ và hợp kim Co-Cr. Hợp kim titan được ưa chuộng nhờ vào tính nhẹ và khả năng chống ăn mòn cao. Thép không gỉ cung cấp độ cứng và độ bền, trong khi hợp kim Co-Cr thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tính bền cao. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp không chỉ ảnh hưởng đến tuổi thọ của khớp mà còn đến khả năng tương thích sinh học, giúp giảm thiểu phản ứng viêm trong cơ thể. Nghiên cứu cho thấy, sự kết hợp giữa các vật liệu này có thể tạo ra những sản phẩm khớp háng có độ bền và khả năng thích ứng sinh học tốt hơn, từ đó nâng cao chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.

2.1 Hợp kim titan

Hợp kim titan, đặc biệt là Ti6Al4V, được sử dụng rộng rãi trong chế tạo khớp háng nhờ vào các đặc tính ưu việt như trọng lượng nhẹ, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt. Thành phần hóa học của hợp kim này giúp cải thiện tính cơ học và khả năng chịu tải. Nghiên cứu cho thấy, hợp kim titan có khả năng tương thích sinh học tốt, giảm thiểu nguy cơ phản ứng viêm và tạo điều kiện thuận lợi cho sự phục hồi của bệnh nhân. Hơn nữa, với sự phát triển của công nghệ chế tạo, việc sử dụng hợp kim titan trong khớp háng nhân tạo ngày càng trở nên phổ biến, mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y học.

III. Quy trình thiết kế khớp háng nhân tạo

Quy trình thiết kế khớp háng nhân tạo bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc xác định dữ liệu 3D của vùng xương xốp đến việc kiểm tra bền cho chuôi khớp. Phần mềm Mimics và SolidWorks thường được sử dụng để xây dựng mô hình 3D của khớp, giúp xác định các thông số hình học cần thiết. Sau khi hoàn tất mô hình, việc kiểm tra độ bền cho chuôi khớp được thực hiện bằng phần mềm Hyperworks. Điều này đảm bảo rằng chuôi khớp có khả năng chịu tải và không bị hỏng trong quá trình sử dụng. Quy trình thiết kế không chỉ tập trung vào khía cạnh kỹ thuật mà còn phải xem xét đến tính tương thích sinh học và khả năng vận động của khớp trong cơ thể bệnh nhân.

3.1 Xác định dữ liệu 3D

Xác định dữ liệu 3D của vùng xương xốp là một bước quan trọng trong quy trình thiết kế khớp háng nhân tạo. Phần mềm Mimics cho phép chuyển đổi hình ảnh chụp CT thành mô hình 3D, từ đó giúp các kỹ sư có cái nhìn rõ ràng về cấu trúc xương và các yếu tố cần thiết để thiết kế khớp. Việc này không chỉ giúp tăng độ chính xác trong thiết kế mà còn đảm bảo rằng khớp sẽ phù hợp với cấu trúc xương của bệnh nhân. Sự chính xác trong việc xác định dữ liệu 3D cũng ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của khớp, từ đó nâng cao chất lượng điều trị cho bệnh nhân.

IV. Mô phỏng gia công khớp háng nhân tạo

Mô phỏng gia công khớp háng nhân tạo là bước cần thiết để đảm bảo rằng các sản phẩm được chế tạo đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và chất lượng. Các công nghệ chế tạo hiện đại như CNC và in 3D đang được áp dụng để tạo ra các chi tiết phức tạp của khớp. Quy trình này bao gồm việc xác định các phương pháp gia công, từ phay, tiện cho đến mài, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất. Mô phỏng gia công không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí mà còn đảm bảo rằng các chi tiết khớp được sản xuất với độ chính xác cao, giảm thiểu sai sót trong quá trình chế tạo.

4.1 Khảo sát công nghệ chế tạo

Khảo sát công nghệ chế tạo là một phần quan trọng trong quy trình mô phỏng gia công khớp háng nhân tạo. Việc lựa chọn công nghệ phù hợp không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn đến hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất. Các công nghệ như phay CNC, tiện, và mài đều có những ưu điểm riêng, và việc kết hợp chúng một cách hợp lý sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất. Nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng công nghệ chế tạo tiên tiến không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn cải thiện tốc độ sản xuất, từ đó đáp ứng nhanh chóng nhu cầu của thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.1 Khớp háng a) Giải phẫu học Hệ thống xương của khớp háng gồm có chỏm đầu xương đùi hình cầu và ổ cối của khung chậu. Đây là một khớp tròn có ổ cối nên khớp rất vững trong sinh hoạt hằng ngày. Đặc biệt trong khớp lại có áp suất âm nên muốn cho khớp bị trật ra cần phải có một lực khá mạnh. Độ lõm của ổ cối phát triển tùy thuộc vào sự hiện diện của chỏm xương đùi.

Ổ cối có sụn viền giống như là sụn viền khớp vai. Sụn viền làm cho ổ cối sâu hơn phân nữa của hình cầu và tạo cho khớp háng được vững hơn. Sụn viền rộng nhất ở phía sau dưới của ổ cối (6,4 mm ± 1,7mm) và dày nhất ở phía trên trước của ổ cối (5,5 mm ± 1,5mm). Chỏm xương đùi bằng 2/3 hình cầu nhưng không hoàn toàn tròn như hình cầu với đường kính từ 40 mm – 52mm ở người châu Á từ 45mm – 56mm ở người châu Âu.

Chỏm xương đùi được bao một lớp sụn khớp trừ vùng có dây chằng tròn, nơi dày nhất (khoảng 2,5mm) ở phía trên trong hơi phía sau là nơi chịu lực khi hoạt động. Đặc điểm của chỏm là có một vùng phía trong để gắn dây chằng tròn dính vào trong ổ cối nơi đó có chứa nhiều mô sợi sụn và các mạch máu từ thần kinh bịt và các dây thần kinh từ thần kinh bịt. Chỏm và cổ xương đùi được nuôi bằng các động mạch nhỏ từ động mạch mũ đùi ngoài và trong đi dọc sát ngoài cổ vào trong xương nơi tiếp giáp sụn chỏm và cổ xương đùi. Cổ xương đùi dài khoảng từ 3cm – 5cm ở người lớn và có góc cổ thân 125 ± 50 khi trưởng thành và góc này lớn hơn khi mới sinh ra 150.

Ở mặt phẳng ngang cổ xương đùi có độ lệch ra trước 150.1: Cấu tạo khớp háng HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 1 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Nguyên Duy Phương b) Cơ sinh học Thể trọng tạo một lực tải trên đầu xương đùi biểu thị bằng cánh tay đòn thể trọng (body wieght lever arm). Người ta tính được rằng, bình thường cánh tay đòn này gấp 2,5 lần cánh tay đòn cơ dang (abductor lever arm) cho nên khi đứng trên một chân nhóm cơ dang phải tạo một lực gấp 2,5 lần thể trọng mới giữ được xương chậu không bị xệ xuống. Khi đi, trong pha chống chân, đầu xương đùi chịu một lực tải bằng tổng lực cơ dang và thể trọng có thể lên tới 3 lần trọng lượng cơ thể.

Khi chuyển tư thế từ ngồi sang đứng, lên xuống cầu thang hay chạy nhảy…lực tải này có thể gấp 10-12 lần trọng lượng cơ thể.2: Hai loại cánh tay đòn Hình 1.3: Lực tác dụng lên khớp Khi đứng, trọng tâm (center of body wieght) định vị tại bờ trước đốt sống S2, phía sau và cao hơn khớp háng.4: Trọng tâm của cơ thể Trong quá trình vận động: đi lại, chạy nhảy, nghiêng người ra phía trước, sau, bên,.vị trí trọng tâm thay đổi, các ứng lực tác dụng lên khớp thay đổi vì vậy lực tải lên chỏm xương đùi cũng thay đổi theo. Và ứng lực lên khớp háng không chỉ trong mặt phẳng trán (frontal plane) mà còn trong mặt phẳng đứng dọc (sagittal plane), cổ chỏm xương đùi bị bẻ về phía sau, đặc biệt khi háng gấp, ứng lực bẻ này tăng gấp nhiều lần. HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 2 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Nguyên Duy Phương Thêm vào đó, ứng lực tác động lên khớp háng không liên tục, mà có tính chu kì, lúc có lúc không, lúc mạnh đột ngột, lúc hoàn toàn thư giãn.

Và trong một năm có tới 1 triệu bước đi với các lực có cường độ, hướng thay đổi.2 Khớp nhân tạo bipolar Khớp bipolar là khớp bán phần lưỡng cực mà thường dùng trong trường hợp gãy cổ xương đùi, và hoại tử vô trùng xương đùi và những vấn đề khác về khớp mà chỉ ảnh hưởng đến đầu xương đùi mà phần ổ cối và sụn vẫn còn nguyên. Khớp bán phần đầu tiên được thiết kế bởi Austin Moore nên được gọi là khớp Moore, là khớp đơn cực gồm một chỏm cầu tròn gắn liền với chuôi (stem) và được gắn chặt trong xương xốp của xương đùi. Chỏm cầu tròn này sẽ ép và xoay trong ổ cối tự nhiên của bệnh nhân nên sẽ làm mòn sụn và gây đau. Khớp bán phần lưỡng cực (bipolar) được phát triển đầu tiên bởi James Bateman vào năm 1974.

Sau hơn 30 năm, khái niệm về khớp bipolar được cải tiến và hoàn thiện bởi những nhà sản xuất khớp nhân tạo. Khớp bipolar là chỏm cầu nhỏ trong chỏm cầu lớn vì thế nó có hai bề mặt khớp chuyển động thay vì một khớp làm tăng phạm vi chuyển động và làm giảm ma sát và giảm mòn, dẫn tới sẽ ít đau hơn và tuổi thọ khớp sẽ cao hơn. Điều khác nhau cơ bản giữa khớp bipolar và khớp toàn phần là khớp bipolar sử dụng phần sụn trong ổ cối tự nhiên của bệnh nhân còn khớp toàn phần thì thay thế phần sụn bằng một chảo nhân tạo.5 : Khớp bipolar a) Cơ sinh học  Moment uốn Moment uốn được xác định bằng cách vẽ một đường từ tâm chỏm hợp với đường giữa 150. Một đường khác thẳng góc với đường trên tại Y và cắt chuôi tại điểm X.

Ta có đoạn XY, HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 3 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Nguyên Duy Phương biểu thị của moment uốn. Moment uốn thay đổi theo kiểu chuôi. Chuôi càng cong, offset càng lớn thì moment uốn càng lớn.

Moment uốn lớn gây nhiều bất lợi hỏng khớp về sau.6: Moment uốn Hình 1.7: Thông số hình học của chuôi  Những vấn đề liên quan tới đường kính chỏm nhỏ Đường kính chỏm nhỏ càng nhỏ thì thì chảo nhựa sẽ dày nên hấp thụ lực tốt, phân bố lực vào xương đều hơn. Chảo nhựa dày thì lâu mòn hơn. Khi đường kính chỏm nhỏ nhỏ thì lực ma sát sẽ nhỏ hơn. Tuy nhiên điều bất lợi của chỏm nhỏ nhỏ thì biên độ hoạt động ít, khoảng tiếp xúc giữa chỏm nhỏ và chảo nhựa sẽ ít gây dễ bị trật khớp.

Đường kính chỏm nhỏ thường là 22, 26, 28, 32 mm.  Khả năng chuyển tải lực vào xương Trong khớp cố định bằng xi măng, phức hợp khớp nhân tạo - xi măng – xương phải thống nhát thành một khối thống nhất chịu ứng lực. Chuôi phải được đặt sao quanh nó luôn được bọc bởi một lớp xi măng, và khối xi măng được ép sát vào xương để khi lực tác động vào đầu xương đùi, lực được chuyển tải vào khối xi măng rồi vào xương tạo thành một lực bung (hoop stress). Với điều này nên loại chuôi có cổ về mặt lí thuyết sẽ không tạo được lực bung đều trên các mặt tiếp xúc.2 Chỉ định thay khớp và các bước thay khớp 1.1 Các chỉ định thay khớp Thay khớp háng nhân tạo bipolar thuờng áp dụng cho những bệnh lý làm tổn thương nặng đầu cổ xương đùi mà các chỉ định nội khoa đều thất bại.

Một số bệnh ảnh hưởng tiêu biểu như: HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 4 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Nguyên Duy Phương Hủy cốt: bệnh này là sự thất thoát tế bào xương cục bộ và xuất hiện bởi mòn. Phá hủy cấu trúc xương do thất thoát của canxi. Hủy cốt có thể thấy rõ ràng trong khối u, truyền nhiễm, biến chất, chấn thương mạch máu , bẩm sinh hay do rối loạn khớp.

Hoại tử do thiếu mạch: hoại tử do thiếu máu cung cấp cho xương và điều này dẫn đến chết xương. Cơn đau thường phát triển dần dần và có thể ban đầu là nhẹ. Nếu hoại tử do thiếu mạch nặng hơn, xương và bề mặt xung quanh bề mặt liên kết khớp có thể bị phá vỡ và làm tăng cơn đau.8: Hoại tử do thiếu mạch Gãy cổ xương đùi: cấu trúc của đầu và cổ xương đùi được dùng để truyền sức nặng cơ thể hiệu quả với khối lượng xương nhỏ nhất bằng sự hổ trợ của những thớ cơ trên cổ xương đùi. Thường gãy cổ xương đùi xảy ra ở người cao tuổi nhiều hơn.9: Gãy cổ xương đùi Dị tật phát triển: nó bao gồm trật khớp, trật khớp nhẹ hoặc sự không ổn định của khớp háng.

Hình chụp X quang cho thấy sự hình thành không đầy đủ của ổ cối. Nhiều di tật lúc sinh ra không thấy nhưng dần dần phát triển và sinh ra dị tật. Bệnh Paget: là bệnh rối loạn biến chất xương và nguồn gốc không rõ. Bệnh này chủ yếu ảnh hưởng đến người già.

Xương là một tế bào sống và được tái tạo liên tục. Bệnh Paget là nguyên nhân làm tăng và hình thành bất thường của xương. Tế bào xương mới hình thành tương ứng với tế bào bị hủy, nhưng trong bệnh này sự hình thành tế bào mới bị mất kiểm soát. HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 5 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.

Trần Nguyên Duy Phương Bướu xương: phẫu thuật cắt bỏ bướu xương trên chỏm xương đùi thường thì khó vì vấn đề là mỗi bướu có một đường biên riêng biệt. Điều này có thể dẫn đến cắt bỏ một khoảng lớn xương và đòi hỏi phải cố định xương hoặc ghép xương và lam tăng độ phức tạp. [3] Nhìn chung, chỉ định thay khớp thường là những bệnh ảnh hưởng đến đầu và cổ xương đùi mà không ảnh hưởng đến phần sụn của ổ cối, phần sụn còn nguyên vẹn và sử dụng được.2 Các bước thay khớp Bước 1: Cắt bỏ phần xương và sụn khớp của xương đùi bị tổn thương. Các bác sĩ sẽ cắt bỏ phần chỏm và cổ xương đùi đến gần nền cổ xương đùi.10: Cắt đầu xương đùi Bước 2: Phần sụn khớp bị tổn thương của hõm khớp sẽ được làm sạch.

Hõm khớp sẽ được chuẩn bị để phù hợp với kích thước của hõm khớp nhân tạo được lựa chọn.11: Doa hõm khớp Bước 3: Đặt chuôi khớp nhân tạo. Chuôi khớp sẽ được đặt vào trong ống tuỷ và được cố định bằng xi măng HVTH: Huỳnh Phạm Bảo Ngọc 6 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Nguyên Duy Phương Hình 1.12: Đặt chuôi Bước 4: Lắp chỏm khớp nhân tạo, kiểm tra chiều dài chi và sự vững của khớp.13: Lắp chỏm Bước 5: Hoàn tất. Đặt chỏm vào ổ chảo, kiểm tra lần cuối cùng sự vững của khớp.14: Lắp khớp nhân tạo hoàn tất 1.3 Lịch sử khớp háng nhân tạo Carnochan (1840) là nhà phẫu thuật đầu tiên mà nghĩ rằng khớp háng có thể thay thế được, một khối gỗ đã được lắp giữa hai đầu khớp háng tại NewYork được thực hiện bởi Carnochan, kết quả không thể lường trước được gây đau đớn và đã thất bại.[3] Một nhà phẫu thuật ở Boston, Massachusetts, bác sĩ Smith-Peterson giới thiệu về chén chỉnh hình.