THIẾT kế KHỚP VAI NHÂN tạo điều CHỈNH DESIGN OF THE ADJUSTED ARTIFICIAL SHOULDER JOINT

Hội nghị tồn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 THIẾT KẾ KHỚP VAI NHÂN TẠO ĐIỀU CHỈNH DESIGN OF THE ADJUSTED ARTIFICIAL SHOULDER JOINT Nguyễn Văn Tùng1, Trần Minh Tâm1, Dương Bảo Chiêu1, Nguyễn Tấn Khánh1, Trần Nguyên Duy Phương1, Trịnh Quốc Hùng1, Phan Chu Tấn1 Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh TĨM TẮT: Tình trạng chấn thương khớp vai khớp bị thối hóa nặng gây nhiều khó khăn cho hoạt động bệnh nhân Tới thời điểm nay, giới ghi nhận nhiều phương pháp phục hồi khả vận động khớp vai Trong số đó, phương pháp thay khớp nhân tạo biện pháp thường định cho bệnh nhân nặng người lớn tuổi Nhưng khớp nhân tạo đa phần thiết kế theo quan điểm đại trà nên mang tính phù hợp tương đối Bài báo trình bày thiết kế khớp vai nhân tạo điều chỉnh dành cho người bệnh gặp vấn đề khớp xương ABSTRACT: The status of degenerative joint or joint injuries causes many difficulties for patient's activities Up to now, there have been many methods of recovery of shoulder joint mobility in the world Among them, artificial joint replacement method is one of the most commonly used measures for severe patients and the elderly But most of the artificial joints are designed according to a large point of view, so they are only relatively appropriate The paper presents the adjusted artificial shoulder joint design for patients with shoulder joint and bone problem Từ khóa: Khớp vai nhân tạo, khớp vai nhân tạo điều chỉnh, ung thư xương Keywords: The artificial shoulder joint, the adjusted artificial shoulder joint, bone cancer GIỚI THIỆU 1.1 Cấu tạo khớp vai Khớp vai khớp đầu xương cánh tay ổ chảo xương vai Khớp cho phép cánh tay chuyển động xoay tròn đưa xa gần Hình 1-1 Cấu tạo khớp vai Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 1.2 Khớp vai nhân tạo  Định nghĩa: Là phương pháp phẫu thuật chỉnh hình gồm cắt bỏ bề mặt lồi chuẩn bị bề mặt lõm Sau thay cấu trúc tổng hợp cố định lại [1-3]  Chỉ định cho người bệnh lý: Thối hóa khớp, tai nạn,  Mục đích: Hết đau, lấy lại biên độ vận động phục hồi chức khớp bị hỏng, …  Nhằm cải thiện khả vận động, độ bền khớp phù hợp với bệnh nhân mà khớp vai nhân tạo phát triển qua số hệ: Khớp ma sát trượt Khớp ma sát lăn Khớp điều chỉnh  Vật liệu yêu cầu phải thích ứng với thể người, chống mài mịn, thối hóa có khả chịu tải trọng cao: Thép không gỉ, hợp kim Co-Cr, hợp kim Titanium, nhựa cao phân tử UHMWPE, gốm, composite, … CƠ SỞ CƠ Y SINH 2.1 Động học Tư giải phẫu kiểu tư thể dùng để xác định vị trí cấu trúc so với cấu trúc Theo quy định tư này, thể đứng thẳng, mắt nhìn trước Chi duỗi dọc hai bên người, lòng bàn tay hướng trước Chi song song nhau, ngón chân chỉa thẳng trước Cơ thể đặt vị trí khơng quan trọng cho dù đứng hay nằm, quay trước hay sau chi đặt nào, vị trí tương quan cấu trúc mô tả tư giải phẫu Hình 2-1 Các chuyển động khớp vai 2.2 Phân tích lực - Đã có nhiều nghiên cứu thí nghiệm thực nhằm xác định tải trọng tác dụng lên khớp vai đạt kết định Các lực tác động lên khớp vai phụ thuộc vào vị trí tương đối chỏm khớp điều kiện tải trọng - Theo Poppen Walker, việc dạng tay góc 90o khớp vai chịu lực 0,9 đến 1,4 lần trọng lượng thể Runciman ghi nhận việc hít đất làm khớp vai chịu tác động lực khoảng đến lần trọng lượng thể Và theo nghiên cứu Vivo với bệnh nhân thay khớp vai ước tính bối cảnh phục hồi chức sau phẫu thuật khớp vai chịu lực lên tới 2,4 lần trọng lượng thể Dưới số ví dụ lực tác dụng lên khớp vai Hội nghị tồn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Bảng Lực tác dụng lên khớp vai góc duỗi khác TH Góc duỗi tay (độ) 30 60 90 120 150 180 𝐹𝑋 -6.06 164.46 323.74 383.71 314.03 137.74 39.78 𝐹𝑌 -16.41 14.03 -36.88 -77.28 -137.96 -134.43 -72.51 𝐹𝑍 8.07 -16.14 -3.68 34.62 45.56 11.86 -3.73 Tổng hợp lực (N) 371.14 165.84 352.85 392.95 346.01 192.83 82.79 THIẾT KẾ 3.1 Quy trình thiết kế Hình 3-1 Quy trình thiết kế Bước trình thiết kế dựng hình khớp vai tự nhiên bệnh nhân Từ biên dạng thực xương vai ta tiến hành xây dựng mơ hình khớp vai xương nhân tạo cho phù hợp hình dáng chức hoạt động Sau thực kiểm tra phân tích bền chi tiết Quy trình thiết kế vịng lặp cho kết cuối đảm bảo tất yêu cầu phá hủy, bền mỏi, an toàn, … 3.2 Tái tạo hình dáng 3D khớp vai Sử dụng phần mềm MIMICS liệu CT MRI bệnh nhân, dựng lại hình ảnh 3D khớp vai sau xây dựng biên dạng hình học xương phần mềm Geomagic Design X Hình 3-2 Hình ảnh 3D khớp vai MIMICS Hình 3-3 Điều chỉnh hình dáng xương phần mềm Geomagic design X Hội nghị tồn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 3.3 Thiết kế chi tiết khớp Sử dụng phần mềm Inventor thiết kế 3D chi tiết khớp dựa hai khối 3D xương cánh tay xương bả vai xuất từ phần mềm Geomagic design X sau điều chỉnh 3.3.1 Khớp vai nhân tạo Cấu tạo khớp vai nhân tạo gồm phận : Chuôi, chỏm ổ chảo - Bộ khớp ma sát trượt có ổ chảo gắn xương bả vai, chuôi khớp gắn vào xương cánh tay, chỏm cầu gắn với chuôi thông qua cấu kết nối Khớp hoạt động dựa ma sát trượt bề mặt chỏm ổ chảo Hình 3-4 Bộ khớp ma sát trượt - Để tăng khả chống mài mòn trình hoạt động ta chuyển đổi cấu từ ma sát trượt sang ma sát lăn Bộ khớp ma sát lăn bố trí ngược lại chỏm cầu gắn xương bả vai, phần chảo bố trí chi khớp để có khơng gian bố trí rãnh bi hồi tiếp Hình 3-5 Bộ khớp ma sát lăn 2.3.2 Xương nhân tạo Có số trường hợp bệnh nhân bị tổn thương xương bị viêm tủy xương xương cánh tay xương bả vai, bị phần xương cánh tay bả vai Tùy vào tình trạng hư hại xương mà ta thay phù hợp với bệnh nhân Hình 3-6 Xương cánh tay nhân tạo Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Hình 3-7 Xương bả vai nhân tạo Hình 3-8 Bộ khớp vai nhân tạo chỉnh 2.4 Phân tích bền Sử dụng phần mềm Ansys phân tích bền chi tiết khớp Hình 3-9 Quy trình phân tích bền Ta tiến hành khai báo vật liệu với thơng số tính lý tính Ti6Al4V, import mơ hình bên Inventor sau đổi hệ trục, tạo liên kết bề mặt, chia lưới bề mặt, áp tải trọng vào khớp vai Cuối ta thu kêt Hình 3-10 Phân tích bền sử dụng phần mềm Ansys CHẾ TẠO 3.1 Gia công CNC - Các chi tiết khớp vai nhân tạo ma sát lăn mẫu gia công máy tiện CNC máy phay CNC Cụ thể sử dụng máy tiện đứng Mori Seiki Partner L-100V máy phay Urawa UB-710 - Các chi tiết khớp mẫu chế tạo vật liệu Inox 304 Hội nghị tồn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Hình 3-1 Bộ khớp vai nhân tạo ma sát lăn 3.2 Công nghệ in 3D - Công nghệ in 3D nghiên cứu công ty công nghệ sinh học học viện để sử dụng ứng dụng chế tạo phận thể nhân tạo Hiện công nghệ ngày phát triển triển khai với nhiều loại vật liệu - Do chi tiết xương nhân tạo có biên dạng phức tạp địi hỏi khả công nghê cao nên phần xương nhân tạo chế tạo cơng nghệ in 3D Hình 3-2 Xương nhân tạo chế tạo công nghệ in 3D KẾT LUẬN Bài báo trình bày thiết kế khớp vai nhân tạo điều chỉnh Tùy theo tình trạng bệnh, hình dáng xương điều kiện vận động, q trình thiết kế cho phương án thích hợp hình dáng khớp Bên cạnh q trình thiết kế phân tích chế tạo tích hợp giải pháp chế tạo tiên tiến nhằm đảm tính hiệu chế tạo độ tin cậy sản phẩm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P.Boileau, R.J.Sinnerton, C.Chuinard, G.Walch Arthroplasty of the shoulde.r 2006 [2] Matthe L.Mroczkowski M.S Performance evaluation of the trabecular metal glenoid 2009 [3] H.E.J.Veeger, T.W.J.Janssen, W.J.Willems Reverse Shoulder Arthroplasty Does It Work? 2014 Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Cấu tạo khớp vai Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Cấu tạo giải phẫu khớp vai Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Khả di chuyển cánh tay mặt phẳng trước Hội nghị tồn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Khả di chuyển cánh tay mặt phẳng dọc Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Xương cánh tay sau nhận liệu từ MIMICS chỉnh sửa lỗi làm trơn lán lại bề mặt phần mềm GEOMAGIC DESIGN X ợ Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Xương bả vai sau qua chỉnh sửa làm trơn lán bề mặt GEOMAGIC DESIGN X Hội nghị tồn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Bộ khớp vai ma sát trượt với phận: chi, chỏm ổ chảo Hội nghị tồn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Bộ khớp vai ma sát lăn với phận: chuôi, ổ chảo chỏm Ổ chảo ghép tử mảnh, mảnh có dãy bi hồi tiếp Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Xương cánh tay nhân tạo cắt thành hai mảnh tạo hốc để gắn phần chi khớp Hội nghị tồn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Một phần xương bả vai nhân tạo gắn với chỏm khớp ma sát lăn Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Tồn bả vai nhân tạo gắn với chỏm khớp ma sát lăn Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Bộ khớp vai ma sát lăn nhân tạo gắn với xương nhân tạo Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Quy trình phân tích bền chi tiết khớp Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Kết phân tích khớp ma mát lăn Hội nghị tồn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Kết phân tích bền mỏi Hội nghị tồn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Chi tiết chỏm khớp ma sát lăn Hội nghị tồn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Chuôi khớp gắn với ổ chảo ghép từ mảnh với dãy bi hồi tiếp Hội nghị toàn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Xương cánh tay nhân tạo chế tạo công nghệ in 3D Hội nghị tồn quốc Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo năm 2019 Xương bả vai nhân tạo toàn phần chế tạo công nghệ in 3D ... xương bả vai xuất từ phần mềm Geomagic design X sau điều chỉnh 3.3.1 Khớp vai nhân tạo Cấu tạo khớp vai nhân tạo gồm phận : Chuôi, chỏm ổ chảo - Bộ khớp ma sát trượt có ổ chảo gắn xương bả vai, chuôi... tạo chế tạo cơng nghệ in 3D Hình 3-2 Xương nhân tạo chế tạo công nghệ in 3D KẾT LUẬN Bài báo trình bày thiết kế khớp vai nhân tạo điều chỉnh Tùy theo tình trạng bệnh, hình dáng xương điều kiện... 82.79 THIẾT KẾ 3.1 Quy trình thiết kế Hình 3-1 Quy trình thiết kế Bước trình thiết kế dựng hình khớp vai tự nhiên bệnh nhân Từ biên dạng thực xương vai ta tiến hành xây dựng mơ hình khớp vai xương