Luận văn thạc sĩ Công nghệ chế tạo máy: Thiết kế khớp háng toàn phần không xi măng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN Thay khớp háng nhân tạo là một phương pháp phẫu thuật để điều trị những bệnh lý khớp háng mà tất cả các phương pháp điều trị khác không đem lại

Tình huống dẫn đến chỉ định sử dụng KHTP không xi măng

Thay khớp háng nhân tạo là một phương pháp phẫu thuật để điều trị những bệnh lý khớp háng mà tất cả các phương pháp điều trị khác không đem lại hiệu quả Thông thường thay khớp háng sẽ giúp giảm đau cho người bệnh, vận động khớp háng sẽ được cải thiện giúp cho người bệnh trở lại sinh hoạt thường ngày

Có nhiều bệnh lý làm tổn thương sụn khớp của chỏm xương đùi và sụn ổ cối như bệnh họai tử chỏm xương đùi, thoái hoá khớp háng, viêm khớp dạng thấp…Trong thời gian đầu của bệnh, đa số chúng ta áp dụng các phương pháp điều trị bảo tồn như thuốc kháng viêm, thuốc giảm đau, giảm sức tì đè lên khớp… tuỳ theo từng loại bệnh khác nhau Những trường hợp sau sẽ được xem xét nên phẫu thuật thay khớp háng :

- Đau kéo dài mặc dù đã điều trị bảo tồn tích cực, đau làm ảnh hưởng đến sinh hoạt của người bệnh

- Đi lại khó khăn, nhất là đi lên hoặc đi xuống cầu thang

Thay khớp háng nhân tạo thuờng áp dụng cho những bệnh lý làm tổn thương nặng khớp háng như:

(1) Viêm khớp háng Đây là một bệnh thoái hóa gây ra do mòn và rách sụn khớp háng Viêm khớp háng nguyên phát là kết quả của quá trình lão hóa hoặc thứ phát do sự rối loạn phát triển hoặc rối loạn lúc bé (chẳng hạn như sự trật khớp háng bẩm sinh hoặc bệnh Perthes), chấn thương hoặc nhiễm trùng khớp háng Các triệu chứng của viêm khớp háng có thể phát triển từ từ như đau quanh khớp háng và bị hạn chế các vận động

(2) Hoại tử vô mạch (AVN) chỏm xương đùi

Hoại tử vô mạch chỏm xương đùi là một trong những bệnh chủ yếu được chỉ định thay khớp háng toàn phần ở dân số trẻ Nó gây ra bởi sự gián đoạn của lưu lượng máu đến chỏm xương đùi Thiếu máu, các mô xương bị chết và bắt đầu bị phá hủy Căn bệnh này còn được biết đến là hoại tử xương, hoại tử vô khuẩn và hoại tử xương thiếu máu cục bộ

Hoại tử có thể xảy ra mà không có một lý do cụ thể nào cả (hoại tử vô mạch tự phát) hoặc có thể do ảnh hưởng trước của chấn thương, chứng nghiện rượu, sử dụng steroid, rối loạn máu (chẳng hạn như thiếu máu hồng cầu hình liềm) và rất nhiều tình trạng khác

Hình 1.5 Hoại tử do thiếu mạch

(3) Viêm khớp dạng thấp: Đây là một căn bệnh viêm nhiễm hệ thống mãn tính thường ảnh hưởng nhiều đến các khớp nhỏ như khớp tay và khớp chân, mặc dù khớp gối và khớp háng cũng thường bị liên quan Viêm khớp vị thành niên là một biến thể ảnh hưởng đển trẻ em và gây ra sự phá hủy khớp một cách nhanh chóng nên cần thay khớp háng sớm đến mức có thể ở độ tuổi đôi mươi của đời người

Gãy nứt quanh khớp háng chẳng hạn như gãy nứt cổ xương đùi, đặc biệt là ở những người già cần phải thay khớp háng Thay khớp háng cũng cần thiết khi vết rạn nứt không liền sau khi sử dụng các phương thức điều trị khác như kết hợp xương nẹp ốc

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

Hình 1.6: Gãy cổ xương đùi

Thay khớp háng sẽ cần thiết trong một chuỗi các tình trạng ảnh hưởng đến khớp háng chẳng hạn như viêm đốt sống dạng thấp, bệnh Paget, SLE (bệnh Lupus ban đỏ hệ thống), bệnh Gaucher và u xương liên quan đến đầu gân xương đùi và ổ cối.[1]

Các bước thay khớp háng toàn phần

- 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

Hình 1.7: 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

- Bước 3: Đặt chuôi khớp nhân tạo Chuôi khớp sẽ được đặt vào trong ống tuỷ và được cố định bằng xi măng

- Bước 4: Lắp chỏm khớp nhân tạo, kiểm tra chiều dài chi và sự vững của khớp

- Bước 5: Hoàn tất Đặt chỏm vào ổ chảo, kiểm tra lần cuối cùng sự vững của khớp

Hình 1.11: Lắp khớp nhân tạo hoàn tất

Cấu tạo chung của khớp háng toàn phần không xi măng

Một khớp háng toàn phần có 2 bộ phận chính: chuôi (stem) và chảo(cup) Các thế hệ mới chuôi có chỏm hoặc chỏm - cổ rời ra; chảo có 2 phần riêng: vỏ (shell), nhân (linear)

1 Chuôi: a Mô tả: Chuôi có chỏm, cổ, thân thân chuôi (stem), mũi chuôi, ngấn b Giới thiệu chuôi theo đặc tính cấu tạo:

- Hợp kim chrome, cobalt, molybdenum (Co-Cr-Mo)

- Phối hợp: Co-Cr-Mo với chỏm bằng gốm (ceramic head); Titan với Cobalt-Chrome hoặc chỏm bằng gốm

- Chiều dài cổ: từ 30 đến 42 mm

- Thiết diện cổ: tròn, bầu dục, hình thang

- Có ngấn (collar) hoặc không

- Cổ nghiêng trước hoặc không

Thân chuôi (stem,tige) - Bề mặt:

- Hình dáng + Cong đều hoặc gập góc ở 1/3 trên + Có hình lưỡi kiếm

- Offset : từ 38 đến 45mm Thiết diện:

- Chiều dài: từ 12 đến 18cm hoặc hơn c Chảo (cup, cotyle):

Hình 1.13 Cấu tạo chảo a Mô tả:

Là phần khớp nhân tạo thay cho ổ chảo (acetabulum) nguyên thủy bị lấy bỏ Chất liệu được coi tốt nhất hiện nay để làm chảo là UHMWPE Là hợp chất nhựa cứng, chịu đựng tốt với độ mòn, có lực ma sát nhỏ Chảo có đường kính ngoài và đường kính trong Đường kính ngoài từ 34 -76 mm được chọn tùy độ lớn ổ chảo bệnh nhân Đường kính trong 22, 26, 28, 32mm ứng với chỏm Viền quanh chảo thường có những vòng sắt nhìn thấy được trên Xquang để đánh giá độ ngã và độ nghiêng trước của chảo so với xương chậu Chảo có hố là nơi chứa chỏm Thường thường hố đồng tâm với chảo, nhưng cũng có loại hố lệch tâm Vành chảo có thể loe, trơn láng, hoặc có khuyết Bờ sau ở một số chảo được nâng cao để ngăn cản trật ra sau Mặt ngoài thường xù xì để xi măng bám chắc hoặc kich thích nội cốt nhập Gần đây chảo được cải tiến có một lớp vỏ bằng kim loại

Lớp chảo này giúp chảo phân tán lực đều hơn vào xương

- UHMWPE (ultra high molecular weight polyethylene)

- Nhân là UHMWPE, vỏ kim loại

- Hợp kim cacbon - chrom –molybdenum

 Chảo (cup) - Đường kính trong 22, 26,28, 32 mm

- Hố (socket) đồng tâm hoặc lệch tâm

- Đường kính ngoài từ 34 đến 76mm

- Nửa hình cầu đáy phẳng

- Nửa hình cầu đáy lồi

Mặt ngoài một số chảo có chân nụ nhằm đảm bảo một lớp xi măng giữa chảo và xương, mặc dù chảo được ép rất chặt vào xương

- Dính, hoặc rời, hoặc tự khóa với nhân (linear, noyau)

- Trơn láng hoặc xù xì hoặc có chân nụ (spacers) - Vành: nhỏ hoặc lớn hơn hoặc không có

- Vòng chỉ thép quanh chảo trong mặt phẳng đứng dọc và/hoặc trán để đánh giá góc ngã và nghiêng trước

- Vít gắn chảo vào xương chậu hoặc gắn vỏ hoặc vỏ lổ chỗ

- Phần khuyết ở mặt trước - dưới để tăng tầm vận động khớp háng và tránh chảo cấn lên gân cơ thắt lưng chậu

Hình ảnh các loại chảo thông dụng:

Hình 1.15: Các loại chảo thông dụng

Hình 1.16: Các loại chảo khớp thông dụng.

Vai trò và ứng dụng

- Sự ra đời của khớp háng nhân tạo nhắm vào mục đích phục hồi chức năng vận động của khớp háng ở những bệnh nhân bị hư khớp háng làm hạn chế vận động hay gây đau đớn mỗi khi vận động Khớp háng có thể bị hư do bệnh lý hay do chấn thương Do chấn thương là do té ngã làm gãy cổ xương đùi ở người lớn tuổi (trên 60 tuổi) Ở những người này khả năng lành xương rất kém do vậy chỏm xương đùi sẽ bị hư sau một thời gian khiến người bệnh không đi lại được và đau đớn.Người ta thay khớp chỉ khi khớp háng hư gây đau đớn và gây tàn phế cho bệnh nhân khiến họ không có được cuộc sống bình thường

- Những người trẻ tuổi khi bị gãy cổ xương đùi cũng có nguy cơ bị hoại tử chỏm nên nếu khi được kết hợp xương mà không lành xương, chỏm bị chết do thiếu máu nuôi cũng có thể được thay khớp háng nhân tạo để phục hồi chức năng khớp háng Nhóm bệnh lý có thể bao gồm thoái hóa khớp háng, hoại tử chỏm xương đùi (nguyên nhân có thể do rượu ), các bệnh lý viêm nhiễm vùng khớp háng gây hư hại khớp…

- Khớp háng toàn phần không xi măng thường dùng cho những người trẻ tuổi hơn, xương còn chắc để có thể giữ được khớp nhân tạo trong giai đoạn đầu trong khi chờ xương của chính người đó mọc vào trong khớp nhân tạo

- Người ta hạn chế thay khớp háng cho người trẻ tuổi vì khớp háng nhân tạo có tuổi thọ nhất định, sau thời gian nào đó lại phải thay lại lần hai hay ba, những lần mổ sau sẽ khó khăn và nguy cơ tai biến biến chứng cao hơn Khớp háng nhân tạo không cho phép người trẻ tuổi chơi thể thao hay làm việc nặng Do vậy bằng mọi cách các bác sĩ sẽ ráng kéo dài thời gian sử dụng khớp háng thật càng lâu càng tốt cho đến khi không còn dùng được nữa.

Vị trí tâm chỏm và nguyên tắc tăng cánh tay đòn cơ dang

Chuôi Valgus

Vị trí của chuôi được xem là tốt khi được đặt hơi valgus một chút.Ở vị trí này sẽ giảm đáng kể moment uốn, tăng lực tải dọc trục vì vậy tăng đáng kể độ bền của khớp háng toàn phần.Tuy nhiên không được quá valgus.Quá valgus sẽ làm chi dài hơn, lệch trục chịu lực khớp gối, mâm chày ngoài sẽ sớm thoái hóa do quá tải valgus và chỏm dễ trật lên trên khi háng áp nhất là nếu chảo đặt quá thẳng đứng

Ngược lại nếu chuôi ở vị trí valgus sẽ tăng moment uốn, giảm lực tải dọc trục Vị trí này rất dễ làm khớp háng toàn phần ngày càng valgus lỏng về sau Nói chung hơi valgus luôn luôn tốt hơn dù một chút valgus, nhưng không được quá valgus 140 0 Như vậy trong khớp háng toàn phần góc cổ thân được coi là tốt khi nằm trong giới hạn 135-140 0 [1]

Những vấn đề liên quan đến đường kính chỏm

Đường kính chỏm khớp háng toàn phần Charley là 22 mm (đúng ra là 22,25 mm)

Chỏm nhỏ nên chảo dày, vì vậy hấp thu ứng lực tốt hơn, phân lực đều hơn vào xương

Chảo dày sẽ bền hơn với sự bào mòn Hơn nữa chỏm 22 mm, lực ma sát trong khớp sẽ ít hơn so với khớp có chỏm lớn; giảm đáng kể sự tan xương và lỏng khớp

Hình 1.26 Cơ sinh học liên quan đến đường kính chỏm

Với cung chuyển động bằng nhau CD = GH một điểm trên chỏm 22 mm di chuyển ít hơn trên chỏm 32 mm: AB nhỏ hơn EF Vì vậy lực ma sát trên chỏm 22mm ít hơn trên chỏm 32 mm Do đó tan xương và lỏng khớp cũng ít hơn Điều bất lợi của khớp háng toàn phần chỏm nhỏ là biên độ ít hơn: 90 0 (với 22mm),

106 0 (32mm), 118 0 (28mm) Thêm vào đó khoảng tiếp xúc chỏm - chảo (của 22mm) ít hơn (so với 32mm) nên dễ bị trật khớp hơn

Hình 1.27 Tầm vận động liên quan đến đường kính chỏm

Dù sao trên đây chỉ là lý thuyết cơ sinh học Một biến chứng như trật khớp, giảm biên độ vận động, tan xương, bào mòn còn tùy thuộc nhiều yếu tố khác Chưa có một nghiên cứu lâm sàng nào xác định lập luận trên.[1]

Lực ma sát

Chọn vật liệu để lực ma sát chỏm-chảo giảm thiểu gần với sinh lý là một trong những đặc tính của khớp háng toàn phần Charnley Người ta đo được lực ma sát trong khớp bình thường là 0,008 đến 0,02 Công trình của Walker và Bullough cho thấy lực ma sát kim loại - kim loại à 0,08; kim loại - hợp chất nhữ UHMWPE là 0,02 Vì vậy cho đến nay vật liện làm nên khớp háng toàn phần là chỏm kim loại, chảo hợp chất nhựa UHMWPE Hơn nữa, đường kính chỏm 22mm cũng là yếu tố giảm thiểu lực ma sát Với cùng biên độ của động, một điểm trên chỏm 22mm di chuyển ít hơn so với chỏm 32mm

Lực ma sát ít, độ bào mòn sẽ ít Điều này đưa đến kết quả thuận lợi là tan xương ít và lỏng khớp cũng ít Đây chính là các yếu tố tạo nên độ bền khớp háng toàn phần Charnley.[1]

Khả năng chuyển tải lực vào xương

Trong khớp háng toàn phần, phức hợp khớp nhân tạo - xi măng - xương phải là một khối thống nhất chịu lại ứng lực Một trong ba thành phần hư hỏng sẽ dẫn đến hư hỏng thành phần còn lại và xuống cấp toàn bộ 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 ứng lực tác động vào đầu xương đùi, ứng lực đó được chuyển tải vào khối xi măng rồi vào xương tạo thành một lực bung Cả ba thành phần cùng chịu lại ứng lực Có như vậy khớp háng toàn phần mới bền vững được.Với ý nghĩa đó, loại chuôi có ngấn về mặt lý thuyết sẽ không tốt vì bị chặn tại canca không tạo được lực bung đều trên mặt tiếp xúc xi măng -xương

Hình 2.28 Lực bung Ứng lực tại chỏm khiến chuôi và xi măng tạo một lực bung vào xương Rất cần thiết một lực bung đều để chuôi – xi măng – xương thành khối thống nhất chịu lại ứng lực.[1]

Sự bào mòn

Sự bào mòn các bộ phận của khớp háng toàn phần luôn luôn là nỗi lo của các nhà chế tạo và phẫu thuật Teflon là một phát hiện lớn đã một thời được chọn làm chảo vì độ ma sát rất thấp nhưng sau đó phải bỏ vì không chịu nỗi sự bào mòn Và ngày nay hợp chất nhựa UHMWPE được coi là tối ưu Mặc dù lực ma sát giữa kim loại - UHMWPE vẫn cao hơn kim loại -Teflon nhưng sức đề kháng với bào mòn thì UHMWPE tỏ ra hơn hẳn Theo Charnley với lực tải dưới 49,2 kg/cm 2 thì sự bào mòn không đáng kể Ở bệnh nhân không có nhiều hoạt động mạnh, 7-10 năm sau mổ không ghi nhận dấu hiện bào mòn.Ở chảo sự bào mòn thường xảy ra tại bờ trên và nghiêng trong khoảng 10-15 0 Đó là nơi chỏm tì vào nhiều nhất.Nghiên cứu trên những chảo lấy ra từ những lần mổ lại cho thấy sự bào mòn tạo trong chảo một giờ và từ đó chảo sẽ lún sâu dần Theo Charnley, sau 10 năm những ca mổ của ông từ 1963-1965 chảo mòn và lún sâu trung bình 1- 2mm, tức khoảng 0,01- 0,13mm/năm Ca lún sâu nhất 4,5 mm và 15% sâu hơn 2,5 mm

A: Chảo không mòn tại tâm mà mòn tại điểm trên- trong theo hướng 15 o (mũi tên) so với đường giữa Độ mòn chảo là khoảng cách từ đường vạch rời - - đến đường liền Hai dấu biểu thị độ lún của tâm chỏm

B: phần chảo có hình trăng khuyết là hố không bị mòn Chỏm làm mòn chảo ở phía trên - trong và tụt vào (hình đen)

Nhưng những trường hợp mổ từ 1967-1968, theo dõi trung bình 8,3 năm thì độ mòn trung bình 0,07mm Nhóm bệnh nhân dưới 50 tuổi mòn hơn 12% Nếu chảo bị mòn nhiều và lún sâu, cổ bị cấn vào bờ của chảo, có thể gây bán trật hoặc trật khớp.[1]

Vận hành của khớp háng toàn phần

Từ lâu người ta vẫn nghĩ rằng dịch khớp đóng vai trò bôi trơn trong các khớp nhưng nhũng nghiên cứu gần đây cho thấy dịch khớp có lẻ không là yếu tố căn bản mà chỉ là sản phẩm do hoạt động của khớp mà thôi Với khớp háng toàn phần sự tiếp xúc kim loại-UHMWPE có cơ chế bôi trơn có lẽ cũng giống như những bạc đạn trong công nghiệp; đó là hình thành một lớp dịch cực mỏng giữa hai mặt khớp Lớp dịch bôi trơn này làm giảm lực ma sát, giảm độ bào mòn giúp khớp nhân tạo vận hành [1]

Tình hình nghiên cứu và chế tạo khớp háng toàn phần trên thế giới

- Năm 1891 lần đầu tiên ông Gluck T, người Đức, phẫu thuật thay thế chỏm xương đùi

Vào năm 1925, Smith Petersen, bác sĩ phẫu thuật ở Boston, Massachusetts, Mỹ đã dùng mảnh thủy tinh để đúc tạo thành một khối bán cầu rỗng bên trong, rồi chụp lên chỏm xương đùi

- Frederick R Thompson, ở New York, và Austin T Moore ở South Carolina, Mỹ Hai người đã làm việc độc lập nhưng cùng cho ra đời một loại khớp nhân tạo dùng để thay toàn bộ chỏm xương đùi Khớp này được dùng để điều trị gãy cổ xương đùi và một số trường hợp viêm khớp nhất định Khớp nhân tạo này gọi là khớp bán phần và chỉ để dùng thay chỏm xương đùi bị hư Loại khớp nhân tạo này không thể thay thế ổ cối bị hư

Chúng gồm 2 phần, phần chuôi kim loại sẽ đưa vào trong ống tủy xương đùi và phần chỏm kim loại liên tục với phần chuôi sẽ nằm trọn trong ổ cối khớp háng Khớp háng bán phần Moore - Thompson rất phổ biến trong thập niên 1950

- Vào đầu năm 1938, hai anh em nhà bác sĩ Jean Judet ở Paris đã sử dụng chất liệu acrylic thay thế bề mặt khớp háng bị viêm Chất acrylic này sẽ làm cho bề mặt khớp được trơn láng nhưng chẳng may sau đó nó có xu hướng lỏng ra Sau đó bác sĩ Edware J Haboush, bệnh viện bệnh khớp ở thành phố New York, đã sử dụng chất acrylic trong nha khoa làm một chất kết dính khớp nhân tạo với xương của người Chính ông là người mở ra kỷ nguyên mới trong kỹ thuật cố định khớp nhân đạo

Có thể nói tất cả các kiểu khớp háng toàn phần thực hiện trước thời kỳ của Sir John Charnley đều chỉ có giá trị lịch sử Hai loại khớp háng bán phần khả dĩ còn sử dụng đến ngày nay là Austin Moore và Thompson Gần đây chỏm trung gian là một biến thái giữa chỏm Moore và khớp háng toàn phần cũng được chứng minh qua thực tế có chỗ đứng trong phẩu thuật thay khớp háng Tuy nhiên chức năng của nó cần nhiều kết luận lâm sàn hơn Hiện nay khớp háng vẫn có giá trị hàng đầu

Năm 1960 Sir John Charnley cho ra đời kiểu khớp háng toàn phần với những đặc tính riêng Lối vào cắt mấu chuyển lớn, sau đó tái tạo nhằm căng sức kéo của cơ mông trung, đồng thời tăng chiều dài cánh tay đòn cơ dang Chiều dài cổ chuôi luôn luôn là 35 mm với offset đầu chuôi thay đổi từ 40-45 mm, khớp háng toàn phần Charnley chuyển hướng các lực tác dụng và lập lại cân bằng cơ sinh học Với chỏm bằng kim loại có đường kính 22 mm, chảo bằng polyethylen chịu được độ bào mòn và tỉ lệ bị lỏng ít nhất, lực ma sát trong khớp ghi nhận gần với khớp sinh lý nhất, khớp háng toàn phần của Charnley tạo một bước ngoặt cách mạng trong phẫu thuật tái tạo khớp háng Thoạt đầu khớp háng của Charnley được tiếp nhận với khá nhiều dè dặt, nhưng dần dần các nghiên cứu cơ sinh học và lâm sàng ngày càng khẳng định tính ưu việt của sản phẩm này Ngày nay có khoảng 150 kiểu khớp háng toàn phần khác nhau, nhưng những nguyên tắc về cấu tạo, cơ sinh học của Charnley vẫn giữ nguyên giá trị

Hình 1.30 Khớp háng toàn phần

Năm 1995, Hội nghị tổng kết tất cả khớp háng toàn phần của Charnley, với hơn 750.000 người hiện đang còn sống thì kết quả đạt được đến 90% được đánh giá tốt và rất tốt

Gần đây, việc sử dụng khớp háng không xi măng trở nên phổ biến hơn do khả năng thay lại dễ dàng Sự phát triển của các thế hệ khớp nhân tạo qua nhiều giai đoạn: khớp háng có xi măng, khớp háng không xi măng và khớp háng hybrid (phối hợp giữa xi măng và không xi măng) Khớp háng có xi măng là khớp nhân tạo mà khớp và xương được liên kết bằng xi măng xương (bản chất là polymethylmetacrylat) Khớp háng không xi măng là khớp nhân tạo mà sự liên kết giữa khớp và xương nhờ sự phát triển của tổ chức xương vào khớp Khớp háng hybrid (còn gọi khớp "lai") là sự phối hợp giữa phần chuôi đóng vào xương đùi có xi măng và phần chảo “cup” đóng vào khớp háng không có xi măng, như vậy sẽ kết hợp được ưu điểm của cả hai loại khớp háng có xi măng và không xi.[1]

Thống kê tại Mỹ cho thấy, hơn 1/3 dân số mắc các bệnh về xương khớp, 80% người trên 55 tuổi bị thoái hóa khớp Mỗi năm, thoái hóa khớp cũng gây ra 1 triệu lượt nhập viện và 45 triệu lượt khám, làm tổn thất 100 tỷ USD cho chi phí điều trị và mất sức lao động Số liệu từ bài báo “The High Cost of Failing Artificial Hips” (New York Times, ngày 27/12/2011) cho thấy mỗi năm tại Mỹ có 250.000 ca thay khớp háng

Tình hình nghiên cứu và chế tạo khớp háng toàn phần tại Việt Nam

- Năm 1973, giáo sư Trần Ngọc Ninh và ê-kíp bác sĩ chỉnh hình tại bệnh viện Bình Dân đã thay khớp háng toàn phần cho một bệnh nhân nam 33 tuổi bị cứng khớp háng 2 bên do viêm dính cột sống Bệnh nhân phục hồi vận động khớp háng tốt sau đó với thời gian theo dõi hơn 10 năm Cũng trong năm 1973, Ngô Bảo Khang cũng thực hiện 1 ca tương tự ở Bệnh viện Việt Đức (Hà Nội)

- Năm 1989, giáo sư J.Butel (Pháp) thay khớp háng toàn phần không xi măng cho bệnh nhân tại Trung tâm Chấn Thương Chỉnh Hình Tp.HCM Với 5 trường hợp đều là bệnh nhân cứng khớp háng do viêm dính cột sống, khớp háng toàn phần Butel đã đánh dấu sự khởi đầu phong trào phẫu thuật thay khớp háng tại thành phố Hồ Chí Minh

- Từ năm 1992, tổ chức ACOFV (Association des Chirurgiens Orthopedistes Franco – Vietnamiens) thực hiện hơn 10 ca mổ khớp háng tại Trung tâm Chấn Thương Chỉnh Hình Tp.HCM, và góp phần đào tạo bác sĩ Việt Nam thực hiện phẫu thuật này Ngoài ra thường xuyên tổ chức các đợt tập huấn với các chuyên gia nước ngoài từ Anh và Hoa Kỳ từ lý thuyết đến thực hành, khớp háng toàn phần ngày càng được thực hiện nhiều hơn, với chất lượng cao hơn

Ngày nay, tại Trung tâm Chấn Thương Chỉnh Hình Tp.HCM, mỗi tuần có thể mổ 3 ca hoặc hơn nữa với kỹ thuật ngày cànghoàn chỉnh Đây là một trong những lĩnh vực đỉnh cao của phẫu thuật chỉnh hình đòi hỏi sức khỏe và trí tuệ của nhiều thế hệ phẫu thuật viên tại Việt Nam trên con đường hiện đại hóa nền Y học nước nhà

Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam thì tình hình nghiên cứu khớp háng chỉ dừng lại ở việc lấy hình ảnh từ các công nghệ Xquang, CT hay MRI, rồi sau đó dùng phần mềm Mimics lấy hình ảnh 3D Dựa vào hình ảnh từ phần mềm Mimics các bác sỹ sẽ chọn lựa khớp háng phù hợp có sẵn trên thị trường để thay cho bệnh nhân Chính vì vậy mà hiện nay ở Việt Nam có rất ít nghiên cứu về qui trình thiết kế khớp háng toàn phần không xi măng cho bệnh nhân cụ thể cũng như là các công nghệ chế tạo ra bộ khớp háng toàn phần hoàn chỉnh

Theo thống kê chưa đầy đủ tại Việt Nam, khoảng 30% người trên 35 tuổi, 60% người trên tuổi 65 và 85% người trên tuổi 80 bị thoái hóa khớp Theo ThS.BS Hồ Phạm Thục Lan, Trưởng Khoa Cơ Xương khớp, BV Nhân Dân 115, mỗi ngày tại BV Nhân Dân 115 có khoảng 200 bệnh nhân tới khám, tái khám các bệnh xương khớp, trong đó trên 50% là thoái hóa khớp Khoảng 2/3 số bệnh nhân được chẩn đoán thoái hóa khớp phải nhập viện điều trị Tại BV Chợ Rẫy, năm 2011, 64.000 lượt bệnh nhân đến phòng khám khớp của BV, biến phòng khám khớp trở thành phòng khám có số lượng bệnh đông nhất trong các chuyên khoa Tại BV Chấn thương Chỉnh hình TPHCM, số lượng bệnh nhân đến khám trong một năm vào khoảng 90 ngàn Trong khi đó, tại khoa cơ xương khớp của các BV Nhân dân Gia Định, BV Nguyễn Tri Phương, BV Thống Nhất, …, mỗi ngày mỗi bệnh viện cũng tiếp nhận hàng trăm người mắc các bệnh xương khớp đến thăm khám

Như vậy trên qui mô cả nước, ước tính số bệnh nhân khám khớp vào khoảng 1.000.000 người, trong đó khoảng 50% là thoái hóa khớp, nghĩa là 500.000 trường hợp

Theo TS.BS Lê Đức Tố , Giám đốc Bệnh viện STO Phương Đông TP.HCM, mỗi tháng bệnh viện STO thay khoảng 30 ca khớp háng, khớp gối thì 15 ca Chi phí cho việc thay khớp háng là khoảng 45-100 triệu đồng/khớp và chi phí phẫu thuật là 25 triệu đồng.

MĂNG

Giới thiệu

Khi chúng ta vận động, di chuyển hàng ngày, khớp nhân tạo sẽ chịu những lực nén, kéo, đẩy, uốn, ma sát Những lực tác động này về lâu dài sẽ làm mòn hoặc gãy vỡ thiết bị cấy ghép nhân tạo

Ngoài ra các thiết bị đó còn chịu sự tác động của các loại hợp chất hóa học trong cơ thể chúng ta Mặc dù có thể có vài hợp chất giúp giảm quá trình ăn mòn

Do đó để các thiết bị cấy ghép nhân tạo có thể hoạt động tốt trong môi trường trên thì vật liệu chế tạo phải đáp ứng được những yêu cầu nêu trên

Hình 2.1 Biến dạng khi tác động lực lên vật liệu

Khi một thiết bị được thiết kế để thay thế cho khớp bị gãy, tổn thương.Những tính chất vật lý và hóa học góp phần quan trọng trong việc chọn vật liệu chế tạo

Ví dụ khi thiết bị cấy ghép yêu cầu về độ bền, độ uốn và chống ăn mòn thì vật liệu được chọn không nhất thiết phải là loại bền nhất hoặc chịu uốn tốt nhất mà phải là loại vật liệu đảm bảo tính hài hòa giữa các yêu cầu trên Sau khi cấy ghép vào xương thì nó sẽ chịu được sức nặng của cơ thể mà vẫn giữa được sự mềm dẻo cần thiết mà không bị gãy vỡ

Tính chất vật lý của vật liệu rất quan trọng khi chọn vật liệu cấy ghép nhưng tính chất hóa sinh của vật liệu cũng không kém phần quan trọng.ngoài việc vật liệu tác động vào cơ thể chúng ta thì cơ thể cũng phản ứng lại với vật liệu cấy ghép

Hầu hết những vật liệu dùng để chế tạo thiết bị cấy ghép là kim loại và một loại nhựa tổng hợp chống thấm nước, cách điện (Polyethylene) Hai loại vật liệu này khi lắp ghép lại với nhau giúp cho các khớp di xoay chuyển êm ả và giảm hao mòn đến mức thấp nhất

Các vật liệu chế tạo thiết bị cấy ghép thường được chế tạo bằng cách trộn lẫn hai hay nhiều kim loại với nhau tạo thành một loại hợp kim thỏa mãn hầu hết các điều kiện, yêu cầu ban đầu đặt ra

Hình 2.2 Kết hợp vật liệu trong khớp

Thép không rỉ

Thép không gỉ thích hợp cho sử dụng trong phẫu thuật chỉnh hình bao gồm 300 bộ thép không gỉ Austenit và 400 bộ thép không gỉ ferit và mactenxit 630-635 bộ thép không gỉ hai pha Austenit và mactenxit biến cứng.[2]

Thép không gỉ đầu tiên được chế tạo cho implant là 18-8 Sau đó 18-8Mo là thép không gỉ chứa một ít Mo để cải thiện tính chống mòn trong nước biển Hợp kim này được biết với tên là thép không gỉ 316 Năm 1950, lượng cacbon trong thép không gỉ 316 giảm từ 0.08 xuống 0.03% (% khối lượng) để chống ăn mòn tốt hơn trong nước biển và được biết đên với kí hiệu 316L Lượng Crôm tối thiểu là 11% làm cho thép không gỉ chống ăn mòn Vì Cr là nguyên tố khử nên trong thép này hình thành một lớp mỏng oxit crôm thụ động mà sẽ cung cấp một sự chống ăn mòn lớn.[3]

Thép Austenit, những loại đặc biệt 316 và 316L được sử dụng rộng rãi trong chế tạo implant Những loại này không thể hóa bền bằng nhiệt luyện mà chỉ hóa bền bằng gia công nguội.Thép không gỉ trong nhóm này thì không có từ tính và chống ăn mòn hơn các loại còn lại Thêm vào molipđen tăng cường chống ăn mòn rỗ trong nước biển.[3]

Nguyên tố Ni làm bền vững pha austenit và tăng cường khả năng chống ăn mòn Sự hình thành pha austenit bị ảnh hưởng bởi Ni và Cr được cho ra trong hình 2.5 [3]

Nguyên tố Số lượng (%) C 0.03 (tối đa)

Bảng 2.1: Thành phần hóa học của thép không gỉ 316L Điều kiện Độ bền kéo tối thiểu(Mpa) Giới hạn chảy tối thiểu

(Mpa) Độ giãn dài (%) Độ cứng ủ 485 172 40 95HRC

Bảng 2.2: Cơ tính của thép không gỉ 316L

Hình 2.3: Ảnh hưởng của Ni và Cr lên pha Austenit trong thép không gỉ chứa 0.1% C

Thép không gỉ 316L có thể bị ăn mòn trong dưới ảnh hưởng của môi trường có ứng suất cao và nghèo oxi Do đó, loại thép này chỉ phù hợp dùng cho những thiết bị implant tạm như nẹp và vít xương.[3]

Những loại thép không gỉ này thì không đủ chống ăn mòn trong sử dụng là implant Tuy nhiên chúng có thể làm dụng cụ y tế nơi mà môi trường ăn mòn là tích trữ lâu dài trong phòng và trong nồi hấp thời gian ngắn.[2]

Thép không gỉ biến cứng

Loại thép không gỉ này toàn bộ sử dụng cho dụng cụ y tế Một số hợp kim thông dụng như 17-4 PH (17%Cr và 4%Ni và PH là kí hiệu cho việc biến cứng) Khả năng biến cứng của kim loại sau khi gia công ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ biến cứng của thép cacbon hoặc 400 bộ hợp kim mà được đánh giá là cần phải tôi và ram.[2]

Bảng 2.3 cung cấp các tính chất cơ học của thép không gỉ 316L.Một loạt các tính chất tồn tại phụ thuộc vào xử lý nhiệt (ủ để có được vật liệu mềm) hoặc làm việc lạnh (cho độ bền và độ cứng lớn hơn) Các kỹ sư do đó phải cẩn thận khi lựa chọn vật liệu thuộc loại này

Ngay cả thép không gỉ 316L có thể bị ăn mòn bên trong cơ thể trong những hoàn cảnh nhất định, chẳng hạn như các vị trí liên kết giữa các ốc của tấm xương gãy Vì vậy, những loại thép không gỉ phù hợp để sử dụng trong các thiết bị cấy ghép tạm thời như tấm gãy xương, đinh vít, và móng tay Các phương pháp sửa đổi bề mặt như anodization, thụ động, và nitơ phóng điện phát sáng được sử dụng rộng rãi để cải thiện chống ăn mòn, chịu mài mòn, và sức mạnh mệt mỏi của thép không gỉ 316L.[4]

Hợp kim Cobalt-Crôm-Molypden

Hợp kim Cobalt-Crôm-Molypden (CoCrMo) thuộc hai loại chính: hợp kim đúc (ISO 5832-4) và các hợp kim rèn (ISO 5832-5,6,7,8,12) Hợp kim đúc CoCrMo có tính chất cơ học cao và khả năng chống ăn mòn tối ưu dưới điều kiện ma sát Nhược điểm chính của nó có liên quan đến khả năng chống mỏi kém và chi phí cao.Hợp kim rèn CoCrMo thậm chí còn đắt hơn so với vật liệu đúc, nhưng chúng tăng cường khả năng chống ăn mòn và mỏi.[4]

Có hai loại hợp kim Co-Cr cơ bản là hợp kim đúc CoCrMo và hợp kim rèn CoNiCrMo Hợp kim đúc CoCr được sử dụng trong nhiều thập kỉ nay và gần đây mới được làm cho khớp nhân tạo Hợp kim rèn CoNiCrMo mới được sử dụng gần đây để là stem cho phẩu thuật thay khớp chịu tải nặng như khớp háng và đầu gối Molipđen được thêm vào để tạo hạt mịn hơn để tăng độ bền sau khi đúc và rèn, Cr thì tăng cường khả năng chống mòn.[3]

Hợp kim rèn CoNiCrMo chứa khoảng 35% Co và Ni mỗi loại, hợp kim này chống ăn mòn cao trong nước biển dưới tác động của áp suất Gia công nguội có thể làm tăng độ bền của hợp kim này Tuy nhiên, khó mà gia công lạnh trên hợp kim này, đặc biệt là khi làm những chi tiết tương đối lớn như stem trong khớp háng nhân tạo Chỉ có rèn nóng mới chế tạo được những implant lớn với hợp kim này.[3] Đặc tính mòn của hợp kim rèn CoNiCrMo thì giống với hợp kim đúc CoCrMo Tuy nhiên, nó không được đề nghị dùng cho bề mặt chỏm trong khớp háng nhân tạo vì đặc tính ma sát với chính nó hoặc vật liệu đó Độ bền mỏi và độ bền kéo vượt trội của hợp kim rèn CoNiCrMo làm cho nó phù hợp trong những ứng dụng mà đòi hỏi tuổi thọ lâu dài mà không có nứt hay ứng suất mỏi như trong khớp nhân tạo Cả hợp kim đúc và hợp kim rèn đều có độ yếu vùng tế bào và cả bộ phận Phần tử Co và Ni thì độc Mô đun đàn hồi của hợp kim CoCr không thay đổi.[3]

Lớn nhất Nhỏ nhất Lớn nhất

Bảng 2.3: Thành phần hóa học của những hợp kim CoCr

CoNiCrMo F562 (hợp kim rèn) Ủ Gia công nguội và hóa già Độ bền kéo (Mpa) 655 860 793-1000 1793 (nhỏ nhất)

Giới hạn chảy (Mpa) 450 310 240-655 1585 Độ giãn dài (%) 8 10 50 8

Diện tích giảm (%) 8 - 65 35 Độ bền mỏi (Mpa) 310 - - -

Bảng 2.4: Cơ tính của những hợp kim CoCr.

Hợp kim Titan

Titan là nguyên tố hóa học có kí hiệu là Ti và có số nguyên tử là 22 được khám phá ở Anh năm 1791 Titan là một kim loại nhẹ, bền và chống ăn mòn tốt [2] Titan có khối lượng riêng là 4,5 g/cm 3 nặng hơn nhụm một ớt nhưng chỉ bằng ắ của sắt [3] Titan là kim loại cú tớnh khử mạnh, nó tác dụng nhanh với khí oxi tạo thành một lớp oxit titan có khả năng chống ăn mòn gần như bạch kim [2] Titan là kim loại có tính thù hình, ở nhiệt độ phòng titan nguyên chất ở dạng tinh thể sáu phương xếp chặt ( pha α) Nó sẽ thay đổi thành lập phương tâm khối ( pha β) khi ở nhiệt độ trên 810 o C [2] Titan thì không độc thậm chí ở số lượng lớn Một milligram Titan cho vào theo đường ăn uống mỗi ngày, hầu hết bài tiết ra và không hấp thụ

Trong việc cố định stem bằng cách cho xương mọc trên bề mặt thì hầu như toàn bộ bề mặt Titan mà có tiếp xúc với xương là mọc được [2]

Hợp kim Titan là loại vật liệu dược sử dụng phổ biến trong lĩnh vực cấy ghép y khoa bởi những tích chất ưu việt của nó như: trọng lượng nhẹ hơn các loại hợp kim khác, độ bền cao Hợp kim titan và hợp kim của nó thì không có từ tính Do đó, nó không cản trở khi chụp CT như hợp kim Co-Cr có từ tính, thích ứng tốt với cơ thể đồng thời còn tương thích với máy CT/MRT không gây cản trở việc theo dõi tình trạng thiết bị cấy ghép sau khi phẫu thuật.[8]

Hợp kim Ti6Al4V là vật liệu tiêu chuẩn chế tạo khớp hông, khớp gối, thanh nẹp, ốc vít, nha khoa, thiết bị phẫu thuật Ngoài ra hợp kim Ti6Al4V còn ứng dụng trong các lĩnh vực như:

Sản xuất chi tiết xe đua và công nghiêp hàng không Ứng dụng trong nghành hàng hải

Công nghiệp hóa chất và tuabin khí

Khối lượng riêng 4.43 g/cc Điện trở xuất 0.000178 ohm-cm 0.000178 ohm-cm Độ thấm từ 1.00005 1.00005 at 1.6kA/m Độ cảm từ 0.0000033 0.0000033 cgs/g

Nhiệt dung riêng 0.5263 J/g-°C 0.1258 BTU/lb-°F Hệ số dẫn nhiệt 6.70 W/m-K 46.5 BTU-in/hr-ft²-°F Nhiệt độ nóng chảy 1604 - 1660 °C 2919 - 3020 °F

Bảng 2.5 Đặc tính vật lý của Titan

Nguyên tố Grade 1 Grade 2 Grade 5

Bảng 2.6: Thành phần hóa học của Titan và hợp kim của nó Đặc tính Grade 1 Grade 2 Grade 5 Độ bền kéo (MPa) 240 345 860

Giới hạn chảy (MPa) 170 275 795 Độ giãn dài (%) 24 20 10

Mô đun đàn hồi (GPa) - - 114

Bảng 2.7: Cơ tính của titan và hợp kim của Ti Độ cứng Brinell 334 334 Độ cứng Knoop 363 363 Độ cứng Rockwell C 36 36 Độ cứng Vickers 349 349 Độ bền kéo giới hạn (Tensile Strength, Ultimate) 950 MPa 138000 psi

Giới hạn chảy 880 MPa 128000 psi Độ giãn dài 14.00% 14.00%

Mô đun đàn hồi 113.8 GPa 16510 ksi Độ bền chảy nén (Compressive Yield Strength) 970 MPa 141000 psi

Khả năng chịu lực giới hạn 1860 MPa 270000 psi Độ bền chống 75.0 MPa-mẵ 68.3 ksi-inẵ

Bảng 2.8 Đặc tính cơ tính của Titan

Hình 2.4 Biểu đồ giới hạn bền theo chu kỳ của Ti6Al4V

Mặt cắt Ti6Al4V phóng đại 500 lần Mặt cắt Ti6Al4V phóng đại 1000 lần

Hợp kim Ti6Al4Va được sử dụng rộng rãi trong chế tạo implants Hai nguyên tố hợp kim chính là nhôm (5,5 ÷ 6,5%) và Vadini (3,5 ÷ 4.5%) Hợp kim Ti6Al4Va có độ bền mỏi xấp xỉ độ bền mỏi của hợp kim CoCr Hợp kim Titan có độ bền và đặc tính hóa học khác nhau bởi việc điều khiển thành phần và kĩ thuật qui trình nhiệt cơ Thêm vào một số hợp kim vào titan thì nhận được một phạm vi rộng các đặc tính: cho nhôm vào có khuynh hướng ổn định pha α và làm tăng nhiệt độ chuyển pha từ α sang β, cho Vanadi vào làm ổn định pha β và làm giảm nhiệt độ chuyển pha từ α sang β.[3]

Hợp kim pha α có cấu trúc 1 pha mà khả năng hàn rất tốt Khi cho nhôm vào làm tăng đặc tính bền và khả năng chống oxi hóa ở nhiệt cao (300÷600 0 C) Hợp kim này không thể nhiệt luyện được vì nó có cấu trúc 1 pha.[3]

Thêm vào nguyên tố Vanadi làm cho pha β bền hơn để giữ dưới nhiệt độ chuyển pha làm cho hợp kim có cấu trúc hai pha Pha β được tiết ra bởi nhiệt luyện dung dịch rắn và tiếp theo là tôi, sau đó là hóa già ở một nhiệt độ nào đó thấp hơn Chu kì hóa già làm tiết ra những phần tử mịn pha α từ pha β nửa bền, cấu trúc α này có thể cung cấp một trường biến dạng cục bộ có khả năng hấp thụ năng lượng biến dạng Vết nứt sẽ ngừng hoặc bị ngăn cản ở những phần tử α nên độ cứng cao hơn dung dịch rắn.[3]

Hình 2.5: Cấu trúc tế vi của hợp kim Titan a) Hợp kim ủ α b) hợp kim ủ Ti6Al4V α-β c) Hợp kim ủ β d) Ti6Al4V tôi ở 1650 0 C

Hình 2.6: Biểu đồ pha của hợp kim Ti-Al-V với 4% V

Hình 2.7 Biểu đồ độ giản nở vì nhiệt của Ti6Al4V

Hợp kim Ti6Al4V ELI có khả năng chống ăn mòn vượt trội trong nhiều môi trường khác nhau Ti6Al4V ELI thì chống ăn mòn cao trong các dung dịch ăn mòn như axit, nước biển, kiềm chính vì vậy mà hợp kim này có tính thích ứng sinh học tốt Dòng dung dịch lưu thông trong cơ thể cơ bản là dòng dung dịch có chứa muối clorua với PH từ 7.4 tới độ PH của axit và những phức hợp hữu cơ mà hợp kim Ti6Al4V ELI không bị ăn mòn Vết nứt do ăn mòn ứng suất và ăn mòn khe thì có liên quan đến những ion nhóm halogen ở nhiệt độ được nâng cao vì vậy tránh dùng những dung dịch có chứa clo để làm nguội khi gia công hợp kim này

Titan, hợp kim titan bao gồm cả Ti6Al4V ELI đều bị giòn hidro Nó thì rất quan trọng để giảm lượng hidro trong quá trình, đặc biệt là xử lí nhiệt và tẩy rửa, khi gia công Ti6Al4V ELI thì lượng hidro cho phép là 120 ppm.[3]

Nhiệt độ Tốc độ ăn mòn

Nước biển n/a Nhiệt độ phòng Nhiệt độ phòng 0 0

Axit nitric 65 Nhiệt độ sôi Nhiệt độ sôi 0.076-0.13 3-5

Xút 25 Nhiệt độ sôi Nhiệt độ sôi 0.046-0.051 1.8-2

Gốm

Gốm sứ đã được sử dụng trong Khớp hang toàn phần từ những năm 1970 Nó thường được tạo thành bằng cách nén và nung nóng, thiêu kết hợp kim oxit (aluminum oxide và Zirconium oxide) cho đến khi cứng hẳn Loại gốm sứ này có khả năng chống ăn mòn và mài mòn cao, bền và thích ứng tốt với cơ thể, sử dụng để giảm sự mài mòn giữa hai bề mặt thiết bị cấy ghép Có ba loại vật liệu gốm được sử dụng cho KHTP:

Nguồn chính cung cấp chất này là quặng boxit và côrundum Nhôm oxit (pha α) được điều chế bởi nung canxi alumina trihydrate Theo tiêu chuẩn ASTM thì oxit nhôm dùng để chế tạo trong y sinh thì chứa 99.5% nhôm oxit và ít hơn 0.1% SiO 2 và oxit kiềm (hầu hết là Na 2 O).[5]

Oxit nhôm α có cấu trúc tinh thể khối hộp thoi Oxit nhôm tự nhiên được biết đến như saphia và ruby, tùy thuộc vào tạp chất mà có tỉ số màu Độ bền của oxit nhôm phụ thuộc vào kích thước hạt và độ rỗng của nó Những hạt càng nhỏ, độ rỗng càng thấp thì độ bền càng cao Oxit nhôm là vật liệu khá cứng, chính độ cứng này cho phép nó sử dụng làm bột mài và dùng làm chỏm trong khớp háng nhân tạo.[5]

Nhôm oxit thì có độ bền hóa học và chống ăn mòn cao Nó không tan trong nước, tan nhẹ trong axit và kiềm mạnh Do đó không có ion tự do của oxit nhôm tồn xuất hiện ở dung dịch sinh lí có độ pH là 7.4 [6]

Oxit nhôm (Al 2 O 3 ) (ISO 6474-1) đại diện cho tiêu chuẩn vàng cho gốm sứ trong KHTP nhờ vào sức bền nén cao, độ cứng cao, và khả năng chống mài mòn và ăn mòn hóa học của nó Tính ưa nước của nó đóng vai trò quan trọng trong các việc ẩm ướt bề mặt của nó và kết quả là nó tự bôi trơn bền mặt dưới sự ma sát Tuy nhiên, nhôm oxit là một vật liệu dễ vỡ và không thể chịu được lực kéo cao

Cả oxit nhôm tinh thể và đa tinh thể đều được sử dụng trong lâm sàng Độ cứng cao đi kèm với ma sát thấp và mòn ít và trơ trong môi trường cơ thể, chính những đặc tính này làm cho nó là vật liệu sử dụng cho thay khớp

Khớp oxit nhôm với UHMWPE thì chống mòn tốt hơn 1.3 đến 34 lần so với khớp kim loại và UHMWPE trong thí nghiệm, còn trong lâm sàng thì lớn gấp 3 đến 4 lần Không tìm thấy phân tử nhôm oxit nào trong khi phần tử UHMWPE được tìm thấy trong những tế bào xung quanh Tuy nhiên trong sự kết hợp oxit nhôm với oxit nhôm thì có những hạt có kớch thước từ 0.5-10àm và bị khống chế ở 1àm được tỡm thấy trong cỏc tế bào xung quanh

Vết nứt trên chỏm ceramic trong sự kết hợp ceramic và UHMWPE coi như không có.[6]

Những đặc tính mong muốn của ceramic sinh học cho Khớp hang toàn phần như: không độc, không gây ung thư, không gây dị ứng, không gây viêm khớp, có khả năng thích ứng sinh học

Thành phần Số lượng (% khối lượng)

Bảng 2.10 Thành phần hóa học của calcined alumina

Hình 2.8 Ceramic được phóng đại Hình 2.9 Ceramic chỏm khớp háng

Tính chất Oxit nhôm Zirconia

Mô đun đàn hồi (GPa) 380 190 Độ bền uốn (GPa) >0.4 1 Độ cứng (Mohs) 9 6.5

Bảng 2.11: Cơ tính của Al 2 O 3 và ZrO 2

Gốm Zirconia (zirconi oxit ZrO 2 ) đã được sử dụng trong chỉnh hình từ năm 1985 Nó thể hiện độ cứng thấp hơn nhôm nhưng độ dai gãy cao hơn Zirconia có ba pha tinh thể ổn định: đơn nghiêng, tứ giác và khối Zirconia thường được trộn với yttria (yttrium oxit,Y để ổn định cấu trúc tinh thể tứ giác của nó ở nhiệt độ phòng Giai đoạn tứ giác có tính chất cơ học phù hợp nhất, và do đó các quá trình chế tạo đã được tối ưu hóa để tối đa hóa pha này trong các thành phần đã hoàn thành Do đó tiêu chuẩn ZrO 2 được sử dụng trong các ứng dụng chỉnh hình là yttrium.[7]

Ziriconi là kim loại có tính khử cao giống như titan và chống ăn mòn cao bởi lớp oxit được hình thành trên bề mặt Mô đun đàn hồi thì giống với titan nhưng độ bền thấp hơn và khối lượng riêng cao hơn 50% Giống như titan Ziriconi có thể bị oxi hóa để tạo thành lớp oxit dày hơn lớp oxit tự nhiên Lớp oxit này mỏng hơn so với lớp TiN của Titan nhưng không cứng bằng.[5]

ZrO 2 có thể thu được từ ZrSiO 4 (là một chất khoáng kết tủa) ZrO 2 có nhiệt độ nóng chảy và độ bền hóa học cao ZrO2 có khối lượng riêng cao biểu hiện khả năng tương thích vượt trội với Rh tự sinh của xương khỉ và hoàn toàn không phản ứng với môi trường cơ thể trong suốt 350 ngày khảo sát ZrO 2 còn chỉ ra khả năng thích ứng sinh học vượt trội và chống mòn tốt khi kết hợp với UHMWPE

Gốm ZrO 2 là vật liệu có tính thù hình vì chúng thực hiện một vài chuyển đổi pha từ nhiệt độ nóng chảy làm lạnh đến nhiệt độ phòng Nó biểu hiện 3 dạng thù hình là đơn nghiêng, tứ giác và lập phương Pha đơn nghiêng tồn lại lên đến nhiệt độ 1170 0 C, pha tứ giác tồn tại ở 2370 0 C và pha lập phương tồn tại đến nhiệt độ nóng chảy 2680 0 C Thể tích thay đổi từ 3-5% khi làm nguội từ pha tứ giác xuống pha đơn nghiêng

Thể tích thay đổi bởi vì sự chuyển pha thì vượt quá giới hạn đàn hồi và nứt là nguyên nhân của những vết nứt ở gốm ZrO 2 Do đó, phải thêm CaO, MgO, Y 2 O 3 trộn với ZrO 2 để làm ổn định pha tứ giác và pha lập phương PSZ là sự pha trộn giữa hai pha lập phương và tứ giác hoặc đơn nghiêng, còn TZP là 100% pha tứ giác Cả hai loại này đều được dùng trong ứng dụng implant Gốm TZP- Y 2 O 3 có độ bền và độ bền gãy gấp 2 lần gốm oxit nhôm, điều này làm cho chỏm ZrO 2 ít nhạy để tập trung ứng suất ở những điểm tiếp xúc với đầu côn của stem bằng kim loại.[5] Gốm ZrO 2 có khối lượng riêng lớn và có độ cứng điểm và mô đun đàn hồi thấp và có độ bền và độ bền gãy cao hơn so với loại gốm khác Độ bền cơ cao hơn nên có khả năng chế tạo chỏm nhỏ hơn 32mm hơn

Những thí nghiệm cho thấy gốm ZrO2 có khả năng chống mòn vượt trội Chỏm ZrO2 không mòn trong thí nghiệm với UHMWPE 10.9mm Gốm ZrO2 có khả năng chống mòn cao hơn cả gốm oxit nhôm có độ mòn và độ ma sát thấp Có hai điều hạn chế của ZrO 2 là bị lão hóa và bức xạ Sự chuyển pha của loại gốm này xảy ra trong môi trường sinh học dưới lực động Phóng xạ U235 được tìm thấy trong gốm ZrO 2 tinh khiết, cả bức xạ α và β được đo đạc từ chỏm làm từ gốm này, mặc dù nồng độ phóng xạ rất ít Biến chất trên bề mặt chỏm ZrO2 bởi vì chuyển pha dưới lực động là một vấn đề mặc dù nó không ảnh hưởng nhiều đến độ bền cơ Nguy hiểm là một sự hư hỏng lớn của chỏm ZrO 2 được báo cáo sau khi sử dụng trong khớp háng nhân tạo vì chỏm ZrO 2 có thời gian lâm sàng ngắn và chỉ một vài kết quả có giá trị, khảo sát thì được đòi hỏi nhiều hơn việc đánh giá các yếu tố mà làm giảm độ bền lâm sàng của gốm ZrO2 dưới lực tải.[5]

Khả năng thích ứng sinh học Kết quả

Thích ứng trong cơ thể sống trong một thời gian ngắn Rất tốt

Khả năng tương thích với tế bào Tốt

Gây đột biến gen Không thấy tác động

Gây ngộ độc cấp tính Phù hợp tiêu chuẩn

Gây kích thích dưới da Không

Bảng 2.12: Khả năng thích ứng sinh học của ZrO 2

Chén và chỏm trong khớp háng Khớp gối

Vít xương Khung và vành răng giả Implant trong nha khoa

Implant trong nha khoa Khung và cọc chống trong nha khoa

Bảng2.13: Ứng dụng của Al 2 O 3 và ZrO 2 trong y khoa Đặc tính Al 2 O 3 ZrO 2 Vật lí

Nhiệt độ nóng chảy ( 0 C) 2040 2680 Khối lượng riêng (g/cm 3 ) 3.98 6.08 Độ cứng (GPa) 22 12.2

Mô đun đàn hồi (GPa) 366 201

Hệ số dãn nở nhiệt 25-200 0 C 6.5 10.1

Cơ tính Độ bền uốn (MPa) 551 1074 Độ bền nén (MPa) 3790 7500 Độ bền kéo (MPa) 310 420 Độ bền chống gãy (MPa.m 1/2 ) 4.0 6-15

Bảng 2.14: Đặc tính kĩ thuật của Al 2 O 3 và ZrO 2 (ở 25 0 C)

 Gốm nhôm oxit - Zirconia composite

Hợp chất đã được phát triển để cải thiện sự lão hóa của vật liệu và giảm độ giòn của Al₂O₃ Chúng thường được gọi là alumina-dai-Zirconia Sự chuyển đổi giai đoạn martensitic của tứ giác ZrO₂ thành đơn nghiêng ZrO₂ được khai thác để cải thiện các tính chất cơ học của vật liệu composite Trong tương lai cải tiến hợp chất nano có thể cải thiện hơn nữa các tính chất của vật liệu.[7]

UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene)

UHMWPE là một loại nhựa nhiệt dẻo cao phân tử, là tập hợp của nhiều phần tử nhiệt dẻo con polyethylene.Nhựa nhiệt dẻo có dạng sèn sệt sau khi nóng chảy và chúng không thể xử lý bằng ép phun.Nhựa nhiệt dẻo có thể xứ lý bằng đúc thổi.UHMWPE là một vật liệu rất dai, nó có khả năng chống ăn mòn cao, hệ số ma sát thấp, khả năng chống thấm nước và khả năng tự bôi trơn cao, và không độc hại Kết quả nó là một vật liệu tuyệt vời trong chỉnh hình thay khớp.[2]

Nó là một loại nhựa hoạt động cao mặc dù liên kết VanderWaals yếu nhưng nó có độ bền như các loại nhựa bền như Kevlar, nó có độ bền lớn vì nó có chuỗi đơn phân tử rất dài

UHMWPe có chuỗi polime rất dài và có khối lượng phân tử rất lớn khoảng 2 – 6 triệu Nó có hệ số ma sát thấp và độ chống mòn rất cao.[2]

Hình 2.12 Các sản phẩm y sinh của UHMWPE

Khuyết điểm là do lực VanderWaals yếu nên nó chịu nhiệt kém nhưng nó có độ hấp thụ nước kém và nó chống ăn mòn cao và không độc Kết quả là nó là nguyên liệu thích hợp cao trong vệc sử dụng làm đệm trong thay khớp mà cần yếu tố không ma sát mà không cần chịu nhiệt

Tại 23 0 C ứng suất kéo bền là 20 Mpa, tuy nhiên một số thực nghiệm cho thấy khả năng chịu bền kéo co thể lên đến 30 Mpa Tại nhiệt độ 23 0 C, môđun đàn hồi 700 Mpa tuy nhiên ở nhiệt độ người thì giảm xuống còn 600 Mpa

2.6.3 Tính tương thích sinh học

UHMWPE ở dạng khối trơ và không độc hại với cơ thể Khả năng chống mài mòn tốt tuy nhiên cũng như kim loại, nó gây ra các quá trình sinh học có hại như u nang Điều này gây hạn chế tuổi thọ của khớp thay thế

Hình 2.13 Miếng đệm khớp gối bằng Polyethylene

Vật liệu tổng hợp (Composite)

Vật liệu sử dụng cho các bộ phận giả phải không độc hại, tính sinh học và hóa học ổn định, và có đầy đủ cơ tính và độ bền để chịu được tải trọng Một yêu cầu thiết kế chính của vật liệu sinh học là vật liệu làm bộ phận nào thì phải có tính chất đàn hồi gần giống với bộ phận thật Vật liệu composite đáp ứng được yêu cầu này

Composite được sử dụng rộng rãi trong nha khoa và chỉnh hình Ngày nay các nhà thiết kế đang kết hợp nó với các vật liệu khác cho những ứng dụng khác nhau Đặc biệt nền của nhựa dẻo cao phân tử (UHMWPE) được gia cố lực với những sợi cacbon Những sợi cacbon này được tạo bởi sự nhiệt phân các sợi Acrylic để tạo ra vật liệu có sức bền kéo và đàn hồi cao Sợi cacbon cú đường kớnh từ 6 - 15àm và chỳng được phõn bố ngẫu nhiờu trong ma trận Để gia tăng sức bền của các sợi thì trong quá trình sản xuất phải đạt được sự liên kết hợp lý giữa các sợi Các sợi gia lực này được sử dụng làm vật liệu chế tạo cho các bộ phận nhân tạo của con người

Vật liệu composit để làm khớp mới phát triển khoảng hơn 2 thập kỉ nay, nó đang được thử nghiệm trên lâm sàng nên chỉ khảo sát sơ bộ vài loại đặc trưng a) Composit làm chuôi khớp

Composit là vật liệu hữu ích cho các ứng dụng chỉnh hình vì nó có thể điều chỉnh cho phù hợp với các loại xương Trong khớp háng nhân tạo, sự ăn mòn và cản ứng suất có liên hệ với độ cứng của vật liệu làm khớp mà độ cứng của các vật liệu dẫn tới phải phát triển vật liệu có độ cứng thấp và composit sợi cacbon nền polime đáp ứng được điều đó Composit sợi cacbon nền Polyetheretherketone (PEEK) là vật liệu chính được ưu tiên phát triển cho chuôi khớp háng

Vật liệu làm chuôi khớp háng phải có khả năng chống đỡ trạng thái ứng suất phức tạp trong cơ thể người mà không gây lỗi Xem xét các điều kiện chịu tải của chuôi khớp (chịu nén và chịu uốn) Vật liệu composit sợi cacbon nền polime có độ bền nén thấp hơn độ bền kéo, ứng xử nén của vật liệu này thì rất quan trọng trong thiết kế chuôi khớp Những kiểm tra mô phỏng khớp háng được thực hiện để tối ưu hóa vi cấu trúc của composit và vật liệu tiếp xúc Sợi cacbon mềm thì thích hợp hơn so với hạt cacbon cứng Vật liệu tiếp xúc là gốm thì tốt hơn so với vật liệu tiếp xúc là kim loại Khi thí nghiệm mô phỏng chạy trong 10 triệu chu kì, tốc độ mòn giảm phân nửa so với UHMWPE/kim loại và UHMWPE/gốm

Sợi cacbon nền PEEK là vật liệu hấp dẫn để làm chuôi khớp bởi vì nó có mô đun đàn hồi tương tự với xương xốp (≈ 18.6 MPa) khi so sánh với Ti6Al4V (100MPa) và thép không gỉ 630 (200MPa) Các kết quả thử nghiệm cho thấy rằng sự truyền ứng suất có thể được cải thiện bởi một chuôi khớp linh hoạt, chúng làm tăng vi chuyển động và cải thiện việc cố định khớp mà chuôi khớp làm bằng composit sợi cacbon nền PEEK có tính linh hoạt đó b) Composit làm chén nhựa

Cả hai polyethylene mật độ cao (HDPE) và UHMWPE từ lâu đã được sử dụng là vật liệu làm chén nhựa trong khớp háng nhân tạo Tuy nhiên, gần đây có những lo ngại về phản ứng sinh học bất lợi do các hạt mòn của các polyme này Vật liệu composit HA-collagen đã được tạo bằng cách kết tủa calcium phosphate trên collagen trong quá khứ nhưng ít được quan tâm rằng độ bền cơ học của chúng phù hợp sử dụng làm vật liệu cấy

Vật liệu composit lai của HA-collagen-axit hyaluronic hoặc gelatin đã được phát triển vì bám dính cả phần cứng và phần mềm với độ bền kết dính cao làm cải thiện cơ tính và đặc tính sinh học Những thử nghiệm cho thấy vật liệu này có khả năng chịu mài mòn tương đương với những vật liệu được sử dụng hiện tại để làm chén nhựa Kiểm tra khả năng thích ứng sinh học cho thấyvật liệu này có tính tiêu máu thấp hơn phạm vi cho phép Vật liệu composit HA-collagen với 10% axit hyaluronic cung cấp độ bền cơ học phù hợp, ma sát và đặc tính mài mòn tốt và mức độ tan máu trong phạm vi cho phép và do đó vật liệu này được coi là vật liệu tiềm năng làm chén nhựa của các thế hệ tương lai c) Composit làm chỏm nhỏ

Vật liệu compositecũng có thểđược sử dụnglàm chỏm Hỗn hợp oxit nhôm (Al2O3) và tantali (Ta) hoặc AlO3 và niobi (Nb) được chế tạo bằng ép nóng được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy tiềm năng sử dụng làm chỏm trong khớp háng nhân tạo Nó có độ mài mòn thấp hơn chỏm làm bằng oxit nhôm

Thành phần Phân loại vật liệu Vật liệu được sử dụng nhiều nhất

Kim loại Hợp kim rèn CoCrMo, hợp kim Titan, thép không gỉ,

Composite Sợi Cacbon nền PEEK

Chỏm khớp Kim loại Hợp kim đúc CoCrMo , thép không gỉ

Gốm sứ Nhôm oxit nguyên chất, Zirconia

Kim loại Hợp kim đúc CoCrMo

Gốm sứ Nhôm oxit nguyên chất, Zirconia Chảo ngoài Kim loại Hợp kim Titan, thép không gỉ

Bảng 2.15 Tổng hợp vật liệu được sử dụng trong khớp háng toàn phần

Vật liệu cố định khớp

Sự phát triển của một cơ chế cố định vĩnh viễn của cấy ghép xương là một trong những thách thức ghê gớm nhất trong sự tiến hóa của thay khớp Có hai loại phương pháp cố định:

Khóa chặt bằng cách ghép chặt sít khớp nhân tạo vào xương, bằng cách sử dụng polymethylmethacrylate hay được gọi là xi măng hoặc bằng cách sử dụng đinh ốc

Cố định sinh học bằng cách tạo các bề mặt kết cấu xốp, cho phép xương phát triển vào trong

Biến chứng lâm sàng liên kết với việc sử dụng xi măng sinh học, đặc biệt với monome tự do

Một số lượng lớn những thông tin về giảm huyết áp, tổn hại tế bào cục bộ, thậm chí là làm bỏng dây thần kinh có nguyên nhân bởi xi măng sinh học Trong một cách khác, một vài bài báo cho thấy rằng những mảnh mòn, nứt, của xi măng cũng như mảnh vụn của polyethylene là nguyên nhân tạo u hạt Những tế bào này tiết ra những chất gây viêm và thậm chí bị xương hấp thụ lại, quá trình hủy cốt này gây ra bởi những vụn xi măng có thể là nguyên nhân gây ra lỏng khớp.[9]

Việc cố định chuôi là điều quan trọng trong phẫu thuật thay khớp Những năm đầu 1970 thì xi măng PMMA là phương tiện chủ yếu để cố định chuôi trong hệ thống xương

Tuy nhiên sau một thời gian sử dụng thì chuôi sẽ bị lỏng trong xi măng, điều này thường xảy ra ở những bệnh nhân trẻ và những bệnh nhân có nhu cầu hoạt động cao Việc bị lỏng này sẽ gây ra đau hoặc tăng ứng suất lên chuôivà tiếp theo là sẽ làm hỏng khớp

Vì những vấn đề này mà cố định bằng xi măng dần dần được thay thế bởi cố định sinh học bằng cách tạo bề mặt rỗng xốp trên chuôi để xương mọc vào

Vật liệu phủ thường là bột hợp kim Titan hoặc bột hợp kim Co-Cr [3] Ngoài ra còn có Hydroxyapatie (HA),Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 – là chất trơ sinh học,là chất phủ gốm hoạt tính sinh học được sử dụng cho cả hợp kim titan và hợp kim Co-Cr để thúc đẩy xương mọc vào bề mặt chuôi Kết quả cho thấy rằng HA thúc đẩy xương mọc nhanh hơn và tăng độ bền liên kết giữa xương và hợp kim Co-Cr Tuy nhiên trong trường hợp sử dụng hợp kim titan thì sự gia tăng này không đáng kể Nhược điểm của HA là giòn và cứng và cơ tính yếu nên nó dựa vào sự hỗ trợ của vật liệu chuôi Nhưng ngay cả có sự hỗ trợ này thì chỉ cải thiện được độ bền kết dính chứ không cải thiện được khả năng chống trượt của HA Để phủ HA người ta dùng phương pháp phun plasma ở nhiệt độ rất cao sẽ là giảm cơ tính của stem Thêm vào đó mỏi do ứng suất kéo được tạo bởi phần stem do hệ số giản nỡ nhiệt khác nhau ở những phần được mạ.[8]

MĂNG

Giới thiệu về qui trình thiết kế

Hình 3.1 Qui trình thiết kế khớp háng nhân tạo

Lấy cơ sở từ một người bênh nhận thực tế để thiết kế mẫu khớp nhân tạo Do đó, bước đầu tiên trong qui trình thiết kế là xây dựng được khớp háng và xương đùi tự nhiên của bệnh nhân (khối 1)

Từ biên dạng thực của xương đùi, có thể thiết kế tạm thời hình dáng và kích thước của khớp nhân tạo sao cho đảm bảo chức năng, có thể lắp ghép và cố định vào xương đùi (thiết kế khớp) (khối 2)

Sau đó là kiểm tra xem mẫu thiết kế đó đã đạt yêu cầu về độ bền mỏi theo theo thời gian chưa (Kiểm tra độ bền mỏi) (khối 3)

Quá trình thiết kế là một vòng lặp sao cho kết quả của khối 3 đảm bảo yêu cầu về ứng suất chịu đựng của vật liệu và có thể đạt tới mức tối ưu mong muốn (đường nét đứt tượng trưng cho vòng lặp thiết kế)

Cơ bản của quy trình thiết kế là 3 khối ở trên, sau đây là sơ đồ phân tích sâu hơn các khối:

- Khối 1: tạo hình 3D khớp háng và xương đùi sử dụng phần mềm MIMICS từ các file chụp cắt lớp có bước cắt là 2mm MIMICS sẽ bôi đen vùng xương đùi trên từng file CT một, tùy theo ngưỡng mà người dùng đặt Thông thường vùng xương trên file chụp

CT là màu trắng đậm phân biệt với các vùng còn lại là màu tối Sau đó MIMICS sẽ nội suy ra hình 3D từ các vùng đã chọn trên tất cả các lát cắt và xuất ra định dạng file stl

- Khối 2: hình thành mẫu thiết kế khớp nhân tạo Sử dụng phần mềm thiết kế 3D SOLIDWORKS với ADD-IN SCANTO3D để đọc file stl Từ file stl, xác định được các kích thước cơ bản của khớp như: offset, góc cổ thân, diện tích giới hạn cho từng mặt cắt,

- Khối 3: phân tích bền mỏi mẫu thiết kế vừa mới hoàn thành Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn Để phân tích phần tử hữu hạn thì cần qua 2 bước:

Chọn kiểu phần tử và chia lưới sao cho phù hợp với hình dạng chi tiết và kiểu phân tích Điều kiện biên và lực tác động vào chi tiết Đối với điều kiện biên, luận văn sử dụng phần mềm để tính toán lực tác động lên chi tiết Xem cơ thể con người như là một hệ động lực học, các xương liên kết với nhau thông qua một loại khớp Giải bài toán động lực học cơ hệ để tính toán được lực tác dụng lên chi tiết khi cơ thể đi bộ

Quy trình bắt đầu bằng chụp CT (Computed Axial Tomography - chụp cắt lớp điện toán)/MRI (Magnetic Resonance Imaging - chụp cộng hưởng từ) khớp háng của bệnh

Từ dữ liệu này dùng phần mềm Solidwork xác định các kích thước của KHTP phù hợp với chính bệnh nhân này Kế tiếp là phân tích ứng suất mỏi dựa vào lực tác dụng vào KHTP qua các hoạt động hàng ngày của con người Nếu thỏa mãn về yêu cầu ứng suất thì thiết kế sẽ được sử dụng cho phần chế tạo, ngược lại KHTP sẽ được thiết kế lại Sau đây là các bước thực hiện chi tiết hơn của quy trình

Chụp CT/MRI để nhận được hình ảnh 2D của vùng khớp háng và xương đùi của bệnh nhân Khoảng cách giữa mỗi lát cắt là 2 mm (bổ sung phần chụp CT/MRI)

3.1.1 Xác định dữ liệu 3D của vùng xương xốp:

Sử dụng phần mềm Mimics để tạo hình 3D khớp háng.Đây chính là cơ sở để xác định hình dạng, kích thước của KHTP

Mimics là viết tắt của từ hệ thống kiểm soát hình ảnh y khoa (Medical Image Control System)

Mimics cho phépxây dựng lại hình ảnh 3D từ bất kỳ hình ảnh 2D xếp chồng lên nhau.Ví dụ phổ biến được biết đến là X-quang, CT hay MRI và dữ liệu hiển vi Thu thập hình ảnh cắt lớp từ file CT hay MRI của bệnh nhân cần thay thế mà các định dạng phổ biến nhất được sử dụng để miêu tả cho dữ liệu này là nguồn mở DICOM3.0 (DICOM viết tắt của từ hình ảnh kỹ thuật sốvà Truyền thông trong Y học)

Hình 3.2 File CT của một lớp cắt có định dạng DICOM

Mimics đọc dữ liệu từ file CT/MRI định dạng DICOM Các công cụ chỉnh sửa cho phép người dùng thao tác, điều khiển dữ liệu để lựa chọn các phần mong muốn như mô, xương, phần mềm, da, vv Sau khi các phần mong muốn được chọn, nó có thể được xây dựng thành file 3D Sau đó được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau như tạo mẫu nhanh, phân tích phần tử hữu hạn hoặc xuất ra định dạng CAD/MedCAD, STL

Bước 1: Mở phần mềm Mimics: phần mềm có giao diện như hình sau:

Hình 3.3 Giao diện phần mềm Mimics Bước 2: Nhập hình ảnh từ nguồn Dicom: vào file/import Image

Sau đó chọn Convert tiếp theo chọn vào một vị trí có chữ X bất kì nhấn chuột phải chọn đúng vị trí trên (Top) sau (Bottom) phải (Right) trái (Left) trước (Anterior) sau (Posterior)

Hình 3.4: Giao diện chọn hướng nhìn

Sau khi chọn đúng vị trí chọn OK thì sẽ xuất hiện giao diện sau:

Hình 3.5: Hình chụp CT cắt lớp 3 chiều của khớp

Trong hình chụp thì có xương, xương xốp, cơ,…thì chọn vùng xương xốp vì chính vùng xương xốp này thì chuôi (stem) sẽ được gắn vào

Sau khi nhập hình ảnh Dicom vào phần mềm thì phần mềm sẽ hiện thị trên 3 màn hình riêng biệt Mỗi màn hình sẽ cho ta hình ảnh các hướng nhìn khác nhau của vật thể

Hình 3.6 Hiển thị ba màn hình riêng biệt Bước 3: Giới hạn hình ảnh: chọn vùng xương xốp (bỏ vùng xương chậu và các phần còn lại)

Chọn biểu tượng hoặc vào Segmentation / Thresholding thì sẽ xuất hiện hộp thoại sau

Hình 3.7: Thanh công cụ Thresholding

Tại Predefined threshold set chọn Spongial Bone (CT, Adult) là lấy phần xương xốp, sau đó chọn Apply Phần xương xốp sẽ chuyển thành màu xanh

Sau đó ta sẽ chọn biểu tượng hoặc vào Segmentation / Crop mask trên màn hình sẽ xuất hiện đường biên để chọn phần cần lấy ra Di chuyển đường biên và chọn phần khớp bị hư cần thay, sau đó nhấp OK

Dùng chức năng chỉnh sửa để chỉ lấy vùng xương đùi chân phải (bên trái trong hình) và bỏ vùng xương chậu và các phần còn lại

Dùng chức năng Crop Mask để giới hạn vùng xương xốp vùng xương đùi chân phải

Khoanh chọn vùng chọn ngưỡng Các phần bên ngoài sẽ không được chọn.Trong luận văn, sẽ chọn phần chân phải tức là phần bên trái hình

Hình 3.8: Thanh công cụ Crop Mark xuất hiện trên giao diện phần mềm Bước 3: Tách phần ngưỡng xương đùi với xương chậu

Tiếp theo nhấp chọn biểu tượng hoặc theo đường dẫn Segmentation / Region Growing, sẽ xuất hiện hộp thoại

Hình 3.9: Thanh công cụ Region Growing

Xây dựng hình dáng khớp nhân tạo bằng phần mềm Solidworks

- Đây là một trong những sản phẩm nổi tiếng của hãng Dassault systemn, bên cạnh một sản phẩm nổi tiếng khác của hãng này là Catia SolidWorks là phần mềm thiết kế ba chiều được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như xây dựng, kiến trúc, cơ khí… được sử dụng các công nghệ mới nhất về lĩnh vực đồ họa máy tính Phần mềm SolidWorks do công ty SolidWorks phát triển là một trong những phần mềm thiết kế uy tín nhất trên thế giới Phần mềm này cho phép người sử dụng xây dựng các mô hình chi tiết 3D, lắp ráp chúng lại với nhau thành một bộ phận máy (máy) hoàn chỉnh, kiểm tra động học

- Phần mềm SolidWorks cũng cho phép nhiều phần mềm ứng dụng nổi tiếng khác chạy trực tiếp trên môi trường của nó SolidWorks có thể xuất ra các file dữ liệu định dạng chuẩn để người sử dụng có thể khai thác mô hình trong môi trường các phần mềm phân tích khác như ANSYS, ADAMS, Pro-Casting…Trước sự phát triển lớn mạnh của phần mềm CAD SolidWorks, hiện nay nhiều phần mềm CAD/CAM đã viết thêm các modul nhận dạng trực tiếp file dữ liệu SolidWorks

Trong bài luận văn này, tôi sử dụng phiên bản Solidworks 2011 Premium với add-in ScanTo3D để làm việc với file STL từ phần mềm Mimics ở trên

- Kích hoạt chức năng ScanTo3D trong Add-in của Solidworks để có thể làm việc với định dạng file stl do phần mềm Mimics xuất ra

- Vào file – open chọn đuôi chọn File name là “Mesh file” chọn file có đuôi Xương xốp.STL, sẽ xuất hiện hình ảnh bên dưới:

Chuột phải vào file Mesh (file stl vừa đưa vào) sẽ hiện ra các lệnh đặc trưng để xử lí

Hình 3.16 Các lệnh Scan to 3D

- Mesh Prep Wizard: xử lí trước file mesh, có chức năng chuyển hệ tọa độ, xóa các phần rác từ MIMICS, tạo smooth các bề mặt

- Curve Wizard: nội suy các biên dạng mặt cắt Lệnh này dùng rất nhiều trong thiết kế, để xác định các điều kiện biên cho vùng thiết kế

- Surface Wizard: nội suy mặt phẳng Trong bài báo, lệnh này chỉ dùng để xác định mặt chỏm xương đùi, xác định tâm, và bán kính chỏm

- Merge Meshes: kết hợp các mesh vụn lại thành 1 mesh

Lệnh này ít dùng, nhưng để làm gọn file thiết kế thì cũng nên dùng

Trình tự thiết kế bắt đầu bằng việc xác định tâm và bán kính chỏm, sử dụng lệnh surface wizard với lựa chọn manual để tự mình quét chọn phần chỏm để phần mềm tự nội suy ra hình cầu Chỏm cầu có đường kính là 44.08mm Có tọa độ là (64.69, 159.13, -370.95)

Chỉnh sửa bước đầu file stl để dễ dàng trong các bước tiếp theo Trong bước này không nên chỉnh lại gốc tọa độ, vì sau khi thiết kế sẽ xử dụng hệ tọa độ gốc này (tọa độ khi xuất từ Mimics qua) để phân tích ứng suất

Từ cây chọn Sketch của hình cầu vừa tạo kích chuột phải và chọn Edit Sketch Sau đó sẽ vẽ thêm một đường D1 chia đôi bắt từ tâm khối cầu

Hình 3.17: Cách chọn Edit Sketch

Hình 3.18: Đường D1 và vị trí biểu tượng plane

Sau đó, tạo mặt phẳng M1 vuông góc với Front plane và chứa đường ta mới vẽ

Hình 3.19: Cách tạo mặt phẳng M1 Để thuận tiện trong quá trình chế tạo cũng như rắp ráp (phẫu thuật) thì khớp nhân tạo nên đơn giản, đối xứng qua 1 mặt phẳng, hình dạng đồng nhất Vì vậy cần xác định mặt phẳng mà tạo được nhiều không gian nhất để dễ dàng đạt thiết kế đạt độ bền cần thiết

Tạo 2 mặt cắt ở phần thân xương bằng cách sử dụng chức năng Curve Wizard, mỗi mặt cắt cách nhau khoảng 40mm Sau đó xác định tâm của mỗi mặt cách bằng chức năng section properties

Từ 1 điểm là tâm của chỏm cầu và đường thẳng vừa mới tạo, hình thành được một mặt phẳng (mặt phẳng thiết kế)

Hình 3.20 Xác định đường trục xương đùi và Mặt phẳng thiết kế

Sau đó, vẽ hai đường theo biên của mô hình xương xốp 3D và tìm đường giữa hai đường biên đó, gọi đường giữa là đường D2, sau đó tạo một mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng M1 và đi qua đường thẳng D2 được mặt phẳng M2

Hình 3.23: Cách tạo mặt phẳng M2 Hình 3.22: Đường D3

Từ mặt phẳng M2 vẽ đường thẳng D3 chia mô hình ra hai nửa, sau đó tạo mặt phẳng tạo bởi đường D3 và tâm khối cầu, mặt phẳng D3 chính là mặt phẳng để thiết kế khớp

Hình 3.24: Cách tạo mặt phẳng thiết kế

Hình 3.25: Mặt phẳng thiết kế nhìn theo hai hướng

Tạo biên dạng mặt cắt xương từ mặt phẳng đối xứng trên, sử dụng Curve Wizard để lấy mặt cắt Từ đây xác định được các kích thước cơ bản của khớp nhân tạo như góc cổ thân, chiều dài offset chuôi, chiều dài chuôi Đầu tiên là xác định mặt cắt phẫu thuật.Tham khảo các tài liệu về quá trình phẫu thuật khớp háng, các lối vào để thay khớp thì ta xác định được mặt cắt phẫu thuật này.Đường cắt này đi từ mấu chuyển dưới đến mấu chuyển trên

Hình 3.26: Mặt phẳng thiết kế nhìn theo hai hướng khác nhau Đường cắt phẫu thuật là đường đi từ điểm 1 đến điểm 2 Đường cổ khớp là đường đi từ trung điểm 4 của đoạn 1-2 đến tâm của chỏm cầu (điểm 3) và hợp với đường thân 6 một góc 132.8 o tại điểm 5

Khi đã có đường cổ, thiết kế được đầu côn có kích thước như hình trên

Từ đường tâm trục và giới hạn biên của không gian thiết kế, ta hình thành được biên dạng khớp Để dễ dàng trong phẫu thuật và khả năng đạt sự cứng vững thì biên dạng chuôi nên thay đổi từ nhỏ tới lớn, càng lên trên càng lớn

Khu vực chịu nhiều ứng suất nhất nằm ở khoảng không gian hở giữa chỏm và xương đùi, vì vậy phần này được thiết kế dày nhất để đảm bảo bền

Chiều dài chuôi thông thường lấy bằng khoảng 1/3 chiều dài xương đùi Trong trường hợp này lấy 120mm

Hình 3.27 Biên dạng khớp sau khi thiết kế

Sau khi đã có bản vẽ 2D, bước tiếp theo là sử dụng các lệnh tạo hình 3D để hình thành khớp hoàn chỉnh, theo thứ tự:

Bước 1: Dùng lệnh Extrude để tạo thân chuôi Gọi lệnh Extrude bằng cách theo đường dẫn Insert/Boss-base/Extrude hoặc chọn biểu tượng Extrude phần chuôi với bề dày 10mm

Tạo hình phần đỉnh chuôi bằng lệnh Extrude Để dễ dàng trong lúc lắp ghép và đảm bảo sự tiếp xúc giữa chuôi và xương thì chuôi nên có hình dạng côn, dưới nhỏ và trên lớn, trên thân chuôi có các bậc giúp chuôi bám chặt vào xương và tăng khả năng chịu lực, chống tháo lỏng khi lắp chuôi vào xương Vì vậy phần chuôi sẽ côn một góc 1o cho mỗi mặt Sử dụng lệnh draft

Bo tròn các góc với bán kính 2mm

Revolve phần côn đầu chuôi

Tạo phần còn lại bằng lệnh loft

Tạo các bậc xung quanh

Tạo phần đuôi của chuôi

Hình 3.28 Mô hình chuôi hoàn chỉnh

3.2.3 Thiết kế chỏm, chảo kim loại và nhựa

PHÂN TÍCH TẢI TRỌNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ HƯ HỎNG TRÊN KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN KHÔNG XI MĂNG

Kiểm tra bền chuôi khớp háng toàn phần

4.1.1 Xác định lực tác dụng lên khớp háng khi di chuyển

KHTP chịu tác dụng của lực từ các hoạt động của con người như: đi bộ, chạy, nhảy,đi lên và xuống cầu thang Nhưng hoạt động thường xuyên nhất của con người là đi bộ nên có thể lấy lực tác động vào KHTP khi đi bộ làm cơ sở để kiểm tra bền mỏi Để xác định được các lực tác dụng lên khớp háng khi di chuyển có 2 phần mềm để lấy các lực tác dụng: a) Anybody Modeling System:

Là một hệ thống phần mềm mô phỏng cơ học cơ thể sống đang làm việc phối hợp với điều kiện môi trường

Môi trường được định nghĩa là các lực tác động bên ngoài hoặc các điều kiện biên, và người sử dụng có thể áp đặt bất kỳ loại tư thế hoặc chuyển động cho cơ thể con người - hoặc từ một tập hợp dữ liệu chuyển động được ghi lại Anybody sau đó chạy mô phỏng và tính toán những thuộc tính cơ học của cơ thế - hệ thống môi trường

Từ Anybody, người dùng có thể thu được những kết quả như là các lực cơ riêng lẻ, lực và moments của khớp, sự trao đổi chất, năng lượng đàn hồi ở gân, những phản lực cơ và nhiều hơn nữa

AnyBody cũng có thể biến đổi tỉ lệ mô hình để phù hợp với bất kỳ cư dân nào từ dữ liệu nhân trắc học hoặc bất cứ cá nhân nào Hoặc, bạn có thể thiết lập các tham số từ nghiên cứu của bạn trong AnyBody để phù hợp với thiết kế, việc tìm kiếm sự kết hợp tối ưu các thông số để thực hiện một mục đích nhất định

Khả năng của AnyBody Modeling System:

Xử lý mô hình cơ thể với số lượng chi tiết không giới hạn 1000 cơ

Thu được kiến thức độc đáo về động học bên trong cơ thể với một môi trường nhất định

Tùy chỉnh các mô hình với ngôn ngữ mở AnyScript

Giải quyết các vấn đề thiết kế sản phẩm bằng cách tỉ lệ và tối ưu hóa các mô hình tham số

Nhập dữ liệu từ hệ thống Motion Capture để chạy mô hình

Xuất dữ liệu AnyBody như là đầu vào cho các phân tích phần tử hữu hạn

AnyBody có ba mô hình cơ bắp khác khác nhau, từ đơn giản đến hành vi sinh lý phức tạp hơn Mô hình đơn giản chỉ là giả định một sức mạnh liên tục của cơ bất kể điều kiện làm việc của nó Các mô hình phức tạp hơn phụ thuộc điều kiện như chiều dài hiện tại, vận tốc co, chiều dài sợi cơ, góc pennation, độ đàn hồi dây chằng,

Hình 4.1 Mô hình cơ khớp trong AnyBody

Hành động đi bộ của con người là một hành động phức tạp, kết hợp rất nhiều đoạn xương của cả 2 chân để tạo thành hành động đi bộ Vì vậy để gán từng góc quay, vận tốc cho từng khớp để tạo thành hành động đi bộ là rất khó khăn

Phần mềm AnyBody cho phép mô hình cơ thể di chuyển theo các điểm có sẵn từ file C3D

File này thu được trong phòng thí nghiệm với một người mẫu được mặc bộ trang phục đặc biệt Các đốt sáng này có vị trí xác định theo cơ thể Mô hình cũng được tạo các điểm ở ví trí trùng với với đốt sáng Khi các đốt sáng di chuyển, mô hình di chuyển theo và tạo thành chuyển động

Hình 4.2 Mô hình mô phỏng chuyển động trong AnyBody b) HIP 98 Đây là phần mềm chuyên về tính toán các lực tác dụng lên các bộ phận của con người, và các lực này được đo trực tiếp trên bệnh nhân nhờ vào các thiết bị cấy ghép thông minh

Hình 4.3 Chuôi khớp được sử dụng để tính lực tác dụng

Thu thập dữ liệu HIP98 chứa các lực tác dụng của khớp háng toàn phần trong các hoạt động phổ biến nhất của cuộc sống hàng ngày Ngoài các tải cấy ghép và các đoạn video đồng bộ của các đối tượng cơ sở dữ liệu này cung cấp dữ liệu phân tích dáng đi, lực lượng cơ tính toán, tín hiệu EMG và số lượng cho các tần số của các hoạt động khác nhau [6]

Các lực tác dụng vào ổ cối… Bên xương chậu của khớp hông, được xác định bổ sung bằng cách sử dụng các lực tác dụng tương đối so với xương đùi cộng với dữ liệu phân tích dáng đi thuộc Từ kết quả của các cá nhân, tải trọng hoạt động trong một hoạt động điển hình của con người hằng ngày hay đại diện cũng được cung cấp

Hình 4.5 Các bệnh nhân thuộc nhóm 2

Bảng 4.1 Thông tin bệnh nhân nhóm 2

Dữ liệu lực tác dụng lên đầu xương đùi nhờ vào chuôi được gắn các cảm biến lực Sau đây là cấu tạo hai loại chuôi được sử dụng:

Chuôi được làm bằng titan và chỏm làm bằng gốm.Trong cổ chuôi có một ngăn sâu 32mm, rộng 9.5mm đựng các thiết bị điện tử bên trong Ba strain gauge bán dẫn được đặt ở vách dưới và liên kết với máy phát 4 kênh Hai nguồn điện cấp được hàn trên tấm trên tạo thành ăng ten truyền phát bên trong chỏm gốm Sau khi lắp đặt xong tấm trên được hàn lên đầu cổ chuôi Sau đó được làm kín sao cho nó hoàn toàn an toàn với cơ thể người Đối với loại chuôi này nó giám sát được 3 thành phần lực và nhiệt độ bên trong cổ chuôi

Hình 4.7 Cấu tạo chuôi loại 1 và loại 2

Chuôi loại 2 Để biết thêm thông tin về một sự gia tăng nhiệt độ chuôi sau một khoảng cách đi bộ dài hơn,chuôi với một trục rỗng với hai máy phát từ xa 8 kênh Một cuộn dây chung ở giữa của trụ ccung cấp điện cho cả hai mạch từ xa Bên trong, tám bộ cảm biến nhiệt độ được bố trí dọc theo toàn bộ cổ và trục Ba strain gauge được đặt bên trong cổ chuôi để theo dõicác thành phần lực lượng tại tâm chỏm Một máy phát từ xa được đặt bên trong cổ chuôi; máy thứ hai được đặt bên trong thân chuôi Nguồn cấp điện được hàn lên đầu cổ chuôi và hình thành hai ăngten vòng đơn truyền tín hiệu

Hình 4.8 Phương pháp lấy dữ liệu

Phương pháp lấy dữ liệu:

Trong khi đo đạc, một cuộn dây cảm ứng điện và một ăng ten nhân tín hiệu được gắn vào gần chổ cấy ghép Máy phát từ xa trong chuôi cấy ghép được nập năng lượng bởi từ trường do cuộn dây tạo ra Các tín hệu đo đạc được chuyển đến Teleport Các hoạt động của bệnh nhân được ghi hình và thu âm thanh, các dữ liệu này được đưa và Teleport Các dữ liệu trong Teleport được xuất ra máy vi tính

Hình 4.9 Lực tác dụng vào khớp Ở đây tác giả chọn phần mềm HIP 98 để xác định lực tác dụng lên khớp háng toàn phần không xi măng

Sau đây là các bước thực hiện để tải các lực tác dụng lên Khớp háng toàn phần không xi măng:

Bước 1: Khởi động phần mềm HIP 98 download từ trang wed www.orthoload.com

Hình 4.10 Giao diện của phần mềm HIP 98.[6]

Bước 2: Lựa chọn đối tượng tải lực Tác giả chọn khớp háng (hip joint)

Hình 4.11 Chuôi khớp được sử dụng để tính lực tác dụng

Các chuôi khớp trên hình 4.32 là chuôi khớp thông minh được gắn các cảm biến trên đó để tính toán các lực tác dụng

Bước 3: Vào mục Patient chọn bệnh nhân để tính lực tác dụng Chọn người có tên là

KWR Để biết thông tin của bệnh nhân thì tác giả vào thẻ Infos chọn mục Patient rồi chọn mục Hip joint là sẽ biết được thông tin của người bệnh

Sau khi ta chọn mục Info thì sẽ xuất hiện bảng thông tin của bệnh nhân sau:

Hình 4.12 Thông tin bệnh nhân

Từ bảng thông tin này ta biết được bệnh nhân này giới tính nam, cân nặng 72 kg và 61 tuổi (bệnh nhân thuộc nhóm 1) Bệnh nhân này được chỉ định thay khớp là do Viêm xương khớp

Phân tích mỏi chuôi khớp

Trong khoa học vật liệu, mỏi là hiện tượng phá huỷ về cấu trúc lũy tiến xảy ra khi một vật liệu phải chịu tải trọng tuần hoàn Giá trị ứng suất mỏi giới hạn thường là nhỏ hơn ứng suất giới hạn bền (của vật liệu)

Sự mỏi xảy ra khi một vật liệu chịu tải trọng và không tải trọng có tính lặp đi lặp lại Nếu tải trọng vượt trên một ngưỡng nhất định, các vết nứt nhỏ sẽ bắt đầu hình thành ở bề mặt Cuối cùng, một vết nứt sẽ đạt đến một kích thước tới hạn, và kết cấu mô hình đột nhiên sẽ bị gãy Hình dạng của kết cấu mô hình sẽ ảnh hưởng đáng kể đến độ mỏi: lỗ vuông hoặc góc nhọn sẽ dẫn đến tăng ứng suất tập trung địa phương, nơi vết nứt do mỏi gây ra có thể bắt đầu Lỗ tròn và vùng chuyển tiếp mịn (trơn) hoặc các cung bo tròn thì quan trọng để làm tăng khả năng chịu mỏi của kết cấu mô hình

4.2.1 Chia lưới phần tử chuôi khớp

Chia lưới phần tử (mesh) bằng phần mềm chuyên dụng Hypermesh

Một lưới phần tử chất lượng đảm bảo cho kết quả phân tích tốt nhất (đúng đắn nhất) Các yếu tố tạo nên chất lượng cho mesh bao gồm: orthogonality, aspect ratio, warpage, shearing, và torsion

Warpage: là sự lệch hướng của phần tử hoặc mặt phần tử (phần tử solid) so với mặt phẳng chuẩn Warpage nên nhỏ hơn 15 o

Aspect ratio: là tỉ lệ giữa độ dài cạnh lớn nhất so với độ dài cạnh nhỏ nhất của 1 phần tử Aspect ratio nên nhỏ hơn 5:1

Skew: nên nhỏ hơn 60 o Đầu tiên, tạo lưới mặt phẳng cổ chuôi

Import chi tiết vào hypermesh

Do chi tiết tương đối phực tạp nên sẽ chia chi tiết ra từng phần nhỏ để dễ dàng mesh Đầu tiên là mesh phần chuôi trước

Cắt mặt phẳng cổ chuôi ra thành 9 mặt phẳng con để dễ dàng chỉnh sửa số node Phần bìa chi tiết cần chia lưới dầy hơn phần trong

Chuôi khớp là phần quan trọng nhất trong Khớp háng toàn phần nên luận văn này sẽ trình bày phần chia lưới phần tử đối với chuôi khớp

Quy trình chia lưới chuôi khớp như sau: gồm 5 bước

Bước 1: Import chi tiết vào Hypermesh: import chi tiết dưới đuôi Iges

Bước 2: Chuôi khớp là chi tiết tương đối phức tạp nên sẽ chia chi tiết ra từng phần nhỏ để dễ dàng tạo mesh Để chia lưới 2D vào 2D/automesh, chọn phần tử hình tứ giác (quad) và lựa chọn bề mặt suft Phần mềm sẽ tự chia lưới và ta phải chọn số phần tử sao cho lưới đẹp và ít lỗi nhất bằng cách kiểm tra các phần tử 2D khi ta chọn Checks Sau đây là một số định nghĩa cho các thông số kiểm tra

Hình 4.22 Import chi tiết vào Hypermesh

Góc warp được định nghĩa là góc giữa hai pháp tuyến đến hai mặt phẳng được hình thành bằng cách phân chia phần tử quad dọc theo đường chéo Góc warp thì không ứng dụng cho các phần tử tam giác

Giá trị lí tưởng của góc này là bằng 0 0 , giá trị chấp nhận được là 10 0

Aspect = độ dài cạnh lớn nhất / độ dài cạnh nhỏ nhất

Giá trị lí tưởng là = 1 (giá trị chấp nhận được < 5)

Skew cho phần tử tứ giác là 90 0 trừ đi cho góc nhỏ nhất hợp bởi hai đường tạo bởi hai cạnh đối diện của phần tử

Giá trị lí tưởng là = 0 0 (giá trị chấp nhận được < 45 0 )

Theo cách hiểu đơn giản jacobian là một hệ số tỉ lệ phát sinh bởi sự chuyển đổi của tọa độ hệ thống các phần tử được chuyển đổi từ tọa độ chung thành tọa độ riêng (được định nghĩa là tâm của mỗi phần tử), để cho thời gian phân tích được nhanh hơn

Giá trị lí tưởng là = 1 (giá trị chấp nhận được > 0.6)

Góc trong hình tứ giác Giá trị lí tưởng là 90 0 , giá trị chấp nhận được là 45 0 < φ < Đầu tiên ta sẽ tạo mesh mặt phẳng cổ chuôi

- Chia mặt phẳng cổ chuôi ra thành 9 mặt phẳng con - Tạo lưới trên 9 mặt phẳng con

Hình 4.26 Chia các mặt phẳng con

Hình 4.27 Tạo lưới trên mặt phẳng

- Chọn chức năng Tool → Count để xác định số node và số phần tử (element)

Hình 4.28 Chia lưới mặt phẳng cổ chuôi

Hình 4.29: Thanh công cụ chính dùng để chọn các chức năng

Hình 4.30: Panel của chia lưới 2D

Kiểm tra mặt phẳng vừa chia thì có 136 nodes và 115 elems (phần tử) Dựa vào số node và số phần tử này, chia mặt phẳng cuối sao cho trùng số nodes và số phần tử

Tương tự chia lưới mặt phẳng cổ chuôi, chia lưới mặt phẳng cuối

Hình 4.31 Chia lưới mặt phẳng cuối

- Chọn chức năng đùn lưới 3D để tạo lưới trên suốt chiều dài từ mặt phẳng cổ chuôi tới mặt phẳng cuối

Chọn lệnh 3D/Solidmap/General và chọn phần tử đầu, phần tử cuối, các đường dẫn hướng, kích thước phần tử, độ không đều Phần mềm sẽ đùn ra lưới 3D như hình sau:

Hình 4.32 Hình thành lưới 3D phần chuôi

Thực hiện tương tự với cách thức chia lưới chuôi, ta chia được cả chi tiết

Bước 3: Chia lưới phần cổ chuôi:

Hình 4.33 Lưới phần cổ chuôi

Bước 4: Chia lưới phần côn của chi tiết

Thực hiện tương tự với cách thức chia lưới chuôi, ta chia được cả chi tiết

Hình 4.34 Lưới phần mặt côn

Bước 5: Chia lưới phần cuối chuôi

Hình 4.35 Xây dựng lưới phần cuối chuôi

Hình 4.36 Lưới phần cuối chuôi

Hình 4.37 Kiểm tra các phần tử bên trong 4.2.2 Tạo vật liệu, đặt các điều kiện biên và tải trọng lên mô hình

Bước 1: Tạo vật liệu Vật liệu chế tạo chuôi khớp là Titan: Ti6Al4v

Chọn biểu tượng Material Collector trên thanh công cụ Collectors Chọn materials, chọn create Mat name = ti6al4v Type = ISOTROPIC (đẳng hướng) Card image = MAT1, vật liệu tuyến tính, không phụ thuộc vào nhiệt độ và đẳng hướng (phù hợp với kiểu phân tích)

Hình 4.38 Tạo vật liệu Ti6Al4V

Bước 2: Tạo property - Chọn biểu tượng Properties Chọn type 3D, card image PSOLID và vật liệu là ti6al4v vừa mới tạo

Bước 3: Gán property vừa mới tạo cho component chứa các phần tử chia lưới ở trên Vào biểu tượng components, chọn update, comps là components chứa phần tử, no card image và property = stem

Hình 4.40 Gán property chuôi cho các phần tử lưới

Bước 4: Đặt các lực trên khớp háng

- Chọn biểu tượng Load Collectors Tạo 4 load collectors là Luc X, Luc Y ,Luc Z và Fix Chọn biểu tượng load collectors/ create Loadcol name = Luc X, no card image và nhấn create Làm lại 3 lần như thế đối với Y, Z, Fix

Hình 4.41 Tạo load collectors force_X

Trong cây thành phần trong thanh công cụ Model Browers có 4 thành phần lực đã thiết lập khi nãy Chọn 1 lực nhấp chuột phải chọn Make Current và tiến hành chọn điểm đặt, phương chiều và độ lớn cũng như là loại lực

Hình 4.42: Cách chọn lực để thiết lập các thông số cho nó Đặt lực cho force_X Kích hoạt load collectors force_X bằng cách chuột phải vào nó và chọn make current Vào analysis/ forces, chọn create Chọn tất cả các node như hình dưới bằng cách chọn “on plane”.Magnitude là độ lớn của lực đặt lên 1 node, vì thế sẽ lấy độ lớn chia cho số nodes (136 nodes).Chọn phương x-axis.Uniform size là độ lớn biểu thị trên màn hình

Tương tự cho force_Y là 1141/136N và force_Z là -2705.96/136

Hình 4.43 Đặt lực tác động lên mặt đầu côn

Hình 4.44: Các node chọn để đặt lực và lực được đặt lên các node

- Kích hoạt load collectors fix để gán ràng buộc cho chi tiết Vào analysis/ constraints, chọn create Chọn các nodes như hình dưới, load types chọn SPC (Single-point constraints) Tích vào 6 cái dof (ràng buộc cứng 6 bậc tự do) dof: degree od freedom (bậc tự do) Dấu (v) thể hiện bậc tự do bị ràng buộc dof 1, 2, 3: chuyển động thẳng theo phương x, y, z dof 4, 5, 6: chuyển động quay tròn theo phương x, y, z

Tạo 3 loadstep có tên là phương_X, phương_Y, phương_Z Vào trang analysis/ loadstep Tích vào SPC và LOAD, SPC chọn load collectors là Fix, LOAD chọn load collectors là Luc X Type là linear static (tĩnh tuyến tính)

Tương tự cho 2 cái còn lại

Tiến hành lưu file chuẩn bị cho phần phân tích mỏi

4.2.3 Cài đặt các thông số phân tích mỏi, giải bài toán và phân tích kết quả

GIA CÔNG KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN CÓ XI MĂNG

5.1 Khảo sát công nghệ gia công chuôi khớp không xi măng

Sau khi thiết kế xong, quá trình sản xuất bắt đầu.Sản xuất đã được giúp đỡ trong vài năm qua với các hệ thống CAD-CAM.Hệ thống CAD – CAM này đã giúp các kỹ sư có tay nghề cao trong các nhà máy sản xuất chỉnh hình Chi tiết cấy ghép thường được thực hiện theo một trong hai phương pháp: 1) Đúc mẫu chảy (đúc chính xác) hoặc 2) Gia công cắt gọt Đúc mẫu chảy là quá trình mà một hình dạng cụ thể được chế tạo (ví dụ một bộ phận của KHTP).Một khuôn bằng gốm được chế tạo để tạo ra các hình dạng này.Sau khi hoàn tất khuôn, hình dạng được loại bỏ khỏi khuôn Một khớp giả được định hình bằng cách đổ kim loại nóng chảy vào khuôn Sau khi kim loại này khô cứng, khuôn gốm bị phá vỡ để lấy mẫu chuôi khớp giả ra

Vì vậy, một khuôn đúc mẫu chảy được chế tạo trong lĩnh vực chỉnh hình Chi tiết chuôi sau khi đúc có bề mặt thô nên sau đó nó được đánh bóng, và một lớp phủ xốp được thêm vào nếu muốn Chuôi khớp sau đó được gia nhiệt đến ngay dưới nhiệt độ nóng chảy của nó với áp suất được áp dụng cho các bề mặt xốp Quá trình này, được gọi là thiêu kết Sau đó chuôi khớp được làm mát, cuối cùng nó được đánh bóng

Một số kim loại và hình dạng (đặc biệt là titan) được gia công thành hình dạng cuối cùng thì nhanh hơn và chính xác hơn so với được thực hiện với đúc mẫu chảy Với kỹ thuật gia công này, một thiết kế được đưa vào một máy phay hay máy tiện được điều khiển bằng máy tính.Sử dụng máy phay hay máy tiện CNC để gia công ra hình dáng chuôi khớp Sau khi gia công xong thì có thể thêu kết trên bề mặt của nó một lớp xốp nếu muốn

5.1 1 Giới thiệu quy trình chế tạo chuôi khớp háng toàn phần không xi măng bằng Titan

Bộ phận kiểm tra chất lượng cẩn thận kiểm tra vật liệu bằng Titan Sau đó vật liệu này được phân tích và kiểm tra sức bền Titan được lưu trữ cho đến khi được sử dụng

Hợp kim titan được làm nóng và những mẫu đạt chất lượng đem đun nóng và cán thành hình côn

Hình 5 2 Phôi sau khi được cán kéo.[12] Hình 5 3 Phôi được cho vào lò gia nhiệt.[12]

Trong xưởng rèn, máy tính giám sát nhiệt độ rèn của vật liệu Tiếp theo, rèn chính xác được diễn ra qua ba giai đoạn: uốn, rèn thô và rèn tinh Sau đó chi tiết chuôi được làm sạch bavia để tạo hình dáng khớp háng

Hình 5 4 Chi tiết chuôi được gia công trên máy dập nóng.[12]

5.1.1.4 Phay và làm tinh bề mặt:

- Các dữ liệu sản xuất chuôi khớp được nhập vào máy tính điều khiển ở trung tâm gia công CNC mà nó được trang bị với các dụng cụ đặc biệt.Chi tiết được gia công trên máy CNC mất từ 15 đến 20 phút.Sau khi gia công xong, chuôi khớp được kiểm tra và đo chính xác

- Phay để lại một bề mặt thô trên chi tiết Nó được làm bóng bề mặt một cách tự động trong máy nghiền mà ở đó có các mảnh gốm và dung dịch bôi trơn sẽ loại bổ bề mặt thô đi Quá trình này mất khoảng một vài phút Chỉ khi nào tất cả các bề mặt của chi tiết thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật thì mới chuyển sang bước chế tạo kế tiếp

5.1.1.5 Gia công phần côn và mài chuôi khớp

Phần côn của chuôi khớp thì được gia công cực kỳ cẩn thận vì phần này ảnh hưởng đến việc lắp ghép giữa chỏm xương đùi và phần chuôi Chính vì vậy nó được đòi hỏi phải gia công thật chính xác Máy tiện CNC được sử dụng để gia công chính xác đường kính phần côn chuôi khớp cũng như đảm bảo được độ nhám và độ tròn của chi tiết

Sau khi phay thì bề mặt gồ ghề nên ta đi mài lại với máy mài bằng vụn ceramic và

Hình 5 5 Chi tiết chuôi sau khi rèn nóng.]

Hình 5 6.Chuôi sau khi phay.[12] Hình 5 7 Chi tiết chuôi sau khi làm tinh bề mặt.[12]

Hình 5 8 Gia công phần côn.[12]

Hình 5 10.Chuôi sau khi mài.[12]

5.1.1.6 Phủ plasma và hoàn tất

Robot phủ plasma phủ lên phần trên của chuôi bằng cách phun bột titan nguyên chất trên bề mặt oxit trong buồng chân không Bột titan va chạm với các chi tiết với tốc độ rất cao Do đó các phần tử bột titan vỡ ra bám trên bề mặt chuôi khớp tạo thành bề mặt xốp mịn thô với tính ổn định cao Sau đó nó được kiểm tra và đo ví dụ: đo độ dày, độ xốp, độ bền tróc của lớp phủ Sau đó khớp háng được dán nhãn bằng chùm tia laser Mã số là một phần đặc biệt quan trọng vì nó được xem như là tiểu sử của chuôi khớp

Hình 5 12.Chuôi sau khi phủ Plasma.[12]

Hình 5 13 Chuôi khớp hoàn chỉnh.[12]

5.1.1.7 Làm sạch, đóng gói và khử trùng:

Chuôi khớp được làm sạch trong một cơ sở rửa liên tục, sau đó nó được đưa vào một căn phòng sạch sẽ, trong đó công nhân mặc quần áo bảo hộ đặc biệt Trong phòng sạch, chuôi khớp được đóng gói trong bao bì với hai lớp sơ cấp và thứ cấp Sau đó nó được đóng gói trong bao bì bên ngoài và được dán nhãn trong bước thứ hai bên ngoài phòng sạch

Chuôi khớp sau đó được khử trùng bởi một công ty chuyên về kỹ thuật tiệt trùng bằng tia gamma.[12]

Hình 5 14 Chuôi được tiệt trùng.[12]

5.1.2 Giới thiệu quy trình chế tạo chỏm và chảo của khớp háng bằng Ceramic

Ngày nay, chỏm và chảo của khớp háng được chế tạo bằng gốm sứ ngày càng phổ biến Sau đây là quy trình chế tạo chỏm và chảo khớp háng bằng gốm:

Hình 5.16 Quy trình chế tạo chỏm và chảo bằng Ceramic

Bột nhôm oxit được nén lạnh đẳng tĩnh ở áp suất khoảng 150 MPa để tạo thành khối trụ đặc Sau đó khối trụ này được thiêu kết ở nhiệt độ 800 0 C Sau khi thiêu kết nó được gia công trên máy CNC để tạo ra chỏm và chảo khớp háng Sau đó chỏm và chảo được thiêu kết khoảng 2 giờ với ở các nhiệt độ khác nhau là 1550,1600,1650 0 C Kế đến là chúng được mài và đỏnh búng để đạt được độ búng theo yờu cầu là Ra = 0,05 àm Kế tiếp là chỳng được kiểm tra bằng máy CMM và sau đó được khắc mã số quản lý bằng tia laser Cuối cùng chúng được làm sạch trong một bể chứa dung dịch làm sạch.[16]

Hình 5.17 Bột được nén đẳng tĩnh thành Hình 5.18 Chỏm và chảo ceramic được gia công

Làm sạch khối trụ đặc trên máy tiện CNC

Hình 5.19 Chỏm và chảo trước khi được thiêu kết Hình 5.20 Chỏm và chảo sau khi được thiêu kết ở nhiệt độ 1600 0 C

Hình 5.21 Mài bóng chỏm Hình 5.22 Kiểm tra chảo

Hình 5.23 Khắc mã số trên chỏm Hình 5.24 Làm sạch

5.1.3 Giới thiệu quy trình chế tạo chảo bằng UHMWPE 5.1.3.1 Quy trình

Hình 5.25 Quy trình 1 chế tạo chảo bằng UHMWPE

Bột nhựa được rót vào phễu của máy đùn, và bột nhựa được nung nóng chảy trong khuôn đùn Sau đó nó được đùn thành khối trụ để chuẩn bị cho bước gia công

Hình 5.26 Đùn bột nhựa thành khối trụ.[11]

Sau khi tạo ra được khối trụ thì khối trụ này được đưa lên máy tiện CNC để gia công ra hình dáng chảo trong theo yêu cầu kỹ thuật

Hình 5.27 Gia công chảo trên máy tiện CNC

Sau khi tạo ra hình dáng chảo trong thì nó được đem đi tôi luyện Để tăng cơ tính của chi tiết chảo thì nó được đun nóng đến nhiệt độ 135 – 138 0 C trong lò vi sóng Sau đó nó được làm lạnh với tốc độ là 5 0 C/h đến ít nhất là 65 0 C Cuối cùng nó được bọc trong lớp cách nhiệt trong 24 giờ để đạt được nhiệt độ phòng.[11]

Cuối cùng của quy trình này là chảo trong được đem đi kiểm tra bằng máy CMM

Hình 5.29 Quy trình 2 chế tạo chảo bằng UHMWPE

3 MÔ PHỎNG VÀ GIA CÔNG KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN

KHTP gồm những chi tiết 3D phức tạp nên việc chế tạo rất khó khăn Do đó để hạn chế hư hỏng chi tiết trong quá trình gia công cần phải mô phỏng gia công trước Sau đây là một số hình ảnh mô phỏng gia công KHTP trên phần mềm Mastercam

Hình 3.1 Mô phỏng gia công chuôi khớp

Hình 3.2 Mô phỏng gia công chỏm

Hình 3.3 Mô phỏng gia công chén

Gia công KHTP trên máy phay và máy tiện CNC DooSan (hình 3.5) Dưới đây là hình ảnh của KHTP được gia công (hình 3.6).