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

Về kết quả thực tiễn của luận văn Việc chế tạo thiết bị kích thích liền xương sử dụng từ trường xung với giá thành thấp, gọn nhẹ, có thể sử dụng trong gia đình có ý nghĩa thực tiển rất

2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

` ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Ts Huỳnh Quang Linh

Cán bộ chấm nhận xét 1: ………

Cán bộ chấm nhận xét 2:………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày … tháng… năm 2012 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1………

2………

3………

4………

5……… Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

3 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN THỊ NGỌC LAMĐề tài luận văn: KHẢO SÁT TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƯỜNG TRONG KÍCH THÍCH LIỀN XƯƠNG

Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT – Mã ngành 604417

Người nhận xét (họ tên, học hàm, học vị): GVC.TS TRẦN THỊ NGỌC DUNG Cơ quan công tác (nếu có): TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TPHCM

Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Về nội dung và đánh giá thực hiện nghiên cứu của đề tài

Học viên đã thực hiện tốt các mục tiêu đã đặt ra của đề tài nghiên cứu, với các nội dung đã thực hiện như sau:

- Trình bày tổng quan về phương pháp kích thích liền xương bằng từ trường - Cơ chế tác động của từ trường lên mô xương

- Chế tạo thiết bị từ trường xung và tiến hành thí nghiệm trên nhóm gồm 4 thỏ

2 Về phương pháp nghiên cứu, độ tin cậy của các số liệu

Phương pháp nghiên cứu là chuẩn mực Việc điều trị lâm sàng trên thỏ cho phép kiểm chứng hiệu quả của phương pháp Tuy nhiên cần tiến hành khảo sát trên số lượng nhiều hơn để kết quả có ý nghĩa thống kê

3 Về kết quả khoa học của luận văn

4 Đề tài luận văn rất có ý nghĩa khoa học

4 Về kết quả thực tiễn của luận văn

Việc chế tạo thiết bị kích thích liền xương sử dụng từ trường xung với giá thành thấp, gọn nhẹ, có thể sử dụng trong gia đình có ý nghĩa thực tiển rất lớn, đặc biệt đối với những bệnh nhân

khó liền xương như bệnh tiểu đường 5 Những thiếu sót & vấn đề cần làm rõ (nếu có):

Có nhiều lỗi chính tả Cần coi lại việc đánh số và chú thích các hình vẽ.Tài liệu [30] không có năm

6 Ý kiến kết luận ( mức độ đáp ứng yêu cầu đối với LVThS; cho điểm đánh giá LV):

Luận văn đáp ứng yêu cầu của LVThS Điểm: 8.5

7 Câu hỏi của người nhận xét dành cho học viên (nếu có):

Theo học viên, hiện tượng phân cực trong xương do Yasuda và Fukuda phát hiện năm 1950 là cơ sở cho việc áp dụng điện từ trường trong việc tái tạo cấu trúc xương, hãy giải thích rõ

Ngày 10 tháng 9 năm 2012 NGƯỜI NHẬN XÉT

TS TRẦN THỊ NGỌC DUNG

5 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Trong y học phục hồi chức năng, từ trường được sử dụng như một trong các tác nhân vật lý phổ biến để điều trị nhiều chứng và bệnh Để điều trị cho xương nhanh liền, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu thực nghiệm cho thấy tác nhân điện từ trường có khả năng điều trị hiệu quả

Với mục tiêu chế tạo thiết bị từ trường kích thích liền xương nhanh, các nhiệm vụ chính của luận văn được đặt ra như sau:

- Khảo sát tổng quan về cơ chế của từ trường tương tác với mô và xương - Xác định những thông số kỹ thuật về tín hiệu từ trường dựa vào các công bố

trên thế giới tạo cơ sở cho thiết kế thiết bị kích thích liền xương bằng từ trường - Chế tạo mô hình thiết bị từ trường kích thích liền xương với các thông số đã

khảo sát - Thí nghiệm minh họa trên thỏ với mô hình vừa chế tạo

II NGÀY GIAO NHIỆM VU: Tháng 01 năm 2011 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Tháng 12 năm 2011 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HUỲNH QUANG LINH

Tp HCM, ngày tháng năm 2012

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

6

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn TSKH VŨ CÔNG LẬP, nguyên Viện trưởng Viện Vật lý y sinh học, đã định hướng tạo điều kiện để tôi tiếp cận những bước ban đầu với đề tài

Xin chân thành cảm ơn TS HUỲNH QUANG LINH, Trưởng khoa Khoa học ứng dụng, Trường Đại học Bách khoa Tp.Hồ Chí Minh đã động viên, định hướng và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành bản luận văn này

7

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn được tiến hành dựa trên những lý thuyết của y văn thế giới và Việt Nam Về mặt lý thuyết thì từ trường có thể kích thích sinh xương, nhưng để khẳng định lại lần nữa tính đúng đắn của lý thuyết này trong y học thì tác giả đã khảo sát tác dụng của nó lên xương Sau đó tác giả dựa trên các thông số vừa khảo sát chế tạo mô hình thiết bị kích thích liền xương và thử nghiệm trên thỏ Kết quả là nhóm thỏ được điều trị bằng từ trường thì xương liền nhanh hơn và mật độ canxi hóa ở vết gãy cũng cao hơn nhóm thỏ không được điều trị từ trường

ABSTRACT

This thesis was carried out based on the theory of electromagnetic stimulation of bone healing published in worldwide medical literature Theoretically, the magnetic field can stimulate the bone creature, but to reaffirm once again the correctness of this theory in medical application, the thesis has examined its effects on bone creature Author has made based on the mentioned survey a model of device which can be used for stimulation of bone healing and tested on rabbits As a result, for the group of rabbits treated with magnetic field, the bone healing process was faster and the calcification density at the fracture was higher than for the group of rabbits not treated with magnetic field

8

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 10

PHẦN I Tổng quan 13

CHƯƠNG 1 Tổng quan về phương pháp kích thích liền xương bằng từ trường 14

1.1 Các phương pháp kích thích sinh xương 14

1.2Ứng dụng từ trường vào điều trị trên thế giới và Việt Nam 17

CHƯƠNG 2 Cơ chế tác dụng của từ trường lên xương 30

2.1 Tính chất áp điện của xương 30

2.2 Cơ chế tác động của từ trường lên mô xương 34

2.3 Ý nghĩa sinh học của phương pháp điều trị liền xương bằng PEMF 36

2.4 Dạng sóng của PEMF 37

2.5 Cơ chế kích thích sinh xương của từ trường 40

2.6 Các tác dụng khác của từ trường có tác dụng hỗ trợ kích thích liền xương 42

CHƯƠNG 3 An toàn từ trường trong điều trị 44

3.1 Tác động vật lý- Từ trường tĩnh 44

3.2 Tác động vật lý- Từ trường biến đổi theo thời gian 45

3.3 Liều tác dụng của từ trường 46

PHẦN II Kết quả 49

CHƯƠNG 4 Chế tạo thiết bị từ trường kích thích liền xương 50

4.1 Thông số vật lý của từ trường 50

4.2 Mô tả thiết bị 51

9

CHƯƠNG 5 Thí nghiệm chiếu từ trường trên thỏ 61

5.1 Các bước tiến hành thí nghiệm 61

5.2 Nhận xét 65

CHƯƠNG 6 Kết quả và hướng phát triển của đề tài……….63

6.1 Những kết quả chính của luận văn 67

6.2 So sánh thiết bị vừa chế tạo với các thiết bị trên thị trường 67

6.3 Hướng phát triển đề tài 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

10

MỞ ĐẦU

Giới thiệu chung

Trong những năm gần đây, việc điều trị bằng các tác nhân vật lý đã trở nên phổ biến ở Việt Nam Trong vật lý trị liệu người ta thường dùng các tác nhân vật lý chính như sau: cơ, quang, nhiệt, điện từ Tác nhân cơ là sử dụng các phương pháp tác động dựa vào lực cơ học như nén giãn, dao động…, tác nhân quang sử dụng các bức xạ điện từ từ vùng hồng ngoại đến vùng cực tím dựa vào hiệu ứng tương tác của chúng với mô sống, tác nhân nhiệt sử dụng các phương pháp tác động tạo nhiệt độ cao hoặc thấp, tác nhân điện từ sử dụng dòng điện, điện trường, từ trường tác động lên mô sống hoặc cơ quan tạo đáp ứng sinh học phù hợp Đối với tác nhân điện, có điện tần số thấp (f< 1000Hz) , tần số trung bình ( 1kHz< f<1MHz), tần số cao (f ~MHz) Điện từ trường xung thuộc loại điện trị liệu tần số thấp, dùng các điện cực cao su để đưa dòng điện đến mô cơ kích thích các dao động cơ với các tần số phù hợp Còn nếu dùng cuộn dây sẽ tạo ra điện từ trường có dạng sóng theo dạng sóng của máy phát tần số thấp Dưới tác dụng của trường điện từ, trong mô sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng tạo các hiệu ứng sinh học như làm tái sinh mô, vận chuyển các chất cần thiết đến nơi cần điều trị vv… Trong điều trị kích thích liền xương thì tác dụng sinh học lên xương là mục đích mà điện từ trường cần hướng đến Do đó để tạo trường điện từ có tác dụng phù hợp lên xương, xung sóng cần phải có những thông số đặc trưng về độ lớn cảm ứng từ, dạng xung, thời gian phát xung vv…

Hiện nay trên thị trường Việt Nam đã có những thiết bị điện từ trường có chức năng tổ hợp điều trị các bệnh về đau, thần kinh, tim mạch, da liễu, chấn thương chỉnh hình, vv… Phần lớn các thiết bị này lớn phù hợp với chức năng vật lý trị liệu đa năng cho các bệnh viện, phòng khám đa khoa lớn, không phù hợp cho việc điều trị cá nhân tại nhà do tính đa năng và giá thành quá cao so với khả năng và nhu cầu của bệnh nhân

11 Những nghiên cứu và ứng dụng gần đây về việc sử dụng từ trường trong việc hỗ trợ điều trị kích thích liền xương có những thành tựu lớn, đặc biệt giảm đáng kể thời gian phục hồi liền xương kèm với việc thao tác thiết bị dễ dàng với phác đồ điều trị phù hợp, tính an toàn cao, tác dụng phụ có hại cho sức khỏe không có, việc chế tạo các thiết bị chuyên dụng dạng nảy thực sự có nhu cầu cần thiết

Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

Với mong muốn mang lại giải pháp trên cho các bệnh nhân bị chấn thương về xương, đề tài “ Khảo sát tác dụng của từ trường trong kích thích liền xương” được đề ra nhằm khảo sát cơ sở lý luận về việc sử dụng từ trường trong điều trị kích thích liền xương, trên cơ sở đó thiết kế mô hình thiết bị chuyên dụng tiến đến chế tạo thiết bị gia dụng hỗ trợ bệnh nhân điều trị chấn thương về xương Để thực hiện mục tiêu trên, các nhiệm vụ chính được đề ra như sau:

- Khảo sát tổng quan về cơ sở lý luận cho việc điều trị kích thích liền xương bằng tác dụng của từ trường

- Chế tạo mô hình thiết bị sử dụng từ trường kích thích liền xương chuyên dụng

- Thử nghiệm minh họa việc sử dụng thiết bị chế tạo được trên thỏ

Nội dung luận văn bao gồm: phần mở đầu, tài liệu tham khảo, và các chương cụ thể như sau:

PHẦN I: TỔNG QUAN

Chương 1: Tổng quan về phương pháp kích thích liền xương bằng từ trường

Chương 2: Cơ chế tác dụng của từ trường lên xương

Chương 3: An toàn từ trường trong điều trị

PHẦN II: KẾT QUẢ

12 Chương 4: Chế tạo thiết bị từ trường kích thích liền xương

Chương 5: Thí nghiệm chiếu từ trường trên thỏ

Chương 6: Kết quả và hướng phát triển của đề tài

13

PHẦN I TỔNG QUAN

14

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP KÍCH THÍCH SINH XƯƠNG

BẰNG TỪ TRƯỜNG

1.1 Các phương pháp kích thích sinh xương [1, 2, 3, 4, 5]

Để kích thích sinh tạo tế bào xương, có nhiều phương pháp điện và từ được áp dụng sử dụng các hiệu ứng sinh học do điện từ trường gây nên hỗ trợ quá trình làm liền xương một cách nhanh chóng Những phương pháp này có thể sử dụng dòng điện một chiều (DC), điện từ trường dạng xung (PEMF), điện trường kết hợp (CMF), dòng điện xoay chiều (AC), hoặc cặp điện dung (CC) cung cấp tác động kích thích đến vị trí tổn thương Những dòng điện khác nhau được áp đặt vào vết xương gãy thông qua các điện cực (dán hoặc cấy vào da) phát ra với cường độ 10 - 20µA tối ưu cho việc phát triển xương tốt nhất Nếu dòng điện nhỏ hơn 5 µA thì không có phản ứng gì với xương, trong khi dòng lớn hơn 20 µA có thể gây hại cho xương Kết quả của quá trình kích thích xương là gia tăng quá trình sinh tạo xương thông qua sự vôi hóa và khoáng hóa của việc tái tạo mô liên kết xương và gia tăng mạch máu tại chỗ gãy

Các máy kích thích liền xương thường được sử dụng cho việc điều trị các vết gãy khó liền do không đồng nhất và những xương có ứng suất lực tại vết gãy yếu như xương thuyền, xương chày, xương đùi, xương cánh tay và trục xương bàn chân

Các thiết bị kích thích xương này có thể dùng như một liệu pháp hỗ trợ trong phẫu thuật ghép xương Với mỗi phương pháp, dòng điện và năng lượng tương ứng được sử dụng phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau của mỗi người như: kích thước, trọng lượng, khả năng chịu đựng, việc tuân thủ của bệnh nhân và chi phí điều trị Trên thực tế, dòng áp dụng vào vết gãy có thể thay đổi tùy thuộc vào độ sâu và trở kháng của mô Đáp

15 ứng tăng sinh của xương được cho là phụ thuộc vào liều lượng Vì vậy khảo sát đáp ứng của bệnh nhân là rất cần thiết

Dòng một chiều (DC - Direct Current)

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

thuật thứ 2 khi kết thúc điều trị nhưng dây dẫn vẫn còn tại vị trị gãy Dòng điện một

chiều cung cấp một dòng không đổi, đồng nhất tại vi trí gãy trong suốt thời gian sống

của pin, loại trừ được sự phụ thuộc vào bệnh nhân và trở kháng mô

Cặp điện dung (Capacitive Coupling – CC)

Thiết bị sử dụng cặp điện dung sử dụng nguồn pin bên ngoài 9V để cấp nguồn cho 2 điện cực được gắn vào da Thiết bị này phát 5V đỉnh-đỉnh sóng sin tại tần số 60kHz với dòng 5- 10mA tại da và 15 – 20 µA tại chỗ gãy Thiết bị này hoạt động 24 giờ mỗi

ngày và pin 9V được thay đổi hàng ngày

Yếu tố thuận lợi chính của thiết bị này là bệnh nhân dễ dàng áp dụng điện cực da, kích thước và trọng lượng của thiết bị nhỏ Điện cực nằm ngang cho phép dòng điện tác động đến một khu vực tương đối rộng của xương Nhược điểm của thiết bị này là da sẽ bị kích ứng và pin phải thay đổi thường xuyên Thiết bị này chỉ dùng cho những vết gãy ở những vị trí cố định, ít vận động

Điện từ trường xung (Pulse Electromagnetic Fields – PEMF)

16 Dùng một cuộn dây có điện từ trường dạng xung chay qua áp lên vị trí vết gãy Bệnh nhân mang theo pin và điều khiển thiết bị khoảng 10 giờ/ ngày Các cuộn dây này được đặt trực tiếp lên da Máy dùng PEMF là thiết bị đầu tiên kích thích điện từ trường từ bên ngoài, tuy nhiên do máy nặng và kích thước lớn hơn các máy khác nên làm cho bệnh nhân không thích mang theo trong thời gian dài

Từ trường kết hợp (Combined Magnetic Field - CMF)

Loại thiết bị này dùng hệ thống cuộn dây bên ngoài với sự kết hợp giữa dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều để sinh ra cả hai từ trường tĩnh và từ trường xoay chiều Thiết bị CMF có nhiều kích cỡ khác nhau và cuộn dây được thiết kế phù hợp với nhiều vị trí gãy khác nhau Kích thước và sự sắp xếp cuộn dây của CMF giúp bệnh nhân cảm thấy dễ chịu, thiết bị chỉ điều trị 30 phút mỗi ngày

Xung siêu âm- Pulsed Ultrasound

Thiết bị này được áp bên ngoài và bao gồm nguồn pin và đầu phát Thiết bị này có thể tác động trực tiếp lên da đè qua chỗ gãy hoặc qua khoảng mở tại chỗ gãy (nếu cần thiết) Thiết bị dùng xung siêu âm lớn có kích thước lớn hơn các thiết bị trên, nhưng thời gian điều trị ngắn 20 phút/ngày thuận lợi cho việc điều trị của bệnh nhân

Một số kết quả trên thế giới

Những nghiên cứu đã cho thấy hiệu quả của việc dùng các thiết bị trên vào kích thích sinh xương Brighton và Pollack [16] đã có kết quả xuất sắc trong việc sử dụng cặp điện dung điều trị 22 trường hợp tái tạo vết gãy không đồng nhất Thời gian trung bình của những vết gãy không đồng nhất trước khi tiến hành điều trị là 3.3 năm và 17 trong số 22 ca (77%) liền xương với việc kích thích bằng dòng CC sau khi điều trị 22 tuần

Scott [17] đã chỉ ra những cải tiến quan trọng trong việc tăng tốc độ liền xương bằng việc dùng CC (6/10 ca)

17 Benazzo và các cộng sự [13, 14] đã báo cáo kết quả 88% thành công trong việc điều trị rạn xương chi dưới của 25 vận động viên bằng việc kích thích điện trên xương trung bình 52 ngày

Một số tác giả [5] đã ghi nhận tầm quan trọng của hiệu quả điều trị phụ thuộc vào liều lượng áp dụng (cường độ dòng hoặc xung nhân với thời gian điều trị trên một đơn vị khối lượng cơ thể) Tuy nhiên cũng có nhiều ý kiến phản biện về điều đó Brighton và các đồng nghiệp [16] có cho rằng để đáp ứng với kích thích điện có thể liên quan đến một số loại tế bào trong nhiều giai đoạn của chu kỳ tế bào

Basett và cộng sự [18-24] đã giới thiệu kỹ thuật dùng PEMF để kích thích liền xương Kết quả của thực nghiệm có thể so sánh với các phương pháp dùng dòng điện để kích thích với tỉ lệ thành công 72 -87%

1.2Ứng dụng từ trường vào điều trị trên thế giới và Việt Nam 1.2.1 Ứng dụng của từ trường trên thế giới

Việc ứng dụng dòng điện trong việc điều trị kích thích liền xương được ứng dụng rộng rãi nhờ vào những kết quả nhất quán của nghiên cứu sự phát triển của xương trong việc điều trị các tổn thương không đồng nhất hoặc lâu lành

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

Năm 1950, Yasuda và Fukuda [15] lần đầu tiên phát hiện hiện tượng phân cực trong xương, làm cơ sở cho việc áp dụng điện từ trường trong việc tái tạo cấu trúc xương một cách định hướng

18 Basset và cộng sự [19] đã chứng minh khi áp dụng dòng điện và xương thì ở điện cực âm xương bị lõm và ở điện cực dương xương bị lồi do hiệu ứng sinh xương và nguyên bào sợi

Việc ứng dụng điện từ trường dạng xung với tần số thấp ( 3- 3000 Hz) [19 – 21]

Năm 1974, Basett đã giới thiệu kỹ thuật dùng PEMF để kích thích liền xương Kết quả của thực nghiệm có thể so sánh với các phương pháp dùng dòng điện để kích thích với tỉ lệ thành công 72 -87% Năm 1994, nhóm nghiên cứu Viện Vật lý Y sinh Bô Quốc phòng đã điều trị thử nghiệm và có những so sánh hiệu quả điều trị của tần số 72 Hz (Theo Basset năm 1977 với độ rộng xung 0.38 ms) và 75 Hz (theo nhóm của chúng tôi với độ rộng xung 0.3 ms) và đã chứng minh được tỉ lệ liền xương 100% [1]

Nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm áp dụng PEMF dùng để định hình xương xung quanh bề mặt dụng cụ cấy ghép Một dụng cụ cấy ghép được cài vào đùi thỏ trắng Một điện từ trường dạng xung với độ rộng xung 25µs và tần số xung 100 Hz được tác động vào PEMF kích thích trong 4h hoặc 8h/ngày với cường độ cảm ứng 0.2 mT, 0.3 mT hay 0.8mT Động vật sẽ bị giết sau khi cấy 1,2 hay 4 tuần Sau đó nhuộm phần nhựa với 2% chất Fuchsine và 1% methylen blue, các xương mới hình thành xung quanh dụng cụ cấy ghép được đánh giá bằng việc phân tích hình ảnh trên máy tính Mối liên hệ giữa xương và tỷ lệ PEMF có ý nghĩa lớn hơn so với kiểm soát các nhóm Cả hai tỷ lệ kết hợp xương và tỷ lệ diện tích xương khi dùng từ trường 0.2mT và 0.3 mT khi điều trị xương đùi thì có ý nghĩa lớn hơn giá trị tương tự 0,8mT Sẽ không có sự khác biệt đáng kể trong tỷ lệ kết nối xương và tỷ lệ điện tích xương khi PEMF được dùng trong 4h/ngày hay 8h/ngày Mặc dù sau 2 tuần điều trị xương được định hình xung quanh dụng cụ cấy nhiều hơn so với điều trị một tuần nhưng không có sự khác biệt nào giữa 2 tuần và 4 tuần điều trị Những kết quả này cho thấy kích thích PEMF có thể dùng để điều chỉnh định hình xương xung quanh bề mặt của dụng cụ cấy ghép

19 Việc cấy kết hợp xương đã được ứng dụng phổ biến trong nha khoa Sau khi xương được kết hợp, phần siêu cấu trúc sẽ ở trên dụng cụ cấy Bệnh nhân sẽ khó chịu trong khoảng thời gian dài từ lúc cấy ghép và khi hình thành các siêu cấu trúc

Theo Masumoto và một số chuyên gia khác, một vài quy trình ứng dụng điện từ trường được cải tiến để kết hợp xương trong chỉnh hình răng Những quy trình này hướng đến việc chỉnh hình răng sau khi xương đã lành, kết hợp với một số quy trình vật lý và hóa học khác [8]

Điện từ trường xung PEMF là một phương pháp hữu hiệu để chỉnh hình răng và một vài nghiên cứu đã chứng minh tính hữu dụng của phương pháp này trong chấn thương chỉnh hình PEMF làm kích thích xương phát triển trong màng xốp của dụng cụ cấy ghép, được sử dụng trong khớp cấy ít bột hàn răng Bề mặt dụng cụ cấy ghép người ta thường dùng vật liệu có bề mặt nhám hơn là dùng loại có bề mặt xốp

Một số kết quả minh họa trong các hình dưới đây về tác dụng cường độ cảm ứng từ và thời gian điều trị lên hiệu quả ghép tái tạo xương của thỏ [8]

Hình 1.1 Thí nghiệm tác dụng điện từ trường xung (PEMF) trên thỏ [8]

20

Hình 1.2 So sánh tác dụng của các cường độ từ trường khác nhau lên xương thỏ

Hình 1.3 So sánh tác dụng của các cường độ cảm ứng từ khác nhau trong những

khoảng thời gian khác nhau

21

Hình 1.5 (5a-5b) Hình ảnh mô học của xương đùi thỏ có dụng cụ cấy ghép không

điều trị bằng PEMF, và hình ảnh mô học có điểu trị bằng PEMF trong vòng 2 tuần sau khi dùng dụng cụ cấy ghép trên đùi thỏ Xương mới chứa một số lượng lớn các tế bào xương và chúng nằm song song với bề mặt dụng cụ cấy ghép và ở bờ bên trong của lỗ khoan Phần xương mới này được nhuộm màu fuchsin và methylen màu xanh Xương

b Độ phóng đại cao (X 100), thước đo ½ 0.2mm

(6a- 6b).Hình ảnh mô học đại diện nhóm điều trị bằng PEMF trong thời gian 8h/ngày

với cường độ cảm ứng từ 0.3 mT trong 2 tuần Dải cơ (trabecular) xương dày và hình dạng phức tạp Thớ xương trong nhóm này tiếp xúc nhiều với bề mặt dụng cụ cấy ghép hơn nhóm hy sinh 2 tuần sau khi cấy

a Độ phân giải thấp (X 10), thước đo =2mm, b Độ phân giải cao (X100), thước đo = 0.2mm

(7a-7b) Hình ảnh mô học của mẫu xương đùi với dụng cụ cấy ghép nha khoa khi điều

trị với PEMF 8h/ngày với cường độ từ trường 0.8mT trong vòng 2 tuần dải xương mảnh và ít kết nối với bề mặt dụng cụ cấy ghép hơn là từ trường 0.2 mT và 0.3 mT

a Độ phóng đại thấp ( x10) , thước đo =2mm b Độ phóng đại lớn (x100), thước đo =0.2 mm

Những tác động của PEMF lên việc định hình xương như khớp giả, vết gãy lâu lành, vết gãy mới và ghép xương đã được công bố khá nhiều [16-22] nhưng vẫn còn những tồn tại nhưng không có dữ liệu liên quan đến kích thích của PEMF lên vị trí cấy ghép hợp kim titan với bề mặt nhám ở vị trí tiếp xúc giữa hợp kim và xương Nghiên cứu hiện tại chứng minh rằng PEMF điều chỉnh quá trình định hình xương xung quanh vị trí cấy hợp kim titan trên đùi thỏ

Những cuộc điều tra trước đó đã dùng năng lương điện từ trưởng 0.1 – 1.2 mT Năng lượng điện từ trường với cường độ thấp như 0.2mT và 0.3 mT điều chỉnh định hình

23 xương tốt hơn các điện từ trường cao hơn (0.8 mT) như nghiên cứu của Masumoto [8] và nhiều các dữ liệu đã công bố trước đây Công suất của điện từ trường phải được duy trì không đổi trong suốt quá trình điều trị PEMF

Chu kỳ kích thích cũng là một trong những nhân tố quan trọng Ijiri và công sự (1993) đã chỉ ra rằng khi dùng PEMF kích thích 10h/ngày xương sẽ được định hình tốt hơn khi chỉ dùng 5h/ngày Xương mới được hình thành trong vòng 2 tuần điều trị với PEMF, và không có sự khác biệt đáng kể khi điều trị 4 tuần; tuy nhiên sẽ có một sự khác biệt đáng kể khi điều trị bằng PEMF trong vòng 2 tuần và không điều trị bằng PEMF hơn 4 tuần

1.2.2 Ứng dụng từ trường tại Việt Nam

Từ năm 1980, Viện Quân y 108 cùng một số trung tâm khoa học trong nước đã bắt tay tiến hành nghiên cứu đề tài “Chế tạo và ứng dụng từ trường trong y học” Bộ Y tế cũng đồng ý để Trung tâm Vật lý ứng dụng thuộc Viện Khoa học Việt Nam phối hợp với Viện Quân y 108 nghiên cứu ứng dụng đề tài này Bộ Y tế chính thức cho phép lưu hành các sản phẩm chữa bệnh bằng từ trường từ năm 1996 Đến nay, Viện Vật lý - Điện Tử đã sản xuất được hầu hết các sản phẩm từ trường y học tương đương với sản phẩm nước ngoài

Nhiều công trình nghiên cứu khoa học y khoa đã ứng dụng điện từ trường [23, 24] cho thấy, kết quả được nói chung cho kết quả khá tốt, minh chứng phương pháp điều trị an toàn, hiệu quả, rẻ tiền, hiện đại

Tại Viện Vật Lý Y sinh học thuộc Viện Khoa học Kỹ thuật quân sự Bộ Quốc Phỏng, nơi đã nhiều năm nghiên cứu và chế tạo các thiết bị từ trị liệu tần số thấp, ứng dụng điện từ trường chủ yếu được dùng trong việc điều trị các chứng và bệnh về: thần kinh, tâm thần, tiêu hóa, hô hấp, tim mạch, tai mũi họng, răng hàm mặt, da liễu, chấn thương chỉnh hình, phục hồi chức năng, sản phụ khoa vv…

24 Thử nghiệm lâm sàng điều trị kích thích liền xương tại Viện Vật lý Y Sinh học đã khởi sự từ tháng 7/1991 Viện đã tiến hành thử nghiệm lâm sàng với thiết bị Magnomed M300 Kết quả dưới đây trình bày sơ bộ nghiên cứu điều trị thử nghiệm những bệnh nhân kéo dài chi dưới theo phương pháp cố định và nắn chỉnh ngoại vi do bác sĩ Lê Đức Tố thực hiện (xem bảng 1.1[1])

Với tốc độ kéo dài xương là 1mm/ngày, mỗi cm xương kéo dài cần thời gian nắn chỉnh là 10 ngày Thời gian gian đợi từ lúc mổ đặt khung đến khi bắt đầu nắn chỉnh là 5 ngày Trên gần 200 bệnh nhân đã được kéo dài nắn chi trong các thời kỳ trước đây , nhận thấy thời gian từ sau lúc ngừng nắn chỉnh đến khi kết quả X-Quang và khám lâm sàng cho phép tháo bỏ khung trung bình là 20 ngày cho mỗi cm xương kéo dài, vì vậy nếu khoảng cách xương kéo dài là X(cm) thì tổng thời gian bệnh nhân phải mang khug sẽ là Y (ngày) = 5 +10X +20X = 30X + 5; nghĩa là kéo dài chi khoảng 8cm, bệnh nhân sẽ phải chờ đợi một khoảng thời gian chừng ( 30 *8 + 5) ngày, tức là hơn 8 tháng Đây là khoảng thời gian khá dài, bệnh nhân chịu ức chế tâm sinh lý khá lớn Mặt khác việc mang khung kim lại trong thời gian dài như vậy cũng kèm theo những hạn chế cho quá trình phục hồi khối cơ và các khớp của chi mang khung Một số trường hợp lưu kim xuyên xương quá lâu, có thể gây loét da và nhiễm trùng Việc tìm phương pháp rút ngắn thời gian mang khung rõ ràng có ý nghĩa thiết yếu Do vậy họ đã chọn đây là một trong những lĩnh vực đầu tiên để ứng dụng điều trị thử thiết bị điện từ trường xung

Trong thời gian từ 7/1991 đến 7/1992, một số bệnh nhân kéo dài chi đã được điều trị kết hợp với thiết bị M300 Kết quả đánh giá sơ bộ những bệnh nhân đã kết thúc liệu trình điều trị như sau:

trường xung

26

Các thiết bị từ trường trị liệu trên thị trường 1.2.1 Các thiết bị có xuất xứ nước ngoài Hãng sản

-Sự kết hợp của xung và từ trường tĩnh với tỷ lệ điều chỉnh

-Điều biến xung: tăng đột biến, tăng hình sin, tăng hình thang, tăng đối xứng; chuỗi các chương trình, biên độ sóng -Tần số xung: 0-160Hz -Xung cảm ứng tối đa: 125mT

27 Physiomed-

Đức

- Máy cho phép lựu chọn chế độ điều trị khác nhau như: liên tục hoặc ngắt quãng phù hợp nhất với liệu pháp điều trị

- Công suất phát từ trường lớn tới 100 Gauss Máy cho phép điều chỉnh công suất phát từ trường từ 0 đến 100 Gauss rất thuận tiện điều chỉnh cho phù hợp với từng lọai bệnh

- Có nhiều chương trình điều trị tiêu chuẩn được cài đặt sẵn Ngoài ra máy còn cho phép lưu trữ những phác đồ điều trị do bác sỹ sử dụng lưu vào

180.000.000

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật và giá thành các thiết bị từ trị liệu có xuất xứ nước ngoài

1.2.2 Các thiết bị do Việt Nam chế tạo

28

Hãng sản xuất Hình minh họa Thông số kỹ thuật Giá thành

(VNĐ)

Viện Vật Lý Y Sinh học

39.000.000

Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự (Bộ Quốc Phòng)

Máy gọn nhẹ, thuộc loại xách tay có thể sử dụng ở mọi nơi một cách dễ dàng

-Hai đầu phát từ trường (từ cực) dạng chữ U kích thước :75x90

-Dạng từ trường: xoay chiều và xung sin bán chu kỳ

- Dòng I(max) = 1,5A -Tần số: 50Hz/25Hz - Cảm ứng từ ra:400/800 Gauss~ 40mT-80mT -Thời gian làm việc theo chế độ tự động

-Công suất tiêu thụ: 90w

50.000.000

29 khi máy làm việc

220V/50Hz -Kích thước:150x 250x 320

-Trọng lượng:(kể cả 2 cực từ): 5kg

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật và giá thành các thiết bị từ trị liệu do Việt Nam chế tạo

Tất cả các thiết bị trên đều có chức năng tổ hợp,vừa điều trị các bệnh về đau, thần kinh, tim mạch, da liễu, chấn thương chỉnh hình, vv… Không có thiết bị nào thích hợp cho bệnh nhân điều trị kích thích liền xương tại nhà vì giá thành máy cao, máy lớn chỉ thích hợp cho các phòng khám đa khoa, bệnh viện Trong chương 5, luận văn sẽ giải quyết vấn đề này, chế tạo thiết bị từ trường kích thích liền xương với mục đích điều trị cá nhân tại nhà

30

CHƯƠNG 2 CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƯỜNG LÊN XƯƠNG

2.1 Tính chất áp điện của xương [25]

Hình 2.1 Hình phóng đại collagen trong xương

Xương chứa 90% là collagen Việc liền xương và phát triển xương được điều khiển bằng tốc độ khử hydroxyapatite (HA) Quá trình này được công nhận là hoạt động của tạo cốt bào Tạo cốt bào được hấp dẫn bởi lưỡng cực điện sinh ra do hiện tượng áp điện qua quá trình tái định hình xương, đặc biệt là collagen trong xương và nhờ vào kích thích điện hoặc điện từ Mục đích chính của công việc là nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng áp điện của xương vỏ não bị biến dạng đàn hồi collagen, dựa trên quá trình khoáng hóa mà không có tế bào xương

Loại collagen mà nhóm nghiên cứu Ferreira và cộng sự [25] thu được khi khử canxi của xương thỏ sử dụng EDTA 0.5M pH 7.4 Các mẫu hình chữ nhật của collagen của xương được uốn cong để tạo ra hiện tượng áp điện (Hình 2.2.B) và được ngâm trong

31 chất mô phỏng cơ thể (SBF) bằng phương pháp mô phỏng sinh học trong vòng 5 tuần Hiệu ứng này sinh ra điện tích âm trên phần nén gạy ra sự lắng đọng chất khoáng trên bề mặt so với bên bị kéo căng ( tích điện dương)

Mẫu không biến dạng và mẫu biến dạng được phân tích SEM để xác định sự lắng đọng chất khoáng trên cả 2 mặt Các hình ảnh hiển vi SEM của collagen bị biến dạng khi được ngâm trong SBF với những thời gian khác nhau 3, 4 , 5 tuần Hình A tương ứng với việc collagen đã biến dạng khi bị nén sau đó ngâm trong SBF trong 31,5 tuần, nó cho thấy đường liên kết giữa mỗi sợi collagen và cơ chế của quá trình mầm apatite trên những nhánh collagen khác nhau Hình B tương ứng với collagen bị làm biến dạng và ngâm trong 4 tuần trong SBF và có thể quan sát được sự lắng đọng khoáng chất trên mặt bị biến dạng do nén cao hơn rất nhiều trên mặt bị biến dạng do căng

Sự lắng đọng khoáng chất này do hiệu ứng áp điện tạo ra bởi biến dạng trên collagen, gây ra một định hướng lưỡng cực trên collagen Trong các hình 22C.I và 22C.II minh họa chi tiết sự tăng cường khoáng chất trên collagen bị biến dạng do nén và ngâm trong SBF 5 tuần Các hạt apatite bao phủ những sợi collagen được so sánh với collagen bị biến dạng dưới sức căng, trong cùng những điều kiện (ảnh hiển vi C.III), chỉ có một vài hạt khoáng chất phân tán trên bề mặt Có lẽ khoáng chất được chứa trong khu vực của collagen của xương vỏ não khi nén là một giai đoạn tiền thân apatite của tinh thể hydroxyapatite

32

Hình 2.2 Hiện tượng áp điện của xương

Kết quả này đã chứng minh rằng hiệu ứng áp điện gây ra bởi biến dạng collagen và có

thể xem như khởi xướng quá trình khoáng hóa Hiện tượng áp điện của collagen

xương thức đẩy khoáng hóa ở phía bên nén nhiều hơn bên bị ép so với bề mặt không chịu ảnh hưởng trong sự vắng mặt của tế bào xương

Lợi dụng tính chất này của xương, người ta sử dụng cuộn dây với dòng điện biến thiên chạy qua để phát ra từ trường biến thiên, vật dẫn điện được đặt trong từ trường sẽ có dòng điện cảm ứng chạy trong nó Vì có hiện tượng áp điện trong xương nên xương được xem là một vật dẫn điện nên có thể tạo ra dòng điện bên trong xương theo nguyên lý này bằng cách đặt cuộn dây bền ngoài chi

33

Hình 2.3 Hình minh họa kích thích từ trường lên xương

Hình 2.4 Hình minh họa có dòng điện cảm ứng trong xương khi có từ trường bên ngoài đặt vào thông qua cuộn dây

Vào những năm 1980, Brighton, Basset và những người khác đã chứng minh rằng những vết gãy không đồng nhất có thể liền bằng việc dùng điện từ trường để kích thích và đã được FDA (Mỹ) đã chứng nhận đây là phương pháp an toàn và hiệu quả

Những nghiên cứu này đã chỉ ra tác dụng của việc vận chuyển ion canxi, gia tăng 28%, gia tăng giải phóng IGF-II gấp năm lần, gia tăng receptor IGF-II trong nguyên bào xương IFG-I tăng 53% và IGF-II tăng 93% được chứng minh trong điều trị vết gãy ở thỏ Kích thích PEMF làm tăng TGF-β mRNA gấp 3 lần trong xương thỏ Nghiên cứu này đã đề nghị thừa nhận sự gia tăng các nhân tố sinh trưởng được sinh ra bởi PEMF có thể liên quan đến sụn Các nghiên cứu cho thấy số lượng tế bào tăng lên rất có thể là tế bào trung mô, chúng được chọn lọc sớm trong thời gian PEMF kích thích để tăng cường hình thành sụn Sự điều chỉnh tăng 100% TGF-β mRNA, collagen và tổng hợp nguyên bào xương đã được báo cáo trong nghiên cứu nguyên bào xương ở người MG-63 PEMF kích thích gia tăng 130% TGF-β1 trong tế bào xương không đồng nhất Sự điều chỉnh các yếu tố tăng có thể là một mẫu số chung cho các cơ chế kích thích của trường điện từ ở cấp độ mô, được báo cáo bằng nghiên cứu của Brighton, Stevens và Aaron [10]

35

Hình 2.5 Minh họa quá trình vận chuyển Ca2+ để tái tạo xương

Những nghiên cứu in vitro và in vivo gần đây cũng xác nhận lại rằng PEMF làm gia tăng sự hình thành mạch thông qua việc gia tăng gấp 7 lần việc giải phóng FGF-2 ở màng trong

EMF được ứng dụng trong việc làm lành các mô bị tổn thương Mô mềm được làm lành bằng việc sử dụng thiết bị có ghép điện cực trực tiếp, chúng phát ra dạng sóng tương tự thiết bị TENS Tuy nhiên hiệu quả lâm sàng cho thấy PEMF cho hiệu quả rõ ràng nên chúng được sử dụng nhiều

Ngoài việc tái tạo xương, việc ứng dụng EMF còn làm tăng khả năng chữa lành của mô mềm Những tế bào tham gia vào việc tái tạo vết thương được tích điện và dòng DC nội sinh có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc di cư tế bào đến vùng tổn thương Tương tự như tái tạo xương, giả thuyết ban đầu là tín hiệu EMF ngoại sinh có thể tăng cường các tín hiệu điện nội sinh để thúc đẩy vết thương mau lành Có một gợi ý là việc áp dụng EMF bên ngoài có thể tương tác với thương tích hiện tại hoặc có thể kích thích

36 làm tăng đột biến các yếu tố tăng trưởng Cả hai: dòng DC và PEMF được khẳng định trong các báo cáo là có thể giảm phù nề, tăng lưu lượng máu, điều chỉnh các thụ thể của yếu tăng trưởng, tăng cường thu hút bạch cầu trung tính và đại thực bào và di cư tế bào biểu bì, gia tăng nguyên bào sợi và tăng sinh mô hạt

2.3 Ý nghĩa sinh học của phương pháp điều trị liền xương bằng PEMF

Nói một cách rõ ràng, có bao nhiêu tín hiệu PEMF tham gia vào hiệu ứng sinh học, Tại sao chúng có liều tác dụng khác nhau? Thông số của tín hiệu này có tốt hơn những thứ khác? Điện trường, từ trường hay cả hai? Mô đích đóng vai trò như thế nào? Cơ chế lý sinh của sự tương tác của điện từ trường yếu lên mô cũng tương tự như cơ chế truyền dẫn của sinh học Một trong những mô hình đầu tiên được tạo ra bằng cách sử dụng một cách tiếp cận tuyến tính hóa lý, trong đó một mô hình điện hóa của màng tế bào được sử dụng để tiên đoán một loạt các thông số dạng sóng của PEMF có hiệu quả sinh học Cách tiếp cận này giả sử rằng quá trình phụ thuộc vào điện áp, chẳng hạn như vận chuyển ion qua màng tế bào Một vài nghiên cứu cụ thể hơn định lượng phương pháp này bằng việc sử dụng lực Lorenz bao gồm cộng hưởng ion và hiệu ứng Zeeman -Stark

Những tác động sinh học của điện từ trường từ các tín hiệu tương đối yếu (dưới ngưỡng làm ấm và kích thích) được sinh ra bởi điện trường biến đổi theo thời gian E (t), E(t) được sinh ra bởi việc áp dụng từ trường biến đổi theo thời gian B(t) Một số lượng lớn các thiết bị điện từ trường dùng trong lâm sàng được sử dụng hiện nay để tái tạo xương và làm lành vết thương sinh ra 1 -100mV/cm (đỉnh) tại vùng điều trị Có vô số dạng sóng được dùng cho điều trị và có một vấn đề cần được quan tâm đó là liều tác dụng Bước đầu tiên là đánh giá biên độ và liều không gian được sinh ta bởi PEMF tại vị trí điều trị Điều này đã được thực hiện nghiêm ngặt trong phòng thí nghiệm với các cuộn dây được định hướng theo chiều dọc hoặc chiều ngang Mô hình được tạo ra để tính sự phân bố điện áp và dòng điện cảm ứng trong tứ chi của người và các khớp xương Sau đó có báo cáo về quan sát 3 chiều của tín hiệu PEMF ứng dụng trong lâm sàng