Nghiên cứu phương pháp thiết kế chi tiết 3d cấy ghép trên xương người sử dụng vật liệu peek sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THÀNH QUYẾT TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CHI TIẾT 3D CẤY GHÉP TRÊN XƯƠNG NGƯỜI SỬ DỤNG VẬT LIỆU PEEK SINH HỌC Chuyên ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Mã số:17BKH- CĐT 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN VĂN VINH HÀ NỘI – Năm 2019 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết có Luận văn thân thực hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Vinh, số liệu kết thực nghiệm trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà nội, ngày tháng năm 2019 Người thực Nguyễn Thành Quyết Nguyễn Thành Quyết Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Vinh người thầy tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian, tâm sức trao đổi góp ý tơi q trình thực luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Thị Kim Cúc bạn sinh viên phòng lab 307 C45- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Cuối cùng, quan trọng lòng biết ơn xin gửi tới Gia Đình tơi, người thân u chia sẻ, gánh vác công việc để yên tâm hoàn thành luận văn Tác giả Nguyễn Thành Quyết Nguyễn Thành Quyết Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .8 ĐẶT VẤN ĐỀ 11 + Mục tiêu nghiên cứu 13 + Phương pháp nghiên cứu .13 + Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: 13 + Cấu trúc luận văn 14 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP XƯƠNG NGƯỜI SỬ DỤNG VẬT LIỆU PEEK SINH HỌC .15 1.1 Kết nghiên cứu phương pháp cấy phép xương người sử dụng vật liệu PEEK sinh học giới Việt Nam .15 1.1.1 Kết nghiên cứu giới 15 1.1.2 Kết nghiên cứu Việt Nam 17 1.2 Vật liệu nhựa PEEK sinh học 19 1.3 Phương pháp thiết kế dựng mảnh vá xương lấy mẫu từ xương tổn thương 24 CHƯƠNG II: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CHI TIẾT 3D MẢNH GHÉP KHUYẾT XƯƠNG .28 Nguyễn Thành Quyết Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 2.1 Nghiên cứu xây dựng phương pháp thiết kế mảnh ghép xương từ liệu Dicom 28 2.2 Nghiên cứu thực nghiệm phương pháp thiết kế mảnh ghép xương sọ từ liệu Dicom .31 2.3 Đặc điểm thiết kế số sản phẩm theo công nghệ chế tạo gia công 3D .36 2.3.1 Đặc điểm thiết kế, chế tạo khuôn mảnh vá hộp sọ công nghệ ép phun 3D .37 2.3.2 Định hướng thiết kế, chế tạo khuôn lồi cầu xương hàm công nghệ in 3D 40 2.4 Đo lường kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm 43 Kết luận chương II: .45 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM MẢNH GHÉP XƯƠNG SỌ VÀ HỐC MẮT 46 3.1 Thiết kế thực nghiệm mảnh vá xương hộp sọ 46 3.1.1 Khái niệm mảnh vá hộp sọ 46 3.1.2 Cách dạng hư hỏng mảnh vá hộp sọ 46 3.1.3 Yêu cầu mảnh vá khuyết sọ .48 3.1.4 Quy trình thiết kế .49 3.2 Thiết kế thực nghiệm mảnh vá xương hốc mắt .59 3.1.1 Khái niệm mảnh vá xương hốc mắt 59 3.1.2 Cách dạng hư hỏng mảnh vá xương hốc mắt 60 3.1.3 Yêu cầu mảnh vá xương hốc mắt 60 3.1.4 Quy trình thiết kế .60 Nguyễn Thành Quyết Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 3.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ ỨNG DỤNG THỰC TẾ .63 3.3.1 Ứng dụng thực tế phương pháp thiết kế vào số bệnh nhân bị hội chứng khuyết xương 63 Kết luận chương III .73 Kết chung 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 Nguyễn Thành Quyết Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC BẢNG Bảng Một số tính nhựa PEEK so với loại nhựa nhiệt dẻo cao cấp khác 22 Bảng 2: So sánh phương pháp thiết kế từ dicom với phương pháp lấy mẫu trực tiếp từ vết tổn thương .30 Bảng 3: Đặc điểm thiết kế mảnh vá khuyết xương theo công nghệ chế tạo .36 Nguyễn Thành Quyết Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mảnh vá hộp sọ phổ thơng PEEK dạng tạo hình sẵn 18 Hình 1.2: Miếng vá titan 19 Hình 1.3: Hình ảnh bệnh nhân mắc hội chứng khuyết sọ 20 Hình 1.4 Phương pháp thiết kế theo cơng nghệ cũ 25 Hình 2.1: Phương pháp thiết kế từ liệu dicom .29 Hình 2.2: Sơ đồ bước thực thiết kế mảnh khuyết xương 31 Hình 2.3: Ảnh DICOM bệnh nhân bị chấn thương xương sọ 33 Hình 2.4: Ảnh 3D thu sau tải ảnh DICOM vào phần mềm 33 Hình 2.5: Mơ hình 3D xương sọ .34 Hình 2.6: Mơ hình 3D xương sọ sau loại bỏ thông tin không cần thiết .35 Hình 2.7: Mơ hình xương sọ sau tái tạo 35 Hình 2.8 Mơ hình 3D mảnh vá sọ .36 Hình 2.9 Qui trình dự kiến chế tạo mảnh vá hộp sọ 37 Hình 2.10 Qui trình dự kiến chế tạo mảnh vá lồi cầu xương hàm công nghệ in 3D 40 Hình 2.11 Quy trình đo lường kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm 43 Hình 3.1 Hình ảnh bệnh nhân bị khuyết sọ tai nạn 47 Hình 3.2 Hình ảnh bệnh nhân bị tiêu xương phép xương tự thân .47 Hình 3.3: Đặc điểm mảnh vá hộp sọ 49 Hình 3.4 Quy trình thiết kế mảnh vá hộp sọ .50 Nguyễn Thành Quyết Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.5 Hình ảnh liệu điểm 3D bệnh nhân chụp bệnh bệnh nhân sau chụp cắt lớp 51 Hình 3.6 Ảnh 3D tổn thương xương sọ bệnh nhân 51 Hình 3.7 Loại bỏ phần phần mảnh vá xương tự thân .52 Hình 3.8 Phần vỏ hộp sọ bệnh nhân sau loại bỏ phần ghép xương tự thân 52 Hình 3.9 Tiến hành tái tạo lại phần xương khuyết nhờ biên dạng vỏ hộp sọ .53 Hình 3.10 Phần vỏ hộp sọ sau tiến hành vá .53 Hình 3.11 Tiến hành tách phần mảnh vá hộp sọ 54 Hình 3.12 Hình ảnh mảnh vá hộp sọ 54 Hình 3.13 dạng bề mặt mảnh vá hộp sọ .55 Hình 3.14 Lắp phần mảnh vá vào phần vỏ hộp sọ 55 Hình 3.15 Tạo độ dày cho phần mảnh vá hộp sọ 56 Hình 3.16 Mảnh vá hộp sọ sau tạo độ dày lắp trở lại hộp sọ 56 Hình 3.17 Tạo phần tai bắt vít mảnh vá hộp sọ 57 Hình 3.18 Hình ảnh mảnh vá hộp sọ sau thiết kế .57 Hình 3.19 Hình ảnh mảnh vá hộp sọ vỏ hộp so in công nghệ in 3D 58 Hình 3.20 Hình ảnh mảnh xương ghép cơng nghệ ép phun 59 Hình 3.22 Tổn thương tụt sàn hốc mắt xem sạng 3D .61 Hình 3.23 Tái tạo sàn hốc m .61 Hình 3.24 Tái tạo sàn hốc mắt 62 Hình 3.31 Ảnh chụp bệnh nhân 63 Nguyễn Thành Quyết Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.3.3: Thiết kế hai mảnh ghép từ liệu phục dựng 3D 64 Hình 3.3.5 Ảnh bệnh nhân sau phẫu thuật ghép 65 Hình 3.3.6 Ảnh bệnh nhân trước điều trị 65 Hình 3.3.7 Hình ảnh mảnh vá hộp sọ 66 Hình 3.3.8 Ảnh bệnh nhân sau phẫu thuật .67 Hình 3.3.9: Ảnh phục dựng 3D tổn thương bệnh nhân 67 Hình 3.3.10 Ảnh thiết kế mảnh ghép từ vùng tổn thương 68 Hình 3.3.11: Ảnh file thiết kế mảnh vá hộp sọ 68 Hình 3.3.12: Hình ảnh hộp sọ bệnh nhân sau tái tạo lại phần khuyết .69 Hình 3.3.14 : Hình ảnh dựng 3D sọ não bệnh nhân thứ hai bị bệnh khuyết sọ .70 Hình 3.3.15: hình ảnh hộp sọ bệnh nhân sau tái tạo lại phần khuyết sọ .70 Hình 3.3.1: Hình ảnh hộp sọ bệnh nhân sau tái tạo lại phần khuyết sọ .71 Hình 3.3.17: Hình ảnh dựng 3D sọ não bệnh nhân thứ ba bị bệnh khuyết sọ 72 Hình 3.3.18 Ảnh file thiết kế mảnh vá hộp sọ bệnh nhân 72 Hình 3.3.19 Ảnh chi tiết mảnh ghép in nhựa thường công nghệ in 3D 73 Nguyễn Thành Quyết 10 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.24 Tái tạo sàn hốc mắt Hình 3.24 Hình ảnh thể sàn hốc mắt bệnh nhân sau tái tạo lại ta tiến hành lấy lại độ dày cho sàn hốc mắt đảm bảo sàn hốc mắt dày khoảng mm bác sĩ chủ yếu phẩu thuật phần sàn hốc mắt xương tự thân thiết kế dùng để in 3D cho bác sĩ phẩu thuật dùng miếng xương tự thân tiến hành gọt dũa lại cho phần biên dạng với phần thiết kế Nguyễn Thành Quyết 62 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học 3.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ ỨNG DỤNG THỰC TẾ 3.3.1 Ứng dụng thực tế phương pháp thiết kế vào số bệnh nhân bị hội chứng khuyết xương a) Trường hợp bị tổn thương sọ điều trị cấy ghép mảnh sọ nhựa PEEK ứng dụng công nghệ thiết kế chế tạo 3D Hình 3.31 Ảnh chụp bệnh nhân Hình 3.3.2 Ảnh phục dựng 3D tổn thương bệnh nhân Hình 3.3.1 Là ảnh chụp bệnh nhân bị tai nạn giao thông bi hai phần xương hộp sọ trường hợp bệnh nhân Việt Nam áp dụng phương pháp thiết kế Hình 3.3.2 ảnh liệu chụp 3D bệnh nhân ta thấy tổn thương bệnh nhân nhìn liệu 3D lớn không gây thẩm mĩ mà ảnh hưởng lớn đến sức khỏe Nguyễn Thành Quyết 63 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.3.3: Thiết kế hai mảnh ghép từ liệu phục dựng 3D Hình 3.3.3 ảnh chup liệu 3D mảnh vá hộp sọ sau thiết kế cho bệnh nhân ta thấy kích thước tổn thương bệnh nhân lớn Hình 3.3.4 In mẫu phần phục dựng mảnh ghép chế tạo nhựa PLA Hình 3.3.4 Ảnh chụp file 3D bệnh nhân in mẫu công nghệ in 3D sử dụng nhựa PLA mẫu in dùng cho việc đối chiếu kết thiết kế với yêu cầu bệnh nhân Nguyễn Thành Quyết 64 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.3.5 Ảnh bệnh nhân sau phẫu thuật ghép Hình 3.3.5 Đây ảnh chụp bệnh nhân sau tuần đầu phẫu thuật ta thấy diện mạo bệnh nhân chở dáng vẻ ban đầu điều giúp cho bệnh nhân sớm trở với sống b) Trường hợp thứ theo bệnh nhân bị tổn thương mô xương vùng trán mắt bên phải Hình 3.3.6 Ảnh bệnh nhân trước điều trị Nguyễn Thành Quyết 65 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.3.6 thể bệnh nhận bị tai nạn tôn thương mô xương vùng trán mắt bên phải Hình 3.3.7 Hình ảnh mảnh vá hộp sọ Hình 3.3.7 ảnh chụp mẫu in 3D phần vỏ xương hộp sọ với phần miếng vá làm nhựa PLA bên trai nhựa PEEK bên phải ta thấy miếng hồn tồn ăn khít với vỏ hộp sọ bệnh nhân Nguyễn Thành Quyết 66 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.3.8 Ảnh bệnh nhân sau phẫu thuật c) Trường hợp bệnh nhân bị tổn thương sọ phía bên trái ghép mảnh sọ tự thân sau vài năm mảnh sọ bị tiêu có nguy sập lún Hình 3.3.9: Ảnh phục dựng 3D tổn thương bệnh nhân Nguyễn Thành Quyết 67 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.3.10 Ảnh thiết kế mảnh ghép từ vùng tổn thương a, b, Hình 3.3.11: Ảnh file thiết kế mảnh vá hộp sọ a, ảnh phía mặt ngồi mảnh sọ b, ảnh phía mặt mảnh sọ Nguyễn Thành Quyết 68 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.3.12: Hình ảnh hộp sọ bệnh nhân sau tái tạo lại phần khuyết Hình 3.3.13 Ảnh file thiết kế mảnh vá hộp sọ c) Trường hợp thứ bệnh nhân bị khuyết phần xương sọ chán tai nạn Nguyễn Thành Quyết 69 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.3.14 : Hình ảnh dựng 3D sọ não bệnh nhân thứ hai bị bệnh khuyết sọ Hình 3.3.15: hình ảnh hộp sọ bệnh nhân sau tái tạo lại phần khuyết sọ Nguyễn Thành Quyết 70 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.3.1: Hình ảnh hộp sọ bệnh nhân sau tái tạo lại phần khuyết sọ c) Trường hợp thứ bệnh nhân bị khuyết phần xương sọ chán tai nạn Nguyễn Thành Quyết 71 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.3.17: Hình ảnh dựng 3D sọ não bệnh nhân thứ ba bị bệnh khuyết sọ Hình 3.3.18 Ảnh file thiết kế mảnh vá hộp sọ bệnh nhân Nguyễn Thành Quyết 72 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.3.19 Ảnh chi tiết mảnh ghép in nhựa thường công nghệ in 3D Kết luận chương III Chương luận văn trình bay chi tiết quy trình thiết kế thể mảnh vá khuyết xương mảnh vá có quy trình khác phần liệu đầu vào nhiên tự chung lại tái tạo lại phân xương bị khuyết bệnh nhân từ tách phần mảnh vá khuyết xương.sau tùy yêu cầu cụ thể đói với mảnh vá khuyết xương bác si u cầu ta sủa mảnh vá khuyết xương cho đảm bảo phần biên dạng,hình dáng hình học, đảm bảo công nghệ chế tạo Luận văn trình bày số kết việc ứng dụng kết luận văn vào việc chế tạo mảnh vá khuyết xương dùng số bệnh nhân mắc hội chứng khuyết sọ Kết khám lâm sàng bệnh nhân đạt kết khả quan việc cấy ghép Mức độ thẩm mĩ người bệnh tốt nhiều so với trước phẫu thuật Nguyễn Thành Quyết 73 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Kết chung Luận văn nghiên cứu phương pháp tạo hình mảnh vá khuyết xương từ luận tác giả nghiên cứu cải tiến giúp hoàn thiện phương pháp thiết kế mảnh vá ghép xương Rút ngắn thời gian thiết kế so với phương pháp cũ mà lại đảm bảo độ xác biên dạng, hình dáng hình học ngồi cịn đảm bảo tính thẩm mĩ mảnh ghép xương Luận văn đề phương pháp thiết kế mảnh vá khuyết xương từ ứng dụng kết vào thiết kế số mảnh vá khuyết xương ứng với bệnh nhân Từ áp dụng kết thiết kế vào gia công chế tạo chi tiết Nguyễn Thành Quyết 74 Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo [1] S M Kurtz, Chemical and Radiation Stability of PEEK Elsevier Inc., 2012 [2] C Polzin, S Spath, and H Seitz, “Characterization and evaluation of a PMMA-based 3D printing process,” Rapid Prototyp J., vol 19, no 1, pp 37–43, 2013 [3] M Saini, “Implant biomaterials: A comprehensive review,” World J Clin Cases, vol 3, no 1, p 52, 2015 [4] A D Schwitalla, M Abou-Emara, T Spintig, J Lackmann, and W D Müller, “Finite element analysis of the biomechanical effects of PEEK dental implants on the peri-implant bone,” J Biomech., vol 48, no 1, pp 1–7, 2015 [5] A Katzer, H Marquardt, J Westendorf, J V Wening, and G von Foerster, “Polyetheretherketone cytotoxicity and mutagenicity in vitro.,” Biomaterials, vol 23, no 8, pp 1749–59, 2002 [6] C Basgul et al., “Intervertebral Lumbar Cages Produced using Fused Filament,” vol 33, no 14, pp 2040–2051, 2019 [7] H Rotaru et al., “Reconstruction of the Calvarial Defects Using CustomMade Cranioplasty Plates,” Tmj, vol 57, no 1, pp 16–20, 2002 [8] C H Le et al., “Personalised medical product development: Methods, challenges and opportunities,” Rom Rev Precis Mech Opt Mechatronics, vol 3, no 40, pp 11–20, 2011 [9] S M Kurtz and J N Devine, “PEEK biomaterials in trauma, orthopedic, and spinal implants,” Biomaterials, vol 28, no 32, pp 4845–4869, 2007 [10] P Honigmann, N Sharma, B Okolo, U Popp, B Msallem, and F M Thieringer, “Patient-Specific Surgical Implants Made of 3D Printed PEEK: Material, Technology, and Scope of Surgical Application,” Biomed Res Int., vol 2018, pp 1–8, 2018 Nguyễn Thành Quyết 75 Đại học Bách Khoa Hà Nội [11] Luận văn thạc sĩ khoa học cộng Bùi công khê, “Kết ứng dụng lâm sàng mảnh vá khuyết sọ kích thước lớn chế tạo theo cơng nghệ 3D,” Tạp chí y học thực hành, no số 692+693., 2009 [12] N D T Bùi công khê, Lưu Xuân Quyết, “Kết bước đầu nghiên cứu thiết kế, chế tạo ứng dụng phẫu thuật tạo hình thay lồi cầu thân xương hàm vật liệu y sinh C-PEEK Việt Nam,” Tạp chí y học thực hành, no số 959, pp 29–33, 2015 Nguyễn Thành Quyết 76 ... GHÉP XƯƠNG NGƯỜI SỬ DỤNG VẬT LIỆU PEEK SINH HỌC .15 1.1 Kết nghiên cứu phương pháp cấy phép xương người sử dụng vật liệu PEEK sinh học giới Việt Nam .15 1.1.1 Kết nghiên cứu giới ... quan phương pháp cấy ghép xương người sử dụng vật liệu peek sinh học CHƯƠNG II: Xây dựng phương pháp thiết kế chi tiết 3D mảnh phép khuyết xương CHƯƠNG III: Thiết kế thực nghiệm mảnh ghép xương. .. Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP XƯƠNG NGƯỜI SỬ DỤNG VẬT LIỆU PEEK SINH HỌC 1.1 Kết nghiên cứu phương pháp cấy phép xương người sử dụng