Thiết kế khớp háng toàn phần có xi măng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN HỒNG PHONG THIẾT KẾ KHỚP HÁNG TỒN PHẦN CĨ XI MĂNG  Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số ngành: 60 52 04 LUẬN VĂN THẠC SỸ TPHCM, Ngày 21 tháng năm 2013 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa-ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Trần Nguyên Duy Phương Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 29 tháng 07 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS Trần Thiên Phúc PGS.TS Nguyễn Thanh Nam TS Trần Nguyên Duy Phương TS Hồ Triết Hưng TS Tôn Thiện Phương Xác nhận Chủ Tịch Hội đồng dánh giá LV trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn chỉnh sửa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trần Hoàng Phong MSHV: 11040395 Ngày, tháng, năm sinh: 03/03/1985 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số : 60 52 04 I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ KHỚP HÁNG TỒN PHẦN CĨ XI MĂNG II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng hợp kiến thức y sinh liên quan đến việc thiết kế - Sử dụng phần mềm MIMICS để tái tạo hình dáng 3D xương, từ xác định thơng số hình học xương sử dụng cho việc thiết kế - Thiết kế khớp háng toàn phần - Kiểm tra bền mỏi chuôi khớp - Khảo sát biện pháp công nghệ gia công chi tiết khớp - Mô gia công chi tiết khớp dùng phần mềm Mastercam - Chế tạo thử mẫu khớp III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ……/……/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/6/2013 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG Tp HCM, ngày tháng năm 2013 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên chữ ký) ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ (Nhận xét CB hướng dẫn Nhận xét CB phản biện ) Họ tên học viên: Trần Hoàng Phong Đề tài luận văn: Thiết kế khớp háng tồn phần có xi măng Chun ngành: Công nghệ chế tạo máy Người nhận xét (họ tên, học hàm, học vị) : Cơ quan cơng tác (nếu có): Ý KIẾN NHẬN XÉT Về nội dung & đánh giá thực nhiệm vụ nghiên cứu đề tài: Về phương pháp nghiên cứu, độ tin cậy số liệu: Về kết khoa học luận văn: Về kết thực tiễn luận văn: Những thiếu sót & vấn đề cần làm rõ (nếu có): Ý kiến kết luận (mức độ đáp ứng yêu cầu LVThS; cho điểm đánh giá LV): Câu hỏi người nhận xét dành cho học viên (nếu có): Ngày tháng năm 2013 NGƯỜI NHẬN XÉT LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Trần Nguyên Duy Phương tận tâm giúp đỡ, giảng dạy, tạo điều kiện thiết bị, tài liệu kiến thức, trực tiếp hướng dẫn hồn thành Luận văn Tơi xin cảm ơn thầy Bộ mơn chế tạo máy, Khoa khí nhiệt tình truyền thụ giảng, mở mang trí tuệ, để tơi có đủ phương pháp luận thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn TS.BS Lê Đức Tố - Giám đốc Bệnh viện STO Phương Đơng TP.HCM, kỹ sư Nguyễn Huy Hồn tồn thể bạn cao học khóa 2011 nhiệt tình hỡ trợ giúp đỡ tơi hồn thành Luận văn Mặc dù tơi có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn tất nhiệt tình lực mình, nhiên kiến thức cịn có hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận bảo Thầy Cô TP HCM , ngày 21 tháng năm 2013 Học viên Trần Hồng Phong LỜI NĨI ĐẦU Thay khớp háng toàn phần (KHTP) kỹ thuật dùng khớp nhân tạo thay cho khớp háng bị hỏng nặng chỏm xương đùi lẫn ổ cối Từ năm 1964 khớp háng nhân tạo có độ ma sát thấp John Chanrley sáng chế dùng phổ biến toàn giới Ngày nước Âu - Mỹ, thay KHTP thủ thuật thường nhật, đứng sau thủ thuật cắt túi mật Lý đơn giản chất lượng khớp háng nhân tạo bảo đảm độ bền tới 30 năm, mang lại hạnh phúc cho hàng triệu - triệu người bệnh bị tàn phế hư khớp; cần thiết thay phận ví việc "bảo dưỡng" để cỗ máy hoạt động bình thường Ở Việt Nam, thay KHTP thực phổ biến trung tâm chấn thương - chỉnh hình Tuy nhiên Việt Nam có nghiên cứu nhằm xây dựng quy trình thiết kế chế tạo mà dừng lại việc sử dụng ảnh chụp CT/MRI nhờ kinh nghiệm bác sĩ để định chọn phận khớp đặt mua từ nước ngồi phí để thay khớp cho bệnh nhân đắt, khớp đặt mua từ nước ngồi có giá từ 45 đến 100 triệu đồng Những khớp chế tạo theo mô đun nên hạn chế kích cỡ khớp thiết kế theo thể trạng người nước ngồi không phù hợp với người Việt Nam bệnh nhân cụ thể Chính đề tài trình bày nghiên cứu quy trình thiết kế KHTP sử dụng công nghệ để chế tạo khớp Tóm tắt Luận văn trình bày qui trình thiết kế chế tạo mẫu khớp háng tồn phần (KHTP) có xi măng mà theo định bác sĩ, khớp dùng để thay cho bệnh nhân bị thối hóa khớp, dị dạng bẩm sinh, biến dạng khớp sau viêm, nhiễm trùng khớp, gãy cổ xương đùi… Hiện tất khớp háng toàn phần nhập từ nước ngoài, phí đắt Chính nên tác giả thu thập thông tin tham khảo thiết kế khớp háng giới để làm sở cho việc nghiên cứu quy trình thiết kế chế tạo thử mẫu khớp háng toàn phần Tác giả sử dụng phần mềm Mimics, Solidworks để xây dựng nên hình dáng 3D KHTP, từ xác định thơng số hình học khớp háng sử dụng cho việc thiết kế Sau tác giả xác định tải trọng động tác động khớp kiểm tra phá hỏng mỏi chuôi khớp trang wed www.orthoload.com phần mềm Hyperworks Nếu chuôi khớp đạt yêu cầu độ bền mỏi thiết kế 3D khớp sử dụng cho bước chế tạo Abstract This thesis presents the design and manufacturing process of a cemented total hip This artificial hip joint is used to substitute for patients with degenerative joint disease, birth defects, deformity after inflammation, joint infection, femoral neck fracture, At present, total hips are imported from abroad so the cost is expensive The author have considered a lot of design in the world, which is useful for our design Mimics and Solidworks software are used to reconstruct the 3D shape of the hip joint This shape is used to determine of the hip joint geometry The geometrical dimensions are used to develop the components of the total hip The author also analyze the load on the joint and check the fatigue damage of the stem by www.orthoload.com and Hyperworks software If the stem satisfy requirement about fatigue strength, the total hip will be used for the manufacturing step MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KHỚP HÁNG TỒN PHẦN CĨ XI MĂNG 1.1 LÝ DO RA ĐỜI KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN: 1.2 ĐỊNH NGHĨA KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN: 1.3 CHỌN LỰA KHỚP HÁNG TỒN PHẦN CĨ HOẶC KHƠNG CĨ XI MĂNG: 1.4 TÌNH HUỐNG DẪN ĐẾN CHỈ ĐỊNH SỬ DỤNG KHTP CÓ XI MĂNG: 1.5 QUÁ TRÌNH THAY KHỚP HÁNG TỒN PHẦN CĨ XI MĂNG : 1.6 CẤU TẠO CHUNG KHTP CÓ XI MĂNG: 1.7 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG KHTP CĨ XI MĂNG TRÊN THẾ GIỚI: 11 1.8 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG KHTP CĨ XI MĂNG Ở VIỆT NAM 12 CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP CÁC KIẾN THỨC VỀ CƠ Y SINH LIÊN QUAN ĐẾN VIỆC THIẾT KẾ 13 2.1 VỊ TRÍ TÂM CHỎM VÀ NGUYÊN TẮC TĂNG CÁNH TAY ĐỊN CƠ DANG: 13 2.2 CHI VALGUS: 15 2.3 NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐƯỜNG KÍNH CHỎM: 16 2.4 LỰC MA SÁT: 17 2.5 KHẢ NĂNG CHUYỂN TẢI LỰC VÀO XƯƠNG: 18 2.6 SỰ BÀO MÒN: 18 2.7 VẬN HÀNH CỦA KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN: 19 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU CHẾ TẠO KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN CÓ XI MĂNG 20 3.1 GIỚI THIỆU: 20 3.2 THÉP KHÔNG RỈ 21 3.3 HỢP KIM COBALT-CRÔM-MOLYPDEN 23 3.4 HỢP KIM TITAN 23 3.5 UHMWPE ( ULTRA HIGH MOLECULAR WEIGHT POLYETHYLENE) 26 3.7 CERAMICS (GỐM SỨ): 27 3.8 VẬT LIỆU TỔNG HỢP (COMPOSITE): 28 3.9 BẢNG TỔNG HỢP VẬT LIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG PHỔ BIẾN TRONG KHTP: 29 CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ KHỚP HÁNG TỒN PHẦN CĨ XI MĂNG 30 4.1 GIỚI THIỆU VỀ QUI TRÌNH THIẾT KẾ: 30 4.2 CHỤP CT/MRI: 31 4.3 XÁC ĐỊNH DỮ LIỆU 3D CỦA VÙNG XƯƠNG XỐP: 31 4.3.1 Giới thiệu phần mềm: 31 4.3.2 Nội dung thực hiện: 32 4.4 THIẾT KẾ KHTP 36 4.4.1 Giới thiệu phần mềm Solidworks: 36 4.4.2 Thiết kế chuôi 36 4.4.3 Thiết kế chỏm, chảo kim loại nhựa 42 4.5 KIỂM TRA BỀN CHI KHỚP HÁNG TỒN PHẦN 43 4.5.1 Xác định lực tác dụng lên khớp háng di chuyển: 43 4.5.2 Phân tích mỏi chi khớp 47 CHƯƠNG 5: GIA CƠNG KHỚP HÁNG TỒN PHẦN CĨ XI MĂNG 59 5.1 KHẢO SÁT CÔNG NGHỆ GIA CƠNG CHI KHỚP CĨ XI MĂNG: 59 5.1 Giới thiệu quy trình chế tạo chuôi khớp Titan 60 5.1.2 Giới thiệu quy trình chế tạo chỏm chảo khớp háng Ceramic 64 5.1.3 Giới thiệu quy trình chế tạo chảo UHMWPE 66 5.2 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN GIA CÔNG CHUÔI VÀ CHỎM CỦA KHTP: 69 5.2.1 Gia công chuôi 69 5.2.2 Gia công chỏm: 83 5.3 GIA CÔNG CHUÔI KHỚP TRÊN MÁY PHAY CNC TRỤC: 86 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC 92 Luận văn thạc sỹ 5.3 GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Gia công chuôi khớp máy phay CNC trục: Do điều kiện hạn chế nên tác giả chọn phương án gia cơng khớp háng tồn phần có xi măng máy phay CNC trục Gia công chuôi khớp thép không gỉ SUS304 máy phay CNC trục cách gia công nửa chuôi khớp Để mô gia cơng chi khớp tác giả phải chia chi tiết hai nửa hình sau Hình 5.64 Mặt phẳng chia hai nửa chuôi khớp Chọn máy phay CNC trục để gia công chuôi Sử dụng phần mềm Wintool để tính chế độ cắt sau: Dạng dao D(mm) N(vòng/ Bước tiến Chiều sâu phút) dao(mm/phút) cắt(mm) Dao phay ngón 10(T1) 5301 130 Dao phay ngón 8(T2) 7068 113 0.2 Dao cầu 8(T3) 7333 102 0.1 Bảng 5.4 Chế độ cắt gia công chuôi Sau bước mô gia công nửa chuôi khớp Bước 1: Gia công thô: Chọn mặt gia công nửa chuôi khớp Sử dụng lệnh Surface rough Parallel để gia công thô Các thông số chọn sau: Chọn dao phay ngón T2 Lượng dư lại mặt ( Stock to leave on drive): 0.2mm HVTH: Trần Hoàng Phong 86 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Bước cắt lớn ( Max stepover): mm Chiều sâu cắt lớn ( Max Stepdown): mm Hình 5.65 Đường chạy dao phay thô Bước 2: Phay thô dọc theo mặt bên nửa chuôi khớp Sử dụng lệnh Surface rough Contour để gia công thô Các thông số chọn sau: Chọn dao phay ngón T1 Lượng dư lại mặt ( Stock to leave on drive): 0.2mm Bước cắt lớn ( Max stepover): mm Chiều sâu cắt lớn ( Max Stepdown): mm Hình 5.66 Đường chạy dao contour phay thô Bước 3: Phay tinh dọc theo mặt bên nửa chuôi khớp Sử dụng lệnh Surface finish Contour để gia công thô Các thông số chọn sau: Chọn dao phay ngón T2 Lượng dư cịn lại mặt ( Stock to leave on drive): mm Bước cắt lớn ( Max stepover): 0.5 mm HVTH: Trần Hoàng Phong 87 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Bước 4: Gia công tinh : Chọn mặt gia công nửa chuôi khớp Sử dụng lệnh Surface finish Parallel để gia công tinh Các thông số chọn sau: Chọn dao cầu T3 Lượng dư lại mặt ( Stock to leave on drive): mm Bước cắt lớn ( Max stepover): 0.5mm Hình 5.67 Đường chạy dao phay tinh Tương tự bước ta gia cơng cơng nửa chi khớp cịn lại cách đổi mặt phẳng gia công Mastercam Sau hình ảnh mơ gia cơng tồn chuôi khớp máy phay CNC trục : Hình 5.68 Các bước mơ gia cơng chi khớp HVTH: Trần Hoàng Phong 88 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Gia công KHTP máy phay máy tiện CNC DooSan (hình 5.69) Dưới hình ảnh KHTP gia cơng vật liệu thép khơng gỉ nhựa (hình 5.70) Hình 69 Máy phay CNC Doosan Hình 70 Các phận KHTP chế tạo theo điều kiện thực tế HVTH: Trần Hoàng Phong 89 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN Luận văn trình bày quy trình thiết kế KHTP cho bệnh nhân cụ thể dựa file chụp CT/MRI họ Bên cạnh việc phát triển quy trình thiết kế, tác giả thực mơ gia công chế tạo mẫu khớp theo điều kiện sản xuất có Việc thiết kế, chế tạo KHTP mở triển vọng cho việc thiết kế, chế tạo khớp khác khớp vai, khớp gối… Khớp thay phù hợp với bệnh nhân cụ thể giảm đáng kể chi phí cho bệnh nhân Việc ứng dụng sản phẩm phục vụ thay khớp háng hàng năm cho hàng chục ngàn bệnh nhân Việt Nam nhu cầu cấp thiết vừa mang lại hiệu kinh tế, góp phần tiết kiệm hàng ngàn tỷ đồng vừa mang lại hiệu xã hội, nhân văn, tạo hội cho bệnh nhân nghèo đủ tiền thay khớp háng 6.1 Kết đạt - Hoàn thành mục tiêu đề tài đề - Xây dựng quy trình thiết kế KHTP có xi măng - Mô mỏi chi tiết chuôi đạt yêu cầu độ bền mỏi - Lập trình mơ gia công chi tiết chuôi máy CNC trục - Chế tạo mẫu KHTP có xi măng 6.2 Phương hướng phát triển đề tài - Vật liệu chế tạo Composite - Chế tạo mẫu máy CNC trục - Kiểm nghiệm KHTP sau chế tạo HVTH: Trần Hoàng Phong 90 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bisla, R.S , Ranawat, C.S , and Inglis A.E (1976), Total hip replacement in patient with ankylosing spondylitis with involvement of hip, JBJ Surg [2] Harkess Jame W, 1998, Arthroplasty in hip - Campbell’s operative orthopedics [3] https://www.zimmertv.com/videos/122 [4] http://www.bbraun.com/cps/rde/xchg/bbraun-com/hs.xsl/hip-prosthesis.html [5] http://www.khopgoikhophang.com [6] http://www.orthoload.com [7] http://www.utahhipandknee.com/desandmfg [8] Joon B Park and Joseph D Bronzino (2003), Biomaterials principles and application, CRC Press LLC, New York [9] Lê Phúc (2000), Khớp Háng Toàn Phần, vấn đề bản, trường Đại học Y Dược Thành Phố Hồ Chí Minh [10] Mark Allen, UHMWPE processing: techniques and problems, Perplas Medical, United Kingdom [11] Rajesh purohit, Pramod sahu, An overview of Biomedical application of Composite materials (June 2012), International Journal of Biotechnology and Research [12] R Singha Roy, Manoj Mitra and D Basu, Characterization of Mechanical Properties of Alumina Based Hip Joint Prostheses, Jadavpur University, Kolkata [13] Steffen J Breusch, Henrik Malchau (2005), The Well Cemented Total Hip Arthroplasty Theory and Practice, Spinger [14] Dr Stuart Green, Carbon Fibre Reinforced PEEK-OPTIMA® Composite Materials for use in Surgical Implant Applications ( April 2006) [15] Wallob Samranvedhya, Indications and choice for cemented or cementless prosthesis, Lerdsin General Hospital, Bangkok [16] Uwe Holzwarth, Giulio Cotogno (July 2012), Total Hip Arthroplasty HVTH: Trần Hoàng Phong 91 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương PHỤ LỤC THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KHỚP HÁNG TOÀN PHẦNI DESIGN AND MANUFACTURING OF TOTAL HIPI Nguyễn Huy Hoàn1, Trần Hoàng Phong1, Trần Tấn Tài1, Huỳnh Phạm Bảo Ngọc1,Trần Nguyên Duy Phương1, Phạm Ngọc Tuấn1, Lê Đức Tố2 Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa TPHCM Khoa chấn thương chỉnh hình Bệnh viện STO Phương Đơng TP.HCM Tóm tắt Bài báo trình bày qui trình thiết kế chế tạo mẫu khớp háng tồn phần (KHTP) mà theo định bác sĩ, khớp dùng để thay cho bệnh nhân bị thối hóa khớp, dị dạng bẩm sinh, biến dạng khớp sau viêm, nhiễm trùng khớp, gãy cổ xương đùi… Hiện tất khớp háng toàn phần nhập từ nước ngồi, phí đắt Chính nên tác giả thu thập thông tin tham khảo thiết kế khớp háng giới để làm sở cho việc nghiên cứu quy trình thiết kế chế tạo thử mẫu khớp háng tồn phần Nhóm tác giả sử dụng phần mềm Mimics, Solidworks để xây dựng nên hình dáng 3D khớp háng tồn phần, từ xác định thơng số hình học khớp háng sử dụng cho việc thiết kế Sau tác giả phân tích tải trọng động tác động khớp kiểm tra phá hỏng mỏi chuôi khớp phần mềm Anybody Hyperworks Nếu chuôi khớp đạt yêu cầu độ bền mỏi thiết kế 3D khớp sử dụng cho bước chế tạo Từ khóa: khớp háng tồn phần, khớp háng tồn phần có xi măng, khớp háng tồn phần khơng xi măng Abstract This paper presents the design and manufacturing process of a total hip This artificial hip joint is used to substitute for patients with degenerative joint disease, birth defects, deformity after inflammation, joint infection, femoral neck fracture, At present, total hips are imported from abroad so the cost is expensive The authors have considered a lot of design in the world, which is useful for our design Mimics and Solidworks software are used to reconstruct the 3D shape of the hip joint This shape is used to determine of the hip joint geometry The geometrical dimensions are used to develop the components of the total hip The authors also analyze the load on the joint and check the fatigue damage of the stem by Anybody and Hyperworks software If the stem satisfy requirement about fatigue strength, the total hip will be used for the manufacturing step Keywords: total hip, cemented total hip, cementless total hip HVTH: Trần Hoàng Phong 92 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương ĐẶT VẤN ĐỀ: Thay khớp háng toàn phần (KHTP) (hình 1.1) kỹ thuật dùng khớp nhân tạo thay cho khớp háng bị hỏng nặng chỏm xương đùi lẫn ổ cối Từ năm 1964 khớp háng nhân tạo có độ ma sát thấp John Chanrley sáng chế dùng phổ biến toàn giới Ngày nước Âu - Mỹ, thay KHTP thủ thuật thường nhật, đứng sau thủ thuật cắt túi mật Lý đơn giản chất lượng khớp háng nhân tạo bảo đảm độ bền tới 30 năm, mang lại hạnh phúc cho hàng triệu - triệu người bệnh bị tàn phế hư khớp; cần thiết thay phận ví việc Hình 1.1 Cấu tạo KHTP "bảo dưỡng" để cỗ máy hoạt động bình thường Ở Việt Nam, thay KHTP thực phổ biến trung tâm chấn thương - chỉnh hình Tuy nhiên Việt Nam có nghiên cứu nhằm xây dựng quy trình thiết kế chế tạo mà dừng lại việc sử dụng ảnh chụp CT/MRI nhờ kinh nghiệm bác sĩ để định chọn phận khớp đặt mua từ nước ngồi phí để thay khớp cho bệnh nhân đắt, khớp đặt mua từ nước ngồi có giá từ 45 đến 100 triệu đồng Những khớp chế tạo theo mô đun nên hạn chế kích cỡ khớp thiết kế theo thể trạng người nước khơng phù hợp với người Việt Nam bệnh nhân cụ thể Chính đề tài trình bày nghiên cứu quy trình thiết kế KHTP sử dụng công nghệ để chế tạo khớp QUY TRÌNH THIẾT KẾ KHỚP HÁNG TỒN PHẦN Quy trình bắt đầu chụp CT(chụp cắt lớp điện toán)/MRI (chụp cộng hưởng từ) khớp háng xương đùi bệnh nhân, từ xác định kích thước KHTP phù hợp với bệnh nhân Quy trình thiết kế vịng lặp bao gồm phân tích ứng suất mỏi dựa lực tác dụng vào KHTP qua hoạt động ngày người Vòng lặp kết thúc thỏa mãn yêu cầu ứng suất để KHTP khơng bị hư hỏng suốt q trình sử dụng 2.1 Chụp CT/MRI Chụp CT/MRI để nhận hình ảnh 2D vùng khớp háng xương đùi bệnh nhân Khoảng cách lát cắt mm Hình 2.3 Qui trình thiết kế KHTP HVTH: Trần Hồng Phong 93 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Vùng xương xốp Hình Xác định vùng xương xốp 2.2 Xác định liệu 3D vùng xương xốp Dùng chức thresholding lựa chọn spongial bone (Adult) phần mềm Mimics (hệ thống kiểm sốt hình ảnh y khoa) xác định liệu 3D vùng xương xốp xuất file có tên VXX.STL Thiết kế KHTP Sử dụng phần mềm SolidWorks (có hỗ trợ Add-in Scanto3D) để làm cơng cụ thiết kế KHTP Quá trình thiết kế gồm bước sau Tiền xử lý file VXX.STL Chỏm Dùng lệnh Mesh Prep Wizard để xóa phần dư thừa khơng cần thiết cho thiết kế làm mịn bề mặt Xác định chỏm xương đùi Sử dụng lệnh surface wizard với lựa chọn manual để tự quét chọn phần chỏm, phần mềm nội suy hình cầu (hình 2.3) 2.3 Xác định thơng số KHTP Đường phẫu thuật đường từ mấu chuyển (điểm 1) đến mẫu chuyển (điểm 2) Đường cổ khớp đường từ trung điểm đoạn 1-2 đến tâm chỏm Hình 2.5 Đường kính cầu (điểm 3) cắt đường trục xương đùi điểm vị trí chỏm Các kích thước KHTP gồm có góc cổ thân: 132,8o, offset đầu chuôi: 45,43 mm, chiều dài cổ: 40.05mm (Hình 2.4) Xác định biên dạng KHTP Hình 2.6 Thơng số KHTP Dựa vào đường trục phần đường giới hạn thiết kế, xác định sơ biên dạng KHTP Dựa vào nguyên tắc kết cấu biên dạng không thay đổi đột ngột để giảm ứng suất tập trung, hình dáng khớp thuận lợi cho việc gia cơng, Kích thước KHTP cho hình (hình 2.5) HVTH: Trần Hoàng Phong 94 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Đường giới hạn thiết kế Hình 2.7 Biên dạng KHTP 2.4 Dựng hình 3D KHTP Chiều dài chuôi lấy 1/3 chiều dài xương đùi, tức 120mm Mặt phẳng chuôi nghiêng bên 1o nhỏ dần xuống thuận tiện cho việc chèn chuôi vào xương đùi Sau thiết kế xong phần chi khớp nhân tạo tồn phần Dễ dàng xây dựng phần chỏm, phần chảo theo kích thước tự nhiên khớp háng thật 2.5 Kiểm tra bền mỏi Hình 2.8 Thơng số chén Xác định lực động KHTP chịu lực từ hoạt động người như: bộ, chạy, nhảy, Nhưng hoạt động thường xuyên người nên lấy lực tác động vào KHTP làm sở để kiểm tra bền mỏi Đi hoạt động phức tạp, kết hợp nhiều đoạn xương thể Để gán góc quay, vận tốc cho khớp để tạo thành hoạt động khó khăn nên sử dụng phần mềm AnyBody (phần mềm mô học thể sống) để mơ hình thể di chuyển theo điểm có sẵn từ file C3D File thu phịng thí nghiệm với người mẫu mặc trang phục có điểm sáng Các điểm sáng có vị trí xác định thể Mơ hình tạo điểm ví trí trùng với điểm sáng Khi điểm sáng di chuyển, mơ hình di chuyển theo tạo thành chuyển động.(10) HVTH: Trần Hoàng Phong 95 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Sau sơ đồ lực xuất từ phần mềm Anybody sau mơ Hình 2.9 Mơ hình di chuyển(9) Hình 2.10 Biểu đồ lực theo phương X,Y,Z(9) Chia lưới phần tử Một lưới chất lượng đảm bảo cho kết phân tích tốt Do việc chia lưới tự động bất khả thi trường hợp chi tiết phức tạp chi tiết chi khớp, cần đến cơng cụ chia lưới thủ cơng, xem mạnh phần mềm Hypermesh Ở KHTP phần chịu lực nhiều phần cổ chuôi nên chia lưới phần trước, sau phát triển phần cịn lại gồm có: thân chi, mũi chi Thân chuôi Mặt phẳng cổ chuôi a Cổ chuôi b Mặt Cơn c d Hình 2.11 Chia lưới chi khớp Phân tích bền mỏi Trong khoa học vật liệu, mỏi tượng phá huỷ cấu trúc lũy tiến xảy vật liệu phải chịu tải trọng tuần hoàn Giá trị ứng suất mỏi giới hạn thường nhỏ ứng suất giới hạn bền (của vật liệu) HVTH: Trần Hoàng Phong 96 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Các bước thiết lập để phân tích mỏi phần mềm Hyperworks: Import File: nhập file chia lưới Fatigue Subcase: tạo trường hợp mỏi Analysis Parameters: nhập thơng số phân tích (hình 2.10) Elements and Materials: nhập thông số vật liệu Load–Time History: nhập chu kì tải trọng (hình 2.11) Loading Sequence: gán chuỗi tải trọng Submit Analysis: chọn nơi lưu kết phân tích Post Processing: xem kết phân tích Hình 12 Thiết lập thơng số mỏi Hình 2.13 Chu kì ứng suất mỏi cho thành phần lực(9) Hình 2.14 Ứng suất mỏi Hình 2.15 Chuyển vị Ứng suất tối đa xuất chi tiết 199,7 MPa Nhỏ ứng suất giới hạn mỏi vật liệu 560 MPa Với giá trị ứng suất này, khớp không bị phá hủy mỏi Khớp thiết kế đạt yêu cầu độ bền mỏi, sử dụng thiết kế khớp cho bước gia cơng HVTH: Trần Hồng Phong 97 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương MƠ PHỎNG VÀ GIA CƠNG KHỚP HÁNG TỒN PHẦN KHTP gồm chi tiết 3D phức tạp nên việc chế tạo khó khăn Do để hạn chế hư hỏng chi tiết q trình gia cơng cần phải mô gia công trước Sau số hình ảnh mơ gia cơng KHTP phần mềm Mastercam Hình 3.2 Mơ gia cơng chi khớp Hình 3.3 Mơ gia cơng chỏm Hình 3.4 Mơ gia cơng chén HVTH: Trần Hồng Phong 98 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương Gia công KHTP máy phay máy tiện CNC DooSan (hình 3.5) Dưới hình ảnh KHTP gia cơng (hình 3.6) Hình 3.5: Máy phay CNC Doosan Hình 3.6: Khớp háng tồn phần KẾT LUẬN: Bài báo trình bày quy trình thiết kế KHTP cho bệnh nhân cụ thể dựa file chụp CT/MRI họ Bên cạnh việc phát triển quy trình thiết kế, tác giả thực mô gia công chế tạo mẫu khớp theo điều kiện sản xuất có Việc thiết kế, chế tạo KHTP mở triển vọng cho việc thiết kế, chế tạo khớp khác khớp vai, khớp gối… Khớp thay phù hợp với bệnh nhân cụ thể giảm đáng kể chi phí cho bệnh nhân TÀI LIỆU THAM KHẢO: Bisla, R.S , Ranawat, C.S , and Inglis A.E (1976), Total hip replacement in patient with ankylosing spondylitis with involvement of hip, JBJ Surg Catherine Manders (2008), AnyBody Webcast Gait Hip Forces presentation Harkess Jame W, 1998, Arthroplasty in hip - Campbell’s operative orthopedics Jill Jasperson Branson, Wayne M Goldstein (2003) Primary Total Hip Arthroplast, Elsevier Joon B Park and Joseph D Bronzino (2003), Biomaterials principles and application, CRC Press LLC, New York Lê Phúc (2000), Khớp Háng Toàn Phần, vấn đề bản, trường Đại học Y Dược Thành Phố Hồ Chí Minh Ngơ Bảo Khang (1995), Thay khớp háng cổ xương đùi nhân tạo điều trị khớp giả tiêu chỏm sau gãy cổ xương đùi, Hội nghị CTCH Việt – Mỹ lần thứ Steffen J Breusch, Henrik Malchau (2005), The Well Cemented Total Hip Arthroplasty Theory and Practice, Spinger Tugba Ozedirne (2010), Quick Guide To Running A Gait Analysis, AnyBody Technology 10 The biomechanics standard, http://www.c3d.org HVTH: Trần Hoàng Phong 99 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương THÔNG TIN CÁC TÁC GIẢ PGS.TS Phạm Ngọc Tuấn, Chủ nhiệm Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh, Email: phamngoctuan.vn@gmail.com TS Trần Nguyên Duy Phương, Giảng viên Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh, Email: tnduyphuong@yahoo.com TS.BS Lê Đức Tố, Giám đốc Bệnh viện STO Phương Đơng TP.HCM, Email: stophuongdong@gmail.com KS Trần Hồng Phong, Học viên cao học Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, Email: hoangphog0306@gmail.com KS Huỳnh Phạm Bảo Ngọc, Học viên cao học Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, Email: bocngao@gmail.com KS Trần Tấn Tài, Học viên cao học Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, Email: taiferominco@gmail.com Nguyễn Huy Hồn, Sinh viên Bộ mơn Chế tạo máy Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh, Email: nhhoan07@gmail.com HVTH: Trần Hoàng Phong 100 ... nhiều giai đoạn: khớp háng có xi măng, khớp háng khơng xi măng khớp háng hybrid (phối hợp xi măng không xi măng) Khớp háng có xi măng khớp nhân tạo mà khớp xương liên kết xi măng xương (bản chất... TỔNG QUAN KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN CÓ XI MĂNG 1.1 LÝ DO RA ĐỜI KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN: 1.2 ĐỊNH NGHĨA KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN: 1.3 CHỌN LỰA KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN CĨ HOẶC KHƠNG CĨ XI MĂNG:... polymethylmetacrylat) Khớp háng không xi măng khớp nhân tạo mà liên kết khớp xương nhờ phát triển tổ chức xương vào khớp Khớp háng hybrid (còn gọi khớp "lai") phối hợp phần chi đóng vào xương đùi có xi măng phần