Khảo sát tác dụng của từ trường trong kích thích liền xương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ NGỌC LAM KHẢO SÁT TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƯỜNG TRONG KÍCH THÍCH LIỀN XƯƠNG Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 605204 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, 2012 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI ` ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Ts Huỳnh Quang Linh 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 … tháng… năm 2012 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1……………………………………………… 2……………………………………………… 3……………………………………………… 4……………………………………………… 5………………………………………………… Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA 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: NGUYỄN THỊ NGỌC LAM Đề 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 Về nội dung đánh giá thực nghiên cứu đề tài Học viên thực tốt mục tiêu đặt đề tài nghiên cứu, với nội dung thực sau: - Trình bày tổng quan phương pháp kích thích liền xương từ trường - Cơ chế tác động từ trường lên mô xương - Chế tạo thiết bị từ trường xung tiến hành thí nghiệm nhóm gồm thỏ Về phương pháp nghiên cứu, độ tin cậy số liệu Phương pháp nghiên cứu chuẩn mực Việc điều trị lâm sàng thỏ cho phép kiểm chứng hiệu phương pháp Tuy nhiên cần tiến hành khảo sát số lượng nhiều để kết có ý nghĩa thống kê Về kết khoa học luận văn Đề tài luận văn có ý nghĩa khoa học Về kết thực tiễn luận văn Việc chế tạo thiết bị kích thích liền xương sử dụng từ trường xung với giá thành thấp, gọn nhẹ, sử dụng gia đình có ý nghĩa thực tiển lớn, đặc biệt bệnh nhân khó liền xương bệnh tiểu đường Những thiếu sót & vấn đề cần làm rõ (nếu có): Có nhiều lỗi tả Cần coi lại việc đánh số thích hình vẽ.Tài liệu [30] khơng có năm Ý kiến kết luận ( mức độ đáp ứng yêu cầu LVThS; cho điểm đánh giá LV): Luận văn đáp ứng yêu cầu LVThS Điểm: 8.5 Câu hỏi người nhận xét dành cho học viên (nếu có): Theo học viên, tượng phân cực xương Yasuda Fukuda phát năm 1950 sở cho việc áp dụng điện từ trường việc tái tạo cấu trúc xương, giải thích rõ Ngày 10 tháng năm 2012 NGƯỜI NHẬN XÉT TS TRẦN THỊ NGỌC DUNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự – Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ NGỌC LAM MSHV: 10120662 Ngày, tháng, năm sinh: 17/12/1985 Nơi sinh: Tây Ninh Chuyên ngành: Vật lý Kỹ Thuật Mã số: 605204 TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƯỜNG TRONG KÍCH THÍCH LIỀN XƯƠNG NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Trong y học phục hồi chức năng, từ trường sử dụng tác nhân vật lý phổ biến để điều trị nhiều chứng bệnh Để điều trị cho xương nhanh liền, giới có nhiều nghiên cứu thực nghiệm cho thấy tác nhân điện từ trường có khả điều trị hiệu Với mục tiêu chế tạo thiết bị từ trường kích thích liền xương nhanh, nhiệm vụ luận văn đặt sau: - Khảo sát tổng quan chế từ trường tương tác với mô xương - Xác định thông số kỹ thuật tín hiệu từ trường dựa vào công bố giới tạo sở cho thiết kế thiết bị kích thích liền xương từ trường - Chế tạo mơ hình thiết bị từ trường kích thích liền xương với thơng số khảo sát - Thí nghiệm minh họa thỏ với mơ 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 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN tháng năm 2012 KHOA QL CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin chân thành cảm ơn TSKH VŨ CÔNG LẬP, nguyên Viện trưởng Viện Vật lý y sinh học, định hướng tạo điều kiện để tiếp cận 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 động viên, định hướng tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn tiến hành dựa lý thuyết y văn giới Việt Nam Về mặt lý thuyết từ trường kích thích sinh xương, để khẳng định lại lần tính đắn lý thuyết y học tác giả khảo sát tác dụng lên xương Sau tác giả dựa thơng số vừa khảo sát chế tạo mơ hình thiết bị kích thích liền xương thử nghiệm thỏ Kết nhóm thỏ điều trị từ trường xương liền nhanh mật độ canxi hóa vết gãy cao nhóm thỏ khơng 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 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 10 PHẦN I Tổng quan 13 CHƯƠNG Tổng quan phương pháp kích thích liền xương từ trường 14 1.1 Các phương pháp kích thích sinh xương 14 1.2Ứng dụng từ trường vào điều trị giới Việt Nam 17 CHƯƠNG Cơ chế tác dụng từ trường lên xương 30 2.1 Tính chất áp điện xương 30 2.2 Cơ chế tác động từ trường lên mô xương 34 2.3 Ý nghĩa sinh học phương pháp điều trị liền xương PEMF 36 2.4 Dạng sóng PEMF 37 2.5 Cơ chế kích thích sinh xương từ trường 40 2.6 Các tác dụng khác từ trường có tác dụng hỗ trợ kích thích liền xương 42 CHƯƠNG An toàn từ trường 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 từ trường 46 PHẦN II Kết 49 CHƯƠNG Chế tạo thiết bị từ trường kích thích liền xương 50 4.1 Thông số vật lý từ trường 50 4.2 Mô tả thiết bị 51 CHƯƠNG Thí nghiệm chiếu từ trường thỏ 61 5.1 Các bước tiến hành thí nghiệm 61 5.2 Nhận xét 65 CHƯƠNG Kết hướng phát triển đề tài………………………………….63 6.1 Những kết luận văn 67 6.2 So sánh thiết bị vừa chế tạo với thiết bị thị trường 67 6.3 Hướng phát triển đề tài 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 MỞ ĐẦU Giới thiệu chung Trong năm gần đây, việc điều trị tác nhân vật lý trở nên phổ biến Việt Nam Trong vật lý trị liệu người ta thường dùng tác nhân vật lý sau: cơ, quang, nhiệt, điện từ Tác nhân sử dụng phương pháp tác động dựa vào lực học nén giãn, dao động…, tác nhân quang sử dụng xạ điện từ từ vùng hồng ngoại đến vùng cực tím dựa vào hiệu ứng tương tác chúng với mô sống, tác nhân nhiệt sử dụng phương pháp tác động tạo nhiệt độ cao thấp, tác nhân điện từ sử dụng dòng điện, điện trường, từ trường tác động lên mô sống 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 68Ohm Hệ số hồi tiếp nghịch LA4440 quy định điện trở này, R mà nhỏ âm “chói lọi” bán kẹo kéo Ngõ vào: ngõ vào LA4440 phải nối tiếp với R=68k//C=102 Giải thuật tạo dạng sóng Tạo chu kỳ quét xuất mẫu T=1us Tăng trỏ liệu I=i+1 Sai Kiểm tra giới hạn trỏ Nếu i>I MAX I=0 I< MAX index Đúng Thay đổi trị xuất DAC tương ứng dạng sóng Khuếch đại n hiệu sóng Hình 4.8 Mơ hình giải thuật tạo dạng sóng 59 Sau tạo dòng điện với dạng xung, cường độ, điện áp mong muốn chúng kết nối với cuộn dây để tạo điện từ trường theo dạng xung tính tốn Adaptor Cuộn dây Mạch tạo xung Adaptor Hình 4.9 Mạch điện thực tế Hình 4.10 Dạng sóng đo từ cuộn dây dao động ký số 60 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM CHIẾU TỪ TRƯỜNG TRÊN THỎ 5.1 Các bước tiến hành thí nghiệm - Bước 1: Chọn thỏ để làm thí nghiệm Sau tạo vết gãy xương ống chân thỏ Sau bó vết thương nẹp tre nhỏ dùng gạc quấn lại cố định vết thương Thỏ chia thành nhóm: + Nhóm 1: gồm thỏ thỏ 2; không chiếu từ trường sau bị gãy chân + Nhóm 2: thỏ thỏ 4; chiếu từ trường liên tục 30 ngày sau bị gãy chân Hình 5.1 Thỏ ni để chuẩn bị làm thí nghiệm 61 Hình 5.2 Thỏ băng bó sau bị làm gãy chân Hình 5.3 Bốn thỏ chuẩn bị chụp X-Quang 62 - Bước 2: Chụp X Quang vết gãy - Bước 3: Chiếu từ trường lên vết gãy, thời gian chiếu 30 phút ngày Hình 5.4 Chiếu từ trường lên chân thỏ bị gãy - Bước 4: Chiếu liên tục vòng 30 ngày - Bước 5: Sau chu kỳ 30 ngày chụp X- Quang để kiểm tra - Bước 6: Thu thập hình ảnh từ X –Quang so sánh 63 Hình 5.5 Hình chụp X-Quang thỏ số trước sau điều trị 30 ngày Hình 5.6 Hình chụp X-Quang thỏ số trước sau điều trị 30 ngày 64 5.2 Nhận xét Kết thí nghiệm đánh giá dựa vào khả lành xương thể qua theo dõi thể trạng, tình trạng vị trí gãy qua sờ nắn, phục hồi vận động thỏ hình ảnh X quang trước sau điều trị Sau ngày theo dõi, tình trạng 04 thỏ hai nhóm khơng có cải thiện rõ rệt Các vết gãy rời (cảm giác sờ nắn) Khi di chuyển, chân gãy bị kéo lê khơng có phản ứng tự cử động Sau 14 ngày theo dõi, tình trạng 02 thỏ nhóm I khơng có cải thiện rõ rệt, nhóm II có dấu hiệu phục hồi tiến triển tốt Các vết gãy có cảm giác liền lại sờ nắn Khi di chuyển, chân gãy bị kéo lê bắt đầu có phản ứng tự co duỗi Sau 25 ngày theo dõi, tình trạng hai nhóm có tiến triển hồi phục Nhưng nhóm II thực có kết tốt Các vết gãy liền cứng lại sờ nắn Khi di chuyển, chân gãy có phản ứng tự vận động.khá tự nhiên Sau 30 ngày, hình chụp X quang (xem hình 5.5 5.6) chứng tỏ thỏ nhóm II hồi phục tốt, lúc thỏ chưa thể nối liền chỗ xương gãy Thí nghiệm minh họa tốt cho kết áp dụng từ trường điều trị liền xương cho thỏ Tuy nhiên kết không mang tính thuyết phục cao lý sau: - Số thỏ thử nghiệm để minh chứng cho kết có khả tin cậy - Quy trình thí nghiệm cịn thiếu chun nghiệp, đánh giá mang cảm tính thiếu xác định lượng trực quan (lẽ phải có ảnh chụp X quang trung gian), thiếu tư vấn chuyên gia lĩnh vực y khoa - Điều kiện tổ chức thí nghiệm thực q khó khăn nên tác giả đề tài triển khai theo dự định ban đầu 65 Tóm lại, kết thí nghiệm mang tính minh họa ban đầu nhằm kiểm nghiệm tính khả dụng thiết bị chế tạo Để thực minh chứng tác dụng điều trị hỗ trợ từ trường điều trị liền xương, thật cần thiết đầu tư chuẩn bị công phu Tuy nhiên, với tác dụng hiệu điều trị xác nhận bẳng y văn giới, cơng nhận khả hiệu dụng thiết bị điều trị chế tạo 66 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Những kết luận văn - Nghiên cứu tổng quan chế tương tác từ trường lên xương, biết thông số vật lý cần để chế tạo thiết bị từ trường kích thích sinh xương -Chế tạo thiết bị từ trường xung hỗ trợ điều trị liền xương với mạch điện tạo từ trường xung có cảm ứng từ B = 0,1256 mT, tần số 15 Hz, thời gian phát xung dương 200µs, thời gian xung âm: 20 µs -Thí nghiệm minh họa thành công thỏ với phim X-Quang thỏ nhóm II (có chiếu từ trường) canxi hóa phần xương chỗ gãy với mật độ can xương lớn Việc làm thí nghiệm đối chứng thỏ, số lượng mẫu khơng mang đến tính chất quy nạp cho kết thấy hiệu thiết bị việc điều trị gãy xương 6.2 So sánh thiết bị vừa chế tạo với thiết bị thị trường Thiết bị Đặc điểm Kích thích sinh xương Độ tiện lợi Thiết bị từ trường trị liệu Thiết bị vừa chế tạo thị trường Không chuyên dụng để kích Chuyên dụng để kích thích thích liền xương liền xương Kích thước lớn, khơng tiện lợi Kích thích nhỏ, thích hợp để bệnh nhân dùng 24/24 Giá thành Đắt phải điều trị nhiều chức Rẻ dùng chức năng, phù hợp cho sở y tế, kích thích liền 67 phòng khám đa khoa, bệnh viện xương, phù hợp thiết bị dùng cho gia đình 6.3 Hướng phát triển đề tài - Thiết bị chế tạo cịn q thơ sơ chưa có giá trị thương phẩm cần nghiên cứu chế tạo thành thiết bị hồn chỉnh với phím điều khiển chức năng, có chế độ chọn thời gian điều trị điều trị theo hẹn trước, hết thời gian điều trị máy có cảnh báo chng báo - Lập trình để báo lịch điều trị cho ngày -Mở rộng dạng sóng cường độ để điều trị bệnh đau da liễu 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Bắc Hải, Nguyễn Thanh Phương, Trần Công Duyệt, Vũ Công Lập,Ứng dụng điện từ trường xung chấn thương chỉnh hình, Tài liệu chuyên khảo, Trung tâm Vật lý Y Sinh học,1998 Vũ Công Lập cộng sự, Các tác nhân thường dùng vật lý trị liệu, Tạp chí y học, 2005, tr 85-117 Học viện Quân y, Vật lý trị liệu phục hồi chức năng, Nhà xuất Quân đội nhân dân, 2006, tr 216-221 Adey WR: Biological effects of radio-frequency electromagnetic radiation, Interaction of Electromagnetic Waves with Biological Systems, lin JC, Ed., Plenum Press, New York,1988 (Dẫn theo Bassett, 1989) Cain E.L., Stimulating Treatment, Orthopedic Technology Review 4, 2004 Walter H Chang, Jiimming, K.Li, James Cheng – An Lin, Hwa-Chang Liu, Jui-Sheng Sun, Bone Defect Healing Enhanced by Pulsed Electromagnetic Fields Stimulation: Invitro Bone Organ Culture Model, Journal of Medicinal of Biological Enginerring, 2005, 25 (1), 27-32 Scott Mc Clure, Physical Mechanisms to stimulate bone healing, ACVS Veterinary Symposium Small Animal and Equine Proceedings, 2011 Matsumoto H, Ochi M, Abiko Y, Hirose Y, Kaku T, Sakaguchi K., Pulsed electromagnetic fields promote bone formation around dental implants inserted into the femur of rabbits Clin Oral Implants Res 2000 Aug;11(4):354-60 69 Tamaki, H., Yotani, K., Yuki, A., Kirimoto, H., Sugawara, K and Onishi, H , Magnetic field strength properties in bone marrow during pulsed electromagnetic stimulation Journal of Biomedical Science and Engineering, 2010, 3, 1156-1160 10 Pilla A.A., Mechanisms and Therapeutic Applications of Time-Varying and Static Magnetic Fields, Handbook of Biological Effect of Electromagnetic Field, 3rd Edition, 2006 11 Shupak NM, Prato FS, Thomas AW Therapeutic uses of pulsed magnetic field exposure: A review Radio Sci Bull 2003;307:9–32 12 Edmund Y S Chao; Nozomu Inoue: Biophysical stimulation of bone fracture repair, regeneration and remodelling European Cells & Materials, 2003;6():72-84; discussion 84-5 13 Benazzo F, Cadossi M, Cavani F, Fini M, Giavaresi G, Setti S, Cadossi R, Giardino R.: Cartilage repair with osteochondral autografts in sheep: effect of biophysical stimulation with pulsed electromagnetic fields J Orthop Res 2008 May;26(5):631-42 14 Benazzo F, Mosconi M, Beccarisi G Use of capacitive coupled electric fields in stress fractures in athletes Clin Orthop 1995;310:145-149 15 Fukada E, Yasuda I On the piezoelectric effect of bone J Phys Soc (Japan) 1957;12:1158-1162 16 Brighton CT, Pollack SR Treatment of recalcitrant nonunion with a capacitively coupled electrical field J Bone Joint Surg Am 1985;67-A:577-585 17 Scott G, King JB A prospective, double-blind trial of electrical capacitive coupling in the treatment of nonunion of long bones J Bone Joint Surg Am 1994;76-A:820-826 70 18 Wolff J., The Classic: On the Inner Architecture of Bones and its Importance for Bone Growth, Clinical Orthopaedics and Related Research, 2010, Volume 468, Number 4, Pages 1056-1065 19 Bassett CA, Pawluk RJ, Pilla AA Acceleration of Fracture Repair by Electromagnetic Fields A Surgically Noninvasive Method Ann N Y Acad Sci 1974;238:242-62 20 Bassett CA, Pawluk RJ, Pilla AA Augmentation of Bone Repair by Inductively Coupled Electromagnetic Fields Science 1974;184:575-7 21 Bassett CA, Pilla AA, Pawluk RJ A non-operative salvage of surgically-resistant pseudarthroses and non-unions by pulsing electromagnetic fields A preliminary report Clin Orthop 1977;124:128-43 22 Bassett CA, Mitchell SN, Norton L, Pilla A Repair of Non-Unions by Pulsing Electromagnetic Fields Acta Orthop Belg 1978;44:706-24 23 Nguyễn Thị Kim Xuyến, Điều trị viêm quanh khớp vai laser He Ne điện từ trường bệnh viện đa khoa trung tâm Tiền giang tháng 9/2001 đến 9/2002, Báo cáo đề tài NCKH, 2003 Truy cập 06/2012 http://ykhoa.net/congtacvien/bvtiengiang/0002.htm 24 Vũ Thị Lan Hương, Nhận xét kết điều trị Laser - Điện từ trường – Hồng ngoại, đại diện Bệnh viện Y học Dân tộc Gia Lai, tạp chí Y học thực hành số 352, 1998 25 Ferreira A.M et al., Collagen Piezoelectric effect induce bone healing, Acta Microscopica , 2007, Vol 16 No1-2,(Supp.2) 26 Pilla AA, Sechaud P, McLeod BR Electrochemical and electric current aspects of low frequency electromagnetic current induction in biological systems J Biol Phys 1983;11:51-57 71 27 Yen-Patton GP, et al: Endothelial cell response to pulsed electromagnetic fields: Stimulation of growth rate and angiogenesis in vitro, J Cell Phys 134 (1998), p.37-46 28 International Commission an Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields (Up to 300 GHz) Health Phys 74:494-522; 1998 29 International Commission an Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) Guidelines on Limits of Exposure to Static Magnetic Fields, Health Phys 96(4):504‐514; 2009 30 American Conference of Governmental Industrial Hygienists 31 (ACGIH) Static Magnetic Fields: TLV® Physical Agents 7th Edition Documentation, 2012 32 (ACGIH) Sub-Radiofrequency (30 kHz and below) Magnetic Fields: TLV® Physical Agents 7th Edition Documentation, 2012 72 ... thương xương, đề tài “ Khảo sát tác dụng từ trường kích thích liền xương? ?? đề nhằm khảo sát sở lý luận việc sử dụng từ trường điều trị kích thích liền xương, sở thiết kế mơ hình thiết bị chuyên dụng. .. pháp kích thích liền xương từ trường Chương 2: Cơ chế tác dụng từ trường lên xương Chương 3: An toàn từ trường điều trị PHẦN II: KẾT QUẢ 11 Chương 4: Chế tạo thiết bị từ trường kích thích liền xương. .. thích sinh xương từ trường 40 2.6 Các tác dụng khác từ trường có tác dụng hỗ trợ kích thích liền xương 42 CHƯƠNG An toàn từ trường điều trị 44 3.1 Tác động vật lý- Từ trường tĩnh