Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THIẾT KẾ CHI TIẾT LÓT TRONG CỦA KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN CHO NGƯỜI VIỆT NAM DESIGN OF ACETABULAR LINER IN TOTAL HIP FOR VIETNAMESE PATIENTS PGS.TS Phạm Ngọc Tuấn1a, TS Nguyễn Văn Tường2b Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang a phamngoctuan.vn@gmail.com,, btuongnv@gmail.com TÓM TẮT Bài báo trình bày trình thiết kế chi tiết lót khớp háng toàn phần cho người Việt Nam sở tiêu chuẩn ISO 7206-1, ASTM F2033-12 ASTM F2091-1 Từ việc tham khảo, so sánh phân tích số mẫu khớp háng toàn phần có, chi tiết lót thiết kế nhằm đảm bảo phù hợp với người Việt Nam Quá trình thiết kế bao gồm: so sánh, phân tích xác định kết cấu chi tiết lót trong, xác định kích thước chi tiết lót từ số liệu kích thước khớp háng người Việt Nam thu thập xây dựng hình dạng 3D chi tiết lót Từ khóa: lót trong, khớp háng toàn phần, ISO 7206-1, ASTM F2033-12, ASTM F2091-1 ABSTRACT This paper presents the design procedure of acetabular cup in total hip for Vietnamese patients accordings to ISO 7206-1, ASTM F2033-12 and ASTM F2091-1 By referring, comparing and analyzing some models of present total hips, the acetabular liner were designed to be suitable for Vietnamese patients The design process includes comparing, analyzing to define the structure of the acetabular liner, determining basic dimensions of the acetabular liner from dimensions of collected Vietnamese hip joints, modelling the three dimensional model of the acetabular liner Keywords: acetabular liner, total hip, ISO 7206-1, ASTM F2033-12, ASTM F2091-1 MỞ ĐẦU Khi phẫu thuật thay khớp háng, bề mặt sụn bị tổn thương ổ cối tự nhiên loại bỏ lắp vào ổ nhân tạo Ổ cối nhân tạo có chi tiết số ổ cối cấu tạo hai thành phần, gọi ổ mô đun, vỏ lót Lót tiếp xúc với chỏm trình hoạt động Trên hình hai loại lót KHTP (sau gọi tắt lót trong) hãng Stryker (Mỹ) Cũng giống vỏ ngoài, lót đa dạng kết cấu kích thước tùy theo hãng sản xuất lót nghiên cứu để ngày hoàn thiện Hình Lót Trident hãng Stryker [1] 84 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Tanino cộng [2] nghiên cứu ảnh hưởng ba thiết kế lót polyethylene đến mức độ trật khớp sau phẫu thuật thay KHTP Các kiểu lót có vành phẳng, khác kích thước độ sâu phần vòng găng mặt lót, bao gồm: lót HGP (Zimmer) với độ sâu vòng găng 0,3 mm, lót 4-U (Nakashima Medical) vòng găng lót 4-U thiết kế lại với phần vòng găng có độ sâu mm Kết thử nghiệm cho thấy lót 4-U thiết kế lại có mức độ trật khớp bé (khi lắp với chỏm 22 mm 26 mm) Barrack cộng [3] mô ảo ảnh hưởng thiết kế chi tiết KHTP đến phạm phi chuyển động khớp Đối với lót trong, tác giả mô hình hóa dạng chi tiết lót có phần vành nâng Lót thứ có vành với góc vát bé, bề rộng vát (khoảng cách mặt mặt lót) lớn lót lại với vành có góc vát lớn bề rộng vát hẹp Kết nghiên cứu cho thấy cung hoạt động lớn KHTP đạt kết hợp chuôi có cổ tiết diện hình thang lót có vành nâng vát rộng Timothy cộng [4] xây dựng mô hình phần tử hữu hạn hai loại ổ cối hãng Stryker, lót ổn định vỏ nhờ số lượng gờ hãm khác Các tác kết luận tăng số lượng gờ hãm làm giảm chuyển dịch tương đối mặt phân giới lót vỏ Cơ cấu khóa số ổ cối có vỏ kim loại lót nhựa polyethylene hãng Zimmer, Howmedica, Smith&Nephew Whiteside Biomechanics Khalily cộng [5] đánh giá mức độ kín khít Các tác giả thấy có cấu khóa hiệu quả, làm giảm lượng hạt mài mòn lót ma sát với vỏ ngoài, xương chậu bị tổn thương tác động tiêu xương Ảnh hưởng cấu khóa lên tiêu xương lỗ vít hư hỏng mặt sau lót làm vật liệu UHMWPE hãng Biomet Signal Medical Akbari cộng [6] tiến hành nghiên cứu Cơ cấu hãm lót Impact Ringloc Biomet có 5-10 vấu 12-16 vấu, lót MicroSeal Signal Medical có vấu kèm Kết nghiên cứu cho thấy cấu hãm sử dụng lót MicroSeal loại tiêu xương lỗ vít gần loại hoàn toàn hư hỏng mặt sau lót Hiện nhu cầu thay KHTP Việt Nam lớn bệnh viện, trung tâm chấn thương chỉnh hình nước phải nhập KHTP từ nước với giá đắt so với thu nhập chung người Việt Nam Do cần tiến hành nghiên cứu thiết kế, chế tạo KHTP điều kiện công nghệ có nước Bài báo trình bày việc thiết kế chi tiết lót KHTP sở tiêu chuẩn ISO 7206-1, ASTM F2033-12 ASTM F2091-1, tham khảo số mẫu khớp háng toàn phần có thị trường kết hợp với số liệu kích thước khớp háng người Việt Nam để đảm bảo phù hợp với người Việt Nam LỰA CHỌN VẬT LIỆU LÓT TRONG Chi tiết lót đóng vai trò lớp sụn xương Nó có tác dụng giúp cho trình chuyển động xoay diễn linh hoạt trơn tru Lót trong chi tiết quan trọng giúp cho trình chuyển động KHTP diễn linh hoạt Vì vật liệu chi tiết lót đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao Một số đặc điểm vật liệu làm lót sau: - Có khả chống mài mòn cao: Lót với chỏm tham gia trực tiếp vào trình chuyển động khớp háng Vì vật liệu làm chi tiết phải có khả chống mài mòn cao để giúp tăng tuổi thọ khớp đồng thời giảm độc hại hạt mài mòn gây - Có hệ số ma sát thấp để giúp cho trình chuyển động khớp linh hoạt - Khả chống thấm nước: Do bên thể có nước máu, vật liệu chế tạo có khả hấp thụ nước gây nước cho thể cấy ghép, đồng thời làm cho giảm tuổi thọ vật liệu 85 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Không gây độc hại: Đây yếu tố quan trọng tất sản phẩm sử dụng y sinh phải an toàn với thể cấy ghép Nếu không, chúng bị thể đào thải gây phát sinh thêm số bệnh lý khác vật liệu không an toàn tạo Lót làm vật liệu polyethylene cao phân tử UHMWPE, gốm hợp kim CoCr [7] Vật liệu UHMWPE thường chọn làm lót có tính chống mài mòn cao, hệ số ma sát thấp, độ dai va đập cao, dễ chế tạo, có tính tương hợp sinh học ổn định sinh học thể người [8] Một số đặc tính kỹ thuật vật liệu UHMWPE trình bày bảng Bảng Một số đặc tính kỹ thuật vật liệu UHMWPE [9] Thông số Giá trị Giới hạn mỏi 16 MPa Giới hạn bền cực đại 30 MPa Giới hạn chảy 20 MPa Modun đàn hồi GPa Độ dai va đập 2-4 MPa.m1/2 XÁC ĐỊNH KẾT CẤU VÀ KÍCH THƯỚC LÓT TRONG Trong nghiên cứu này, KHTP không xi măng dạng mô đun bao gồm chi tiết chuôi, chỏm, lót vỏ Chỏm chuôi lắp với qua côn Moorse Chỏm có đường kính 28 mm, phù hợp với thể trạng người Việt Nam [10], giảm thiểu mài mòn tăng phạm vi chuyển động khớp [11] Kết cấu kích thước lót chọn cho phù hợp với kết cấu kích thước vỏ chỏm Kết cấu vỏ nghiên cứu có đặc điểm sau: - Mặt bán cầu phủ nhám, có đường kính 48 mm - Mặt gồm hai phần: phần mặt côn phía đáy vỏ phần mặt cầu phía đỉnh có đường kính 41 mm - Cơ cấu khóa lót hốc bán trụ bố trí cách vành vỏ Kết cấu lót làm vật liệu UHMWPE đa dạng tùy theo hãng sản xuất Lót tiêu chuẩn hóa tổ chức ISO ASTM Tiêu chuẩn ISO 7206-1 đưa kiểu kết cấu lót loại loại có vành nâng hình Mặt bên hai kiểu lót có phần mặt côn phần mặt trụ Điểm khác biệt hai kiểu lót loại có mặt đáy mặt đỉnh song song kiểu lót phần đáy có thêm vành nâng, tạo góc nghiêng so với phương ngang Tương tự, tiêu chuẩn ASTM F2091-1 giới thiệu hai kiểu lót có vành nâng (hình 3), mặt mặt có dạng bán cầu a Chi tiết lót b Chi tiết lót có vành nâng Hình Kết cấu lót theo tiêu chuẩn ISO 7206-1 [12] 86 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV B- Đỉnh lót trong; BC- Trục cực; C- Tâm danh nghĩa chỏm; D1- Đường kính khớp cầu; D2- Đường kính phần vào; K- Chiều sâu bên trong; W: Độ dày vách đo góc 300; α- Góc vát; β: Góc nghiêng vành nâng Hình Kết cấu lót theo tiêu chuẩn ASTM F2091-1 [13] BD2 - Đường kính lối vào phần giữ chi tiết chỏm; BD3 - Đường kính phần vát (nếu có); BD4 - Đường kính hiệu dụng; BD5 - Đường kính ngoài; BD6- Đường kính vành (nếu có); BP- Chiều sâu phần BD2; BW- Chiều dày tối thiểu; BF- Chiều dày bích (nếu có); BH1 - Chiều cao lót trong; BI - Chiều sâu bên trong; BR - Chiều sâu phần giữ; Bω- Góc vát từ BD2 đến BD; BΩ - Góc nghiêng phần vành nâng; BL1 – Độ lệch BΩ từ tâm BD4 Nghiên cứu thiết kế lót kiểu có vành nâng dựa theo hai dạng vỏ theo tiêu chuẩn vừa nêu đồng thời tham khảo số vỏ có thị trường số nghiên cứu thiết kế ổ cối KHTP Ở đây, ứng với vỏ thiết kế, lót thiết kế với số đặc điểm sau: - Mặt gồm phần mặt côn phía đáy, phần mặt cầu phía đỉnh đỉnh - Mặt có dạng lõm cầu - Vành nâng, có mép vát, chiếm cung 1800 theo chu vi lót - Cơ cấu khóa lót gờ bán trụ bố trí cách chu vi, bên vành Một số kích thước vỏ xác định sau: - Đường kính (BD n ): Đường kính lót đường kính phần mặt cầu, xác định theo đường kính vỏ ngoài, BDn = 41 mm - Đường kính (BD t ): Đường kính lót lấy đường kính chỏm, BD t = 28 mm - Chiều cao: H = 22 mm - Góc nâng vành nâng: 150 Theo tiêu chuẩn ASTM F2033−12 [14], bề mặt cầu lót vật liệu polymer phải có giá trị nhám bề mặt Ra không vượt μm Thêm vào đó, đường kính mặt cầu có dung sai nằm khoảng + 0,3 ÷ 0,0 mm Các giá trị nhám bề mặt dung sai vừa nêu sử dụng cho lót thiết kế nghiên cứu Bản vẽ kỹ thuật lót thể hình Kết mô hình hóa lót phần mềm Creo Parametric thể hình 87 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Bản vẽ kỹ thuật lót Hình Mô hình 3D lót KẾT LUẬN Chi tiết lót KHTP không xi măng dùng với chỏm đường kính 28 mm thiết kế nghiên cứu Kết cấu, kích thước số yêu cầu kỹ thuật lót chọn theo tiêu chuẩn ISO 7206-1, ASTM F2091-1 ASTM F2033−12, số mẫu lót thực tế số nghiên cứu gần Mặt lót thiết kế đảm bảo tạo độ kín khít lắp với vỏ tương ứng giảm thiều tượng tiêu xương hạt mài mòn lót nhựa vào xương đùi xương chậu Để hoàn thiện thiết kế, cần thực tính toán bền cho lót theo điều kiện tải trọng người Việt Nam LỜI CÁM ƠN Nghiên cứu thực khuôn khổ đề tài KHCN cấp Nhà nước mã số KC.03.24/11-15 Phòng thí nghiệm trọng điểm Điều khiển số Kỹ thuật Hệ thống, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM Các tác giả xin chân thành cám ơn 88 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Stryker, Trident Polyethylene Bearings, from www.stryker.com [2] Tanino, H., Ito, H., Banks, S A., Harman, M K., Hirayama, T., & Matsuno, T., Acetabular Liner Design Affects Clinical Dislocation Rates After THA 52nd Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society, Chicago, 2006, CD-ROM Edition [3] Barrack, R L., Thornberry, R L., Ries, M D., Lavernia, C., & Tozakoglou E., The Effect of Component Design on Range of Motion to Impingement in Total Hip Arthroplasty AAOS Instructional Course Lectures, 2001, Vol 50, p 275-280 [4] Timothy, P H., Steven, M K., Eric, C., & Robert M S., Acetabular Shell-Liner Locking Mechanisms: Incflience on Backside Sliding Relative Motion and Backside Liner Deformation into Screw Holes Summer Bioengineering Conference, Florida, 2003, p 731-732 [5] Khalily, C., Tanner, M G., Williams, V G., & Whiteside, L A., Effect of Locking Mechanism on Fluid and Particle Flow Through Modular Acetabular Components Journal of Arthroplasty, 1998, Vol 13 (3), p 254-258 [6] Akbari, A., Roy, M E., Whiteside, L A., & Minteer, S D., The Influence of Locking Mechanism on Screw-Hole Osteolysis and Backside Damage in Long-Term Acetabular Liners Retrieved from Revision Total Hip Arthroplasty 34th Annual Meeting of the Society for Biomaterials 2010: Giving Life to a World of Materials, Seattle, Washington, 2010 [7] Buechel, F.F & Pappas, M.J., Principles of Human Joint Replacement Design and Clinical Application Berlin: Springer, 2011 [8] Lewis, G., Polyethylene Wear in Total Hip and Knee Arthroplasties Journal of Biomedical Materials Research, 1997, Vol 38 (1), p 55-75 [9] Lisa, A P & Ayyana, M C., Mechanics of Biomaterials Fundamental Principles for Implant Design Cambridge: Cambridge University Press, 2011 [10] Trần Anh Vũ, Ước lượng kích thước đầu xương đùi ổ cối người trưởng thành tuổi từ 20 – 35 CT scan Luận văn thạc sĩ, Đại học Y Dược TP Hồ Chí Minh, 2015 [11] Lê Phúc, Khớp háng toàn phần: Những vấn đề Hà Nội: Nhà xuất Y học, 2001 [12] ISO 7206-1, Implants for surgery - Partial and total hip joint prostheses - Part 1: Classification and designation of dimensions ISO, 2008 [13] ASTM F2091-1, Standard Specification for Acetabular Prostheses ASTM International, 2012 [14] ASTM F2033-12, Standard Specification for Total Hip Joint Prosthesis and Hip Endoprosthesis Bearing Surfaces Made of Metallic, Ceramic, and Polymeric Materials ASTM International, 2012 THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ PGS.TS Phạm Ngọc Tuấn Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Email: phamngoctuan.vn@gmail.com, 0903678459 TS Nguyễn Văn Tường Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang Email: tuongnv@gmail.com, 0982354509 89 ... mặt lót, bao gồm: lót HGP (Zimmer) với độ sâu vòng găng 0,3 mm, lót 4-U (Nakashima Medical) vòng găng lót 4-U thiết kế lại với phần vòng găng có độ sâu mm Kết thử nghiệm cho thấy lót 4-U thiết kế. .. trật khớp bé (khi lắp với chỏm 22 mm 26 mm) Barrack cộng [3] mô ảo ảnh hưởng thiết kế chi tiết KHTP đến phạm phi chuyển động khớp Đối với lót trong, tác giả mô hình hóa dạng chi tiết lót có phần. .. kính vành (nếu có); BP- Chi u sâu phần BD2; BW- Chi u dày tối thiểu; BF- Chi u dày bích (nếu có); BH1 - Chi u cao lót trong; BI - Chi u sâu bên trong; BR - Chi u sâu phần giữ; Bω- Góc vát từ