THIẾT kế CHI TIẾT lót TRONG của KHỚP HÁNG TOÀN PHẦN CHO

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ 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
2
Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang
a
,,

1

TÓM TẮT
Bài báo trình bày quá trình thiết kế chi tiết lót trong của khớp háng toàn phần cho người
Việt Nam trên cơ sở các tiêu chuẩn ISO 7206-1, ASTM F2033-12 và ASTM F2091-1. Từ
việc tham khảo, so sánh và phân tích một số mẫu khớp háng toàn phần hiện có, chi tiết lót
trong được 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 các kích thước cơ bản của chi
tiết lót trong từ các số liệu kích thước của khớp háng người Việt Nam thu thập được và xây
dựng hình dạng 3D chi tiết lót trong.
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
1. MỞ ĐẦU
Khi phẫu thuật thay khớp háng, bề mặt sụn bị tổn thương của ổ cối tự nhiên sẽ được
loại bỏ và lắp vào đó một ổ nhân tạo. Ổ cối nhân tạo chỉ có một chi tiết nhưng một số ổ cối
được cấu tạo bởi hai thành phần, còn được gọi là ổ mô đun, là vỏ ngoài và lót trong. Lót trong
tiếp xúc với chỏm trong quá trình hoạt động. Trên hình 1 là hai loại lót trong KHTP (sau đây
gọi tắt là lót trong) của hãng Stryker (Mỹ). Cũng giống như vỏ ngoài, lót trong rất đa dạng về
kết cấu và kích thước tùy theo hãng sản xuất và lót trong cũng đang được nghiên cứu để ngày
càng hoàn thiện.

Hình 1. Lót trong Trident của hãng Stryker [1]
84


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Tanino và các cộng sự [2] nghiên cứu ảnh hưởng của ba thiết kế lót trong polyethylene
đến mức độ trật khớp sau khi phẫu thuật thay thế KHTP. Các kiểu lót trong này có vành
phẳng, khác kích thước độ sâu phần vòng găng mặt trong của lót, bao gồm: lót trong HGP
(Zimmer) với độ sâu vòng găng 0,3 mm, lót trong 4-U (Nakashima Medical) không có vòng
găng và lót trong 4-U được thiết kế lại với phần vòng găng có độ sâu 1 mm. Kết quả thử
nghiệm cho thấy lót trong 4-U thiết kế lại có mức độ trật khớp bé nhất (khi lắp với chỏm 22
mm hoặc 26 mm).
Barrack và cộng sự [3] mô phỏng ảo ảnh hưởng của thiết kế các chi tiết KHTP đến
phạm phi chuyển động của khớp. Đối với lót trong, các tác giả mô hình hóa 2 dạng chi tiết lót
trong có phần vành nâng. Lót trong thứ nhất có vành với góc vát bé, bề rộng vát (khoảng cách
giữa mặt trong và mặt ngoài của lót) lớn và lót trong còn lại với vành có góc vát lớn hơn
nhưng bề rộng vát hẹp hơn. Kết quả nghiên cứu cho thấy cung hoạt động lớn nhất của KHTP
đạt được khi kết hợp chuôi có cổ tiết diện hình thang và lót trong có vành nâng vát rộng.
Timothy và cộng sự [4] đã xây dựng mô hình phần tử hữu hạn của hai loại ổ cối của
hãng Stryker, trong đó lót trong được ổn định trong vỏ ngoài nhờ số lượng gờ hãm khác nhau.

Các tác kết luận rằng khi tăng số lượng gờ hãm có thể làm giảm chuyển dịch tương đối tại
mặt phân giới của lót trong và vỏ ngoài.
Cơ cấu khóa của một số ổ cối có vỏ ngoài bằng kim loại và lót trong bằng nhựa
polyethylene của các hãng Zimmer, Howmedica, Smith&Nephew và Whiteside Biomechanics
đã được Khalily và cộng sự [5] đánh giá mức độ kín khít. Các tác giả thấy rằng khi có cơ cấu
khóa hiệu quả, có thể làm giảm lượng hạt mài mòn của lót trong do ma sát với vỏ ngoài,
xương chậu vì thế ít bị tổn thương do tác động tiêu xương. Ảnh hưởng của cơ cấu khóa lên
tiêu xương lỗ vít và hư hỏng mặt sau lót trong làm bằng vật liệu UHMWPE của hãng Biomet
và Signal Medical đã được Akbari và cộng sự [6] tiến hành nghiên cứu. Cơ cấu hãm của các
lót trong Impact và Ringloc của Biomet có 5-10 vấu hoặc 12-16 vấu, còn lót trong MicroSeal
của Signal Medical có 6 vấu kèm. Kết quả nghiên cứu cho thấy cơ cấu hãm được sử dụng trên
lót trong MicroSeal loại được tiêu xương lỗ vít và gần như loại hoàn toàn hư hỏng mặt sau
của lót.
Hiện tại nhu cầu thay KHTP ở Việt Nam khá lớn nhưng các bệnh viện, trung tâm chấn
thương chỉnh hình trong nước phải nhập KHTP từ nước ngoài với giá rất đắt so với thu nhập
chung của người Việt Nam. Do đó cần tiến hành nghiên cứu thiết kế, chế tạo KHTP trong
điều kiện công nghệ hiện có trong nước. Bài báo này trình bày việc thiết kế chi tiết lót trong
của KHTP trên cơ sở các tiêu chuẩn ISO 7206-1, ASTM F2033-12 và ASTM F2091-1, tham
khảo một số mẫu khớp háng toàn phần hiện có trên thị trường và kết hợp với số liệu kích
thước của khớp háng người Việt Nam để đảm bảo phù hợp với người Việt Nam.
2. LỰA CHỌN VẬT LIỆU LÓT TRONG
Chi tiết lót trong đóng vai trò như một lớp sụn trong xương. Nó có tác dụng giúp cho
quá trình chuyển động xoay diễn ra được linh hoạt và trơn tru. Lót trong là một trong những
chi tiết quan trọng giúp cho quá trình chuyển động của KHTP diễn ra được linh hoạt. Vì vậy
vật liệu chi tiết lót trong cũng đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật khá cao. Một số đặc điểm của vật liệu
làm lót trong như sau:
- Có khả năng chống mài mòn cao: Lót trong cùng với chỏm tham gia trực tiếp vào quá
trình chuyển động của khớp háng. Vì vậy vật liệu làm chi tiết phải có khả năng chống mài
mòn cao để giúp tăng tuổi thọ của khớp đồng thời giảm độc hại do các hạt mài mòn gây ra.
- Có hệ số ma sát thấp để giúp cho quá trình chuyển động của khớp được linh hoạt.

- Khả năng chống thấm nước: Do bên trong cơ thể có nước và máu, nếu vật liệu được
chế tạo có khả năng hấp thụ nước thì sẽ gây ra mất nước cho cơ thể được cấy ghép, đồng thời
cũng làm cho giảm tuổi thọ của vật liệu.
85


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
- Không gây độc hại: Đây là yếu tố quan trọng nhất bởi tất cả các sản phẩm sử dụng
trong y sinh phải an toàn với cơ thể được cấy ghép. Nếu không, chúng sẽ bị cơ thể đào thải và
có thể gây phát sinh thêm một số bệnh lý khác do vật liệu không an toàn đó tạo ra.
Lót trong có thể được làm bằng vật liệu polyethylene cao phân tử UHMWPE, gốm hoặc
hợp kim CoCr [7]. Vật liệu UHMWPE thường được chọn làm lót trong vì nó 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 và
ổn định sinh học đối với cơ thể con người [8]. Một số đặc tính kỹ thuật của vật liệu
UHMWPE được trình bày trên bảng 1.
Bảng 1. Một số đặc tính kỹ thuật của 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

1 GPa

Độ dai va đập

2-4 MPa.m1/2

3. XÁC ĐỊNH KẾT CẤU VÀ KÍCH THƯỚC LÓT TRONG
Trong nghiên cứu này, KHTP không xi măng dạng mô đun bao gồm các chi tiết chuôi,
chỏm, lót trong và vỏ ngoài. Chỏm và chuôi lắp với nhau qua côn Moorse. Chỏm có đường
kính 28 mm, phù hợp với thể trạng người Việt Nam [10], giảm thiểu được mài mòn và tăng
phạm vi chuyển động của khớp [11]. Kết cấu và kích thước của lót trong được chọn sao cho
phù hợp với kết cấu và kích thước của vỏ ngoài và chỏm. Kết cấu của vỏ ngoài trong nghiên
cứu này có những đặc điểm cơ bản sau:
- Mặt ngoài là bán cầu phủ nhám, có đường kính 48 mm.
- Mặt trong gồm hai phần: phần mặt côn ở phía đáy vỏ và một phần mặt cầu ở phía đỉnh
có đường kính 41 mm.
- Cơ cấu khóa lót trong là 8 hốc bán trụ được bố trí cách đều trên vành vỏ.
Kết cấu của lót trong làm bằng vật liệu UHMWPE khá đa dạng tùy theo hãng sản xuất.
Lót trong cũng được tiêu chuẩn hóa bởi các tổ chức như ISO và ASTM. Tiêu chuẩn ISO
7206-1 đưa ra 2 kiểu kết cấu lót trong là loại cơ bản và loại có vành nâng như trên hình 2. Mặt
bên của hai kiểu lót này có một phần mặt côn và một phần mặt trụ. Điểm khác biệt của hai
kiểu lót trong này là loại cơ bản có mặt đáy và mặt đỉnh song song nhau còn kiểu lót trong kia
phần đáy có thêm vành nâng, tạo một góc nghiêng so với phương ngang. Tương tự, tiêu chuẩn
ASTM F2091-1 cũng giới thiệu hai kiểu lót trong có và không có vành nâng (hình 3), mặt
trong và mặt ngoài có dạng bán cầu.

a. Chi tiết lót trong cơ bản

b. Chi tiết lót trong có vành nâng

Hình 2. Kết cấu lót trong theo tiêu chuẩn ISO 7206-1 [12]
86


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
B- Đỉnh lót trong; BC- Trục cực; C- Tâm danh nghĩa của chỏm;
D1- Đường kính ngoài của khớp cầu; D2- Đường kính phần vào;
K- Chiều sâu bên trong; W: Độ dày vách đo tại góc 300;
α- Góc vát; β: Góc nghiêng vành nâng.

Hình 3. Kết cấu lót trong 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 ngoài 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 của BΩ từ tâm của BD4.
Nghiên cứu này thiết kế lót trong kiểu có vành nâng dựa theo hai dạng vỏ theo tiêu
chuẩn vừa nêu đồng thời tham khảo một số vỏ ngoài hiện có trên thị trường cũng như một số
nghiên cứu về thiết kế ổ cối KHTP. Ở đây, ứng với vỏ ngoài đã thiết kế, lót trong được thiết
kế với một số đặc điểm cơ bản sau:
- Mặt ngoài gồm một phần mặt côn ở phía đáy, một phần mặt cầu ở phía đỉnh và đỉnh bằng.
- Mặt trong có dạng lõm cầu.
- Vành nâng, có mép vát, chiếm một cung 1800 theo chu vi của lót trong.
- Cơ cấu khóa lót trong là 4 gờ bán trụ được bố trí cách đều trên chu vi, ngay bên trên vành.
Một số kích thước cơ bản của vỏ ngoài được xác định như sau:
- Đường kính ngoài (BD n ): Đường kính ngoài của lót trong là đường kính của phần mặt
cầu, được xác định theo đường kính trong của vỏ ngoài, BDn = 41 mm.
- Đường kính trong (BD t ): Đường kính trong của lót trong được lấy bằng đường kính

chỏm, BD t = 28 mm.
- Chiều cao: H = 22 mm.
- Góc nâng của vành nâng: 150.
Theo tiêu chuẩn ASTM F2033−12 [14], bề mặt cầu của lót trong bằng vật liệu polymer
phải có giá trị nhám bề mặt Ra không vượt quá 2 μm. Thêm vào đó, đường kính mặt cầu có
dung sai nằm trong khoảng + 0,3 ÷ 0,0 mm. Các giá trị về nhám bề mặt và dung sai vừa nêu
được sử dụng cho lót trong được thiết kế trong nghiên cứu này.
Bản vẽ kỹ thuật của lót trong được thể hiện trên hình 4. Kết quả mô hình hóa lót trong
bằng phần mềm Creo Parametric được thể hiện trên hình 5.
87


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 4. Bản vẽ kỹ thuật của lót trong

Hình 5. Mô hình 3D của lót trong
KẾT LUẬN
Chi tiết lót trong của KHTP không xi măng dùng với chỏm đường kính 28 mm được
thiết kế trong nghiên cứu này. Kết cấu, kích thước và một số yêu cầu kỹ thuật của lót trong
được chọn theo các tiêu chuẩn ISO 7206-1, ASTM F2091-1 và ASTM F2033−12, một số mẫu
lót trong thực tế và một số nghiên cứu gần đây. Mặt ngoài của lót trong được thiết kế đảm bảo
tạo độ kín khít khi lắp với vỏ ngoài tương ứng giảm thiều hiện tượng tiêu xương do các hạt
mài mòn của lót trong bằng nhựa đi vào xương đùi và xương chậu. Để hoàn thiện thiết kế, cần
thực hiện tính toán bền cho lót trong theo điều kiện tải trọng của người Việt Nam.
LỜI CÁM ƠN
Nghiên cứu này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài KHCN cấp Nhà nước mã số
KC.03.24/11-15 tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Điều khiển số và 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 và công nghệ toàn quốc về cơ 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 trên xương đùi và ổ cối trên người trưởng

thành tuổi từ 20 – 35 bằng 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 cơ bản. Hà Nội: Nhà xuất bản 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
1.

PGS.TS. Phạm Ngọc Tuấn. Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP
HCM. Email: , 0903678459.

2.

TS. Nguyễn Văn Tường. Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang. Email:
, 0982354509.

89