Ứng dụng công nghệ in 3D vào chế tạo nẹp cổ bàn chân

Nẹp cổ bàn chân in 3D giúp hiệu quả hơn trong điều trị vì sự chuẩn xác trong kích thước, tính thẩm mỹ cao, đồng thời mở ra cơ hội mới cho ngành sản xuất dụng cụ chỉnh hình và phục hồi chức năng trong nước nhờ năng suất cao, bảo vệ môi trường.

Thực tế cho thấy, trong những năm gần đây, số lượng bệnh nhân được chỉ định sử dụng dụng cụ chỉnh hình để hỗ trợ phục hồi chức năng tại các bệnh viện có xu hướng gia tăng, đặc biệt là nhu cầu sử dụng nẹp cổ bàn chân (AFO: Ankle-Foot Orthosis). Theo đó, mỗi bệnh nhân là một cá thể riêng biệt và duy nhất, vì thế nẹp cổ bàn chân cần phải được chế tạo thật chính xác, tiện lợi và phù hợp cho từng chi thể thì mới có thể giảm thời gian điều trị, nâng cao hiệu quả phục hồi chức năng cho bệnh nhân.

TS. Lê Phan Hoàng Chiêu, chủ nhiệm triển khai nhiệm vụ khoa học – công nghệ “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo nẹp cổ bàn chân bằng công nghệ in 3D” do Phòng thí nghiệm Trọng điểm Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống (Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG TP.HCM) là cơ quan chủ trì, cho biết: chất lượng dụng cụ chỉnh hình ngày càng phải đáp ứng yêu cầu cá thể hóa cho bệnh nhân trong điều trị phục hồi chức năng và hướng tới tiêu chuẩn chất lượng của thế giới. Do vậy, các xưởng dụng cụ chỉnh hình trong nước cần đổi mới công nghệ để nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm đáp ứng yêu cầu điều trị phù hợp theo xu hướng y học cá thể.

Nẹp cổ bàn chân được sản xuất thử nghiệm phục vụ nghiệm thu nhiệm vụ khoa học – công nghệ

Cũng theo lời TS. Lê Phan Hoàng Chiêu, hiện nay quy trình sản xuất dụng cụ chỉnh hình được triển khai theo phương pháp thủ công truyền thống, chất lượng sản phẩm chưa đáp ứng đầy đủ yêu cầu điều trị của bác sỹ. Công đoạn đo đạc còn thủ công, thiếu chính xác, dẫn đến sản phẩm chế tạo cần chỉnh sửa nhiều lần, gây khó chịu cho bệnh nhân. Chất lượng sản phẩm không đồng bộ, chưa có quy trình quản lý chất lượng sản phẩm trong các khâu gia công – sản xuất. Quy trình chế tạo phức tạp, phụ thuộc vào tay nghề của người thợ, tốn nhiều thời gian, dẫn đến năng suất còn thấp. Quá trình bó bột tạo khuôn bằng thạch cao phức tạp, gây ô nhiễm môi trường.

Nhìn chung, phương pháp sản xuất thủ công truyền thống không đáp ứng được yêu cầu về năng lực sản xuất, thời gian chế tạo và chất lượng sản phẩm, không còn phù hợp cho sự phát triển ngành công nghiệp sản xuất dụng cụ chỉnh hình trong nước.

Trong thời gian qua, công nghệ sản xuất dụng cụ chỉnh hình trên thế giới đã có những bước tiến bộ đáng kể thông qua việc sử dụng các công cụ hỗ trợ thiết kế (CAD), hỗ trợ tính toán (CAE) và hỗ trợ sản xuất (CAM) để thiết kế tùy chỉnh và chế tạo sản phẩm chính xác, phù hợp với chi thể của bệnh nhân. Tuy nhiên, cuộc cách mạng thực sự là kết quả của việc ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh (in 3D) trong việc chế tạo dụng cụ chỉnh hình và tay chân giả.

Các công nghệ in 3D như FDM (in từ sợi nhựa), SLS (in từ bột nhựa) và SLA/DLP (in từ nhựa lỏng) từng bước được triển khai ứng dụng trong sản xuất dụng cụ chỉnh hình cho nhu cầu phục hồi chức năng, và đây là lĩnh vực kỹ thuật đang phát triển cũng như đầy tiềm năng trong thời gian tới.

“Chất lượng dụng cụ chỉnh hình ngày càng được nâng cao nhằm đáp ứng yêu cầu cá thể hóa cho bệnh nhân trong điều trị phục hồi chức năng và hướng tới tiêu chuẩn chất lượng của thế giới”, báo cáo của nhóm triển khai nhiệm vụ phân tích, “Trong khi đó, phương pháp thủ công truyền thống không thể đáp ứng được yêu cầu về năng suất, thời gian chế tạo; và hơn hết là chất lượng dụng cụ chỉnh hình chưa đáp ứng đầy đủ yêu cầu điều trị của bác sỹ”.

TS. Lê Phan Hoàng Chiêu báo cáo kết quả triển khai nhiệm vụ khoa học công nghệ

Trong khi đó, theo phân tích của TS. Lê Phan Hoàng Chiêu và nhóm nghiên cứu, việc ứng dụng kỹ thuật quét 3D, công cụ hỗ trợ thiết kế CAD, CAE và công nghệ in 3D sẽ đẩy nhanh quá trình dựng lại mô hình chi thể bệnh nhân, thiết kế tùy chỉnh và chế tạo sản phẩm chính xác, phù hợp cho từng cá thể. Việc ứng dụng công nghệ in 3D cho phép rút ngắn thời gian chế tạo; đảm bảo độ chính xác; sản phẩm tiện dụng, thẩm mỹ, tạo tâm lý thoải mái, hài lòng cho bệnh nhân trong quá trình điều trị.

Sản phẩm thiết thực, hiệu quả cao

Sau thời gian làm việc nghiêm túc, nhóm các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống đã hoàn thành các nội dung quan trọng của nhiệm vụ khoa học – công nghệ, cụ thể như:

1) Xác định cấu trúc hình học và tính năng kỹ thuật của nẹp AFO;

2) Phân tích quy trình chế tạo dụng cụ chỉnh hình truyền thống làm cơ sở xây dựng quy trình chế tạo bằng công nghệ in 3D;

3) Thiết kế, chế tạo dụng cụ hỗ trợ quét để định vị vị trí vùng cẳng bàn chân trong quá trình quét chi thể bệnh nhân;

4) Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ quét và dựng hình chi thể bệnh nhân. Quét chi thể và chế tạo mô hình vùng cẳng bàn chân bằng công nghệ in 3D FDM, làm mẫu cho bác sỹ phân tích, điều chỉnh thiết kế nẹp;

5) Nghiên cứu xây dựng phương pháp và trình tự thiết kế nẹp AFO. Sử dụng các phần mềm chuyên dụng cho thiết kế nẹp AFO, khai thác chức năng hỗ trợ bác sỹ tham gia vào quá trình thiết kế dụng cụ chỉnh hình;

6) Chế tạo thử nẹp bằng công nghệ in 3D FDM, SLA, DLP với các loại vật liệu khác nhau. Kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm nẹp in 3D (tính chất cơ lý, kích thước hình học và tính thẩm mỹ), phân tích chi phí chế tạo nẹp in 3D. Chọn lựa công nghệ FDM với vật liệu PP và SLA với nhựa resin để chế tạo nẹp AFO có sản phẩm đạt yêu cầu chất lượng, chi phí phù hợp với khả năng chi trả của bệnh nhân;

6) Xây dựng chế độ công nghệ in FDM với vật liệu PP và công nghệ SLA với nhựa tổng hợp resin để chế tạo nẹp AFO.

Thiết bị định vị hỗ trợ quét lấy mẫu cẳng bàn chân

Thử nghiệm quét 3D cẳng bàn chân tại phòng thí nghiệm

Trong quá trình triển khai nhiệm vụ, nhóm đã tuyển chọn bệnh nhân, tiến hành quét chi thể, thiết kế chế tạo nẹp AFO in 3D cho 34 bệnh nhân (tại Bệnh viện Y học cổ truyền TP.HCM, và Bệnh viện Phục hồi chức năng – Điều trị bệnh nghề nghiệp TP.HCM), từ đó đánh giá hiệu quả điều trị, sự hài lòng của bệnh nhân.

Kết quả cho thấy đã có sự cải thiện đáng kể trong khả năng di chuyển của bệnh nhân, đáp ứng yêu cầu điều trị; bệnh nhân cảm thấy thoải mái khi mang nẹp và hài lòng vể mặt thẩm mỹ của sản phẩm.

Đáng chú ý, không chỉ xây dựng quy trình công nghệ chế tạo nẹp AFO bằng công nghệ in 3D đáp ứng yêu cầu đổi mới công nghệ trong ngành sản xuất dụng cụ chỉnh hình, và triển khai sản xuất thử tại xưởng dụng cụ chỉnh hình của bệnh viện, thì nhóm triển khai nhiệm vụ cũng đề xuất phương án chế tạo nẹp theo một quy trình kết hợp: quét chi thể, chế tạo mô hình chi thể bằng công nghệ in 3D để tạo cốt dương (thay cho quá trình bó bột), sau đó sản xuất nẹp PP theo phương pháp truyền thống.

Sản phẩm chính của đề tài là nẹp AFO chế tạo bằng công nghệ in 3D có tính thẩm mỹ, mang lại sự hài lòng cho bệnh nhân, khả năng di chuyển có sự cải thiện đáng kể sau thời gian mang nẹp, đáp ứng yêu cầu điều trị của bác sỹ. Nẹp đang được các bệnh nhân sử dụng để tiếp tục điều trị phục hồi chức năng đi lại. Trong khi đó, dụng cụ hỗ trợ quét cẳng bàn chân có thể cải tiến, phát triển và thương mại hóa thành thiết bị quét, số hóa chi thể bệnh nhân trong ngành y tế.

“Quy trình này hoàn toàn có thể được dễ dàng áp dụng cho các xưởng chưa có khả năng tài chính để đầu tư máy in 3D vốn dĩ có giá khá cao”, nhóm triển khai nhiệm vụ thông tin thêm.

Nhận định về hiệu quả kinh tế – xã hội của nhiệm vụ, TS. Lê Phan Hoàng Chiêu cho rằng ứng dụng công nghệ in 3D trong chế tạo dụng cụ chỉnh hình góp phần nâng cao năng suất, giảm chi phí sản xuất. Sản phẩm in 3D có tính thẩm mỹ, tiện dụng, phù hợp cho từng cá thể có thể góp phần giảm thời gian và chi phí điều trị cho bệnh nhân.

“Công nghệ quét chi thể bệnh nhân, thay thế bó bột truyền thống góp phần làm giảm chi phí xử lý rác thải y tế trong bệnh viện, giúp bảo vệ môi trường”, TS. Lê Hoàng Chiêu khẳng định, “Ngoài ra, quy trình chế tạo dụng cụ chỉnh hình bằng công nghệ in 3D theo hướng công nghiệp hóa được áp dụng sẽ từng bước thay thế quy trình sản xuất truyền thống, là cơ sở để phát triển ngành công nghiệp dụng cụ chỉnh hình trong nước”.

Quy trình công nghệ chế tạo nẹp cổ bàn chân bằng công nghệ in 3D được đăng ký sáng chế và có thể chuyển giao phục vụ đổi mới công nghệ cho các xưởng dụng cụ chỉnh hình trong nước, đặt nền tảng cho việc phát triển ngành công nghiệp sản xuất dụng cụ chỉnh hình và chân tay giả trong nước tiệm cận với trình độ thế giới. TS. Lê Phan Hoàng Chiêu

Đại diện nhóm triển khai nhiệm vụ khẳng định rằng, việc hình thành và phát triển ngành dịch vụ chế tạo sản phẩm in 3D trong y tế đáp ứng yêu cầu phát triển y học cá thể, góp phần nâng cao chất lượng khám, chẩn đoán và điều trị, tiến đến hình thành các trung tâm in 3D ngay trong các bệnh viện tương tự như ở các nước phát triển. Ngoài ra, phương pháp quét, dựng hình chi thể bệnh nhân, thay thế bó bột truyền thống, về cơ bản góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường tại các cơ sở y tế, và toàn xã hội.

Có thể khẳng định rằng, kết quả nhiệm vụ khoa học – công nghệ vừa được Sở KH&CN TP.HCM nghiệm thu và thông qua là động lực thúc đẩy việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ in 3D phục vụ chẩn đoán và điều trị, góp phần xây dựng ngành y tế thông minh của TP.HCM nói riêng và cả nước nói chung; đồng thời xây dựng được mạng liên kết nguồn lực liên ngành để giải quyết các vấn đề khoa học và công nghệ liên quan.

Sở KH&CN TPHCM, tháng 12/2023