Ampüteler Osseointegrasyon Akıllı İmplant Tasarım Sistemi Biyoelektrik Analizleri

Uzuv kaybı damar tıkayıcı hastalıklar ve travma nedeniyle alternatif protez eklenti geliştirmek için bir ihtiyaç vardır. Çalışmanın amacı iskelet fiksasyon artırmak ve osseointegre teknoloji gerektiren hastalar için periprostetik enfeksiyon oranlarını azaltmak için bir osseointegre akıllı implant tasarım sistemi tanıtmak için.

Amerikan amputees öngörülen sayısı, 2050 yılına kadar 3,6 milyon yükselmesi bekleniyor. Bu kişilerin çoğu rutin faaliyetleri gerçekleştirmek için yapay uzuvlar bağlıdır, ancak geleneksel soket teknolojisi kullanılarak protez süspansiyonlar uzuv kaybı olan bir kişi için hantal ve rahatsız kanıtlayabilirim. Ayrıca, yüksek proksimal amputasyonları olanlar için, sınırlı rezidüel bacak uzunluğu hep birlikte exoprosthesis eklenti önleyebilir. Osseointegrasyon implant teknolojisi, ev sahibi kemik ve implant arasındaki sağlam iskelet eklenti sağlayan bir roman operatif işlem. Osseointegre implantlar Avrupa amputees Ön sonuçlar, kemik implant arayüzüne yüklerin doğrudan transferini sağlayan geliştirilmiş klinik sonuçlar ortaya koymuştur. Soket teknolojisi üzerinde osseointegrasyon belirgin avantajlara rağmen, mevcut rehabilitasyon işlemleri, elektrik stimülasyonu ile hızlandırılmış iskelet eki ile azalabilir kısıtlayıcı yük taşıma önce uzun süre gerektirir. Osseointegre akıllı implant tasarımı (OIID) sisteminin amacı, bir elektrik sistemi, iskelet eki hızlandırmak ve periprostetik enfeksiyonu önlemeye yardımcı implant parçası haline getirmektir. Optimum elektrot boyutu ve yerleşimi belirlemek için, elektrik alanları ve ampute güdükler elektrik stimülasyonu sırasında ortaya çıkan akım yoğunlukları sayısal modelleme kavramı kanıtı başlattı. Sigorta hasta güvenliğini sağlamak için, geriye dönük bilgisayarlı tomografi olan kişilerde seçildi ve üç boyutlu rekonstrüksiyonlar bir IRB anatomik doğruluk (Seg3D ve SCIRun) sağlamak ve HIPAA çalışma onaylı özel yazılım programları kullanılarak oluşturuldu. Bu yazılım paketleri, hastaya özgü modellerin geliştirilmesi desteklenen ve elektrot konumu ve büyüklüğü interaktif manipülasyon için izin. Ön sonuçlar, elektrik alanları ve akım yoğunlukları, osteoblast göç neden iskelet fiksasyon geliştirmek ve periprostetik enfeksiyonları önlemeye yardımcı olabilir gerekli homojen elektrik alan dağılımları elde etmek için implant arayüz oluşturulabilir göstermektedir. Model ile tecrübe elektrot yapılandırmaları dayanarak, harici iki grubun yapılandırma, gelecekte de savunulan olacaktır.

Bölüm 1: Amputee İmar Bilgisayarlı Tomografi (BT) tarar

1. Retrospektif CT taramaları, Utah Bölümü Üniversitesi, KİK ve HIPAA onayı alındıktan sonra Veteran İşleri hastanelerin toplanmıştır.
2. X-ray emiciliğine göre doku tipleri arasında net bir ayrım izin CT taramaları nedeniyle seçildi.
3. Akım trafosu elle denetlenir ve görüntü artifakı önlemek için metal implantların yokluğunda dayalı çalışmaya dahil edildi.

Bölüm 2: Seg3D Model Üretimi

1. Dosyalar Dicom görüntü olarak indirilen ve yeni bir birim olarak Seg3D yüklenir (sürüm 1.11.0, software.sci.utah.edu).
2. Medyan filtre ithal hacimleri geometrik olarak tanımlanan doku yapıları belirlemek için önce düzeltmek için kullanılır oldu.
3. Kemik, kemik iliği, organ ve adipoz dokuda doku sınırları etkileşimli CT dosyaları (Şekil 1) eşikleme üretildi.
   
   Şekil 1: bir ampute güdüğün sagital kesit eşiklenir ve özel doku tiplerinin ayrılır.
4. Kas eşiklenir kas dokusu içinde elle tohum noktalarını belirleme ve tohum noktalara bağlı tüm doku bulmak için filtre bağlı bir güven kullanarak elde edildi. Bu adım, akım trafosu benzer emiciliğine göre kas ile birlikte gruplandırılmış olabilir hatalı dokuların ortadan kaldırmıştır.
5. BT görüntüleri güvenilir bir şekilde ayırt etmek mümkün değildi cilt, ortalama deri kalınlığı ^dayalı, tam bir model 1 çevrilidir homojen kalınlıkta bir tabaka üretmek için dıştaki doku 2 milimetre dilate oluşturulmuştur.
6. Segmentlerinin elle kontrol, doğruluğunu sağlamak için düzeltilmiş ve sonlu elemanlar analizi (Şekil 1) için gerekli tek bir etiket harita içine bir hiyerarşi içinde kombine.
   
   Şekil 2: Seg3D ile oluşturulan ikili ampute Temsilcisi hiyerarşik bir modeli.

Bölüm 3: Sonlu Eleman Analizi Hazırlık

1. 10 cm implant implant ortopedik cihaz ve elektrik stimülasyonu için katot olarak hizmet Matlab tasarlanmış ve SCIRun (sürüm 4.0, software.sci.utah.edu) içine ithal edildi.

Bölüm 4: Elektrot Yerleştirme ve Tasarım

1. Interaktif elektrot yerleştirme ve simülasyon destekler çünkü SCIRun elektrot tasarımı için kullanılmıştır.
2. Bir ağ oluşturulmuş ve modülleri mesh (Şekil 3) oluşturmak için özel fonksiyonlar ile organize edildi. Modüller sınır koşulları, doku iletkenlikleri, örgü ayrıntılandırmaları, Matlab histogramlar üreten, kayıt alan veri, vb (Tablo 1) tanımlamak için önemliydi.
   
   Şekil 3: bir pilot çalışma iki grup dış elektrot yapılandırma kullanarak Temsilcisi ağ görüntü.
   

   Tablo 1
   Segment Dokular Atanan İletkenlik
   Doku Tipi	İletkenlik [S / m]
   Organ	0,22
   Cilt	0,26
   Yağ	0,09
   Kas	0,25
   Kortikal kemik	0,02
   Kemik İliği	0,07

3. Elektrotlar için bir yama elektrot, iki yama elektrotlar, bir sürekli bant ve iki sürekli bantları yapılandırmaları oluşuyordu.
4. Harici elektrot bantları hasta CT taramaları üretilen modelleri güdüğün uygulanır ve kalınlığı 1.6 cm idi.
5. Elektrot yamaları güdüğün çapı yaklaşık olarak yarısını kaplayan bir şerit olarak yerleştirilir ve 3 cm kalınlığında idi.
6. Osseointegre implant temsil iç kortikal implantın endosteal çapı mükemmel implant oturması için izin ve ² doldurmak için kuruldu.

Bölüm 5: Sonlu Elemanlar Analizi

1. Simülasyonları elektrik ölçümleri, hiçbir zaman bağımlılık ile yarı-statik bir yaklaşım kullanılarak hesaplanmıştır olabileceğini varsayarak üretildi.
2. Seg3D segmentlerinin üretilen her bir doku tipi Laplace denklemi çözme modeli hesaplanmıştır.
3. Sınır koşulları, akımlar ve akımı vücudun içinde kaldığı kılavuz enjekte elektrotlar tarafından kuruldu.
4. Elektrotlar ve implant, çevre dokulara göre çok daha büyük bir iletkenlik olduğu için, birimplant (katot) sabit bir potansiyel olduğunu ssumed, aynı şekilde yüzey elektrotları perkütan implant sabit bir potansiyel farkı ile modellenmiştir.
5. Elektrot yapılandırma ve boyutlandırma etkinliğini değerlendirmek için, hastaya özel modeller geliştirilmiş ve implant arayüzü etrafında elektriksel potansiyel yerelleştirilmiş alanında güçlü belirlemek için kullanılmıştır.
6. Parçalı, omik homojen ve izotropik olarak tedavi edildi, yaklaşık 1.8 milyon elemanlarının oluşan bir hexahedral örgü modeli kullanılarak oluşturulmuştur.
7. Bu deney için en uygun model model doğruluğu (Tablo 2) sigortalamak için bir ağ hassasiyet çalışması ile teyit gerilim gradyanlar göreceli bir fark <% 5 ile seçildi.
   

   Tablo 2
   Amputee Modeli Mesh Duyarlılık Çalışması
   Ağ	Elements	Düğümler	Bağıl Farkı
   100 100 50	149089	161131	0,0995
   125 125 75	350180	371472	0,0802
   150 150 100	673032	706082	0,0545
   175 175 125	1146778	1194044	0,0527
   200 200 150	1796690	1860772	0,0439
   250 250 200	3745038	3850202	0,0364
   275 275 225	5097243	5226587	0,0301
   300 300 250	6742588	6898729	0,0000

8. Bir çözücü iteratif kullanarak, sonlu elemanlar modelleri elektrik ölçümlerini elektrot konfigürasyonları için hesaplanmıştır.

Elektrik Stimülasyon Paradigma anlama

, Tıbbi bakım ve mücadele alanında tahliye stratejileri geliştirmeler felaket savaş ile ilgili yaralanmalar hayatta savaşçı artan sayıda yol var. Sağkalım oranı tıbbi bir gelişme olsa da, askerler ve kadınlar ile mücadele gerektiren amputasyonları dönen Gazi İşleri Sağlık Sistemi ³ yoğun bakım, kapsamlı rehabilitasyon ve pahalı protez hizmetleri takip. 1.000 'den fazla savaş ile ilgili amputasyonları Sonsuz Özgürlük Operasyonu (AÖF) ve Irak'a Özgürlük Operasyonu (OAU) çatışmalar ⁴ bir sonucu olarak meydana gelmiştir Kongre ayrıntılı raporlar.

AÖF ve OAU gazileri durumunda, geri dönen savaşçılardan oluşan yaklaşık% 15 oranında birden fazla bacaklarda kaybetmiş ve soket teknolojisi bir seçenek değildir veya hasta tarafından reddedildi dönen askerlerin ve kadınların önemli sayıda kısa güdükler var. Fiksasyon cihazlarının rahat ⁵ kullanmak için hantal ve zor çünkü protez üst ekstremite bildirilen kesilmeli kullanımı% 50 bile aşıyor. Alt ekstremite protezleri eşit sorunlu ve yumuşak doku soketleri ile ilgili ortak sorunları zorlu terrain6 yürümek yetersizlik, sınırlı rezidüel ekstremite uzunluğu ^7, hasta rahatsızlık ^5, fizyolojik olmayan yükleme ⁸ ile endişe, heterotopik ossifikasyon ⁹ ve risk tahriş zayıflatıcı hastalıklar ^10. Ancak, osseointegrasyon teknolojisi bir roman cerrahi teknik, ağrı ^{11, 12.} cilt tahrişi azaltmak, geliştirmek ^{osseoperception} 13, ^hareketlilik 6 geliştirmek, ^soket 6 ile ilişkili basınç yaraları azaltmak, ^ambulasyon 7,14 için enerji azaltmak ve daha iyi hizmet gazisi ve savaşçılar ile sınırlı olabilir . interosseous uzunluğu ^15.

Osseointegrasyon sayısız fiziksel ve psikolojik avantajları olmasına rağmen, ilgili cerrahi işlemler, daha gelişmiş bir enfeksiyon önleme tedavisi ^streategies 16 gerektirir ve uzun rehabilitasyon programları gerektiren kısıtlayıcı ağırlık taşıma protokolleri, ^1.5 yıl postoperatif 17 kadar sürebilir. Güdüğün konak kemik ve uzunluk canlılığı osseointegrasyon dönen askerler ve kadınlar için anahtar artırmak için yeni cihazlar geliştirmek, kas eki ve işlevsellik için önemli olduğundan. Bu nedenle, kontrollü elektrik stimülasyonu kullanan bir osseointegre akıllı implant tasarımı (OIID) sistemi geliştirilmesi, rehabilitasyon süresini azaltmak ve gazisi ve savaşçı amputees iskelet eklenti artış olabilir. Piyasada bulunan ve perkütan osseointegre implantların kullanımı için hiçbir geçerli aygıt Ancak, sonlu elemanlar analizi ile güvenlik ve etkinlik programı motivasyon onaylamak için.

Kemik remodeling, özellikle osteoids ve cevherleşme birikimi, elektrik stimülasyonu rolünü anlamak spekülatif kalmıştır. Ancak, kemik gözlenen elektriksel aktivite, mekanik ^yüklenme 18,19 ve bu nedenle bir elektrik uyaran indükleyici ^kemik tamiri 19 için etkili bir mekanizma olabilir sonucu olabilir. Hipotez ardındaki mantık, bir kırık iyileşme modeli açıklanmıştır. Uzun kemiklerde yüklendiğinde, gerilim tarafında elektropozitif olur ve sonra bir kemik kırık iyileşme başladı ve homeostasis ²¹ devam kadar sıkıştırma yan elektronegatif ^20,21, ancak, site Çevre için saygı elektronegatif kalacaktır. Bir elektrik sinyali ile doğal şifa kaskadı Taklit kalsiyum birikimi ^22, oksijen içeriği ve pH ²³ hafif değişiklikler, büyüme faktörleri ²² alımı, yardımcı olmak için inandı ve ek ekstraselüler ^matriks 24 osteoblast göç ve sekresyon yardımcı olmuştur .

Tek başına elektrik stimülasyonu tam kemik onarım yöneten öncül yeniden ve yeni hipotez, komple sendikalar mekanik yükler ve bir elektrik stimülasyonu ^uyaran-19 ortak tarafından kurulan önermektedir olmuştur. In vivo olarak görülen elektrik darbeleri piezoelektrik deformasyon veya kollajen, geçmişte kemik ^matriks 25 mineral bölümlerini akan iyonik bileşenleri tarafından üretilen büyük elektro-kinetik akımları ile ilişkilidir . Aslında, spontan potansiyeller 6 milivolt ve ²⁶ kemik mineral apozisyon oranındaki bir artış ile korele olarak büyük kemik bildirilmiştir.

Brighton ve Friedenberg ^18,21,27,28 Erken çalışma, kemik rejenerasyonu için elektrik stimülasyonu kavramı 1960'larda ve 1970'lerde ve d kullanılanemonstrated bu doğru akım, geleneksel tedavi yöntemlerine kıyasla daha kısa bir süre olmayan sendikalar onarmak için kullanılan olabilir. Ek modelleri kısıtlayıcı ağırlık taşıyan kemik oluşumu araştırılmış ve osteojenik aktiviteyi kontrol ve elektriksel olarak uyarılmış bacaklarda ²⁵ arasında bir yüzde otuz bir artış göstermiştir.

Elektrik stimülasyonu alanında araştırmacılar elektrik stimülasyonu ile osteoblast matriks birikimi mekanizmasını anlamak için yolu açtı varken, yetersiz anlayış, bu teknolojinin yaygınlaşması ile sınırlandırmıştır. Olmayan sendikalar ve kırık iyileşmesi modelleri, hastanın rahatsızlığını örnekleri ve başarısız girişimleri başarılı iyileşme birçok durumda olmakla birlikte, literatürde ^de 29 doludur . Elektrik stimülasyonu ile bilim adamları ve klinisyenler, yanlış elektrik ölçümlerini kontrol ve akım büyüklükleri, sadece konsantre sorunu oluşur. Önceki araştırmacılar, yaklaşık 500.000 ^yılda 30 meydana olmayan sendikalar sabitleme için "sihirli mermi" olarak mevcut baktı . Ancak, modeller arasında tekrarlanabilirlik joule ısıtma komplikasyonlar ³¹ sınırlıdır ve akım yoğunlukları ³² değil belirleyici olmuştur. Aslında, lokalize doku nekrozu ve ³³ hastanın rahatsızlığını önlemek için Uluslararası Elektroteknik Komisyonu tarafından belirtildiği gibi, üretilen tüm biyomedikal cihazlar bir akım yoğunluğu daha az 2 mA / ^cm 2 ile sınırlı olmalıdır .

Kenara iskelet sabitleme ile yardımcı elektrik stimülasyonu, kontrollü ortopedik implantlar da bakteriyel adezyon önlemek ve osteomyelit ve biyofilm oluşumu ^34-37 riskini azaltmak. Biyofilm oluşumu ortopedik cihazlar üzerinde hasta komplikasyonlar ve bu cihazlar ³⁸ bağlı olanlar için önemli bir sıkıntı yol. Vurgu, tamamen cerrahi ^öncesi 39 enstrümantasyon ve implantlar steril olması gerekliliği üzerine yerleştirilir, ancak ^aslında 40 bulaşmış birçok olumsuz kültürlü durumlarda belirgin olarak bakteri yapışma teşhis etmek genellikle zordur . Bu sorun genellikle biyofilm ⁴⁰ doğa içinde büyüyen, in vitro ³⁹ doğru büyüme, bakteri hücreleri, yüzey temizliği ve bağışıklık sisteminin etkilenen ^kişi 39 türüne bağlı değildir yavaş olduğu gerçeği ile birleştirilmiştir . Avrupa oseeointegration teknolojisi ile transfemoral amputees araştırılması (en sık görülen sorun sık sık yüzeysel enfeksiyonları, 1 / 3 periprostetik enfeksiyonları) ⁴¹ enfeksiyondur ortaya koymaktadır. Cerrahi hazırlanmasında büyük gelişmeler varken, bakterilerin ortadan kaldırılması olmayan platonik formu ^34,35,39 nedeniyle ortadan kaldırmak için biyofilmler 500-5000 bin kat daha zor arasında olduğundan osseointegrasyon iyileştirilmesi için temel faktörlerden biridir. Bu nedenle, elektrik stimülasyonu, zararlı bakteri kolonilerinin kaldırarak ve iskelet fiksasyon artan bir yöntemi olarak kullanan, hasta sağlığı ve OIID etkinliğini korunmasını sağlamak için önemli faktörlerdir.

Gazisi ve savaşçı amputees kullanmanın avantajları göreli gençlik ve aksi takdirde bu kişilerin sağlık agresif rehabilitasyon ve perkütan sonrası ayaktan bir yardımcı olarak hizmet verecek ve elektrik stimülasyonu için maruz katot olarak gelişmiş olabilir için ideal bir nüfus vardır. Osseointegre bir implant varlığı elektrik bileşenleri eklemek için ek cerrahi işlemler gerektirmez, cihaz dışarıdan kontrol edilmesine imkan tanıyor ve enfeksiyonu ⁴² daha fazla risk engeller. Bu nedenle, mevcut enjeksiyon yöntemi gazisi ve savaşçı amputees güdüğün, 1-10 V / cm büyüklükte bir elektrik alanı içine anlayarak, kurulan kontrol ve implant arayüzü ölçülen olabilir. Bu osteoblast göç uyaran ve iskelet eklenti geliştirme yeteneğine teslim edilecek elektriğin güvenli düzeylere izin olacağı varsayımında. Bu derece bir elektrik alan implant kemik miktarını ve kalitesini artırmak ve geliştirmek için umutları bir ampute için hızlandırılmış rehabilitasyon ve iskelet fiksasyon. Intramedüller protez implant osseointegrasyon hızlandırmak için bir yöntemi olarak elektrik stimülasyonu kullanımı araştırılmış ve hasta bakımını geliştirmek için translasyonel araştırma için sayısız fırsat sunuyor değil.

Deneysel Sonuçlar

Perkütan elektrik stimülasyonu cihaz ile hasta belirli modeller için gerekli çalışmaya destek verdi. Önerilen biyomedikal cihaz için geliştirilmiş simülasyonlar artan osteoblast göç iskelet eki hızlandırılmasına ve bakteriyel adezyon ^27,34,36,39 önleme yetenekleri olabilir. Zorunluutation modelleme etkili 1-10 V / cm elektrik alanları ve akım yoğunlukları 2 mA / cm ² altında fonksiyonel bir katot olarak implant kullanılarak üretilen ve en homojen iki grup dış elektrot kullanılarak dağıtılır göstermiştir. OIID sistem, insan ^vücudundaki 43 mevcut yolları tanımlamak için yetersizlik, elektrik stimülasyonu ile ilişkili klasik sorunu çözmek için ilk adım olabilir. Bu nedenle, iskelet eklenti geliştirmek için araçlar oluşturulması osseointegre bir prosedür için gerekli rehabilitasyon süresini azaltmaya yardımcı olabilir.

Büyük amputees elektrik stimülasyonu kullanılması da kritik bir yönü de araştırılmalıdır olmalıdır. Kemik kütlesi, kemik büyümesini çözüldükten sonra, en fazla on yıl ama sekizinci ve ^dokuzuncu on 44 azalır. Uzun kemiklerde yaş ile değiştirmek gibi, endosteal çapı ⁴⁵ gevşeme implant yol açabilir periosteal çapı daha hızlı artma eğilimindedir. Bu sorun, zayıf kasları kemikleri üzerindeki gerilimi azaltma ile birleştiğinde zayıflatıcı hastalıklar, osteoporoz ve osteopeni ⁴⁵ olarak katkıda ve osseointegre implantlar olan hastalar için ek tedavi seçenekleri gerekebilir. Bununla birlikte, kontrollü elektrik stimülasyonu ve mekanik yüklenme kemik ongrowth sinerjik bir katalizör olarak hareket eder ve yaşlı hastalarda OIID bir sistemi kullanarak ana kemik yatağı bütünlüğünü korumak.

Bu teknoloji, özellikle fonksiyonel bir katot olarak, iskelet eklenti artırmak rehabilitasyon azaltmak ve önlemek için bakteriyel yapışma dergi teslim birinci yazar tarafından icat yeni bir fikir, bir ortopedik implant kullanan makalede açıkladı. Utah Üniversitesi'nden bir buluş açıklama formu teslim olmuştur ve Amerika Birleşik Devletleri geçici patent ifşa tüm teknoloji koruma talep edilmiştir.

Bu malzeme destekli araştırma (ya da tarafından kısmen desteklenen) Teknoloji Ticarileştirme Ofisi, Salt Lake City, UT, Araştırma ve Geliştirme Dairesi, Rehabilitasyon R & D Servis, DVA SLC Sağlık Bakım Sistemi, Tuz Gölü Şehir, UT, Savunma Bakanlığı üzerine PRMRP Grant (No PR054520), Albert & Margaret Hofmann Başkanı ve Ortopedi Anabilim Dalı, University of Utah School of Medicine, Salt Lake City, UT simülasyonları için teknik destek Bilimsel Hesaplama Bütünleştirici Biyomedikal Bilgi İşlem Merkezi tarafından sağlanmaktadır. ve Görüntüleme Enstitüsü ve Bütünleştirici Biyomedikal Bilgisayar NIH / NCRR Merkezi, P41-RR12553-07 yazılım kısmen mümkün olmuştur.

Ek şükran biyofilm görüntü için yazının hazırlanmasında ve Dustin Williams yardım Gwenevere Shaw kadar uzatılmıştır.