Name: 被截肢者的智能植入种植体设计系统的生物电分析 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-07-15T00:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 31 s
Description: 了解智能植入种植体设计系统如何通过有限元分析和电刺激技术改善截肢者的骨整合效果。该方法利用CT扫描重建解剖模型，为假肢固定和感染预防提供新方案。

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本材料基于犹他州盐湖城技术商业化办公室、研发办公室康复研究项目所支持（或部分支持）的研究。&amp;D Service，美国犹他州盐湖城退伍军人事务部 SLC 医疗保健系统，美国国防部 PRMRP 项目资助（编号：PR054520），阿尔伯特 &amp; 美国犹他州盐湖城犹他大学医学院骨科系及Margaret Hofmann讲席；模拟的技术支持由科学计算与成像研究所的整合生物医学计算中心提供 部分得益于美国国立卫生研究院/国家生物医学成像与生物工程研究所整合生物医学计算中心（NIH/NCRR Center for Integrative Biomedical Computing, P41-RR12553-07）提供的软件支持.
特别感谢 Gwenevere Shaw 在手稿准备方面的帮助，以及 Dustin Williams 提供的生物膜图像。

第一部分：使用计算机断层扫描（CT）进行截肢患者重建
<ol><li>在获得机构审查委员会（IRB）和健康保险可携性和责任法案（HIPAA）批准后，从犹他大学和退伍军人事务部医院收集了回顾性CT扫描图像。</li>
<li>选择CT扫描是因为其能够基于X射线吸收率清晰区分不同类型的组织。</li>
<li>对CT图像进行人工检查，并根据是否存在金属植入物来决定是否纳入研究，以避免产生图像伪影。</li>
</ol>
第二部分：使用 Seg3D 进行模型生成
<ol>
<li>将文件以Dicom图像格式下载，并作为新体数据载入Seg3D软件（版本1.11.0，software.sci.utah.edu）中。</li>
<li>在确定几何定义的组织结构之前，使用中值滤波对导入的体数据进行平滑处理。</li>
<li>通过交互式阈值分割CT文件，生成骨、骨髓、器官和脂肪组织的组织边界（图1）。 
<img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig1.jpg" alt="马骨分析，治疗前后对比，医学影像结果。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 1"> 
图1：经阈值分割并划分为特定组织类型的截肢残肢矢状截面图。</li>
<li>通过在阈值分割后的肌肉组织内部手动设置种子点，并使用置信连接滤波器查找与种子点相连的所有组织，从而获取肌肉结构。此步骤可消除因CT吸收率相似而可能被错误归入肌肉的其他组织。</li>
<li>由于皮肤无法从CT图像中可靠识别，因此基于平均皮肤厚度将最外层组织向外扩张2毫米，生成一层均匀厚度的皮肤，包裹整个模型1。</li>
<li>对分割结果进行人工检查和修正以确保准确性，并按层级结构合并为有限元分析所需的单一标签图（图1）。 
<img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig2.jpg" alt="三维解剖模型，横截面，紫色色调，用于医学影像和教学研究。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 2"> 
图2：使用Seg3D创建的双侧截肢患者代表性分层模型。</li>
</ol>
第3部分：有限元分析的准备工作
<ol>
<li>使用 Matlab 设计了一个 10 cm 的植入物，作为植入式骨科器械和电刺激的阴极，并将其导入 SCIRun（版本 4.0，software.sci.utah.edu）。</li>
</ol>
第4部分：电极放置与设计
<ol>
<li>采用 SCIRun 进行电极设计，因为它支持交互式电极放置与仿真。</li>
<li>创建了一个网络，并将模块按特定功能进行组织，以生成网格（图 3）。这些模块在定义边界条件、组织电导率、网格细化、生成 Matlab 直方图、记录场数据等方面具有重要作用（表 1）。 
<img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig3.jpg" alt="计算建模，包含用于三维重建和图像处理分析的用户界面元素示意图。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 3"> 
图 3： 来自一项预试验的代表性网络图像，使用双带式外部电极配置。 
<table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0">
<tbody>
 <tr>
 <td>表 1 </td>
 <td>  </td>
 </tr>
 <tr>
 <td colspan="2">分配给分割组织的电导率 </td>
 </tr>
 <tr>
 <td>组织类型</td>
 <td>电导率 [S/m]</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>器官</td>
 <td>0.22</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>皮肤</td>
 <td>0.26</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>脂肪组织</td>
 <td>0.09</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>肌肉</td>
 <td>0.25</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>皮质骨</td>
 <td>0.02</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>骨髓</td>
 <td>0.07</td>
 </tr>
</tbody>
</table>
</li>
<li>电极配置包括单贴片电极、双贴片电极、单连续带和双连续带。</li>
<li>外部电极带应用于基于患者 CT 扫描生成的模型残肢部位，厚度为 1.6 cm。</li>
<li>电极贴片以条带形式放置，覆盖残肢直径的约一半，厚度为 3 cm。</li>
<li>代表骨整合植入物的内部皮质内植入物被设定为髓腔内直径，以实现完美的植入物贴合与填充2。</li>
</ol>
第5部分：有限元分析
<ol>
<li>模拟基于以下假设生成：电学参数可通过准静态方法计算，且不依赖时间。</li>
<li>该模型通过求解每种组织类型的拉普拉斯方程得出，组织类型数据来源于 Seg3D 的分割结果。</li>
<li>边界条件由注入电流的电极以及电流保持在体内的准则构成。</li>
<li>由于电极和植入物的导电性远高于周围组织，因此假设植入物（阴极）处于恒定电位，同样地，体表电极也被建模为与经皮植入物之间具有恒定的电位差。</li>
<li>为评估电极构型和尺寸的疗效，建立了患者特异性模型，并利用植入物界面周围的电势来确定局部电场强度。</li>
<li>该模型采用六面体网格生成，包含约180万个单元，均被视为分段均质、欧姆性和各向同性的。</li>
<li>该实验的最优模型是通过相对差异选定的 &lt;通过网格敏感性研究验证了电压梯度的5%差异，以确保模型的准确性（表2）。 
<table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="305">
<tbody>
 <tr>
 <td>表 2 </td>
 <td>  </td>
 <td>  </td>
 <td>  </td>
 </tr>
 <tr>
 <td colspan="3">截肢模型的网格敏感性研究</td>
 <td> </td>
 </tr>
 <tr>
 <td>网状结构</td>
 <td>元素</td>
 <td>节点</td>
 <td>相对差异</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>100 100 50</td>
 <td>149089</td>
 <td>161131</td>
 <td>0.0995</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>125 125 75</td>
 <td>350180</td>
 <td>371472</td>
 <td>0.0802</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>150 150 100</td>
 <td>673032</td>
 <td>706082</td>
 <td>0.0545</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>175 175 125</td>
 <td>1146778</td>
 <td>1194044</td>
 <td>0.0527</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>200 200 150</td>
 <td>1796690</td>
 <td>1860772</td>
 <td>0.0439</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>250 250 200</td>
 <td>3745038</td>
 <td>3850202</td>
 <td>0.0364</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>275 275 225</td>
 <td>5097243</td>
 <td>5226587</td>
 <td>0.0301</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>300 300 250 </td>
 <td>6742588</td>
 <td>6898729</td>
 <td>0.0000</td>
 </tr>
 </tbody>
</table>
</li>
<li>使用迭代求解器计算了电极构型下有限元模型中的电学参数。</li>
</ol>

<ol><li>Tortora, G. J., Nielsen, M. T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTortora%2C+GJ+%22Principles+of+Human+Anatomy%22">Principles of Human Anatomy</a>. Roesch, B., et al. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ. (2009).</li>
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</ol>

本文所披露的技术，特别是利用骨科植入物作为功能性阴极以增强骨骼附着、缩短康复时间并防止细菌黏附，是由该论文投稿的第一作者提出的创新构想。相关发明披露文件已提交至犹他大学，并已申请美国临时专利，以保护本文披露的全部技术。

理解电刺激范式
战场医疗护理和后送策略的改进使得在战争相关严重创伤中幸存的战士人数增加。尽管生存率的提高是医学进步的体现，但服役人员从战场返回后常伴有截肢伤残，需要退伍军人事务医疗保健系统提供 intensive 的后续治疗、广泛的康复训练以及昂贵的假肢服务3。国会报告指出，由于持久自由行动（Operation Enduring Freedom, OEF）和伊拉克自由行动（Operation Iraqi Freedom, OIF）冲突，已发生超过1,000例与战争相关的截肢病例4。
对于参加过伊拉克和阿富汗战争的退伍军人而言，约有15%的归国战士失去了多个肢体，且大量归国军人残肢较短，无法使用接受腔技术，或患者已拒绝接受该技术。上肢假肢的停用率据报道甚至超过50%，原因是固定装置笨重且难以舒适使用。5下肢假肢同样存在诸多问题，与软组织接受腔相关的常见问题包括无法在复杂地形上行走6，以及残肢长度不足7患者不适5，关注非生理载荷问题8异位骨化引起的刺激9 以及致残性疾病的风险10然而，骨整合技术是一种可能减轻疼痛的新型外科技术11皮肤刺激12，增强骨感知13，改善活动能力6，减少与接受腔相关的压疮6，降低行走时的能量消耗7,14 更好地服务于残肢长度有限的退伍军人和战士15.
尽管骨整合具有诸多生理和心理上的优势，但其相关外科手术需要更先进的感染预防治疗策略16，需要长期的康复计划，并包括限制性负重方案，术后可能持续长达1.5年17。由于宿主骨的活性和残肢长度对肌肉附着和功能至关重要，因此开发新型装置以改善骨整合对于退伍军人至关重要。因此，开发一种采用可控电刺激的骨整合智能植入物设计（OIID）系统，可能缩短康复时间，并增强退伍军人及伤残军人的骨骼附着。然而，由于目前尚无面向经皮骨整合植入物使用的商业化设备，该研究项目的动机在于通过有限元分析验证其安全性和有效性。
关于电刺激在骨重建中的作用，特别是对类骨质沉积和矿化的影响，目前仍处于推测阶段。然而，骨骼中观察到的电活动可能是机械负荷的结果18,19，因此电刺激可能是一种有效诱导骨修复的机制19。该假说的逻辑可通过骨折愈合模型加以解释。当长骨受到负荷时，受拉侧呈电正性，而受压侧呈电负性20,21；然而，一旦骨骼断裂，骨折部位相对于周围环境将保持电负性，直至愈合启动并恢复稳态21。通过电信号模拟自然愈合级联反应，被认为有助于钙沉积22、轻微调节氧含量和pH值23、募集生长因子22，并促进成骨细胞迁移及其分泌更多细胞外基质24。
仅靠电刺激就能实现完全骨修复的观点已被重新定义，目前新的假说认为，完全骨愈合是由机械负荷与电刺激共同作用所形成的19观察到的电冲动 体内 与胶原的压电形变或离子成分流经骨基质矿化部分所产生的大电动力电流相关25事实上，已有报道称骨内可产生高达6毫伏的自发电位，并与骨矿物质沉积率的增加相关。26.
20世纪60年代和70年代，Brighton和Friedenberg18,21,27,28率先提出利用电刺激促进骨再生的概念，并证明与传统愈合方法相比，使用直流电可在更短时间内修复骨不连。后续研究模型在限制负重条件下观察骨形成，结果显示，与对照组相比，接受电刺激的肢体成骨活性提高了31%25。
尽管电刺激领域的研究人员已为理解成骨细胞在电刺激下基质沉积的机制奠定了基础，但认识上的不足限制了该技术的进一步发展。虽然已有许多成功促进骨不连愈合及骨折愈合模型的案例，但文献中同样广泛记载了患者不适和治疗失败的实例29。电刺激应用中的问题源于科研人员和临床医生控制了错误的电学参数，并且仅关注电流强度。以往研究人员曾将电流视为解决每年约50万例骨不连问题的“灵丹妙药”30。然而，由于焦耳热效应带来的复杂性31以及未能明确电流密度32，不同模型之间的可重复性受到限制。事实上，根据国际电工委员会的规定，所有制造的生物医学设备必须将电流密度限制在2 mA/cm2以下，以防止局部组织坏死和患者不适33。
除了辅助骨骼固定外，可控的电刺激还可能防止细菌在骨科植入物上的黏附，降低骨髓炎和生物膜形成的风险34-37。骨科器械上的生物膜形成会导致患者出现并发症，并给依赖这些器械的患者带来显著痛苦38。目前强调手术前必须对器械和植入物进行彻底灭菌39，然而细菌黏附往往难以诊断，许多培养结果为阴性的病例实际上已被感染40。这一问题通常还伴随着生物膜本身生长缓慢的特性40，其在体外难以准确培养in vitro39，且其形成过程依赖于细菌种类、表面清洁程度以及宿主免疫系统状态39。对使用骨整合技术的欧洲经股骨截肢患者进行的研究显示，最常见的问题是感染（常见浅表感染，三分之一为假体周围感染）41。尽管外科术前准备已有显著改进，但由于生物膜因其非浮游形态而比浮游细菌难以清除500至5000倍34,35,39，因此清除细菌仍是提高骨整合成功率的基本因素之一。因此，利用电刺激作为清除有害细菌菌落并增强骨骼固定的方法，对于保障患者健康及骨整合植入装置（OIID）的有效性具有重要意义。
使用退伍军人和战士截肢者的优势在于，这些个体相对年轻且整体健康状况良好，是进行强化康复的理想人群，而经皮穿刺杆可作为助行辅助装置，并可开发为电刺激的暴露阳极。骨整合植入物的存在无需额外手术来插入电学组件，允许设备由外部控制，并避免进一步的感染风险42。因此，通过理解向退伍军人和战士截肢者残肢注入电流的方法，可在植入物界面建立、控制并测量强度为1–10 V/cm的电场。人们假设，这将能够安全地输送可诱导成骨细胞迁移并改善骨骼附着的电刺激水平。该强度的电场将增加植入物界面处骨组织的数量和质量，从而改善截肢者的康复速度和骨骼固定的前景。电刺激作为加速髓内假体植入物骨整合的一种手段尚未被研究，这为转化研究以改善患者护理提供了众多机遇。
实验结果
该研究支持了使用经皮电刺激装置时建立患者特异性模型的必要性。为所提出的生物医学装置开发的模拟表明，该装置可能具有促进成骨细胞迁移并防止细菌黏附的能力，从而加快骨骼附着27,34,36,39。计算建模有效显示，利用植入体作为功能性阴极，可产生1-10 V/cm的电场和低于2 mA/cm2的电流密度，并且采用双环形外部电极时电场分布最为均匀。OIID系统可能是解决电刺激领域经典难题的第一步，即无法在人体内明确定义电流路径43。因此，建立有助于增强骨骼附着的工具，可能有助于缩短骨整合手术所需的康复时间。
对老年截肢患者使用电刺激也是一个必须深入探索的关键方面。骨骼质量在骨骼生长停止后约十年达到峰值，但在第八和第九个十年期间会显著下降44。随着年龄增长，长骨结构发生变化，骨内膜直径的增长速度往往超过骨外膜直径，这可能导致植入物松动45。这一问题加上因肌肉力量减弱导致骨骼所受应变减少，可能促成骨质疏松症和骨量减少等致残性疾病的发生45，并为接受骨整合植入物的患者带来额外的治疗需求。然而，可控的电刺激与机械负荷可能协同促进骨组织生长，并有助于维持使用OIID系统的老年患者宿主骨床的完整性。

截肢患者骨整合智能植入物设计系统的生物电分析

Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees

预计到2050年，美国截肢者人数将上升至360万。许多截肢者依赖假肢完成日常活动，但使用传统接受腔技术的假肢悬吊系统可能给截肢者带来不便和不适。此外，对于高位近端截肢者而言，残肢长度过短可能完全无法安装外置假肢。骨整合植入技术是一种新型外科手术方法，可实现宿主骨骼与植入物之间的牢固连接。欧洲截肢患者初步应用骨整合植入物的结果显示，该技术可通过将负荷直接传递至骨-植入物界面，改善临床疗效。尽管骨整合技术相较于传统接受腔具有明显优势，但目前的康复流程仍需经历较长时间的限制性负重期，而通过电刺激加速骨整合过程可能缩短这一周期。骨整合智能植入系统（OIID）的设计目标是将植入物纳入电刺激系统，以加快骨骼结合速度，并有助于预防假体周围感染。为确定最佳电极尺寸与放置位置，我们首先通过计算建模方法，对截肢者残肢在电刺激过程中产生的电场和电流密度进行概念验证研究。为确保患者安全，本研究经伦理审查委员会（IRB）和《健康保险可携性与责任法案》（HIPAA）批准，选取具有回顾性计算机断层扫描（CT）数据的受试者，利用定制软件程序（Seg3D和SCIRun）构建三维解剖模型，以确保解剖结构的准确性。这些软件工具支持个体化患者模型的建立，并允许对电极位置和尺寸进行交互式调整。初步结果表明，在植入物界面可产生电场和电流密度，形成诱导成骨细胞迁移、增强骨骼固定的均匀电场分布，并可能有助于预防假体周围感染。根据模型中实验的不同电极构型，未来将推荐采用外部双环带式构型。

由于血管阻塞性疾病和创伤导致的肢体缺失，亟需开发替代性的假体固定方法。本研究的目的是引入一种骨整合智能植入物设计系统，以增强骨骼固定效果，并降低需要骨整合技术的患者的假体周围感染率。

预计到2050年，美国截肢患者人数将上升至360万。其中许多人依赖假肢来完成日常活动……

到2050年，美国截肢患者预计将达到360万人。传统假肢常引发步态不对称和不适感，使希望在受伤后恢复积极生活方式的截肢者面临困难。目前的假肢选择普遍不够理想。这主要是由于非均匀载荷模式导致压疮的发生率较高。克服传统假肢功能局限性的一种方法是设计植入物与截肢患者宿主骨之间的直接骨骼连接。这种技术称为骨整合，依赖于直接的骨骼固定以及紧密的表皮和真皮封闭，以防止感染。当骨整合成功时，可显著提高高位截肢患者的活动水平。这由 Ashoff 博士团队与 Esca 组织合作提供的视频展示。目前存在两大并发症，阻碍了骨整合技术的广泛应用。第一个问题是骨科植入物上存在细菌黏附和生物膜形成的风险。第二个问题是体内骨骼固定不充分，如本图所示的透亮区。为克服这些并发症，可将外置假体用作阴极以传递电刺激。这可能会促进骨组织的正向重塑，防止细菌附着，并缩短完全负重所需的康复时间。本视频展示了如何使用一种新型的骨整合智能种植体设计系统（OSSEOINTEGRATED Intelligent Implant Design System，简称 OIID）来设计种植体。大家好，我是来自犹他大学生物工程系骨骼与关节研究实验室的 Brad Isaacson。今天，我们将向您展示如何利用计算机计算程序通过假设建模来测试和评估骨整合种植体设计。我们的目标是为一种新型骨整合康复工具提供概念验证，该工具采用电刺激技术。当正确实施时，该工具能够减少假体周围感染并增强骨骼附着。基于此，让我向您展示如何开发一种集成化的智能植入体设计系统。我们采用CT扫描进行模型重建，因为CT能够清晰区分不同类型的组织。本研究所用的扫描数据均在获得机构审查委员会（IRB）和健康保险可携性和责任法案（HIPAA）批准后，从犹他大学医院和退伍军人事务部获取。这些 CT 扫描图像首先经过肉眼检查，并根据是否存在金属植入物进行筛选，因为金属植入物可能引入图像伪影。在此我们展示一例截肢患者，由于存在骨科植入物，该患者将不符合基于计算机模型的入选标准。该截肢患者在髓腔内有骨科植入物，当我们浏览 CT 断层图像时，可观察到图像失真现象。然而，我们建议对此类患者采取如下方案。该截肢患者不同组织类型之间界限清晰，这对于构建解剖学上精确的模型至关重要。以下为详细步骤。模型生成的CT扫描文件以DICOM图像格式下载，并作为新体数据载入SEG 3D程序中。随后使用中值滤波器对导入的体数据进行平滑处理，以在确定几何定义的组织结构之前优化图像质量。滤波完成后，通过阈值分割生成骨组织、骨髓、器官和脂肪组织的组织边界。对CT图像进行交互式处理，并再次进行滤波。通过在肌肉组织的阈值范围内手动设置种子点，并使用置信连接滤波器来寻找与种子点相连的所有组织，从而获取肌肉结构。该步骤可消除因CT吸收率相似而可能与肌肉组织被错误归为一类的其他组织。皮肤在CT图像中无法可靠地辨识，因此通过对外层组织进行膨胀生成，膨胀厚度为两毫米，依据的是平均皮肤厚度。这将生成一层均匀厚度的皮肤，包裹整个模型。分割结果经过人工检查和校正以确保准确性，并按层级关系合并为单一的标签图谱。有限元分析所必需。模型通过由滑雪研究所 Gordon Delman 开发的近原始光栅数据格式或 n NRD 文件导出至滑雪道。目前，这种文件类型已成为许多开源图像处理软件平台的基本文件类型。此文件被导出并用作有限元分析的网格。迄今为止，我们已手动检查了RCT图像，并将其组合成一个层级O模型。在其中的SEG 3D程序中，我们能够定义组织几何结构和空间。接下来，我们将这些模型导入Ski中，运行有限元分析软件以确定电极的位置和类型。使用有限元分析的原因在于，它能够为复杂几何结构（例如截肢患者的残肢）提供数值近似解。为了进行有限元分析，首先使用基于Matlab编写的定制软件设计16厘米的植入体，然后将其导入Ski中，作为骨科植入物以及电刺激的阴极。电场强度必须维持在每厘米1至10伏特以下，电流密度必须低于每平方厘米2毫安。这将诱导成骨细胞迁移，防止局部组织发热，并确保患者安全。此范围以红色虚线表示。小型电极的设计旨在确保患者的舒适性，因为OIID设备在康复期间不应限制患者的活动或日常行为。Ski Run软件包被用于电极设计，因为它支持交互式电极放置与仿真。通过特定的数学函数建立网络并组织模块，用于定义边界条件、组织电导率和网格细化，以及生成电学指标分布的直方图并记录填充的数据。电极的配置包括一个贴片电极、两个贴片电极、一个连续带状电极和两个连续带状电极。外部电极带厚度为1.6厘米，应用于根据患者CT扫描生成的模型的残肢部位。电极贴片厚度为三厘米，以条带状覆盖残肢直径的大约一半。图中红色显示的内层皮质植入物代表骨内植入物。其直径经过设定，以确保植入物能够完美贴合并填充。现在电极已经放置完毕，我们将进行有限元分析。此处的目标是使电场强度保持在每厘米1至10伏特之间，以确保其有效性，同时将电流密度维持在每平方厘米2毫安以下，以防止组织坏死。为了执行有限元分析，我们假设可通过准静态方法计算电学参数，且不考虑时间依赖性，从而生成仿真模型。采用数值逼近方法来计算受试者残肢内的电势分布。该模型通过求解由 SEG 3D 分割生成的每种组织类型的泊松方程和静电学方程来计算。在模型中设定边界条件，使不同组织类型之间的节点保持连续，并控制电流的传导路径。由于电极和植入体的电导率远高于周围组织，因此假设植入体或阴极处于恒定电位。同样，表面电极与经皮植入体之间被建模为具有恒定的电势差。通过数值模拟计算电流在受试者残肢内的电势分布，以评估电极构型和尺寸的效能。建立针对患者的个体化模型，并利用植入界面周围的电势分布来确定局部电场强度。该模型采用六面体堆叠网格生成，包含约180万个单元。本实验的最优单元尺寸是基于网格敏感性研究选定的，可使电压梯度的相对差异小于5%。这保证了模型的准确性。这些单元被视为分段均匀、各向同性的均质单元。电极被纳入有限元网格划分中，并在皮肤电极与骨整合植入物之间施加恒定的电势差。该选择基于预期的组织电阻率。根据截肢者的几何结构、组织电阻率和电极配置，使用迭代求解器将电位设定在1至4.5伏之间。利用有限元模型计算四种电极配置下的电位分布，以确定针对截肢者的最优设计。正在使用经动物护理与使用委员会（IACUC）批准的小型动物活体模型对有限元分析进行验证。将植入物插入兔的髓腔，并在肌肉组织上放置第二电极，从而在骨-植入物界面处产生皮下电场。所有滑雪道有限元分析均通过放置于两个电极之间的针状电极进行验证，这些针状电极记录活体兔体内的电压梯度。兔模型研究采用与用于人体研究的OIID相同的实验方案。该方案通过获取计算机断层扫描图像，在SEG 3D中构建三维分层模型，并利用ski run进行计算建模来实现。目标是开发出必要的电学参数，以证明可控电刺激的有效性，旨在减少假体周围感染并增强植入物的固定强度，从而使该技术能够获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准，并用于截肢患者的康复治疗。成功完成本详细方案后，将获得基于计算机断层扫描数据构建的解剖结构精确的截肢残肢模型。这将为OIID系统提供初始设计指南。用户将开发一个交互式界面，用于针对患者特异性模型调整电极的尺寸和位置。组织几何形状和电极位置将导致电场和电流密度的改变。因此，针对寻求骨整合技术的截肢者，模型需要进行个体化调整。我们今天向您展示的骨整合智能植入物设计系统，将有助于缓解电刺激的经典难题——无法在人体内明确定义电流路径的问题。初步结果表明，骨植入物界面的电场可能具有减少假体周围感染、增强骨骼附着的能力，并可作为临床医生在康复治疗中的有效工具。以上就是全部内容。感谢您的观看，祝您的骨整合研究顺利。

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截肢患者骨整合智能植入物设计系统的生物电分析

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