Name: Bioelectric Analysen eines osseointegrierte Intelligent Implant Design System für Amputierte (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-07-15T00:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 31 s
Description: Erfahren Sie die Entwicklung eines intelligenten Implantat-Designsystems für Amputierte mit CT-basierten Modellen und Finite-Elemente-Analyse. Diese Methode ermöglicht präzise elektrische Stimulation zur Verbesserung der Osseointegration.

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Dieses Material ist auf die Forschung unterstützt (oder unterstützt zum Teil von) der Technology Commercialization Office, Salt Lake City, UT, Office of Research und Development, Rehabilitation R &amp; D Service, DVA SLC Health Care System, Salt Lake City, UT, Department of Defense Basis PRMRP Grant (Nr. PR054520), die Albert &amp; Margaret Hofmann Lehrstuhl und der Abteilung für Orthopädie, University of Utah School of Medicine in Salt Lake City, UT; war Technischer Support für die Simulationen durch das Center for Integrative Biomedical Computing of Scientific Computing zur Verfügung gestellt und Imaging-Institut und wurde möglich durch Software von der NIH / NCRR Center for Integrative Biomedical Computing, P41-RR12553-07 in Teil. Zusätzliche Dankbarkeit ist Gwenevere Shaw für die Unterstützung bei Manuskriptherstellung und Dustin Williams für das Image des Biofilms verlängert.

Teil 1: mittels Computertomographie (CT) für Amputierte Wiederaufbau <ol><li> Retrospektive CT-Scans wurden von der University of Utah und Department of Veteran Affairs Krankenhäuser nach Erhalt IRB und HIPAA Zustimmung gesammelt. </li><li> CT-Scans wurden ausgewählt, weil sie klare Unterscheidung zwischen Gewebearten auf x-ray Saugfähigkeit Basis zu ermöglichen. </li><li> CTs wurden manuell überprüft und in die Studie über die Abwesenheit von metallischen Implantaten zur Bildartefakt verhindern basiert. </li></ol> Teil 2: Modell-Generation mit Seg3D <ol><li> Files wurden als DICOM-Bilder heruntergeladen und geladen Seg3D (Version 1.11.0, software.sci.utah.edu) als neues Volumen. </li><li> Ein Medianfilter verwendet wurde, um die importierten Mengen vor, glatte Bestimmung geometrisch definierte Gewebestrukturen. </li><li> Das Gewebe Grenzen der Knochen, Knochenmark, Organe und Fettgewebe wurden durch Binarisierung der CT-Dateien interaktiv (Abbildung 1) erzeugt. <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig1.jpg" alt="Abbildung 1" /> Abbildung 1: Ein sagittaler Querschnitt eines Amputierten Stumpf Schwellenwert getrennt und in bestimmten Gewebearten. </li><li> Die Muskulatur war durch die manuelle Einstellung Samen Punkte innerhalb der Schwellenwert Muskelgewebe und mit einem Vertrauen verbunden Filter auf alle Gewebe verbunden, um den Samen Punkte zu finden erhalten. Dieser Schritt eliminiert fehlerhafte Gewebe, die bereits zusammengefasst haben können mit dem Muskel an ähnlichen Saugfähigkeit von CTs auf. </li><li> Die Haut, die nicht zuverlässig erkennen, aus den CT-Bildern war, wurde durch Erweiterung der äußersten Gewebe 2 Millimeter im Mittel die Dicke der Haut basiert auf einer Schicht von homogener Dicke, dass die vollständige Modell 1 umgeben produzieren generiert. </li><li> Segmentierungen wurden manuell geprüft, korrigiert um die Genauigkeit zu gewährleisten und kombiniert in einer Hierarchie in einem einzigen Etikett Karte für Finite-Elemente-Analyse (Abbildung 1) erforderlich. <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig2.jpg" alt="Abbildung 2" /> Abbildung 2: Repräsentative hierarchisches Modell eines bilateralen Amputierten mit Seg3D erstellt. </li></ol> Teil 3: Vorbereitung für die Finite-Elemente-Analyse <ol><li> Ein 10 cm Implantat wurde in Matlab entwickelt, um die implantierte orthopädische Hilfsmittel und Kathode zur elektrischen Stimulation dienen der Einfuhr in SCIRun (Version 4.0, software.sci.utah.edu). </li></ol> Teil 4: Anbringen der Elektroden &amp; Design <ol><li> SCIRun wurde für Elektroden-Konstruktion eingesetzt, weil es interaktiv Platzierung der Elektroden und Simulation unterstützt. </li><li> Es wurde ein Netzwerk geschaffen und Module mit spezifischen Funktionen organisiert, um die Maschen (Abb. 3) zu generieren. Module wurden wichtig für die Definition Randbedingungen, Gewebe Leitfähigkeiten Netzverfeinerungen, erzeugt Matlab Histogramme, die Aufnahme von Felddaten, etc (Tabelle 1). <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig3.jpg" alt="Abbildung 3" /> Abbildung 3: Repräsentative Netzwerk-Image aus einer Pilotstudie mit einem Zwei-Band externen Elektroden-Konfiguration. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"><tbody><tr><td> Tabelle 1 </td><td></td></tr><tr><td colspan="2"> Leitfähigkeiten Assigned auf segmentierte Gewebe </td></tr><tr><td> Tissue Type </td><td> Leitfähigkeiten [S / m] </td></tr><tr><td> Organ </td><td> 0,22 </td></tr><tr><td> Haut </td><td> 0,26 </td></tr><tr><td> Adipose </td><td> 0,09 </td></tr><tr><td> Muskel </td><td> 0,25 </td></tr><tr><td> Corticalis </td><td> 0,02 </td></tr><tr><td> Knochenmark </td><td> 0,07 </td></tr></tbody></table></li><li> Die Konfigurationen für die Elektroden bestand aus einem Patch-Elektrode, zwei aufgesetzte Elektroden, eine kontinuierliche Band und zwei durchgehenden Bands. </li><li> Externe Elektrode Bands waren auf dem Stumpf der Modelle von Patient CT-Scans erzeugt aufgetragen und 1,6 cm dick. </li><li> Electrode Patches wurden als Band für etwa die Hälfte des Durchmessers des Stumpfes gelegt und waren 3 cm dick. </li><li> Die inneren kortikalen Implantat, das die osseointegriert Implantat vertreten war, enossalen Durchmesser wurde für die perfekte Implantat fit zu ermöglichen und füllen 2. </li></ol> Teil 5: Finite-Elemente-Analyse <ol><li> Die Simulationen wurden generiert davon aus, dass die elektrische Messgrößen berechnet konnte mit Hilfe eines quasi-statischen Ansatz ohne Zeitabhängigkeit werden. </li><li> Das Modell wurde durch die Lösung der Laplace-Gleichung für jedes Gewebe-Typ aus der Seg3D Segmentierungen generiert berechnet. </li><li> Die Randbedingungen wurden von den Elektroden, die Strömungen und die Vorgabe, dass Strom in den Körper injiziert blieb gebildet. </li><li> Da die Elektroden und das Implantat hatte eine viel größere Leitfähigkeit als das umgebende Gewebe, es war einssumed, dass das Implantat (Kathode) auf einem konstanten Potential wurde ebenfalls die Oberfläche Elektroden wurden mit einer konstanten Potentialdifferenz von der perkutanen Implantation modelliert. </li><li> Zur Beurteilung der Wirksamkeit von Elektroden-Anordnung und Dimensionierung, wurden Patienten spezifische Modelle entwickelt und das elektrische Potential um das Implantat-Schnittstelle verwendet wurde, um lokalisierte Feldstärken bestimmen. </li><li> Das Modell wurde unter Verwendung eines Netzgenerierung, dass rund 1,8 Millionen Elementen, die als stückweise homogene, ohmsche und isotrop behandelt wurden, bestand. </li><li> Die optimale Modell für dieses Experiment wurde mit einer relativen Differenz &lt;5% in Spannungsgradienten mit einer Maschenweite Sensitivitätsstudie bestätigt die Genauigkeit eines Modells (Tabelle 2) zu versichern ausgewählt. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="305"><tbody><tr><td> Tabelle 2 </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="3"> Mesh-Sensitivity Study für Amputierte Modell </td><td></td></tr><tr><td> Gitter </td><td> Elements </td><td> Nodes </td><td> Relative Differenz </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> Mit einem Solver iterative, wurden die elektrischen Messgrößen in der Finite-Elemente-Modelle für die Elektrode Konfigurationen berechnet. </li></ol>

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Die Technik in dem Artikel, insbesondere unter Verwendung einer orthopädischen Implantat als eine funktionale Kathode Skelett Anlage zu erhöhen, reduzieren Rehabilitation und verhindern bakterielle Adhäsion ist eine neue Idee von der erste Autor in der Zeitschrift Vorlage erfunden. Eine Erfindungsmeldung hat an der University of Utah eingereicht und die Vereinigten Staaten vorläufige Patentanmeldung eingereicht wurde zum Schutz aller Technologie bekannt gegeben.

Das Verständnis der Elektrostimulation Paradigm Verbesserungen in der medizinischen Versorgung und Evakuierung Strategien auf dem Gebiet der Bekämpfung haben zu einer erhöhten Anzahl von Kriegern überlebenden katastrophalen Krieg Verletzungen. Während die verbesserte Überlebensrate ist eine medizinische Fortschritt sind Soldatinnen und Soldaten aus dem Kampf zurück mit Amputationen, dass eine intensive Nachsorge, Rehabilitation umfangreiche und teure prothetische Leistungen aus dem Veteran Affairs Health Care System 3. Congressional Berichte Detail, das über 1.000 kriegsbedingten Amputationen als Folge der Operation Enduring Freedom (OEF) und der Operation Iraqi Freedom (OIF) Konflikte 4 aufgetreten. Im Falle von OEF und OIF-Veteranen, haben etwa 15% der zurückkehrenden Krieger mehrere Gliedmaßen verloren und eine erhebliche Anzahl der Rücksendung Soldatinnen und Soldaten haben kurze Stümpfe, wo Socket-Technologie ist nicht eine Option oder durch den Patienten abgelehnt worden. Die ausgewiesenen nicht fortgeführten Nutzung der oberen Extremität Prothese sogar mehr als 50%, weil die Fixierungsvorrichtungen umständlich und schwer zu bequem 5 verwenden sind. Untere Extremität Prothesen sind ebenfalls problematisch und die gemeinsamen Probleme mit Weichgewebe-Buchsen verbunden sind die Unfähigkeit, sich auf anspruchsvolle terrain6 gehen, begrenzt Stumpflänge 7, Beschwerden des Patienten 5, Beschäftigung mit nicht-physiologische Belastung 8, Reizung von heterotopen Ossifikationen 9 und Risiko schwächenden Krankheiten 10. Allerdings ist die Osseointegration Technologie eine neuartige OP-Technik, die Schmerzen 11, Hautreizungen 12 zu reduzieren kann, verbessern osseoperception 13, Verbesserung der Mobilität 6. Abnahme Druckstellen mit Steckdosen 6 zugeordnet, die Energiekosten für die Gehfähigkeit 7,14 und besser zu bedienen Veteranen und Krieger mit beschränkter Stumpfes Länge 15. Trotz der zahlreichen physischen und psychischen Vorteile der Osseointegration, erfordern die damit verbundenen Eingriffe weiter fortgeschritten Infektionsprävention Behandlung streategies 16, erfordern lange Rehabilitationsprogramme und beinhalten restriktive Belastung Protokolle, die letzten der bis zu 1,5 Jahre postoperativ 17. Da die Lebensfähigkeit des Host-Knochen und Länge des Stumpfes ist für Muskelansatz und Funktionalität wichtig, die Entwicklung neuer Geräte zu verbessern Osseointegration ist der Schlüssel für die Rückkehr Soldatinnen und Soldaten. Daher kann die Entwicklung eines intelligenten Implantats osseointegriert Design (OIID) System, welches durch elektrische Stimulation verwendet Verkürzung der Dauer der Rehabilitation und erhöhen Skelett Aufsatz für Veteranen und Krieger Amputierte. Da jedoch kein aktuelles Gerät ist im Handel erhältlich und richtet für den Einsatz mit perkutaner osseointegrierter Implantate, ist die Motivation des Programms zur Sicherheit und Wirksamkeit mit Finite-Elemente-Analyse zu bestätigen. Das Verständnis der Rolle der elektrischen Stimulation in Knochenumbau, insbesondere die Ablagerung von Osteoid und Mineralisierung, blieb spekulativ. Allerdings kann die elektrische Aktivität in den Knochen beobachtet das Ergebnis der mechanischen Belastung 18,19 und damit einen elektrischen Reiz kann einen wirksamen Mechanismus für die Induktion Knochenreparatur 19 sein werden. Die Logik hinter der Hypothese wird in einer Frakturheilung Modell erklärt. Wenn Röhrenknochen geladen sind, wird die Seite in Spannung elektropositiven und der Druckseite elektronegativen 20,21 jedoch einmal einen Knochen gebrochen ist, die Website bleibt elektronegativen in Bezug auf die Umgebung bis zur Heilung begonnen hat und Homöostase wieder 21. Simulation der natürlichen Heilung Kaskade mit einem elektrischen Signal wurde vermutlich mit Kalziumablagerung 22, leichte Veränderungen im Sauerstoffgehalt und pH 23, Rekrutierung von Wachstumsfaktoren 22 unterstützen und hilft bei der Osteoblastenmigration und Sekretion von zusätzlichen extrazellulären Matrix 24. Die Prämisse, dass elektrische Stimulation allein kann er die vollständige Knochenheilung zu regieren wurde neu definiert und die aktuelle neue Hypothese schlägt vor, dass komplette Gewerkschaften durch mechanische Belastungen und eine elektrische Stimulation Co-Stimulus 19 gebildet. Die elektrischen Impulse in vivo zu beobachten sind piezoelektrische Verformung von Kollagen oder die großen elektro-kinetische Ströme durch ionische Bestandteile vorbeiströmende mineralische Anteile der Knochenmatrix 25 erzeugt verbunden. In der Tat haben spontane Potentiale in Knochen so groß wie 6 Millivolt und korreliert mit einer Zunahme der Einlagerung von Kalzium aus Knochen 26 berichtet. Frühe Arbeiten von Brighton und Friedenberg 18,21,27,28 verwendet das Konzept der elektrischen Stimulation für die Knochenregeneration in den 1960er und 1970er Jahre und demonstrated, dass Gleichstrom verwendet werden könnte, nicht die Gewerkschaften in einer kürzeren Zeitspanne zu reparieren, wenn die traditionellen Heilmethoden verglichen werden. Zusätzliche Modelle haben Knochenbildung mit restriktiven Belastung untersucht und zeigte eine 31 Prozent höhere osteogene Aktivität zwischen den Kontrollen und elektrisch stimuliert Schenkel 25. Während die Forscher auf dem Gebiet der elektrischen Stimulation ebnete den Weg für das Verständnis des Mechanismus für die Osteoblasten-Matrix Abscheidung mit elektrischer Stimulation, hat unzureichende Verständnis der Ausbau dieser Technologie beschränkt. Zwar gibt es viele Fälle von erfolgreicher Heilung von Pseudarthrosen und Frakturheilung Modelle, Beispiele von Beschwerden des Patienten und gescheiterte Versuche sind in der Literatur als auch 29 voll. Das Problem mit elektrischer Stimulation erfolgt von Wissenschaftlern und Klinikern die Steuerung der falschen elektrischen Messgrößen und konzentriert sich ausschließlich auf aktuelle Größen. Frühere Forscher haben die aktuellen als &quot;Wundermittel&quot; zur Festlegung der ungefähren 500.000 auf-Gewerkschaften, die jährlich auftreten 30 aussah. Allerdings hat die Wiederholbarkeit zwischen den Modellen von Joule Heizung Komplikationen 31 beschränkt und nicht die Bestimmung Stromdichten 32. In der Tat müssen alle biomedizinischen Geräte hergestellt, um eine Stromdichte von weniger als 2 mA / cm 2 beschränkt werden, da durch die International Electrotechnical Commission dargelegt, um lokalisierte Gewebsnekrose und Beschwerden des Patienten 33 zu verhindern. Abgesehen von der Unterstützung bei Fixation können geregelte elektrische Stimulation auch verhindern, dass bakterielle Adhäsion an orthopädischen Implantaten und reduzieren das Risiko für eine Osteomyelitis und Biofilmbildung 34-37. Biofilmbildung auf orthopädische Hilfsmittel, um Patienten Komplikationen und bedeutsamer Weise Leiden für diejenigen, die auf diesen Einrichtungen 38 abhängig sind. Schwerpunkt auf der Notwendigkeit, komplett sterilisiert Instrumente und Implantate vor der Operation 39 ist gesetzt, aber es ist oft schwierig, Bakterien Haftung wie aus vielen negativen kultivierten Fällen, die in der Tat 40 infiziert sind, zu diagnostizieren. Dieses Problem wird oft mit der Tatsache, dass Biofilme langsam wachsenden in der Natur 40, kann nicht genau sein Wachstum in vitro 39, abhängig von der Art der Bakterien-Zellen, die Sauberkeit der Oberfläche und das Immunsystem der betroffenen Person 39 sind gekoppelt. Untersuchung der europäischen Oberschenkelamputierte oseeointegration Technologie zeigen die häufigste Problem ist die Infektion (häufig oberflächliche Infektionen, 1 / 3 periprothetischen Infektionen) 41. Zwar gibt es große Verbesserungen in der chirurgischen Vorbereitung wurden, die Beseitigung der Bakterien ist einer der grundlegenden Faktoren für die Verbesserung der Osseointegration seit Biofilmen zwischen 500-5000 tausendmal schwieriger werden, zu beseitigen aufgrund ihres nicht-platonischen Form 34,35,39. Daher nutzen elektrische Stimulation als Modalität für die Entfernung schädlicher Bakterien-Kolonien und die Erhöhung Fixation sind wichtige Faktoren für die Gewährleistung des Schutzes der Gesundheit der Patienten und OIID Wirksamkeit. Die Vorteile der Verwendung von Veteranen und Krieger Amputierte sind, dass die relative Jugend und auch sonst eine gute Gesundheit dieser Personen zu einem idealen Bevölkerung für aggressive Rehabilitation und eine perkutane Nachricht wird als eine ambulante Hilfe dienen und kann als eine exponierte Kathode zur elektrischen Stimulation entwickelt werden können. Die Anwesenheit eines osseointegriert Implantat benötigt keine zusätzliche chirurgische Eingriffe an elektrischen Komponenten zu legen, kann das Gerät extern gesteuert werden und verhindert eine weitere Gefahr der Infektion 42. Daher kann durch das Verständnis der Methode der Stromeinspeisung in den Stumpf des Veteranen-und Krieger Amputierte, ein elektrisches Feld von der Größe von 1-10 V / cm hergestellt, kontrolliert und gemessen an der Implantat-Oberfläche. Es wird vermutet, dass dies den sicheren Höchstmengen an Strom zu liefern, zu induzieren vermag Osteoblastenmigration und Verbesserung des Skeletts Anbindung zu ermöglichen. Ein elektrisches Feld von diesem Grad wird die Quantität und Qualität der Knochen an der Implantat-Interface zu erhöhen, und die Aussichten für eine beschleunigte Rehabilitation und Fixation für einen Amputierten. Verwenden der elektrischen Stimulation ist nicht als eine Modalität der Osseointegration in einem intramedullären Prothesenimplantats beschleunigen untersucht worden und stellt zahlreiche Möglichkeiten für translationale Forschung zur Verbesserung der Patientenversorgung. Experimentelle Ergebnisse Die Notwendigkeit für den Patienten bestimmte Modelle mit einer perkutanen elektrischen Stimulation Gerät wurde in der Studie unterstützt. Die Simulationen für die vorgeschlagenen biomedizinischen Geräte entwickelt werden, können die Möglichkeiten der Beschleunigung des Skeletts Anlage durch Erhöhung Osteoblastenmigration und verhindert bakterielle Adhäsion 27,34,36,39. Computation Modellierung hat gezeigt, dass effektiv 1-10 V / cm elektrischen Feldern und Stromdichten unterhalb von 2 mA / cm 2 erzeugt wird, kann mit Hilfe des Implantats als funktionelle Kathode und ist den meisten homogen verteilt mit einem Zwei-Band Außenelektrode. Die Unfähigkeit, Strompfade im menschlichen Körper 43 define; Die OIID System kann der erste Schritt zur Lösung des klassischen Problem mit elektrischer Stimulation in Verbindung gebracht werden. Daher kann über Tools zur Steigerung der Skelett-Anlage mit Verkürzung der Rehabilitation für ein osseointegriertes Verfahren verlangt wird. Mit Hilfe elektrischer Stimulation für ältere Amputierte ist auch ein wichtiger Aspekt, ebenso erforscht werden. Knochenmasse ist maximal ein Jahrzehnt nach Skelettwachstum hört aber deutlich ab von der achten und neunten Jahrzehnt 44. Wie lange Knochen mit dem Alter ändern, neigt der enossalen Durchmesser, um schneller zu erhöhen als die periostale Durchmesser, die zu Implantatlockerungen 45 kann. Dieses Problem mit der Reduzierung der Belastung der Knochen durch eine schwächere Muskeln gekoppelt sein, um schwächenden Krankheiten wie Osteoporose und Osteopenie 45 beitragen und zusätzliche Behandlungsoptionen für Patienten mit osseointegrierter Implantate. Allerdings könnte eine gesteuerte elektrische Stimulation und mechanische Belastung als eine synergistische Katalysator von Knochen Anwachsen handeln und zu pflegen Wirtsknochen Bett Integrität bei älteren Patienten mit einem OIID System.

bioelectric analysen eines osseointegrierte intelligent implant design system für amputierte

Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees

Die hochgerechnete Zahl der amerikanischen Amputierte wird voraussichtlich auf 3,6 Millionen bis 2050 steigen. Viele dieser Menschen sind abhängig von Prothesen zu routinemäßigen Tätigkeiten ausführen, aber prothetischen Suspensionen mit traditionellen Sockel-Technologie kann sich als umständlich und unbequem für eine Person mit Verlust des Beines. Außerdem wird in denjenigen mit hoher proximalen Amputationen, kann begrenzt Stumpflänge Exoprothese Befestigung alle zusammen verhindern. Osseointegrierte Implantat-Technologie ist ein neuartiges Operationsverfahren, die Firma Skelett Verbindung zwischen dem Host-Knochen und Implantat ermöglicht. Vorläufige Ergebnisse in europäischen Amputierte mit osseointegrierter Implantate haben sich verbessert klinische Ergebnisse, indem sie die direkte Übertragung von Lasten bis auf die Knochen-Implantat-Interface angezeigt. Trotz der offensichtlichen Vorteile von Osseointegration über Socket-Technologie benötigen die aktuelle Rehabilitationsmaßnahmen lange restriktive tragende vor, die mit beschleunigten Skelett-Anhang über elektrische Stimulation reduziert werden kann. Das Ziel der osseointegriert intelligente Implantat-Design (OIID)-System ist, um das Implantat ein Teil einer elektrischen Anlage zu Skelett-Anlage zu beschleunigen und zu verhindern, periprothetischen Infektion zu machen. Um zu bestimmen, optimale Elektrode Größe und Platzierung, starteten wir proof of concept mit rechnerische Modellierung der elektrischen Felder und Stromdichten, die während der elektrischen Stimulation des Amputierten Stümpfe entstehen. Zur Bereitstellung versichern die Sicherheit der Patienten, wurden die Probanden mit rückwirkender Computertomographie-Scans ausgewählt und dreidimensionale Rekonstruktionen wurden mit maßgeschneiderten Software-Programme, um anatomische Genauigkeit (Seg3D und SCIRun) in einer IRB gewährleisten und HIPAA zugelassen zu studieren. Diese Softwarepakete unterstützen die Entwicklung von Patienten-spezifischen Modelle und erlaubt für die interaktive Manipulation der Elektrode Position und Größe. Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass elektrische Felder und Stromdichten an der Implantat-Schnittstelle generiert werden können, um die homogene elektrische Feld Distributionen erforderlich, um Osteoblastenmigration induzieren, verstärken Fixation und kann helfen zu verhindern periprothetischen Infektionen zu erreichen. Basierend auf der Elektrode Konfigurationen mit in das Modell experimentiert, wird ein externes, zwei Band-Konfiguration in die Zukunft befürwortet werden.

Es besteht ein Bedarf an alternativen Prothese Befestigung durch den Verlust des Beines zugeschrieben vaskulären Verschlusskrankheit Krankheiten und Traumata zu entwickeln. Das Ziel der Arbeit ist es, ein osseointegriertes intelligente Implantat-Design-System einzuführen, um Fixation zu erhöhen und periprothetischen Infektion für Patienten benötigen osseointegriert Technologie.

Bioelectric Analysen eines osseointegrierte Intelligent Implant Design System für Amputierte

Die prognostizierte Zahl der Amputierten in Amerika wird bis zum Jahr 2050 voraussichtlich auf 3,6 Millionen ansteigen. Viele dieser Personen sind auf künstliche Gliedmaßen angewiesen, um ...

Bis zum Jahr 2050 wird prognostiziert, dass die Zahl der Amputierten in den Vereinigten Staaten 3,6 Millionen erreichen wird. Komplikationen mit herkömmlichen Prothesen führen häufig zu asymmetrischen Gangmustern und Beschwerden bei Amputierten, die nach einer Verletzung wieder aktive Lebensweisen aufnehmen möchten. Die derzeit verfügbaren Prothesenoptionen sind im Allgemeinen unzureichend.Das liegt hauptsächlich an der hohen Inzidenz von Druckgeschwüren aufgrund nicht gleichmäßiger Belastungsmuster. Eine Möglichkeit, die funktionellen Einschränkungen herkömmlicher Prothesen zu überwinden, besteht darin, eine direkte knöcherne Verbindung zwischen einem Implantat und dem Knochengewebe des Amputierten herzustellen. Diese Technologie, bekannt als Osteointegration, beruht auf einer direkten knöchernen Fixierung und einer engen epidermalen sowie dermalen Abdichtung, um Infektionen vorzubeugen. Bei Erfolg verbessert die Osteointegration die Aktivitätsniveaus von Amputierten mit hohen proximalen Amputationen erheblich.Dies wird in den Videos des Teams von Dr. Ash off gezeigt. In Zusammenarbeit mit der Esca-Organisation. Es gibt zwei wesentliche Komplikationen, die einer breiten Anwendung der Osteointegration entgegenstehen.Erstens besteht das Risiko einer bakteriellen Adhäsion und Biofilmbildung auf orthopädischen Implantaten. Zweitens besteht das Risiko einer unzureichenden skelettalen Fixierung in vivo, wie hier anhand von radiolucenten Stellen gezeigt. Um diese Komplikationen zu überwinden, kann die Exoprothese als Kathode zur Abgabe elektrischer Stimulation verwendet werden.Dies kann zu einer positiven Knochenremodellierung führen, die bakterielle Anheftung verhindern und die Rehabilitationszeit bis zur vollständigen Belastbarkeit verkürzen. In diesem Video wird gezeigt, wie Implantate mithilfe eines neuartigen OSSEOINTEGRATED Intelligent Implant Design-Systems, oder OIID, konstruiert werden. Hallo, ich bin Brad Isaacson vom Bone and Joint Research Laboratory der University of Utah im Fachbereich Bioengineering.Heute zeigen wir Ihnen, wie die Gestaltung osteointegrierter Implantate mithilfe hypothetischer Modellierung mit computergestützten Programmen getestet und bewertet werden kann. Unser Ziel ist es, den Nachweis des Konzepts eines neuen Rehabilitationswerkzeugs für die Osteointegration zu erbringen, das elektrische Stimulation verwendet. Bei korrekter Anwendung wird das Werkzeug in der Lage sein, periprothetische Infektionen zu verringern und die knöcherne Anheftung zu verbessern.Unter Berücksichtigung dessen möchte ich Ihnen zeigen, wie wir ein integriertes, intelligentes Implantat-Design-System entwickeln können. CT-Aufnahmen werden für die Modellrekonstruktion verwendet, da sie eine klare Unterscheidung verschiedener Gewebetypen ermöglichen. Die dafür verwendeten Aufnahmen wurden nach Genehmigung durch die IRB und HIPAA vom University of Utah Hospital und der Department of Veteran Affairs gesammelt.Diese CT-Aufnahmen wurden zunächst visuell überprüft und anhand des Fehlens von Metallimplantaten für die Studie ausgewählt, da diese Bildartefakte verursachen können. Hier zeigen wir einen Fall eines Amputierten, der aufgrund eines orthopädischen Implantats für ein Computermodell nicht geeignet wäre. Der Amputierte weist ein orthopädisches Implantat innerhalb des Markkanals auf, und beim Durchblättern der CT-Schnitte sehen wir eine Bildverzerrung.Jedoch würden wir für einen solchen Patienten plädieren. Der Amputierte weist eine klare Unterscheidung zwischen Gewebetypen auf, die für anatomisch genaue Modelle entscheidend ist. Ausgezeichnet, um zu beginnen.CT-Scandateien zur Modellerstellung werden als DICOM-Bilder heruntergeladen und als neues Volumen in das SEG-3D-Programm geladen. Anschließend wird ein Medianfilter verwendet, um die importierten Volumina zu glätten, bevor geometrisch definierte Gewebestrukturen bestimmt werden. Nach Abschluss der Filterung werden die Gewebegrenzen von Knochen, Knochenmark, Organen und Fettgewebe durch Schwellenwertbildung generiert.Die CT-Bilder werden interaktiv und erneut gefiltert. Die Muskulatur wird erhalten, indem manuelle Startpunkte innerhalb der Schwelle für Muskelgewebe gesetzt werden und ein zuverlässiger verbundener Filter verwendet wird, um das gesamte mit den Startpunkten verbundene Gewebe zu finden. Dieser Schritt eliminiert fehlerhafte Gewebe, die aufgrund ähnlicher Absorptionsfähigkeit in den CTs fälschlicherweise mit dem Muskelgewebe zusammengefasst wurden.Die Haut, die anhand der CT-Bilder nicht zuverlässig erkennbar ist, wird durch Dilatation des äußersten Gewebes um zwei Millimeter basierend auf der durchschnittlichen Hautdicke generiert. Dadurch entsteht eine Schicht einheitlicher Dicke, die das gesamte Modell umgibt. Die Segmentierungen werden manuell überprüft, zur Sicherstellung der Genauigkeit korrigiert und in einer Hierarchie zu einer einzigen Label-Karte kombiniert.Für die Finite-Elemente-Analyse erforderlich. Die Modelle werden mithilfe eines nahezu rohen Rasterdatenformats oder einer NRD-Datei („near raw raster data“) an die Skipiste exportiert, die von Gordon Delman am Ski Institute entwickelt wurde. Dies ist mittlerweile der grundlegende Dateityp vieler quelloffener Bildverarbeitungssoftwareplattformen.Diese Datei wird exportiert und als Netz für die Finite-Elemente-Analyse verwendet. Bisher haben wir RCTs manuell überprüft und sie zu einem hierarchischen O-Modell kombiniert. Im SEG-3D-Programm dort können wir die Gewebestruktur und den Raum definieren.Danach laden wir diese Modelle in Ski ein und führen unser Finite-Elemente-Paket aus, um die Positionierung und Art der Elektroden festzulegen. Der Grund für die Verwendung der Finite-Elemente-Analyse liegt darin, dass sie eine numerische Näherung für komplexe Geometrien wie die verbliebenen Gliedmaßen von Amputierten bietet. Zur Vorbereitung der Finite-Elemente-Analyse wird das 16 cm lange Implantat mithilfe einer in MatLab geschriebenen benutzerdefinierten Software konstruiert und anschließend in SkiRun importiert, wo es als orthopädisches Implantat und als Kathode für die elektrische Stimulation dient.Das elektrische Feld muss unter einem bis zehn Volt pro Zentimeter gehalten werden, und die Stromdichte muss unter zwei Milliampere pro Quadratzentimeter liegen. Dies führt zur Migration von Osteoblasten, verhindert eine lokal begrenzte Erwärmung des Gewebes und gewährleistet die Sicherheit des Patienten. Dies ist mit der roten gestrichelten Linie gekennzeichnet.Kleine Elektroden sind darauf ausgelegt, den Patientenkomfort zu gewährleisten. Da das OIID-Gerät während der Rehabilitation keine Bewegung oder tägliche Aktivitäten einschränken sollte. Das Ski Run-Softwarepaket wird zur Konstruktion der Elektrode verwendet, da es die interaktive Platzierung und Simulation von Elektroden unterstützt.Es wird ein Netzwerk erstellt und Module mit spezifischen mathematischen Funktionen organisiert, um Randbedingungen, Gewebeleitfähigkeiten und Netzverfeinerungen festzulegen sowie Histogramme elektrischer Größenverteilungen zu erzeugen und aufgefüllte Daten zu erfassen. Die Konfigurationen für die Elektroden bestehen aus einer Patch-Elektrode, zwei Patch-Elektroden, einem durchgehenden Band und zwei durchgehenden Bändern. Externe Elektrodenbänder, die 1,6 Zentimeter dick sind, werden am Restglied der aus Patienten-CT-Scans generierten Modelle angebracht.Elektrodenpflaster, die drei Zentimeter dick sind, werden in einem Streifen angebracht, der ungefähr die Hälfte des Durchmessers des Restgliedes bedeckt. Der innere kortikale Implantat, dargestellt in Rot, repräsentiert das Osteo-Implantat. Dieses ist auf den Durchmesser eingestellt, um eine perfekte Passform und Füllung des Implantats zu ermöglichen.Nachdem die Elektroden platziert wurden, führen wir die Finite-Elemente-Analyse durch. Ziel ist es, ein elektrisches Feld zwischen einem und zehn Volt pro Zentimeter aufrechtzuerhalten, um ein wirksames Werkzeug zu sein, und gleichzeitig eine Stromdichte von weniger als zwei Milliampere pro Quadratzentimeter sicherzustellen, um eine Gewebenekrose zu verhindern. Zur Durchführung der Finite-Elemente-Analyse werden Simulationen erzeugt, wobei angenommen wird, dass die elektrischen Größen mit einem quasistatischen Ansatz ohne zeitliche Abhängigkeit berechnet werden können. Zur Ermittlung des elektrischen Potentials durch den Reststumpf des Probanden wird eine numerische Näherung verwendet.Das Modell wird durch die Lösung der Poisson-Gleichung und der Elektrostatik für jeden aus den SEG-3D-Segmentierungen generierten Gewebetyp berechnet. Im Modell werden Randbedingungen zugewiesen, bei denen Knoten zwischen Gewebetypen kontinuierlich sind und den Verlauf des Stromflusses steuern. Da die Elektroden und das Implantat eine wesentlich höhere Leitfähigkeit als die umgebenden Gewebe aufweisen, wird angenommen, dass sich das Implantat oder die Kathode auf einem konstanten Potential befindet.Ebenso werden die Oberflächenelektroden mit einer konstanten Potentialdifferenz gegenüber dem perkutanen Implantat modelliert. Mithilfe einer numerischen Simulation wird das elektrische Potential durch das verbliebene Gliedmaßenstumpf des Probanden berechnet, um die Wirksamkeit der Elektrodenanordnung und -größe zu bewerten. Es werden patientenspezifische Modelle erstellt, und das elektrische Potential im Bereich der Implantatschnittstelle wird verwendet, um lokal begrenzte Feldstärken zu bestimmen.Das Modell wird mithilfe eines hexagonalen Hügel-Netzes erzeugt, das aus etwa 1,8 Millionen Elementen besteht. Die optimale Elementgröße für dieses Experiment wird anhand einer Netzempfindlichkeitsstudie ausgewählt, die zu einem relativen Unterschied in den Spannungsgradienten von weniger als 5 % führt. Dies gewährleistet die Genauigkeit des Modells.Die Elemente werden als stückweise homogene, omische und isotrope Elemente behandelt. Elektroden werden in die Finite-Elemente-Netzgenerierung integriert und eine konstante Potentialdifferenz zwischen der Hautelektrode und dem osseointegrierten Implantat zugewiesen. Diese Auswahl basiert auf der erwarteten Gewebewiderstandsfähigkeit.Das Potential wird zwischen ein und 4,5 Volt basierend auf der Amputationsgeometrie, der Gewebewiderstandsfähigkeit und der Elektrodenkonfiguration mithilfe eines iterativen Lösers eingestellt. Die Potentiale in den Finite-Elemente-Modellen werden für vier Elektrodenkonfigurationen berechnet. Dies geschieht, um die optimale Konstruktion für Amputierte zu bestimmen.Die Validierung der Finite-Elemente-Analyse erfolgt an einem iacuc-genehmigten In-vivo-Modell an Kleintieren. Ein Implantat wird in den Markkanal eines Kaninchens eingebracht und eine zweite Elektrode im Muskelgewebe platziert. Dadurch entsteht ein subkutanes elektrisches Feld an der Grenzfläche zwischen Knochen und Implantat.Alle Ski-Run-Finite-Elemente-Analysen werden durch Nadelelektroden validiert, die zwischen den beiden Elektroden platziert sind und die Spannungsgradienten des Kaninchens in vivo erfassen. Die Studie am Kaninchenmodell verwendet dasselbe Protokoll wie das OIID, das für die humanmedizinische Forschung vorgesehen ist. Dies erfolgt, indem Computertomographie-Scans angefertigt, 3D-hierarchische Modelle in SEG 3D entwickelt und die rechnergestützte Modellierung mit Ski Run durchgeführt wird.Das Ziel besteht darin, die elektrischen Messgrößen zu entwickeln, die erforderlich sind, um die Wirksamkeit einer gezielten elektrischen Stimulation nachzuweisen. Dies soll periprothetische Infektionen verringern und die Fixationsfestigkeit von Implantaten erhöhen, sodass die Technologie von der FDA zugelassen und zur Rehabilitation von Amputierten eingesetzt werden kann.Die erfolgreiche Durchführung des detaillierten Protokolls führt zu anatomisch genauen Amputationsstümpfen, die aus Computertomographie-Scans erstellt wurden. Dies liefert die ersten Richtlinien für das OIID-System. Die Anwender werden eine interaktive Schnittstelle entwickeln, um die Elektrodegröße und -position für patientenspezifische Modelle anzupassen.Veränderte elektrische Felder und Stromdichten werden sich aus der Gewebegeometrie und der Elektrodenposition ergeben. Daher erfordern Modelle individuelle Anpassungen, um Personen mit Gliedmaßenverlust, die eine Osteointegrationstechnologie anstreben, zu unterstützen. Das osseointegrierte intelligente Implantat-Design-System, das wir Ihnen heute vorgestellt haben, wird dazu beitragen, das klassische Problem der elektrischen Stimulation zu verringern, nämlich die Unfähigkeit, den Stromweg im menschlichen Körper zu definieren.Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass das elektrische Feld an der Grenzfläche zwischen Knochen und Implantat die Fähigkeit besitzen könnte, periprothetische Infektionen zu reduzieren, die knöcherne Anbindung zu verbessern und als wirksames Instrument für unsere Kliniker in der Rehabilitation eingesetzt zu werden. Das war's. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihrer Osseointegrationsforschung.

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