Name: Los análisis bioeléctricos de una osteointegrados Sistema Inteligente diseño de los implantes para Amputados (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-07-15T00:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 31 s
Description: Aprende a diseñar implantes osteointegrados inteligentes mediante análisis de elementos finitos y estimulación eléctrica. Este sistema computacional mejora la fijación ósea y reduce infecciones en amputados.

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Este material está basado en la investigación apoyada (o apoyado en parte por) la Oficina de Tecnología de Comercialización, Salt Lake City, UT, Oficina de Investigación y Desarrollo, Rehabilitación de investigación y de servicio D, DVA SLC Sistema de Cuidado de la Salud, Salt Lake City, UT, del Departamento de Defensa PRMRP Grant (N º PR054520), el Presidente Albert Hofmann y Margaret y el Departamento de Ortopedia de la Universidad de Utah, Facultad de Medicina de Salt Lake City, UT, apoyo técnico para las simulaciones fue proporcionada por el Centro de Informática Biomédica Integral de Computación Científica e Imagen del Instituto y se hizo posible en parte por el software del Centro de NIH / CNRR de Informática Biomédica Integral, P41-RR12553-07. Reconocimiento adicional se extiende a Gwenevere Shaw para obtener ayuda con la preparación de manuscritos y Dustin Williams para la imagen de la biopelícula.

Parte 1: El uso de la tomografía computarizada (TC) para Amputado Reconstrucción <ol><li> Retrospectiva de la TC se obtuvieron de la Universidad de Utah y el Departamento de Asuntos de Veteranos de los hospitales después de obtener la aprobación del IRB y la HIPAA. </li><li> Las tomografías computarizadas fueron seleccionados debido a que permiten una clara distinción entre los tipos de tejidos basados ​​en rayos X absorción. </li><li> TC fueron inspeccionados de forma manual y se incluyen en el estudio basado en la ausencia de los implantes de metal para evitar que los artefactos de la imagen. </li></ol> Parte 2: Generación de modelos con Seg3D <ol><li> Los archivos fueron descargados en las imágenes Dicom y se cargan en Seg3D (versión 1.11.0, software.sci.utah.edu) como un nuevo volumen. </li><li> Un filtro de mediana se utiliza para suavizar los volúmenes de importación antes de determinar geométricamente definidas las estructuras de tejido. </li><li> Los límites del tejido del hueso, la médula ósea, órganos y tejido adiposo fueron generados por el umbral de forma interactiva los archivos CT (Figura 1). <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig1.jpg" alt="Figura 1" /> Figura 1: Una sección sagital de un miembro amputado un umbral residual y se dividieron en tipos específicos de tejido. </li><li> La musculatura se obtuvo mediante la configuración manual de los puntos de la semilla en el interior del tejido muscular y un umbral con una confianza conectados filtro para encontrar todos los tejidos conectados a los puntos de la semilla. Este paso elimina los tejidos erróneos que pueden haber sido agrupados con el músculo sobre la base de absorción similares de TI. </li><li> La piel, lo cual era imposible de discernir de forma fiable a partir de las imágenes de TC, fue generado por la dilatación de los tejidos exteriores de 2 milímetros de grosor de la piel basado en promedio para producir una capa de espesor homogéneo que rodeaba todo el modelo 1. </li><li> Segmentaciones fueron inspeccionados de forma manual, corregido para asegurar la exactitud y se combinan en una jerarquía en un mapa sola etiqueta requerida para el análisis de elementos finitos (figura 1). <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig2.jpg" alt="Figura 2" /> Figura 2: Modelo Representante jerárquica de un amputado bilateral creado con Seg3D. </li></ol> Parte 3: Preparación para el análisis de elementos finitos <ol><li> Un implante de 10 cm fue diseñado en Matlab para servir como dispositivo ortopédico implanta y el cátodo de estimulación eléctrica e importados en SCIRun (versión 4.0, software.sci.utah.edu). </li></ol> Parte 4: colocación de los electrodos y Diseño <ol><li> SCIRun se utilizó para el diseño de los electrodos, ya que admite la colocación de electrodos interactivas y de simulación. </li><li> Se creó una red y los módulos organizados con funciones específicas para generar la malla (Figura 3). Los módulos fueron importantes para definir las condiciones de contorno, la conductividad del tejido, el refinamiento de malla, la generación de Matlab histogramas, grabación de datos de campo, etc (Tabla 1). <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig3.jpg" alt="Figura 3" /> Figura 3: imagen de red Representante de un estudio piloto utilizando una configuración de dos bandas de electrodos externos. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"><tbody><tr><td> Tabla 1 </td><td></td></tr><tr><td colspan="2"> Conductividades asignados a los tejidos segmentado </td></tr><tr><td> Tipo de tejido </td><td> Conductividades [S / m] </td></tr><tr><td> Órgano </td><td> 0.22 </td></tr><tr><td> Piel </td><td> 0.26 </td></tr><tr><td> Adiposo </td><td> 0.09 </td></tr><tr><td> Músculo </td><td> 0.25 </td></tr><tr><td> El hueso cortical </td><td> 0.02 </td></tr><tr><td> De médula ósea </td><td> 0.07 </td></tr></tbody></table></li><li> Las configuraciones de los electrodos consiste en un electrodo de un parche, dos electrodos de parche, una banda continua y dos bandas continuas. </li><li> Bandas externas de electrodos se aplicaron en el muñón de los modelos generados a partir de los pacientes la TC y fueron de 1,6 cm de espesor. </li><li> Parches de los electrodos fueron colocados en una franja que cubre aproximadamente la mitad del diámetro de la extremidad residual y fueron de 3 cm de espesor. </li><li> El implante cortical interna que representa el implante osteointegrado fue establecido en diámetro endoóseo para permitir el ajuste perfecto del implante y llenar 2. </li></ol> Parte 5: Análisis de elementos finitos <ol><li> Las simulaciones se han generado el supuesto de que las mediciones eléctricas se podría calcular con un enfoque cuasi-estático, sin dependencia del tiempo. </li><li> El modelo se calculó mediante la resolución de la ecuación de Laplace para cada tipo de tejido generados a partir de las segmentaciones Seg3D. </li><li> Las condiciones de frontera fueron formados por los electrodos que inyecta corrientes y las directrices que la corriente se mantuvo dentro del cuerpo. </li><li> Dado que los electrodos y el implante se una conductividad mucho mayor que los tejidos circundantes, se trataba de unassumed que el implante (cátodo) se encontraba en un potencial constante, del mismo modo que los electrodos de superficie se modela con una diferencia de potencial del implante percutáneo. </li><li> Para evaluar la eficacia de la configuración de los electrodos y el tamaño, el paciente se han desarrollado modelos específicos y el potencial eléctrico en torno a la interfase del implante se utilizó para determinar los puntos fuertes localizados sobre el terreno. </li><li> El modelo se ha generado mediante una malla de hexaedros que consistía en aproximadamente 1,8 millones de elementos que fueron tratados como trozos homogéneos, óhmica e isótropo. </li><li> El modelo óptimo para este experimento fue seleccionado con una diferencia relativa &lt;5% en los gradientes de tensión confirmado con un estudio de sensibilidad de malla para asegurar la exactitud del modelo (Tabla 2). <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="305"><tbody><tr><td> Tabla 2 </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="3"> Malla de estudio de sensibilidad para Amputado Modelo </td><td></td></tr><tr><td> Malla </td><td> Elementos </td><td> Nodos </td><td> Diferencia relativa </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> Utilizando un proceso iterativo solver, los indicadores eléctricos en los modelos de elementos finitos se calcularon para las configuraciones de electrodos. </li></ol>

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La tecnología divulgada en el artículo, específicamente la utilización de un implante ortopédico como cátodo funcional para aumentar la vinculación del esqueleto, reducir la rehabilitación y prevenir la adhesión bacteriana es una idea nueva inventada por el primer autor en la presentación de la revista. Una forma de divulgación de la invención ha sido presentada a la Universidad de Utah y una patente provisional de Estados Unidos se ha presentado la protección de toda la tecnología de revelado.

La comprensión del paradigma Estimulación Eléctrica Mejoras en la atención médica y las estrategias de evacuación en el campo de combate han conducido a un mayor número de guerreros supervivientes lesiones catastróficas relacionadas con la guerra. Mientras que la tasa de supervivencia es un avance médico, hombres y mujeres regresan de combate con amputaciones que necesitan un seguimiento intensivo de atención, rehabilitación extensa y costosa servicios de prótesis del Sistema de Atención de Asuntos de Veteranos de la Salud 3. Informes detallados del Congreso que más de 1.000 amputaciones relacionadas con la guerra se han producido como resultado de la Operación Libertad Duradera (OEF) y la Operación Libertad Iraquí (OIF), los conflictos 4. En el caso de la Operación Libertad Duradera y los veteranos de la OIF, aproximadamente el 15% de los guerreros que regresan han perdido sus extremidades múltiples y un número significativo de hombres y mujeres que regresan tienen un corto muñón donde la tecnología de socket no es una opción, o ha sido rechazada por el paciente. La utilización del producto descontinuado de la extremidad superior de la prótesis, incluso supera el 50% debido a los dispositivos de fijación son engorrosos y difíciles de usar cómodamente a 5. Prótesis de la extremidad inferior son igualmente problemáticas y los problemas comunes asociados con tomas de tejidos blandos incluyen la incapacidad para caminar sobre el reto terrain6, la duración limitada muñón 7, el malestar del paciente 5, la preocupación por no fisiológica de carga 8, irritación de la osificación heterotópica 9 y el riesgo de enfermedades debilitantes 10. Sin embargo, la tecnología de la osteointegración es una nueva técnica quirúrgica que puede reducir el dolor 11, irritación de la piel 12, 13 osseoperception mejorar, mejorar la movilidad 6, disminución de las úlceras por presión asociados con tomas de corriente 6, reducir el consumo energético para la deambulación 7,14 y servir mejor a los guerreros veteranos y con limitada longitud de la extremidad residual 15. A pesar de las numerosas ventajas físicas y psicológicas de la osteointegración, los procedimientos quirúrgicos asociados requieren más avanzado de infección por streategies tratamiento de prevención 16, exigen que los programas de rehabilitación de largo y son restrictivas protocolos que soportan el peso que puede durar hasta 1,5 años post-operatorio 17. Debido a que la viabilidad del hueso del huésped y la longitud de la extremidad residual es importante para la inserción muscular y la funcionalidad, el desarrollo de nuevos dispositivos para mejorar la osteointegración es la clave para el retorno de hombres y mujeres. Por lo tanto, el desarrollo de un diseño inteligente implante osteointegrado (OIID), sistema que utiliza la estimulación eléctrica controlada puede reducir la duración de la rehabilitación y aumentar la vinculación del esqueleto para el veterano guerrero y amputados. Sin embargo, dado que no hay ningún dispositivo disponible en el mercado actual y dirigido para el uso con implantes osteointegrados percutánea, la motivación de este programa es para confirmar la seguridad y la eficacia con análisis de elementos finitos. La comprensión del papel de la estimulación eléctrica en la remodelación ósea, en concreto la deposición de osteoids y la mineralización, se ha mantenido especulativo. Sin embargo, la actividad eléctrica observada en el hueso puede ser el resultado de la carga mecánica 18,19 y por lo tanto un estímulo eléctrico puede ser un mecanismo eficaz para inducir la reparación ósea 19. La lógica detrás de la hipótesis se explica en un modelo de curación de la fractura. Cuando los huesos largos se cargan, al lado de la tensión llega a ser electropositivo y electronegativo el lado de compresión 20,21, sin embargo, una vez que se rompe un hueso, el sitio seguirá siendo electronegativo con respecto al medio ambiente circundante hasta que la curación ha comenzado, y reanudó la homeostasis 21. Simulación de la cascada de curación natural con una señal eléctrica que se ha creído para ayudar a la deposición de calcio 22, ligeras alteraciones en el contenido de oxígeno y pH 23, el reclutamiento de factores de crecimiento y 22 asistencias con la migración de osteoblastos y la secreción de la matriz extracelular 24 adicionales. La premisa de que la estimulación eléctrica por sí solo podría gobernar completa reparación ósea se ha redefinido y la nueva hipótesis actual propone que los sindicatos se completa formada por cargas mecánicas y una estimulación eléctrica de co-estímulo 19. Los impulsos eléctricos observados en vivo están asociados con la deformación piezoeléctrica de colágeno o el gran electro-cinética producida por las corrientes iónicas que fluyen partes constituyentes últimos mineral de la matriz ósea 25. De hecho, los potenciales espontáneos se han reportado en el hueso del tamaño de 6 milivoltios y se correlaciona con un aumento en la tasa de aposición mineral del hueso 26. Los primeros trabajos de Brighton y Friedenberg 18,21,27,28 utilizado el concepto de estimulación eléctrica para la regeneración ósea en los años 1960 y 1970, y demonstrated corriente que podría ser utilizado para reparar los sindicatos no en un corto periodo de tiempo en comparación con los métodos tradicionales de curación. Modelos adicionales han investigado la formación de hueso con la carga de peso restrictiva y ha demostrado un aumento de treinta y uno por ciento en la actividad osteogénica entre los controles y de los miembros estimulados eléctricamente 25. Mientras que los investigadores en el campo de la estimulación eléctrica han allanado el camino para la comprensión del mecanismo de deposición osteoblástica de la matriz con la estimulación eléctrica, falta de comprensión ha limitado la expansión de esta tecnología. Si bien hay muchos casos de curación con éxito de la no-sindicatos y los modelos de fractura de la curación, los ejemplos de las molestias del paciente y los intentos fallidos están repletos en la literatura y 29. El problema se produce con la estimulación eléctrica de los científicos y los médicos el control de los indicadores eléctricos mal y concentrarse únicamente en las magnitudes actuales. Investigaciones previas han examinado a la actual como la &quot;bala mágica&quot; para la fijación de los aproximadamente 500.000 no los sindicatos, que se producen anualmente 30. Sin embargo, la repetibilidad entre los modelos se ha visto limitado debido a complicaciones calefacción del julio 31 y no la determinación de densidades de corriente 32. De hecho, todos los dispositivos biomédicos fabricados debe limitarse a una densidad de corriente de menos de 2 mA / cm 2 como se indica por la Comisión Electrotécnica Internacional para prevenir la necrosis de los tejidos localizados y molestias para el paciente 33. Aparte de ayudar en la fijación esquelética, la estimulación eléctrica controlada también puede impedir la adherencia de bacterias en implantes ortopédicos y reducir el riesgo de padecer esta enfermedad y la formación de biofilm 34-37. Formación de biopelículas en los dispositivos ortopédicos dar lugar a complicaciones del paciente y una angustia significativa para aquellos que dependen de estos 38 dispositivos. Se hace hincapié en la necesidad de tener completamente esterilizado instrumentos e implantes antes de la cirugía de 39 años, sin embargo, es a menudo difícil de diagnosticar adhesión bacterias como se desprende de muchos de los casos negativos cultivo que de hecho están infectadas 40. Este problema es a menudo junto con el hecho de que las biopelículas son de crecimiento lento en la naturaleza de 40 años, no puede haber crecimiento con precisión in vitro de 39 años, dependerá del tipo de las células de las bacterias, limpieza de la superficie y el sistema inmunológico de la persona afectada 39. Investigación de Europa amputados transfemoral con la tecnología oseeointegration revelan el problema más frecuente es la infección (frecuentes infecciones superficiales, 1 / 3 infecciones periprotésicas) 41. Aunque ha habido grandes mejoras en la preparación quirúrgica, la erradicación de la bacteria es uno de los factores fundamentales para mejorar la osteointegración ya que las biopelículas son entre 500-5000 mil veces más difícil de erradicar debido a su falta de forma platónica 34,35,39. Por lo tanto, la utilización de la estimulación eléctrica como una modalidad para la eliminación de colonias de bacterias dañinas y el aumento de la fijación esquelética son factores importantes para garantizar la protección de la salud del paciente y la eficacia OIID. Las ventajas de usar amputados y veterano guerrero es que la relativa juventud y la salud de otra manera bueno de estas personas hacen una población ideal para una rehabilitación agresiva y un puesto percutánea servirá de ayuda ambulatoria y puede ser desarrollado como un cátodo expuestos para la estimulación eléctrica. La presencia de un implante osteointegrado no requiere de procedimientos quirúrgicos adicionales para insertar los componentes eléctricos, permite que el dispositivo se controla externamente y evita el riesgo de la infección 42. Por lo tanto, comprender el método de inyección de corriente en el muñón de los amputados y veterano guerrero, un campo eléctrico de la magnitud de 10 a 10 V / cm se puede establecer, controlar y medir en la superficie del implante. Se presume que esto permitirá que los niveles de seguridad de la electricidad que se entregarán, capaces de inducir la migración de osteoblastos y la mejora de fijación esquelética. Un campo eléctrico de esta titulación se incrementará la cantidad y calidad del hueso en la superficie del implante, y mejorar las perspectivas de rehabilitación acelerada y la fijación esquelética de un amputado. El uso de la estimulación eléctrica no ha sido investigada como una modalidad para acelerar la osteointegración de un implante intramedular de prótesis y presenta numerosas oportunidades para la investigación traslacional para mejorar la atención al paciente. Resultados experimentales La necesidad de modelos específicos de pacientes con un dispositivo de estimulación eléctrica percutánea fue apoyada en el estudio. Las simulaciones desarrolladas para el dispositivo biomédico propuesta puede tener la capacidad de acelerar la fijación esquelética de migración de osteoblastos y aumentar la prevención de la adhesión bacteriana 27,34,36,39. Compmodelado utation efectivamente ha demostrado que 1-10 V / cm campos eléctricos y densidades de corriente por debajo de 2 mA / cm 2 puede ser generado mediante el implante de un cátodo funcional y es más homogéneamente distribuida utilizando un electrodo de dos bandas exteriores. El sistema OIID puede ser el primer paso para resolver el problema clásico asociado con la estimulación eléctrica, la incapacidad de definir las vías de corriente en el cuerpo humano 43. Por lo tanto, el establecimiento de herramientas para mejorar la fijación esquelética puede ayudar a reducir la duración de la rehabilitación requiere de un procedimiento de osteointegrados. La utilización de la estimulación eléctrica de la tercera edad amputados también es un aspecto crítico que debe ser explorado también. La masa ósea es máxima después de una década el crecimiento del esqueleto, pero deja disminuye de manera significativa por la octava y novena década 44. Como los huesos largos cambian con la edad, el diámetro endoóseo tiende a aumentar más rápidamente que el diámetro del periostio que puede llevar a aflojamiento del implante 45. Este problema, junto con la reducción de la tensión en los huesos por el debilitamiento de los músculos puede contribuir a enfermedades debilitantes como la osteoporosis y la osteopenia, 45 y necesita otras opciones de tratamiento para pacientes con implantes oseointegrados. Sin embargo, la estimulación controlada eléctrica y carga mecánica puede actuar como un catalizador de sinergias ongrowth ósea y mantener la integridad del host hueso cama con pacientes de edad avanzada con un sistema de OIID.

los análisis bioeléctricos de una osteointegrados sistema inteligente diseño de los implantes para amputados

Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees

El número proyectado de los amputados de América se espera que aumente a 3,6 millones en 2050. Muchas de estas personas dependen de miembros artificiales para llevar a cabo las actividades de rutina, pero las suspensiones de prótesis con tecnología de socket tradicionales puede resultar engorroso e incómodo para una persona con pérdida de extremidades. Por otra parte, para las personas con amputaciones de alta proximal, longitud limitada extremidad residual puede impedir la adhesión exoprosthesis todos juntos. Tecnología osteointegrados implante es un procedimiento quirúrgico novedoso que permite la adhesión firme del esqueleto entre el hueso receptor y un implante. Los resultados preliminares de amputados Europea con implantes oseointegrados han mostrado mejores resultados clínicos, permitiendo la transferencia directa de cargas en la interfaz hueso-implante. A pesar de las aparentes ventajas de la osteointegración en la tecnología de socket, los procedimientos de rehabilitación actuales requieren largos períodos de restricción de carga antes de que se puede reducir con apego acelerado del esqueleto a través de la estimulación eléctrica. El objetivo de (OIID) el diseño de implantes osteointegrados sistema inteligente es hacer la parte del implante de un sistema eléctrico para acelerar la unión del esqueleto y prevenir la infección periprotésica. Para determinar el tamaño y la ubicación óptima de los electrodos, se inició una prueba de concepto con el modelado computacional de los campos eléctricos y densidades de corriente que se presenten durante la estimulación eléctrica de las extremidades amputado residual. A fin de proporcionar garantizar la seguridad del paciente, los sujetos con retrospectiva la tomografía computarizada se han seleccionado y tres reconstrucciones tridimensionales creadas con programas de software a medida para asegurar la precisión anatómica (Seg3D y SCIRun) en el IRB y HIPAA aprobó el estudio. Estos paquetes de software de apoyo al desarrollo de modelos específicos del paciente y permite la manipulación interactiva de la posición de los electrodos y el tamaño. Los resultados preliminares indican que los campos eléctricos y densidades de corriente se puede generar en la interfaz implante para lograr la distribución homogénea del campo eléctrico necesario para inducir la migración de osteoblastos, mejorar la fijación esquelética y puede ayudar a prevenir las infecciones periprotésicas. Basado en las configuraciones de electrodos experimentado en el modelo, una configuración de dos bandas exteriores se defendió en el futuro.

Hay una necesidad de desarrollar otras alternativas de conexión prótesis debido a la pérdida de una extremidad atribuidas a enfermedades vasculares oclusivas y trauma. El objetivo del trabajo es la introducción de un sistema inteligente osteointegrados diseño de los implantes para aumentar la fijación esquelética y reducir las tasas de infección periprotésica para pacientes que necesitan la tecnología osteointegrados.

Los análisis bioeléctricos de una osteointegrados Sistema Inteligente diseño de los implantes para Amputados

Se prevé que el número proyectado de personas amputadas en Estados Unidos aumente a 3,6 millones para el año 2050. Muchas de estas personas dependen de extremidades artificiales para realizar...

Para el año 2050, se prevé que el número proyectado de amputados en Estados Unidos alcance los 3,6 millones. Las complicaciones con las extremidades protésicas tradicionales suelen provocar patrones de marcha asimétricos e incomodidad en los amputados que desean retomar estilos de vida activos tras la lesión. Las opciones protésicas actuales generalmente son inadecuadas.Esto se debe principalmente a la alta incidencia de úlceras por presión causadas por patrones de carga no uniformes. Una forma de superar las limitaciones funcionales de las prótesis tradicionales consiste en diseñar una fijación esquelética directa entre un implante y el hueso del paciente amputado. Esta tecnología, conocida como osteointegración, depende de la fijación esquelética directa y de un sellado epidérmico y dérmico estrecho para prevenir infecciones; cuando tiene éxito, la osteointegración mejora drásticamente los niveles de actividad en pacientes con amputaciones proximales altas.Esto se muestra en los videos proporcionados por el equipo del Dr. Ash off. En conjunto con la organización Esca. Existen dos complicaciones principales que impiden la adopción generalizada de la osteointegración.El primero es el riesgo de adhesión bacteriana y formación de biopelículas en implantes ortopédicos. En segundo lugar, existe el riesgo de fijación esquelética inadecuada in vivo, como se muestra aquí con radiolucencias. Para superar estas complicaciones, la prótesis exógena puede utilizarse como cátodo para aplicar estimulación eléctrica.Esto puede resultar en una remodelación ósea positiva, prevenir la adhesión bacteriana y reducir el tiempo de rehabilitación necesario para soportar el peso completo. Este video demuestra cómo se diseñan los implantes mediante un novedoso sistema de diseño de implantes inteligentes OSSEOINTEGRADOS, o OIID. Hola, soy Brad Isaacson del Laboratorio de Investigación de Hueso y Articulaciones del Departamento de Bioingeniería de la Universidad de Utah.Hoy, le mostraremos cómo se puede probar y evaluar el diseño de implantes osteointegrados mediante modelado hipotético utilizando programas informáticos computacionales. Nuestro objetivo es proporcionar una prueba de concepto de una nueva herramienta de rehabilitación para la osteointegración, que utiliza estimulación eléctrica. Cuando se implementa adecuadamente, la herramienta podrá reducir las infecciones periprotésicas y aumentar la fijación esquelética.Con esto en mente, permítame mostrarle cómo podemos desarrollar un sistema integrado de diseño de implantes inteligentes. Se utilizan escáneres CT para la reconstrucción del modelo porque permiten distinguir claramente entre diferentes tipos de tejidos. Los escáneres utilizados para este fin fueron recolectados del Hospital de la Universidad de Utah y del Departamento de Asuntos de Veteranos tras obtener la aprobación del IRB y de HIPAA.Estas tomografías computarizadas se inspeccionaron visualmente primero y se seleccionaron para el estudio en función de la ausencia de implantes metálicos, que pueden introducir artefactos en la imagen. Aquí mostramos un caso de un amputado que sería inaceptable para el modelo computacional debido a la presencia de un implante ortopédico. El amputado tiene un implante ortopédico dentro del conducto medular, y cuando examinamos los cortes de la tomografía computarizada, observamos distorsión en la imagen.Sin embargo, abogaríamos por un paciente como este. El amputado presenta una clara distinción entre los tipos de tejido, fundamental para modelos anatómicamente precisos. Excelente para comenzar.Los archivos de escaneo de tomografía computarizada para la generación del modelo se descargan como imágenes DICOM y se cargan en el programa SEG 3D como un nuevo volumen. Luego se utiliza un filtro mediano para suavizar los volúmenes importados antes de determinar las estructuras tisulares definidas geométricamente. Una vez completado el filtrado, los límites tisulares del hueso, médula ósea, órganos y tejido adiposo se generan mediante umbralización.Las imágenes de TC se procesan de forma interactiva y se filtran una vez más. La musculatura se obtiene estableciendo manualmente puntos semilla dentro del umbral del tejido muscular y utilizando un filtro de conexión por confianza para encontrar todos los tejidos conectados a los puntos semilla. Este paso elimina tejidos erróneos que podrían agruparse junto con el músculo debido a una absorción similar en las TC.La piel, que es imposible discernir de forma confiable en las imágenes de TC, se genera mediante la dilatación del tejido más externo, dos milímetros según el grosor promedio de la piel. Esto produce una capa de espesor homogéneo que rodea completamente el modelo. Las segmentaciones se inspeccionan manualmente, se corrigen para garantizar su precisión y se combinan jerárquicamente en un único mapa de etiquetas.Requerido para el análisis de elementos finitos. Los modelos se exportan a ski run utilizando un formato de datos ráster casi crudo o un archivo NRD desarrollado por Gordon Delman en el Ski Institute. Este es ahora el tipo de archivo básico de muchas plataformas de software de procesamiento de imágenes de código abierto.Este archivo se exporta y se utiliza como malla para el análisis de elementos finitos. Hasta ahora, hemos inspeccionado manualmente las TCR y las hemos combinado en un modelo jerárquico O. En el programa SEG 3D, allí podemos definir la geometría del tejido y el espacio.A continuación, cargaremos estos modelos en ski, ejecutaremos nuestro paquete de elementos finitos para definir la posición y el tipo de electrodos. La razón para utilizar el análisis de elementos finitos es que proporciona una aproximación numérica para geometrías complejas, como los miembros residuales de nuestros pacientes amputados. Para prepararse para el análisis de elementos finitos, el implante de 16 centímetros se diseña utilizando un software personalizado escrito en mat lab, y luego se importa a ski run para servir como implante ortopédico y cátodo para la estimulación eléctrica.El campo eléctrico debe mantenerse por debajo de uno a 10 voltios por centímetro, y la densidad de corriente debe ser inferior a dos miliamperios por centímetro cuadrado. Esto inducirá la migración de osteoblastos, evitará el calentamiento localizado del tejido y garantizará la seguridad del paciente. Esto se indica con la línea roja discontinua.Los electrodos pequeños están diseñados para garantizar la comodidad del paciente. Dado que el dispositivo OIID no debe restringir el movimiento ni las actividades diarias durante la rehabilitación. El paquete de software ski run se utiliza para diseñar el electrodo porque permite la colocación interactiva de electrodos y simulaciones.Se crea una red y se organizan módulos con funciones matemáticas específicas para definir condiciones de contorno, conductividades del tejido y refinamientos de malla, así como para generar histogramas de distribuciones de métricas eléctricas y registrar datos completos. Las configuraciones para los electrodos consisten en un electrodo de parche, dos electrodos de parche, una banda continua y dos bandas continuas. Se aplican bandas de electrodos externos, que tienen un grosor de 1,6 centímetros, al miembro residual de los modelos generados a partir de escáneres CT de pacientes.Los parches de electrodos, que tienen tres centímetros de grosor, se colocan en una tira que cubre aproximadamente la mitad del diámetro del miembro residual. El implante cortical interno mostrado en rojo representa el implante óseo. Este se ajusta al diámetro para permitir un ajuste y relleno perfectos del implante.Ahora que los electrodos han sido colocados, realizaremos el análisis de elementos finitos. El objetivo aquí es mantener un campo eléctrico entre uno y 10 voltios por centímetro para que sea una herramienta eficaz, al tiempo que se mantiene una densidad de corriente por debajo de dos miliamperios por centímetro cuadrado para prevenir la necrosis del tejido. Para realizar el análisis de elementos finitos, se generan simulaciones suponiendo que las magnitudes eléctricas pueden calcularse utilizando un enfoque cuasiestático sin dependencia temporal. Se utiliza una aproximación numérica para calcular el potencial eléctrico a través del miembro residual del sujeto.El modelo se calcula resolviendo la ecuación de Poisson y la electrostática para cada tipo de tejido generado a partir de las segmentaciones de SEG 3D. Las condiciones de contorno se asignan en el modelo, en el que los nodos son continuos entre los tipos de tejido y regulan la trayectoria del flujo de corriente. Dado que los electrodos y el implante tienen conductividades mucho mayores que los tejidos circundantes, se asume que el implante o cátodo se encuentra a un potencial constante.Asimismo, los electrodos superficiales se modelan con una diferencia de potencial constante respecto al implante percutáneo. Se utiliza una simulación numérica para calcular el potencial eléctrico a través del miembro residual del sujeto, con el fin de evaluar la eficacia de la configuración y el tamaño de los electrodos. Se desarrollan modelos específicos del paciente y se emplea el potencial eléctrico alrededor de la interfaz del implante para determinar las intensidades del campo localizadas.El modelo se genera utilizando una malla hexa hugel que consta de aproximadamente 1,8 millones de elementos. El tamaño óptimo del elemento para este experimento se selecciona en función de un estudio de sensibilidad de malla que da como resultado una diferencia relativa inferior al 5 % en los gradientes de voltaje. Esto garantiza la precisión del modelo.Los elementos se tratan como elementos homogéneos, isótropos y por tramos constantes. Los electrodos se incorporan en el mallado de elementos finitos y se les asigna una diferencia de potencial constante entre el electrodo cutáneo y el implante osteointegrado. Esta selección se basa en la resistividad tisular esperada.El potencial se establece entre uno y 4,5 voltios en función de la geometría del amputado, la resistividad de los tejidos y la configuración del electrodo, utilizando un solucionador iterativo. Los potenciales en los modelos de elementos finitos se calculan para cuatro configuraciones de electrodos. Esto se realiza para determinar el diseño óptimo para personas amputadas.Se está realizando la validación del análisis por elementos finitos mediante un modelo in vivo en animales pequeños aprobado por el iacuc. Se inserta un implante en el canal medular de un conejo y se coloca un segundo electrodo sobre la musculatura. Esto genera un campo eléctrico subcutáneo en la interfaz hueso-implante.Todos los análisis por elementos finitos de ski run validados mediante electrodos de aguja colocados entre los dos electrodos, que registran los gradientes de voltaje del conejo in vivo. El estudio con el modelo de conejo utiliza el mismo protocolo que el OIID designado para la investigación en humanos. Esto se realiza obteniendo escáneres de tomografía computarizada, desarrollando modelos jerárquicos tridimensionales en SEG 3D y realizando modelado computacional con ski run.El objetivo es desarrollar las métricas eléctricas necesarias para demostrar la eficacia de la estimulación eléctrica controlada. Esto tiene como fin reducir las infecciones periprotésicas y aumentar la resistencia de fijación del implante, de modo que la tecnología pueda obtener la aprobación de la FDA y utilizarse en la rehabilitación de amputados.La finalización exitosa del protocolo detallado dará como resultado miembros residuales de amputados anatómicamente precisos, desarrollados a partir de escáneres de tomografía computarizada. Esto proporcionará las pautas iniciales para el sistema OIID. Los usuarios desarrollarán una interfaz interactiva para ajustar el tamaño y la posición de los electrodos en modelos específicos del paciente.Los campos eléctricos y las densidades de corriente alterados serán el resultado de la geometría del tejido y de la posición del electrodo. Por lo tanto, los modelos requerirán modificaciones individuales para ayudar a las personas con pérdida de extremidades que buscan tecnología de osteointegración. El sistema de diseño de implantes inteligentes osteointegrados que les mostramos hoy ayudará a aliviar el problema clásico de la estimulación eléctrica: la incapacidad para definir la trayectoria de la corriente en el cuerpo humano.Los resultados preliminares indican que el campo eléctrico en la interfaz hueso-implante podría tener la capacidad de reducir las infecciones periprotésicas, aumentar la fijación esquelética y utilizarse como una herramienta eficaz para nuestros clínicos en la rehabilitación. Eso es todo. Gracias por ver este video y buena suerte con su investigación sobre osteointegración.

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Investigación

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