ניתוח Bioelectric של מערכת Osseointegrated שתל Intelligent Design עבור קטועי גפיים

עד שנת 2050, מספר הקטועים החזוי בארצות הברית צפוי להגיע ל-3.6 מיליון. סיבוכים עם תבניות פרוטזתיות מסורתיות גורמים לעיתים קרובות לדפוסי הליכה אסימטריים ולאי-נוחות עבור קטועים המקווים לחזור לאורח חיים פעיל לאחר הפגיעה. האפשרויות הפרוטזתיות הנוכחיות הן בדרך כלל לא מספיקות.

הדבר נובע בעיקר מהשכיחות הגבוהה של פצעי לחץ כתוצאה מדפוסי עומס לא אחידים. דרך אחת להתגבר על המגבלות התפקודיות של פרוטזות מסורתיות היא הנדסת חיבור שלדי ישיר בין שתל לבין העצם המארחת של הקטיע. טכנולוגיה זו, המכונה אוסטאואינטגרציה (osteointegration), מסתמכת על קיבוע שלדי ישיר ועל אטם אפידרמלי ודרמלי הדוק למניעת זיהום; כאשר היא מצליחה, האוסטאואינטגרציה משפרת באופן דרסטי את רמות הפעילות עבור קטועים עם קטיעות פרוקסימליות גבוהות.

דבר זה מוצג בסרטונים שסופקו על ידי הצוות של ד"ר Ash off, בשיתוף עם ארגון Esca. קיימים שני סיבוכים מרכזיים המונעים את האימוץ הנרחב של אוסטאואינטגרציה.

הסיכון הראשון הוא הדבקות חיידקית והיווצרות ביופילם על השתלים האורתופדיים. שנית, קיים סיכון לקיבוע שלדי לא מספיק in vivo, כפי שניתן לראות כאן בבדיקות הרדיולוגיות (radiolucencies). כדי להתגבר על סיבוכים אלו, ניתן להשתמש בפרוטזה החיצונית כקתודה להעברת גרייה חשמלית.

דבר זה עשוי להוביל לרמיodeling חיובי של העצם, למנוע הידבקות חיידקים ולהפחית את זמן השיקום הנדרש לנשיאת משקל מלאה. סרטון זה מדגים כיצד מתכננים שתלים באמצעות מערכת תכנון שתלים חכמה וחדשנית בעלת אוסאואינטגרציה (OSSEOINTEGRATED), או OIID. שלום, אני בראד איסקסון ממעבדת המחקר של עצם ומפרקים באוניברסיטת יוטה במחלקה להנדסה ביוולוגית.

היום נראה לכם כיצד ניתן לבחון ולהעריך תכנון של שתל המשתלב בעצם באמצעות מידול היפותטי בעזרת תוכנות מחשב. המטרה שלנו היא לספק הוכחת היתכנות לכלי שיקום חדש לאוסטאואינטגרציה, המשתמש בגירוי חשמלי. כאשר הכלי ייושם כראוי, הוא יוכל להפחית זיהומים פרי-פרוטטיים ולהגביר את ההיצמדות השלדית.

בהתחשב בכך, הרשו לי להראות לכם כיצד ניתן לפתח מערכת משולבת לתכנון שתלים חכמים. סריקות CT משמשות לשחזור המודל מכיוון שהן מאפשרות להבחין בבירור בין סוגי רקמות שונים. הסריקות ששימשו לכך נאספו מבית החולים של אוניברסיטת יוטה וממחלקת ענייני הווטרנים לאחר קבלת אישורי IRB ו-HIPAA.

סריקות CT אלו נבחנו תחילה באופן חזותי ונבחרו למחקר על בסיס היעדר שתלים מתכתיים, שעלולים להוביל לארטיפקטים בדימות. כאן אנו מציגים מקרה של קטוע איבר שאינו מתאים למודל ממוחשב עקב נוכחות של שתל אורתופדי. לקטוע האיבר יש שתל אורתופדי בתוך התעלה המחוללה (medullary canal), וכאשר אנו סורקים את פרוסות ה-CT, אנו רואים עיוות בתמונה.

עם זאת, אנו ממליצים על מטופל כזה. למטופל הקטוע יש הבחנה ברורה בין סוגי רקמות, דבר החיוני למודלים מדויקים מבחינה אנטומית. נקודת התחלה מצוינת.

קבצי סריקת CT ליצירת המודל מורדים כתמונות DICOM ונטענים לתוכנת SEG 3D כנפח חדש. לאחר מכן, נעשה שימוש במסנן חציוני (median filter) כדי להחליק את הנפחים שייבאו לפני קביעת מבני רקמה המוגדרים גאומטרית. עם השלמת הסינון, גבולות הרקמה של העצם, מח העצם, האיברים והרקמה השומנית נוצרים באמצעות סף (thresholding).

תמונות ה-CT מעובדות באופן אינטראקטיבי ומסוננות פעם נוספת. את המערכת השרירית מבודדים על ידי קביעה ידנית של נקודות זרע (seed points) בתוך סף הערכים של רקמת השריר, ועל ידי שימוש במסנן חיבור מבוסס ביטחון (confidence connected filter) כדי למצוא את כל הרקמה המחוברת לנקודות הזרע. שלב זה מסיר רקמות שגויות שעלולות להיות מקובצות יחד עם השריר על בסיס ספיגה דומה ב-CT.

העור, שלא ניתן להבחין בו באופן מהימן מתמונות ה-CT, נוצר על ידי הרחבה (dilation) של הרקמה החיצונית ביותר בשני מילימטרים, בהתבסס על עובי העור הממוצע. פעולה זו יוצרת שכבה בעובי הומוגני המקיפה את המודל המלא. הסגמנטציות נבדקות ידנית, מתוקנות כדי להבטיח דיוק, ומאוחדות בהיררכיה למפת תוויות (label map) אחת.

נדרש לצורך ניתוח גמרים סופית (finite element analysis). המודלים מיוצאים ל-ski run באמצעות פורמט נתוני רסטר כמעט גולמיים או קובץ n NRD שפותח על ידי Gordon Delman במכון הסקי. זהו כעת סוג הקובץ הבסיסי בפלטפורמות רבות של תוכנות לעיבוד תמונה בקוד פתוח.

קובץ זה מיובא ומשמש כרשת (mesh) עבור ניתוח אלמנטים סופיים. עד כה, בחנו ידנית RCTs ושילבנו אותם במודל היררכי. בתוכנת SEG 3D, אנו יכולים להגדיר את גיאומטריית הרקמה והמרחב.

בשלב הבא, נטען את המודלים הללו לתוך ski, ונפעיל את חבילת האלמנטים הסופיות שלנו כדי להגדיר את מיקום וסוג האלקטרודות. הסיבה לשימוש בניתוח אלמנטים סופיות היא שהוא מספק קירוב מספרי עבור גיאומטריות מורכבות, כגון הגפיים השאריות של קטועים. כדי להתכונן לניתוח האלמנטים הסופיות, השתל באורך 16 סנטימטר מתוכנן באמצעות תוכנה מותאמת שנכתבה ב-mat lab, ולאחר מכן מיובא ל-ski run כדי לשמש כשתל האורתופדי וכקתודה עבור גירוי חשמלי.

יש לשמור על השדה החשמלי מתחת ל-1 עד 10 volts per centimeter, ועל צפיפות הזרם נמוכה מ-2 milliamps per square centimeter. פעולה זו תגרום לנדירת אוסטאובלסטים, תמנע חימום מקומי של הרקמה ותבטיח את בטיחות המטופל. דבר זה מסומן בקו המקווקו האדום.

אלקטרודות קטנות תוכננו כדי להבטיח את נוחות המטופל, מכיוון שמכשיר ה-OIID אינו אמור להגביל את התנועה או את הפעילויות היומיומיות במהלך השיקום. חבילת התוכנה ski run משמשת לתכנון האלקטרודה, כיוון שהיא תומכת במיקום אינטראקטיבי ובסימולציה של האלקטרודה.

רשת נוצרת ומודולים מאורגנים עם פונקציות מתמטיות ספציפיות להגדרת תנאי שפה, מוליכויות רקמה ועידוני רשת, וכן ליצירת היסטוגרמות של התפלגויות מדדים חשמליים והקלטת נתונים מלאים. התצורות עבור האלקטרודות מורכבות מאלקטרודת טלאי אחת, שתי אלקטרודות טלאי, רצועה רציפה אחת ושתי רצועות רציפות. רצועות אלקטרודות חיצוניות, בעובי של 1.6 centimeters, מיושמות על הגפיז השארית של המודלים שהופקו מסריקות CT של מטופלים.

מדבקות אלקטרודה, בעובי של שלושה סנטימטרים, מונחות בפס המכסה בקירוב מחצית מקוטרו של הגפה השארית. השתל הקורטיקלי הפנימי המוצג באדום מייצג את השתל העצמי. זה מוגדר לקוטר המאפשר התאמה ומילוי מושלמים של השתל.

כעת, לאחר שהאלקטרודות הונחו, נבצע את ניתוח הגמרים הסופיים (finite element analysis). המטרה כאן היא לשמור על שדה חשמלי שבין 1 ל-10 volts per centimeter כדי שיהווה כלי יעיל, תוך שמירה על צפיפות זרם נמוכה מ-2 milliamps per centimeter squared למניעת נמק ברקמות. כדי לבצע את ניתוח הגמרים הסופיים, מופקות סימולציות בהנחה שניתן לחשב את המדדים החשמליים באמצעות גישה קוואזי-סטטית ללא תלות בזמן. קירוב מספרי משמש לחישוב הפוטנציאל החשמלי דרך הגף השארי של הנבדק.

המודל מחושב על ידי פתרון משוואת פואסון ואלקטרוסטטיקה עבור כל סוג רקמה שנוצר מסגמנטציות ה-SEG 3D. תנאי שפה נקבעים במודל, שבהם הצמתים הם רציפים בין סוגי הרקמות וכדי להוביל את נתיב זרימת הזרם. מכיוון שלאלקטרודות ולשתל יש מוליכויות גבוהות בהרבה מאשר לרקמות הסובבות, מניחים כי השתל או הקתודה נמצאים בפוטנציאל קבוע.

באופן דומה, אלקטרודות השטח ממודלות עם הפרש פוטנציאל קבוע ביחס לשתל התת-עורי. סימולציה נומרית משמשת לחישוב הפוטנציאל החשמלי דרך הגפיס השארית של הנבדק כדי להעריך את יעילות התצורה והגודל של האלקטרודות. מפותחים מודלים ספציפיים למטופל, והפוטנציאל החשמלי סביב ממשק השתל משמש לקביעת עוצמות השדה המקומיות.

המודל נוצר באמצעות רשת hexa hugel המורכבת מכ-1.8 מיליון אלמנטים. גודל האלמנט האופטימלי עבור ניסוי זה נבחר על בסיס מחקר רגישות לרשת (mesh sensitivity study), שהביא להפרש יחסי של פחות מ-5% במדרגי המתח. דבר זה מבטיח את דיוק המודל.

האלמנטים מטופלים כאלמנטים חסכי-שברים (piecewise), הומוגניים ואיזוטרופיים. אלקטרודות משולבות ברשת האלמנטים הסופיים (finite element meshing) ומוקצית להן הפרש פוטנציאל קבוע בין אלקטרודת העור לבין השתל האוסיאואינטגרטיבי. בחירה זו מבוססת על התנגדות הרקמה הצפויה.

הפוטנציאל נקבע בין 1 ל-4.5 volts על בסיס גאומטריית הקטיעה, התנגדות הרקמות ותצורת האלקטרודות באמצעות פותר איטרטיבי. הפוטנציאלים במודלי האלמנטים הסופיות חושבו עבור ארבע תצורות אלקטרודות. זאת כדי לקבוע את התכנון האופטימלי עבור קטועים.

תיקוף של ניתוח אלמנטים סופיות מבוצע באמצעות מודל in vivo של בעל חיים קטן המאושר על ידי ה-iacuc. שתל מוחדר לתעלת המחות של ארנב ואלקטרודה שנייה ממוקמת על השרירים. פעולה זו יוצרת שדה חשמלי תת-עורי בממשק שבין השתל לעצם.

כל ניתוח אלמנטים סופיתים ב-ski run תוקף באמצעות אלקטרודות מחט שהוצבו בין שתי האלקטרודות, המרשמות את מפלטי המתח של הארנב in vivo. מחקר מודל הארנב עושה שימוש באותו פרוטוקול כפי שנקבע ב-OIID עבור מחקר בבני אדם. הדבר מבוצע על ידי השגת סריקות טומוגרפיה ממוחשבת, פיתוח מודלים היררכיים תלת-ממדיים ב-SEG 3D וביצוע מידול חישובי באמצעות ski run.

המטרה היא לפתח את המדדים החשמליים הדרושים כדי להוכיח את היעילות של גרייה חשמלית מבוקרת. מטרה זו שואפת להפחית זיהומים סביב פרוטזות ולהגביר את חוזק קיבוע השבחים. כך תוכל הטכנולוגיה לקבל אישור מה-FDA ולהיות בשימוש לשיקום קטועי גפיים.

השלמה מוצלחת של הפרוטוקול המפורט תביא ליצירת גפים שאריתיות של קטועים המדויקות מבחינה אנטומית, אשר פותחו מסריקות טומוגרפיה ממוחשבת. אלו יספקו את ההנחיות הראשוניות עבור מערכת ה-OIID. משתמשים יפתחו ממשק אינטראקטיבי להתאמת גודל ומיקום האלקטרודות עבור מודלים ספציפיים לחולה.

שדות חשמליים וצפיפויות זרם משתנים יהיו תוצאה של גאומטריית הרקמה ומיקום האלקטרודה. לכן, דגמים ידרשו התאמות אינדיבידואליות כדי לסייע לאנשים עם אובדן גפה המבקשים טכנולוגיית אוסטאואינטגרציה. מערכת התכנון של השתל החכם עם אוסטאואינטגרציה שהצגנו בפניכם היום תסייע בהקלת הבעיה הקלאסית של גרייה חשמלית: חוסר היכולת להגדיר את נתיב הזרם בגוף האדם.

תוצאות ראשוניות מצביעות על כך שלשדה החשמלי בממשק שבין העצם לאשתל עשויות להיות יכולות להפחית זיהומים פרי-פרוטזיים, להגביר את ההיצמדות השלדית, ושיכול לשמש ככלי יעיל עבור הקליניקאים שלנו בתהליכי שיקום. זהו כל הדבר. תודה שצפיתם ובהצלחה במחקרי האוסאואינטגרציה שלכם.