Analisi di un Sistema di bioelettrica Osteointegrata Intelligent Design impianto per amputati

Entro il 2050, il numero previsto di amputati negli Stati Uniti dovrebbe raggiungere 3,6 milioni. Le complicazioni associate alle protesi tradizionali spesso provocano schemi di andatura asimmetrici e disagio per gli amputati che desiderano riprendere uno stile di vita attivo dopo l'infortunio. Le opzioni protesiche attuali sono generalmente inadeguate.

Questo è principalmente dovuto all'elevata incidenza di lesioni da pressione causate da schemi di carico non uniformi. Un modo per superare le limitazioni funzionali delle protesi tradizionali consiste nell'ingegnerizzare un'adesione scheletrica diretta tra un impianto e l'osso del paziente amputato. Questa tecnologia, nota come osteointegrazione, si basa sul fissaggio scheletrico diretto e su una tenuta stretta tra epidermide e derma per prevenire infezioni; quando ha successo, l'osteointegrazione migliora drasticamente i livelli di attività nei pazienti con amputazioni prossimali elevate.

Questo è mostrato nei video forniti dal team del Dott. Ash off. In collaborazione con l'organizzazione Esca. Esistono due complicazioni principali che impediscono l'adozione diffusa dell'osteointegrazione.

Il primo è il rischio di adesione batterica e formazione di biofilm sugli impianti ortopedici. In secondo luogo, esiste il rischio di un'insufficiente fissazione scheletrica in vivo, come mostrato qui con radiotrasparenze. Per superare queste complicazioni, la protesi esoprotesica può essere utilizzata come catodo per erogare una stimolazione elettrica.

Questo può portare a un rimodellamento osseo positivo, prevenire l'adesione batterica e ridurre il tempo di riabilitazione necessario per il carico completo. Questo video illustra come gli impianti vengono progettati utilizzando un nuovo sistema intelligente di progettazione di impianti OSSEOINTEGRATED, o OIID. Ciao, sono Brad Isaacson del Bone and Joint Research Laboratory del Dipartimento di Bioingegneria dell'Università dello Utah.

Oggi, vi mostreremo come progettare impianti osteointegrati possa essere testato e valutato mediante modellizzazione ipotetica che utilizza programmi informatici di calcolo. Il nostro obiettivo è fornire una prova di concetto di un nuovo strumento di riabilitazione per l'osteointegrazione, che utilizza stimolazione elettrica. Quando implementato correttamente, lo strumento sarà in grado di ridurre le infezioni periprotetiche e aumentare l'adesione scheletrica.

Con questo in mente, permettetemi di mostrarvi come possiamo sviluppare un sistema integrato per la progettazione di impianti intelligenti. Le scansioni TC vengono utilizzate per la ricostruzione del modello perché consentono di distinguere chiaramente i diversi tipi di tessuto. Le scansioni utilizzate a questo scopo sono state raccolte presso l'Ospedale dell'Università dello Utah e presso il Dipartimento degli Affari dei Veterani, dopo aver ottenuto l'approvazione del comitato etico (IRB) e la conformità al HIPAA.

Queste scansioni TC sono state inizialmente ispezionate visivamente e selezionate per lo studio in base all'assenza di impianti metallici, che possono introdurre artefatti nell'immagine. Qui mostriamo un caso di un amputato che non sarebbe accettabile per un modello computerizzato a causa della presenza di un impianto ortopedico. L'amputato ha un impianto ortopedico all'interno del canale midollare e, quando esaminiamo le sezioni TC, osserviamo una distorsione dell'immagine.

Tuttavia, sosterremmo un paziente come questo. L'amputato presenta una chiara distinzione tra i tipi di tessuto, fondamentale per modelli anatomicamente precisi. Eccellente per iniziare.

I file di scansione TC per la generazione del modello vengono scaricati come immagini DICOM e caricati nel programma SEG 3D come nuovo volume. Successivamente, viene applicato un filtro mediano per uniformare i volumi importati prima di determinare le strutture tissutali definite geometricamente. Al termine della filtrazione, i confini tissutali dell'osso, del midollo osseo, degli organi e del tessuto adiposo vengono generati mediante sogliatura.

Le immagini TC vengono elaborate interattivamente e nuovamente filtrate. La muscolatura viene ottenuta impostando manualmente dei punti iniziali (seed points) all'interno della soglia del tessuto muscolare e utilizzando un filtro di connessione probabilistica per individuare tutti i tessuti connessi ai punti iniziali. Questo passaggio elimina i tessuti errati che potrebbero essere raggruppati insieme al muscolo sulla base di un'assorbanza simile nelle TC.

La pelle, che non è possibile distinguere in modo affidabile dalle immagini TC, viene generata dilatando il tessuto più esterno di due millimetri, in base allo spessore medio della pelle. Ciò produce uno strato di spessore omogeneo che circonda l'intero modello. Le segmentazioni vengono ispezionate manualmente, corrette per garantirne l'accuratezza e combinate gerarchicamente in una singola mappa di etichette.

Necessario per l'analisi agli elementi finiti. I modelli vengono esportati nella pista da sci utilizzando un formato di dati raster quasi grezzo o un file NRD (near raw raster data) sviluppato da Gordon Delman presso lo Ski Institute. Questo è ora il tipo di file base di molte piattaforme software open source per l'elaborazione delle immagini.

Questo file viene esportato e utilizzato come mesh per l'analisi agli elementi finiti. Finora, abbiamo ispezionato manualmente le TCR e le abbiamo combinate in un modello gerarchico O. Nel programma SEG 3D, siamo in grado di definire la geometria dei tessuti e lo spazio.

Successivamente, caricheremo questi modelli in ski ed eseguiremo il nostro pacchetto di elementi finiti per definire la posizione e il tipo di elettrodi. Il motivo per cui si utilizza l'analisi agli elementi finiti è che essa fornisce un'approssimazione numerica per geometrie complesse, come i monconi residui dei pazienti amputati. Per prepararsi all'analisi agli elementi finiti, l'impianto di 16 centimetri viene progettato utilizzando un software personalizzato scritto in mat lab, quindi importato in ski run per fungere da impianto ortopedico e da catodo per la stimolazione elettrica.

Il campo elettrico deve essere mantenuto al di sotto di uno-dieci volt per centimetro e la densità di corrente deve essere inferiore a due milliampere per centimetro quadrato. Questo indurrà la migrazione degli osteoblasti, preverrà il riscaldamento localizzato dei tessuti e garantirà la sicurezza del paziente. Questo è indicato con la linea tratteggiata rossa.

Electrodi di piccole dimensioni sono progettati per garantire il comfort del paziente. Poiché il dispositivo OIID non deve limitare i movimenti o le attività quotidiane durante la riabilitazione. Il pacchetto software ski run viene utilizzato per progettare l'elettrodo perché supporta il posizionamento interattivo degli elettrodi e la simulazione.

Viene creato un network e i moduli sono organizzati con funzioni matematiche specifiche per definire le condizioni al contorno, le conducibilità dei tessuti e i miglioramenti della mesh, nonché per generare istogrammi delle distribuzioni delle metriche elettriche e registrare i dati acquisiti. Le configurazioni per gli elettrodi prevedono un elettrodo a patch, due elettrodi a patch, una banda continua e due bande continue. Le bande elettrode esterne, spesse 1,6 centimetri, vengono applicate al moncone residuo dei modelli generati a partire dalle scansioni TC dei pazienti.

Le patch degli elettrodi, che hanno uno spessore di tre centimetri, vengono posizionate in una striscia che copre circa metà del diametro del moncone residuo. L'impianto corticale interno mostrato in rosso rappresenta l'impianto osteointegrato. Questo è regolato in base al diametro per consentire un adattamento e un riempimento perfetti dell'impianto.

Ora che gli elettrodi sono stati posizionati, eseguiremo l'analisi agli elementi finiti. L'obiettivo è mantenere un campo elettrico compreso tra uno e dieci volt per centimetro, in modo da ottenere uno strumento efficace, mantenendo al contempo una densità di corrente inferiore a due milliampere per centimetro quadrato per prevenire la necrosi del tessuto. Per eseguire l'analisi agli elementi finiti, si generano simulazioni assumendo che le grandezze elettriche possano essere calcolate mediante un approccio quasi statico, senza dipendenza dal tempo. Si utilizza un'approssimazione numerica per calcolare il potenziale elettrico attraverso il moncone residuo del soggetto.

Il modello viene calcolato risolvendo l'equazione di Poisson e l'elettrostatica per ogni tipo di tessuto generato dalle segmentazioni di SEG 3D. Nel modello vengono assegnate condizioni al contorno in cui i nodi sono continui tra i diversi tipi di tessuto e che regolano il percorso del flusso di corrente. Poiché gli elettrodi e l'impianto presentano conducibilità molto maggiori rispetto ai tessuti circostanti, si assume che l'impianto o la catodo si trovino a un potenziale costante.

Analogamente, gli elettrodi superficiali sono modellati con una differenza di potenziale costante rispetto all'impianto percutaneo. Si utilizza una simulazione numerica per calcolare il potenziale elettrico attraverso il moncone residuo del soggetto, al fine di valutare l'efficacia della configurazione e delle dimensioni degli elettrodi. Vengono sviluppati modelli specifici per il paziente e il potenziale elettrico intorno all'interfaccia dell'impianto viene utilizzato per determinare le intensità localizzate del campo.

Il modello viene generato utilizzando una mesh esagonale a hugel costituita da circa 1,8 milioni di elementi. La dimensione ottimale degli elementi per questo esperimento viene selezionata sulla base di uno studio di sensibilità della mesh, che produce una differenza relativa inferiore al 5% nei gradienti di tensione. Ciò garantisce l'accuratezza del modello.

Gli elementi sono trattati come elementi omogenei, isotropi e pezzo per pezzo. Gli elettrodi sono incorporati nella mesh di elementi finiti e viene assegnata una differenza di potenziale costante tra l'elettrodo cutaneo e l'impianto osteointegrato. Questa scelta si basa sulla resistività tissutale prevista.

Il potenziale è impostato tra 1 e 4,5 volt in base alla geometria dell'amputazione, alla resistività dei tessuti e alla configurazione degli elettrodi, utilizzando un risolutore iterativo. I potenziali nei modelli a elementi finiti vengono calcolati per quattro configurazioni di elettrodi. Questo viene fatto per determinare la progettazione ottimale per gli amputati.

La validazione dell'analisi agli elementi finiti viene effettuata mediante un modello in vivo su piccoli animali approvato dal comitato iacuc. Un impianto viene inserito nel canale midollare di un coniglio e un secondo elettrodo viene posizionato sulla muscolatura. Ciò genera un campo elettrico sottocutaneo all'interfaccia osso-impianto.

Tutta l'analisi agli elementi finiti di ski run è stata convalidata mediante elettrodi a ago posizionati tra i due elettrodi, che registrano i gradienti di tensione del coniglio in vivo. Lo studio sul modello di coniglio utilizza lo stesso protocollo dell'OIID designato per la ricerca umana. Questo viene effettuato acquisendo scansioni di tomografia computerizzata, sviluppando modelli gerarchici 3D in SEG 3D ed eseguendo la modellazione computazionale con ski run.

L'obiettivo è sviluppare le metriche elettriche necessarie per dimostrare l'efficacia della stimolazione elettrica controllata. Questo approccio mira a ridurre le infezioni periprotesiche e ad aumentare la resistenza di fissazione dell'impianto, in modo che la tecnologia possa ottenere l'approvazione della FDA e essere utilizzata nella riabilitazione dei pazienti amputati.

Il completamento con successo del protocollo dettagliato porterà alla realizzazione di monconi anatomicamente precisi, sviluppati a partire da scansioni di tomografia computerizzata. Questo fornirà le linee guida iniziali per il sistema OIID. Gli utenti svilupperanno un'interfaccia interattiva per regolare dimensioni e posizione degli elettrodi su modelli specifici per il paziente.

Modifiche nei campi elettrici e nelle densità di corrente saranno il risultato della geometria del tessuto e della posizione degli elettrodi. Pertanto, i modelli richiederanno modifiche individualizzate per aiutare le persone con amputazione degli arti in cerca di tecnologie di osteointegrazione. Il sistema di progettazione dell'impianto intelligente osteointegrato che vi abbiamo mostrato oggi contribuirà ad alleviare il problema classico della stimolazione elettrica, ovvero l'incapacità di definire il percorso della corrente nel corpo umano.

I risultati preliminari indicano che il campo elettrico all'interfaccia osso-impianto potrebbe avere la capacità di ridurre le infezioni periprotetiche, aumentare l'adesione scheletrica ed essere utilizzato come strumento efficace per i nostri clinici nella riabilitazione. È tutto. Grazie per aver guardato e buona fortuna nella vostra ricerca sulla osteointegrazione.