Name: 절단 수술을받은 사람에 대한 Osseointegrated 지능형 임플란트 설계 시스템의 생체 분석 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-07-15T00:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 31 s
Description: 학습하세요 절단 수술 환자를 위한 지능형 임플란트 설계 시스템의 유한요소해석 방법을 통해 골유착을 향상시키고 감염 위험을 줄이는 계산 모델링 기법을 탐색하세요.

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본 자료는 연구 지원 (또는에 의해 일부 지원) 기술 상용화 사무소, 솔트 레이크 시티, UT, 연구 및 개발 사무실, 재활 R &amp; D 서비스, DVA SLC 보건 의료 시스템, 솔트 레이크 시티, UT, 국방부에 기반 PRMRP 그랜트 (번호 PR054520), 알버트 &amp; 마가렛 호프만의 의자와 Orthopaedics의학과는 의학의 유타 스쿨 대학, 솔트 레이크 시티, UT, 시뮬레이션에 대한 기술 지원은 과학적 컴퓨팅의 통합 바이오 메디컬 컴퓨팅을위한 센터에 의해 제공된 및 이미징 연구소는 통합 바이오 메디컬 컴퓨팅에 대한 NIH / NCRR 센터 P41 - RR12553 - 07에서 소프트웨어에 의해 일부 가능하게되었습니다. 추가 감사가 biofilm의 이미지에 대한 논문 준비와 더스틴 윌리엄스 지원 Gwenevere 쇼로 연장됩니다.

1 부 : 절단술 재건을위한 계산된 Tomography (CT) 검사를 사용 <ol><li> 회고 중부 표준시 스캔은 IRB와 HIPAA의 승인을 취득 후 실무 베테랑 병원의 유타와학과 대학에서 수집되었다. </li><li> 그들은 X - 선 흡수에 따라 조직 유형 간의 명확한 구별을 허용하기 때문에 중부 표준시 스캔이 선택되었습니다. </li><li> CTS는 수동으로 검사 및 이미지 유물을 방지하기 위해 금속 임플란트의 부재에 따라 연구에 포함되었다. </li></ol> 2 부 : Seg3D와 모델 생성 <ol><li> 파일 Dicom 이미지로 다운로드하여 새로운 볼륨으로 Seg3D (버전 1.11.0, software.sci.utah.edu)에로드되었습니다. </li><li> 미디언 필터는 기하학적으로 정의된 조직 구조를 결정하기 전에 가져온 볼륨을 원활하게하기 위해 사용되었습니다. </li><li> 뼈, 골수, 기관 및 지방 조직의 조직 경계는 대화형으로 중부 표준시 파일을 (그림 1) thresholding에 의해 생성된되었습니다. <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig1.jpg" alt="그림 1" /> 그림 1 : 절단술 잔여 사지의 화살 크로스 섹션 thresholded 및 특정 조직 종류로 구분됩니다. </li><li> 근육은 수동으로 thresholded 근육 조직 내부의 씨앗 포인트를 설정하고 씨앗 포인트에 연결된 모든 조직을 찾기 위해 필터를 연결 자신감을 사용하여 얻은 것입니다. 이 단계는 CTS에서 유사한 흡수성에 따라 근육을 함께 그룹화되었을 수도 있습니다 잘못된 조직을 제거. </li><li> 중부 표준시 이미지에서 안정적으로 분별하는 것은 불가능했다 피부는, 전체 모델 1 둘러싸인 균일한 두께의 레이어를 생성하기 위해 평균 피부 두께에 따라 바깥쪽 조직 2mm를 dilating에 의해 생성되었다. </li><li> Segmentations 수동으로 검사했다, 정확성을 보장하기 위해 수정 및 유한 요소 분석 (그림 1)에 필요한 단일 레이블지도에 계층 구조에서 결합. <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig2.jpg" alt="그림 2" /> 그림 2 : Seg3D로 만든 양자 절단술 대표 계층 모델입니다. </li></ol> 파트 3 : 유한 요소 분석을위한 준비 <ol><li> 10cm의 이식은 이식 정형 외과 장치와 전기 자극에 대한 음극 역할을 Matlab에서 설계 SCIRun (버전 4.0, software.sci.utah.edu)에 가져왔습니다. </li></ol> 부 4 : 전극 배치 &amp; 디자인 <ol><li> 그것이 상호 작용 전극 배치 및 시뮬레이션을 지원하기 때문에 SCIRun는 전극 설계를 활용했다. </li><li> 네트워크는 생성되고 모듈은 메쉬 (그림 3)을 생성하는 특정 기능으로 구성되었습니다. 모듈 경계 조건, 조직 conductivities, 메쉬 상세 검색, Matlab histograms 생성, 레코딩 필드 데이터 등 (표 1)을 정의하는 것이 중요했다. <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig3.jpg" alt="그림 3" /> 그림 3 : 두 개의 밴드 외부 전극 구성을 사용하여 파일럿 연구에서 대표 네트워크 이미지. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"><tbody><tr><td> 표 1 </td><td></td></tr><tr><td colspan="2"> 세그먼트 조직에 할당된 Conductivities </td></tr><tr><td> 조직 유형 </td><td> Conductivities [S / m] </td></tr><tr><td> 오르간 </td><td> 0.22 </td></tr><tr><td> 피부 </td><td> 0.26 </td></tr><tr><td> 지방의 </td><td> 0.09 </td></tr><tr><td> 근 </td><td> 0.25 </td></tr><tr><td> 피질 뼈 </td><td> 0.02 </td></tr><tr><td> 골수 </td><td> 0.07 </td></tr></tbody></table></li><li> 전극에 대한 구성은 한 패치 전극, 두 패치 전극, 하나의 연속 밴드 두 지속적인 밴드로 구성되어. </li><li> 외부 전극 밴드는 환자 중부 표준시 스캔에서 생성된 모델의 잔여 사지에 적용 두께 1.6 cm 하였다. </li><li> 전극 패치는 잔류 사지의 약 절반 직경을 포함 스트립으로 배치하고 두께 3cm 하였다. </li><li> osseointegrated 임플란트를 나타내는 내부 피질 임플란트는 완벽한 임플란트에 적합 허용 2을 채우기 위해 endosteal 직경로 설정되었습니다. </li></ol> 제 5 부 : 유한 요소 분석 <ol><li> 시뮬레이션은 전기 통계가없이 시간 의존성과 유사 정적 접근 방법을 사용하여 계산 될 수 있다고 가정 생성되었습니다. </li><li> 모델은 Seg3D segmentations에서 생성된 각 조직 유형에 대한 라플라스의 방정식을 해결하여 계산되었다. </li><li> 경계 조건은 전류와 전류가 몸 안에 남아있는 지침을 주입하는 전극에 의해 형성되었다. </li><li> 전극과 보형물은 주변 조직보다 훨씬 더 큰 전도성을했기 때문에, 그것은했습니다보형물 (음극)이 일정한 가능성에 있다고 ssumed, 마찬가지로 표면 전극은 percutaneous의 주입에서 일정한 전위차로 모델링되었다. </li><li> 전극 구성 및 크기 조정의 효능을 평가하기 위해 환자의 특정 모델이 개발되었으며 보형물 인터페이스 주변 전기 가능성화된 필드 강도를 결정하는 데 사용되었다. </li><li> 모델은 piecewise, 동질 ohmic 및 동위 원소로 취급되었다 약 1,800,000 요소로 구성되어 hexahedral 메쉬를 사용하여 생성되었습니다. </li><li> 이 실험에 대한 최적의 모델은 상대적인 차이 &lt;5% 모델의 정확도 (표 2)를 확보하기 위해 메쉬 민감도 연구로 확인 전압 기울기를 가진 선정되었습니다. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="305"><tbody><tr><td> 표 2 </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="3"> 절단술 모델 메쉬 민감도 연구 </td><td></td></tr><tr><td> 망사 </td><td> 요소 </td><td> 노드 </td><td> 상대 차이 </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> 1,146,778 </td><td> 1,194,044 </td><td> 0.0527 </td></tr><tr><td> 200 200 150 </td><td> 1,796,690 </td><td> 1,860,772 </td><td> 0.0439 </td></tr><tr><td> 250 250 200 </td><td> 3,745,038 </td><td> 3,850,202 </td><td> 0.0364 </td></tr><tr><td> 275 275 225 </td><td> 5,097,243 </td><td> 5,226,587 </td><td> 0.0301 </td></tr><tr><td> 300 300 250 </td><td> 6,742,588 </td><td> 6,898,729 </td><td> 0.0000 </td></tr></tbody></table></li><li> 이 해결사 반복 사용하여 유한 요소 모델의 전기 측정은 전극 구성을위한 계산했다. </li></ol>

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이 기술은 특히, 골격 첨부 파일을 향상 재활을 줄이고 세균 접착력이 일지 제출의 첫번째 저자에 의해 발명 소설 아이디어 방지하는 기능을 음극으로 정형 외과 임플란트를 이용, 문서의 공개. 발명 공개 양식은 유타 대학에 제출되었으며, 미국 잠정 특허가 공개 모든 기술을 보호 제기되었습니다.

전기 자극 패러다임을 이해 의료와 전투의 현장에 피난 전략 향상 참혹한 전쟁 관련 부상을 이겨낸 전사의 증가로 이어질 수가있다. 향상된 생존율은 의학 발전이지만, 군인과 여자가 필요 사지 절단과 전투에서 재방 문하는 집약적인 베테랑 업무 건강 케어 시스템 3 치료, 재활 및 광범위한 고가의 보철 서비스를 접속하십시오. 1000 전쟁과 관련된 사지 절단 작전 지속 자유 (OEF) 및 운영 이라크 자유 (OIF) 충돌 4 결과로 발생한다는 의회 보고서 세부 사항. OEF와 OIF 베테랑의 경우, 재방 전사의 약 15 %가 여러 팔다리를 잃었 및 소켓 기술은 옵션이 아니거나 환자에 의해 거부되었습니다 어디 군인과 여자를 반환 많은 수의 짧은 잔여 사지 있습니다. 고정 장치가 편안하게 5 사용하는 성가신 어려운되기 때문에 보철물 상부 끝단의보고 중단 사용도 50 %를 초과했습니다. 낮은 끝단 보철 똑같이 문제가되고 부드러운 조직 소켓과 관련된 일반적인 문제 도전 terrain6 걸을 수 없다는 제한 잔여 사지 길이 7, 환자의 불편 5 비 생리 로딩 8 우려, heterotopic 골화 9의 위험으로부터 자극을 포함 쇠약 질병 10. 그러나, osseointegration 기술은 고통 11, 피부 자극 12 감소 osseoperception 13 강화, 이동성 6 개선, 소켓 6와 관련된 압력 염증을 감소, ambulation 7,14 에너지를 줄이고 더 나은가 제한과 베테랑 전사와 서비스를 제공 수있는 소설 수술 기법이다 잔여 사지 길이 15. osseointegration의 많은 신체적, 심리적 장점에도 불구하고, 관련 수술 절차, 고급 감염 방지 처리 streategies 16 필요 긴 재활 프로그램을 필요로하고 1.5 년 수술후 17까지 지속될 수 제한 중량 베어링 프로토콜이 포함됩니다. 잔여 사지의 호스트 뼈 길이의 생존은 osseointegration이 군인과 여자를 반환을위한 열쇠입니다 개선하기 위해 새로운 장치를 개발, 근육 첨부 및 기능에 중요하기 때문에. 따라서, 제어 전기 자극을 사용하는 지능형 osseointegrated 임플란트 디자인 (OIID) 시스템의 개발은 재활의 길이를 줄이고 베테랑과 무사 절단 수술을받은 사람에 대한 골격 첨부 파일을 높일 수 있습니다. 현재는 장치가 상용 및 percutaneous osseointegrated 임플란트와 함께 사용하기위한 감독 없으므로하지만, 프로그램의 동기는 유한 요소 분석 안전성과 효능을 확인하기위한 것입니다. 뼈 리모델링, osteoids 및 mineralization의 구체적 증착에 전기 자극의 역할을 이해하는 것은 투기 남아있다. 그러나, 뼈의 관찰 전기 활동이 기계적 로딩 18,19 따라서 전기 자극 유도 뼈 수리 19 효과적인 메커니즘 수의 결과 수 있습니다. 가설 뒤에 논리는 골절 치료 모델에서 설명합니다. 긴 뼈가로드되면, 긴장의 측면 양전기되고 뼈가가 고장되면 치유가 시작하고 항상성 21을 재개 때까지 압축 사이드 음전 기의 20,21 그러나, 사이트는 주변 환경과 관련하여 음전 기의 유지됩니다. 전기 신호와 자연 치유 층계를 시뮬레이션하는 것은 칼슘 증착 22, 산소 내용과 산도 23 약간 변경, 성장 요인 22 모집과 지원을 믿고 추가 세포외 기질 24 osteoblast 마이 그 레이션 및 분비로 지원되었습니다. 혼자 전기 자극을가 완료 뼈 복구를 적용 수있는 전제는 재정과 현재의 새로운 가설이 완료 조합은 기계적 하중과 전기 자극을 19 공동 자극에 의해 형성되는 것을 제안했습니다. 생체내에서 관찰 전기 자극은 콜라겐의 압전 변형이나 뼈 매트릭스 25 과거의 미네랄 일부를 흐르는 이온 성분에 의해 만들어진 대형 전자 운동 전류와 관련된 있습니다. 사실, 자발적인 잠재력은 뼈 26 미네랄 동격 속도 증가, 6 millivolts 및 상호 크기로 뼈를에보고되었습니다. 브라이튼과 Friedenberg 18,21,27,28하여 초기 작품은 1960 년대와 1970 년대와 D에 뼈 재생을위한 전기 자극의 개념을 사용그 직류가 전통적인 치료 방법에 비해 시간이 짧은 기간에 비 노동 조합을 복구하는 데 사용할 수 emonstrated. 추가 모델은 제한적인 체중 베어링과 뼈 형성을 조사하고 제어하고 전기 자극 팔다리 25 사이 osteogenic 활동에 31% 증가를 증명하고있다. 전기 자극 분야의 연구자들은 전기 자극을 함께 osteoblast 매트릭스 증착에 대한 메커니즘을 이해하는 방식을 용이하게 가지고 있지만, 불충 분한 이해는이 기술의 확장을 제한하고 있습니다. 비 - 조합 및 골절 치료 모델, 환자 불편의 사례와 실패 시도가 성공적으로 치유의 많은 경우가 있지만 문학에서뿐만 아니라 29 가득 차있다. 전기 자극과 문제는 잘못된 통계를 전기 제어 및 전적 현재 magnitudes에 집중 과학자와 임상에서 발생합니다. 이전 연구는 대략 500,000 매년 30 발생하지 않는 노동 조합을 해결하기 위해 &#39;마술 총알 &quot;로 현재에 봤어요. 그러나, 모델 간의 repeatability는 주울 가열 합병증 31 일부터 제한 및 전류 밀도가 32 결정하지되었습니다. 화된 조직 괴사 및 환자 불편 33 방지하기 위해 국제 전기 기술위원회에 의해 명시된 바와 같이 사실은, 모든 생명 의학 제조 장치는 전류 밀도 미만 2mA / cm 2로 제한해야합니다. 이외 골격 고정과 지원에서 제어 전기 자극은 또한 정형 외과 이식에 박테리아 접착력을 방지하고 osteomyelitis 및 biofilm 형성 34-37에 대한 위험을 줄일 수 있습니다. 정형 외과 장치에서 Biofilm 형성은 환자의 합병증 및 이러한 장치 38에 따라 사람들을 위해 상당한 고민로 이어집니다. 중점을 완전히 이전 수술 39 계측 및 임플란트를 소독하도록 필요성에 위치, 그러나 그것은 참으로 40에 감염된 많은 부정적인 교양 가지 경우에서 분명 같은 박테리아의 접착력을 진단하는 것이 어렵습니다. 이 문제는 종종 biofilms 자연 40 성장하는 것은, 체외 39 정확하게 성장해야 세균 세포의 표면의 청결과 영향을받는 사람 39 면역 시스템의 유형에 따라 다릅니다 수없는 느린있다는 사실과 함께합니다. oseeointegration 기술과 유럽 transfemoral 절단 수술을받은 사람의 조사는 가장 자주 문제가 (자주 표면 감염, 3분의 1 periprosthetic 감염) 41 감염 공개. 수술 준비 광대한 개선이되었습니다 있지만, 박테리아를 근절하는 것은 자신의 비 - 플라톤의 양식 34,35,39로 인해 근절하기 위해 biofilms 더 어려운 500-5000000 시간 사이에 있기 때문에 osseointegration 개선을위한 근본적인 요인 중 하나입니다. 따라서, 유해 박테리아 식민지를 제거하고 골격 고정을 증가를위한 양상으로 전기 자극을 이용하면 환자의 건강과 OIID 효능의 보호를 보장을위한 중요한 요소입니다. 베테랑과 전사 절단 수술을받은 사람을 사용의 장점은 상대적인 젊음과 이러한 개인의 기타 건강들이 적극적인 재활 치료와 percutaneous 게시물은 외래 도움이 될 것이며, 전기 자극에 대한 노출 음극으로 개발할 수 있습니다위한 이상적인 인구 만드는 것이 있습니다. osseointegrated 임플란트의 존재가 추가 수술 절차는 전기 부품을 삽입할 필요로하지 않는 장치가 외부 제어 수 있으며 감염 42 더 이상 위험을 방지할 수 있습니다. 따라서, 베테랑과 무사 절단 수술을받은 사람의 잔여 사지, V / cm 10-10의 크기에 전기장에 전류 주입 방법을 이해함으로써 설립 제어 및 보형물 인터페이스에서 측정 수 있습니다. 그것은이 osteoblast 마이 그 레이션을 유도하고 골격 첨부 파일을 향상시킬 전달하는 전기의 안전한 수준을 만들 것이라는 것을 가상입니다. 이 정도의 전기장은 임플란트 인터페이스에서 뼈의 수량과 품질을 향상하고 가속 재활과 절단술을위한 골격 고정에 대한 전망을 향상시킬 것입니다. 전기 자극을 사용 intramedullary 인공 이식에 osseointegration을 가속하는 양상으로 조사 및 환자 관리를 개선하기 translational 연구를위한 다양한 기회를 제공하지 않았습니다. 실험 결과 percutaneous 전기 자극 장치와 환자 특정 모델에 대한 필요성은 연구에 지원되었다. 제안된 생물 의학 장치에 대한 개발 시뮬레이션 증가 osteoblast 마이 그 레이션에 의해 골격 첨부 파일을 신속하게하고 세균 유착 27,34,36,39 방지의 기능을 할 수 있습니다. 컴프utation 모델링 효과적으로 1-10 V / 2mA / cm 2 이하 cm 전기 분야 및 전류 밀도가 기능 음극으로 임플란트를 사용하여 생성 수 있으며 대부분의 homogenously 두 밴드 외부 전극을 사용하여 배포되는 것으로 나타났습니다. 인체 43 현재 경로를 정의하는 무능력, OIID 시스템은 전기 자극과 관련된 고전적인 문제를 해결하는 첫 걸음 수 있습니다. 따라서, 골격 첨부 파일을 향상을위한 도구를 설정하면 osseointegrated 절차에 필요한 재활의 길이를 줄이는 도와 수 있습니다. 이전 절단 수술을받은 사람에 대한 전기 자극을 활용하면뿐만 아니라 탐색해야하는 중요한 측면이다. 뼈 질량은 골격 성장이 중단 후 최대 세기의하지만 여덟째 아홉째 decade과 44로 크게 줄어 듭니다. 긴 뼈가 나이가 변화, endosteal 직경 45 느슨해진 보형물로 이어질 수 periosteal 직경보다 더 빠르게 증가하는 경향이있다. 약한 근육에 의해 뼈에 부담의 감소와 함께 결합이 문제는 골다공증과 osteopenia 45로 쇠약 질병에 공헌하고 osseointegrated 임플란트 환자 치료에 대한 추가 옵션이 필요할 수 있습니다. 그러나, 제어 전기 자극 및 기계적 하중은 뼈 ongrowth의 상승 촉매제 역할을하고 OIID 시스템을 사용하여 노인 환자 호스트 뼈 침대 무결성을 유지할 수 있습니다.

절단 수술을받은 사람에 대한 osseointegrated 지능형 임플란트 설계 시스템의 생체 분석

Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees

미국 절단 수술을받은 사람의 예상 번호는 2050 년까지 3,600,000로 늘어날 것으로 예상됩니다. 이러한 개인의 대부분은 일상적인 활동을 수행하는 인공 팔다리에 따라 다르지만 전통적인 소켓 기술을 사용하여 인공의 suspensions은 사지 손실이있는 사람 성가신과 불편을 증명할 수. 또한, 높은 근위 사지 절단과 함께 사람들을 위해, 제한된 잔여 사지 길이는 모두 함께 exoprosthesis 첨부 파일을 방지할 수 있습니다. Osseointegrated 임플란트 기술은 호스트 뼈와 보형물 사이에 회사 골격 첨부 파일을 수있는 새로운 조직의 절차입니다. osseointegrated 임플란트와 유럽의 절단 수술을받은 사람의 예비 결과는 뼈가 보형물 인터페이스에 하중을 직접 전달함으로써 향상된 임상 결과를 보여주었다. 소켓 기술을 통해 osseointegration의 명백한 이점에도 불구하고, 현재 재활 절차는 전기 자극을 통해 빠른 골격 첨부 파일이 줄어들 수 있습니다 사전에 제한 하중 베어링의 오랜 기간을 필요로합니다. osseointegrated 임플란트 지능형 설계 (OIID) 시스템의 목표는 골격 첨부 파일을 가속화하고 periprosthetic 감염을 방지하는 전기 시스템의 주입 부분을 확인하는 것입니다. 최적의 전극 크기와 위치를 결정하기 위해, 우리는 전기 분야와 절단술 잔류 손발의 전기 자극을하는 동안 발생하는 전류 밀도의 전산 모델링과 개념의 증명을 시작하였습니다. 보험에게 환자의 안전을 제공하기 위해, 회고 계산의 tomography 스캔과 과목이 선택되었으며 입체 reconstructions는 IRB의 해부 학적 정확성을 (Seg3D 및 SCIRun) 보장 및 HIPAA 유학을 승인하기 위해 사용자 정의 소프트웨어 프로그램을 사용하여 만들어졌습니다. 이러한 소프트웨어 패키지는 환자 특정 모델의 개발을 지원하고 전극 위치와 크기의 대화형 조작에 대한 허용. 예선 결과는 전기 분야 및 전류 밀도가, osteoblast 마이 그 레이션을 유발 골격 고정을 향상시키고 periprosthetic 감염을 방지 도움이 될 수에 필요한 균일한 전기장 배포판을 달성하기 위해 보형물 인터페이스에서 생성할 수 있음을 나타냅니다. 모델과 실험 전극 구성에 따라 외부 두 밴드 구성은 미래에지지합니다.

사지 손실 혈관 o​​cclusive 질병 및 외상에 기인에 의한 대체 의지 첨부 파일을 개발하는 필요가있다. 작품의 목표는 골격 고정을 향상시키고 osseointegrated 기술을 필요로 환자 periprosthetic 감염 속도를 줄이기 위해 osseointegrated 임플란트 지능형 설계 시스템을 도입하는 것입니다.

절단 수술을받은 사람에 대한 Osseointegrated 지능형 임플란트 설계 시스템의 생체 분석

미국 내 절단 환자 수는 2050년까지 360만 명으로 증가할 것으로 예상됩니다. 이러한 개인 중 상당수는 ...을 수행하기 위해 인공 사지에 의존하고 있습니다.

2050년까지 미국의 절단 환자 수는 360만 명에 달할 것으로 예상됩니다. 기존의 의족을 사용할 때 발생하는 합병증은 종종 비대칭적인 보행 패턴과 불편함을 유발하며, 이는 부상 후 활동적인 생활로 복귀하고자 하는 절단 환자들에게 큰 어려움이 됩니다. 현재 제공되는 의족 옵션들은 대체로 불충분한 실정입니다.이는 주로 불균일한 하중 패턴으로 인한 욕창의 높은 발생률 때문입니다. 전통적인 의족의 기능적 한계를 극복하는 한 가지 방법은 임플란트와 절단 환자의 숙주 골격 사이에 직접적인 골 부착을 공학적으로 설계하는 것입니다. 골유착(osteointegration)으로 알려진 이 기술은 직접적인 골 고정과 감염을 방지하기 위한 견고한 표피 및 진피 밀봉에 의존하며, 성공할 경우 근위부 절단이 심한 환자의 활동 수준을 획기적으로 향상시킵니다.이는 Dr.Ash off 팀이 Esca 기관과 협력하여 제공한 비디오에 나와 있습니다. 골유착의 광범위한 도입을 저해하는 두 가지 주요 합병증이 있습니다.첫 번째는 정형외과용 임플란트에 박테리아가 부착되어 바이오필름이 형성될 위험입니다. 두 번째는 여기의 방사선 투과성 영역에서 보이듯, 체내에서 골 고정이 불충분할 위험이 있습니다. 이러한 합병증을 극복하기 위해 외골격 보철물을 전기 자극을 전달하는 음극으로 사용할 수 있습니다.이는 긍정적인 골 리모델링을 유도하고 세균 부착을 방지하며, 완전 체중 부하에 필요한 재활 시간을 단축시킬 수 있습니다. 본 영상에서는 새로운 골유착 지능형 임플란트 설계 시스템인 OIID를 사용하여 임플란트를 설계하는 방법을 보여드립니다. 안녕하세요, 저는 유타 대학교 생체공학과 골 및 관절 연구소의 Brad Isaacson입니다.오늘은 컴퓨터 프로그램을 이용한 가상 모델링을 통해 골융합 임플란트 설계를 어떻게 테스트하고 평가할 수 있는지 보여드리겠습니다. 저희의 목표는 전기 자극을 이용한 새로운 골융합 재활 도구의 개념 증명을 제공하는 것입니다. 이 도구가 적절하게 구현되면 인공물 주변 감염을 줄이고 골격 부착력을 높일 수 있을 것입니다.이러한 점을 고려하여, 통합 지능형 임플란트 설계 시스템을 개발하는 방법을 보여드리겠습니다. CT 스캔은 서로 다른 조직 유형을 명확하게 구분할 수 있기 때문에 모델 재구성에 사용됩니다. 본 연구에 사용된 스캔 데이터는 IRB 및 HIPAA 승인을 받은 후 유타 대학교 병원과 보훈처(Department of Veteran Affairs)에서 수집되었습니다.이 CT 스캔들은 먼저 시각적으로 검토되었으며, 영상 아티팩트를 유발할 수 있는 금속 임플란트가 없는 경우를 기준으로 연구 대상으로 선정되었습니다. 여기에서는 정형외과적 임플란트의 존재로 인해 컴퓨터 모델링에 부적합한 절단 환자의 사례를 보여줍니다. 이 환자는 골수강 내에 정형외과적 임플란트를 가지고 있으며, CT 단면을 스캔하면 영상 왜곡이 나타나는 것을 확인할 수 있습니다.하지만, 저희는 이러한 환자를 추천합니다. 해당 절단 환자는 해부학적으로 정확한 모델을 만드는 데 매우 중요한 조직 유형 간의 구분이 명확합니다. 시작하기에 매우 적합합니다.모델 생성용 CT 스캔 파일은 DICOM 이미지로 다운로드하여 SEG 3D 프로그램에 새로운 볼륨으로 로드합니다. 그 다음, 기하학적으로 정의된 조직 구조를 결정하기 전에 가져온 볼륨을 매끄럽게 하기 위해 중간값 필터(median filter)를 사용합니다. 필터링이 완료되면 임계값 설정(thresholding)을 통해 뼈, 골수, 장기 및 지방 조직의 조직 경계를 생성합니다.CT 이미지를 대화형으로 다시 한번 필터링합니다. 근육 조직 임계값 내에 시드 포인트(seed points)를 수동으로 설정하고, 신뢰 연결 필터(confidence connected filter)를 사용하여 시드 포인트와 연결된 모든 조직을 찾는 방식으로 근육 조직을 추출합니다. 이 단계는 CT의 유사한 흡수율을 바탕으로 근육과 함께 그룹화될 수 있는 잘못된 조직들을 제거합니다.CT 영상만으로는 확실하게 식별하기 어려운 피부는 평균 피부 두께를 기준으로 최외곽 조직을 2 mm 팽창시켜 생성합니다. 이를 통해 전체 모델을 둘러싸는 균일한 두께의 층이 만들어집니다. 세그멘테이션 결과는 수동으로 검토 및 수정하여 정확성을 확보하며, 계층 구조에 따라 하나의 라벨 맵으로 통합합니다.유한 요소 분석(finite element analysis)에 필요합니다. 모델은 Ski Institute의 Gordon Delman이 개발한 근사 raw 래스터 데이터 형식 또는 .NRD 파일로 ski run에 내보내집니다. 이는 현재 많은 오픈 소스 이미지 처리 소프트웨어 플랫폼의 기본 파일 유형입니다.이 파일은 내보내기 되어 유한 요소 분석을 위한 메시로 사용됩니다. 지금까지는 RCT를 수동으로 검사하고 이를 계층적 O 모델로 결합해 왔습니다. 해당 SEG 3D 프로그램에서 조직의 기하학적 구조와 공간을 정의할 수 있습니다.다음으로, 이 모델들을 ski로 로드하고 유한 요소 해석 패키지를 실행하여 전극의 위치와 유형을 정의합니다. 유한 요소 해석을 사용하는 이유는 절단 환자의 잔존 사지와 같이 복잡한 기하학적 구조에 대한 수치적 근사치를 제공하기 때문입니다. 유한 요소 해석을 준비하기 위해, 16 cm 임플란트를 mat lab으로 작성된 맞춤형 소프트웨어를 사용하여 설계한 후, 이를 ski run으로 가져와 전기 자극을 위한 정형외과용 임플란트 및 음극으로 사용합니다.전기장은 cm당 1~10 V 미만으로 유지되어야 하며, 전류 밀도는 cm²당 2 mA보다 낮아야 합니다. 이는 조골세포의 이동을 유도하고 국소적인 조직 가열을 방지하며 환자의 안전을 보장하기 위함입니다. 이는 빨간색 점선으로 표시되어 있습니다.환자의 편안함을 보장하기 위해 작은 전극이 설계되었습니다. 재활 과정 중 OIID 장치가 움직임이나 일상 활동을 제한해서는 안 되기 때문입니다. 대화형 전극 배치 및 시뮬레이션을 지원하는 ski run 소프트웨어 패키지가 전극 설계에 사용됩니다.경계 조건, 조직 전도도 및 메쉬 세분화를 정의하고, 전기적 지표 분포의 히스토그램 생성 및 데이터 기록을 위한 특정 수학적 함수를 사용하여 네트워크를 구축하고 모듈을 구성합니다. 전극 구성은 패치 전극 1개, 패치 전극 2개, 연속 밴드 1개 및 연속 밴드 2개로 이루어집니다. 환자의 CT 스캔으로 생성된 모델의 잔존 사지에 두께 1.6 centimeters의 외부 전극 밴드를 적용합니다.두께가 3 cm인 전극 패치를 잔존지 직경의 약 절반을 덮는 띠 형태로 배치합니다. 빨간색으로 표시된 내부 피질 임플란트는 골 임플란트를 나타냅니다. 이는 임플란트가 완벽하게 맞고 채워질 수 있도록 직경이 설정되었습니다.전극 배치가 완료되었으므로, 유한 요소 분석을 수행하겠습니다. 여기서의 목표는 효과적인 도구로서 전계 강도를 1~10 V/cm로 유지하는 동시에, 조직 괴사를 방지하기 위해 전류 밀도를 2 mA/cm² 미만으로 유지하는 것입니다. 유한 요소 분석을 수행하기 위해, 전기적 지표들이 시간 의존성이 없는 준정적 접근법으로 계산될 수 있다는 가정하에 시뮬레이션을 생성합니다. 수치 근사법을 사용하여 피실험자의 잔존 사지를 통한 전기 전위를 계산합니다.모델은 SEG 3D 분할을 통해 생성된 각 조직 유형에 대해 푸아송 방정식(poisson's equation)과 정전기학을 풀어 계산됩니다. 조직 유형 간의 노드가 연속적이며 전류 흐름의 경로를 제어하도록 모델에 경계 조건이 할당됩니다. 전극과 임플란트는 주변 조직보다 전도도가 훨씬 높으므로, 임플란트 또는 음극이 일정 전위를 유지한다고 가정합니다.마찬가지로, 표면 전극은 경피 임플란트와 일정한 전위차를 갖도록 모델링됩니다. 전극 구성 및 크기의 효율성을 평가하기 위해 피험자의 잔존 사지를 통한 전위를 계산하는 수치 시뮬레이션이 사용됩니다. 환자 맞춤형 모델을 개발하고, 임플란트 인터페이스 주변의 전위를 사용하여 국소 전계 강도를 결정합니다.본 모델은 약 180만 개의 요소로 구성된 hexa hugel 메쉬를 사용하여 생성되었습니다. 이 실험을 위한 최적의 요소 크기는 전압 기울기의 상대적 차이가 5% 미만이 되는 메쉬 민감도 분석 결과를 바탕으로 선정되었습니다. 이를 통해 모델의 정확성을 보장합니다.요소들은 조각별로 균질한 오믹 및 등방성 요소로 처리됩니다. 전극은 유한 요소 메싱에 포함되며, 피부 전극과 골유착 임플란트 사이에 일정한 전위차가 할당됩니다. 이러한 선택은 예상되는 조직 저항률을 기반으로 합니다.반복 솔버(iterative solver)를 사용하여 절단 부위의 기하학적 구조, 조직의 비저항 및 전극 구성을 바탕으로 전위를 1에서 4.5 V 사이로 설정합니다. 유한 요소 모델의 전위는 네 가지 전극 구성을 대상으로 계산되었습니다. 이는 절단 장애인을 위한 최적의 설계를 결정하기 위함입니다.IACUC 승인을 받은 소동물 in vivo 모델을 사용하여 유한 요소 해석의 검증을 수행하고 있습니다. 토끼의 골수강 내에 임플란트를 삽입하고, 두 번째 전극을 근육 조직에 배치합니다. 이를 통해 골-임플란트 계면에 피하 전기장을 생성합니다.토끼 생체 내(in vivo)의 전압 구배를 기록하는 두 전극 사이에 배치된 바늘 전극으로 검증된 모든 ski run 유한 요소 분석이 수행되었습니다. 토끼 모델 연구에는 인간 연구를 위해 지정된 OIID와 동일한 프로토콜이 사용되었습니다. 이는 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캔을 획득하고, SEG 3D에서 3D 계층 모델을 개발하며, ski run을 사용하여 컴퓨터 모델링을 수행함으로써 이루어졌습니다.본 연구의 목표는 제어된 전기 자극의 효능을 입증하는 데 필요한 전기적 지표를 개발하는 것입니다. 이를 통해 인공보철물 주변 감염을 줄이고 임플란트 고정 강도를 높이고자 하며, 결과적으로 해당 기술이 FDA 승인을 받아 절단 환자의 재활에 사용될 수 있도록 하는 것을 목적으로 합니다.상세 프로토콜을 성공적으로 완료하면 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캔을 기반으로 해부학적으로 정확한 절단 환자의 잔존 사지를 구현할 수 있습니다. 이는 OIID 시스템의 초기 가이드라인을 제공하게 됩니다. 사용자는 환자별 모델에 맞춰 전극의 크기와 위치를 조정할 수 있는 대화형 인터페이스를 개발하게 됩니다.조직의 기하학적 구조와 전극 위치에 따라 전기장과 전류 밀도가 달라집니다. 따라서 골융합 기술을 원하는 사지 절단 환자들을 돕기 위해서는 모델에 개별적인 수정이 필요할 것입니다. 오늘 소개해 드린 골융합 지능형 임플란트 설계 시스템은 인체 내에서 전류 경로를 정의할 수 없다는 전기 자극의 고전적인 문제를 해결하는 데 도움이 될 것입니다.예비 결과에 따르면, 뼈-임플란트 계면의 전기장이 인공관절 주변 감염을 줄이고 골격 부착을 증가시키며, 임상 전문가들의 재활 치료를 위한 효과적인 도구로 사용될 수 있는 가능성이 있음이 나타났습니다. 이것으로 마치겠습니다. 시청해주셔서 감사드리며, 골유착 연구에 좋은 결과가 있기를 바랍니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Biology

생물학

신체 분절의 관성 특성은 역 동성 모델링이 필요합니다. 진동 반응 보드 기술, 아래 - 무릎 보철의 관성 특성을 사용하는 것은 측정 하였다. 보철 다리의 역 동성 모델에 보철물 관성의 직접적인 조치를 사용하면 결과 공동 힘과 모멘트의 낮은, 등급 결과.

아래 - 무릎 보철물의 추정 관성 속성에 대한 진동 및 반응 보드 기술

신경 - 기계 인터페이스 (NMI)는 사용자의 운동 모드를 식별하기 위해 개발되었다. 이러한 NMI가 잠재적으로 전원이 공급되는 인공 다리의 신경 제어에 유용하지만 완전히 입증되지 않았다. 쉽게 구현 및 신경 제어 개발 전원 하체 보철을위한 안전하고 낮은 사지 절단 환자에 neurally 제어 인공 다리를 평가하는 실험실 환경 (2) 실험 장치 및 프로토콜에 대한 (1) 우리의 설계 엔지니어링 플랫폼 제공이 논문 효율적.

엔지니어링 플랫폼 및 Neurally 통제 강화 대퇴 보철물의 설계 및 평가를위한 실험 프로토콜

후보 임플란트 표면에 테스트 뼈 고정 장치를 기계적으로하는 개선 된 방법이 제공됩니다. 이 방법은 정확하게 수직 또는 병렬, 임플란트 표면의 평면에 중단 힘의 정렬이 가능하고, 정확한 임플란트 지역으로 중단 힘을 지시하는 정확한 방법을 제공합니다.

뼈 이식 앵커리지 평가하는 향상된 기계적 시험 방법

여기 sensate 가상 또는 로봇 인공 손을 제어 개발 기관의 감각 특징 짓는 프로토콜 선물이. Psychophysical 설문 조사 기관의 명시적 경험을 잡으려고 고용 고 시간 간격이 견적 (의도적인 바인딩) 암시적으로 기관의 감각을 측정 하는.

감각 신경-기계 인터페이스 운영 무생물의 작업을 통해 기관의 특성

글로벌 상반 신두 신경총 부상을 가진 환자에서 생체 공학 재건 후 최적의 기능 적 결과는 구조화 된 재활 프로토콜에 따라 달라집니다. 표면 근전도 유도 훈련은 EMG 신호의 진폭, 분리 및 일관성을 향상시킬 수 있으며, 이는 기능없는 손의 선택 절단 후 보철 손을 제어하고 구동합니다.

글로벌 상수 신경총 부상을 입은 환자를 위한 재활 도구로서 바이오닉 재건을 받는 표면 전기 신경질 바이오 피드백

여기서 제시된 것은 유발되고 자발적인 근전도 전위내의 생체 내 연대순 기록을 위한 이식형 시스템의 제조를 위한 프로토콜이다. 이 시스템은 신경 손상 다음 후두 근육의 회안의 조사에 적용됩니다.

만성 생체 내 근전도를 위한 이식형 시스템

다음 원고는 복합 재생 말초 신경 인터페이스(C-RPNI)라고 불리는 생물학적, 폐쇄 루프 신경 피드백 시스템을 개발하기 위한 새로운 방법을 설명합니다. 이 구조는 주변 신경과 통합하여 원심성 모터 신호를 증폭하는 동시에 구심성 감각 피드백을 제공하는 기능을 가지고 있습니다.

성인 쥐의 복합 재생 말초 신경 인터페이스 (C-RPNI)의 제조

여기에서는 설치류의 만성 전기 생리학을 위한 가볍고 비용 효율적인 프로브 임플란트 시스템을 소개하며, 사용 편의성, 프로브 회수율, 실험적 다양성 및 행동과의 호환성에 최적화되어 있습니다.

DREAM Implant: 머리가 고정되고 자유롭게 행동하는 마우스의 만성 전기생리학을 위한 가볍고 비용 효율적인 모듈식 임플란트 시스템

이 프로토콜은 척수 수술을 수행하고 설치류의 척수 위에 광학 생크를 이식하고 고정하기 위한 수술 절차를 자세히 설명합니다.

설치류 척수에 광전자 장치 이식

운동 연구에서 근전도(EMG) 분석을 위한 동물 장착형 소형 측정 장치와 함께 근육 내 전극의 설치 및 준비를 위한 프로토콜이 제시됩니다. 이 시스템은 뇌졸중 모델 쥐의 운동 회복을 조사하기 위한 실시간 EMG 데이터의 무선 전송을 가능하게 합니다.

작은 동물을 위한 실시간 웨어러블 근전도 측정 시스템

학습하세요 절단 수술 환자를 위한 지능형 임플란트 설계 시스템의 유한요소해석 방법을 통해 골유착을 향상시키고 감염 위험을 줄이는 계산 모델링 기법을 탐색하세요.

절단 수술을받은 사람에 대한 Osseointegrated 지능형 임플란트 설계 시스템의 생체 분석

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