Analizy bioelektryczne inteligentnego systemu projektowania implantów osseointegracyjnych dla osób po amputacjach

Podsumowanie

Istnieje potrzeba opracowania alternatywnych metod mocowania protez w związku z utratą kończyn spowodowaną naczyniowymi chorobami zatorowymi oraz urazami. Celem niniejszych prac jest wprowadzenie inteligentnego systemu projektowania implantów osseointegracyjnych w celu zwiększenia stabilności kostnej oraz zmniejszenia częstości występowania infekcji okołoimplantacyjnych u pacjentów wymagających zastosowania technologii osseointegracji.

Streszczenie

Przewiduje się, że do 2050 roku liczba osób po amputacjach w USA wzrośnie do 3,6 miliona. Wielu z tych pacjentów polega na sztucznych kończynach w celu wykonywania codziennych czynności, jednak systemy mocowania protez wykorzystujące tradycyjną technologię leja mogą okazać się uciążliwe i niewygodne dla osób z utratą kończyny. Co więcej, w przypadku wysokich amputacji proksymalnych, ograniczona długość kikuta może całkowicie uniemożliwić przymocowanie egzoprotezy. Technologia implantów osseointegracyjnych to nowatorska procedura operacyjna, która umożliwia trwałe połączenie szkieletowe między kością biorcy a implantem. Wstępne wyniki u europejskich pacjentów z implantami osseointegracyjnymi wykazały poprawę efektów klinicznych dzięki umożliwieniu bezpośredniego przekazywania obciążeń na powierzchnię styku kości z implantem. Pomimo oczywistych zalet osseointegracji nad technologią leja, obecne procedury rehabilitacyjne wymagają długich okresów ograniczonego obciążania, co można by skrócić poprzez przyspieszenie zrostu szkieletowego za pomocą stymulacji elektrycznej. Celem systemu inteligentnego implantu osseointegracyjnego (OIID) jest włączenie implantu w system elektryczny, aby przyspieszyć zrost szkieletowy i pomóc w zapobieganiu infekcjom okołoprotetycznym. Aby określić optymalny rozmiar i rozmieszczenie elektrod, rozpoczęliśmy etap dowodu koncepcji (proof of concept) z wykorzystaniem modelowania komputerowego pól elektrycznych oraz gęstości prądu powstających podczas stymulacji elektrycznej kikutów u osób po amputacjach. W celu zapewnienia bezpieczeństwa pacjentów, w badaniu zatwierdzonym przez IRB oraz HIPAA wybrano osoby, u których wykonano retrospektywne badania tomografii komputerowej, a następnie stworzono rekonstrukcje trójwymiarowe przy użyciu specjalistycznego oprogramowania (Seg3D i SCIRun), aby zapewnić dokładność anatomiczną. Pakiety oprogramowania te wspierały tworzenie modeli specyficznych dla pacjenta i pozwalały na interaktywną manipulację pozycją oraz rozmiarem elektrod. Wstępne wyniki wskazują, że na styku z implantem można generować pola elektryczne i gęstości prądu pozwalające uzyskać jednorodne rozkłady pola elektrycznego, które są niezbędne do indukowania migracji osteoblastów i wzmocnienia stabilizacji szkieletowej, a także mogą pomagać w zapobieganiu infekcjom okołoprotetycznym. Na podstawie konfiguracji elektrod przetestowanych w modelu, w przyszłości rekomendowana będzie zewnętrzna konfiguracja dwupasmowa.

Protokół

Część 1: Wykorzystanie tomografii komputerowej (CT) w rekonstrukcji kończyn po amputacji

1. Retrospektywne skany CT zebrano ze szpitali University of Utah oraz Department of Veteran Affairs po uzyskaniu zgody IRB i HIPAA.
2. Wybrano skany CT, ponieważ pozwalają one na wyraźne odróżnienie typów tkanek na podstawie absorpcji promieni rentgenowskich.
3. Skany CT zostały poddane manualnej inspekcji i włączone do badania pod warunkiem braku implantów metalowych, aby zapobiec powstawaniu artefaktów obrazowania.

Część 2: Generowanie modelu za pomocą Seg3D

1. Pliki pobrano w formacie obrazów Dicom i wczytano do programu Seg3D (wersja 1.11.0, software.sci.utah.edu) jako nową objętość.
2. Przed wyznaczeniem geometrycznie zdefiniowanych struktur tkankowych do wygładzenia zaimportowanych objętości zastosowano filtr medianowy.
3. Granice tkanek kości, szpiku kostnego, narządów i tkanki tłuszczowej wygenerowano poprzez interaktywne progowanie plików CT (Rycina 1).
   
   Rycina 1: Przekrój strzałkowy kikuta kończyny po amputacji, poddany progowaniu i podzielony na konkretne rodzaje tkanek.
4. Układ mięśniowy wyznaczono poprzez ręczne ustawienie punktów startowych (seed points) wewnątrz przeprogowanej tkanki mięśniowej i zastosowanie filtru confidence connected w celu znalezienia wszystkich tkanek połączonych z punktami startowymi. Krok ten pozwolił wyeliminować błędnie zidentyfikowane tkanki, które mogły zostać zgrupowane z mięśniami ze względu na podobną absorpcję w badaniu CT.
5. Skórę, której nie można było wiarygodnie rozróżnić na obrazach CT, wygenerowano poprzez rozszerzenie zewnętrznej tkanki o 2 mm w oparciu o średnią grubość skóry, aby stworzyć warstwę o jednorodnej grubości otaczającą cały model¹.
6. Segmentacje poddano ręcznej inspekcji, poprawiono w celu zapewnienia dokładności i połączono w hierarchii w jedną mapę etykiet wymaganą do analizy elementów skończonych (Rycina 1).
   
   Rycina 2: Reprezentatywny model hierarchiczny pacjenta po obustronnej amputacji stworzony w programie Seg3D.

Część 3: Przygotowanie do analizy metodą elementów skończonych

1. W programie Matlab zaprojektowano implant o długości 10 cm, który pełni rolę wszczepionego urządzenia ortopedycznego oraz katody do stymulacji elektrycznej, a następnie zaimportowano go do programu SCIRun (wersja 4.0, software.sci.utah.edu).

Część 4: Umiejscowienie i konstrukcja elektrod

1. Do projektowania elektrod wykorzystano oprogramowanie SCIRun, ponieważ umożliwia ono interaktywne rozmieszczanie elektrod i przeprowadzanie symulacji.
2. Utworzono sieć i zorganizowano moduły o specyficznych funkcjach w celu wygenerowania siatki (Rysunek 3). Moduły były istotne dla definiowania warunków brzegowych, przewodności tkanek, zagęszczania siatki, generowania histogramów w programie Matlab, rejestrowania danych pola itp. (Tabela 1).
   
   Rysunek 3: Reprezentatywny obraz sieci z badania pilotażowego z wykorzystaniem konfiguracji zewnętrznej z dwiema opaskami elektrod.
   

   Tabela 1
   Przewodności przypisane do posegmentowanych tkanek
   Typ tkanki	Przewodności [S/m]
   Narząd	0.22
   Skóra	0.26
   Tkanka tłuszczowa	0.09
   Mięsień	0.25
   Kość korowa	0.02
   Szpik kostny	0.07

3. Konfiguracje elektrod obejmowały jedną elektrodę płatową, dwie elektrody płatowe, jedną ciągłą opaskę oraz dwie ciągłe opaski.
4. Zewnętrzne opaski elektrod zostały nałożone na kikut kończyny w modelach wygenerowanych z tomografii komputerowej (CT) pacjentów i miały grubość 1.6 cm.
5. Elektrody płatowe rozmieszczono w formie paska pokrywającego około połowy średnicy kikuta kończyny; ich grubość wynosiła 3 cm.
6. Wewnętrzny implant korowy, reprezentujący implant osseointegrowany, ustawiono zgodnie z średnicą endostealną, aby zapewnić idealne dopasowanie i wypełnienie implantu².

Część 5: Analiza elementów skończonych

1. Symulacje wygenerowano przy założeniu, że parametry elektryczne można obliczyć za pomocą podejścia kwazistacjonarnego bez zależności od czasu.
2. Model obliczono poprzez rozwiązanie równania Laplace'a dla każdego typu tkanki wygenerowanego z segmentacji Seg3D.
3. Warunki brzegowe stanowiły elektrody wstrzykujące prąd oraz założenie, że prąd pozostaje w obrębie ciała.
4. Ponieważ elektrody i implant miały znacznie większą przewodność niż otaczające je tkanki, przyjęto, że implant (katoda) znajdował się na stałym potencjale; analogicznie elektrody powierzchniowe modelowano z stałą różnicą potencjałów względem implantu przezskórnego.
5. Aby ocenić skuteczność konfiguracji i rozmiaru elektrod, opracowano modele specyficzne dla pacjenta, a potencjał elektryczny wokół interfejsu implantu wykorzystano do wyznaczenia lokalnych natężeń pola.
6. Model wygenerowano przy użyciu siatki heksagonalnej składającej się z około 1,8 miliona elementów, które traktowano jako kawałkami jednorodne, ohmowe i izotropowe.
7. Optymalny model dla tego eksperymentu wybrano przy względnej różnicy gradientów napięcia <5%, co potwierdzono badaniem wrażliwości siatki w celu zapewnienia dokładności modelu (Tabela 2).
   

   Tabela 2
   Badanie wrażliwości siatki dla modelu osoby po amputacji
   Siatka	Elementy	Węzły	Różnica względna
   100 100 50	149089	161131	0,0995
   125 125 75	350180	371472	0,0802
   150 150 100	673032	706082	0,0545
   175 175 125	1146778	1194044	0,0527
   200 200 150	1796690	1860772	0,0439
   250 250 200	3745038	3850202	0,0364
   275 275 225	5097243	5226587	0,0301
   300 300 250	6742588	6898729	0,0000

8. Przy użyciu solvera iteracyjnego obliczono parametry elektryczne w modelach elementów skończonych dla poszczególnych konfiguracji elektrod.

Dyskusja

Zrozumienie paradygmatu stymulacji elektrycznej

Udoskonalenia w opiece medycznej i strategiach ewakuacji na polu walki doprowadziły do zwiększenia liczby żołnierzy przeżywających ciężkie obrażenia wojenne. Choć poprawa wskaźnika przeżywalności stanowi postęp medyczny, żołnierze wracają z walk z amputacjami, które wymagają intensywnej opieki późniejszej, szeroko zakrojonej rehabilitacji oraz kosztownych usług protetycznych w ramach systemu opieki zdrowotnej Veteran Affairs Health Care System³. Raporty Kongresu wskazują, że ponad 1000 amputacji związanych z działaniami wojennymi wystąpiło w wyniku konfliktów w ramach Operacji Enduring Freedom (OEF) oraz Operacji Iraqi Freedom (OIF)⁴.

W przypadku weteranów operacji OEF i OIF około 15% powracających żołnierzy utraciło wiele kończyn, a znaczna liczba powracających żołnierzy i żołnierek posiada krótkie kikuty, w przypadku których technologia lejka nie jest możliwa do zastosowania lub została odrzucona przez pacjenta. Odnotowane zaprzestanie stosowania protez kończyn górnych przekracza nawet 50%, ponieważ urządzenia mocujące są uciążliwe i trudne w komfortowym użytkowaniu⁵. Protezy kończyn dolnych są równie problematyczne, a typowe problemy związane z lejka na tkanki miękkie obejmują niemożność chodzenia w trudnym terenie6, ograniczoną długość kikuta⁷, dyskomfort pacjenta⁵, obawy związane z niefizjologicznym obciążeniem⁸, podrażnienia wynikające z kostnienia heterotopowego⁹ oraz ryzyko wyniszczających chorób¹⁰. Jednak technologia osseointegracji jest nowatorską techniką chirurgiczną, która może zmniejszyć ból¹¹, podrażnienia skóry¹², zwiększyć osseopercepcję¹³, poprawić mobilność⁶, zmniejszyć liczbę odleżyn związanych z lejkiem⁶, zredukować wydatek energetyczny podczas chodzenia^7,14 i lepiej służyć weteranom oraz żołnierzom z ograniczoną długością kikuta¹⁵.

Mimo licznych zalet fizycznych i psychologicznych osseointegracji, związane z nią procedury chirurgiczne wymagają bardziej zaawansowanych strategii zapobiegania infekcjom¹⁶, długotrwałych programów rehabilitacyjnych oraz obejmują restrykcyjne protokoły obciążania, które mogą trwać do 1,5 roku po operacji¹⁷. Ponieważ żywotność kości gospodarza oraz długość kikuta są kluczowe dla przyczepu mięśni i funkcjonalności, opracowanie nowych urządzeń poprawiających osseointegrację ma kluczowe znaczenie dla powracających żołnierzy i żołnierek. W związku z tym opracowanie systemu inteligentnego implantu do osseointegracji (OIID), wykorzystującego kontrolowaną stymulację elektryczną, może skrócić czas rehabilitacji i zwiększyć stabilność przyczepu szkieletowego u weteranów i żołnierzy z amputacjami. Jednakże, ponieważ obecnie żadne urządzenie nie jest dostępne komercyjnie i przeznaczone do stosowania z przezskórnymi implantami osseointegracyjnymi, celem programu jest potwierdzenie bezpieczeństwa i skuteczności za pomocą analizy elementów skończonych.

Zrozumienie roli stymulacji elektrycznej w przebudowie kości, a w szczególności w odkładaniu osteoidów i mineralizacji, pozostawało do tej pory w sferze przypuszczeń. Jednakże aktywność elektryczna obserwowana w kościach może być wynikiem obciążenia mechanicznego^18,19, w związku z czym stymulacja elektryczna może stanowić skuteczny mechanizm indukujący regenerację kości¹⁹. Logika stojąca za tą hipotezą jest wyjaśniana w modelu gojenia złamań. Gdy kości długie są poddawane obciążeniu, strona rozciągana staje się elektropozytywna, a strona ściskana elektronegatywna^20,21; jednak po złamaniu kości miejsce urazu pozostaje elektronegatywne w stosunku do otaczającego środowiska, aż do momentu rozpoczęcia gojenia i przywrócenia homeostazy²¹. Przyjmuje się, że symulowanie naturalnej kaskady gojenia za pomocą sygnału elektrycznego wspomaga odkładanie wapnia²², powoduje niewielkie zmiany zawartości tlenu i pH²³, rekrutuje czynniki wzrostu²² oraz wspomaga migrację osteoblastów i wydzielanie dodatkowej macierzy zewnątrzkomórkowej²⁴.

Założenie, że sama stymulacja elektryczna mogłaby sterować całkowitą naprawą kości, zostało przedefiniowane, a obecna nowa hipoteza sugeruje, że całkowite zrosty powstają pod wpływem obciążeń mechanicznych i współstymulacji elektrycznej¹⁹. Impulsy elektryczne obserwowane in vivo wiążą się z odkształceniami piezoelektrycznymi kolagenu lub dużymi prądami elektrokinetycznymi wytwarzanymi przez składniki jonowe przepływające obok mineralnych części macierzy kostnej²⁵. W rzeczywistości w kościach odnotowano potencjały spontaniczne sięgające 6 millivoltów, co koreluje ze wzrostem tempa aplikacji minerałów w kości²⁶.

Wczesne prace Brighton i Friedenberga^18,21,27,28 z lat 60. i 70. XX wieku wykorzystywały koncepcję stymulacji elektrycznej w celu regeneracji kości i wykazały, że prąd stały może być stosowany do leczenia braku zrostu w krótszym czasie w porównaniu z tradycyjnymi metodami gojenia. Dodatkowe modele badały tworzenie kości przy ograniczonym obciążeniu kończyn i wykazały trzydziestojednostkowy wzrost aktywności osteogennej w kończynach stymulowanych elektrycznie w porównaniu z grupami kontrolnymi²⁵.

Choć badacze w dziedzinie stymulacji elektrycznej utorowali drogę do zrozumienia mechanizmu depozycji macierzy osteoblastów pod wpływem stymulacji elektrycznej, niewystarczająca wiedza ograniczyła rozwój tej technologii. Obok wielu przypadków skutecznego leczenia stawów rzekomych i modeli gojenia złamań, w literaturzee powszechnie opisano również przypadki dyskomfortu pacjentów oraz nieudanych prób²⁹. Problem ze stymulacją elektryczną wynika z faktu, że naukowcy i klinicyści kontrolują niewłaściwe parametry elektryczne, koncentrując się wyłącznie na wartościach natężenia prądu. Poprzedni badacze traktowali natężenie prądu jako „cudowny lek” na wyleczenie około 500 000 przypadków stawów rzekomych, które występują corocznie³⁰. Jednak powtarzalność między modelami była ograniczona z powodu powikłań związanych z nagrzewaniem dżulowskim³¹ oraz nieokreślania gęstości prądu³². W rzeczywistości wszystkie produkowane urządzenia biomedyczne muszą być ograniczone do gęstości prądu mniejszej niż 2 mA/cm², zgodnie z wytycznymi Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej, aby zapobiec lokalnej martwicy tkanek i dyskomfortowi pacjenta³³.

Poza wspomaganiem stabilizacji szkieletowej, kontrolowana stymulacja elektryczna może również zapobiegać adhezji bakterii na implantach ortopedycznych oraz zmniejszać ryzyko wystąpienia zapalenia kości i tworzenia się biofilmu^34-37. Tworzenie się biofilmu na urządzeniach ortopedycznych prowadzi do powikłań u pacjentów i znacznego dyskomfortu osób zależnych od tych urządzeń³⁸. Kładzie się nacisk na konieczność pełnej sterylizacji instrumentarium i implantów przed operacją³⁹, jednak często trudno jest zdiagnozować adhezję bakterii, co potwierdzają liczne przypadki z ujemnym wynikiem posiewu, które w rzeczywistości są zainfekowane⁴⁰. Problem ten często wiąże się z faktem, że biofilmy z natury rosną powoli⁴⁰, nie mogą być dokładnie hodowane in vitro³⁹ oraz zależą od rodzaju komórek bakteryjnych, czystości powierzchni i układu odpornościowego osoby dotkniętej infekcją³⁹. Badania europejskich pacjentów po amputacjach przezudoszczelnych z zastosowaniem technologii oseointegracji wykazują, że najczęstszym problemem są infekcje (częste infekcje powierzchowne, 1/3 infekcji okołoprotetycznych)⁴¹. Mimo ogromnej poprawy w przygotowaniu chirurgicznym, eliminacja bakterii jest jednym z kluczowych czynników poprawiających oseointegrację, ponieważ biofilmy są od 500 do 5000 razy trudniejsze do usunięcia ze względu na ich nieplanktonową formę^34,35,39. Zatem wykorzystanie stymulacji elektrycznej jako metody usuwania szkodliwych kolonii bakteryjnych i zwiększania stabilizacji szkieletowej stanowi istotny element zapewnienia ochrony zdrowia pacjenta oraz skuteczności OIID.

Zaletą włączenia do badań weteranów i żołnierzy z amputacjami jest fakt, że stosunkowo młody wiek i dobra kondycja zdrowotna tych osób czynią ich idealną populacją do agresywnej rehabilitacji, a trzpień przezskórny może służyć jako pomoc w poruszaniu się oraz może zostać opracowany jako odsłonięta katoda do stymulacji elektrycznej. Obecność implantu kostnozintegrowanego nie wymaga dodatkowych zabiegów chirurgicznych w celu wprowadzenia komponentów elektrycznych, pozwala na zewnętrzne sterowanie urządzeniem i zapobiega dalszemu ryzyku infekcji⁴². Zrozumienie metody wstrzykiwania prądu do kikuta kończyny u weteranów i żołnierzy z amputacjami pozwala zatem na stworzenie, kontrolowanie i pomiar pola elektrycznego o natężeniu 1-10 V/cm na styku z implantem. Postawiono hipotezę, że pozwoli to na dostarczenie bezpiecznych poziomów prądu, zdolnych do indukowania migracji osteoblastów i poprawy przyczepu kostnego. Pole elektryczne o takiej wartości zwiększy ilość i jakość kości na styku z implantem oraz poprawi perspektywy przyspieszonej rehabilitacji i stabilizacji kostnej u osoby po amputacji. Wykorzystanie stymulacji elektrycznej jako metody przyspieszania osseointegracji w przypadku śródszpikowego implantu protetycznego nie zostało dotąd zbadane, co stwarza liczne możliwości dla badań translacyjnych w celu poprawy opieki nad pacjentem.

Wyniki eksperymentalne

W badaniu potwierdzono konieczność stosowania modeli specyficznych dla pacjenta wraz z urządzeniem do przezskórnej stymulacji elektrycznej. Symulacje opracowane dla proponowanego urządzenia biomedycznego mogą wykazywać zdolność do przyspieszania przytwierdzienia szkieletowego poprzez zwiększenie migracji osteoblastów oraz zapobieganie adhezji bakterii^27,34,36,39. Modelowanie obliczeniowe skutecznie wykazało, że pola elektryczne o natężeniu 1-10 V/cm oraz gęstości prądu poniżej 2 mA/cm² mogą być generowane przy użyciu implantu jako funkcjonalnej katody i są rozkładane najbardziej homogenicznie przy zastosowaniu zewnętrznej elektrody dwupasmowej. System OIID może być pierwszym krokiem do rozwiązania klasycznego problemu związanego ze stymulacją elektryczną, jakim jest brak możliwości zdefiniowania ścieżek przepływu prądu w ludzkim organizmie⁴³. W związku z tym opracowanie narzędzi zwiększających przytwierdzanie szkieletowe może pomóc w skróceniu czasu rehabilitacji wymaganego po procedurze osseointegracji.

Krytycznym aspektem, który również musi zostać zbadany, jest wykorzystanie stymulacji elektrycznej u starszych pacjentów po amputacji. Masa kostna osiąga maksimum dekadę po zakończeniu wzrostu szkieletowego, lecz znacząco spada w ósmej i dziewiątej dekadzie życia⁴⁴. Ponieważ kości długie zmieniają się z wiekiem, średnica endostealna wykazuje tendencję do szybszego wzrostu niż średnica periostealna, co może prowadzić do poluzowania implantu⁴⁵. Problem ten, w połączeniu z redukcją obciążenia kości spowodowaną słabszą pracą mięśni, może przyczyniać się do rozwoju wyniszczających chorób, takich jak osteoporoza i osteopenia⁴⁵, co wymaga dodatkowych opcji terapeutycznych dla pacjentów z implantami zintegrowanymi z kością. Jednak kontrolowana stymulacja elektryczna i obciążenie mechaniczne mogą działać jako synergistyczny katalizator przyrostu kości i pomagać w zachowaniu integralności łoża kostnego gospodarza u starszych pacjentów korzystających z systemu OIID.