Name: Analizy bioelektryczne zintegrowanego z kością inteligentnego systemu projektowania implantów dla osób po amputacji (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-07-15T00:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 31 s
Description: Poznaj inteligentny system projektowania implantów zintegrowanych z kością wykorzystujący analizę elementów skończonych i symulację stymulacji elektrycznej. Ta metoda obliczeniowa poprawia przyczepność kostną i zmniejsza ryzyko infekcji u osób po amputacji.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Niniejszy materiał opiera się na badaniach wspieranych (lub częściowo wspieranych przez) Technology Commercialization Office, Salt Lake City, UT, Office of Research and Development, Rehabilitation R&amp;D Service, DVA SLC Health Care System, Salt Lake City, UT, grant Departamentu Obrony PRMRP (nr PR054520), Albert &amp; Margaret Hofmann Chair oraz Department of Orthopaedics, University of Utah School of Medicine, Salt Lake City, UT; wsparcie techniczne dla symulacji zapewniło Center for Integrative Biomedical Computing of Scientific Computing and Imaging Institute i było ono możliwe w części dzięki oprogramowaniu z NIH/NCRR Center for Integrative Biomedical Computing, P41-RR12553-07.
Dodatkowe podziękowania kierujemy do Gwenevere Shaw za pomoc w przygotowaniu rękopisu oraz do Dustina Williamsa za dostarczenie obrazu biofilmu.

Część 1: Wykorzystanie tomografii komputerowej (CT) w rekonstrukcji kończyn po amputacji
<ol><li>Retrospektywne skany CT zebrano ze szpitali University of Utah oraz Department of Veteran Affairs po uzyskaniu zgody IRB i HIPAA.</li>
<li>Wybrano skany CT, ponieważ pozwalają one na wyraźne odróżnienie typów tkanek na podstawie absorpcji promieni rentgenowskich.</li>
<li>Skany CT zostały poddane manualnej inspekcji i włączone do badania pod warunkiem braku implantów metalowych, aby zapobiec powstawaniu artefaktów obrazowania.</li>
</ol>
Część 2: Generowanie modelu za pomocą Seg3D
<ol>
<li>Pliki pobrano w formacie obrazów Dicom i wczytano do programu Seg3D (wersja 1.11.0, software.sci.utah.edu) jako nową objętość.</li>
<li>Przed wyznaczeniem geometrycznie zdefiniowanych struktur tkankowych do wygładzenia zaimportowanych objętości zastosowano filtr medianowy.</li>
<li>Granice tkanek kości, szpiku kostnego, narządów i tkanki tłuszczowej wygenerowano poprzez interaktywne progowanie plików CT (Rycina 1). 
<img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig1.jpg" alt="Analiza kości konia, porównanie przed i po leczeniu, wyniki obrazowania medycznego." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Przekrój strzałkowy kikuta kończyny po amputacji, poddany progowaniu i podzielony na konkretne rodzaje tkanek.</li>
<li>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.</li>
<li>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.</li>
<li>Segmentacje poddano ręcznej inspekcji, poprawiono w celu zapewnienia dokładności i połączono w hierarchii w jedną mapę etykiet wymaganą do analizy elementów skończonych (Rycina 1). 
<img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig2.jpg" alt="Anatomiczny model 3D, przekrój, fioletowa barwa, stosowany w obrazowaniu medycznym i badaniach edukacyjnych." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Reprezentatywny model hierarchiczny pacjenta po obustronnej amputacji stworzony w programie Seg3D.</li>
</ol>
Część 3: Przygotowanie do analizy metodą elementów skończonych
<ol>
<li>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).</li>
</ol>
Część 4: Umiejscowienie i konstrukcja elektrod
<ol>
<li>Do projektowania elektrod wykorzystano oprogramowanie SCIRun, ponieważ umożliwia ono interaktywne rozmieszczanie elektrod i przeprowadzanie symulacji.</li>
<li>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). 
<img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig3.jpg" alt="Modelowanie obliczeniowe, schemat z elementami interfejsu użytkownika do rekonstrukcji 3D, analiza przetwarzania obrazu." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3: Reprezentatywny obraz sieci z badania pilotażowego z wykorzystaniem konfiguracji zewnętrznej z dwiema opaskami elektrod. 
<table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0">
<tbody>
 <tr>
 <td>Tabela 1 </td>
 <td>  </td>
 </tr>
 <tr>
 <td colspan="2">Przewodności przypisane do posegmentowanych tkanek </td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Typ tkanki</td>
 <td>Przewodności [S/m]</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Narząd</td>
 <td>0.22</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Skóra</td>
 <td>0.26</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Tkanka tłuszczowa</td>
 <td>0.09</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Mięsień</td>
 <td>0.25</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Kość korowa</td>
 <td>0.02</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Szpik kostny</td>
 <td>0.07</td>
 </tr>
</tbody>
</table>
</li>
<li>Konfiguracje elektrod obejmowały jedną elektrodę płatową, dwie elektrody płatowe, jedną ciągłą opaskę oraz dwie ciągłe opaski.</li>
<li>Zewnętrzne opaski elektrod zostały nałożone na kikut kończyny w modelach wygenerowanych z tomografii komputerowej (CT) pacjentów i miały grubość 1.6 cm.</li>
<li>Elektrody płatowe rozmieszczono w formie paska pokrywającego około połowy średnicy kikuta kończyny; ich grubość wynosiła 3 cm.</li>
<li>Wewnętrzny implant korowy, reprezentujący implant osseointegrowany, ustawiono zgodnie z średnicą endostealną, aby zapewnić idealne dopasowanie i wypełnienie implantu2.</li>
</ol>
Część 5: Analiza elementów skończonych
<ol>
<li>Symulacje wygenerowano przy założeniu, że parametry elektryczne można obliczyć za pomocą podejścia kwazistacjonarnego bez zależności od czasu.</li>
<li>Model obliczono poprzez rozwiązanie równania Laplace'a dla każdego typu tkanki wygenerowanego z segmentacji Seg3D.</li>
<li>Warunki brzegowe stanowiły elektrody wstrzykujące prąd oraz założenie, że prąd pozostaje w obrębie ciała.</li>
<li>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.</li>
<li>Aby ocenić skuteczność konfiguracji i rozmiaru elektrod, opracowano modele specyficzne dla pacjenta, a potencjał elektryczny wokół interfejsu implantu wykorzystano do wyznaczenia lokalnych natężeń pola.</li>
<li>Model wygenerowano przy użyciu siatki heksagonalnej składającej się z około 1,8 miliona elementów, które traktowano jako kawałkami jednorodne, ohmowe i izotropowe.</li>
<li>Optymalny model dla tego eksperymentu wybrano przy względnej różnicy gradientów napięcia &lt;5%, co potwierdzono badaniem wrażliwości siatki w celu zapewnienia dokładności modelu (Tabela 2). 
<table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="305">
<tbody>
 <tr>
 <td>Tabela 2 </td>
 <td>  </td>
 <td>  </td>
 <td>  </td>
 </tr>
 <tr>
 <td colspan="3">Badanie wrażliwości siatki dla modelu osoby po amputacji</td>
 <td> </td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Siatka</td>
 <td>Elementy</td>
 <td>Węzły</td>
 <td>Różnica względna</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>Przy użyciu solvera iteracyjnego obliczono parametry elektryczne w modelach elementów skończonych dla poszczególnych konfiguracji elektrod.</li>
</ol>

<ol><li>Tortora, G. J., Nielsen, M. T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTortora%2C+GJ+%22Principles+of+Human+Anatomy%22">Principles of Human Anatomy</a>. Roesch, B., et al. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ. (2009).</li>
<li>Bloebaum, R. D., Bachus, K. N., Momberger, N. G., Hofmann, A. A. Orthopaedic Research Society 39th Annual Meeting, San Francisco, CA, , (1993).</li>
<li>Goldberg, M. S. Military Medical/NBC Technology. 11 (8), 31(2007).</li>
<li>Fischer, H. Report No. Order Code RS22452. , (2008).</li>
<li>Moore, T. J., et al. Clin Orthop Relat Res. 238, 219(1989).</li>
<li>Hagberg, K., Branemark, R. Prosthet Orthot Int. 25 (3), 186(2001).</li>
<li>Todd, T. W., Barber, C. G. J Bone Joint Surg Am. 16, 53(1934).</li>
<li>Jaegers, S. M., Arendzen, J. H., de Jongh, H. J. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 76 (8), 736(1995).</li>
<li>Potter, B. K., et al. Journal of American Academy of Orthopaedic Surgeons. 14 (10), 191(2006).</li>
<li>Kulkarni, J., Adams, J., Thomas, E., Silman, A. Clin Rehabil. 12 (4), 348(1998).</li>
<li>Smith, D. G., et al. Clin Orthop Relat Res. (361), 29(1999).</li>
<li>Pasquina, P. F., et al. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 87 (3), 34(2006).</li>
<li>Ysander, M., Branemark, R., Olmarker, K., Myers, R. R. Journal of Rehabilitation Research & Development. 38 (2), 183(2001).</li>
<li>Couch, N. P., David, J. K., Tilney, N. L., Crane, C., et al. American Journal of Surgery. 133 (4), 469(1977).</li>
<li>Morgenroth, D. C., Shakir, A., Orendurff, M. S., Czerniecki, J. M. Am J Phys Med Rehabil. 88 (2), 108(2009).</li>
<li>Pendegrass, C. J., et al. Journal of Bone and Joint Surgery British. 90 (1), 114(2008).</li>
<li>Lee, W. C., et al. Med Eng Phys. 30 (7), 825(2008).</li>
<li>Brighton, C. T., Friedenberg, Z. B., Zemsky, L. M., Pollis, P. R. J Bone Joint Surg Am. 57 (3), 368(1975).</li>
<li>Spadaro, J. A. Bioelectromagnetics. 18 (3), 193(1997).</li>
<li>Brighton, C. T., Friedenberg, Z. B., Mitchell, E. I., Booth, R. E. Clin Orthop Relat Res. 124, 2(1976).</li>
<li>Friedenberg, Z. B., Brighton, C. T. J Bone Joint Surg Am. 48 (5), 915(1966).</li>
<li>Yonemori, K., et al. Bone. 19 (2), 173(1996).</li>
<li>Treharne, R. W., Brighton, C. T., Korostoff, E., Pollack, S. R. Clin Orthop Relat Res. (145), 300(1979).</li>
<li>Wiesmann, H., et al. Biochimica et Biophysica Acta. 1538 (1), 28(2001).</li>
<li>McLeod, K. J., Rubin, C. T. J Bone Joint Surg Am. 74 (6), 920(1992).</li>
<li>Rubinacci, A., Tessari, L. Calcified Tissue International. 35 (6), 728(1983).</li>
<li>Brighton, C. T., et al. J. Bone Joint Surg Am. 63 (5), 847(1981).</li>
<li>Friedenberg, Z. B., Zemsky, L. M., Pollis, R. P., Brighton, C. T. J Bone Joint Surg Am. 56 (5), 1023(1974).</li>
<li>Jorgensen, T. E. Clin Orthop Relat Res. 124, 124(1977).</li>
<li>Ehrlich, G. D., et al. Clin Orthop Relat Res. 437, 59(2005).</li>
<li>Soong, H. K., et al. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 31 (11), 2278(1990).</li>
<li>Li, W. P., et al. Bone. 32 (8), 986(2006).</li>
<li>Leitgeb, N., Cech, R., Schrottner, J. Radiat Prot Dosimetry. 124 (2), 124(2007).</li>
<li>van der Borden, A. J., et al. Biomaterials. 28 (12), 2122(2007).</li>
<li>van der Borden, A. J., van der Mei, H. C., Busscher, H. J. Biomaterials. 26 (33), (2005).</li>
<li>Costerton, J. W., et al. Annual Review of Microbiology. 41, 435(1987).</li>
<li>Neut, D., van der Mei, H. C., Bulstra, S. K., Busscher, H. J. Acta Orthop. 78 (3), 299(2007).</li>
<li>Anwar, H., Dasgupta, M. K., Costerton, J. W. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 34 (11), 2043(1990).</li>
<li>Costerton, J. W. Clin Orthop Relat Res. (437), 7(2005).</li>
<li>Nelson, C. L., et al. Clin Orthop Relat Res. 437, 25(2005).</li>
<li>Gunterberg, B., et al. Conference Book of IXth World Congress ISPO, Amsterdam, The Netherlands, , (1998).</li>
<li>Lavine, L. S., Grodzinsky, A. J. J Bone Joint Surg Am. 69 (4), 626(1987).</li>
<li>Chakkalakal, D. A., Johnson, M. W. Clin Orthop Relat Res). (161), 133(1981).</li>
<li>Buckwalter, J. A., Glimcher, M. J., Cooper, R. R., Recker, R. J Bone Joint Surg Am. 77 (2), 1276(1995).</li>
<li>Lane, J. M., Vigorita, V. J. J Bone Joint Surg Am. 65 (2), 274(1983).</li>
</ol>

Technologia opisana w artykule, a konkretnie wykorzystanie implantu ortopedycznego jako funkcjonalnej katody w celu zwiększenia przyznaczenia do szkieletu, skrócenia rehabilitacji i zapobiegania adhezji bakteryjnej, jest nowatorskim pomysłem opracowanym przez pierwszego autora w ramach zgłoszenia do czasopisma. Formularz ujawnienia wynalazku został złożony na Uniwersytecie Utah, a w Stanach Zjednoczonych złożono wniosek o patent tymczasowy chroniący całą opisaną technologię.

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 chodzenia7,14 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 mechanicznego18,19, 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 elektronegatywna20,21; 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 Friedenberga18,21,27,28 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 biofilmu34-37. 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 formę34,35,39. 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 bakterii27,34,36,39. 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.

analizy bioelektryczne inteligentnego systemu projektowania implantów osseointegracyjnych dla osób po amputacjach

Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees

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.

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.

Analizy bioelektryczne inteligentnego systemu projektowania implantów osseointegracyjnych dla osób po amputacjach

Przewiduje się, że liczba osób po amputacjach w Ameryce wzrośnie do 3,6 miliona do 2050 roku. Wiele z tych osób polega na sztucznych kończynach, aby wykonywać...

Przewiduje się, że do 2050 roku liczba osób po amputacjach w Stanach Zjednoczonych osiągnie 3,6 miliona. Powikłania związane z tradycyjnymi protezami kończyn często prowadzą do asymetrii wzorca chodu oraz dyskomfortu pacjentów, którzy pragną powrócić do aktywnego stylu życia po odniesieniu urazu. Obecne opcje protetyczne są zazwyczaj niewystarczające.Wynika to przede wszystkim z częstego występowania odleżyn spowodowanych nierównomiernym rozkładem nacisku. Jednym ze sposobów przezwyciężenia ograniczeń funkcjonalnych tradycyjnych protez jest zaprojektowanie bezpośredniego połączenia szkieletowego między implantem a kością pacjenta po amputacji. Technologia ta, znana jako osteointegracja, opiera się na bezpośredniej fiksacji szkieletowej oraz szczelnym zamknięciu naskórkowym i skórnym w celu zapobiegania infekcjom; w przypadku sukcesu osteointegracja drastycznie zwiększa poziom aktywności osób z wysokimi amputacjami proksymalnymi.Zostało to przedstawione w filmach przygotowanych przez zespół dr. Asha off w ramach współpracy z organizacją Esca. Istnieją dwie główne komplikacje, które uniemożliwiają powszechne zastosowanie osteointegracji.Pierwszym z nich jest ryzyko adhezji bakteryjnej i tworzenia się biofilmu na implantach ortopedycznych. Po drugie, istnieje ryzyko niewystarczającej fiksacji szkieletowej in vivo, co obrazują widoczne tutaj przejaśnienia radiologiczne. Aby zapobiec tym powikłaniom, protezę zewnętrzną można wykorzystać jako katodę do dostarczenia stymulacji elektrycznej.Może to prowadzić do pozytywnego przebudowy kości, zapobiegać przyleganiu bakterii oraz skrócić czas rehabilitacji niezbędny do pełnego obciążenia kończyny. W tym filmie zaprezentrowano, w jaki sposób projektowane są implanty przy użyciu nowatorskiego inteligentnego systemu projektowania implantów OSSEOINTEGRATED, zwanego OIID. Cześć, jestem Brad Isaacson z Laboratorium Badań nad Kośćmi i Stawami na Uniwersytecie Utah w Departamencie Bioinżynierii.Dzisiaj pokażemy Państwu, w jaki sposób projekt implantów osteointegracyjnych można testować i oceniać za pomocą modelowania hipotetycznego z wykorzystaniem programów komputerowych. Naszym celem jest przedstawienie dowodu koncepcji nowego narzędzia do rehabilitacji osteointegracyjnej, które wykorzystuje stymulację elektryczną. Przy prawidłowym wdrożeniu narzędzie to będzie w stanie zmniejszyć liczbę infekcji okołoprotetycznych i zwiększyć przytwierdzenie do szkieletu.Mając to na uwadze, pokażę Państwu, w jaki sposób możemy opracować zintegrowany inteligentny system projektowania implantów. Do rekonstrukcji modelu wykorzystuje się skany CT, ponieważ pozwalają one na wyraźne rozróżnienie różnych typów tkanek. Skanowanie wykonano na podstawie danych zebranych ze szpitala Uniwersytetu Utah oraz Departamentu Spraw Weteranów po uzyskaniu zgód IRB i HIPAA.Skany CT zostały najpierw poddane inspekcji wizualnej i wybrane do badania na podstawie braku implantów metalowych, które mogą wprowadzać artefakty obrazowania. Przedstawiamy tutaj przypadek osoby po amputacji, która byłaby nieakceptowalna do modelowania komputerowego ze względu na obecność implantu ortopedycznego. Pacjent posiada implant ortopedyczny w kanale szpikowym i podczas przeglądania warstw CT widoczne są zniekształcenia obrazu.Sugerujemy jednak wybór pacjenta o takim profilu. Osoba po amputacji wykazuje wyraźne rozróżnienie między typami tkanek, co jest kluczowe dla stworzenia anatomicznie dokładnych modeli. To doskonały punkt wyjścia.Pliki skanów CT służące do generowania modelu są pobierane jako obrazy DICOM i wczytywane do programu SEG 3D jako nowa objętość. Następnie stosuje się filtr medianowy w celu wygładzenia zaimportowanych objętości przed wyznaczeniem geometrycznie zdefiniowanych struktur tkankowych. Po zakończeniu filtrowania granice tkanek kości, szpiku kostnego, organów oraz tkanki tłuszczowej są generowane poprzez progowanie.Obrazy CT są interaktywnie filtrowane ponownie. Mięśniówkę uzyskuje się poprzez ręczne ustawienie punktów początkowych w obrębie progu tkanki mięśniowej oraz poprzez zastosowanie filtra połączeń ufnościowych (confidence connected filter) w celu znalezienia wszystkich tkanek połączonych z punktami początkowymi. Krok ten eliminuje błędne tkanki, które mogły zostać zgrupowane z mięśniami na podstawie podobnej absorpcji z obrazów CT.Skóra, której nie można wiarygodnie rozpoznać na obrazach CT, jest generowana poprzez rozszerzenie zewnętrznej tkanki o dwa milimetry, w oparciu o średnią grubość skóry. Tworzy to warstwę o jednorodnej grubości, która otacza cały model. Segmentacje są sprawdzane ręcznie, korygowane w celu zapewnienia dokładności i łączone w hierarchii w jedną mapę etykiet.Wymagane do analizy elementów skończonych. Modele są eksportowane do programu ski run przy użyciu formatu danych rastrowych w formie niemal surowej lub pliku n NRD opracowanego przez Gordona Delmana w Ski Institute. Jest to obecnie podstawowy typ pliku w wielu otwartoźródłowych platformach oprogramowania do przetwarzania obrazów.Plik ten jest eksportowany i wykorzystywany jako siatka do analizy elementów kończonych. Do tej pory analizowaliśmy badania RCT ręcznie i łączyliśmy je w modelu hierarchii O. W programie SEG 3D jesteśmy w stanie zdefiniować geometrię tkanek oraz przestrzeń.Następnie załadujemy te modele do programu ski, a następnie uruchomimy pakiet elementów skończonych, aby określić typ i rozmieszczenie elektrod. Powodem zastosowania analizy elementów skończonych jest fakt, że zapewnia ona przybliżenie numeryczne dla złożonych geometrii, takich jak kikut kończyny pacjenta po amputacji. W celu przygotowania do analizy elementów skończonych, implant o długości 16 cm został zaprojektowany przy użyciu specjalistycznego oprogramowania napisanego w mat lab, a następnie zaimportowany do ski run, aby służyć jako implant ortopedyczny i katoda do stymulacji elektrycznej.Natężenie pola elektrycznego musi być utrzymywane na poziomie od 1 do 10 V/cm, a gęstość prądu musi być niższa niż 2 mA/cm². Pozwoli to na indukcję migracji osteoblastów, zapobiegnie lokalnemu przegrzaniu tkanek i zapewni bezpieczeństwo pacjenta. Jest to zaznaczone czerwoną przerywaną linią.Małe elektrody zostały zaprojektowane w celu zapewnienia komfortu pacjenta, ponieważ urządzenie OIID nie powinno ograniczać ruchów ani codziennych aktywności podczas rehabilitacji. Do zaprojektowania elektrody wykorzystano pakiet oprogramowania ski run, ponieważ umożliwia on interaktywne rozmieszczenie i symulację elektrod.Tworzona jest sieć i organizowane są moduły z określonymi funkcjami matematycznymi służącymi do definiowania warunków brzegowych, przewodności tkanek i zagęszczeń siatki, a także do generowania histogramów rozkładów parametrów elektrycznych i zapisywania uzyskanych danych. Konfiguracje elektrod obejmują jedną elektrodę płatową, dwie elektrody płatowe, jeden ciągły pas oraz dwa ciągłe pasy. Zewnętrzne pasy elektrod o grubości 1,6 centymetra są aplikowane na kikut kończyny modeli wygenerowanych z tomografii komputerowej pacjentów.Plastry elektrod o grubości trzech centymetrów są rozmieszczone w pasie pokrywającym około połowę średnicy kikuta. Wewnętrzny implant korowy zaznaczony na czerwono reprezentuje implant kostny. Jest on dostosowany średnicą w taki sposób, aby zapewnić idealne dopasowanie i wypełnienie implantu.Po rozmieszczeniu elektrod przeprowadzimy analizę elementów skończonych. Celem jest utrzymanie natężenia pola elektrycznego w zakresie od 1 do 10 V/cm, aby narzędzie było skuteczne, przy jednoczesnym zachowaniu gęstości prądu poniżej 2 mA/cm², aby zapobiec martwicy tkanek. W celu wykonania analizy elementów skończonych generowane są symulacje przy założeniu, że parametry elektryczne można obliczyć, stosując podejście kwazistatyczne bez zależności od czasu. Do obliczenia potencjału elektrycznego w obrębie kikuta badanego obiektu wykorzystuje się aproksymację numeryczną.Model oblicza się poprzez rozwiązanie równania Poissona oraz zagadnienia elektrostatyki dla każdego typu tkanki wygenerowanego z trójwymiarowych segmentacji SEG. W modelu przypisano warunki brzegowe, w których węzły są ciągłe pomiędzy typami tkanek i kontrolują ścieżkę przepływu prądu. Ponieważ elektrody oraz implant mają znacznie większą przewodność niż otaczające tkanki, przyjmuje się, że implant lub katoda znajduje się pod stałym potencjałem.Podobnie elektrody powierzchniowe są modelowane z stałą różnicą potencjałów względem implantu przezskórnego. Symulacja numeryczna jest wykorzystywana do obliczenia potencjału elektrycznego w kikucie pacjenta w celu oceny skuteczności konfiguracji i rozmiaru elektrod. Opracowywane są modele specyficzne dla pacjenta, a potencjał elektryczny wokół interfejsu implantu służy do określenia lokalnych natężeń pola.Model został wygenerowany przy użyciu siatki typu hexa hugel, składającej się z około 1,8 miliona elementów. Optymalna wielkość elementu dla tego eksperymentu została wybrana na podstawie badania wrażliwości siatki, które wykazało różnicę względną gradientów napięcia mniejszą niż 5%. Zapewnia to dokładność modelu.Elementy traktowane są jako kawałkowe, jednorodne omicznie i izotropowe. Elektrody są włączone w siatkę elementów skończonych i przypisana jest im stała różnica potencjałów między elektrodą skórną a implantem zintegrowanym z kością. Wybór ten oparto na przewidywanej rezystywności tkanek.Potencjał jest ustawiany w zakresie od 1 do 4,5 V w zależności od geometrii kikuta, rezystywności tkanek oraz konfiguracji elektrod z wykorzystaniem solvera iteracyjnego. Potencjały w modelach elementów skończonych są obliczane dla czterech konfiguracji elektrod. Przeprowadzono to w celu wyznaczenia optymalnego projektu dla osób z amputacjami.Walidacja analizy elementów skończonych jest przeprowadzana z wykorzystaniem zatwierdzonego przez IACUC modelu in vivo na małych zwierzętach. Implant zostaje wprowadzony do kanału szpikowego królika, a druga elektroda zostaje umieszczona w tkance mięśniowej. W ten sposób generowane jest podskórne pole elektryczne na styku implantu i kości.Wszystkie analizy elementów skończonych ski run zostały zwalidowane za pomocą elektrod igłowych umieszczonych pomiędzy dwiema elektrodami, które rejestrują gradienty napięcia u królika in vivo. Badanie na modelu królika wykorzystuje ten sam protokół, co OIID przeznaczony do badań na ludziach. Odbywa się to poprzez wykonanie tomografii komputerowej, opracowanie hierarchicznych modeli 3D w programie SEG 3D oraz przeprowadzenie modelowania obliczeniowego za pomocą ski run.Celem jest opracowanie wskaźników elektrycznych niezbędnych do udowodnienia skuteczności kontrolowanej stymulacji elektrycznej. Ma to na celu zmniejszenie liczby infekcji okołoprotetycznych oraz zwiększenie wytrzymałości fiksacji implantów. Dzięki temu technologia ta może zostać zatwierdzona przez FDA i wykorzystana w rehabilitacji osób po amputacjach.Pomyślne wykonanie szczegółowego protokołu pozwoli na opracowanie anatomicznie dokładnych kikutów kończyn pacjentów po amputacjach na podstawie skanów tomografii komputerowej. Dostarczy to wstępnych wytycznych dla systemu OIID. Użytkownicy opracują interaktywny interfejs do regulacji rozmiaru i położenia elektrod dla modeli specyficznych dla konkretnego pacjenta.Zmienione pola elektryczne i gęstości prądu będą wynikać z geometrii tkanki oraz położenia elektrod. W związku z tym modele będą wymagały indywidualnych modyfikacji, aby pomóc osobom z ubytkiem kończyn ubiegającym się o technologię osteointegracji. Przedstawiony dzisiaj system projektowania inteligentnych implantów osteointegrowanych pomoże rozwiązać klasyczny problem związany ze stymulacją elektryczną, jakim jest brak możliwości zdefiniowania ścieżki przepływu prądu w ludzkim organizmie.Wstępne wyniki wskazują, że pole elektryczne na styku kości i implantu może posiadać zdolność ograniczania infekcji okołoprotetycznych, zwiększania stabilności szkieletowej oraz może służyć jako skuteczne narzędzie dla klinicystów w procesie rehabilitacji. To wszystko na dziś. Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w badaniach nad oseointegracją.

bioelectric-analyses-an-osseointegrated-intelligent-implant-design

Research

JoVE Journal

Biology

Biologia

Analizy bioelektryczne systemu projektowania inteligentnych implantów kostnych dla amputowanych

Właściwości inercyjne segmentu ciała są wymagane do modelowania dynamiki odwrotnej. Za pomocą techniki płytki oscylacyjnej i reakcyjnej zmierzono właściwości inercyjne protez poniżej kolana. Zastosowanie bezpośrednich pomiarów bezwładności protezy w modelu dynamiki odwrotnej protezy nogi skutkowało mniejszymi wielkościami wypadkowych sił i momentów stawowych.

Techniki oscylacji i reakcji do szacowania właściwości bezwładności protezy poniżej kolana

Interfejsy neuronowe (NMI) zostały opracowane w celu identyfikacji trybu lokomocji użytkownika. Te NMI są potencjalnie przydatne do neuronalnej kontroli napędzanych sztucznych nóg, ale nie zostały w pełni zademonstrowane. W tym artykule przedstawiono (1) zaprojektowaną przez nas platformę inżynieryjną do łatwego wdrażania i rozwoju sterowania neuronowego dla zasilanych protez kończyn dolnych oraz (2) eksperymentalną konfigurację i protokół w środowisku laboratoryjnym do bezpiecznej i efektywnej...

Platforma inżynieryjna i protokół eksperymentalny do projektowania i oceny protezy przezudowej sterowanej neuronalnie

Przedstawiono ulepszoną metodę mechanicznego testowania zakotwiczenia kości na powierzchniach potencjalnych implantów. Metoda ta pozwala na wyrównanie siły rozrywającej dokładnie prostopadle lub równolegle do płaszczyzny powierzchni implantu i zapewnia dokładny sposób kierowania sił zakłócających na dokładny obszar wokół implantu.

Ulepszona metoda badań mechanicznych do oceny zakotwiczenia implantu kostnego

Tutaj prezentujemy protokół, który charakteryzuje poczucie sprawczości rozwinięte nad kontrolą zmysłowych wirtualnych lub robotycznych protez rąk. Kwestionariusze psychofizyczne są stosowane w celu uchwycenia wyraźnego doświadczenia sprawczości, a oszacowania przedziałów czasowych (celowe wiązanie) są stosowane do niejawnego pomiaru poczucia sprawczości.

Charakterystyka poczucia sprawczości nad działaniami protez sterowanych interfejsem neuron-maszyna

Optymalne wyniki funkcjonalne po rekonstrukcji bionicznej u pacjentów z globalnym uszkodzeniem splotu ramiennego zależą od ustrukturyzowanego protokołu rehabilitacji. Trening elektromiograficzny powierzchniowy może poprawić amplitudę, separację i spójność sygnałów EMG, które - po planowej amputacji niesprawnej ręki - kontrolują i kierują protezą ręki.

Powierzchniowy biofeedback elektromiograficzny jako narzędzie rehabilitacji dla pacjentów z globalnym uszkodzeniem splotu ramiennego poddawanych rekonstrukcji bionicznej

Prezentowany tutaj jest protokół produkcji wszczepialnego systemu do chronologicznego zapisu in vivo wywołanych i spontanicznych potencjałów elektromiograficznych. System jest stosowany do badania unerwienia mięśni krtani po uszkodzeniu nerwów.

Wszczepialny system do przewlekłej elektromiografii in vivo

Poniższy manuskrypt opisuje nowatorską metodę rozwoju biologicznego, zamkniętego systemu neuronowego sprzężenia zwrotnego, zwanego kompozytowym regeneracyjnym interfejsem nerwów obwodowych (C-RPNI). Konstrukt ten ma zdolność integracji z nerwami obwodowymi w celu wzmocnienia odprowadzających sygnałów motorycznych, jednocześnie zapewniając aferentne sensoryczne sprzężenie zwrotne.

Wytwarzanie kompozytowego regeneracyjnego interfejsu nerwów obwodowych (C-RPNI) u dorosłego szczura

Tutaj przedstawiamy lekki, opłacalny system implantacji sond dla przewlekłej elektrofizjologii u gryzoni, zoptymalizowany pod kątem łatwości użycia, odzyskiwania sondy, wszechstronności eksperymentalnej oraz zgodności z zachowaniem.

Implant DREAM: lekki, modułowy i opłacalny system implantów do przewlekłej elektrofizjologii u myszy zamocowanych na głowie i swobodnie zachowujących się

Ten protokół szczegółowo opisuje procedurę chirurgiczną przeprowadzania operacji rdzenia kręgowego oraz wszczepiania i zabezpieczania trzonu optycznego nad rdzeniem kręgowym u gryzoni.

Implantacja urządzeń optoelektronicznych w rdzeniu kręgowym gryzoni

Przedstawiono protokół instalacji i przygotowania elektrod domięśniowych, wraz z montowanym na zwierzętach, zminiaturyzowanym urządzeniem pomiarowym do analizy elektromiografii (EMG) w badaniach lokomocji. System ten umożliwia bezprzewodową transmisję danych EMG w czasie rzeczywistym w celu zbadania regeneracji lokomocji u szczurów po udarze.

Przenośny system pomiarowy elektromiograficzny dla małych zwierząt w czasie rzeczywistym

Poznaj inteligentny system projektowania implantów zintegrowanych z kością wykorzystujący analizę elementów skończonych i symulację stymulacji elektrycznej. Ta metoda obliczeniowa poprawia przyczepność kostną i zmniejsza ryzyko infekcji u osób po amputacji.

Analizy bioelektryczne inteligentnego systemu projektowania implantów osseointegracyjnych dla osób po amputacjach

Przeglądaj więcej filmów