Análises bioelétrica de um Sistema de Design Inteligente osseointegrados Implant para Amputados

Resumo

Há uma necessidade de desenvolver alternativas de fixação da prótese, devido à perda do membro atribuída a doenças oclusivas vasculares e trauma. O objetivo do trabalho é apresentar um sistema de design inteligente osseointegrados implante para aumentar a fixação esquelética e reduzir as taxas de infecção peri-prótese para pacientes que precisam de tecnologia osseointegrados.

Resumo

O número projetado de amputados americana deverá subir para 3,6 milhões até 2050. Muitos destes indivíduos dependem de membros artificiais para realizar atividades rotineiras, mas suspensões protético utilizando tecnologia de soquete tradicional pode revelar-se complicado e desconfortável para uma pessoa com perda do membro. Além disso, para aqueles com alta amputações proximal, comprimento do membro residual limitado pode impedir a fixação exoprosthesis todos juntos. Tecnologia de implantes osseointegrados é um procedimento operatório que permite romance firme apego esquelético entre o osso hospedeiro e um implante. Resultados preliminares em amputados europeu com implantes osseointegrados têm mostrado melhores resultados clínicos, permitindo a transferência direta de cargas para a interface osso-implante. Apesar das vantagens aparentes da osseointegração sobre a tecnologia socket, os procedimentos de reabilitação em curso exige longos períodos de suporte de carga restritiva prévia que pode ser reduzida com fixação esquelética acelerada através da estimulação elétrica. O objetivo do projeto implantes osseointegrados sistema inteligente (OIID) é fazer com que a parte do implante de um sistema elétrico para acelerar penhora do esqueleto e ajudar a prevenir a infecção peri-prótese. Para determinar o tamanho ideal e colocação de eletrodos, iniciamos a prova de conceito com a modelagem computacional dos campos elétricos e densidades de corrente que surgem durante a estimulação elétrica de membros amputados residual. A fim de fornecer assegurar a segurança do paciente, os indivíduos com tomografia computadorizada retrospectiva foram selecionadas e três reconstruções tridimensionais foram criados usando programas de software personalizado para garantir a precisão anatômica (Seg3D e SCIRun) em um IRB e HIPAA aprovado estudo. Estes pacotes de software apoiado o desenvolvimento de modelos específicos de pacientes e permitiu a manipulação interativa da posição do eletrodo e tamanho. Os resultados preliminares indicam que os campos elétricos e densidades de corrente pode ser gerada na interface implante para alcançar os homogênea distribuições de campo elétrico necessário para induzir a migração de osteoblastos, aumentar a fixação esquelética e pode ajudar a prevenir infecções periprostética. Com base nas configurações de eletrodos experimentou no modelo, uma configuração de banda externa dois serão defendidas no futuro.

Protocolo

Parte 1: Usando Tomografia Computadorizada (TC) para Amputados Reconstrução

1. Scans CT retrospectiva foram coletadas pela Universidade de Utah e do Departamento de Assuntos Veteranos hospitais após a obtenção IRB e aprovação HIPAA.
2. Tomografias foram selecionados porque permitem distinção clara entre tipos de tecidos com base em x-ray absorção.
3. CTs foram inspecionadas manualmente e incluídos no estudo com base na ausência de implantes metálicos para evitar artefatos de imagem.

Parte 2: Geração Modelo com Seg3D

1. Arquivos foram baixados como imagens Dicom e carregados em Seg3D (versão 1.11.0, software.sci.utah.edu) como um novo volume.
2. Um filtro de mediana foi usado para suavizar os volumes importados antes de determinar estruturas de tecido geometricamente definida.
3. Os limites do tecido do osso, medula óssea, órgãos e tecido adiposo foram gerados por thresholding os arquivos interativamente CT (Figura 1).
   
   Figura 1: Uma seção transversal sagital de um membro amputado residual thresholded e separados em tipos de tecidos específicos.
4. A musculatura foi obtido definindo manualmente pontos de semente dentro do tecido muscular thresholded e usando um filtro conectado confiança para encontrar todo o tecido conectados aos pontos de semente. Este passo eliminado tecidos errôneas que podem ter sido agrupados com o músculo com base na capacidade de absorção similares de CTs.
5. A pele, o que era impossível de discernir de forma confiável a partir das imagens CT, foi gerada pela dilatação do tecido ultraperiféricas 2 milímetros com base na média da espessura da pele para produzir uma camada de espessura homogênea que cercavam o modelo completo ^1.
6. Segmentações foram inspecionados manualmente, corrigido para garantir a precisão e combinados em uma hierarquia em um mapa único rótulo exigido para análise de elementos finitos (Figura 1).
   
   Figura 2: modelo hierárquico Representante de um amputado bilateral criado com Seg3D.

Parte 3: Preparação para a Análise de Elementos Finitos

1. Um implante de 10 cm foi projetado em Matlab para servir como aparelho ortopédico implantado e cátodo para a estimulação elétrica e importados para SCIRun (versão 4.0, software.sci.utah.edu).

Parte 4: colocação de eléctrodos & Design

1. SCIRun foi utilizado para o projeto eletrodo porque suporta a colocação do eletrodo interativos e simulação.
2. A rede foi criada e organizada módulos com funções específicas para gerar a malha (Figura 3). Módulos foram importantes para a definição de condições de contorno, condutividades tecido, refinamentos de malha, gerando Matlab histogramas, os dados de campo de gravação, etc (Tabela 1).
   
   Figura 3: imagem da rede Representante de um estudo piloto usando uma configuração de duas bandas eletrodo externo.
   

   Tabela 1
   Condutividades Designado para tecidos Segmented
   Tipo de tecido	Condutividades [S / m]
   Órgão	0,22
   Pele	0,26
   Adiposo	0,09
   Músculo	0,25
   Osso cortical	0,02
   Medula óssea	0,07

3. As configurações para os eletrodos consistia de um eletrodo de um patch, dois eletrodos patch, uma faixa contínua e duas bandas contínuas.
4. Bandas de eletrodos externos foram aplicados para o membro residual dos modelos gerados a partir de scans CT paciente e eram 1,6 centímetro de espessura.
5. Eletrodos adesivos foram colocados como uma faixa cobrindo aproximadamente metade do diâmetro do membro residual e foram 3 cm de espessura.
6. O implante cortical interna que representou a implantes osseointegrados foi definido como diâmetro endosteal para permitir encaixe perfeito implante e preencher ^2.

Parte 5: Análise de Elementos Finitos

1. As simulações foram gerados assumindo que as métricas elétrico pode ser calculado usando uma abordagem quasi-estática com nenhuma dependência do tempo.
2. O modelo foi calculado resolvendo a equação de Laplace para cada tipo de tecido gerado a partir do segmentações Seg3D.
3. As condições de contorno foram formadas pelos eletrodos que injetou correntes e com a orientação de que a corrente manteve-se dentro do corpo.
4. Desde que os eletrodos eo implante teve uma condutividade muito maior do que os tecidos circundantes, foi umassumed que o implante (cátodo) estava em um potencial constante, assim como os eletrodos de superfície foram modelados com uma diferença de potencial constante do implante percutâneo.
5. Para avaliar a eficácia da configuração do eletrodo e dimensionamento, paciente modelos específicos foram desenvolvidos e do potencial elétrico ao redor da interface implante foi utilizado para determinar a intensidade de campo localizados.
6. O modelo foi gerado utilizando uma malha hexahedral que consistia de aproximadamente 1,8 milhões de elementos que foram tratados como piecewise homogênea, ôhmico e isotrópico.
7. O modelo ideal para este experimento foi selecionado com uma diferença relativa <5% em gradientes de tensão confirmado com um estudo de sensibilidade de malha para segurar a precisão do modelo (Tabela 2).
   

   Tabela 2
   Estudo de malha de sensibilidade para Amputados Modelo
   Malha	Elementos	Nós	Diferença em relação
   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. Utilizando um solver iterativo, as métricas elétrica nos modelos de elementos finitos foram computados para as configurações de eletrodos.

Discussão

Compreender o paradigma Estimulação Elétrica

Melhorias na assistência médica e estratégias de evacuação no campo de combate levaram a um maior número de guerreiros sobreviventes ferimentos de guerra desastrosa relacionados. Enquanto a taxa de sobrevivência melhorada é um avanço médico, militares e as mulheres estão voltando de combate com amputações que exigem intensa cuidados de acompanhamento, a reabilitação extensiva e serviços caros protética do Veteran System Care Health Affairs ^3. Relatórios detalham Congresso que mais de 1.000 relacionados com a guerra amputações ocorreram como resultado da Operação Liberdade Duradoura (OEF) e Operation Iraqi Freedom (OIF) conflitos ^4.

No caso da OEF e veteranos OIF, aproximadamente 15% de guerreiros retornando perderam membros múltiplos e um número significativo de militares retornando e mulheres têm curto membros residuais onde a tecnologia socket não é uma opção ou tenha sido rejeitado pelo paciente. O uso relatado descontinuadas de extremidade superior da prótese, mesmo superior a 50%, porque os dispositivos de fixação são pesados ​​e difíceis de usar confortavelmente ^5. Próteses de membros inferiores são igualmente problemáticos e os problemas comuns associados com soquetes de tecidos moles incluem a incapacidade de caminhar sobre terrain6 desafiador, comprimento do membro residual limitada ^7, o desconforto do paciente ^5, preocupação com a não-fisiológicos de carga ^8, irritação da ossificação heterotópica ⁹ e risco de doenças debilitantes ^10. No entanto, a tecnologia de osseointegração é uma nova técnica cirúrgica que podem reduzir a dor ^11, irritação da pele, ^{12 de} aprimorar osseoperception ^13, melhorar a mobilidade ^6, diminuir úlceras de pressão associado com sockets ^6, reduzir a energia para a deambulação ^7,14 e melhor servir os veteranos e guerreiros com limitada comprimento do membro residual ^15.

Apesar das inúmeras vantagens físicas e psicológicas da osseointegração, os procedimentos cirúrgicos associados necessitam de mais avançado da infecção por streategies prevenção, tratamento ^16, requerem programas de reabilitação de comprimento e peso incluem protocolos restritivas rolamento que pode durar até 1,5 anos ¹⁷ pós-operatório. Porque a viabilidade do osso hospedeiro eo comprimento do membro residual é importante para fixação muscular e funcionalidade, o desenvolvimento de novos dispositivos para melhorar a osseointegração é a chave para o retorno militares e mulheres. Portanto, o desenvolvimento de um inteligente sistema de implantes osseointegrados projeto (OIID) que usa a estimulação elétrica controlada pode reduzir o comprimento de reabilitação e aumentar a fixação do esqueleto para veteranos e amputados guerreiro. No entanto, uma vez que nenhum dispositivo atual está disponível comercialmente e dirigido para uso com implantes osseointegrados percutânea, a motivação do programa é confirmar a segurança e eficácia com a análise de elementos finitos.

Compreender o papel da estimulação elétrica na remodelação óssea, especificamente de deposição de osteóide e mineralização, manteve-se especulativa. No entanto, a atividade elétrica observada no osso pode ser o resultado de carga mecânica ^18,19 e, portanto, um estímulo elétrico pode ser um mecanismo eficaz para induzir a reparação óssea ^19. A lógica por trás da hipótese é explicada em um modelo de cicatrização da fratura. Quando os ossos longos são carregados, o lado de tensão torna-se eletropositivo eo eletronegativo lado de compressão de ^20,21, no entanto, uma vez que um osso está quebrado, o site permanecerá eletronegativo com respeito ao meio ambiente até que a cura já começou e recomeçou a homeostase ^21. Simulando a cascata de cura natural com um sinal elétrico que foi acreditado para ajudar a deposição de cálcio ^22, pequenas alterações no conteúdo de oxigênio e pH ^23, o recrutamento de fatores de crescimento ²² e auxilia na migração de osteoblastos ea secreção de matriz extracelular mais ^24.

A premissa de que a estimulação elétrica só poderia governar reparação óssea completa foi redefinida ea hipótese de nova corrente propõe que os sindicatos são formados por completo cargas mecânicas e uma estimulação elétrica co-estímulo ^19. Os impulsos elétricos observados in vivo estão associadas com a deformação piezelétrico de colágeno ou a grandes correntes eletro-cinética produzida por porções constituintes iônicos fluindo mineral passado da matriz óssea ^25. Na verdade, os potenciais espontânea têm sido relatados em osso tão grande quanto 6 milivolts e se correlaciona com um aumento na taxa de aposição mineral do osso ^26.

Os primeiros trabalhos de Brighton e Friedenberg ^18,21,27,28 utilizado o conceito de estimulação elétrica para regeneração óssea nos anos 1960 e 1970 e demonstrated que a corrente direta poderia ser usada para reparar os sindicatos não em um curto período de tempo quando comparado aos métodos tradicionais de cura. Modelos adicionais têm investigado a formação óssea, com sustentação de peso restritivo e demonstrou um aumento de 31 por cento em atividade osteogênica entre os controles e membros eletricamente estimulado ^25.

Enquanto os pesquisadores no campo da estimulação elétrica abriram o caminho para a compreensão do mecanismo de deposição de matriz osteoblastos com estimulação elétrica, a compreensão inadequada tem limitado a expansão desta tecnologia. Embora existam muitos casos de cura bem sucedida de não-uniões e modelos de cura da fratura, exemplos de desconforto do paciente e tentativas fracassadas estão repletos na literatura como bem ^29. O problema com a estimulação elétrica ocorre a partir de cientistas e clínicos controlar as métricas erradas elétrica e concentrando-se unicamente em magnitudes atual. Pesquisas anteriores têm olhado para a atual como a "bala mágica" para fixação dos 500.000 aproximada não sindicatos que ocorrem anualmente ^30. No entanto, entre os modelos de repetibilidade tem sido limitado devido a complicações de aquecimento joule ³¹ e não determinar densidades de corrente ^32. Na verdade, todos os dispositivos fabricados biomédica deve ser limitada a uma densidade de corrente inferior a 2 mA / cm ^2, conforme descrito pela Comissão Electrotécnica Internacional para evitar necrose tecidual localizada e desconforto para o paciente ^33.

Além de ajudar com fixação esquelética, estimulação elétrica controlada também pode impedir a adesão bacteriana em implantes ortopédicos e reduzir o risco de osteomielite e formação de biofilme ^34-37. Formação de biofilme em dispositivos ortopédicos levar a complicações do paciente e sofrimento significativo para aqueles que dependem desses ³⁸ dispositivos. A ênfase é colocada sobre a necessidade de ter completamente esterilizado instrumentação e implantes antes da cirurgia ^39, no entanto, é muitas vezes difícil de diagnosticar a adesão de bactérias, como é evidente de muitos casos negativos culta que de fato estão infectados ^40. Este problema é muitas vezes aliado ao fato de que biofilmes são de crescimento lento na natureza ^40, não pode ser o crescimento in vitro com precisão ^{de 39 anos,} dependem do tipo de células de bactérias, a limpeza da superfície e do sistema imunológico da pessoa afetada ^39. Investigação de amputados transfemoral europeu com tecnologia oseeointegration revelar o problema mais freqüente é a infecção (freqüentes infecções superficiais, infecções 1 / 3 periprostética) ^41. Embora tenha havido grandes melhorias na preparação cirúrgica, a erradicação da bactéria é um dos fatores fundamentais para a melhoria osseointegração desde biofilmes estão entre 500-5000 mil vezes mais difícil de erradicar, devido à sua forma não-platônico ^34,35,39. Portanto, utilizando a estimulação elétrica como uma modalidade para a remoção de colônias de bactérias nocivas e aumentando a fixação esquelética são fatores importantes para garantir a protecção da saúde do paciente e eficácia OIID.

As vantagens da utilização amputados veterano e guerreiro são de que a relativa juventude e saúde outra boa desses indivíduos torná-los uma população ideal para a reabilitação agressiva e um posto percutânea servirá como uma ajuda ambulatoriais e pode ser desenvolvido como um catodo expostos para a estimulação elétrica. A presença de um implante osseointegrados não exige procedimentos cirúrgicos adicionais para inserir componentes elétricos, permite que o dispositivo a ser controlado externamente e previne outros riscos de infecção ^42. Portanto, pela compreensão do método de injeção de corrente para o membro residual de amputados veterano e guerreiro, um campo elétrico sobre a magnitude de 1-10 V / cm podem ser estabelecidos, controlados e medidos na interface implante. A hipótese é que isso permitirá que os níveis seguros de eletricidade para ser entregue, capaz de induzir a migração de osteoblastos e melhorar a fixação do esqueleto. Um campo elétrico deste grau vai aumentar a quantidade ea qualidade do osso na interface implante, e melhorar as perspectivas de reabilitação acelerada e fixação do esqueleto para um amputado. Uso da estimulação elétrica não tem sido investigada como uma modalidade para acelerar a osseointegração em um implante de prótese intramedular e apresenta inúmeras oportunidades de pesquisa translacional para melhorar o atendimento ao paciente.

Resultados experimentais

A necessidade de modelos específicos de pacientes com um dispositivo de estimulação elétrica percutânea foi apoiado no estudo. As simulações desenvolvidas para o dispositivo proposto biomédica pode ter a capacidade de acelerar fixação esquelética por aumento da migração de osteoblastos e prevenir adesão bacteriana ^27,34,36,39. Compmodelagem de seu nome e reputação tem efetivamente demonstrado que 10-10 V / cm de campos elétricos e densidades de corrente inferiores a 2 mA / cm ² podem ser gerados utilizando o implante como um catodo funcional e é o mais homogeneamente distribuída usando um eletrodo de banda duas externas. O sistema OIID pode ser o primeiro passo para resolver o problema clássico associado com estimulação elétrica, a incapacidade de definir caminhos corrente no corpo humano ^43. Portanto, a criação de ferramentas para aumentar a fixação do esqueleto pode ajudar com a redução do tempo de reabilitação necessários para um procedimento osseointegrados.

Utilizando a estimulação elétrica para amputados mais velhos também é um aspecto crítico que deve ser explorada também. Massa óssea é uma década máximo após o crescimento do esqueleto, mas deixa diminui significativamente pela oitava e nona década ^44. Como ossos longos mudam com a idade, o diâmetro endosteal tende a aumentar mais rapidamente do que o diâmetro periosteal que pode levar ao afrouxamento do implante ^45. Este problema, associado à redução da pressão sobre os ossos por músculos mais fracos podem contribuir para doenças debilitantes, como osteoporose e osteopenia ⁴⁵ e requerem opções de tratamento adicional para pacientes com implantes osseointegrados. No entanto, a estimulação elétrica controlada e carga mecânica, pode agir como um catalisador sinérgica de ongrowth osso e manter a integridade do host leito ósseo com pacientes idosos utilizando um sistema OIID.