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

Até o ano de 2050, o número projetado de amputados nos Estados Unidos deve chegar a 3,6 milhões. Complicações com membros protéticos tradicionais geralmente resultam em padrões de marcha assimétricos e desconforto para amputados que esperam retomar estilos de vida ativos após lesões. As opções protéticas atuais são geralmente inadequadas.

Isso se deve principalmente à alta incidência de úlceras de pressão de padrões de carga não uniformes. Uma maneira de superar as limitações funcionais das próteses tradicionais é projetar a fixação esquelética direta entre um implante e o osso hospedeiro do amputado. Essa tecnologia conhecida como osteointegração depende da fixação esquelética direta e de uma vedação epidérmica e dérmica apertada para prevenir infecções quando bem-sucedida, a osteointegração melhora drasticamente os níveis de atividade para amputados com amputações proximais altas.

Isso é mostrado nos vídeos fornecidos pela equipe do Dr.Ash off. Em conjunto com a organização Esca. Existem duas complicações principais que impedem a adoção generalizada da osteointegração.

O primeiro é o risco de adesão bacteriana e formação de biofilme em implantes ortopédicos. Em segundo lugar, existe o risco de fixação esquelética inadequada in vivo, como mostrado aqui com radiolucências. Para superar essas complicações, a exoprótese pode ser usada como um cátodo para fornecer estimulação elétrica.

Isso pode resultar em remodelação óssea positiva, prevenir a fixação bacteriana e reduzir o tempo de reabilitação necessário para a sustentação total do peso. Este vídeo demonstra como os implantes são projetados usando um novo sistema de design de implante inteligente OSSEOINTEGRADO, ou OIID. Olá, sou Brad Isaacson, do Laboratório de Pesquisa Óssea e Conjunta da Universidade de Utah, no Departamento de Bioengenharia.

Hoje, mostraremos como o design de implantes osteo integrados pode ser testado e avaliado com modelagem hipotética usando programas de computador computacionais. Nosso objetivo é fornecer prova de conceito de uma nova ferramenta de reabilitação de osteointegração, que usa estimulação elétrica. Quando implementada corretamente, a ferramenta será capaz de reduzir infecções periprotéticas e aumentar a fixação esquelética.

Com isso em mente, deixe-me mostrar como podemos desenvolver um sistema integrado de design de implantes inteligentes. As tomografias computadorizadas são usadas para reconstrução de modelos porque permitem que diferentes tipos de tecido sejam claramente distinguidos. As varreduras usadas para isso foram coletadas no Hospital da Universidade de Utah e no Departamento de Assuntos de Veteranos após obter a aprovação do IRB e da HIPAA.

Essas tomografias computadorizadas foram primeiro inspecionadas visualmente e selecionadas para o estudo com base na ausência de implantes metálicos, que podem introduzir artefatos de imagem. Aqui mostramos um caso de um amputado que seria inaceitável para o modelo de computador com base na presença de um implante ortopédico. O amputado tem um implante ortopédico dentro do canal medular e, quando examinamos os cortes de TC, vemos distorção da imagem.

No entanto, defenderíamos um paciente como este. O amputado tem uma distinção clara entre os tipos de tecido cruciais para modelos anatomicamente precisos. Excelente para começar.

Os arquivos de tomografia computadorizada de geração de modelo são baixados como imagens DICOM e carregados no programa SEG 3D como um novo volume. Um filtro mediano é então usado para suavizar os volumes importados antes de determinar as estruturas de tecido geometricamente definidas. Uma vez concluída a filtragem, os limites do tecido do osso, medula óssea, órgãos e tecido adiposo são gerados por limiar.

As imagens de TC interativamente e filtradas mais uma vez. A musculatura é obtida definindo manualmente os pontos iniciais dentro do limiar do tecido muscular e usando um filtro conectado à confiança para encontrar todo o tecido conectado aos pontos iniciais. Esta etapa elimina tecidos errôneos que podem ser agrupados com o músculo com base na absorção semelhante da cts.

A pele, que é impossível de discernir com segurança a partir das imagens de TC, é gerada pela dilatação do tecido mais externo, dois milímetros com base na espessura média da pele. Isso produz uma camada de espessura homogênea que envolve o modelo completo. As segmentações são inspecionadas manualmente, corrigidas para garantir a precisão e combinadas em uma hierarquia em um único mapa de rótulos.

Necessário para análise de elementos finitos. Os modelos são exportados para a pista de esqui usando um formato de dados raster quase bruto ou um arquivo NRD desenvolvido por Gordon Delman no Ski Institute. Este é agora o tipo de arquivo básico de muitas plataformas de software de processamento de imagem de código aberto.

Este arquivo é exportado e usado como malha para análise de elementos finitos. Até agora, inspecionamos manualmente os ECRs e os combinamos em um modelo hierárquico O. No programa SEG 3D, podemos definir a geometria e o espaço do tecido.

Em seguida, carregaremos esses modelos no ski, executaremos nosso pacote de elementos finitos para definir o posicionamento e o tipo do eletrodo. A razão para usar a análise de elementos finitos é que ela fornece aproximação numérica para geometrias complexas, como nossos membros residuais amputados. Para se preparar para a análise de elementos finitos, o implante de 16 centímetros é projetado usando um software personalizado escrito no laboratório de esteira e, em seguida, importado para a pista de esqui para servir como implante ortopédico e cátodo para estimulação elétrica.

O campo elétrico deve ser mantido abaixo de um a 10 volts por centímetro e a densidade de corrente deve ser inferior a dois miliamperes por centímetro quadrado. Isso induzirá a migração de osteoblastos, evitará o aquecimento localizado do tecido e garantirá a segurança do paciente. Isso é indicado com a linha tracejada vermelha.

Eletrodos pequenos são projetados para garantir o conforto do paciente. Uma vez que o dispositivo OIID não deve restringir o movimento ou as atividades diárias durante a reabilitação. O pacote de software de corrida de esqui é usado para projetar o eletrodo porque suporta a colocação e simulação interativa do eletrodo.

Uma rede é criada e módulos organizados com funções matemáticas específicas para definir condições de contorno, condutividades de tecidos e refinamentos de malha, bem como para gerar histogramas de distribuições métricas elétricas e registrar dados preenchidos. As configurações dos eletrodos consistem em um eletrodo de remendo, dois eletrodos de remendo, uma banda contínua e duas bandas contínuas. Bandas de eletrodos externos, com 1,6 centímetros de espessura, são aplicadas ao membro residual dos modelos gerados a partir de tomografias computadorizadas de pacientes.

Os adesivos de eletrodo, com três centímetros de espessura, são colocados em uma tira que cobre aproximadamente metade do diâmetro do membro residual. O implante cortical interno mostrado em vermelho representa o osteo-implante. Isso é definido para o diâmetro para permitir o ajuste e preenchimento perfeitos do implante.

Agora que os eletrodos foram colocados, realizaremos a análise de elementos finitos. O objetivo aqui é manter qualquer campo elétrico entre um a 10 volts por centímetro para ser uma ferramenta eficaz, mantendo uma densidade de corrente abaixo de dois miliamperes por centímetro quadrado para evitar a necrose do tecido Para realizar a análise de elementos finitos, as simulações são geradas assumindo que as métricas elétricas podem ser calculadas usando uma abordagem quase estática sem dependência de tempo. A aproximação numérica é usada para calcular o potencial elétrico através do membro residual do sujeito.

O modelo é calculado resolvendo a equação de Poisson e a eletrostática para cada tipo de tecido gerado a partir das segmentações SEG 3D. As condições de contorno são atribuídas no modelo no qual os nós são contínuos entre os tipos de tecido e para governar o caminho do fluxo de corrente. Como os eletrodos e o implante têm condutividades muito maiores do que os tecidos circundantes, presume-se que o implante ou cátodo esteja em um potencial constante.

Da mesma forma, os eletrodos de superfície são modelados com uma diferença de potencial constante do implante percutâneo. A simulação numérica é usada para calcular o potencial elétrico através do membro residual do sujeito para avaliar a eficácia da configuração e dimensionamento do eletrodo. Modelos específicos do paciente são desenvolvidos e o potencial elétrico ao redor da interface do implante é usado para determinar as intensidades de campo localizadas.

O modelo é gerado usando uma malha hexa hugel que consiste em aproximadamente 1,8 milhão de elementos. O tamanho ideal do elemento para este experimento é selecionado com base em um estudo de sensibilidade de malha que resulta em menos de 5% de diferença relativa nos gradientes de tensão. Isso garante a precisão do modelo.

Os elementos são tratados como elementos ômicos e isotrópicos homogêneos e pacíficos. Os eletrodos são incorporados na malha de elementos finitos e atribuídos a uma diferença de potencial constante entre o eletrodo de pele e o implante osseointegrado. Esta seleção é baseada na resistividade tecidual esperada.

O potencial é definido entre um e 4,5 volts com base na geometria do amputado, resistividade dos tecidos e configuração do eletrodo usando um solucionador iterativo. Os potenciais nos modelos de elementos finitos são calculados para quatro configurações de eletrodos. Isso é feito para determinar o design ideal para amputados.

A validação da análise de elementos finitos está sendo realizada com um modelo in vivo de pequenos animais aprovado pelo IACUC. Um implante é inserido no canal medular de um coelho e um segundo eletrodo é colocado na musculatura. Isso gera um campo elétrico subcutâneo na interface do implante ósseo.

Todas as análises de elementos finitos de esqui são validadas por eletrodos de agulha colocados entre os dois eletrodos, que registram os gradientes de tensão do coelho in vivo. O estudo do modelo de coelho utiliza o mesmo protocolo que o OIID designado para pesquisa em humanos. Isso é feito por meio da obtenção de tomografias computadorizadas, desenvolvimento de modelos hierárquicos 3D em SEG 3D e realização de modelagem computacional com pista de esqui.

O objetivo é desenvolver as métricas elétricas necessárias para comprovar a eficácia da estimulação elétrica controlada. Isso visa reduzir as infecções periprotéticas e aumentar as forças de fixação do implante. Assim, a tecnologia pode ser aprovada pela FDA e usada para reabilitar amputados.

A conclusão bem-sucedida do protocolo detalhado resultará em membros residuais amputados anatomicamente precisos desenvolvidos a partir de tomografias computadorizadas. Isso fornecerá as diretrizes iniciais para o sistema OIID. Os usuários desenvolverão uma interface interativa para ajustar o tamanho e a posição do eletrodo para modelos específicos do paciente.

Campos elétricos alterados e densidades de corrente serão o resultado da geometria do tecido e da posição do eletrodo. Portanto, os modelos exigirão alterações individuais para ajudar as pessoas com perda de membros que buscam tecnologia de osteointegração. O sistema de design de implante inteligente osseointegrado que mostramos hoje ajudará a aliviar o problema clássico da estimulação elétrica, a incapacidade de definir o caminho atual no corpo humano.

Os resultados preliminares indicam que o campo elétrico na interface do implante ósseo pode ter a capacidade de reduzir infecções periprotéticas, aumentar a inserção esquelética e ser usado como uma ferramenta eficaz para nossos médicos na reabilitação. Então é isso. Obrigado por assistir e boa sorte com sua pesquisa de osseointegração.