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

Até o ano de 2050, estima-se que o número de amputados nos Estados Unidos alcance 3,6 milhões. Complicações com membros protéticos tradicionais frequentemente resultam em padrões de marcha assimétricos e desconforto para amputados que desejam retomar estilos de vida ativos após a lesão. As opções protéticas atuais geralmente são inadequadas.

Isso ocorre principalmente devido à alta incidência de úlceras de pressão causadas por padrões de carga não uniformes. Uma maneira de superar as limitações funcionais das próteses tradicionais é desenvolver uma fixação esquelética direta entre um implante e o osso do paciente amputado. Essa tecnologia, conhecida como osteointegração, depende da fixação esquelética direta e de um selamento epidérmico e dérmico apertado para prevenir infecções; quando bem-sucedida, a osteointegração melhora drasticamente os níveis de atividade de amputados com amputações proximais elevadas.

Isso é demonstrado 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, há o risco de fixação esquelética inadequada in vivo, conforme mostrado aqui com radiolucências. Para superar essas complicações, a prótese exó pode ser usada como cátodo para fornecer estimulação elétrica.

Isso pode resultar em remodelação óssea positiva, prevenir a adesão bacteriana e reduzir o tempo de reabilitação necessário para suporte completo de peso. Este vídeo demonstra como os implantes são projetados utilizando um novo sistema de projeto de implante inteligente OSSEOINTEGRADO, ou OIID. Olá, sou Brad Isaacson do Laboratório de Pesquisa em Osso e Articulação do Departamento de Bioengenharia da Universidade de Utah.

Hoje, mostraremos como o design de implantes osteointegrados pode ser testado e avaliado por meio de modelagem hipotética utilizando programas computacionais. Nosso objetivo é fornecer a prova de conceito de uma nova ferramenta de reabilitação para osteointegração, que utiliza estimulação elétrica. Quando implementada corretamente, a ferramenta poderá reduzir infecções periprotéticas e aumentar a fixação esquelética.

Com isso em mente, deixe-me mostrar como podemos desenvolver um sistema integrado de projeto de implante inteligente. Exames de TC são utilizados para a reconstrução do modelo porque permitem que diferentes tipos de tecidos sejam claramente diferenciados. Os exames utilizados para isso foram coletados do Hospital da Universidade de Utah e do Departamento de Assuntos de Veteranos após a obtenção de aprovação do IRB e do HIPAA.

Essas tomografias computadorizadas foram inicialmente inspecionadas visualmente e selecionadas para o estudo com base na ausência de implantes metálicos, que podem introduzir artefatos na imagem. Aqui apresentamos um caso de um amputado que seria inaceitável para o modelo computacional devido à presença de um implante ortopédico. O amputado possui um implante ortopédico dentro do canal medular, e ao analisarmos os cortes da tomografia computadorizada, observamos distorção na imagem.

No entanto, defenderíamos um paciente como este. O amputado apresenta distinção clara entre os tipos de tecidos, essencial para modelos anatomicamente precisos. Excelente para começar.

Os arquivos de varredura de tomografia computadorizada para geração do modelo são baixados como imagens DICOM e carregados no programa SEG 3D como um novo volume. Em seguida, um filtro mediano é utilizado para suavizar os volumes importados antes de determinar as estruturas teciduais definidas geometricamente. Após a conclusão da filtragem, os limites teciduais do osso, medula óssea, órgãos e tecido adiposo são gerados por limiarização.

As imagens de TC são processadas interativamente e filtradas mais uma vez. A musculatura é obtida definindo-se manualmente pontos de semente dentro do limiar do tecido muscular e utilizando um filtro conectado por confiança para encontrar todos os tecidos conectados aos pontos de semente. Este passo elimina tecidos incorretos que poderiam ser agrupados junto ao músculo com base em absorvência semelhante nas tomografias.

A pele, cuja visualização confiável nas imagens de TC é impossível, é gerada por meio da dilatação do tecido mais externo, em dois milímetros com base na espessura média da pele. Isso produz uma camada de espessura homogênea que envolve completamente o modelo. As segmentações são inspecionadas manualmente, corrigidas para garantir a precisão e combinadas hierarquicamente em um único mapa de rótulos.

Necessário para análise de elementos finitos. Os modelos são exportados para pista de esqui usando um formato de dados raster próximo ao bruto ou um arquivo NRD desenvolvido por Gordon Delman no Ski Institute. Este é agora o tipo básico de arquivo de diversas plataformas de software livre para processamento de imagens.

Este arquivo é exportado e utilizado como malha para a análise de elementos finitos. Até agora, inspecionamos manualmente as TCRs e as combinamos em um modelo hierárquico O. No programa SEG 3D, somos capazes de definir a geometria dos tecidos e o espaço.

Em seguida, carregaremos esses modelos no ski, executaremos nosso pacote de elementos finitos para definir o posicionamento e o tipo dos eletrodos. A razão para usar a análise de elementos finitos é que ela fornece uma aproximação numérica para geometrias complexas, como os membros residuais de nossos amputados. Para se preparar para a análise de elementos finitos, o implante de 16 centímetros é projetado usando um software personalizado escrito em mat lab, e depois importado para o ski run, onde atuará 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 miliampères por centímetro quadrado. Isso induzirá a migração de osteoblastos, prevenirá o aquecimento localizado do tecido e garantirá a segurança do paciente. Isso é indicado pela linha tracejada vermelha.

Os eletrodos pequenos são projetados para garantir o conforto do paciente. Como o dispositivo OIID não deve restringir os movimentos nem as atividades diárias durante a reabilitação. O pacote de software ski run é utilizado para projetar o eletrodo porque permite o posicionamento interativo do eletrodo e simulações.

Uma rede é criada e os módulos são organizados com funções matemáticas específicas para definir condições de contorno, condutividades teciduais e refinamentos de malha, bem como para gerar histogramas de distribuições de métricas elétricas e registrar dados preenchidos. As configurações para os eletrodos consistem em um eletrodo tipo patch, dois eletrodos tipo patch, uma faixa contínua e duas faixas contínuas. Faixas de eletrodos externos, com espessura de 1,6 centímetro, são aplicadas ao membro residual dos modelos gerados a partir de exames de tomografia computadorizada de pacientes.

Os retalhos de eletrodos, que têm três centímetros de espessura, são colocados em uma faixa que cobre aproximadamente metade do diâmetro do membro residual. O implante cortical interno mostrado em vermelho representa o implante ósseo. Este é ajustado ao diâmetro para permitir um encaixe e preenchimento perfeitos do implante.

Agora que os eletrodos foram posicionados, realizaremos a análise por elementos finitos. O objetivo aqui é manter qualquer campo elétrico entre um e 10 volts por centímetro para ser uma ferramenta eficaz, ao mesmo tempo em que se mantém a densidade de corrente abaixo de dois miliampères por centímetro quadrado para prevenir necrose tecidual. Para realizar a análise por elementos finitos, são geradas simulações assumindo que as métricas elétricas podem ser calculadas usando uma abordagem quase estática, sem dependência temporal. Aproximação numérica é utilizada 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 do SEG 3D. Condições de contorno são atribuídas ao modelo em que os nós são contínuos entre os tipos de tecido e para controlar o trajeto do fluxo de corrente. Como os eletrodos e o implante possuem condutividades muito maiores do que os tecidos circundantes, assume-se que o implante ou cátodo está em um potencial constante.

Da mesma forma, os eletrodos superficiais são modelados com uma diferença de potencial constante em relação ao implante percutâneo. A simulação numérica é utilizada para calcular o potencial elétrico através do membro residual do paciente, a fim de avaliar a eficácia da configuração e do tamanho dos eletrodos. São desenvolvidos modelos específicos para cada paciente, e o potencial elétrico ao redor da interface do implante é usado para determinar as intensidades do campo localizadas.

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

Os elementos são tratados como elementos homogêneos, ômicos e isotrópicos por partes. Os eletrodos são incorporados à malha de elementos finitos e recebe uma diferença de potencial constante entre o eletrodo cutâneo e o implante osseointegrado. Essa seleção é baseada na resistividade esperada do tecido.

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

A validação da análise por elementos finitos está sendo realizada com um modelo in vivo em pequeno animal aprovado pelo iacuc. Um implante é inserido no canal medular de um coelho e um segundo eletrodo é colocado sobre a musculatura. Isso gera um campo elétrico subcutâneo na interface osso-implante.

Toda análise de elementos finitos ski run foi validada por meio de eletrodos de agulha posicionados entre os dois eletrodos, os quais registram os gradientes de tensão do coelho in vivo. O estudo com modelo de coelho utiliza o mesmo protocolo que o OIID designado para pesquisa em humanos. Isso é feito obtendo exames de tomografia computadorizada, desenvolvendo modelos hierárquicos tridimensionais no SEG 3D e realizando modelagem computacional com ski run.

O objetivo é desenvolver as métricas elétricas necessárias para comprovar a eficácia da estimulação elétrica controlada. Isso visa reduzir infecções peri-prostéticas e aumentar a resistência da fixação do implante, para que a tecnologia possa ser aprovada pela FDA e utilizada na reabilitação de amputados.

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

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

Resultados preliminares indicam que o campo elétrico na interface osso-implante pode ter a capacidade de reduzir infecções periprotéticas, aumentar a fixação esquelética e ser utilizado como uma ferramenta eficaz para nossos clínicos na reabilitação. É isso aí. Obrigado por assistir e boa sorte com sua pesquisa em osseointegração.