ניתוח Bioelectric של מערכת Osseointegrated שתל Intelligent Design עבור קטועי גפיים

Summary

יש צורך לפתח מצורף תותבת חלופי עקב אובדן איבר המיוחסים occlusive מחלות כלי דם וטראומה. מטרת העבודה היא להציג את מערכת osseointegrated אינטליגנטי עיצוב השתל להגדיל קיבעון השלד להפחית את שיעורי ההדבקה periprosthetic עבור חולים הזקוקים טכנולוגיה osseointegrated.

Abstract

המספר הצפוי של קטועי גפיים האמריקאי צפוי לעלות ל -3.6 מיליון עד 2050. רבים של אנשים אלה תלויים גפיים מלאכותיות לבצע פעילויות שגרתיות, אך המתלים תותבת באמצעות טכנולוגיית שקע המסורתי יכול להוכיח להיות מסורבל ולא נוח עבור אדם עם אובדן איבר. יתר על כן, עבור אלו עם קטיעות הפרוקסימלי גבוהה, מוגבל אורך איבר שיורי עלולה למנוע מצורף exoprosthesis הכל ביחד. טכנולוגיית השתל Osseointegrated הינו פעיל רומן הליך המאפשר התקשרות בין חברת שלד עצמות המארח שתל. תוצאות ראשוניות של קטועי גפיים אירופה עם שתלים osseointegrated הראו תוצאות קליניות משופרות בכך שהוא מאפשר העברה ישירה של המון לממשק העצם השתל. למרות היתרונות לכאורה של Osseointegration על טכנולוגיה שקע, הליכי השיקום הנוכחי דורשים תקופות ארוכות של נושאי מטען מגבילים מראש אשר עשוי להיות מופחת עם קובץ מצורף השלד מזורז באמצעות גירוי חשמלי. המטרה של המערכת (OIID) העיצוב osseointegrated שתל אינטליגנטי היא להפוך את השתל החלק של מערכת החשמל להאיץ מצורף השלד לסייע במניעת זיהום periprosthetic. כדי לקבוע גודל האלקטרודה מיקום אופטימלי, יזמנו הוכחה של מושג עם מודלים חישוביים של שדות חשמליים צפיפות זרם המתעוררות במהלך גירוי חשמלי של קטוע הגפיים שיורית. על מנת לספק להבטיח את בטיחות החולה, נבדקים עם רטרוספקטיבה סריקות טומוגרפיה ממוחשבת נבחרו שלושה שחזורים ממדי נוצרו באמצעות תוכנות מותאמות אישית כדי להבטיח דיוק אנטומי (Seg3D ו SCIRun) ב IRB ו HIPAA אישר המחקר. אלו חבילות תוכנה תמכו פיתוח מודלים ספציפיים החולה מותר מניפולציה אינטראקטיבי של העמדה אלקטרודה וגודל. תוצאות ראשוניות עולה כי שדות חשמליים צפיפות זרם יכול להיות שנוצר על הממשק השתל כדי להשיג את הפצות הומוגנית השדה החשמלי הנדרש כדי לגרום הגירה אוסטאובלסטים, לשפר קיבוע השלד עשוי לסייע במניעת זיהומים periprosthetic. בהתבסס על תצורות אלקטרודה ניסויים במודל, תצורה חיצוני two הלהקה יהיה דגל בעתיד.

Protocol

חלק 1: באמצעות טומוגרפיה ממוחשבת (CT) סריקות עבור קיטע לשיקום

1. רטרוספקטיבה סריקות CT נאספו מאוניברסיטת יוטה המחלקה לעניינים ותיקים חולים לאחר קבלת אישור IRB ו HIPAA.
2. סריקות CT נבחרו משום שהם מאפשרים אבחנה ברורה בין סוגי רקמות המבוססת על לספיגה רנטגן.
3. CTS נבדקו ידנית שנכללו במחקר המבוסס על העדר שתלים מתכת כדי למנוע חפץ התמונה.

חלק 2: הדור דגם עם Seg3D

1. קבצים שהורדו כתמונות DICOM וטעון Seg3D (גרסה 1.11.0, software.sci.utah.edu) כמו נפח חדש.
2. מסנן חציון שימש חלק הכרכים מיובא לפני קביעת מבנים רקמות גאומטרית מוגדרת.
3. גבולות רקמה של העצם, מח עצם, איברים ורקמות השומן נוצרו על ידי thresholding הקבצים CT אינטראקטיבי (איור 1).
   
   איור 1: חתך sagittal של איבר קטוע שיורית thresholded ו מופרדים סוגי רקמות ספציפיות.
4. השרירים היה מתקבל על ידי הגדרה ידנית של נקודות זרע בתוך רקמת השריר thresholded ושימוש אמון מחובר לסנן למצוא את כל רקמת מחובר הנקודות זרע. צעד זה בוטלו רקמות שגוי שעלול שקובצו יחד עם שריר על בסיס לספיגה דומה CTS.
5. העור, אשר לא ניתן היה להבחין בצורה אמינה מהתמונות CT, נוצר על ידי מתרחבים החיצונית 2 מילימטרים רקמות המבוססת על עובי עור הממוצע לייצר שכבה של עובי אחיד שהקיף את מודל מלא ^1.
6. Segmentations נבדקו באופן ידני, תיקן כדי להבטיח דיוק בשילוב בהיררכיה לתוך המפה תווית אחת נדרש ניתוח אלמנטים סופיים (איור 1).
   
   איור 2: המודל ההיררכי נציג נכה קטוע רגליים שנוצרו עם Seg3D.

חלק 3: הכנה אנליזת אלמנטים סופיים

1. שתל 10 ס"מ תוכנן ב-Matlab לשמש מכשיר אורתופדי מושתל לבין הקתודה עבור גירוי חשמלי ו המיובאים לתוך SCIRun (גרסה 4.0, software.sci.utah.edu).

חלק 4: אלקטרודה מיקום ועיצוב

1. SCIRun נוצל לתכנון אלקטרודה משום שהוא תומך מיקום האלקטרודה סימולציה אינטראקטיביים.
2. הרשת נוצרה ומודולים מאורגן עם פונקציות ספציפיות על מנת ליצור את רשת (איור 3). מודולים חשובים להגדרת תנאי הגבול, מוליכות רקמות, חידודים רשת, שהניבו Matlab היסטוגרמות, נתוני שדה הקלטה, וכו '(לוח 1).
   
   איור 3: תמונה ברשת נציג ממחקר פיילוט באמצעות שני תצורה חיצוני הלהקה אלקטרודה.
   

   טבלה 1
   מוליכות מוקצה לרקמות מקוטע
   רקמות סוג	מוליכות [S / M]
   איבר	0.22
   עור	0.26
   שמן	0.09
   שריר	0.25
   קליפת העצם	0.02
   מח עצם	0.07

3. תצורות עבור אלקטרודות כללה האלקטרודה אחד תיקון, תיקון שתי אלקטרודות, אחת הלהקה רציפה שתי להקות רציפה.
4. להקות אלקטרודה חיצוני יושמו איבר השארית של מודלים שנוצר מחולה סריקות CT ו - היו 1.6 ס"מ עובי.
5. תיקוני אלקטרודה הונחו כמו רצועה מכסה כמחצית קוטר של איבר שיורי והיו 3 ס"מ עובי.
6. השתל הפנימי של קליפת המוח אשר ייצג את השתל osseointegrated נקבע בקוטר endosteal כדי לאפשר התאמה מושלמת השתל ולמלא ^2.

חלק 5: ניתוח אלמנטים סופיים

1. הדמיות נוצרו בהנחה מדדים חשמלי יכול להיות מחושב באמצעות גישה מעין סטטי עם תלות זמן.
2. המודל היה מחושב על ידי פתרון משוואת לפלס עבור כל סוג של רקמה שנוצר משימוש segmentations Seg3D.
3. תנאי הגבול נוצרו על ידי האלקטרודות כי הזריק זרמים ההנחיה כי הנוכחי נשאר בתוך הגוף.
4. מאז אלקטרודות השתל היה מוליכות הרבה יותר גדול מאשר הרקמות הסובבות, זה היהssumed כי השתל (קטודה) היה פוטנציאל קבוע, כמו כן האלקטרודות משטח עוצבו ההבדל פוטנציאל קבוע מן השתל מלעורית.
5. כדי להעריך את היעילות של תצורת אלקטרודה אומדת, דגמים ספציפיים המטופל פותחו ואת הפוטנציאל החשמלי סביב ממשק השתל היה בשימוש כדי לקבוע עוצמות שדה מקומי.
6. הדגם נוצר באמצעות רשת hexahedral שכלל כ 1,800,000 אלמנטים אשר טופלו כפי הומוגנית piecewise, ohmic ו איזוטרופיים.
7. המודל האופטימלי עבור ניסוי זה נבחר עם הבדל יחסי <5% הדרגתיים מתח אישר עם מחקר רגישות רשת כדי להבטיח דיוק מודל (טבלה 2).
   

   טבלה 2
   רגישות Mesh עיון קיטע דגם
   רשת	אלמנטים	צמתים	יחסית הפרש
   100 100 50	149089	161131	.0995
   125 125 75	350180	371472	.0802
   150 150 100	673032	706082	.0545
   175 175 125	1146778	1194044	.0527
   200 200 150	1796690	1860772	.0439
   250 250 200	3745038	3850202	.0364
   275 275 225	5097243	5226587	.0301
   300 300 250	6742588	6898729	.0000

8. שימוש חוזר ונשנה פותר, מדדים החשמלי במודלים אלמנטים סופיים חושבו עבור תצורות אלקטרודה.

Discussion

הבנת הפרדיגמה גירוי חשמלי

שיפורים בטיפול הרפואי ואסטרטגיות פינוי בשדה הקרב הובילו מספר מוגבר של הלוחמים ששרדו פציעות מלחמה הרסנית בנושא. בעוד שיעור ההישרדות משופרת הוא קידום הרפואה, חיילים ונשים החוזרים מן הקרב עם קטיעות הדורשות מעקב אינטנסיבי לטיפול, שיקום נרחב ויקר שירותי תותבת של מערכת הבריאות לענייני בריאות ותיקים ^3. פירוט דוחות הקונגרס כי למעלה מ -1,000 המלחמה הקשורות קטיעות התרחשו כתוצאה של מבצע Enduring Freedom (OEF) ואת מבצע חופש עיראקי (OIF) קונפליקטים ^4.

במקרה של OEF וותיקי OIF, כ -15% של לוחמים חוזרים איבדו גפיים מרובים מספר משמעותי של החזרת חיילים ונשים גפיים שיורי קצר שבו הטכנולוגיה שקע היא לא אופציה או נדחתה על ידי המטופל. השימוש הופסק דיווח של הגפיים העליונות תותבת אפילו עולה על 50% כי הם התקני קיבוע מסורבלת וקשה להשתמש בנוחות ^5. פרוטזות בגפיים התחתונות הם בעייתיים באותה מידה הבעיות הנפוצות הקשורות ארובות רקמות רכות כוללים חוסר יכולת ללכת על terrain6 מאתגר, איבר מוגבל אורך שיורית ^7, אי נוחות החולה ^5, דאגה עם טעינה שאינם פיזיולוגיים ^8, גירוי של התאבנות heterotopic ⁹ והסיכון מחלות מתישות ^10. עם זאת, הטכנולוגיה Osseointegration היא טכניקה כירורגית חדשנית עשויה להפחית את הכאב ^11, גירוי בעור ^12, לשפר את osseoperception ^13, לשפר את הניידות ^6, ירידה פצעי לחץ הקשורים ארובות ^6, להפחית את האנרגיה ambulation ^7,14 ו לשרת טוב יותר את הלוחמים הוותיקים עם מוגבלות אורך איבר שיורי ^15.

למרות יתרונות גופניים ופסיכולוגיים רבים של Osseointegration, ניתוחים הקשורים דורשים מתקדמים יותר למניעת זיהום טיפול streategies ^16, דורשים תוכניות שיקום ארוך וכוללות נשיאת משקל מגבילים פרוטוקולים אשר עשוי להימשך עד 1.5 שנים לאחר הניתוח ^17. כיוון הכדאיות של העצם המארח אורך איבר שיורי חשוב מצורף שרירים ואת הפונקציונליות, פיתוח מכשירים חדשים כדי לשפר את Osseointegration היא המפתח להחזרת חיילים ונשים. לכן, פיתוח של עיצוב osseointegrated אינטליגנטי המערכת (OIID) השתל אשר משתמשת גירוי חשמלי מבוקר עשוי להפחית את משך השיקום להגדיל מצורף השלד של לוחם ותיק קטועי גפיים. עם זאת, מאז לא המכשיר הנוכחי זמין מסחרית וביים לשימוש עם שתלים osseointegrated מלעורית, את המוטיבציה של התוכנית היא לאשר את הבטיחות והיעילות עם ניתוח אלמנטים סופיים.

הבנת התפקיד של גירוי חשמלי בשיפוץ העצם, במיוחד בתצהיר של osteoids מינרליזציה, נותרה ספקולטיבית. עם זאת, הפעילות החשמלית שנצפתה העצם עשוי להיות תוצאה של העמסה מכנית ^18,19 ולכן גירוי חשמלי יכול להיות מנגנון יעיל לצורך תיקון גרימת העצם ^19. ההיגיון מאחורי ההשערה הוא הסביר מודל ריפוי שבר. כאשר העצמות הארוכות נטענים, לצד המתח הופך electropositive והצד דחיסה electronegative ^20,21, לעומת זאת, פעם עצם שבורה, האתר יישאר electronegative לגבי הסביבה עד לריפוי החלה ועל הומאוסטזיס חידש ^21. לדמות את מפל הריפוי הטבעי עם האות החשמלי כבר האמין לסייע בתצהיר סידן ^22, בשינויים קלים בתוכן חמצן pH ^23, גיוס של גורמי גדילה ²² ומסייע עם הגירה אוסטאובלסטים ואת הפרשת תאי מטריקס נוספים ^24.

הנחת היסוד כי גירוי חשמלי לבדו יכול למשול לתקן עצם להשלים הוגדרה מחדש את השערה חדשה הנוכחי מציע כי האיגודים להשלים נוצרות על ידי המון מכני גירוי חשמלי שיתוף לגירוי ^19. דחפים חשמליים שנצפתה vivo המשויכים דפורמציה פיזואלקטריים של קולגן או גדול אלקטרו הקינטית זרמים המיוצר על ידי מרכיבים יוניים לזרום המנות האחרונות מינרלים של העצם מטריקס ^25. למעשה, הפוטנציאל ספונטנית דווחו עצם גדול כמו 6 millivolts וקושרת עם עלייה בשיעור הפרד מינרלים של העצם ^26.

עבודה מוקדמת על ידי ברייטון Friedenberg ^18,21,27,28 משמש המושג של גירוי חשמלי של התחדשות העצם בשנות ה -1960 ו -1970 ו דemonstrated כי זרם ישיר יכול לשמש כדי לתקן את אי - איגודים בתקופת זמן קצרה יותר בהשוואה לשיטות ריפוי מסורתיות. מודלים נוספים חקרו היווצרות העצם עם נשיאת משקל מגבילים הראו עלייה 31 אחוז בפעילות osteogenic בין הבקרות גפיים גירוי חשמלי ^25.

בעוד החוקרים בתחום של גירוי חשמלי סללו את הדרך להבנת מנגנון בתצהיר מטריצה ​​אוסטאובלסטים עם גירוי חשמלי, הבנה לקויה הגבילה את הרחבת הטכנולוגיה הזו. אמנם ישנם מקרים רבים של ריפוי מוצלח של המקצועיים הלא וריפוי מודלים שבר, דוגמאות של אי נוחות המטופל ניסיונות כושלים הם גדושה בספרות, כמו גם ^29. הבעיה עם גירוי חשמלי מתרחשת בין מדענים ורופאים שליטה על מדדים חשמלי לא נכון להתרכז רק על סדרי הגודל הנוכחי. חוקרים קודמים נראה הנוכחית "קליע הקסם" כדי לתקן את אי - 500,000 בקירוב איגודים אשר מתרחשות מדי שנה ^30. עם זאת, הדירות בין הדגמים הוגבל מסיבוכים חימום ג'אול ³¹ ולא בקביעת צפיפות הנוכחי ^32. למעשה, כל המכשירים מיוצרים ביו חייב להיות מוגבל צפיפות זרם פחות מ -2 mA / ² ס"מ כפי שתואר על ידי האלקטרוטכנית הוועדה הבינלאומית כדי למנוע נמק רקמות מקומיות ואי נוחות המטופל ^33.

מלבד סיוע עם קיבעון השלד, גירוי חשמלי מבוקר עלול למנוע גם הידבקות חיידקים על גבי שתלים אורתופדיים להפחית את הסיכון עבור אוסטאומיאליטיס היווצרות biofilm ^34-37. היווצרות biofilm על מכשירים אורטופדיים להוביל לסיבוכים למטופל ומצוקה משמעותית עבור מי לסמוך התקנים אלה ^38. הדגש מושם על הצורך יש לעקר לחלוטין מכשור שתלים לפני הניתוח ^39, אולם לעיתים קרובות קשה לאבחן הידבקות חיידקים כפי שעולה במקרים רבים תרבותי שלילי אשר אכן נגועים ^40. בעיה זו לעתים קרובות בשילוב עם העובדה biofilms הם איטיים גדל בטבע ^40, לא יכולה להיות צמיחה במדויק במבחנה ^39, תלוי בסוג של תאים חיידקים, ניקיון השטח ואת המערכת החיסונית של הנפגע ^39. חקירת קטועי גפיים transfemoral אירופה עם הטכנולוגיה oseeointegration לחשוף את הבעיה השכיחה ביותר היא דלקת (זיהומים תכופים שטחית, 1 / 3 זיהומים periprosthetic) ^41. אמנם חל שיפור עצום לקראת ניתוח, ביעור החיידקים הוא אחד הגורמים הבסיסיים לשיפור Osseointegration מאז biofilms הם בין 500-5000 פי אלף קשה יותר כדי להביא למיגור בשל צורתם הלא אפלטונית ^34,35,39. לכן, ניצול גירוי חשמלי כמו מודאליות להסרת מושבות חיידקים מזיקים והגדלת קיבוע השלד הם גורמים חשובים כדי להבטיח את ההגנה על בריאות המטופל ואת היעילות OIID.

היתרונות של שימוש קטועי גפיים הוותיק הלוחם הן כי גילם הצעיר יחסית ובריאות טובה אחרת של אנשים אלה ולגרום להם האוכלוסייה אידיאלי עבור שיקום אגרסיבי פוסט מלעורית ישמש ככלי עזר אמבולטורי עשוי להיות מפותח כמו קטודה נחשף גירוי חשמלי. הנוכחות של השתל osseointegrated אינו מחייב פעולות כירורגיות נוספות כדי להוסיף רכיבים חשמליים, מאפשר המכשיר להיות מבוקר חיצונית ומונעת סיכון נוסף של זיהום ^42. לכן, על ידי הבנת שיטת הזרקה לתוך איבר הנוכחית השייר של קטועי גפיים לוחם ותיק, שדה חשמלי על גודל של 10-10 V / cm ניתן להקים, שבשליטת ומדד בממשק השתל. ההשערה היא כי זו תאפשר רמות בטוחות של חשמל כדי להיות מועברת, מסוגל גרימת הגירה אוסטאובלסטים ושיפור מצורף השלד. השדה החשמלי של תואר זה יגדיל את כמות ואיכות העצם בממשק השתל, ולשפר את סיכויי שיקום מואץ קיבעון השלד של קיטע. השימוש גירוי חשמלי לא נחקר כמו מודאליות להאיץ Osseointegration ב שתל intramedullary תותבת ומציג הזדמנויות רבות למחקר translational כדי לשפר את הטיפול בחולה.

ניסיוני תוצאות

הכרח עבור דגמים ספציפיים למטופל עם מכשיר גירוי חשמלי מלעורית נתמך במחקר. סימולציות שפותחו עבור המכשיר ביו הציע שאולי יכולות של האצת מצורף השלד על ידי הגירה אוסטאובלסטים הגדלת ומניעת הידבקות חיידקים ^27,34,36,39. Compדוגמנות utation הראו כי 10-10 ביעילות V / שדות חשמליים ס"מ צפיפות זרם מתחת ל ^-2 2 mA / cm ניתן להפיק באמצעות השתל כמו קטודה פונקציונלי ומופץ ביותר homogenously באמצעות אלקטרודה two הלהקה חיצוני. מערכת OIID עשוי להיות הצעד הראשון לפתרון הבעיה הקלאסית הקשורים גירוי חשמלי, חוסר היכולת להגדיר מסלולים הנוכחית בגוף האדם ^43. לכן, הקמת כלים לשיפור מצורף השלד עשוי לסייע להפחית את משך הליך השיקום הנדרש עבור osseointegrated.

ניצול גירוי חשמלי של קטועי גפיים מבוגרים גם היבט קריטי שחייב להיחקר גם כן. מסת העצם הוא עשור לכל היותר לאחר צמיחה השלד מפסיקה אבל מקטין משמעותית בעשור השמיני והתשיעי ^44. כמו העצמות הארוכות להשתנות עם הגיל, הקוטר endosteal נוטה לגדול מהר יותר מאשר קוטר periosteal אשר עלול להוביל להתרופפות השתל ^45. בעיה זו יחד עם הפחתה של עומס על העצמות על ידי השרירים החלשים עשויים לתרום מחלות מתישות כגון אוסטיאופורוזיס אוסטיאופניה ⁴⁵ ודורשים אפשרויות טיפול נוספות לחולי עם שתלים osseointegrated. עם זאת, גירוי חשמלי מבוקר טעינה מכני יכול לפעול כזרז סינרגיסטי של ongrowth עצם עצם לשמור מארח המיטה שלמות עם חולים קשישים באמצעות מערכת OIID.