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Biology

Analisi di un Sistema di bioelettrica Osteointegrata Intelligent Design impianto per amputati

doi: 10.3791/1237 Published: July 15, 2009

Summary

Vi è la necessità di sviluppare alternative attaccamento protesi a causa della perdita degli arti attribuiti a malattie vascolari occlusivi e traumi. L'obiettivo del lavoro è quello di introdurre un osteointegrati intelligente sistema di progettazione degli impianti per aumentare la fissazione scheletrico e ridurre i tassi di infezione periprotesica per i pazienti che necessitano di tecnologia osteointegrati.

Abstract

Il numero previsto di amputati americano è previsto in aumento a 3,6 milioni entro il 2050. Molti di questi individui dipendono arti artificiali per eseguire attività di routine, ma sospensioni protesici con tecnologia tradizionale presa può risultare ingombrante e scomoda per una persona con perdita di un arto. Inoltre, per quelli con alta amputazioni prossimali, limitata lunghezza del moncone può impedire l'attaccamento exoprosthesis tutti insieme. Tecnologia degli impianti osteointegrati è una procedura operativa che permette romanzo attaccamento scheletrico ferma tra l'osso ospite e un impianto. I risultati preliminari in amputati europeo con impianti osteointegrati hanno dimostrato risultati clinici migliori, consentendo il trasferimento diretto dei carichi al osso-impianto. Malgrado gli evidenti vantaggi di osteointegrazione rispetto alla tecnologia socket, le procedure di riabilitazione attuali richiedono lunghi periodi di portante restrittive prima che potrebbe essere ridotto con accelerato attaccamento scheletrico attraverso la stimolazione elettrica. L'obiettivo del progetto degli impianti osteointegrati intelligente (OIID) del sistema è quello di rendere la parte dell'impianto di un sistema elettrico per accelerare l'attaccamento scheletrico e aiutare a prevenire l'infezione periprotesica. Per determinare la dimensione ottimale degli elettrodi e il posizionamento, abbiamo iniziato una prova di concetto con la modellazione computazionale dei campi elettrico e densità di corrente che si presentano durante la stimolazione elettrica degli arti amputato residuo. Al fine di fornire assicurare la sicurezza dei pazienti, i soggetti con retrospettiva scansioni di tomografia computerizzata sono stati selezionati e tre ricostruzioni tridimensionali sono state create utilizzando programmi software personalizzati per garantire la precisione anatomica (Seg3D e SCIRun) in un IRB e HIPAA approvato lo studio. Questi pacchetti software sostenuto lo sviluppo di modelli specifici dei pazienti e ha consentito la manipolazione interattiva di posizione e le dimensioni degli elettrodi. I risultati preliminari indicano che i campi elettrici e densità di corrente può essere generato a livello di interfaccia impianto per ottenere la distribuzione omogenea campo elettrico necessaria per indurre la migrazione degli osteoblasti, migliorare la fissazione scheletrica e può aiutare a prevenire le infezioni periprotesica. Sulla base delle configurazioni degli elettrodi sperimentato nel modello, un esterno configurazione a due band sarà sostenuto in futuro.

Protocol

Parte 1: Utilizzando la Tomografia Computerizzata (TC) per la ricostruzione Amputato

  1. Retrospettiva TAC sono stati raccolti presso la University of Utah e del Dipartimento della Veteran Affairs Hospital dopo aver ottenuto l'approvazione IRB e HIPAA.
  2. TAC sono stati selezionati perché permettono una chiara distinzione tra i tipi di tessuto sulla base di raggi X assorbenza.
  3. TA sono stati ispezionati manualmente e inclusi nello studio in base all'assenza di impianti metallici per evitare artefatto dell'immagine.

Parte 2: generazione di modelli con Seg3D

  1. I file sono stati scaricati come immagini Dicom e caricati in Seg3D (versione 1.11.0, software.sci.utah.edu) come un nuovo volume.
  2. Un filtro mediano è stato utilizzato per lisciare i volumi importati prima di determinare le strutture del tessuto geometricamente definiti.
  3. I confini del tessuto delle ossa, midollo osseo, organi e tessuto adiposo sono state generate dalla soglia dei file CT interattivo (Figura 1).
    Figura 1
    Figura 1: Una sezione sagittale di un arto amputato residuo thresholded e separati in tipi di tessuti specifici.
  4. La muscolatura è stato ottenuto impostando manualmente i punti di semi all'interno del tessuto muscolare thresholded e con una fiducia collegata filtro per trovare tutto il tessuto collegato ai punti di seme. Questo passo eliminato tessuti errate che possono essere stati raggruppati con il muscolo in base a capacità di assorbimento simili TA.
  5. La pelle, che era impossibile distinguere in modo affidabile a immagini TAC, è stato generato da dilatare il più esterno tessuto 2 millimetri in base allo spessore della pelle media per produrre uno strato di spessore omogeneo che circondava il modello di piena 1.
  6. Segmentazioni sono stati ispezionati manualmente, corretto per assicurare l'accuratezza e combinati in una gerarchia in una mappa singola etichetta per l'analisi agli elementi finiti (Figura 1).
    Figura 2
    Figura 2: Rappresentante modello gerarchico di un amputato bilaterale creato con Seg3D.

Parte 3: Preparazione per l'analisi agli elementi finiti

  1. A 10 centimetri impianto è stato progettato in Matlab per servire come dispositivo impiantato ortopedico e catodo per la stimolazione elettrica e importati in SCIRun (versione 4.0, software.sci.utah.edu).

Parte 4: il posizionamento degli elettrodi e Design

  1. SCIRun è stato utilizzato per la progettazione di elettrodi in quanto supporta il posizionamento dell'elettrodo interattive e di simulazione.
  2. Una rete è stata creata e moduli organizzati con funzioni specifiche per la generazione della mesh (Figura 3). I moduli sono stati importanti per definire le condizioni al contorno, conducibilità dei tessuti, rifiniture in rete, generando Matlab istogrammi, i dati dei campi di registrazione, ecc (Tabella 1).
    Figura 3
    Figura 3: immagine della rete Rappresentante di uno studio pilota utilizzando una configurazione a due elettrodi esterni band.
    Tabella 1
    Conducibilità Assegnato a tessuti segmentati
    Tipo di tessuto Conducibilità [S / m]
    Organo 0,22
    Pelle 0,26
    Adiposo 0,09
    Muscolo 0,25
    Ossea corticale 0,02
    Midollo Osseo 0,07
  3. Le configurazioni per gli elettrodi consisteva in un elettrodo di una patch, due elettrodi di patch, una banda fissi e due bande continue.
  4. Bande di elettrodi esterni sono stati applicati al moncone dei modelli generati da paziente TAC e sono stati di 1,6 cm di spessore.
  5. Patch elettrodi sono stati collocati su una striscia che copre circa la metà del diametro del moncone ed erano 3 cm di spessore.
  6. L'impianto interno corticale che ha rappresentato l'impianto osteointegrati è stato impostato per consentire diametro endosseo per una vestibilità perfetta e riempire l'impianto 2.

Parte 5: Finite Element Analysis

  1. Le simulazioni sono stati generati partendo dal presupposto che le metriche elettrico può essere calcolato utilizzando un approccio quasi-statico, senza dipendenza dal tempo.
  2. Il modello è stato calcolato risolvendo l'equazione di Laplace per ogni tipo di tessuto generato dal segmentazioni Seg3D.
  3. Le condizioni al contorno sono formate dagli elettrodi che iniettato correnti e le linee guida che sono rimasti corrente all'interno del corpo.
  4. Dal momento che gli elettrodi e l'impianto ha una conducibilità molto più grande dei tessuti circostanti, era unssumed che l'impianto (catodo) era ad un potenziale costante, allo stesso modo gli elettrodi di superficie sono stati modellati con una differenza di potenziale costante dall'impianto percutanea.
  5. Per valutare l'efficacia della configurazione degli elettrodi e dimensionamento, paziente modelli specifici sono stati sviluppati e il potenziale elettrico intorno all'interfaccia impianto è stato utilizzato per determinare l'intensità di campo localizzato.
  6. Il modello è stato generato usando una maglia esaedriche che consisteva di circa 1,8 milioni di elementi che sono stati trattati come tratti omogenei, ohmico e isotropo.
  7. Il modello ottimale per questo esperimento è stato scelto con un parente differenza <5% in gradienti di tensione confermato con uno studio di sensibilità mesh per garantire la precisione del modello (Tabella 2).
    Tabella 2
    Mesh studio di sensibilità per Amputato Modello
    Maglia Elementi Nodi Differenza relativa
    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. Utilizzando un solutore iterativo, le metriche elettrico in modelli ad elementi finiti sono stati calcolati per le configurazioni di elettrodi.

Discussion

Comprendere il paradigma di stimolazione elettrica

Miglioramenti nelle cure mediche e strategie di evacuazione sul campo di combattimento hanno portato a un aumento del numero di guerrieri sopravvissuti ferite di guerra disastrosa correlati. Mentre il tasso di miglioramento della sopravvivenza è un progresso medico, militari e le donne sono di ritorno da combattimento con amputazioni che necessitano di follow-up intensivo cura, riabilitazione estensiva e costosi servizi di protesi dal Veteran Affairs Health Care System 3. Congresso rapporti dettaglio che più di 1.000 legati alla guerra amputazioni si sono verificati a seguito della operazione Enduring Freedom (OEF) e Operazione Iraqi Freedom (OIF) conflitti 4.

Nel caso di OEF OIF e veterani, circa il 15% dei guerrieri di ritorno hanno perso gli arti multiple e un numero significativo di militari di ritorno e le donne hanno brevi monconi dove la tecnologia presa non è una scelta o è stata rifiutata dal paziente. L'uso riferito interrotto protesi di arto superiore supera anche il 50%, perché i dispositivi di fissaggio sono ingombranti e difficili da usare comodamente 5. Protesi agli arti inferiori sono altrettanto problematici e dei problemi comuni associati con gli zoccoli dei tessuti molli includere l'impossibilità di camminare sulla sfida terrain6, limitata lunghezza del moncone 7, il disagio del paziente 5, preoccupazione non fisiologica di carico 8, irritazione da ossificazione eterotopica 9 e il rischio di malattie debilitanti 10. Tuttavia, la tecnologia osteointegrazione è una nuova tecnica chirurgica che può ridurre il dolore 11, irritazione cutanea 12, migliorare osseoperception 13, migliorare la mobilità 6, diminuire le piaghe da decubito associati con prese 6, ridurre il consumo energetico per la deambulazione 7,14 e servire meglio i veterani e guerrieri con limitate lunghezza dell'arto residuo 15.

Nonostante i numerosi vantaggi fisici e psicologici di osteointegrazione, procedure chirurgiche associate richiedono più avanzato dell'infezione streategies trattamento di prevenzione 16, richiedono programmi di riabilitazione lunga e comprende restrittivi protocolli di sostenere il peso che può durare fino a 1,5 anni post-operatorio 17. Perché la vitalità dell'osso ospite e la lunghezza del moncone è importante per l'attaccamento e la funzionalità muscolare, lo sviluppo di nuovi dispositivi per migliorare l'osteointegrazione è la chiave per la restituzione militari e le donne. Pertanto, lo sviluppo di un osteointegrati intelligente design dell'impianto (OIID) sistema di controllo che utilizza la stimolazione elettrica può ridurre la lunghezza di riabilitazione e di rafforzare il legame scheletrico per veterani e amputati guerriero. Tuttavia, poiché nessun dispositivo attualmente è disponibile in commercio e diretto per l'utilizzo con impianti osteointegrati percutanea, la motivazione del programma è quello di confermare la sicurezza e l'efficacia con analisi agli elementi finiti.

Comprendere il ruolo della stimolazione elettrica del rimodellamento osseo, in particolare la deposizione di osteoids e mineralizzazione, è rimasta speculativo. Tuttavia, l'attività elettrica osservata nel osseo può essere il risultato di carico meccanico 18,19 e quindi uno stimolo elettrico può essere un meccanismo efficace per indurre la riparazione delle ossa 19. La logica dietro l'ipotesi è spiegata in un modello di guarigione della frattura. Quando ossa lunghe sono caricati, la parte in tensione diventa elettropositivo ed il elettronegativo lato compressione 20,21, tuttavia, una volta un osso è rotto, il sito rimarrà elettronegativo rispetto all'ambiente circostante fino a guarigione ha avuto inizio riprese e l'omeostasi 21. Simulare la cascata naturale di guarigione con un segnale elettrico è stato creduto di assistere alla deposizione di calcio 22, leggere alterazioni del contenuto di ossigeno e pH 23, il reclutamento di fattori di crescita 22 e assiste alla migrazione degli osteoblasti e la secrezione di ulteriori matrice extracellulare 24.

La premessa che la stimolazione elettrica può governare da sola riparazione completa dell'osso è stato ridefinito e l'ipotesi nuova corrente propone che i sindacati completi sono formati da sollecitazioni meccaniche e una stimolazione elettrica di co-stimolo 19. Gli impulsi elettrici osservate in vivo sono associate a deformazione piezoelettrico di collagene o il grande elettro-cinetica correnti prodotte dai costituenti ionici che scorre porzioni minerali passato della matrice ossea 25. In realtà, i potenziali spontanei sono stati riportati in osso grande come 6 millivolt e si correla con un aumento del tasso di apposizione minerale dell'osso 26.

Opera giovanile di Brighton e Friedenberg 18,21,27,28 utilizzato il concetto di stimolazione elettrica per la rigenerazione ossea negli anni 1960 e 1970 e Demonstrated che la corrente potrebbe essere usata per riparare non i sindacati in un periodo di tempo più breve rispetto ai metodi tradizionali di cura. Ulteriori modelli hanno indagato la formazione ossea con carico restrittive e hanno dimostrato un aumento del 31 per cento dell'attività osteogenico tra controlli e degli arti stimolati elettricamente, 25.

Mentre i ricercatori nel campo della stimolazione elettrica hanno spianato la strada per la comprensione del meccanismo di deposizione osteoblasti matrice con la stimolazione elettrica, la comprensione inadeguata ha limitato l'espansione di questa tecnologia. Mentre ci sono molti casi di guarigione di successo della non-sindacati e modelli di guarigione della frattura, esempi di disagio del paziente e tentativi falliti sono pieni in letteratura come pure 29. Il problema si verifica con la stimolazione elettrica da scienziati e clinici controllare le metriche sbagliato elettrica e concentrarsi unicamente su grandezze corrente. Ricercatori precedenti hanno cercato di corrente come la "pallottola magica" per il fissaggio approssimativo 500.000 non-sindacati che si verificano ogni anno 30. Tuttavia, la ripetibilità tra i modelli è stata limitata da complicazioni riscaldamento joule 31 e non determinare densità di corrente 32. Infatti, tutti i dispositivi fabbricati biomediche deve essere limitata a una densità di corrente inferiore a 2 mA / cm 2 come indicato dalla Commissione elettrotecnica internazionale per prevenire necrosi localizzata del tessuto e il disagio del paziente 33.

A parte assistere con fissazione scheletrica, controllato la stimolazione elettrica può anche impedire l'adesione batterica su protesi ortopediche e ridurre il rischio di osteomielite e formazione di biofilm 34-37. Formazione di biofilm su dispositivi ortopedici portare a complicazioni del paziente e il disagio significativo per coloro che dipendono da questi dispositivi 38. L'accento è posto sulla necessità di avere completamente sterilizzati strumentazione e gli impianti prima dell'intervento 39, tuttavia è spesso difficile da diagnosticare l'adesione dei batteri come è evidente da molti casi negativi in coltura che in effetti sono infettati 40. Questo problema è spesso unito al fatto che i biofilm sono a crescita lenta in natura 40, non può essere accuratamente crescita in vitro 39, dipendono dal tipo di cellule di batteri, la pulizia della superficie e il sistema immunitario della persona colpita 39. Indagine europea amputati transfemorali con la tecnologia oseeointegration rivelare il problema più frequente è l'infezione (frequenti infezioni superficiali, 1 / 3 delle infezioni periprotesica) 41. Mentre ci sono stati grandi miglioramenti in vista chirurgico, l'eliminazione dei batteri è uno dei fattori fondamentali per migliorare l'osteointegrazione dal biofilm sono tra 500-5000 mille volte più difficile da sradicare a causa della loro non-platonico forma 34,35,39. Pertanto, utilizzando la stimolazione elettrica come una modalità per la rimozione di colonie batteriche dannose e aumentando la fissazione scheletrica sono fattori importanti per garantire la tutela della salute del paziente e l'efficacia OIID.

I vantaggi di utilizzare amputati e veterano guerriero sono che la relativa giovinezza e la salute in caso contrario buona di questi individui li rendono una popolazione ideale per la riabilitazione aggressiva e un post percutanea servirà come aiuto ambulatoriale e può essere sviluppato come catodo esposta per la stimolazione elettrica. La presenza di un impianto osteointegrati non richiede ulteriori interventi chirurgici per inserire componenti elettrici, permette al dispositivo di essere controllati dall'esterno e previene ulteriore rischio di infezione 42. Dunque, a comprendere il metodo di iniezione di corrente nel moncone degli amputati veterano e guerriero, un campo elettrico sulla grandezza di 1-10 V / cm possono essere stabiliti, controllato e misurato a livello di interfaccia impianto. Si ipotizza che questo permetterà livelli di sicurezza di energia elettrica da consegnare, in grado di indurre la migrazione degli osteoblasti e migliorare l'attaccamento scheletrico. Un campo elettrico di questo grado aumenterà la quantità e la qualità del tessuto osseo a livello di interfaccia degli impianti, e migliorare le prospettive per la riabilitazione accelerata e la fissazione scheletrica di un amputato. L'uso della stimolazione elettrica non è stata valutata come una modalità per accelerare l'osteointegrazione di un impianto protesico intramidollare e presenta numerose opportunità per la ricerca traslazionale per migliorare la cura del paziente.

Risultati sperimentali

La necessità di modelli specifici paziente con un dispositivo di stimolazione elettrica percutaneo è stato sostenuto nello studio. Le simulazioni sviluppate per il dispositivo proposto biomedico possono avere la capacità di accelerare l'attaccamento scheletrico dalla migrazione degli osteoblasti aumentando e prevenire l'adesione batterica 27,34,36,39. Compmodellazione utation ha effettivamente dimostrato che 1-10 V / cm campi elettrici e densità di corrente inferiore a 2 mA / cm 2 possono essere generati utilizzando l'impianto come un catodo funzionale ed è più omogeneamente distribuito tramite due elettrodi esterni band. Il sistema OIID può essere il primo passo per risolvere il classico problema associato a stimolazione elettrica, l'incapacità di definire percorsi di corrente nel corpo umano 43. Pertanto, stabilendo gli strumenti per migliorare l'attaccamento scheletrico può aiutare con la riduzione della lunghezza della riabilitazione necessaria per una procedura di osteointegrati.

Utilizzando la stimolazione elettrica per gli anziani amputati è anche un aspetto critico che deve essere esplorate pure. La massa ossea è massima dopo un decennio di crescita scheletrica cessa ma si riduce in modo significativo dal decennio ottavo e nono 44. Come ossa lunghe cambiare con l'età, il diametro endosseo tende a crescere più rapidamente del diametro periostale che può portare a impiantare allentamento 45. Questo problema insieme alla riduzione della pressione sulle ossa muscoli più deboli possono contribuire a malattie debilitanti come l'osteoporosi e osteopenia 45 e richiedono ulteriori opzioni di trattamento per i pazienti con impianti osteointegrati. Tuttavia, la stimolazione elettrica controllata e carico meccanico può fungere da catalizzatore sinergico di ongrowth osso e mantenere ossa integrità dell'host letto con pazienti anziani con un sistema OIID.

Disclosures

La tecnologia comunicati in questo articolo, in particolare utilizzando un impianto ortopedico come catodo funzionale a rafforzare il legame scheletrica, ridurre la riabilitazione e prevenire l'adesione batterica è un'idea originale inventato dal primo autore nella presentazione del giornale. Una forma divulgazione invenzione è stata presentata alla University of Utah e di un brevetto provvisorio degli Stati Uniti è stata depositata proteggere tutte le tecnologie resi noti.

Acknowledgments

Questo materiale si basa su ricerche supportato (o in parte sostenuto dal) l'Ufficio commercializzazione della tecnologia, Salt Lake City, UT, Ufficio di Ricerca e Sviluppo, Riabilitazione R & D Service, DVA SLC sistema sanitario, Salt Lake City, UT, Dipartimento della Difesa PRMRP Grant (n. PR054520), il presidente Albert Hofmann & Margaret e il Dipartimento di Ortopedia, University of Utah School of Medicine, Salt Lake City, UT; Supporto tecnico per le simulazioni è stato fornito dal Centro per Integrativo Computing Biomedica di Scientific Computing e Imaging Istituto ed è stato reso possibile in parte dal software dal NIH / NCRR Computing Center for Integrative Biomedica, P41-RR12553-07.

Ulteriori gratitudine è estesa a Gwenevere Shaw per assistenza manoscritto preparazione e Dustin Williams per l'immagine del biofilm.

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Analisi di un Sistema di bioelettrica Osteointegrata Intelligent Design impianto per amputati
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Isaacson, B. M., Stinstra, J. G., MacLeod, R. S., Webster, J. B., Beck, J. P., Bloebaum, R. D. Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees. J. Vis. Exp. (29), e1237, doi:10.3791/1237 (2009).More

Isaacson, B. M., Stinstra, J. G., MacLeod, R. S., Webster, J. B., Beck, J. P., Bloebaum, R. D. Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees. J. Vis. Exp. (29), e1237, doi:10.3791/1237 (2009).

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