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Biology

Los análisis bioeléctricos de una osteointegrados Sistema Inteligente diseño de los implantes para Amputados

doi: 10.3791/1237 Published: July 15, 2009

Summary

Hay una necesidad de desarrollar otras alternativas de conexión prótesis debido a la pérdida de una extremidad atribuidas a enfermedades vasculares oclusivas y trauma. El objetivo del trabajo es la introducción de un sistema inteligente osteointegrados diseño de los implantes para aumentar la fijación esquelética y reducir las tasas de infección periprotésica para pacientes que necesitan la tecnología osteointegrados.

Abstract

El número proyectado de los amputados de América se espera que aumente a 3,6 millones en 2050. Muchas de estas personas dependen de miembros artificiales para llevar a cabo las actividades de rutina, pero las suspensiones de prótesis con tecnología de socket tradicionales puede resultar engorroso e incómodo para una persona con pérdida de extremidades. Por otra parte, para las personas con amputaciones de alta proximal, longitud limitada extremidad residual puede impedir la adhesión exoprosthesis todos juntos. Tecnología osteointegrados implante es un procedimiento quirúrgico novedoso que permite la adhesión firme del esqueleto entre el hueso receptor y un implante. Los resultados preliminares de amputados Europea con implantes oseointegrados han mostrado mejores resultados clínicos, permitiendo la transferencia directa de cargas en la interfaz hueso-implante. A pesar de las aparentes ventajas de la osteointegración en la tecnología de socket, los procedimientos de rehabilitación actuales requieren largos períodos de restricción de carga antes de que se puede reducir con apego acelerado del esqueleto a través de la estimulación eléctrica. El objetivo de (OIID) el diseño de implantes osteointegrados sistema inteligente es hacer la parte del implante de un sistema eléctrico para acelerar la unión del esqueleto y prevenir la infección periprotésica. Para determinar el tamaño y la ubicación óptima de los electrodos, se inició una prueba de concepto con el modelado computacional de los campos eléctricos y densidades de corriente que se presenten durante la estimulación eléctrica de las extremidades amputado residual. A fin de proporcionar garantizar la seguridad del paciente, los sujetos con retrospectiva la tomografía computarizada se han seleccionado y tres reconstrucciones tridimensionales creadas con programas de software a medida para asegurar la precisión anatómica (Seg3D y SCIRun) en el IRB y HIPAA aprobó el estudio. Estos paquetes de software de apoyo al desarrollo de modelos específicos del paciente y permite la manipulación interactiva de la posición de los electrodos y el tamaño. Los resultados preliminares indican que los campos eléctricos y densidades de corriente se puede generar en la interfaz implante para lograr la distribución homogénea del campo eléctrico necesario para inducir la migración de osteoblastos, mejorar la fijación esquelética y puede ayudar a prevenir las infecciones periprotésicas. Basado en las configuraciones de electrodos experimentado en el modelo, una configuración de dos bandas exteriores se defendió en el futuro.

Protocol

Parte 1: El uso de la tomografía computarizada (TC) para Amputado Reconstrucción

  1. Retrospectiva de la TC se obtuvieron de la Universidad de Utah y el Departamento de Asuntos de Veteranos de los hospitales después de obtener la aprobación del IRB y la HIPAA.
  2. Las tomografías computarizadas fueron seleccionados debido a que permiten una clara distinción entre los tipos de tejidos basados ​​en rayos X absorción.
  3. TC fueron inspeccionados de forma manual y se incluyen en el estudio basado en la ausencia de los implantes de metal para evitar que los artefactos de la imagen.

Parte 2: Generación de modelos con Seg3D

  1. Los archivos fueron descargados en las imágenes Dicom y se cargan en Seg3D (versión 1.11.0, software.sci.utah.edu) como un nuevo volumen.
  2. Un filtro de mediana se utiliza para suavizar los volúmenes de importación antes de determinar geométricamente definidas las estructuras de tejido.
  3. Los límites del tejido del hueso, la médula ósea, órganos y tejido adiposo fueron generados por el umbral de forma interactiva los archivos CT (Figura 1).
    Figura 1
    Figura 1: Una sección sagital de un miembro amputado un umbral residual y se dividieron en tipos específicos de tejido.
  4. La musculatura se obtuvo mediante la configuración manual de los puntos de la semilla en el interior del tejido muscular y un umbral con una confianza conectados filtro para encontrar todos los tejidos conectados a los puntos de la semilla. Este paso elimina los tejidos erróneos que pueden haber sido agrupados con el músculo sobre la base de absorción similares de TI.
  5. La piel, lo cual era imposible de discernir de forma fiable a partir de las imágenes de TC, fue generado por la dilatación de los tejidos exteriores de 2 milímetros de grosor de la piel basado en promedio para producir una capa de espesor homogéneo que rodeaba todo el modelo 1.
  6. Segmentaciones fueron inspeccionados de forma manual, corregido para asegurar la exactitud y se combinan en una jerarquía en un mapa sola etiqueta requerida para el análisis de elementos finitos (figura 1).
    Figura 2
    Figura 2: Modelo Representante jerárquica de un amputado bilateral creado con Seg3D.

Parte 3: Preparación para el análisis de elementos finitos

  1. Un implante de 10 cm fue diseñado en Matlab para servir como dispositivo ortopédico implanta y el cátodo de estimulación eléctrica e importados en SCIRun (versión 4.0, software.sci.utah.edu).

Parte 4: colocación de los electrodos y Diseño

  1. SCIRun se utilizó para el diseño de los electrodos, ya que admite la colocación de electrodos interactivas y de simulación.
  2. Se creó una red y los módulos organizados con funciones específicas para generar la malla (Figura 3). Los módulos fueron importantes para definir las condiciones de contorno, la conductividad del tejido, el refinamiento de malla, la generación de Matlab histogramas, grabación de datos de campo, etc (Tabla 1).
    Figura 3
    Figura 3: imagen de red Representante de un estudio piloto utilizando una configuración de dos bandas de electrodos externos.
    Tabla 1
    Conductividades asignados a los tejidos segmentado
    Tipo de tejido Conductividades [S / m]
    Órgano 0.22
    Piel 0.26
    Adiposo 0.09
    Músculo 0.25
    El hueso cortical 0.02
    De médula ósea 0.07
  3. Las configuraciones de los electrodos consiste en un electrodo de un parche, dos electrodos de parche, una banda continua y dos bandas continuas.
  4. Bandas externas de electrodos se aplicaron en el muñón de los modelos generados a partir de los pacientes la TC y fueron de 1,6 cm de espesor.
  5. Parches de los electrodos fueron colocados en una franja que cubre aproximadamente la mitad del diámetro de la extremidad residual y fueron de 3 cm de espesor.
  6. El implante cortical interna que representa el implante osteointegrado fue establecido en diámetro endoóseo para permitir el ajuste perfecto del implante y llenar 2.

Parte 5: Análisis de elementos finitos

  1. Las simulaciones se han generado el supuesto de que las mediciones eléctricas se podría calcular con un enfoque cuasi-estático, sin dependencia del tiempo.
  2. El modelo se calculó mediante la resolución de la ecuación de Laplace para cada tipo de tejido generados a partir de las segmentaciones Seg3D.
  3. Las condiciones de frontera fueron formados por los electrodos que inyecta corrientes y las directrices que la corriente se mantuvo dentro del cuerpo.
  4. Dado que los electrodos y el implante se una conductividad mucho mayor que los tejidos circundantes, se trataba de unassumed que el implante (cátodo) se encontraba en un potencial constante, del mismo modo que los electrodos de superficie se modela con una diferencia de potencial del implante percutáneo.
  5. Para evaluar la eficacia de la configuración de los electrodos y el tamaño, el paciente se han desarrollado modelos específicos y el potencial eléctrico en torno a la interfase del implante se utilizó para determinar los puntos fuertes localizados sobre el terreno.
  6. El modelo se ha generado mediante una malla de hexaedros que consistía en aproximadamente 1,8 millones de elementos que fueron tratados como trozos homogéneos, óhmica e isótropo.
  7. El modelo óptimo para este experimento fue seleccionado con una diferencia relativa <5% en los gradientes de tensión confirmado con un estudio de sensibilidad de malla para asegurar la exactitud del modelo (Tabla 2).
    Tabla 2
    Malla de estudio de sensibilidad para Amputado Modelo
    Malla Elementos Nodos Diferencia 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. Utilizando un proceso iterativo solver, los indicadores eléctricos en los modelos de elementos finitos se calcularon para las configuraciones de electrodos.

Discussion

La comprensión del paradigma Estimulación Eléctrica

Mejoras en la atención médica y las estrategias de evacuación en el campo de combate han conducido a un mayor número de guerreros supervivientes lesiones catastróficas relacionadas con la guerra. Mientras que la tasa de supervivencia es un avance médico, hombres y mujeres regresan de combate con amputaciones que necesitan un seguimiento intensivo de atención, rehabilitación extensa y costosa servicios de prótesis del Sistema de Atención de Asuntos de Veteranos de la Salud 3. Informes detallados del Congreso que más de 1.000 amputaciones relacionadas con la guerra se han producido como resultado de la Operación Libertad Duradera (OEF) y la Operación Libertad Iraquí (OIF), los conflictos 4.

En el caso de la Operación Libertad Duradera y los veteranos de la OIF, aproximadamente el 15% de los guerreros que regresan han perdido sus extremidades múltiples y un número significativo de hombres y mujeres que regresan tienen un corto muñón donde la tecnología de socket no es una opción, o ha sido rechazada por el paciente. La utilización del producto descontinuado de la extremidad superior de la prótesis, incluso supera el 50% debido a los dispositivos de fijación son engorrosos y difíciles de usar cómodamente a 5. Prótesis de la extremidad inferior son igualmente problemáticas y los problemas comunes asociados con tomas de tejidos blandos incluyen la incapacidad para caminar sobre el reto terrain6, la duración limitada muñón 7, el malestar del paciente 5, la preocupación por no fisiológica de carga 8, irritación de la osificación heterotópica 9 y el riesgo de enfermedades debilitantes 10. Sin embargo, la tecnología de la osteointegración es una nueva técnica quirúrgica que puede reducir el dolor 11, irritación de la piel 12, 13 osseoperception mejorar, mejorar la movilidad 6, disminución de las úlceras por presión asociados con tomas de corriente 6, reducir el consumo energético para la deambulación 7,14 y servir mejor a los guerreros veteranos y con limitada longitud de la extremidad residual 15.

A pesar de las numerosas ventajas físicas y psicológicas de la osteointegración, los procedimientos quirúrgicos asociados requieren más avanzado de infección por streategies tratamiento de prevención 16, exigen que los programas de rehabilitación de largo y son restrictivas protocolos que soportan el peso que puede durar hasta 1,5 años post-operatorio 17. Debido a que la viabilidad del hueso del huésped y la longitud de la extremidad residual es importante para la inserción muscular y la funcionalidad, el desarrollo de nuevos dispositivos para mejorar la osteointegración es la clave para el retorno de hombres y mujeres. Por lo tanto, el desarrollo de un diseño inteligente implante osteointegrado (OIID), sistema que utiliza la estimulación eléctrica controlada puede reducir la duración de la rehabilitación y aumentar la vinculación del esqueleto para el veterano guerrero y amputados. Sin embargo, dado que no hay ningún dispositivo disponible en el mercado actual y dirigido para el uso con implantes osteointegrados percutánea, la motivación de este programa es para confirmar la seguridad y la eficacia con análisis de elementos finitos.

La comprensión del papel de la estimulación eléctrica en la remodelación ósea, en concreto la deposición de osteoids y la mineralización, se ha mantenido especulativo. Sin embargo, la actividad eléctrica observada en el hueso puede ser el resultado de la carga mecánica 18,19 y por lo tanto un estímulo eléctrico puede ser un mecanismo eficaz para inducir la reparación ósea 19. La lógica detrás de la hipótesis se explica en un modelo de curación de la fractura. Cuando los huesos largos se cargan, al lado de la tensión llega a ser electropositivo y electronegativo el lado de compresión 20,21, sin embargo, una vez que se rompe un hueso, el sitio seguirá siendo electronegativo con respecto al medio ambiente circundante hasta que la curación ha comenzado, y reanudó la homeostasis 21. Simulación de la cascada de curación natural con una señal eléctrica que se ha creído para ayudar a la deposición de calcio 22, ligeras alteraciones en el contenido de oxígeno y pH 23, el reclutamiento de factores de crecimiento y 22 asistencias con la migración de osteoblastos y la secreción de la matriz extracelular 24 adicionales.

La premisa de que la estimulación eléctrica por sí solo podría gobernar completa reparación ósea se ha redefinido y la nueva hipótesis actual propone que los sindicatos se completa formada por cargas mecánicas y una estimulación eléctrica de co-estímulo 19. Los impulsos eléctricos observados en vivo están asociados con la deformación piezoeléctrica de colágeno o el gran electro-cinética producida por las corrientes iónicas que fluyen partes constituyentes últimos mineral de la matriz ósea 25. De hecho, los potenciales espontáneos se han reportado en el hueso del tamaño de 6 milivoltios y se correlaciona con un aumento en la tasa de aposición mineral del hueso 26.

Los primeros trabajos de Brighton y Friedenberg 18,21,27,28 utilizado el concepto de estimulación eléctrica para la regeneración ósea en los años 1960 y 1970, y demonstrated corriente que podría ser utilizado para reparar los sindicatos no en un corto periodo de tiempo en comparación con los métodos tradicionales de curación. Modelos adicionales han investigado la formación de hueso con la carga de peso restrictiva y ha demostrado un aumento de treinta y uno por ciento en la actividad osteogénica entre los controles y de los miembros estimulados eléctricamente 25.

Mientras que los investigadores en el campo de la estimulación eléctrica han allanado el camino para la comprensión del mecanismo de deposición osteoblástica de la matriz con la estimulación eléctrica, falta de comprensión ha limitado la expansión de esta tecnología. Si bien hay muchos casos de curación con éxito de la no-sindicatos y los modelos de fractura de la curación, los ejemplos de las molestias del paciente y los intentos fallidos están repletos en la literatura y 29. El problema se produce con la estimulación eléctrica de los científicos y los médicos el control de los indicadores eléctricos mal y concentrarse únicamente en las magnitudes actuales. Investigaciones previas han examinado a la actual como la "bala mágica" para la fijación de los aproximadamente 500.000 no los sindicatos, que se producen anualmente 30. Sin embargo, la repetibilidad entre los modelos se ha visto limitado debido a complicaciones calefacción del julio 31 y no la determinación de densidades de corriente 32. De hecho, todos los dispositivos biomédicos fabricados debe limitarse a una densidad de corriente de menos de 2 mA / cm 2 como se indica por la Comisión Electrotécnica Internacional para prevenir la necrosis de los tejidos localizados y molestias para el paciente 33.

Aparte de ayudar en la fijación esquelética, la estimulación eléctrica controlada también puede impedir la adherencia de bacterias en implantes ortopédicos y reducir el riesgo de padecer esta enfermedad y la formación de biofilm 34-37. Formación de biopelículas en los dispositivos ortopédicos dar lugar a complicaciones del paciente y una angustia significativa para aquellos que dependen de estos 38 dispositivos. Se hace hincapié en la necesidad de tener completamente esterilizado instrumentos e implantes antes de la cirugía de 39 años, sin embargo, es a menudo difícil de diagnosticar adhesión bacterias como se desprende de muchos de los casos negativos cultivo que de hecho están infectadas 40. Este problema es a menudo junto con el hecho de que las biopelículas son de crecimiento lento en la naturaleza de 40 años, no puede haber crecimiento con precisión in vitro de 39 años, dependerá del tipo de las células de las bacterias, limpieza de la superficie y el sistema inmunológico de la persona afectada 39. Investigación de Europa amputados transfemoral con la tecnología oseeointegration revelan el problema más frecuente es la infección (frecuentes infecciones superficiales, 1 / 3 infecciones periprotésicas) 41. Aunque ha habido grandes mejoras en la preparación quirúrgica, la erradicación de la bacteria es uno de los factores fundamentales para mejorar la osteointegración ya que las biopelículas son entre 500-5000 mil veces más difícil de erradicar debido a su falta de forma platónica 34,35,39. Por lo tanto, la utilización de la estimulación eléctrica como una modalidad para la eliminación de colonias de bacterias dañinas y el aumento de la fijación esquelética son factores importantes para garantizar la protección de la salud del paciente y la eficacia OIID.

Las ventajas de usar amputados y veterano guerrero es que la relativa juventud y la salud de otra manera bueno de estas personas hacen una población ideal para una rehabilitación agresiva y un puesto percutánea servirá de ayuda ambulatoria y puede ser desarrollado como un cátodo expuestos para la estimulación eléctrica. La presencia de un implante osteointegrado no requiere de procedimientos quirúrgicos adicionales para insertar los componentes eléctricos, permite que el dispositivo se controla externamente y evita el riesgo de la infección 42. Por lo tanto, comprender el método de inyección de corriente en el muñón de los amputados y veterano guerrero, un campo eléctrico de la magnitud de 10 a 10 V / cm se puede establecer, controlar y medir en la superficie del implante. Se presume que esto permitirá que los niveles de seguridad de la electricidad que se entregarán, capaces de inducir la migración de osteoblastos y la mejora de fijación esquelética. Un campo eléctrico de esta titulación se incrementará la cantidad y calidad del hueso en la superficie del implante, y mejorar las perspectivas de rehabilitación acelerada y la fijación esquelética de un amputado. El uso de la estimulación eléctrica no ha sido investigada como una modalidad para acelerar la osteointegración de un implante intramedular de prótesis y presenta numerosas oportunidades para la investigación traslacional para mejorar la atención al paciente.

Resultados experimentales

La necesidad de modelos específicos de pacientes con un dispositivo de estimulación eléctrica percutánea fue apoyada en el estudio. Las simulaciones desarrolladas para el dispositivo biomédico propuesta puede tener la capacidad de acelerar la fijación esquelética de migración de osteoblastos y aumentar la prevención de la adhesión bacteriana 27,34,36,39. Compmodelado utation efectivamente ha demostrado que 1-10 V / cm campos eléctricos y densidades de corriente por debajo de 2 mA / cm 2 puede ser generado mediante el implante de un cátodo funcional y es más homogéneamente distribuida utilizando un electrodo de dos bandas exteriores. El sistema OIID puede ser el primer paso para resolver el problema clásico asociado con la estimulación eléctrica, la incapacidad de definir las vías de corriente en el cuerpo humano 43. Por lo tanto, el establecimiento de herramientas para mejorar la fijación esquelética puede ayudar a reducir la duración de la rehabilitación requiere de un procedimiento de osteointegrados.

La utilización de la estimulación eléctrica de la tercera edad amputados también es un aspecto crítico que debe ser explorado también. La masa ósea es máxima después de una década el crecimiento del esqueleto, pero deja disminuye de manera significativa por la octava y novena década 44. Como los huesos largos cambian con la edad, el diámetro endoóseo tiende a aumentar más rápidamente que el diámetro del periostio que puede llevar a aflojamiento del implante 45. Este problema, junto con la reducción de la tensión en los huesos por el debilitamiento de los músculos puede contribuir a enfermedades debilitantes como la osteoporosis y la osteopenia, 45 y necesita otras opciones de tratamiento para pacientes con implantes oseointegrados. Sin embargo, la estimulación controlada eléctrica y carga mecánica puede actuar como un catalizador de sinergias ongrowth ósea y mantener la integridad del host hueso cama con pacientes de edad avanzada con un sistema de OIID.

Disclosures

La tecnología divulgada en el artículo, específicamente la utilización de un implante ortopédico como cátodo funcional para aumentar la vinculación del esqueleto, reducir la rehabilitación y prevenir la adhesión bacteriana es una idea nueva inventada por el primer autor en la presentación de la revista. Una forma de divulgación de la invención ha sido presentada a la Universidad de Utah y una patente provisional de Estados Unidos se ha presentado la protección de toda la tecnología de revelado.

Acknowledgments

Este material está basado en la investigación apoyada (o apoyado en parte por) la Oficina de Tecnología de Comercialización, Salt Lake City, UT, Oficina de Investigación y Desarrollo, Rehabilitación de investigación y de servicio D, DVA SLC Sistema de Cuidado de la Salud, Salt Lake City, UT, del Departamento de Defensa PRMRP Grant (N º PR054520), el Presidente Albert Hofmann y Margaret y el Departamento de Ortopedia de la Universidad de Utah, Facultad de Medicina de Salt Lake City, UT, apoyo técnico para las simulaciones fue proporcionada por el Centro de Informática Biomédica Integral de Computación Científica e Imagen del Instituto y se hizo posible en parte por el software del Centro de NIH / CNRR de Informática Biomédica Integral, P41-RR12553-07.

Reconocimiento adicional se extiende a Gwenevere Shaw para obtener ayuda con la preparación de manuscritos y Dustin Williams para la imagen de la biopelícula.

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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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