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Biology

Analyses Bioelectric d'un système ostéo-intégrés Implant Intelligent Design pour amputés

doi: 10.3791/1237 Published: July 15, 2009

Summary

Il est nécessaire de développer des alternatives attache une prothèse à cause de la perte attribuée à un membre vasculaires occlusives et les traumatismes. Le but de ce travail est d'introduire une osséointégrés système intelligent design de l'implant pour augmenter la fixation du squelette et de réduire les taux d'infection périprothétique pour les patients nécessitant des technologies ostéo-intégrés.

Abstract

Le nombre projeté de personnes amputées américaine devrait augmenter à 3,6 millions en 2050. Beaucoup de ces personnes dépendent de membres artificiels pour effectuer des activités de routine, mais les suspensions de prothèse en utilisant la technologie traditionnelle prise peut s'avérer lourde et inconfortable pour une personne ayant perdu un membre. Par ailleurs, pour ceux qui ont élevé d'amputations proximales, limité la longueur du membre résiduel peut empêcher l'attachement exoprosthesis tous ensemble. Technologie des implants ostéo-intégrés est un roman de procédure opératoire qui permet ferme attachement entre l'os du squelette d'hôte et un implant. Les résultats préliminaires chez les amputés européenne avec implants ostéo-intégrés ont montré des résultats cliniques améliorés en permettant le transfert direct des charges à l'interface os-implant. Malgré les avantages apparents de l'ostéo-intégration sur la technologie socket, les procédures de redressement en cours nécessitent de longues périodes de restriction de charge préalable qui peut être réduit avec l'attachement du squelette accéléré par stimulation électrique. L'objectif de la conception intelligente implant ostéo-intégré (OIID) du système est de faire la part implant d'un système électrique pour accélérer l'attachement du squelette et aider à prévenir l'infection périprothétique. Pour déterminer la taille optimale d'électrode et de placement, nous avons initié une preuve de concept avec la modélisation computationnelle des champs électriques et des densités de courant qui surviennent pendant la stimulation électrique des membres amputés résiduelle. Afin de fournir d'assurer la sécurité des patients, les sujets avec rétrospectives tomodensitométrie ont été sélectionnés et trois dimensions reconstructions ont été créés en utilisant des logiciels personnalisés pour garantir l'exactitude anatomique (Seg3D et SCIRun) dans un IRB et HIPAA approuvé l'étude. Ces packages logiciels pris en charge le développement de modèles spécifiques des patients et a permis la manipulation interactive de la position de l'électrode et la taille. Les résultats préliminaires indiquent que les champs électriques et des densités de courant peuvent être générées à l'interface implant pour atteindre les distributions homogènes champ électrique nécessaire pour induire la migration ostéoblastique, favoriser la fixation du squelette et peut aider à prévenir les infections périprothétique. Basé sur les configurations d'électrodes expérimenté dans le modèle, une configuration à deux bandes extérieures seront préconisées dans le futur.

Protocol

Partie 1: Utilisation tomodensitométrie (TDM) pour les amputés de reconstruction

  1. Rétrospective tomodensitogrammes ont été recueillies auprès de l'Université de l'Utah et hôpitaux du ministère des anciens combattants après l'obtention de la CISR et l'approbation HIPAA.
  2. Tomodensitogrammes ont été choisis parce qu'ils permettent distinction claire entre les types de tissus basée sur X-ray absorption.
  3. TC étaient contrôlées manuellement et inclus dans l'étude fondée sur l'absence d'implants métalliques pour éviter des artefacts de l'image.

Partie 2: Modèle avec génération Seg3D

  1. Fichiers ont été téléchargés sous forme d'images DICOM et chargé dans Seg3D (version 1.11.0, software.sci.utah.edu) comme un nouveau volume.
  2. Un filtre médiane a été utilisée pour lisser les volumes importés avant de déterminer les structures des tissus géométriquement définie.
  3. Les limites des tissus de l'os, la moelle osseuse, les organes et les tissus adipeux ont été générés par seuillage des fichiers CT interactive (Figure 1).
    Figure 1
    Figure 1: Une section sagittale d'une personne amputée du membre résiduel seuillée et séparé en différents types de tissus spécifiques.
  4. La musculature a été obtenue en réglant manuellement les points de graines à l'intérieur du tissu musculaire seuillée et en utilisant une confiance connectés filtre pour trouver tous les tissus raccordés aux points de semences. Cette étape élimine les tissus erronées qui peuvent avoir été regroupés avec le muscle repose sur l'absorption similaires de TC.
  5. La peau, qui a été impossible de discerner de manière fiable à partir des images CT, ont été générés en dilatant les tissus ultrapériphériques 2 millimètres basé sur l'épaisseur moyenne de la peau pour produire une couche d'épaisseur homogène qui a entouré le modèle complet 1.
  6. Segmentations étaient contrôlées manuellement, corrigée pour assurer l'exactitude et combinées dans une hiérarchie dans une carte seule étiquette requise pour l'analyse par éléments finis (figure 1).
    Figure 2
    Figure 2: Représentant d'un modèle hiérarchique amputés bilatéraux créés avec Seg3D.

Partie 3: Préparation de l'analyse par éléments finis

  1. Un implant de 10 cm a été conçu en Matlab pour servir de dispositif orthopédique implanté et la cathode pour la stimulation électrique et importées dans SCIRun (version 4.0, software.sci.utah.edu).

Partie 4: Placement des électrodes & Design

  1. SCIRun a été utilisé pour la conception de l'électrode car il soutient le placement des électrodes interactif et de simulation.
  2. Un réseau a été créé et organisé avec des modules de fonctions spécifiques pour générer le maillage (figure 3). Les modules ont été importants pour la définition des conditions aux limites, les conductivités des tissus, des raffinements maille, générant Matlab histogrammes, les données de terrain d'enregistrement, etc (tableau 1).
    Figure 3
    Figure 3: l'image du réseau représentant d'une étude pilote utilisant une configuration à deux bandes d'électrodes externes.
    Tableau 1
    Assigné à conductivités tissus segmentés
    Type de tissu Conductivités [S / m]
    Orgue 0,22
    Peau 0,26
    Adipeux 0,09
    Muscle 0,25
    L'os cortical 0,02
    Bone Marrow 0,07
  3. Les configurations pour les électrodes se composait d'une électrode d'un patch, deux électrodes de patch, une bande continue et deux bandes continues.
  4. Des bandes d'électrodes externes ont été appliquées à des membres résiduels des modèles générés à partir de scans CT patient et ont été de 1,6 cm d'épaisseur.
  5. Patchs électrodes ont été placées comme une bande couvrant environ la moitié du diamètre du moignon et ont été de 3 cm d'épaisseur.
  6. L'implant cortical interne qui représentait l'implant ostéo-intégré a été mis au diamètre endo-osseux pour permettre ajustement parfait et implants remplir 2.

Partie 5: Finite Element Analysis

  1. Les simulations ont été générées en supposant que les paramètres électriques pourrait être calculé en utilisant une approche quasi-statique, sans la dépendance du temps.
  2. Le modèle a été calculé en résolvant l'équation de Laplace pour chaque type de tissu provenant de la segmentation Seg3D.
  3. Les conditions aux limites ont été formés par les électrodes qui injecte les courants et les lignes directrices que le courant est resté dans le corps.
  4. Depuis les électrodes et l'implant a une conductivité beaucoup plus grande que les tissus environnants, ce fut unessumed que l'implant (cathode) est à un potentiel constant, même les électrodes de surface ont été modélisés avec une différence de potentiel constante de l'implant percutané.
  5. Pour évaluer l'efficacité de la configuration des électrodes et le dimensionnement, le patient modèles spécifiques ont été développés et le potentiel électrique autour de l'interface implant a été utilisé pour déterminer les points forts de terrain localisés.
  6. Le modèle a été généré en utilisant un hexaèdres qui consistait d'environ 1,8 million d'éléments qui ont été traités comme des morceaux homogènes, ohmiques et isotrope.
  7. Le modèle optimal pour cette expérience a été choisi avec une différence relative <5% dans des gradients de tension confirmée par une étude de sensibilité maillage pour assurer l'exactitude du modèle (tableau 2).
    Tableau 2
    Étude de sensibilité de maille pour amputés modèle
    Mesh Éléments Noeuds Différence relative
    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. En utilisant un solveur itératif, les paramètres électriques dans les modèles éléments finis ont été calculées pour les configurations d'électrodes.

Discussion

Comprendre le paradigme de stimulation électrique

Améliorations en matière de soins médicaux et des stratégies d'évacuation sur le terrain de combat ont mené à une augmentation du nombre de guerriers survivants blessés de guerre désastreuse connexes. Alors que le taux de survie amélioré est un progrès de la médecine, les militaires et les femmes sont de retour de combat avec des amputations qui nécessitent un suivi intensif des soins, la réadaptation vaste et coûteux services prothétiques du système de soins de santé d'Anciens Combattants 3. Congrès détails signale que plus de 1000 amputations liées à la guerre ont eu lieu à la suite de l'opération Enduring Freedom (OEF) et l'opération Iraqi Freedom (OIF) des conflits 4.

Dans le cas de l'OEF et les anciens combattants OIF, environ 15% des guerriers qui reviennent ont perdu des membres multiples et un nombre important de retourner les militaires et les femmes ont peu moignons où la technologie socket n'est pas une option ou a été rejetée par le patient. L'utilisation rapporté abandonnées de prothèses des membres supérieurs dépasse même les 50% parce que les dispositifs de fixation sont encombrants et difficiles à utiliser confortablement 5. Prothèses des membres inférieurs sont tout aussi problématiques et les problèmes courants associés aux prises des tissus mous comprennent l'incapacité de marcher sur terrain6 difficile, limité la longueur du membre résiduel 7, l'inconfort du patient 5, souci de non-physiologiques de chargement 8, l'irritation causée par une ossification hétérotopique 9 et le risque de 10 maladies débilitantes. Cependant, la technologie ostéointégration est une nouvelle technique chirurgicale qui peut réduire la douleur 11, 12 irritation de la peau, améliorer osseoperception 13, d'améliorer la mobilité 6, la diminution des plaies de pression associée avec les sockets 6, de réduire l'énergie pour la déambulation 7,14 et de mieux servir vétérans et des guerriers avec peu la longueur du membre résiduel 15.

Malgré les nombreux avantages physiques et psychologiques de l'ostéo-intégration, les procédures associées chirurgicales nécessitent plus avancés streategies prévention des infections de traitement 16, nécessitent des programmes de réhabilitation à long et inclure des protocoles restrictifs roulement de poids qui peut durer jusqu'à 1,5 ans 17 postopératoire. Parce que la viabilité de l'os hôte et la longueur du moignon est important pour la fixation des muscles et la fonctionnalité, le développement de nouveaux dispositifs pour améliorer l'ostéointégration est la clé pour le retour des militaires et des femmes. Par conséquent, le développement d'une conception intelligente implants ostéo-intégré (OIID) système qui utilise la stimulation électrique contrôlée peut réduire la durée de la réadaptation et à augmenter l'attachement du squelette pour les vétérans et les amputés guerrier. Toutefois, puisque aucun appareil actuel est disponible commercialement et réalisé pour une utilisation avec des implants percutanés ostéo-intégrés, la motivation de ce programme est de confirmer l'innocuité et l'efficacité de l'analyse par éléments finis.

Comprendre le rôle de la stimulation électrique dans le remodelage osseux, en particulier le dépôt de osteoids et la minéralisation, est restée spéculative. Cependant, l'activité électrique observée dans les os peuvent être le résultat d'une sollicitation mécanique 18,19 et donc un stimulus électrique peut être un mécanisme efficace pour la réparation osseuse induisant 19. La logique derrière cette hypothèse est expliqué dans un modèle de guérison de la fracture. Lorsque les os longs sont chargés, du côté en tension devient électropositif et l'électronégatifs côté de la compression 20,21, cependant, une fois un os est cassé, le site restera électronégatif à l'égard de l'environnement jusqu'à la guérison a commencé et l'homéostasie repris 21. Simuler la cascade de guérison naturelle avec un signal électrique qui a été cru pour aider avec 22 dépôts de calcium, de légères modifications dans la teneur en oxygène et le pH 23, le recrutement de facteurs de croissance 22 et aide à la migration ostéoblastique et la sécrétion de matrice extracellulaire supplémentaires 24.

La prémisse que la stimulation électrique seul pouvait régissent la réparation osseuse complète a été redéfinie et l'hypothèse actuelle propose que de nouveaux syndicats complète sont formées par des charges mécaniques et une stimulation électrique de co-stimulation 19. Les impulsions électriques observés in vivo sont associés à la déformation piézoélectrique de collagène ou de la grande électro-cinétique produite par les courants constituants ioniques coule portions minérale passé de la matrice osseuse 25. En fait, les potentiels spontanés ont été signalés dans l'os aussi grand que 6 millivolts et corrèle avec une augmentation du taux d'apposition minérale de l'os 26.

Les premiers travaux de Brighton et Friedenberg 18,21,27,28 utilisé le concept de la stimulation électrique pour la régénération osseuse dans les années 1960 et 1970 et demonstrated que le courant direct pourrait être utilisé pour réparer les syndicats non dans une courte période de temps par rapport aux méthodes traditionnelles de guérison. D'autres modèles ont enquêté sur la formation osseuse avec port de poids restrictif et a démontré une augmentation de 31 pour cent dans l'activité ostéogénique entre les contrôles et les membres stimulé électriquement 25.

Bien que les chercheurs dans le domaine de la stimulation électrique ont ouvert la voie à la compréhension du mécanisme de dépôt de matrice ostéoblastes avec une stimulation électrique, une mauvaise compréhension a limité l'expansion de cette technologie. Bien qu'il existe de nombreux cas de guérison réussie de la non-syndicats et des modèles de guérison des fractures, des exemples de l'inconfort du patient et de vaines tentatives sont remplis dans la littérature aussi bien 29. Le problème survient avec une stimulation électrique des scientifiques et des cliniciens contrôler les paramètres électriques et mauvais se concentrer uniquement sur les grandeurs actuelles. Les chercheurs précédents ont regardé au courant que la "balle magique" pour la fixation du 500000 approximative non des syndicats qui se produisent chaque année 30. Cependant, la répétabilité entre les modèles a été limitée à des complications Joule 31 et non pour déterminer les densités de courant 32. En fait, tous les dispositifs fabriqués biomédicaux doivent être limitées à une densité de courant inférieure à 2 mA / cm 2 comme indiqué par la Commission électrotechnique internationale pour éviter une nécrose tissulaire localisée et 33 inconfort du patient.

Mis à part aider à la fixation du squelette, la stimulation électrique contrôlée peut également empêcher l'adhésion bactérienne sur les implants orthopédiques et de réduire le risque d'ostéomyélite et la formation de biofilm 34-37. La formation du biofilm sur les appareils orthopédiques entraîner des complications des patients et une détresse importante pour ceux qui dépendent de ces 38 appareils. L'accent est mis sur la nécessité d'avoir complètement stérilisé l'instrumentation et des implants avant la chirurgie 39, mais il est souvent difficile à diagnostiquer l'adhérence des bactéries comme le montrent de nombreux cas négatifs en culture qui sont en fait infectées 40. Ce problème est souvent couplé avec le fait que les biofilms sont à croissance lente dans la nature 40, ne peut pas être la croissance in vitro de précision 39, dépendent du type de cellules de bactéries, de la propreté de la surface et le système immunitaire de la personne concernée 39. Enquête sur les personnes amputées européenne transfémorale avec la technologie oseeointegration révéler le problème le plus fréquent est l'infection (fréquent infections superficielles, 1 / 3 des infections périprothétiques) 41. Même s'il ya eu de grandes améliorations dans la préparation chirurgicale, l'éradication des bactéries est un des facteurs fondamentaux pour l'amélioration de l'ostéo-intégration, depuis les biofilms sont entre 500-5000 mille fois plus difficile à éradiquer en raison de leur non-platonicienne forme 34,35,39. Par conséquent, en utilisant la stimulation électrique en tant que modalité pour éliminer les colonies bactériennes nocives et d'augmenter la fixation du squelette sont des facteurs importants pour assurer la protection de la santé des patients et l'efficacité OIID.

Les avantages d'utiliser les amputés vétéran et guerrier sont que la jeunesse relative et ailleurs en bonne santé de ces personnes rendent une population idéale pour la réhabilitation agressive et un poste percutanée servira comme aide ambulatoire et peut être développé comme une cathode exposés pour la stimulation électrique. La présence d'un implant ostéo-intégré ne nécessite pas de procédures chirurgicales supplémentaires pour insérer des composants électriques, permet à l'appareil d'être contrôlé de façon externe et empêche d'autres risques d'infection 42. Par conséquent, par la compréhension de la méthode d'injection de courant dans le moignon des amputés vétéran et guerrier, un champ électrique sur l'ampleur de 1-10 V / cm peut être établie, contrôlée et mesurée à l'interface implant. L'hypothèse est que cela permettra des niveaux sûrs d'électricité à livrer, capable d'induire la migration ostéoblastique et l'amélioration de l'attachement du squelette. Un champ électrique de ce diplôme va augmenter la quantité et la qualité de l'os à l'interface implant, et améliorer les perspectives de réinsertion accélérée et la fixation du squelette d'une personne amputée. L'utilisation de la stimulation électrique n'a pas été étudié en tant que modalité d'accélérer l'ostéointégration de l'implant intramédullaire prothétiques et présente de nombreuses possibilités de recherche translationnelle pour améliorer les soins aux patients.

Résultats expérimentaux

La nécessité pour le patient des modèles spécifiques avec un dispositif de stimulation électrique percutanée a été soutenue dans l'étude. Les simulations développées pour le dispositif proposé biomédicale peut avoir les capacités d'accélérer l'attachement du squelette par la migration croissante des ostéoblastes et d'empêcher l'adhésion bactérienne 27,34,36,39. CompModélisation utation a effectivement montré que 10 à 10 V / cm champs électriques et des densités de courant inférieur à 2 mA / cm 2 peuvent être générés en utilisant l'implant comme une cathode fonctionnelle et est le plus distribuée de façon homogène à l'aide d'une électrode à deux bandes externes. Le système peut être OIID la première étape pour résoudre le problème classique associé à une stimulation électrique, l'incapacité à définir les voies actuelles dans le corps humain 43. Par conséquent, établir des outils pour améliorer l'attachement du squelette peut aider à réduire la durée de la réhabilitation nécessaire à une procédure d'ostéo-intégrés.

Utilisant la stimulation électrique pour les plus âgés amputés est également un aspect essentiel qui doit être explorée aussi bien. La masse osseuse est maximale de dix ans après la croissance du squelette, mais cesse diminue de manière significative par les huitième et neuvième années 44. Comme les os longs changent avec l'âge, le diamètre endo-osseux tend à augmenter plus rapidement que le diamètre du périoste qui peut conduire à son descellement 45. Ce problème couplé à la réduction de la pression sur les os par la faiblesse des muscles peut contribuer à des maladies invalidantes telles que l'ostéoporose et l'ostéopénie 45 et nécessitent des options de traitement supplémentaires pour les patients avec des implants ostéo-intégrés. Cependant, la stimulation électrique contrôlée et le chargement mécanique peut agir comme un catalyseur synergique de ongrowth os et de maintenir l'intégrité d'hôte lit osseux chez les patients âgés en utilisant un système OIID.

Disclosures

La technologie décrite dans l'article, plus précisément en utilisant un implant orthopédique comme une cathode fonctionnelle pour augmenter l'attachement du squelette, de réduire de réhabilitation et d'empêcher l'adhésion bactérienne est une idée originale inventée par le premier auteur dans la présentation du journal. Un formulaire de déclaration d'invention a été présentée à l'Université de l'Utah et un brevet américain provisoire a été déposée protéger toutes les technologies divulguées.

Acknowledgments

Ce matériau est basé sur la recherche soutenue (ou soutenu en partie par) l'Office de commercialisation des technologies, de Salt Lake City, UT, Bureau de la recherche et le développement, la réhabilitation de R & D Service, DVA SLC Système de soins de santé, de Salt Lake City, UT, ministère de la Défense PRMRP Grant (n ° PR054520), le président Albert Hofmann & Margaret et le Département d'orthopédie de l'Université de l'Utah School of Medicine, à Salt Lake City, UT, le soutien technique pour les simulations ont été fournis par le Center for Biomedical Computing intégrative de l'Informatique Scientifique et imagerie Institut et a été rendue possible en partie par le logiciel à partir du Centre des NIH / NCRR pour l'informatique biomédicale intégrative, P41-RR12553-07.

Reconnaissance supplémentaire est étendu à Gwenevere Shaw pour l'assistance avec le manuscrit de la préparation et Dustin Williams pour l'image du biofilm.

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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

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