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Biology

Bioelectric Analysen eines osseointegrierte Intelligent Implant Design System für Amputierte

doi: 10.3791/1237 Published: July 15, 2009

Summary

Es besteht ein Bedarf an alternativen Prothese Befestigung durch den Verlust des Beines zugeschrieben vaskulären Verschlusskrankheit Krankheiten und Traumata zu entwickeln. Das Ziel der Arbeit ist es, ein osseointegriertes intelligente Implantat-Design-System einzuführen, um Fixation zu erhöhen und periprothetischen Infektion für Patienten benötigen osseointegriert Technologie.

Abstract

Die hochgerechnete Zahl der amerikanischen Amputierte wird voraussichtlich auf 3,6 Millionen bis 2050 steigen. Viele dieser Menschen sind abhängig von Prothesen zu routinemäßigen Tätigkeiten ausführen, aber prothetischen Suspensionen mit traditionellen Sockel-Technologie kann sich als umständlich und unbequem für eine Person mit Verlust des Beines. Außerdem wird in denjenigen mit hoher proximalen Amputationen, kann begrenzt Stumpflänge Exoprothese Befestigung alle zusammen verhindern. Osseointegrierte Implantat-Technologie ist ein neuartiges Operationsverfahren, die Firma Skelett Verbindung zwischen dem Host-Knochen und Implantat ermöglicht. Vorläufige Ergebnisse in europäischen Amputierte mit osseointegrierter Implantate haben sich verbessert klinische Ergebnisse, indem sie die direkte Übertragung von Lasten bis auf die Knochen-Implantat-Interface angezeigt. Trotz der offensichtlichen Vorteile von Osseointegration über Socket-Technologie benötigen die aktuelle Rehabilitationsmaßnahmen lange restriktive tragende vor, die mit beschleunigten Skelett-Anhang über elektrische Stimulation reduziert werden kann. Das Ziel der osseointegriert intelligente Implantat-Design (OIID)-System ist, um das Implantat ein Teil einer elektrischen Anlage zu Skelett-Anlage zu beschleunigen und zu verhindern, periprothetischen Infektion zu machen. Um zu bestimmen, optimale Elektrode Größe und Platzierung, starteten wir proof of concept mit rechnerische Modellierung der elektrischen Felder und Stromdichten, die während der elektrischen Stimulation des Amputierten Stümpfe entstehen. Zur Bereitstellung versichern die Sicherheit der Patienten, wurden die Probanden mit rückwirkender Computertomographie-Scans ausgewählt und dreidimensionale Rekonstruktionen wurden mit maßgeschneiderten Software-Programme, um anatomische Genauigkeit (Seg3D und SCIRun) in einer IRB gewährleisten und HIPAA zugelassen zu studieren. Diese Softwarepakete unterstützen die Entwicklung von Patienten-spezifischen Modelle und erlaubt für die interaktive Manipulation der Elektrode Position und Größe. Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass elektrische Felder und Stromdichten an der Implantat-Schnittstelle generiert werden können, um die homogene elektrische Feld Distributionen erforderlich, um Osteoblastenmigration induzieren, verstärken Fixation und kann helfen zu verhindern periprothetischen Infektionen zu erreichen. Basierend auf der Elektrode Konfigurationen mit in das Modell experimentiert, wird ein externes, zwei Band-Konfiguration in die Zukunft befürwortet werden.

Protocol

Teil 1: mittels Computertomographie (CT) für Amputierte Wiederaufbau

  1. Retrospektive CT-Scans wurden von der University of Utah und Department of Veteran Affairs Krankenhäuser nach Erhalt IRB und HIPAA Zustimmung gesammelt.
  2. CT-Scans wurden ausgewählt, weil sie klare Unterscheidung zwischen Gewebearten auf x-ray Saugfähigkeit Basis zu ermöglichen.
  3. CTs wurden manuell überprüft und in die Studie über die Abwesenheit von metallischen Implantaten zur Bildartefakt verhindern basiert.

Teil 2: Modell-Generation mit Seg3D

  1. Files wurden als DICOM-Bilder heruntergeladen und geladen Seg3D (Version 1.11.0, software.sci.utah.edu) als neues Volumen.
  2. Ein Medianfilter verwendet wurde, um die importierten Mengen vor, glatte Bestimmung geometrisch definierte Gewebestrukturen.
  3. Das Gewebe Grenzen der Knochen, Knochenmark, Organe und Fettgewebe wurden durch Binarisierung der CT-Dateien interaktiv (Abbildung 1) erzeugt.
    Abbildung 1
    Abbildung 1: Ein sagittaler Querschnitt eines Amputierten Stumpf Schwellenwert getrennt und in bestimmten Gewebearten.
  4. Die Muskulatur war durch die manuelle Einstellung Samen Punkte innerhalb der Schwellenwert Muskelgewebe und mit einem Vertrauen verbunden Filter auf alle Gewebe verbunden, um den Samen Punkte zu finden erhalten. Dieser Schritt eliminiert fehlerhafte Gewebe, die bereits zusammengefasst haben können mit dem Muskel an ähnlichen Saugfähigkeit von CTs auf.
  5. Die Haut, die nicht zuverlässig erkennen, aus den CT-Bildern war, wurde durch Erweiterung der äußersten Gewebe 2 Millimeter im Mittel die Dicke der Haut basiert auf einer Schicht von homogener Dicke, dass die vollständige Modell 1 umgeben produzieren generiert.
  6. Segmentierungen wurden manuell geprüft, korrigiert um die Genauigkeit zu gewährleisten und kombiniert in einer Hierarchie in einem einzigen Etikett Karte für Finite-Elemente-Analyse (Abbildung 1) erforderlich.
    Abbildung 2
    Abbildung 2: Repräsentative hierarchisches Modell eines bilateralen Amputierten mit Seg3D erstellt.

Teil 3: Vorbereitung für die Finite-Elemente-Analyse

  1. Ein 10 cm Implantat wurde in Matlab entwickelt, um die implantierte orthopädische Hilfsmittel und Kathode zur elektrischen Stimulation dienen der Einfuhr in SCIRun (Version 4.0, software.sci.utah.edu).

Teil 4: Anbringen der Elektroden & Design

  1. SCIRun wurde für Elektroden-Konstruktion eingesetzt, weil es interaktiv Platzierung der Elektroden und Simulation unterstützt.
  2. Es wurde ein Netzwerk geschaffen und Module mit spezifischen Funktionen organisiert, um die Maschen (Abb. 3) zu generieren. Module wurden wichtig für die Definition Randbedingungen, Gewebe Leitfähigkeiten Netzverfeinerungen, erzeugt Matlab Histogramme, die Aufnahme von Felddaten, etc (Tabelle 1).
    Abbildung 3
    Abbildung 3: Repräsentative Netzwerk-Image aus einer Pilotstudie mit einem Zwei-Band externen Elektroden-Konfiguration.
    Tabelle 1
    Leitfähigkeiten Assigned auf segmentierte Gewebe
    Tissue Type Leitfähigkeiten [S / m]
    Organ 0,22
    Haut 0,26
    Adipose 0,09
    Muskel 0,25
    Corticalis 0,02
    Knochenmark 0,07
  3. Die Konfigurationen für die Elektroden bestand aus einem Patch-Elektrode, zwei aufgesetzte Elektroden, eine kontinuierliche Band und zwei durchgehenden Bands.
  4. Externe Elektrode Bands waren auf dem Stumpf der Modelle von Patient CT-Scans erzeugt aufgetragen und 1,6 cm dick.
  5. Electrode Patches wurden als Band für etwa die Hälfte des Durchmessers des Stumpfes gelegt und waren 3 cm dick.
  6. Die inneren kortikalen Implantat, das die osseointegriert Implantat vertreten war, enossalen Durchmesser wurde für die perfekte Implantat fit zu ermöglichen und füllen 2.

Teil 5: Finite-Elemente-Analyse

  1. Die Simulationen wurden generiert davon aus, dass die elektrische Messgrößen berechnet konnte mit Hilfe eines quasi-statischen Ansatz ohne Zeitabhängigkeit werden.
  2. Das Modell wurde durch die Lösung der Laplace-Gleichung für jedes Gewebe-Typ aus der Seg3D Segmentierungen generiert berechnet.
  3. Die Randbedingungen wurden von den Elektroden, die Strömungen und die Vorgabe, dass Strom in den Körper injiziert blieb gebildet.
  4. Da die Elektroden und das Implantat hatte eine viel größere Leitfähigkeit als das umgebende Gewebe, es war einssumed, dass das Implantat (Kathode) auf einem konstanten Potential wurde ebenfalls die Oberfläche Elektroden wurden mit einer konstanten Potentialdifferenz von der perkutanen Implantation modelliert.
  5. Zur Beurteilung der Wirksamkeit von Elektroden-Anordnung und Dimensionierung, wurden Patienten spezifische Modelle entwickelt und das elektrische Potential um das Implantat-Schnittstelle verwendet wurde, um lokalisierte Feldstärken bestimmen.
  6. Das Modell wurde unter Verwendung eines Netzgenerierung, dass rund 1,8 Millionen Elementen, die als stückweise homogene, ohmsche und isotrop behandelt wurden, bestand.
  7. Die optimale Modell für dieses Experiment wurde mit einer relativen Differenz <5% in Spannungsgradienten mit einer Maschenweite Sensitivitätsstudie bestätigt die Genauigkeit eines Modells (Tabelle 2) zu versichern ausgewählt.
    Tabelle 2
    Mesh-Sensitivity Study für Amputierte Modell
    Gitter Elements Nodes Relative Differenz
    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. Mit einem Solver iterative, wurden die elektrischen Messgrößen in der Finite-Elemente-Modelle für die Elektrode Konfigurationen berechnet.

Discussion

Das Verständnis der Elektrostimulation Paradigm

Verbesserungen in der medizinischen Versorgung und Evakuierung Strategien auf dem Gebiet der Bekämpfung haben zu einer erhöhten Anzahl von Kriegern überlebenden katastrophalen Krieg Verletzungen. Während die verbesserte Überlebensrate ist eine medizinische Fortschritt sind Soldatinnen und Soldaten aus dem Kampf zurück mit Amputationen, dass eine intensive Nachsorge, Rehabilitation umfangreiche und teure prothetische Leistungen aus dem Veteran Affairs Health Care System 3. Congressional Berichte Detail, das über 1.000 kriegsbedingten Amputationen als Folge der Operation Enduring Freedom (OEF) und der Operation Iraqi Freedom (OIF) Konflikte 4 aufgetreten.

Im Falle von OEF und OIF-Veteranen, haben etwa 15% der zurückkehrenden Krieger mehrere Gliedmaßen verloren und eine erhebliche Anzahl der Rücksendung Soldatinnen und Soldaten haben kurze Stümpfe, wo Socket-Technologie ist nicht eine Option oder durch den Patienten abgelehnt worden. Die ausgewiesenen nicht fortgeführten Nutzung der oberen Extremität Prothese sogar mehr als 50%, weil die Fixierungsvorrichtungen umständlich und schwer zu bequem 5 verwenden sind. Untere Extremität Prothesen sind ebenfalls problematisch und die gemeinsamen Probleme mit Weichgewebe-Buchsen verbunden sind die Unfähigkeit, sich auf anspruchsvolle terrain6 gehen, begrenzt Stumpflänge 7, Beschwerden des Patienten 5, Beschäftigung mit nicht-physiologische Belastung 8, Reizung von heterotopen Ossifikationen 9 und Risiko schwächenden Krankheiten 10. Allerdings ist die Osseointegration Technologie eine neuartige OP-Technik, die Schmerzen 11, Hautreizungen 12 zu reduzieren kann, verbessern osseoperception 13, Verbesserung der Mobilität 6. Abnahme Druckstellen mit Steckdosen 6 zugeordnet, die Energiekosten für die Gehfähigkeit 7,14 und besser zu bedienen Veteranen und Krieger mit beschränkter Stumpfes Länge 15.

Trotz der zahlreichen physischen und psychischen Vorteile der Osseointegration, erfordern die damit verbundenen Eingriffe weiter fortgeschritten Infektionsprävention Behandlung streategies 16, erfordern lange Rehabilitationsprogramme und beinhalten restriktive Belastung Protokolle, die letzten der bis zu 1,5 Jahre postoperativ 17. Da die Lebensfähigkeit des Host-Knochen und Länge des Stumpfes ist für Muskelansatz und Funktionalität wichtig, die Entwicklung neuer Geräte zu verbessern Osseointegration ist der Schlüssel für die Rückkehr Soldatinnen und Soldaten. Daher kann die Entwicklung eines intelligenten Implantats osseointegriert Design (OIID) System, welches durch elektrische Stimulation verwendet Verkürzung der Dauer der Rehabilitation und erhöhen Skelett Aufsatz für Veteranen und Krieger Amputierte. Da jedoch kein aktuelles Gerät ist im Handel erhältlich und richtet für den Einsatz mit perkutaner osseointegrierter Implantate, ist die Motivation des Programms zur Sicherheit und Wirksamkeit mit Finite-Elemente-Analyse zu bestätigen.

Das Verständnis der Rolle der elektrischen Stimulation in Knochenumbau, insbesondere die Ablagerung von Osteoid und Mineralisierung, blieb spekulativ. Allerdings kann die elektrische Aktivität in den Knochen beobachtet das Ergebnis der mechanischen Belastung 18,19 und damit einen elektrischen Reiz kann einen wirksamen Mechanismus für die Induktion Knochenreparatur 19 sein werden. Die Logik hinter der Hypothese wird in einer Frakturheilung Modell erklärt. Wenn Röhrenknochen geladen sind, wird die Seite in Spannung elektropositiven und der Druckseite elektronegativen 20,21 jedoch einmal einen Knochen gebrochen ist, die Website bleibt elektronegativen in Bezug auf die Umgebung bis zur Heilung begonnen hat und Homöostase wieder 21. Simulation der natürlichen Heilung Kaskade mit einem elektrischen Signal wurde vermutlich mit Kalziumablagerung 22, leichte Veränderungen im Sauerstoffgehalt und pH 23, Rekrutierung von Wachstumsfaktoren 22 unterstützen und hilft bei der Osteoblastenmigration und Sekretion von zusätzlichen extrazellulären Matrix 24.

Die Prämisse, dass elektrische Stimulation allein kann er die vollständige Knochenheilung zu regieren wurde neu definiert und die aktuelle neue Hypothese schlägt vor, dass komplette Gewerkschaften durch mechanische Belastungen und eine elektrische Stimulation Co-Stimulus 19 gebildet. Die elektrischen Impulse in vivo zu beobachten sind piezoelektrische Verformung von Kollagen oder die großen elektro-kinetische Ströme durch ionische Bestandteile vorbeiströmende mineralische Anteile der Knochenmatrix 25 erzeugt verbunden. In der Tat haben spontane Potentiale in Knochen so groß wie 6 Millivolt und korreliert mit einer Zunahme der Einlagerung von Kalzium aus Knochen 26 berichtet.

Frühe Arbeiten von Brighton und Friedenberg 18,21,27,28 verwendet das Konzept der elektrischen Stimulation für die Knochenregeneration in den 1960er und 1970er Jahre und demonstrated, dass Gleichstrom verwendet werden könnte, nicht die Gewerkschaften in einer kürzeren Zeitspanne zu reparieren, wenn die traditionellen Heilmethoden verglichen werden. Zusätzliche Modelle haben Knochenbildung mit restriktiven Belastung untersucht und zeigte eine 31 Prozent höhere osteogene Aktivität zwischen den Kontrollen und elektrisch stimuliert Schenkel 25.

Während die Forscher auf dem Gebiet der elektrischen Stimulation ebnete den Weg für das Verständnis des Mechanismus für die Osteoblasten-Matrix Abscheidung mit elektrischer Stimulation, hat unzureichende Verständnis der Ausbau dieser Technologie beschränkt. Zwar gibt es viele Fälle von erfolgreicher Heilung von Pseudarthrosen und Frakturheilung Modelle, Beispiele von Beschwerden des Patienten und gescheiterte Versuche sind in der Literatur als auch 29 voll. Das Problem mit elektrischer Stimulation erfolgt von Wissenschaftlern und Klinikern die Steuerung der falschen elektrischen Messgrößen und konzentriert sich ausschließlich auf aktuelle Größen. Frühere Forscher haben die aktuellen als "Wundermittel" zur Festlegung der ungefähren 500.000 auf-Gewerkschaften, die jährlich auftreten 30 aussah. Allerdings hat die Wiederholbarkeit zwischen den Modellen von Joule Heizung Komplikationen 31 beschränkt und nicht die Bestimmung Stromdichten 32. In der Tat müssen alle biomedizinischen Geräte hergestellt, um eine Stromdichte von weniger als 2 mA / cm 2 beschränkt werden, da durch die International Electrotechnical Commission dargelegt, um lokalisierte Gewebsnekrose und Beschwerden des Patienten 33 zu verhindern.

Abgesehen von der Unterstützung bei Fixation können geregelte elektrische Stimulation auch verhindern, dass bakterielle Adhäsion an orthopädischen Implantaten und reduzieren das Risiko für eine Osteomyelitis und Biofilmbildung 34-37. Biofilmbildung auf orthopädische Hilfsmittel, um Patienten Komplikationen und bedeutsamer Weise Leiden für diejenigen, die auf diesen Einrichtungen 38 abhängig sind. Schwerpunkt auf der Notwendigkeit, komplett sterilisiert Instrumente und Implantate vor der Operation 39 ist gesetzt, aber es ist oft schwierig, Bakterien Haftung wie aus vielen negativen kultivierten Fällen, die in der Tat 40 infiziert sind, zu diagnostizieren. Dieses Problem wird oft mit der Tatsache, dass Biofilme langsam wachsenden in der Natur 40, kann nicht genau sein Wachstum in vitro 39, abhängig von der Art der Bakterien-Zellen, die Sauberkeit der Oberfläche und das Immunsystem der betroffenen Person 39 sind gekoppelt. Untersuchung der europäischen Oberschenkelamputierte oseeointegration Technologie zeigen die häufigste Problem ist die Infektion (häufig oberflächliche Infektionen, 1 / 3 periprothetischen Infektionen) 41. Zwar gibt es große Verbesserungen in der chirurgischen Vorbereitung wurden, die Beseitigung der Bakterien ist einer der grundlegenden Faktoren für die Verbesserung der Osseointegration seit Biofilmen zwischen 500-5000 tausendmal schwieriger werden, zu beseitigen aufgrund ihres nicht-platonischen Form 34,35,39. Daher nutzen elektrische Stimulation als Modalität für die Entfernung schädlicher Bakterien-Kolonien und die Erhöhung Fixation sind wichtige Faktoren für die Gewährleistung des Schutzes der Gesundheit der Patienten und OIID Wirksamkeit.

Die Vorteile der Verwendung von Veteranen und Krieger Amputierte sind, dass die relative Jugend und auch sonst eine gute Gesundheit dieser Personen zu einem idealen Bevölkerung für aggressive Rehabilitation und eine perkutane Nachricht wird als eine ambulante Hilfe dienen und kann als eine exponierte Kathode zur elektrischen Stimulation entwickelt werden können. Die Anwesenheit eines osseointegriert Implantat benötigt keine zusätzliche chirurgische Eingriffe an elektrischen Komponenten zu legen, kann das Gerät extern gesteuert werden und verhindert eine weitere Gefahr der Infektion 42. Daher kann durch das Verständnis der Methode der Stromeinspeisung in den Stumpf des Veteranen-und Krieger Amputierte, ein elektrisches Feld von der Größe von 1-10 V / cm hergestellt, kontrolliert und gemessen an der Implantat-Oberfläche. Es wird vermutet, dass dies den sicheren Höchstmengen an Strom zu liefern, zu induzieren vermag Osteoblastenmigration und Verbesserung des Skeletts Anbindung zu ermöglichen. Ein elektrisches Feld von diesem Grad wird die Quantität und Qualität der Knochen an der Implantat-Interface zu erhöhen, und die Aussichten für eine beschleunigte Rehabilitation und Fixation für einen Amputierten. Verwenden der elektrischen Stimulation ist nicht als eine Modalität der Osseointegration in einem intramedullären Prothesenimplantats beschleunigen untersucht worden und stellt zahlreiche Möglichkeiten für translationale Forschung zur Verbesserung der Patientenversorgung.

Experimentelle Ergebnisse

Die Notwendigkeit für den Patienten bestimmte Modelle mit einer perkutanen elektrischen Stimulation Gerät wurde in der Studie unterstützt. Die Simulationen für die vorgeschlagenen biomedizinischen Geräte entwickelt werden, können die Möglichkeiten der Beschleunigung des Skeletts Anlage durch Erhöhung Osteoblastenmigration und verhindert bakterielle Adhäsion 27,34,36,39. Computation Modellierung hat gezeigt, dass effektiv 1-10 V / cm elektrischen Feldern und Stromdichten unterhalb von 2 mA / cm 2 erzeugt wird, kann mit Hilfe des Implantats als funktionelle Kathode und ist den meisten homogen verteilt mit einem Zwei-Band Außenelektrode. Die Unfähigkeit, Strompfade im menschlichen Körper 43 define; Die OIID System kann der erste Schritt zur Lösung des klassischen Problem mit elektrischer Stimulation in Verbindung gebracht werden. Daher kann über Tools zur Steigerung der Skelett-Anlage mit Verkürzung der Rehabilitation für ein osseointegriertes Verfahren verlangt wird.

Mit Hilfe elektrischer Stimulation für ältere Amputierte ist auch ein wichtiger Aspekt, ebenso erforscht werden. Knochenmasse ist maximal ein Jahrzehnt nach Skelettwachstum hört aber deutlich ab von der achten und neunten Jahrzehnt 44. Wie lange Knochen mit dem Alter ändern, neigt der enossalen Durchmesser, um schneller zu erhöhen als die periostale Durchmesser, die zu Implantatlockerungen 45 kann. Dieses Problem mit der Reduzierung der Belastung der Knochen durch eine schwächere Muskeln gekoppelt sein, um schwächenden Krankheiten wie Osteoporose und Osteopenie 45 beitragen und zusätzliche Behandlungsoptionen für Patienten mit osseointegrierter Implantate. Allerdings könnte eine gesteuerte elektrische Stimulation und mechanische Belastung als eine synergistische Katalysator von Knochen Anwachsen handeln und zu pflegen Wirtsknochen Bett Integrität bei älteren Patienten mit einem OIID System.

Disclosures

Die Technik in dem Artikel, insbesondere unter Verwendung einer orthopädischen Implantat als eine funktionale Kathode Skelett Anlage zu erhöhen, reduzieren Rehabilitation und verhindern bakterielle Adhäsion ist eine neue Idee von der erste Autor in der Zeitschrift Vorlage erfunden. Eine Erfindungsmeldung hat an der University of Utah eingereicht und die Vereinigten Staaten vorläufige Patentanmeldung eingereicht wurde zum Schutz aller Technologie bekannt gegeben.

Acknowledgments

Dieses Material ist auf die Forschung unterstützt (oder unterstützt zum Teil von) der Technology Commercialization Office, Salt Lake City, UT, Office of Research und Development, Rehabilitation R & D Service, DVA SLC Health Care System, Salt Lake City, UT, Department of Defense Basis PRMRP Grant (Nr. PR054520), die Albert & Margaret Hofmann Lehrstuhl und der Abteilung für Orthopädie, University of Utah School of Medicine in Salt Lake City, UT; war Technischer Support für die Simulationen durch das Center for Integrative Biomedical Computing of Scientific Computing zur Verfügung gestellt und Imaging-Institut und wurde möglich durch Software von der NIH / NCRR Center for Integrative Biomedical Computing, P41-RR12553-07 in Teil.

Zusätzliche Dankbarkeit ist Gwenevere Shaw für die Unterstützung bei Manuskriptherstellung und Dustin Williams für das Image des Biofilms verlängert.

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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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