वहाँ एक वैकल्पिक कृत्रिम अंग अंग हानि संवहनी occlusive रोग और मानसिक आघात के लिए जिम्मेदार ठहराया कारण लगाव विकसित करने की आवश्यकता है. काम के लक्ष्य के लिए एक बुद्धिमान प्रत्यारोपण osseointegrated डिजाइन प्रणाली शुरू करने के लिए कंकाल निर्धारण को बढ़ाने के लिए और osseointegrated प्रौद्योगिकी की जरूरत रोगियों के लिए periprosthetic संक्रमण दरों को कम करना है.
बिजली उत्तेजना प्रतिमान को समझना
चिकित्सा देखभाल और से निपटने के मैदान पर निकासी रणनीति में संवर्द्धन विनाशकारी युद्ध से संबंधित चोटों जीवित योद्धाओं की एक वृद्धि की संख्या के लिए नेतृत्व किया है. जबकि जीवित रहने की दर में सुधार एक चिकित्सा उन्नति है, सैनिकों और महिलाओं का मुकाबला से अंगविच्छेद जैसी शल्यक्रियाओं की आवश्यकता है कि के साथ लौट रहे हैं वयोवृद्ध मामलों स्वास्थ्य देखभाल प्रणाली 3 से गहन देखभाल, व्यापक पुनर्वास और महंगी कृत्रिम सेवाओं अप का पालन करें. कांग्रेस की रिपोर्ट विस्तार है कि 1,000 से अधिक युद्ध से संबंधित अंगविच्छेद जैसी शल्यक्रियाओं ऑपरेशन एंडयोरिंग (OEF) स्वतंत्रता और ऑपरेशन इराकी (ओआइएफ) स्वतंत्रता संघर्ष 4 का एक परिणाम के के रूप में हुई है.
OEF और ओआइएफ दिग्गजों के मामले में लौटने योद्धाओं की लगभग 15% कई अंगों को खो दिया है और सैनिकों और महिलाओं लौटने की एक महत्वपूर्ण संख्या कम अवशिष्ट अंग है जहां गर्तिका प्रौद्योगिकी एक विकल्प है या नहीं रोगी द्वारा अस्वीकार कर दिया गया है. ऊपरी कृत्रिम अंग सिरा की रिपोर्ट बंद उपयोग भी 50% से अधिक है क्योंकि निर्धारण उपकरणों बोझिल और कठिन करने के लिए 5 आराम से उपयोग कर रहे हैं. कम सिरा कृत्रिम अंग समान रूप से समस्याग्रस्त हैं और आम कोमल ऊतकों कुर्सियां के साथ जुड़े समस्याओं असमर्थता चुनौतीपूर्ण terrain6 पर चलना, सीमित अवशिष्ट अंग 7 लंबाई, रोगी असुविधा 5, गैर शारीरिक 8 लदान के साथ चिंता, heterotopic 9 हड्डी बन जाना और के जोखिम से जलन शामिल दुर्बल बीमारियों 10. हालांकि, osseointegration प्रौद्योगिकी एक उपन्यास शल्य चिकित्सा तकनीक है कि 11 दर्द, त्वचा जलन 12 कम, osseoperception 13 को बढ़ाने सकता है, 6 गतिशीलता में सुधार, छह कुर्सियां के साथ जुड़े दबाव घावों में कमी, ऊर्जा के लिए 7,14 ambulation कम और सीमित के साथ बेहतर दिग्गज और शूरवीरों की सेवा है अवशिष्ट अंग लंबाई 15.
Osseointegration के कई शारीरिक और मनोवैज्ञानिक लाभ के बावजूद, संबद्ध शल्यचिकित्सा की प्रक्रियाओं और अधिक उन्नत संक्रमण की रोकथाम के उपचार 16 streategies की आवश्यकता होती है, लंबे पुनर्वास कार्यक्रमों की आवश्यकता होती है और प्रतिबंधात्मक वजन असर प्रोटोकॉल है जो 1.5 17 वर्षों के पश्चात के लिए पिछले कर सकते हैं शामिल हैं. क्योंकि मेजबान और अवशिष्ट अंग की हड्डी की लंबाई की व्यवहार्यता पेशी लगाव और कार्यक्षमता के लिए महत्वपूर्ण है, osseointegration में सुधार सैनिकों और महिलाओं को लौटने के लिए महत्वपूर्ण है उपकरणों के विकास. इसलिए, एक osseointegrated बुद्धिमान प्रत्यारोपण डिजाइन (OIID) प्रणाली है जो नियंत्रित बिजली की उत्तेजना का उपयोग करता है के विकास के पुनर्वास की लंबाई कम करने और अनुभवी और योद्धा amputees के लिए कंकाल लगाव वृद्धि कर सकते हैं. हालांकि, बाद से कोई मौजूदा डिवाइस व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है और percutaneous osseointegrated प्रत्यारोपण के साथ उपयोग के लिए निर्देशित है, कार्यक्रम की प्रेरणा के लिए परिमित तत्व विश्लेषण के साथ सुरक्षा और प्रभावकारिता की पुष्टि करने के लिए है.
हड्डी remodeling, विशेष रूप से osteoids और खनिज के बयान में बिजली की उत्तेजना की भूमिका को समझना सट्टा बनी हुई है. हालांकि, बिजली की हड्डी में मनाया गतिविधि में यांत्रिक 18,19 लोड हो रहा है और इसलिए एक बिजली के प्रोत्साहन उत्प्रेरण हड्डी की मरम्मत 19 के लिए एक प्रभावी तंत्र हो सकता है का परिणाम हो सकता है. इस परिकल्पना के पीछे तर्क एक अस्थिभंग उपचार मॉडल में समझाया है. जब लंबी हड्डियों से भरी हुई हैं, तनाव में पक्ष electropositive हो जाता है और संपीड़न पक्ष निद्युत 20,21, तथापि, एक बार एक हड्डी टूटी हुई है, साइट निद्युत आसपास के वातावरण के लिए सम्मान के साथ रहना जब तक उपचार शुरू किया है और homeostasis 21 फिर से शुरू होगा. एक बिजली के संकेत के साथ प्राकृतिक चिकित्सा झरना का अनुकरण करने के लिए कैल्शियम 22 जमाव, ऑक्सीजन सामग्री और 23 पीएच में मामूली परिवर्तन, विकास 22 कारकों की भर्ती के साथ सहायता के लिए माना गया है और अस्थिकोरक और अतिरिक्त बाह्य मैट्रिक्स 24 के प्रवास स्राव के साथ मदद.
आधार है कि बिजली उत्तेजना अकेले पूरा हड्डी की मरम्मत सरकार नए सिरे से परिभाषित किया गया है और वर्तमान नई परिकल्पना का प्रस्ताव है कि पूरा यूनियनों यांत्रिक लोड और एक बिजली उत्तेजना 19 सह उत्तेजना द्वारा गठित कर रहे हैं. बिजली vivo में मनाया आवेगों कोलेजन के piezoelectric विरूपण या बड़े विद्युत गतिज ईओण 25 मैट्रिक्स हड्डी के पिछले खनिज भाग बह घटकों द्वारा उत्पादित धाराओं के साथ जुड़े रहे हैं . वास्तव में, सहज क्षमता 6 हड्डी के 26 खनिज समानाधिकरण दर में वृद्धि के साथ millivolts और संबद्ध के रूप में बड़े रूप में किया गया है, हड्डी में सूचना दी.
ब्राइटन और Friedenberg 18,21,27,28 द्वारा प्रारंभिक कार्य हड्डी उत्थान के लिए 1960 और 1970 के दशक और घ में बिजली की उत्तेजना की अवधारणा का इस्तेमालemonstrated कि प्रत्यक्ष वर्तमान समय की एक छोटी अवधि में गैर यूनियनों मरम्मत जब पारंपरिक चिकित्सा पद्धतियों की तुलना में इस्तेमाल किया जा सकता है. अतिरिक्त मॉडल प्रतिबंधात्मक वजन असर के साथ हड्डी गठन की जांच की है और नियंत्रण और विद्युत उत्तेजित अंग 25 के बीच osteogenic गतिविधि में एक तीस – एक प्रतिशत की वृद्धि का प्रदर्शन किया.
जबकि बिजली की उत्तेजना के क्षेत्र में शोधकर्ताओं ने बिजली की उत्तेजना के साथ अस्थिकोरक मैट्रिक्स बयान के लिए तंत्र को समझने के लिए प्रशस्त तरीका है, अपर्याप्त समझ इस तकनीक का विस्तार सीमित है. जबकि वहाँ गैर यूनियनों और अस्थिभंग उपचार मॉडल, मरीज की परेशानी के उदाहरण और असफल प्रयासों के सफल उपचार के कई मामलों रहे हैं, साहित्य में के रूप में अच्छी तरह से 29 परिपूर्ण हैं . बिजली की उत्तेजना के साथ समस्या यह गलत बिजली मैट्रिक्स को नियंत्रित करने और मौजूदा magnitudes पर पूरी तरह ध्यान केंद्रित के वैज्ञानिकों और चिकित्सकों से होता है. पिछले शोधकर्ताओं ने लगभग 500.000 गैर यूनियनों जो सालाना 30 होते फिक्सिंग 'जादुई गोली' के रूप में वर्तमान में देखा है. हालांकि, मॉडलों के बीच repeatability के जौल हीटिंग 31 जटिलताओं से किया गया सीमित है और निर्धारित घनत्व वर्तमान में 32 नहीं . वास्तव में, सभी निर्मित जैव चिकित्सा उपकरणों एक वर्तमान घनत्व कम से कम 2 मा / 2 सेमी करने के लिए सीमित किया जाना चाहिए के रूप में अंतर्राष्ट्रीय विद्युत तकनीकी आयोग द्वारा उल्लिखित स्थानीयकृत ऊतक परिगलन और रोगी 33 असुविधा को रोकने के.
कंकाल निर्धारण के साथ सहायता के अलावा, नियंत्रित बिजली की उत्तेजना भी आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण पर बैक्टीरियल आसंजन को रोकने सकता है और osteomyelitis और biofilm गठन 34-37 के लिए जोखिम को कम. आर्थोपेडिक उपकरणों पर biofilm गठन रोगी जटिलताओं और जो इन 38 उपकरणों पर निर्भर के लिए महत्वपूर्ण संकट का नेतृत्व . जोर आवश्यकता के लिए पूरी तरह से 39 सर्जरी के लिए पहले निष्फल इंस्ट्रूमेंटेशन और प्रत्यारोपण पर रखा है, लेकिन यह अक्सर मुश्किल होता है कई नकारात्मक सुसंस्कृत मामलों जो वास्तव में 40 संक्रमित हैं से स्पष्ट रूप में बैक्टीरिया आसंजन निदान. यह समस्या अक्सर तथ्य यह है कि biofilms धीमी गति से 40 प्रकृति में बढ़ रही है, विकास नहीं सही 39 इन विट्रो में, किया जा सकता है बैक्टीरिया कोशिकाओं की सतह की सफाई और प्रभावित 39 व्यक्ति की प्रतिरक्षा प्रणाली के प्रकार पर निर्भर कर रहे हैं के साथ युग्मित है. Oseeointegration तकनीक के साथ यूरोपीय transfemoral amputees की जांच से पता चलता है सबसे अक्सर समस्या संक्रमण है (अक्सर सतही संक्रमण, 1 / 3 periprosthetic संक्रमण) 41. जबकि वहाँ शल्य चिकित्सा की तैयारी में व्यापक सुधार किया गया है, जीवाणु उन्मूलन osseointegration में सुधार के बाद से biofilms 500-5000 हजार गुना अधिक मुश्किल के बीच रहे हैं उनके गैर आदर्शवादी 34,35,39 फार्म के कारण उन्मूलन के लिए मूलभूत कारकों में से एक है. इसलिए, हानिकारक जीवाणु कालोनियों को हटाने और कंकाल निर्धारण बढ़ाने के लिए एक साधन के रूप में बिजली की उत्तेजना का उपयोग रोगी के स्वास्थ्य की सुरक्षा और OIID प्रभावकारिता सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण कारक हैं.
अनुभवी और योद्धा amputees का उपयोग करने के लाभ कर रहे हैं कि रिश्तेदार युवा और इन व्यक्तियों के अन्यथा अच्छे स्वास्थ्य उन्हें आक्रामक पुनर्वास और एक percutaneous के बाद एक चल सहायता के रूप में सेवा और बिजली की उत्तेजना के लिए एक उजागर कैथोड के रूप में विकसित किया जा सकता है के लिए एक आदर्श जनसंख्या. osseointegrated प्रत्यारोपण की उपस्थिति के अतिरिक्त शल्यचिकित्सा की प्रक्रियाओं को सम्मिलित करने के लिए बिजली के घटकों आवश्यकता नहीं है, युक्ति बाह्य नियंत्रित की अनुमति देता है और 42 संक्रमण के आगे जोखिम से बचाता है. इसलिए, अनुभवी और योद्धा amputees के अवशिष्ट अंग, 1-10 वी / सेमी की भयावहता पर एक बिजली के क्षेत्र में वर्तमान इंजेक्शन की विधि को समझने के द्वारा स्थापित किया जा सकता है और नियंत्रित प्रत्यारोपण इंटरफ़ेस पर मापा. यह धारणा है कि यह बिजली के सुरक्षित स्तर को दिया जा अस्थिकोरक प्रवास उत्प्रेरण और कंकाल अनुलग्नक में सुधार के लिए सक्षम की अनुमति देगा. प्रत्यारोपण इंटरफेस में इस डिग्री के एक बिजली के क्षेत्र और हड्डी की मात्रा और गुणवत्ता बढ़ाने के लिए, होगा और त्वरित पुनर्वास और एक amputee के लिए कंकाल निर्धारण के लिए संभावनाओं में सुधार. बिजली की उत्तेजना का प्रयोग एक intramedullary कृत्रिम प्रत्यारोपण में osseointegration में तेजी लाने के लिए एक साधन के रूप में नहीं किया गया जांच की है और translational अनुसंधान के लिए अनेक अवसर प्रस्तुत करने के लिए रोगी देखभाल में सुधार.
प्रयोगात्मक परिणाम
percutaneous बिजली की उत्तेजना डिवाइस के साथ रोगी विशिष्ट मॉडल के लिए आवश्यकता अध्ययन में समर्थित किया गया. प्रस्तावित जैव चिकित्सा डिवाइस के लिए विकसित सिमुलेशन बढ़ती अस्थिकोरक प्रवास द्वारा कंकाल लगाव और बैक्टीरियल 27,34,36,39 आसंजन को रोकने में तेजी लाने की क्षमताओं हो सकता है. Computation मॉडलिंग को प्रभावी ढंग से दिखाया गया है कि 1-10 वी / सेमी बिजली दो मा / 2 सेमी नीचे फ़ील्ड्स और घनत्व वर्तमान में एक कार्यात्मक कैथोड के रूप में प्रत्यारोपण का उपयोग उत्पन्न किया जा सकता है और सबसे homogenously एक दो बैंड बाह्य इलेक्ट्रोड का उपयोग कर वितरित. मानव शरीर 43 में मौजूदा रास्ते को परिभाषित करने में असमर्थता; OIID प्रणाली क्लासिक बिजली की उत्तेजना के साथ जुड़े समस्या को हल करने के लिए पहला कदम हो सकता है. इसलिए, कंकाल लगाव को बढ़ाने के लिए उपकरणों की स्थापना के एक osseointegrated प्रक्रिया के लिए आवश्यक पुनर्वास की लंबाई कम करने के साथ सहायता कर सकते हैं.
बड़े amputees के लिए बिजली की उत्तेजना का उपयोग भी एक महत्वपूर्ण पहलू है जो के रूप में अच्छी तरह से पता लगाया जाना चाहिए है. बोन मास अधिकतम एक दशक के बाद कंकाल विकास रहता है, लेकिन आठवें और नौवें दशक 44 के द्वारा काफी कम हो जाती है. लंबी हड्डियों के रूप में उम्र के साथ परिवर्तन, endosteal व्यास Periosteal व्यास जो 45 ढीला प्रत्यारोपण के लिए नेतृत्व कर सकते हैं की तुलना में अधिक तेजी से बढ़ जाता है. कमजोर मांसपेशियों द्वारा हड्डियों पर तनाव की कमी के साथ मिलकर इस समस्या ऑस्टियोपोरोसिस और ऑस्टियोपीनिया 45 जैसे गंभीर बीमारियों के लिए योगदान और osseointegrated प्रत्यारोपण के साथ रोगियों के लिए अतिरिक्त उपचार के विकल्प की आवश्यकता हो सकती है . हालांकि, नियंत्रित बिजली की उत्तेजना और यांत्रिक लोड हो रहा है हड्डी ongrowth की एक synergistic उत्प्रेरक के रूप में कार्य और बुजुर्ग रोगियों के साथ एक OIID प्रणाली का उपयोग करते हुए मेजबान हड्डी बिस्तर अखंडता बनाए रखने के सकता है.
The authors have nothing to disclose.
This material is based upon research supported (or supported in part by) the Technology Commercialization Office, Salt Lake City, UT, Office of Research and Development, Rehabilitation R&D Service, DVA SLC Health Care System, Salt Lake City, UT, Department of Defense PRMRP Grant (No. PR054520), the Albert & Margaret Hofmann Chair and the Department of Orthopaedics, University of Utah School of Medicine, Salt Lake City, UT; Technical support for the simulations was provided by the Center for Integrative Biomedical Computing of Scientific Computing and Imaging Institute and was made possible in part by software from the NIH/NCRR Center for Integrative Biomedical Computing, P41-RR12553-07.
Additional gratitude is extended to Gwenevere Shaw for assistance with manuscript preparation and Dustin Williams for the image of biofilm.