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Biology

切断者のためのOsseointegratedインテリジェントインプラント設計システムの生体電気分析

doi: 10.3791/1237 Published: July 15, 2009

Summary

血管閉塞性疾患や外傷に起因する四肢の損失のための代替人工器官の添付ファイルを開発する必要があります。仕事の目標は、骨格の固定を高め、osseointegrated技術を必要とする患者のためのperiprosthetic感染率を減らすためにosseointegratedインテリジェントなインプラント設計システムを導入することである。

Abstract

アメリカの切断者の予測数は、2050年までに360万を増加すると予想されて。これらの個人の多くは、日常的な活動を行うために人工的な手足に依存しますが、従来のソケットの技術を用いて人工懸濁液は、四肢の損失を持つ人のために扱いにくく、不快なことを証明することができます。また、高い近位切断患者のために、限られた断端の長さはすべて一緒にexoprosthesis添付ファイルを防ぐことができます。オッセオインテグレーテッドインプラントの技術は、ホストの骨とインプラントの間に固い骨格添付ファイルを可能にする新たな手術の手順です。 osseointegratedインプラントとヨーロッパの切断者の予備的結果は、骨とインプラントのインタフェースへの負荷の直接転送を可能にすることで、改善された臨床結果を示している。ソケットの技術上のオッセオインテグレーションの見かけ上の利点にもかかわらず、現在の再生手続では、電気刺激を介して迅速な骨格添付ファイルを小さくすることができる前に、制限荷重の長い期間を必要とする。 osseointegratedインテリジェントインプラントの設計(OIID)システムの目的は、骨格の添付ファイルを加速し、periprosthetic感染を防止するための電気システムのインプラントの部分を作ることです。最適な電極のサイズと配置を決定するために、我々は、切断された人残留手足の電気刺激中に発生する電界と電流密度の計算モデルと概念実証を開始した。患者の安全性を確保提供するためには、遡及的コンピュータ断層撮影スキャンの被験者が選択され、三次元再構成は、IRBとHIPAA承認された研究では解剖学的精度(Seg3DとSCIRun)を確保するためにカスタマイズされたソフトウェアプログラムを使用して作成されました。これらのソフトウェアパッケージは、患者の特定のモデルの開発を支持し、電極の位置とサイズのインタラクティブな操作を可能にした。予備的な結果は、電界と電流密度は、骨芽細胞の遊走を誘導する骨格固定を強化し、periprosthetic感染を防ぐことができるために必要な均一な電界分布を達成するためにインプラントの界面で発生することができることを示している。モデルで実験し、電極の構成に基づいて、外部の2つのバンドの構成は、将来的に提唱されます。

Protocol

パート1:手足を失った人復興のためにコンピューター断層撮影​​(CT)スキャンを用いて

  1. レトロスペクティブCTスキャンは、IRBとHIPAAの承認を得た後、ユタ州とベテランの担当病院の部の大学から収集した。
  2. 彼らはX線の吸収性に基づいて、組織の種類を明確に区別できるため、CTスキャンを選択した。
  3. CTSは、手動で検査し、画像のアーチファクトを防ぐために金属インプラントの欠如に基づいて、研究に含まれていた。

パート2:Seg3Dでモデル生成

  1. ファイルは、DICOM画像としてダウンロードし、新しいボリュームとしてSeg3D(バージョン1.11.0、software.sci.utah.edu)に装填した。
  2. メディアンフィルタは、幾何学的に定義された組織構造を決定する前に、インポートされたボリュームを滑らかにするために使用されていました。
  3. 骨、骨髄、臓器や脂肪組織の組織の境界は、対話的にCTファイルを(図1)閾値処理によって生成されました。
    図1
    図1:特定の組織型に閾値処理と分離された切断者断端の矢状断面。
  4. 筋肉は、手動で閾値筋肉組織の内部のシード点を設定し、シード点に接続されているすべての組織を検索するフィルタを接続して自信を用いて得られた。このステップでは、CTSから同じような吸収性に基づいて、筋肉と一緒にグループ化されている可能性が誤った組織を排除。
  5. CT画像から確実に識別することは不可能だった皮膚が、、フルモデル1を囲まれた均質な厚さの層を生成するために平均的な皮膚の厚さに基づいて、一番外側の組織2ミリメートルを拡張することによって生成されました。
  6. セグメンテーションを手動で検査され、精度を確保するために修正し、有限要素解析(図1)に必要な単一のラベルのマップに階層で組み合わせる。
    図2
    図2:Seg3Dで作成された二国間切断者の代表階層モデル。

パート3:有限要素解析のための準備

  1. 10cmのインプラントが移植された整形外科装置と電気刺激のための陰極として機能するために、MATLABで設計され、SCIRun(バージョン4.0、software.sci.utah.edu)にインポートされました。

パート4:電極の配置とデザイン

  1. それは対話型の電極配置とシミュレーションをサポートしているのでSCIRunは、電極の設計のために利用されました。
  2. ネットワークが作成され、モジュールは、メッシュ(図3)を生成するために特定の関数で開催された。モジュールは、境界条件、組織の導電率、メッシュの改良、Matlabのヒストグラムを生成し、記録するフィールドのデータ、など(表1)を定義するための重要であった。
    図3
    図3:2つのバンドの外部電極構成を使用するパイロット研究からの代表的なネットワークのイメージ。
    表1
    セグメント化された組織に割り当てられた導電率
    組織のタイプ 導電率[S / M]
    臓器 0.22
    スキン 0.26
    脂肪 0.09
    筋肉 0.25
    皮質骨 0.02
    骨髄 0.07
  3. 電極の構成は、1つのパッチ電極、2つのパッチ電極を、一つの連続バンド二連続のバンドから成っていた。
  4. 外部電極のバンドは、患者のCTスキャンから生成されたモデルの残肢に適用され、厚さ1.6センチメートルであった。
  5. 電極のパッチは、断端の約半分の直径をカバーするストリップとして配置し、厚さ3センチであった。
  6. オッセオインテグレーテッドインプラントを表す内側の皮質インプラントは完璧なインプラントのフィット感を可能にすると2を埋めるために骨内膜の直径に設定されていました。

パート5:有限要素解析

  1. シミュレーションは、電気のメトリックが時間がないの依存性と準静的アプローチを用いて計算することができたと仮定して生成されていました。
  2. モデルはSeg3Dセグメンテーションから生成された各組織のタイプのラプラスの方程式を解くことで計算された。
  3. 境界条件は、電流と電流が体中に残っているガイドラインを注入すること、電極を形成した。
  4. 電極とインプラントが周囲の組織よりもはるかに大きな導電性を持っていたので、それがあったインプラント(カソード)が一定の電位であることssumed、同様に表面電極を経皮インプラントから一定の電位差でモデル化しました。
  5. 電極構成とサイジングの有効性を評価するために、患者の特定のモデルが開発され、インプラントの界面付近の電位は、ローカライズされた電界強度を決定するために使用されていました。
  6. モデルは区分的に、均質な抵抗と等方性として扱われていた約180万要素で構成された六面体メッシュを使用して生成されました。
  7. この実験のための最適なモデルは、相対的な差<5%モデルの精度(表2)を保証するためにメッシュの感度調査で確認された電圧勾配にして選ばれました。
    表2
    手足を失った人モデルのメッシュの感度に関する研究
    メッシュ 要素は ノード 相対的差異
    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. 反復解法を用いて、有限要素モデルの電気メトリックは、電極構成のために計算された。

Discussion

電気刺激のパラダイムを理解する

戦闘のフィールド上に医療や避難戦略の強化は、悲惨な戦争災害の存続の戦士の数の増加につながるている。生存率の改善率は医学の進歩ですが、軍人と女性はベテラン総務のヘルスケアシステム3からの集中的なフォローアップケア、豊富なリハビリと高価な補綴サービスを必要とする切断して戦闘から戻ってきている。 1,000人以上の戦争関連の切断は、不朽の自由作戦(OEF)とイラクの自由作戦(OIF)の衝突4の結果として発生したことを議会のレポートの詳細。

OEFとOIFのベテランの場合には、戻って戦士の約15%が複数の手足を失っているし、戻って軍人と女性のかなりの数がソケットの技術がオプションでない場合、または患者によって拒否された短い残肢を持っている。上肢の使用は補綴中止固定装置が快適に5使用する煩雑で困難であるため、さらに50%を超えると報告した。下肢人工関節も同様に問題があると軟部組織のソケットに関連付けられている一般的な問題は、挑戦的なterrain6の上を歩くことができない、限られた断端の長さ7、患者の不快感5、非生理的な負荷8との懸念、異所性骨化9とのリスクから刺激を含める衰弱性疾患10。しかし、オッセオインテグレーション技術は、痛み11、皮膚刺激12を減少させるモビリティ6を向上させる、osseoperception 13を高めるため、ソケット6に関連付けられ褥瘡を減少させる、歩行7,14のためのエネルギーを削減し、より限定的にベテランと戦士に仕えることができる新たな手術手技です。断端の長さ15。

オッセオインテグレーションの多数の物理的および心理的な利点にもかかわらず、関連する外科的処置は、より高度な感染予防治療streategies 16を必要とする長いリハビリのプログラムを必要とし、1.5年術後17にまで続くことがある制限された体重負荷のプロトコルが含まれています。断端のホスト骨と長さの生存率はオッセオインテグレーションが軍人と女性を返すための鍵となる改善するための新しいデバイスを開発し、筋肉の付着と機能性のために重要ですので。したがって、制御された電気刺激を使用してosseointegratedインテリジェントインプラントの設計(OIID)システムの開発は、リハビリの長さを短くし、ベテランと戦士の手足を失った人のための骨格添付ファイルを増やすことができます。現在のデバイスは、市販の経皮osseointegratedインプラントで使用するように指示されていないので、しかし、、プログラムの動機は、有限要素解析で安全性と有効性を確認することです。

osteoidsと鉱化作用の堆積特に、骨リモデリングにおける電気刺激の役割を理解し、投機的な推移している。しかし、骨で観察された電気的活動は、機械的荷重18,19の結果であるかもしれません、したがって、電気刺激は、骨の修復19を誘導するための効果的なメカニズムかもしれない。仮説の背後にあるロジックは、骨折治癒モデルで説明されています。長骨がロードされると、緊張の側は、陽性のになり、骨が壊れて一度治癒が開始されたと恒常性が21を再開するまで、圧縮側の電気陰性20,21は 、しかし、、サイトは周囲の環境を基準にして電気的に陰性のままになります。電気信号で自然治癒カスケードのシミュレーションにはカルシウム沈着22、酸素含有量とpHが23のわずかな変化、成長因子22の採用を支援すると考えられ、追加の細胞外マトリックス24の骨芽細胞の遊走および分泌を支援されています。

単独で電気刺激が完全な骨の修復を支配することができることを前提に再定義し、現在新たな仮説は、完全な労働組合が機械的負荷および電気刺激の共刺激19によって形成されることを提案されています。 in vivoで観察された電気インパルスは、コラーゲンの圧電変形や骨マトリックス25の過去の鉱物の部分を流れるイオン成分によって生成される大規模な電子運動電流に関連付けられています。実際には、自発的な電位が骨26のミネラル同格率の増加に6ミリボルトと相関するような大きさの骨で報告されている。

ブライトンとFriedenberg 18,21,27,28による初期の作品は、1960年代と1970年代とDで骨再生のための電気刺激の概念を用いその直流電流が従来の治療法に比べ短時間で非組合を修復するために使用される可能性emonstrated。追加モデルは、限定的な体重負荷と骨形成を調査し、コントロールと電気的に刺激された四肢25との間の骨形成活性の三十一%の増加を示している。

電気刺激の分野の研究者は、電気刺激による骨芽細胞のマトリックス沈着のメカニズムを理解するための道を切り開くことにつながりましたしながら、不十分な理解は、この技術の拡大を制限している。非組合と骨折治癒モデル、患者の不快感の例と失敗した試行の成功した治癒のケースが多い一方で、文献で ​​同様に29満ちています。電気刺激の問題は、間違った電気メトリックを制御し、もっぱら現在の大きさに集中する科学者や臨床医から発生します。以前の研究者は、おおよその50万毎年30を発生する非組合を固定する"魔法の弾丸"として現在に見てきました。しかし、モデル間の再現性は、ジュール加熱の合併症月31日から制限と電流密度が32決定ではないされています。ローカライズされた組織壊死および患者の不快感33を防ぐために国際電気委員会によって概説されて実際には、すべての製 ​​造バイオメディカルデバイスは2ミリアンペア/ cm 2より小さい電流密度に制限する必要があります。

余談骨格固定を補助するから、制御された電気刺激はまた、整形外科用インプラントの細菌付着を防止し、骨髄炎とバイオフィルム形成34から37のためのリスクを軽減することがあります。整形外科デバイスのバイオフィルム形成は、患者の合併症と38これらのデバイスに依存する人のための重要な苦痛につながる。重点は完全に手術前39にインストルメンテーションとインプラントを滅菌しているために必要性に置かれている、しかしそれは確かに40に感染している多くの負の培養例から明らかなように細菌の付着を診断することは困難です。この問題は多くの場合、バイオフィルムが遅い性質40に増加しているのだと結合され、細菌細胞の種類、表面の清浄度と影響を受けた人物39の免疫系に依存し、in vitroで39正確に成長することはできません。 oseeointegrationの技術を持つヨーロッパの大腿切断者の調査では、最も頻繁に問題は感染症(頻繁に表面的な感染、1 / 3 periprosthetic感染症)41です明らかに。手術の準備の大幅な改善があった一方で、細菌を根絶するバイオフィルムは、その非プラトニックフォーム34,35,39のために根絶することはより困難500から5000000回の間にあるので、オッセオインテグレーションを向上させるための基本的な要因の一つです。そのため、有害な細菌のコロニーを除去し、骨格固定を増加させるためのモダリティとしての電気刺激を活用することで患者の健康とOIID有効性の保護を確保するための重要な要素です。

ベテランと戦士切断者を使用する利点は、これらの個人の相対的な若者とそうでない場合は良好な健康状態がその積極的なリハビリテーションと経皮のポストのための理想的な人口作ることです外来の補助として役立つだろうと電気刺激のための露出陰極として開発されることがあります。オッセオインテグレーテッドインプラントの存在は、電気部品を挿入するために追加の外科的処置を必要としない、デバイスが外部から制御することが可能と感染42のさらなるリスクを防ぐことができます。そのため、ベテランと戦士切断者の断端への電流注入の方法を理解することによって、10から10 V / cmの大きさの電界がインプラントの界面で、設立に制御して測定することができる。それは、これは骨芽細胞の遊走を誘導し、骨格の添付ファイルを向上させることが可能な、電気の安全なレベルが配信されるようになると仮定される。この程度の電界は、インプラントの界面での骨の量と質を向上させ、加速的リハビリテーションと切断者のための骨格固定の見通しが改善されます。電気刺激の使用は、髄内歯科用インプラントのオッセオインテグレーションを加速するモダリティとして調査し、患者ケアを改善するためにトランスレーショナルリサーチのための多くの機会を提示されていません。

実験結果

経皮的電気刺激装置と患者特定のモデルの必要性が研究でサポートされていました。提案された生物医学装置用に開発されたシミュレーションでは、骨芽細胞の遊走を増加させると細菌付着27,34,36,39を防止することにより、骨格の添付ファイルを迅速化の機能を複数持つことができます。コンプutationモデリングが効果的に10から10 V / 2ミリアンペア/ cm 2で 、以下のセンチメートル電界と電流密度が機能的な陰極としてインプラントを使用して生成することができ、最も均一に2つのバンドの外部電極を使用して配布されていることが示されている。人体43に現在の経路を定義することができない。OIIDシステムは、電気的な刺激に関連付けられている古典的な問題を解決するための第一歩かもしれない。したがって、骨格添付ファイルを高めるためのツールを確立することがosseointegrated手続きに必要なリハビリテーションの長さを減らすことを補助することができる。

高齢切断者のための電気刺激を利用することも同様に模索しなければならない重要な側面です。骨量は、骨格の成 ​​長が停止した後に最大十年ですが、8番目と9番目の年間44で大幅に減少する。長骨は年齢とともに変化するにつれ、骨内膜の直径は45を緩める移植につながる可能性のある骨膜直径よりも急速に増加する傾向がある。弱い筋肉から骨への負担の減少と相まって、この問題は、骨粗しょう症や骨減少症45衰弱性疾患に寄与するとosseointegratedインプラントの患者さんのための追加治療の選択肢が必要な場合があります。しかし、制御された電気刺激と機械的負荷は骨ongrowthの相乗触媒として作用し、OIIDシステムを用いて高齢患者を持つホストの骨のベッドの整合性を維持することができる。

Disclosures

技術は、特に、骨格添付ファイルを高めるリハビリを減らし、細菌の付着は、ジャーナルの投稿の最初の著者によって発明された斬新なアイデアである防ぐために機能的な陰極として整形外科インプラントを利用して、記事に開示。発明の開示のフォームは、ユタ大学に提出されており、米国仮特許が開示さ、すべての技術を守る提出されています。

Acknowledgments

この材料は、研究サポートされている(またはによって部分的にサポートされている)技術の商業オフィス、ソルトレイクシティ、ユタ州、研究開発のオフィス、リハビリテーションR&Dサービス、DVA SLCヘルスケアシステム、ソルトレイクシティ、ユタ州、国防総省に基づいているPRMRPグラント(第PR054520)、アルバート&マーガレットホフマンの議長と整形外科の科は、医学のユタ大学大学、ソルトレイクシティ、ユタ州、シミュレーションのための技術サポートは、科学コンピューティングの統合生物医学コンピューティングのためにセンターから提供されたとイメージング研究所と統合生物医学コンピューティングのためのNIH / NCRRセンター、P41 - RR12553 - 07からのソフトウェアによって部分的に可能となった

追加の感謝は、バイオフィルムの画像のための原稿の準備とダスティンウィリアムズの支援についてはGwenevereショーに拡張されます。

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切断者のためのOsseointegratedインテリジェントインプラント設計システムの生体電気分析
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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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