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Biology

절단 수술을받은 사람에 대한 Osseointegrated 지능형 임플란트 설계 시스템의 생체 분석

doi: 10.3791/1237 Published: July 15, 2009

Summary

사지 손실 혈관 o​​cclusive 질병 및 외상에 기인에 의한 대체 의지 첨부 파일을 개발하는 필요가있다. 작품의 목표는 골격 고정을 향상시키고 osseointegrated 기술을 필요로 환자 periprosthetic 감염 속도를 줄이기 위해 osseointegrated 임플란트 지능형 설계 시스템을 도입하는 것입니다.

Abstract

미국 절단 수술을받은 사람의 예상 번호는 2050 년까지 3,600,000로 늘어날 것으로 예상됩니다. 이러한 개인의 대부분은 일상적인 활동을 수행하는 인공 팔다리에 따라 다르지만 전통적인 소켓 기술을 사용하여 인공의 suspensions은 사지 손실이있는 사람 성가신과 불편을 증명할 수. 또한, 높은 근위 사지 절단과 함께 사람들을 위해, 제한된 잔여 사지 길이는 모두 함께 exoprosthesis 첨부 파일을 방지할 수 있습니다. Osseointegrated 임플란트 기술은 호스트 뼈와 보형물 사이에 회사 골격 첨부 파일을 수있는 새로운 조직의 절차입니다. osseointegrated 임플란트와 유럽의 절단 수술을받은 사람의 예비 결과는 뼈가 보형물 인터페이스에 하중을 직접 전달함으로써 향상된 임상 결과를 보여주었다. 소켓 기술을 통해 osseointegration의 명백한 이점에도 불구하고, 현재 재활 절차는 전기 자극을 통해 빠른 골격 첨부 파일이 줄어들 수 있습니다 사전에 제한 하중 베어링의 오랜 기간을 필요로합니다. osseointegrated 임플란트 지능형 설계 (OIID) 시스템의 목표는 골격 첨부 파일을 가속화하고 periprosthetic 감염을 방지하는 전기 시스템의 주입 부분을 확인하는 것입니다. 최적의 전극 크기와 위치를 결정하기 위해, 우리는 전기 분야와 절단술 잔류 손발의 전기 자극을하는 동안 발생하는 전류 밀도의 전산 모델링과 개념의 증명을 시작하였습니다. 보험에게 환자의 안전을 제공하기 위해, 회고 계산의 tomography 스캔과 과목이 선택되었으며 입체 reconstructions는 IRB의 해부 학적 정확성을 (Seg3D 및 SCIRun) 보장 및 HIPAA 유학을 승인하기 위해 사용자 정의 소프트웨어 프로그램을 사용하여 만들어졌습니다. 이러한 소프트웨어 패키지는 환자 특정 모델의 개발을 지원하고 전극 위치와 크기의 대화형 조작에 대한 허용. 예선 결과는 전기 분야 및 전류 밀도가, osteoblast 마이 그 레이션을 유발 골격 고정을 향상시키고 periprosthetic 감염을 방지 도움이 될 수에 필요한 균일한 전기장 배포판을 달성하기 위해 보형물 인터페이스에서 생성할 수 있음을 나타냅니다. 모델과 실험 전극 구성에 따라 외부 두 밴드 구성은 미래에지지합니다.

Protocol

1 부 : 절단술 재건을위한 계산된 Tomography (CT) 검사를 사용

  1. 회고 중부 표준시 스캔은 IRB와 HIPAA의 승인을 취득 후 실무 베테랑 병원의 유타와학과 대학에서 수집되었다.
  2. 그들은 X - 선 흡수에 따라 조직 유형 간의 명확한 구별을 허용하기 때문에 중부 표준시 스캔이 선택되었습니다.
  3. CTS는 수동으로 검사 및 이미지 유물을 방지하기 위해 금속 임플란트의 부재에 따라 연구에 포함되었다.

2 부 : Seg3D와 모델 생성

  1. 파일 Dicom 이미지로 다운로드하여 새로운 볼륨으로 Seg3D (버전 1.11.0, software.sci.utah.edu)에로드되었습니다.
  2. 미디언 필터는 기하학적으로 정의된 조직 구조를 결정하기 전에 가져온 볼륨을 원활하게하기 위해 사용되었습니다.
  3. 뼈, 골수, 기관 및 지방 조직의 조직 경계는 대화형으로 중부 표준시 파일을 (그림 1) thresholding에 의해 생성된되었습니다.
    그림 1
    그림 1 : 절단술 잔여 사지의 화살 크로스 섹션 thresholded 및 특정 조직 종류로 구분됩니다.
  4. 근육은 수동으로 thresholded 근육 조직 내부의 씨앗 포인트를 설정하고 씨앗 포인트에 연결된 모든 조직을 찾기 위해 필터를 연결 자신감을 사용하여 얻은 것입니다. 이 단계는 CTS에서 유사한 흡수성에 따라 근육을 함께 그룹화되었을 수도 있습니다 잘못된 조직을 제거.
  5. 중부 표준시 이미지에서 안정적으로 분별하는 것은 불가능했다 피부는, 전체 모델 1 둘러싸인 균일한 두께의 레이어를 생성하기 위해 평균 피부 두께에 따라 바깥쪽 조직 2mm를 dilating에 의해 생성되었다.
  6. Segmentations 수동으로 검사했다, 정확성을 보장하기 위해 수정 및 유한 요소 분석 (그림 1)에 필요한 단일 레이블지도에 계층 구조에서 결합.
    그림 2
    그림 2 : Seg3D로 만든 양자 절단술 대표 계층 모델입니다.

파트 3 : 유한 요소 분석을위한 준비

  1. 10cm의 이식은 이식 정형 외과 장치와 전기 자극에 대한 음극 역할을 Matlab에서 설계 SCIRun (버전 4.0, software.sci.utah.edu)에 가져왔습니다.

부 4 : 전극 배치 & 디자인

  1. 그것이 상호 작용 전극 배치 및 시뮬레이션을 지원하기 때문에 SCIRun는 전극 설계를 활용했다.
  2. 네트워크는 생성되고 모듈은 메쉬 (그림 3)을 생성하는 특정 기능으로 구성되었습니다. 모듈 경계 조건, 조직 conductivities, 메쉬 상세 검색, Matlab histograms 생성, 레코딩 필드 데이터 등 (표 1)을 정의하는 것이 중요했다.
    그림 3
    그림 3 : 두 개의 밴드 외부 전극 구성을 사용하여 파일럿 연구에서 대표 네트워크 이미지.
    표 1
    세그먼트 조직에 할당된 Conductivities
    조직 유형 Conductivities [S / m]
    오르간 0.22
    피부 0.26
    지방의 0.09
    0.25
    피질 뼈 0.02
    골수 0.07
  3. 전극에 대한 구성은 한 패치 전극, 두 패치 전극, 하나의 연속 밴드 두 지속적인 밴드로 구성되어.
  4. 외부 전극 밴드는 환자 중부 표준시 스캔에서 생성된 모델의 잔여 사지에 적용 두께 1.6 cm 하였다.
  5. 전극 패치는 잔류 사지의 약 절반 직경을 포함 스트립으로 배치하고 두께 3cm 하였다.
  6. osseointegrated 임플란트를 나타내는 내부 피질 임플란트는 완벽한 임플란트에 적합 허용 2을 채우기 위해 endosteal 직경로 설정되었습니다.

제 5 부 : 유한 요소 분석

  1. 시뮬레이션은 전기 통계가없이 시간 의존성과 유사 정적 접근 방법을 사용하여 계산 될 수 있다고 가정 생성되었습니다.
  2. 모델은 Seg3D segmentations에서 생성된 각 조직 유형에 대한 라플라스의 방정식을 해결하여 계산되었다.
  3. 경계 조건은 전류와 전류가 몸 안에 남아있는 지침을 주입하는 전극에 의해 형성되었다.
  4. 전극과 보형물은 주변 조직보다 훨씬 더 큰 전도성을했기 때문에, 그것은했습니다보형물 (음극)이 일정한 가능성에 있다고 ssumed, 마찬가지로 표면 전극은 percutaneous의 주입에서 일정한 전위차로 모델링되었다.
  5. 전극 구성 및 크기 조정의 효능을 평가하기 위해 환자의 특정 모델이 개발되었으며 보형물 인터페이스 주변 전기 가능성화된 필드 강도를 결정하는 데 사용되었다.
  6. 모델은 piecewise, 동질 ohmic 및 동위 원소로 취급되었다 약 1,800,000 요소로 구성되어 hexahedral 메쉬를 사용하여 생성되었습니다.
  7. 이 실험에 대한 최적의 모델은 상대적인 차이 <5% 모델의 정확도 (표 2)를 확보하기 위해 메쉬 민감도 연구로 확인 전압 기울기를 가진 선정되었습니다.
    표 2
    절단술 모델 메쉬 민감도 연구
    망사 요소 노드 상대 차이
    100 100 50 149089 161131 0.0995
    125 125 75 350180 371472 0.0802
    150 150 100 673032 706082 0.0545
    175 175 125 1,146,778 1,194,044 0.0527
    200 200 150 1,796,690 1,860,772 0.0439
    250 250 200 3,745,038 3,850,202 0.0364
    275 275 225 5,097,243 5,226,587 0.0301
    300 300 250 6,742,588 6,898,729 0.0000
  8. 이 해결사 반복 사용하여 유한 요소 모델의 전기 측정은 전극 구성을위한 계산했다.

Discussion

전기 자극 패러다임을 이해

의료와 전투의 현장에 피난 전략 향상 참혹한 전쟁 관련 부상을 이겨낸 전사의 증가로 이어질 수가있다. 향상된 생존율은 의학 발전이지만, 군인과 여자가 필요 사지 절단과 전투에서 재방 문하는 집약적인 베테랑 업무 건강 케어 시스템 3 치료, 재활 및 광범위한 고가의 보철 서비스를 접속하십시오. 1000 전쟁과 관련된 사지 절단 작전 지속 자유 (OEF) 및 운영 이라크 자유 (OIF) 충돌 4 결과로 발생한다는 의회 보고서 세부 사항.

OEF와 OIF 베테랑의 경우, 재방 전사의 약 15 %가 여러 팔다리를 잃었 및 소켓 기술은 옵션이 아니거나 환자에 의해 거부되었습니다 어디 군인과 여자를 반환 많은 수의 짧은 잔여 사지 있습니다. 고정 장치가 편안하게 5 사용하는 성가신 어려운되기 때문에 보철물 상부 끝단의보고 중단 사용도 50 %를 초과했습니다. 낮은 끝단 보철 똑같이 문제가되고 부드러운 조직 소켓과 관련된 일반적인 문제 도전 terrain6 걸을 수 없다는 제한 잔여 사지 길이 7, 환자의 불편 5 비 생리 로딩 8 우려, heterotopic 골화 9의 위험으로부터 자극을 포함 쇠약 질병 10. 그러나, osseointegration 기술은 고통 11, 피부 자극 12 감소 osseoperception 13 강화, 이동성 6 개선, 소켓 6와 관련된 압력 염증을 감소, ambulation 7,14 에너지를 줄이고 더 나은가 제한과 베테랑 전사와 서비스를 제공 수있는 소설 수술 기법이다 잔여 사지 길이 15.

osseointegration의 많은 신체적, 심리적 장점에도 불구하고, 관련 수술 절차, 고급 감염 방지 처리 streategies 16 필요 긴 재활 프로그램을 필요로하고 1.5 년 수술후 17까지 지속될 수 제한 중량 베어링 프로토콜이 포함됩니다. 잔여 사지의 호스트 뼈 길이의 생존은 osseointegration이 군인과 여자를 반환을위한 열쇠입니다 개선하기 위해 새로운 장치를 개발, 근육 첨부 및 기능에 중요하기 때문에. 따라서, 제어 전기 자극을 사용하는 지능형 osseointegrated 임플란트 디자인 (OIID) 시스템의 개발은 재활의 길이를 줄이고 베테랑과 무사 절단 수술을받은 사람에 대한 골격 첨부 파일을 높일 수 있습니다. 현재는 장치가 상용 및 percutaneous osseointegrated 임플란트와 함께 사용하기위한 감독 없으므로하지만, 프로그램의 동기는 유한 요소 분석 안전성과 효능을 확인하기위한 것입니다.

뼈 리모델링, osteoids 및 mineralization의 구체적 증착에 전기 자극의 역할을 이해하는 것은 투기 남아있다. 그러나, 뼈의 관찰 전기 활동이 기계적 로딩 18,19 따라서 전기 자극 유도 뼈 수리 19 효과적인 메커니즘 수의 결과 수 있습니다. 가설 뒤에 논리는 골절 치료 모델에서 설명합니다. 긴 뼈가로드되면, 긴장의 측면 양전기되고 뼈가가 고장되면 치유가 시작하고 항상성 21을 재개 때까지 압축 사이드 음전 기의 20,21 그러나, 사이트는 주변 환경과 관련하여 음전 기의 유지됩니다. 전기 신호와 자연 치유 층계를 시뮬레이션하는 것은 칼슘 증착 22, 산소 내용과 산도 23 약간 변경, 성장 요인 22 모집과 지원을 믿고 추가 세포외 기질 24 osteoblast 마이 그 레이션 및 분비로 지원되었습니다.

혼자 전기 자극을가 완료 뼈 복구를 적용 수있는 전제는 재정과 현재의 새로운 가설이 완료 조합은 기계적 하중과 전기 자극을 19 공동 자극에 의해 형성되는 것을 제안했습니다. 생체내에서 관찰 전기 자극은 콜라겐의 압전 변형이나 뼈 매트릭스 25 과거의 미네랄 일부를 흐르는 이온 성분에 의해 만들어진 대형 전자 운동 전류와 관련된 있습니다. 사실, 자발적인 잠재력은 뼈 26 미네랄 동격 속도 증가, 6 millivolts 및 상호 크기로 뼈를에보고되었습니다.

브라이튼과 Friedenberg 18,21,27,28하여 초기 작품은 1960 년대와 1970 년대와 D에 뼈 재생을위한 전기 자극의 개념을 사용그 직류가 전통적인 치료 방법에 비해 시간이 짧은 기간에 비 노동 조합을 복구하는 데 사용할 수 emonstrated. 추가 모델은 제한적인 체중 베어링과 뼈 형성을 조사하고 제어하고 전기 자극 팔다리 25 사이 osteogenic 활동에 31% 증가를 증명하고있다.

전기 자극 분야의 연구자들은 전기 자극을 함께 osteoblast 매트릭스 증착에 대한 메커니즘을 이해하는 방식을 용이하게 가지고 있지만, 불충 분한 이해는이 기술의 확장을 제한하고 있습니다. 비 - 조합 및 골절 치료 모델, 환자 불편의 사례와 실패 시도가 성공적으로 치유의 많은 경우가 있지만 문학에서뿐만 아니라 29 가득 차있다. 전기 자극과 문제는 잘못된 통계를 전기 제어 및 전적 현재 magnitudes에 집중 과학자와 임상에서 발생합니다. 이전 연구는 대략 500,000 매년 30 발생하지 않는 노동 조합을 해결하기 위해 '마술 총알 "로 현재에 봤어요. 그러나, 모델 간의 repeatability는 주울 가열 합병증 31 일부터 제한 및 전류 밀도가 32 결정하지되었습니다. 화된 조직 괴사 및 환자 불편 33 방지하기 위해 국제 전기 기술위원회에 의해 명시된 바와 같이 사실은, 모든 생명 의학 제조 장치는 전류 밀도 미만 2mA / cm 2로 제한해야합니다.

이외 골격 고정과 지원에서 제어 전기 자극은 또한 정형 외과 이식에 박테리아 접착력을 방지하고 osteomyelitis 및 biofilm 형성 34-37에 대한 위험을 줄일 수 있습니다. 정형 외과 장치에서 Biofilm 형성은 환자의 합병증 및 이러한 장치 38에 따라 사람들을 위해 상당한 고민로 이어집니다. 중점을 완전히 이전 수술 39 계측 및 임플란트를 소독하도록 필요성에 위치, 그러나 그것은 참으로 40에 감염된 많은 부정적인 교양 가지 경우에서 분명 같은 박테리아의 접착력을 진단하는 것이 어렵습니다. 이 문제는 종종 biofilms 자연 40 성장하는 것은, 체외 39 정확하게 성장해야 세균 세포의 표면의 청결과 영향을받는 사람 39 면역 시스템의 유형에 따라 다릅니다 수없는 느린있다는 사실과 함께합니다. oseeointegration 기술과 유럽 transfemoral 절단 수술을받은 사람의 조사는 가장 자주 문제가 (자주 표면 감염, 3분의 1 periprosthetic 감염) 41 감염 공개. 수술 준비 광대한 개선이되었습니다 있지만, 박테리아를 근절하는 것은 자신의 비 - 플라톤의 양식 34,35,39로 인해 근절하기 위해 biofilms 더 어려운 500-5000000 시간 사이에 있기 때문에 osseointegration 개선을위한 근본적인 요인 중 하나입니다. 따라서, 유해 박테리아 식민지를 제거하고 골격 고정을 증가를위한 양상으로 전기 자극을 이용하면 환자의 건강과 OIID 효능의 보호를 보장을위한 중요한 요소입니다.

베테랑과 전사 절단 수술을받은 사람을 사용의 장점은 상대적인 젊음과 이러한 개인의 기타 건강들이 적극적인 재활 치료와 percutaneous 게시물은 외래 도움이 될 것이며, 전기 자극에 대한 노출 음극으로 개발할 수 있습니다위한 이상적인 인구 만드는 것이 있습니다. osseointegrated 임플란트의 존재가 추가 수술 절차는 전기 부품을 삽입할 필요로하지 않는 장치가 외부 제어 수 있으며 감염 42 더 이상 위험을 방지할 수 있습니다. 따라서, 베테랑과 무사 절단 수술을받은 사람의 잔여 사지, V / cm 10-10의 크기에 전기장에 전류 주입 방법을 이해함으로써 설립 제어 및 보형물 인터페이스에서 측정 수 있습니다. 그것은이 osteoblast 마이 그 레이션을 유도하고 골격 첨부 파일을 향상시킬 전달하는 전기의 안전한 수준을 만들 것이라는 것을 가상입니다. 이 정도의 전기장은 임플란트 인터페이스에서 뼈의 수량과 품질을 향상하고 가속 재활과 절단술을위한 골격 고정에 대한 전망을 향상시킬 것입니다. 전기 자극을 사용 intramedullary 인공 이식에 osseointegration을 가속하는 양상으로 조사 및 환자 관리를 개선하기 translational 연구를위한 다양한 기회를 제공하지 않았습니다.

실험 결과

percutaneous 전기 자극 장치와 환자 특정 모델에 대한 필요성은 연구에 지원되었다. 제안된 생물 의학 장치에 대한 개발 시뮬레이션 증가 osteoblast 마이 그 레이션에 의해 골격 첨부 파일을 신속하게하고 세균 유착 27,34,36,39 방지의 기능을 할 수 있습니다. 컴프utation 모델링 효과적으로 1-10 V / 2mA / cm 2 이하 cm 전기 분야 및 전류 밀도가 기능 음극으로 임플란트를 사용하여 생성 수 있으며 대부분의 homogenously 두 밴드 외부 전극을 사용하여 배포되는 것으로 나타났습니다. 인체 43 현재 경로를 정의하는 무능력, OIID 시스템은 전기 자극과 관련된 고전적인 문제를 해결하는 첫 걸음 수 있습니다. 따라서, 골격 첨부 파일을 향상을위한 도구를 설정하면 osseointegrated 절차에 필요한 재활의 길이를 줄이는 도와 수 있습니다.

이전 절단 수술을받은 사람에 대한 전기 자극을 활용하면뿐만 아니라 탐색해야하는 중요한 측면이다. 뼈 질량은 골격 성장이 중단 후 최대 세기의하지만 여덟째 아홉째 decade과 44로 크게 줄어 듭니다. 긴 뼈가 나이가 변화, endosteal 직경 45 느슨해진 보형물로 이어질 수 periosteal 직경보다 더 빠르게 증가하는 경향이있다. 약한 근육에 의해 뼈에 부담의 감소와 함께 결합이 문제는 골다공증과 osteopenia 45로 쇠약 질병에 공헌하고 osseointegrated 임플란트 환자 치료에 대한 추가 옵션이 필요할 수 있습니다. 그러나, 제어 전기 자극 및 기계적 하중은 뼈 ongrowth의 상승 촉매제 역할을하고 OIID 시스템을 사용하여 노인 환자 호스트 뼈 침대 무결성을 유지할 수 있습니다.

Disclosures

이 기술은 특히, 골격 첨부 파일을 향상 재활을 줄이고 세균 접착력이 일지 제출의 첫번째 저자에 의해 발명 소설 아이디어 방지하는 기능을 음극으로 정형 외과 임플란트를 이용, 문서의 공개. 발명 공개 양식은 유타 대학에 제출되었으며, 미국 잠정 특허가 공개 모든 기술을 보호 제기되었습니다.

Acknowledgments

본 자료는 연구 지원 (또는에 의해 일부 지원) 기술 상용화 사무소, 솔트 레이크 시티, UT, 연구 및 개발 사무실, 재활 R & D 서비스, DVA SLC 보건 의료 시스템, 솔트 레이크 시티, UT, 국방부에 기반 PRMRP 그랜트 (번호 PR054520), 알버트 & 마가렛 호프만의 의자와 Orthopaedics의학과는 의학의 유타 스쿨 대학, 솔트 레이크 시티, UT, 시뮬레이션에 대한 기술 지원은 과학적 컴퓨팅의 통합 바이오 메디컬 컴퓨팅을위한 센터에 의해 제공된 및 이미징 연구소는 통합 바이오 메디컬 컴퓨팅에 대한 NIH / NCRR 센터 P41 - RR12553 - 07에서 소프트웨어에 의해 일부 가능하게되었습니다.

추가 감사가 biofilm의 이미지에 대한 논문 준비와 더스틴 윌리엄스 지원 Gwenevere 쇼로 연장됩니다.

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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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