Ampüteler Osseointegrasyon Akıllı İmplant Tasarım Sistemi Biyoelektrik Analizleri

2050 yılına gelindiğinde, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki amputasyon geçirmiş kişi sayısının 3,6 milyona ulaşacağı öngörülmektedir. Geleneksel protez uzuvlarla ilgili komplikasyonlar, yaralanma sonrası aktif yaşam tarzlarına geri dönmeyi uman bireylerde sıklıkla asimetrik yürüyüş kalıplarına ve rahatsızlıklara neden olmaktadır. Mevcut protez seçenekleri genel olarak yetersizdir.

Bu durum öncelikle, düzensiz yükleme modellerinden kaynaklanan bası yaralarının yüksek insidansına bağlıdır. Geleneksel protezlerin fonksiyonel kısıtlamalarının aşılmasının bir yolu, bir implant ile amputee'nin konak kemiği arasında doğrudan iskeletsel bağlantı tasarlamaktır. Osteointegrasyon olarak bilinen bu teknoloji, doğrudan iskeletsel fiksasyona ve enfeksiyonu önlemek için sıkı bir epidermal ve dermal sızdırmazlığa dayanır; başarılı olduğunda osteointegrasyon, yüksek proksimal amputasyonu olan amputee'lerin aktivite seviyelerini önemli ölçüde artırır.

Bu durum, Dr.Ash off'un ekibi tarafından Esca organizasyonu ile ortaklaşa hazırlanan videolarda gösterilmiştir. Osteointegrasyonun yaygın olarak benimsenmesini engelleyen iki temel komplikasyon bulunmaktadır.

Birincisi, ortopedik implantlar üzerinde bakteriyel adezyon ve biyofilm oluşumu riskidir. İkincisi, burada radyolüsensiler ile gösterildiği üzere, in vivo ortamda yetersiz iskelet fiksasyonu riskidir. Bu komplikasyonların üstesinden gelmek için, ekso protez, elektriksel stimülasyon sağlamak amacıyla bir katot olarak kullanılabilir.

Bu durum, pozitif kemik yeniden şekillenmesiyle sonuçlanabilir, bakteriyel tutunmayı önleyebilir ve tam ağırlık verme için gereken rehabilitasyon süresini azaltabilir. Bu video, implantların yeni bir OSSEOINTEGRATED akıllı implant tasarım sistemi veya OIID kullanılarak nasıl tasarlandığını göstermektedir. Merhaba, ben Utah Üniversitesi Biyomühendislik Bölümü, Kemik ve Eklem Araştırma Laboratuvarı'ndan Brad Isaacson.

Bugün, osteointegrasyonlu implant tasarımının hesaplamalı bilgisayar programları kullanılarak varsayımsal modelleme ile nasıl test edilebileceğini ve değerlendirilebileceğini göstereceğiz. Amacımız, elektriksel stimülasyon kullanan yeni bir osteointegrasyon rehabilitasyon aracının kavram kanıtını sunmaktır. Doğru şekilde uygulandığında, bu araç periprostetik enfeksiyonları azaltabilecek ve iskeletsel tutunmayı artırabilecektir.

Bunu göz önünde bulundurarak, entegre bir akıllı implant tasarım sistemini nasıl geliştirebileceğimizi göstereyim. Farklı doku türlerinin net bir şekilde ayırt edilmesine olanak tanıdıkları için model rekonstrüksiyonunda BT taramaları kullanılır. Bunun için kullanılan taramalar, IRB ve HIPAA onayları alındıktan sonra Utah Üniversitesi Hastanesi ve Gazi İşleri Departmanı'ndan (Department of Veteran Affairs) toplanmıştır.

Bu BT taramaları, görüntü artefaktlarına neden olabilen metal implantların yokluğuna göre öncelikle görsel olarak incelenmiş ve çalışma için seçilmiştir. Burada, ortopedik bir implantın varlığı nedeniyle bilgisayar modellemesi için uygun olmayacak bir ampute vakası gösteriyoruz. Amputenin medüller kanal içerisinde ortopedik bir implantı vardır ve BT kesitleri boyunca tarama yaptığımızda görüntüde bozulma görmekteyiz.

Buna rağmen, böyle bir hastayı önerebiliriz. Ampute kişide, anatomik olarak doğru modeller için kritik olan doku türleri arasında net bir ayrım bulunmaktadır. Başlamak için mükemmel.

Model oluşturma CT tarama dosyaları DICOM görüntüleri olarak indirilir ve SEG 3D programına yeni bir hacim olarak yüklenir. Geometrik olarak tanımlanmış doku yapılarını belirlemeden önce, içe aktarılan hacimleri düzeltmek için bir medyan filtre kullanılır. Filtreleme tamamlandığında; kemik, kemik iliği, organlar ve adipoz dokunun doku sınırları eşikleme yöntemiyle oluşturulur.

BT görüntüleri etkileşimli olarak ve bir kez daha filtrelenir. Kas yapısı, kas dokusunun eşik değeri içerisinde manuel olarak başlangıç noktaları belirlenerek ve başlangıç noktalarına bağlı tüm dokuları bulmak için bir güvenli bağlantılı filtre kullanılarak elde edilir. Bu adım, BT görüntülerindeki benzer emilim değerleri nedeniyle kasla birlikte gruplandırılabilecek hatalı dokuları ortadan kaldırır.

BT görüntülerinden güvenilir bir şekilde ayırt edilmesi imkansız olan deri, en dıştaki dokunun ortalama deri kalınlığına dayanarak iki milimetre genişletilmesiyle oluşturulur. Bu işlem, tüm modeli çevreleyen homojen kalınlıkta bir tabaka üretir. Segmentasyonlar manuel olarak incelenir, doğruluğu sağlamak için düzeltilir ve bir hiyerarşi içinde tek bir etiket haritasında birleştirilir.

Sonlu elemanlar analizi için gereklidir. Modeller, Ski Institute'dan Gordon Delman tarafından geliştirilen bir yakın ham raster veri formatı veya n NRD dosyası kullanılarak ski run'a aktarılır. Bu, günümüzde birçok açık kaynaklı görüntü işleme yazılım platformunun temel dosya türüdür.

Bu dosya dışa aktarılır ve sonlu elemanlar analizi için ağ (mesh) olarak kullanılır. Şimdiye kadar RKÇ'leri manuel olarak inceledik ve bunları hiyerarşik bir modelde birleştirdik. SEG 3D programında, doku geometrisini ve boşluğu tanımlayabiliyoruz.

Ardından, bu modelleri ski'ye yükleyeceğiz ve elektrot konumlandırmasını ve tipini belirlemek için sonlu elemanlar paketimizi çalıştıracağız. Sonlu elemanlar analizinin kullanılma nedeni, amputee hastaların kalıntı uzuvları gibi karmaşık geometriler için sayısal yaklaşımlar sağlamasıdır. Sonlu elemanlar analizine hazırlanmak için, 16 cm'lik implant mat lab'de yazılmış özel bir yazılım kullanılarak tasarlanmış, ardından ortopedik implant ve elektriksel stimülasyon için katot görevi görmesi amacıyla ski run'a aktarılmıştır.

Elektrik alanı santimetre başına bir ila 10 voltun altında tutulmalı ve akım yoğunluğu santimetrekare başına iki miliamperden düşük olmalıdır. Bu durum osteoblast göçünü tetikleyecek, lokalize doku ısınmasını önleyecek ve hasta güvenliğini sağlayacaktır. Bu durum kırmızı kesikli çizgi ile belirtilmiştir.

Küçük elektrotlar, hasta konforunu sağlamak amacıyla tasarlanmıştır. Çünkü OIID cihazı, rehabilitasyon sırasında hareketleri veya günlük aktiviteleri kısıtlamamalıdır. İnteraktif elektrot yerleşimi ve simülasyonu desteklediği için elektrot tasarımı sürecinde ski run yazılım paketi kullanılmaktadır.

Sınır koşullarını, doku iletkenliklerini ve ağ iyileştirmelerini tanımlamanın yanı sıra, elektriksel metrik dağılımlarının histogramlarını oluşturmak ve doldurulmuş verileri kaydetmek için belirli matematiksel fonksiyonlarla bir ağ oluşturulur ve modüller organize edilir. Elektrot konfigürasyonları; bir yama elektrot, iki yama elektrot, bir sürekli bant ve iki sürekli banttan oluşmaktadır. 1.6 santimetre kalınlığındaki harici elektrot bantları, hasta BT taramalarından oluşturulan modellerin rezidüel ekstremite kısmına uygulanır.

Üç santimetre kalınlığındaki elektrot yamaları, rezidüel uzvun çapının yaklaşık yarısını kaplayan bir şerit halinde yerleştirilir. Kırmızı ile gösterilen iç kortikal implant, osteo implantı temsil eder. Bu implant, mükemmel bir uyum ve doluluk sağlamak amacıyla uygun çapta ayarlanmıştır.

Elektrotlar yerleştirildiğine göre, sonlu elemanlar analizini gerçekleştireceğiz. Buradaki amaç, etkili bir araç olabilmesi için elektrik alanını santimetre başına 1 ila 10 volt arasında tutmak ve doku nekrozunu önlemek için akım yoğunluğunu santimetrekare başına iki miliamperin altında tutmaktır. Sonlu elemanlar analizini gerçekleştirmek için, elektriksel metriklerin zaman bağımlılığı olmayan yarı statik bir yaklaşımla hesaplanabileceği varsayılarak simülasyonlar oluşturulur. Deneğin rezidüel uzvu boyunca elektriksel potansiyeli hesaplamak için sayısal yaklaşıklama kullanılır.

Model, SEG 3D segmentasyonlarından oluşturulan her doku tipi için Poisson denklemi ve elektrostatik çözülerek hesaplanır. Sınır koşulları, düğümlerin doku tipleri arasında sürekli olması ve akım akış yolunu yönetmek amacıyla modele atanır. Elektrotların ve implantın çevre dokulardan çok daha yüksek iletkenliğe sahip olması nedeniyle, implantın veya katodun sabit bir potansiyelde olduğu varsayılır.

Benzer şekilde, yüzey elektrotları, perkütan implanttan sabit bir potansiyel farkı ile modellenir. Elektrot konfigürasyonunun ve boyutlandırmasının etkinliğini değerlendirmek için deneğin rezidüel ekstremitesi boyunca elektrik potansiyelini hesaplamak amacıyla sayısal simülasyon kullanılır. Hastaya özgü modeller geliştirilir ve implant ara yüzü etrafındaki elektriksel potansiyel, lokalize alan şiddetlerini belirlemek için kullanılır.

Model, yaklaşık 1,8 milyon elementten oluşan bir heksa hugel ağ yapısı kullanılarak oluşturulmuştur. Bu deney için optimal element boyutu, voltaj gradyanlarında %5'ten daha az bağıl farkla sonuçlanan bir ağ hassasiyet çalışmasına dayanarak seçilmiştir. Bu durum model doğruluğunu sağlar.

Elemanlar parçalı, homojen omik ve izotropik elemanlar olarak kabul edilir. Elektrotlar sonlu eleman ağ yapısına dahil edilir ve cilt elektrodu ile osseointegre implant arasında sabit bir potansiyel farkı atanır. Bu seçim, beklenen doku rezistivitesine dayanmaktadır.

Potansiyel, iteratif bir çözücü kullanılarak ampute geometrisi, dokuların özdirenci ve elektrot konfigürasyonuna bağlı olarak 1 ile 4,5 volt arasında ayarlanır. Sonlu eleman modellerindeki potansiyeller, dört elektrot konfigürasyonu için hesaplanır. Bu işlem, amputeler için optimal tasarımın belirlenmesi amacıyla yapılır.

Sonlu elemanlar analizinin doğrulaması, IACUC onaylı küçük hayvan in vivo modeli ile gerçekleştirilmektedir. Bir implant bir tavşanın medüller kanalına yerleştirilir ve ikinci bir elektrot kas dokusuna yerleştirilir. Bu işlem, kemik-implant arayüzünde subkutan bir elektrik alanı oluşturur.

Tüm ski run sonlu elemanlar analizi, tavşanın in vivo voltaj gradyanlarını kaydeden ve iki elektrot arasına yerleştirilen iğne elektrotlarla doğrulanmıştır. Tavşan model çalışması, insan araştırmaları için belirlenen OIID ile aynı protokolü kullanmaktadır. Bu işlem, bilgisayarlı tomografi taramaları elde edilerek, SEG 3D'de 3D hiyerarşik modeller geliştirilerek ve ski run ile hesaplamalı modelleme yapılarak gerçekleştirilmiştir.

Amaç, kontrollü elektriksel stimülasyonun etkinliğini kanıtlamak için gerekli olan elektriksel metrikleri geliştirmektir. Bu, periprostetik enfeksiyonları azaltmayı ve implant fiksasyon güçlerini artırmayı hedeflemektedir. Böylece teknoloji FDA onayı alabilir ve ampute bireylerin rehabilitasyonunda kullanılabilir.

Detaylı protokolün başarıyla tamamlanması, bilgisayarlı tomografi taramalarından geliştirilmiş anatomik olarak doğru amputasyon kalıntısı uzuvlar ile sonuçlanacaktır. Bu, OIID sistemi için başlangıç kılavuzlarını sağlayacaktır. Kullanıcılar, hastaya özgü modeller için elektrot boyutunu ve konumunu ayarlayabilecekleri etkileşimli bir arayüz geliştireceklerdir.

Değişen elektrik alanları ve akım yoğunlukları, doku geometrisinin ve elektrot konumunun bir sonucu olacaktır. Bu nedenle, osteointegrasyon teknolojisi arayışındaki uzuv kaybı yaşayan kişilere yardımcı olmak için modellerin bireysel düzenlemelere ihtiyacı olacaktır. Bugün size sunduğumuz osseointegre akıllı implant tasarım sistemi, elektriksel stimülasyonla ilgili klasik bir sorun olan insan vücudundaki akım yolunun tanımlanamaması probleminin hafifletilmesine yardımcı olacaktır.

Ön sonuçlar, kemik implant arayüzündeki elektrik alanının periprostetik enfeksiyonları azaltma ve iskelet tutunmasını artırma yeteneklerine sahip olabileceğini ve klinisyenlerimiz için rehabilitasyonda etkili bir araç olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Hepsi bu kadar. İzlediğiniz için teşekkürler ve osseointegrasyon araştırmalarınızda başarılar dileriz.