Name: Bio-elektrische Analyses van een Osseointegrated Intelligent Design System Implantaat voor geamputeerden (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-07-15T00:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 31 s
Description: Leer hoe een osseointegreerd intelligent implantaatontwerpsysteem wordt ontwikkeld met behulp van CT-scans en eindige-elementenanalyse. Dit verbetert skeletfixatie en vermindert infectierisico's voor amputatiepatiënten.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Dit materiaal is gebaseerd op onderzoek ondersteund (of mede ondersteund door) de Technology Commercialisering Office, Salt Lake City, UT, Bureau van Onderzoek en Ontwikkeling, Revalidatie O &amp; O Service, DVA SLC Health Care System, Salt Lake City, UT, Ministerie van Defensie PRMRP Grant (nr. PR054520), de Albert &amp; Margaret Hofmann voorzitter en de afdeling Orthopedie, de Universiteit van Utah School of Medicine, Salt Lake City, UT, was de technische ondersteuning voor de simulaties die door het Center for Integrative biomedische Computing van Scientific Computing en Imaging Institute en werd mede mogelijk gemaakt door de software van de NIH / NCRR Center for Integrative Biomedical Computing, P41-RR12553-07. Extra dankbaarheid wordt uitgebreid tot Gwenevere Shaw voor hulp bij het manuscript voorbereiding en Dustin Williams voor het imago van biofilm.

Deel 1: Met behulp van Computed Tomography (CT) scans voor Geamputeerde Wederopbouw <ol><li> Retrospectief CT-scans zijn verzameld van de Universiteit van Utah en het ministerie van Veteraan Zaken ziekenhuizen na het verkrijgen van IRB en HIPAA goedkeuring. </li><li> CT-scans werden geselecteerd omdat ze laten duidelijk onderscheid te maken tussen soorten weefsels op basis van x-ray absorptie. </li><li> TI&#39;s werden handmatig gecontroleerd en opgenomen in de studie gebaseerd op de afwezigheid van metalen implantaten om de afbeelding artefact te voorkomen. </li></ol> Deel 2: Model Generation met Seg3D <ol><li> Bestanden zijn gedownload als DICOM-afbeeldingen en geladen in Seg3D (versie 1.11.0, software.sci.utah.edu) als een nieuw volume. </li><li> Een mediaan filter werd gebruikt om voorafgaand een soepele de geïmporteerde hoeveelheden te bepalen geometrisch omschreven weefsel structuren. </li><li> Het weefsel grenzen van het bot, beenmerg, organen en vetweefsel werden gegenereerd door drempeling de CT-bestanden interactief (figuur 1). <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig1.jpg" alt="Figuur 1" /> Figuur 1: Een sagittale doorsnede van een geamputeerde stomp thresholded en gescheiden in specifiek weefsel typen. </li><li> De spieren werd verkregen door handmatig in te stellen zaad punten binnen de thresholded spierweefsel en het gebruik van een filter vertrouwen is aangesloten op alle weefsel verbonden met het zaad punten te vinden. Deze stap verwijderd verkeerde weefsels die samen kunnen zijn gegroepeerd met de spier op basis van vergelijkbare absorptie van CTS. </li><li> De huid, die was het onmogelijk om betrouwbare onderscheiden van de CT-beelden, werd gegenereerd door het verwijden van de buitenste weefsel 2 millimeter gebaseerd op het gemiddelde dikte van de huid tot een homogene laag van dikte, dat het volledige model 1 omringd te produceren. </li><li> Segmentaties werden handmatig gecontroleerd, gecorrigeerd om nauwkeurigheid te waarborgen en gecombineerd in een hiërarchie in een enkel label kaart die nodig is voor eindige elementen analyse (figuur 1). <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig2.jpg" alt="Figuur 2" /> Figuur 2: Vertegenwoordiger hiërarchische model van een bilaterale geamputeerde gemaakt met Seg3D. </li></ol> Deel 3: Voorbereiding voor Finite Element Analysis <ol><li> Een 10 cm implantaat is ontworpen in Matlab om te dienen als de geïmplanteerde orthopedische apparatuur en kathode voor elektrische stimulatie en geïmporteerd in SCIRun (versie 4.0, software.sci.utah.edu). </li></ol> Deel 4: Plaatsing elektroden &amp; Design <ol><li> SCIRun werd gebruikt voor elektrode ontwerp omdat het ondersteunt interactieve elektrode plaatsing en simulatie. </li><li> Een netwerk is gemaakt en modules georganiseerd met specifieke functies voor de mesh (figuur 3) te genereren. Modules waren belangrijk voor het bepalen van randvoorwaarden, weefsel geleidbaarheid, mesh verfijningen, het genereren van Matlab histogrammen, het opnemen van veldgegevens, enz. (tabel 1). <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig3.jpg" alt="Figuur 3" /> Figuur 3: representatief netwerk afbeelding van een verkennende studie met behulp van een band twee externe elektrode configuratie. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"><tbody><tr><td> Tabel 1 </td><td></td></tr><tr><td colspan="2"> Geleidbaarheden Toegewezen aan gesegmenteerde weefsels </td></tr><tr><td> Tissue Type </td><td> Geleidbaarheid [S / m] </td></tr><tr><td> Orgel </td><td> 0.22 </td></tr><tr><td> Huid </td><td> 0.26 </td></tr><tr><td> Vet </td><td> 0.09 </td></tr><tr><td> Spier </td><td> 0.25 </td></tr><tr><td> Corticaal bot </td><td> 0.02 </td></tr><tr><td> Bone Marrow </td><td> 0.07 </td></tr></tbody></table></li><li> De configuraties voor de elektroden bestond uit een een pleister elektrode, twee patch elektroden, een doorlopende band en twee continue bands. </li><li> Externe elektrode bands werden toegepast op de resterende onderdeel van de modellen gegenereerd uit de patiënt CT-scans en werden 1,6 cm dik. </li><li> Elektrode patches werden geplaatst als een strook voor ongeveer de helft van de diameter van de stomp en werden 3 cm dikte. </li><li> De binnenste corticale implantaten die de osseointegrated implantaat vertegenwoordigd was ingesteld op endostale diameter zorgen voor een perfecte pasvorm en 2 implantaat te vullen. </li></ol> Deel 5: Finite Element Analysis <ol><li> De simulaties werden gegenereerd in de veronderstelling dat de elektrische metingen kan worden berekend met behulp van een quasi-statische benadering met geen tijd afhankelijkheid. </li><li> Het model werd berekend door het oplossen van de vergelijking van Laplace voor elk weefseltype gegenereerd uit de Seg3D segmentaties. </li><li> De randvoorwaarden werden gevormd door de elektroden die geïnjecteerde stromen en de richtlijn dat de huidige bleven binnen het lichaam. </li><li> Omdat de elektroden en het implantaat had een veel grotere geleidbaarheid dan de omringende weefsels, het was eenssumed dat het implantaat (kathode) was bij een constante potentieel, ook de oppervlakte-elektroden werden gemodelleerd met een constante potentiaal verschil met de percutane implantaat. </li><li> Voor het evalueren van de effectiviteit van de elektrode configuratie en dimensionering, werden de patiënt specifieke modellen ontwikkeld en de elektrische potentiaal rond het implantaat-interface werd gebruikt om gelokaliseerde veldsterktes te bepalen. </li><li> Het model werd gegenereerd met behulp van een hexahedral mesh die bestond uit ongeveer 1,8 miljoen elementen die werden behandeld als stuksgewijze homogeen, ohmse en isotrope. </li><li> De optimale model voor dit experiment werd geselecteerd met een relatief verschil &lt;5% in spanning gradiënten bevestigd met een mesh een gevoeligheidsanalyse op het model nauwkeurigheid (tabel 2) te verzekeren. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="305"><tbody><tr><td> Tabel 2 </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="3"> Mesh Gevoeligheid Studie voor Geamputeerde Model </td><td></td></tr><tr><td> Maas </td><td> Elementen </td><td> Nodes </td><td> Relatieve verschil </td></tr><tr><td> 100 100 50 </td><td> 149089 </td><td> 161131 </td><td> 0.0995 </td></tr><tr><td> 125 125 75 </td><td> 350180 </td><td> 371472 </td><td> 0.0802 </td></tr><tr><td> 150 150 100 </td><td> 673032 </td><td> 706082 </td><td> 0.0545 </td></tr><tr><td> 175 175 125 </td><td> 1146778 </td><td> 1194044 </td><td> 0.0527 </td></tr><tr><td> 200 200 150 </td><td> 1796690 </td><td> 1860772 </td><td> 0.0439 </td></tr><tr><td> 250 250 200 </td><td> 3745038 </td><td> 3850202 </td><td> 0.0364 </td></tr><tr><td> 275 275 225 </td><td> 5097243 </td><td> 5226587 </td><td> 0.0301 </td></tr><tr><td> 300 300 250 </td><td> 6742588 </td><td> 6898729 </td><td> 0.0000 </td></tr></tbody></table></li><li> Met behulp van een iteratieve solver, waren de elektrische statistieken in de eindige elementen modellen berekend voor de elektrode configuraties. </li></ol>

<ol><li>Tortora, G. J., Nielsen, M. T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTortora%2C+GJ+%22Principles+of+Human+Anatomy%22">Principles of Human Anatomy</a>. Roesch, B., et al. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ. (2009).</li>
<li>Bloebaum, R. D., Bachus, K. N., Momberger, N. G., Hofmann, A. A. Orthopaedic Research Society 39th Annual Meeting, San Francisco, CA, , (1993).</li>
<li>Goldberg, M. S. Military Medical/NBC Technology. 11 (8), 31(2007).</li>
<li>Fischer, H. Report No. Order Code RS22452. , (2008).</li>
<li>Moore, T. J., et al. Clin Orthop Relat Res. 238, 219(1989).</li>
<li>Hagberg, K., Branemark, R. Prosthet Orthot Int. 25 (3), 186(2001).</li>
<li>Todd, T. W., Barber, C. G. J Bone Joint Surg Am. 16, 53(1934).</li>
<li>Jaegers, S. M., Arendzen, J. H., de Jongh, H. J. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 76 (8), 736(1995).</li>
<li>Potter, B. K., et al. Journal of American Academy of Orthopaedic Surgeons. 14 (10), 191(2006).</li>
<li>Kulkarni, J., Adams, J., Thomas, E., Silman, A. Clin Rehabil. 12 (4), 348(1998).</li>
<li>Smith, D. G., et al. Clin Orthop Relat Res. (361), 29(1999).</li>
<li>Pasquina, P. F., et al. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 87 (3), 34(2006).</li>
<li>Ysander, M., Branemark, R., Olmarker, K., Myers, R. R. Journal of Rehabilitation Research & Development. 38 (2), 183(2001).</li>
<li>Couch, N. P., David, J. K., Tilney, N. L., Crane, C., et al. American Journal of Surgery. 133 (4), 469(1977).</li>
<li>Morgenroth, D. C., Shakir, A., Orendurff, M. S., Czerniecki, J. M. Am J Phys Med Rehabil. 88 (2), 108(2009).</li>
<li>Pendegrass, C. J., et al. Journal of Bone and Joint Surgery British. 90 (1), 114(2008).</li>
<li>Lee, W. C., et al. Med Eng Phys. 30 (7), 825(2008).</li>
<li>Brighton, C. T., Friedenberg, Z. B., Zemsky, L. M., Pollis, P. R. J Bone Joint Surg Am. 57 (3), 368(1975).</li>
<li>Spadaro, J. A. Bioelectromagnetics. 18 (3), 193(1997).</li>
<li>Brighton, C. T., Friedenberg, Z. B., Mitchell, E. I., Booth, R. E. Clin Orthop Relat Res. 124, 2(1976).</li>
<li>Friedenberg, Z. B., Brighton, C. T. J Bone Joint Surg Am. 48 (5), 915(1966).</li>
<li>Yonemori, K., et al. Bone. 19 (2), 173(1996).</li>
<li>Treharne, R. W., Brighton, C. T., Korostoff, E., Pollack, S. R. Clin Orthop Relat Res. (145), 300(1979).</li>
<li>Wiesmann, H., et al. Biochimica et Biophysica Acta. 1538 (1), 28(2001).</li>
<li>McLeod, K. J., Rubin, C. T. J Bone Joint Surg Am. 74 (6), 920(1992).</li>
<li>Rubinacci, A., Tessari, L. Calcified Tissue International. 35 (6), 728(1983).</li>
<li>Brighton, C. T., et al. J. Bone Joint Surg Am. 63 (5), 847(1981).</li>
<li>Friedenberg, Z. B., Zemsky, L. M., Pollis, R. P., Brighton, C. T. J Bone Joint Surg Am. 56 (5), 1023(1974).</li>
<li>Jorgensen, T. E. Clin Orthop Relat Res. 124, 124(1977).</li>
<li>Ehrlich, G. D., et al. Clin Orthop Relat Res. 437, 59(2005).</li>
<li>Soong, H. K., et al. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 31 (11), 2278(1990).</li>
<li>Li, W. P., et al. Bone. 32 (8), 986(2006).</li>
<li>Leitgeb, N., Cech, R., Schrottner, J. Radiat Prot Dosimetry. 124 (2), 124(2007).</li>
<li>van der Borden, A. J., et al. Biomaterials. 28 (12), 2122(2007).</li>
<li>van der Borden, A. J., van der Mei, H. C., Busscher, H. J. Biomaterials. 26 (33), (2005).</li>
<li>Costerton, J. W., et al. Annual Review of Microbiology. 41, 435(1987).</li>
<li>Neut, D., van der Mei, H. C., Bulstra, S. K., Busscher, H. J. Acta Orthop. 78 (3), 299(2007).</li>
<li>Anwar, H., Dasgupta, M. K., Costerton, J. W. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 34 (11), 2043(1990).</li>
<li>Costerton, J. W. Clin Orthop Relat Res. (437), 7(2005).</li>
<li>Nelson, C. L., et al. Clin Orthop Relat Res. 437, 25(2005).</li>
<li>Gunterberg, B., et al. Conference Book of IXth World Congress ISPO, Amsterdam, The Netherlands, , (1998).</li>
<li>Lavine, L. S., Grodzinsky, A. J. J Bone Joint Surg Am. 69 (4), 626(1987).</li>
<li>Chakkalakal, D. A., Johnson, M. W. Clin Orthop Relat Res). (161), 133(1981).</li>
<li>Buckwalter, J. A., Glimcher, M. J., Cooper, R. R., Recker, R. J Bone Joint Surg Am. 77 (2), 1276(1995).</li>
<li>Lane, J. M., Vigorita, V. J. J Bone Joint Surg Am. 65 (2), 274(1983).</li>
</ol>

De technologie beschreven in het artikel, in het bijzonder gebruik te maken van een orthopedisch implantaat als een functionele kathode naar skelet beslag te verhogen, revalidatie te verminderen en bacteriële adhesie is een nieuw idee bedacht door de eerste auteur in het tijdschrift indiening te voorkomen. Een invention disclosure formulier is voorgelegd aan de University of Utah en een in de Verenigde Staten voorlopige octrooiaanvraag is ingediend beschermen bekendgemaakt alle technologie.

Het begrijpen van de elektrische stimulatie Paradigm Verbeteringen in de medische zorg en evacuatie strategieën op het gebied van de strijd hebben geleid tot een toename van het aantal krijgers overleven rampzalige oorlog veroorzaakt letsel. Terwijl de verbeterde overlevingskans is een medische vooruitgang, zijn militairen en vrouwen die terugkeren uit de strijd met amputaties die vereisen dat een intensieve nazorg, uitgebreide revalidatie en dure prothese diensten van de Veteranen Zaken Health Care System 3. Congres rapporten detail dat meer dan 1.000 verband met de oorlog amputatie zijn opgetreden als gevolg van de Operation Enduring Freedom (OEF) en de Operation Iraqi Freedom (OIF) conflicten 4. In het geval van OEF en OIF veteranen, heeft ongeveer 15% van de terugkerende strijders verloren meerdere ledematen en een groot aantal terugkerende militairen en vrouwen hebben korte resterende ledematen waar de socket-technologie is geen optie, of is afgewezen door de patiënt. De gerapporteerde gestaakt gebruik van de bovenste extremiteit prothese groter is dan zelfs 50%, omdat de fixatie apparaten zijn omslachtig en moeilijk om comfortabel 5 te gebruiken. Onderste extremiteit prothesen zijn even problematisch en de gemeenschappelijke problemen in verband met weke delen stopcontacten onder meer het onvermogen om te lopen aan uitdagende terrain6, beperkte resterende ledematen lengte 7, ongemak voor de patiënt 5, betreffen met niet-fysiologische belasting 8, irritatie door heterotope ossificatie 9 en het risico van slopende ziekten 10. Echter, osseo-integratie-technologie is een nieuwe chirurgische techniek die pijn 11, huidirritatie 12 mei te verminderen, vergroten osseoperception 13, het verbeteren van de mobiliteit 6, daling van decubitus geassocieerd met stopcontacten 6, vermindering van energie voor het lopen 7,14 en beter van dienst te veteraan en krijgers met een beperkte stomp lengte 15. Ondanks de vele fysieke en psychologische voordelen van osseointegratie, de bijbehorende chirurgische procedures vereisen meer geavanceerde infectiepreventie behandeling streategies 16, vereist een lange revalidatie-programma&#39;s en onder andere beperkende gewicht dragen protocollen die kunnen oplopen tot 1,5 jaar na de operatie 17. Omdat de levensvatbaarheid van de bot van de gastheer en de lengte van de stomp is belangrijk voor spieren gehechtheid en functionaliteit, het ontwikkelen van nieuwe apparaten te verbeteren osseo-integratie is de sleutel voor terugkerende militairen en vrouwen. Daarom kan de ontwikkeling van een intelligent osseointegrated implantaat ontwerp (OIID) systeem dat gecontroleerde elektrische stimulatie toepassingen te verminderen van de duur van de revalidatie en vergroten skelet bevestiging voor veteraan en krijger geamputeerden. Echter, omdat er geen stroom apparaat is commercieel verkrijgbaar en gericht voor gebruik met percutane osseointegrated implantaten, de motivatie van het programma is om de veiligheid en werkzaamheid bevestig met eindige elementen analyse. Inzicht in de rol van de elektrische stimulatie in botremodellering, in het bijzonder de afzetting van osteoids en mineralisatie, is gebleven speculatief. Kan echter elektrische activiteit waargenomen in het bot het gevolg zijn van mechanische belasting 18,19 en dus een elektrische prikkel kan een effectief mechanisme voor het induceren van botherstel 19. De logica achter de hypothese wordt uitgelegd in een fractuurgenezing model. Bij de lange botten worden geladen, de kant van de spanning wordt elektropositieve en de drukzijde elektronegatieve 20,21, echter, zodra een bot gebroken is, zal de site elektronegatieve blijven met betrekking tot de omgeving totdat genezing is begonnen en homeostase hervat 21. Het simuleren van de natuurlijke genezing cascade met een elektrisch signaal is verondersteld om te helpen met calcium afzetting 22, kleine wijzigingen in het zuurstofgehalte en pH 23, de aanwerving van groeifactoren 22 en assisteert bij osteoblasten migratie en secretie van extra extracellulaire matrix 24. Het uitgangspunt dat elektrische stimulatie alleen kon voltooien botherstel regeren is opnieuw gedefinieerd en de huidige nieuwe hypothese stelt dat complete vakbonden worden gevormd door mechanische belastingen en een elektrische stimulatie co-stimulus 19. De elektrische impulsen waargenomen in vivo worden geassocieerd met piëzo-elektrische vervorming van collageen of de grote elektro-kinetische stromen geproduceerd door ionische bestanddelen langsstromende minerale delen van het bot matrix 25. In feite hebben spontane potenties gemeld in het bot zo groot als 6 millivolt en correleert met een toename van de neerslag van mineralen van het bot 26. Vroeg werk van Brighton en Friedenberg 18,21,27,28 gebruikt het concept van de elektrische stimulatie voor botregeneratie in de jaren 1960 en 1970 en demonstrated dat de directe stroom kan worden gebruikt om non-unions te repareren in een kortere periode in vergelijking met traditionele geneeswijzen. Nieuwe modellen hebben onderzocht botvorming met beperkende gewicht dragen en toonde een eenendertig procent toename van de osteogene activiteit tussen controles en elektrisch gestimuleerd ledematen 25. Terwijl onderzoekers op het gebied van elektrische stimulatie hebben het pad geëffend voor het begrijpen van het mechanisme voor osteoblast matrix depositie met elektrische stimulatie, is onvoldoende inzicht in beperkte de uitbreiding van deze technologie. Hoewel er zijn veel gevallen van succesvolle genezing van niet-vakbonden en fractuurgenezing modellen, voorbeelden van ongemak voor de patiënt en de mislukte pogingen zijn vol in de literatuur ook 29. Het probleem met elektrische stimulatie komt van wetenschappers en clinici de controle op de verkeerde elektrische statistieken en zich alleen te concentreren op de huidige grootheden. Eerdere onderzoekers hebben gekeken naar de huidige als de &quot;magic bullet&quot; de vaststelling van de ongeveer 500.000 non-unions, die jaarlijks plaatsvinden 30. Echter, herhaalbaarheid tussen de modellen is beperkt van 31 joule-opwarming complicaties en niet het bepalen van de huidige dichtheid 32. In feite moeten alle vervaardigd biomedische apparaten worden beperkt tot een stroom-dichtheid minder dan 2 mA / cm 2, zoals beschreven door de Internationale Elektrotechnische Commissie om gelokaliseerde weefsel necrose en ongemak voor de patiënt 33 te voorkomen. Naast assisteren bij het ​​skelet fixatie, kan gecontroleerde elektrische stimulatie ook voorkomen dat bacteriële hechting op orthopedische implantaten en vermindert het risico op osteomyelitis en biofilmvorming 34-37. Biofilm vorming op orthopedische hulpmiddelen leiden tot complicaties en de patiënt in significante mate lijden voor degenen die afhankelijk zijn van deze apparaten 38. Nadruk wordt gelegd op de noodzaak om volledig hebben gesteriliseerde instrumenten en implantaten voor de ingreep 39, maar het is vaak moeilijk om bacteriën hechting diagnose zo blijkt uit de vele negatieve gekweekte gevallen die inderdaad besmet zijn 40. Dit probleem gaat vaak gepaard met het feit dat de biofilms zijn langzaam groeien in de natuur 40, niet nauwkeurig kan worden in vitro de groei 39, afhankelijk van het type van de bacterie cellen, reinheid van het oppervlak en het immuunsysteem van de getroffen persoon 39. Onderzoek van de Europese transfemoraal geamputeerden met oseeointegration technologie onthullen de meest voorkomende probleem is een infectie (vaak oppervlakkige infecties, 1 / 3 periprosthetic infecties) 41. Hoewel er enorme verbeteringen in chirurgische voorbereiding, de uitroeiing van bacteriën is een van de fundamentele factoren voor de verbetering van osseo-integratie, omdat biofilms zijn tussen de 500-5000 duizend keer meer moeilijk uit te roeien als gevolg van hun niet-platonische vorm 34,35,39. Daarom, met behulp van elektrische stimulatie als een modaliteit voor het verwijderen van schadelijke bacteriën kolonies en het vergroten van het skelet fixatie zijn belangrijke factoren voor het waarborgen van de bescherming van de gezondheid van de patiënt en OIID werkzaamheid. De voordelen van het gebruik van veteraan en krijger geamputeerden zijn dat de relatief jonge en anders een goede gezondheid van deze mensen maken ze een ideale populatie voor agressieve revalidatie en een percutane post zal dienen als een ambulante hulp en kan worden ontwikkeld als een blootgesteld kathode voor elektrische stimulatie. De aanwezigheid van een osseointegrated implantaat vereist geen extra chirurgische procedures voor elektrische componenten te voegen, kan het apparaat extern worden gecontroleerd en voorkomt verdere risico op infectie 42. Daarom kan door inzicht in de methode van de huidige injectie in de resterende onderdeel van veteraan en krijger geamputeerden, een elektrisch veld van de grootte van 1-10 V / cm worden vastgesteld, gecontroleerd en gemeten op het implantaat interface. Er wordt verondersteld dat dit een veilig niveau van elektriciteit te leveren, kan induceren osteoblasten migratie en het verbeteren van het skelet bevestiging mogelijk te maken. Een elektrisch veld van deze graad zal de kwantiteit en de kwaliteit van het bot aan het implantaat interface, en het verbeteren van de vooruitzichten voor een versnelde revalidatie en skelet fixatie voor een geamputeerde. Het gebruik van elektrische stimulatie is niet onderzocht als een modaliteit om osseointegratie te versnellen in een intramedullaire prothetische implantaat en biedt talrijke mogelijkheden voor translationeel onderzoek om de patiëntenzorg te verbeteren. Experimentele resultaten De noodzaak voor de patiënt-specifieke modellen met een percutane elektrische stimulatie-apparaat werd gesteund in de studie. De simulaties ontwikkeld voor de voorgestelde biomedische apparaat kan de mogelijkheden van versnelling van het skelet beslag door het verhogen van osteoblasten migratie en het voorkomen van bacteriële hechting 27,34,36,39. Computation modellering is effectief gebleken dat de 1-10 V / cm elektrische velden en stroomdichtheid minder dan 2 mA / cm 2 kan worden gegenereerd met behulp van het implantaat als een functioneel kathode en is het meest homogeen verdeeld met behulp van een band twee externe elektrode. Het onvermogen om de huidige pathways in het menselijk lichaam 43, het OIID systeem kan de eerste stap naar het oplossen van het klassieke probleem in verband met elektrische stimulatie worden. Daarom kunnen vaststelling van tools voor het verbeteren van het skelet bevestiging te helpen met het verminderen van de duur van de revalidatie die nodig zijn voor een osseointegrated procedure. Met behulp van elektrische stimulatie voor oudere geamputeerden is ook een essentieel aspect dat moet ook worden onderzocht. Botmassa is maximaal tien jaar na de groei van het skelet ophoudt, maar vermindert aanzienlijk door de achtste en negende decennium 44. Zolang botten veranderen met de leeftijd, de endostale diameter heeft de neiging om sneller stijgen dan het periostale diameter die kan leiden tot implantaat los 45. Dit probleem in combinatie met de vermindering van de druk op de botten door de zwakkere spieren kunnen bijdragen aan de slopende ziekten zoals osteoporose en osteopenie 45 en vereisen aanvullende behandeling voor patiënten met osseointegrated implantaten. Kan echter gecontroleerde elektrische stimulatie en mechanische belasting fungeren als een synergetische katalysator van het bot ongrowth en onderhouden van bot van de gastheer bed integriteit met oudere patiënten met behulp van een OIID systeem.

bio-elektrische analyses van een osseointegrated intelligent design system implantaat voor geamputeerden

Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees

De verwachte aantal Amerikaanse geamputeerden zal naar verwachting tot 3,6 miljoen in 2050. Veel van deze mensen zijn afhankelijk van kunstmatige ledematen aan routinematige activiteiten uit te voeren, maar prothetische schorsingen met de traditionele socket technologie kan blijken te zijn lastig en ongemakkelijk voor een persoon met een ledemaat verliezen. Bovendien, voor degenen met een hoge proximale amputaties, is een beperkte stomp lengte te voorkomen exoprosthesis gehechtheid allemaal samen. Osseointegrated implantaat-technologie is een nieuwe operatieve procedure die stevig skelet hechting tussen het bot van de gastheer en een implantaat mogelijk maakt. Voorlopige resultaten in Europese geamputeerden met osseointegrated implantaten hebben aangetoond verbeterde klinische resultaten, doordat directe overdracht van lasten tot op het bot-implantaat interface. Ondanks de duidelijke voordelen van osseo-integratie meer dan socket-technologie, de huidige revalidatie procedures vereisen lange periodes van beperkende dragende voordat die kan worden verminderd met de versnelde skelet attachment via elektrische stimulatie. Het doel van de osseointegrated intelligent ontwerpen van implantaten (OIID) systeem is om het implantaat een deel van een elektrisch systeem om skelet beslag te versnellen en helpen bij het voorkomen periprosthetic infectie. Voor het bepalen van een optimale elektrode grootte en plaatsing, we begonnen proof of concept met computationele modellering van de elektrische velden en stroomdichtheid die zich voordoen tijdens elektrische stimulatie van geamputeerde restledematen. Om te zorgen verzekeren de veiligheid van patiënten, kregen de proefpersonen met terugwerkende computertomografie scans geselecteerd en driedimensionale reconstructies werden gemaakt met behulp van aangepaste software programma&#39;s om anatomische nauwkeurigheid (Seg3D en SCIRun) zorgen in een IRB en HIPAA goedgekeurd te bestuderen. Deze software pakketten ondersteund de ontwikkeling van patiënt-specifieke modellen en toegestaan ​​voor interactieve manipulatie van de elektrode positie en grootte. Voorlopige resultaten laten zien dat elektrische velden en de huidige dichtheden kan worden gegenereerd op het implantaat interface naar de homogene elektrische veld uitkeringen nodig zijn om osteoblast migratie veroorzaken, skelet fixatie te verbeteren en kan helpen voorkomen periprosthetic infecties te bereiken. Op basis van de elektrode configuraties geëxperimenteerd met in het model, zal een externe twee band configuratie worden bepleit in de toekomst.

Er is behoefte aan alternatieve prothese bevestiging door de ledematen verlies toegekend aan vasculaire occlusieve ziekten en trauma&#39;s te ontwikkelen. Het doel van het werk is om een ​​implantaat osseointegrated intelligent ontwerp in te voeren om skelet fixatie te verhogen en periprosthetic infecties verminderen voor patiënten die een osseointegrated technologie.

Bio-elektrische Analyses van een Osseointegrated Intelligent Design System Implantaat voor geamputeerden

Het geprojecteerde aantal Amerikaanse amputanten zal naar verwachting stijgen tot 3,6 miljoen in 2050. Velen van deze personen zijn afhankelijk van kunstledematen om ... uit te voeren.

Tegen het jaar 2050 wordt verwacht dat het aantal geamputeerden in de Verenigde Staten zal oplopen tot 3,6 miljoen. Complicaties met traditionele protheses leiden vaak tot asymmetrische looppatronen en ongemak voor geamputeerden die hopen een actieve levensstijl te hervatten na een letsel. De huidige prothetische opties zijn over het algemeen ontoereikend.Dit is hoofdzakelijk te wijten aan de hoge incidentie van doorligwonden door niet-uniforme belastingspatronen. Een manier om de functionele beperkingen van traditionele prothesen te overwinnen, is door een directe skeletale verbinding tussen een implantaat en het gastbot van de geamputeerde te ontwikkelen. Deze technologie, bekend als osteointegratie, is afhankelijk van directe skeletale fixatie en een nauwe epidermale en dermale afsluiting om infecties te voorkomen; wanneer deze succesvol is, verbetert osteointegratie de activiteitsniveaus voor geamputeerden met proximale amputaties aanzienlijk.Dit wordt getoond in de video's van het team van Dr. Ash off, in samenwerking met de Esca-organisatie. Er zijn twee belangrijke complicaties die de brede toepassing van osseointegratie belemmeren.Ten eerste is er een risico op bacteriële adhesie en biofilmvorming op orthopedische implantaten. Ten tweede bestaat er een risico op inadequate skeletale fixatie in vivo, zoals hier te zien is aan de radiolucenties. Om deze complicaties te overwinnen, kan de exo-prothese worden gebruikt als kathode om elektrische stimulatie toe te dienen.Dit kan leiden tot positieve botremodellering, bacteriële aanhechting voorkomen en de revalidatietijd die nodig is voor volledige gewichtbelasting verkorten. Deze video demonstreert hoe implantaten worden ontworpen met behulp van een vernieuwend OSSEOINTEGRATED intelligent implantaatontwerpsysteem, of OIID. Hallo, ik ben Brad Isaacson van het Bone and Joint Research Laboratory aan de University of Utah in de afdeling Bioengineering.Vandaag laten we zien hoe het ontwerp van een osteo-geïntegreerd implantaat kan worden getest en geëvalueerd met hypothetische modellering aan de hand van computerprogramma's. Ons doel is om een proof-of-concept te leveren voor een nieuw revalidatiemiddel voor osteo-integratie dat gebruikmaakt van elektrische stimulatie. Wanneer dit middel correct wordt toegepast, zal het in staat zijn om periprosthetische infecties te verminderen en de skeletale aanhechting te vergroten.Met dat in gedachten laat ik u zien hoe we een geïntegreerd intelligent implantaat-ontwerpsysteem kunnen ontwikkelen. CT-scans worden gebruikt voor modelreconstructie omdat ze in staat zijn om verschillende weefseltypen duidelijk te onderscheiden. De hiervoor gebruikte scans zijn verzameld bij het University of Utah Hospital en het Department of Veteran Affairs nadat goedkeuring van de IRB en HIPAA was verkregen.Deze CT-scans werden eerst visueel geïnspecteerd en geselecteerd voor de studie op basis van de afwezigheid van metalen implantaten, die beeldartefacten kunnen veroorzaken. Hier tonen we een geval van een geamputeerde die ongeschikt zou zijn voor computermodellering vanwege de aanwezigheid van een orthopedisch implantaat. De geamputeerde heeft een orthopedisch implantaat in het mergholtekanaal, en wanneer we door de CT-coupes scannen, zien we beeldvervorming.We zouden echter pleiten voor een patiënt als deze. De geamputeerde vertoont een duidelijk onderscheid tussen weefseltypen, wat essentieel is voor anatomisch accurate modellen. Uitstekend om mee te beginnen.CT-scandatabestanden voor modelgeneratie worden gedownload als DICOM-beelden en in het SEG 3D-programma geladen als een nieuw volume. Vervolgens wordt een mediaanfilter gebruikt om de geïmporteerde volumes glad te strijken voordat geometrisch gedefinieerde weefselstructuren worden bepaald. Zodra het filteren is voltooid, worden de weefselgrenzen van het bot, het beenmerg, de organen en het vetweefsel gegenereerd door middel van drempelwaarde-instelling.De CT-beelden worden interactief en nogmaals gefilterd. De musculatuur wordt verkregen door handmatig seed-punten in te stellen binnen de drempelwaarde van spierweefsel, en door een confidence connected filter te gebruiken om al het weefsel te vinden dat verbonden is met de seed-punten. Deze stap elimineert onjuiste weefsels die op basis van vergelijkbare absorptie in de CT-beelden mogelijk samen met de spieren zijn gegroepeerd.De huid, die onmogelijk betrouwbaar uit de CT-beelden te onderscheiden is, wordt gegenereerd door het buitenste weefsel twee millimeter te dilateren, gebaseerd op de gemiddelde huiddikte. Dit produceert een laag van homogene dikte die het volledige model omringt. Segmentaties worden handmatig geïnspecteerd en gecorrigeerd om de nauwkeurigheid te waarborgen, en vervolgens in een hiërarchie gecombineerd tot één enkele labelmap.Vereist voor eindige-elementenanalyse. Modellen worden geëxporteerd naar ski run met behulp van een near raw raster data-formaat of n NRD-bestand ontwikkeld door Gordon Delman bij het Ski Institute. Dit is inmiddels het basisbestandstype van veel opensource platforms voor beeldbewerking.Dit bestand wordt geëxporteerd en gebruikt als het netwerk voor eindige-elementenanalyse. Tot nu toe hebben we RCT's handmatig geïnspecteerd en deze gecombineerd in een hiërarchisch model. In het SEG 3D-programma kunnen we daar de weefselgeometrie en de ruimte definiëren.Vervolgens laden we deze modellen in Ski, waarna we ons eindige-elementenpakket uitvoeren om de positie en het type elektrode te definiëren. De reden voor het gebruik van eindige-elementenanalyse is dat dit een numerieke benadering biedt voor complexe geometrieën, zoals de residu-ledematen van onze geamputeerde patiënten. Ter voorbereiding op de eindige-elementenanalyse is het implantaat van 16 centimeter ontworpen met behulp van aangepaste software geschreven in MATLAB, om vervolgens in Ski te worden geïmporteerd als orthopedisch implantaat en kathode voor elektrische stimulatie.Het elektrische veld moet onder de 1 tot 10 volt per centimeter worden gehouden, en de stroomdichtheid moet lager zijn dan 2 milliamps per vierkante centimeter. Dit zal osteoblastmigratie induceren, lokale weefselverwarming voorkomen en de veiligheid van de patiënt waarborgen. Dit wordt aangegeven met de rode stippellijn.Kleine elektroden zijn ontworpen om het comfort van de patiënt te waarborgen, aangezien het OIID-apparaat de beweging of dagelijkse activiteiten tijdens de rehabilitatie niet mag beperken. Het softwarepakket ski run wordt gebruikt voor het ontwerp van de elektrode, omdat het interactieve plaatsing en simulatie van elektroden ondersteunt.Er wordt een netwerk gecreëerd en modules worden georganiseerd met specifieke wiskundige functies voor het definiëren van randvoorwaarden, weefselgeleidbaarheid en mesh-verfijningen, evenals voor het genereren van histogrammen van elektrische metrische distributies en het registreren van ingevulde gegevens. De configuraties voor de elektroden bestaan uit één patchelektrode, twee patchelektroden, één continue band en twee continue banden. Externe elektrodebanden met een dikte van 1,6 centimeter worden aangebracht op de stomp van de modellen die zijn gegenereerd vanuit CT-scans van patiënten.Elektrode-patches, met een dikte van drie centimeter, worden in een strip geplaatst die ongeveer de helft van de diameter van de stomp bedekt. Het innerlijke corticale implantaat, in het rood weergegeven, representeert het osteo-implantaat. De diameter hiervan is zo ingesteld dat een perfecte passing en vulling van het implantaat mogelijk is.Nu de elektroden zijn geplaatst, voeren we de eindige-elementenanalyse uit. Het doel is hier om het elektrische veld tussen 1 en 10 volt per centimeter te houden om een effectief instrument te zijn, terwijl de stroomdichtheid onder 2 mA/cm² blijft om weefselnecrose te voorkomen. Om de eindige-elementenanalyse uit te voeren, worden simulaties gegenereerd op basis van de aanname dat de elektrische parameters kunnen worden berekend met een quasistatische benadering zonder tijdsafhankelijkheid. Numerieke benadering wordt gebruikt om het elektrische potentiaal door het residu-lid van het subject te berekenen.Het model wordt berekend door de vergelijking van Poisson en de elektrostatica op te lossen voor elk weefseltype dat is gegenereerd vanuit de SEG 3D-segmentaties. In het model worden randvoorwaarden toegewezen waarbij knopen continu zijn tussen weefseltypes en die het pad van de stroomvloei bepalen. Omdat de elektroden en het implantaat veel grotere geleidbaarheden hebben dan de omringende weefsels, wordt ervan uitgegaan dat het implantaat of de kathode zich op een constant potentiaal bevindt.Op dezelfde wijze worden de oppervlakte-elektroden gemodelleerd met een constant potentiaalverschil ten opzichte van het percutane implantaat. Numerieke simulatie wordt gebruikt om het elektrische potentiaal door de residuele ledemaat van de proefpersoon te berekenen om de effectiviteit van de configuratie en afmetingen van de elektroden te evalueren. Er worden patiëntspecifieke modellen ontwikkeld en het elektrische potentiaal rond de interface van het implantaat wordt gebruikt om de lokale veldsterktes te bepalen.Het model wordt gegenereerd met behulp van een hexa hugel-mesh die bestaat uit ongeveer 1,8 miljoen elementen. De optimale elementgrootte voor dit experiment is geselecteerd op basis van een mesh-gevoeligheidsstudie die resulteert in een relatief verschil van minder dan 5% in spanningsgradiënten. Dit garandeert de nauwkeurigheid van het model.De elementen worden beschouwd als stuksgewijs homogene omische en isotrope elementen. Elektroden zijn geïntegreerd in de finite-element-maas en er is een constant potentiaalverschil toegewezen tussen de huid電lektrode en het osseo-geïntegreerde implantaat. Deze selectie is gebaseerd op de verwachte weerstand van het weefsel.Het potentiaal wordt ingesteld tussen 1 en 4,5 volt op basis van de geometrie van de geamputeerde, de resistiviteit van de weefsels en de elektrodeconfiguratie met behulp van een iteratieve solver. De potentialen in de finite-elementmodellen worden berekend voor vier elektrodeconfiguraties. Dit gebeurt om het optimale ontwerp voor geamputeerde personen te bepalen.Validatie van de eindige-elementenanalyse wordt uitgevoerd met een door de IACUC goedgekeurd in vivo-model voor kleine dieren. Een implantaat wordt in het mergkanaal van een konijn geplaatst en een tweede elektrode wordt op de musculatuur aangebracht. Dit genereert een subcutaan elektrisch veld op de interface tussen het bot en het implantaat.Alle ski run eindige-elementenanalyse is gevalideerd met naaldelektroden die tussen de twee elektroden zijn geplaatst, welke de spanningsgradiënten van het konijn in vivo registreren. De studie met het konijnmodel maakt gebruik van hetzelfde protocol als de OIID die is bestemd voor menselijk onderzoek. Dit wordt gedaan door computed tomography-scans te verkrijgen, 3D hiërarchische modellen te ontwikkelen in SEG 3D en computationele modellering uit te voeren met ski run.Het doel is om de elektrische metrieken te ontwikkelen die nodig zijn om de effectiviteit van gecontroleerde elektrische stimulatie aan te tonen. Dit is erop gericht om periprosthetische infecties te verminderen en de fixatiesterkte van implantaten te verhogen, zodat de technologie door de FDA kan worden goedgekeurd en kan worden ingezet voor de rehabilitatie van geamputeerden.Succesvolle voltooiing van het gedetailleerde protocol resulteert in anatomisch accurate stompmodellen van geamputeerde ledematen, ontwikkeld op basis van computertomografiescans. Dit zal de initiële richtlijnen voor het OIID-systeem verschaffen. Gebruikers zullen een interactieve interface ontwikkelen om de grootte en positie van de elektroden aan te passen voor patiëntspecifieke modellen.Gewijzigde elektrische velden en stroomdichtheden zijn het resultaat van de weefselgeometrie en de positie van de elektroden. Daarom zijn individuele aanpassingen aan de modellen nodig om personen met ledemaatverlies die osteointegratietechnologie zoeken te helpen. Het systeem voor het ontwerp van osseogeïntegreerde intelligente implantaten dat we u vandaag hebben getoond, zal helpen bij het oplossen van het klassieke probleem bij elektrische stimulatie: het onvermogen om het stroompad in het menselijk lichaam te definiëren.Voorlopige resultaten wijzen erop dat het elektrische veld op de interface tussen het bot en het implantaat in staat kan zijn om periprosthetische infecties te verminderen, de skeletale aanhechting te vergroten en als effectief instrument voor onze clinici bij rehabilitatie te dienen. Dat is alles. Bedankt voor het kijken en veel succes met uw onderzoek naar osseointegratie.

bioelectric-analyses-an-osseointegrated-intelligent-implant-design

Research

JoVE Journal

Biology

Biologie

Body segmentale inerte eigenschappen zijn vereist voor inverse dynamica modellering. Met behulp van een slinger-en reactie boord techniek, inerte eigenschappen van onder-knieprothesen werden gemeten. Met behulp van directe maatregelen van de prothese inertie in de inverse dynamica model van de beenprothese resulteerde in lagere magnitudes van daaruit voortvloeiende gezamenlijke krachten en momenten.

Oscillatie en Reaction Board technieken voor het schatten van inerte eigenschappen van een onder-knieprothese

Neurale-machine interfaces (NMI) zijn ontwikkeld om voortbeweging modus de gebruiker identificeren. Deze NMI potentieel nuttig voor neuronale controle van aangedreven kunstmatige benen, maar nog niet volledig aangetoond. Deze gepresenteerd (1) onze ontworpen technische platform voor eenvoudige implementatie en ontwikkeling van neurale controle voor gemotoriseerde onderste ledematen prothesen en (2) een experimentele opstelling en protocol in een laboratoriumomgeving om neuraal-gecontroleerde...

Techniek Platform en experimentele protocol voor Ontwerp en evaluatie van een neuraal-gecontroleerde Transfemoral Prothese

Een verbeterde methode om te testen botverankeringsmiddel mechanisch kandidaat implantaatoppervlakken wordt gepresenteerd. Deze werkwijze maakt aanpassing van de verstoring kracht, loodrecht of parallel aan het vlak van het oppervlak van het implantaat, en een nauwkeurige manier om de verstoring krachten over naar een exacte peri-implantaat regio.

Een verbeterde mechanische testmethode te beoordelen Bone-implantaat Anchorage

Hier presenteren we een protocol dat de zin van agentschap ontwikkeld over de controle van zintuiglijke virtuele of Robotica prothetische handen kenmerkt. Psychofysisch vragenlijsten worden gebruikt om vast te leggen van de expliciete ervaring van Agentschap en schatting van de interval tijd (opzettelijke bindende) worden gebruikt impliciet het meten van het gevoel van het Agentschap.

Karakterisering van de betekenis van het Agentschap over de acties van neurale-machine Interface bediende protheses

Optimale functionele uitkomsten na de Bionic-reconstructie bij patiënten met een wereldwijde brachiale plexus blessure hangt af van een gestructureerd revalidatie protocol. Oppervlakte elektromyografische geleide training kan de amplitude, scheiding en consistentie van EMG-signalen verbeteren, wat-na electieve amputatie van een is hand controle en een prothetische hand aandrijfas.

Surface Electromyographic biofeedback als een revalidatie-instrument voor patiënten met Global brachial plexus letsel ontvangen Bionic wederopbouw

Hier gepresenteerd is een protocol voor de productie van een implanteerbaar systeem voor in vivo chronologische registratie van opgeroepen en spontane elektromyografische potentialen. Het systeem wordt toegepast op het onderzoek naar reinnervation van laryngeale spieren na zenuwletsel.

Een implanteerbaar systeem voor chronische in vivo elektromyografie

Het volgende manuscript beschrijft een nieuwe methode voor het ontwikkelen van een biologisch, gesloten lus neurale feedback systeem genoemd de samengestelde regeneratieve perifere zenuwinterface (C-RPNI). Deze constructie heeft de mogelijkheid om te integreren met perifere zenuwen om efferent motorsignalen te versterken en tegelijkertijd afferente zintuiglijke feedback te geven.

Fabricage van de Composite Regeneratieve Perifere Nerve Interface (C-RPNI) in de Adult Rat

Hier introduceren we een lichtgewicht, kosteneffectief sonde-implantaatsysteem voor chronische elektrofysiologie bij knaagdieren, geoptimaliseerd voor gebruiksgemak, sondeherstel, experimentele veelzijdigheid en compatibiliteit met gedrag.

Het DREAM-implantaat: een lichtgewicht, modulair en kosteneffectief implantaatsysteem voor chronische elektrofysiologie bij muizen die zich op het hoofd fixeren en zich vrij gedragen

Er wordt een protocol gepresenteerd voor de installatie en voorbereiding van intramusculaire elektroden, samen met een diervriendelijke, geminiaturiseerde meetapparatuur voor elektromyografie (EMG) analyse in locomotiestudies. Dit systeem maakt de draadloze overdracht van real-time EMG-gegevens mogelijk voor het onderzoeken van herstel van locomotie bij ratten met een beroertemodel.

Een realtime draagbaar elektromyografie meetsysteem voor kleine dieren

Een belangrijke belemmering voor de biochemische analyses van de ribosomen met ontluikende peptidyl-tRNA's is de aanwezigheid van andere ribosomen zijn in dezelfde monsters, ribosomen niet betrokken bij de vertaling van de specifieke mRNA-sequentie worden geanalyseerd. We ontwikkelden een eenvoudige methode om uitsluitend te zuiveren,, de ribosomen met de ontluikende peptidyl-tRNA van belang.

Isolatie van vertalen Ribosomen bevattende peptidyl-tRNA&#39;s voor functionele en structurele analyses

Leer hoe een osseointegreerd intelligent implantaatontwerpsysteem wordt ontwikkeld met behulp van CT-scans en eindige-elementenanalyse. Dit verbetert skeletfixatie en vermindert infectierisico's voor amputatiepatiënten.

Bio-elektrische Analyses van een Osseointegrated Intelligent Design System Implantaat voor geamputeerden

Meer video's verkennen