Name: bioelectric analyses of an osseointegrated intelligent implant design system for amputees
Uploaded: 2009-07-15T00:00:00
Duration: 14 min 31 s
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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&amp;D Service, DVA SLC Health Care System, Salt Lake City, UT, Department of Defense PRMRP Grant (No. PR054520), the Albert &amp; 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.

भाग 1: ऐम्प्युटी पुनर्निर्माण के लिए गणना टोमोग्राफी (सीटी) स्कैन का उपयोग <ol><li> पूर्वव्यापी सीटी स्कैन आईआरबी और HIPAA अनुमोदन प्राप्त करने के बाद वयोवृद्ध मामलों अस्पतालों के यूटा और विभाग के विश्वविद्यालय से एकत्र किए गए थे. </li><li> सीटी स्कैन चयन किया गया था क्योंकि वे एक्स - रे absorbency पर आधारित ऊतक प्रकार के बीच स्पष्ट अंतर की अनुमति है. </li><li> CTS मैन्युअल रूप से निरीक्षण और धातु प्रत्यारोपण के अभाव छवि विरूपण साक्ष्य को रोकने के आधार पर अध्ययन में शामिल थे. </li></ol> भाग 2: मॉडल पीढ़ी के साथ Seg3D <ol><li> फ़ाइलें DICOM छवियों के रूप में डाउनलोड किया गया और एक नया मात्रा के रूप में Seg3D (1.11.0 संस्करण, software.sci.utah.edu) में भरी हुई है. </li><li> एक मंझला फिल्टर करने के लिए आयातित मात्रा ज्यामितीय परिभाषित ऊतक संरचनाओं का निर्धारण करने के लिए पहले चिकनी करने के लिए इस्तेमाल किया गया था. </li><li> अस्थि, अस्थि मज्जा, अंगों और वसा ऊतकों के ऊतकों सीमाओं सीटी अंतःक्रियात्मक फ़ाइलें (चित्रा 1) thresholding द्वारा उत्पन्न थे. <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig1.jpg" alt="चित्रा 1" /> चित्रा 1: एक amputee अवशिष्ट अंग के एक बाण के समान पार अनुभाग thresholded और विशिष्ट प्रकार के ऊतकों में अलग. </li><li> मांसलता दस्ती रूप से thresholded मांसपेशियों के ऊतकों के अंदर बीज अंक की स्थापना और फिल्टर जुड़ा विश्वास का उपयोग करने के लिए सभी बीज अंक से जुड़े ऊतक मिल द्वारा प्राप्त किया गया था. यह कदम गलत ऊतकों जो CTS से इसी तरह की absorbency पर आधारित मांसपेशियों के साथ किया गया हो सकता है एक साथ समूहीकृत का सफाया है. </li><li> त्वचा, जो सीटी छवियों से मज़बूती से विचार करने के लिए असंभव था बाह्यतम ऊतक 2 मिलीमीटर औसत त्वचा की मोटाई पर आधारित सजातीय मोटाई है कि पूर्ण 1 मॉडल घिरा की एक परत का उत्पादन विस्फारित द्वारा उत्पन्न किया गया था. </li><li> Segmentations मैन्युअल रूप से निरीक्षण किया गया, सटीकता सुनिश्चित करने के लिए सही है और कोई एकल लेबल नक्शा परिमित तत्व विश्लेषण (चित्रा 1) के लिए आवश्यक में एक पदानुक्रम में संयुक्त. <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig2.jpg" alt="चित्रा 2" /> चित्रा 2: एक द्विपक्षीय amputee के प्रतिनिधि पदानुक्रमित मॉडल Seg3D साथ बनाया. </li></ol> भाग 3: सीमित तत्व विश्लेषण के लिए तैयार <ol><li> एक 10 सेमी प्रत्यारोपण Matlab में डिजाइन किया गया था प्रत्यारोपित आर्थोपेडिक डिवाइस और बिजली की उत्तेजना के लिए कैथोड के रूप में सेवा और SCIRun (संस्करण 4.0, software.sci.utah.edu) में आयातित. </li></ol> भाग 4: इलेक्ट्रोड नियुक्ति एवं डिजाइन <ol><li> SCIRun इलेक्ट्रोड डिजाइन के लिए उपयोग किया गया था, क्योंकि यह इंटरेक्टिव इलेक्ट्रोड प्लेसमेंट और अनुकार का समर्थन करता है. </li><li> एक नेटवर्क बनाया गया था और मॉड्यूल विशिष्ट कार्यों के साथ आयोजित करने के लिए जाल (चित्रा 3) उत्पन्न. मॉड्यूल सीमा की स्थिति, ऊतक conductivities, जाल शोधन, Matlab histograms पैदा, फ़ील्ड डेटा रिकॉर्डिंग, आदि (तालिका 1) को परिभाषित करने के लिए महत्वपूर्ण थे. <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig3.jpg" alt="चित्रा 3" /> चित्रा 3: एक दो बैंड बाह्य इलेक्ट्रोड विन्यास का उपयोग कर एक पायलट अध्ययन से प्रतिनिधि नेटवर्क छवि. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"><tbody><tr><td> तालिका 1 </td><td></td></tr><tr><td colspan="2"> खंडों ऊतकों को निरुपित conductivities </td></tr><tr><td> ऊतक प्रकार </td><td> Conductivities [एस / मीटर] </td></tr><tr><td> अंग </td><td> 0.22 </td></tr><tr><td> त्वचा </td><td> 0.26 </td></tr><tr><td> चरबीदार </td><td> 0.09 </td></tr><tr><td> मांसपेशी </td><td> 0.25 </td></tr><tr><td> Cortical हड्डी </td><td> 0.02 </td></tr><tr><td> अस्थि मज्जा </td><td> 0.07 </td></tr></tbody></table></li><li> इलेक्ट्रोड के लिए विन्यास एक पैच इलेक्ट्रोड, दो पैच इलेक्ट्रोड, एक सतत बैंड और दो निरंतर बैंड के शामिल है. </li><li> बाहरी इलेक्ट्रोड बैंड रोगी सीटी स्कैन से उत्पन्न मॉडल के अवशिष्ट अंग करने के लिए लागू किया गया और मोटाई में 1.6 सेमी थे. </li><li> इलेक्ट्रोड पैच लगभग आधा अवशिष्ट अंग के व्यास को कवर पट्टी के रूप में रखा गया और 3 सेमी मोटाई में थे. </li><li> भीतर cortical प्रत्यारोपण जो osseointegrated प्रत्यारोपण का प्रतिनिधित्व endosteal व्यास सही प्रत्यारोपण फिट करने के लिए अनुमति देते हैं और 2 को भरने के लिए स्थापित किया गया था. </li></ol> भाग 5: परिमित तत्व विश्लेषण <ol><li> सिमुलेशन कि बिजली मैट्रिक्स कोई समय निर्भरता के साथ एक अर्ध स्थैतिक दृष्टिकोण का उपयोग कर की गणना जा सकता है संभालने उत्पन्न किया गया. </li><li> मॉडल प्रत्येक ऊतक Seg3D segmentations से उत्पन्न प्रकार के लिए Laplace समीकरण को हल करके गणना था. </li><li> सीमा शर्तों इलेक्ट्रोड है कि धाराओं और दिशानिर्देश है कि शरीर के भीतर मौजूदा रहा इंजेक्शन द्वारा गठित किया गया. </li><li> इलेक्ट्रोड और प्रत्यारोपण के बाद से आसपास के ऊतकों की तुलना में एक बहुत बड़ा चालकता था, यह एक थाssumed कि प्रत्यारोपण (कैथोड) एक निरंतर क्षमता पर था, इसी तरह सतह इलेक्ट्रोड percutaneous प्रत्यारोपण से एक निरंतर संभावित अंतर के साथ modeled किया गया. </li><li> इलेक्ट्रोड विन्यास और नौकरशाही का आकार घटाने की प्रभावकारिता का मूल्यांकन करने के लिए, रोगी विशिष्ट मॉडल विकसित किए गए और प्रत्यारोपण इंटरफ़ेस के आसपास विद्युत क्षमता स्थानीयकृत क्षेत्र ताकत का निर्धारण करने के लिए इस्तेमाल किया गया था. </li><li> एक hexahedral जाल है कि लगभग 1.8 मिलियन तत्वों है जो piecewise समरूप, ohmic और isotropic के रूप में इलाज किया गया शामिल मॉडल का उपयोग कर उत्पन्न किया गया. </li><li> इस प्रयोग के लिए इष्टतम मॉडल एक रिश्तेदार &lt;5% वोल्टेज gradients के एक जाल संवेदनशीलता अध्ययन के साथ पुष्टि मॉडल सटीकता (तालिका 2) बीमा में अंतर के साथ चुना गया था. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="305"><tbody><tr><td> तालिका 2 </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="3"> मेष ऐम्प्युटी मॉडल के लिए संवेदनशीलता अध्ययन </td><td></td></tr><tr><td> जाल </td><td> तत्वों </td><td> नोड्स </td><td> सापेक्ष अंतर </td></tr><tr><td> 100 50 100 </td><td> 149089 </td><td> 161131 </td><td> ०.०९९५ </td></tr><tr><td> 125 125 75 </td><td> 350180 </td><td> 371472 </td><td> .०८०२ </td></tr><tr><td> 100 150 150 </td><td> 673032 </td><td> 706082 </td><td> .0545 </td></tr><tr><td> 175 125 175 </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> .०,४३९ </td></tr><tr><td> 250 200 250 </td><td> 3745038 </td><td> 3850202 </td><td> 0.0364 </td></tr><tr><td> 275 225 275 </td><td> 5097243 </td><td> 5226587 </td><td> 0.0301 </td></tr><tr><td> 300 250 300 </td><td> 6742588 </td><td> 6898729 </td><td> 0.0000 </td></tr></tbody></table></li><li> का प्रयोग एक solver के चलने का, परिमित तत्व मॉडल में बिजली मैट्रिक्स इलेक्ट्रोड विन्यास के लिए गणना की गई. </li></ol>

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प्रौद्योगिकी लेख में बताया, विशेष रूप से एक कार्यात्मक कैथोड के रूप में एक आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण का उपयोग कंकाल लगाव को बढ़ाने के लिए, पुनर्वास को कम करने और बैक्टीरियल आसंजन को रोकने के एक उपन्यास विचार प्रस्तुत करने में पत्रिका के पहले लेखक द्वारा आविष्कार किया है. एक आविष्कार के प्रकटीकरण फार्म यूटा विश्वविद्यालय को प्रस्तुत किया गया और एक संयुक्त राज्य अमेरिका अनंतिम पेटेंट सभी खुलासा प्रौद्योगिकी की रक्षा के लिए दायर की गई है.

bioelectric analyses of an osseointegrated intelligent implant design system for amputees

The projected number of American amputees is expected to rise to 3.6 million by 2050.  Many of these individuals depend on artificial limbs to perform routine activities, but prosthetic suspensions using traditional socket technology can prove to be cumbersome and uncomfortable for a person with limb loss.  Moreover, for those with high proximal amputations, limited residual limb length may prevent exoprosthesis attachment all together. Osseointegrated implant technology is a novel operative procedure which allows firm skeletal attachment between the host bone and an implant. Preliminary results in European amputees with osseointegrated implants have shown improved clinical outcomes by allowing direct transfer of loads to the bone-implant interface.  Despite the apparent advantages of osseointegration over socket technology, the current rehabilitation procedures require long periods of restrictive load bearing prior which may be reduced with expedited skeletal attachment via electrical stimulation.  The goal of the osseointegrated intelligent implant design (OIID) system is to make the implant part of an electrical system to accelerate skeletal attachment and help prevent periprosthetic infection. To determine optimal electrode size and placement, we initiated proof of concept with computational modeling of the electric fields and current densities that arise during electrical stimulation of amputee residual limbs.  In order to provide insure patient safety, subjects with retrospective computed tomography scans were selected and three dimensional reconstructions were created using customized software programs to ensure anatomical accuracy (Seg3D and SCIRun) in an IRB and HIPAA approved study.  These software packages supported the development of patient specific models and allowed for interactive manipulation of electrode position and size. Preliminary results indicate that electric fields and current densities can be generated at the implant interface to achieve the homogenous electric field distributions   required to induce osteoblast migration, enhance skeletal fixation and may help prevent periprosthetic infections.  Based on the electrode configurations experimented with in the model, an external two band configuration will be advocated in the future.

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Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees

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.

Amputees के लिए एक Osseointegrated इंटेलिजेंट प्रत्यारोपण डिजाइन प्रणाली के Bioelectric विश्लेषण

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Recently, structural and biochemical studies have detailed many of the molecular events that occur in the ribosome during inhibition of protein synthesis ...

Evisceration of Mouse Vitreous and Retina for Proteomic Analyses

माउस और प्रोटिओमिक विश्लेषण के लिए शीशे रेटिना की अंतड़ी निकालना

While the mouse retina has emerged as an important genetic model for inherited retinal disease, the mouse vitreous remains to be explored. The vitreous is ...

Trajectory Data Analyses for Pedestrian Space-time Activity Study

प्रक्षेपवक्र पैदल गतिविधि अंतरिक्ष समय अध्ययन के लिए डाटा विश्लेषण

It is well recognized that human movement in the  spatial and temporal dimensions has direct influence on disease transmission1-3.  An infectious disease ...

Nanogold Labeling of the Yeast Endosomal System for Ultrastructural Analyses

Ultrastructural विश्लेषण के लिए खमीर endosomal प्रणाली की Nanogold लेबल

Endosomes are one of the major membrane sorting checkpoints in eukaryotic cells and they regulate recycling or destruction of proteins mostly from the ...

An Experimental and Bioinformatics Protocol for RNA-seq Analyses of Photoperiodic Diapause in the Asian Tiger Mosquito, Aedes albopictus

An Experimental and Bioinformatics Protocol for RNA-seq Analyses of Photoperiodic Diapause in the Asian Tiger Mosquito, Aedes albopictus

एशियाई टाइगर मच्छर में Photoperiodic diapause की शाही सेना seq के विश्लेषण के लिए एक प्रयोगात्मक और जैव सूचना विज्ञान प्रोटोकॉल,<em&gt; एडीज albopictus</em

Photoperiodic diapause is an important adaptation that allows individuals to escape harsh seasonal environments via a series of physiological changes, ...

Improved Swiss-rolling Technique for Intestinal Tissue Preparation for Immunohistochemical and Immunofluorescent Analyses

Immunohistochemical और Immunofluorescent विश्लेषण के लिए आंतों के ऊतकों तैयारी के लिए स्विस रोलिंग तकनीक में सुधार

Understanding the role of factors that regulate intestinal epithelial homeostasis and response to injury and regeneration is important. The current ...

Laboratory Protocol for Genetic Gut Content Analyses of Aquatic Macroinvertebrates Using Group-specific rDNA Primers

आनुवंशिक आंत सामग्री के लिए प्रयोगशाला प्रोटोकॉल समूह विशिष्ट rDNA प्राइमरों का उपयोग जलीय Macroinvertebrates का विश्लेषण

Analyzing food webs is essential for a better understanding of ecosystems. For example, food web interactions can undergo severe changes caused by the ...

Establishment of an Extracellular Acidic pH Culture System

एक Extracellular अंलीय पीएच संस्कृति प्रणाली की स्थापना

Conditions of the tumor microenvironment, such as hypoxia or nutrient starvation, play critical roles in cancer progression and malignancy. However, the ...