Name: bioelectric analyses of an osseointegrated intelligent implant design system for amputees
Uploaded: 2009-07-15T00:00:00
Duration: 14 min 31 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees at JoVE.com

Detta material är baserat på forskning som stöds (eller delvis stöd i) tekniken Kommersialisering Office, Salt Lake City, UT, kontoret för forskning och utveckling, rehabilitering FoU Service, DVA SLC sjukvården, Salt Lake City, UT, Department of Defense PRMRP Grant (nr PR054520), Albert &amp; Margaret Hofmann ordförande och avdelningen för ortopedi, University of Utah School of Medicine, Salt Lake City, UT, var tekniska support för de simuleringar som tillhandahålls av Centrum för integrativ medicinsk Computing av Scientific Computing och Imaging Institutet och har möjliggjorts dels av programvara från NIH / NCRR centrum för integrativ medicinsk Computing, P41-RR12553-07. Ytterligare tacksamhet utsträcks till Gwenevere Shaw för hjälp med manus förberedelse och Dustin Williams för bilden av biofilm.

Del 1: Använda datortomografi (CT) för Amputerad återuppbyggnad <ol><li> Retrospektiv Datortomografi samlades in från University of Utah och Department of Veteran Affairs sjukhus efter att ha fått IRB och HIPAA godkännande. </li><li> Datortomografi valdes ut eftersom de gör tydlig skillnad mellan vävnadstyper baserat på röntgen uppsugningsförmåga. </li><li> Strömtransformatorer var inspekteras manuellt och som ingår i studien bygger på avsaknad av metalliska implantat för att förhindra att bilden artefakt. </li></ol> Del 2: Modell generation med Seg3D <ol><li> Filer var ner som DICOM-bilder och lastas in i Seg3D (version 1.11.0, software.sci.utah.edu) som en ny volym. </li><li> En median-filter användes för att jämna ut importerade volymerna innan bestämma geometriskt definierade vävnad strukturer. </li><li> Vävnaden gränser ben, benmärg, organ och fettvävnad genererades av tröskling CT-filer interaktivt (Figur 1). <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig1.jpg" alt="Figur 1" /> Figur 1: En sagittala tvärsnitt av en amputerad stumpen thresholded och delas in i specifika vävnadstyper. </li><li> Muskulaturen erhölls genom att manuellt ställa frö punkter inuti thresholded muskelvävnad och med hjälp av ett förtroende ansluten filter för att hitta alla vävnaden anslutna till utsädet poäng. Detta steg bort felaktiga vävnader som kan har grupperats tillsammans med muskeln baseras på liknande uppsugningsförmåga från CTS. </li><li> Huden, som var omöjligt att urskilja ett tillförlitligt från CT-bilder, genererades genom att utvidga de yttersta vävnaden 2 millimeter baserat på genomsnittlig hudens tjocklek för att producera ett lager av homogen tjocklek som omgav hela modell 1. </li><li> Segmenteringar manuellt inspekterades, korrigerad för att säkerställa noggrannhet och kombineras i en hierarki i en enda etikett karta som krävs för analys av finita element (Figur 1). <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig2.jpg" alt="Figur 2" /> Figur 2: Representant hierarkisk modell av ett bilateralt amputerad skapats med Seg3D. </li></ol> Del 3: Förberedelse för Finite Element Analysis <ol><li> En 10 cm implantat var utformad i Matlab för att fungera som den implanterade ortopediska enheten och katod för elektrisk stimulering och importeras till SCIRun (version 4.0, software.sci.utah.edu). </li></ol> Del 4: Elektrodplacering &amp; Design <ol><li> SCIRun har utnyttjats för elektrod designen eftersom det stöder interaktiva elektrodplacering och simulering. </li><li> Ett nätverk har skapats och moduler organiserade med specifika funktioner för att skapa mesh (Figur 3). Moduler var viktiga för att definiera randvillkor, konduktivitet vävnad, finjusteringar mesh, genererar Matlab histogram, inspelning datafält, mm (tabell 1). <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig3.jpg" alt="Figur 3" /> Figur 3: representativt nätverk bild från en pilotstudie med ett två band extern elektrod konfiguration. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"><tbody><tr><td> Tabell 1 </td><td></td></tr><tr><td colspan="2"> Konduktivitet Tilldelad till Segmenterad vävnader </td></tr><tr><td> Vävnadstyp </td><td> Konduktivitet [S / m] </td></tr><tr><td> Orgel </td><td> 0,22 </td></tr><tr><td> Hud </td><td> 0,26 </td></tr><tr><td> Fett </td><td> 0,09 </td></tr><tr><td> Muscle </td><td> 0,25 </td></tr><tr><td> Kortikalt ben </td><td> 0,02 </td></tr><tr><td> Benmärg </td><td> 0,07 </td></tr></tbody></table></li><li> De konfigurationer för elektroderna bestod av en ett plåster elektrod, två elektroder plåster, ett ändlöst band och två kontinuerliga band. </li><li> Extern elektrod band tillämpades den återstående delen av de modeller som genererats från patient datortomografi och var 1,6 cm i tjocklek. </li><li> Elektrod fläckar var placerade som en remsa som täcker ungefär halva diametern på stumpen och var 3 cm i tjocklek. </li><li> Den inre kortikala implantat som representerade osseointegreras implantatet sattes till endosteal diameter för att möjliggöra för perfekt implantat passform och fyller 2. </li></ol> Del 5: Finite Element Analysis <ol><li> Simuleringarna genererades under förutsättning att den elektriska mätvärden kan beräknas med hjälp av ett kvasi-statiskt utan tidsfaktorn. </li><li> Modellen har beräknats genom att lösa Laplaces ekvation för varje vävnadstyp som genereras från Seg3D segmenteringar. </li><li> Randvillkoren bildades av elektroder som injiceras strömmar och riktlinje att nuvarande kvar i kroppen. </li><li> Sedan elektroderna och implantatet hade en mycket större ledningsförmåga än omgivande vävnader, det var enssumed att implantatet (katod) var på en konstant potential, även ytan elektroder modellerad med en konstant potential skillnad från perkutana implantat. </li><li> Att utvärdera effekten av elektrod konfiguration och dimensionering, var patientspecifika modeller som utvecklats och den elektriska potentialen runt implantatet gränssnittet användes för att fastställa lokala fältstyrka. </li><li> Modellen skapades med hjälp av en hexahedral nät som bestod av ungefär 1,8 miljoner element som behandlades som styckvis homogen, ohmsk och isotropa. </li><li> Den optimala modellen för detta experiment valdes med en relativ skillnad &lt;5% i spänning lutningar bekräftas med en maskstorlek känslighetsanalyser för att försäkra modell noggrannhet (tabell 2). <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="305"><tbody><tr><td> Tabell 2 </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="3"> Mesh känslighetsanalyser för Amputerad Modell </td><td></td></tr><tr><td> Mesh </td><td> Element </td><td> Noder </td><td> Relativa skillnaden </td></tr><tr><td> 100 100 50 </td><td> 149.089 </td><td> 161.131 </td><td> 0,0995 </td></tr><tr><td> 125 125 75 </td><td> 350.180 </td><td> 371.472 </td><td> 0,0802 </td></tr><tr><td> 150 150 100 </td><td> 673.032 </td><td> 706.082 </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> Använda en iterativ lösare var de elektriska variabler i finita element modeller beräknas för elektroden konfigurationer. </li></ol>

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

Tekniken redovisas i artikeln, nämligen att använda en ortopediska implantat som en funktionell katod att öka skelett kvarstad, minska rehabilitering och förebygga bakteriell vidhäftning är en ny idé som uppfanns av den första författare i tidskriften underkastelse. En uppfinning avslöjande formuläret har lämnats in till universitetet i Utah och en amerikansk provisorisk patentansökan har lämnats in som skyddar all teknik avslöjas.

Förstå elektrisk stimulering Paradigm Förbättringar inom sjukvård och strategier evakuering på området för kampen har lett till ett ökat antal krigare överlevande katastrofalt krig skador. Medan den förbättrade överlevnaden är ett medicinskt framsteg, är militärer och kvinnor som återvänder från kampen med amputationer som kräver intensiv uppföljande vård, omfattande rehabilitering och dyra proteser tjänster från Veteran Affairs Health Care System 3. Kongressens rapporter detalj som över 1.000 krigsrelaterade amputationer har inträffat som ett resultat av Operation Enduring Freedom (OEF) och Operation Iraqi Freedom (OIF) konflikter 4. Vid OEF och OIF veteraner, har cirka 15% av återvändande soldater förlorat flera ben och ett stort antal återkommande militärer och kvinnor har korta stumpar där uttaget tekniken inte är ett alternativ eller har avvisats av patienten. Den redovisade avvecklade användningen av övre extremiteterna protes överstiger även 50% på grund av att fixationsprodukter är tungrodda och svåra att använda bekvämt 5. Nedre extremitet proteser är lika problematiska och de gemensamma problemen i samband med mjuk vävnad uttag innefatta oförmåga att gå på utmanande terrain6, begränsat stumpen längd 7, patientens obehag 5, oro med icke-fysiologiska belastning 8, irritation från heterotopisk benbildning 9 och risk för försvagande sjukdomar 10. Dock är osseointegration teknik en ny kirurgisk teknik som kan minska smärta 11, hudirritation 12, förbättra osseoperception 13, förbättra rörligheten 6, minska trycksår ​​i samband med uttag 6, minska energi för förflyttningar 7,14 och bättre tjäna veteran och krigare med begränsad stumpen längd 15. Trots de många fysiska och psykiska fördelar osseointegration, tillhörande kirurgiska ingrepp kräver mer avancerade infektion streategies förebyggande behandling 16, kräver långa rehabiliteringsprogram och innehåller restriktiva protokoll viktbärande som kan vara upp till 1,5 år postoperativt 17. Eftersom lönsamheten i den mottagande ben och längden på stumpen är viktigt för muskel fastsättning och funktion, utveckla nya system för att förbättra osseointegration är nyckeln för återvändande militärer och kvinnor. Därför kan utvecklingen av ett osseointegreras intelligent implantat design (OIID) system som använder kontrollerade elektrisk stimulering minska längden på rehabiliteringen och öka skelett fäste för veteran och amputerade krigare. Men eftersom ingen aktuell enhet är kommersiellt tillgängligt och styrs för användning med perkutan osseointegreras implantat, är motivationen av programmet för att bekräfta säkerheten och effekten med finita element analys. Att förstå betydelsen av elektrisk stimulering i benremodellering, särskilt nedfall av osteoids och mineralisering, har varit spekulativa. Dock kan elektriska aktiviteten i ben vara ett resultat av mekanisk belastning 18,19 och därmed en elektriska impulser kan vara en effektiv mekanism för att förmå ben reparation 19. Logiken bakom hypotesen förklaras i en frakturläkning modell. När långa benen är laddade, blir sidan i spänning elektropositiv och komprimering sidan elektronegativa 20,21, men när ett ben bryts, kommer webbplatsen vara elektronegativa med hänsyn till den omgivande miljön tills läkning har påbörjats och homeostas återupptas 21. Simulerar naturliga helande kaskad med en elektrisk signal har trott att hjälpa till med kalcium nedfall 22, små ändringar i syrehalt och pH 23, rekrytering av tillväxtfaktorer 22 och hjälper till med osteoblastmigrering och sekretion av ytterligare extracellulärmatrix 24. Förutsättningen att elektrisk stimulering ensam kunde styra hela ben reparation har omdefinierats och nuvarande ny hypotes föreslår att hela fackföreningar bildas av mekanisk belastning och en elektrisk stimulering samarbete stimulans 19. De elektriska impulser som observerats in vivo är förknippade med piezoelektriska deformation av kollagen eller den stora elektro-kinetisk förorsakade av joniska beståndsdelar flyter förbi mineral delar av benvävnad 25. I själva verket har spontana potential rapporterats i ben så stor som 6 millivolt och korrelerar med en ökning av mineral pålagringen andelen ben 26. Tidiga verk av Brighton och Friedenberg 18,21,27,28 använt begreppet elektrisk stimulering för benuppbyggnad under 1960 och 1970-talet och demonstrated att likström kan användas för att reparera icke-förbund i en kortare tid jämfört med traditionella healing metoder. Ytterligare modeller har undersökt benbildning med restriktiva vikt med och demonstrerade en Trettioen procent ökning i osteogenic aktivitet mellan kontroller och stimuleras elektriskt lemmar 25. Samtidigt som forskare inom området elektrisk stimulering har banat väg för att förstå mekanismen för osteoblastmigrering matris nedfall med elektrisk stimulering, har otillräcklig kunskap begränsad utbyggnad av denna teknik. Det finns många fall av framgångsrik läkning av icke-fackföreningar och fraktur modeller läkning, exempel på patientens obehag och misslyckade försök är fylld i litteraturen och 29. Problemet med elektrisk stimulering sker från forskare och kliniker att kontrollera fel elektriska mätmetoder och koncentrera sig enbart på aktuella storheter. Tidigare forskare har sett till nuvarande som &quot;magisk kula&quot; för att fastställa den ungefärliga 500.000 icke-förbund som inträffar årligen 30. Dock har repeterbarhet mellan modeller varit begränsad från joule uppvärmning komplikationer 31 och inte bestämma strömtäthet 32. I själva verket måste alla tillverkade biomedicinska enheter vara begränsad till en strömtäthet mindre än 2 mA / cm 2 som beskrivs av den internationella elektrotekniska kommissionen för att förhindra lokal vävnadsnekros och obehag för patienten 33. Bortsett från att hjälpa till med skelettet fixering får kontrollerade elektrisk stimulering också förhindra bakteriell vidhäftning på ortopediska implantat och minska risken för osteomyelit och biofilm bildning 34-37. Biofilm bildas på ortopediska hjälpmedel leder till patienten komplikationer och signifikant lidande för dem som är beroende av dessa enheter 38. Tonvikten läggs på behovet av att ha helt steriliserade instrument och implantat före operation 39, men det är ofta svårt att diagnostisera bakterier vidhäftning som framgår av många negativa odlade fall som verkligen är smittade 40. Detta problem är ofta i kombination med det faktum att biofilmen växer långsamt i naturen 40, kan inte tillväxten exakt in vitro-39, beror på vilken typ av bakterier celler, renhet ytan och immunsystemet hos den drabbade personen 39. Utredning av europeiska transfemorala amputerade med oseeointegration teknik avslöjar vanligaste problemet är infektioner (ofta ytliga infektioner, 1 / 3 periprosthetic infektioner) 41. Det har skett stora förbättringar i kirurgisk förberedelse, utrota bakterier är en av de grundläggande faktorerna för att förbättra osseointegration sedan biofilmer är mellan 500-5000 tusen gånger svårare att utrota på grund av deras icke-platoniska formen 34,35,39. Därför använder elektrisk stimulering som en modalitet för att ta bort skadliga kolonier och ökad skelett fixering är viktiga faktorer för att säkerställa skyddet för patienternas hälsa och OIID effekt. Fördelarna med att använda veteran och krigare amputerade är att den relativa ungdom och i övrigt god hälsa för dessa individer gör dem till en idealisk befolkning för aggressiva rehabilitering och en perkutan inlägg kommer att fungera som en ambulerande stöd och kan utvecklas som en utsatt katod för elektrisk stimulering. Närvaron av en osseointegreras implantat inte kräva ytterligare kirurgiska ingrepp att sätta in elektriska komponenter, gör att enheten kan styras externt och förhindrar ytterligare risk för infektion 42. Därför kan genom att förstå metoden för dagens injektion i den återstående delen av veteran och krigare amputerade, ett elektriskt fält på omfattningen av 1-10 V / cm upprättas, kontrolleras och värderas till implantatet gränssnitt. Det är en hypotes om att detta gör det möjligt säkra nivåer av el som skall levereras, kan utlösa osteoblastmigrering och förbättra skelett bilaga. Ett elektriskt fält av denna grad kommer att öka kvantiteten och kvaliteten av ben vid implantatet gränssnittet och förbättra möjligheterna för snabbare rehabilitering och skelett fixering för en amputerad. Användning av elektrisk stimulering har inte undersökts som en modalitet att påskynda osseointegration i en intramedullär protetiska implantat och presenterar många möjligheter för translationell forskning för att förbättra patientvården. Experimentella resultat Behovet av patientens specifika modeller med perkutan elektrisk stimulering enhet fick stöd i studien. De simuleringar som utvecklats för den föreslagna biomedicinska Enheten kan ha kapaciteten hos påskynda skelettet fastsättning genom att öka osteoblastmigrering och förebygga bakteriell vidhäftning 27,34,36,39. Computation modellering har effektivt visat att 10 till 10 V / cm elektriska fält och strömtäthet under 2 mA / cm 2 kan skapas med hjälp av implantatet som en funktionell katod och är mest homogent distribueras med ett två band extern elektrod. Det OIID systemet kan vara första steget till att lösa det klassiska problemet i samband med elektrisk stimulering, en oförmåga att definiera aktuella vägar i människokroppen 43. Därför kan inrättande av verktyg för att förbättra skelettet fastsättning hjälpa till med att minska längden på rehabilitering som krävs för en osseointegreras förfarande. Använda elektrisk stimulering för äldre amputerade är också en kritisk aspekt som måste utforskas också. Benmassa är maximalt ett decennium efter skelettillväxt upphör men minskar avsevärt genom den åttonde och nionde decennium 44. Så länge benen förändras med åldern tenderar endosteal diameter att öka snabbare än periosteal diameter vilket kan leda till implantatet lossnar 45. Detta problem i kombination med minskad belastning på skelettet av en svagare muskler kan bidra till försvagande sjukdomar som osteoporos och osteopeni 45 och kräver ytterligare behandlingsalternativ för patienter med osseointegreras implantat. Dock kan kontrolleras elektrisk stimulering och mekanisk belastning fungera som en synergistisk katalysator av ben ongrowth och underhålla värd integritet ben säng med äldre patienter med hjälp av en OIID system.

bioelectric analyses of an osseointegrated intelligent implant design system for amputees

Den beräknade antalet amerikanska amputerade förväntas stiga till 3,6 miljoner 2050. Många av dessa individer är beroende av konstgjorda lemmar att utföra rutinuppgifter, men protetiska suspensioner med traditionella uttag teknik kan visa sig vara besvärlig och obekväm för en person med lem förlust. Dessutom, för dem med höga proximala amputationer kan begränsad stumpen längden förhindra exoprosthesis fastsättning alla tillsammans. Osseointegreras implantat teknik är en ny operativ förfarande som ger företaget skelett infästning mellan värden ben och ett implantat. Preliminära resultat i europeiska amputerade med osseointegreras implantat har visat förbättrade kliniska resultat genom att direkt överföring av laster till ben-implantat gränssnitt. Trots de uppenbara fördelarna med osseointegration över uttag teknik, nuvarande rehabilitering förfaranden kräver långa perioder av restriktiva bärande innan dessa kan minskas med påskyndas skelettet fastsättning genom elektrisk stimulering. Målet för osseointegreras intelligenta implantatet design (OIID) system är att göra implantat del av ett elektriskt system att påskynda skelett kvarstad och hjälpa till att förhindra periprosthetic infektion. För att bestämma optimal elektrod storlek och placering, inledde vi proof of concept med datormodellering av elektriska fält och strömtäthet som uppkommer vid elektrisk stimulering av amputerade stumpar. För att ge försäkra patientsäkerhet fick försökspersonerna med retroaktiv datortomografi scannar vald och tredimensionella rekonstruktioner har skapats med hjälp av skräddarsydda program för att se anatomiska noggrannhet (Seg3D och SCIRun) i en IRB och HIPAA godkända studier. Dessa programvarupaket stöttat utvecklingen av patientens specifika modeller och tillåtet för interaktiv manipulation av elektrod position och storlek. Preliminära resultat visar att elektriska fält och strömtäthet kan genereras på implantatet gränssnitt för att uppnå den homogena elektriska fältet distributioner som krävs för att inducera osteoblastmigrering, stärka skelettet fixering och kan hjälpa till att förebygga periprosthetic infektioner. Baserat på elektroden konfigurationer experimenterat med i modellen kommer en extern två band konfigurationen förespråkas i framtiden.

Watch this Scientific Journal Video about Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees at JoVE.com

Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees

Det finns ett behov att utveckla alternativa protes att sätta på med lem hänförligt till ocklusiva vaskulära sjukdomar och trauma. Målet med arbetet är att införa en osseointegreras intelligent system implantat design för att öka skelett fixering och minska periprosthetic infektioner för patienter som behöver osseointegreras teknik.

Bioelektrisk Analyser av en osseointegreras intelligent Implant Design System för amputerade

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 ...

Research

JoVE Journal

Biology

Homemade Site Directed Mutagenesis of Whole Plasmids

Homemade Site Riktad mutagenes av Whole Plasmids

Site directed mutagenesis of whole plasmids is a simple way to create slightly different variations of an original plasmid. With this method the cloned ...

An ex-ovo Chicken Embryo Culture System Suitable for Imaging and Microsurgery Applications

An ex-ovo Chicken Embryo Culture System Suitable for Imaging and Microsurgery Applications

En Ex-ovo Kyckling Embryo Culture lämpligt för bildbehandling och mikrokirurgi Applications

Understanding the relationships between genetic and microenvironmental factors that drive normal and malformed embryonic development is fundamental for ...

Isolation of Translating Ribosomes Containing Peptidyl-tRNAs for Functional and Structural Analyses

Isolering av Översätta Ribosomer Med peptidyl-tRNAs för funktionella och strukturella analyser

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

Urtagning av Mouse glaskroppen och näthinnan för proteomik analyser

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

Bandata Analyser för fotgängare Space-time studieboken

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

Nanoguld Märkning av jäst endosomal System för Ultra Analyser

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

En experimentell och bioinformatik Protokoll för RNA-seq Analyser av fotoperiodisk diapaus i den asiatiska tigern Mosquito,<em&gt; Asiatisk tigermygga</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

Förbättrad Swiss-rullande Teknik för tarmvävnad Förberedelse för immunhistokemisk och immunofluorescens Analyser

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

Laboratoriet protokoll för genetiska Gut innehåll analyser av vattenlevande Macroinvertebrates använda gruppspecifika rDNA grundfärger

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

Inrättandet av en extracellulär sura pH kultur System

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