Bioelectric Analysen eines osseointegrierte Intelligent Implant Design System für Amputierte

Das Verständnis der Elektrostimulation Paradigm

Verbesserungen in der medizinischen Versorgung und Evakuierung Strategien auf dem Gebiet der Bekämpfung haben zu einer erhöhten Anzahl von Kriegern überlebenden katastrophalen Krieg Verletzungen. Während die verbesserte Überlebensrate ist eine medizinische Fortschritt sind Soldatinnen und Soldaten aus dem Kampf zurück mit Amputationen, dass eine intensive Nachsorge, Rehabilitation umfangreiche und teure prothetische Leistungen aus dem Veteran Affairs Health Care System ^3. Congressional Berichte Detail, das über 1.000 kriegsbedingten Amputationen als Folge der Operation Enduring Freedom (OEF) und der Operation Iraqi Freedom (OIF) Konflikte ⁴ aufgetreten.

Im Falle von OEF und OIF-Veteranen, haben etwa 15% der zurückkehrenden Krieger mehrere Gliedmaßen verloren und eine erhebliche Anzahl der Rücksendung Soldatinnen und Soldaten haben kurze Stümpfe, wo Socket-Technologie ist nicht eine Option oder durch den Patienten abgelehnt worden. Die ausgewiesenen nicht fortgeführten Nutzung der oberen Extremität Prothese sogar mehr als 50%, weil die Fixierungsvorrichtungen umständlich und schwer zu bequem ⁵ verwenden sind. Untere Extremität Prothesen sind ebenfalls problematisch und die gemeinsamen Probleme mit Weichgewebe-Buchsen verbunden sind die Unfähigkeit, sich auf anspruchsvolle terrain6 gehen, begrenzt Stumpflänge ^7, Beschwerden des Patienten ^5, Beschäftigung mit nicht-physiologische Belastung ^8, Reizung von heterotopen Ossifikationen ⁹ und Risiko schwächenden Krankheiten ^10. Allerdings ist die Osseointegration Technologie eine neuartige OP-Technik, die Schmerzen ^11, Hautreizungen ^{12 zu} reduzieren kann, verbessern osseoperception ^13, Verbesserung der Mobilität ^6. Abnahme Druckstellen mit Steckdosen ⁶ zugeordnet, die Energiekosten für die Gehfähigkeit ^7,14 und besser zu bedienen Veteranen und Krieger mit beschränkter Stumpfes Länge ^15.

Trotz der zahlreichen physischen und psychischen Vorteile der Osseointegration, erfordern die damit verbundenen Eingriffe weiter fortgeschritten Infektionsprävention Behandlung streategies ^16, erfordern lange Rehabilitationsprogramme und beinhalten restriktive Belastung Protokolle, die letzten der bis zu 1,5 Jahre postoperativ ^17. Da die Lebensfähigkeit des Host-Knochen und Länge des Stumpfes ist für Muskelansatz und Funktionalität wichtig, die Entwicklung neuer Geräte zu verbessern Osseointegration ist der Schlüssel für die Rückkehr Soldatinnen und Soldaten. Daher kann die Entwicklung eines intelligenten Implantats osseointegriert Design (OIID) System, welches durch elektrische Stimulation verwendet Verkürzung der Dauer der Rehabilitation und erhöhen Skelett Aufsatz für Veteranen und Krieger Amputierte. Da jedoch kein aktuelles Gerät ist im Handel erhältlich und richtet für den Einsatz mit perkutaner osseointegrierter Implantate, ist die Motivation des Programms zur Sicherheit und Wirksamkeit mit Finite-Elemente-Analyse zu bestätigen.

Das Verständnis der Rolle der elektrischen Stimulation in Knochenumbau, insbesondere die Ablagerung von Osteoid und Mineralisierung, blieb spekulativ. Allerdings kann die elektrische Aktivität in den Knochen beobachtet das Ergebnis der mechanischen Belastung ^18,19 und damit einen elektrischen Reiz kann einen wirksamen Mechanismus für die Induktion Knochenreparatur ¹⁹ sein werden. Die Logik hinter der Hypothese wird in einer Frakturheilung Modell erklärt. Wenn Röhrenknochen geladen sind, wird die Seite in Spannung elektropositiven und der Druckseite elektronegativen ^20,21 jedoch einmal einen Knochen gebrochen ist, die Website bleibt elektronegativen in Bezug auf die Umgebung bis zur Heilung begonnen hat und Homöostase wieder ^21. Simulation der natürlichen Heilung Kaskade mit einem elektrischen Signal wurde vermutlich mit Kalziumablagerung ^22, leichte Veränderungen im Sauerstoffgehalt und pH ^23, Rekrutierung von Wachstumsfaktoren ²² unterstützen und hilft bei der Osteoblastenmigration und Sekretion von zusätzlichen extrazellulären Matrix ^24.

Die Prämisse, dass elektrische Stimulation allein kann er die vollständige Knochenheilung zu regieren wurde neu definiert und die aktuelle neue Hypothese schlägt vor, dass komplette Gewerkschaften durch mechanische Belastungen und eine elektrische Stimulation Co-Stimulus ¹⁹ gebildet. Die elektrischen Impulse in vivo zu beobachten sind piezoelektrische Verformung von Kollagen oder die großen elektro-kinetische Ströme durch ionische Bestandteile vorbeiströmende mineralische Anteile der Knochenmatrix ²⁵ erzeugt verbunden. In der Tat haben spontane Potentiale in Knochen so groß wie 6 Millivolt und korreliert mit einer Zunahme der Einlagerung von Kalzium aus Knochen ²⁶ berichtet.

Frühe Arbeiten von Brighton und Friedenberg ^18,21,27,28 verwendet das Konzept der elektrischen Stimulation für die Knochenregeneration in den 1960er und 1970er Jahre und demonstrated, dass Gleichstrom verwendet werden könnte, nicht die Gewerkschaften in einer kürzeren Zeitspanne zu reparieren, wenn die traditionellen Heilmethoden verglichen werden. Zusätzliche Modelle haben Knochenbildung mit restriktiven Belastung untersucht und zeigte eine 31 Prozent höhere osteogene Aktivität zwischen den Kontrollen und elektrisch stimuliert Schenkel ^25.

Während die Forscher auf dem Gebiet der elektrischen Stimulation ebnete den Weg für das Verständnis des Mechanismus für die Osteoblasten-Matrix Abscheidung mit elektrischer Stimulation, hat unzureichende Verständnis der Ausbau dieser Technologie beschränkt. Zwar gibt es viele Fälle von erfolgreicher Heilung von Pseudarthrosen und Frakturheilung Modelle, Beispiele von Beschwerden des Patienten und gescheiterte Versuche sind in der Literatur als auch ²⁹ voll. Das Problem mit elektrischer Stimulation erfolgt von Wissenschaftlern und Klinikern die Steuerung der falschen elektrischen Messgrößen und konzentriert sich ausschließlich auf aktuelle Größen. Frühere Forscher haben die aktuellen als "Wundermittel" zur Festlegung der ungefähren 500.000 auf-Gewerkschaften, die jährlich auftreten ³⁰ aussah. Allerdings hat die Wiederholbarkeit zwischen den Modellen von Joule Heizung Komplikationen ³¹ beschränkt und nicht die Bestimmung Stromdichten ^32. In der Tat müssen alle biomedizinischen Geräte hergestellt, um eine Stromdichte von weniger als 2 mA / cm ² beschränkt werden, da durch die International Electrotechnical Commission dargelegt, um lokalisierte Gewebsnekrose und Beschwerden des Patienten ^{33 zu} verhindern.

Abgesehen von der Unterstützung bei Fixation können geregelte elektrische Stimulation auch verhindern, dass bakterielle Adhäsion an orthopädischen Implantaten und reduzieren das Risiko für eine Osteomyelitis und Biofilmbildung ^34-37. Biofilmbildung auf orthopädische Hilfsmittel, um Patienten Komplikationen und bedeutsamer Weise Leiden für diejenigen, die auf diesen Einrichtungen ³⁸ abhängig sind. Schwerpunkt auf der Notwendigkeit, komplett sterilisiert Instrumente und Implantate vor der Operation ³⁹ ist gesetzt, aber es ist oft schwierig, Bakterien Haftung wie aus vielen negativen kultivierten Fällen, die in der Tat ⁴⁰ infiziert sind, zu diagnostizieren. Dieses Problem wird oft mit der Tatsache, dass Biofilme langsam wachsenden in der Natur ^40, kann nicht genau sein Wachstum in vitro ^39, abhängig von der Art der Bakterien-Zellen, die Sauberkeit der Oberfläche und das Immunsystem der betroffenen Person ³⁹ sind gekoppelt. Untersuchung der europäischen Oberschenkelamputierte oseeointegration Technologie zeigen die häufigste Problem ist die Infektion (häufig oberflächliche Infektionen, 1 / 3 periprothetischen Infektionen) ^41. Zwar gibt es große Verbesserungen in der chirurgischen Vorbereitung wurden, die Beseitigung der Bakterien ist einer der grundlegenden Faktoren für die Verbesserung der Osseointegration seit Biofilmen zwischen 500-5000 tausendmal schwieriger werden, zu beseitigen aufgrund ihres nicht-platonischen Form ^34,35,39. Daher nutzen elektrische Stimulation als Modalität für die Entfernung schädlicher Bakterien-Kolonien und die Erhöhung Fixation sind wichtige Faktoren für die Gewährleistung des Schutzes der Gesundheit der Patienten und OIID Wirksamkeit.

Die Vorteile der Verwendung von Veteranen und Krieger Amputierte sind, dass die relative Jugend und auch sonst eine gute Gesundheit dieser Personen zu einem idealen Bevölkerung für aggressive Rehabilitation und eine perkutane Nachricht wird als eine ambulante Hilfe dienen und kann als eine exponierte Kathode zur elektrischen Stimulation entwickelt werden können. Die Anwesenheit eines osseointegriert Implantat benötigt keine zusätzliche chirurgische Eingriffe an elektrischen Komponenten zu legen, kann das Gerät extern gesteuert werden und verhindert eine weitere Gefahr der Infektion ^42. Daher kann durch das Verständnis der Methode der Stromeinspeisung in den Stumpf des Veteranen-und Krieger Amputierte, ein elektrisches Feld von der Größe von 1-10 V / cm hergestellt, kontrolliert und gemessen an der Implantat-Oberfläche. Es wird vermutet, dass dies den sicheren Höchstmengen an Strom zu liefern, zu induzieren vermag Osteoblastenmigration und Verbesserung des Skeletts Anbindung zu ermöglichen. Ein elektrisches Feld von diesem Grad wird die Quantität und Qualität der Knochen an der Implantat-Interface zu erhöhen, und die Aussichten für eine beschleunigte Rehabilitation und Fixation für einen Amputierten. Verwenden der elektrischen Stimulation ist nicht als eine Modalität der Osseointegration in einem intramedullären Prothesenimplantats beschleunigen untersucht worden und stellt zahlreiche Möglichkeiten für translationale Forschung zur Verbesserung der Patientenversorgung.

Experimentelle Ergebnisse

Die Notwendigkeit für den Patienten bestimmte Modelle mit einer perkutanen elektrischen Stimulation Gerät wurde in der Studie unterstützt. Die Simulationen für die vorgeschlagenen biomedizinischen Geräte entwickelt werden, können die Möglichkeiten der Beschleunigung des Skeletts Anlage durch Erhöhung Osteoblastenmigration und verhindert bakterielle Adhäsion ^27,34,36,39. Computation Modellierung hat gezeigt, dass effektiv 1-10 V / cm elektrischen Feldern und Stromdichten unterhalb von 2 mA / cm ² erzeugt wird, kann mit Hilfe des Implantats als funktionelle Kathode und ist den meisten homogen verteilt mit einem Zwei-Band Außenelektrode. Die Unfähigkeit, Strompfade im menschlichen Körper ⁴³ define; Die OIID System kann der erste Schritt zur Lösung des klassischen Problem mit elektrischer Stimulation in Verbindung gebracht werden. Daher kann über Tools zur Steigerung der Skelett-Anlage mit Verkürzung der Rehabilitation für ein osseointegriertes Verfahren verlangt wird.

Mit Hilfe elektrischer Stimulation für ältere Amputierte ist auch ein wichtiger Aspekt, ebenso erforscht werden. Knochenmasse ist maximal ein Jahrzehnt nach Skelettwachstum hört aber deutlich ab von der achten und neunten Jahrzehnt ^44. Wie lange Knochen mit dem Alter ändern, neigt der enossalen Durchmesser, um schneller zu erhöhen als die periostale Durchmesser, die zu Implantatlockerungen ⁴⁵ kann. Dieses Problem mit der Reduzierung der Belastung der Knochen durch eine schwächere Muskeln gekoppelt sein, um schwächenden Krankheiten wie Osteoporose und Osteopenie ⁴⁵ beitragen und zusätzliche Behandlungsoptionen für Patienten mit osseointegrierter Implantate. Allerdings könnte eine gesteuerte elektrische Stimulation und mechanische Belastung als eine synergistische Katalysator von Knochen Anwachsen handeln und zu pflegen Wirtsknochen Bett Integrität bei älteren Patienten mit einem OIID System.