Анализ биоэлектрического Osseointegrated Интеллектуальная система Дизайн имплантатов для Инвалиды

Понимание Электрическая стимуляция Paradigm

Улучшения в медицинской помощи и эвакуации стратегии на поле боя, привели к увеличению числа выживших воинов гибельную войну травм. В то время как улучшение выживаемости является продвижение медицинских, военных и женщины возвращались из боя с ампутации, которые требуют интенсивной последующего ухода, реабилитации и обширные дорогие услуги протезов из Ветеран вопросам здравоохранения Care System ^3. Конгресс подробно сообщает, что более 1000 связанных с войной ампутации произошли в результате операции Несокрушимая свобода (ОНС) и операции по освобождению Ирака (МОФ) конфликты ^4.

В случае ОНС и МОФ ветеранов, около 15% возвращаются воины потеряли нескольких конечностях и значительное число возвращающихся военнослужащих и женщин с короткими конечностями, где остаточные гнездо технология не является опцией или были отвергнуты пациента. Сообщили прекратила использование протеза верхней конечности, даже превышает 50%, поскольку фиксация устройства громоздки и сложны в использовании комфортно ^5. Нижняя протезы конечностей в равной степени проблематичным и общие проблемы, связанные с мягкой тканью розетки включают неспособность ходить по сложным terrain6, ограниченная остаточная длина конечностей ^7, дискомфорт пациента ^5, концерн с не-физиологической нагрузки ^8, раздражение от гетеротопической окостенения ⁹ и риск изнурительных болезней ^10. Тем не менее, остеоинтеграции технология роман хирургическая техника, которая может уменьшить боль ^11, раздражение кожи ^12, повышению osseoperception ^13, улучшить подвижность ^6, снижение пролежней связанные с сокетами ^6, сократить потребление энергии на ^7,14 передвигаться и лучше обслуживать ветеранов и воинов с ограниченными остаточная длина конечностей ^15.

Несмотря на многочисленные физические и психологические преимущества остеоинтеграции, связанный хирургические процедуры требуют более продвинутых профилактики инфекции лечение streategies ^16, требуют длительной программы реабилитации и включают ограничительные веса подшипника протоколов, которые могут длиться до 1,5 лет послеоперационного ^17. Потому что жизнеспособность кости хоста и длина остаточного конечностей важно для крепления мышц и функциональности, разработку новых устройств для улучшения остеоинтеграции является ключевым для возвращения военнослужащих и женщин. Таким образом, развитие интеллектуальных osseointegrated имплантата дизайн (OIID) система, которая использует контролируемые электрической стимуляции может уменьшить длину восстановлению и увеличению скелетной крепления для ветеранов и воинов ампутированными конечностями. Однако, так как пока нет устройства является коммерчески доступным и направлены для использования с чрескожной osseointegrated имплантатов, мотивации программа для подтверждения безопасности и эффективности с анализа конечных элементов.

Понимание роли электростимуляции в костной ткани, в частности, отложение osteoids и минерализации, остается спекулятивным. Тем не менее, электрическая активность наблюдалась в кость может быть результатом механической нагрузке ^18,19 и поэтому электрический стимул может быть эффективным механизмом для стимулирования кости ремонт ^19. Логика гипотезы объясняется в модели заживление переломов. При длинных костей загружены, стороны в напряжении становится электроположительных и электроотрицательных сжатия стороне ^20,21, однако, как только кость сломана, сайт будет оставаться электроотрицательным по отношению к окружающей среде, пока исцеление началось и гомеостаза возобновились ^21. Имитация естественный каскад исцеление электрический сигнал как считалось ранее, помочь с отложение кальция ^22, незначительными изменениями в содержании кислорода и рН ^23, набор факторов роста ²² и оказывает помощь в миграции остеобластов и секрецию дополнительных внеклеточного матрикса ^24.

Предпосылке, что электрическая стимуляция один мог управлять полный ремонт кость была пересмотрена и текущий новая гипотеза предполагает, что полный союзы создаются механические нагрузки и электростимуляции совместно стимулы ^19. Электрические импульсы наблюдаются в естественных условиях, связанных с пьезоэлектрическими деформации коллаген или большой электрокинетические токов, создаваемых ионной трехсторонние протекающих части минеральной костной матрицы ^25. На самом деле, спонтанные потенциалы были зарегистрированы в кости такого размера, как 6 милливольт и коррелирует с увеличением скорости минеральных присоединением кости ^26.

Ранние работы Брайтон и Friedenberg ^18,21,27,28 использовал понятие электрической стимуляции для регенерации костной в 1960-х и 1970-х и гemonstrated, что прямой ток может быть использован для восстановления не-союзов в более короткие сроки по сравнению с традиционными методами лечения. Дополнительные модели исследовали формирование кости с ограничительными подшипников весом и продемонстрировал Тридцать один процент увеличения остеогенной активности между элементами управления и электрической стимуляции конечностей ^25.

Хотя исследователи в области электрической стимуляции проложили путь для понимания механизма остеобластов осаждения матрица с электрической стимуляции, неадекватное понимание имеет ограниченное расширение этой технологии. Хотя Есть много случаев успешного заживления без союзов и моделей заживление переломов, примеры дискомфорт пациента и неудачные попытки изобилуют в литературе, а ^29. Проблема с электрической стимуляции происходит от ученых и клиницистов управления неправильно электрические показатели и сосредоточиться исключительно на текущих величин. Предыдущие исследователи смотрели на текущий как "волшебная палочка" для фиксации приблизительный 500000 без профсоюзов, которые ежегодно происходит ^30. Тем не менее, повторяемость между моделями было ограничено из джоуль осложнений нагрева ^31, а не определения плотности тока ^32. В самом деле, все производства биомедицинских устройств должна быть ограничена плотность тока менее 2 мА / см ^2, как это изложено Международная электротехническая комиссия, чтобы предотвратить локализованных некроз тканей и дискомфорт пациента ^33.

Помимо оказания помощи скелетной фиксации, контролируемой электрической стимуляции может также предотвратить бактериальную адгезию на ортопедических имплантатов и снизить риск для остеомиелита и образование биопленки ^34-37. Образование биопленки на ортопедические изделия приведет к пациенту осложнений и существенное бедствие для тех, кто зависит от этих устройств ^38. Упор делается на необходимости иметь полностью стерилизовать инструменты и имплантаты до операции ^39, однако, часто трудно диагностировать бактерий адгезии как видно из многих негативных культурных случаях, которые действительно заражены ^40. Эта проблема часто в сочетании с тем, что биопленки медленно растут в природе ^40, не может быть роста точно в пробирке ^39, зависит от типа клетки бактерий, чистота поверхности и иммунной системы пострадавшего ^39. Исследование европейских transfemoral ампутированными конечностями с oseeointegration технологии выявить наиболее частой проблемой является инфекция (частое поверхностное инфекций, 1 / 3 periprosthetic инфекций) ^41. Хотя имели место значительные улучшения в хирургической подготовке, ликвидации бактерий является одним из фундаментальных факторов для улучшения остеоинтеграции с биопленки между 500-5000 тысячу раз труднее искоренить из-за их не платонической форме ^34,35,39. Поэтому, используя электрическую стимуляцию как модальность для удаления вредных бактериальных колоний и увеличение скелетной фиксации являются важными факторами для обеспечения защиты здоровья пациентов и OIID эффективности.

Преимущества использования ветеранов и инвалидов воина в том, что относительная молодость и иным здоровья этих людей делает их идеальными для агрессивных населения и реабилитации после чрескожной послужит амбулаторной помощи и могут быть разработаны в качестве катода подвергается электрической стимуляции. Наличие osseointegrated имплантат не нуждается в дополнительных хирургических процедурах, чтобы вставить электрических компонентов, позволяет устройству быть внешнее управление и предотвращает дальнейшее риск заражения ^42. Поэтому, понимая методом инжекции тока в остаточных конечностей ветеранов и воинов с ампутированными конечностями, электрического поля на величину 1-10 В / см могут быть установлены, контроль и измеряется в имплантат интерфейса. Предполагается, что это позволит безопасные уровни электроэнергии будет доставлен, способны индуцировать остеобластов миграции и улучшения скелетной привязанности. Электрическое поле этой степени увеличит количество и качество кости на имплантат, а также улучшить перспективы для ускоренного восстановления и скелетной фиксации для ампутантов. Использование электрической стимуляции не исследовано, как модальность ускорить остеоинтеграции имплантата в интрамедуллярного протезами и представляет многочисленные возможности для трансляционных исследований для улучшения обслуживания пациентов.

Экспериментальные результаты

Необходимости для пациента конкретных моделей с чрескожная электрическая стимуляция устройство было поддержано в ходе исследования. Моделирования разработана для предлагаемого биомедицинских устройств, возможно, возможности ускорения скелетных вложений за счет увеличения миграции остеобластов и предотвращения бактериальной адгезии ^27,34,36,39. Компutation моделирования, по сути, показали, что 1-10 В / см, электрические поля и плотности тока ниже 2 мА / см ^2, могут быть созданы с помощью имплантатов в качестве функциональной катодом и является наиболее однородно распределенного использования две группы внешнего электрода. OIID система может быть первым шагом к решению классических проблем, связанных с электрической стимуляции, невозможность определить текущие пути в организм человека ^43. Таким образом, создание инструментов для повышения скелетных привязанность может содействовать сокращению продолжительности реабилитации, необходимые для osseointegrated процедуры.

Использование электрической стимуляции пожилым инвалидам также является важным аспектом, который необходимо изучить, а также. Костная масса максимальная десять лет после роста скелета прекращается, но существенно уменьшается на восьмом и девятом десятилетии ^44. Пока костей меняется с возрастом, эндостальной диаметра как правило, растут быстрее, чем периостальной диаметр которых может привести к ослаблению имплантата ^45. Эта проблема в сочетании с сокращением нагрузки на кости более слабыми мышцами может способствовать изнурительных болезней, таких как остеопороз и остеопения ⁴⁵ и требуют дополнительных вариантов лечения для пациентов с osseointegrated имплантатов. Тем не менее, контролируемой электрической стимуляции и механические нагрузки могут выступать в качестве катализатора синергетический костной ongrowth и сохранить кость хозяина кровать целостности с использованием пожилых пациентов OIID системы.