230萬美元的NIH撥款資助智能膝關(guān)節(jié)置換研究

在，大約有400萬人接受了全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，隨著人口老齡化和年輕患者因運動損傷而接受手術(shù)，這一數(shù)字預(yù)計將在未來幾十年內(nèi)增加。

根據(jù)醫(yī)療保健研究和質(zhì)量機構(gòu)的數(shù)據(jù)，每年進(jìn)行超過 600,000 次膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)。他們計算出 90% 到 95% 的膝關(guān)節(jié)置換術(shù)將持續(xù) 10 年，80% 到 85% 將持續(xù) 20 年——但如果有人活得比這更長怎么辦?有沒有辦法緩解問題并幫助膝關(guān)節(jié)置換術(shù)持續(xù)更長時間?翻修手術(shù)的數(shù)量也很大——僅在就有 3.6%。

Shahrzad “Sherry” Towfighian 副教授——賓厄姆頓大學(xué)Thomas J. Watson 工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院機械工程系的一名教員——正在使用通過運動產(chǎn)生自身能量的傳感器開發(fā)更好的膝關(guān)節(jié)置換監(jiān)測。

Towfighian 最近從國立衛(wèi)生研究院的國家關(guān)節(jié)炎、肌肉骨骼和皮膚病研究所獲得了一項為期五年、價值 2,326,521 美元的資助，用于她幾年前開始的進(jìn)一步研究。該項目的共同研究人員是西安大略大學(xué)的副教授 Ryan Willing，以及石溪大學(xué)的副教授 Emre Salman 和 Milutin Stanacevic。

從外部監(jiān)測膝關(guān)節(jié)置換提供的數(shù)據(jù)非常有限，并且需要支具或其他影響患者舒適度和活動能力的收縮裝置。通常，醫(yī)生不知道患者是否過度勞累，直到他們開始出現(xiàn)癥狀——到那時，可能需要新的植入物。

根據(jù) Towfighian 的計劃，人們每天會使用智能手機應(yīng)用程序收集幾次信息并跟蹤植入物的性能。

“接受手術(shù)的人無法隨著時間的推移監(jiān)測負(fù)荷，這會成為問題，因為會發(fā)生磨損，”她說。“但如果有一些負(fù)載傳感器，他們可以看到是否存在不平衡，可以在外面放一些東西來修復(fù)它，避免翻修手術(shù)。很多人做翻修手術(shù)，很痛苦。沒有人愿意這樣做。”

為了為傳感器提供長期電力，她從運動中獲取電能，并通過她在校園內(nèi)的MEMS 和能量收集實驗室進(jìn)行研究。清除劑放置在膝關(guān)節(jié)植入物內(nèi)，由兩個相距 100 微米的紙薄板組成，可通過行走產(chǎn)生電能。

在之前的研究中，薩爾曼設(shè)計了電路并確定它需要 4.6 微瓦才能運行。測試表明，普通人的步行會產(chǎn)生 20 到 70 微瓦的功率，足以為傳感器供電。Willing 致力于植入物設(shè)計和傳感器封裝。他們的研究發(fā)表在IEEE Sensors Journal、Smart Materials and Structures和Journal of Biomechanical Engineering上。

“你不想使用電池，因為電池壽命很短，你仍然需要手術(shù)來更換它，”Towfighian 說。“這沒有任何意義。你需要考慮某種自供電機制。”

她和她的合作者面臨的一個挑戰(zhàn)是確保自供電機制具有生物相容性——例如，不使用鉛或其他可能對人體組織造成損害的材料。幸運的是，可以使用鈦或聚乙烯等安全替代品。

“到目前為止，我們已經(jīng)在一臺模擬步行運動的機器上對它們進(jìn)行了測試。下一階段是在尸體上進(jìn)行測試，”她說。“我們需要模擬數(shù)百萬個周期的運動，看看它是否能持續(xù)，還要看看我們在 24 小時內(nèi)可以傳輸多少數(shù)據(jù)。我們還需要調(diào)查設(shè)備的負(fù)載分布和耐用性。這些是我們進(jìn)行臨床研究之前需要做的事情。”

Towfighian 和她的合作者對這項新研究充滿期待，她希望這項新研究能夠應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)植入物以外的更廣泛的柔性傳感器領(lǐng)域。

“我們有一個非常好的團(tuán)隊，”她說。“我們都對項目的下一階段感到興奮。”