Capacitive sensor for bone-implant interface monitoring

Abstract

Os implantes ósseos usados atualmente não são capazes de substituir integralmente a articulação onde são aplicadas. A redistribuição da carga no osso origina o efeito stress-shielding, o que pode provocar perda de massa óssea e migração do implante. O desgaste das componentes integrais do implante também causa alterações na interface ossoimplante. Os pacientes com estas complicações, podem ser submetidos a operações de revisão, onde o risco de insucesso e infeções é elevado. Para prevenir tais casos, recentemente foi proposto o conceito de Implante Instrumentado para dotar esta tecnologia com: sistemas de atuação (sobre a interface osso-implante), monitorização da integração osso-implante, sistemas de comunicação implante-exterior e sistemas de geração autónoma de energia. No entanto, uma revisão da literatura mostrou que os sistemas de monitorização propostos não são viáveis para serem incorporados em implantes instrumentados. Este é um estudo preliminar que visa propor um sistema de monitorização capacitivo com configuração em co-superfície listrado integrado num circuito ressonante RLC. Foi desenvolvido um aparato experimental para o teste do sistema in vitro usando estruturas de osso porcino. Observaram-se variações de 0,2 fF da capacitância por cada μm de deslocamento relativo entre a estrutura óssea e o sistema de monitorização. Embora preliminar, este estudo apresenta resultados promissores para a monitorização de diferentes interfaces osso-implante usando em sistemas capacitivos em co-superfície.

The prostheses currently used, are not able to fully replace the joint where they are applied. The redistribution of the load in the bone causes stressshielding, which origins loss of bone mass, and migration of the implant. Also, the wear of the integral components of the prosthesis causes changes between the interface of the bone and the implant. Patients with these complications can be submitted to review surgeries, where the risk of failure and infection is high. To prevent such cases, instrumented prosthesis have been recently proposed, to enhance this technology with: actuation systems (over the bone-implant interface), osseointegration monitoring, communication systems between implant-exterior and systems capable of generating energy autonomously. However, a review over these technologies showed that the proposed monitoring systems are not feasible to be incorporated into instrumented implants. This is a preliminary study which aims to advocate a monitoring capacitive system with a cosurface stripe pattern integrated in a RLC resonant circuit. An experimental apparatus was developed to test the system in vitro using a porcine bone. Variations of 0,2 fF in the capacitance were observed, for each ìm of relative movement between the bone and the monitoring system. Although preliminary, this study presents promising result for monitoring different bone-implant interfaces using a cosurface capacitive system.