Sistema híbrido indutivo-capacitivo para operações de estimulação e monitorização em implantes ósseos instrumentados

Abstract

As desordens músculo-esqueléticos são um problema de grande incidência atual com tendência a aumentar nas próximas décadas. Atualmente são realizadas mais de um milhão de cirurgias de substituição por ano que, apesar da elevada taxa de sucesso, apresentam ainda taxas de falha superiores a 10%. Ainda assim, o número de cirurgias primárias e de revisão tende a aumentar. Estes dados têm motivado o desenvolvimento de implantes instrumentados com capacidade de monitorizar o estado da interface osso-implante e de aplicar estímulos biofísicos personalizados quando são detetados estados de descolamento. Este trabalho tem cinco objetivos: (i) desenvolvimento de modelos computacionais que realizem a predição de resultados experimentais já realizados em trabalhos anteriores, relativos à variação da capacidade elétrica para diferentes interfaces osso-implante através de sensores capacitivos planares; (ii) desenvolvimento de uma arquitetura híbrida indutiva-capacitiva quasi-planar que permita operações de monitorização de interfaces osso-implante e estimulação magnética de baixa potência elétrica; (iii) desenvolvimento de modelos computacionais que realizem a predição dos estímulos magnéticos aplicados pela arquitetura híbrida indutiva capacitiva quasi-planar em células ósseas; (iv) desenvolvimento de modelos computacionais que realizem a predição da variação da capacidade elétrica para diferentes interfaces osso-implante; (v) validação experimental dos modelos computacionais relativos à arquitetura híbrida indutiva-capacitiva na sua operação de monitorização. Foram observadas correlações superiores a 93,84, para um intervalo de confiança de 99%, entre os modelos computacionais desenvolvidos e os resultados experimentais para a arquitetura capacitiva planar. A arquitetura híbrida é capaz de aplicar estímulos osteogénicos na gama de 0,1-7 mT, assegurando excitações de corrente elétrica na gama de 0,06-4,3 mA. Foram medidas variações na capacidade elétrica in vitro entre 0,9862 e 1,2362 pF, onde a capacidade elétrica relativa à região zona que antecede o contacto e pós contacto da estrutura óssea com a interface sensorial corresponde a ≈48,4% do aumento da capacidade elétrica total nesta gama. Relativamente aos ensaios de descompressão in vitro, a capacidade elétrica variou entre 1,2379 e 1,0359 pF. Foram observadas maiores diminuições da capacidade elétrica logo após a remoção da força até à região de póscontacto, correspondendo a ≈65,8% da gama de capacidades elétricas correlações de 99,24%. foram obtidos na validação dos modelos computacionais. Estes resultados mostram o grande potencial da arquitetura capacitiva planar como sistema de monitorização, assim como da arquitetura híbrida como sistema de estimulação/monitorização da interface osso-implante.

Musculoskeletal disorders are currently a problem of high incidence and increasing trends are expected in the forthcoming decades. Nowadays, more than a million replacement surgeries are performed each year and, although the success rate is high, failure rates above 10% are still reported. Consequently, the number of primary and revision procedures will likely increase. These facts have motivated the development of instrumented implants capable of monitoring the bone-implant interface state and deliver personalized biophysical stimuli when loosening states are detected. Five goals were established for this work: (i) development of computational models that predict the experimental results related to the variation of electric capacity for different bone-implant interfaces using planar capacitive sensors, which were already achieved in a previous research work; (ii) development of a quasi-planar inductivecapacitive hybrid architecture that enables bone-implant interface monitoring and requires low electrical powering to provide magnetic stimulation operations; (iii) development of computational models that predict the magnetic stimuli delivered by quasi-planar inductive-capacitive hybrid architecture to bone cells; (iv) development of computational models that predict the variation of electric capacity for different boneimplant interfaces; (v) experimental validation of computational models related to the monitoring ability of inductive-capacitive hybrid architecture. Concerning the planar capacitive architecture, correlations higher than 93.84% were observed for a 99% confidence interval between computational models and experimental results. The hybrid architecture is able to deliver osteogenic stimuli from 0.1 to 7 mT, ensuring electric current sources in the range between 0.06and 4.3 mA. In-vitro electric capacity variations between 0.9862 and 1.2362 pF were measured. Here, the electric capacity related to the region preceding the sensor-bone contact corresponds to ≈48.44% of the overall incre ase of the electrical capacity. Regarding in-vitro decompression tests, electric capacity ranged from 1.2379 to 1.0359 pF. Higher decreases in electrical capacity were observed just after the force was decreased until the post-contact region was achieved, corresponding to ≈65.8% of the range of electric capacities. Very good agreements between experimental and simulation results were achieved with cross-correlations higher than 99.24%. These successful results highlight the potential of planar capacitive architecture as a monitoring system, as well as the hybrid architecture for both stimulation and monitoring of the bone-implant interface.