Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Phát hiện sự lỏng của khớp gối: Một nghiên cứu phân tích dao động
Tóm tắt
Sự lỏng lẻo của khớp gối chủ yếu do sự yếu kém của giao diện giữa prosthesis và xương, và là nguyên nhân chính dẫn đến các ca phẫu thuật chỉnh hình. Tuy nhiên, việc chẩn đoán trước phẫu thuật gặp khó khăn do thiếu các xét nghiệm chính xác. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát triển một hệ thống dựa trên dao động để phát hiện sự lỏng lẻo của khớp gối giả được trang bị cảm biến. Hệ thống được đề xuất bao gồm một bộ rung có cảm biến cho phép kích thích xương qua da một cách lặp lại, và các cảm biến gia tốc được tích hợp vào các khớp gối để đo lường dao động truyền đến. Một kỹ thuật phát hiện dựa trên độ đồng nhất đã được đề xuất để phân biệt các khớp lỏng lẻo với các khớp vững chắc. Bốn mười bốn chi dưới ex vivo đã được sử dụng, trong đó khớp gối giả đã được cấy ghép và dao động cưỡng bức hài được áp dụng lên xương chày. Thước đo độ đồng nhất đầu vào – đầu ra đạt độ chính xác 92.26%, độ nhạy cao (91.67%) và độ đặc hiệu (92.86%). Kỹ thuật này đã được so sánh với phân tích phổ công suất dựa trên dao động truyền đến các khớp. Cụ thể, việc phát hiện sự lỏng lẻo dựa trên sự xuất hiện của đỉnh mới, sự chuyển dịch đỉnh và sự làm phẳng đỉnh trong phổ công suất cho thấy hiệu suất kém hơn so với kỹ thuật dựa trên độ đồng nhất được đề xuất. Do đó, việc ứng dụng dao động trên khớp gối giả được trang bị của chúng tôi kết hợp với phân tích độ đồng nhất đầu vào – đầu ra đã cho phép chúng tôi phân biệt được các khớp vững chắc và lỏng lẻo.
Từ khóa
#khớp gối #phát hiện sự lỏng lẻo #phân tích dao động #giao diện prosthesis-xương #cảm biến gia tốcTài liệu tham khảo
Acker, F. V., J. Nuyts, A. Maes, B. Vanquickenborne, J. Stuyck, J. Bellemans, S. Vleugels, G. Bormans, and L. Mortelmans. FDG-PET, 99mTc-HMPAO white blood cell SPET and bone scintigraphy in the evaluation of painful total knee arthroplasties. Eur. J. Nucl. Med. 28:1496–1504, 2001. doi:10.1007/s002590100603.
Almouahed, S., M. Gouriou, C. Hamitouche, E. Stindel, and C. Roux. Design and evaluation of instrumented smart knee implant. IEEE Trans. Biomed. Eng. 58:971–982, 2011. doi:10.1109/TBME.2010.2058806.
Arami, A., Barre, A., Berthelin, R., Aminian, K., 2013a. Estimation of prosthetic knee angles via data fusion of implantable and wearable sensors, in: 2013 IEEE International Conference on Body Sensor Networks (BSN), pp. 1–6. doi:10.1109/BSN.2013.6575473.
Arami, A., M. Simoncini, O. Atasoy, S. Ali, W. Hasenkamp, A. Bertsch, E. Meurville, S. Tanner, P. Renaud, C. Dehollain, P. Farine, B. M. Jolles, K. Aminian, and P. Ryser. Instrumented knee prosthesis for force and kinematics measurements. IEEE Trans. Autom. Sci. Eng. 10:615–624, 2013. doi:10.1109/TASE.2012.2226030.
Arami, A., A. Vallet, and K. Aminian. Accurate measurement of concurrent flexion-extension and internal-external rotations in smart knee prostheses. IEEE Trans. Biomed. Eng. 60:2504–2510, 2013. doi:10.1109/TBME.2013.2259489.
Atasoy, O., Dehollaini, C., 2012. Remote powering realization for smart orthopedic implants, 10th International IEEE New Circuits and Systems Conference (NEWCAS), pp. 521–524. doi:10.1109/NEWCAS.2012.6329071.
Berry, D. J. Recognizing and identifying osteolysis around total knee arthroplasty. Instr. Course Lect. 53:261–264, 2004.
Carr, A. J., O. Robertsson, S. Graves, A. J. Price, N. K. Arden, A. Judge, and D. J. Beard. Knee replacement. Lancet 379:1331–1340, 2012. doi:10.1016/S0140-6736(11)60752-6.
Chew, C. G., P. Lewis, F. Middleton, R. van den Wijngaard, and A. Deshaies. Radionuclide arthrogram with SPECT/CT for the evaluation of mechanical loosening of hip and knee prostheses. Ann. Nucl. Med. 24:735–743, 2010. doi:10.1007/s12149-010-0419-1.
Chinchalkar, S. Determination of crack location in beams using natural frequencies. J. Sound Vib. 247:417–429, 2001. doi:10.1006/jsvi.2001.3748.
D’Lima, D. D., N. Steklov, B. J. Fregly, S. A. Banks, and C. W. Colwell. In vivo contact stresses during activities of daily living after knee arthroplasty. J. Orthop. Res. 26:1549–1555, 2008. doi:10.1002/jor.20670.
Delank, K.-S., M. Schmidt, J.-P. Michael, M. Dietlein, H. Schicha, and P. Eysel. The implications of 18F-FDG PET for the diagnosis of endoprosthetic loosening and infection in hip and knee arthroplasty: Results from a prospective, blinded study. BMC Musculoskelet. Disord. 7:20, 2006. doi:10.1186/1471-2474-7-20.
Ewald, F. The knee society total knee arthroplasty roentgenographic evaluation and scoring system. Clin. Orthop. Relat. Res. 248:9–12, 1989.
Ferraris, F., U. Grimaldi, and M. Parvis. Procedure for effortless in-field calibration of three-axial rate gyro and accelerometers. Sens. Mater. 7:311–330, 1995.
Forchelet, D., M. Simoncini, A. Arami, A. Bertsch, E. Meurville, K. Aminian, P. Ryser, and P. Renaud. Enclosed electronic system for force measurements in knee implants. J. Sensors 14(8):15009–15021, 2014. doi:10.3390/s140815009.
Georgiou, A., and J. Cunningham. Accurate diagnosis of hip prosthesis loosening using a vibrational technique. Clin. Biomech. 16:315–323, 2001. doi:10.1016/S0268-0033(01)00002-X.
Hirschmann, M. T., F. Amsler, and H. Rasch. Clinical value of SPECT/CT in the painful total knee arthroplasty (TKA): a prospective study in a consecutive series of 100 TKA. Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging 42(12):1869–1882, 2015.
Kim, J.-T., Y.-S. Ryu, H.-M. Cho, and N. Stubbs. Damage identification in beam-type structures: frequency-based method vs mode-shape-based method. Eng. Struct. 25:57–67, 2003. doi:10.1016/S0141-0296(02)00118-9.
Kirking, B., J. Krevolin, C. Townsend, C. W. Colwell, Jr, and D. D. D’Lima. A multiaxial force-sensing implantable tibial prosthesis. J. Biomech. 39:1744–1751, 2006. doi:10.1016/j.jbiomech.2005.05.023.
Kitchener, M. I., E. Coats, G. Keene, and R. Paterson. Assessment of radionuclide arthrography in the evaluation of loosening of knee prostheses. Knee 13:220–225, 2006. doi:10.1016/j.knee.2006.02.006.
Kurtz, S., K. Ong, E. Lau, F. Mowat, and M. Halpern. Projections of primary and revision hip and knee arthroplasty in the United States from 2005 to 2030. J. Bone Joint Surg. Am. 89:780–785, 2007. doi:10.2106/JBJS.F.00222.
Kutzner, I., B. Heinlein, F. Graichen, A. Bender, A. Rohlmann, A. Halder, A. Beier, and G. Bergmann. Loading of the knee joint during activities of daily living measured in vivo in five subjects. J. Biomech. 43:2164–2173, 2010. doi:10.1016/j.jbiomech.2010.03.046.
Lannocca, M., E. Varini, A. Cappello, L. Cristofolini, and E. Bialoblocka. Intra-operative evaluation of cementless hip implant stability: A prototype device based on vibration analysis. Med. Eng. Phys. 29:886–894, 2007. doi:10.1016/j.medengphy.2006.09.011.
Li, P. L. S., N. B. Jones, and P. J. Gregg. Vibration analysis in the detection of total hip prosthetic loosening. Med. Eng. Phys. 18:596–600, 1996. doi:10.1016/1350-4533(96)00004-5.
Mandalia, V., K. Eyres, P. Schranz, and A. D. Toms. Evaluation of patients with a painful total knee replacement. J. Bone Joint Surg. Br. 90:265–271, 2008. doi:10.1302/0301-620X.90B3.20140.
Marschner, U., H. Grätz, B. Jettkant, D. Ruwisch, G. Woldt, W.-J. Fischer, and B. Clasbrummel. Integration of a wireless lock-in measurement of hip prosthesis vibrations for loosening detection. Sens. Actuators Phys. 156:145–154, 2009. doi:10.1016/j.sna.2009.08.025; (EUROSENSORS XXII).
Mayer-Wagner, S., W. Mayer, S. Maegerlein, R. Linke, V. Jansson, and P. E. Müller. Use of 18F-FDG-PET in the diagnosis of endoprosthetic loosening of knee and hip implants. Arch. Orthop. Trauma Surg. 130(10):1231–1238, 2010.
Murphy, L., T. A. Schwartz, C. G. Helmick, J. B. Renner, G. Tudor, G. Koch, A. Dragomir, W. D. Kalsbeek, G. Luta, and J. M. Jordan. Lifetime risk of symptomatic knee osteoarthritis. Arthritis Care Res. 59:1207–1213, 2008. doi:10.1002/art.24021.
Nadaud, M. C., T. K. Fehring, and K. Fehring. Underestimation of osteolysis in posterior stabilized total knee arthroplasty. J. Arthroplasty 19:110–115, 2004. doi:10.1016/j.arth.2003.08.005.
Nelles, O. Nonlinear system identification. Meas. Sci. Technol. 13:646, 2002. doi:10.1088/0957-0233/13/4/709.
Owen, R. J. T., W. M. Harper, D. B. Finlay, and I. P. Belton. Isotope bone scans in patients with painful knee replacements: do they alter management? Br. J. Radiol. 68:1204–1207, 1995. doi:10.1259/0007-1285-68-815-1204.
Pastrav, L. C., S. V. Jaecques, I. Jonkers, G. Perre, and M. Mulier. In vivo evaluation of a vibration analysis technique for the per-operative monitoring of the fixation of hip prostheses. J. Orthop. Surg. 4:10, 2009. doi:10.1186/1749-799X-4-10.
Puers, R., M. Catrysse, G. Vandevoorde, R. Collier, E. Louridas, F. Burny, M. Donkerwolcke, and F. Moulart. A telemetry system for the detection of hip prosthesis loosening by vibration analysis. Sens. Actuators Phys. 85:42–47, 2000. doi:10.1016/S0924-4247(00)00320-4.
Qi, G., W. Paul Mouchon, and T. E. Tan. How much can a vibrational diagnostic tool reveal in total hip arthroplasty loosening? Clin. Biomech. 18:444–458, 2003. doi:10.1016/S0268-0033(03)00051-2.
Rieger, J. S., S. Jaeger, C. Schuld, J. P. Kretzer, and R. G. Bitsch. A vibrational technique for diagnosing loosened total hip endoprostheses: An experimental sawbone study. Med. Eng. Phys. 35:329–337, 2013. doi:10.1016/j.medengphy.2012.05.007.
Rosenberg, J. R., A. M. Amjad, P. Breeze, D. R. Brillinger, and D. M. Halliday. The Fourier approach to the identification of functional coupling between neuronal spike trains. Prog. Biophys. Mol. Biol. 53:1–31, 1989. doi:10.1016/0079-6107(89)90004-7.
Rosenstein, A. D., G. F. McCoy, C. J. Bulstrode, P. D. McLardy-Smith, J. L. Cunningham, and A. R. Turner-Smith. The differentiation of loose and secure femoral implants in total hip replacement using a vibrational technique: an anatomical and pilot clinical study. Proc. Inst. Mech. Eng. 203:77–81, 1989.
Rowlands, A., F. A. Duck, and J. L. Cunningham. Bone vibration measurement using ultrasound: Application to detection of hip prosthesis loosening. Med. Eng. Phys. 30:278–284, 2008. doi:10.1016/j.medengphy.2007.04.017.
Salawu, O. S. Detection of structural damage through changes in frequency: a review. Eng. Struct. 19:718–723, 1997. doi:10.1016/S0141-0296(96)00149-6.
Schwarz, B. J., and M. H. Richardson. Experimental modal analysis. CSI Reliab. Week 36:30–32, 1999.
Shi, Z. Y., S. S. Law, and L. M. Zhang. Structural damage localization from modal strain energy change. J. Sound Vib. 218:825–844, 1998. doi:10.1006/jsvi.1998.1878.
Smith, S. L., M. L. Wastie, and I. Forster. Radionuclide bone scintigraphy in the detection of significant complications after total knee joint replacement. Clin. Radiol. 56:221–224, 2001. doi:10.1053/crad.2000.0620.
Sterner, T., R. Pink, L. Freudenberg, T. Jentzen, H. Quitmann, A. Bockisch, and F. Löer. The role of [18F]fluoride positron emission tomography in the early detection of aseptic loosening of total knee arthroplasty. Int. J. Surg. 5:99–104, 2007. doi:10.1016/j.ijsu.2006.05.002.
Stevenson, N., 2003. Vibration signal features for the quantification of prosthetic loosening in total hip arthroplasties (Thesis). Queensland University of Technology.
Tanner, S., Ali, S., Banjevic, M., Arami, A., Aminian, K., Hasenkamp, W., Bertsch, A., Renaud, P., Farine, P.-A., 2013. An Analog Front-End and ADC Integrated Circuit for Implantable Force and Orientation Measurements in Joint Prosthesis, Wireless Mobile Communication and Healthcare, Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering. Springer, pp. 295–302.
Varini, E., E. Bialoblocka-Juszczyk, M. Lannocca, A. Cappello, and L. Cristofolini. Assessment of implant stability of cementless hip prostheses through the frequency response function of the stem–bone system. Sens. Actuators Phys. 163:526–532, 2010. doi:10.1016/j.sna.2010.08.029.
Welch, P. D. The use of fast fourier transform for the estimation of power spectra: a mehtod based on time averageing over short, modified periodograms. IEEE Trans. Audio & Electroacous. 15(22):70–73, 1967.