Μελέτη της εξέλιξης του οστικού πώρου με τηλερυθμιζόμενο σύστημα διοστικών υπερήχων

Abstract

The purpose of this study is twofold: a) to investigate the application of transosseous low-intensity pulsed ultrasound (LiUS) on the enhancement of fracture healing and b) to demonstrate the ability of transosseous ultrasound propagation to monitor the healing process. A midshaft tibial osteotomy model was used on 40 skeletally mature sheep and an external fixator was applied to maintain the reduction and stabilization of the osteotomy. Two ultrasound transducers were implanted into the fracture site in contact with the bone. For investigating the efficacy of LiUS, the animals were randomly divided in two equal groups; the treatment group and the control group. The LiUS-treated animals received 200-μsec bursts of 1 ΜΗz sine waves with a pulse repetition rate of 1 KHz and average intensity of 30 mW/cm2, for 20 min daily. For monitoring purposes, an ultrasound dataset was constructed consisting of serial ultrasound measurements obtained from healing bones. Animals’ sacrifice took place on the 100th post-operative day. The effect of LiUS on fracture healing was evaluated using radiographs, destructive three-point bending testing and quantitative CT-based bone mineral density (BMD) measurements. Survival analysis using Kaplan-Meier curves showed significantly higher probability of radiographic healing for the animals in the treatment group (p = 0.009). Statistical significance was also observed for callus BMD (p = 0.003, Wilcoxon non-parametric test), load to fracture (p = 0.001), extrinsic stiffness (p = 0.019), Young’s modulus (p = 0.043) and ultimate strength (p = 0.051) in favour of the LiUS-treated limbs. Analysis of the obtained ultrasonic measurements showed that the propagation velocity across healing bones constitutes a significant feature able to early distinguish between healed and non-healed bones (area under ROC curve was 0.810 and 0.841 on the 80th and 100th post-operative day, respectively). Both the LiUS application and the ultrasonic measurements are supported by an integrated telemedicine system which also incorporates an ultrasound wearable device and a patient management system.

Σκοπός της παρούσας πειραματικής μελέτης είναι α)η διερεύνηση της διοστικής εφαρμογής των χαμηλής έντασης παλμικών υπερήχων για την ευόδωση της πώρωσης των καταγμάτων και β)η κατάδειξη της δυνατότητας παρακολούθησης της εξέλιξης της πώρωσης μέσα από τη διάδοση του κύ-ματος των χαμηλής έντασης υπερήχων. Χρησιμοποιήθηκε μοντέλο οστεοτομίας στο μέσο της διάφυσης της κνήμης σε 40 σκελετικά ώριμα πρόβατα ενώ για τη συγκράτηση της ανάταξης και τη σταθεροποίηση εφαρμόστηκε συσκευή εξωτερικής οστεοσύνθεσης. Δύο μεταλλάκτες υπερήχων εμφυτεύτηκαν στην εστία του κατάγματος και σε επαφή με το οστό. Για τη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας των χαμηλής έντασης υπερήχων, τα ζώα χωρίστηκαν τυχαία σε δύο ισάριθμες ομάδες, την ομάδα θεραπείας και την ομάδα ελέγχου. Τα ζώα της ομάδας θεραπείας έλαβαν αλληλουχίες ημιτονοειδών κυμάτων διάρκειας 200 μsec, κεντρικής συχνότητας 1 MHz, ρυθμού επανάληψης παλμού 1 kHz και μέσης έντασης 30 mW/cm2 για 20 min ημερησίως. Για την πα-ρακολούθηση της εξέλιξης της πώρωσης δημιουργήθηκε μια βάση δεδομένων με κυματομορφές από ανακτηθέντα σήματα υπερήχων που αφορούσαν τα 20 ζώα της ομάδας θεραπείας και 10 ζώα από την ομάδα ελέγχου. Η θυσία των ζώων έγινε την 100η μετεγχειρητική ημέρα. Η επίδραση των υπερήχων στην ευόδωση της πώρωσης αξιολογήθηκε μετά από ακτινολογικό έλεγχο, εμβιομηχανική δοκιμασία λυγισμού τριών σημείων και μέτρηση της οστικής πυκνότητας με χρήση ποσοτικής υπολογιστικής το-μογραφίας. Η ανάλυση επιβίωσης με χρήση των καμπυλών Kaplan-Meier κατέδειξε στατιστικά υψηλότερη πιθανότητα ακτινολογικής πώρωσης για τα ζώα της ομάδας θεραπείας (p = 0,009). Στατιστικά σημαντική διαφορά παρατηρήθηκε επίσης για την οστική πυκνότητα (p = 0,003, Wilcoxon non-parametric test), το φορτίο θραύσης (p = 0,001), την ακαμψία (p = 0,019), το Young’s Modulus (p = 0,043) και τη μέγιστη αντοχή (p = 0,051) προς όφελος των ζώων που έλαβαν θεραπεία με υπερήχους. Η ανάλυση των κυματομορφών που αντιστοιχούσαν στα ανακτηθέντα σήματα των υπερήχων κατέ-δειξε ότι η ταχύτητα διάδοσης αυτών διαμέσου του πώρου αποτελεί μια σημαντική παράμετρο με δυνατότητα πρώιμης διάκρισης μεταξύ πωρωθέντων και μη πωρωθέντων οστών (η περιοχή κάτωθεν της καμπύλης λειτουργικού χαρακτηριστικού δέκτη, ROC ήταν 0,810 και 0,841 την 80η και 100η μετεγχειρητική ημέρα αντίστοιχα). Η εφαρμογή των υπερήχων τόσο για τη θεραπεία όσο και για την παρακολούθηση της πώρωσης, υποστηρίζεται από ένα ολοκληρωμένο σύστημα τηλεϊατρικής, το οποίο ενσωματώνει μια φορητή συσκευή και μια κεντρική μονάδα διαχείρησης των ασθενών.