230万美元的NIH拨款资助智能膝关节置换研究

在，大约有400万人接受了全膝关节置换术，随着人口老龄化和年轻患者因运动损伤而接受手术，这一数字预计将在未来几十年内增加。

根据医疗保健研究和质量机构的数据，每年进行超过 600,000 次膝关节置换手术。他们计算出 90% 到 95% 的膝关节置换术将持续 10 年，80% 到 85% 将持续 20 年——但如果有人活得比这更长怎么办?有没有办法缓解问题并帮助膝关节置换术持续更长时间?翻修手术的数量也很大——仅在就有 3.6%。

Shahrzad “Sherry” Towfighian 副教授——宾厄姆顿大学Thomas J. Watson 工程与应用科学学院机械工程系的一名教员——正在使用通过运动产生自身能量的传感器开发更好的膝关节置换监测。

Towfighian 最近从国立卫生研究院的国家关节炎、肌肉骨骼和皮肤病研究所获得了一项为期五年、价值 2,326,521 美元的资助，用于她几年前开始的进一步研究。该项目的共同研究人员是西安大略大学的副教授 Ryan Willing，以及石溪大学的副教授 Emre Salman 和 Milutin Stanacevic。

从外部监测膝关节置换提供的数据非常有限，并且需要支具或其他影响患者舒适度和活动能力的收缩装置。通常，医生不知道患者是否过度劳累，直到他们开始出现症状——到那时，可能需要新的植入物。

根据 Towfighian 的计划，人们每天会使用智能手机应用程序收集几次信息并跟踪植入物的性能。

“接受手术的人无法随着时间的推移监测负荷，这会成为问题，因为会发生磨损，”她说。“但如果有一些负载传感器，他们可以看到是否存在不平衡，可以在外面放一些东西来修复它，避免翻修手术。很多人做翻修手术，很痛苦。没有人愿意这样做。”

为了为传感器提供长期电力，她从运动中获取电能，并通过她在校园内的MEMS 和能量收集实验室进行研究。清除剂放置在膝关节植入物内，由两个相距 100 微米的纸薄板组成，可通过行走产生电能。

在之前的研究中，萨尔曼设计了电路并确定它需要 4.6 微瓦才能运行。测试表明，普通人的步行会产生 20 到 70 微瓦的功率，足以为传感器供电。Willing 致力于植入物设计和传感器封装。他们的研究发表在IEEE Sensors Journal、Smart Materials and Structures和Journal of Biomechanical Engineering上。

“你不想使用电池，因为电池寿命很短，你仍然需要手术来更换它，”Towfighian 说。“这没有任何意义。你需要考虑某种自供电机制。”

她和她的合作者面临的一个挑战是确保自供电机制具有生物相容性——例如，不使用铅或其他可能对人体组织造成损害的材料。幸运的是，可以使用钛或聚乙烯等安全替代品。

“到目前为止，我们已经在一台模拟步行运动的机器上对它们进行了测试。下一阶段是在尸体上进行测试，”她说。“我们需要模拟数百万个周期的运动，看看它是否能持续，还要看看我们在 24 小时内可以传输多少数据。我们还需要调查设备的负载分布和耐用性。这些是我们进行临床研究之前需要做的事情。”

Towfighian 和她的合作者对这项新研究充满期待，她希望这项新研究能够应用于膝关节植入物以外的更广泛的柔性传感器领域。

“我们有一个非常好的团队，”她说。“我们都对项目的下一阶段感到兴奋。”