Environ 4 millions de personnes aux États-Unis ont une arthroplastie totale du genou, et ce nombre devrait augmenter au cours des prochaines décennies à mesure que la population vieillit et que les patients plus jeunes subissent l’intervention en raison de blessures sportives.
Selon l’Agency for Healthcare Research and Quality, plus de 600 000 arthroplasties du genou sont pratiquées aux États-Unis chaque année.Elles estiment que 90 à 95 % des arthroplasties du genou dureront 10 ans et 80 à 85 % dureront 20 ans – ; mais que se passe-t-il si quelqu’un vit plus longtemps que cela? Existe-t-il un moyen d’atténuer les problèmes et d’aider les arthroplasties du genou à durer plus longtemps ? Le nombre de chirurgies de révision est également important – ; 3,6 % aux États-Unis seulement
Professeur agrégé Shahrzad « Sherry » Towfighian – ; membre du corps professoral du Département de génie mécanique, Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Sciences, Binghamton University – ; développe un meilleur contrôle des arthroplasties du genou à l’aide de capteurs qui génèrent leur propre énergie par le mouvement.
Towfighian a récemment reçu une subvention de 2 326 521 $ sur cinq ans de l’Institut national de l’arthrite et des maladies musculosquelettiques et cutanées des National Institutes of Health pour poursuivre la recherche qui a commencé il y a plusieurs années. Les co-chercheurs du projet sont le professeur agrégé Ryan Willing de l’Université Western Ontario et les professeurs agrégés Emre Salman et Milutin Stanacevic de l’Université Stony Brook.
La surveillance des arthroplasties du genou de l’extérieur offre des données très limitées et nécessite une attelle ou un autre dispositif restrictif qui affecte le confort et la mobilité des patients. Les médecins ne savent souvent pas si les patients se sont surmenés jusqu’à ce qu’ils commencent à développer des symptômes ; et d’ici là, un nouvel implant peut être nécessaire.
Selon le plan de Towfighian, les gens utiliseraient une application pour smartphone pour collecter des données plusieurs fois par jour et suivre les performances de l’implant.
« Les personnes qui subissent une intervention chirurgicale n’ont aucun moyen de surveiller la charge au fil du temps, et cela devient problématique car l’attrition se produit », a-t-il déclaré. « Mais s’il y a des capteurs de charge, ils peuvent voir s’il y a un déséquilibre et ils peuvent mettre quelque chose à l’extérieur pour le réparer et éviter une chirurgie de révision. Beaucoup de gens subissent une chirurgie de révision et c’est très douloureux. Personne ne veut faire ça. «
Pour fournir une alimentation à long terme aux capteurs, elle extrait l’énergie électrique du mouvement, qu’elle étudie dans son laboratoire de MEMS et de récupération d’énergie sur le campus. L’éliminateur est placé à l’intérieur de l’implant du genou et se compose de deux plaques minces comme du papier distantes de 100 microns pour générer de l’électricité lorsque vous marchez.
Dans des recherches précédentes, Salman a conçu le circuit et déterminé qu’il aurait besoin de 4,6 microwatts pour fonctionner. Les tests ont montré que la marche d’une personne moyenne produit de 20 à 70 microwatts de puissance, plus que suffisant pour alimenter les capteurs. Willing a travaillé sur la conception de l’ensemble implant et capteur. Ses recherches ont été publiées dans le Magazine de capteurs IEEE, Matériaux et structures intelligents et le Journal de génie biomécanique.
Vous ne voulez pas utiliser de piles, car les piles ont une courte durée de vie et vous auriez quand même besoin d’une intervention chirurgicale pour les remplacer. Cela n’a aucun sens. Vous devez penser à une sorte de mécanisme auto-alimenté. »
Professeur agrégé Shahrzad « Sherry » Towfighian, membre du corps professoral, Département de génie mécanique, Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Sciences, Binghamton University
L’un des défis auxquels elle et ses collaborateurs ont été confrontés était de s’assurer que les mécanismes auto-alimentés étaient biocompatibles ; par exemple, ne pas utiliser de plomb ou d’autres matériaux pouvant endommager les tissus humains. Heureusement, des alternatives sûres comme le titane ou le polyéthylène peuvent être utilisées.
« Jusqu’à présent, nous les avons testés sur une machine qui simule le mouvement de la marche. La prochaine phase consiste à le tester sur des cadavres », a-t-il déclaré. « Nous devons simuler le mouvement sur des millions de cycles pour voir s’il dure et aussi pour voir combien de données nous pouvons transférer sur une période de 24 heures. Nous devrons également étudier la répartition de la charge et la durabilité de l’appareil. Ce sont les choses qui doit être fait avant de passer aux essais cliniques.
Towfighian et ses collaborateurs attendent avec impatience cette nouvelle recherche, qui, espère-t-il, aura des applications au-delà des implants du genou dans le domaine plus large des capteurs flexibles.
« Nous avons une très bonne équipe », a-t-il déclaré. « Nous sommes tous ravis de la prochaine phase du projet. »
Université de Binghamton