Vibration som metode til frakturscreening hos børn

Det vigtigste forskningsspørgsmål, der ligger til grund for denne pilotundersøgelse er, "Kan vibrationsspektre pålideligt skelne brækkede knogler fra ikke-brækkede knogler hos børn?"

Problemet:

Et betydeligt antal unødvendige røntgenbilleder udføres for at udelukke tilstedeværelsen af ​​brud. I 2011 gik 46.000 børn til Sheffield Children's Hospital Emergency Department (ED), for hvem der blev udført 10.400 røntgenbilleder. 2.215 røntgenbilleder af fod/ankel og håndled alene viste sig at være unødvendige. Dette svarer til en potentiel omkostningsbesparelse på £119.610/år i Sheffield og cirka £12M/år i England og Wales.

Det er klart, at der er behov for en ikke-invasiv, bærbar, billig og hurtig metode til screening af lange knogler for frakturer for at fastslå sandsynligheden for, om knoglen er negativ eller positiv; dem med en høj sandsynlighed for brud, der derefter bliver røntgenfotograferet for at fastslå tilstedeværelse, type og position af bruddet.

En mulig løsning:

Vibrationsanalyse involverer den mekaniske excitation af et objekt, derefter optagelse og analyse af de efterfølgende svar. Når en struktur får lov til at bevæge sig frit efter en excitation, vil den vibrere ved sine specifikke naturlige frekvenser, hvor inertikræfterne er i balance med de elastiske kræfter, afhængigt af strukturens stivhed.

Vibrationsspektralanalyse bruges pålideligt i industrien til at detektere revner i maskineri.

Forskerne testede hypotesen om, at brækkede og ikke-brækkede knogler returnerer forskellige vibrationsspektre på 13 voksne; 7 raske frivillige fra Engineering Department of Sheffield Hallam University og 6 patienter efter skade på Northern General Hospital, hvoraf 3 havde frakturer, med 100 % korrelation af vibrationsspektre med tilstedeværelse/fravær af fraktur og ingen smerte.

I betragtning af disse opmuntrende resultater er forslaget at udvide undersøgelsen til børn.

Forskningsteori:

Forskerne postulerer, at der er påviselige forskelle i de naturlige vibrationsfrekvenser opnået fra knogler med og uden fraktur. Hvert barns uskadede kontralaterale knogle vil tjene som sammenligning for den skadede side.

Anvendelsen af ​​vibrationsanalyse involverer mekanisk excitation af et objekt og registrering og analyse af de efterfølgende svar. I teorien er det muligt at overvåge forskellige patologiske og traume-inducerede tilstande ved at påføre en stimulus til knoglen og analysere den resulterende respons.

Vibrationer kan induceres enten af ​​en impuls, som giver et svar, der er i overensstemmelse med indlæsningen af ​​et antal uafhængige grundfrekvenser, eller af variable frekvenscyklusser af rene sinusbølger.

Efter at have induceret vibrationerne af en lille specialbygget computerstyret tapper, bruger den mest almindelige metode til at optage dem piezoelektriske målere på knoglefremspring (minimerer effekten af ​​underliggende blødt væv). For eksempel, når man analyserer tibial frakturheling, er den laterale eller mediale malleolus primære steder. Succesfuld drift af piezoelektriske målere afhænger af koblingen af ​​måleren til strukturen, der undersøges, således at de inducerede spændinger frembringer en nettoændring i belastningen af ​​transducerterminalerne på grund af den piezoelektriske effekt.

Piezoelektriske krystaller er relativt billige og deres egenskaber velforståede. Både piezoresistive og piezoelektriske materialer bruges almindeligvis til at detektere belastning forårsaget af vibrationer i strukturer i makroskala. De kræver dog ofte en udfordrende signalbehandling og fortolkning. Forskergruppen har erfaring med at arbejde med komplekse medicinske signaler (f.eks. elektroencefalogrammer) for at udtrække relevant information og vil bringe denne erfaring med i dette projekt.

Tidligere forundersøgelser giver et solidt grundlag for den foreslåede undersøgelse. Der er omfattende information om teori, teknikker til vibrationsanalyse af fysiske strukturer er veletablerede, og desuden har en række studier udforsket lavfrekvent vibrationsanalyse som et muligt diagnostisk værktøj inden for det ortopædiske område. For eksempel blev det i en undersøgelse rapporteret, at vibrationstransmissionen over et brud påvirkes af stadierne af heling af brudcallusen.

Så vidt forskerne er klar over, har ingen undersøgelse brugt den præcise metode, der er foreslået i denne aktuelle undersøgelse til at screene for brud hos børn.