Vibrazione come metodo di screening delle fratture nei bambini

La principale domanda di ricerca alla base di questo studio pilota è: "Gli spettri di vibrazione possono distinguere in modo affidabile le ossa fratturate da quelle non fratturate nei bambini?"

Il problema:

Viene eseguito un numero significativo di radiografie non necessarie per escludere la presenza di fratture. Nel 2011, 46.000 bambini hanno frequentato il dipartimento di emergenza dell'ospedale pediatrico di Sheffield (ED), per i quali sono state eseguite 10.400 radiografie. 2.215 radiografie di piede/caviglia e polso da sole si sono rivelate inutili. Ciò si traduce in un potenziale risparmio sui costi di £ 119.610/anno a Sheffield e di circa £ 12 milioni/anno in Inghilterra e Galles.

Chiaramente vi è la necessità di un metodo non invasivo, portatile, economico e rapido per lo screening delle fratture delle ossa lunghe per stabilire la probabilità che l'osso sia negativo o positivo alla frattura; quelli con un'alta probabilità di frattura vengono poi sottoposti a radiografia, per stabilire presenza, tipo e posizione della frattura.

Una possibile soluzione:

L'analisi delle vibrazioni implica l'eccitazione meccanica di un oggetto, quindi la registrazione e l'analisi delle risposte successive. Quando una struttura può muoversi liberamente dopo un'eccitazione, vibrerà alle sue specifiche frequenze naturali dove le forze inerziali sono in equilibrio con le forze elastiche, a seconda della rigidità di quella struttura.

L'analisi spettrale delle vibrazioni viene utilizzata in modo affidabile nell'industria per rilevare le crepe nei macchinari.

I ricercatori hanno testato l'ipotesi che le ossa fratturate e non fratturate restituiscono diversi spettri di vibrazione su 13 adulti; 7 volontari sani del dipartimento di ingegneria della Sheffield Hallam University e 6 pazienti a seguito di lesioni al Northern General Hospital, 3 dei quali con fratture, con correlazione del 100% degli spettri di vibrazione con presenza/assenza di frattura e assenza di dolore.

Visti questi risultati incoraggianti, la proposta è di estendere lo studio ai bambini.

Teoria della ricerca:

I ricercatori ipotizzano che ci siano differenze rilevabili nelle frequenze di vibrazione naturali ottenute da ossa con e senza fratture. L'osso controlaterale illeso di ogni bambino servirà da confronto per il lato ferito.

L'applicazione dell'analisi delle vibrazioni comporta l'eccitazione meccanica di un oggetto e la registrazione e l'analisi delle risposte successive. In teoria, applicando uno stimolo all'osso e analizzando la risposta risultante, è possibile monitorare diverse condizioni patologiche e indotte dal trauma.

Le vibrazioni possono essere indotte sia da un impulso, che produce una risposta coerente con l'immissione di un numero di frequenze fondamentali indipendenti, sia da cicli di frequenza variabile di onde sinusoidali pure.

Dopo aver indotto le vibrazioni mediante un piccolo picchiettatore computerizzato appositamente costruito, il metodo più comune per registrarle utilizza misuratori piezoelettrici sulle protuberanze ossee (riducendo al minimo l'effetto del tessuto molle sottostante). Ad esempio, quando si analizza la guarigione della frattura tibiale, il malleolo laterale o mediale sono i siti principali. Il buon funzionamento dei misuratori piezoelettrici dipende dall'accoppiamento del misuratore alla struttura in esame, in modo tale che le sollecitazioni indotte producano un netto cambiamento di carica dei terminali del trasduttore dovuto all'effetto piezoelettrico.

I cristalli piezoelettrici sono relativamente economici e le loro proprietà sono ben note. Sia i materiali piezoresistivi che piezoelettrici sono comunemente usati per rilevare la deformazione causata dalle vibrazioni nelle strutture su macroscala. Tuttavia, spesso richiedono un'elaborazione e un'interpretazione del segnale impegnative. Il gruppo di ricerca ha esperienza di lavoro con segnali medici complessi (ad es. elettroencefalogrammi) per estrarre informazioni rilevanti e metterà a frutto questa esperienza in questo progetto.

Precedenti studi di fattibilità forniscono una solida base per lo studio proposto. Esistono ampie informazioni sulla teoria, le tecniche per l'analisi delle vibrazioni delle strutture fisiche sono ben consolidate e, inoltre, numerosi studi hanno esplorato l'analisi delle vibrazioni a bassa frequenza come possibile strumento diagnostico in campo ortopedico. Ad esempio, in uno studio è stato riportato che la trasmissione delle vibrazioni attraverso una frattura è influenzata dalle fasi di guarigione del callo della frattura.

Per quanto ne sanno i ricercatori, nessuno studio ha utilizzato la metodologia precisa proposta in questo studio attuale per lo screening delle fratture nei bambini.