Modeling the implantable bioimpedance measurements of implant - tissue interface

Abstract

This thesis presents a new aspect to the study of the tissue-implant interface after implantation by measuring in situ the tissue response to implanted materials using implantable electrical bioimpedance measurement. When implanting material in human body, the subsequent injury and wound healing process cause changes in the electrical properties of the surrounding tissues. The aim was to study is it possible to measure these changes with implantable four-electrode measurement. The bioimpedance measurements were simulated by Finite element modelling (FEM). Two- and three-dimensional box models and two-dimensional clinical example model of femoral stem implant consisting the four-electrode configuration were created. With FEM it was modeled the bioimpedance changes in the tissue layers above the implant, during wound healing process in the injured tissue site causing changes to these tissues. Finally, the measurement results of these tissue layers were compared to the reference model, in which the implant was surrounded only by muscle tissue, in the case of box models, or bone tissue, in the case of femoral stem model.

AB3:Tämän diplomityön tarkoituksena on antaa uusi näkökulma kudosten ja implantin rajapinnan tutkimiseen ja tarkkailuun implantoinnin jälkeen mittaamalla implantoitujen materiaalien aiheuttamia kudosreaktioita implantoitavalla sähköisen bioimpedanssin mittausmenetelmällä. Implantit aiheuttavat aina stokastisia ja etukäteen suunnittelemattomia kudosreaktioita, kun ne implantoidaan ihmiskehoon. Nämä kudosreaktiot johtuvat sekä implantoinnin aikaansaamista kudosvaurioista, että implantoitujen materiaalien ja kudosten vaikutuksista toisiinsa. Implantoinnin aiheuttamia kudosmuutoksia seuraa kudosten paranemisprosessi impiantin ympärillä. Tämä prosessi sekä implantoitujen materiaalien ja kudosten vaikutukset toisiinsa ovat tärkeässä roolissa nykyajan lääketieteessä, missä suunta on kohti tekoelimiä, kudosteknologiaa ja sekä langattomia että implantoituja lääketieteellisiä laitteita. Koska impiantoitavat laitteet ovat osa jokapäiväisiä lääketieteellisiä ratkaisuja, edellä mainittujen kudosreaktioiden tunteminen on yhä tärkeämpää. Jotta mahdollistettiin kudosvaurioiden paranemisprosessin tutkiminen impliantinympärillä ja sen miten prosessi vaikuttaa implanttiin, tässä tutkimuksessa käytettiin neljällä elektrodilla tapahtuvaa bioimpedanssimittausta. Tämä bioimpedanssimittaus perustuu kudosten vaihteleviin sähköisiin ominaisuuksiin.