DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2025.1721499
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41704935
تاريخ النشر: 2026-02-02
المؤلف: Xiang-Dong Wu وآخرون
الموضوع الرئيسي: نتائج جراحة استبدال الركبة الكلي
نظرة عامة
تناقش هذه القسم التقدمات في جراحة استبدال المفاصل الكلي، مشيرة إلى أنه على الرغم من أن هذه الإجراءات تخفف بشكل كبير من الألم وتعزز الوظيفة للمرضى الذين يعانون من مرض المفاصل في مراحله النهائية، إلا أن نسبة ملحوظة من المستفيدين تظل غير راضية بعد الجراحة. على وجه التحديد، تبلغ معدلات عدم الرضا حوالي 10% لزراعة الورك و20% لزراعة الركبة، مع حاجة حوالي 20% من الزرعات إلى تعديل خلال 25 عامًا، ويرجع ذلك أساسًا إلى مشكلات مثل الانفصال غير المعقم والعدوى. تفشل طرق المراقبة التقليدية بعد الجراحة، التي تعتمد على الزيارات العيادية المتقطعة والتصوير، في تقديم رؤى شاملة حول أداء الزرعات أثناء الأنشطة اليومية.
لسد هذه الفجوة، تركز المراجعة على تطوير أطراف صناعية ذكية قابلة للزرع بالكامل مزودة بأجهزة استشعار وتقنية الاتصالات اللاسلكية، مما يتيح المراقبة في الوقت الحقيقي للظروف داخل الجسم. يمكن لهذه الزرعات الذكية التقاط معايير حيوية مثل أحمال المفاصل، ونطاق الحركة، ومقاييس المشي، ودرجة الحرارة، مما يسهل تصنيف الفينوتيب العظمي الديناميكي ويعزز فهم مسارات التعافي والمضاعفات. تؤكد الخاتمة على المستقبل الواعد لهذه التقنيات، مشروطة بالتحقق السريري الدقيق والتكامل مع أنظمة دعم اتخاذ القرار السريرية المدعومة بالذكاء الاصطناعي. إذا كانت ناجحة، يمكن أن تحول الزرعات الذكية الرعاية العظمية من رد الفعل إلى الاستباقية، مما يحسن نتائج المرضى وطول عمر الزرعات من خلال نهج مخصص قائم على البيانات.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الزيادة المتزايدة في انتشار ونجاح جراحة استبدال مفصل الورك الكلي (THA) وجراحة استبدال مفصل الركبة الكلي (TKA) كإجراءات جراحية فعالة لالتهاب المفاصل في مراحله النهائية، مع توقع زيادة كبيرة في حجم الإجراءات السنوية بحلول عام 2040 و2060. على الرغم من نجاحها العام، تظل نسبة ملحوظة من المرضى غير راضية بعد الجراحة، مما يبرز الحاجة إلى تحسين مراقبة أداء الزرعات ونتائج المرضى. تقتصر طرق المراقبة الحالية على التقييمات السريرية غير المتكررة، التي تفشل في التقاط البيانات في الوقت الحقيقي حول المعايير الحيوية مثل تحميل المفاصل، والحركيات، والمضاعفات المحتملة.
لمعالجة هذه القيود، تقدم الورقة مفهوم الأطراف الصناعية “الذكية” المدمجة بأجهزة استشعار التي تتيح المراقبة المستمرة لوظيفة المفصل وعلم الأحياء المحيط بالزرعة من خلال تقنية الاتصالات اللاسلكية. تهدف هذه الأجهزة إلى تسهيل الكشف المبكر عن المضاعفات ودعم إعادة التأهيل الشخصية من خلال توفير تدفقات بيانات ديناميكية يمكن أن تُعلم اتخاذ القرار السريري. توضح المراجعة تطور الزرعات الذكية، وتناقش التقنيات الممكنة والتطبيقات السريرية، وتحدد التحديات التي يجب التغلب عليها من أجل التنفيذ الأوسع. في النهاية، يفترض المؤلفون أن هذه الابتكارات يمكن أن تحول الرعاية بعد الجراحة من خلال تمكين تصنيف الفينوتيب العظمي وتعزيز نتائج المرضى من خلال المراقبة المستمرة والموضوعية.
نقاش
تقدم تطورات الأطراف الصناعية الذكية تقدمًا كبيرًا منذ المحاولات الأولية في الستينيات لقياس أحمال المفاصل والحركيات داخل الجسم. واجهت الجهود المبكرة قيودًا تكنولوجية، خاصة في سعة البطارية وتقنية الاتصالات، مما قيد الدقة والموثوقية. ومع ذلك، أثبتت هذه الدراسات الرائدة إمكانية الزرعات المجهزة بالأجهزة لقياس القوى داخل المفصل والحركيات أثناء الأنشطة الوظيفية. حدثت تقدمات ملحوظة في أواخر التسعينيات وأوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، مع إدخال زراعة الركبة والورك باستخدام أجهزة قياس الإجهاد وأجهزة استشعار أخرى لالتقاط قوى وحركات المفصل. قدمت هذه التطورات رؤى حيوية حول أنماط تحميل المفاصل وأعطت معلومات حول تقنيات الجراحة وتصميم الزرعات، على الرغم من أنها ظلت في الغالب تجريبية ومقتصرة على مجموعات صغيرة من المرضى.
بحلول العقد 2020، تحول التركيز نحو دمج تقنيات الاستشعار المتقدمة، بما في ذلك وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs)، وأجهزة الاستشعار الحرارية، وأجهزة الاستشعار الكيميائية الحيوية، في الأطراف الصناعية الذكية. كانت تهدف هذه الابتكارات إلى تعزيز القدرات التشخيصية، مثل مراقبة مستويات النشاط، واكتشاف العدوى، وتقييم صحة المفصل. على الرغم من وعد هذه التقنيات، لا تزال هناك تحديات تتعلق بالموثوقية على المدى الطويل، واستقرار المعايرة، والحاجة إلى استراتيجيات تعويض الانجراف القوية. تعكس الانتقال من أدوات البحث عالية الدقة إلى الأجهزة القابلة للنشر سريريًا فلسفة هندسية أوسع تركز على العملية وقابلية التوسع، كما يتضح من الأنظمة المتاحة تجاريًا مثل زراعة الركبة الذكية Persona IQ®. بشكل عام، بينما تم إحراز تقدم كبير، لا تزال الرحلة نحو الأطراف الصناعية الذكية المتكاملة والموثوقة مستمرة، مما يتطلب بحثًا وتحققًا مستمرين في مجموعات مرضى متنوعة.
القيود
تسلط القيود في هذه المراجعة الضوء على عدة مجالات حاسمة تستحق الاعتبار. أولاً، يعني التقدم السريع في تكنولوجيا الزرعات الذكية أن بعض التطورات الحديثة أو الابتكارات غير المنشورة قد لا تكون مدرجة. تركز المراجعة بشكل أساسي على زراعة الركبة والورك، مع فحص سطحي فقط للزرعات الذكية في مناطق تشريحية أخرى، مثل الكتف والعمود الفقري. قد يحد هذا التركيز الضيق من شمولية النتائج.
علاوة على ذلك، باعتبارها مراجعة سردية بدلاً من نظامية، قد يؤدي اختيار المقالات إلى إدخال تحيز، على الرغم من الجهود المبذولة لدمج الدراسات التمثيلية. تتطلب الطبيعة متعددة التخصصات للموضوع أيضًا مناقشة انتقائية بدلاً من شاملة للقضايا التنظيمية والاقتصادية والأخلاقية، مما يشير إلى الحاجة إلى استكشاف أعمق. بينما تؤكد المراجعة على الدراسات السريرية الرئيسية والتقدم التكنولوجي، فإنها لا تشارك في تقييم منهجي أو تحليل تلوي. أخيرًا، تظل الفعالية في العالم الحقيقي والنتائج طويلة الأجل للزرعات الذكية غير موصوفة بشكل كافٍ، مما يشير إلى أن المراجعات النظامية المستقبلية أو التجارب السريرية العشوائية ضرورية لتحديد فوائدها السريرية وفعاليتها من حيث التكلفة بشكل قاطع.
DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2025.1721499
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41704935
Publication Date: 2026-02-02
Author(s): Xiang-Dong Wu et al.
Primary Topic: Total Knee Arthroplasty Outcomes
Overview
The section discusses the advancements in total joint arthroplasty, highlighting that while these procedures significantly alleviate pain and enhance function for patients with end-stage joint disease, a notable percentage of recipients remain dissatisfied post-surgery. Specifically, dissatisfaction rates are approximately 10% for hip and 20% for knee implants, with about 20% of implants requiring revision within 25 years, primarily due to issues like aseptic loosening and infections. Traditional postoperative monitoring methods, which rely on sporadic clinic visits and imaging, fail to provide comprehensive insights into implant performance during daily activities.
To bridge this gap, the review focuses on the development of fully implantable smart prostheses equipped with sensors and wireless telemetry, enabling real-time monitoring of in vivo conditions. These smart implants can objectively capture critical parameters such as joint loads, range of motion, gait metrics, and temperature, facilitating dynamic orthopedic phenotyping and enhancing the understanding of recovery trajectories and complications. The conclusion emphasizes the promising future of these technologies, contingent upon rigorous clinical validation and integration with artificial intelligence-enabled clinical decision-support systems. If successful, smart implants could transform orthopedic care from reactive to proactive, improving patient outcomes and implant longevity through personalized, data-driven approaches.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the increasing prevalence and success of total hip arthroplasty (THA) and total knee arthroplasty (TKA) as effective surgical interventions for end-stage arthritis, with annual procedure volumes projected to rise significantly by 2040 and 2060. Despite their overall success, a notable percentage of patients remain dissatisfied post-surgery, highlighting the need for improved monitoring of implant performance and patient outcomes. Current surveillance methods are limited to infrequent clinical assessments, which fail to capture real-time data on critical parameters such as joint loading, kinematics, and potential complications.
To address these limitations, the paper introduces the concept of sensor-integrated “smart” prostheses that enable continuous monitoring of joint function and peri-implant biology through wireless telemetry. These devices aim to facilitate early detection of complications and support personalized rehabilitation by providing dynamic data streams that can inform clinical decision-making. The review outlines the evolution of smart joint implants, discusses enabling technologies and clinical applications, and identifies challenges that must be overcome for broader implementation. Ultimately, the authors hypothesize that these innovations can transform postoperative care by enabling orthopedic phenotyping and enhancing patient outcomes through continuous, objective monitoring.
Discussion
The evolution of smart joint prostheses has progressed significantly since the initial attempts in the 1960s to measure in vivo joint loads and kinematics. Early efforts faced technological limitations, particularly in battery capacity and telemetry, which restricted accuracy and reliability. However, these pioneering studies established the feasibility of instrumented implants for measuring intra-articular forces and kinematics during functional activities. Notable advancements occurred in the late 1990s and early 2000s, with the introduction of telemetric knee and hip implants that utilized strain gauges and other sensors to capture joint forces and movements. These developments provided critical insights into joint loading patterns and informed surgical techniques and implant designs, although they remained largely experimental and confined to small patient cohorts.
By the 2020s, the focus shifted towards integrating advanced sensing technologies, including inertial measurement units (IMUs), thermal sensors, and biochemical sensors, into smart prostheses. These innovations aimed to enhance diagnostic capabilities, such as monitoring activity levels, detecting infections, and assessing joint health. Despite the promise of these technologies, challenges remain regarding long-term reliability, calibration stability, and the need for robust drift-compensation strategies. The transition from high-fidelity research tools to clinically deployable devices reflects a broader engineering philosophy that emphasizes practicality and scalability, as exemplified by commercially available systems like the Persona IQ® smart knee. Overall, while significant strides have been made, the journey towards fully integrated, reliable smart joint prostheses continues, necessitating ongoing research and validation in diverse patient populations.
Limitations
The limitations of this review highlight several critical areas that warrant consideration. Firstly, the rapid advancement of smart implant technology means that some recent developments or unpublished innovations may not be included. The review primarily concentrates on knee and hip implants, with only a cursory examination of smart implants in other anatomical regions, such as the shoulder and spine. This narrow focus may limit the comprehensiveness of the findings.
Moreover, as a narrative review rather than a systematic one, the selection of articles may introduce bias, despite efforts to incorporate representative studies. The multidisciplinary nature of the topic also necessitates a selective rather than exhaustive discussion of regulatory, economic, and ethical issues, indicating a need for further in-depth exploration. While the review emphasizes key clinical studies and technological advancements, it does not engage in systematic evaluation or meta-analysis. Lastly, the real-world effectiveness and long-term outcomes of smart implants remain inadequately characterized, suggesting that future systematic reviews or randomized controlled trials are essential to conclusively determine their clinical benefits and cost-effectiveness.