一种用于关节镜手术中定量测量软组织力学特性的探针装置
2020年5月1日
关节镜手术中的探查通常用于评估软组织的状况，但这种方法一直具有主观性和定性特点。本报告介绍了一种探查装置，可在关节镜手术期间利用三轴力传感器对软组织的阻力进行定量测量。
该设备的主要优势在于，它能够以定量的方式测量软组织的阻力。该设备与常规探针的形状高度贴合，采用连续参数，并以已知单位牛顿（Newtons）提供准确的数据。所有对髋臼盂唇阻力的测量均通过池式探针完成。
首先将一个包含左侧骨盆和股骨、髋部主要肌肉、髋臼唇、髋关节囊以及髋关节关节软骨的髋关节模型固定在标准固定装置上。解锁固定装置的连接部分，然后将股骨轻微外展并内旋，使其与骨盆分离，从而形成关节间隙，以模拟髋关节镜手术的操作环境。
准备关节镜时，将便携式关节镜摄像光源连接至一个四毫米、70度、可高压灭菌的直视关节镜，并将关节镜摄像系统和光源的USB线缆连接至计算机。随后打开用于关节镜视野的高级屏幕录制软件。为建立第一个入路通道，将带套管针和导丝插入髋关节内。
从大转子尖端处建立一个标准的前外侧入路。沿导丝插入带有闭孔器的5.5毫米套管。随后取出闭孔器，再沿套管插入70度关节镜及摄像头，确认从此入路可观察到盂唇与股骨头之间的关节囊三角区，并由此建立第二个入路，即改良前入路。
当前方入路建立后，将关节镜保留在前外侧入路中。沿导丝插入带有针芯的4.5毫米套管。取出针芯，然后从前方入路插入关节镜手术刀。
在前侧入路周围进行经门静脉囊切开术，将手术刀向内侧和外侧移动，以在髋关节囊内为前侧入路创造更多空间，并将关节镜置入前侧入路。旋转关节镜的摄像头视角，直至可在前外侧入路处观察到套管，然后从前外侧入路插入关节镜手术刀。接着，在距离盂唇约5毫米处，从大约10点钟位置到2点钟位置，进行横向的、长约15毫米的门户间囊切开术，连接两个入路。
设置探针设备时，使用USB线缆将电源单元与计算机连接，并打开电源。启动探针设备的配套软件，输入在应变计传感器校准过程中预先计算好的矩阵数据。在开始测量前，立即将测力值归零，并检查连接至探针设备记录系统的脚踏开关的功能是否正常。
为测量完整盂唇的阻力，将关节镜从前方入路转换至前外侧入路。插入转换棒，取出套管，再插入另一个套管。最后，将探查装置经前方入路插入髋关节，直至装置尖端位于髋臼盂唇内侧下方。
务必在探测前始终确认该设备的骑行部分工作正常。然后在按压脚踏板以获取阻力值的同时，将探测装置的尖端朝关节方向回缩。为测量模拟软骨样品的受力反应，将一块新制备的15 × 20 × 3毫米模拟软骨板放置在基板上，基板侧面靠近推探测方向处设有微小限位器，并固定探测装置的位置和方向，使装置尖端以与水平线呈30度倾斜的角度几乎接触模拟软骨样品的表面。完成零点校准后，按压脚踏板三次，使探测装置的尖端在模拟软骨样品上进行推拉操作。
当所有样本的抗力测量完成后，使用传统的压痕装置测量样本的常规弹性模量和刚度。在此代表性分析中，髋臼唇在三个步骤中 Y 和 Z 方向上的平均最大作用力分别为：完整唇组织 4.4 牛顿，切开唇组织 1.6 牛顿，修复后唇组织 4.6 牛顿。此外，探针传感器作用力与弹性模量之间存在显著的正相关关系。
探查时请注意保持手臂位置稳定，尤其是在推拉较软组织时，探头尖端的滑动可能影响数据的准确性。在未来的研究中，人工智能可能成为识别软组织状况以及获取定量参数的有用工具。
概述
本研究介绍了一种新型探针装置，旨在通过关节镜手术期间对软组织阻力进行定量测量。该装置利用三轴力传感器，力求提供客观数据，以增强对软组织状态的评估。
关键研究组成部分
科学领域
- 关节镜检查
- 生物力学
- 软组织评估
背景
- 传统的关节镜探查方法具有主观性和定性特点。
- 软组织阻力的定量测量对于准确诊断至关重要。
- 该设备模拟常规探针，同时提供客观数据。
- 了解软组织特性可改善手术效果。
研究目的
- 开发一种可定量测量软组织阻力的装置。
- 提高关节镜检查过程中评估的准确性。
- 建立探针传感器受力与组织特性之间的相关性。
使用的方法
- 用于测试的髋关节模型设置。
- 便携式关节镜摄像头及光源的使用。
- 使用应变仪传感器对探针装置进行校准。
- 对髋臼唇及模拟软骨样本的阻力进行测量。
主要结果
- 测得的阻力：完整盂唇为 4.4 牛顿，切开盂唇为 1.6 牛顿，修复盂唇为 4.6 牛顿。
- 探针传感器受力与弹性模量之间存在显著正相关关系。
- 探针尖端的位置会影响设备的测量精度。
- 未来的研究可结合人工智能以增强对组织状态的评估能力。
结论
- 该探测装置为软组织的定量评估提供了一种可靠的方法。
- 研究结果表明，该装置在提升外科手术决策能力方面具有潜力。
- 仍需进一步研究以优化该装置，并探索其在人工智能领域的应用。
常见问题
行业重要性概述
对软组织力学特性的定量评估解决了关节镜检查中的一个关键空白，目前的方法依赖于外科医生的主观反馈。该探针装置能够实现基于力的客观测量，通过提供可重复的生物力学读数，提高临床前关节疾病模型中的靶点验证能力。此类数据有助于在专注于软骨修复、盂唇病变或软组织治疗的早期发现项目中进行机制性风险降低和提升预测可信度。
生物制药研发中的策略性应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过量化疾病或损伤模型中组织阻力的变化，实现对治疗假设的验证。
- 操作价值：提供以牛顿为单位的标准、可重复的力测量结果，用于一致的靶点作用评估。
- 预测价值：通过传感器受力与弹性模量的相关性，支持项目组合的优先级筛选，为组织完整性提供与生物标志物一致的读数。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：通过建立基线力学表型，制备经过验证的生物系统（例如髋臼盂唇、模拟软骨），用于后续化合物筛选。
- 操作价值：通过三轴力传感确保检测标准化和定量输出，降低化合物效应评估中的变异性。
- 可扩展性：该设备符合常规探针几何结构，可无缝整合到现有的基于关节镜的工作流程中，无需大量重新培训。
转化与临床前研究
- 转化连续性：通过在关节镜条件下测量与疾病相关的关节组织的力学特性，连接发现阶段与临床前验证。
- 风险调整型推进：通过区分完整、受损和修复后的组织状态，定量的力数据为决策提供依据，支持推进或终止项目的判断。
- 机制性风险降低：通过将力学读数与组织状态关联，减少靶点验证中的不确定性，支持适应症的选择。
流程与工作流整合
该设备适用于从靶点验证到临床前评估的整个发现过程，特别适用于机械功能作为病理和治疗反应关键决定因素的肌肉骨骼及软组织治疗领域。
- 发现生物学：通过实现对遗传、药理或损伤模型中组织抗力的定量比较，支持假设验证和通路阐明。
- 筛选：通过可重复的定量力输出，增强检测就绪性，从而能够检测化合物诱导的组织硬度或弹性变化。
- 分析：生成多轴力数据（X、Y、Z），并与弹性模量相关联，为剂量-反应或基因型-表型分析提供统计输出。
- 转化研究：通过测量模拟人类关节环境的离体或仿体模型中的组织特性，实现与临床前研究的衔接。
- 企业级复用：可在研究骨关节炎、盂唇撕裂或软骨再生的多个项目中重复使用，减少重复的方法开发。
运营与企业影响
- 科学价值：通过用客观、可量化的阻力测量替代定性的触觉反馈，提高预测置信度。
- 操作价值：借助校准的应变仪传感和归零重置协议，提升实验标准化与可重复性。
- 战略价值：通过机制相关的表型筛选，实现对生物活性化合物的早期识别，从而提升资本使用效率。
- 项目组合影响：提供与转化生物标志物相一致的组织力学完整性数据，助力基于风险调整的优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备生物力学、关节镜技术以及传感器校准方面的专业知识，以实现准确的力测量。
- 依赖于仪器设备，包括三轴力传感器、USB 数据采集系统以及力重置脚踏开关功能。
- 需要跨团队对探针角度、推进速度和组织接触操作流程进行标准化，以确保数据的可比性。
- 在不同模型系统间的应用必须考虑组织厚度、几何结构和固定稳定性，以避免探针尖端滑移伪影。
- 实际局限性：测量精度受机械臂位置和探针尖端动力学特性的影响，特别是在软组织上进行推拉循环时尤为显著。
生物制药常见问题
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:30
Phantom Hip and Arthroscope Setup
1:27
Portal Preparation
3:01
Probing Device Setup
3:33
Acetabular Labrum Resistance Force Measurement
4:15
Mock Cartilage Sample Force Reaction Measurement
5:03
Results: Representative Quantitative Soft Tissue Mechanical Property Measurement
5:33
Conclusion
