関節鏡検査中の軟組織の機械的特性を定量的に測定する探査装置
2020年5月1日
関節鏡検査手術中のプローブは、通常、軟部組織の状態を評価するために行われますが、このアプローチは常に主観的で定性的でした。このレポートは、関節鏡検査中に三軸力センサを用いて軟部組織の抵抗を定量的に測定できる探査装置について説明する。
この装置の主な利点は、我々は定量的に軟組織の抵抗を測定することができるということです。装置は従来のプローブの形状に密接に適合し、ニュートンの既知の単位の連続したパラメータおよび正しいデータを使用する。プールの調査によるアセバタブルラブラムの抵抗力のすべての測定。
まず、左骨盤と大腿骨、股関節の主要な筋肉、アセバトラム、股関節カプセル、および股関節の関節軟骨からなる幻の股関節を標準固定装置に固定します。固定デバイスの接続部分のロックを解除します。次に、大腿骨をわずかに折り上げ、骨盤から遠ざけ、股関節鏡検査を模倣する関節空間を生成します。
関節鏡を準備するには、ポータブル関節鏡検査カメラ光源を4ミリメートル70度オートクレーブ可能な直接視錐形鏡に接続し、関節鏡検査カメラと光源からのUSBケーブルをコンピュータに接続します。次に、関節鏡検査ビュー用の高度な画面記録ソフトウェアを開きます。最初のポータルを生成するには、カニュード針とガイドワイヤーを股関節に挿入します。
大きなトロシャンターの先端から、通常の前部ポータルを作ります。ガイドワイヤーに沿ってオブチュレータ付きの5.5ミリメートルカニューレを挿入します。次に、眼球を取り外し、カニューレに沿って70度の関節鏡とカメラを挿入し、ラブラムと大腿骨頭の間のキャップラ三角形をこのポータルからのビューで観察し、修正された前門として2番目のポータルを作成できることを確認しました。
前門が生成されたら、関節鏡を前横ポータルに保持します。ガイドワイヤーに沿ってオブチュレータ付き4.5ミリメートルカニューレを挿入します。オブチュレータを取り外し、前門から関節鏡を挿入します。
前門門の周りにペリポータルカプスロトミーを実行し、メス、内側および横に移動して、ヒップカプセル内の前門のためのより多くのスペースを生成し、関節鏡を前ポータルに配置します。カニューレが前眼ポータルで視覚化できるまで、関節鏡のカメラビューを回転させ、前眼ポータルから関節鏡を挿入します。次に、15ミリメートルの長さのポータル間カプチュミクスを実行し、2つのポータルを約10時から2時までlabramから5ミリメートル接続します。
プローブ装置をセットアップするには、電源装置とコンピュータをUSBケーブルで接続し、電源装置の電源をオンにします。プローブデバイス用のソフトウェアを開き、ひずみゲージセンサーのキャリブレーション中に事前に計算されるマトリックスデータを入力します。測定の直前に、測定力値をゼロにリセットし、プローブ装置の記録システムに接続されたフットスイッチの機能を確認します。
インタクトなラブラムの抵抗を測定するには、関節鏡を前門から前部ポータルに切り替えます。切り替えスティックを挿入し、カニューレを取り外し、別のカニューレを挿入します。最後に、前門を通してプローブ装置を股関節に挿入し、デバイスの先端がアセスタブルラブラムの内側の下に置かれる。
常にプローブする前に、デバイスのこのライディングの側面が動作することを確認し、その後、力抵抗値を得るために、フットペダルを押しながら、関節の方向にプローブデバイスの先端を引き込みます。模擬軟骨サンプルの力の反応を測定するために、15 x 3ミリメートルの模擬軟骨板をプッシュプローブの側に向かって小さなストッパーを備えたベースプレートに置き、デバイスの先端が水平線に30度傾いて模擬軟骨サンプルの表面にほぼ接触するように探査装置の位置と向きを固定する。設定をゼロにした後、足のペダルを3回押して、モック軟骨サンプルのプローブデバイスの先端を押して引っ張ります。
すべてのサンプルの抵抗力を測定した場合、従来の伸縮装置を使用して、サンプルの従来の弾性率と剛性を測定します。この代表的な分析では、3つのステップのアセバタブルラブラムに対するYおよびZの力の最高平均結果は、無傷のラブラムで4.4ニュートン、カットラブラムで1.6ニュートン、修復ラブラムで4.6ニュートンであった。また、プローブセンサ力と弾性率との間に有意な正の相関が得られた。
プローブ中に腕の位置を維持するように注意してください、特にこのプローブ先端の乗り物として柔らかい組織を押したり引っ張ったりすると、データの精度に影響を与える可能性があります。今後の研究では、人工知能は、軟組織の状態を特定し、定量的パラメータを取得するのに有用なツールとなる可能性があります。
概要
本研究では、関節鏡手術中の軟組織の抵抗を定量的に測定するために設計された、新しいプローブデバイスを提案します。このデバイスは、3軸力センサを利用することで客観的なデータを提供し、軟組織の状態評価を向上させることを目的としています。
研究の主要構成要素
科学分野
- 関節鏡検査
- バイオメカニクス
- 軟部組織評価
背景
- 関節鏡視下における従来のプロービング法は、主観的かつ定性的なものである。
- 正確な診断には、軟部組織の抵抗値を定量的に測定することが不可欠である。
- 本デバイスは、従来のプローブの操作性を再現しつつ、客観的なデータを提供する。
- 軟部組織の特性を把握することで、手術成績の向上が期待できる。
研究目的
- 軟組織の抵抗を定量的に測定するデバイスを開発すること。
- 関節鏡視下手術における評価の精度を向上させること。
- プローブセンサーの力と組織特性との相関関係を確立すること。
使用した手法
- 試験用股関節ファントムモデルのセットアップ。
- ポータブル関節鏡カメラおよび光源の使用。
- ひずみゲージセンサを用いたプロービングデバイスの校正。
- 乙状関節唇および模擬軟骨試料における抵抗力の測定。
主な結果
- 測定された抵抗力：4.4 Newtons（正常な関節唇）、1.6 Newtons（切断関節唇）、4.6 Newtons（修復関節唇）。
- プローブセンサーの力と弾性率との間に有意な正の相関が認められた。
- デバイスの精度は、プローブチップの配置によって影響を受ける。
- 今後の研究では、組織状態の評価を向上させるためにAIを導入する可能性がある。
結論
- このプロービングデバイスは、軟組織の定量的な評価を行うための信頼性の高い手法を提供します。
- 結果は、外科的な意思決定を改善できる可能性を示しています。
- デバイスの改良およびAI応用の探索に向けたさらなる研究が必要です。
よくある質問
産業界における重要性
軟組織の機械的特性を定量的に評価することは、現在の手法が外科医の主観的なフィードバックに依存している関節鏡視下評価における重要な課題を解決します。このプロービングデバイスは、客観的な力ベースの測定を可能にし、再現性のあるバイオメカニクス的な読み取り値を提供することで、前臨床の関節疾患モデルにおけるターゲット検証を向上させることができます。このようなデータは、軟骨修復、関節唇病変、または軟組織治療に焦点を当てた早期創薬プログラムにおいて、メカニズムの低リスク化と予測の信頼性を裏付けるものとなります。
バイオファーマR&Dにおける戦略的応用
初期段階の発見およびターゲットバリデーション
- 科学的価値：疾患または傷害モデルにおける組織抵抗の変化を定量化することで、治療仮説の検証を可能にします。
- 運用的価値：ニュートン（N）単位で標準化および再現可能な力の測定を提供し、一貫したターゲットエンゲージメントの評価を実現します。
- 予測的価値：センサーによる測定力と弾性率を相関させることでポートフォリオの優先順位付けを支援し、組織の完全性と整合したバイオマーカーによる読み取りを提供します。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 科学的価値： 基線となる機械的表現型を確立することで、下流の化合物スクリーニングに向けた検証済み生物学的システム（例：寛骨臼唇、擬似軟骨）を調製する。
- 運用的価値： 3軸力センシングを通じてアッセイの標準化と定量的出力を確保し、化合物効果の評価におけるばらつきを低減する。
- 拡張性： デバイスが従来のプローブ形状に準拠しているため、大幅な再トレーニングを行うことなく、既存の関節鏡ベースのワークフローへの統合が可能である。
トランスレーショナル・前臨床研究
- トランスレーショナルな連続性：関節鏡下条件下で疾患に関連する関節組織の機械的特性を測定することにより、発見から前臨床検証までの橋渡しを行います。
- リスク調整済みの前進：定量的フォースデータにより、健全な組織、損傷した組織、および修復された組織の状態を区別し、go/no-go判断の根拠を提供します。
- メカニズム面でのリスク低減：機械的な読み取り値と組織の状態を関連付けることで、ターゲットバリデーションにおける曖昧さを排除し、適応症の選択を支援します。
パイプラインおよびワークフローの統合
本デバイスは、標的バリデーションから前臨床評価に至る創薬プロセスに適合し、特に機械的機能が病理および治療反応の重要な決定要因となる筋骨格系および軟部組織の治療領域において有用です。
- 探索生物学：遺伝学的、薬理学的、または損傷モデル間での組織抵抗の定量的比較を可能にすることで、仮説検証およびパスウェイの解明を支援します。
- スクリーニング：再現性のある定量的な力出力により、化合物によって誘発される組織の剛性や弾性の変化の検出を可能にし、アッセイの効率を高めます。
- 分析：多軸の力データ（X、Y、Z）を生成し、弾性率と相関させることで、用量反応または遺伝子型-表現型分析のための統計的出力を提供します。
- トランスレーショナルリサーチ：ヒトの関節環境を模倣したex vivoまたはファントムモデルにおいて組織特性を測定することで、前臨床段階における継続性を確保します。
- エンタープライズ再利用：変形性関節症、関節唇断裂、または軟骨再生を研究するプロジェクト全体で再利用可能な機能として動作し、冗長な手法開発を削減します。
運用および企業への影響
- 科学的価値：定性的な触覚フィードバックを客観的かつ定量化可能な抵抗測定に置き換えることで、予測の信頼性を向上させます。
- 運用上の価値：校正済みストレインゲージセンシングとゼロリセットプロトコルの導入により、標準化と再現性を改善します。
- 戦略的価値：メカニズムに関連した表現型スクリーニングを通じて生物学的活性化合物をより早期に特定することを可能にし、資本効率を高めます。
- ポートフォリオへの影響：組織の機械的完全性に関するトランスレーショナルなバイオマーカー整合データを提供することで、リスク調整後の優先順位付けを促進します。
実施上の注意点
- 正確な力測定を行うには、バイオメカニクス、関節鏡的手法、およびセンサ校正に関する専門知識が必要です。
- 3軸力センサ、USBデータ収集装置、およびフォースリセット用フットスイッチ機能を含む計測機器に依存します。
- データの比較可能性を確保するため、プローブの挿入角度、速度、および組織接触プロトコルのチーム間での標準化が必要です。
- モデルシステム間で適応させる際は、プローブチップの乗り上がりアーチファクトを避けるため、組織の厚さ、形状、および固定の安定性を考慮しなければなりません。
- 実用上の制限：測定精度はアームの位置とプローブチップのダイナミクスに影響され、特に軟組織に対するプッシュプルサイクル時に顕著となります。
バイオファーマに関するよくある質問
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
