Method Article

Urządzenie pomiarowe do ilościowego pomiaru właściwości mechanicznych tkanek miękkich podczas artroskopii

DOI:

10.3791/60722

⸱

May 1st, 2020

1Medical Engineering Laboratory, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Osaka Sangyo University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sondowanie podczas operacji artroskopii jest zwykle wykonywane w celu oceny stanu tkanek miękkich, ale to podejście zawsze było subiektywne i jakościowe. W niniejszym raporcie opisano urządzenie pomiarowe, które może mierzyć ilościowo opór tkanek miękkich za pomocą trójosiowego czujnika siły podczas artroskopii.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sondowanie w chirurgii artroskopowej odbywa się poprzez ciągnięcie lub popychanie tkanki miękkiej, co dostarcza informacji zwrotnej dla zrozumienia stanu tkanki miękkiej. Jednak wynik jest tylko jakościowy i oparty na "odczuciu chirurga". W niniejszym artykule opisano urządzenie pomiarowe opracowane w celu rozwiązania tego problemu poprzez ilościowy pomiar oporu tkanek miękkich za pomocą trójosiowego czujnika siły. W obu warunkach (tj. sondowanie ciągnięcia i pchania niektórych tkanek naśladujących obrąbek stawowy i chrząstkę) to urządzenie pomiarowe okazuje się przydatne do pomiaru niektórych właściwości mechanicznych stawów podczas artroskopii.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Proces sondowania, który ciągnie (lub zaczepia) lub popycha tkanki miękkie w stawach za pomocą metalowej sondy, pozwala na ocenę stanu tkanek miękkich podczas operacji artroskopowej1,2. Jednak ocena sondowania jest bardzo subiektywna i jakościowa (tj. odczucie chirurga).

Na podstawie tego kontekstu, jeśli opór tkanki miękkiej (np. torebki lub obrąbka w stawie biodrowym, łąkotki lub więzadła w stawie kolanowym) podczas ciągnięcia mógłby być mierzony ilościowo, mogłoby być użyteczne dla chirurgów do oceny konieczności naprawy tkanki miękkiej i wskazania, czy dodatkowa interwencja chirurgiczna jest konieczna, nawet po zakończeniu podstawowej naprawy3, 4,5. Ponadto należy ustalić kryteria dla kluczowych zmiennych ilościowych wskazujących na konieczną interwencję chirurgiczną dla chirurgów. Dodatkowo, w przeciwnym kierunku, pchanie sondy może być wykorzystywane do oceny właściwości mechanicznych tkanek chrząstki stawowej. W dziedzinach inżynierii tkankowej i medycyny regeneracyjnej, takich jak wymiana uszkodzonych, zwyrodniałych lub chorych tkanek chrzęstnych, ocena in situ sondowania push-probing może mieć kluczowe znaczenie2,6.

Ten artykuł informuje o rozwoju urządzenia do sondowania z trójosiowym czujnikiem siły6, które może mierzyć ilościowo opór tkanek miękkich podczas artroskopii. To urządzenie pomiarowe składa się z elementu sondy o rozmiarze połowy długości (200 mm) normalnej sondy artroskopowej oraz elementu uchwytowego, w którym osadzony jest czujnik tensometryczny do pomiaru siły wypadkowej trzech osi na końcu sondy (Rysunek 1). Czujnik tensometryczny został wykonany specjalnie do sondowania. Tensometr jest osadzony w górnej części elementu uchwytu, który łączy się z elementem sondy. Rozdzielczość tego urządzenia pomiarowego wynosi 0,005 N. Precyzja i dokładność zostały również zmierzone za pomocą skomercjalizowanego odważnika o znanej masie (50 g). Precyzja wynosiła 0,013 N, a dokładność 0,0035 N.

Ponadto, zaimplementowano przesuwany aspekt komponentu uchwytu, aby kontrolować odległość za pomocą palca wskazującego lub kciuka chirurga podczas ciągnięcia lub pchania sondy. Podczas procesu pomiaru oporu zmierzona wartość zależy zarówno od odległości ciągnięcia urządzenia pomiarowego, jak i od siły ciągnącej, dlatego odległość ciągnięcia urządzenia pomiarowego jest kontrolowana przez aspekt ślizgowy. Odległość ślizgu elementu uchwytu urządzenia pomiarowego została ustawiona na 3 mm dla następujących reprezentatywnych przypadków w tym badaniu.

Jak pokazano na Rysunek 1, siła oporu tkanek miękkich może być mierzona trójosiowo. Pierwsza siła występuje wzdłuż osi sondy. Drugi jest prostopadły do osi sondy wzdłuż kierunku haka sondy, a trzeci jest w kierunku poprzecznym. Pomiar sił odbywa się przy użyciu następującej metody ogólnej: Trójosiowy czujnik siły zawiera trzy mostki Wheatstone'a odpowiadające osiom x, y i z. Wartość rezystancji tensometru zmienia się w zależności od wielkości przyłożonego obciążenia, a napięcie punktu środkowego mostka zmienia się tak, że siłę można wykryć jako sygnał elektryczny. Zakres pomiarowy tego urządzenia wynosi 50 N w kierunku osi sondy i 10 N w dwóch pozostałych kierunkach.

Dedykowane oprogramowanie zostało opracowane dla tej sondy, w którym oprogramowanie pokazuje trzy siły w kierunkach x, y i z (x to kierunek poprzeczny, y to kierunek pionowy (kierunek haka), a z to oś sondy) mierzone przez urządzenie pomiarowe w czasie rzeczywistym z częstotliwością 50 Hz jako trzy oddzielne wykresy (Rysunek 2). Opcjonalnie do hydroizolacji można tutaj zastosować cienką elastyczną osłonę, zwykle używaną do śródoperacyjnego stosowania aparatów ultradźwiękowych.

To urządzenie sondujące pozwala na ocenę pewnych warunków tkanek miękkich. Ponadto to urządzenie pomiarowe może pozwolić na ocenę właściwości mechanicznych tkanek chrząstki stawowej. W tym celu siła reakcji działająca na powierzchnię chrząstki stawowej podczas przesuwania końcówki tego urządzenia pomiarowego do przodu po powierzchni może być skorelowana z właściwościami mechanicznymi chrząstki stawowej.

Celem tego badania jest przedstawienie, w jaki sposób można korzystać z urządzenia sondującego. Pierwszym z nich są pomiary mimicznego obrąbka panewki jako reprezentatywnej tkanki podczas sondowania za pomocą modelu fantomowego biodra. Badana jest różnica w oporze obrąbka panewki w trzech krokach chirurgicznych dla typowej naprawy obrąbka. Drugim są pomiary reprezentatywnej tkanki chrzęstnej mimicznej za pomocą sondowania push-probing. Zbadano również korelację między dwiema różnymi właściwościami mechanicznymi tkanki chrząstki mimicznej, mierzonymi za pomocą tego urządzenia sondującego, a klasycznym urządzeniem do wgłębień w celu walidacji nowej metody pomiaru właściwości mechanicznych chrząstki stawowej.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Protokół w niniejszym badaniu składa się głównie z następujących dwóch aspektów: 1) siły oporu obrąbka panewki z sondowaniem ciągnącym oraz 2) pomiaru siły reakcji na próbkę chrząstki mimicznej z sondowaniem push-probing.

1. Siła oporu obrąbka panewki z sondowaniem ciągnącym

  1. Przygotowanie fantomowe do pomiarów z sondą ciągnącą
    1. Zamocuj biodro fantomowe, które składa się z lewej miednicy i kości udowej, głównych mięśni biodra, obrąbka panewkowego, torebki biodrowej i chrząstki stawowej stawu biodrowego na standardowym urządzeniu do stabilizacji5.
    2. Odwodzić i lekko obracać wewnętrznie kość udową, aby oddalić ją od miednicy, generując przestrzeń stawową naśladującą artroskopię stawu biodrowego.
  2. Przygotowanie kamery do artroskopii
    1. Przygotuj autoklawowalny artroskop 4 mm 70° z bezpośrednim widokiem i podłącz przenośną kamerę do artroskopii. Podłącz przenośne źródło światła kamery artroskopii do artroskopu do artroskopu 70°. Podłącz USB z kamery artroskopii i źródła światła do komputera. Następnie otwórz zaawansowane oprogramowanie do nagrywania ekranu dla widoku artroskopii na komputerze.
  3. Przygotowanie portali
    UWAGA: Po przygotowaniu stosuje się standardową konwencjonalną metodę artroskopii stawu biodrowego7.
    1. Włóż kaniulowaną igłę i drut prowadowy do stawu biodrowego od czubka krętarza większego, aby uzyskać normalny przednio-boczny portal.
    2. Wprowadzić kaniulę 5,5 mm z zasłoną wzdłuż linii drutu doprowadzającego. Następnie wyjmij zasłonę i włóż artroskop 70° z przenośną kamerą artroskopową wzdłuż kaniuli, tworząc w ten sposób pierwszy portal.
    3. Sprawdź, czy trójkąt torebkowy między obrąbkiem a głową kości udowej 7 jest widoczny w widoku z tego portalu. Następnie utwórz drugi portal jako zmodyfikowany portal przedni7.
  4. Kapsulotomia, otwarcie torebki biodrowej
    1. Po wygenerowaniu wrotu przedniego należy zatrzymać artroskop w portalu przednio-bocznym. Wprowadzić kaniulę 4,5 mm z zasłoną wzdłuż drutu doprowadzającego, wyjąć zasłonę, a następnie wprowadzić skalpel artroskopowy z przedniego wrotnika. Wykonaj kapsulotomię okołowrotną wokół wrotnika przedniego, przesuwając skalpel przyśrodkowo i bocznie, aby wygenerować więcej miejsca na przedni portal w torebce biodrowej.
    2. Umieść artroskop w przednim wjeździe. Obróć kamerę view artroskopu, aż zobaczysz kaniulę na przednio-bocznym portalu. Włóż artroskopowy skalpel z portalu przednio-bocznego. Wykonaj kapsulotomię poprzeczną międzyportalową, która łączy się między dwoma portalami od około godziny 10 do godziny 2. Następnie należy opuścić tę kapsulotomię w odległości 5 mm od obrąbka o długości około 15 mm.
  5. Konfiguracja urządzenia pomiarowego
    1. Potwierdź połączenie między zasilaczem a komputerem za pomocą USB. Włączyć zasilacz. Otwórz oprogramowanie urządzenia pomiarowego, które jest opisane we Wprowadzeniu.
    2. Wprowadź dane matrycy po raz pierwszy, które są wstępnie obliczane podczas kalibracji czujnika tensometrycznego. Ponownie skalibruj, jeśli zmierzona wartość nie jest taka sama jak domyślna wartość masy po umieszczeniu na końcówce sondy.
    3. Zresetuj wartość siły pomiarowej do zera bezpośrednio przed każdym pomiarem. Dodatkowo sprawdź, czy przełącznik nożny połączony z systemem rejestracji urządzenia pomiarowego działa prawidłowo.
  6. Pomiar oporu obrąbka panewki stawu biodrowego podczas sondowania ciągnącego
    1. Umieść artroskop w portalu przednio-bocznym. Włóż sondę z przedniego portalu i wejdź głębiej w staw biodrowy, aż końcówka urządzenia znajdzie się poniżej wewnętrznej strony obrąbka panewki.
    2. Wyzeruj ustawienie jak powyżej. Wyciągnij końcówkę sondy w kierunku stawu (jest to pierwszy krok chirurgiczny, ponieważ "obrąbek stawowy nienaruszony") (Rysunek 3).
    3. Wyjmij sondę z przedniego portalu, a następnie włóż skalpel artroskopowy do stawu. Następnie ostro odczepić obrąbek przednio-górny wzdłużnie (o 10 mm) od brzegu panewki za pomocą skalpela.
    4. Przełącz się ze skalpela na urządzenie pomiarowe w przedniej części. Zaczep obrąbek wzdłuż osi sondy w tej samej pozycji co obrąbek, aby zmierzyć siłę oporu obrąbka (jest to określane jako drugi krok, "cięcie obrąbka"). Ponownie pamiętaj, aby wyzerować ustawienie przed tym pomiarem.
    5. Włóż zestaw kotew do naprawy obrąbka do przedniego portalu. Umieść kotwicę na czubku zestawu kotwicy na kostnej krawędzi panewki. Włóż przyrząd do szycia do przedniego portalu po zdjęciu zestawu kotwicznego. Dokręcić obrąbek na krawędzi panewki. Powtórz tę procedurę naprawy jeszcze raz, aby wykonać drugi ścieg.
    6. Zmierz siłę oporu obrąbka, ponownie zaczepiając obrąbek wzdłuż osi sondy (jest to trzeci krok, "naprawa obrąbka"). Pamiętaj, aby naciskać pedał nożny podczas nagrywania każdego kroku chirurgicznego.

2. Pomiar siły reakcji na próbki chrząstki za pomocą sondowania push-probing

UWAGA: W drugim badaniu, pionowa siła oporu na każdej powierzchni chrząstki mimicznej została zmierzona (Rysunek 4A) z sondowaniem push na powierzchni chrząstki pod kątem 30° do linii poziomej i zidentyfikowana jako jeden z elementów właściwości mechanicznych chrząstki stawowej.

  1. Przygotowanie próbek do pomiarów za pomocą sondowania push-probing.
    1. Przygotuj próbki chrząstki. W obecnym badaniu wykorzystano pięć rodzajów próbek chrząstki mimicznej, które wykonano z hydrożeli z polialkoholu winylowego8.
    2. Zmień kształt próbek z rozmiaru masowego dostarczonych próbek na 15 mm x 20 mm x 3 mm jako mimiczną płytkę chrząstkową. Umieść każdą próbkę na płycie podstawy, która ma mały korek skierowany w stronę boku sondy wciskającej.
  2. Pomiar oporu chrząstki za pomocą sondy push-probing
    1. Przytrzymaj i ustal pozycję i orientację urządzenia pomiarowego, w którym końcówka urządzenia prawie dotyka powierzchni próbki chrząstki mimicznej, zachowując nachylenie o 30° do linii poziomej.
    2. Po wyzerowaniu ustawienia trzykrotnie naciśnij i pociągnij końcówkę sondy na próbce chrząstki mimicznej, naciskając pedał nożny.
    3. Powtórzyć ten etap pomiaru dla pięciu próbek po nałożeniu na każdą z płytek.
  3. Pomiar oporu chrząstki za pomocą klasycznego urządzenia do wgłębiania
    1. Zmierz konwencjonalny moduł sprężystości i sztywność każdej próbki za pomocą klasycznego urządzenia do wgłębiania (Rysunek 4B).
      UWAGA: Urządzenie dostosowane do klasycznego testu wgniecenia do pomiaru modułu sprężystości próbki chrząstki mimicznej w obecnym badaniu miało wgłębnik sferyczny z końcówką o średnicy 1 mm i siłownikiem elektromechanicznym (rozdzielczość 5 μm). Siłownik, wgłębnik i ogniwo obciążnikowe zostały zmontowane przy użyciu niestandardowych wsporników wydrukowanych w 3D za pomocą filamentów PLA na drukarce 3D (Rysunek 4B), aby działały jako konwencjonalny jednoosiowy system wgłębień. Każdą próbkę umieszczono na płytce podstawy urządzenia do wgłębiania. Punkt środkowy próbki był wyrównany z końcówką wgłębnika. Końcówka wgłębnika została doprowadzona do pierwszego kontaktu z próbką przy użyciu obciążenia wstępnego 0,02 N. Końcówka wgłębnika została następnie wciśnięta na 150 μm w powierzchnię chrząstki. Siła i przemieszczenie były rejestrowane podczas wgłębienia. Liniowa część krzywej siły wgłębienia-przemieszczenia została wykorzystana do obliczenia sztywności i modułu sprężystości, zgodnie z raportem Hayesa i wsp.24 przy użyciu grubości próbki. Dane za pomocą tego urządzenia nie zostały zweryfikowane, ale wartości mechaniczne próbek chrząstki za pomocą tego urządzenia zostały wcześniej potwierdzone; moduł sprężystości wynosił 0,46 MPa (0,27 MPa odchylenie standardowe (SD)), co jest zgodne z tym, które stwierdzono w kilku wcześniejszych badaniach literaturowych11,16,19.
    2. Obliczyć wartość współczynnika między maksymalną wartością pionowej siły reakcji z sondowaniem pchającym a modułem sprężystości za pomocą klasycznego urządzenia do wgłębiania.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Siła oporu obrąbka stawu biodrowego w trzech etapach chirurgicznych z sondowaniem ciągnącym
Pomiary rejestrowane przez to urządzenie pomiarowe na każdym kroku były powtarzane trzy razy. Wyniki pokazują, że najwyższe średnie siły wypadkowe y i z dla obrąbka panewki dla trzech etapów wynosiły 4,4 N (0,2 N SD) na nienaruszonym obrąbku, 1,6 N (0,1 N SD) na wyciętym obrąbku i 4,6 N (0,7 N SD) na naprawionym obrąbku (Rysunek 5). Siła poprzeczna wynosiła zaledwie 2,8% najwyższej siły wynikowej podczas sondowania nienaruszonego obrąbka.

Związek między dwoma różnie skalowanymi właściwościami mechanicznymi za pomocą urządzenia sondującego z sondą push-probing i klasycznym urządzeniem do wciskania
Wyniki wskazują na istotną dodatnią zależność między dwiema uzyskanymi właściwościami mechanicznymi: sondą sondującą a modułem sprężystości, r = 0,965 i p = 0,0044 (Rysunek 6); czujnik sondy w funkcji sztywności, r = 0,975 i p = 0,0021).

figure-results-1
Rysunek 1: Urządzenie pomiarowe użyte w obecnym badaniu (A) Przyrząd pomiarowy składa się z elementu sondy i elementu uchwytu z wbudowanym czujnikiem tensometrycznym, który może trójosiowo mierzyć siły na końcu sondy (jeden wzdłuż osi sondy, kropkowana żółta strzałka; pozostałe dwie prostopadłe do osi sondy, kropkowane białe strzałki) (B) Ponieważ element uchwytu ma element przesuwny, Element sondy i aspekt przesuwny można przesunąć do uchwytu za pomocą palca wskazującego, ciągła żółta strzałka. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 2: Widok oprogramowania urządzenia pomiarowego. Widok ten pokazuje trójosiowo mierzone w czasie rzeczywistym wartości siły oporu tkanek miękkich podczas sondowania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rycina 3: Reprezentatywny widok operacyjny monitora artroskopii podczas sondowania obrąbka panewki. Widok ten jest z typowego przednio-bocznego portalu. Przyrząd pomiarowy jest wprowadzany ze zmodyfikowanego dostępu przedniego. Sondowanie ciągnące odbywa się wzdłuż osi sondy (strzałka przerywana). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-4
Rycina 4: Dwa testy w różnych skalach właściwości mechanicznych tkanki chrząstki stawowej mimiki (A) Pomiar siły reakcji prostopadłej do powierzchni chrząstki podczas ręcznego przesuwania sondy (B) Klasyczny test wgniecenia (ściśnięty pionowo do powierzchni chrząstki) w celu zrozumienia zgodności między tymi dwoma testami właściwości mechanicznych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-5
Rysunek 5: Siły oporu obrąbka panewki stawu biodrowego z sondowaniem ciągnącym. Siły oporu obrąbka panewki z sondowaniem ciągnącym dla trzech etapów chirurgicznych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-6
Rysunek 6: Zależność między pionową siłą reakcji działającą na powierzchnię chrząstki a sondowaniem push i modułem sprężystości w klasycznym teście wgniecenia. Pionowa siła reakcji działająca na powierzchnię chrząstki z sondowaniem push-probing miała silną dodatnią korelację (r = 0,965, p = 0,0044) z modułem sprężystości w klasycznym teście wgniecenia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Badanie to pokazuje, że urządzenie pomiarowe jest w stanie zmierzyć trójosiowo opór tkanek miękkich w stawie podczas sondowania artroskopowego. W szczególności zbadano następujące dwie rzeczy: 1) różnicę w sile oporu obrąbka panewki stawowej z sondowaniem ciągnącym w trzech etapach chirurgicznych typowej naprawy obrąbka oraz 2) związek między dwiema różnymi właściwościami mechanicznymi tkanki chrząstki mimicznej przy pchaniu i ciągnięciu.

Zgodnie z tym badaniem, ilościowo zmierzone wartości za pomocą sondy ciągnącej za pomocą tego urządzenia mogą być przydatne do oceny stanu tkanek miękkich stawu. Najwyższy poziom oporu obrąbka panewki stawowej zmniejszał się po przecięciu obrąbka. Co więcej, wysoki poziom oporu został odzyskany podczas naprawy obrąbka. W związku z tym siła sondowania może być również przydatna do oceny, czy interwencja chirurgiczna jest wystarczająca. Co więcej, to sondowanie może być również wykorzystywane do oceny innych tkanek miękkich, takich jak więzadła krzyżowe przednie i tylne pod kątem niestabilności, więzadła poboczne przyśrodkowe i boczne pod kątem równowagi koślawości lub szpotawości w operacjach kolana, obrąbek stawowy i stożek rotatorów w operacjach barku, a także w innych operacjach artroskopowych.

Podobne wyniki zostały wcześniej zgłoszone przy użyciu 10 świeżych próbek bioder ze zwłok z podobnym urządzeniem pomiarowym3. Najwyższe poziomy oporu obrąbka stawowego uległy znacznemu zmniejszeniu po przecięciu obrąbka (obrąbek nienaruszony, 8,2 N; obrąbek obrąbkowy, 4,0 N). Co więcej, wysoki poziom oporu obrąbka został znacznie odzyskany podczas naprawy obrąbka (cięcie, 4,0 N; naprawa, 7,8 N). Ponadto poziom oporu dla obrąbka ciętego (3,0-5,0 N) został statystycznie oddzielony z 95% pewnością od poziomu obrąbka nienaruszonego (6,5-9,9 N) i naprawionego (6,7-9,1 N). W związku z tym można wyznaczyć próg wykrywania zmian w obrąbku, który wynosi około 5 N (4-6 N na zwłokach) najwyższego poziomu odporności obrąbka. Zgodnie z obecnymi badaniami, taki próg na biodrze fantomowym może wynosić około 2-3 N.

Innym interesującym odkryciem w obecnym badaniu jest znacząca dodatnia zależność między siłą reakcji na powierzchnię chrząstki mimicznej przez urządzenie do sondowania pchającego a modułem sprężystości przez klasyczne urządzenie do wgłębienia. Gdy sondowanie wypychane jest wykonywane, jak pokazano na rysunku 4, a następnie końcówka sondy porusza się po powierzchni, występuje siła reakcji. W rezultacie końcówka sondy jest wypychana do góry przez siłę reakcji. Jest ona mierzona jako siła prostopadła osi sondy. W tej sytuacji, jeśli właściwość mechaniczna tkanki chrzęstnej mimicznej jest niewielka (tj. miękka), siła sondowania dociskowego do powierzchni chrząstki może zostać częściowo pochłonięta. Wówczas jego siła reakcji na powierzchnię do końcówki sondy powinna być osłabiona w porównaniu z tą w przypadku sondowania push na twardą tkankę chrzęstną. W rezultacie siła prostopadła osi sondy zostałaby zmniejszona. W związku z tym, jeśli kąt osi sondowania do powierzchni chrząstki mimicznej może być kontrolowany za pomocą nowej technologii, takiej jak czujnik żyroskopowy 9,10 do noszenia, można ocenić właściwości mechaniczne tkanki chrzęstnej in situ.

Kilka grup badawczych próbowało opracować urządzenia do ilościowej oceny jakości chrząstki stawowej in vivo podczas artroskopii 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22 przy użyciu różnych metod, takich jak ultradźwięki biomikroskopia11, artroskopowe obrazowanie ultrasonograficzne12, spektroskopia odbicia optycznego13, pulsacyjne promieniowanie laserowe14, spektroskopia bliskiej podczerwieni15 i ultradźwiękowa16, mechaniczna 16,17,18,19,20,21 i elektromechaniczne urządzenia do wciskania22. Większość urządzeń, z wyjątkiem urządzeń z wgłębieniami 11,12,13,14,15, może mierzyć grubość warstwy chrząstki; Nie mogą jednak mierzyć powiązanych wartości właściwości mechanicznych. Chociaż ultrasonograficzne i mechaniczne urządzenia do wgłębień 16,17,18 mogą mierzyć niektóre właściwości mechaniczne chrząstki stawowej, powierzchnia końcówki urządzenia musi być dotykana pionowo do powierzchni chrząstki stawowej, po czym stosuje się konwencjonalne metody próby kompresji. Pozostałe elektromechaniczne urządzenie do wgniecania22,23, które zostało niedawno opracowane, ma kulisty kształt na końcu urządzenia; W tym przypadku może być trudno określić, w jaki sposób dotknąć końcówki do powierzchni chrząstki podczas artroskopii, ze względu na jej stosunkowo większy rozmiar, który zasłania punkt pomiarowy przez samą końcówkę. Dodatkowo, wartość ilościowa (zwana jako QP22,23) nie jest następcza i wydaje się być raczej oceną uszkodzenia (od 4 do 20 dla oceny chrząstki). Na przykład wartość 4 QP nie jest warta dwukrotności wartości 2 QP.

Ważną kwestią jest to, aby urządzenie w jak największym stopniu przylegało do kształtu klasycznej sondy. Co więcej, konwencjonalna i znana jednostka parametrów (tj. niuton) dla urządzenia pomiarowego jest stosowana częściowo dlatego, że jest ona sekwencyjnie ilościowa. W tym kontekście, opisywane tutaj urządzenie pomiarowe może odtwarzać warunki konwencjonalnego sondowania w oparciu o "wyczucie chirurga". W związku z tym wykazano, że to urządzenie pomiarowe jest przydatne do pomiaru niektórych właściwości mechanicznych stawów podczas artroskopii.

Podsumowując, opisane tutaj urządzenie pomiarowe, które może ilościowo mierzyć opór tkanek miękkich za pomocą trójosiowego czujnika siły zarówno za pomocą sondy ciągnącej, jak i pchającej, może być przydatne do ilościowej oceny kompleksowych zmian lub stanów tkanek miękkich stawów, co stanowi poprawę obecnej oceny jakościowej konwencjonalnego sondowania.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autor nie ma nic do zdradzienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca była częściowo wspierana przez granty JSPS KAKENHI JP19K09658 i JP18KK0104 oraz grant Japońskiej Fundacji Badań i Promocji Endoskopii (JFE). Autor pragnie podziękować profesorowi Darrylowi D. D'Limie i profesjonalnemu współpracownikowi naukowemu Erikowi W. Dorthe z Shiley Center for Orthopaedic Research and Education w Scripps Clinic za zgodę na zduplikowanie dostosowanego urządzenia do klasycznego testu wgniecenia w instytucji oraz za wsparcie autora w badaniach zespołowych.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
4,5 mm ARTHROGARDE Kaniula Dostępowa do Stawu Biodrowego ZIELONASmith& Siostrzeniec72201741Kaniula artroskopowa
70° Możliwość sterylizacji w autoklawie, Direct ViewSmith& Siostrzeniec72202088artroskop 70 stopni
BandicamBandicam Companyzaawansowane oprogramowanie do nagrywania ekranu
da Vinci 2.0 A DuoXYZ druk JaponiaDrukarka 3D
Jednorazowe Hip PacSmith& Siostrzeniec7209874Zestaw 3 prowadników i 2 igieł do artroskopii
Fantom biodraSawbones USA, firma badawcza z PacyfikuSKU:1516-23Model fantomowy do artroskopii stawu biodrowego
LabviewNational InstrumentsOprogramowanie inżynierskie do zastosowań wymagających testów, pomiarów i kontroli z szybkim dostępem do sprzętu
LAC-1SMACElektromechaniczny siłownik
LSB200FutekFSH00092A ogniwo obciążnikowe
NanopassStrykerCAT02298Przyrząd do szycia do naprawy obrąbka
Osteoraptor 2.3 Kotwica do szwówSmith& Siostrzeniec72201991Zestaw kotwic do naprawy obrąbka
Oprogramowanie komputerowe do czujnika sondującegoMoosoftOprogramowanie komputerowe do czujnika sondującego
Hydrożele z polialkoholu winylowegoSunarrow Limitedhydrożelami z polialkoholu winylowego
Sawbones USA, firma badawcza na PacyfikuSKU:5701Przenośna kamera artroskopowa
CzujniksondującyTakumi Precise Metal Work Manufacturing LtdSonda do pomiaru siły oporu działającej na tkanki miękkie w stawie podczas sondowania
SamuraiBlade StrykerCAT00227Artroskopowy skalpel
Standardowe urządzenie mocująceSawbones USA, firma badawcza na PacyfikuSKU:1703-19Urządzenie mocujące do fantomu biodra
Czujnik tensometrycznyNippon Liniax Co., LTDMFS20-100Czujnik współpracuje z trzema mostkami Wheatstone'a
Ultra-Hard C2 Kulka z węglika wolframu, średnica 1 mmMcMaster-Carr9686K81Ultra-Hard C2 Kulka z węglika wolframu, średnica 1 mm
Przenośna kamera artroskopowa z

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chami, G., Ward, J. W., Phillips, R., Sherman, K. P. Haptic feedback can provide an objective assessment of arthroscopic skills. Clinical Orthopaedics and Related Research. 466, 963-968 (2008).
  2. Tuijthof, G. J., Horeman, T., Schafroth, M. U., Blankevoort, L., Kerkhoffs, G. M. Probing forces of menisci: what levels are safe for arthroscopic surgery. Knee Surgery, Sports Traumatology, & Arthroscopy. 19 (2), 248-254 (2011).
  3. Hananouchi, T., Aoki, S. K. Quantitative evaluation of capsular and labral resistances in the hip joint using a probing device. Bio-Medical Materials and Engineering. 30 (3), 333-340 (2019).
  4. Hananouchi, T., et al. Resistance of Labrum using A Quantitative probing device in Hip Arthroscopy. Orthopaedic Research Society Annual Meeting. , San Diego, USA, March 19-22 (2017).
  5. Hananouchi, T. Evaluation of a quantitative probing to assess condition of soft tissue during arthroscopic surgery for regenerative medicine. Tissue Engineering International and Regenerative Medicine Society. (Termis-EU 2014). , Geneva, Italy June 10-13 (2014).
  6. Hananouchi, T., Dorthe, E. W., Chen, Y., Du, J., D'Lima, D. D. A Probing Device for in-situ Mechanical Property Evaluation of Cartilage Tissue. The 11th annual meeting of JOSKAS (Japanese Orthopaedic Society of Knee, Arthroscopy and Sports Medicine). , Sapporo, Japan June 13-15 (2019).
  7. Aoki, S. K., Beckmann, J. T., Wylie, J. D. Hip Arthroscopy and the Anterolateral Portal: Avoiding Labral Penetration and Femoral Articular Injuries. Arthroscopy Techniques. 1 (2), 155-160 (2012).
  8. Sato, H., et al. Development and use of a non-biomaterial model for hands-on training of endoscopic procedures. Annals of Translational Medicine. 5 (8), 182(2017).
  9. Boddy, K. J., et al. Exploring wearable sensors as an alternative to marker-based motion capture in the pitching delivery. PeerJ. 7, 6365(2019).
  10. Aroganam, G., Nadarajah Manivannan, N., Harrison, D. Review on Wearable Technology Sensors Used in Consumer Sport Applications. Sensors. 19 (9), 1983(2019).
  11. Gelse, K., et al. Quantitative ultrasound biomicroscopy for the analysis of healthy and repair cartilage tissue. European Cells & Materials. 19, 58-71 (2010).
  12. Virén, T., et al. Quantitative evaluation of spontaneously and surgically repaired rabbit articular cartilage using intra-articular ultrasound method in situ. Ultrasound in Medicine and Biology. 36 (5), 833-839 (2010).
  13. Johansson, A., Sundqvist, T., Kuiper, J. H., Öberg, P. Å A spectroscopic approach to imaging and quantification of cartilage lesions in human knee joints. Physics in Medicine & Biology. 56 (6), 1865-1878 (2011).
  14. Sato, M., Ishihara, M., Kikuchi, M., Mochida, J. A diagnostic system for articular cartilage using non-destructive pulsed laser irradiation. Lasers in Surgery and Medicine. 43 (5), 421-432 (2011).
  15. Spahn, G., Felmet, G., Hofmann, G. O. Traumatic and degenerative cartilage lesions: arthroscopic differentiation using near-infrared spectroscopy (NIRS). Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 133 (7), 997-1002 (2013).
  16. Kiviranta, P., Lammentausta, E., Töyräs, J., Kiviranta, I., Jurvelin, J. S. Indentation diagnostics of cartilage degeneration. Osteoarthritis Cartilage. 16 (7), 796-804 (2008).
  17. Franz, T., et al. In situ compressive stiffness, biochemical composition, and structural integrity of articular cartilage of the human knee joint. Osteoarthritis Cartilage. 9 (6), 582-592 (2001).
  18. Kitta, Y., et al. Arthroscopic measurement of cartilage stiffness of the knee in young patients using a novel indentation sensor. Osteoarthritis Cartilage. 22, Supplement 110-111 (2014).
  19. Lyyra, T., Jurvelin, J., Pitkänen, P., Väätäinen, U., Kiviranta, I. Indentation instrument for the measurement of cartilage stiffness under arthroscopic control. Medical Engineering & Physics. 17 (5), 395-399 (1995).
  20. Niederauer, G. G., et al. Correlation of cartilage stiffness to thickness and level of degeneration using a handheld indentation probe. Annals of Biomedical Engineering. 32 (3), 352-359 (2004).
  21. Appleyard, R. C., Swain, M. V., Khanna, S., Murrel, G. A. C. The accuracy and reliability of a novel handheld dynamic indentation probe for analyzing articular cartilage. Physics in Medicine & Biology. 46, 541-550 (2001).
  22. Sim, S., et al. Non-destructive electromechanical assessment (Arthro-BST) of human articular cartilage correlates with histological scores and biomechanical properties. Osteoarthritis Cartilage. 22 (11), 1926-1935 (2014).
  23. Mickevicius, T., Maciulaitis, J., Usas, A., Gudas, R. Quantitative Arthroscopic Assessment of Articular Cartilage Quality by Means of Cartilage Electromechanical Properties. Arthroscopy Techniques. 7 (7), 763-766 (2018).
  24. Hayes, W. C., Keer, L. M., Herrmann, G., Mockros, L. F. A mathematical analysis for indentation tests of articular cartilage. The Journal of Biomechanics. 5 (5), 541-551 (1972).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Probing DeviceSoft TissueArthroscopyForce SensorMechanical PropertiesAcetabular LabrumCartilageQuantitative MeasurementJoint SpacePeriportal Capsulotomy

Related Articles