Urządzenie pomiarowe do ilościowego pomiaru właściwości mechanicznych tkanek miękkich podczas artroskopii
1 maja 2020
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.
Główną zaletą tego urządzenia jest to, że pozwala nam zmierzyć oporność tkanek miękkich w sposób ilościowy. Urządzenie jest ściśle zgodne z kształtem konwencjonalnej sondy, wykorzystuje kolejny parametr i poprawne dane w znanej jednostce niutonów. Wszystkie pomiary siły oporu obrąbka panewki za pomocą sondowania basenowego.
Najpierw przymocuj fantomowe biodro składające się z lewej miednicy i kości udowej, głównych mięśni biodra, obrąbka panewkowego, torebki biodrowej i chrząstki stawowej stawu biodrowego na standardowym urządzeniu mocującym. Odblokuj część łączącą urządzenia mocującego. Następnie odwodzić i lekko obrócić wewnętrznie kość udową, aby oddalić ją od miednicy i wygenerować przestrzeń stawową naśladującą artroskopię stawu biodrowego.
Aby przygotować artroskop, podłącz przenośne źródło światła kamery artroskopii do czteromilimetrowego autoklawowalnego artroskopu o kącie 70 stopni z bezpośrednim widokiem i podłącz USB z kamery artroskopii i źródła światła do komputera. Następnie otwórz zaawansowane oprogramowanie do nagrywania ekranu dla widoku artroskopowego. Aby wygenerować pierwszy portal, włóż kaniulowaną igłę i prowadnik do stawu biodrowego.
Od czubka krętarza większego, aby utworzyć normalny przednio-boczny portal. Wprowadź kaniulę o średnicy 5,5 milimetra z zasłoną wzdłuż prowadnika. Następnie usuń zasłonę, a następnie włóż artroskop 70 stopni i kamerę wzdłuż kaniuli, a następnie potwierdź, że trójkąt torebkowy między obrąbkiem a głową kości udowej można zaobserwować w widoku z tego portalu i utworzyć drugi portal jako zmodyfikowany przedni portal.
Po wygenerowaniu wrotu przedniego należy zatrzymać artroskop w portalu przednio-bocznym. Wprowadzić 4,5-milimetrową kaniulę z zasłoną wzdłuż prowadnika. Usuń zasłonę, a następnie włóż artroskopowy skalpel z przedniego wrotnika.
Wykonaj kapsulotomię okołowrotną wokół przedniego portalu, przesuwając skalpel, przyśrodkowo i bocznie, aby wygenerować więcej miejsca na przedni portal w torebce biodrowej i umieść artroskop w przednim wjeździe. Obróć kamerę view artroskopu do momentu, aż kaniula będzie mogła być uwidoczniona na portalu przednio-bocznym i włóż skalpel artroskopowy z portalu przednio-bocznego. Następnie wykonaj poprzeczną kapsulotomię międzywrotną o długości 15 milimetrów, łączącą dwa portale w odległości pięciu milimetrów od labramu od około godziny 10 do godziny drugiej.
Aby skonfigurować urządzenie pomiarowe, podłącz zasilacz do komputera za pomocą USB i włącz zasilanie. Otwórz oprogramowanie urządzenia pomiarowego i wprowadź dane matrycy, które są wstępnie obliczane podczas kalibracji czujnika tensometrycznego. Bezpośrednio przed pomiarem należy zresetować wartość siły pomiarowej do zera i sprawdzić działanie przełącznika nożnego podłączonego do systemu rejestrującego urządzenia pomiarowego.
Aby zmierzyć opór nienaruszonego labrama, przełącz artroskop na przednio-boczny portal z przedniego portalu. Włóż drążek przełączający, wyjmij kaniulę i włóż kolejną kaniulę. Na koniec włóż sondę przez przedni portal do stawu biodrowego, aż końcówka urządzenia znajdzie się poniżej wewnętrznej strony obrąbka panewki.
Pamiętaj, aby zawsze upewnić się, że ten aspekt jazdy urządzenia działa przed sondowaniem, a następnie cofnij końcówkę urządzenia pomiarowego w kierunku złącza, naciskając pedał nożny, aby uzyskać wartość oporu siły. Aby zmierzyć reakcję siły próbki chrząstki, należy umieścić świeżo przygotowaną próbkę chrząstki o wymiarach 15 na 20 na trzy milimetry na płytce podstawy z małym korkiem w kierunku boku sondy dociskowej i ustalić położenie i orientację urządzenia sondującego w taki sposób, aby końcówka urządzenia prawie dotykała powierzchni próbki chrząstki pod kątem 30 stopni do linii poziomej. Po wyzerowaniu ustawienia naciśnij trzykrotnie pedał nożny, aby popchnąć i pociągnąć końcówkę sondy na próbkę imitacji chrząstki.
Po zmierzeniu wytrzymałości wszystkich próbek należy użyć klasycznego urządzenia do wgłębiania, aby zmierzyć konwencjonalny moduł sprężystości i sztywność próbki. W tej reprezentatywnej analizie najwyższy średni wynik sił Y i Z dla obrąbka panewki dla trzech stopni wynosił 4,4 niutona na nienaruszonym obrąbku, 1,6 niutona na wyciętym obrąbku i 4,6 niutona na obrąbku naprawczym. Ponadto uzyskano istotną dodatnią korelację pomiędzy siłą czujnika sondującego a modułem sprężystości.
Uważaj, aby utrzymać pozycję ramienia podczas sondowania, zwłaszcza podczas pchania lub ciągnięcia miękkich tkanek, ponieważ jazda na tej końcówce sondy może wpłynąć na dokładność danych. W przyszłych badaniach sztuczna inteligencja może być użytecznym narzędziem do identyfikacji stanu tkanek miękkich, a także do pozyskiwania parametrów ilościowych.
Przegląd
To badanie przedstawia nowe urządzenie do badania sondowego, zaprojektowane w celu ilościowego pomiaru oporu tkanki miękkiej podczas operacji artroskopowej. Dzięki zastosowaniu czujnika sił trójosiowego, urządzenie ma na celu dostarczenie obiektywnych danych, poprawiając ocenę stanu tkanki miękkiej.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Artroskopia
- Biomechanika
- Ocena tkanki miękkiej
Tło
- Tradycyjne metody badania sondowego w artroskopii są subiektywne i jakościowe.
- Ilościowe pomiaru oporu tkanki miękkiej jest kluczowe dla dokładnej diagnozy.
- Urządzenie naśladuje konwencjonalne sondy, jednocześnie dostarczając obiektywnych danych.
- Zrozumienie właściwości tkanki miękkiej może poprawić wyniki operacji.
Cel badania
- Rozwój urządzenia, które ilościowo mierzy opór tkanki miękkiej.
- Poprawa dokładności ocen podczas artroskopii.
- Ustanowienie korelacji między siłą czujnika sondowego a właściwościami tkanki.
Zastosowane metody
- Ustawienie modelu fantomowego stawu biodrowego do testów.
- Użycie przenośnej kamery artroskopowej i źródła światła.
- Kalibracja urządzenia do badania sondowego z czujnikiem odkształceniowym.
- Pomiar sił oporu na wargach stawu biodrowego i próbkach imitacyjnego chrząstki.
Główne wyniki
- Zmierzone siły oporu: 4,4 Newtona (niszczone wargi), 1,6 Newtona (przecięte wargi), 4,6 Newtona (naprawione wargi).
- Istotna dodatnia korelacja między siłą czujnika sondowego a modułem sprężystości.
- Dokładność urządzenia zależy od pozycji końcówki sondy.
- Przyszłe badania mogą zawierać AI dla ulepszonej oceny stanu tkanki.
Wnioski
- Urządzenie do badania sondowego oferuje niezawodną metodę ilościowej oceny tkanki miękkiej.
- Wyniki wskazują na potencjał poprawy procesu decyzyjnego podczas operacji.
- Potrzebne są dalsze badania w celu udoskonalenia urządzenia i zbadania zastosowań AI.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Quantitative assessment of soft tissue mechanical properties addresses a critical gap in arthroscopic evaluation, where current methods rely on subjective surgeon feedback. This probing device enables objective, force-based measurements that can improve target validation in preclinical joint disease models by providing reproducible biomechanical readouts. Such data supports mechanistic de-risking and predictive confidence in early discovery programs focused on cartilage repair, labral pathology, or soft tissue therapeutics.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by quantifying tissue resistance changes in disease or injury models.
- Operational Value: Provides standardized, reproducible force measurements in Newtons for consistent target engagement assessment.
- Predictive Value: Supports portfolio triage through correlation of sensor force with elastic modulus, offering a biomarker-aligned readout for tissue integrity.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems (e.g., acetabular labrum, mock cartilage) for downstream compound screening by establishing baseline mechanical phenotypes.
- Operational Value: Ensures assay standardization and quantitative output via tri-axial force sensing, reducing variability in compound effect evaluation.
- Scalability: Device conforms to conventional probe geometry, enabling integration into existing arthroscopy-based workflows without major retraining.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges discovery and preclinical validation by measuring mechanical properties in disease-relevant joint tissues under arthroscopic conditions.
- Risk-Adjusted Advancement: Quantitative force data informs go/no-go decisions by distinguishing intact, damaged, and repaired tissue states.
- Mechanistic De-risking: Reduces ambiguity in target validation by linking mechanical readouts to tissue condition, supporting indication selection.
Pipeline & Workflow Integration
The device fits within the discovery continuum from target validation through preclinical assessment, particularly for musculoskeletal and soft tissue therapeutic areas where mechanical function is a key determinant of pathology and treatment response.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling quantitative comparison of tissue resistance across genetic, pharmacological, or injury models.
- Screening: Enhances assay readiness through reproducible, quantitative force outputs that allow detection of compound-induced changes in tissue stiffness or elasticity.
- Analytics: Generates multi-axis force data (X, Y, Z) and correlates with elastic modulus, providing statistical outputs for dose-response or genotype-phenotype analysis.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by measuring tissue properties in ex vivo or phantom models that mimic human joint environments.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable capability across projects studying osteoarthritis, labral tears, or cartilage regeneration, reducing redundant method development.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by replacing qualitative tactile feedback with objective, quantifiable resistance measurements.
- Operational Value: Improves standardization and reproducibility through calibrated strain gauge sensing and zero-reset protocols.
- Strategic Value: Enhances capital efficiency by enabling earlier identification of biologically active compounds through mechanistically relevant phenotypic screening.
- Portfolio Impact: Facilitates risk-adjusted prioritization by providing translational biomarker-aligned data on tissue mechanical integrity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in biomechanics, arthroscopic techniques, and sensor calibration for accurate force measurement.
- Dependent on instrumentation including tri-axial force sensor, USB data acquisition, and force-reset foot switch functionality.
- Necessitates cross-team standardization of probing angle, speed, and tissue contact protocol to ensure data comparability.
- Adaptation across model systems must account for tissue thickness, geometry, and mounting stability to avoid probe tip riding artifacts.
- Practical limitation: Measurement accuracy is affected by arm position and probe tip dynamics, particularly during push-pull cycles on soft tissues.
Biopharma FAQs
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
