Sondering under artroskopi kirurgi er normalt gjort for at vurdere tilstanden af det bløde væv, men denne fremgangsmåde har altid været subjektiv og kvalitativ. Denne rapport beskriver en sonderingsanordning, der kan måle det bløde vævs modstand kvantitativt med en treaksial kraftsensor under artroskopi.
Sondering i artroskopisk kirurgi udføres ved at trække eller skubbe det bløde væv, som giver feedback til at forstå tilstanden af det bløde væv. Men outputtet er kun kvalitativt baseret på “kirurgens følelse”. Heri er beskrevet en sondering enhed udviklet til at løse dette problem ved at måle modstanden af blødt væv kvantitativt med en tre-aksial kraft sensor. Under begge forhold (dvs. pull- og push-sondering visse væv efterligne acetabular labrum og brusk), denne sondering enhed viser sig at være nyttige til måling af nogle mekaniske egenskaber i leddene under artroskopi.
Processen med sondering, som trækker (eller kroge) eller skubber blødt væv i leddene med en metallisk sonde, giver mulighed for at vurdere tilstanden af blødt væv under artroskopisk kirurgi1,2. Men evaluering af sondering er meget subjektiv og kvalitativ (dvs. kirurgens følelse).
På grundlag af denne sammenhæng, hvis modstanden af det bløde væv (f.eks kapsel eller labrum i hofteleddet, menisk eller ledbånd i knæleddet) under træk kunne måles kvantitativt, kan det være nyttigt for kirurger at vurdere nødvendigheden af en reparation af det bløde væv og en indikation af, om yderligere kirurgisk indgreb ernødvendig,selv efter den primære reparation er afsluttet3,4,,5. Endvidere skal der fastsættes kriterier for vigtige kvantitative variabler for at angive nødvendigt kirurgisk indgreb for kirurger. Derudover, i den modsatte retning, skubbe sonden kan bruges til at vurdere de mekaniske egenskaber af ledbruskvæv. Inden for vævsteknik og regenerativ medicin, såsom udskiftning af beskadigede, degenererede eller syge bruskvæv, kan in situ-evaluering af push-sondering være kritisk2,6.
Denne artikel rapporterer udviklingen af en sondering enhed med en tre-aksial kraft sensor6, der kan måle modstanden af blødt væv kvantitativt under artroskopi. Denne sonderingsanordning består af en sondekomponent med en halv længde (200 mm) af en normal artroskopisk sonde og en grebskomponent, hvori en strain gauge-sensor er indlejret til at måle den resulterende kraft på tre akser på spidsen af sonden (Figur 1). Strain gauge sensoren blev lavet specielt til sondering. Strain gauge er indlejret i toppen af grebet komponent, som forbinder med sonden komponent. Opløsningen af denne sondering enhed er 0,005 N. Præcisionen og nøjagtigheden blev også målt ved en kommercialiseret vægt med kendt vægt (50 g). Præcisionen var 0,013 N og nøjagtigheden er 0,0035 N.
Desuden er et glidende aspekt af grebskomponenten blevet implementeret for at kontrollere afstanden med kirurgens pegefinger eller tommelfinger, mens du trækker eller skubber sonden. Under processen med at måle modstanden er den målte værdi afhængig af både sonderingsanordningens trækafstand og trækkraften, hvilket er grunden til, at sonderingsanordningens trækafstand styres af glidende aspekt. Den glidende afstand af grebsdelen af sonderingsanordningen blev indstillet til 3 mm for følgende repræsentative tilfælde i denne undersøgelse.
Som vist i figur 1kan det bløde vævs modstandskraft således måles treksialt. Den første kraft er langs sondeaksen. Den anden er vinkelret på sondeaksen langs retningen af sondens krog, og den tredje er i den tværgående retning. Måling af kræfterne sker ved hjælp af følgende generelle metode: Den treaksede kraftsensor omfatter tre Wheatstone broer, der svarer til x-, y-, og z-akserne. Strain gauges modstandsværdi ændres alt efter omfanget af den påførte belastning, og broens midtpunktsspænding ændres, så kraften kan detekteres som et elektrisk signal. Måleområdet for denne anordning er 50 N i retning af sondeaksen og 10 N i de to resterende retninger.
Dedikeret software blev udviklet til denne sonde, hvor softwaren viser de tre kræfter i x, y, og z retninger (x er den tværgående retning, y er den lodrette retning (retning af krogen), og z er sonden akse) målt ved sondering enhed i realtid med en frekvens på 50 Hz som tre separate grafer (Figur 2). Eventuelt kan et tyndt elastisk betræk, der normalt anvendes til intraoperativ brug af ultralydsenheder, bruges til imprægnering her.
Denne sondering enhed kan således give mulighed for at vurdere visse betingelser for blødt væv. Desuden kan denne sondering enhed giver mulighed for at vurdere de mekaniske egenskaber af ledbrusk væv. Med henblik herpå kan reaktionskraften på ledbruskens overflade, mens den skubber spidsen af denne sonderingsanordning fremad på overfladen, være korreleret med ledbruskens mekaniske egenskab.
Formålet med denne undersøgelse er at indføre, hvordan sonderingsanordningen kan anvendes. Først er målinger af en efterligne acetabular labrum som et repræsentativt væv, mens pull-sondering med en fantom hofte model. Undersøgt er forskellen i modstanden i acetabular labrum i tre kirurgiske trin for en typisk labral reparation. For det andet er målinger af en repræsentant efterligne bruskvæv gennem push-sondering. Også undersøgt er en sammenhæng mellem to forskellige mekaniske egenskaber af efterligne bruskvæv som målt ved denne sondering enhed og en klassisk indrykning enhed til at validere den nye metode til måling af de mekaniske egenskaber af ledbrusk.
Denne undersøgelse viser, at sondering enhed er i stand til at måle tri-aksialt modstanden af blødt væv i leddet under artroskopisk sondering. Specifikt, følgende to ting blev undersøgt: 1) forskellen i modstand kraft acetabular labrum med pull-sondering i de tre kirurgiske trin i en typisk labral reparation og 2) forholdet mellem to forskellige mekaniske egenskaber af efterligne brusk væv med push-trækker.
Ifølge denne undersøgelse, de kvantitativt målte værdier ved pull-sondering med denne enhed kan være nyttige til at vurdere tilstanden af den fælles blødt væv. De højeste modstandsniveauer i det acetabulære labrum faldt, da labrum blev skåret. Desuden blev de høje modstandsniveauer genvundet, da labrum blev repareret. Således kan sondering kraft også være nyttigt for at vurdere, om kirurgisk indgreb er tilstrækkeligt. Endvidere, denne pull-sondering kan udnyttes til vurdering af andre bløde væv samt, såsom forreste og bageste korsbånd for ustabilitet, mediale og laterale sideledbånd for valgus eller varus balance i knæoperationer, labrum og rotator manchet i skulderoperationer, samt for andre artroskopiske operationer.
Lignende resultater blev tidligere rapporteret ved hjælp af 10 friske kadaver hofte prøver med en lignende sondering enhed3. De højeste modstandsniveauer i labrum blev reduceret betydeligt, da labrum blev skåret (intakt labrum, 8,2 N; cut labrum, 4.0 N). Desuden blev det høje modstandsniveau i labrum betydeligt genvundet, da labrum blev repareret (skåret, 4.0 N; repareret, 7.8N). Desuden blev modstandsniveauet for det afskårne labrum (3,0-5,0 N) statistisk adskilt med 95% tillid fra det intakte (6,5-9,9 N) og repareret labrum (6,7-9,1 N). Derfor kan der fastsættes en tærskelværdi for påvisning af læsioner i labrum, hvilket er ca. 5 N (4-6 N på kadavere) af det højeste modstandsniveau i labrum. Ifølge den nuværende undersøgelse, en sådan tærskel på fantom hofte kan være omkring 2-3 N.
Et andet interessant resultat i den aktuelle undersøgelse er den betydelige positive sammenhæng mellem reaktionskraften på efterligningbruskoverfladen ved push-sonderingsanordningen og den elastiske modulus ved den klassiske indrykningsanordning. Når push-sondering udføres som vist i figur 4, og derefter bevæger sondens spids sig på overfladen, opstår der en reaktionskraft. Som følge heraf skubbes spidsen af sonden op af reaktionskraften. Dette måles som sondeaksens vinkelrette kraft. I denne situation, hvis den mekaniske egenskab af efterligne bruskvæv er lille (dvs. blød), kraften af push-sondering til overfladen af brusk kan være delvist absorberet. Derefter bør dens reaktionskraft på overfladen til spidsen af sonden svækkes i forhold til i tilfælde af push-sondering på hårdt bruskvæv. Som følge heraf ville den vinkelrette kraft af sonden akse blive reduceret. Derfor, hvis vinklen på sondering akse til efterligne brusk overflade kan styres af ny teknologi, såsom en bærbar gyro sensor9,10, in situ mekaniske egenskaber af bruskvæv kan evalueres.
Flere forskningsgrupper har forsøgt at udvikle anordninger til kvantitativt at vurdere kvaliteten af ledbrusk in vivo under artroskopi11,,12,13,14,15,16,17,18,1919,20,21,22 ved hjælp af forskellige metoder, såsom ultralyd biomikroskopi11,artroskopisk ultralydsscanning12,optisk refleksionsspektroskopi13,pulserende laserbestråling14,nær-infrarød spektroskopi15og ultralyd-baserede16, mekanisk16,17,18,19,20,21og elektromekaniske fordybningsenheder22. De fleste af anordningerne undtagen indrykningsenhederne11,12,13,14,15 kan måle brusklagets tykkelse; De kan dog ikke måle relaterede mekaniske egenskabsværdier. Selv om ultralyd og mekanisk-baserede indrykningsenheder16,17,18 kan måle nogle mekaniske egenskaber af ledbrusk, overfladen af spidsen af enheden skal berøres lodret til ledbrusk overflade, som efterfølges af konventionelle metoder til kompression test. Den resterende elektromekaniske indrykningsanordning22,23 ,der for nylig er udviklet, har en sfærisk form på spidsen af enheden; her kan det være svært at afgøre, hvordan man rører spidsen til bruskoverfladen under artroskopi på grund af dens relativt større størrelse, der tilslører målepunktet ved selve spidsen. Desuden er den kvantitative værdi (kaldet QP22,23) ikke fortløbende og synes snarere at være en skadesscore (fra 4 til 20 for bruskvurdering). For eksempel er 4 QP-værdien ikke dobbelt så høj som 2 QP-værdien.
Et vigtigt punkt er, at enheden klæber så meget som muligt til en form af den klassiske sonde. Desuden anvendes en konventionel og kendt parameterenhed (dvs. newton) til sonderingsanordningen delvis, fordi den er fortløbende kvantitativ. I denne sammenhæng kan den sondering enhed, der er beskrevet her reproducere betingelserne for konventionelle sondering baseret på “kirurgens følelse”. Således er denne sondering enhed vist sig at være nyttige til måling af visse mekaniske egenskaber i leddene under artroskopi.
Afslutningsvis kan den sonderingsanordning, der er beskrevet her, og som kvantitativt kan måle modstandsdygtighed over for blødt væv med en treaksial kraftsensor gennem både pull- og push-sondering, være nyttig til kvantitativ vurdering af omfattende læsioner eller betingelser for det fælles bløde væv, hvilket er en forbedring af den nuværende kvalitative vurdering af konventionel sondering.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev delvist støttet af JSPS KAKENHI tilskud JP19K09658 og JP18KK0104 og en japansk Foundation for Forskning og Fremme af Endoskopi (JFE) tilskud. Forfatteren vil gerne takke professor Darryl D. D’Lima og professionel videnskabelig samarbejdspartner Erik W. Dorthe i Shiley Center for Ortopædisk Forskning og Uddannelse på Scripps Clinic for tilladelse til at duplikere den tilpassede enhed til den klassiske indrykningstest på institutionen og for at støtte forfatteren med samarbejdsstudier.
4.5 mm ARTHROGARDE Hip Access Cannula GREEN | Smith&Nephew | 72201741 | Arthroscopy cannula |
70° Autoclavable, Direct View | Smith&Nephew | 72202088 | 70 degrees arthroscope |
Bandicam | Bandicam Company | an advanced screen recording software | |
da Vinci 2.0 A Duo | XYZ printing Japan | 3D printer | |
Disposable Hip Pac | Smith&Nephew | 7209874 | A set of 3 guidewires and 2 arthroscopy needles |
Hip phantom | Sawbones USA, A Pacific Research Company | SKU:1516-23 | The phantom model for hip arthroscopy |
Labview | National Instruments | Systems engineering software for applications that require test, measurement, and control with rapid access to hardware | |
LAC-1 | SMAC | Electromechanical actuator | |
LSB200 | Futek | FSH00092 | A load cell |
Nanopass | Stryker | CAT02298 | A suturing instrument for the labrum repair |
Osteoraptor 2.3 Suture Anchor | Smith&Nephew | 72201991 | Anchor set for the labrum repair |
PC software for Probing sensor | Moosoft | PC software for Probing sensor | |
Poly-vinyl alcohol hydrogels | Sunarrow Limited | Poly-vinyl alcohol hydrogels | |
portable arthroscopy camera | Sawbones USA, A Pacific Research Company | SKU:5701 | Portable arthroscopy camera |
Probing sensor | Takumi Precise Metal Work Manufacturing Ltd | Probing device to measure resistance force to soft tissue in joint while probing | |
Samurai Blade | Stryker | CAT00227 | Arthroscopic scalpel |
Standard fixation device | Sawbones USA, A Pacific Research Company | SKU:1703-19 | The fixation device for the hip phantom |
Strain gauge sensor | Nippon Liniax Co.,LTD | MFS20-100 | The sensor works with three Wheatstone bridges |
Ultra-Hard C2 Tungsten Carbide Ball, 1 mm Diameter | McMaster-Carr | 9686K81 | Ultra-Hard C2 Tungsten Carbide Ball, 1 mm Diameter |