Summary
Die Untersuchung während der Arthroskopie-Chirurgie wird normalerweise durchgeführt, um den Zustand des Weichgewebes zu beurteilen, aber dieser Ansatz war immer subjektiv und qualitativ. Dieser Bericht beschreibt eine Sondierungsvorrichtung, die den Widerstand des Weichgewebes mit einem triaxialen Kraftsensor während der Arthroskopie quantitativ messen kann.
Abstract
Die Untersuchung in der arthroskopischen Chirurgie wird durch Ziehen oder Drücken des Weichgewebes durchgeführt, was Feedback zum Verständnis des Zustands des Weichgewebes gibt. Die Ausgabe basiert jedoch nur auf dem "Chirurgengefühl". Hierin wird eine Sondierungsvorrichtung beschrieben, die entwickelt wurde, um dieses Problem zu lösen, indem der Widerstand von Weichgeweben quantitativ mit einem dreiachsigen Kraftsensor gemessen wird. Unter beiden Bedingungen (z. B. Pull- und Push-Probing bestimmter Gewebe, die das Acetabular-Labrum und den Knorpel nachahmen), wird diese Sondierungsvorrichtung als nützlich für die Messung einiger mechanischer Eigenschaften in Gelenken während der Arthroskopie gefunden.
Introduction
Der Prozess der Sondierung, die zieht (oder Haken) oder schiebt Weichgewebe in Gelenken mit einer metallischen Sonde, ermöglicht die Beurteilung des Zustands von Weichgeweben während der arthroskopischen Chirurgie1,2. Die Bewertung der Sondierung ist jedoch sehr subjektiv und qualitativ (d.h. das Gefühl des Chirurgen).
Auf der Grundlage dieses Zusammenhangs könnte es für Chirurgen nützlich sein, die Notwendigkeit einer Reparatur des Weichgewebes zu beurteilen und zu zeigen, ob ein zusätzlicher chirurgischer Eingriff auch nach Abschluss der primären Reparatur erforderlich ist3,4,5. Darüber hinaus müssen für Chirurgen Kriterien für wichtige quantitative Variablen festgelegt werden, die auf notwendige chirurgische Eingriffe hinweisen. Darüber hinaus kann in der entgegengesetzten Richtung das Drücken der Sonde verwendet werden, um die mechanischen Eigenschaften von Gelenkknorpelgeweben zu bewerten. In den Bereichen Tissue Engineering und regenerative Medizin, wie der Ersatz von geschädigten, degenerierten oder erkrankten Knorpelgeweben, kann die In-situ-Bewertung von Push-Probing kritisch sein2,6.
Dieser Artikel berichtet über die Entwicklung einer Sondierungsvorrichtung mit einem dreiachsigen Kraftsensor6, der den Widerstand von Weichgewebe während der Arthroskopie quantitativ messen kann. Diese Sondierungsvorrichtung besteht aus einer Sondenkomponente mit einer halblangen Größe (200 mm) einer normalen arthroskopischen Sonde und einer Griffkomponente, in die ein Dehnungsmesssensor eingebettet ist, um die resultierende Kraft von drei Achsen an der Spitze der Sonde zu messen (Abbildung 1). Der Dehnungsmesssensor wurde speziell für die Sondierung entwickelt. Das Dehnungsmessgerät ist an der Oberseite des Griffbauteils eingebettet, das sich mit der Sondenkomponente verbindet. Die Auflösung dieses Sondierungsgeräts beträgt 0,005 N. Die Genauigkeit und Genauigkeit wurde auch durch ein kommerzialisiertes Gewicht mit einem bekannten Gewicht (50 g) gemessen. Die Genauigkeit betrug 0,013 N und die Genauigkeit 0,0035 N.
Darüber hinaus wurde ein gleitender Aspekt der Griffkomponente implementiert, um den Abstand mit dem Zeigefinger oder Daumen des Chirurgen beim Ziehen oder Drücken der Sonde zu steuern. Bei der Messung des Widerstands ist der Messwert sowohl vom Zugabstand der Sondierungsvorrichtung als auch von der Zugkraft abhängig, weshalb der Zugabstand der Sondierungsvorrichtung durch den Gleitaspekt gesteuert wird. Für die folgenden repräsentativen Fälle wurde in dieser Studie der Gleitabstand der Griffkomponente der Sondierungsvorrichtung auf 3 mm festgelegt.
Wie in Abbildung 1dargestellt, kann somit die Widerstandskraft der Weichgewebe dreiachsig gemessen werden. Die erste Kraft befindet sich entlang der Sondenachse. Die zweite ist senkrecht zur Sondenachse entlang der Richtung des Hakens der Sonde, und die dritte befindet sich in transversaler Richtung. Die Messung der Kräfte erfolgt nach folgender allgemeiner Methode: Der Drei-Achsen-Kraftsensor umfasst drei Weizensteinbrücken, die den x-, y- und z-Achsen entsprechen. Der Widerstandswert des Dehnungsmessstreifens ändert sich entsprechend der Größe der angewendeten Last, und die Mittelpunktspannung der Brücke ändert sich, so dass die Kraft als elektrisches Signal erkannt werden kann. Der Messbereich dieses Gerätes beträgt 50 N in Richtung der Sondenachse und 10 N in den beiden verbleibenden Richtungen.
Für diese Sonde wurde eine spezielle Software entwickelt, in der die Software die drei Kräfte in x-, y- und z-Richtung (x ist die Querrichtung, y ist die vertikale Richtung (Richtung des Hakens) und z die Sondenachse) zeigt, die vom Sondierungsgerät in Echtzeit mit einer Frequenz von 50 Hz gemessen wird, als drei separate Graphen(Abbildung 2). Optional kann hier eine dünne elastische Abdeckung verwendet werden, die normalerweise für den intraoperativen Einsatz von Ultraschallgeräten verwendet wird.
Diese Sondierungsvorrichtung kann somit die Beurteilung bestimmter Bedingungen von Weichgeweben ermöglichen. Darüber hinaus könnte diese Sondierungsvorrichtung die Beurteilung der mechanischen Eigenschaften von Gelenkknorpelgeweben ermöglichen. Zu diesem Zweck kann die Reaktionskraft auf der Gelenkknorpeloberfläche beim Schieben der Spitze dieser Sondierungsvorrichtung auf der Oberfläche mit der mechanischen Eigenschaft des Gelenkknorpels korreliert werden.
Ziel dieser Studie ist es, die Verwendung des Sondierungsgeräts vorzustellen. Zunächst werden Messungen eines imitischen Acetabular-Labrums als repräsentatives Gewebe beim Pull-Probing mit einem Phantom-Hüftmodell durchgeführt. Untersucht wird der Unterschied in der Widerstandsfähigkeit des Acetabular-Labrums in drei chirurgischen Schritten für eine typische Labralreparatur. Zweitens sind Messungen eines repräsentativen mimischen Knorpelgewebes durch Push-Probing. Ebenfalls untersucht wird eine Korrelation zwischen zwei verschiedenen mechanischen Eigenschaften des Mimischknorpelgewebes, gemessen durch diese Sondierungsvorrichtung, und einer klassischen Einrückungsvorrichtung zur Validierung der neuen Methode zur Messung der mechanischen Eigenschaften des Gelenkknorpels.
Protocol
Das Protokoll der vorliegenden Studie besteht in erster Linie aus den folgenden beiden Aspekten: 1) Widerstandskraft des Acetabular-Labrums mit Pull-Probing und 2) Messung der Reaktionskraft an der Mimikknorpelprobe mit Push-Probing.
1. Widerstandskraft des Acetabular-Labrums mit Pull-Probing
- Phantomvorbereitung für die Messungen mit Pull-Probing
- Fix eine Phantom Hüfte, die aus dem linken Becken und Oberschenkelknochen, Hauptmuskeln der Hüfte, Acetabular Labrum, Hüftkapsel, und Gelenkknorpel des Hüftgelenks auf einem Standard-Fixierungsvorrichtungbesteht 5.
- Entführen und innen drehen Sie den Oberschenkelknochen leicht, um ihn vom Becken zu distanzieren, wodurch Gelenkraum erzeugt wird, der die Hüftarthroskopie imitiert.
- Kameravorbereitung für die Arthroskopie
- Bereiten Sie ein 4 mm 70° autoklavierbares Direktansichtsarthroskop vor und schließen Sie eine tragbare Arthroskopiekamera an. Schließen Sie eine tragbare Arthroskopie-Kamera-Lichtquelle an das 70°-Arthroskop an. Schließen Sie USB-Kabel von der Arthroskopiekamera und der Lichtquelle an einen PC an. Öffnen Sie dann die erweiterte Bildschirmaufzeichnungssoftware für die Arthroskopie-Ansicht auf dem PC.
- Erstellung von Portalen
HINWEIS: Auf die Zubereitung folgt die herkömmliche Hüftarthroskopiemethode7.- Legen Sie eine kanülierte Nadel und Führungsdraht in das Hüftgelenk von der Spitze des größeren Trochanters, um ein normales anterolaterales Portal zu machen.
- Legen Sie eine 5,5 mm Kanüle mit einem Obturator entlang der Linie des Führungsdrahtes ein. Entfernen Sie dann den Obturator, und legen Sie das 70°-Arthroskop mit der tragbaren Arthroskopie-Kamera entlang der Kanüle ein und erzeugen so das erste Portal.
- Bestätigen Sie, ob das Kapseldreieck zwischen Labrum und Oberschenkelkopf7 in der Ansicht von diesem Portal aus zu sehen ist. Als Nächstes machen Sie das zweite Portal als modifiziertes vorderes Portal7.
- Kapsulotomie, Öffnung der Hüftkapsel
- Wenn das vordere Portal erzeugt wurde, bewahren Sie das Arthroskop im anterolateralen Portal auf. Legen Sie eine 4,5 mm Kanüle mit einem Obturator entlang des Führungsdrahtes ein, entfernen Sie den Obturator, und legen Sie dann ein arthroskopisches Skalpell aus dem vorderen Portal ein. Führen Sie eine Peri-Portal-Capsulotomie um das vordere Portal durch und bewegen Sie das Skalpell medial und seitlich, um mehr Platz für das vordere Portal in der Hüftkapsel zu schaffen.
- Legen Sie das Arthroskop in das vordere Portal. Drehen Sie die Kameraansicht des Arthroskops, bis Sie die Kanüle am anterolateralen Portal sehen. Legen Sie das arthroskopische Skalpell aus dem anterolateralen Portal ein. Führen Sie eine querverzahnende Interportal-Capsulotomie durch, die zwischen den beiden Portalen von ca. 10 Uhr bis 2 Uhr verbunden ist. Dann lassen Sie diese Capsulotomie 5 mm vom Labrum, die etwa 15 mm lang ist.
- Einrichtung des Sondierungsgeräts
- Bestätigen Sie die Verbindung zwischen Netzteil und PC mit einem USB-Kabel. Schalten Sie das Netzteil ein. Öffnen Sie die Software für das Sondierungsgerät, die in der Einführung beschrieben wird.
- Geben Sie die Matrixdaten zum ersten Mal ein, die bei der Kalibrierung des Dehnungsmesssensors vorberechnet werden. Neu kalibrieren, wenn der Messwert nicht mit dem Standardgewichtswert identisch ist, wenn er an der Spitze der Sonde platziert wird.
- Setzen Sie den Messkraftwert unmittelbar vor jeder Messung auf Null zurück. Bestätigen Sie außerdem, ob der mit dem Aufzeichnungssystem des Sondierungsgeräts verbundene Fußschalter gut funktioniert.
- Messung des Widerstands des Acetabular-Labrums während des Pull-Probings
- Legen Sie das Arthroskop in das anterolaterale Portal. Setzen Sie das Sondierungsgerät aus dem vorderen Portal ein und gehen Sie weiter in das Hüftgelenk, bis sich die Spitze des Geräts unterhalb der Innenseite des Acetabular-Labrums befindet.
- Null die Einstellung wie oben. Ziehen Sie die Spitze des Sondierungsgeräts in Richtung des Gelenks heraus (dies ist der erste chirurgische Schritt als "Labrum intakt") (Abbildung 3).
- Entfernen Sie das Sondierungsgerät aus dem vorderen Portal und legen Sie dann das arthroskopische Skalpell in das Gelenk ein. Dann lösen Sie das vordere überlegene Labrum längs (um 10 mm) vom Acetabularrand mit dem Skalpell scharf.
- Wechseln Sie vom Skalpell zum Sondierungsgerät im vorderen Bereich. Haken Sie das Labrum entlang der Sondenachse an der gleichen Position des Labrums, um die Widerstandskraft des Labrums zu messen (dies wird als zweiter Schritt identifiziert, "Labrum-Schnitt"). Denken Sie noch einmal daran, die Einstellung vor dieser Messung auf Null zu setzen.
- Legen Sie ein Ankerset für die Labrum-Reparatur in das vordere Portal ein. Platzieren Sie den Anker an der Spitze des Ankers an der acetabularknöchernden Kante. Setzen Sie das Nahtinstrument in das vordere Portal ein, nachdem Sie den Ankersatz entfernt haben. Ziehen Sie das Labrum an der Acetabularkante an. Wiederholen Sie diesen Reparaturvorgang noch einmal, um den zweiten Stich zu machen.
- Messen Sie die Widerstandskraft des Labrums, indem Sie das Labrum wieder entlang der Sondierungsachse einhaken (dies ist als dritter Schritt, "Labrum-Reparatur"). Denken Sie daran, das Fußpedal zu drücken, wenn Sie jeden chirurgischen Schritt aufzeichnen.
2. Messung der Reaktionskraft zur Nachahmung von Knorpelproben mit Push-Probing
ANMERKUNG: In der zweiten Studie wurde eine vertikale Widerstandskraft auf jeder Mimikknorpeloberfläche gemessen (Abbildung 4A) mit Push-Sondierung auf der Knorpeloberfläche bei einer Neigung von 30° zur horizontalen Linie und als ein Element der mechanischen Eigenschaften des Gelenkknorpels identifiziert.
- Vorbereitung der Proben für Messungen mit Push-Probing.
- Bereiten Sie die Knorpelproben vor. In der aktuellen Studie wurden fünf Arten von mimimischen Knorpelproben verwendet, die aus Poly-Vinyl-Alkoholhydrogelen8hergestellt wurden.
- Die Proben von der Massengröße der gelieferten Proben auf 15 mm x 20 mm x 3 mm als mimische Knorpelplatte umformen. Legen Sie jede Probe auf eine Grundplatte, die einen winzigen Stopper zur Seite des Push-Probings hat.
- Messung der Knorpelbeständigkeit mit Push-Probing
- Halten und fixieren Sie die Position und Ausrichtung der Sondierungsvorrichtung, bei der die Spitze des Geräts fast die Oberfläche der Mimikknorpelprobe berührt, während eine Neigung von 30° zur horizontalen Linie beibehalten wird.
- Nach null ieren die Einstellung, drücken und ziehen Sie die Spitze des Sondierungsgeräts auf der Mimik Knorpelprobe dreimal durch Drücken des Fußpedals.
- Wiederholen Sie diesen Messschritt für die fünf Proben, nachdem Sie jede platte aufgelegt haben.
- Messung des Knorpelwiderstands durch ein klassisches Einrückungsgerät
- Messen Sie den herkömmlichen elastischen Modul und die Steifigkeit jeder Probe mit einem klassischen Einzugsgerät(Abbildung 4B).
HINWEIS: Das kundenspezifische Gerät für den klassischen Einzugstest zur Messung des elastischen Moduls der Mimikknorpelprobe in der aktuellen Studie hatte einen kugelförmigen Einrückspiegel mit einer Spitze mit einem Durchmesser von 1 mm und einen elektromechanischen Aktuator (Auflösung, 5 m). Aktuator, Eindringkörper und Wägezelle wurden mit benutzerdefinierten 3D-gedruckten Halterungen durch PLA-Filamente auf einem 3D-Drucker(Abbildung 4B) zusammengebaut, um als herkömmliches uniaxiales Einrückungssystem zu fungieren. Jede Probe wurde auf die Grundplatte des Einzugsgeräts gelegt. Der Mittelpunkt der Probe wurde an der Einzugsspitze ausgerichtet. Die Einrückungsspitze wurde mit einer Vorspannung von 0,02 N in Erstkontakt mit der Probe gebracht. Die Einrückterspitze wurde dann 150 m in die Knorpeloberfläche verdichtet. Die Kraft und Verschiebung wurden während des Einzugs aufgezeichnet. Der lineare Teil der Einzugskraft-Verschiebungskurve wurde verwendet, um die Steifigkeit und den elastischen Modul zu berechnen, wie von Hayes et al.24 unter Verwendung der Dicke der Probe berichtet. Die Daten dieses Geräts wurden nicht validiert, aber die mechanischen Werte der Knorpelproben durch dieses Gerät wurden zuvor bestätigt; der elastische Modul betrug 0,46 MPa (0,27 MPa Standardabweichung (SD)), was mit dem in mehreren früheren Literaturstudien11,16,19übereinstimmt. - Berechnen Sie den Koeffizientenwert zwischen dem Maximalwert der vertikalen Reaktionskraft mit Push-Probing und dem elastischen Modul durch die klassische Einrückungsvorrichtung.
- Messen Sie den herkömmlichen elastischen Modul und die Steifigkeit jeder Probe mit einem klassischen Einzugsgerät(Abbildung 4B).
Representative Results
Widerstandskraft des Acetabular-Labrums in den drei chirurgischen Schritten mit Pull-Probing
Die von diesem Sondierungsgerät bei jedem Schritt aufgezeichneten Messungen wurden dreimal wiederholt. Die Ergebnisse zeigen, dass die höchsten mittleren resultierenden Kräfte von y und z für das Acetabular-Labrum für die drei Stufen 4,4 N (0,2 N SD) am intakten Labrum, 1,6 N (0,1 N SD) am Geschnittenlabrum und 4,6 N (0,7 N SD) am reparierten Labrum(Abbildung 5) waren. Die Querkraft betrug nur 2,8 % der höchsten resultierenden Kraft, während sie am intakten Labrum untersucht wurde.
Beziehung zwischen den beiden unterschiedlich skalierten mechanischen Eigenschaften durch das Sondierungsgerät mit Push-Probing und klassischem Einzugsgerät
Die Ergebnisse zeigen eine signifikante positive Beziehung zwischen den beiden erhaltenen mechanischen Eigenschaften: Sondierungssensor vs. Elastikmodul, r = 0,965 und p = 0,0044 (Abbildung 6); Sondierungssensor vs Steifigkeit, r = 0,975 und p = 0,0021).
Abbildung 1: In der aktuellen Studie verwendete Sondierungsvorrichtung (A) Die Sondierungsvorrichtung besteht aus einer Sondenkomponente und einer Griffkomponente mit einem eingebetteten Dehnungsmesssensor, der die Kräfte an der Spitze der Sonde dreiachsig messen kann (eine entlang der Sondenachse, gepunkteter gelber Pfeil; weitere zwei senkrecht zur Sondenachse, gepunktete weiße Pfeile) (B) Da die Griffkomponente ein Gleitstück hat, können die Sondenkomponente und der Gleitaspekt mit dem Zeigefinger, massiver gelber Pfeil, zum Griff bewegt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Ansicht der Software für das Sondierungsgerät. Diese Ansicht zeigt die dreiachsigen Echtzeit-Messwerte der Widerstandskraft der Weichgewebe während der Sondierung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Repräsentative Betriebsansicht des Arthroskopiemonitors während der Pull-Probing des Acetabular-Labrums. Diese Ansicht stammt von einem typischen anterolateralen Portal. Das Sondierungsgerät wird aus einem modifizierten vorderen Ansatz eingefügt. Die Pull-Sondierung erfolgt entlang der Achse der Sonde (gepunkteter Pfeil). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Zwei verschiedene Skalentests für mechanische Eigenschaften von Imitiertem Gelenkknorpelgewebe (A) Messung der Reaktionskraft senkrecht zur Knorpeloberfläche beim manuellen Schieben der Sonde (B) Klassischer Einzugstest (vertikal auf die Knorpeloberfläche komprimiert), um die Übereinstimmung zwischen diesen beiden mechanischen Eigenschaftstests zu verstehen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Widerstandskräfte des Acetabular-Labrums mit Pull-Probing. Widerstandskräfte des Acetabular-Labrums mit Zug-Sondierung für die drei chirurgischen Schritte. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: Verhältnis zwischen der vertikalen Eingreifkraft auf der Knorpeloberfläche mit Push-Probing und elastischem Modul durch den klassischen Einzugstest. Die vertikale Reaktionskraft auf der Knorpeloberfläche mit Push-Probing hatte eine starke positive Korrelation (r = 0,965, p = 0,0044) mit dem elastischen Modul durch den klassischen Einzugstest. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Discussion
Diese Studie zeigt, dass die Sondierungsvorrichtung in der Lage ist, die Widerstandsfähigkeit von Weichteilen im Gelenk während der arthroskopischen Sondierung dreiachsig zu messen. Insbesondere wurden die folgenden beiden Dinge untersucht: 1) der Unterschied in der Widerstandskraft des Acetabular-Labrums mit Pull-Probing in den drei chirurgischen Schritten einer typischen Labralreparatur und 2) die Beziehung zwischen zwei verschiedenen mechanischen Eigenschaften des Mimikknorpelgewebes mit Push-Pulling.
Nach dieser Studie können die quantitativ gemessenen Werte durch Pull-Probing mit diesem Gerät für die Beurteilung des Zustands des Gelenkweichgewebes nützlich sein. Die höchsten Widerstandswerte des Acetabular-Labrums verringerten sich, wenn das Labrum geschnitten wurde. Darüber hinaus wurden die hohen Widerstandswerte bei der Reparatur des Labrums wiederhergestellt. Somit kann die Sondierungskraft auch nützlich sein, um zu beurteilen, ob ein chirurgischer Eingriff ausreichend ist. Darüber hinaus kann dieses Pull-Probing auch zur Beurteilung anderer Weichgewebe wie vordere und hintere Kreuzbänder für Instabilität, mediale und laterale Kollateralbänder für Valgus- oder Varus-Balance bei Knieoperationen, Labrum- und Rotatormanschetten bei Schulteroperationen sowie bei anderen arthroskopischen Operationen eingesetzt werden.
Ähnliche Ergebnisse wurden zuvor mit 10 frischen Kadaver Hüftproben mit einem ähnlichen Sondierungsgerät3berichtet. Die höchsten Widerstandswerte des Labrums wurden beim Schneiden des Labrums deutlich reduziert (intaktes Labrum, 8,2 N; geschnittenes Labrum, 4,0 N). Darüber hinaus wurde der hohe Widerstand des Labrums bei der Reparatur des Labrums deutlich wiederhergestellt (Schnitt, 4,0 N; repariert, 7,8N). Darüber hinaus wurde das Widerstandsniveau für das geschnittene Labrum (3,0-5,0 N) statistisch mit 95% Vertrauen von denen des intakten (6,5-9,9 N) und reparierten Labrums (6,7-9,1 N) getrennt. Daher könnte eine Schwelle für die Erkennung von Läsionen im Labrum bestimmt werden, die etwa 5 N (4-6 N auf Kadavern) des höchsten Widerstandsniveaus des Labrums beträgt. Laut der aktuellen Studie könnte eine solche Schwelle an der Phantomhüfte etwa 2-3 N sein.
Ein weiteres interessantes Ergebnis der aktuellen Studie ist die signifikante positive Beziehung zwischen der Reaktionskraft auf der mimischen Knorpeloberfläche durch die Push-Probing-Vorrichtung und dem elastischen Modul durch die klassische Einrückungsvorrichtung. Wenn Push-Probing durchgeführt wird, wie in Abbildung 4 gezeigt und sich dann die Spitze der Sonde auf der Oberfläche bewegt, tritt eine Reaktionskraft auf. Dadurch wird die Spitze der Sonde durch die Eingreifkraft nach oben geschoben. Dies wird als senkrechte Kraft der Sondenachse gemessen. Wenn in diesem Fall die mechanische Eigenschaft des mimischen Knorpelgewebes gering (d.h. weich) ist, kann die Kraft des Schubsens an die Oberfläche des Knorpels teilweise absorbiert werden. Dann sollte seine Reaktionskraft auf der Oberfläche bis zur Spitze der Sonde im Vergleich zu der im Falle von Push-Probing auf hartem Knorpelgewebe geschwächt werden. Dadurch würde die senkrechte Kraft der Sondenachse verringert. Wenn also der Winkel der Sondierungsachse zur mimischen Knorpeloberfläche durch neue Technologien, wie z.B. einen tragbaren Kreiselsensor9,10,gesteuert werden kann, können die in situ mechanischen Eigenschaften des Knorpelgewebes bewertet werden.
Mehrere Forschungsgruppen haben versucht, Geräte zu entwickeln, um die Qualität des Gelenkknorpels in vivo während der Arthroskopie quantitativ zu bewerten11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22 mit verschiedenen Methoden, wie Ultraschall-Biomikroskopie11, arthroskopische Ultraschall-Bildgebung12, optische Reflexionsspektroskopie13, gepulste Laserbestrahlung14, Nahinfrarot-Spektroskopie15und Ultraschall-basierte16, mechanische16,17,18,19,20,21, und elektromechanische Einrückungsgeräte22. Die meisten Geräte mit Ausnahme der Einzugsvorrichtungen11,12,13,14,15 können die Dicke der Knorpelschicht messen; Sie können jedoch keine zugehörigen mechanischen Eigenschaftswerte messen. Obwohl Ultraschall- und mechanische Einrückevorrichtungen16,17,18 einige mechanische Eigenschaften des Gelenkknorpels messen können, muss die Oberfläche der Spitze des Geräts vertikal zur Gelenkknorpeloberfläche berührt werden, gefolgt von herkömmlichen Methoden der Kompressionsprüfung. Die verbleibende elektromechanische Einrückungsvorrichtung22,23, die vor kurzem entwickelt wurde, hat eine kugelförmige Form an der Spitze des Geräts; hier könnte es schwierig sein, zu bestimmen, wie man die Spitze während der Arthroskopie an die Knorpeloberfläche berührt, da sie den Messpunkt durch die Spitze selbst verdunkelt. Darüber hinaus ist der quantitative Wert (genannt QP22,23) nicht aufeinander folgend und scheint eher eine Schadensbewertung zu sein (von 4 bis 20 für die Knorpelbewertung). Beispielsweise ist der Wert 4 QP nicht das Doppelte des 2 QP-Werts wert.
Ein wichtiger Punkt ist, dass das Gerät so weit wie möglich an einer Form der klassischen Sonde haftet. Darüber hinaus wird eine konventionelle und bekannte Parametereinheit (d.h. Newton) für die Prüfvorrichtung zum Teil angewendet, weil sie nacheinander quantitativ ist. In diesem Zusammenhang kann das hier beschriebene Sondierungsgerät die Bedingungen konventioneller Sondierungen basierend auf dem "Chirurgengefühl" reproduzieren. Somit wird gezeigt, dass diese Sondierungsvorrichtung für die Messung bestimmter mechanischer Eigenschaften in Gelenken während der Arthroskopie nützlich ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hier beschriebene Sondierungsvorrichtung, die den Widerstand von Weichgeweben mit einem triaxialen Kraftsensor sowohl durch Pull- als auch Push-Probing quantitativ messen kann, für die quantitative Bewertung umfassender Läsionen oder Bedingungen der Gelenkweichgewebe nützlich sein kann, was eine Verbesserung der aktuellen qualitativen Bewertung konventioneller Sondierungen darstellt.
Disclosures
Der Autor hat nichts zu verraten.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde teilweise durch JSPS KAKENHI-Stipendien JP19K09658 und JP18KK0104 sowie ein Stipendium der Japanischen Stiftung für Forschung und Förderung der Endoskopie (JFE) unterstützt. Der Autor dankt Professor Darryl D. D'Lima und Demprofessional Scientific Collaborator Erik W. Dorthe vom Shiley Center for Orthopaedic Research and Education an der Scripps Clinic für die Erlaubnis, das maßgeschneiderte Gerät für den klassischen Einzugstest an der Institution zu duplizieren und den Autor bei Kollaborationsstudien zu unterstützen.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Boddy, K. J., et al. Exploring wearable sensors as an alternative to marker-based motion capture in the pitching delivery. PeerJ. 7, 6365 (2019).
- Aroganam, G., Nadarajah Manivannan, N., Harrison, D. Review on Wearable Technology Sensors Used in Consumer Sport Applications. Sensors. 19 (9), 1983 (2019).
- Gelse, K., et al. Quantitative ultrasound biomicroscopy for the analysis of healthy and repair cartilage tissue. European Cells & Materials. 19, 58-71 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kiviranta, P., Lammentausta, E., Töyräs, J., Kiviranta, I., Jurvelin, J. S. Indentation diagnostics of cartilage degeneration. Osteoarthritis Cartilage. 16 (7), 796-804 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
