Sondering under artroskopi kirurgi görs normalt för att bedöma tillståndet i mjukvävnaden, men detta tillvägagångssätt har alltid varit subjektivt och kvalitativt. Denna rapport beskriver en sonderingsanordning som kan mäta motståndet hos mjukvävnaden kvantitativt med en tri-axiell kraftsensor under artroskopi.
Sondering i artroskopisk kirurgi utförs genom att dra eller trycka på mjukvävnaden, vilket ger feedback för att förstå tillståndet i mjukvävnaden. Dock är produktionen endast kvalitativ baserat på “kirurgens känsla”. Häri beskrivs en sondering enhet som utvecklats för att lösa detta problem genom att mäta motståndet hos mjuka vävnader kvantitativt med en tri-axiell kraftsensor. Under båda förhållanden (dvs. pull- och push-sondering vissa vävnader härma acetabular labrum och brosk), denna sondering enhet visar sig vara användbart för att mäta vissa mekaniska egenskaper i lederna under artroskopi.
Processen för sondering, som drar (eller krokar) eller skjuter mjuka vävnader i lederna med en metallisk sond, gör det möjligt att bedöma tillståndet hos mjuka vävnader under artroskopisk kirurgi1,2. Utvärderingen av sonderingen är dock mycket subjektiv och kvalitativ (dvs. kirurgens känsla).
På grundval av detta sammanhang, om motståndet hos mjukvävnaden (t.ex. kapsel eller labrum i höftleden, menisk eller ligament i knäleden) under dragning kan mätas kvantitativt, kan det vara användbart för kirurger att bedöma behovet av en reparation för mjukvävnaden och en indikation på om ytterligare kirurgiskt ingrepp är nödvändigt även efter den primära reparationen är klar3,4,5. Dessutom måste kriterier för viktiga kvantitativa variabler för att indikera nödvändigt kirurgiskt ingrepp fastställas för kirurger. Dessutom, i motsatt riktning, driver sonden kan användas för att bedöma de mekaniska egenskaperna hos ledbrosk vävnader. Inom områdena vävnadsteknik och regenerativ medicin, såsom ersättning av skadade, degenererade eller sjuka broskvävnader, kan in situ-utvärdering av push-sondering vara avgörande2,6.
Denna artikel rapporterar utvecklingen av en sondering enhet med en tri-axiell kraftsensor6 som kan mäta motståndet hos mjukvävnad kvantitativt under artroskopi. Denna sondenhet består av en sondkomponent med en halvlängdsstorlek (200 mm) av en normal artroskopisk sond och en greppkomponent där en töjningsmätares sensor är inbäddad för att mäta den resulterande kraften hos tre axlar vid sondens spets (figur 1). Töjningsmätaren sensorn gjordes speciellt för sondering. Töjningsmätaren är inbäddad högst upp på greppkomponenten, som ansluts till sondkomponenten. Upplösningen på den här avbordningen är 0,005 N. Precisionen och noggrannheten mättes också med en kommersialiserad vikt med känd vikt (50 g). Precisionen var 0,013 N och noggrannheten är 0,0035 N.
Dessutom har en glidande aspekt av greppkomponenten implementerats för att styra avståndet med kirurgens pekfinger eller tumme medan du drar eller trycker på sonden. Under mätningen av motståndet är det uppmätta värdet beroende av både dragningsavståndet för sonderingsanordningen och dragkraften, vilket är anledningen till att av sonderingsanordningens dragavstånd styrs av glidaspekten. Glidavståndet för greppkomponenten i sonderingsanordningen sattes till 3 mm för följande representativa fall i denna studie.
Som visas i figur 1kan de mjuka vävnadernas motståndskraft mätas triaxiellt. Den första kraften är längs sondaxeln. Den andra är vinkelrät mot sondaxeln längs sondens kroks riktning, och den tredje är i tvärgående riktning. Mätning av krafterna görs med hjälp av följande allmänna metod: Kraftsensorn med tre axlar omfattar tre Wheatstone-broar som motsvarar x-, y- och z-axlarna. Lastprofilens motståndsvärde ändras beroende på den applicerade lastens storlek och mittpunktsspänningen på bryggan ändras så att kraften kan detekteras som en elektrisk signal. Mätområdet för denna enhet är 50 N i riktning mot sondaxeln och 10 N i de två återstående riktningarna.
Dedikerad programvara har utvecklats för denna sond där programvaran visar de tre krafterna i x- och z-riktningarna (x är den tvärgående riktningen, y är den vertikala riktningen (krokens riktning) och z är sondaxeln) mätt med sondenheten i realtid med en frekvens på 50 Hz som tre separata grafer (figur 2). Alternativt kan ett tunt elastiskt lock som normalt används för intraoperativ användning av ultraljudsenheter användas för tätskikt här.
Denna sonderingsanordning kan på så sätt göra det möjligt att bedöma vissa villkor för mjuka vävnader. Dessutom kan denna sonderingsanordning möjliggöra utvärdering av de mekaniska egenskaperna hos ledbroskvävnader. För detta ändamål kan reaktionskraften på ledbrosket ytan medan glida spetsen på denna sonderingsanordning framåt på ytan vara korrelerad med den mekaniska egenskapen hos ledbrosket.
Syftet med denna studie är att införa hur sonderingsanordningen kan användas. Först är mätningar av en härma acetabular labrum som en representativ vävnad medan pull-sondering med en fantom höft modell. Undersökt är skillnaden i resistens acetabular labrum i tre kirurgiska steg för en typisk labral reparation. Andra är mätningar av en representativ härma broskvävnad genom push-sondering. Också undersökt är ett samband mellan två olika mekaniska egenskaper mimic broskvävnad mätt med denna sonderingsanordning och en klassisk fördjupningsanordning för att validera den nya metoden för att mäta de mekaniska egenskaperna hos ledbrosket.
Denna studie visar att sonderingsanordningen kan mäta tri-axiellt motståndet hos mjuka vävnader i leden under artroskopisk sondering. Närmare bestämt undersöktes följande två saker: 1) skillnaden i motståndskraften hos acetabular labrum med pull-sondering i de tre kirurgiska stegen i en typisk labral reparation och 2) förhållandet mellan två olika mekaniska egenskaper härma brosk vävnad med push-pulling.
Enligt denna studie kan de kvantitativt uppmätta värdena genom pull-sondering med denna anordning vara användbara för att utvärdera tillståndet hos den gemensamma mjukvävnaden. De högsta motståndsnivåerna i acetabular labrum minskade när labrum skars. Dessutom återfanns de höga resistensnivåerna när labrum reparerades. Således kan sonderingskraften också vara användbar för att utvärdera om kirurgisk ingrepp är tillräckligt. Dessutom kan denna pull-sondering användas för att bedöma andra mjuka vävnader samt, såsom främre och bakre korsband för instabilitet, mediala och laterala säkerheter ligament för valgus eller varus balans i knä operationer, labrum och rotatorkuffen i axeloperationer, liksom för andra artroskopiska operationer.
Liknande resultat har tidigare rapporterats med 10 färska kadaver höftprover med en liknande sonderingsanordning3. De högsta resistansnivåerna i labrum minskade signifikant när labrum skars (intakt labrum, 8,2 N; skär labrum, 4,0 N). Dessutom var den höga resistensnivån i labrum återhämtade sig avsevärt när labrum reparerades (cut, 4.0 N; repareras, 7.8N). Dessutom var resistensnivå för cut labrum (3,0-5,0 N) statistiskt åtskilda med 95% förtroende från de intakta (6,5-9,9 N) och reparerade labrum (6,7-9,1 N). Därför kan en tröskel för att upptäcka skador i labrum fastställas, vilket är cirka 5 N (4-6 N på kadaver) av den högsta resistansnivån i labrum. Enligt den aktuella studien kan en sådan tröskel på fantomhöftet vara runt 2-3 N.
Ett annat intressant fynd i den aktuella studien är det signifikanta positiva förhållandet mellan reaktionskraften på härma broskytan av push-sonderingsanordningen och den elastiska modulusen av den klassiska indragsanordningen. När push-sondering utförs enligt figur 4 och sondens spets rör sig på ytan uppstår en reaktionskraft. Som ett resultat trycks sondens spets upp av reaktionskraften. Detta mäts som den vinkelräta kraften i sondaxeln. I denna situation, om den mekaniska egenskapen hos härma broskvävnad är liten (dvs. mjuk), kraften i push-sondering till ytan av brosket kan delvis absorberas. Sedan bör dess reaktionskraft på ytan till sondens spets försvagas jämfört med den vid push-sondering på hård broskvävnad. Som ett resultat skulle den vinkelräta kraften i sondaxeln minskas. Därför, om vinkeln på sonderingsaxeln till härma broskytan kan styras av ny teknik, såsom en bärbar gyrosensor9,10, kan broskvävnadens in situ mekaniska egenskaper utvärderas.
Flera forskargrupper har försökt att utveckla anordningar för att kvantitativt utvärdera kvaliteten på ledbrosk in vivo under artroskopi11,12,13,14,,15,16,17,18,19,20,21,22 med olika metoder, såsom ultraljud biomikroskopi11, arthroscopic ultraljud imaging12, optisk reflektion spektroskopi13, pulsade laser bestrålning14, nära infraröd spektroskopi15, och ultraljud-baserade16, mekanisk16,17,18,19,20,,21, och elektromekaniska indentation enheter22., De flesta av anordningarna med undantag för fördjupningen11,,12,13,14,15 kan mäta tjockleken på broskskiktet; De kan dock inte mäta relaterade mekaniska egenskapsvärden. Även ultraljud och mekanisk-baserade fördjupning enheter16,17,18 kan mäta vissa mekaniska egenskaper artikulärt brosk, måste ytan av spetsen på enheten röras vertikalt till ledbrosk ytan, som följs av konventionella metoder för kompressionstestning. Den återstående elektromekaniska indragsanordningen22,23 som nyligen har utvecklats har en sfärisk form på apparatens spets. här kan det vara svårt att avgöra hur man rör spetsen till broskytan under artroskopi på grund av dess relativt större storlek skymmer mätpunkten av spetsen själv. Dessutom är det kvantitativa värdet (kallas QP22,23) inte i följd och snarare verkar vara en skada poäng (från 4 till 20 för brosk bedömning). Värdet på 4 QP är till exempel inte värt dubbelt så stort som värdet 2 QP.
En viktig punkt är att enheten följer så mycket som möjligt till en form av den klassiska sonden. Dessutom tillämpas en konventionell och känd parameterenhet (dvs. newton) för sonderingsanordningen delvis eftersom den är i följd kvantitativ. I detta sammanhang kan den sonderingsanordning som beskrivs här reproducera villkoren för konventionell sondering baserat på “kirurgens känsla”. Således är denna sonderingsanordning visat sig vara användbar för att mäta vissa mekaniska egenskaper i lederna under artroskopi.
Sammanfattningsvis kan den sonderingsanordning som beskrivs här, som kvantitativt kan mäta motståndet hos mjuka vävnader med en triaxial kraftsensor genom både pull- och push-sondering, vara användbart för att kvantitativt utvärdera omfattande lesioner eller villkor för de gemensamma mjuka vävnaderna, vilket är en förbättring av den nuvarande kvalitativa utvärderingen av konventionell sondering.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes delvis av JSPS KAKENHI-bidrag JP19K09658 och JP18KK0104 och en japansk stiftelse för forskning och främjande av endoskopi (JFE) bidrag. Författaren vill tacka professor Darryl D. D’Lima och professionell vetenskaplig medarbetare Erik W. Dorthe i Shiley Center for Orthopaedic Research and Education vid Scripps Clinic för tillstånd att duplicera den anpassade enheten för den klassiska indragstestet vid institutionen, och för att stödja författaren med samarbetsstudier.
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 |