جهاز فحص للقياس الكمي للخصائص الميكانيكية للأنسجة الرخوة أثناء تنظير المفصل
Summary
يتم التحقيق أثناء جراحة التنظير عادة لتقييم حالة الأنسجة الرخوة ، ولكن هذا النهج كان دائمًا ذاتيًا ونوعيًا. يصف هذا التقرير جهاز فحص يمكنه قياس مقاومة الأنسجة الرخوة كمياً باستخدام مستشعر قوة ثلاثي المحور أثناء تنظير المفصل.
Abstract
يتم إجراء الفحص في جراحة بالمنظار عن طريق سحب أو دفع الأنسجة الرخوة ، مما يوفر ردود فعل لفهم حالة الأنسجة الرخوة. ومع ذلك، الإخراج هو نوعي فقط على أساس “شعور الجراح”. ويرد هنا وصف جهاز التحقيق وضعت لمعالجة هذه المسألة من خلال قياس مقاومة الأنسجة الرخوة من الناحية الكمية مع جهاز استشعار قوة ثلاثية المحور. تحت كلا الشرطين (أي سحب ودفع فحص بعض الأنسجة تحاكي labrum acetabular والغضاريف) ، وجد أن هذا الجهاز التحقيق مفيد لقياس بعض الخصائص الميكانيكية في المفاصل أثناء تنظير المفصل.
Introduction
عملية التحقيق، والتي تسحب (أو السنانير) أو يدفع الأنسجة الرخوة في المفاصل مع مسبار معدني، يسمح لتقييم حالة الأنسجة الرخوة أثناء الجراحة بالمنظار1،2. ومع ذلك ، فإن تقييم التحقيق هو ذاتي جدا ونوعية (أي ، شعور الجراح).
على أساس هذا السياق، إذا كان يمكن قياس مقاومة الأنسجة الرخوة (مثل كبسولة أو labrum في مفصل الورك، الغضروف المفصلي أو الرباط في مفصل الركبة) أثناء السحب كميا، يمكن أن يكون من المفيد للجراحين للحكم على ضرورة إصلاح الأنسجة الرخوة والإشارة إلى ما إذا كان التدخل الجراحي الإضافي ضروري حتى بعد الانتهاء من الإصلاح الأولي3،,4،,5. وعلاوة على ذلك، يجب وضع معايير للمتغيرات الكمية الرئيسية للإشارة إلى التدخل الجراحي اللازم للجراحين. بالإضافة إلى ذلك ، في الاتجاه المعاكس ، يمكن استخدام دفع المسبار لتقييم الخصائص الميكانيكية للأنسجة الغضروف المفصلي. في مجالات هندسة الأنسجة والطب التجديدي، مثل استبدال التالفة، منحط، أو أنسجة الغضروف المريضة، في التقييم الموضعي للدفع التحقيق يمكن أن تكون حرجة2،6.
هذه المادة تقارير عن تطوير جهاز التحقيق مع جهاز استشعار قوة ثلاثية المحور6 التي يمكن قياس مقاومة الأنسجة الرخوة كميا أثناء تنظير المفصل. هذا الجهاز التحقيق يتكون من عنصر التحقيق مع حجم نصف طول (200 مم) من مسبار بالمنظار العادي، وعنصر قبضة التي يتم تضمين جهاز استشعار قياس الإجهاد لقياس القوة الناتجة من ثلاثة محاور في طرف المسبار (الشكل 1). تم إجراء جهاز استشعار قياس الإجهاد خصيصًا لإجراء التحقيق. يتم تضمين مقياس الضغط في الجزء العلوي من مكون القبضة، الذي يتصل بمكون المسبار. دقة هذا الجهاز التحقيق هو 0.005 N. كما تم قياس الدقة والدقة من خلال وزن تجاري مع وزن معروف (50 غرام). وكان الدقة 0.013 N ودقة 0.0035 N.
وعلاوة على ذلك، تم تنفيذ جانب انزلاقي من عنصر قبضة للسيطرة على المسافة مع السبابة الجراح أو الإبهام أثناء سحب أو دفع التحقيق. خلال عملية قياس المقاومة ، تعتمد القيمة المقاسة على كل من مسافة سحب جهاز التحقيق وقوة السحب ، وهذا هو السبب في أن مسافة السحب لجهاز التحقيق يتم التحكم بها من جانب الانزلاق. تم تعيين مسافة انزلاق عنصر قبضة جهاز التحقيق إلى 3 ملم للحالات التمثيلية التالية في هذه الدراسة.
كما هو مبين في الشكل 1، يمكن بالتالي قياس قوة المقاومة للأنسجة الرخوة ثلاثية axially. القوة الأولى على طول محور المسبار. والثاني عمودي على محور المسبار على طول اتجاه خطاف المسبار، والثالث في الاتجاه العرضي. ويتم قياس القوات باستخدام الطريقة العامة التالية: يشمل مستشعر القوة الثلاثي المحاور ثلاثة جسور من ويتستون تقابل المحاور س وص والى ع. تتغير قيمة مقاومة قياس السلالة وفقًا لحجم الحمل المطبق ، وتتغير جهد نقطة الوسط للجسر بحيث يمكن اكتشاف القوة كإشارة كهربائية. نطاق قياس هذا الجهاز هو 50 N في اتجاه محور التحقيق و 10 N في الاتجاهين المتبقيين.
وقد تم تطوير برامج مخصصة لهذا المسبار الذي يظهر البرنامج القوى الثلاثة في الاتجاهات س ، ص ، و ض (س هو الاتجاه العرضي ، ص هو الاتجاه العمودي (اتجاه الخطاف) ، و ض هو محور التحقيق) تقاس من قبل جهاز التحقيق في الوقت الحقيقي مع تردد 50 هرتز وثلاثة رسوم بيانية منفصلة (الشكل 2). اختياريا، يمكن استخدام غطاء مرن رقيقة تستخدم عادة للاستخدام داخل العملية من أجهزة الموجات فوق الصوتية لتسرب المياه هنا.
وبالتالي فإن هذا الجهاز التحقيقي يمكن أن يسمح بتقييم بعض الشروط من الأنسجة الرخوة. بالإضافة إلى ذلك، قد يسمح جهاز التحقيق هذا بتقييم الخصائص الميكانيكية للأنسجة الغضروف المفصلي. وتحقيقا لهذه الغاية، قد تكون مرتبطة قوة رد الفعل على سطح الغضروف المفصلي في حين انزلاق غيض من هذا الجهاز التحقيق إلى الأمام على السطح مع الخاصية الميكانيكية للغضاريف المفصلية.
الغرض من هذه الدراسة هو تقديم كيفية استخدام جهاز التحقيق. أولا قياسات ل labrum تقليد acetabular كما الأنسجة التمثيلية في حين سحب التحقيق مع نموذج الورك الوهمية. التحقيق هو الفرق في مقاومة labrum acetabular في ثلاث خطوات جراحية لإصلاح لابر نموذجي. ثانياً قياسات لتقليد ممثل أنسجة الغضروف من خلال التحقيق في الدفع. كما تم التحقيق فيها هو وجود علاقة بين اثنين من الخصائص الميكانيكية المختلفة للأنسجة الغضروف تقليد كما يقاس هذا الجهاز التحقيق وجهاز المسافة البادئة الكلاسيكية للتحقق من صحة طريقة جديدة لقياس الخصائص الميكانيكية للغضاريف المفصلية.
Protocol
Representative Results
Discussion
هذه الدراسة تثبت أن جهاز التحقيق قادر على قياس ثلاثي axially مقاومة الأنسجة الرخوة في المفصل أثناء التحقيق بالمنظار. على وجه التحديد، تم التحقيق في الأمرين التاليين: 1) الفرق في قوة المقاومة من labrum acetabular مع سحب التحقيق في الخطوات الجراحية الثلاث لإصلاح لابر نموذجي و 2) العلاقة بين اثنين من الخصائص الميكانيكية المختلفة من أنسجة الغضاريف تقليد مع دفع سحب.
وفقا لهذه الدراسة، يمكن أن تكون القيم التي تقاس كميا عن طريق سحب التحقيق مع هذا الجهاز مفيدة لتقييم حالة الأنسجة الرخوة المشتركة. انخفضت أعلى مستويات المقاومة من labrum acetabular عندما تم قطع labrum. وعلاوة على ذلك، تم استرداد مستويات المقاومة العالية عندما تم إصلاح labrum. وبالتالي، يمكن أن تكون قوة التحقيق مفيدة أيضًا في تقييم ما إذا كان التدخل الجراحي كافًا. وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام هذا السحب التحقيق لتقييم الأنسجة الرخوة الأخرى كذلك، مثل الأربطة الصليبية الأمامية والخلفية لعدم الاستقرار، والأربطة الجانبية المتوسطة والجانبية لفالغوس أو توازن فاروس في جراحات الركبة، labrum والكفة الدوارة في عمليات جراحية الكتف، وكذلك لعمليات جراحية بالمنظار الأخرى.
وكانت النتائج مماثلة ذكرت سابقا باستخدام 10 عينات الورك جثة جديدة مع جهاز التحقيق مماثلة3. تم تخفيض أعلى مستويات المقاومة من labrum بشكل كبير عندما تم قطع labrum (labrum سليمة، 8.2 N؛ خفض labrum، 4.0 N). وعلاوة على ذلك، تم استعادة مستوى المقاومة العالية لل labrum بشكل كبير عند إصلاح labrum (قطع، 4.0 N؛ تم إصلاحه، 7.8N). وعلاوة على ذلك، تم فصل مستوى المقاومة لقطع labrum (3.0-5.0 N) إحصائيا مع الثقة 95٪ من تلك سليمة (6.5-9.9 N) وإصلاح labrum (6.7-9.1 N). لذلك، يمكن تحديد عتبة للكشف عن الآفات في labrum، وهو ما يقرب من 5 N (4-6 N على الجثث) من أعلى مستوى مقاومة من labrum. وفقا للدراسة الحالية، قد يكون مثل هذه العتبة على الورك الوهمية حوالي 2-3 N.
ومن النتائج المثيرة للاهتمام الأخرى في الدراسة الحالية العلاقة الإيجابية الهامة بين قوة التفاعل على سطح الغضاريف المقلدة بواسطة جهاز التحقيق الدفعي والم ومعامل المرونة بواسطة جهاز المسافة البادئة الكلاسيكية. عندما يتم إجراء عملية فحص الدفع كما هو موضح في الشكل 4 ثم يتحرك طرف المسبار على السطح ، تحدث قوة رد فعل. ونتيجة لذلك، يتم دفع غيض من التحقيق من قبل قوة رد الفعل. ويقاس هذا على أنه القوة المتعامدة لمحور المسبار. في هذه الحالة، إذا كانت الخاصية الميكانيكية لتقليد أنسجة الغضاريف صغيرة (أي لينة)، قد يتم امتصاص قوة الدفع التحقيق إلى سطح الغضروف جزئيا. ثم، ينبغي إضعاف قوة رد الفعل على السطح إلى طرف المسبار مقارنة مع ذلك في حالة الدفع التحقيق على أنسجة الغضروف الصلبة. ونتيجة لذلك، ستنخفض القوة المتعامدة لمحور المسبار. لذلك، إذا كان يمكن التحكم في زاوية محور التحقيق إلى سطح الغضاريف تقليد بواسطة التكنولوجيا الجديدة، مثل جهاز استشعار الدوران يمكنارتداؤها 9،10، يمكن تقييم الخصائص الميكانيكية في الموقع للأنسجة الغضروف.
وقد حاولت عدة مجموعات بحثية تطوير أجهزة لتقييم كمي لجودة الغضروف المفصلي في الجسم الحي أثناء تنظيرالمفصل 11،12،13،14،15،16،17،18،19،20،21،22 باستخدام أساليب مختلفة ، مثل الموجات فوق الصوتية المجهر الحيوي11، التصوير بالموجات فوق الصوتية بالمنظار12، بصري التأمل الطيفي13، نبض الليزر تشعيع14، شبه الأشعة تحت الحمراء الطيفي15، والموجات فوق الصوتية القائمة 16 ، الميكانيكية1616،17،18،19،,21، وأجهزة المسافات الكهروميكانيكية22.20 معظم الأجهزة باستثناء تلك المسافة البادئة11،12،13،14،15 يمكن قياس سمك طبقة الغضاريف ؛ ومع ذلك، لا يمكن قياس قيم الخصائص الميكانيكية ذات الصلة. على الرغم من أن الموجات فوق الصوتية والأجهزة الميكانيكية القائمة على المسافة البادئة16،17،18 يمكن قياس بعض الخصائص الميكانيكية للغضاريف المفصلية ، يجب لمس سطح طرف الجهاز عموديا على سطح الغضاريف المفصلية ، والذي يتبعه الطرق التقليدية لاختبار الضغط. المتبقية الجهاز المسافات البادئة الكهروميكانيكية22,23 التي تم تطويرها مؤخرا لديه شكل كروي في غيض من الجهاز; هنا، قد يكون من الصعب تحديد كيفية لمس طرف إلى سطح الغضروف أثناء تنظير المفصل بسبب حجمه الأكبر نسبيا حجب نقطة القياس من طرف نفسه. بالإضافة إلى ذلك، فإن القيمة الكمية (تسمى QP22،23)ليست متتالية بل يبدو أنها درجة ضرر (من 4 إلى 20 لتقييم الغضاريف). على سبيل المثال، قيمة QP 4 لا تساوي ضعف قيمة QP 2.
نقطة واحدة هامة هي أن الجهاز يتمسك قدر الإمكان إلى شكل من أشكال التحقيق الكلاسيكية. وعلاوة على ذلك، يتم تطبيق وحدة معلمة تقليدية ومعروفة (أي نيوتن) لجهاز التحقيق جزئيًا لأنها كمية على التوالي. في هذا السياق، يمكن لجهاز التحقيق الموصوف هنا إعادة إنتاج ظروف التحقيق التقليدية على أساس “شعور الجراح”. وهكذا، يظهر هذا الجهاز التحقيق لتكون مفيدة لقياس بعض الخصائص الميكانيكية في المفاصل أثناء تنظير المفصل.
في الختام ، يمكن أن يكون جهاز التحقيق الموصوف هنا ، والذي يمكن أن يقيس كميا مقاومة الأنسجة الرخوة مع مستشعر قوة ثلاثي المحاور من خلال كل من السحب والدفع ، مفيدًا للتقييم الكمي للآفات الشاملة أو شروط الأنسجة الرخوة المشتركة ، وهو تحسين للتقييم النوعي الحالي للتدبير التقليدي.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل منحة JSPS KAKENHI JP19K09658 و JP18KK0104 والمؤسسة اليابانية للبحوث والترويج للتنظير (JFE) منحة. يود المؤلف أن يشكر البروفيسور داريل د. داليما والمتعاون العلمي المحترف إريك و. دورثي في مركز شيلي لأبحاث وتعليم العظام في عيادة سكريبس على الإذن بتكرار الجهاز المخصص لاختبار المسافة البادئة الكلاسيكية في المؤسسة، وعلى دعم المؤلف بدراسات التعاون.
Materials
| 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. , (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). , (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). , (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. &. #. 1. 9. 7. ;. 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, 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).
