Прощупывая устройство для количественного измерения механических свойств мягких тканей во время артроскопии
Summary
Зондирование во время артроскопии хирургии, как правило, делается для оценки состояния мягких тканей, но этот подход всегда был субъективным и качественным. В этом отчете описывается зондальное устройство, которое может количественно измерить устойчивость мягких тканей с помощью трех осевой силы датчика во время артроскопии.
Abstract
Прощупывая в артроскопической хирургии выполняется путем вытягивания или нажатия мягких тканей, что обеспечивает обратную связь для понимания состояния мягких тканей. Однако выход является лишь качественным, основываясь на «чувствох хирурга». В этом описано зондальное устройство, разработанное для решения этой проблемы путем измерения сопротивления мягких тканей количественно с трех осевой силой датчика. При обоих условиях (т.е. тянуть- и толкать-зондирования некоторых тканей, имитирующих ацетабулической лабрум и хрящ), это зондирование устройство оказывается полезным для измерения некоторых механических свойств в суставах во время артроскопии.
Introduction
Процесс зондирования, который тянет (или крючки) или толкает мягкие ткани в суставах с металлическим зондом, позволяет оценить состояние мягких тканей во время артроскопической хирургии1,2. Однако оценка зондирования очень субъективна и качественна (т.е. чувство хирурга).
На основе этого контекста, если сопротивление мягких тканей (например, капсулы или лабрума в тазобедренном суставе, мениска или связки в коленном суставе) во время вытягивания может быть измерено количественно, это может быть полезно для хирургов, чтобы судить о необходимости ремонта для мягких тканей и указание ли дополнительное хирургическое вмешательство необходимо даже после первичного ремонта завершена3,4,5. Кроме того, для хирургов должны быть установлены критерии для ключевых количественных переменных, указывающих на необходимое хирургическое вмешательство. Кроме того, в противоположном направлении, нажав зонд может быть использован для оценки механических свойств суставных тканей хряща. В области тканевой инженерии и регенеративной медицины, таких как замена поврежденных, вырожденных или больных тканей хряща, на месте оценки толчка может быть критическим2,6.
В этой статье сообщается о разработке зондирующего устройства с трехосясляным датчиком силы6, который может количественно измерять сопротивление мягких тканей во время артроскопии. Это зондируя устройство состоит из компонента зонда с размером половины длины (200 мм) нормального артроскопического зонда, и компонентом захвата, в котором датчик датчика датчика датчика напряжения встроен для измерения результирующего силы трех осей на кончике зонда(рисунок 1). Датчик датчика датчика деформации был сделан специально для зондирования. Датчик деформации встроен в верхней части компонента сцепления, который соединяется с компонентом зонда. Разрешение этого зондирующего устройства 0,005 N. Точность и точность также измерялись коммерциализированным весом с известным весом (50 г). Точность составила 0,013 Н, а точность 0,0035 Н.
Кроме того, раздвижной аспект компонента сцепления был реализован для контроля расстояния с указательным пальцем хирурга или большим пальцем при потянув или толкая зонд. В процессе измерения сопротивления измеренное значение зависит как от расстояния потянув зондирующего устройства, так и от силы вытягивания, поэтому расстояние потянув зондирующего устройства контролируется скользящим аспектом. Скользящее расстояние компонента сцепления зондирующего устройства было установлено до 3 мм для следующих репрезентативных случаев в данном исследовании.
Как показано на рисунке 1,сила сопротивления мягких тканей, таким образом, может быть измерена три-осиально. Первая сила находится вдоль оси зонда. Второй перпендикулярно оси зонда по направлению крючка зонда, а третий находится в поперечном направлении. Измерение сил осуществляется по следующему общему методу: трехосевой датчик силы включает в себя три моста Уитстона, соответствующие x-, y-, и z-осы. Значение сопротивления датчика деформации изменяется в зависимости от величины нанесенной нагрузки, а напряжение средней точки моста изменяется, так что сила может быть обнаружена в качестве электрического сигнала. Диапазон измерений этого устройства составляет 50 N в направлении оси зонда и 10 N в двух оставшихся направлениях.
Специальное программное обеспечение было разработано для этого зонда, в котором программное обеспечение показывает три силы в направлениях х, у и z (x является поперечным направлением, у это вертикальное направление (направление крючка), и z является зонд оси) измеряется зонда устройства в режиме реального времени с частотой 50 Гц, как три отдельных графиков (Рисунок 2). Дополнительно, тонкая эластичная крышка обычно используемая для интраоперациального использования ультразвуковых приборов можно использовать для гидроизоляции здесь.
Это зондируя прибор может таким образом позволить для оценивать некоторые условия мягких тканей. Кроме того, это зондирование устройство может позволить для оценки механических свойств суставных тканей хряща. С этой целью сила реакции на поверхности суставного хряща при скольжении кончика этого зондирующего устройства вперед на поверхности может быть коррелирована с механическим свойством суставного хряща.
Цель этого исследования заключается в том, чтобы представить, как зондирование устройство может быть использовано. Во-первых, измерения мимических ацетабулических labrum в качестве репрезентативной ткани при тяговом зондировании с фантомной модели бедра. Исследовано это разница в сопротивлении ацетабулярной лабрум в три хирургических шага для типичного лабораторного ремонта. Во-вторых, измерения репрезентативной ткани хряща через проталкивание. Также исследована корреляция между двумя различными механическими свойствами мимикрной хрящевой ткани, измеренной этим зондирующим устройством, и классическим прибором отступов для проверки нового метода измерения механических свойств суставного хряща.
Protocol
Representative Results
Discussion
Это исследование показывает, что зондируя устройство способно измерить три-axially сопротивление мягких тканей в суставе во время артроскопического зондирования. В частности, были исследованы следующие две вещи: 1) разница в силе сопротивления ацетабулической лаборатории с тянуть-зондирования в трех хирургических шагов типичного лабрарного ремонта и 2) отношения между двумя различными механическими свойствами хряща мимической ткани с толкать-тянуть.
Согласно этому исследованию, количественно измеренные значения путем подтягивания зондирования с этим устройством может быть полезен для оценки состояния суставной мягкой ткани. Самый высокий уровень сопротивления ацетабулярной лаборатории снизился при разрезе лабрума. Кроме того, при ремонте лаборатории были восстановлены высокие уровни сопротивления. Таким образом, зондирующие силы также могут быть полезны для оценки того, достаточно ли хирургическое вмешательство. Кроме того, это тянуть зондирования могут быть использованы для оценки других мягких тканей, а также, таких как передние и задние крестообразные связки для нестабильности, медиальные и боковые коллатеральные связки для вальгуса или варус баланс в хирургии колена, labrum и ротатор манжеты в плеча операций, а также для других артроскопических операций.
Аналогичные результаты были ранее сообщалось с использованием 10 свежих образцов бедра трупа с аналогичным зондирующим устройством3. Самые высокие уровни сопротивления в лаборатории были значительно снижены, когда лабрум был сокращен (intact labrum, 8.2 N; вырезать labrum, 4.0 N). Кроме того, высокий уровень сопротивления лабрума был значительно восстановлен при ремонте лабрума (разрез, 4.0 N; отремонтирован, 7.8N). Кроме того, уровень сопротивления для разреза labrum (3.0-5.0 N) был статистически отделен с 95% уверенностью от неповрежденных (6,5-9,9 Н) и отремонтированных лабрумов (6,7-9,1 Н). Таким образом, можно определить порог для обнаружения поражений в лабруме, который составляет примерно 5 N (4-6 N на трупах) самого высокого уровня сопротивления лабрума. Согласно текущему исследованию, такой порог на фантомном бедре может быть около 2-3 Н.
Еще одна интересная находка в текущем исследовании является значительная положительная связь между силой реакции на поверхности мимики хряща с помощью устройства для подталкивания и эластичного модуля классическим прибором отступа. Когда push-probing выполнен как показано в рисунке 4 и после этого кончик зонда двигает на поверхности, сила реакции происходит. В результате кончик зонда подталкивается силой реакции. Это измеряется как перпендикулярная сила оси зонда. В этой ситуации, если механическое свойство мимикрной хрящевой ткани невелико (т.е. мягкое), сила толчка к поверхности хряща может быть частично поглощена. Затем его сила реакции на поверхности до кончика зонда должна быть ослаблена по сравнению с той, что в случае толчка-прощупывая на жесткой хрящевой ткани. В результате перпендикулярная сила оси зонда будет уменьшена. Поэтому, если угол зондирующего оси к поверхности мимических хряща можно контролировать с помощью новых технологий, таких как носимый датчик гироскопа9,,10,то можно оценить механические свойства хрящевой ткани.
Несколько исследовательских групп пытались разработать устройства для количественной оценки качества суставного хряща in vivo во время артроскопии11,12,13,,14, 15,15,16,17,,18,,19,20,21,22 с использованием различных методов, такие как ультразвуковая био-микроскопия11,артроскопическая ультразвуковая визуализация12,оптическая спектроскопия отражения13,импульсное лазерное облучение14,ближне-инфракрасная спектроскопия15, и ультразвуковые16, механические16,17,,18,,19,,20,,21,и электромеханические приборы.,22 Большинство устройств, за исключением отступов из них11,12,13,14,15 может измерить толщину хряща слоя; однако они не могут измерять связанные с этим механические значения свойств. Хотя ультразвуковые и механические приборы отступов16,,17,,18 могут измерять некоторые механические свойства суставного хряща, поверхность кончика устройства должна быть коснута вертикально к поверхности суставного хряща, за которой следуют обычные методы тестирования сжатия. Оставшееся электромеханическое устройство отступа22,,23, которое было недавно разработано, имеет сферическую форму на кончике устройства; здесь, это может быть трудно определить, как прикоснуться к кончику поверхности хряща во время артроскопии из-за его относительно больший размер заслоняя измерительную точку кончиком себя. Кроме того, количественное значение (называемое как qP22,23)не является последовательным и, скорее, кажется, оценка ущерба (от 4 до 20 для оценки хряща). Например, значение 4 qP не стоит в два раза 2 значения.
Одним из важных моментов является то, что устройство максимально придерживается формы классического зонда. Кроме того, обычный и известный параметр (т.е. Ньютон) для зондирующего устройства применяется отчасти потому, что он последовательно количественно. В этом контексте, зондируя прибор описанный здесь может воспроизвести условия обычного зондировать основанного на «чувстве хирурга». Таким образом, это зондируемое устройство показано, что полезно для измерения определенных механических свойств в суставах во время артроскопии.
В заключение, зондируя прибор описанный здесь, который может количественно измерить сопротивление мягких тканей с трех осевым датчиком усилия через и вытягивать- и push-probing, может быть полезн для количественно оценивать всесторонние поражения или условия совместных мягких тканей, который будет улучшением в настоящее время качественной оценки обычного зондировать.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была частично поддержана грантами JSPS KAKENHI JP19K09658 и JP18KK0104 и грантом Японского фонда исследований и продвижения эндоскопии (JFE). Автор хотел бы поблагодарить профессора Дэррила Д.Д’Лиму и профессионального научного сотрудника Эрика В. Дорте в Центре ортопедических исследований и образования Шили в клинике Скриппса за разрешение дублировать индивидуальное устройство для классического теста отступов в учреждении, а также за поддержку автора в исследованиях сотрудничества.
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).
