El sondeo durante la cirugía de artroscopia se realiza normalmente para evaluar el estado del tejido blando, pero este enfoque siempre ha sido subjetivo y cualitativo. Este informe describe un dispositivo de sondeo que puede medir la resistencia del tejido blando cuantitativamente con un sensor de fuerza triaxial durante la artroscopia.
El sondeo en la cirugía artroscópica se realiza tirando o empujando el tejido blando, lo que proporciona retroalimentación para entender la condición del tejido blando. Sin embargo, la salida es sólo cualitativa basada en la “sensación del cirujano”. Aquí se describe un dispositivo de sondeo desarrollado para abordar este problema midiendo la resistencia de los tejidos blandos cuantitativamente con un sensor de fuerza triaxial. En ambas condiciones (es decir, la extracción y la pulsación de ciertos tejidos que imitan el labrum acetabular y el cartílago), este dispositivo de sondeo se encuentra útil para medir algunas propiedades mecánicas en las articulaciones durante la artroscopia.
El proceso de sondeo, que tira (o engancha) o empuja los tejidos blandos en las articulaciones con una sonda metálica, permite evaluar el estado de los tejidos blandos durante la cirugía artroscópica1,2. Sin embargo, la evaluación del sondeo es muy subjetiva y cualitativa (es decir, la sensación del cirujano).
Sobre la base de este contexto, si la resistencia del tejido blando (por ejemplo, cápsula o labrum en la articulación de la cadera, menisco o ligamento en la articulación de la rodilla) durante la tracción podría medirse cuantitativamente, podría ser útil para los cirujanos juzgar la necesidad de una reparación para el tejido blando y una indicación de si la intervención quirúrgica adicional es necesaria incluso después de que la reparación primaria se haya completado3,,4,5. Además, deben establecerse criterios para que las variables cuantitativas clave indiquen la intervención quirúrgica necesaria para los cirujanos. Además, en la dirección opuesta, empujar la sonda se puede utilizar para evaluar las propiedades mecánicas de los tejidos del cartílago articular. En los campos de la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa, como la sustitución de tejidos titílagos dañados, degenerados o enfermos, la evaluación in situ del sondeo de empuje puede ser crítica2,,6.
Este artículo informa del desarrollo de un dispositivo de sondeo con un sensor de fuerza triaxial6 que puede medir la resistencia del tejido blando cuantitativamente durante la artroscopia. Este dispositivo de sondeo consta de un componente de sonda con un tamaño de media longitud (200 mm) de una sonda artroscópica normal, y un componente de agarre en el que se incrusta un sensor de galómetro de tensión para medir la fuerza resultante de tres ejes en la punta de la sonda (Figura 1). El sensor del medidor de tensión se hizo específicamente para el sondeo. El medidor de tensión está incrustado en la parte superior del componente de agarre, que se conecta con el componente de la sonda. La resolución de este dispositivo de sondeo es 0.005 N. La precisión y la precisión también se midieron por un peso comercializado con peso conocido (50 g). La precisión fue de 0,013 N y la precisión es de 0,0035 N.
Además, se ha implementado un aspecto deslizante del componente de agarre para controlar la distancia con el dedo índice o el pulgar del cirujano mientras tira o empuja la sonda. Durante el proceso de medición de la resistencia, el valor medido depende tanto de la distancia de tracción del dispositivo de sondeo como de la fuerza de tracción, razón por la cual la distancia de tracción del dispositivo de sondeo se controla por el aspecto deslizante. La distancia deslizante del componente de agarre del dispositivo de sondeo se estableció en 3 mm para los siguientes casos representativos en este estudio.
Como se muestra en la Figura 1,la fuerza de resistencia de los tejidos blandos se puede medir tri-axialmente. La primera fuerza está a lo largo del eje de la sonda. El segundo es perpendicular al eje de la sonda a lo largo de la dirección del gancho de la sonda, y el tercero está en la dirección transversal. La medición de las fuerzas se realiza utilizando el siguiente método general: El sensor de fuerza de tres ejes incluye tres puentes Wheatstone correspondientes a los ejes X, Y y Z. El valor de resistencia del medidor de tensión cambia según la magnitud de la carga aplicada, y la tensión de punto medio del puente cambia para que la fuerza pueda ser detectada como una señal eléctrica. El rango de medición de este dispositivo es 50 N en la dirección del eje de la sonda y 10 N en las dos direcciones restantes.
Software dedicado fue desarrollado para esta sonda en la que el software muestra las tres fuerzas en las direcciones x, y y z (x es la dirección transversal, y es la dirección vertical (dirección del gancho), y z es el eje de la sonda) medida por el dispositivo de sondeo en tiempo real con una frecuencia de 50 Hz como tres gráficos separados (Figura 2). Opcionalmente, una cubierta elástica delgada normalmente utilizada para el uso intraoperatorio de dispositivos de ultrasonido se puede utilizar para impermeabilizar aquí.
Por lo tanto, este dispositivo de sondeo puede permitir la evaluación de ciertas condiciones de los tejidos blandos. Además, este dispositivo de sondeo podría permitir evaluar las propiedades mecánicas de los tejidos del cartílago articular. Con este fin, la fuerza de reacción en la superficie del cartílago articular mientras se desliza la punta de este dispositivo de sondeo hacia adelante en la superficie podría estar correlacionada con la propiedad mecánica del cartílago articular.
El propósito de este estudio es introducir cómo se puede utilizar el dispositivo de sondeo. En primer lugar son las medidas de un labrum acetabular mímico como un tejido representativo mientras se estremeció con un modelo de cadera fantasma. Investigado es la diferencia en la resistencia del labrum acetabular en tres pasos quirúrgicos para una reparación labral típica. En segundo lugar están las mediciones de un tejido de cartílago imitador representativo a través de push-sondeo. También se investiga una correlación entre dos propiedades mecánicas diferentes del tejido del cartílago mímico medida por este dispositivo de sondeo y un dispositivo de sangría clásica para validar el nuevo método para medir las propiedades mecánicas del cartílago articular.
Este estudio demuestra que el dispositivo de sondeo es capaz de medir tri-axialmente la resistencia de los tejidos blandos en la articulación durante el sondeo artroscópico. Específicamente, se investigaron las dos cosas siguientes: 1) la diferencia en la fuerza de resistencia del labrum acetabular con el sondeo de tracción en los tres pasos quirúrgicos de una reparación labral típica y 2) la relación entre dos propiedades mecánicas diferentes del tejido del cartílago mímico con empuje-tirando.
Según este estudio, los valores medidos cuantitativamente mediante el sondeo de tracción con este dispositivo pueden ser útiles para evaluar la condición del tejido blando articular. Los niveles más altos de resistencia del labrum acetabular disminuyeron cuando se cortó el labrum. Además, los altos niveles de resistencia se recuperaron cuando se reparó el labrum. Por lo tanto, la fuerza de sondeo también puede ser útil para evaluar si la intervención quirúrgica es suficiente. Además, este sondeo de tracción se puede utilizar para evaluar otros tejidos blandos, como ligamentos cruzados anteriores y posteriores para inestabilidad, ligamentos colaterales mediales y laterales para valgus o equilibrio de varus en cirugías de rodilla, labrum y manguito rotador en cirugías de hombro, así como para otras cirugías artroscópicas.
Se notificaron previamente resultados similares utilizando 10 especímenes de cadera de cadáver fresco con un dispositivo de sondeo similar3. Los niveles de resistencia más altos del labrum se redujeron significativamente cuando se cortó el labrum (laboratorio intacto, 8.2 N; corte labrum, 4.0 N). Además, el alto nivel de resistencia del labrum se recuperó significativamente cuando se reparó el labrum (corte, 4.0 N; reparado, 7.8N). Además, el nivel de resistencia para el labrum de corte (3.0-5.0 N) se separó estadísticamente con 95% de confianza de los intactos (6.5-9.9 N) y labrum reparado (6.7-9.1 N). Por lo tanto, se puede determinar un umbral para detectar lesiones en el labrum, que es aproximadamente 5 N (4-6 N en cadáveres) del nivel de resistencia más alto del labrum. Según el estudio actual, tal umbral en la cadera fantasma podría ser alrededor de 2-3 N.
Otro hallazgo interesante en el estudio actual es la relación positiva significativa entre la fuerza de reacción en la superficie del cartílago mímico por el dispositivo de sondeo de empuje y el módulo elástico por el dispositivo de sangría clásica. Cuando el sondeo de empuje se realiza como se muestra en la Figura 4 y luego la punta de la sonda se mueve en la superficie, se produce una fuerza de reacción. Como resultado, la punta de la sonda es empujada hacia arriba por la fuerza de reacción. Esto se mide como la fuerza perpendicular del eje de la sonda. En esta situación, si la propiedad mecánica del tejido del cartílago mímico es pequeña (es decir, suave), la fuerza del sondeo de empuje a la superficie del cartílago podría ser parcialmente absorbida. Entonces, su fuerza de reacción en la superficie a la punta de la sonda debe ser debilitada en comparación con eso en el caso de push-sondeo en el tejido duro del cartílago. Como resultado, la fuerza perpendicular del eje de la sonda se reduciría. Por lo tanto, si el ángulo del eje de sondeo a la superficie del cartílago mímico puede ser controlado por una nueva tecnología, como un sensor de giroscopio portátil9,10, se pueden evaluar las propiedades mecánicas in situ del tejido del cartílago.
Varios grupos de investigación han tratado de desarrollar dispositivos para evaluar cuantitativamente la calidad del cartílago articular in vivo durante la artroscopia11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22 utilizando diversos métodos, como biomicronescopía de ultrasonido11, ultrasonido artroscópico12, espectroscopia de reflexión óptica13, irradiación láser pulsada14, espectroscopia de infrarrojo cercano15, y basado en ultrasonido16, mecánico16,17,18,19,20,21, y dispositivos de sangría electromecánica22. La mayoría de los dispositivos excepto los de sangría11,12,13,14,15 pueden medir el espesor de la capa de cartílago; sin embargo, no pueden medir los valores de propiedad mecánica relacionados. Aunque los dispositivos de ultrasonido y de sangría mecánica16,17,18 pueden medir algunas propiedades mecánicas del cartílago articular, la superficie de la punta del dispositivo debe ser tocada verticalmente a la superficie del cartílago articular, que es seguida por métodos convencionales de prueba de compresión. El dispositivo de sangría electromecánica restante22,23 que se ha desarrollado recientemente tiene una forma esférica en la punta del dispositivo; aquí, podría ser difícil determinar cómo tocar la punta a la superficie del cartílago durante la artroscopia debido a su tamaño relativamente más grande oscureciendo el punto de medición por la punta en sí. Además, el valor cuantitativo (llamado QP22,23) no es consecutivo y más bien parece ser una puntuación de daño (de 4 a 20 para la evaluación del cartílago). Por ejemplo, el valor de 4 QP no vale el doble del valor de 2 QP.
Un punto importante es que el dispositivo se adhiere tanto como sea posible a una forma de la sonda clásica. Además, una unidad de parámetro convencional y conocida (es decir, newton) para el dispositivo de sondeo se aplica en parte porque es cuantitativa consecutivamente. En este contexto, el dispositivo de sondeo descrito aquí puede reproducir condiciones de sondeo convencional basadas en la “sensación del cirujano”. Por lo tanto, este dispositivo de sondeo ha demostrado ser útil para medir ciertas propiedades mecánicas en las articulaciones durante la artroscopia.
En conclusión, el dispositivo de sondeo descrito aquí, que puede medir cuantitativamente la resistencia de los tejidos blandos con un sensor de fuerza triaxial a través de sondeos de tracción y push, puede ser útil para evaluar cuantitativamente lesiones o condiciones integrales de los tejidos blandos articulares, lo que es una mejora de la evaluación cualitativa actual del sondeo convencional.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue parcialmente apoyado por JSPS KAKENHI otorga JP19K09658 y JP18KK0104 y una beca de la Fundación Japonesa para la Investigación y Promoción de la Endoscopia (JFE). El autor desea agradecer al Profesor Darryl D. D’Lima y al Colaborador Científico Profesional Erik W. Dorthe en el Centro Shiley para la Investigación Ortopédica y la Educación en la Clínica Scripps por el permiso para duplicar el dispositivo personalizado para la prueba de sangría clásica en la institución, y por apoyar al autor con estudios de colaboración.
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 |