Artroskopi Sırasında Yumuşak Dokuların Mekanik Özelliklerini Nicel Olarak Ölçen Bir Sondalama Cihazı
Summary
Artroskopi cerrahisi sırasında probing normalde yumuşak doku durumunu değerlendirmek için yapılır, ancak bu yaklaşım her zaman öznel ve nitel olmuştur. Bu rapor, artroskopi sırasında üç eksenel kuvvet sensörü ile yumuşak dokunun direncini nicel olarak ölçebilen bir sondalama cihazını tanımlar.
Abstract
Artroskopik cerrahide probing çekerek veya yumuşak doku iterek yapılır, hangi yumuşak doku durumunu anlamak için geribildirim sağlar. Ancak, çıkış sadece “cerrah ın hissi” dayalı nitel. Burada, yumuşak dokuların direncini üç eksenli kuvvet sensörü ile nicel olarak ölçerek bu sorunu gidermek için geliştirilmiş bir sondalama cihazı tanımlanmıştır. Her iki durumda da (asetabuler labrum ve kıkırdağı taklit eden bazı dokuları çekme ve itme- probing), bu sondalama cihazı artroskopi sırasında eklemlerdeki bazı mekanik özellikleri ölçmek için yararlı bulunmuştur.
Introduction
Sondalama işlemi, hangi çeker (veya kanca) veya metalik bir prob ile eklemlerde yumuşak dokular iter, artroskopik cerrahi sırasında yumuşak dokuların durumunu değerlendirmek için izin verir1,2. Ancak, sondalama nın değerlendirilmesi çok öznel ve niteldir (yani, cerrahın hissi).
Bu bağlamda, çekerek sırasında yumuşak doku direnci (örneğin, kalça ekleminde kapsül veya labrum, menisküs veya diz ekleminde ligament) kantitatif olarak ölçülebilir, bu cerrahlar için yumuşak doku için bir onarım gerekliliği yargılamak için yararlı olabilir ve ek cerrahi müdahale bile birincil onarım tamamlandıktan sonra gerekli olup olmadığını bir göstergesi3,4,5. Ayrıca cerrahlar için gerekli cerrahi müdahaleyi gösteren anahtar kantitatif değişkenler için kriterler belirlenmelidir. Ayrıca, ters yönde, prob itme eklem kıkırdak dokularının mekanik özelliklerini değerlendirmek için kullanılabilir. Doku mühendisliği ve rejeneratif tıp alanlarında, hasarlı, dejenere, ya da hastalıklı kıkırdak dokuların değiştirilmesi gibi, itme-probing yerinde değerlendirme kritik olabilir2,6.
Bu makalede, artroskopi sırasında yumuşak dokunun direncini nicel olarak ölçebilen üç eksenli kuvvet sensörü6 ile bir sondalama cihazı nın geliştirilmesi rapor edilebilmektedir. Bu sonlama cihazı, normal bir artroskopik probun yarım uzunlukta (200 mm) boyutuna sahip bir sonda bileşeni ve sondanın ucundaki üç eksenin sonucunu ölçmek için bir gerinim ölçer sensörünün gömülü olduğu bir kavrama bileşeninden oluşur(Şekil 1). Gerinim ölçer sensörü özellikle sondalama için yapılmış. Gerinim ölçer, sonda bileşenine bağlanan kavrama bileşeninin üst kısmında gömülüdür. Bu sonlama cihazının çözünürlüğü 0.005 N’dir. Kesinlik ve doğruluk da bilinen ağırlık (50 g) ile ticari leştirilmiş bir ağırlık ile ölçüldü. Hassasiyet 0.013 N ve doğruluğu 0.0035 N’dir.
Ayrıca, sondaçekerken veya iterken cerrahın işaret parmağı veya başparmağıyla mesafeyi kontrol etmek için kavrama bileşeninin kayan bir yönü uygulanmıştır. Direnciölçme işlemi sırasında, ölçülen değer hem sondalama cihazının çekme mesafesine hem de çekme kuvvetine bağlıdır, bu nedenle sondalama cihazının çekme mesafesi kayar yönü tarafından kontrol edilir. Sonlama cihazının kavrama bileşeninin kayar uzaklığı bu çalışmada aşağıdaki temsili olgular için 3 mm olarak belirlenmiştir.
Şekil 1’degösterildiği gibi, yumuşak dokuların direnç kuvveti böylece üç eksenli olarak ölçülebilir. İlk kuvvet sonda ekseni boyunca. İkincisi sondanın kancası yönünde prob eksenine dik, üçüncüsü ise transversal yöndedir. Kuvvetlerin ölçümü aşağıdaki genel yöntem kullanılarak yapılır: Üç eksenli kuvvet sensörü x-, y-ve z-eksenlerine karşılık gelen üç Wheatstone köprüsü içerir. Gerinim ölçerin direnç değeri uygulanan yükün büyüklüğüne göre değişir ve köprünün orta nokta gerilimi de değişerek kuvvetin elektrik sinyali olarak algılanabilmesi için değişir. Bu cihazın ölçüm aralığı sonda ekseni yönünde 50 N ve kalan iki yönde 10 N’dir.
Yazılımın x, y ve z yönündeki üç kuvveti gösterdiği bu sonda için özel yazılım geliştirilmiştir (x enine yöndür, y dikey yöndür (kancanın yönüdür) ve z prob cihazı tarafından gerçek zamanlı olarak ölçülen 50 Hz frekansı ile üç ayrı grafik olarak ölçüldü(Şekil 2). İsteğe bağlı olarak, ultrason cihazlarının intraoperatif kullanımı için normalde kullanılan ince bir elastik kapak burada su yalıtımı için kullanılabilir.
Bu sondalama cihazı böylece yumuşak dokuların belirli koşullarının değerlendirilmesi için izin verebilir. Buna ek olarak, bu sondalama cihazı eklem kıkırdak dokularının mekanik özelliklerini değerlendirmek için izin verebilir. Bu amaçla, bu sondalama cihazının ucunu yüzeye doğru kaydırırken eklem kıkırdağı yüzeyindeki reaksiyon kuvveti eklem kıkırdağının mekanik özelliği ile ilişkili olabilir.
Bu çalışmanın amacı, sondalama cihazının nasıl kullanılabileceğini tanıtmaktır. İlk bir hayalet kalça modeli ile pull-probing sırasında temsili doku olarak bir mimik asetabuler labrum ölçümleri vardır. Araştırılmış tipik bir labral onarım için üç cerrahi adımda asetabuler labrum direnci farkıdır. İkincisi, kıkırdak dokusunu itme-sondalama yoluyla temsili bir taklit etme ölçümleridir. Ayrıca araştırılmış bu sondalama cihazı ile ölçülen mimik kıkırdak dokusunun iki farklı mekanik özellikleri ile eklem kıkırdağının mekanik özelliklerini ölçmek için yeni bir yöntemi doğrulamak için klasik bir girintinasyon cihazı arasındaki bir ilişkidir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışma, sondalama cihazının artroskopik sondalama sırasında eklemdeki yumuşak dokuların direncini üç eksenli olarak ölçebildiğini göstermektedir. Özellikle, aşağıdaki iki şey araştırıldı: 1) tipik bir labral onarım üç cerrahi adımda pull-probing ile asetabuler labrum direnç kuvveti farkı ve 2) push-çekme ile mimik kıkırdak dokusunun iki farklı mekanik özellikleri arasındaki ilişki.
Bu çalışmaya göre, bu cihaz la çekme-sondalama tarafından nicel ölçülen değerler eklem yumuşak doku durumunu değerlendirmek için yararlı olabilir. Labrum kesildiğinde asetabuler labrum’un en yüksek direnç seviyeleri azaldı. Ayrıca, labrum onarıldığında yüksek direnç seviyeleri kurtarıldı. Bu nedenle, sondalama kuvveti cerrahi müdahalenin yeterli olup olmadığını değerlendirmek için de yararlı olabilir. Ayrıca, bu pull-probing diğer yumuşak dokuların değerlendirilmesi için de kullanılabilir, istikrarsızlık için anterior ve posterior çapraz ligamentler gibi, diz ameliyatlarında valgus veya varus dengesi için medial ve lateral kollateral ligamentler, omuz ameliyatlarında labrum ve rotator manşet, yanı sıra diğer artroskopik ameliyatlar için.
Benzer sonuçlar daha önce benzer bir sondalama cihazı ile 10 taze kadavra kalça örnekleri kullanılarak bildirilmiştir3. Labrum’un en yüksek direnç düzeyleri labrum kesildiğinde önemli ölçüde azalmıştır (sağlam labrum, 8.2 N; cut labrum, 4.0 N). Ayrıca labrum’un yüksek direnç seviyesi labrum onarıldığında önemli ölçüde kurtarıldı (kesik, 4.0 N; onarılmış, 7.8N). Ayrıca, kesilen labrum (3.0-5.0 N) direnç düzeyi istatistiksel olarak bozulmamış (6.5-9.9 N) ve onarılmış labrum (6.7-9.1 N) ile %95 güvenle ayrılmıştır. Bu nedenle labrumdaki lezyonların saptanması için bir eşik belirlenebilir, bu da labrumun en yüksek direnç seviyesine sahip yaklaşık 5 N (kadavrada 4-6 N) dir. Mevcut çalışmaya göre, hayalet kalça böyle bir eşik 2-3 N civarında olabilir.
Mevcut çalışmada bir diğer ilginç bulgu itme-sondalama cihazı ile mimik kıkırdak yüzeyindeki reaksiyon kuvveti ile klasik girinti cihazının elastik modülleri arasındaki anlamlı olumlu ilişkidir. Şekil 4’te gösterildiği gibi itme-sondalama yapıldığında ve sondanın ucu yüzeyde hareket ettiğinde, bir reaksiyon kuvveti oluşur. Sonuç olarak, sondanın ucu reaksiyon kuvveti tarafından yukarı itilir. Bu, sonda ekseninin dik kuvveti olarak ölçülür. Bu durumda, mimik kıkırdak dokusunun mekanik özelliği küçükse (yani yumuşak), kıkırdak yüzeyine itme-sondalama kuvveti kısmen absorbe edilebilir. Daha sonra, sondanın ucuna yüzeydeki reaksiyon kuvveti sert kıkırdak dokusuüzerinde itme-probing durumunda ile karşılaştırıldığında zayıflamış olmalıdır. Sonuç olarak, sonda ekseninin dik kuvveti azalır. Bu nedenle, mimik kıkırdak yüzeyine sondalama ekseninin açısı yeni teknoloji ile kontrol edilebiliyorsa, giyilebilir jiro sensör9,10gibi, kıkırdak dokusunun yerinde mekanik özellikleri değerlendirilebilir.
Çeşitli araştırma grupları artroskopi sırasında artiküler kıkırdağın kalitesini nicel olarak değerlendirmek için cihazlar geliştirmeye çalıştık11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22 çeşitli yöntemler kullanarak, ultrason biyo-mikroskopi gibi11, artroskopik ultrason görüntüleme12, optik yansıma spektroskopi13 , darbeli lazer ışınlama14, yakın kızılötesi spektroskopi15, ve ultrason tabanlı 16 , mekanik131616,17,18,19,20,21, ve elektromekanik girintisi cihazları22. Girintisi olanlar hariç cihazların çoğu11,12,13,14,15 kıkırdak tabakasının kalınlığını ölçebilirsiniz; ancak, ilgili mekanik özellik değerlerini ölçemezler. Ultrason ve mekanik tabanlı girintinasyon cihazları16,17,18 eklem kıkırdağının bazı mekanik özelliklerini ölçebilse de, cihazın ucunun yüzeyine, geleneksel sıkıştırma testi yöntemleri nin takip ettiği eklem kıkırdağı yüzeyine dikey olarak dokunulmalıdır. Son zamanlarda geliştirilen kalan elektromekanik girinti cihazı22,23 cihazın ucunda küresel bir şekle sahiptir; burada, artroskopi sırasında kıkırdak yüzeyine ucun nasıl dokunulabileceğini belirlemek zor olabilir, çünkü nispeten daha büyük boyutu, ölçüm noktasını ucun kendisi tarafından gizleyen boyuttadır. Ayrıca, kantitatif değer (QP22olarak adlandırılır,23) ardışık değildir ve daha ziyade bir hasar puanı (kıkırdak değerlendirmesi için 4 ila 20) gibi görünüyor. Örneğin, 4 QP değeri 2 QP değerinin iki katı değerinde değildir.
Önemli bir nokta, cihazın klasik sonda nın şekline mümkün olduğunca yapışmasidır. Ayrıca, ardışık olarak nicel olduğu için sondalama cihazı için konvansiyonel ve bilinen parametre birimi (yani newton) kısmen uygulanır. Bu bağlamda, burada açıklanan sondalama cihazı “cerrahın hissine” dayalı konvansiyonel sondalama koşullarını yeniden üretebilir. Bu nedenle, bu sondalama cihazı artroskopi sırasında eklemlerde bazı mekanik özellikleri ölçmek için yararlı olduğu gösterilmiştir.
Sonuç olarak, burada açıklanan sondalama cihazı, hem çekme hem de itme-sondalama yoluyla üç eksenli kuvvet sensörü ile yumuşak dokuların direncini nicel olarak ölçebilen, geleneksel sondalamanın mevcut nitel değerlendirmesinin bir iyileştirilmesi olan eklem yumuşak dokularının kapsamlı lezyonlarını veya koşullarını nicel olarak değerlendirmek için yararlı olabilir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen JSPS KAKENHI hibe JP19K09658 ve JP18KK0104 ve Araştırma ve Endoskopi (JFE) hibe için Bir Japon Vakfı tarafından desteklenmiştir. Yazar Profesör Darryl D. D.Lima ve Profesyonel Bilimsel İşbirlikçi Erik W. Dorthe Shiley Merkezi Ortopedik Araştırma ve Eğitim Scripps Kliniği’nde izin için kurumda klasik girinti testi için özelleştirilmiş cihaz çoğaltmak için teşekkür etmek istiyorum, ve işbirliği çalışmaları ile yazar desteklemek için.
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).
