Sondering under artroskopikirurgi gjøres normalt for å vurdere tilstanden til bløtvevet, men denne tilnærmingen har alltid vært subjektiv og kvalitativ. Denne rapporten beskriver en sonderingsenhet som kan måle motstanden til bløtvevet kvantitativt med en triaksial kraftsensor under artroskopi.
Sondering i artroskopisk kirurgi utføres ved å trekke eller skyve det myke vevet, noe som gir tilbakemelding for å forstå tilstanden til det myke vevet. Imidlertid er produksjonen bare kvalitativ basert på “kirurgens følelse”. Her er beskrevet en sondering enhet utviklet for å løse dette problemet ved å måle motstanden av bløtvev kvantitativt med en tri-aksial kraft sensor. Under begge forhold (dvs. trekk- og push-probing visse vev etterligne acetabular labrum og brusk), denne sondering enheten er funnet å være nyttig for å måle noen mekaniske egenskaper i ledd under artroskopi.
Prosessen med sondering, som trekker (eller kroker) eller skyver bløtvev i leddene med en metallisk sonde, gjør det mulig å vurdere tilstanden til bløtvev under artroskopisk kirurgi1,2. Evaluering av sonderingen er imidlertid svært subjektiv og kvalitativ (dvs. kirurgens følelse).
På grunnlag av denne sammenhengen, hvis motstanden av bløtvev (f.eks kapsel eller labrum i hofteleddet, menisk eller ligament i kneleddet) under trekking kan måles kvantitativt, kan det være nyttig for kirurger å bedømme nødvendigheten av en reparasjon for bløtvev og en indikasjon på om ytterligere kirurgisk inngrep er nødvendig selv etter at den primære reparasjonen er fullført3,4,5. Videre må kriterier for viktige kvantitative variabler for å indikere nødvendig kirurgisk inngrep etableres for kirurger. I tillegg, i motsatt retning, kan skyve sonden brukes til å vurdere de mekaniske egenskapene til leddbruskvev. Innen vev engineering og regenerativ medisin, slik som utskifting av skadet, degenerere, eller syke brusk vev, in situ evaluering av push-sondering kan være kritisk2,6.
Denne artikkelen rapporterer utviklingen av en sondering enhet med en tri-aksial kraft sensor6 som kan måle motstanden av bløtvev kvantitativt under artroskopi. Denne sonderingsenheten består av en sondekomponent med en halv lengde størrelse (200 mm) av en normal artroskopisk sonde, og en gripekomponent der en strekkmålersensor er innebygd for å måle den resulterende kraften på tre akse på spissen av sonden (Figur 1). Strekkmålersensoren ble laget spesielt for sondering. Strekkmåleren er innebygd på toppen av gripekomponenten, som kobles til sondekomponenten. Oppløsningen til denne sonderingsenheten er 0,005 N. Presisjonen og nøyaktigheten ble også målt ved en kommersialisert vekt med kjent vekt (50 g). Presisjonen var 0,013 N og nøyaktigheten er 0,0035 N.
Videre er det implementert et glidende aspekt av gripekomponenten for å kontrollere avstanden med kirurgens pekefinger eller tommel mens du trekker eller skyver sonden. Under prosessen med å måle motstanden, er den målte verdien avhengig av både trekkavstanden til sonderingsenheten og trekkkraften, og derfor styres trekkavstanden til sonderingsenheten av glidende aspektet. Glideavstanden til gripekomponenten i sonderingsenheten ble satt til 3 mm for følgende representative tilfeller i denne studien.
Som vist i figur 1,kan motstandskraften til bløtvevet dermed måles tri-aksialt. Den første kraften er langs sondeaksen. Den andre er vinkelrett på sondeaksen langs retningen av kroken på sonden, og den tredje er i tverrgående retning. Måling av kreftene gjøres ved hjelp av følgende generelle metode: Treaksekraftsensoren inneholder tre Wheatstone-broer som tilsvarer x-, y-og z-aksene. Motstandsverdien til strekkmåleren endres i henhold til størrelsen på den påførte lasten, og midtpunktspenningen på broen endres slik at kraften kan oppdages som et elektrisk signal. Måleområdet for denne enheten er 50 N i retning av sondeaksen og 10 N i de to gjenværende retningene.
Dedikert programvare ble utviklet for denne sonden der programvaren viser de tre kreftene i x, y og z retninger (x er tverrgående retning, y er den vertikale retningen (retning av kroken), og z er sondeaksen) målt av sonderingsenheten i sanntid med en frekvens på 50 Hz som tre separate grafer (Figur 2). Eventuelt kan et tynt elastisk deksel som vanligvis brukes til intraoperativ bruk av ultralydenheter brukes til vanntetting her.
Denne sonderingsenheten kan dermed tillate å vurdere visse forhold av bløtvev. I tillegg kan denne sonderingsenheten tillate å evaluere de mekaniske egenskapene til leddbruskvev. For dette formål kan reaksjonskraften på leddbruskoverflaten mens du skyver spissen av denne sonderingsenheten fremover på overflaten være korrelert med den mekaniske egenskapen til leddbrusk.
Formålet med denne studien er å introdusere hvordan sonderingsenheten kan brukes. Først er målinger av en etterligne acetabular labrum som et representativt vev mens pull-sondering med en fantom hoftemodell. Undersøkt er forskjellen i motstanden av acetabular labrum i tre kirurgiske trinn for en typisk labral reparasjon. Andre er målinger av en representant etterligne brusk vev gjennom push-sondering. Også undersøkt er en sammenheng mellom to forskjellige mekaniske egenskaper av etterligne bruskvev som målt ved denne sonderingsenheten og en klassisk innrykk enhet for å validere den nye metoden for å måle de mekaniske egenskapene til leddbrusk.
Denne studien viser at sonderingsenheten er i stand til å måle tri-axially motstanden av bløtvev i leddet under artroskopisk sondering. Spesielt ble følgende to ting undersøkt: 1) forskjellen i motstandskraften til acetabular labrum med pull-sondering i de tre kirurgiske trinnene i en typisk labral reparasjon og 2) forholdet mellom to forskjellige mekaniske egenskaper av etterligne bruskvev med push-pull.
Ifølge denne studien kan de kvantitativt målte verdiene ved pull-sondering med denne enheten være nyttig for å evaluere tilstanden til det felles myke vevet. De høyeste motstandsnivåene i acetabular labrum redusert når labrum ble kuttet. Videre ble de høye motstandsnivåene gjenfunnet da labrum ble reparert. Dermed kan sonderingskraften også være nyttig for å vurdere om kirurgisk inngrep er tilstrekkelig. Videre kan denne pull-sondering brukes til å vurdere andre bløtvev også, for eksempel fremre og bakre korsbånd for ustabilitet, mediale og laterale collateral leddbånd for valgus eller varus balanse i kneoperasjoner, labrum og rotator mansjett i skulder operasjoner, samt for andre artroskopiske operasjoner.
Lignende resultater ble tidligere rapportert ved hjelp av 10 ferske hofteprøver med en lignende sondering enhet3. De høyeste motstandsnivåene i labrum ble betydelig redusert da labrum ble kuttet (intakt labrum, 8.2 N; kuttet labrum, 4.0 N). Videre ble det høye motstandsnivået i labrum betydelig gjenopprettet da labrum ble reparert (kuttet, 4,0 N; reparert, 7.8N). Videre ble motstandsnivået for cut labrum (3,0-5,0 N) statistisk separert med 95% tillit fra de intakte (6,5-9,9 N) og reparert labrum (6,7-9,1 N). Derfor kan en terskel for å oppdage lesjoner i labrum bestemmes, som er ca 5 N (4-6 N på kadavre) av det høyeste motstandsnivået i labrum. Ifølge den nåværende studien kan en slik terskel på fantomhoflen være rundt 2-3 N.
Et annet interessant funn i den nåværende studien er det betydelige positive forholdet mellom reaksjonskraften på etterligne bruskoverflaten av push-sonderingsenheten og den elastiske modulusen av den klassiske innrykksenheten. Når push-sondering utføres som vist i figur 4 og deretter spissen av sonden beveger seg på overflaten, oppstår en reaksjonskraft. Som et resultat skyves spissen av sonden opp av reaksjonskraften. Dette måles som den vinkelrette kraften i sondeaksen. I denne situasjonen, hvis den mekaniske egenskapen til etterligne brusk vev er liten (dvs. myk), kraften av push-sondering til overflaten av brusk kan være delvis absorbert. Deretter bør reaksjonskraften på overflaten til spissen av sonden svekkes sammenlignet med det i tilfelle av push-sondering på hardt bruskvev. Som et resultat ville den vinkelrette kraften i sondeaksen bli redusert. Derfor, hvis vinkelen på sonderingaksen til etterligne bruskoverflaten kan styres av ny teknologi, for eksempel en bærbar gyrosensor9,10,kan in situ mekaniske egenskaper av bruskvevet evalueres.
Flere forskningsgrupper har forsøkt å utvikle enheter for å kvantitativt vurdere kvaliteten på leddbrusk i vivo under artroskopi11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ved hjelp av ulike metoder, som ultralyd biomikroskopi11,artroskopisk ultralydavbildning12,optisk refleksjon spektroskopi13,pulserende laserbestråling14,nær-infrarød spektroskopi15, og ultralydbasert16, mekanisk16,17,18,19,20,21, og elektromekaniske innrykk enheter22. De fleste av enhetene bortsett fra innrykk11,12,13,14,15 kan måle tykkelsen på brusklaget; De kan imidlertid ikke måle relaterte mekaniske eiendomsverdier. Selv om ultralyd og mekanisk-basert innrykk enheter16,17,18 kan måle noen mekaniske egenskaper av leddbrusk, overflaten av spissen av enheten må berøres vertikalt til leddbrusk overflaten, som etterfølges av konvensjonelle metoder for kompresjonstesting. Den gjenværende elektromekaniske innrykksenheten22,23 som nylig er utviklet, har en sfærisk form på tuppen av enheten; Her kan det være vanskelig å finne ut hvordan du berører spissen til bruskoverflaten under artroskopi på grunn av sin relativt større størrelse som skjuler målepunktet ved selve spissen. I tillegg er den kvantitative verdien (kalt QP22,23) ikke sammenhengende og ser heller ut til å være en skadescore (fra 4 til 20 for bruskvurdering). 4 QP-verdien er for eksempel ikke verdt to ganger 2 QP-verdien.
Et viktig poeng er at enheten fester seg så mye som mulig til en form av den klassiske sonden. Videre brukes en konvensjonell og kjent parameterenhet (dvs. newton) for sonderingsenheten delvis fordi den er fortløpende kvantitativ. I denne sammenheng kan sonderingsenheten som er beskrevet her, reprodusere forhold til konvensjonell sondering basert på “kirurgens følelse”. Dermed er denne sonderingsenheten vist å være nyttig for å måle visse mekaniske egenskaper i ledd under artroskopi.
Til slutt kan sonderingsenheten som er beskrevet her, som kvantitativt kan måle motstanden til bløtvev med en triaksial kraftsensor gjennom både pull- og push-sondering, være nyttig for kvantitativt evaluering av omfattende lesjoner eller forhold i felles myke vev, noe som er en forbedring av den nåværende kvalitative evalueringen av konvensjonell sondering.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble delvis støttet av JSPS KAKENHI tilskudd JP19K09658 og JP18KK0104 og en japansk Foundation for forskning og markedsføring av endoskopi (JFE) stipend. Forfatteren vil gjerne takke professor Darryl D. D.Lima og profesjonell vitenskapelig samarbeidspartner Erik W. Dorthe i Shiley Center for Ortopedisk forskning og utdanning ved Scripps Clinic for tillatelse til å duplisere den tilpassede enheten for den klassiske innrykkstesten ved institusjonen, og for å støtte forfatteren med samarbeidsstudier.
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 |