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관절 경 수술 중 검사는 일반적으로 연조직의 상태를 평가하기 위해 수행되지만,이 방법은 항상 주관적이고 질적이었습니다. 이 보고서는 관절 경 동안 삼액력 센서를 통해 연조직의 저항을 정량적으로 측정할 수 있는 프로빙 장치를 설명합니다.
관절 경 수술에서 프로빙은 연조직의 상태를 이해하기위한 피드백을 제공하는 연조직을 당기거나 밀어 서 수행됩니다. 그러나 출력은 "외과 의사의 느낌"에 기초한 질적입니다. 본명에서 3축력 센서를 사용하여 연조직의 저항을 정량적으로 측정하여 이 문제를 해결하기 위해 개발된 프로빙 디바이스를 설명한다. 두 조건(즉, 아세타큘러 음순 및 연골을 모방한 특정 조직을 당기고 밀어내는 경우)에서 이 프로빙 장치는 관절 검사 중 관절의 일부 기계적 특성을 측정하는 데 유용한 것으로 나타났습니다.
금속 프로브와 관절에 연조직을 당기거나 밀어내는 프로빙 과정은 관절 경 수술1,,2동안 연조직의 상태를 평가할 수 있습니다. 그러나, 탐구의 평가는 매우 주관적이고 질적입니다 (즉, 외과 의사의 느낌).
이러한 맥락에 기초하여, 당기기 중 연조직의 저항(예를 들어, 고관절의 캡슐 또는 음순, 반월상연연연연연또는 인대)이 양적으로 측정될 수 있다면, 외과의사는 연조직에 대한 수리가 필요하다고 판단하고 1차 수리가완료된,4,후에도 추가적인 외과적 개입이 필요한지 여부를 판단하는 것이 유용할 수있다. 또한, 외과 의사를 위해 필요한 외과 적 개입을 나타내는 주요 정량적 변수에 대한 기준을 수립해야합니다. 또한 반대 방향으로 프로브를 밀어내는 데 사용하여 관절 연골 조직의 기계적 특성을 평가할 수 있습니다. 조직 공학 및 재생 의학 분야에서, 손상, 퇴화, 또는 병든 연골 조직의 교체와 같은, 푸시 프로빙의 현장 평가에서 중요한2,,6.
이 문서에서는 관절 경 동안 정량적으로 연조직의 저항을 측정할 수 있는 삼축력 센서6을 가진 프로빙 장치의 개발을 보고합니다. 본 프로빙 장치는 일반 관절 경 프로브의 반 길이 크기 (200mm)를 가진 프로브 구성 요소와 스트레인 게이지 센서가 내장되어 프로브의 끝에서 3 축의 결과력을 측정하는 그립 구성 요소로 구성됩니다(도 1). 스트레인 게이지 센서는 탐사를 위해 특별히 제작되었습니다. 스트레인 게이지는 프로브 구성 요소와 연결되는 그립 구성 요소의 맨 위에 내장되어 있습니다. 이 프로빙 장치의 해상도는 0.005 N입니다. 정밀도와 정확도는 또한 알려진 중량(50g)을 가진 상용화된 중량에 의해 측정되었다. 정밀도는 0.013 N이고 정확도는 0.0035 N입니다.
더욱이, 그립 성분의 슬라이딩 측면은 프로브를 당기거나 밀면서 외과 의사의 검지 손가락 또는 엄지 손가락으로 거리를 제어하기 위해 구현되었습니다. 저항을 측정하는 과정에서 측정된 값은 프로빙 장치의 당김 거리와 당기는 힘에 모두 의존하므로 프로빙 장치의 당기는 거리가 슬라이딩 측면에 의해 제어됩니다. 이 연구에서 프로빙 장치의 그립 성분의 슬라이딩 거리는 3mm로 설정되었다.
도 1에도시된 바와 같이, 연조직의 저항력은 따라서 삼축으로 측정될 수 있다. 첫 번째 힘은 프로브 축을 따라 있습니다. 두 번째는 프로브의 후크 방향을 따라 프로브 축에 수직이며, 세 번째는 대적 방향에 있다. 힘의 측정은 다음과 같은 일반적인 방법을 사용하여 수행됩니다: 3축 힘 센서에는 x-, y-및 z 축에 해당하는 3개의 휘트스톤 브리지가 포함됩니다. 스트레인 게이지의 저항값은 적용된 하중의 크기에 따라 변화하며, 교량의 중간점 전압이 변화하여 힘이 전기 신호로 검출될 수 있도록 한다. 이 장치의 측정 범위는 프로브 축 방향으로 50 N이고 나머지 두 방향으로 10 N입니다.
전용 소프트웨어는 소프트웨어가 x, y 및 z 방향(x가로 방향이고, y는 수직 방향(후크의 방향) 및 z가 프로브 축)에서 3개의 별도 그래프로서 50Hz의 주파수로 실시간으로 측정되는 이 프로브를 위해 개발되었다(도2). 선택적으로, 일반적으로 초음파 장치의 수술 내 사용에 사용되는 얇은 탄성 커버는 여기에서 방수에 사용할 수 있습니다.
따라서 이 프로빙 장치는 연조직의 특정 조건을 평가할 수 있습니다. 또한 이 프로빙 장치는 관절 연골 조직의 기계적 특성을 평가할 수 있습니다. 이를 위해, 표면상에서 이 프로빙 장치의 끝을 미끄러지면서 관절 연골 표면의 반응력은 관절 연골의 기계적 특성과 상관관계가 있을 수 있다.
이 연구의 목적은 프로빙 장치를 어떻게 사용할 수 있는지 소개하는 것입니다. 첫 번째는 팬텀 힙 모델로 풀 프로빙하는 동안 대표적인 조직으로서 모방 한 아세타큘러 음순의 측정입니다. 일반적인 비결 수리를 위한 3개의 외과 단계에서 아세타큘러 음순의 저항에 있는 다름입니다. 두 번째는 푸시 프로빙을 통해 대표적인 모방 연골 조직의 측정입니다. 또한 이 프로빙 장치와 고전적인 들여쓰기 장치에 의해 측정된 모방 연골 조직의 두 가지 다른 기계적 특성과 관절 연골의 기계적 특성을 측정하는 새로운 방법을 검증하는 상관관계가 조사된다.
본 연구에서 프로토콜은 주로 다음 두 가지 측면으로 구성됩니다: 1) 접근 프로빙을 가진 아세타큘러 음순의 저항력 과 2) 푸시 프로빙을 가진 모방 연골 시료에 대한 반응력의 측정.
1. 풀 프로빙과 아세타큘러 음순의 저항력
2. 푸시 프로빙으로 연골 샘플을 모방하는 반응력 측정
참고: 두 번째 연구에서는, 각 모방 연골 표면에 수직 저항력을 측정하였다(도4A)연골 표면에서 30° 기울기에서 수평 선으로 밀어 프로빙하고 관절 연골의 기계적 특성의 하나의 요소로 확인되었다.
풀 프로빙과 세 가지 수술 단계에서 아세타큘러 음순의 저항력
각 단계에서 이 프로빙 장치에 의해 기록된 측정은 세 번 반복되었다. 결과는 3단계에 대한 아세타큘러 음순에 대한 y와 z의 가장 높은 평균 결과력이 그대로 음순에서 4.4N(0.2 N SD), 절단 음순에서 1.6N(0.1 N SD) 및 수리된음순(그림 5)에서4.6N(0.7 N SD)이었다는 것을 보여준다. 횡방향 력은 그대로 음순으로 조사하는 동안 가장 높은 결과력의 2.8%에 불과했습니다.
푸시 프로빙 및 고전적인 들여쓰기 장치와 프로빙 장치에 의해 두 가지 다르게 확장 된 기계적 특성 사이의 관계
결과는 얻어진 두 기계적 특성 사이의 상당한 긍정적 인 관계를 보여줍니다 : 탄성 계수 대 프로빙 센서, r = 0.965 및 p = 0.0044(그림 6); 센서 대 강성, r = 0.975 및 p = 0.0021)을 프로빙합니다.
그림 1: 현재 스터디에 사용되는 프로빙 장치(A) 프로빙 장치는 프로브 의 끝에서 힘을 삼색으로 측정할 수 있는 임베디드 스트레인 게이지 센서가 있는 프로브 구성 요소 및 그립 구성 요소로 구성되며(하나는 프로브 축을 따라, 점선 된 노란색 화살표; 다른 두 개의 프로브 축에 수직, 점선 흰색 화살표)(B)그립 성분은 슬라이딩 피스를 가지고 있기 때문에, 프로브 구성 요소 및 슬라이딩 측면은 검지 손가락, 고체 손가락으로 그립로 이동할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 프로빙 장치에 대한 소프트웨어보기입니다. 이 뷰는 프로빙 중에 연조직의 저항력의 실시간 삼부 측정 값을 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 아세타큘러 음순의 풀 프로빙 중 관절경 모니터의 대표적인 작동 보기. 이 보기는 일반적인 전방 포털에서 나온 것입니다. 프로빙 장치는 수정된 전방 접근 방식에서 삽입됩니다. 풀 프로빙은 프로브(점선 화살표)의 축을 따라 수행됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 4: 모방 관절 연골 조직의 기계적 특성에 대한 두 가지 다른 스케일 테스트 (A) 이 두 기계적 특성 테스트 사이의 일관성을 이해하기 위해프로브(B)고전 들여쓰기 테스트(연골 표면으로 수직으로 압축)를 수동으로 슬라이딩하면서 연골 표면에 수직으로 반응력을 측정한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 풀 프로빙을 가진 아세타큘러 음순의 저항력. 세 가지 수술 단계에 대한 풀 프로빙과 아세타큘러 음순의 저항력. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 고전적인 들여쓰기 시험에 의한 푸시 프로빙 및 탄성 계측기와 연골 표면의 수직 반응력 사이의 관계. 푸시 프로빙을 가진 연골 표면의 수직 반응력은 고전적인 들여쓰기 시험에 의해 탄성 계측과 강한 양성 상관관계(r= 0.965, p = 0.0044)를 가졌다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이 연구는 프로빙 장치가 관절 탐사 중에 관절에서 연조직의 저항을 삼중적으로 측정할 수 있음을 보여줍니다. 구체적으로, 다음 두 가지를 조사하였다: 1) 전형적인 비순 수리의 3가지 수술 단계에서 풀프로빙을 가진 아세타큘러 음순의 저항력의 차이와 2) 푸시당기와 모방 연골 조직의 두 개의 다른 기계적 특성 사이의 관계.
본 연구에 따르면, 이 장치로 풀 프로빙하여 정량적으로 측정된 값은 관절 연조직의 상태를 평가하는 데 유용할 수 있다. 음순이 절단되었을 때 아세타큘러 음순의 가장 높은 저항 수준이 감소했습니다. 또한, 음순을 수리할 때 높은 저항 수준이 회복되었습니다. 따라서, 프로빙 력은 외과 적 개입이 충분한지 여부를 평가하는 데에도 유용 할 수 있습니다. 또한, 이 풀 프로빙은 다른 연조직뿐만 아니라, 불안정에 대한 전방 및 후방 십자 인대, 무릎 수술의 발거스 또는 바루스 밸런스에 대한 내측 및 측면 측부 인대, 어깨 수술뿐만 아니라 다른 관절 경 수술을 평가하는 데 사용할 수 있습니다.
유사한 결과는 이전에 유사한 탐사 장치3을가진 10개의 신선한 시체 고관절 견본을 사용하여 보고되었습니다. 음순의 가장 높은 저항 수준은 음순이 절단 될 때 현저하게 감소되었다 (그대로 음순, 8.2 N; 절단 음순, 4.0 N). 더욱이, 음순의 높은 저항 수준은 음순이 수리될 때 현저하게 회복되었다 (잘라, 4.0 N; 수리, 7.8N). 더욱이, 컷 음부(3.0-5.0 N)에 대한 저항수준은 그대로(6.5-9.9N) 및 수리된 음순(6.7-9.1 N)과 95%의 신뢰도로 통계적으로 분리되었다. 따라서, 음순에서 병변을 검출하기 위한 임계값은 음순의 가장 높은 저항 수준의 약 5N(4-6 N)인 결정될 수 있다. 현재 연구에 따르면, 팬텀 엉덩이에 이러한 임계값은 약 2-3 N 수 있습니다.
현재 연구에서 또 다른 흥미로운 발견은 푸시 프로빙 장치와 고전적인 들여쓰기 장치에 의한 탄성 계측기에 의한 모방 연골 표면의 반응력 사이의 중요한 긍정적 인 관계입니다. 도 4에 도시된 바와 같이 푸시 프로빙이 수행되고 프로브의 끝이 표면에서 이동하면 반응력이 발생합니다. 그 결과, 프로브의 끝이 반응력에 의해 밀려나게 된다. 이것은 프로브 축의 수직 힘으로 측정됩니다. 이 상황에서, 모방 연골 조직의 기계적 특성이 작으면(즉, 연약), 연골 표면으로푸시프로빙의 힘이 부분적으로 흡수될 수 있다. 그런 다음, 프로브의 끝에 표면에 그것의 반응 힘은 단단한 연골 조직에 푸시 프로빙의 경우에 비교된 약해져야 합니다. 그 결과 프로브 축의 수직 힘이 감소합니다. 따라서, 프로빙 축의 각도가 모방된 연골 표면에 대한 탐구축의 각도가 웨어러블 자이로 센서9,,10과같은 신기술에 의해 제어될 수 있는 경우, 연골 조직의 내 기계적 특성을 평가할 수 있다.
몇몇 연구그룹은 다양한 방법을 사용하여 관절경 검사,,11,12,,,,,13,,14,,15,16,17,,18,19,20,,21,,22 동안 생체내 관절 연골의 품질을 정량적으로 평가하는 장치를 개발하려고 노력해 왔으며, 초음파 바이오 현미경검사111, 관절경 초음파 영상12,광학 반사 분광법13,펄스 레이저 방사선검사 14,근적외선 분광법15,초음파 계열1116, 기계16,1617,,,18,,19,20,,21및 전기 기계 성 들여쓰기 장치22., 들여쓰기를 제외한 대부분의,장치는11,,12,13,,14,,15가 연골 층의 두께를 측정할 수 있다; 그러나 관련 기계적 특성 값을 측정할 수 없습니다. 초음파 및 기계적 기반 들여쓰기장치(16,,17,,18)는 관절 연골의 기계적 특성을 측정할 수 있지만, 장치의 끝표면은 기존의 압축 테스트 방법에 따라 관절 연골 표면에 수직으로 접촉해야 한다. 최근에 개발된 나머지 전기기계 들여쓰기장치(22)는 22,,23은 장치의 끝에 구형 형상을 갖는다; 여기서는 비교적 큰 크기로 인해 측정지점을 팁 자체에 의해 가려지게 하기 때문에 관절경 동안 연골 표면에 팁을 터치하는 방법을 결정하기 어려울 수 있습니다. 또한 정량적 값(QP22,,23이라고함)은 연속적이지 않고 오히려 피해 점수(연골 평가의 경우 4~20개)인 것으로 보인다. 예를 들어 4QP 값은 2QP 값의 두 배의 가치가 없습니다.
한 가지 중요한 점은 장치가 고전적인 프로브의 모양에 가능한 한 많이 부착된다는 것입니다. 더욱이, 프로빙 장치에 대한 종래및 공지된 파라미터 유닛(즉, 뉴턴)이 부분적으로 적용되기 때문에 연속적으로 정량적이기 때문이다. 이러한 맥락에서, 여기에 설명된 프로빙 장치는 "외과 의사의 느낌"에 따라 기존의 프로빙조건을 재현할 수 있다. 따라서, 이 프로빙 장치는 관절 경 동안 관절에서 특정 기계적 특성을 측정하는 데 유용하게 나타난다.
결론적으로, 여기서 설명된 프로빙 장치는, 당김 및 푸시 프로빙을 통해 삼축력 센서를 가진 연조직의 저항을 정량적으로 측정할 수 있고, 기존의 프로빙의 현재 질적 평가의 개선인 관절 연조직의 포괄적인 병변 또는 조건을 정량적으로 평가하는 데 유용할 수 있다.
저자는 공개 할 것이 없습니다.
JSPS KAKENHI가 부분적으로 지원한 이 작품은 JP19K09658및 JP18KK0104, 일본 내시경검사 연구 진흥재단(JFE) 보조금에 의해 부분적으로 지원되었다. 저자는 스크립스 클리닉의 정형 외과 연구 및 교육을위한 실리 센터의 대릴 D. D'Lima 교수와 전문 과학 협력자 에릭 W. 도테 교수에게 감사드립니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
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