Um dispositivo de sondagem para medir quantitativamente as propriedades mecânicas dos tecidos moles durante a artroscopia

Resumo

A sondagem durante a cirurgia de artroscopia é normalmente feita para avaliar a condição do tecido mole, mas essa abordagem sempre foi subjetiva e qualitativa. Este relatório descreve um dispositivo de sondagem que pode medir a resistência do tecido mole quantitativamente com um sensor de força tri-axial durante a artroscopia.

Resumo

A sondagem na cirurgia artroscópica é realizada puxando ou empurrando o tecido mole, o que fornece feedback para a compreensão da condição do tecido mole. No entanto, a saída é apenas qualitativa com base no "sentimento do cirurgião". Aqui é descrito um dispositivo de sondagem desenvolvido para resolver esse problema medindo a resistência dos tecidos moles quantitativamente com um sensor de força tri-axial. Em ambas as condições (ou seja, puxar e empurrar certos tecidos imitando o lábio acetabular e cartilagem), este dispositivo de sondagem é considerado útil para medir algumas propriedades mecânicas nas articulações durante a artroscopia.

Introdução

O processo de sondagem, que puxa (ou ganchos) ou empurra tecidos moles nas articulações com uma sonda metálica, permite avaliar a condição dos tecidos moles durante a cirurgia artroscópica^1,,2. No entanto, a avaliação da sondagem é muito subjetiva e qualitativa (ou seja, o sentimento do cirurgião).

Com base nesse contexto, se a resistência do tecido mole (por exemplo, cápsula ou lábio na articulação do quadril, menisco ou ligamento na articulação do joelho) durante a puxar poderia ser medida quantitativamente, poderia ser útil para os cirurgiões julgarem a necessidade de um reparo para o tecido mole e uma indicação de se a intervenção cirúrgica adicional é necessária mesmo após a conclusão do reparo primário^3,,4,,5. Além disso, devem ser estabelecidos critérios para as principais variáveis quantitativas que indiquem a intervenção cirúrgica necessária para os cirurgiões. Além disso, na direção oposta, o empurrão da sonda pode ser usado para avaliar as propriedades mecânicas dos tecidos de cartilagem articular. Nos campos da engenharia de tecidos e medicina regenerativa, como a substituição de tecidos de cartilagem danificados, degenerados ou doentes, a avaliação in situ de push-probing pode ser crítica^2,,6.

Este artigo relata o desenvolvimento de um dispositivo de sondagem com um sensor de força tri-axial⁶ que pode medir a resistência do tecido mole quantitativamente durante a artroscopia. Este dispositivo de sonda consiste em um componente da sonda com um tamanho de meio comprimento (200 mm) de uma sonda artroscópica normal, e um componente de aderência no qual um sensor de medidor de tensão é incorporado para medir a força resultante de três eixos na ponta da sonda(Figura 1). O sensor de medidor de tensão foi feito especificamente para sondagem. O medidor de tensão está embutido na parte superior do componente de aderência, que se conecta com o componente da sonda. A resolução deste dispositivo de sondagem é de 0.005 N. A precisão e a precisão também foram medidas por um peso comercializado com peso conhecido (50 g). A precisão foi de 0,013 N e a precisão é de 0,0035 N.

Além disso, um aspecto deslizante do componente de aderência foi implementado para controlar a distância com o dedo indicador ou polegar do cirurgião enquanto puxava ou empurrava a sonda. Durante o processo de medição da resistência, o valor medido depende tanto da distância de puxar do dispositivo de sondagem quanto da força de puxar, razão pela qual a distância de puxar do dispositivo de sondagem é controlada pelo aspecto deslizante. A distância deslizante do componente de aderência do dispositivo de sondagem foi fixada em 3 mm para os seguintes casos representativos neste estudo.

Como mostrado na Figura 1,a força de resistência dos tecidos moles pode, portanto, ser medida tri-axially. A primeira força está ao longo do eixo da sonda. O segundo é perpendicular ao eixo da sonda ao longo da direção do gancho da sonda, e o terceiro está na direção transversal. A medição das forças é feita usando o seguinte método geral: O sensor de força de três eixos inclui três pontes de Wheatstone correspondentes aos eixos x,y e z. O valor de resistência do medidor de tensão muda de acordo com a magnitude da carga aplicada, e a tensão do ponto médio da ponte muda para que a força possa ser detectada como um sinal elétrico. A faixa de medição deste dispositivo é de 50 N na direção do eixo da sonda e 10 N nas duas direções restantes.

Foi desenvolvido um software dedicado para esta sonda em que o software mostra as três forças nas direções x, y e z (x é a direção transversal, y é a direção vertical (direção do gancho), e z é o eixo da sonda) medido pelo dispositivo de sondagem em tempo real com uma frequência de 50 Hz como três gráficos separados(Figura 2). Opcionalmente, uma fina tampa elástica normalmente usada para uso intraoperatório de dispositivos de ultrassom pode ser usada para impermeabilização aqui.

Este dispositivo de sondagem pode, assim, permitir a avaliação de certas condições de tecidos moles. Além disso, este dispositivo de sondagem pode permitir a avaliação das propriedades mecânicas dos tecidos de cartilagem articular. Para isso, a força de reação na superfície da cartilagem articular enquanto desliza a ponta deste dispositivo de sondagem para a frente na superfície pode estar correlacionada com a propriedade mecânica da cartilagem articular.

O objetivo deste estudo é introduzir como o dispositivo de sondagem pode ser usado. Primeiro são as medidas de um lábio acetabular imitador como um tecido representativo enquanto puxa-se com um modelo de quadril fantasma. Investigado é a diferença na resistência do lábio acetabular em três etapas cirúrgicas para um reparo labral típico. Em segundo lugar estão as medidas de um tecido de cartilagem representativo através de sondagem push. Também é investigada uma correlação entre duas propriedades mecânicas diferentes do tecido de cartilagem imitação medida por este dispositivo de sondagem e um dispositivo de recuo clássico para validar o novo método de medição das propriedades mecânicas da cartilagem articular.

Protocolo

O protocolo do presente estudo consiste principalmente nos seguintes dois aspectos: 1) força de resistência do labrum acetabular com sondagem de tração e 2) medição da força de reação na amostra de cartilagem imitadora com sondagem.

1. Força de resistência do labrum acetabular com pull-probing

1. Preparação fantasma para as medidas com sondagem de tração
   1. Fixar um quadril fantasma, que consiste na pelve esquerda e osso do fêmur, os principais músculos do quadril, labrum acetabular, cápsula do quadril e cartilagem articular da articulação do quadril em um dispositivo de fixação padrão⁵.
   2. Abduque e gire internamente o osso do fêmur ligeiramente para distanciá-lo da pelve, gerando espaço articular imitando artroscopia do quadril.
2. Preparação da câmera para artroscopia
   1. Prepare um artroscópio de visão direta autoclavável de 4 mm 70° e conecte uma câmera de artroscopia portátil. Conecte uma fonte de luz da câmera de artroscopia portátil ao artroscópio de 70°. Conecte cabos USB da câmera de artroscopia e da fonte de luz a um PC. Em seguida, abra o software avançado de gravação de tela para a visualização de artroscopia no PC.
3. Preparação de portais
   NOTA: A preparação é seguida pelo método padrão convencional de artroscopia do quadril⁷.
   1. Insira uma agulha cânulada e guie o fio na articulação do quadril a partir da ponta do trochanter maior para fazer um portal anterolateral normal.
   2. Insira uma cânula de 5,5 mm com um obturador ao longo da linha do fio-guia.  Em seguida, remova o obturador e insira o artroscópio de 70° com a câmera de artroscopia portátil ao longo da cânula, gerando assim o primeiro portal.
   3. Confirme se o triângulo capsular entre o lábio e a cabeça femoral⁷ é visto na visão deste portal. Em seguida, faça o segundo portal como um portal anterior modificado⁷.
4. Capsulotomia, abrindo a cápsula do quadril
   1. Quando o portal anterior for gerado, mantenha o artroscópio no portal anterolateral. Insira uma cânula de 4,5 mm com um obturador ao longo do fio-guia, remova o obturador e, em seguida, insira um bisturi artroscópico do portal anterior. Realize uma capsulotomia peri-portal ao redor do portal anterior, movendo o bisturi mediada e lateralmente para gerar mais espaço para o portal anterior na cápsula do quadril.
   2. Coloque o artroscópio no portal anterior. Gire a visão da câmera do artroscópio até ver a cânula no portal anterolateral. Insira o bisturi artroscópico do portal anterolateral. Realize uma capsulotomia interportal transversal, que se conecta entre os dois portais das 10:00 às 2 horas. Em seguida, deixe essa capsulotomia 5 mm do lábio, medindo aproximadamente 15 mm de comprimento.
5. Configuração do dispositivo de sondagem
   1. Confirme a conexão entre a unidade de alimentação e o PC com um cabo USB. Ligue a unidade de alimentação. Abra o software para o dispositivo de sondagem, descrito na Introdução.
   2. Insira os dados da matriz pela primeira vez, que é pré-calculado durante a calibração do sensor de medidor de tensão. Recalibrar se o valor medido não for o mesmo que o valor de peso padrão quando colocado na ponta da sonda.
   3. Reinicie o valor da força de medição para zero imediatamente antes de cada medição. Além disso, confirme se o interruptor de pé conectado com o sistema de gravação do dispositivo de sondagem funciona bem.
6. Medição da resistência do lábio acetabular enquanto puxa
   1. Coloque o artroscópio no portal anterolateral. Insira o dispositivo de sondagem do portal anterior e vá mais longe na articulação do quadril até que a ponta do dispositivo esteja abaixo do lado interno do lábio acetabular.
   2. Zero a configuração como acima. Puxe a ponta do dispositivo de sondagem na direção da articulação (este é o primeiro passo cirúrgico como "Labrum intacto")(Figura 3).
   3. Remova o dispositivo de sondagem do portal anterior e, em seguida, insira o bisturi artroscópico na articulação. Em seguida, desprender o lábio superior anterior longitudinalmente (por 10 mm) da borda acetabular nitidamente usando o bisturi.
   4. Mude do bisturi para o dispositivo de sondagem na região anterior. Enganchar o lábio ao longo do eixo da sonda na mesma posição do lábio para medir a força de resistência do lábio (este é identificado como o segundo passo, "Corte de Labrum"). Novamente, lembre-se de zerar a configuração antes desta medição.
   5. Insira um conjunto de âncora para o reparo do lábio no portal anterior. Coloque a âncora na ponta do conjunto de âncora na borda óssea acetabular. Insira o instrumento de sutura no portal anterior após a remoção do conjunto de âncora. Aperte o lábio na borda acetabular. Repita este procedimento de reparo mais uma vez para fazer o segundo ponto.
   6. Meça a força de resistência do lábio, enganchar novamente o lábio ao longo do eixo de sondagem (este é como o terceiro passo, "Reparação labrum"). Lembre-se de pressionar o pedal do pé ao gravar cada passo cirúrgico.

2. Medição da força de reação para imitar amostras de cartilagem com sondagem

NOTA: No segundo estudo, foi medida uma força de resistência vertical em cada superfície de cartilagem imitada (Figura 4A)com sondagem na superfície da cartilagem a uma inclinação de 30° para a linha horizontal e identificada como um elemento das propriedades mecânicas da cartilagem articular.

1. Preparação das amostras para medições com sondagem.
   1. Prepare as amostras de cartilagem. No presente estudo, foram utilizados cinco tipos de amostras de cartilagem imitativa, que foram feitas a partir de hidrogéis^{de álcool}poli-vinil 8 .
   2. Remodele as amostras do tamanho a granel das amostras fornecidas para 15 mm x 20 mm x 3 mm como uma placa de cartilagem imitadora. Coloque cada amostra em uma placa base, que tem uma pequena rolha em direção ao lado da sondagem.
2. Medição da resistência da cartilagem com sondagem de impulso
   1. Segure e fixe a posição e orientação do dispositivo de sondagem no qual a ponta do dispositivo quase toca a superfície da amostra de cartilagem imitadora mantendo uma inclinação de 30° para a linha horizontal.
   2. Depois de zerar a configuração, empurre e puxe a ponta do dispositivo de sondagem na amostra de cartilagem de mímica três vezes pressionando o pedal do pé.
   3. Repita esta etapa de medição para as cinco amostras após colocar em cada uma das placas.
3. Medição da resistência da cartilagem por um dispositivo de recuo clássico
   1. Meça o módulo elástico convencional e a rigidez de cada amostra utilizando um dispositivo de recuo clássico(Figura 4B).
      NOTA: O dispositivo personalizado para o teste de recuo clássico para medir o módulo elástico da amostra de cartilagem imitadora no presente estudo tinha um recuo esférico com ponta de 1 mm de diâmetro e um atuador eletromecânico (resolução, 5 μm). O atuador, o recuo e a célula de carga foram montados usando suportes impressos em 3D personalizados por filamentos PLA em uma impressora 3D (Figura 4B) para funcionar como um sistema convencional de recuo uniaxial. Cada amostra foi colocada na placa base do dispositivo de recuo. O ponto médio da amostra foi alinhado com a ponta do recuador. A ponta do recuador foi colocada em contato inicial com a amostra usando uma pré-carga de 0,02 N. A ponta do recuador foi então comprimida 150 μm na superfície da cartilagem. A força e o deslocamento foram registrados durante o recuo. A porção linear da curva de deslocamento de força de recuo foi usada para calcular a rigidez e o módulo elástico, conforme relatado por Hayes et al.²⁴ usando a espessura da amostra. Os dados deste dispositivo não foram validados, mas os valores mecânicos das amostras de cartilagem por este dispositivo foram confirmados anteriormente; o módulo elástico foi de 0,46 MPa (desvio padrão de 0,27 MPa (DD),o que é consistente com o encontrado em diversos estudos de literatura^{anteriores 11,,16,19}.
   2. Calcule o valor do coeficiente entre o valor máximo da força de reação vertical com a sondagem de push e o módulo elástico pelo dispositivo de recuo clássico.

Resultados

Força de resistência do lábio acetabular nos três passos cirúrgicos com sondagem de puxar
As medidas registradas por este dispositivo de sondagem em cada etapa foram repetidas três vezes. Os resultados mostram que as maiores forças médias resultantes de y e z para o labrum acetabular para as três etapas foram 4,4 N (0,2 N SD) no lábio intacto, 1,6 N (0,1 N SD) no laboratório de corte, e 4,6 N (0,7 N SD) no labrum reparado(Figura 5). A força transversal era apenas 2,8% da maior força resultante enquanto sondava no lábio intacto.

Relação entre as duas propriedades mecânicas de escala diferente pelo dispositivo de sondagem com dispositivo de sondagem e recuo clássico
Os resultados mostram uma relação positiva significativa entre as duas propriedades mecânicas obtidas: sensor de sondagem vs módulo elástico, r = 0,965 e p = 0,0044 (Figura 6); sensor de sondagem vs rigidez, r = 0,975 e p = 0,0021).

Figura 1: Dispositivo de sondagem utilizado no presente estudo (A) O dispositivo de sonda consiste em um componente da sonda e um componente de aderência com um sensor de medidor de tensão incorporado que pode medir três forças na ponta da sonda (uma ao longo do eixo da sonda, seta amarela pontilhada; outras duas perpendiculares ao eixo da sonda, setas brancas pontilhadas) (B) Porque o componente de aderência tem uma peça deslizante, o componente da sonda e o aspecto deslizante podem ser movidos para a aderência com o indicador do dedo, seta amarela sólida. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Ver o software para o dispositivo de sondagem. Esta visão mostra os valores tri-axialmente medidos em tempo real da força de resistência dos tecidos moles durante a sondagem. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Visão operacional representativa do monitor de artroscopia durante a sondagem do lábio acetabular. Esta vista é de um portal anterolateral típico. O dispositivo de sondagem é inserido a partir de uma abordagem anterior modificada. A sondagem é realizada ao longo do eixo da sonda (seta pontilhada). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Dois testes de escala diferentes para propriedades mecânicas do tecido de cartilagem articular imitador (A) Medição da força de reação perpendicular à superfície da cartilagem enquanto desliza manualmente o teste de recuo clássico(comprimidoverticalmente à superfície da cartilagem) para entender a congruência entre esses dois testes de propriedade mecânica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Forças de resistência do labrum acetabular com sondagem de tração. Forças de resistência do lábio acetabular com sondagem para os três passos cirúrgicos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Relação entre a força de reação vertical na superfície da cartilagem com o push-probing e o módulo elástico pelo teste de recuo clássico. A força de reação vertical na superfície da cartilagem com sondagem de impulso teve forte correlação positiva (r = 0,965, p = 0,0044) com o módulo elástico pelo teste de recuo clássico. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussão

Este estudo demonstra que o dispositivo de sondagem é capaz de medir tri-axially a resistência dos tecidos moles na articulação durante a sondagem artroscópica. Especificamente, foram investigadas as duas coisas a seguir: 1) a diferença na força de resistência do labrum acetabular com a sondagem nos três passos cirúrgicos de um reparo labial típico e 2) a relação entre duas propriedades mecânicas diferentes do tecido de cartilagem imitação com puxão de empurrão.

De acordo com este estudo, os valores medidos quantitativamente por sondagem com este dispositivo podem ser úteis para avaliar a condição do tecido mole articular. Os mais altos níveis de resistência do lábio acetabular diminuíram quando o lábio foi cortado. Além disso, os altos níveis de resistência foram recuperados quando o lábio foi reparado. Assim, a força de sondagem também pode ser útil para avaliar se a intervenção cirúrgica é suficiente. Além disso, essa sondagem de tração pode ser utilizada para avaliar outros tecidos moles também, como ligamentos cruzados anteriores e posteriores para instabilidade, ligamentos colaterais medial e lateral para equilíbrio de valgo ou varo em cirurgias de joelho, labrum e manguito rotador em cirurgias de ombro, bem como para outras cirurgias artroscópicas.

Resultados semelhantes foram relatados anteriormente usando 10 amostras de quadril de cadáveres frescos com um dispositivo de sondagem semelhante³. Os maiores níveis de resistência do lábio foram significativamente reduzidos quando o lábio foi cortado (labrum intacto, 8,2 N; labrum cortado, 4,0 N). Além disso, o alto nível de resistência do lábio foi significativamente recuperado quando o lábio foi reparado (cortado, 4,0 N; reparado, 7,8N). Além disso, o nível de resistência para o lábio cortado (3,0-5,0 N) foi estatisticamente separado com 95% de confiança dos intactos (6,5-9,9 N) e labrum reparado (6,7-9,1 N). Portanto, pode-se determinar um limiar para detectar lesões no lábio, que é aproximadamente 5 N (4-6 N em cadáveres) do mais alto nível de resistência do lábio. De acordo com o estudo atual, tal limiar no quadril fantasma pode ser em torno de 2-3 N.

Outro achado interessante no presente estudo é a relação positiva significativa entre a força de reação na superfície da cartilagem imitada pelo dispositivo de sondagem push e o módulo elástico pelo dispositivo de recuo clássico. Quando a sondagem é realizada como mostrado na Figura 4 e, em seguida, a ponta da sonda está se movendo sobre a superfície, uma força de reação ocorre. Como resultado, a ponta da sonda é empurrada para cima pela força de reação. Isto é medido como a força perpendicular do eixo da sonda. Nesta situação, se a propriedade mecânica do tecido da cartilagem imitadora for pequena (ou seja, macia), a força do push-probing para a superfície da cartilagem pode ser parcialmente absorvida. Em seguida, sua força de reação na superfície até a ponta da sonda deve ser enfraquecida em comparação com isso no caso de sondagem em tecido de cartilagem dura. Como resultado, a força perpendicular do eixo da sonda seria diminuída. Portanto, se o ângulo do eixo de sondagem para a superfície de cartilagem imitada pode ser controlado por novas tecnologias, como um sensor giroscópio vestível^9,,10, as propriedades mecânicas in situ do tecido cartilagem podem ser avaliadas.

Vários grupos de pesquisa têm tentado desenvolver dispositivos para avaliar quantitativamente a qualidade da cartilagem articular in vivo durante a artroscopia^{11,12,13,14,15,,16,17,,18,19,,20,,21,,22} utilizando vários métodos, como a biomicescopia de ultrassom^11,ultrassom artroscópico^12,espectroscopia de reflexão óptica^13,irradiação a laser pulsada^14,espectroscopia quase infravermelha¹⁵e ultrassom^16,mecânica^{16,,17,,18,,19,,20,,21}, e dispositivos de recuo eletromecânico²². A maioria dos dispositivos, exceto os de recuo^{11,,12,,13,,14,15} podem medir a espessura da camada de cartilagem; no entanto, eles não podem medir valores relacionados de propriedade mecânica. Embora os dispositivos de recuo à base de ultrassom e mecânico^16,,17,18 possam medir algumas propriedades mecânicas da cartilagem articular, a superfície da ponta do dispositivo deve ser tocada verticalmente à superfície da cartilagem articular, que é seguida por métodos convencionais de teste de compressão. O restante do dispositivo de recuo eletromecânico^22,23 que foi desenvolvido recentemente tem uma forma esférica na ponta do dispositivo; aqui, pode ser difícil determinar como tocar a ponta para a superfície da cartilagem durante a artroscopia devido ao seu tamanho relativamente maior obscurecendo o ponto de medição pela própria ponta. Além disso, o valor quantitativo (chamado de QP^22,23) não é consecutivo e parece ser um escore de dano (de 4 a 20 para avaliação da cartilagem). Por exemplo, o valor de 4 QP não vale o dobro do valor de 2 QP.

Um ponto importante é que o dispositivo adere o máximo possível a uma forma da sonda clássica. Além disso, uma unidade de parâmetro convencional e conhecida (ou seja, newton) para o dispositivo de sondagem é aplicada em parte porque é consecutivamente quantitativa. Nesse contexto, o dispositivo de sondagem descrito aqui pode reproduzir condições de sondagem convencional com base no "sentimento do cirurgião". Assim, este dispositivo de sondagem mostra-se útil para medir certas propriedades mecânicas nas articulações durante a artroscopia.

Em conclusão, o dispositivo de sondagem descrito aqui, que pode medir quantitativamente a resistência dos tecidos moles com um sensor de força tri-axial através tanto da sondagem de tração quanto de push, pode ser útil para avaliar quantitativamente lesões ou condições abrangentes dos tecidos moles articulares, o que é uma melhoria da avaliação qualitativa atual da sondagem convencional.

Materiais

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