DE102010020276B4

DE102010020276B4 - Verfahren zum Untersuchen von organischem Gewebe

Info

Publication number: DE102010020276B4
Application number: DE201010020276
Authority: DE
Inventors: Dr. Hoffmann Martin; Dr. Plettenberg Holger
Original assignee: ARTHROSPEC GmbH; fzmb Forschungszentrum fur Medizintechnik und Biotechnologie GmbH; fzmb GmbH Forschungszentrum fur Medizintechnik und Biotechnologie
Current assignee: HOFFMANN, MARTIN, DR., DE
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: DE102010020276A1

Abstract

Verfahren zum Untersuchen von nativem und artifiziellem Gelenkknorpel durch Erfassen der spektralen Körperreflexion des Gewebes im nahen Infrarot und der daraus abgeleiteten Gewebeabsorption simultan zum Grad einer variierenden mechanischen Belastung, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine aus der Belastung resultierende konstante oder zunehmende Kompression des Gewebes ein Gradientenwechsel im zeitlichen Verlauf der Gewebeabsorption bewirkt wird.

Description

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft das Untersuchen von menschlichem, tierischem oder pflanzlichem Gewebe, zum Beispiel zum Ermitteln des Zustandes von Gelenkknorpel oder der Qualität von Chondrozyten Transplantaten.
Stand der Technik
Die Bestimmung der optischen Eigenschaften von Gewebe zum Zwecke der Charakterisierung und Bewertung des Gewebezustandes ist Stand der Technik und findet breite Anwendung in der medizinischen Diagnostik. Bekannte Beispiele sind unter anderem Melanomuntersuchungen, spektrale Knorpeldiagnostik, Augenhintergrunduntersuchungen mittels OCT, Bilirubin-Bestimmung.
Ebenfalls etabliert in der medizinischen Diagnostik ist die direkte oder indirekte Bewertung der biomechanischen Eigenschaften von Gewebe. Beispiele für die direkte Bewertung sind das Palpieren in der Arthroskopie. Beispiele für die indirekte Bewertung sind die Bestimmung der Gewebedichte durch Röntgen- oder Ultraschalluntersuchungen.
Speziell zur Befundung von Knorpelgewebe (Arthrosediagnostik) kommen in der klinischen Praxis neben der Anamnese sowohl nichtinvasive bildgebende Verfahren (Röntgen, MRT, Ultraschall) als auch invasive chirurgische Untersuchungen (Arthroskopie) zur Anwendung. Trotz der Tatsache, dass es sich bei der Arthroskopie um einen invasiven Eingriff handelt und die Befundung stark subjektiv geprägt ist, stellt diese Methode den Goldstandard bei der klinischen Beurteilung von Knorpelkrankheiten dar. Die Gewebebefundung in der Arthroskopie kann durch die Analyse der optischen Eigenschaften des Knorpels mittels nahem Infrarot (NIR) objektiviert werden. Ein Instrument für die Arthroskopie, mit welchem ein Palpieren des Gewebes sowie das Gewinnen von spektroskopischen Informationen möglich sind, ist aus der DE 10 2004 003 709 B4 bekannt.
Für die Laboranalyse von Knopelgewebe kommen sowohl biochemische Analyseverfahren, histologische und immunhistologische Techniken, molekularbiologische Verfahren als auch biomechanische Untersuchungsmethoden zum Einsatz. Pathologische Veränderungen führen bereits in einem frühen Stadium von Arthrose zu Änderungen der biomechanischen Eigenschaften. Daher ist es allgemein akzeptiert, dass insbesondere die Bewertung der biomechanischen Eigenschaften von Gelenkknorpel zur funktionellen Charakterisierung des Gewebes geeignet ist.
Gegenstand der US 4 213 462 A ist die belastungsabhängige Untersuchung der Reflexion oder Absorption von Gewebe, insbesondere zur Anwendung bei der Krebsfrüherkennung. Dabei werden die beobachteten Änderungen der spektralen Gewebereflexion auf eine veränderte Durchblutung des Gewebes zurückgeführt.
Bei der Lösung nach US 2010 0 042 005 A1 wird der Einfluss von Druckbelastung auf Absorptions- und Streukoeffizienten von Muskelgewebe (Maus) im VIS und untersucht.
Die DE 36 12 312 A1 und die GB 2 173 896 A befassen sich mit der Bestimmung der Elastizität der Haut durch Deformation mittels Druckluft. Es werden auch Farbänderungen der Haut als Folge der veränderten Durchblutung des Hautgewebes bei Druckbelastung ausgewertet.
Alle aufgeführten Befundungs- und Analysemethoden untersuchen jeweils einen begrenzten Aspekt der komplexen Eigenschaften des Gewebes unter weitestgehend statischen Bedingungen. Damit ist die Aussagekraft begrenzt. Eine vollständige molekularbiologische, biochemische, histologische, spektrale und biomechanische Bewertung des Gewebes ist in den meisten Anwendungsfällen nicht praktikabel. Aufgrund des makromolekularen Aufbaus von Gewebe sind die untersuchten Eigenschaften typischerweise anisotrop, inhomogen, zeitvariant sowie abhängig von dem Belastungszustand und dem Stoffwechsel des Gewebes. Dies führt in Verbindung mit der natürlichen physiologischen und pathologischen Schwankungsbreite zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Bestimmung und vor allem bei der Interpretation dieser Parameter.
Aufgabenstellung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Untersuchen von organischem Gewebe zu schaffen, mit welchem eine Verbesserung der Diagnosemöglichkeiten von Gewebeschäden in der Medizin sowie allgemein die Bewertung von Gewebe in der Labordiagnostik, zum Beispiel bei der Züchtung von organischen Geweben, möglich ist. Dabei sollen insbesondere die für die Güte von Knorpelgewebe relevanten biomechanischen, morphologischen und biochemischen Eigenschaften identifiziert und bestimmt werden ohne das Gewebe zu zerstören. Grundlage des angestrebten Verfahrens soll eine methodische Kombination spektroskopischer und biomechanischer Messverfahren bilden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht insbesondere darin, dass das Untersuchungsergebnis nicht mehr von den subjektiven Wahrnehmungen geprägt wird. Vielmehr ist es möglich, eine spektrale Charakteristik des Gewebes in Abhängigkeit von der jeweiligen mechanischen Belastung zu analysieren. In Abhängigkeit von der Gewebeart führt eine mechanische Belastung von Gewebe zu gewebetypischen Veränderungen. Die mechanische Belastung kann insbesondere bei stark durchblutetem Gewebe (Muskeln, Organgewebe) zu einem veränderten Stoffwechsel führen. Die mechanische Belastung von Knorpelgewebe mit ausgeprägten viskoelastischen Verhalten führt zu Änderungen der Morphologie und der biochemischen Zusammensetzung. Es kommt zu einer Kompression des Gewebes. Die Form, Anordnung und Verteilung der Zellen sowie extrazellulärer Bestandteile als auch die Interaktion der Matrixmoleküle verändern sich. Die flüssige Gewebsphase wird teilweise verdrängt. Dies führt zu einer veränderten Verteilung der Streukörper und Chromophoren im Gewebe und damit zu einer charakteristischen Änderung der optischen Eigenschaften.
Durch die spektrale Analyse im NIR während der mechanischen Belastung können diese für die Funktion des Gewebes charakteristischen dynamischen Vorgänge analysiert und bewertet werden. Die NIR-Spektroskopie ist sensitiv bezüglich der molekularen Zusammensetzung des Gewebes, da gewebespezifische Molekülgruppen angeregt und die resultierenden Oberwellen bzw. Kombinationsbanden ausgewertet werden können. Neben der biochemischen Zusammensetzung ist die Methode zudem sensitiv bezüglich der Morphologie des Gewebes, da die Verteilung der Streukörper und Chromophore im Gewebe die gewebeoptischen Eigenschaften bestimmen. Führt die Interaktion von Matrixmolekülen zu Änderungen von Bindungsverhältnissen, ändern sich die Schwingungsmode der beteiligten Molekülgruppen und damit die spektralen Eigenschaften im NIR. Die Auswertung der belastungsabhängigen Spektraldaten ermöglicht eine weitreichende, über die separate Bewertung der biomechanischen und spektrale Eigenschaften hinausgehende, funktionelle Charakterisiertung des Gewebes.
Die mechanische Belastung des Gewebes erfolgt über einen steuerbaren Krafteinleitungskörper, über den die optische Anregung und Detektion der optischen Strahlung in vorteilhafter Weise direkt an der Belastungsstelle erfolgt.
Die Krafteinleitung kann aber auch örtlich getrennt von der optischen Anregung und Detektion erfolgen. Zum Beispiel kann die Krafteinleitung ringförmig erfolgen und die optische Anregung und Detektion innerhalb des ringförmigen Bereiches durchgeführt werden.
Die zu erfassende mechanische Belastung kann je nach Art der Krafteinleitung durch Druck-, Zug-, Biege- oder Scherkräfte erfolgen.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Messanordnung und zwei Untersuchungsreihen näher beschrieben.
Die Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Messanordnung
2 Diagramm – Vorschub der Sonde und Kräftediagramme bei einer Knorpelkompression um 0,4 mm
3 Diagramm – Zeitreihe der Absorptionsspektren von Gelenkknorpel bei einem rampenförmigen Belastungsprofil
4 Diagramm – Zeitreihe der wellenlängenabhängigen Absorptionsänderung bei einem rampenförmigen Belastungsprofil
5 Diagramm – Absorption bei 950 nm bei einem rampenförmigen Belastungsprofil
6 Diagramm – Absorption bei 1453 nm bei einem rampenförmigen Belastungsprofil
7 Diagramm – Vorschub der Sonde und Kräftediagramme bei einer stufenförmigen Knorpelkompression in 0,1 mm Schritten auf 0,4 mm (stufenförmiges Belastungsprofil)
8 Diagramm – Zeitreihe der Absorptionsspektren bei einem stufenförmigen Belastungsprofil
9 Diagramm – Zeitreihe der wellenlängenabhängigen Absorptionsänderung bei einem stufenförmigen Belastungsprofil
10 Diagramm – Absorption bei 950 nm bei einem stufenförmigen Belastungsprofil
11 Diagramm – Absorption bei 1453 nm bei einem sprungförmigen Belastungsprofil
12 Tabelle – Übersicht Kraft- und Absorptionskennwerte für Untersuchungsreihe I
13 Tabelle – Übersicht Kraft- und Absorptionskennwerte für Untersuchungsreihe II
Zentraler Bestandteil des Messaufbaus (1) zum Durchführen des Verfahrens ist ein speziell für die Untersuchung von Knorpelgewebe ausgelegtes Spektrometersystem. Zur Messung wird eine Fasersonde mit einem distalen Durchmesser von 2 mm auf die Oberfläche des Knorpels berührend abgesenkt. Eine Linear Translation Stage ermöglicht einen Vorschub von 50 mm mit bis zu 3 mm/s bei einer minimalen Schrittweite von 50 nm. Die resultierende Andruckkraft wird von einem Kraftsensor erfasst. Die Kraftmessung erfolgt in einem Messbereich von 0–50 N mit einer Genauigkeit von 0,25 N bei einer Abtastrate von 1 kHz. Bei der Spektralanalyse wird die Körperreflexion im Wellenlängenbereich von 950 bis 1650 nm mit einer Auflösung von 3 nm bei einem Dynamikbereich von 16 Bit erfasst. Das Spektrometersystem wurde auf die im Reflexionsmodus gemessene Absorption von Teflon referenziert. Es werden 5 Spektren pro Sekunde aufgezeichnet.
Die Untersuchungen erfolgten an drei Schultergelenken S1, S2, S3 (caput humeri, medial) von zwei Merino Schafen (Schlachttiere, weiblich, Alter 4–6 Jahre, S1: Tier 1/rechts, S2: Tier 1/links, S3: Tier 2/links).
Verwendet wurden frische Proben unmittelbar nach der Exartikulation. Die vermessenen Gelenkflächen waren ohne Befund. In den Messpunkten betrug die Schichtdicke des Knorpels ca. 1 mm. In zwei Untersuchungsreihen wurden dieselben Gelenke, jedoch bei einer neuen mechanisch unbelasteten Position, vermessen. Die Gelenkköpfe wurden in einem Probenhalter fixiert. Die Fasersonde wurde senkrecht zur Knorpeloberfläche positioniert und mit einer geringen Anpresskraft auf die Knorpeloberfläche abgesenkt. In Untersuchungsreihe I wurde die Fasersonde mit einer Geschwindigkeit von 0,05 mm/s 0,4 mm tief in das Gewebe eingedrückt. In Untersuchungsreihe II erfolgte die Belastung stufenweise. Die Fasersonde wurde ebenfalls mit einer Geschwindigkeit von jeweils 0,05 mm/s in vier Schritten zu je 0,1 mm in das Gewebe eingedrückt. Nach jeder Stufe wurde die Sonde für 30 s in der erreichten Position fixiert. Aufgezeichnet und ausgewertet wurden die Kompression des Gewebes, der Verlauf der resultierenden Anpresskräfte sowie die zeit- und wellenlängenabhängige Absorption des Gewebes während der Vorschub- und Relaxationsphasen.
Untersuchungsreihe I
In 2 sind der Sondenvorschub und die Kraftdiagramme für Gelenk S1, S2 und S3 bei einer Belastung durch Kompression um 0,4 mm mit einer Vorschubgeschwindigkeit vom 0,05 mm/s dargestellt.
Nach dem Aufsetzen der Sonde mit geringer Kraft F1 < 3 N wird die Nullposition für 7 s gehalten. Während des Vorschubs der Sonde um 0,4 mm steigt die erforderliche Andruckkraft linear von F1 auf F2 an. Die erforderliche Andruckkraft F2 variiert zwischen den Gelenken und liegt im Bereich von 19,6–27,5 N. Nach 8 s ist die Endposition erreicht und wird für weitere 120 s gehalten. In diesem Zeitraum relaxiert der Knorpel bei konstanter Kompression, die Andruckkraft sinkt um 12,3–14,0 N exponentiell auf den Endwert F3 ab.
Über den Versuchszeitraum von 135 s wurde kontinuierlich die spektrale Absorption des Gewebes ermittelt. Die Zeitreihe der Absorptionsspektren für Gelenk S1, wie in 3 dargestellt, ist typisch für die Versuchsreihe.
Das Absorptionsspektrum weist lokale Minima bei 1124 nm sowie 1303 nm und lokale Maxima bei 1174 nm sowie 1453 nm auf. Ebenfalls bei ca. 1453 nm ist der Abfall der Absorption innerhalb der Versuchsreihe maximal. Bei 950 nm ist im Gegensatz dazu der Anstieg der Absorption maximal. Die Absorptionsänderung bezogen auf die Absorption zum Zeitpunk t = 0, d. h. ΔA(t, λ) = A(t, λ) – A(t = 0, λ), ist in 4 für alle von Schulter S1 aufgenommenen Spektren dargestellt. Es können drei Bereiche unterschieden werden. Im Bereich A, dem Bereich konstanter geringer Belastung während der ersten 7 s, treten nur geringfügige spektrale Veränderungen auf.
Bei Einsetzen der Vorschubbewegung und Kompression des Gewebes sinkt die Absorption zunächst im gesamten Spektralbereich. Ab dem Zeitpunkt t = 13 s (Vorschub der Sonde 0,3 mm, Anpresskraft 13 N) steigt die Absorption im Bereich von 950–1380 nm an. Ab t = 20 s (Vorschub der Sonde 0,4 mm, Anpresskraft 15,8 N) wird zunächst im Wellenlängenbereich von 950–1130 nm das Ausgangsniveau A(t = 0) überschritten. Dieser Absorptionsanstieg über das Ausgangsniveau setzt sich bis t = 135 s in den Wellenlängenbereich bis 1320 nm fort. Der Bereich B kennzeichnet den Wellenlängen- und Zeitbereich mit einer Absorption unter dem Ausgangsniveau, d. h. A(t, λ) – A(t = 0, λ) < 0. Der Bereich C kennzeichnet den Wellenlängen- und Zeitbereich mit einer Absorption oberhalb des Ausgangsniveaus, d. h. A(t, λ) – A(t = 0, λ) > 0.
In 5 ist der zeitliche Verlauf der Absorption für die Gelenke S1, S2 und S3 bei 950 nm vergleichend dargestellt. Für alle drei Graphen typisch ist der Abfall der Absorption von dem Ausgangsniveau A_F1 auf das Minimum bei A_F2 und der exponentielle Anstieg auf A_F3 mit A_F2 < A_F1 < A_F3. In 6 ist der zeitliche Verlauf der Absorption für die Gelenke S1, S2 und S3 bei 1453 nm vergleichend dargestellt. Für alle drei Graphen typisch ist der exponentielle Abfall der Absorption von dem Ausgangsniveau A_F1 auf A_F3. Die in der Untersuchungsreihe I ermittelten Kennwerte sind in der Tabelle in 12 zusammengefasst. Neben den Absorptionskennwerten bei 950 nm und 1453 nm sind auch die Absorptionskennwerte in den lokalen Extrema bei 1124 nm, 1174 nm und 1303 nm aufgeführt.
Untersuchungsreihe II
In 7 sind der Sondenvorschub und die Kraftdiagramme für Gelenk S1, S2 und S3 bei annähernd stufenförmiger Belastungsänderung, d. h. einer Kompression in Schritten von 0,1 mm, dargestellt. Analog zur Versuchsreihe I steigt während des Vorschubs der Sonde die erforderliche Andruckkraft linear an. Bei konstanter Sondenposition relaxiert der Knorpel, die Andruckkraft sinkt exponentiell ab. Bei einem Sondenvorschub von 0,4 mm lag die erforderliche Andruckkraft F8 im Bereich von 14,6–18,9 N und ist damit deutlich geringer im Vergleich zu Untersuchungsreihe I.
Die in 8 dargestellten Absorptionsspektren für Gelenk S1 weisen eine vergleichbare Charakteristik zu den in Versuchsreihe I ermittelten auf. Die Extrema der Absorption und der Absorptionsänderung liegen unverändert bei den bereits genannten Wellenlängen. In 9 dargestellt ist die Änderung der Absorption ΔA(t, λ) bezogen auf den Zeitpunkt t = 0 für Gelenk S1. Bei dem Aufsetzen der Sonde mit geringer Anpresskraft unterhalb von 2 N ist die Kompression des Gewebes gering, die Absorptionsänderungen sind minimal (Bereich A). Bei Belastung ab dem Zeitpunkt t = 9 s sinkt die Absorption zunächst im gesamten Spektralbereich unter das Ausgangsniveau (Bereich B). Ab t = 11 s steigt analog zu Versuchsreihe I die Absorption im Wellenlängenbereich von 950–1380 nm an. Ab t = 80 s (Vorschub der Sonde 0,3 mm, Anpresskraft 9,3 N) überschreitet die Absorption im Wellenlängenbereich von 950–1130 nm das Ausgangsniveau A(t = 0). Dieser Absorptionsanstieg über das Ausgangsniveau setzt sich bis t = 135 s in den Wellenlängenbereich bis 1190 nm fort (Bereich C).
In 10 dargestellt ist der zeitliche Verlauf der Absorption für Gelenk S1, S2 und S3 bei 950 nm. Für alle drei Gelenke typisch ist der sprunghafte Abfall der Absorption von dem Ausgangsniveau A_F1 auf A_F2. Die Absorptionsänderung A_F1–A_F2 liegt mit 0,009 bis 0,018 AU in der Größenordnung der Absorptionsänderung A_F1–A_F2 aus Versuchsreihe I obwohl der Vorschub hier lediglich 0,1 mm und die aufgewandte Anpresskraft F2 mit 4,3 bis 5,6 N vergleichsweise gering ist. Jeder Vorschub der Sonde führt zu einem kurzzeitigen, mit zunehmender Belastung geringer werdenden, Abfall der Gewebeabsorption. Bei konstanter Sondenposition relaxiert der Knorpel, die Gewebeabsorption steigt. Auch das nach 135 s erreichte Endniveau A_F9 ist mit 0,215 bis 0,240 AU vergleichbar mit dem in Versuchsreihe I ermittelten A_F3 von 0,217 bis 0,239 AU bei 950 nm. Bei 1453 nm führt jeder Sondenvorschub, wie in 11 dargestellt, zu einem exponentiellen Abfall der Absorption. Das Endniveau A_F9 ist mit 0,67 bis 0,78 AU wiederum vergleichbar mit dem in Versuchsreihe I ermittelten A_F3 von 0,630 bis 0,795 AU. Sowohl bei 950 nm als auch bei 1453 nm ändert sich die Gewebeabsorption bei mechanischer Belastung charakteristisch in Abhängigkeit vom Belastungsprofil. Die in der Versuchsreihe II ermittelten Kennwerte sind in der Tabelle in 13 zusammen gefasst.
Zusammenfassende Bewertung der Untersuchungsreihen
Überschreitet eine axial einwirkende Kraft den Schwelldruck des Gelenkknorpels, kommt es zur Kompression des Gewebes. Die Gewebematrix und die Gelenkknorpelzellen werden verformt, die flüssige Gewebsphase (interstitielle Flüssigkeit mit freien Ionen) wird aus den belasteten Bereichen verdrängt. Die Hauptkomponente der flüssigen Gewebsphase ist Wasser. In dem untersuchten Wellenlängenbereich von 950–1650 nm führt die Anregung von Molekülschwingungen von N-H, O-H und C-H Gruppen zu charakteristischen Absorptionsbanden. Das in den Versuchsreihen ermittelte Absorptionsmaximum bei 1453 nm entspricht dem Absorptionsmaximum der ersten Obertonbande von Nasser. Ursache für die Verringerung der Gewebeabsorption bei 1453 nm in Folge von Kompression ist die Verdrängung der flüssigen Gewebsphase aus dem belasteten Knorpelgewebe. Die NIR-Spektroskopie ermöglicht es, den Verdrängungsvorgang der flüssigen Gewebsphase, d. h. Veränderungen im Gewebe auf molekularer Ebene, direkt zu beobachten.
Gelenkknorpelgewebe kann um bis zu 50% komprimiert werden, ohne signifikante Änderungen der mechanischen Eigenschaften zu erleiden. Die Verdichtung des Gewebes bei mechanischer Beanspruchung reduziert die Porengröße und damit die Permeabilität des Knorpels, das Abfließen der Gewebsflüssigkeit wird zunehmend erschwert. Das Gewebe setzt der Belastung eine zunehmende Kraft entgegen. Im Kräftediagramm (2 und 7) kommt dies in der dem Sondenvorschub, d. h. der Kompression, proportional ansteigenden Anpresskraft zum Ausdruck. Dies findet eine Entsprechung in dem während der Vorschubphase abfallenden Gradienten |dA/dt| des Absorptionsverlaufs (6 und 11). Der Abfluss an Gewebeflüssigkeit sinkt bei zunehmender Kompression in Folge der reduzierten Permeabilität, eine geringere Absorptionsänderung ist die Folge.
Die Verdrängung der Gewebsflüssigkeit findet solange statt, bis ein Gleichgewicht zwischen dem hydrostatischen Druck im Gewebe und der einwirkenden Last herrscht. Dies kommt im Kräftediagramm (2 und 7) in der nach Erreichen der Endposition, d. h. bei konstanter Kompression, exponentiell abfallenden Anpresskraft zum Ausdruck. Das Gewebe relaxiert bei gleich bleibender Kompression. Der Druck im Gewebe wird durch fortgesetzte Verdrängung der Gewebsflüssigkeit weiter abgebaut. Die Gewebeabsorption bei 1458 nm sinkt, wiederum mit abfallenden Gradienten |dA/dt|, analog auch bei konstanter Kompression weiter ab (6 und 11).
Bei 950 nm, im Bereich der zweiten Obertonbande von Wasser, kommt es in der Anfangsphase des Kompressionsvorganges ebenfalls zu einer Reduzierung der Gewebeabsorption (5 und 10). Hauptursache dürfte hier wiederum die Verdrängung der Gewebsflüssigkeit sein. Neben der Verdrängung von Wasser kann auch allgemein die Verdrängung von NIR absorbierenden Molekülen, die durch die Kompression erhöhte Dichte der Streukörper im Gewebe oder eine erhöhte Reflexion aus dem subchondralen Gewebebereichen die Körperreflexion erhöhen und folglich zur Abnahme der detektierten Absorption beitragen.
Bei andauernder Kompression steigt die Absorption des Gewebes in beiden Versuchsreihen wieder an und erreicht im Spektralbereich von ca. 950–1320 nm Werte deutlich oberhalb der Gewebeabsorption im leicht- oder unbelasteten Zustand (4 sowie 9). Der die Gewebeabsorption reduzierenden fortschreitenden Verdrängung von Gewebeflüssigkeit sind physikalische und biochemische Abläufe überlagert, welche die Gewebeabsorption in diesem Spektralbereich erhöhen oder die Reflexion signifikant verringern.
Die dargestellten Untersuchungsreihen zur spektroskopischen Belastungsanalyse von Gelenkknorpel im NIR verdeutlichen das Potential dieser Methode. Die spektrale Analyse während der Belastung ermöglicht es Abläufe auf molekularer Ebene zu untersuchen, welche den klassischen biomechanischen, biochemischen und histologischen Labormethoden nicht zugänglich sind. Die Methode ist nicht nur sensitiv bezüglich der für die funktionelle Charakterisierung des Gelenkknorpels wesentlichen biomechanischen Eigenschaften sondern auch sensitiv bezüglich der ursächlichen molekularen Abläufe in der Gewebematrix.

Claims

Verfahren zum Untersuchen von nativem und artifiziellem Gelenkknorpel durch Erfassen der spektralen Körperreflexion des Gewebes im nahen Infrarot und der daraus abgeleiteten Gewebeabsorption simultan zum Grad einer variierenden mechanischen Belastung, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine aus der Belastung resultierende konstante oder zunehmende Kompression des Gewebes ein Gradientenwechsel im zeitlichen Verlauf der Gewebeabsorption bewirkt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Verlauf der mechanischen Belastung bei ungeschädigtem Gewebe ein mehrfacher Gradientenwechsel des zeitlichen Verlaufs der Gewebeabsorption im Spektralbereich kleiner 1.320 nm stimuliert wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Belastung sinkende Gewebeabsorption im Spektralbereich > 1320 nm zur Untersuchung und Bewertung des Verdrängungsvorgangs der flüssigen Gewebsphase bei mechanischer Belastung des Gewebes erfasst und ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ zur Gewebeabsorption die Körperreflexion direkt oder anhand alternativer aus der Körperreflexion abgeleiteter optischer Parameter analysiert und bewertet wird.
Verfahren nach einem Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der in der Untersuchung gewählten oder ermittelten mechanischen Kenngrößen in Bezug zu dem zeitlichen Verlauf der spektralen Charakteristik des Gewebes gesetzt und ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Belastung des Gewebes durch Einwirkung eines Krafteinleitungskörpers erfolgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anregung und/oder die Detektion der optischen Strahlung über den Krafteinleitungskörper direkt an der Belastungsstelle erfolgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anregung und die Detektion der optischen Strahlung im Bereich der mechanischen Belastung, aber örtlich getrennt vom Krafteinleitungskörper erfolgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Grad der mechanischen Belastung der Deformationsgrad oder die ausgeübten Druck-, Zug-, Biege- oder Scherkräfte erfasst werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Belastung kontinuierlich, diskontinuierlich oder periodisch erfolgt.