DE19929578C2

DE19929578C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Knorpel-Testung

Info

Publication number: DE19929578C2
Application number: DE19929578A
Authority: DE
Inventors: Georg Duda; Jan Seufert; Uwe Bluecher
Original assignee: Universitatsklinikum Charite Berlin
Current assignee: Karl Storz SE and Co KG
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2001-06-07
Anticipated expiration: 2019-06-22
Also published as: DE19929578A1; EP1194776A2; WO2000079272A3; US6783503B1; WO2000079272A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum arthroskopischen, berührungslosen Ermitteln der mechanischen Steifigkeit insbesondere von Gelenkknorpel. Sie eignen sich zum Messen der mechanischen Steifigkeit von nativem Knorpel, Gelenkknorpelersatz oder Knorpeldefektfüllungen und damit zur Beurteilung der Qualität von Regeneraten im Vergleich zum nativen Ausgangsmaterial.

Die Eigenschaften von Gelenkknorpel lassen sich zum einen optisch (Arthroskopie), histologisch und mit Hilfe bildgebender Verfahren (Magnetresonanz) bestimmen. Diese Methoden erlauben es, geschädigten Knorpel von intakten Arealen zu unterscheiden. Darüber hinaus werden diese Verfahren eingesetzt, um die Qualität von heilenden Knorpeldefekten bzw. Defektfüllungen postoperativ zu beurteilen. Da Gelenkknorpel hohen Belastungen ausgesetzt ist, stellt seine mechanische Eignung ein wesentliches Kriterium für die langfristige Funktion des Gewebes und des gesamten Gelenks dar. Insbesondere neue Verfahren zur Füllung knorpeliger Defekte, wie z. B. das Tissue Engineering von Gelenkknorpel, sind auf die Bestimmung der mechanischen Eignung der Defektfüllungen angewiesen. In reinen in vitro Testungen läßt sich präoperativ zwar die grundlegende Eignung der Ersatzmaterialien feststellen, aber entscheidend ist die mechanische Eigenschaft der Defektfüllung in einer postoperativen Situation.

Es gibt bisher nur wenig Ansätze, die mechanische Eignung von Gelenkknorpel postoperativ zu ermitteln. In den Schriften US 5673708 A, WO 9528880 A1, WO 9808073 A1, WO 9705825 A1, CA 2161587 und WO 9302619 A1 werden mechanische Prüfgeräte beschrieben, mit denen sich die Verformung des Knorpels unter manueller Prüfkraft bestimmen läßt. Nachteilig an diesen Geräten ist, daß durchweg relativ hohe Kräfte zum Ermitteln der mechanischen Steifigkeit des Gelenkknorpels nötig sind. Bedingt durch den direkten mechanischen Kontakt der Testgeräte mit dem Gelenkknorpel kann es insbesondere bei rekonstruierten Gelenkflächen leicht zu einer Schädigung der Regenerate kommen. Bisherige Geräte berücksichtigen nicht, daß beim manuellen Einsatz durch unterschiedliche Prüfpositionen oder Andruckkräfte leicht Meßungenauigkeiten auftreten können. Die bestehenden Verfahren schließen somit inter-individuelle Variationen der Meßwerte nicht aus. In den Schriften WO 9320752 A1 und GB 2191006 A1 wird während einer mechanischen Eindringprüfung optisch der Weg bzw. die Wegänderung ermittelt. Dies ist insbesondere beim Ermitteln des Relaxationsverhaltens des Knorpels wichtig. Ähnlich den oben genannten Prüfverfahren treten auch bei den letzt genannten Verfahren erhebliche lokale Prüfkräfte auf. Eine Schädigung der neu gebildeten Knorpelareale ist somit nicht auszuschließen. Eine lang andauernde Prüfung zur Bestimmung des Relaxationsverhaltens ist darüber hinaus zwar in vitro bedeutend, wird jedoch in einer Patientenmessung nur bedingt anwendbar sein. In den Schriften DE 197 11 516 A1, US 5779651 A, US 5246013 A, US 5474070 A, WO 9405993 A2, WO 9221023 A1, WO 9107657 A1, WO 9317622 A2 und US 5265612 A werden Verfahren beschrieben, bei denen die Qualität von Knorpel oder vergleichbaren Materialien durch Änderungen in Ultraschallsignalen oder elektrischen Widerständen ermittelt wird. Voraussetzung für die Anwendung dieser Verfahren ist eine direkte Kopplung der Meß- und Signaleinheit mit dem biologischen Gewebe. Dies ist, insbesondere in arthroskopischen Untersuchungen nicht immer zu gewährleisten. Während operativer Eingriffe am Patienten lassen sich nur bedingt Kopplungsmedien einsetzen, die einen besseren Signalübergang vom Meßgerät zum biologischen Gewebe ermöglichen. In jedem Fall sind daher hohe Andruckkräfte nötig, um die gewünschten Signale zu erhalten. Darüber hinaus ist bei diesen Verfahren der Einfluß unterschiedlicher Materialdicken (Knorpeldicke) und Meßwinkel (Winkel zwischen einfallendem und reflektiertem Signalgang) auf das Meßergebnis nicht auszuschließen.

In den Schriften DE 196 50 992 A1, DE 361 23 112 A1 und US 5265612 A werden Verfahren und Vorrichtungen zur Verformung von Haut oder anderen weichen Geweben durch definierte Drücke beschrieben. Nachteilig an diesen Verfahren ist, daß nur weiche Proben getestet werden können, da die Verformung durch Luftströme aufgebracht wird. Darüber hinaus wird gemäß Offenlegungsschrift DE 361 23 112 A1 die Messung nicht beim Annähern an das Prüfobjekt automatisch ausgelöst. Um unabhängig vom jeweiligen Benutzer die Steifigkeit ermitteln zu können, ist jedoch die automatische Auslösung des Systems bei vordefinierten Gegebenheiten (z. B. Abstand, Druck) wesentlich.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Prüfgerät zu entwickeln, mit denen sich die mechanischen Eigenschaften von Gelenkknorpel ermitteln lassen, ohne eine Schädigung des biologischen Gewebes zu bewirken und ohne starke benutzerabhängige Variationen im Meßsignal aufzuzeigen.

Die Aufgabe wurde mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Es wird kontinuierlich in einem vorgegebenen Meßbereich mit einem optischen Verfahren die Distanz zwischen der Meßvorrichtung und der Meßoberfläche (z. B. Gelenkfläche) gemessen. Unterschreitet diese einen vorgegebenen Wert, wird durch das Zuleitungsrohr ein klarer Flüssigkeitsstrahl mit definiertem Druck auf das Meßobjekt geleitet. Die Deformation des Meßobjektes durch den Flüssigkeitsstrahl wird als Distanzänderung von dem optischen Entfernungsmeßsystem erfaßt und ausgewertet. Ausgehend von einem sehr niedrigen Lastniveau erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung die iterative Steigerung der Belastung bis zu einer definierten, maximal zulässigen Verformung der Probenoberfläche. Durch dieses Vorgehen sollen Schädigungen des Probekörpers (z. B. der Gelenkfläche) vermieden werden. Aus dem Druck des Flüssigkeitsstrahls, dem Rohrdurchmesser und der Verformung der Gelenkfläche (Distanzänderung) wird die Steifigkeit des Knorpels ermittelt und online dem Benutzer angezeigt.

Mit dem erfindungsgemäß hergestellten Gerät läßt sich die mechanische Steifigkeit von Gelenkknorpel arthroskopisch ermitteln, ohne daß es zu einem direkten Kontakt des Meßsystems mit der Probenoberfläche, einer zu starken Belastung der Probenoberfläche oder zu starken benutzerabhängigen Variationen der Meßergebnisse kommen kann.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß auch rekonstruierte Gelenkflächen unter geringer Belastung (< 5 N) gemessen werden können. Die Erfindung ermöglicht das kontaktlose und benutzerunabhängige Messen von Gelenkknorpel. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach zu handhaben, flexibel einsetzbar und leicht bedienbar. Es besteht aufgrund der sicheren Funktion keine direkte oder indirekte Gefahr für den Patienten oder den Anwender durch die Messung.

Das erfindungsgemäße Gerät setzt sich zusammen aus einem optischen Entfernungsmeßsystem (Fig. 1: Distanzänderung) und einer Druckbeaufschlagung mittels klarer Flüssigkeit (Fig. 1: Druck). Das optische Entfernungsmeßsystem besteht aus einem Lichtleitkabel (1) (Zu- und Ableitung), einer Lichtquelle (2) und einem Detektor (3). Die Druckbeaufschlagung mittels klarer Flüssigkeit besteht aus einem Druckbehälter (4) mit elektrischem Druckmeßsensor (5), einer Steuereinrichtung (6), einem Zuleitungsschlauch (7) und einem Zuleitungsrohr (8). Die Datenerfassung und Auswertung erfolgt über eine Ausgabeeinheit (9) (Fig. 1).

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich zur arthroskopischen Messung der Steifigkeit von Gelenkknorpel und Knorpelregeneraten.

Verzeichnis der Bezugszeichen

Fig.

1

Lichtleitkabel

2

Lichtquelle

3

Detektor

4

Druckbehälter

5

Druckmeßsensor

6

Steuereinrichtung

7

Zuleitungsschlauch

8

Zuleitungsrohr

9

Auswerteeinheit

Claims

1. Verfahren zur Messung der mechanischen Steifigkeit durch Druckbeaufschlagung und optische Erfassung der resultierenden Verformung, insbesondere von Knorpel, dadurch gekennzeichnet, daß eine Probe durch einen Flüssigkeitsstrahl verformt und diese Verformung optisch erfasst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung eines Meßsystems von dem Probekörper kontinuierlich hochauflösend gemessen wird und bei Unterschreiten einer Mindestentfernung zum Probekörper automatisch eine Messung der Steifigkeit ausgelöst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Rohr klare Flüssigkeit bei definiertem Druck auf den Probekörper geleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Flüssigkeitsdruck, der Prüffläche und der Verformung des Probekörpers direkt die Steifigkeit der Probe ermittelt und angezeigt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine iterative Steigerung der Prüfkraft bis zum Erreichen einer definierten maximalen Verformung der Probenoberfläche Schädigungen am Probekörper vermieden oder minimal gehalten werden können, wobei Prüfkräfte zwischen 0 und 10 N stufenlos einstellbar sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßzeit im Millisekundenbereich benutzerabhängige Einflüsse minimiert und dadurch eine möglichst hohe Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse gewährleistet wird.

7. Vorrichtung zur Messung der mechanischen Steifigkeit, insbesondere von Knorpel, bestehend aus einem Rohr, aus dem klare Flüssigkeit mit definiertem Druck auf die Probe geleitet wird und einem optischen Meßsystem, das die Verformung der Probe durch den Flüssigkeitsstrahl misst.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Meßsystem aus einem Lichtleitkabel (1), einer Lichtquelle (2) und einem Detektor (3) besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbeaufschlagung durch einen klaren Flüssigkeitsstrahl aus einem Druckbehälter (4) mit elektrischem Druckmeßsensor (5), einer Steuereinrichtung (6), einem Zuleitungsschlauch (7) und einem Zuleitungsrohr (8) besteht.

10. Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 zur Messung der Steifigkeit von Gelenkknorpel.

11. Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 zur Messung von Gelenkknorpelregeneraten.

12. Verwendung nach Anspruch 10 oder 11 zur arthroskopischen Knorpel-Testung.