DE60010709T2

DE60010709T2 - Charakterisierung der Kontaktverteilung zwischen zwei beliebigen Oberflächen unter Verwendung einer Elektrodenanordnung

Info

Publication number: DE60010709T2
Application number: DE60010709T
Authority: DE
Inventors: D. Michael BUSCHMANN; Anne Town of Mount Royal LEGARE; Martin Apt. 5 Montreal GARON; Pierre Savard
Original assignee: Biosyntech Canada Inc
Current assignee: Biosyntech Canada Inc
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2020-07-29
Also published as: NO20020442D0; EP1199983A1; CN1365264A; AU767222B2; AU6419900A; NZ516668A; JP2003505709A; NO20020442L; DE60010709D1; EP1199983B1; CA2378705C; MXPA02001021A; CN1213695C; CA2378705A1; JP4746229B2; WO2001008555A1; ATE266354T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(a) Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung der räumlichen Verteilung des Kontakts zwischen zwei beliebigen Oberflächen und von dessen zeitlichem Verlauf unter Verwendung elektrischer Signale, die durch Elektroden-Arrays gemessen werden, die sich in der Kontaktoberfläche befinden.
(b) Beschreibung der herkömmlichen Technik
Bei der Materialuntersuchung mechanischer Eigenschaften spielt die Charakterisierung des Kontakts zwischen zwei Oberflächen eine sehr wichtige Rolle. Es gibt verschiedene Verfahren zur Charakterisierung des Kontakts und der Druckverteilung zwischen zwei Oberflächen. Es ist ein Druck- und Kontaktsensorsystem entwickelt worden, um eine dentale Okklusion zu messen (US48565993, WO8902727 und EP0379524). Es wurde auch ein flexibler taktiler Sensor entwickelt, um eine Fuß-und Dichtungs-Druckverteilung zu messen (US5033291, WO9109289 und EP0457900). Für diese Systeme sind zwei Elektrodensätze durch eine dünne druckempfindliche Widerstandsbeschichtung getrennt, und die Widerstandsänderung wird elektronisch gemessen, um die Zeitgebung, die Kraft und die Stelle des Kontakts an der Oberfläche zu bestimmen. Andere Vorrichtungen verwenden zwei oder mehr Elektroden, die auf den gegenüberliegenden Oberflächen einer piezoelektrischen Folie (US4316403, US5341687 und US5054323) oder einem elektrisch leitfähigen Elastomer (US41632104) angeordnet sind, um die Druckverteilungen zu charakterisieren. Auch ist ein Fingerabdrucksensor unter Verwendung einer ähnlichen Technik entwickelt worden (US4394773).
Ein übliches Verfahren zur Messung des Kontakts zwischen zwei Oberflächen erfolgt mittels eines Kohlepapiermaterials zwischen den zwei in Kontakt stehenden Oberflächen. Der Kontakt kann auch mit einem druckempfindlichen Kopierpapier charakterisiert werden (US4630079). Diese qualitativen Verfahren werden als erster Hinweis auf die Druckverteilung zwischen Oberflächen verwendet, bieten jedoch keinen Hinweis auf den zeitlichen Verlauf des Kontakts.
Es sind auch Verfahren entwickelt worden, um den Kontakt zwischen zwei Oberflächen zu erfassen, ohne den zeitlichen Verlauf des Kontakts zu untersuchen oder die Druckverteilung zu messen. Z.B. wurden Verfahren entwickelt, um den Kontakt zwischen biomedizinischen Instrumenten und Geweben zu bestimmen, wie etwa einem Katheter und einem Gewebe während der Ablation. In diesem Fall wird die Spannung zwischen einer Elektrode an dem Katheter und einer anderen Elektrode an dem Patienten gemessen (WO9843547A2). Andere Techniken verwenden eine Messung des Verhältnisses der Änderung der gesamten Kontaktimpedanz der Elektrode (WO9909899A1), oder eine Messung des Phasenwinkels eines Stromflusses in zwei unterschiedlichen Abschnitten einer Elektrode (WO9844856), um den Kontaktverlust zwischen einer biomedizinischen Elektrode und der Haut zu erfassen.
Auch werden einige Techniken angewendet, um die Topographie einer Oberfläche zu untersuchen, wie den klein bemessenen Präzisionskraftsensor, der auf der Basis der resultierenden Anziehungs- und/oder Abstoßungskräfte zwischen der Sonde und der Oberfläche beruht, die eine Verformung von Dehnungsmesser-Material erzeugen, die in einer Änderung von dessen elektrischen Eigenschaften resultiert (US5092163). In diesem Fall steht die Elektrode mit der Oberfläche nicht in Kontakt.
Das US Patent Nr. 5,779,651 offenbart eine medizinische Vorrichtung zur frühzeitigen Erkennung und der Diagnose von Knorpeldegeneration sowie ein Verfahren der Anwendung einer solchen Vorrichtung. Jedoch bietet diese Erfindung keine Information über die Kontaktoberfläche zwischen der Vorrichtungsspitze und dem zu charakterisierenden Material oder über den zeitlichen Verlauf dieser Kontaktoberfläche zwischen der Eingriffsoberfläche der Vorrichtung und dem zu charakterisierenden Material. Dies ist ein kritischer Punkt, da bei fehlender genauer Kenntnis der Kontaktoberfläche und wie sich diese über die Zeit verändert, keine Schlussfolgerungen auf die Materialeigenschaften durchgeführt werden können.
Es wäre daher hoch wünschenswert, ein Verfahren anzugeben, das eine direkte und präzise Charakterisierung der Kontaktzeit zwischen zwei Oberflächen erlaubt, und daher indirekt der ausgeübten Verformung und der mechanischen Reaktion der Oberflächen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur präzisen Bestimmung der Kontaktzeit zwischen zwei Oberflächen unter Verwendung mehrerer elektrischer Signale von auf der Kontaktoberfläche freiliegenden Elektroden zu bestimmen.
Ein anderes Ziel dieser Erfindung ist es, die elektrischen Signale, welche die zeitliche Entwicklung der Kontaktverteilung anzeigen, zu verwenden, um die Amplitude und Geschwindigkeit der auf ein Testmaterial über die Zeit ausgeübten Verlagerung und die Winkelorientierung der die Oberfläche enthaltenden Elektroden während des Kontakts und des Zusammendrückens zu schätzen.
Ein anderes Ziel dieser Erfindung ist es, eine Charakterisierung der mechanischen Reaktion eines Materials über die natürliche und zeitliche Entwicklung des Kontakts zwischen zwei Oberflächen zu erlauben.
Ein anderes Ziel dieser Erfindung ist es, verschiedene Oberflächenkonfigurationen mit einem mehrdimensionalen Elektrodenarray anzugeben, um die Kontaktverteilungen, die ausgeübte Verlagerung und die mechanische Reaktion eines Materials präzise auszuwerten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein neues in vitro Verfahren angegeben, um die zeitliche Entwicklung der Kontaktverteilung zwischen zwei Oberflächen unter Verwendung von Elektrodenarrays zu charakterisieren, die sich in der Kontaktoberfläche befinden. Durch Anordnen der Elektroden an definierten Orten auf einer beliebigen Oberfläche und Messen des elektrischen Signals, das während des Zusammendrückens einer zweiten beliebigen Oberfläche über die Zeit erzeugt wird, kann die Kontaktentwicklung präzise charakterisiert werden, und daher kann wesentliche Information zu der mechanischen Reaktion des Materials bereitgestellt werden. Dieses Verfahren unterscheidet sich von den existierenden Verfahren in zwei Hauptaspekten. Erstens werden, anstelle der Messung eines Widerstands mit zwei Elektroden auf den gegenüberliegenden Seiten einer druckempfindlichen Beschichtung, Elektrodenarrays auf einer Kontaktoberfläche verwendet, und elektrische Potenziale während des Zusammendrückens einer zweiten beliebigen Oberfläche werden gemessen. Der zweite Unterschied ist die Art der Messung. Anstelle der Messung eines Drucks werden differenzielle oder absolute elektrische Potenziale, die während des Kontakts und Zusammendrückens des getesteten Materials erzeugt werden, gemessen. Diese Information kann dazu benutzt werden, die auf das Material ausgeübte Verlagerung sowie die Winkelorientierung der die Elektroden enthaltenden Oberfläche relativ zu dem Material während des Kontakts und Zusammendrückens zu schätzen. Zusätzlich wird die mechanische Reaktion des Materials direkt durch seine Fähigkeit angezeigt, sich an die die Elektroden enthaltende Oberfläche anzupassen.
Die Krafterzeugung zwischen zwei Kontaktoberflächen hängt stark von der zeitlichen Entwicklung des Kontakts ab, und die Kenntnis der zeitlichen Kontaktentwicklung ist notwendig, um Kraftsignale zu interpretieren. Ein anderes Beispiel, wo die Kontaktinformation wichtig ist, ist die Messung kompressionserzeugter elektrischer Felder. Ein typisches Beispiel ist, wenn eine Mikroelektroden enthaltende Sonde in Kontakt mit einer zu charakterisierenden Substanz kommt und diese zusammendrückt, über die elektrischen Potenziale, die an den freiliegenden Mikroelektroden erzeugt werden. Wenn ein solches Zusammendrücken manuell ausgeübt wird, was zu fehlender präziser Information über den Typ der ausgeübten Verlagerung führt, kann die zeitliche Kontaktverteilung Information über den Typ der angewendeten Verlagerung bereitstellen, auch wenn sie schlecht kontrolliert wird, wie etwa im Fall der manuellen Anwendung. Diese Information könnte die Form der Verlagerung oder Geschwindigkeit der Sonde über die Zeit und deren Winkelorientierung in Bezug auf die getestete Substanz sein. Eine präzise Messung der zeitlichen Kontaktverteilung könnte auch zu einem neuen Typ der Materialanalyse führen, den man sich in seiner allgemeinsten Form als Charakterisierung einer "Oberflächennachgiebigkeit" vorstellen könnte.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem nun die Natur der Erfindung allgemein beschrieben wurde, wird nun auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, die zur Veranschaulichung eine bevorzugte Ausführung davon zeigen, und worin:
1A, 1B und 1C zeigen unterschiedliche Oberflächengeometrien mit Elektrodenarrays, die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
2 zeigt typische differenzielle elektrische Signale und die Last, die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gemessen werden, wenn eine kegelstumpfartige Oberfläche (1B), welche Elektroden enthält, in Kontakt mit einer Probe eines Gelenkknorpels gebracht wird, die in einer Salzlösung angeordnet ist;
3 zeigt typische differenzielle Signale und die Last, die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gemessen werden, wenn eine kegelstumpfartige Oberfläche (1B), die Elektroden enthält, durch manuelle Mittel in Kontakt mit einer Probe eines Gelenkknorpels gebracht wird, der in einer Salzlösung angeordnet ist;
4 zeigt typische differenzielle elektrische Signale und die Last, die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gemessen werden, wenn eine kegelstumpfartige Oberfläche (1B), die Elektroden enthält, in Kontakt mit einem beliebigen nicht-biologischen elastomeren Material gebracht wird, in diesem Fall einem Radiergummi;
5A zeigt typische absolute elektrische Signale und die Last, die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gemessen werden, wenn eine halbkugelige Oberfläche (1C), die Elektroden enthält, in Kontakt mit einer Probe eines Gelenkknorpels gebracht werden, der in einer Salzlösung angeordnet ist;
5B zeigt die zeitliche Differenz zwischen dem Signalbeginn, um hierdurch die zeitliche Entwicklung des Kontakts zwischen der die Elektroden enthaltenden Oberfläche und der Knorpelobertläche aufzuzeigen, sowie die Winkelorientierung der die Elektroden enthaltenden Oberfläche, durch Überlagern der absoluten elektrischen Signale von 5A;
6A zeigt typische elektrische Signale und die Last, die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gemessen werden, wenn eine halbkugelige Oberfläche (1C), die Elektroden enthält, durch manuelle Mittel in Kontakt mit einer Probe eines Gelenkknorpels gebracht werden, die in einer Salzlösung angeordnet ist;
6B zeigt die zeitliche Differenz zwischen dem Signalbeginn, um hierdurch die zeitliche Entwicklung des Kontakts zwischen der die Elektroden enthaltenden Oberfläche und der Knorpeloberfläche sowie die Winkelorientierung der die Elektroden enthaltenden Oberfläche aufzuzeigen, durch Überlagern der elektrischen Signale von 6A;
7 zeigt typische absolute elektrische Signale und die Last, die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gemessen werden, wenn eine halbkugelige Oberfläche (1C) in Kontakt mit einem elastomeren Material gebracht wird;
8 zeigt typische absolute elektrische Signale und die Last, die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gemessen werden, wenn eine halbkugelige Oberfläche (1C), welche die Elektroden enthält, zuerst in Kontakt mit einer Probe eines in einer Salzlösung angeordneten Gelenkknorpels gebracht wird und dann durch Bewegung in der entgegengesetzten Richtung von der Oberfläche gelöst wird; und
9 zeigt typische differenzielle elektrische Signale und die Last, die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gemessen werden, während der Kompression mit einer Elektroden enthaltenden kegelstumpfartigen Oberfläche (1B) von gesunden und schlechter gewordenen Knorpelexplantaten, die in einer Salzlösung angeordnet sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Kontakt zwischen zwei beliebigen Oberflächen kann durch die elektrischen Signale charakterisiert werden, die durch auf einer der Oberflächen angeordnete Elektroden gemessen werden. Ferner kann die die Elektroden enthaltende Oberfläche in Kontakt mit jeglicher Materialoberfläche gebracht werden. 1A bis 1C zeigen bestimmte Beispiele eines weiten Bereichs von Oberflächengeometrien und Konfigurationen von Elektroden, die dazu verwendet werden können, den Kontakt zwischen zwei Oberflächen zu charakterisieren. Die Elektrodengeometrie, Größe, der Abstand und der Materialtyp kann in Abhängigkeit von der Anwendung unterschiedlich sein.
Während des Kontakts zweier beliebiger Oberflächen können elektrische Signale zwischen zwei benachbarten Elektroden (Differenzmessungen) oder zwischen jeder Elektrode und einer gemeinsamen Referenz (Absolutmessungen) gemessen werden. Die gemeinsame Referenz kann eine Referenzelektrode sein, die in dem Testbad angeordnet und mit Masse verbunden ist, oder eine besondere Elektrode des Arrays, die die zweite Oberfläche kontaktiert oder nicht. Der Rauschgehalt der elektrischen Signale kann im Falle der differenziellen Messungen oder absoluten Messungen mit einer als Referenz verwendeten anderen Elektrode des Arrays signifikant reduziert werden. 2, 3, 4 und 9 zeigen Beispiele von Differenzmessungen. 5A, 5B, 6A, 6B, 7 und 8 zeigen Beispiele von Absolutmessungen in Bezug auf eine Referenzelektrode, die in dem Testbad angeordnet und mit Masse verbunden ist.
Elektrische Signale wurden mit einem linearen Array von 11 Platinelektroden von 50 μm Durchmessser gemessen, die einen Abstand von 300 μm hatten, außer für zwei Paare von Elektroden, die einen Abstand von 600 μm hatten (Elektroden 3 und 4 und Elektroden 8 und 9). 2, 4, 5A, 5B, 7, 8 und 9 zeigen elektrische Signale, die während eines Spannungs-Relaxationstests gemessen wurden. Zur präzisen Steuerung der Amplitude und Geschwindigkeit des Kontakts und der Verformung und zur Messung der auf die Oberfläche ausgeübten Kraft wurde ein mechanisches Testsystem verwendet. Die die Elektroden oder den Stift enthaltende Oberfläche wurde mit einer Lastzelle verbunden, das Gewebe wurde in einer mit Salzlösung gefüllten Testkammer fixiert und auf einer Aktuatorplattform angebracht, und durch den Aktuator wurde eine Verlagerung ausgeübt. Während eines typischen Spannungsrelaxationstests wurde der die Elektroden enthaltende Stift zuerst in Kontakt mit dem Gewebe gebracht (Position 0 auf der Position-gegen-Zeit-Graphik). Dann wurden die zwei Oberflächen um einen bekannten Abstand voneinander getrennt, und es wurde mit einer festen Geschwindigkeit ein Kompressionsschritt angewendet. Die 3, 6A und 6B zeigen elektrische Signale, die während manueller Kompression des Materials mit dem Stift gemessen wurden, der die mit der Lastzelle verbundenen Elektroden enthält.
2 zeigt die differenziellen elektrischen Signale, die während der Spannungsrelaxationstests auf einer Probe eines Gelenkknorpels gemessen wurden, die in einer Salzlösung angeordnet waren. Gelenkknorpel ist ein biologisches Gewebe, das aus festen negativen Ladungen aufgebaut ist. Während Kompression des Knorpels gibt es eine Verlagerung beweglicher positiver Ionen in der Flüssigkeit relativ zu den festen negativen Ladungen, was elektrische signale oder strömende Potenziale erzeugt. Während dieses Spannungsrelaxationstests wurde die Knorpeloberfläche innerhalb 1 Sekunde um 500 μm mit einem kegelstumpfartigen Stift zusammengedrückt, der die Elektroden enthält. Eine schematische Zeichnung der kegelstumpfartigen Oberfläche zeigt die Position jedes Differenzkanals, die die Portenzialdifferenz zwischen benachbarten Elektroden (10 Kanäle für 11 Elektroden) repräsentiert. Zuerst wird eine Zunahme der Last beobachtet, wenn die zwei Oberflächen miteinander in Kontakt kommen (Position 0 auf der Position-gegen-Zeit-Graphik) Die Last ist am Ende der Verlagerung maximal und beginnt während der Relaxation des Gewebes abzunehmen, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Ähnliche Verhaltensweisen wurden für elektrische Signale gemessen, die für jeden Kanal gemessen wurden. Es wurde auch festgestellt, dass die differenziellen Kanäle auf der planaren Oberfläche (Kanäle 4, 5, 6 und 7) eine niedrigere Amplitude haben als Kanäle, die auf den konischen Oberflächen angeordnet sind, und sind durch eine Kontaktspitze bei 1 Sekunde gekennzeichnet. Auf den konischen Oberflächen angeordnete Kanäle sind durch höhere Potenzialamplituden gekennzeichnet wegen der höheren Druckdifferenz zwischen benachbarten Elektroden. Tatsächlich berührt während der Kompression die planare Oberfläche des Stifts das Gewebe zuerst durch Ausüben einer stärkeren Verformung, sodass der Druck an dieser Oberfläche maximal ist. Wenn jedoch der Druck maximal ist, ist die Druckdifferenz zwischen zwei benachbarten Elektroden, die auf der planaren Oberfläche angeordnet sind, klein, weil der Druck gleichmäßig ist. Für die in dem konischen Bereich angeordneten Elektroden nimmt der Druck ab, wobei er an der Peripherie minimal ist, sodass die Druckdifferenzen höher sind (Soulhat J et al., J Biochem Eng 121: 340, 1999). Die Zeit, zu der jedes Elektrodenpaar das Gewebe berührt, kann ermittelt werden. Für die Kanäle 3, 2 und 1 beginnt der Potenzialanstieg bei 1, 1,2 bzw. 1,4 Sekunden. Ähnliche Ergebnisse werden für die symmetrischen Kanäle 8, 9 und 10 beobachtet. Die Kanäle 3 und 8 sind durch höhere Amplituden gekennzeichnet, weil die Elektrodenpaare mit einem Abstand von 600 μm angeordnet sind anstatt von 300 μm. Ferner haben symmetrische Kanäle, die an jeder Seite der planaren Oberfläche angeordnet sind, entgegengesetzte Vorzeichen (Kanäle 1, 2 und 3 relativ zu den Kanälen 10, 9 und 8), wegen der entgegengesetzten Richtung des Fluidflusses während der Kompression. In der Tat ist der auf das Gewebe mit dem kegelstumpfartigen Stift ausgeübte Druck am Umfang des Stifts minimal, steigt an der Mitte auf einen Maximalwert an und nimmt von der Mitte zum Umfang erneut ab. Da Potenziale mit einem linearen Elektrodenarray in einer Richtung gemessen werden, haben symmetrische Kanäle an jeder Seite der planaren Oberfläche entgegengesetzte Vorzeichen.
3 zeigt ein anderes Beispiel differenzieller elektrischer Signale, die gemessen wurden, wenn eine kugelstumpfförmige Oberfläche durch manuelle Mittel in Kontakt mit einer in einer Salzlösung angeordneten Knorpelprobe gebracht wird. Wie aus 2 ersichtlich, ist die Form der gemessenen elektrischen Signale ähnlich der mechanischen Lastreaktion des Gewebes. Noch einmal, haben die an jeder Seite der planaren Oberfläche angeordneten Kanäle ein entgegengesetztes Vorzeichen. In diesem besonderen Beispiel sind die Amplituden der Kanäle 9 und 10 sehr niedrig, wegen der Winkelorientierung des Stifts während der manuellen Kompression. Die Ergebnisse von 2 und 3 zeigen, dass aus den elektrischen Signalen und der Last während des Kontakts in der Kompresion komplementäre Information erhalten werden kann.
4 zeigt ein Beispiel der differenziellen elektrischen Signale, die gemessen wurden, wenn ein kegelstumpfartiger Stift mit Elektroden in Kontakt mit einem elastomeren Material gebracht wird. Dieser Test wurde durchgeführt, um aufzuzeigen, dass die Kontaktverteilung auf anderen Materialien als biologischen Geweben charakterisiert werden könnte. Da ein elastomeres Material keine festen ionisierten geladenen Gruppen aufweist, gibt es keine Verlagerung beweglicher Ionen relativ zu festen Ladungen während der Kompression im Gegensatz zu biologischen Geweben, wie etwa Knorpel. Dieser Test wurde trocken ohne Eintauchen in eine Salzlösung durchgeführt. Ferner wurde der elektrische Signal-Offset durch Hochpassfilterung beseitigt. Die Ergebnisse von 4 zeigen den Beginn des Potenzialanstiegs für Kanal 2 und 1 später, die an dem konischen Teil der die Elektroden enthaltenden Oberfläche angeordnet sind, im Vergleich zu den Kanälen 4 oder 5, die auf der Planaren Oberfläche angeordnet sind. Die Pfeile an den Kanälen 1 und 2 zeigen die Kontaktzeit einer der zwei Elektroden, die das benachbarte Elektrodenpaar des Kanals darstellen. Diese Ergebnisse demonstrieren die Anwendbarkeit der Charakterisierung der Kontaktverteilung unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung auf einem beliebigen Probenmaterial.
5A zeigt die absoluten elektrischen Signale, die während eines Spannungsrelaxationstests auf einer Probe eines Gelenkknorpels in einer Salzlösung gemessen wurden. Während dieses Tests wurde die Knorpeloberfläche um 300 μm in 15 Sekunden mit einem halbkugelförmigen Stift, der die Elektroden enthielt, zusammengedrückt. Eine schematische Zeichnung dieser halbkugeligen Oberfläche zeigt die Position jedes absoluten Kanals, der die Potenzialdifferenz zwischen jeder Elektrode und einer Referenzelektrode darstellt, die in dem Testbad angeordnet und mit Masse verbunden wurde (11 Kanäle für 11 Elektroden). Wie in 2 beginnt die Last am Kontakt auf einen Maximalwert anzusteigen und entspannt sich dann, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Die Form der elektrischen Signale ist ähnlich der mechanischen Lastreaktion des Gewebes. Kanal 6 (Potenzialdifferenz zwischen der Elektrode 6 und der Referenzelektrode in dem mit Masse verbundenen Bad) ist durch die höchste Amplitude gekennzeichnet. In der Tat ist die Elektrode 6 die erste Elektrode, die das Gewebe berührt. Die Elektrode 6 kontaktiert auch den Knorpel dort, wo die stärkste Verformung ausgeübt wird und der Druck maximal ist. Die Amplitude der anderen Kanäle nimmt symmetrisch von der Mitte (Kanal 6) zum Umfang (Kanal 1 oder 11) ab.
Elektrische Signale aller Kanäle waren negativ und in Phase, weil die Signale relativ zu einer mit Masse verbundenen Referenzelektrode gemessen wurden und Knorpel aus festen negativen Ladungen aufgebaut ist. In der Tat werden während des Zusammendrückens positive bewegliche Ionen relativ zu festen negativen Ladungen in Richtung der Referenzelektrode verlagert, und das gemessene elektrische Signal ist negativ.
5B zeigt eine Überlagerung der elektrischen Signale, die an einer der zwei symmetrischen Seiten des halbkugeligen Stifts gemessen wurden. Noch einmal kann eine Zunahme der Signalamplitude von dem Umfang (Kanal 1) zu der Mitte (Kanal 6) beobachtet werden. Die Zeitverzögerung zwischen den Signalen ist ebenfalls klar ersichtlich. Die Zeitverzögerung ist die Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der zwei Signale, d.h. wenn sie sich von 0 aus zu unterscheiden beginnen oder negativ werden. Durch Kenntnis der exakten Geometrie der halbkugeligen Oberfläche und der Position jeder Elektrode sowie der Zeitverzögerung zwischen dem Beginn jedes Signals kann die zeitliche Entwicklung des Kontakts und der Information hinsichtlich der Kompressionsamplitude und Geschwindigkeit sowie die Winkelorientierung der die Elektroden enthaltenden Oberfläche relativ zu der anderen Oberfläche während der Kompression präzise ermittelt werden. Falls die die Elektroden enthaltende Oberfläche nicht orthogonal zu der anderen Oberfläche ist, sind für Kanäle an dem Bereich der halbkugeligen Oberfläche, die das Gewebe zuerst berührt, die Potenzialsignale vorverlagert (kürzere Zeitverzögerung) und die Amplituden sind höher.
6A zeigt die absoluten elektrischen Signale, die während manueller Kompression mit einem halbkugelförmigen Stift einer in Salzlösung angeordneten Knorpelprobe gemessen wurden. Noch einmal ist die Form der elektrischen Signale angenähert identisch mit der mechanischen Lastreaktion des Knorpels. Die Amplitude ist in der Mitte (Kanal 6) höher und nimmt von der Mitte zum Umfang hin symmetrisch ab.
6B zeigt eine Überlagerung der absoluten elektrischen Signale, die an einer Seite des halbkugelförmigen Stifts gemessen wurden. Noch einmal wird eine Zunahme der Signalamplitude vom Umfang (Kanal 1) zur Mitte (Kanal 6) beobachtet. Die Zeitverzögerung zwischen dem Beginn der elektrischen Signale kann ebenfalls beobachtet werden. Die in 6B gezeigten Zeitverzögerungen sind weniger sichtbar als jene von 5B, weil die manuelle Kompression schneller war. Jedoch können die Amplitude, Geschwindigkeit und Winkelorientierung des Stifts während der Kompression hier unter Verwendung höherer Datenerfassungsraten ermittelt werden.
7 zeigt die absoluten elektrischen Signale, die während der Kompression eines elastomeren Materials mit dem halbkugelförmigen Stift gemessen wurden. Dieser Test wurde trocken ohne Eintauchen in eine Salzlösung ausgeführt. Ferner wurde der elektrische Signal-Offset durch Hochpassfilterung beseitigt. Zuerst gibt es eine Sättigung des elektrischen Verstärkungssystems kurz nach dem Kontakt zwischen dem Stift und dem elastomeren Material. Jedoch ist eine Zunahme der Zeitverzögerung der elektrischen Signale von der Mitte zum Umfang klar ersichtlich. 8 zeigt das absolute elektrische Signal des Kanals 6, gemessen während der Kompression von Knorpel mit einem halbkugelförmigen Stift. In diesem Fall wurde der Stift nach der Kompression schnell gelöst. Während des Lösens der Oberfläche wird zusätzliche elektrische Information erhalten. Ferner ist während des Lösens in Kanal 6 bei einer Zeit von 37 Sekunden eine kleine Aufwärtsspitze ersichtlich. Noch einmal ist die Form des elektrischen Signals ähnlich der mechanischen Lastreaktion auf Gewebe während der Kompression.
Wie dargestellt können absolute elektrische Signale (5A, 5B, 6A, 6B, 7 und 8) leichter die Kontaktentwicklung über die Zeit wiedergeben als differenzielle elektrische Signale (2, 3, 4 und 9). Tatsächlich war der Kontakt für differenzielle Messungen weniger evident, da die elektrischen Signale zwischen zwei benachbarten Elektroden gemessen wurden, die an einer unterschiedlichen Position auf der Oberfläche angeordnet waren und das Gewebe zu unterschiedlichen Zeiten berührten. Jedoch kann in den zwei Fällen die Kontaktzeit zwischen zwei Oberflächen sowie die zeitliche Entwicklung des Kontakts mit Zeit präzise bestimmt werden. Die zeitliche Entwicklung des Kontakts gibt Information über die Fähigkeit des Materials, sich an die die Elektroden enthaltende Oberfläche anzupassen. Ferner können, mit der exakten Position der Elektrode auf der Oberfläche, die Amplitude, die Geschwindigkeit und die Winkelorientierung der die Elektroden enthaltenden Oberfläche während des Kontakts und Zusammendrückens leicht ermittelt werden.
In Abhängigkeit vom Typ des zu testenden Materials können gemessene elektrische Signale durch einen Konditionierungsvorverstärker, einen Verstärker und Filter geleitet werden, bevor sie durch einen Computer erfasst werden. In allen Fällen muss die Impedanz zwischen den Elektroden und dem Material im Vergleich zur Eingangsimpendanz des Vorverstärkers vernachlässigbar sein. Ferner muss der Vormagnetisierungsstrom minimal sein, um eine Elektrodenpolarisierung zu vermeiden. Im die Kontaktimpedanz zu minimieren, können die Elektroden in einem Ultraschallbad mit Chlorplatinlösung beschichtet werden.
Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf das folgende Beispiel leichter verständlich, das zur Illustration der Erfindung angegeben wird, anstatt deren Umfang einzuschränken.
BEISPIEL 1
Die 2, 3, 5A, 5B, 6A, 6A und 8 zeigen, dass die auf der Knorpeloberfläche gemessenen elektrischen Signale in direktem Bezug zu den mechanischen Eigenschaften des Gewebes stehen. In der Tat kann ähnliche Information aus der Form der mechanischen Lastreaktion und der gemessenen Potenziale während des Kontakts und der Kompression von Gelenkknorpel erhalten werden. Aus mechanischer Sicht ist Gelenkknorpel ein Material, das aus festen und flüssigen Phasen zusammengesetzt ist. Die flüssige Phase (Wasser) ist in den mikroskopischen Poren des Gewebes angeordnet. Die Größe der Poren beträgt etwa 5 nm. Wenn eine Kompression auf den Knorpel ausgeübt wird, fließt Interstitialflüssigkeit durch die poröse Matrix unter Erzeugung starker Druckkräfte, die der Kompression widerstehen, und Wasserverlust. Knorpel zeigt daher ein charakteristisches viskoelastisches Verhalten, sodass unter Last oder Verformung Gelenkknorpel ein zeitabhängiges mechanisches Verhalten besitzt. Strömende Potenziale stehen in direktem Bezug zu dem Druck, der während der Kompression des Knorpels erzeugt wird. Ferner steht die Fließgeschwindigkeit während der Kompression in Bezug zu dem strömenden Potenzialgradienten. In 5A haben wir z.B. beobachtet, dass der Kanal 6 (strömendes Potenzial, gemessen zwischen Elektrode 6 und einer mit Masse verbundenen Referenzelektrode) durch eine höhere strömende Potenzialamplitude gekennzeichnet war, die in direktem Bezug zu dem maximalen Druck stand, der auf den halbkugelförmigen Stift ausgeübt wurde.
Durch Integrieren des mehrdimensionalen Elektrodenarrays in die Spitze einer arthroskopischen Sonde können strömende Potenziale direkt auf der Oberfläche des Knorpels innerhalb eines Gelenks gemessen werden. Um jedoch die elektomechanischen Eigenschaften des Knorpels präzise zu bestimmen, ist die auf den Knorpel ausgeübte Kompressionsamplitude oder Verformung und Geschwindigkeit erforderlich. Durch Auswahl der Geometrie der die Elektroden enthaltenden Oberfläche und des Abstands zwischen den Elektroden und durch präzises Messen der Kontaktzeit jeder Elektrode kann die auf den Knorpel ausgeübte Verlagerung (präzise Schätzung ist von der Kenntnis der mechanischen Reaktion des getesteten Materials abhängig) sowie die Winkelorientierung der die Elektroden enthaltenden Oberfläche während Kompression geschätzt werden. Diese Information kann im Kontext der medizinischen Vorrichtung für die Diagnose von Knorpeldegeneration über eine räumliche Kartierung von Kompression-induzierten elektrischen Potenzialen nützlich sein.
Die extrazelluläre Knorpelmatrix ist primär aufgebaut aus festen negativ geladenen Molekülen, genannt Proteoglykanen, die in einem Collagennetzwerk eingefangen sind. Während der Kompression des Knorpels gibt es eine Verlagerung der positiven beweglichen Ionen in dem Fluid relativ zu den festen negativ geladenen Proteoglykanen, die strömende Potenziale erzeugt. Osteoarthritis ist eine Degeneration des Knorpels, der sich in dem Verlust von Proteoglykanen und dem Verlust der Integrität des Collagennetzwerks widerspiegelt. Die auf der Knorpeloberfläche gemessenen strömenden Potenziale stehen in direktem Bezug zu dem Proteoglykangehalt und der Integrität des Collagennetzwerks, sodass sich Osteoarthritis durch eine Verringerung der strömenden Potenzialamplitude widerspiegelt. Die arthroskopische Sonde kann somit dazu benutzt werden, den Gesundheits- oder Degenerationszustand eines Gewebes präzise zu bestimmen und Regenerationsverfahren und andere Gewebebehandlungen zu testen. 9 zeigt ein Beispiel von Differenzpotenzialen (Kanal 3), die auf normalen und degradierten Knorpelexplantaten während der Kompression mit einem kegelstumpfartigen Stift gemessen wurden. In diesem Fall wurde ein gesundes Knorpelexplantat mit einem biochemischen Alterungsmittel behandelt, um den Proteoglykanverlust und den Zusammenbruch des Collagennetzwerks zu induzieren. Strömende Potenziale wurden periodischen gemessen, um die Entwicklung der Degradation zu untersuchen. Wie ersichtlich, sind strömende Potenziale auf Degradation besonders empfindlich. Ferner haben strömende Potenziale und die Last für normale und degradierte Knorpel ein angenähert identisches Verhalten.
Während eines arthroskopischen Tests wird der Orthopäde eine kleine Kompression auf den Knorpel manuell ausüben. Dieser Vorgang wird mehrere Male wiederholt, um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen. Der Orthopäde kann die auf den Knorpel ausgeübte Verlagerung nicht notwendigerweise präzise steuern. Ferner wird die die Elektroden enthaltende Oberfläche niemals perfekt parallel zu der Knorpeloberfläche sein. Mit einer Planaren, kegelstumpfartigen oder halbkugeligen Oberfläche und einem mehrdimensionalen Array von Elektroden können elektrische Signale analysiert werden, um die Kontaktzeit jeder Elektrode mit dem Gewebe präzise zu bestimmen und hierdurch die angelegte relative Verlagerung und die Winkelorientierung der zwei Oberflächen anzeigen. Das Parallelitätsproblem kann unter Verwendung einer die Elektroden enthaltenden Kugeloberfläche und einer Signalanalyse, die eine beliebige Orientierung der die Elektroden enthaltenden Oberfläche erlaubt, überwunden werden.

Claims

In-vitro-Verfahren zur Charakterisierung der zeitlichen und räumlichen Entwicklung des Kontakts zwischen zwei beliebigen Oberflächen unter Verwendung von Elektrodenarrays, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Anlegen einer Sondenoberfläche, die zumindest ein Array von Elektroden enthält, gegen eine Probenoberfläche, um die Elektroden zu veranlassen, Signale in Reaktion auf das Kontaktieren der Probenoberfläche zu erzeugen; b) Gewinnen der Signale von den Elektroden; c) Analysieren der Signale, welche die zeitliche Entwicklung der Kontaktverteilung anzeigen, zum Schätzen der Amplitude und Geschwindigkeit einer Verlagerung, die auf die Probenoberfläche über die Zeit ausgeübt wird, und zum Schätzen der Winkelorientierung der Sondenoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sondenoberfläche nicht planar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Array von Elektroden mehrere Arrays umfasst, die sich in unterschiedlichen Dimensionen erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Array von Elektroden auf derjenigen Oberfläche positioniert wird, welche das Array von Elektroden enthält, um Linien, Kreise oder krummlinige Formen zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Geometrie der Probenoberfläche und der das Array von Elektroden enthaltenden Oberfläche eine Geometrie aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer vollständig oder teilweise planaren Oberfläche, einer Rotationsoberfläche, einer unregelmäßigen Oberfläche oder einer Kombination aus zwei oder mehr Flächen besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei der Array von Elektroden zumindest drei Elektroden umfasst, wobei die zumindest drei Elektroden zwei Dimensionen festlegen.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, wobei ein elektrisches Potenzial als Potenzialdifferenz zwischen benachbarten Elektroden differenziell gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, wobei ein elektrisches Potenzial relativ zu einer stationären Elektrode des Array oder einer Referenzelektrode absolut gemessen wird, die in einem Testbad angeordnet und mit Masse verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, wobei die Signale durch kapazitive Kopplung mit kontaktfreien Elektroden gemessen werden, die stabile Rauschcharakteristiken, keinerlei korrosive Wirkungen und Isolationseigenschaften aufweisen.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Anzeigen der Amplitude oder/und der Geschwindigkeit der Verschiebung und der Ausrichtung der Oberfläche, die zumindest ein Array von Elektroden enthält, in Bezug auf die Probenoberfläche.
Anwendung des Verfahrenes nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Charakterisieren der mechanischen Reaktion bzw. der natürlichen "Oberflächennachgiebigkeit" eines Materials.
In-vitro-Verfahren zum Erkennen des Zustands eines Gewebes, einschließlich Zusammensetzung, Struktur, Funktion, Gesundheits- oder Erkrankungszustand des Gewebes unter Verwendung elektrischer Potenziale, die induziert werden durch Drücken des getesteten Gewebes gegen eine Sondenoberfläche, die freiliegende Elektroden enthält, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Charakterisieren der zeitlichen und räumlichen Entwicklung des Kontakts zwischen zwei beliebigen Oberflächen unter Verwendung von zumindest einem Array von Elektroden, wobei das Charakterisieren der zeitlichen und räumlichen Entwicklung des Kontakts zwischen zwei beliebigen Oberflächen in Übereinstimmung mit dem Verfahren erfolgt, das in einem der Ansprüche 1 bis 9 festgelegt ist, und b) Interpretieren der zeitlichen und räumlichen Entwicklung des Kontakts zwischen den beiden beliebigen Oberflächen, um den Zustand des Gewebes zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Sondenoberfläche nicht planar ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Gewebe ein Knorpel ist.
Vorrichtung zum Charakterisieren der zeitlichen und räumlichen Entwicklung des Kontakts zwischen zwei beliebigen Oberflächen, umfassend: eine Sonde mit einer Spitze; zumindest ein Array von Elektroden auf der Spitze zum Erzeugen von Signalen in Reaktion auf einen Kontakt zwischen einer Sondenoberfläche und einer Probenoberfläche; eine Signalerfassungs- und Verarbeitungseinrichtung zum Charakterisieren der zeitlichen und räumlichen Entwicklung des Kontakts zwischen zwei beliebigen Oberflächen, wobei die Charakterisierung das Analysieren des Singals umfasst, zum Schätzen der Amplitude und Geschwindigkeit einer Verlagerung, die auf die Probenoberfläche über die Zeit ausgeübt wird, und zum Schätzen der Winkelorientierung der Sondenoberfläche.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Elektroden aus Metall hergestellt sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Edelmetall, Silber, Gold, Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Osmium, Kupfer, Aluminium und Wolfram oder einer Legierung aus mehreren Metallen besteht, die aus Silber/Silberchlorid, Edelstahl und Platin/Iridium oder einer beliebigen Kombination der vorstehend genannten Mtealle ausgewählt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Elektroden aus Metalldrähten hergestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, wobei die Elektroden einen Durchmesser von Sub-Mikrometer- bis Millimeter-Bereichen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, 16, 17 oder 18, wobei sich die Verarbeitungseinrichtung in enger Nachbarschaft der Elektroden befindet, um Rauschabtasten und Mikrophnieefffekte zu verringern.
Vorrichtung nach Anspruch 15, 16, 17, 18 oder 19, wobei die Fläche der Elektroden behandelt ist, um elektrische Kontaktimpedanz zu verringern.
Vorrichtung nach Anspruch 15, 16, 17, 18, 19 oder 20, wobei die Verarbeitungseinrichtung einen Spannungsfolger umfasst, der eine hohe Eingangsimpedanz und einen niedrigen Vorspannungsstrom aufweist, um für die gemessenen Spannungen das Gleichtakt-Unterdrückungsverhältnis zu maximieren.
Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Gewebezustandes, umfassend: eine Sonde mit einer Spitze, zumindest ein Array von Elektroden auf der Spitze zum Erzeugen von Signalen in Reaktion auf einen Kontakt zwischen einer Sondenoberfläche und einer Probenoberfläche; eine Signalerfassungs- und Verarbeitungseinrichtung zum Erkennen des Zustands eines Gewebes, einschließlich der Zusammensetzung, der Struktur, der Funktion, des Gesundheits- oder Erkrankungszustands des Gewebes unter Verwendung elektrischer Potenziale, die durch Drücken des getesteten Gewbes gegen eine Sondenoberfläche induziert werden, die freiliegende Elektroden enthält, wobei das Erkennen des Zustands des Gewebes das Analysieren der Signale umfasst, welche die zeitliche Entwicklung der Kontaktverteilung anzeigen zum Schätzen der Amplitude und Geschwindigkeit einer Verlagerung, die auf die Probenoberfläche über die Zeit ausgeübt wird, und zum Schätzen der Winkelorientierung der Sondenoberfläche, und Interpretieren der Amplitude und Geschwindigkeit der Verlagerung und der Winkelorientierung der Sondenoberfläche zum Bestimmen des Zustands des Gewebes.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Elektroden aus Metall hergestellt sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Edelmetall, Silber, Gold, Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Osmium, Kupfer, Aluminium und Wolfram oder einer Legierung aus mehreren Metallen besteht, die aus Silber/Silberchlorid, Edelstahl und Platin/Iridium oder einer beliebigen Kombination der vorstehend genannten Metalle ausgewählt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, wobei die Elektroden aus Metalldrähten hergestellt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 22, 23 oder 24, wobei die Elektroden einen Durchmesser von Sub-Mikrometer- bis Millimeter-Bereichen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 22, 23, 24 oder 25, wobei sich die Verarbeitungseinrichtung in enger Nachbarschaft zu den Elektroden befindet, um Rauschabtasten und Mikrophonieeffekte zu verringern.
Vorrichtung nach Anspruch 22, 23, 24, 25 oder 26, wobei die Oberfläche der Elektroden behandelt ist, um die elektrische Kontaktimpedanz zu verringern.
Vorrichtung nach Anspruch 22, 23, 24, 25, 26 oder 27, wobei die Verarbeitungseinrichtung einen Spannungsfolger umfasst, der eine hohe Eingangsimpedanz und einen niedrigen Vorspannungsstrom aufweist, um für die gemessenen Spannungen das Gleichtakt-Unterdrückungsverhältnis zu maximieren.