EP1194776A2 - Verfahren und vorrichtung zur testung der steifigkeit biologischer gewebe - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur testung der steifigkeit biologischer gewebe

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EP1194776A2
EP1194776A2 EP00949113A EP00949113A EP1194776A2 EP 1194776 A2 EP1194776 A2 EP 1194776A2 EP 00949113 A EP00949113 A EP 00949113A EP 00949113 A EP00949113 A EP 00949113A EP 1194776 A2 EP1194776 A2 EP 1194776A2
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EP
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measuring
test
cartilage
rigidity
pressure
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EP00949113A
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Inventor
Georg Duda
Jan Seufert
Uwe BLÜCHER
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Karl Storz SE and Co KG
Original Assignee
Universitatsklinikum Charite Berlin
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    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0089—Biorheological properties

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for contactless determination of the mechanical stiffness of biological tissues in body cavities (also arthroscopically) under a defined liquid jet. It is suitable for measuring the mechanical stiffness of native cartilage, joint cartilage replacement, cartilage defect fillings as well as all other biological tissues.
  • the mechanical quality of the biological materials can be compared to the native raw material by comparative measurements.
  • the properties of articular cartilage can be determined optically (arthroscopy), histologically and with the help of imaging methods (magnetic resonance). These methods make it possible to distinguish damaged cartilage from intact areas. In addition, these procedures are used to assess the quality of healing cartilage defects or defect functions postoperatively. Since articular cartilage is exposed to high loads, its mechanical suitability is an essential criterion for the long-term function of the tissue and the entire joint. Tissue engineering of articular cartilage depends on the determination of the mechanical suitability of the defect. The basic suitability of the replacement materials can be determined preoperatively in pure in vitro tests, but the decisive factor is the mechanical property of the defect filling in a postoperative situation.
  • a disadvantage of these devices and methods is that relatively high forces are required to determine the mechanical stiffness of the articular cartilage. Due to the direct mechanical contact of the test devices with the gel cartilage, the regenerates can easily be damaged, particularly in the case of reconstructed articular surfaces. Previous devices do not take into account that measurement inaccuracies can easily occur in manual use due to different test positions or pressure forces. The existing methods therefore do not exclude inter-individual variations in the measured values.
  • the invention had for its object to develop a method and a test device with which the mechanical properties of biological materials (eg articular cartilage) can be determined without causing damage to the biological tissue and without showing strong user-dependent variations in the measurement signal.
  • the object was achieved in that biological samples in body cavities, in particular cartilage, are deformed by a liquid jet and this deformation is optically recorded.
  • the distance between the measuring device and the measuring surface was measured continuously in a predetermined measuring range in a method and by means of a device using an optical method. If this falls below a predetermined value, a clear liquid jet with a defined pressure is directed through the supply pipe onto the measuring surface.
  • the deformation of the measurement object by the liquid jet is detected and evaluated as a change in distance by the optical distance measuring system.
  • the device according to the invention allows the iterative increase in the load up to a defined, maximum permissible deformation of the sample surface. Damage to the test specimen (eg the joint surface) is to be avoided by this procedure.
  • the stiffness of the cartilage is determined from the pressure of the liquid jet, the tube diameter and the deformation of the joint surface (change in distance) and displayed online to the user.
  • the mechanical stiffness of biological tissues e.g. articular cartilage
  • body cavities e.g. arthroscopically
  • the invention enables the contactless and user-independent measurement of biological tissues.
  • the device according to the invention is easy to use, flexible to use and easy to use. Due to the safe function, there is no direct or indirect risk for the patient or the user due to the measurement.
  • the device according to the invention is composed of an optical distance measuring system (FIG. 1: change in distance) and pressurization by means of a clear liquid (FIG. 1: pressure).
  • the optical distance measuring system consists of a light guide cable (1) (supply and discharge), a light source (2) and a detector (3).
  • the pressurization by means of clear liquid consists of a pressure vessel (4) with an electrical pressure measuring sensor (5), a control device (6) and a supply hose (7) and a feed pipe (8).
  • the data acquisition and evaluation takes place via an output unit (9) (FIG. 1).
  • the method and the device according to the invention are suitable for measuring the stiffness of biological samples in body cavities (e.g. arthroscopic measurement of the stiffness of articular cartilage and cartilage regenerates).
  • the individual components of the device ( Figure 1) work together in the following way:
  • the device according to the invention consists of a combination of known elements and a new evaluation method (the combination of an optical path measurement and a load from a liquid jet), which influence each other and in their new Overall effect a use advantage (synergistic effect) and the desired success, which lies in the fact that contactless and user-independent measurement of the mechanical stiffness of biological materials is now possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum berührungslosen Ermitteln der mechanischen Steifigkeit von harten als auch weichen biologischen Materialien (z.B. Gelenkknorpel) in Körperhöhlen (z.B. arthroskopisch) unter einem definierten Flüssigkeitsstrahl. In einem vorgegebenen Meßbereich wird mit einem optischen Verfahren die Distanz zwischen der Meßvorrichtung und der Meßoberfläche (z.B. Gelenkfläche) kontinuierlich gemessen. Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich zum Messen der mechanischen Steifigkeit von nativem Knorpel, Gelenkknorpelersatz, Knorpeldefektfüllungen oder anderen biologischen Materialien und damit zur benutzerunabhängigen und schnellen Beurteilung der Qualität von Regeneraten im Vergleich zum nativen Ausgangsmaterial.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Testung der Steifigkeit biologischer Gewebe
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum berührungslosen Ermitteln der mechanischen Steifigkeit von biologischen Geweben in Körperhöhlen (auch arthroskopisch) unter einem definierten Flussigkeitsstrahl. Es eignet sich zum Messen der mechanischen Steifigkeit von nativem Knorpel, Gelenkknorpelersatz, Knorpeldefektfullungen als auch allen anderen biologischen Geweben. Durch Vergleichsmessungen lässt sich die mechanische Qualität der biologischen Materialien im Vergleich zum nativen Ausgangsmaterial setzen.
Zum Beispiel lassen sich die Eigenschaften von Gelenkknorpel 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. DefektfüUungen 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 DefektfüUungen 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 biologischen Geweben (z.B. Gelenkknorpel, Haut) postoperativ zu ermitteln. In den Patentschriften US 5673708, WO 9528880, WO 9808073, WO 9705825, CA 2161587 und WO 9302619 werden mechanische Prüfgeräte beschrieben, mit denen sich die Verformung des Knorpels unter manueller Prüfkraft bestimmen läßt.
Nachteilig an diesen Geräten bzw. Verfahren 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 Gelerikknorpel 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 Patentschriften WO 9320752 und GB 2191006 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 Patentschriften DE 19711516, US 5779651, US 5246013, US 5474070, WO 9405993, WO 9221023, WO 9107657, WO 9317622 und US 5265612 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 Patentschriften DE 19650992A, DE 36123112A1 und US 5265612 werden Verfahren 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 in der Patentschrift DE 36123112A1 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 biologischen Materialien (z.B. Gelenkknorpel) ermitteln lassen, ohne eine Schädigung des biologischen Gewebes zu bewirken und ohne starke benutzerabhängige Variationen im Meßsignal aufzuzeigen. Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, dass biologische Proben in Korperhohlen, insbesondere Knorpel, durch einen Flussigkeitsstrahl verformt werden und diese Verformung optisch erfasst wird. Erfindungsgemäß wurde in einem Verfahren und mittels einer Vorrichtung 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 Flussigkeitsstrahl mit definiertem Druck auf das Meßoberfläche geleitet. Die Deformation des Meßobjektes durch den Flussigkeitsstrahl 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 mechanischen Steifigkeit von biologischen Geweben (z. B. Gelenkknorpel) auch in Körperhöhlen (z.B. 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 sowohl sehr weiche biologische Proben (z.B. auch rekonstruierte Gelenkflächen) unter geringer Belastung (< 5 N) als auch sehr harte Proben (z.B. intakter Knorpel) gemessen werden können. Die Erfindung ermöglicht das kontaktlose und benutzerunabhängige Messen von biologischen Geweben. 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 (Figur 1: Distanzänderung) und einer Druckbeaufschlagung mittels klarer Flüssigkeit (Figur 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) (Figur 1).
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich zur Messung der Steifigkeit biologischer Proben in Körperhöhlen (z.B. arthroskopischen Messung der Steifigkeit von Gelenkknorpel und Knorpelregeneraten).
Die einzelnen Komponenten des Gerätes (Figur 1) wirken in folgender Weise zusammen: Das erfindungsgemäße Gerät besteht aus einer Kombination bekannter Elemente und einer neuen Auswertungsmethode (die Kombination einer optischen Wegmessung und einer Belastung durch einen Flüssigkeitsstrahl), die sich gegenseitig beeinflussen und in ihrer neuen Gesamtwirkung einen Gebrauchsvorteil (synergistischen Effekt) und den erstrebten Erfolg ergeben, der darin liegt, daß nunmehr ein kontaktloses und benutzerunabhängiges Messen der mechanischen Steifigkeit von biologischen Materialien möglich ist.
Bezugszeichenliste
1 Lichtleitkabel 6 Steuereinrichtung
2 Lichtquelle 7 Zuleitungsschlauch
3 Detektor 8 Zuleitungsrohr
4 Druckbehälter 9 Auswerteeinheit
5 Druckmeßsensor

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung der mechanischen Steifigkeit von biologischen Proben in Körperhöhlen, insbesondere von Knorpel, dadurch gekennzeichnet, daß eine Probe durch einen Flussigkeitsstrahl verformt und diese Verformung optisch erfasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung eines Meßsystems von einem Prüfobjekt kontinuierlich hochauflösend gemessen wird und bei Unterschreiten einer Mindestentfernung zum Prüfobjekt 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 das Prüfobjekt geleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Flüssigkeitsdruck, der Prüffläche und der Verformung des Prüfobjekts 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
Prüfoberfläche Schädigungen am Prüfkörper vermieden oder minimal gehalten werden können, wobei Prüfkräfte zwischen 0 und IO 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 Ermittlung der mechanischen Steifigkeit biologischer Proben, bestehend aus einem optischen Meßsystem und einer Druckbeaufschlagung durch einen klaren Flüssigkeitsstrom.
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 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbeaufschlagimg durch einen klaren Flussigkeitsstrahl 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 harten biologischen Materialien in Körperhöhlen.
11. Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 zur Messung von weichen biologischen Materialien in Gelenkhöhlen.
12. Verwendung nach Anspruch 10 oder 11 zur arthroskopischen Knorpel-Testung.
EP00949113A 1999-06-21 2000-06-20 Verfahren und vorrichtung zur testung der steifigkeit biologischer gewebe Withdrawn EP1194776A2 (de)

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