JPH07508665A - 関節鏡検査用の押込装置及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 関節鏡検査用の押込装置及びその使用方法発明の背景 １、発明の分野 本発明は、全般的に、関節鏡検査用の押込装置（ａｒｔｈｒｏｓｃｏｐｉｃ　１ ｎｄｅｎｔｅｒ）に関し、特に、軟骨内部の性質を測定する装置及び方法に関す る。

２、関連技術の説明 関節の軟骨の変性による病気（変形性関節症又は軟骨軟化症のような病気）は、 その病気が進行した状態にならなければ、肉眼で確認出来ない。これらの病気の 症状は、組織の変化、即ち、１）生体の物理的性質（剛性、透過性、圧縮性）、 ２）生体の化学的性質（タイプＩＩのコラーゲン、プロテオグルカン高分子類、 組織間の水分量）、３）形態学的な特徴（表面の繊維性季縮、すり切れ、骨増殖 体の形成）の変化が含まれる。軟骨の変性の初期の段階では、組織の剛性が低下 し、その圧縮性及び透過性が増す。このため、軟骨の変性の初期の段階を定量化 する確実な手段は、その物理的（又は物質的）性質を把握することである。これ は、プローブを使用して、生体内のその部位において関節の表面を定量的に調べ る検査法である、関節鏡検査法を実施する間に行うことができる。ビデオカメラ に接続された関節鏡の光フアイバチューブにより得られる直接的な像を見ながら 、整形外科医は、プローブを使用して、組織を触診し、その組織に対して圧入ま たは押し込みを行うことにより、病気の有無、又はその病気の程度を診断する。

この検査法を行う間、整形外科医はまた、視覚的に軟骨の表面の性質を調べる。

この方法は、客観的ではな（、視覚的な異常が見られない変性の病気の初期の段 階を診断する上で効果的ではない。

組織、特に、膝蓋骨の関節組織の「変形の抵抗力」の測定に使用される装置は、 米国特許第４．３６４．３９９号に記載されている。この関節鏡器具は、単に、 ある圧入量または押込み量に対する軟骨による抵抗圧力の程度を測定するもので ある。このプローブの配置は、手で行われ、軟骨の表面に対するプローブの垂直 度が主観的に設定される。押込み距離は、圧力変換器を軟骨の表面に接するよう に手で配置することにより、機械的に推測される。この手操作による押込み方法 は、反復可能な客観的測定を行うためには、十分に正確ではない。手操作の押込 装置（インデンター）は、軟骨の物理的性質をより正確に知るため、付与される 押込みの程度又は力をプログラム可能な態様で変化させることは出来ない。この 装置は、関節の軟骨の厚さを測定することは出来ない。物理的性質は同じだが、 厚さの異なる二種類の組織は、異なる変形又は力の抵抗性を示す。この為、組織 の厚さも測定し、その値を使用して、測定した組織の変形又は力の抵抗性の標準 値を得なければならない。更に、米国特許第４．３６４．３９９号の装置は、軟 骨の肋軟骨下の骨を装置に対して固定することなく、軟骨に押し込むために使用 される。このため、圧入または押込みをするとき、軟骨のみならず、その他の周 囲及びその下方の軟骨も変形してしまう。その結果、軟骨及びその周囲の組織が 共に変形するとき、付与された軟骨の圧入量ないし押込み量を正確に把握するこ とが出来ず、測定された軟骨の抵抗力も不正確となる。このため、手操作の押込 装置による値は、組織の変形及び力の挙動に関して極めて主観的なものとなる。

押込み技術は、関節鏡検査法よりも好ましいが、手操作による押込み技術は、軟 骨に対して内部の物理的な測定を正確に且つ反復的に行うことを可能にする十分 なデータが得られない。

発明の概要 上述の問題点は、本発明の装置及び方法によって概ね解決される。即ち、本発明 の関節鏡検査用の押込装置（インデンター）は、圧子端を有する負荷シャフトを 介して、軟骨に対して略垂直に加えられた高解像度の変位量又は負荷力を利用す る。具体的には、閉ループのコンピュータのフィードバックシステムを利用して 、付与された力、即ち抵抗力、及び付与された変位量、即ち発生する変位量の測 定、記録化及びフィードバックが行われる。フィードバック機能を備えるコンピ ュータ制御による押込装置は、以下に説明するクリープ変形及び／又は応力緩和 を利用して、軟骨内部の性質を正確に且つ反復的に測定することが出来る。

本明細で使用するように、「クリープ変形」とは、圧子端を介して、軟骨の表面 に一定の力を付与し、その端部の下方で生じる軟骨の変位を時間の関数として測 定する方法を意味するものとする。次に、付与されるこの一定の力、それに伴う 変位量プロフィール、及び組織の厚さを利用して、軟骨の固有の物理的性質を計 算する。更に、「応力緩和（ｓｔｒｅｓｓ　ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）　Ｊとは、 圧子を介して一定の変位距離を組織に付与し、その結果生ずる力の平衡状態を測 定する技術であると定義する。また、これらの付与された一定の変位量、これに 伴う力の抵抗プロフィール、及び軟骨の厚さを使用して、その軟骨の固有の性質 を計算することも出来る。クリープ変形又は応力緩和の技術の何れによっても、 圧縮用さく全体的な弾性率）、見掛けの圧縮性（ポアソン比）及び透過性のよう な、軟骨の固有の物理的特徴の正確な測定値を得ることが出来る。剛性、圧縮性 及び透過性は、軟骨中に存在する変形の病気の位置及びその程度を予測するのに 使用される三つの重要な要素である。

広くとらえて、本発明は、軟骨のクリープ変形のプロフィール及び／又は応力緩 和のプロフィールを測定するための関節鏡検査法用の押込装置（インデンター） に関するものである。該装置は、基端及び末端を有する負荷シャフトを備えてい る。この末端は、測定すべき軟骨の近傍に配置することが出来る。電気的入力に 応答して、シャフトを軸方向に動かすことの出来る電気機械式アクチュレータを シャフトの基端又はその付近に取り付ける。このアクチュレータは、モータとカ ムとを備えており、該カムは、軟骨に一定の力を加えることで末端を軸方向に変 位させるのに使用する。クリープ変形を測定するため、コンピュータを使用して 、一定の力を付与し得るようにモータにプログラム可能に命令し、又、このコン ピュータは、軟骨に一定の力を加えつつ、末端が軟骨を変位させる程度を記録す る。

これと選択的に、応力緩和を測定するため、コンピュータが、軟骨に一定の変位 量を付与して、末端を測定可能に付勢させ得るようにモータに命令を発すること が出来る。又、該コンピュータは、一定の変位距離のときに軟骨によって末端に 加えられる抵抗力を記録する。

本発明は、負荷シャフトのアライメント装置も含む。この装置は、軟骨の近（に 配置されたフレームと、該フレームに取り付けられた保護シースとを備えている 。この保護シースは、軟骨の表面に対して略垂直にしっかりと配置することの出 来る末端先端を備えている。次に、この負荷シャフトは、シース内に摺動可能に 配置し、これによって、負荷シャフトが軟骨と略垂直に接触するようにする。

また、本発明は、軟骨に対して行われるクリープ変形及び応力緩和による検査を 閉ループ制御する装置にも関するものである。この装置は、基端及び末端を有す る負荷シャフトを備えており、ここで、測定すべき軟骨に対して略垂直に、そし てその軟骨付近に、この末端を配置する。軟骨上で上記末端を伸長させるモータ を上記基端に取り付けることができる。コンピュータは、この基端から該コンピ ュータに送られる閉ループの入力に従って、モータを一定の距離、作動させるこ とで上記軟骨の平衡測定値をモニターし得るようにしである。

クリープ変形及び応力緩和を閉ループ制御する上記装置の一つの特徴によれば、 負荷シャフトにより付与された力、及び軟骨によってシャフトに付与された抵抗 力を測定する力変換器が負荷シャフトに取り付けられる。また、末端が軟骨上を 伸長する距離を測定するための位置検出器が負荷シャフトに結合されている。コ ンピュータは、力変換器及び位置検出器からの入力を受け取り、次に、その入力 に従って、プログラム化された電気信号をモータに出力することにより、閉ルー プの原理に基づいて作動する。

また、本発明は、関節鏡を利用して配置された負荷シャフトが軟骨の外面上に略 垂直に配置する位置を判断する方法にも関するものである。この方法は、フレー ムを関節の近くに固定する段階と、保護シースを該フレームに可動に取り付ける 段階とを備えている。光トランスミッタ及び少なくとも一つの光レシーバを保護 シース内に摺動可能に配置して、光線を軟骨の表面に向け、次に、その表面から 反射した光を検出する。次に、レシーバで受光した検出光が最大であるとき、保 護シースをフレームに固着し、これによって鉛直になったことが分かる。

また、本発明は、軟骨の内部の平衡状態の性質をめる方法にも関するものである 。この方法は、皮膚を通じて負荷シャフトの末端をその下方の軟骨に対して略垂 直に配置する段階を含む。次に、この末端を測定可能な力で上記軟骨の上に測定 可能に伸長させ、ここで、そのときの力、及び末端が軟骨の上を伸長する距離を 測定することで内部の平衡状態の性質を計算することが出来る。

図面の簡単な説明 本発明のその他の目的及び利点は、添付図面を参照しつつ、以下の詳細な説明を 読むことによって明らかになるであろう。添付図面において、図１は、本発明に よる負荷シャフトをアライメントさせるアライメント装置の斜視図、 図２は、図１の線２−２に沿った断面図、図３は、本発明による光フアイバアラ イメント装置を利用するアライメントシステムの斜視図、 図４は、本発明に従って、軟骨の物理的性質を診断する装置の斜視図、図５は、 図４の部分５の詳細図、 図６Ａ及び図６Ｂは、本発明により実現可能な一定の力におけるクリープ変形を 示すグラフ、 図７Ａ及び図７Ｂは、本発明により実現可能な一定の変位量のときの応力緩和の 状態を示すグラフ、 図８は、負荷シャフトの末端に配置されたプローブの針の厚さを示す詳細図、図 ９は、本発明により実現可能なりリープ変形を生じさせる段階のフロー線図、図 １０は、本発明より実現可能な応力緩和状態を生じさせる段階のフロー線図、図 １１は、本発明により実現可能な厚さ検査を行う段階のフロー線図である。

本発明は、各種の変形例及び選択可能な形態にて実施可能であるが、添付図面に は、単に一例としての本発明の特定の実施例が示してあり、これについて、以下 に詳細に説明する。しかしながら、添付図面は、本発明をその開示した特定の形 態にのみ限定することを意図するものではなく、本発明は、請求の範囲に記載し た本発明の精神及び範囲に属する全ての変形例、均等物及び応用例を包含するも のである。

発明の詳細な説明 ここで添付図面を参照すると、図１には、例えば、可動関節１２に固定されたア ライメントシステム１０が示しである。関節１２は、柔軟な組織１６、軟骨１８ 及び骨２０の上にある外皮１４を有する。本発明の範囲を限定することなく、あ らゆる軟骨１８及び硬質又は柔軟な組織の物理的、機械的特徴を、本発明によっ て明らかにすることが出来る。

アライメントシステム１０は、図１に示すように、少な（とも２つのつまみねじ ２２を使用して関節１２に取り付けられる。ねじ２２は、外皮１４を通って伸長 し、各ねじ２２の末端先端にて骨２０に堅固に取り付けられることが望ましい。

骨２０は、その上にフレーム２４を強固に固定することの出来る堅固な基礎を提 供する。このように、使用中、フレーム２４、ねじ２２及び骨２０は、互いに関 して固定された関係にある。

ハウジング２６は、ハウジング２６を通ってフレーム２４内に配置された適当な マシンボルト２８によってフレーム２４の一端に固定されている。可動板３０が ボルト２８の間に拘束され且つ）１ウジング２６内に配置されている。可動板３ ０は、二つの対向する平坦面を有し、この平担面の上に、ボールソケ・ストクラ ンプセット３２が一つの面の略中心付近に固定されている。可動板３０及び取り 付けたクランプセット３２は、パッド３４と可動板３０との間の力を除去するこ とによって、二方向（即ち、Ｘ軸線及びＸ軸線に沿った方向）に可動である。所 望のｙ軸及びｙ軸の位置が設定されたならば、つまみねじ３５を締め付けて、可 動板３０がハウジング２６とパッド３４との間で強固に締め付けられるよ引こす る。

クランプセット３２、可動板３０及びハウジング２６は、全て、開口部又はポー トを有しており、この開口部又はポートを通じて保護シース３６を配置すること が出来る。ボールソケットによる往復運動機能を持ったクランプセ・スト３２（ ±、フレーム２４に関してシース３６を各種の角度で傾動することを可能にする 。所望の傾斜角度が設定されたならば、第一の回り止めつまみねじ３８を締め付 け、これによってシース３６を所望の角度位置に固定する。更に、シース３６は 、クランプセット３２、可動板３０及び）１ウジング２６によって形成された通 路内でシース３６を変位させることにより、ｙ軸及びｙ軸により形成された面に 対して略垂直な軸線（即ち、２軸）に沿って動かすことが出来る。適正な２方向 への変位が為されたならば、第二のつまみねじ４０を締め付け、これにより、シ ース３シース３６は、管状の形状をしており、又、その幾何学的形態は、種々で ある。

その適当な幾何学的形態は、長さ約１５ｃｍ、外径４．５ｍｍである。シース３ ６ｉ；！、外科用等級のステンレス鋼、チタニウム系合金、又はコノくルト系合 金を含む力く、これらにのみ限定されない堅固な材料の任意の形態で形成するこ とが出来る。シース３６の呼び内径は、アライメントシャフト４２を受け入れ得 るように、約４２ｍｍとすることが出来る。

図２に示すように、アライメントシャフト４２は、光源が透過可能である光フア イバケーブル４４を収容する円筒状の部材である。少なくとも一つのレシーノく ４６をケーブル４４から半径方向に離間した位置に配置することが出来る。レシ ーバ４６は、反射光を受け入れ得るようにケーブル４４に対して略平行に配置さ れた光フアイバケーブル、又は、反射光を電気信号に変換するシャフト４２の末 端先端に設けられたフォトダイオードの何れかを含むことが出来る。

図３に示すように、アライメントシャフト４２の末端先端は、軟骨１８の外面に 近接しているが、この外面から僅かな距離だけ離間した位置に配置することが可 能である。アライメントシャフト４２の末端は、外皮１４に形成された長さ約５ ｍｍの切開部分を通じて挿入する。この５ｍｍの切開は、通常の関節鏡検査法に 採用される典型的な切開の幾何学的形態である。この末端は、その挿入と共を二 進み、軟骨１８の近傍の検査箇所に達する。次に、アライメントシャフト４２を 、つまみねじ４７によってシース３６に関する所定位置に係止する。このアライ メ骨１８に対して略垂直方向にアライメントさせることが特に重要である。従っ て、光フアイバケーブル４４及び一つ又は複数のレシーノく４６を支持するアラ イメントシャフト４２を使用して、シース３６を略垂直方向にアライメントさせ る。即ち、アライメントは、光フアイバケーブル４４を通じて光波を伝送して、 軟骨１８上の円形の領域を照射することで行われる。この領域は、直径約２．Ｑ ｍｍであり、軟骨を照射し、この軟骨から反射された伝達光波を示す。この反射 された光波シよ、ケーブル４４の周りで半径方向に配置されたレシーノく４６に 当たるときに、検出される。アライメントシャフト４２は、その伝送された光波 が軟骨１８の表面の略垂直方向に配置された部分からレシーバ４６へと直接に反 射されて戻る迄、クランプセット３２を介して傾斜され且つ／又は可動板３０を 介してＸ軸又ｔｉｙ軸方向に並進させる。略垂直方向になったことは、レシーノ く４６が最大量の光波を検出したときに生じる。半径方向に離間したー又は二の レシーノくのみ力く光を検出している（傾いた状態を示す）のではなくて、全て の検出器が振幅の略等しい最大量の光を受ける。レシーバ４６が最大量の反射光 を受けたとき、インジケータ４８は、視覚光５０又は可聴警報５２を発する。

１、レシーバ４６は、反射光を受け取る光フアイバケーブルとし、又は、反射光 を電気信号に変換し、次に、その電気信号がシャフト４２を通じてインジケータ ４８に伝送されるようにするフォトダイオード（ＰＩＮフォトダイオードである ことが望ましい）とすることが出来る。この何れの形態の検出器も使用可能であ る。

光フアイバケーブル４４、レシーバ４６及びインジケータ４８を備える適当なア ライメントシャフトは、ニュージャージ州、フェアローンのケイエンス・コーポ レーション・オブ・アメリカ社（Ｋｅｙｅｎｃｅ　Ｃｏｒｐ、　ｏｆ　Ａｍｅｒ ｉｃａ）からモデルＮｏ、　ＦＳ２−６０として製造されている。

保護シース３６がシース３６の真下で軟骨１８の表面の一部に対して略垂直にし っかりと配置されたならば、アライメントシャフト４２は、シース３６から除去 することが出来る。本発明の認識可能な一つの利点は、シース３６に対して調節 可能に付与することの出来る動作及び回転がいろいろな角度で可能な点である。

所望の位置が検出されたならば、便利なつまみねじ３５．３８．４０を締め付け て、シース３６の軟骨１８に関する位置を固定することが出来る。これによって 、シース３６は、図４に示すように、負荷シャフト５４をその内部に配置するこ との出来る位置決め通路を提供する。負荷シャフト５４の一端には、サーボモー タアッセンブリ５６が結合されている。単一方向摺動アッセンブリ５７は、カプ ラー６０及び取り付けた装置がサーボモータアッセンブリ５６の上を摺動するの を可能にする。カプラー６０は、軸方向に可動のシャフトと共に、電気機械式ア クチュレータ又はモータ６２を位置検出器６４に取り付けるのに使用される。

負荷シャフト５４は、外在的２．０ｍｍのステンレス鋼で形成し、焼結成形した 鋼製の多孔性の圧子端６６を負荷シャフト５４の末端に配置する。ハウジング５ ８及びサーボモータアッセンブリ５６の基部は、例えば、ステンレス鋼又はアル ミニウムのような堅固な材料から任意の形態にて形成することが出来る。適当な サーボモータは、ノーザン・マグネテックス社（Ｎｏｒｔｈｅｒｎ　Ｍａｇｎｅ ｔｉｃｓ、　Ｉｎｃ、）から購入することの出来る、ストローク１２．７ｍｍ、 最大の連続力３．１２Ｎ、及び連続出力４．５ワツトのモデルＮｏ、　ＭＬ２− １００５−００７ＪＢＴとすることが出来る。適当なサーボモータアッセンブリ ５６は、ヴエルメックス社（Ｖｅｌｍｅｘ、　Ｉｎｃ、）から単一方向への最大 移動距離３８．１ｍｍ、リードスクリュー６８の横方向移動距離１ｃｍ１５回転 のモデルＮｏ、　Ａ　１５０３に２−　Ｓ　Ｌ、　５として購入することが出来 る。更に適当な位置検出器６４は、トランス・チック・インコーホレーテッド（ Ｔｒａｎｓ−Ｔｅｋ、　Ｉｎｃ、）が製造する、範囲約±６．３５ｍｍ、励起電 圧６ポルトＤＣ乃至３０ポルトＤＣのモデルＮｏ、　０２４２−００００Ａ−９ １としての線形可変の差動変圧器（ＬＶＤＴ）である。位置検出器６４は、負荷 シャフト５４の相対的位置を表示するアナログ出力６９を発生する。このアナロ グ出力６９は、略無限大の解像能を有する。

又、力変換器７０がシャフト５４の基端にてモータ６２及びシャフト５４に取り 付けられており、この力変換器７０は、負荷シャフト５４によって軟骨１８に加 えられた力の程度を測定し得るようにしである。力変換器７０は、軟骨１８の内 部の物理的弾性力によってシャフト５４に加えられた抵抗力を測定することが出 来る。力変換器７０は、トランスデユーサ・テクニクス社（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅ ｒ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ、　Ｉｎｃ、）から−２２，３Ｎ（圧縮）乃至＋２２ ．３Ｎ（引張）の範囲を有するモデルＮｏ、　ＭＤＢ−５として購入することが 出来る。モデルＮｏ、　ＭＤＢ−５は、励起電圧が直流約１０であり、略無限大 の分解能を持つ電気アナログ出カフ２を有する。

負荷シャフト５４をシース３６内に挿入し、シースのロック７４により所定位置 に係止したならば、単一方向にしか摺動しないハウジング５８及び位置検出６４ の外側ハウジングを互いに堅固に取り付ける。モータ６２、力変換器７０、位置 検出器６４の内部可動コア、及び負荷シャフト５４（圧子端６６を有する）は、 互いに関して配置され、単一体として動く。その結果、一方向摺動リードスクリ ュー６８が、軟骨の表面１８に対する圧子端６６の位置を制御する。圧子端は、 単一方向摺動リードスクリュー６８によって並進され、軟骨１８の表面に近接す る。次に、クリープ変形試験及び応力緩和試験の双方にて圧子６６を使用し、軟 骨１８の固有の物理的性質を診断する。

クリープ変形試験は、フィードバック閉ループ制御装置によってコンピュータ７ ６を利用することで開始し、該制御装置は、増幅器８０を介してアナログ信号７ ７をモータ６２に送る。−例として、コンピュータ７６は、プログラム化された 入力を受け取り、直径２．０ｍｍの端部が平坦な円筒状の堅固で多孔質の圧子端 ６６を介して、荷重力（例えば、０．０６８７Ｎ風袋（ｔａｒｅ）荷重力）を付 与する。この荷重風袋力は、コンピュータ７６からモータ６２に送られた出力信 号７７によって供給される。風袋力は、一定のままであり、操作者が組織の表面 の確実な開始位置（即ち、零位置）を設定することを可能にする。軟骨の表面１ ８が変形すると、位置検出器６４のコアは、検出器６４の外側ハウジングに関し て動き、検出器６４によって記録された変位量に直線的に関係するアナログ信号 ６９（電圧）を発生させる。風袋荷重のクリープの勾配程度は、コンピュータに よって監視し、その勾配が所定の程度（例えば、１　ｘ　１０”ｍｍ／　ｓ　） よりも小さくなったとき、コンピュータ７６は、増幅器８０を通じてモータ６２ に新たな信号比カフ７を送る。

次に、モータ６２は、圧子端６６を介して軟骨１８に付与される力を増すことに よって往復運動する。この増大した荷重（例えば、０．４３８Ｎ）を使用して、 先端６６の軸方向への動きに起因する軟骨１８の変形を更に促進する。

クリープ変形は、軟骨１８に加えられる一定の力、即ち荷重に応答する時間を関 数として生ずる軟骨１８の変形である。位置検出器６４の出力は、コンピュータ ７６内の多重入出力カード（図示せず）（ナショナル・インスツルメンツ社（Ｎ ａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）モデルＮｏ、　ＮＢ−１［１Ｏ−１ ６ｘｌ−４２）を介してコンピュータ７６によって制御される。この多重入出力 カードは、検出器６４からアナログ人力６９を受け取る。次に、データポイント を集めて、２．５μｍの変形変化毎に、即ち１００秒毎の変化をスクリーン上に プロットする。１０分間の終了時に、試験荷重を除去し、約８分間にわたって軟 骨１８が回復できるようにし、この時点にて、コンピュータ７６内のプログラム 入力によって定めた通りにデータの取得を自動的に停止する。

図６Ａは、圧子端により付与される一定の力を示すグラフである。図６Ｂには、 典型的な対向する軟骨の変形が時間の関数として示しである。クリープ変形の平 衡状態は、特に、例えば、圧縮性、剛性及び透過性のような軟骨１８の固有の物 理的性質を測定するのに適している。

上述のクリープ変形の平衡技術と同様に、応力緩和の平衡は、同一の装置を使用 し、異なるプログラム技術を適用して行う。一定の力を加え、それに伴う変位を 測定することに代えて、応力緩和は、圧子６６に一定の変位をさせ、図７Ａ及び 図７Ｂに示すように、軟骨１８によって圧子端６６に加えられる抵抗力を測定す る。応力緩和技術は、モータ６２によって軟骨１８に略垂直に加えられた、例え ば、１０μｍの最初の変位を利用し、抵抗力に関するデータの取得を開始する。

この抵抗力の勾配を計算し、この抵抗力が十分に小さくなったならば（例えば、 １　ｘ　１０”’Ｎ／　ｓ　）　、コンピュータ７６は、増幅器８０を通じてモ ータ６２に約３゜１２Ｎの最大の力に対応する新たなる出力電圧７７を送る。そ の目的は、圧子端６６の下方で例えば、０．２ｍｍ程度の軟骨の一定の変位（ス テップ変位）を実現することである。例えば、０．２ｍｍという所望のステップ 変位が実現される迄、位置検出器の出力６９を監視する一方、力変換器７０は、 付与されたステップ変位の応答として、軟骨１８によって発生された反発力又は 抵抗力を測定する。この抵抗力は、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、付与された ステップ変位に対し時間を関数として極めて急速に増大するものと予想される。

その後に、抵抗力は、減少し、又は、図７Ｂに示す平衡点まで「緩和コする。

応力緩和、クリープ変形、及び厚さは、軟骨１８の固有の材料の性質をめるため の入力を提供する。かかる性質には、圧縮剛性、見掛けの圧縮性及び透過性が含 まれるが、これらにのみ限定されるものではない。透過性は、軟骨の組織間流体 が細胞外の一体のマトリックス又はコラーゲン物質に出入りする困難性を意味す る。このため、関節鏡検査法用の圧子６６は、関節の軟骨の性質の変化をめるこ とによって、関節鏡検査法で有用な予後予測器具又は診断器具の一方として使用 することが生ずる。これにより、整形外科医は、本発明の装置を利用して、変性 の可能性のある箇所を識別することが可能となる。この情報は、医者が身体の動 き及び運動を指示したり、こうした対象とする領域における物理的な応力を緩和 することの出来る外科的措置の対策に役立つ。このため、進行性病気の進行を緩 和することが可能となる。

本発明の装置を使用して固有の性質を得るために使用される更なる要素は、試験 部位にて軟骨の厚さを測定することが含まれる。圧子端６６に代えて、例えば、 直径２ｍｍの圧子端６６よりも著しく小さい外径を有する、針の太さ程度のプロ ーブ８８を使用することが出来る。呼び径約０．１ｍｍの一例としての針８８が 図８に示しである。

軟骨１８の厚さを測定するためには、針８８が軟骨に接続することで大きな抵抗 力を受ける迄、針８８を動かすように、モータ６２はコンピュータ７６による指 令を受ける。例えば、３Ｎのように、抵抗力が急激に増大し、針が骨のようなそ の下方のより密度の高い物質に接触したことを示す迄、針は、軟骨内を並進する 。針８８が動くと、その部分は、位置検出器６４によって監視される。このよう に、何れの時点でも、針８８の抵抗力及びその位置は、抵抗力、又は、それに伴 う力が３Ｎに達する迄、コンピュータ７６によって同時に記録される。針８８が 空中を進むとき、針は、感知可能な抵抗力を受けることがなく、その力は、零と なる。針が軟骨１８に接触すると、力の勾配が力変換器７０によって記録される 。針が軟骨の深い領域内にある軟骨１８の石灰化部分に接触すると、又は針８８ が骨２０に接触すると、力変換器７０は、その力変換器が測定可能な軟骨の層の 全体を移動したことを表示する。抵抗力のこの増加を表示する力変換器によって 、第二の力の勾配が観察される。

コンピュータ７６は、アナログ人力６９．７２を受け取り、そのアナログ入力を 記憶させ且つ／又は処理し、対応する形成された出カフ７を送るプロセッサとし て機能する。ソフトウェアは、コンピュータ７６（例えば、８ＭＢ−ＲＡＭを有 するアップル・コンピュータ社（Ａｐｐｌｅ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ、　Ｉｎｃ、　 ）のマツキントラシュ（Ｍａｃｉｎｔｏｓｈ）　ＩＩ　ｃ　ｘ内でオブジェクト 指向のプログラミング言語（例えば、ナショナル・インスツルメンツ社（Ｎａｔ ｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、　Ｉｎｃ、）のラブビュー（Ｌａｂｖｉ ｅｗ）を使用して、プログラム化することが出来る。コンピュータ７６からのア ナログ出カフ７は、増幅器８０を使用して増幅することが出来る。適当な増幅器 ８０は、エアロチック社（Ａｅｒｏｔｅｃｋ、　Ｉｎｃ）からモデルＮｏ、３０ １０−ＬＳとして入手することが出来る。増幅器８０は、連続的な放出出カフ０ ワットの約３アンペア以内の連続的な出力電流を発生させることが出来る。モデ ルＮｏ、　３０１０−ＬＳを使用して、５００ヘルツの帯域幅に亙って１．２ア ンペア／ボルトの再現可能の利得を実現することが可能である。増幅器８０から の出力は、上述のようにして、サーボモータ６２に供給される。

軟骨１８の固有の物理的性質は、例えば、線形二相性理論（ｌｉｎｅａｒ　ｂｉ ｐｈａｓｉｃｔｈｅｏｒｙ）を利用して、クリープ変形技術又は応力緩和技術に よってめることが出来る。この線形二相性理論は、算術的アルゴリズムを意味す るものであり、このアルゴリズムによって、例えば、押込みクリープ又は応力緩 和のプロフィールを使用して、軟骨１８に三つの固有の物理的性質（全体的な弾 性率、ポアソン比、透過性）をめることが出来る。クリープ変形又は応力緩和に 基づいて固有の性質をめるのに使用される線形二相性理論の一つの特別な方法は 、Ｊ、　Ｂｉｏｍｅｃｈ、　。

ｖｏｌ、２０、ｐｐ、７０３−７１４　（１９８７）に掲載された、マツグ（Ｍ ａｋ、　Ａ、Ｆ、）等による「関節軟骨の二相性押込み法−１１理論的解決（Ｂ ｉｐｈａｓｉｃ　Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｒｔｉｃｕｌａｒ　Ｃａｒ ｔｉｌａｇｅ−−１，Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　５ｏｌｕｔｉｏｎ）　Ｊ　、及 びＪ、　Ｂｉｏｍｅｃｈ、、　ｖｏｌ、２２、ｐｐ、　W５３− ８６１　（１９８９）に掲載されたモウ（Ｍｏｗ、　Ｖ、Ｃ，）等による「関節 軟骨の二相性押込み法−ＩＩ、数値アルゴリズム及び実験研究（Ｂｉｐｈａｓｉ ｃ　Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｒｔｉｃｕｌａｒ　Ｃａｒｔｉｌａｇｅ −１１，＾Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔａｌ　５ｔｕｄｙ）　Ｊに報告されている。これらの文献は、軟骨の固有 の物理的性質をめるために使用される多くの理論的原理及び数学的分析方法の一 つを記載するものである。上述のようにしてめ、次いで、圧縮性、剛性及び透過 性のような固有の物理的性質をめるために、そのデータを適用する応力緩和及び クリープ変形を利用する、対応したアルゴリズムの全ては、本発明の範囲及び精 神に属するものである。二相性理論は、確かに、軟骨の固有の性質をめるための 推定的アルゴリズムではあるが、二相性理論の要素又は派生的な理論を含むが、 これらにのみ限定されないその他の任意の方法を適用して、上述のクリープ変形 又は応力緩和技術を利用し、固有の性質をめることが出来る。

コンピュータ７６に入力することが出来、また、クリープ変形、応力緩和及び厚 さの測定に必要とされる各種のプログラム段階のフロー線図が図９乃至図１１に 示しである。コンピュータ７６と共に作用可能である任意の適当なプログラム言 語を使用して、必要な試験段階を行い得るように、コンピュータを再構築するこ とが可能である。

図９に示すように、クリープ変形は、コンピュータ７６に入力される風袋荷重（ ｔａｒｅ　１ｏａｄ）及び試験荷重にて開始する多数のプログラム化可能な段階 を含む。風袋荷重及び試験荷重は、一定の力の値であり、コンピュータ７６は、 この力の値を使用して、軟骨１８に変形特徴を監視する。コンピュータ７６に関 係する複数入出力（ＭＩＯ）カードが本発明の圧子端６６に付与される風袋荷重 及び試験荷重の双方を監視する。風袋荷重は、電圧値として計算され、増幅器８ ｏに送られ、次に、該増幅器がモータ６２の動きを制御する。形成されるカは、 力変換器７゜によって監視する。付与された風袋荷重が所望の力又は荷重に略等 しい場合、風袋荷重変形又は風袋クリープ曲線の勾配程度を監視する。その風袋 クリープ曲線の勾配が、所定の程度以下であるならば、次に、試験手順を開始す ることが出来る。

クリープ変形試験は、風袋荷重を付与した後に開始する。具体的には、この試験 は、風袋荷重の計算値を増幅器８０に送ることにより開始し、次に、該増幅器が 、モータ６２を制御する。上述のように、風袋荷重は、概ね試験荷重よりも小さ く、この風袋荷重を使用して、その後の試験測定のための基準値を初期化し、又 は設定する。モータ６２を介して試験荷重を付与した後、力変換器７ｏが発生す る力を監視し、付与された力、即ち、試験荷重が所望の力に略等しいか否かを判 断する。試験荷重が所望の力に略等しいならば、次に、試験荷重のクリープ曲線 の勾配を監視し、その勾配が所定の程度以下であるか否かを判断する。勾配が所 定の程度以下に低下したならば、データの取得及び制御段階が停止し、実験は、 完了する。

クリープ変形過程の全体を通じ、閉ループシステムは、発生するカが変換器７０ に作用する程度を正確に監視し、又、モータ６２により送られた作用力を調節し 直すことを可能にする。この閉ループシステムは、プログラム化したコンピュー タ７６の再設定により制御される。この再構築化に必要なソフトウェアプログラ ムは、コンピュータ７６のハードディスクに記憶させ、又はフロッピーディスク 、ＣＤＲＯＭ等のような可搬式の記憶媒体に記憶させることが出来る。

図１０は、本発明のシステムによる応力緩和の測定を行うのに使用されるプログ ラム化可能な段階が示しである。クリープ変形と同様に、応力緩和は、軟骨に加 えられる各種の変位量に応答する軟骨１８の挙動を測定することが出来る。しか し、クリープ変形に使用された一定の力の値と異なり、応力緩和は、一定又は所 定の変位量を利用する。特に、応力緩和は、一定の変位量をコンピュータ７６か らモータ６２に送ることを必要とする。必要な予備変位を達成するのに必要な所 望の電圧を計算し、又、モータ６２に送る。得られる変位量が所望の予備変位量 に略等しい場合、次に、対応する力の勾配を測定する。この勾配が所定のレベル 以下に低下したならば、モータの最大力が付与され、それによる変位量を監視す る。圧子端における変位量が所望の変位量に略等しいならば、発生する力は、時 間線勾配を判断し、その勾配が所定のレベル以下であるならば、データの取得を 停止し、全てのデータをコンピュータ７６に記憶させる。クリープ変形のデータ と同様に、応力緩和のデータを記憶させ、直ちに、又は後の時点で使用すること が出来るようにする。

図１１には、軟骨１８の厚さを測定するときの段階が示しである。一般に、最大 の入力は、モータ６２を介して針８８に付与される。この針が並進すると、力変 換器７０により測定された発生力は、検出器６４によって監視される。付与した 力の測定値が所望の最大の力よりも大きくなったならば、データの取得を停止し 、全てのデータを記憶させることが出来る。クリープ変形及び応力緩和の測定と 同様、厚さ測定は、本発明のプログラム化可能な関節鏡検査法用押込装置を使用 して、力及び変位量を閉ループ制御して行う。しかしながら、クリープ変形及び 応力緩和に使用されるような押込装置の大径の圧子端を使用することに代えて、 厚さ測定は、小径の針８８を使用することを必要とする。

本発明の詳細な説明は、特定の好適な実施例に関するものである。しかしながら 、当業者には、本発明の範囲及び精神から逸脱せずに、上述の各種の装置の応用 例及び変更が可能であることが明らかであろう。自動コンピュータ支援システム を利用して、測定値の取得が可能である限り、各種の構成要素を互いに配置し特 表千７−５０８６６５　（７） 又は結合する方法に関係なく、例えば、本発明の範囲及び精神から逸脱せずに、 モータ、位置検出器を内蔵し、力変換器を備えるか否かは任意であるコンピュー タ支援の閉ループフィードバックシステムを利用することが可能である。故に、 本明細書に記載し且つ説明したものに代えて、同等の構成要素を採用することが 出来る。部品の配置を逆にし、本発明の説明から得られる利点を理解した後、当 業者には、その他の特徴の利用と関係なく、本発明の特定の特徴が実現可能であ ることが明らかである。上記の説明から理解されるように、本発明は、その性質 上、実際的な利点を提供するものであり、従来の手動操作押込装置に優る、本発 明のコンピュータ支援の閉ループシステムの精度を実現するものである。

ＦＩＧ、４ フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、　ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、　ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、　ＬＵ、〜ＩＣ，ＮＬ、ＰＴ 、ＳＥ）、０Ａ（ＢＦ、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、　ＣＩ、　ＣＭ、　ＧＡ、　ＧＮ、 　ＭＬ、　ＭＲ，ＮＥ、ＳＮ。

ＴＤ、　ＴＧ）、　ＡＴ、　ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ。

ＣＨ，ＣＺ、　ＤＥ、　ＤＫ、　ＥＳ、　ＦＩ、　ＧＢ、　ＨＵ、ＪＰ、　ＫＰ 、　ＫＲ，ＬＫ、　ＬＵ、　ＭＧ、　ＭＮ、　ＭＷ、　ＮＬ、Ｎｏ、ＮＺ、ＰＬ 、ＰＴ、Ｒ○、　ＲＵ、ＳＤ、ＳＥ。

ＳＫ、ＵＡ、ＶＮ

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．負荷シャフトと、 該負荷シャフトを軸方向に動かし得るようにした電気機械式アクチュエータと、 前記シャフトに加えられた力を測定し且つ該力に従って前記アクチュエータをプ ログラム可能に作動させ得るようにした力変換器と、を備える関節鏡検査用の押 込装置。
2. ２．前記負荷シャフトが、外径約２．５ｍｍ以下の細長の円筒状本体を備えるこ とを特徴とする請求の範囲第１項に記載の押込装置。
3. ３．前記電気機械式アクチュエータが、前記シャフトを軸方向に駆動するための カムに取り付けられたモータを備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載 の押込装置。
4. ４．前記アクチュエータと前記モータとの間に接続して設けられ、記憶させたプ ログラム化した入力と前記カ変換器が受けた力とに従って前記アクチュエータを 作動させることの出来るコンピュータを更に備えることを特徴とする請求の範囲 第１項に記載の押込装置。
5. ５．前記力変換器が、前記負荷シャフトの一端と圧力連通状態に配置された面と 、該面に取り付けられ、該面に加えられた力に直線的に応答する電気抵抗の変化 を測定する電気回路とを備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の押込 装置。
6. ６．前記負荷シャフトをアライメントさせるシステムを備え、該アライメントシ ステムが、フレームと、該フレームに移動可能に取り付けられた保護シースと、 前記シースを光学的にアライメントさせると共に、前記負荷シャフトを前記アラ イメントしたシースの内部に配置する手段とを備えることを特徴とする請求の範 囲第１項に記載の押込装置。
7. ７．負荷シャフトと、 該負荷シャフトを軸方向に動かし得るようにした電気機械式アクチュエータと、 前記シャフトの変位量を測定し、該変位量に従って前記アクチュエータをプログ ラム可能に作動させ得るようにした位置検出器と、を備える関節鏡検査用の押込 装置。
8. ８．前記負荷シャフトが、外径約２．５ｍｍ以下の細長の円筒状本体を備えるこ とを特徴とする請求の範囲第７項に記載の押込装置。
9. ９．前記電気機械式アクチュエータが、前記シャフトを軸方向に駆動するための カムに取り付けられたモータを備えることを特徴とする請求の範囲第７項に記載 の押込装置。
10. １０．前記アクチュエータと前記位置検出器との間に接続して設けられ、記憶さ せたプログラム化した入力と前記力位置検出器が受けた変位量とに従って前記ア クチュエータを作動させることの出来るコンピュータを更に備えることを特徴と する請求の範囲第７項に記載の押込装置。
11. １１．前記位置検出器が、変位解像度を有する線形可変差動変圧器を備えること を特徴とする請求の範囲第７項に記載の押込装置。
12. １２．前記負荷シャフトをアライメントさせるシステムを備え、該アライメント システムが、フレームと、該フレームに移動可能に取り付けられた保護シースと 、前記シースを光学的にアライメントさせると共に、前記負荷シャフトを前記ア ライメントしたシース内に配置する手段とを備えることを特徴とする請求の範囲 第７項に記載の押込装置。
13. １３．フレームを軟骨を含む関節の近くに位置決めするステップと、保護シース を前記フレームに可動に取り付けるステップと、光トランスミッタ及び少なくと も１つの光レシーバを前記保護シース内に摺動可能に配置し、該トランスミッタ 及びレシーバの末端先端が互いに隣接し且つ前記軟骨の外面の近くに配置される ようにするステップと、前記トランスミッタからの光線を前記外面に向けるステ ップと、前記保護シースの位置に関する前記面の角度方向に従って、前記レシー バが前記外面から受ける光を検出するステップと、前記レシーバが受け取った検 出光が最大であるとき、前記保護シースを前記フレームに固着するステップと、 を含む関節鏡を使用して軟骨の表面の上に配置された負荷シャフトを略垂直な位 置に設定する方法。
14. １４．光トランスミッタを摺動可能に配置する前記ステップが、前記保護シース の内径よりも僅かに小さい外径を有するアライメントシャフトを挿入するステッ プを備え、前記アライ．ントシャフトが、少なくとも１つの光レシーバにより囲 繞された細長の光ファイバ光トランスミッタを備えることを特徴とする請求の範 囲第１３項に記載の方法。
15. １５．前記光を検出するステップが、前記レシーバの末端先端に少なくとも１つ の光検出器を配置するステップを備えることを特徴とする請求の範囲第１３項に 記載の方法。
16. １６．皮膚を通じてその下方の軟骨に対して略垂直に負荷シャフトの末端を位置 決めするステップと、 既知の力にて前記末端を前記軟骨の上でプログラム可能に伸長させるステップと 、前記軟骨の変形応答を測定するステップと、を備えることを特徴とする軟骨の 物理的性質を測定する方法。
17. １７．前記末端の位置決めステップが、前記軟骨に関して固定されたフレームに 前記負荷シャフトを固着するステップを備えることを特徴とする請求の範囲第１ ６項に記載の方法。
18. １８．前記末端を伸長させるステップが、一定の大きさの前記力を前記負荷シャ フトに加えるステップと、前記一定の大きさの力にて前記末端が前記軟骨の上を 伸長する変位量を測定するステップとを備えることを特徴とする請求の範囲第１ ６項に記載の方法。
19. １９．末端を伸長させる前記ステップが、該末端が前記軟骨の上で伸長する一定 の距離を付与するステップと、前記一定の距離にて前記軟骨により前記負荷シャ フトに付与される力を測定するステップとを備えることを特徴とする請求の範囲 第１６項に記載の方法。