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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung gemäß der Definition
im Oberbegriff von Anspruch 1 zur Untersuchung eines komprimierbaren
Gewebes, wie Gelenkknorpel.
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Gelenkknorpel
besteht aus differenziertem Bindegewebe, das keine Blutgefäße, Lymphgefäße oder
Nerven enthält.
Gelenkknorpel ist die steifste Art von Weichteilen im menschlichen
Körper,
er ist dennoch deutlich weicher als Knochen. Die Dicke von Gelenkknorpel
variiert in verschiedenen Gelenken von wenigen Mikrometern bis zu
mehreren Millimetern. Die Dicke von Gelenkknorpel kann auch in verschiedenen
Teilen von Gelenkoberflächen
verschieden sein. Gelenkknorpel hat zwei Hauptfunktionen – die Verringerung
der auf den subchondralen Knochen ausgeübten Belastung und die Verringerung von
Reibung im Gelenk.
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Die
Eigenschaften von Gelenkknorpel, die mechanische Eigenschaften umfassen,
erfahren Veränderungen
während
Gelenkknorpelerkrankungen, wie Arthrose, rheumatoide Arthritis und
Chondromalazie. Knorpelerweichung ist häufig das erste wahrnehmbare
Symptom eines Knorpelabbaus. Andererseits erfolgt, beispielsweise
nach einer Korrekturbehandlung einer Gelenkknorpelläsion durch
Zellübertragung,
eine allmähliche
Verfestigung des Korrekturgewebes, wodurch die Verwendung einer
Messung von mechanischen Eigenschaften des Gewebes zur Feststellung
der Operationsergebnisse er möglicht, wird.
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Das
einfachste Verfahren, das zur Feststellung der Steifigkeit von Gelenkknorpel
verwendet wird, besteht darin, die Knorpeloberfläche durch Drücken auf
diese mit einem Metallinstrument in Verbindung mit einer Operation
zu befühlen.
Jedoch sind die Ergebnisse einer derartigen Messung stark subjektiv
und inkonsistent.
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Verschiedene
Messvorrichtungen wurden zur Verwendung in Verbindung mit chirurgischen Operationen
entwickelt. Die Technologie des Standes der Technik auf dem Gebiet
der Erfindung repräsentiert
das Patent
FI 90616 . Eine
in dieser Schrift offenbarte Gewebesteifigkeitsmessvorrichtung umfasst
einen länglichen
starren Körper,
der eine Kontaktoberfläche
umfasst, die in Verbindung mit einer Messung gegen die Oberfläche des
zu untersuchenden Gewebes gedrückt
wird. Der Körper
trägt einen Messarm,
der mit einem vorstehenden Messkopf oder einem äquivalenten, relativ kleinen
Stift ausgestattet ist. Der Messarm ist auch mit einem Fühler zur Messung
des Drucks, der von dem zu messenden Gewebe auf diesen über den
Messkopf ausgeübt wird,
ausgestattet.
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Wenn
diese Messvorrichtung verwendet wird, wird deren Kontaktoberfläche gegen
das zu messende Gewebe derart gedrückt, dass der aus der Kontaktoberfläche hervorstehende
Messkopf den Knorpel darunter komprimiert. Daher übt der Knorpel auf
den Messkopf und den Messarm einen zu dessen Steifigkeit proportionalen
Druck aus. Dieser Druck ruft messbare Drücke im Messarm hervor. Entsprechende
messbare Drücke
werden in dem Körper
hervorgerufen, wenn die Kontaktoberfläche gegen den zu messenden
Knorpel gedrückt
wird.
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Diese
Messvorrichtung des Standes der Technik erwies sich als sehr gut
verwendbares und wirksames Werkzeug bei der Untersuchung von komprimierbaren
Geweben, wie Gelenkknorpel. Das Hauptproblem bei dieser Vorrichtung
des Standes der Technik besteht lediglich in der Kargheit der dadurch
erhaltenen Information. Die Vorrichtung war so gestaltet, dass die
Wirkung der Knorpeldicke minimiert werden konnte, da die Vorrichtung
zur Messung der Knorpeldicke nicht verwendet werden konnte. Bei Untersuchungen
in Bezug auf Knorpelgewebe besteht klar die Notwendigkeit, andere
Informationen über
das Gewebe neben dessen Steifigkeit, die nicht alles über das
zu untersuchende Gewebe aussagt, zu erhalten. Daher entstand die
Notwendigkeit, eine Messvorrichtung zu entwickeln, die dazu verwendet werden
kann, neben einer arthroskopischen mechanischen Steifigkeitsmessung
des Gewebes eine detailliertere Charakterisierung der Gewebestruktur
zu erhalten.
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Der
nächstgelegene
Stand der Technik
EP-A-0920833 offenbart
eine Messvorrichtung zur Untersuchung eines komprimierbaren Gewebes
mit einem länglichen
starren Körper,
einem Messarm, einer Ultraschallsonde als Messkopf und Mitteln zur Verarbeitung
von von dem Kopf erhaltenen Signalen.
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In
Bezug auf die für
die Erfindung kennzeichnenden Merkmale wird auf die Ansprüche verwiesen.
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Durch
Untersuchung von beispielsweise Gelenkknorpel auf diese Weise ist
es möglich,
die Dicke der Knorpelschicht, die Fähigkeit von Knorpeloberfläche, inneren
Strukturen und subchondralem Knochen Schall zu reflektieren oder
zu streuen, sowie die Abschwächung
von Ultraschall als Funktion der Frequenz zu bestimmen.
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Zu
den oben genannten akustischen Parametern:
- – Die Knorpelschichtdicke
ist verständlicherweise ein wichtiger
Parameter bei der Feststellung des Knorpelzustands.
- – Die
Fähigkeit
von Knorpeloberfläche
und inneren Strukturen des Knorpels, Ultraschall zu reflektieren/streuen,
ist eine empfindliche Anzeige der Knorpelqualität und insbesondere des Zustands von
Kollagenfasern auf der Knorpeloberfläche.
- – Es
besteht keine breite Erfahrung in Bezug auf die Anwendung der frequenzabhängigen Abschwächung zur
Feststellung des Knorpelzustands, doch erwies sich dieser Parameter
(BUA) als bei der Feststellung der Knochenqualität verwendbar. Er kann auch
bei der Feststellung der Knorpelqualität verwendbar sein.
- – Rückstreuungsparameter
wurden erfolgreich bei der Feststellung von sowohl Knorpel- als
auch Knochenqualität
verwendet.
- – Die
Fähigkeit
von subchondralem Knochen, Ultraschall zu reflektieren/streuen,
ist eine empfindliche Anzeige der Knochenqualität.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
zur Messung von komprimierbarem Gewebe, wie Gelenkknorpel, umfasst
einen länglichen
starren Körper und
einen von dem Körper
getragenen Messarm. Der Arm kann zusätzlich mit einer Kontaktoberfläche, die gegen
das zu untersuchende Gewebe zu legen ist, ausgestattet sein. Die
Vorrichtung umfasst ferner einen Messkopf und Mittel zur Verarbeitung
von von dem Messkopf erhaltenen Signalen. Gemäß der Erfindung ist der Messkopf
eine Ultraschallkristallmatrix, d. h. ein Satz von Ultraschallsonden,
die zusammen eine Fläche
bilden, die das gesamte zu untersuchende Gewebe oder einen Teil
des Gewebes bedeckt, zur Emission von Ultraschall in das zu untersuchende
Gewebe und zum Empfangen von Ultraschall aus dem zu untersuchenden
Gewebe.
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Daher
kann statt einer Abtastung die Sondenmatrix Informationen über eine
gewünschte
Fläche
des Gewebes liefern.
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Die
Messvorrichtung der Erfindung kann erfolgreich zur quantitativen
Bestimmung von mechanischen und Struktureigenschaften von Gelenkknorpel in
Verbindung mit einer Arthroskopie verwendet werden. Das Erstrecken
akustischer Messungen auch auf den Knochen unter dem Knorpel ermöglicht eine quantitative
Bestimmung der Eigenschaften des subchondralen Knochens. Es ist
auch sehr wichtig, die Eigenschaften des subchondralen Knochens
zu kennen, da ermittelt wurde, dass Änderungen dieser Eigenschaften
eine Beziehung zur Degeneration von Knorpel zeigen.
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Die
Messvorrichtung der Erfindung ist besonders vorteilhaft bei Messungen
des Echos, das von einer Knorpel/Knochen-Grenzfläche reflektiert wird, das Informationen über die
Knorpeldicke und die Kompression sowie auf der Basis von erhaltenen Kraftmessungen
das Gewebe beschreibende Materialparameter liefert.
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Nach
den Messungen gemäß der Erfindung kann
eine aktuelle Analyse und Diagnose durch Kombination aller gemessenen
Parameter und die durch diese erhaltene Information erfolgen. Eine
Diagnose wird vorzugsweise durch Sammeln von ausführlichem
Bezugsmaterial in Bezug auf alle entsprechenden durchzuführenden
Messungen und Eintragen der neu gemessenen Daten in einen derartigen Ordner,
der Bezugsmaterial enthält,
wodurch es möglich
ist, eine Feststellung des Zustands des Gelenks auf der Basis des
zuvor gesammelten Bezugsmaterials zu erhalten, durchgeführt.
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Die
Messvorrichtung der Erfindung weist signifikante Vorteile im Vergleich
zum Stand der Technik auf.
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Die
Erfindung ermöglicht
eine Messung von aktuellen Materialeigenschaften von Knorpel, die Messung
von Struktur- und
Zusammensetzungseigenschaften von Knorpel und subchondralem Knochen
und die Messung der Knorpeldicke. Darüber hinaus haben Variationen
der Knorpeldicke keine Wirkung auf die Messergebnisse wie bei Verfahren
des Standes der Technik.
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Im
folgenden wird die Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
detailliert beschrieben, wobei
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1 eine
allgemeine Darstellung einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt,
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2 eine
in der Erfindung verwendete Ultraschallkristallstruktur erläutert und
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3 eine
allgemeine Darstellung einer zweiten Messvorrichtung gemäß der Erfindung
zeigt.
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Die
in 1 gezeigte Messvorrichtung umfasst einen länglichen
starren Körper 1,
d. h. einen Griff, und einen geraden und starren Messarm 2,
der an dem Körper
befestigt ist. Das abgeschrägte äußere Ende
des Messarms umfasst eine Kontaktoberfläche 3, die gegen das
zu untersuchende Gewebe zu legen ist, mit einem von dieser Oberfläche vorstehenden
Messkopf 4. Ferner ist der Messarm mit mindestens einem
Fühler,
vorzugsweise einer Druckmessvorrichtung, zur Messung der Kraft,
die von dem zu untersuchenden Gewebe über den Messkopf auf den Messarm
ausgeübt
wird, ausgestattet. Die Messvorrichtung ist mit geeigneten Mitteln 5 zur
Verarbeitung der von dem Messarm detektierten Signale verbunden.
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Wie
in 2 gezeigt ist, ist die Ultraschallsonde 4 eine
Ultraschallkristallmatrix, die aus einer Mehrzahl von getrennten
Ultraschallkristallen besteht. Die Matrix bedeckt die zu untersuchende
Gewebefläche
auf einmal und die Matrix wird während der
Untersuchung nicht bewegt. Die Messung wird an einem Matrixelement
oder Kristall einzeln durchgeführt,
so dass Messungen durch verschiedene Kristalle einander nicht stören. Daher
werden punktspezifische Messungen, die gleichförmig die gesamte Matrixfläche des
zu untersuchenden Gewebes überdecken,
erhalten.
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Wenn
die Ultraschallsonde in einer vorstehenden Position wie in 1 gehalten
wird, kann eine punktspezifische Information in Bezug auf das Gewebe
durch Drücken
der Sonde 4 in das Gewebe erhalten werden. Daher kann eine
Vorrichtung gemäß der Erfindung
eine wie in 1 erläuterte Ausführungsform sein, wobei die
Ultraschallsonde 4 fest montiert ist und kontinuierlich
aus der schrägen
Kontaktoberfläche 3 hervorsteht.
In diesem Fall sendet das zu untersuchende Gewebe ein punktspezifisches
akustisches Signal zurück,
das signifikante Informationen insbesondere in Bezug auf den Knochen und
die Knochengrenzfläche
in der Form eines möglichen
Abschwächens
oder einer Verstärkung
der Reflexion oder Streuung liefert.
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In
der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die Messvorrichtung
eine stiftähnliche
Struktur, bei der ein starrer Körper 1 und
ein von diesem ausgehender dünnerer
Messarm 2 miteinander verbunden sind. Das Ende des Messarms
ist mit einer Ultraschallsonde 4, die in schräger Position
in Bezug auf die Längsrichtung
des Arms montiert ist, ausgestattet. Es besteht keine Kontaktoberfläche am Ende
des Messarms, sondern die Vorrichtung wird nur durch Drücken der
Sonde gegen das zu untersuchende Gewebe verwendet. In dem Messarm
sind relativ nahe der Sonde 4 Druckmessvorrichtungen oder äquivalente
Fühler 9 zur
Messung der Kraft, die zum Drücken
der Ultraschallsonde gegen das Gewebe ausgeübt wird, platziert. Daher ergibt
die Vorrich tung punktähnliche
Messergebnisse für
das zu untersuchende Gewebe.
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Daher
können,
wenn die Vorrichtung gemäß der Erfindung
zur Untersuchung von Gewebe wie Knorpel und subchondralem Knochen
verwendet wird, sowohl mechanische als auch Struktur- und Zusammensetzungseigenschaften
des Gewebes durch die gleiche Vorrichtung in Verbindung mit Arthroskopie
bestimmt werden.