DE69225713T2

DE69225713T2 - Vorrichtung zur messung der steifheit von starrem gewebe

Info

Publication number: DE69225713T2
Application number: DE69225713T
Authority: DE
Inventors: Jukka Kuopio Jurvelin; Ilkka Kuopio Kiviranta
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-08-01
Filing date: 1992-07-28
Publication date: 1998-12-17
Anticipated expiration: 2012-07-29
Also published as: FI913673A0; DE69225713D1; FI90616C; WO1993002619A1; FI90616B; US5494045A; FI913673A; EP0600920A1; EP0600920B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Steifigkeit, um die Steifigkeit von starrem Gewebe zu ermiffeln. Eine Vorrichtung zum Messen der Steifigkeit von Gewebe ist in dem US-PS 4,346339 beschrieben, aus dem die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 bekannt sind. Das diagnostische Instrument gemäß diesem Stand der Technik umfaßt einen länglichen Körper, der eine Anlagefläche aufweist, um gegen das zu vermessene Gewebe zu drücken. Darüber hinaus umfaßt es ein Übertragungsteil an dem distalen Ende des länglichen Körpers sowie einen Wandler zum Messen der Kraft, die unter Druck über das Druckübertragungsteil von dem Gewebe auf den Messarm wirkt, sowie Miffel zum Weiterverarbeiten der Signale von dem Wandler.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Messen der Steifigkeit, um die Steifigkeit von Gelenkknorpel zu bestimmen, wobei in der nachfolgenden Beschreibung Gelenkknorpel ausschließlich als Gewebe betrachtet wird, welches es zu messen gilt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen der Steifigkeit ist jedoch nicht darauf beschränkt, lediglich zur Messung der Steifigkeit von Gelenkknorpel eingesetzt zu werden. Sie kann gleichfalls benutzt werden, um die Steifigkeit jedes beliebigen, ähnlichen Gewebes zu bestimmen.
Gelenkknorpel wird unterschieden in Bindegewebe, welches keine Blutgefäße enthält, Iymphatisches Gewebe und Nerven. Gelenkknorpel ist das steifeste unter den weichen Geweben des Körpers, jedoch deutlich weicher als Knochen. An verschiedenen Gelenken variiert die Dicke von Gelenkknorpel in Bereichen von einen paar Mikrometern zu mehreren Millimetern. Die Dicke des Gelenkknorpels kann auch in unterschiedlichen Bereichen der Gelenkknorpel unterschiedlich sein. Die Hauptaufgaben des Gelenkknorpels sind: die Beanspruchung des darunterliegenden Knochens zu verringern und eine Verringerung der Reibung in dem Gelenk zu bewirken.
Chondromalacia ist eine degenerative Krankheit des Gelenkknorpels, wobei das auslösende Moment bisher unbekannt ist. Das pHänomen ist doch weit verbreitet und es wird angenommen, daß bis zu einem Drittel der erwachsenen Bevölkerung unter Veränderungen der pa?eilaren chondralen Oberfläche leiden. Nahezu sämtliche symptomatischen Patienten zeigen einen aufgeweichten patellaren Knorpel, wenngleich der Knorpel makroskopisch normal erscheint. Das Erweichen ist in der Tat die erste ermittelbare Veränderung an der chondralen Oberfläche, die durch die Chondromalacia hervorgerufen wird. In einem späteren Zustand wird die chondrale Oberfläche uneben und ausgefranzt. Die Diagnose von Chondromalacia in ihrem früheren Stadium ist wesentlich, da die Veränderungen nicht wieder rückgängig gemacht werden können, wenn einmal ein Ausfranzen aufgetreten ist.
Derzeit werden die mechanischen Eigenschaften von Gelenkknorpel in der Regel mittels einer Materialprüfvorrichtung gemessen. Ein derartiges großes und schweres Gerät läßt sich nicht transportieren, so daß es lediglich zur Bewertung von Probestücken unter Laborbedingungen geeignet ist. Das einfachste Verfahren, das derzeit bei einem operativen Eingriff verwendet wird, um die Steifigkeit des Gelenkknorpels zu ermitteln, besteht darin, daß die chondrale Oberfläche bei einem chirurgischen Eingriff mit einem metallischen Instrument nach unten gedrückt wird. Die Ergebnisse derartiger Messungen sind jedoch sehr subjektiv und unterliegen Schwankungen.
Bis heute sind lediglich zwei Meßinstrumente zur peroperativen Verwendung vorgeschlagen worden. Das eine ist das Knorpel-Elastometer, wobei dessen Verwendung die Öffnung des Kniegelenkes erforderlich macht, so daß dessen Verwendung wenig praktikabel ist. Das andere ist ein Meßinstrument, welches sich arthroskopisch verwenden läßt, d.h. in Verbindung mit der optischen Betrachtung des Gelenkes. In diesem Instrument wird ein Druckwandler verwendet, der eine drucksensitive Membran an einem Ende aufweist. Der Wandler ist in einem gekrümmten Stahlrohr derart angeordnet, daß das drucksensitive Ende des Wandlers ein wenig innerhalb des Endes des Rohres verbleibt. An dem Ende des Rohres ist ein sphärischer Körper, der aus einem elastischen Material hergestellt ist, befestigt, wobei dessen Oberfläche eng an der Membran des Wandlers anliegt und somit das Drucksignal überträgt. Das andere Ende des sphärischen Bauteils ist außerhalb des Metallrohres angeordnet.
Beim Messen wird das Instrument gegen den Knorpel gedrückt, bis das metallische Ende der Hülse ein weiteres Andrücken verhindert. Das elastische sphärische Bauteil an der Spitze des Meßinstrumentes flacht sich an dem Knorpel ab, wobei dieses Abflachen des sphärischen Bauteils um so höher ist, je höher die Steifigkeit des Knorpels ist.
Gleichzeitig überträgt es die von dem Knorpel erzeugte Druckkraft auf den Druckwandler. Das Verhältnis zwischen der Steifigkeit des Knorpeis und der abgelesenen Spannung ist jedoch nicht linear. Grundsätzlich erlaubt der Druckwandler eine Messung der von dem Knorpel erzeugten Kräfte. Die mathematische Aufschlüsselung dieser Messung ist jedoch schwierig, da die in dem Knorpel durch den Wandler verursachte Verformung unbekannt ist. Darüber hinaus ist nicht bekannt, welchen Effekt die Dicke des Knorpels auf das Meßergebnis hat.
Dementsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die voranstehend beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein neues Steifgkeitsmeßinstrument anzugeben, mit dem die Steifigkeit von weichem Gewebe, beispielsweise von Gelenkknorpel in einer Weise gemessen werden kann, bei der objektive und genaue Meßergebnisse erzielt werden und das eine schnelle und einfache Messung in Verbindung mit der Arthroskopie erlaubt. Bezüglich der kennzeichnenden Merkmale der Erfindung wird auf die Ansprüche verwiesen.
Das erfindungsgemäße Instrument zum Messen der Steifigkeit von starrem Gewebe umfaßt einen länglichen starren Körper, der von einer Schutzhülse umgeben ist und eine Anlagefläche aufweist, die für die Messung gegen die Oberfläche des zu untersuchenden Gewebes gedrückt werden kann. Das Meßinstrument umfaßt weiterhin einen Meßarm, der gegen den Körper anliegt und einen vorspringenden Stab vergleichsweise geringer Größe trägt. Der Meßarm trägt weiterhin einen ersten Wandler zum Messen der Spannung, die auf diesen von dem Gewebe unter Meßbedingungen wirkt, die durch den Meßstab übertragen wird. Das Steifigkeitsmeßinstrument umfaßt außerdem Mittel zum Empfangen der Signale von dem Wandler und zum Verarbeiten derselben in eine Form, die gewünscht ist. Der Meßarm ist im wesentlichen vollständig von der Schutzhülse umgeben, die die Anlagefläche bildet, die bei der Messung gegen die Oberfläche des Gewebes, das gemessen wird, anliegt. Die Schutzhülse weist eine Öffnung auf, durch die der Meßstab über die äußere Oberfläche der Schutzhülse hinausragt. Die Öffnung ist derart bemessen, daß ein deutlicher Schlitz zwischen den Rändern der Öffnung und dem Meßstab verbleibt, so daß die Schutzhülse die Bewegungen des Meßstabs weder beeinflußt noch eine Wirkung auf die Ergebnisse der Messung hat. Darüber hinaus umfaßt das erfindungsgemäße Instrument die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch
1. Vorzugsweise umfaßt der Körper auch einen zweiten Wand ler, welcher die Spannung bzw. die Belastung mißt, welche auf den Körper wirkt. Weiterhin umfaßt die Vorrichtung Mittel, mit denen die Signale von den beiden Wandler verarbeitet werden und auf Grundlage der Signale einen Ausgabewert erzeugt, der das untersuchte Gewebe kennzeichnet.
Vorzugsweise werden als Wandler Dehnungsmesser verwendet, wenngleich weitere Arten von Wandler, die für sich bekannt sind und in verschiedener Weise verwendet werden, gleichfalls in Betracht gezogen werden können. Vorzugsweise überragt der Meßstab die Öffnung in der Schutzhülse oberhalb der Anlagefläche um eine Länge von zwischen 0,1 und 1,0 mm, vorzugsweise 0,2 bis 0,5 mm und beispielsweise um 0,36 mm.
Gemäß der vorliegenden Erfindung liegt die Anlagefläche des Körpers in einer im wesentlichen geraden Ebene und verläuft parallel zu dem geraden länglichen Körper oder in einem Winkel hierzu, so daß die Neigung gegenüber dem länglichen Körper zwischen und 45º, vorzugsweise zwischen 10º und 30º und beispielsweise bei 20º liegt. Das Gerät läßt sich dann leicht gegen Oberflächen von Gelenkknorpel bei arthroskopischen Messungen drücken.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt die Schutzhülse wenigstens einen, vorzugsweise zwei Reinigungsöffnungen, die es ermöglichen, den Raum zwischen der Schutzhülse und dem Meßarm zu reinigen und das Meßgerät umfassend zu desinfizieren, wenn dies als erforderlich erachtet wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Schutzhülse keine Reinigungsöffnungen auf; statt dessen ist jedoch der Freiraum zwischen dem Meßstab und der Schutzhülse mit einem geeigneten, elastischen und abdichtenden Material abgedichtet, welches wirkungsvoll den Eintritt von Verunreinigungen in die Schutzhülse verhindert, jedoch die freie Bewegung des Meßstabes relativ zu der Schutzhülse nicht beeinflußt.
Vorzugsweise sind die Wandler, die mit Dehnungsmessern ausgestattet sind, sowohl auf dem Meßarm als auch an dem Körper mit Paaren von Dehnungsmessern ausgestattet, so daß sämtliche Phänomene, die sich aufgrund der Wärmedehnung des Metalls ergeben, eliminiert werden können. Diese Anordnung ist dabei beispielsweise derart ausgebildet, daß die Dehnungsmesser an gegenüberliegenden Seiten sowohl an dem Meßarm als auch an dem Körper angeordnet sind und weiterhin derart relativ zu dem Meßstab und der Anlagefläche liegen, daß bei einer Belastung, die auf den Wandler wirkt, ein Dehnungsmesser des Wandlers auf die Kompression und der andere auf die Dehnung reagiert.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Gerätes zur Messung der Steifigkeit von steifem Gewebe wird eine im wesentlichen punktförmige Belastung, die mit einer konstanten Tiefe eindringt, auf das zu vermessende Gewebe aufgebracht, wobei diese Belastung das Gewebe komprimiert, ohne zu Verletzungen führen. Die Kraft des Gewebes, die dieser Kompression entgegenwirkt, wird gemessen, um die Steifigkeit des Gewebes festzustellen. Eine im wesentlichen punktförmige Belastung wird in diesem Fall verstanden als eine Belastung, die eine aktive Fläche von einem Durchmesser in einem Bereich von 1 mm aufweist. Es versteht sich, daß keine punktförmige Nadel verwendet wird, die in das Gewebe eindringen und dieses verletzen kann, um die Belastung zu erzeugen. Die die Belastung aufbringende Oberfläche ist eine geeignete, schmale gerade oder gekrümmte Oberfläche, welche das vor dieser liegende Gewebe zusammendrückt, jedoch keine Verletzung bei dem Gewebe hervorruft.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber dem vorbekannten Stand der Technik liegt darin, daß es mit ihr möglich ist, die Steifigkeit von geeignetem Gewebe, wie beispielsweise Gelenkknorpel, genau und objektiv zu messen, so daß anhand der Meßergebnisse der Zustand des vermessenen Gewebes leicht ermittelt werden kann. Nachfolgend wird die Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In dieser zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Steifigkeitsmeßgerätes gemäß der vorliegenden Erfindung mit seinen unterschiedlichen Teilen und
Fig. 2 eine Darstellung der körperlichen Ausgestaltung des Steifigkeitsmeßgerätes gemäß Fig. 1, teilweise in geschnittener Ansicht.
Das Steifigkeitsmeßgerät gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt einen geraden, länglichen und starren Körper 1, der einen Dehnungsmesser 2 trägt, der derart angeordnet ist, daß auf den Körper wirkende Belastungen gemessen werden können. Der Körper weist an einem Ende einen verdickten Bereich 12 auf, durch den ein Handgriff gebildet ist, über den das Gerät bei der Benutzung gehalten wird. Das andere Ende des Körpers, d.h. seine Spitze, enthält einen Meßarm 3, auf dem der Meßstab 4 ruht, der von dem Körper hervorsteht. Der Meßarm 3 weist außerdem einen Wandler 5 auf, der die auf den Meßarm durch den Meßstab wirkende Kraft mißt.
Beide Wandler 2 und 5 sind mit einem Meßverarbeitungsmittel 7 verbunden, welches aus einer länglichen Einheit 14 und einer Ausgabevorrichtung 15 besteht, mit dem die gemessenen Signale in der gewünschten Form verarbeitet und gespeichert werden können.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausbildung umfaßt der Bereich der Spitze des erfindungsgemäßen Steifigkeitsmessungsgerätes einen starren rohrförmigen Körper 1 in dessen Erstreckungsrichtung ein stabförmiger Meßarm 3 fest an diesen befestigt ist. Der Körper sowie der Meßarm weisen einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Umfänglich zu dem Körper 1 sowie dem Meßarm 3 ist eine einstückige, rohrförmige Schutzhülse 8 vorgesehen, die sich über den Meßarm 3 erstreckt und den Meßarm abdeckt. Die Schutzhülse ist als starre Einheit mit dem Meßarm 3 ausgeformt, wobei ein Schlitz 16 zwischen dem Meßarm 3 und der Schutzhülse 8 derart ausgebildet ist, daß der Meßarm und die Schutzhülse nicht in direktem Kontakt miteinander sind; deren Verbindung wird lediglich über den Körper 1 bewirkt.
Das Ende des stabförmigen Meßarmes 3 ist abgeschrägt, so daß es eine gerade Ebene bildet, die mit einem Winkel von ungefähr 20º relativ zu der Längsachse des Meßarmes geneigt ist. Die Schutzhülse 8 weist eine ähnliche Form auf und umgibt den Meßarm, wobei die geneigte Außenfläche der Schutzhülse eine Anlagefläche 6 bildet. In der Anlagefläche ist eine Öffnung 9 ausgebildet, die von einem Meßstab 4, d.h. ein Stab, der an der geneigten Stirnfläche des Meßarmes 3 befestigt ist, durchragt ist. Der Durchmesser des Stabes 4 liegt in der Größenordnung von 1 mm und überragt die Außenseite der Anlagefläche 6, die durch die Schutzhülse 8 gebildet ist, um ungefähr 0,3 bis 0,4 mm.
An dem Meßarm 3 sind zwei Dehnungsmesser 5, und zwar in seinem mittleren Bereich und an der gegenüberliegenden Seite, befestigt, so daß die auf den Meßstab 4 wirkende Kraft eine Dehnung des einen Dehnungsmessers und eine Kompression des anderen bewirkt. In ähnlicher Weise sind zwei Dehnungsmesser 2 an dem Körper 1 innerhalb der Schutzhülse 8 angeordnet, wobei einer die Dehnung und der andere die Kompression des Körpers mißt, wenn eine Kraft auf die Anlagefläche 6 derart wirkt, daß der Körper 1 gebogen wird.
Weiterhin sind Reinigungsöffnungen 10 und 11 an der Schutzhülse 8 des Steifigkeitsmeßgerätes vorgesehen, wobei eine in der Nähe der Spitze der Schutzhülse 8 und die andere nahe der Verbindung zwischen dem Meßarm 8 und dem Krper 1 angeordnet ist. In anderen Worten sind die Öffnungen an beiden Enden des Raumes 16, der zwischen dem Meßarm 3 und der Schutzhülse 8 ausgebildet ist, angeordnet. Durch diese Öffnungen ist es somit auf einfache Weise möglich, die Meßvorrichtung vollständig gründlich zu spülen und diese zu desinfizieren, und zwar, wenn dies erforderlich ist, unter Verwendung einer Anschlußstelle an der Öffnung, um Flüssigkeit oder Gas in den Raum zwischen der Schutzhülse 8 und dem Meßarm 3 einzuleiten.
Das Steifigkeitsmeßgerät der vorliegenden Erfindung wird wie folgt betrieben: Der Durchmessers des Körpers 1 des Meßgerätes beträgt beispielsweise ungefähr 6 mm, so daß dieser in Verbindung mit der Arthroskopie verwendet werden kann. Die Anlagefläche 6 des Meßgerätes wird gegen das Gewebe, beispielsweise ein Gelenkknorpel 17 gedrückt, so daß die Anlagefläche 6 flach an der Oberfläche des Gelenkknorpels aufliegt. Dadurch drückt der Meßstab 4, der sich über die Anlagefläche erstreckt, gegen den von ihm erfaßten Knorpel.
Dementsprechend drückt der Gelenkknorpel mit einer Kraft, die proportional zu seiner Steifigkeit ist, gegen den Meßstab und somit durch dessen Vermittlung gegen den Meßarm 3. Die Kompression erzeugt Spannungen in dem Meßarm 3, die sich mit den Wandlern 5 messen lassen. Ähnliche Spannungen werden in den Wandlern 2 des Körpers durch das Anpressen der Anlagefläche 6 des Meßgerätes gegen den zu vermessenden Gelenkknorpel bewirkt.
Da der Durchmesser des Meßstabes, der bei der Messung verwendet wird, sowie dessen Hervortreten von der Anlagefläche 6 relativ gering sind, insbesondere relativ zu der Dicke des Gewebes, welches zu vermessen ist, ist die Annahme zulässig, daß die Wirkung der Knorpeldicke auf das Ergebnis der Messung zu vernachlässigen ist, so daß die gemessene Druckkraft, die auf den Meßstab wirkt, direkt proportional zu der Steifigkeit des Knorpels ist.
Vorstehend ist die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden. Gleichwohl ergeben sich verschiedene Abwandlungen der vorliegenden Erfindung ohne weiteres innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung, der durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Steifigkeit von starrem Gewebe mit

- einem länglichen, starren Körper (1), der von einer Schutzhülse (8) umfaßt ist, wobei das eine Ende der Hülse eine Anlagefläche (6) bildet, um gegen das zu messende Gewebe zu drücken,

- einem Meßarm (3) innerhalb der Schutzhülse, der an dem Körper anliegt, wobei der Arm einen vorspringenden Stab (4) und einen ersten Wandler (5) zum Messen der beim Messen von dem Gewebe über den vorspringenden Stab auf den Meßarm wirkenden Kraft, wobei die Anlagefläche (6) eine Öffnung (9) aufweist, durch die der Meßstab (4) über die äußere Oberfläche der Schutzhülse hinausragt, ohne die Schutzhülse zu berühren, und

- einem Mittel (7) zum Verarbeiten der Signale von dem Wandler dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Spalt (16) zwischen dem Meßarm (3) und der Hülse (8) vorgesehen ist und

- daß die Anlagefläche (6) der Hülse (8) in einer im wesentlichen ebenen Ebene liegt, die sich mit einem Winkel von zwischen 0º und 45º relativ zu der Längsachse des geraden, länglichen Körpers erstreckt.

2. Vorrichtung zum Messen der Steifigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper einen zweiten Wand ler (2) zum Messen der darauf wirkenden Belastung umfaßt.

3. Vorrichtung zum Messen der Steifigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Wandler (2, 5) Dehnungsmesser sind.

4. Vorrichtung zum Messen der Steifigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstab (4) von der Öffnung die Außenseite der Anlagefläche (6) 0,1 bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,2 bis 0,5 mm und beispielsweise 0,36 mm, überragt.

5. Vorrichtung zum Messen der Steifigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel in einem Bereich zwischen 10º und 30º liegt, beispielsweise ungefähr 20º.

6. Vorrichtung zum Messen der Steifigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülse (8) eine Reinigungsöffnung (10,11) umfaßt, um Verunreinigungen zu entfernen, die durch die Öffnung (9) in der Anlagefläche (6) in die Schutzhülse (8) eingedrungen sind, und um die Meßvorrichtung zu desinfizieren.

7. Vorrichtung zum Messen der Steifigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung, die zwischen dem Meßstab (4) und der Schutzhülse (8) ausgebildet ist, abgedichtet ist, am Ende wasserdicht verschlossen, vorzugsweise mit einem elastischen Abdichtungsmaterial hermetisch verschlossen ist, welches die Bewegung des Meßstabes relativ zu der Schutzhülse nicht beeinflußt.

8. Vorrichtung zum Messen der Steifigkeit nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmesser paarweise an gegenüberliegenden Stellen des Körpers (1) des Meßarmes (3) angeordnet sind, um einen ersten und einen zweiten Wand ler (2, 5) an gegenüberliegenden Seiten des Körpers (1) und des Meßarmes (3) zu bilden.