IEEE trans:振动刺激作为一种非侵入性方法来监测半月板撕裂的严重程度

2021-05-05 MedSci原创 MedSci原创

膝关节急性损伤的发生率高。半月板是膝关节内的一块软骨,承载运动负荷,促进人体稳定性。半月板部分或全部撕裂是最常见的膝关节损伤之一:在美国,每年约有70万例半月板部分切除术是由半月板损伤引起的。半月板撕

膝关节急性损伤的发生率高。半月板是膝关节内的一块软骨,承载运动负荷,促进人体稳定性。半月板部分或全部撕裂是最常见的膝关节损伤之一:在美国,每年约有70万例半月板部分切除术是由半月板损伤引起的。半月板撕裂的诊断目前最常用和准确的方法是磁共振成像(MRI)。然而,核磁共振是一个昂贵和耗时的过程,需要笨重的设备,实验室条件和熟练的人员。此外,MRI在康复期间对关节的术后评估的准确性对于骨科医生来说仍然是有局限的,在许多情况下可能是不可行的 。 在急性损伤的早期进行关节镜手术也被广泛认为是一种微创方法,以避免病理导致的膝关节退行性改变,但是这种技术仍然被认为是一种外科手术,因此非侵入性的替代方法将是首选。

 使用外部振动源刺激膝关节并测量其响应可以作为解决当前基于振动的膝关节健康监测系统局限性的工具。利用各种基于振动的技术,如模态分析和基于波的方法,对振动在人体中的传播以及振动声学特性与软组织结构完整性之间的相关性进行了研究。主动振动测量技术跟踪生理组织结构完整性变化的能力可以扩展到使用机械结构中常用的结构健康监测(SHM)技术分析问题的严重性。基于振动的结构健康监测方法被广泛应用于各种结构的损伤检测中。

在这项研究中,进行了一个基于振动的膝盖频谱分析,以探讨这种技术在检测膝关节半月板损伤的发生和严重程度的能力。设计了一种模拟半月板损伤不同阶段的手术方法。利用外部机械振动获得关节在各个阶段的振动传递率。建立了膝关节的梁模型,对损伤对膝关节振动响应的影响进行了定性和对比分析。 

在这项研究中使用了从 六个新鲜、冷冻的人类尸体膝盖。两条腿的平均年龄为63.6岁± 9.5岁。在实验之前,腿被储存在−20°并在室温水浴中解冻10小时。腿部没有任何重大膝关节疾病史,包括受伤、关节炎或手术。 在收集数据之前,对每个尸体肢体进行手动、重复的屈曲伸展,以确保关节完全解冻并始终处于良好状态 。在腿部允许的全角度运动范围内进行手动屈曲伸展,无需过度用力,并至少进行10个周期。

本研究考虑了四个试验阶段来模拟半月板损伤的影响,包括基线检查、假手术、半月板撕裂和半月板切除术。在解冻和预处理的膝盖上进行初始测量,并将数据用作基线。假手术包括在浅内侧副韧带(MCL)前方4厘米的皮肤切口,切口与膝关节囊上的关节线(大约在胫骨平台上)平行。在创建这个切口后,内侧半月板暴露出来,并准备在下一阶段进行手术改变。为了确保半月板完好无损,在进行振动试验之前,应格外小心,并用连续缝线缝合切口。接下来,为了模拟半月板的放射状撕裂,将缝合皮肤切口的缝线切开以接近半月板,并用手术刀从内侧径向切开半月板。在对改变的膝盖进行振动测量之前,再次将穿过皮肤的通路与假手术相同地缝合。最后,切开缝合线再次暴露半月板,并进行半月板切除术。在这一阶段,手术切除模拟撕裂前半月板的一个5毫米宽的放射状截面,并在收集最终测量值之前缝合切口。

Fig. 1. - Injury simulation steps on the cadaver leg including (a) baseline (initial), (b) sham surgery, (c) meniscus tear, and (d) meniscectomy.

损伤步骤

振动测试是通过将尸体腿放在定制的可调节支架上,使膝盖保持在45度°。使用两条尼龙搭扣带和两块隔音泡沫将样品固定在支架上,以尽量减少通过支架传递的环境噪声。振动器在胫骨远端胫骨结节内侧关节中心的位置激发腿部振动,记录刺激振幅和静态和动态力。将两个微型、高灵敏度和低质量的加速计 放置在膝盖中心上方关节的内侧和外侧。加速计由一条薄的双面胶带和一条软背胶带固定,以便在传感器背面提供一定程度的压力,并确保传感器和皮肤之间有更好的接触。并设计了一个膝盖的模型。

Fig. 2. - Knee vibration stimulation setup—including an electrodynamic shaker, a load cell and an impedance head transducer to measure the input, and two accelerometers to measure the response—attached to a cadaver leg positioned on an adjustable frame.

膝关节振动刺激装置

半月板撕裂的发生可以在不同阶段的特定频段中检测到。内侧和外侧加速计都能在中心频率分别为3000Hz和2500Hz的400 Hz左右的频带上检测到撕裂。通过进行半月板切除术来增加损伤的严重性,加速计能够利用在半月板撕裂阶段观察到的高频区域之外的低频率下的RMSD值来检测结构的变化。半月板切除术可通过内侧和外侧加速计在800 Hz左右的频率检测到。损伤可检测尺寸与弹性波传播频率之间的关系是SHM中一个众所周知的现象;由于波长较小,高频波可以携带有关较小缺陷的信息。

选择与变化最显著的频率范围相对应的RMSD值作为能够检测与半月板破坏相关的膝关节结构变化的频率响应测量特征。在内侧和外侧加速度计中,分别选择2.9 kHz和3.3 kHz,以及2.4 kHz和2.7 kHz的频率来检测半月板撕裂。使用0.1khz和1.3khz,频率在0.6khz和1.1khz的频率,分别用于检测内侧和外侧位置的半月板切除术。由于尸体腿部没有活组织,半月板撕裂对膝关节振动特性的影响仅限于梁模型的边界。换言之,损伤不会影响股骨和胫骨的结构,只会改变模型中表示为扭转弹簧的半月板刚度。在活体受试者中,半月板损伤也会影响关节组件的特性,包括骨、软骨、关节液、半月板、肌腱、韧带和膝关节囊周围的其他软组织。

本项工作的结果显示了在诊断和分级半月板损伤的外部振动刺激的潜力。然而,值得注意的是,这项研究有一些局限性。这项研究仅限于6具尸体肢体,在未来的工作中需要增加样本量,以确定更普遍地捕捉半月板损伤对膝关节振动响应影响的具体频率范围。活体人体的损伤机制以及组织的结构和生理作用与尸体腿不同,

M. Safaei, N. B. Bolus, D. C. Whittingslow, H. -K. Jeong, A. Erturk and O. T. Inan, "Vibration Stimulation as a Non-Invasive Approach to Monitor the Severity of Meniscus Tears," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 29, pp. 350-359, 2021, doi: 10.1109/TNSRE.2021.3050439.

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