Development of a scanning force microscope for in-vivo, minimally invasive inspection of human knee cartilage

L'arthrose est une maladie articulaire douloureuse et invalidante caractérisée par la dégénérescence du cartilage. Elle affecte, le plus souvent, des personnes d'âge moyen ou avancé. Cependant, des personnes jeunes et sportives peuvent également développer de l'arthrose, souvent en raison de graves blessures au genou, comme la rupture d'un ligament, de lésions au ménisque ou d'une dislocation de l'articulation. Afin de permettre un diagnostic précoce et un traitement optimisé de cette maladie, les chirurgiens ont besoin d'une mesure quantitative de la qualité du cartilage. Des mesures ex-vivo réalisées sur du cartilage en bonne santé, malades, et enzymatiquement altéré ont démontré que le microscope à force atomique (AFM) utilisé comme indenteur nanométrique est un outil suffisamment sensible pour détecter les changements survenant dans le cartilage au début de l'artrose. Par conséquent, l'AFM permet de diagnostiquer l'arthrose bien avant que les premiers symptômes (douleur) apparaissent. Pour être utilisé par les chirurgiens, un tel outil de diagnostique doit pouvoir fournir une information rapide et fiable sur la dégénérescence du cartilage, au mieux directement pendant l'intervention. Il doit également permettre un suivi post opératoire des zones traitées. Sur la base de ces exigences, nous avons développé le scanning force arthroscope (SFA). Cet instrument utilisé pour une inspection quantitative directe du cartilage articulaire intègre un AFM à l'intérieur d'une gaine arthroscopique. La stabilisation et le positionnement de l'instrument par rapport à la surface mesurée sont réalisés à l'aide de huit ballons gonflables (étage de stabilisation). Un scanner tridimentionnel intégré permet de scanner et de mesurer une petite zone de cartilage autour du point d'insertion (étage de balayage). Une sonde AFM intégrant un capteur de déflection est installée à l'extrémité de l'instrument (étage d'indentation). Après quelques essais préliminaires, des mesures arthroscopic ont été réalisés dans un genou de cadavre à l'aide de cet outil. L'insertion, le positionnement et la stabilisation de l'instrument sont guidés par un arthroscope. Durant ces phases, une canule protégé le levier. Après la suppression de cette protection, des courbes de force ont pu être enregistrées dans des conditions humides (solution de Ringer) et sèches (CO2). Finalement, le module d'élasticité dynamique de gel agarose et de cartilage de porcs ont été calculés en utilisant la dernière version de l'instrument., Osteoarthritis (OA) is a painful and disabling joint disease that is characterized by degradation of articular cartilage. It affects, most often, middle-aged and older people. However, young and sportive people can also develop osteoarthritis (OA), often as a result of severe knee injuries like ligament rupture, meniscus lesion or joint dislocation. For an early diagnosis of this disease and optimized treatment, surgeons need a quantitative measurement of the quality of cartilage. Recent ex-vivo measurements on healthy, diseased, and enzymatically altered cartilage demonstrated that the scanning force microscope (SFM) used as nanoindenter is a sensitive tool for detecting the small changes such as those occurring in early OA. Therefore, the SFM may allow diagnosing the early stages of OA long before the first symptoms (pain) arise. To be used by clinicians, a diagnostic tool needs to provide a fast and reliable diagnosis of cartilage degeneration, at best directly during the intervention. Moreover, it should also allow for post operative monitoring of the treated areas. Based on these requirements, we developed the scanning force arthroscope (SFA). This clinical instrument integrates an SFM into a standard arthroscopic sleeve and was used for direct, quantitative, in-situ inspection of articular cartilage. The stabilization and the positioning of the instrument relative to the surface under investigation was performed by means of eight inflatable balloons (stabilization stage). An integrated three-dimensional (3D) scanner allowed raster scanning and probing of a small area of cartilage around the point of insertion (scanning stage). A SFM probe with an integrated deflection sensor was mounted at the distal end of the instrument (indentation stage). After some preliminary tests, measurements by the arthroscopic SFM were recorded inside a cadaver knee. The insertion, positioning and stabilization of the instrument were guided by a regular optical arthroscope. During this phase a cannula protected the cantilever. After removal of this protection, load-displacement curves were successfully recorded under wet (Ringer’s solution) and dry (CO2) conditions. Finally the dynamic elastic modulus of agarose gel and pig’s cartilage were calculated, using experimental values obtained with the latest version of the instrument.

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2008 ; Th. 2043