Hasarlanmış eklem kıkırdağı kalınlığının optik bir yöntemle araştırılması

Özet

Amaç: Bu çalışmanın amacı, hasarlanmış kıkırdak kalınlığını in-vivo ve gerçek zamanlı olarak ölçmek için, farklı kalınlıklarda hasarlanmış dana patellası kıkırdağı üzerinde, fiber optik prob ile ex-vivo elastik ışık saçılma spektroskopisi deneyleri kullanarak bir optik sistem geliştirmek idi. Gereç ve yöntemler: Elastik ışık saçılma spektroskopisi sistemi küçük bir UV-VIS spektrometre, halojen-tungsten ışık kaynağı, fiber optik prob ve bir diz üstü bilgisayardan oluşmaktadır. Elastik ışık saçılma spektrumları kalınlıkları kontrollü bir şekilde azaltılmış 40 adet dana dizi patellası kıkırdağı üzerinden alındı. Ölçümler dört gruba ayrılarak yapıldı; birinci grupta kıkırdak tam kalınlıkta olup; 2’inci, 3’üncü ve 4’üncü gruplardaki kıkırdak kalınlıkları sırası ile %25, %50 ve %100 inceltildi. Prob altı fiberden oluşmakta idi; bu fiberlerden biri ışığı kıkırdağa taşımak, diğer beşi ise kıkırdaktan difüzyona uğradıktan sonra geri yansıyan ışığı toplamak içindi. Optik fiberlerin çapları 400 μm, dedektör fiberlerin kaynak optik fibere olan uzaklıkları ise 0.8, 1.6, 2.4, 3.2, 4.0 mm idi. Bulgular: Elde edilen sonuçlar, 500-600 nm arasındaki dalga boylarında hemoglobinin absorpsiyonu ile kıkırdak kalınlığı arasında bir ilişki olduğunu gösterdi. Kıkırdak kalınlığı ve hemoglobin absorpsiyonu arasındaki ilişkinin belirlenmesi için geri yansıyan ışığın spekrumu kullanılarak bir absorpsiyon endeksi tanımlandı. Endeks kıkırdak kalınlığı ile ters orantılıdır ve kıkırdak kalınlığını belirlemede kullanılabilir. Sonuç: Bu çalışmada, tasarlanan optik fiber prob ile ölçülen elastik ışık saçılma spektrumunun tahmini kıkırdak kalınlığını ölçmede kullanılabileceği gösterildi. Subkondral kemikte bulunan hemoglobin miktarındaki farklılıkların yöntemin duyarlılığı üzerindeki etkisi tam bilinmemektedir. Bu çalışmanın güvenilirliği ex-vivo deneylerle test edilmelidir. Bu sistemin yeni bir ürün olarak in vivo kıkırdak kalınlığını invaziv olmayan yöntemle ölçebilme ve pratikte kullanılabilme potansiyeli vardır.

Abstract

Objectives: The aim of this study was to develop an optical system to measure damaged cartilage thickness in-vivo and real time using an optical fiber probe and conducting ex-vivo elastic light-scattering spectroscopy experiments on different thicknesses of damaged calf’s patella cartilage. Materials and methods: An elastic light-scattering spectroscopy system was assembled with a miniature UV-VIS spectrometer, halogen-tungsten light source, laptop and optical fiber probe. Elastic light-scattering spectra were taken on the control and damaged calf’s patella cartilages of 40 samples. The samples were grouped into four; in the first group cartilages were not damaged, in the 2nd, 3rd and 4th groups cartilage thickness was reduced approximately 25%, 50% and 100% respectively. The probe consisted of six fibers; one for light delivery and the other five to detect diffuse back-reflected light from the cartilage. Diameter of the fibers was 400 μm, and distance of the detector fibers from the source fibers were 0.8, 1.6, 2.4, 3.2, 4.0 mm. Results: Our results showed a correlation between cartilage thickness and hemoglobin absorption in the wavelength range of 500-600 nm. We defined an absorption index using the spectral data of the diffuse back-reflected light to make a correlation between the thickness of the cartilage and absorption of hemoglobin. The index is inversely proportional to the thickness of the cartilage and can be used to estimate the cartilage thickness. Conclusion: This study showed that measuring elastic lightscattering spectra utilizing the designed optical fiber probe can be used to estimate cartilage thickness. The effect of variation of hemoglobin content of subchondral bone on the estimated cartilage thickness was not clearly known. More ex-vivo experiments should be conducted to test the system efficiency in defining cartilage thickness. The system has the potential to be used in practice as a new product for non-invasively measuring cartilage thickness in-vivo.