膝关节植入物接触面积及接触应力测试

08/26/19

作为推动植入更加耐磨和患者特异性的继续，了解设备的接触应力和接触面积是评价最常见的故障模式中的一个有用的 - 插入损耗。本文着重于测试的接触压力和接触面积的全膝关节置换。

超过一百万的全膝关节置换术（TKR）在美国每年发生。膝关节植入物被安装，以减轻疼痛，并最终把关节回对齐。在以前的文章中，我们已经讨论了测试股全膝关节置换的和胫骨部件，但本文将在用于更换磨损弯月超高分子量聚乙烯（UHMWPE）轴承细看。这种类型的组件的有助于提高运动范围，创建适当的间隔和分发加载以消除对患者的疼痛。

弯月降解通常开始发生作为负载集中，或应力，从内侧髁的增加由于磨损，年龄或疾病。其结果是，髁开始穿过半月板，这最终可能导致在骨接触骨穿着。这不仅引起疼痛，但也导致其他关节，这可能会导致额外的健康问题的错位。全膝关节置换被设计成重新对准，并通过材料和轴承的轮廓都适当地分配负载。

全膝关节替代胫骨插入物

该轴承(或胫骨插入物)由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)制成，具有很高的耐磨性，特别是经过交联或维生素e富集过程时。假体材料必须能够承受诸如站立等活动带来的静态载荷，以及在日常活动中承受关节与股骨假体的磨损。评估轴承的一个关键步骤是量化股骨组件和胫骨轴承之间产生的接触面积和/或接触应力。重要的是要了解压力或压力对植入物的影响，因为行走过程中所经历的力量可能是体重的几倍。因此，在设计匹配轮廓时必须考虑应力分布和接触情况。

当在测试期间施加相等的力时，小接触面积将导致高应力，而较大的接触面积将导致较小的应力。随着时间的推移增加的压力可以有助于聚乙烯的分层或蠕变，导致不平衡和植入性差的性能。已经证明了等效力（或更高接触面积）下的压力较高，以促进更高的磨损率。该测试的目标是识别两种情况之间的甜蜜点。

Hani Haider等人对膝关节植入物的磨损进行了广泛的研究，并在文章中讨论了他们的发现，“对于全膝关节置换的较低的磨损，是更高或更低的接触面积更好？”^[1]

接触应力和接触面积测试方法

ASTM F2083是膝关节置换假体测试的标准规范，包括分类、材料、性能、尺寸、加工和标记以及包装部分。接触面积和应力分布测试要求概述在标准的第6部分，并推荐复制一种已公布的方法。测试应在不同屈曲角度下进行:0°、15°、30°、60°、90°，如果种植体设计为深度屈曲，则最大屈曲角度。此外，对于90°和深屈曲角，建议内、外旋转15°。

对于接触面积和接触压力测试，可以使用几种类型的物理传感器，并置于股骨和胫骨插入件之间。

富士压力测试

富士胶片是一种基于纸张的系统，利用红色密度变化来识别压力梯度。通过专门的软件对薄膜进行测试、扫描和评估，以确定接触面积和接触应力。这种分析可以导致比Tekscan更高的接触面积。这种薄膜可以提供更精确的接触面积测量，因为它是一种“模拟”薄膜，在传感器之间没有间隙。

一种用于富士缺点是，多个膜可能需要被用来捕捉接触应力范围 - 可能影响测量和较低应力读数的形状。另外，所述纸薄膜往往是由于起皱围绕圆形的表面或导致需要阈值或编辑出的一些数据组的边缘产生伪像，并且与过期日期的单次使用。

膝关节植入物富士胶片扫描 — 富士胶片扫描显示左侧的实际胶片和右侧相应处理后的股骨扫描分布

TEKSCAN压力测绘

Tekscan是一组电子传感器，在一个薄矩阵上以不同的网格大小排列。它可以校准，并提供实时测量以及重复使用的能力。该设备输出力、压力和面积测量的实时读数。它允许可调灵敏度，不需要堆叠的薄膜，消除噪音或伪影。然而，软件必须在单个网格传感器之间插入，这可能导致比实际接触面积更小的接触。

膝关节植入物Tekscan结果 — TEKSCAN产出 - 前两种扫描代表股骨的医疗和侧髁;中间扫描是不同载荷的髌骨;底部扫描是不同载荷的股骨。

传感器被放置在有角度的股骨和聚乙烯插入物之间，并施加一系列模拟体重(710 N)倍数的力。根据风险分析、可用的预测数据或评估不同步态周期的试验目的，这些指标可能有所不同。如果可能，应始终对未插入的插入件进行检测。如果之前使用过衬套，则应检查，确保没有发生过永久坐封，否则压力梯度就不准确。

对于接触应力和区域测试的另一个应用是评估髌骨。ASTM F1672概述了髌骨的要求，以及用于测试类似的方法。的15屈曲角度°，25°，和90°被定义和377各自的负荷，961，和2195 n应被应用。附加的角度可以根据需要进行评估。在测试过程中，应注意与在滑车槽达到预定位置髌骨的翻译对准相应的弯曲角度。

接触面积和接触应力测试也可用于识别其他类型的膝关节测试的最坏情况配置 - 如ISO 14243膝盖磨损。