膝关节植入接触面积和接触压力测试

08/26/19

随着植入物的推动更加耐磨和患者特异性，了解设备的接触应力和接触区域可用于评估最常见的故障模式之一 - 插入磨损。本文重点介绍了全膝关节置换的接触压力和接触区域。

超过一百万种总膝关节替换（TKR）在美国每年举行。安装膝关节植入物以减少疼痛，最终将关节带回对齐。在以前的文章中，我们已经讨论过测试股和膝关节的胫骨部件，但本文将仔细看看超高分子量聚乙烯（UHMWPE）轴承，用于更换磨损的半月板。这种类型的组件有助于改善运动范围，产生适当的间隔和分配负荷以消除患者的疼痛。

半月板的降解通常开始发生作为负荷浓度或应力，从内侧髁由于磨损，年龄或疾病增加而增加。结果，髁突开始穿过弯月面，这最终可能导致骨骼接触上的骨骼。这不仅会导致疼痛，还会导致其他关节的不对准，这可能导致额外的健康问题。全膝置换替换设计用于通过材料和轴承轮廓重新对准和适当地分配负载。

全膝关节置换术胫骨插入器

轴承（或胫骨插入物）由超高分子量聚乙烯（UHMWPE）制成，具有高耐磨性，特别是如果它经历交联或维生素E富集过程。植入物材料必须从站立的活动中静态加载，以及由于在日常活动期间对股骨成分的关节而承受的磨损。评估轴承的关键步骤是量化股骨部件和胫骨之间产生的接触面积和/或接触应力。重要的是要了解植入物的压力或压力可能对植入物有压力，因为步行过程中的力量可以是多次体重。因此，在设计匹配轮廓时，必须考虑应力分布和接触。

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。广泛研究膝关节植入物的磨损，并在文章中讨论他们的研究结果，“对于较低的总膝盖替代品，更高或更低的接触面积更好？”^［1］

接触应力和接触区域试验方法

ASTM F2083是测试膝关节置换假体的标准规范，包括分类，材料，性能，尺寸，整理和标记和包装的部分。接触面积和应力分布测试要求在标准的第6节中概述并建议复制其中一个已发布的方法。应以各种屈曲角度进行测试：0°，15°，30°，60°，90°，如果植入物设计用于深屈曲，则为最大角度。此外，建议使用15°的内部和外部旋转90°和深屈曲角度。

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，并放置在股骨和胫骨插入物之间。

Fujifilm压力测试

Fujifilm是一种基于纸质的系统，它利用红色的颜色密度变化来识别压力梯度。通过专业软件测试，扫描和评估膜，以识别接触面积和接触应力。该分析可能导致比TEKSCAN更高的接触区域。薄膜可以提供更精确的接触面积测量，因为它是传感器之间没有间隙的“模拟”膜。

Fujifilm的缺点是可能需要使用多个薄膜来捕获接触应力范围 - 潜在地影响测量的形状和更低的应力读数。另外，纸影通常由于围绕圆形表面或边缘折射而产生伪像，导致需要阈值或编辑一些数据集并且是有效期的单一使用。

膝关节植入富士夫扫描 — Fujifilm扫描显示左侧的实际胶片和股骨右侧的相应加工扫描分布

Tekscan压力映射

TEKSCAN是一种电子套传感器，其在薄矩阵上以各种网格尺寸布置。它可以校准并提供实时测量以及重新使用的能力。设备输出力，压力和面积测量的实时读数。它允许可调节的敏感性，并且不需要堆叠薄膜，消除噪声或伪像。然而，该软件必须在各个网格传感器之间插值，这可能导致比实际接触更低的接触区域。

膝关节植入特克斯卡纳结果 — Tekscan输出-前两个扫描图代表股骨的内科和外侧髁;中间是髌骨在不同负荷下的情况;下面的扫描图是不同载荷下的股骨。

传感器放置在成角度的股骨和聚乙烯插入件之间，并且施加一系列模拟体重（710n）的倍数。这些可以根据风险分析，谓词数据提供或测试来评估不同的步态周期的目的。如果可能，应始终在维珍插入上执行测试。如果先前使用了插入物，则应检查它们以确保不会发生永久集，否则压力梯度不准确。

接触应力和面积测试的另一个应用是评估髌骨。ASTM F1672概述了髌骨的要求，以及类似的测试方法。应限定15°，25°和90°的屈曲角度，并且应施加相应的377,961和2,195n的载荷。可以根据需要进行额外的角度。在测试期间，应注意将适当的屈曲角度与Trochlear槽中的髌骨翻译成其预期位置。

接触面积和接触应力测试对于识别其他类型膝关节测试的最坏情况也很有用，如ISO 14243膝关节磨损。