膝关节植入接触面积和接触压力测试

随着植入物耐磨性和患者特异性的不断提高，了解设备的接触应力和接触面积有助于评估最常见的失效模式之一——插入物磨损。本文着重于测试全膝关节置换术的接触压力和接触面积。

在美国，每年总共有100多万例膝关节置换术（TKR）。安装膝关节植入物是为了减轻疼痛，并最终使关节重新对齐。在以前的文章中，我们讨论了测试股骨和胫骨组件的全膝关节置换术，但本文将更仔细地研究超高分子量聚乙烯（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，创建适当的间距并分配负载，以消除患者的疼痛。

由于磨损、年龄或疾病，内侧髁的载荷集中或应力增加时，半月板通常开始退化。结果，髁突开始穿过半月板磨损，最终导致骨与骨接触。这不仅会导致疼痛，还会导致其他关节错位，从而导致额外的健康问题。全膝关节置换术旨在通过轴承的材料和轮廓重新对齐并适当分配载荷。乐动娱乐官网

全膝关节替代胫骨插入物

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，“对于全膝关节置换术的较低磨损，接触面积越大或越小越好？”^[1]

接触应力和接触面积试验方法

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。乐动娱乐官网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，并置于股骨和胫骨插入件之间。

富士薄膜压力测试

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的一个缺点是可能需要使用多个胶片来捕捉接触应力范围，这可能会影响测量的形状和较低的应力读数。此外，由于圆形表面或边缘周围出现褶皱，导致需要对某些数据集设置阈值或进行编辑，因此纸质胶片通常会产生伪影，并且一次性使用，有有效期。

TEKSCAN压力测绘

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。

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试验方法。规定了15°、25°和90°的弯曲角度，应分别施加377、961和2195 N的载荷。可根据需要评估其他角度。在测试过程中，应注意将滑车槽中的髌骨平移至其预期位置，使适当的屈曲角度对齐。

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。

联系压力数据采集

完成测试后，数据最好通过角度和接触面积与应力范围图显示。UHMWPE的屈服应力约为40 MPa，了解应力如何影响插入物的机械完整性对患者的长期成功至关重要。

虽然两种类型的传感器都有优点和缺点，但元素利用TEKSCAN系统提供最准确的数据 - 允许实时调整以确保测试进行优化。

要素优势

在ASTM制定测试规范的过程中，我们的医疗器械专家定期对全膝关节置换以及腕关节、踝关节和其他关节置换植入物进行接触应力和面积测试。接触应力分析在任何两个连接处都很有用，可以了解应力立管、均匀载荷分布和确认预期接触。

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参考文献

^[1]Hani Haider1，Joel N Weisenburger，Beau S Konigsberg2，Curtis W Hartman，Kevin L Garvin3 - 内布拉斯加州大学医疗中心