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，了解植入物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——植入物磨损。本文主要研究全膝关节置换术中接触压力和接触面积的测试。

在美国，每年有超过100万例膝关节置换术。膝关节植入物的安装可以减少疼痛，最终使关节恢复正常。在前面的文章中，我们讨论了测试股和胫骨假体的全膝关节置换术，但这篇文章将进一步关注超高分子量聚乙烯(UHMWPE)轴承用于替代磨损的半月板。这种类型的组件有助于改善活动范围，创造适当的间隔和分配负荷，以消除患者的疼痛。

半月板退化通常是由于磨损、年龄或疾病引起的内髁的负荷集中或应力增加而开始发生的。因此，髁突开始穿过半月板磨损，最终导致骨对骨的接触。这不仅会导致疼痛，还会导致其他关节错位，从而导致更多的健康问题。全膝关节置换术旨在通过材料和轴承轮廓重新调整和适当分配载荷。

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。

当在测试过程中施加相同的力时，小的接触面积将导致高应力，而大的接触面积将导致较小的显著应力。随着时间的推移，压力的增加会导致聚乙烯的分层或蠕变，导致不平衡和假体性能差。在同等的力(或更高的接触面积)下较低的应力已经被证明有助于更高的磨损率。这个测试的目标是确定两个场景之间的最佳点。

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，“对于低磨损的全膝关节置换术，高接触面积还是低接触面积更好?”^[１]

接触应力和接触面积测试方法

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。

富士胶片的压力测试

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。

富士胶片的一个缺点是，可能需要使用多个胶片来捕捉接触应力范围-可能会影响测量的形状和较低的应力读数。此外，由于圆角表面或边缘起皱，纸质胶片通常会产生伪影，需要设置阈值或删除一些数据集，而且是一次性使用的，有过期日期。

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。

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。定义弯曲角度为15°、25°、90°，分别施加荷载377,961,2195 N。必要时可以计算其他角度。在测试过程中，应注意使适当的屈曲角度与滑车沟中髌骨的平移位置对齐到预期位置。

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。

接触应力数据采集

在完成测试后，数据最好由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，了解这些应力如何影响植入物的机械完整性对患者的长期成功至关重要。

虽然这两种传感器都有优点和缺点，但Element利用Tekscan系统提供最准确的数据，允许实时调整，以确保测试是优化的。万博官网app体育

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由于ASTM正在制定一项测试规范，我们的医疗设备专家定期对全膝关节置换术以及手腕、脚踝和其他关节置换术进行接触应力和面积测试。接触应力分析是有用的，当任何两个连接点在一起，创建一个理解应力上升，甚至载荷分布，并确认预期接触。

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参考

^[１]Hani Haider1, Joel N Weisenburger, Beau S konigsberg, Curtis W Hartman, Kevin L Garvin3 -内布拉斯加大学医学中心