膝关节植入物接触面积及接触应力测试

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。yabo娱乐vip

全膝关节置换术胫骨插入器

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。yabo娱乐vip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，并放置在股骨和胫骨插入物之间。

Fujifilm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。

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 — 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压力映射

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。

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。