Tekscan K-Scan传感器在髌骨后压力测量中的应用避免了植入过程中的误差以及剪切力对测量精度的影响

收到

2013年4月17日

修订过的

2013年9月25日

认可的

2013年9月25日

出版

2013年12月3日

摘要

压敏K-Scan 4000传感器（美国Tekscan）为生物力学研究中的力和压力的动态测量提供了新的可能性。我们检查了这些传感器，以确定它们是否也适用于髌骨后力和压力的可靠测量。还研究了插入方法，并证明髌骨旁缝合辅助的外侧髌骨旁关节切开术是最可靠的方法。在膝盖模拟机中，在30和40的扭矩下测试了10具人体尸体膝盖 牛米。每个测试周期包括从120°屈曲开始的动态伸展。所有记录的参数显示每个测量周期减少1-2%。虽然我们用特氟隆薄膜对传感器进行了补充，但可能是剪切力导致的减少是显著的。我们评估了12个周期，观察到参数线性下降高达17.2%（回归系数0.69–0.99）。在我们看来，线性下降可以被视为系统误差，因此可以在后续实验中进行量化和解释。这将确保Tekscan传感器在髌骨后的可靠使用，并将膝关节手术的影响与传感器磨损相关的影响区分开来。

1.引言

继福林和黑泽明于1980年首次发表富士压敏胶片（日本东京有限公司富士照片社）[1]之后，富士压敏感胶片在生物力学实验中使用了15年，以测量体外接触面积和压力。与现代技术和系统相比，富士压敏膜的使用因其技术特性而受到限制。几项测试显示富士胶片的测量误差在10%[1,2]和15%[3]之间。膝关节的体外测量误差可能在14%和28%之间[4]。

20世纪90年代推出的Tekscan（美国马萨诸塞州波士顿）压敏薄膜比富士传感器具有许多优势，并在生物力学研究中取代了它们[5-7]。Tekscan薄膜传感器有不同的尺寸和形状，由两个导电片组成，用墨水隔开。隔离网格在每个交叉点创建一个传感位置。施加到传感器上的力影响油墨的厚度及其绝缘效果。校准后，可以测量每个交叉点的电阻，从而确定施加的力。可以在实验期间连续进行测量。然后可以确定最大力和最大压力、整个实验中的力和压力以及传感器的力面积。

我们检查Tekscan传感器的目的是准备一系列关于膝关节手术后髌骨后压力和力分布变化的实验[8-10]。在我们的研究之前，只有少数出版物报道了使用Tekscan传感器进行动态测量的髌骨后压力测量[11-14]。文献中没有报告使用传感器的问题或执行传感器耐久性测试的可能必要性。因此，我们进行了一系列实验，以确定最佳的髌骨后植入方法，并在使用Tekscan传感器时检测可能的误差源。另一个目的是记录和量化可能的传感器磨损，以说明计划进行的进一步研究中可能导致的偏差磨损[8]。

2.材料和方法

测试的压力测量系统（K-Scan 4000，Tekscan股份有限公司，Boston，MA，USA）由传感器、传输硬件（电缆和传感器接口或所谓手柄）以及带有相应软件的个人计算机（K-Scan-software，Version 4.23，Tekscan-Inc.，Boston-，MA，US）组成。采用的传感器为0.1 mm薄，包含572个单独的传感器元件（62个/cm2），这些传感器元件沿26行和22列定向（图1，表1）。每个传感器的测量面积为22×33 mm或924 mm²，每个传感器的空间分辨率为1.02×1.27 mm（表2）。使用前，根据制造商的建议，使用材料试验机（Mini Bionix 858，MTS，Eden Prairie，MN，USA）对传感器进行预处理和校准。在此过程中，传感器放置在两个铝立方体之间，使得每个传感器区域几乎完全覆盖。硅橡胶板约2 mm的厚度用于分布负载并防止单个感觉或衰老区域的饱和。在第一步中，通过应用在第一步中，通过施加100次5000 N加载，随后在0处动态校准 N、 2500个 N和5000 N

表1

K-Scan 4000传感器。

表2

在不改变实验设置的情况下，在12个连续测量周期中测量的髌骨后参数的百分比减少。

图1

Tekscan 4000传感器图纸（由美国马萨诸塞州波士顿的Tekscan公司复制）。

对10具人类尸体膝盖标本（6名男性，4名女性，平均年龄44岁）进行了传感器的生物力学评估。在去除皮肤和皮下组织后，股四头肌的肌腱在其整个长度上被切开，没有肌肉组织，并固定在特制的肌腱夹中。股骨和胫骨使用骨水泥（Palacos，Heraeus Medical GmbH，Hanau，Germany）在动态载荷模拟器中刚性连接到各自的连接点（图3）。

根据Hofmann等人[15]的动态生理负荷模拟器用于模拟膝关节从大约120°屈曲到完全伸展的伸展运动，类似于受试者从深蹲到站立姿势时发生的运动。根据Hassenpflug和Shinno的工作，通过股四头肌肌腱向股骨滚动轴外侧2°施加载荷[16，17]。膝盖伸展力矩分别为30和40 牛米。

在实验的第一阶段，使用解剖标本，我们确定了传感器的最佳植入方法以及传感器的最佳进入路径。为此，我们检查了各种特定的粘合剂和脱脂溶液，以及用于固定传感器的几种缝合技术。首先，我们用手测试传感器的稳定性，并在模拟器中进行加载循环，以识别传感器膜的任何松动或滑动。此外，我们测试了传感器的多个访问路径，并检查了与数据总线的接触是否对结果有显著影响。在测试过程中，我们评估了所需的进入尺寸及其对传感器膜和髌骨对齐的影响。

在实验的第二阶段，我们通过第一阶段确定的方法植入了每个传感器。在不改变测试设置或膝关节的情况下，我们进行了两轮3次循环，膝盖伸展力矩分别为30和40 牛米。以10 Hz（力、接触面积、压力、最大力和最大压力）。使用Wilcoxon符号秩检验（SPSS 11.0.1版，SPSS股份有限公司，美国芝加哥）对所有记录的参数进行统计评估。

3.结果

我们的初步测试表明，仅使用粘合剂不可能将传感器膜正确粘贴在髌骨后部区域。没有一种测试过的粘合剂能充分粘附到软骨极其光滑的表面。由于软骨的形状和特征会发生变化，因此不考虑对软骨表面进行烧灼（如果用热处理）或蚀刻（如果用化学物质处理）或粗糙化。髌骨旁缝合线（Vicryl尺寸1.0，Ethicon，Norderstedt，德国）和0.1 mm的特氟隆薄膜被证明是将传感器固定到位并防止其在测试过程中移动的最稳定方法（图2）。最后使用的方法包括通过用手术针横切髌骨附近的组织并将8个相应的缝合线端中的每一个连接到其相邻的缝合线相邻端来稳定传感器。事实证明，未相互连接且仅系在周围软组织上的缝合线不够稳定，无法保证传感器的固定。

（b）

（b）

（a）

（a）

（b）

（b）

（a）

（a）

（b）

（b）

图2:

准备用于植入的传感器（（a）原始传感器，（b）用特氟隆膜和缝合线加固后）。

图3

膝盖样本安装在膝盖模拟机中。

发现特氟隆膜加固对于提高传感器在该应用中的耐久性是必要的，其程度允许进行可靠的测量（图2）。通过这种修改，可以执行4个预测量循环和12个测量循环，而传感器行没有任何故障[9]。如果没有特氟隆薄膜，传感器行仅在几次循环移动后就失效。

A侧面，4 cm长的髌骨旁小关节切开术被证明是最方便的植入途径。它使我们能够正确缝合，并可靠地将传感器拉到位。通过这种方法，可以将连接传感器和接口手柄的引线通过相同的访问路径布线，而不会出现任何破损情况。内侧髌骨旁通路导致内侧支持带减弱和髌骨脱位。由于髌骨下脂肪垫的干扰，阻碍了观察和治疗，因此未采用外侧下入路