用薄膜压力传感器测量圆形接触面积的精度

作者链接开放式覆盖面板伊丽莎白·I·德莱尼亚克、约瑟夫·J·克里斯科、大卫·B·斯彭西纳、布雷登·C·弗莱明

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摘要

接触面积通常用于表征关节的生物力学财产，尤其是在损伤测试和关节置换中。已经开发了几种测量接触面积的方法，包括压阻薄膜阵列。本研究的目的是确定其中一个系统（Tekscan，Inc.，South Boston，MA）测量不同已知尺寸平端圆形压头接触面积的准确度。向四个扁平圆形压头（1140、2027、3167和4560 mm2）施加1000至7000 N的静载荷，并用Tekscan 5076传感器记录接触面积。对4000传感器进行了类似的测试。使用I-scan软件（Tekscan股份有限公司，South Boston，MA）分析Tekscan记录的面积测量值。Tekscan数据也被后处理，以滤出传感器信号强度值。使用5076传感器进行的未处理Tekscan测量的面积百分比误差范围为5%至27%。滤波算法将大多数误差降低到1%以下。4000传感器也发现了后滤波提高精度的类似趋势。虽然这种阈值化具有最低信号强度值的传感器的方法可能不适用于所有表面和压头形状，但它提供了一种新的方法来提高Tekscan系统收集的接触面积测量的准确性。

介绍

为了更好地理解关节损伤、磨损和置换的生物力学，已经开发了测量接触力、压力和面积的方法（Fregly等人，2003；Greis等人，2002；Harris等人，1999；Heino Brechter等人，2003年；Matsuda等人，1997）。经常使用基于薄膜的Tekscan系统（Tekscan，Inc.，马萨诸塞州南波士顿），该系统由专利的半导电油墨涂层基质组成，可在称为sensels的交叉点处产生电阻。

许多评估Tekscan的研究强调了与富士胶片相比的优势（DeMarco等人，2000年；Harris等人，1999年；Matsuda等人，1995年；Wilson等人，2003年；Bachus等人，2006年），包括低轮廓、实时连续数据收集，以及其重复使用和耐受灭菌的能力（Wilson等人，2002年；Agins等人，2003）。尽管传感器对直接测量负载提出了校准挑战（Baer等人，2005；Brimacombe等人，2005），但尚未评估接触面积测量的准确性。本研究的目的是研究使用Tekscan传感器测量接触面积的准确性，并评估提高准确性的新方法。

节片段

方法

使用四个平端铝圆形压头向Tekscan 5076传感器（Tekscan，Inc.，South Boston，MA）施加载荷，该传感器具有84 mm×84 mm矩阵，由1936个面积为3.629 mm2的传感器组成。该传感器的压力饱和额定值（Psat）为3.45MPa。选择用于测试的压头接触面积为1140、2027、3167和4560 mm2，尺寸范围覆盖传感器的15%至65%。以1000 N的增量施加1000至7000 N的荷载，以研究

后果

对于5076传感器，接触面积的百分比误差范围从最低施加载荷下最大压头的5%到最高施加载荷下最小压头的27%（图2）。在所有载荷下，减小压头尺寸会增加接触面积百分比误差。一个意外的发现是，随着施加负载的增加，接触面积的误差百分比会增加（图2）。在以下任一过程中，未观察到压头周围的传感器卷曲

讨论

Tekscan系统广泛应用于生物医学研究。然而，似乎没有对该系统在各种区域和施加的力范围内精确测量接触面积的能力进行调查。这些数据表明，尽管声称施加的压力不应影响接触面积测量，但在使用Tekscan评估接触面积（如关节和关节置换）时，尤其是在接近或高于传感器Psat的压力下，仍应小心。

致谢

作者要感谢Ryan Rich在本研究中进行的机械测试中提供的帮助。本研究得到了RIH骨科基金会股份有限公司和大学骨科股份有限公司的支持。