基于声发射技术的颞下颌关节置换植入体固定螺钉松动诊断工具研究

为解决TMJR（颞下颌关节置换）植入体早期固定螺钉松动问题，研究人员开展声发射（AE）技术诊断研究。通过定制TMJ模拟器和Stryker/TMJ Concepts植入体模型，发现AE传感器直接接触螺钉时可有效检测松动信号。该研究为无创早期诊断TMJR并发症提供新方法，具有重要临床转化价值。

　　

颞下颌关节（TMJ）作为人体使用最频繁的关节，其功能障碍会影响咀嚼、吞咽等重要功能。对于终末期TMJ病变患者，全关节置换（TMJR）已成为标准治疗方案，但术后固定螺钉松动可能导致植入体失效。目前临床主要依赖CT等影像学检查，存在辐射暴露、诊断延迟等问题。据统计，美国每年约3000例TMJR手术，预计2030年将增长58%，但2014-2018年间FDA收到680例植入体故障报告，凸显早期诊断的迫切性。

美国伊利诺伊大学芝加哥分校（University of Illinois at Chicago）的研究团队创新性地将工业领域常用的声发射（Acoustic Emission, AE）技术引入TMJR监测。这种通过捕捉材料变形产生超声波的技术，此前已成功应用于髋关节假体监测。研究人员假设AE同样能检测TMJR螺钉松动产生的应力波，从而开发无创诊断工具。

研究采用三阶段递进式设计：第一阶段在定制摩擦仪上验证AE检测螺钉松动的可行性；第二阶段开发TMJ-颅骨咀嚼模拟系统，集成AE传感器、咬合力传感器和位移传感器；第三阶段优化传感器布置方案。关键实验技术包括：1）使用20 PCF聚氨酯泡沫骨块和Ti6Al4V螺钉构建模型；2）开发配备NEMA23步进电机的咀嚼模拟器，模拟1Hz咬合运动；3）采用450kHz共振频率的压电陶瓷传感器采集AE信号；4）通过MISTRAS数据采集系统分析能量、振幅等特征参数。

3.1 第一阶段预实验结果
在5N咬合力条件下，完全松动的螺钉（S2L-S3L）绝对能量值显著高于固定组（S1F-S2F），振幅达67.7±2.5dB vs 61±1dB。频率质心分析显示松动螺钉产生更多高幅值信号，证实AE技术可区分螺钉状态。

3.2 第二阶段咀嚼模拟测试
10N咬合力实验中，靠近植入体头部的螺钉（S1-S2）比远端螺钉（S7-S8）产生更多AE信号。值得注意的是，当仅部分螺钉松动时，剩余固定螺钉会掩盖松动信号，导致系统级监测灵敏度下降。

3.3 第三阶段单螺钉AE分析
传感器直接安装于螺钉头部时，松动螺钉S1L的AE能量（30,377.3±7,461.3aJ）比固定状态（351±51.7aJ）高两个数量级。振幅-频率质心散点图显示松动螺钉在680kHz高频区有显著信号聚集。

讨论部分指出，现代TMJR采用的8螺钉设计虽提高稳定性，但给松动诊断带来挑战。研究证实AE技术能有效检测单个螺钉松动，但临床应用中需解决多螺钉信号干扰问题。该成果为开发TMJR术后无创监测设备奠定基础，未来结合机器学习算法有望实现松动螺钉定位。

论文发表于《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》，其重要意义在于：首次建立TMJR螺钉松动与AE特征的关联规律；开发的TMJ-颅骨咀嚼模拟系统可加速植入体性能评估；提出的诊断方法避免辐射暴露，有望将并发症诊断从"出现症状后干预"转变为"早期预警"。作者团队建议后续研究应纳入人体组织影响因素，并开展临床验证试验。