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3D Scan | Alicona Tech News

使用变焦测量技术于医疗领域
马路科技|Alicona量测部门

简介

过去几年光学测量在工业应用和研发应用快速增加,如今使用的技术也十分多元。变焦测量技术最初是由Alicona(现在的Bruker Alicona)开发并加以商业化,自2001年就成为产业不可或缺的技术,纷纷采用此一系统作为验证组件的主要技术。

随着这些年技术的发展,应用的领域也越来越多元,如今此技术的应用在众多专业领域发光发热,例如光滑的表面和内孔,都有对应的的量测方式。对用户而言,不确定性降低和可重复性高,以及测量结果都可以完全符合到国际标准,使变焦测量成为「着实」的助力。

医疗领域应用案例

超高分子量聚乙烯(UHMWPE、亦称乙烯龙)作为完全人工关节置换术之髋臼内衬材料,已被证明可以延长医疗器械的寿命。然而,因磨损产生的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)微粒致使植入物松动和骨头溶解。

本次的研究主题以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的不同配方上,进行体内测试并评估磨损情况[1-4]。

 
图一.人工关节示意图

目前超高分子量聚乙烯医疗设备的磨损测量,以重力测量和接触式测量两种技术为主[6]。重力测量法可以计算体内测试时,材料磨损前的重量和磨损后的重量,然而重力测试并不能针对特定区域的材料磨损变化进行量化测试。而接触式探针轮廓仪,透过表面形貌的变化取得数据,但进行量测时可能因高分子量聚乙烯(UHMPE)与较硬的探针接触,而发生塑性变形造成表面损坏。

UHMWPE是一种半透明的材料,非接触探测器投射的光会被材质吸收,加上髋臼衬垫的高度范围大,侧面角陡峭,使用非接触式三维量测的数据明显丢失。一些新兴技术如计算机断层扫描仪,和雷射三坐标测量仪,可以在不使用接触式探针的情况下获取形貌数据,但数据集(Dataset)通常次优于传统量测结果。

Bruker Alicona InfiniteFocus G5可取得正确的UHMPE髋臼和髋关节的损耗数据集,并量化耐磨内衬材料的使用差异。

模块化照明,可以根据材料的不同而改变。
能够测量达到89°角。
可测量体积为100x100x200mm。
形貌数据符合ISO标准
使用Bruker Alicona  G5 使表面测量的技术获得大幅进展,UHMPE生物材料的磨损评估,将逐渐不再依赖可能潜在破坏物件的技术。

髋关节植入物的寿命在10-15年之间[7-8],其中,髋关节失败的原因是什么?植入物分为3大因素:患者,植入物和手术[9]。在这些因素中,有国家联合登记处已经注意到,最常见的失败原因是无菌松脱(Aseptic Loosening),也就是在于患者身上,没有感染的情况下,发生骨头和植入体之间的结合失败,而文献记载指出,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的磨损是导致此问题的最主要因素。研究还发现,UHMWPE的磨损量每天超过10亿个颗粒,释放到周围组织中[10]。

因此,研究重点将放在超高分子量聚乙烯髋臼的体积磨损计算,但也必须重视衬垫的表面特性。衬垫的表面特性,将使人们更好地了解衬垫的功能,从而获得更多的信息。洞察不同的失败方式,将有助于进一步分析植入物和手术相关的影响因素。

图2显示了磨损的髋臼衬垫所做的测量;记录的数据显示了髋臼衬垫的磨损情况。量测取得的表面数据有显著的视觉差异。InfiniteFocus G5可以在磨损和未磨损资料进行视觉比较。镭射

图二.人工磨损后的髋臼部件表面的测量结果

图二.人工磨损后的髋臼部件表面的测量结果
从线性脚本剖面,初步可以观察到磨损表面到未磨损表面的粗糙度变化。而如图3所示,当剖面图从磨损的表面向未磨损的表面移动时,存在着一个表面的高度增加区域,表面高度增加的高低差是挖掘的结果-意即表层材料不见了,这是由于与参考表面的偏差增大,所导致磨损率的增加。

图三.磨损的髋臼部件的线性剖面图​​

表面参数的比较可针对磨损与未磨损的部位进行,Sa值是所选区域的平均高度,为了计算这个值,需要一个参考平面,从数据集的中心切入,取峰和谷的平均值。如图4所示,从磨损的表面到未磨损的表面,Sa值会增加,这是预期的,因为磨损的表面会少于最大峰高(Sp)。

图四.髋臼组件表面磨损前和磨损后的参数变化表​​

[1] S.M. Kurtz, O.K. Muratoglu, M. Evans, A.A. Edidin, Advances in the processing, sterilization, and crosslinking of ultra-high molecular weight polyethylene for total joint arthroplasty, Biomaterials 20 (18) (1999) 1659–1688.
[2] M. Turell, G. Friedlaender, A. Wang, T. Thornhill, A. Bellare, The effect of counterface roughness on the wear of UHMWPE for rectangular wear paths, Wear 259 (7) (2005) 984–991.
[3] M. Turell, A. Wang, A. Bellare, Quantification of the effect of cross-path motion on the wear rate of ultra-high molecular weight polyethyl-ene, Wear 255 (7–12) (2003) 1034–1039.
[4] A. Wang, A unified theory of wear for ultrahigh molecular weight polyethylene in multi-directional sliding, Wear 248 (1–2) (2001) 38–47.
[5] Total Hip Replacement – Orthoinfo – AAOS. (2015, August 1). Retrieved January 13, 2020 from https://orthoinfo.aaos.org/en/treatment/total -hip-replacement
[6] D. Kapadia, R. Racasan, L. Pagani, M. Al-Hajjar, P. Bills, Method for volumetric assessment of edge-wear in ceramic-on-ceramic acetabular liners. Wear (376-377) (2017) 236-242.
[7] Registry, N. J. (2019). 16th Annual NJR. Pad Creative LTD
[8] Learmonth, I. D., Young, C., & Rorabeck, C. (2007). The operation of the century: total hip replacement. Lancet, 370(9597), 1508-1519. doi:10.1016/s0140-6736(07)60457-7
[9] Karachalios, T., Komnos, G., & Koutalos, A. (2018). Total hip arthroplasty: Survival and modes of failure. EFORT open reviews, 3(5), 232-239. doi:10.1302/2058-5241.3.170068
[10] Muratoglu, O. K., & Kurtz, S. (2002). Alternative Bearing Surfaces in Hip Replacements (R. Sinha Ed.). Boca Raton: CRC Press.

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