3D Scan | Alicona Tech News

使用變焦測量技術於醫療領域
馬路科技|Alicona量測部門

簡介

過去幾年光學測量在工業應用和研發應用快速增加,如今使用的技術也十分多元。變焦測量技術最初是由Alicona(現在的Bruker Alicona)開發並加以商業化,自2001年就成為產業不可或缺的技術,紛紛採用此一系統作為驗證組件的主要技術。

隨著這些年技術的發展,應用的領域也越來越多元,如今此技術的應用在眾多專業領域發光發熱,例如光滑的表面和內孔,都有對應的的量測方式。對用戶而言,不確定性降低和可重複性高,以及測量結果都可以完全符合到國際標準,使變焦測量成為「著實」的助力。

醫療領域應用案例

超高分子量聚乙烯(UHMWPE、亦稱乙烯龍)作為完全人工關節置換術之髖臼內襯材料,已被證明可以延長醫療器械的壽命。然而,因磨損產生的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)微粒致使植入物鬆動和骨頭溶解。

本次的研究主題以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的不同配方上,進行體內測試並評估磨損情況[1-4]。

圖一.人工關節示意圖

目前超高分子量聚乙烯醫療設備的磨損測量,以重力測量和接觸式測量兩種技術為主[6]。重力測量法可以計算體內測試時,材料磨損前的重量和磨損後的重量,然而重力測試並不能針對特定區域的材料磨損變化進行量化測試。而接觸式探針輪廓儀,透過表面形貌的變化取得數據,但進行量測時可能因高分子量聚乙烯(UHMPE)與較硬的探針接觸,而發生塑性變形造成表面損壞。

UHMWPE是一種半透明的材料,非接觸探測器投射的光會被材質吸收,加上髖臼襯墊的高度範圍大,側面角陡峭,使用非接觸式三維量測的數據明顯丟失。一些新興技術如電腦斷層掃描儀,和雷射三座標測量儀,可以在不使用接觸式探針的情況下獲取形貌數據,但數據集(Dataset)通常次優於傳統量測結果。

Bruker Alicona InfiniteFocus G5可取得正確的UHMPE髖臼和髖關節的損耗數據集,並量化耐磨內襯材料的使用差異。

  • 模組化照明,可以根據材料的不同而改變。
  • 能夠測量達到89°角。
  • 可測量體積為100x100x200mm。
  • 形貌數據符合ISO標準

使用Bruker Alicona InfiniteFocus G5 使表面測量的技術獲得大幅進展,UHMPE生物材料的磨損評估,將逐漸不再依賴可能潛在破壞物件的技術。

髖關節植入物的壽命在10-15年之間[7-8],其中,髖關節失敗的原因是什麼?植入物分為3大因素:患者,植入物和手術[9]。在這些因素中,有國家聯合登記處已經注意到,最常見的失敗原因是無菌鬆脫(Aseptic Loosening),也就是在於患者身上,沒有感染的情況下,發生骨頭和植入體之間的結合失敗,而文獻記載指出,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的磨損是導致此問題的最主要因素。研究還發現,UHMWPE的磨損量每天超過10億個顆粒,釋放到周圍組織中[10]。

因此,研究重點將放在超高分子量聚乙烯髖臼的體積磨損計算,但也必須重視襯墊的表面特性。襯墊的表面特性,將使人們更好地了解襯墊的功能,從而獲得更多的資訊。洞察不同的失敗方式,將有助於進一步分析植入物和手術相關的影響因素。

圖2顯示了磨損的髖臼襯墊所做的測量;記錄的數據顯示了髖臼襯墊的磨損情況。量測取得的表面數據有顯著的視覺差異。InfiniteFocus G5可以在磨損和未磨損資料進行視覺比較

圖二.人工磨損後的髖臼部件表面的測量結果

從線性腳本剖面,初步可以觀察到磨損表面到未磨損表面的粗糙度變化。而如圖3所示,當剖面圖從磨損的表面向未磨損的表面移動時,存在著一個表面的高度增加區域,表面高度增加的高低差是挖掘的結果-意即表層材料不見了,這是由於與參考表面的偏差增大,所導致磨損率的增加。

圖三.磨損的髖臼部件的線性剖面圖​​

表面參數的比較可針對磨損與未磨損的部位進行,Sa值是所選區域的平均高度,為了計算這個值,需要一個參考平面,從數據集的中心切入,取峰和谷的平均值。如圖4所示,從磨損的表面到未磨損的表面,Sa值會增加,這是預期的,因為磨損的表面會少於最大峰高(Sp)。

圖四.髖臼組件表面磨損前和磨損後的參數變化表​​

[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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