3D Scan | Alicona Tech News
使用变焦测量技术于医疗领域
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]。
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
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。
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）。
[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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