3D Scan | Alicona Tech News
使用變焦測量技術於醫療領域
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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