3D光学显微镜用于骨科植入物

本文讨论了3D光学显微镜如何在骨科植入物制造的R＆D和质量控制阶段有效使用。骨科植入物可以差异：

• 形状，从基本圆形股骨头到复杂的鞍形膝关节假体。
• 大小，通过对从几毫米几十厘米的跨越。
• 材料，从羟基磷灰石覆盖到不锈钢。
• 表面光洁度，从跨越错综复杂的纹理，以促进稳定超流畅的减少摩擦。

通过这些一系列的参数，它成为一个具有挑战性的前景控制零件的主要规格，往往需要不同类型的计量仪表设计用于不同的任务。

通常，关于成功外科手术植入后的组分的寿命和功能，测量量的耐受性非常小。Bruker的3D光学显微镜技术提供了几种优点，如非破坏性和非接触性表征;用于确定超光滑和超粗糙表面的大动态范围;对材料类型的不敏感;欧洲杯足球竞彩快速，精确和可重复的面积测量;以及自动化确定一批部件并根据用户指定的参数执行传递失败摘要。

Bruker的3D光学显微镜解决方案

整形外科部件产生的非常高的精度的规格。它检测到有缺陷或已经损坏，但没有产生正确规格的零件，或零件是非常重要的。如果检测到这样的部件，那么就应该从通过检查过程的其它部分取出。病人的健康是严格遵守规范的一部分落后的主要原因。这是因为装置的植入，具有即使是单个有缺陷的或有缺陷的部件可能会导致严重后果。

关于组件和患者的身体之间的相互作用歧义可以按设计要求禁止装置，或可导致未来严重的并发症，从患者的不适，需要进行额外的手术和治疗，甚至死亡。同样重要的是为设备制造商，以防止有缺陷产品召回的可能性，因为这样的进程引发的医疗联谊会之中显著的经济负担，并导致完整性的损失。

除了部分检查的这些重要的下游方面，缺陷部分也可以对上游制造程序产生影响。例如，由于大于平均水平粗糙度的部分的故障可能指向不准确的抛光过程。然后可以将所得到的数据反馈以重新优化上游工具，从而导致较少的原材料浪费和制造的较少零件更少。这提出了对制造商投资回报的直接例子。

考虑到上述原因，重要的是，整形外科器件都在快速，可重复的，精确的，和非破坏性的方式彻底检查。之一的精密表面计量最通用的，精确的和可重复的技术之一是基于白光干涉三维光学显微镜。建立在这一先进技术的系统可以有效地从研究阶段到生产阶段到亚纳米级垂直分辨率表征材料，在各种行业，如医疗，航空航天，汽车，电子，数据存储，MEM欧洲杯足球竞彩S，太阳能，精密加工和一般的制造。三维光学显微镜提供了许多益处，而不是其仍然被广泛使用，由于其简单性和熟悉标准接触，基于触针的仪器。

Bruker的3D光学显微镜仪器的基本操作如图1所示。从高亮度LED源发射的入射光被分成两个光束路径 - 一个指向样品的检验，另一个从镜子反射。

图1。3D显微镜的示意图，具有自校准HE-NE激光。

然后将这些光束重新聚集并向CCD进行。随后的显示是基于由两个原始光束行进的变化的光路的样本表面的高度精确的3D轮廓图。无论环境差异如何，标准生产检测系统都将包括激光参考信号，以实现连续校准。

3D光学显微镜与触控笔技术技术

多年来，手写轮廓仪一直是工业上表面纹理测量的首选系统。这些坚固而简单的仪器记录了在样品表面追踪时，手写笔所经历的垂直偏转。所得到的线迹可用于验证表面属性，如迹宽、步长高度和沟槽深度。这条线的形状、粗糙程度和波纹度也可以报告出来。

但是，触控笔的轮廓计具有某些缺点。由于它们是一种基于接触的方法，触控笔可以划伤或损坏样本。它还用作机械滤波器，因为大触控笔永远不会看到小于样品表面上触笔尺寸的复杂细节。这可能导致错误地报告的参数，例如低估的粗糙度。关于手写笔方法的另一个问题是基于线路跟踪定义表面的有效性。为了防止该问题，大量商业上可获得的触控笔分析器与3D选项集成，这允许并排获得多线扫描以创建3D图像。尽管如此，该过程可能需要大量的时间，并且对于散装零件的质量控制不可行。

相比之下，3D光学显微镜是一种非接触方法，有效地防止了样品损坏。此外，系统光学系统控制横向分辨率，并且在大约300nm时，比标准触控笔测量相对较高。此外，垂直分辨率得到增强，具有通常的3D显微镜分辨率，几乎比典型的触控笔仪器更好。测量方法是本质上3D，在几秒钟内完成了480x640像素CCD的完整阵列。这与通过触控笔轮廓仪获得480平行线扫描可以相当，这可能需要几个小时才能完成。

这种丰富的3D数据集的可用性使更有意义的研究成为可能，允许以比单独的线迹更可靠的方式表征样品的表面。体积测量、大步长测量和区域内缺陷发现是一些可以用3D显微镜进行测量的例子，而不是用手写笔系统。为了研究表面纹理，Bruker的3D光学显微镜被设计来创建和数据库所有ISO 25178建立的区域参数，用于样品表面的标准化评估。

图2。有代表性的抛光表面的3D光学显微图像。下面的图片是例证应已看到通过在图像的中心对角触针式单行跟踪软件的横截面。右边的参数是基于整个图像数据集，并符合ISO 25178的面粗糙度参数。

质量控制 - 自动髋关节杯检验示例

髋关节置换是最常见的骨科手术，并且由于与该外科手术相关的结果，大量产生。相对于它们的形式，表面光洁度和材料组合物的组分公差必须严格满足。如此有效地生产髋杯需要快速和精确的评估。

在实验室中使用的研发仪器与用于质量控制的生产地板系统完全不同。前者有专门的技术人员，他们很清楚这项技术以及软件的详细细微差别。然而，在车间，将有许多不同的运营商将利用该系统作为黑匣子。考虑到这方面，必须在软件和仪器设计方面采用不同的方法。

在仪器设计的情况下，布鲁克提供了新的落地NPFLEX™和ContourGT^®3D光学显微镜配有集成的内部激光校准、振动隔离、坚固的龙门设计，以改善碰撞缓解系统、样品固定的可能性，以及极长的工作距离目标，以获取数据，从难以访问的区域，如那些小直径髋杯。

生产接口,集成到系统中,是独立于标准接口(图3)。它被设计来支持简单编程测量程序,并构建了一个通用的制造流程,运营商的加载组件,仪器标识组件,使预先确定的测量。然后报告通过/失败结果，并提示显示后续批处理。操作该系统只需要基本的知识，并且可以毫无困难地实现条形码扫描等简单易用的功能，从而实现无键盘测量。

图3。生产界面的屏幕截图。左侧图像显示来自相机的实时视频图像。右侧显示了测量的表面，以及用于操作员ID的输入字段，部分编号和批号

让我们以臀杯来考虑这个过程。臀杯通常安装在夹具或放置在仪器上，以确保零件在测量过程中正确和刚性的定位。接下来是扫描或输入该杯的零件号，以访问相关的测量程序。该仪器利用电动X-Y样品台将髋杯侧向移动到测量点，随后将物镜朝髋杯方向降低，直到中间内表面聚焦。接下来是收集和处理3D数据集，从数据中提取最优拟合球体，并根据典型的表面纹理测量应用过滤器。最后，将粗糙度参数与该特定组件的公差进行比较，最终得出失败或通过的结果。从扫描零件条形码阶段到返回零件和不合格/合格阶段，只需不到30秒的时间进行一次测量。这一过程是高效的，使其能够处理大量的零件而不延误下游的过程。

研发 - 设计未来骨科组件

如前所述，研究实验室和车间设置涉及不同的使用，不同的用户和不同的标本。在研究实验室中，吞吐量和速度并不重要。虽然重复性和精度仍然很重要，但灵活性更为重要。就自动测量而言，样本是一种已知的数量，具有规则的形状，已知的材料组合物和明确的测量位置。

在研究实验室中，分析了新材料的某些性质，使其比现今欧洲杯足球竞彩的植入材料更好地表现。与基本粗糙度检测相比，测试的性质也可能更加困难。例如，它可以建立部分在一段时间内磨损的方式，这可能涉及测试新制造的部分，将加速的老化过程应用于它，并重新测量和计算差异。另一个例子可以符合特定的纹理或加工过程，使结构呈现给植入物的表面，以使其在体内有益锚固和持久的刚性。

对于这些类型的评估，标准的软件界面和台式ContourGT 3D光学显微镜提供了研究人员所需的所有功能。在高级ContourGT 3 d光学显微镜,高数值孔径干涉的集成目标,和高亮度led为光源的目标简单而容易获得数据从各种各样的材料,无论是反射和平滑,无反射,粗糙,或者高度递送的。欧洲杯足球竞彩

关于髋关节杯的例子，但是从研发角度来看，臀部植入物经常经历佩戴机制。个体植入物组件呈现出壳状结构，将股骨头保持与一条线密切接触，并且该衬里又保持与髋臼杯接触。

接触中的陶瓷，金属和塑料的不同组合可以产生碎屑和摩擦，这可能导致覆盖植入物的组织的炎症。磨损和随后的炎症会导致假瘤，骨溶解（骨破坏），以及由于陶瓷上的陶瓷“条纹磨损”图案引起的大声摩擦吱吱声。在这种情况下，重要的是要定义所涉及的材料的磨损和磨损速度，从而提高这些产品的长期稳定性和性能。欧洲杯足球竞彩这里，可以应用3D光学显微镜，以容易地获得这种信息。

图4描绘了由聚醚醚酮（PEEK）制成的球形，其具有优异的机械性能和耐化学性的热塑性塑料，这导致其在医学植入中的复杂生物材料中广泛采用。这里，已经证明了如何在磨损测试之前和之后确定表面，以便更好地理解如何将其作为工作设备的一部分执行。

图4。三张图显示了PEEK(聚醚醚酮)球体(左)、磨损测试前的表面(右上)和磨损测试后的表面(右下)。除了其他参数外，这些图像还可以分析材料丢失的体积。

结论

来自Bruker的NPFLEX和ContourGT 3D光学显微镜实现快速，通用性，在宽范围的应用摩擦学和表面光洁度的非接触表征，为研究实验室以及生产地板。该技术所提供的可重复和精确的测量满足骨科部门的严格要求。当与从接触触针式一个线迹，可以更快地获得所生成的3D数据集，并且它们还可能包括有关表面参数的更多的有效信息。自动化的情况下呈现这里强调了3D光学显微镜提供简单，重复性好，臀杯的高通量分析的能力。

以研究为基础的分析显示了为医疗植入市场量身定制的高精度磨损计量解决方案。综上所述，3D光学显微镜为骨科植入物的整个生命周期提供了卓越的计量解决方案，从设计和制造到产品的重复老化和佩戴。

这些信息来源于布鲁克纳米表面公司提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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