文摘
关节损伤轴承表面的组件通常包括薄离散划痕和更广泛的领域更加分散刮。传统的计量参数,如平均表面粗糙度或峰值粗糙面高度不适合量化这些配合端面损伤特性的方式让他们纳入模型预测的聚乙烯磨损。漫射照明技术,已开发可视化这些微观损伤特性在全球植入水平,也允许将受损区域自动分割。这些全局级别的划分提供依据进行高分辨率光学轮廓测定法(OP)区域扫描,量化细微损伤特性。通过这些成像算法在这里报道损伤特性可以编码输入到有限元(FE)穿模拟。一系列检索临床植入失败股正面分析了以这种方式表现出广泛的数量和严重性的破坏特性。说明相应的聚乙烯磨损的计算结果。
1。介绍
当代全髋关节和全膝关节置换术(TKA) THA手术有很出色的临床成功率。然而,无菌性松动在百分之几的情况下,由于wear-induced骨质溶解植入长寿的仍然是一个主要障碍。这一点尤其关心患者聚乙烯轴承的用于配合端面受损由于抓挠第三机构(1),或者由于刮撞击或错位等麻烦的事件2]。虽然很感激伤害的用于配合端面导致高架聚乙烯磨损,也认识到,不同的数字,地点,和/或严重性的破坏特性有非常不同的后果的磨损率高度(3]。不幸的是,尽管过早植入失败的实际发病率加速聚乙烯磨损引起的配合端面损伤,直接剂量/响应hard-counterface损失和加快聚乙烯磨损之间的关系尚未阐明。这种知识差距的部分原因是建立损伤特征的技术困难轴承表面不损伤的方式适合直接描述,确定量化的聚乙烯磨损。
用于损伤特性的检测通常依靠gross-level目视检查和光学显微镜4]。扫描电子显微镜(SEM)提供了增强的信息在这些损伤的形态学特性但高放大率(1),但主要是在图像信息的形式。量化的表面形态主要通过轮廓测定法。大多数这样的工作涉及到笔工具,波动在垂直位置被记录为笔身体移动短距离水平在表面的兴趣(4,5]。自针术录音提供高度变异的数据只有在个体采样线,他们有限的量化整个表面的形态效用。最常见的,因此,调查人员使用这种技术采取点采样的假定代表地区。例如,大厅等。6)量化损坏检索股头20线概况的基础上每个标本(每1.4毫米长度),在判定为每个标本的挠最严重地区。除了限于表面高度个人导线沿线的树苗,大部分谱线轮廓的长度短的扫描能力工具也使它难以量化异构地形在大面积损伤(5]。
高分辨率的地图表面形态可以通过一些技术生成。扫描隧道显微镜能传感表面形貌之间的隧道电流通过监测极其锋利的导电探针和样品表面。原子力显微镜生成三维图像的探测附加的悬臂在表面移动,监测分钟部队样品表面之间的相互作用和调查7]。这两种技术可以测量表面高度变化不到一纳米。然而,扫描区域的尺寸非常小,通常只在几平方毫米的10/1000。这种限制,加上慢扫描时间,使这些技术不切实际的用于映射整体植入物的表面。超声显微镜开发检查表面力学性能的检测和表面的表面裂缝和纹理。然而,这些工具只有平面决议的几十μm,他们又需要较长的扫描时间(8]。
最近,面积的测量表面形态促进了光学轮廓测定法(凤凰社)。这种技术捕捉subnanometer垂直分辨率表面特征,利用光干涉法(9]。(激光照明也被用于干涉测量仪器,但表面激光照明产生的相干噪声,大约是两倍,传统光照明(10]。)OP的高垂直分辨率是适合定量微观损伤出现在检索植入物表面,以较高的速度和精度高(10]。验证OP针术(11),反过来又作为黄金标准评估其他成像技术12]。OP扫描的最大采样区域大小的几平方毫米。虽然大多数先前的OP的应用因此仍然采取基础现货量(9],OP扫描选定的可观的分数肯定整个联合surfaces-while tedious-is不过是容易处理的。
输出的测量轮廓术扫描通常被标准平均粗糙度等表面粗糙度参数,粗糙峰的高度,最大的粗糙面深度。而传统的粗糙度参数这个类的简单评价和解释,它们是否适合量化wear-consequential表面损伤并不理想。例如,无法区分大批划痕和小数量的严重的划痕。同样的,无法区分一个粗糙与多个粗糙相似的高度。同时,这些传统的粗糙度措施通常被报道为各向同性标量变量。包括微观水平上损害的主要方向是一个重要的考虑,然而,由于物理磨损测试表明,不同的划痕方向之间的角度和方向的相对运动表面会产生磨损率数量级差异高度(13]。此外,擦伤,方向性的微痕在给定宏观刮刮的宏观方向不一定是一致的。例如,生成的微痕刮损害在edge-loaded股骨头地区在那混乱的事件往往是大幅斜的macrodirection刮(14]。
而微貌的用于配合端面显然是一个主要影响聚乙烯磨损率(15),直接量化damage-versus-wear目前缺乏物质基础的关系。相反,大多数的工作经验在这个领域,通常涉及简化关节如pin-on-plate实验(16]。至少在个人划痕,best-correlating参数在这种工作往往是刮唇的高度,反映在(粗糙面高度峰值)。即使经验,然而,它很难识别显著wear-versus-roughness关系复杂的发音特征原位整个植入的函数。例如,在一项研究35检索植入物(6),只有边际相关性,之间的临床因素和穿,相应的值有一个更弱与磨损的关系,。
为了超越实证观察,并帮助支持基于物理模型的损坏和磨损,必须量化的严重程度和方向性个人划痕和擦伤。新颖的基于图像为此目的开发的计算技术在这里报道。这些计算技术对表面损伤注册表应用于一系列的正面全髋关节股骨手术检索后植入临床失败。表面损伤严重程度的特征方面对这些检索报告。最后,结果了一个说明性的有限元计算与伤害有关的聚乙烯磨损加速到一个特定的股骨头从这个系列。
2。材料和方法
检索股头第一次数码拍照使用一种新颖的漫射光照明技术(17]。这涉及到定位植入组件在一个角索引阶段,在一个半透明的白色管消除虚假反射环境照明和空间环境。全球注册1.6的数码照片(4432像素/毫米2)然后从极地方向在30度的增量压痕,从而整个轴承表面图像。这些图像提供了生动的视觉呈现的明显损伤特性对整个宏观上植入轴承表面。(如下指出,拍摄的图像分辨率已经突出显示划痕远低于wear-consequential清规戒律。)相关的(灰度)强度调节提供了依据客观的损害注册图像分析的目的。破坏的两个主要类型:划痕和擦伤。是划痕的区别表现为薄离散个体漆黑的线条,而擦伤都表现为广泛的分散变暗,在其中个人抓跟踪不能杰出的全球形象层面。
另外一个MATLAB程序是用来决定在全局级别的图像区域的损伤明显。是第一次做精明的边缘检测检测区域的损伤,基于灰度不连续相对于(明亮)的地区。这条边检测器杰出边缘的最大强度梯度的基础上。边缘被标记,如果他们的梯度下降了超过一个分析师将阈值。这个阈值设置,这样它足够敏感的检测能细微划痕,但是足够高,以避免影响从灰度变化与一定非均匀到镜头的距离。接下来,一个中值滤波器应用于原始图像,取代每个像素的强度与周围像素的中值强度analyst-specified大小的正方形。中值滤波在这种背景下的“模糊”(即线性损伤特性。划痕)的广泛包容性低于特定的阈值。分析师的中值滤波器的大小从而规范提供了一个依据客观区分划痕和擦伤,不同的计算方法是利用为目的的聚乙烯磨损建模(见下文)。经验,各种滤波器尺寸适用于代表原始图像,包含划痕和擦伤(图1)。一个过滤器的大小是判断适合区分划痕和擦伤,因此被用于集体数据处理在这一系列检索。
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中值滤波后的黑暗的地区剩余操作被autosegmented使用一个分析师将强度阈值。这些构成了刮特性。刮掉区域从而确定然后从pre-median-filtered精明的边缘检测结果,剩下的(即离开。non-scrape)损伤特性归类为划痕(图2)。然后使用霍夫变换离散化这些划痕损伤特性为直线段。这分析技术使用一个线性变换和一条直线的参数方程来确定点的数量在任何已知的候选直线下降。这些候选人线的长度下降一个分析师将阈值标记,从而使离散曲线划痕串连的直线段。
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接下来,OP是用来量化的严重性每个划伤或擦伤。一个Veeco轮廓GT无触点分析器(力量、降雪量、AZ),通过光干涉法捕获的表面特征,是用于这一目的。一架飞机的最大分辨率0.25切向目标表面μ米2每像素,平面外的最大分辨率为0.01μm。直接成像的仪器能够个别区域的大小,它可以autostitch那些捕获单个图像合成图像大小。仪器的内部软件允许删除的全球(球面)曲率,出现在原始的扫描。全球球面曲率参数估计使用least-squares-error算法实现二次适合原始表面数据。删除此球形式从当地的原始数据因此启用决心偏离本机植入物表面。内部软件还包括能力报告标准表面粗糙度参数(,等)。
叠加analyst-selected控制点允许对齐的OP扫描与各自的全局级别的图像(数字3(一)-3(c))。对于每个OP扫描,6套控制点被从损伤特性,选择外观的全局级别的图像和OP扫描。这些控制点被用来计算一个2 d转换结构,基于二阶多项式。全球形象然后翻译,基于此二维旋转变换,把检测到损伤特征和各自的位置在OP扫描。
编码识别损伤特性涉及会计方向性和严重性。的划痕,方向性只是本地的主流方向,和严重程度是基于平均刮唇高度(穿高程的主要因素18)从OP数据计算。严重程度计算,每个指定的划痕段第一次被叠加在其相应的OP (s)(图形象3(b))。表面垂直高度的值然后从OP查询数据集(s)以及一系列等间隔的采样线直接垂直于段。峰表面高度被确认在每个采样线,和峰高的意思是被指定为在起跑线上唇高度个人划段(数据3(c)和3(d))。(收敛性分析被执行,以确定适当的密度采样线(图4)。)
擦伤的情况,感兴趣的方向为目的的聚乙烯磨损模型的宏观方向刮,而是“微级”的方向刮刮。在这两个方向类似的或几乎如此许多擦伤,也有个别人例外,例如当面向压痕macroscrapes引起横向滑动在出口edge-loaded股头半脱位。识别方向的微痕,每刮OP进行霍夫变换数据集,发现微痕线在刮。最长线被指定为刮刮区(图的方向5)。刮的严重程度量化的分段内的平均粗糙度刮。这个计算是由OP数据,再根据控制点之间的登记(polygon-delineated)宏观的刮OP数据集的特性和相应的特性。平均粗糙度值在每个刮多边形只是每个像素的平均高度的差异,相对于平均表面刮多边形内的所有像素的高度。
目前的聚乙烯磨损计算模型在整个关节置换最常见的实现某种形式的经典Archard磨损公式(19]。这个公式估计当地穿深度(1)接触压力的产物,滑动距离,(2)和(3)磨损系数依赖于表面接触的摩擦磨损特性。计算损害磨损率加速,Archard磨损系数为基础的表面较高聚乙烯地区度过的配合端面损伤特性。划痕,有一个近似指数关系(20.]刮唇之间的高度和比例因子对磨损系数升高,具体参数 当唇高度表达μm。擦伤的情况下,值被转换为磨损系数比例因素(使用幂律关系16),具体参数 为测量在μm。
3所示。结果
划痕和擦伤损坏是我们机构编码九代表标本收集的股骨头检索(图6)。图像处理例程检测划痕在七五人的这些标本和擦伤。清规戒律的分布检测划痕(唇高度)和擦伤(值)被发表在表1和2,分别。七个标本展出划痕损伤显示大变化的严重性个人划痕(图7)。特定的标本显示最大数量的可变性(样品没有。5)有划痕唇高度从0.10到9.75不等μm。为了完整性,目前的结果包括划痕唇高度低至0.07μm。这可能是不必要的,因为有实验证据表明,唇高度阈值检测磨损率从个人划痕是更高的加速度,的1μ米(18]。如果需要为目的的经济计算,wear-inconsequential划痕可以从进一步考虑无视下游穿建模,通过布尔掩蔽的基础上唇高度。
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计算出的刮掉区域的值也显示相当大的可变性(图8)。Series-wide scrape-average粗糙度值最高为4.20μ(标本。8)three-order-of-magnitude海拔相对于典型值的植入物表面(16]。
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这些损伤特性可以产生局部磨损率大幅增长的时期。最严重的划痕的存在增加了当地的磨损系数大约50倍,如图所示(1)。最严重的擦伤地区产生磨损系数超过200倍的增加,如图所示(2)。
4所示。讨论
这组抓臀部高度和刮伤价值观,及其相关的个体加以严谨,展示了一系列的破坏特征典型的检索股头上。虽然目前OP数据捕获是类似其他OP应用程序(9,21),这些计算技术代表first-global-implant级别的数据注册micron-level损伤特性。这样的数据集可以用作输入铁衬套磨损模型,允许临床股骨头的现实模拟损伤在一个特定的基础上。这些数据允许损伤划痕或scrape-specific的基础上表示,他们允许磨损预测由于每个损伤特性。这是一个比先前的方法,只有损害的标准表面粗糙度参数和之间无法建立强有力的联系这些参数和磨损加速(6]。
记忆,一菲穿的一个特定模式标本(标本。6)从本系列是由映射生成每个确定损伤特性的严重性,方向,和全局级别几何到股骨头。总的来说,这些损伤特性,由211段和68个刮地区,导致聚乙烯衬垫磨损增加3.8倍,相对于基线的模拟一个完全相同的股骨头(图9)。的磨损增加,68%是由于划痕损伤和32%是由于刮损伤。
(一)
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磨损率增加计算使用这种技术粗糙补丁(一直身体验证这两个各向同性的22)和划痕(20.]。而直接物理验证尚未进行定向擦伤,铁的唯一区别为定向擦伤和磨损模拟各向同性的粗糙补丁是方向性的合并到磨损的因素。
本系列是限于全髋关节股骨组件检索。同样损害注册框架大概也可以用来描述努力配合端面等其它整个关节置换股骨组件的膝盖,常常表现出损伤特性类似编目。例如,一个二维干涉法研究TKA检索(23)确定都好,与唇高度密集划痕的0.5μm,严重破坏特性与嘴唇接近4μm。
量化股骨头损伤通过这个分析框架依赖全球漫射光数码照片和相应的边缘检测计算来确定损伤特性。而扩散照明技术在几乎所有情况下提供更生动的表演比明显的视觉损伤特性的房间照明,有几个例子划痕,视觉上明显在正常房间照明不可见的漫射光图像。OP扫描这种“消失”划痕表明这些划痕有极低的嘴唇,表明他们不是关键的磨损率确定的最终目标加速度。进一步研究阐明漫射光图像灰度值之间的关系和相应的刮唇的高度可能提供洞察这个看似反常的现象。
5。结论
为整个关节置换与聚乙烯轴承表面,大大加速磨损常与权责发生制的刮伤或刮损坏的用于配合端面。从定性到定量的评估这种交互需要依据代表用于损害的方式有利于基于物理磨损的性能分析。本文报告一个多尺度实验/计算框架,这样损害表现。全局级别和微程序级成像耦合计算寄存器的严重程度和方向性划痕和擦伤损坏出现在整个植入轴承表面。这证明实际损害注册框架使用典型的检索全髋关节植入物,从而为定量分析开辟了道路伤害聚乙烯磨损率加速度在一个特定的基础上。
作者的知识,目前的数据集组成表面损伤特征的第一次编译在骨科关节置换。除了它们的使用使磨损计算的背景下,这样的数据集可能会证明在其他情况下有用,比如比表面损伤的法医评估事件,和植入的“逆向工程”的设计来减少wear-consequential配合端面损伤。
确认
这项研究是由国立卫生研究院授予AR057780。史蒂夫·刘博士提供了宝贵的协助配合作者的机构的植入检索程序。