精准量化关节置换锥形磨损：多坐标测量系统的比较与意义

在全关节置换术（TJA）中，模块化锥形连接处的磨损和腐蚀会引发临床问题。研究人员开展了关于触觉与两种光学坐标测量机（CMM）系统测定锥形磨损的比较研究。结果表明，所有系统都能有效测量临床相关的锥形磨损，光学系统偏差更小。这为评估模块化连接处性能提供了参考。

　　在全关节置换手术中，模块化设计为医生根据患者具体情况调整假体提供了便利，还能在翻修手术时更换部分植入部件，减少对已整合良好组件的影响。然而，模块化锥形连接处存在磨损和腐蚀问题，会释放离子和磨损碎屑，引发不良组织反应，比如形成假肿瘤、组织坏死以及假体周围骨溶解，甚至可能导致锥形连接处断裂。为准确评估模块化连接处的性能，量化磨损程度至关重要。但体内磨损过程复杂，受多种因素影响，体外模拟难度大，而对取出的植入物进行回顾性分析又难以与未磨损状态对比。因此，研究人员需要找到一种可靠的方法来测量锥形磨损。

来自德国海德堡大学医院骨科生物力学与植入技术研究中心（Department of Orthopaedics, Research Center of Biomechanics and Implant Technology, Heidelberg University Hospital）的研究人员 Therese Bormann、Ulrike Mueller 等人开展了一项研究。他们对比了触觉和两种光学 CMM 系统测量锥形磨损的效果，研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员使用了三种不同的坐标测量机，分别是触觉 CMM 系统和两种基于不同技术（焦点变化和彩色编码共焦测量）的光学 CMM 系统。研究样本为三个由 Ti6Al4V 制成的 12/14 耳轴（trunnion）和一个由 CoCrMo 合金制成的 12/14 孔锥（bore taper），这些样本常用于全髋关节置换术的头 - 柄模块化连接处。通过用 SiC 砂纸小心打磨旋转的耳轴和使用旋转研磨装置处理孔锥，人工制造出临床相关的磨损。

研究结果如下：

1. 磨损体积测量：通过重量分析法确定磨损体积，耳轴样本磨损体积分别为 1.40mm3、5.24mm3 和 8.21mm3，孔锥为 4.13mm3 。触觉 CMM 测量的耳轴平均磨损体积分别为 1.82mm3 ± 0.01mm3、5.43mm3 ± 0.12mm3 和 8.40mm3 ± 0.04mm3，孔锥为 3.71mm3 ± 0.02mm3；光学 CMM I 测量的耳轴平均磨损体积分别为 1.45mm3 ± 0.08mm3、5.25mm3 ± 0.21mm3 和 8.42mm3 ± 0.1mm3，孔锥为 4.0mm3 ± 0.07mm3；光学 CMM II 测量的耳轴平均磨损体积分别为 1.2mm3 ± 0.1mm3、5.0mm3 ± 0.1mm3 和 8.0mm3 ± 0.1mm3，孔锥为 4.1mm3 ± 0.1mm3。与重量分析法参考值相比，触觉 CMM 平均偏差为 0.30mm3 ± 0.36mm3，光学 CMM I 平均偏差最小，为 0.10mm3 ± 0.09mm3，光学 CMM II 平均偏差为 0.20mm3 ± 0.09mm3。
2. 线性偏差测量：触觉 CMM 测量的耳轴样本最大线性偏差分别约为 12μm、28μm 和 39μm，孔锥为 47μm；光学 CMM 1 测量的耳轴样本最大线性偏差分别为 19μm、34μm、45μm，孔锥为 64μm；光学 CMM II 测量的耳轴样本最大线性偏差分别为 11μm、28μm、40μm，孔锥为 98μm。触觉 CMM 测量的耳轴样本平均线性偏差分别约为 8μm、18μm 和 25μm，孔锥为 20μm；光学 CMM I 测量的耳轴样本平均线性偏差分别为 4μm、15μm 和 23μm，孔锥为 16μm；光学 CMM II 未测定平均线性偏差。
3. 锥形角度测量：通过创建用于确定磨损体积的参考锥来测量锥形角度。触觉 CMM 测量的耳轴锥形角度分别为 5.654° ± 0.001°、5.667° ± 0.005° 和 5.659° ± 0.002°，孔锥为 5.772° ± 0.001°；光学 CMM I 测量的耳轴锥形角度分别为 5.658°± 0.001°、5.667° ± 0.014° 和 5.661° ± 0.004°，孔锥为 5.871° ± 0.001°；光学 CMM II 测量的耳轴锥形角度分别为 5.646°、5.649° 和 5.643°，孔锥为 5.752°。与初始锥形角度相比，触觉 CMM 平均偏差为 0.01° ± 0.009°，光学 CMM I 平均偏差为 0.031° ± 0.042°，光学 CMM II 平均偏差为 0.011° ± 0.011°。

研究结论与讨论：所有研究方法得到的结果与参考值基本一致，光学 CMM I 平均偏差最小。但研究存在局限性，如磨损区域的理想排列与实际情况可能不同，会影响参考表面的估计精度。触觉 CMM 因测量点间距大、探针尖端的 “形态过滤” 作用，可能导致磨损体积的高估或低估；光学系统虽能分辨微沟槽表面形貌，但计算磨损体积时未考虑该因素。此外，不同测量系统在测量孔锥时，由于扫描策略不同，最大线性偏差存在差异。尽管如此，所有研究系统都能可靠地测量头和柄锥形的临床关键磨损。该研究为评估全关节置换术中模块化锥形连接处的磨损提供了多种测量系统的比较数据，有助于选择更合适的测量方法来评估植入物性能，对改善全关节置换术的临床效果具有重要意义。

研究人员开展此项研究用到的主要关键技术方法：
样本制备技术，制备不同材料和磨损程度的耳轴和孔锥样本；使用高精度天平通过重量分析法测定磨损体积；运用触觉 CMM 系统和两种光学 CMM 系统进行几何测量，获取磨损体积、线性偏差和锥形角度等数据，并通过特定的数据处理软件和方法对测量数据进行分析 。