CN101522137A - 后稳定型膝关节假体 - Google Patents

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Abstract

一种包括股骨部件的膝关节假体，该股骨部件具有前侧、后侧、一对沿侧向间隔开的髁部分和连接所述髁部分并且包括凹槽的髁间部分。在股骨部件的前侧上的髁间凹槽附近设有凸轮面，该凸轮面具有鞍形，该鞍形由至少大致为凹的第一曲率半径和垂直于所述凹的第一曲率半径的至少大致为凸的第三曲率半径限定。所述假体还包括胫骨部件，所述胫骨部件包括具有上表面的平台，该上表面包括沿侧向间隔开的第一凹面和第二凹面。所述第一凹面和第二凹面的每个都能够容纳所述股骨部件的一个髁部分。所述胫骨部件具有用于容纳在所述股骨部件的髁间凹槽中的胫骨桩。

Description

后稳定型膝关节假体
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年9月25日提交的序列号为No.60/826,844的美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请通过引用整体结合入本文。
技术领域
本发明总的涉及关节置换外科手术，并且更具体地涉及后稳定型膝关节假体，该假体包括修改的股骨前凸轮面和胫骨插入件稳定桩的修改的前面，使得这些表面上的应力降低并且桩的前面的变形减少，以及手术过程中去除的骨量减少。
背景技术
关节置换外科手术很常见，这种手术使很多要不然不可能正常活动的人能够正常活动。典型地，人工关节包括固定到原有的骨头上的金属部件、陶瓷部件和/或塑料部件。膝关节是经受置换外科手术的很多常见关节中的一种。膝关节成形术是一种众所周知的外科手术，通过该手术用膝关节假体来置换病变和/或损坏的自然膝关节。典型的膝关节假体包括股骨部件、膝盖骨部件、胫骨盘或胫骨平台和与胫骨盘连接的胫骨支承插入件。股骨部件通常包括一对沿侧向间隔开的髁部分，所述髁部分具有与形成在胫骨支承插入件中的互补髁元件关节连接的远侧表面。
根据在外科手术中使用的技术和部件不同，全膝关节假体在本质上可归为三种基本类别。在第一类别中，远侧股骨和近侧胫骨的关节面使用相应的髁型关节支承部件来“重修表面”。这些膝关节假体提供了基本的旋转和移动自由度，并且只需切除很少的骨就能将所述部件容纳在可用的关节间隙中。膝盖骨-股骨关节同样也可以通过第三假体部件来重修表面。股骨、胫骨和膝盖骨的重修表面假体部件通过骨水泥(cementing)或通过生物骨内生长固定措施或者任何其他适当的技术固定到相应的邻近骨结构上。
股骨部件提供了具有与膝关节的自然远侧股骨或股骨侧相似的外形和几何形状的多半径设计的内侧和外侧髁支承面。胫骨部件可完全由塑料(UHMWPE：超高分子量聚乙烯)制成，或者其可由金属基部分和互锁的塑料部分制成。塑料胫骨支承面可以具有与配合的股骨髁在一定程度上匹配的凹形多半径几何形状。股骨部件和胫骨部件独立地设置在膝关节的两侧上并且不像在铰链类型的膝关节假体中那样机械地连接或链接起来，该铰链类型的膝关节假体构成了全膝关节假体的第二类别。
在根据第一类别的重修表面类型的全膝关节假体中，胫骨支承面的几何形状可以呈现各种构造，这取决于所需的关节接触相合的范围和相关的移动(内侧-外侧，前-后)和转动(轴向，内翻-外翻)的股骨-胫骨副运动。这些不同副运动使得重修表面的膝关节以类似自然的生物机械方式与周围的韧带和肌肉结构一起绕膝关节活动。软组织结构以受控方式保持股骨支承面和胫骨支承面接触，提供必要的力约束水平来实现膝关节的稳定性，并且在机能上减缓屈伸主运动和副运动(诸如轴向转动)的速度。另外，周围组织结构和植入的膝关节假体之间的功能性交互作用使突然的运动中断或者假体关节面的冲击负载减到最小，由此防止部件的固定交界面受到过大应力。
根据第二类别，机械式链接或铰接类型的膝关节假体提供了固定支点的屈伸能力。因此，在周围软组织结构极度退化并且不能提供在功能上可接受的膝关节稳定性的选定情况下，通常在外科上需要“铰接膝关节”。
与第一类别相比，全膝关节假体装置的第三类别，后稳定型全膝关节提供了更加可预测的运动学特性。后稳定型全膝关节实质上结合了第一类别即重修表面的髁型膝关节假体的所有功能特征，另外结合了用于提供后(胫骨至股骨)约束的机械凸轮/从动件机构。凸轮/从动件机构设置在股骨部件的髁间间隙内并且提供了置换型后约束，作为失去的后交叉韧带功能或者折衷的膝关节后稳定性的预设补偿特征。该凸轮/从动件机构使股骨能够在胫骨上“回滚”，这在弯曲过程中为四头肌提供了机械方面的优点。
如图1所示，凸轮/从动件机构的凸轮部分通常包括凸形的叶形表面，该叶形表面在被称为“稳定盒”的盒状结构内一体加工或铸造而成，该稳定盒位于股骨部件的内侧髁支承面和外侧髁支承面之间。稳定盒也可被称为股骨部件的髁间部分。凸轮面通常形成在稳定盒的后壁部分内并且以顶部的上壁、侧面上的内侧和外侧壁部以及前部为边界。相对于股骨部件的整体尺寸而言，这样形成的稳定盒结构占据了很大的包络面(envelope)，因而需要切除相当多能生存的骨才能将稳定盒容纳在远侧股骨的髁间区段内。
凸轮的设置在后部的关节凸形表面被精密打磨并且高度地抛光。在膝关节经受股骨-胫骨弯曲时，凸形凸轮与设置在前方且朝向后方的从动件关节连接。配合的从动件表面通常在超高分子量聚乙烯(UHMWPE)胫骨部件内一体加工而成。从动件通常包括位于向上延伸的桩状结构的后侧上的相对为凸的或平的关节面，该桩状结构设置在凹形内侧胫骨平台支承面和外侧胫骨平台支承面之间。接触的凸轮/从动件机构的合成运动提供了胫骨部件相对于股骨部件的后稳定或约束：通常从弯曲的大约中间范围到整个范围。因此，在该有限范围内，稳定机构实质上模拟了连接在膝关节前股骨一方和后胫骨一方之间的自然后交叉韧带的功能作用。另外，因为凸轮/从动件表面几何形状通常是不全等的，该机构可以设计成用于产生股骨-胫骨关节接触面的后回滚，模拟出自然膝关节的自然生物机械位移特性。
上述类型的后稳定型全膝关节假体在Walker的美国专利No.4,209,861，Burstein等人的美国专利No.4,298,992，Insall等人的美国专利No.4,213,209和Forte等人的美国专利No.4,888,021中公开。在以上专利中描述的所有装置都结合了UHMWPE胫骨部件和金属合金的股骨部件，该胫骨部件带有一对内侧和外侧凹形平台支承面，股骨部件带有骑坐在所述支承面上的配合的多半径髁转动部(runner)。股骨髁与胫骨平台支承面的关节连接允许股骨-胫骨主屈伸运动以及包括轴向旋转和内翻-外翻旋转、前-后移动以及内侧-外侧移动的副(自由)运动。在主运动或副运动期间膝关节反作用力主要由胫骨支承面支撑，在一定程度上由凸轮/从动件表面支撑，并且被传递到下面的固定交界面和邻近的支撑性骨结构。
另外，UHMWPE胫骨部件结合了向上延伸的桩状结构，该桩状结构设置在平台支承面之间并且稍微在该胫骨部件中线的前面。大致为凸的或平的从动件表面一体加工在桩的后侧上。如果股骨和胫骨膝关节部件处于在正常情况下减少的外科植入位置上，则向上延伸的胫骨桩延伸进入位于股骨部件的髁间间隙内的稳定盒结构中。当从动件的朝向后方的面与凸轮的大致朝向前方的叶形表面接触时，实现了后胫骨约束。
但是，传统的后交叉韧带置换型膝关节设计的几何形状存在很多缺点。具体地，膝关节外科医生的一个共同抱怨是后交叉韧带置换型膝关节置换术去除了太多的骨。去除过多的骨可能在手术中由于应力集中导致髁间骨折，所述应力集中由切除骨以容纳该设计的稳定盒而产生。由于在修正外科手术中，可用的骨越多，修正外科手术就越容易，所以骨去除也是不期望的。因此期望的是并且需要的是一种改进的后交叉韧带置换型膝关节设计，其使得需要去除的骨量最小。
传统的后交叉韧带置换型膝关节设计的另一局限性在于取回的膝关节置换物在通常由UHMWPE制成的胫骨插入件的中央桩上的特定位置中显示一致的变形模式。胫骨插入件的经常损坏的位置是桩的前面。该变形的形式通常为“蝴蝶结”模式并且是植入部件长时间连续相互作用的结果，其很可能在患者过度伸展他们的膝关节时发生。在极少情况下，该变形会增加桩的总机械故障。鉴于以上情况，需要一种改进的后交叉韧带置换型膝关节设计，其减少了对该变形模式有促进作用的应力。
发明内容
根据本发明的一个方面，用于膝关节假体的胫骨部件包括具有上表面的平台，所述上表面包括沿侧向间隔开的第一凹面和第二凹面。所述第一凹面和第二凹面的每个都能够容纳股骨部件的一个髁部分。所述上表面还包括胫骨桩，所述胫骨桩用于配合在所述股骨部件的髁间间隙中。所述胫骨桩具有前凸轮面，该前凸轮面具有鞍形表面(“鞍面”)，它是平滑表面，它的名字源于过去马鞍的特殊形状，该鞍形表面既向上又向下弯曲，如下面更详细地描述。凸轮面包括鞍形部分和过渡部分，该鞍形部分位于前凸轮面的下部，该过渡部分位于前凸轮面的上部。桩前部的功能部分由鞍形部分限定，而凸形过渡部分的设置和形状使凸轮的前部与桩顶部结合为一体。
在另一个方面中，膝关节假体包括股骨部件，该股骨部件具有前侧、后侧、一对沿侧向间隔开的髁部分和连接所述髁部分并且包括凹槽的髁间部分。所述假体还包括凸轮面，该凸轮面位于股骨部件的前侧上的髁间凹槽附近，其中该凸轮表面由至少大致为凹的第一曲率半径和垂直于所述第一曲率半径的至少大致为凸的第三曲率半径限定，以形成鞍型形状。
所述胫骨部件具有前凸轮面，该前凸轮面由至少大致为凸的第二曲率半径和垂直于所述第二曲率半径的至少大致为凹的第四曲率半径限定，从而限定了与所述股骨部件的鞍形前凸轮面互补的鞍形前凸轮面。第二曲率半径小于第一曲率半径。根据一种实施方式，第二曲率半径等于或小于第一曲率半径的95％。第三曲率半径大约等于所述第四曲率半径的42％或者更小。
在另一个方面，股骨部件的髁间部分包括顶部并且具有从所述顶部至平行于基准平面(地平面)测出的大于20度(例如28度)的盒的角度。
通过修改股骨部件的前凸轮面以及通过修改胫骨插入件的稳定桩的前面，减少了在这些表面上的应力(胫骨桩中的冯米泽斯(v onMises)应力)，并且降低了胫骨桩的前面的变形。
附图说明
本文公开的示例性关节假体的其他方面和特征可从附图和相应说明中理解。
图1是构成膝关节假体一部分的传统股骨部件的侧向透视图；
图2是根据本发明的一种实施方式的构成膝关节假体一部分的股骨部件的侧向透视图；
图3是图2的股骨部件的侧视图；
图4是图2的股骨部件的凸轮面的局部仰视图；
图5是图2的股骨部件的从上面看的透视图；
图6是示出了图2的股骨部件与图1的股骨部件相比的盒的角度增加的侧视图；
图7是根据本发明的一种实施方式的胫骨部件的侧向透视图；
图8是图7的胫骨部件的侧视图；
图9是在大约10度的过度伸展时图2的股骨部件与图7的胫骨部件配合的侧视图；
图10是图9的沿着线10-10截取的剖视图；
图11是示出了用于容纳传统的股骨部件和本发明的股骨部件的股骨切口的侧视图；和
图12是胫骨桩或股骨部件的示例性前凸轮面的剖视图，示出了沿着其弧形表面形成的平坦部分(flat)。
具体实施方式
图2-10示出了根据本发明的一种示例性实施方式的形式为膝关节假体100(图9)的关节假体。所示的假体100采用后交叉韧带置换型膝关节设计。膝关节依靠四条主韧带来提供稳定性和支承。两条韧带在膝关节的中央交叉，它们被称为交叉韧带。前交叉韧带(ACL)防止股骨从胫骨后面脱落。后交叉韧带(PCL)防止股骨从胫骨前面脱落。后稳定型膝关节植入物被设计用于置换后交叉韧带。如下面详细描述的那样，后稳定型膝关节包括用于置换身体的后交叉韧带的特征件，例如桩。
假体100总的包括用于连接到股骨上的股骨部件110(图2)和用于连接到胫骨上的胫骨部件200(图8)。股骨部件110由具有一对沿侧向间隔开的股骨髁部分114、116的主体112构成，每个所述髁部分总体在侧向轮廓上平滑地凸状地弯曲以接近解剖学股骨髁的曲率，并且沿着其前后范围凸状地弯曲。髁部分的前部与膝盖骨部分120的凸状弯曲的侧部122平滑地结合为一体。膝盖骨部分120的中部126在其下端处与盒状髁间部分130(稳定盒)的上壁或者顶部132相交，该盒状髁间部分130和膝盖骨部分120一起连接髁部分114、116。
如图1所示，传统股骨部件10的髁间部分是由一对沿侧向间隔开的侧壁限定的矩形盒，所述侧壁如图1的侧视图所示通过平的垂直顶部连接。如图6所示，从髁间部分130的顶部至水平面(平行于名义基准平面)测出的髁间部分的盒的角度为大约8.3°。
与现有的股骨部件10的髁间部分的矩形盒形状相比，本发明的髁间部分130的设计已被修改，从而必须去除的骨量得以减少。如前面所述，现有的植入物设计的一个缺点在于，后交叉韧带置换型膝关节置换技术去除了过多的骨，这种过多的骨去除可能因切除骨以容纳盒状髁间部分130所产生的应力集中而导致外科手术过程中的髁间骨折。图11示出了股骨的区段，该区段已经去除骨以便安装如图1所示的传统股骨部件10的髁间部分。如预期的那样，为了容纳传统股骨部件的矩形盒，从股骨去除矩形骨区段以在股骨中留下矩形凹口或开口。相比而言，图11示出了从股骨去除弧形骨区段以在股骨中留下弧形凹口或开口来容纳本发明的装置100。
根据一种示例性实施方式，对根据本发明的盒的几何形状的修改导致从股骨的髁间部分去除的骨的体积平均减少大约37％。骨去除量的减少通过两种措施完成。首先，如图6所示，增加股骨部件110的髁间部分130的角度以使前面去除的骨最少。例如，从顶部132的最高处测出的盒的角度相对于传统髁间部分的盒的角度显著增加，并且在图2-6所示的实施方式中，盒的角度从8.3°(传统设计)增加到大约28°。但是，应当理解，上述值是非限制性的并且实际上仅仅是示例性的，因此，盒的角度可以为大约20度至大约35度，例如29度至大约34度。在其他实施方式中，盒的角度增加到相似的矩形髁间盒结构的值的至少两倍。因为在该股骨区段中的骨最少，故增加的盒后部高度不会去除太多的骨。
用于减少骨去除量的第二措施是将髁间盒从直角构造修改为如图2所示的更像圆柱形，由此在盒的角部去除的骨较少。髁间部分130通过弧形壁131限定，该弧形壁131同样限定了髁间部分130的顶部132。顶部132因此被看作弧形壁131的顶点区域。所示的弧形壁131具有半圆形状或者“圆形形状”，其设计用于如图11所示容纳在互补的圆形的骨凹口或开口内。因此，本发明的髁间设计不包括大致水平(平行于名义基准平面)的界限分明的顶部。
图11中的对比图示出了在本发明的设计中去除的骨明显较少，因为在根据本发明制成的圆形股骨盒凹口中不存在传统股骨盒的凹口的严格的直角边。
在股骨中制成的股骨盒凹口的圆柱形状可以用旋转切割器(诸如钻或铰刀)切割，旋转切割器消除了由过切槽(overcut slots)产生的额外应力集中，过切槽是在使用矢状锯切割图11的盒几何形状时产生的。换句话说，在角部不产生应力集中的情况下可以切割出圆柱形盒几何形状，在所述角部处矢量锯会使切口延伸超过盒的边缘。
优选在髁间部分130的顶部132中形成开口160，并且特别地，开口160形成在弧形壁131中。因为现有的髁间部分的顶部是平的平坦表面，所以开口被包含在同一平面中；但是，壁131的弧形使开口160不是处于单个平面中，而是开口160处于弧形表面中。开口160允许在全膝关节置换之后发生远侧股骨骨折时放置髓内钉。
如图4最佳所示，股骨部件110的底面包括弧形表面170(例如，弯曲的鞍形表面)。该弧形表面170位于开口160附近并且在这两个部件110、200组装好时面向胫骨部分200(图8)。该弧形表面170靠近膝盖骨部分120。根据本发明，当所述部件110、200如下面所述配合在一起时，该弧形表面170的构造和尺寸适于与胫骨部分200的互补表面配合。
股骨部件110还包括从动凸轮面180，其邻近开口160地位于股骨部件110的后侧上。具体地，从动凸轮面180被设置在髁部分114、116之间。从髁间部分130的底面看，从动凸轮面180具有弯曲表面182，该弯曲表面与大致为凹的部分184结合为一体，该大致为凹的部分184又在186处向内弯曲以与上面的弯曲表面188结合为一体。
股骨部件110可由多种不同材料制成，包括外科等级的耐用金属，诸如满足ASTM标准#F75的316L不锈钢或者铬钴钼合金。优选地，骨外部的所有表面被高度抛光，并且股骨部件110可以是关于竖直的前后中心面对称，从而其可用于任一个膝关节上。股骨部件110也可以是不对称的(例如专用于右膝关节或左膝关节)。
股骨部件110的面向股骨的表面是大致平的，并且髁部分114、116的每个都可以以小的肋或凸缘为边界，因此提供了阻挡以提高骨水泥的加压作用(cement pressurization)并且简化多余的骨水泥的清理。该凹窝特征也考虑到了加强筋或其他生物学接合面。
胫骨部分200包括胫骨平台或盘210，胫骨柄212从该胫骨平台或盘向下延伸并且被构造用于插入并连接到胫骨上。胫骨盘210的上表面214被构造用于容纳和连接到支承部件(胫骨插入件)220上，该支承部件可被设置在股骨部件110和胫骨盘210之间。如下面详细描述的那样，胫骨插入件220与股骨部件110协作以提供膝关节假体的期望运动学特性。
胫骨部件200的胫骨插入件220典型地由适当的塑料制成，诸如聚乙烯，更具体地为UHMWPE；但是，只要适于在当前应用中使用，其他适当的材料都可被使用。如图7-9最佳所示，胫骨插入件220包括长圆形的、被圆化的、盘形的平台部分222，该平台部分具有可以是平的或具有一些其他预定轮廓的上表面。一对沿侧向间隔开的长圆形凹面224、226在上表面上形成，用以容纳股骨部件110的股骨髁部分114、116。股骨部件110的“嵌套式”支架使假体关节稳定，但是仍然允许前后移动、外偏和旋转，所有这些运动都包含在解剖学膝关节的正常功能中。
胫骨插入件220还包括底座状的固定部分230，该固定部分从平台部分222的底面228延伸出以允许使用传统的技术和方法将胫骨插入件220连接到胫骨盘210上。
胫骨插入件220还包括稳定桩240，该稳定桩在凹面224、226之间从平台部分222向上延伸并且设置成被容纳在股骨部件110的髁间凹槽中。稳定桩240在侧向轮廓上为大致三角形并且由平的平行侧面242、前面250和相对的后面260限定。稳定桩240的侧面242与股骨髁间凹槽的侧壁保持足够间隙，以在与假体膝关节的股骨部件110组装时允许正常的外偏和旋转。稳定桩240的后面260在后面260的下部处包括凹形表面262，而且，后面260具有后上表面261部分。
与具有平的前面的传统植入物相比，本发明的前面250不具有平坦设计，取而代之的是，该前面250已被修改和构造成当患者过度伸展他们的膝关节时产生较低应力接触状态。桩240的前面250具有呈现鞍形形状的弯曲扫掠面(swept surface)，其中沿着至少大致凹形的曲线扫掠出至少大致为凸形的曲线，从而形成鞍形(例如，凸轮面的该部分在一个或多个方向上向上弯曲并且在一个或多个方向上向下弯曲)。
鞍形表面可以用术语鞍点表述。诸如曲线或表面的平滑函数的鞍点是这样一个点，在该点的邻域中的曲线/表面位于该点处的切线(面)的不同侧上。鞍点处的表面类似于在一个或多个方向上向上弯曲且在一个或多个方向上向下弯曲的鞍(与山口相似)。就轮廓线而言，鞍点通常可以通过似乎自身相交的轮廓识别。
因此，前面250具有在侧向或横向上大致为凸形的形状，在纵向上观察并且如图8所示，前面250在纵向(从下部至上部)上从在前面250的下部处的凹形部分252过渡到在前面250的上部处的凸形部分254。换句话说，前面250的扫掠弯曲特性是通过在纵向上从位于桩240基底处的凹形部分252过渡到位于桩240的顶部处的凸形部分254来限定(与此同时，前面250具有在横向(垂直于纵向从一侧到另一侧的方向)上从下部至上部的凸形形状以产生鞍的形状)。应当理解，桩顶部处的部分254的形状并不重要，因为其所示出的凸形形状仅仅提供了用于连接桩顶部的凹形部分的平滑方式。
根据本发明，前面250的曲率半径视与股骨部件110有关的互补半径而选定。具体地，半径被选择成它们是不相同的，在这些半径之间存在稍微错配，其中胫骨部件200(即胫骨桩240)上的半径小于股骨的半径。换句话说，只要前面250的曲率半径是股骨半径的预定百分比，且该预定百分比能够在部件110、200的半径之间产生错配，从而有助于确保部件110、200之间的接触发生在胫骨桩240的中央处而不是在胫骨桩240的侧边缘处，则半径的精确尺寸就不重要了。在一种实施方式中，胫骨部件240上的半径，尤其是前面250上的半径大约为股骨半径的95％，股骨半径沿着弧形表面170(例如，与胫骨桩240的弯曲鞍形表面互补的弯曲鞍形表面)测得。图10示出了横向截面以展示这两个鞍形表面的配合，一个表面与股骨部件110关联，而另一个表面与胫骨部件200关联。
应当理解，本发明涉及对股骨部件110上的前凸轮面170和胫骨部件200上的前凸轮面250的改进和修改。应当理解，由于股骨部件和胫骨部件的鞍形结构，所述的两个表面170和250能够以类似于传统凸轮和凸轮从动件彼此接合的方式彼此接合。
如上所述并且根据本发明并且如图9和10最佳所示，在前面250的曲率半径和互补的股骨部件110的曲率半径(更具体地，和邻近开口160形成在股骨部件的底面上的弧形表面170)之间存在相互关系。表面/面170、250的曲率半径是不相同的，而是在所述两个表面/面170、250之间存在稍微错配，由于前面250的曲率半径小于表面170的曲率半径。在一种示例性实施方式中，前面250的曲率半径等于或小于股骨半径(即，弧形前表面170的曲率半径)的95％。例如，在一种实施方式中，胫骨桩240的前面250的半径为大约9.5mm，而股骨部件110的互补前面(前表面)170的曲率半径为大约10.0mm(95％的比率)。但是，部件110、200同样可以具有其他半径，并且胫骨部件200上的半径可以小于股骨半径的95％，甚至小于股骨半径的90％。
胫骨部件的桩的前面并不一定要发生表面变形；但是，这可能会由股骨部件和胫骨部件的外科错位或者由部件自身的设计引起或者在患者过度伸展他们的膝关节时产生。取回的后稳定型全膝关节植入物一致显示了该前面区域中的变形模式。植入处于弯曲状态的股骨部件或后部倾斜的胫骨部件可能引起过早的过度伸展接触。传统的后稳定型植入物(如在图1中所示的植入物)不是为了减少前面上的应力而专门设计，因为患者无法将桩的前表面用作过度伸展止挡。
部件之间的该行为特性使用有限元分析(FEA)进行建模。描述了有助于形成胫骨桩240上的变形模式的应力状态，并且检查了对用于减少桩240的前面250上的应力的桩-凸轮设计的上述修改的效果。
例子
图1的传统植入物(即：Exactech 
Figure A200780038089D00171
后稳定型(PS)全膝关节假体)的计算机模型被修改成便于胫骨桩和股骨前凸轮的有限元网格化。所述部件处于10°的过度伸展状态。在该例子中，股骨部件的前面被建模成刚性压头。胫骨部件的桩使用真实应力-应变关系以UHMWPE建模。该材料的结构模型基于各向同性强化的冯米泽斯屈服表面。生成有限元(FE)网格，其中胫骨桩FE网格使用八节点六角形块体元构造，并且前凸轮面由四节点矩形刚性元组成。因为桩-凸轮机构关于矢状面对称，所以使用了对称的边界条件并且仅仅对机构的一半进行了建模。桩的远侧面在所有方向上都被固定并且凸轮仅仅能够在接触方向上(即在接触点处垂直于桩的方向)移动。
基于从在最大过度伸展下的步态数据得到的二维(2D)自由体负载图，使用445N的负载。该负载被施加到刚性凸轮压头上，并且负载方向在接触点处垂直于桩。使用三种不同尺寸的图1的传统植入物和图2-10所示的根据本发明的修改设计进行分析。
在所有三种尺寸的传统植入物中，最大的冯米泽斯应力位于胫骨桩的前面的侧边缘处，稍低于桩和凸轮的线间接触点。该应力的大小如下，对于尺寸2为34MPa，对于尺寸3为37MPa，而对于尺寸4为42MPa(所有传统设计)。UHMWPE桩的最大变形发生在与最大应力相同的位置上并且也随着植入物的尺寸增加而增加；就尺寸2、3和4而言，最大变形值分别为0.23mm、0.27mm和0.36mm。
与尺寸3的传统植入物相比，通过修改接触面(例如前面250和表面170)的设计，最大冯米泽斯应力减少35％，降至24MPa，并且最大位移减少37％，降至0.17mm。
FE模型中的应力等值线与在取回的植入物上观察到的变形模式在性质上相一致。最大的冯米泽斯应力发生在胫骨前面的侧边缘处，在此处开始接触。在该区域应力高，因为在线间接触在该面的整个宽度上发生之前股骨凸轮在侧边缘上压凹痕。由于为了达到线间接触，股骨凸轮必须行进的距离随着从尺寸2到尺寸4而增加，侧边缘凹痕随着尺寸增加而增加，所以应力随着植入物的尺寸增加而增加。图2-10的新植入物设计中的接触开始于桩的中央处，这消除了侧边缘负载。接触面的变化也扩大了在近侧-远侧方向上的接触面积，从而产生较宽的应力分布。
如此，通过改变股骨部件110和胫骨部件200的形状来减少桩中的应力，由此减少了对桩240的损坏。根据本发明，股骨部件110的前表面170和桩240的前面250的形状被修改成当患者过度伸展他们的膝关节时产生较低的应力接触状态。这两个互补配合表面170、250之间的曲率半径错配发生在胫骨桩240的中央处，而不在桩240的侧边缘处。
因此，本发明提供了更加稳固的设计，其接触面应力较小并且作为胫骨插入件一部分的稳定桩的前面的变形较小。
如图12所示，应当理解，在一种实施方式中，胫骨桩和股骨部件髁间部分中的每个的弧形前凸轮面都可以包括沿着曲率半径形成的平坦部分。对于胫骨桩，该平坦部分沿着凸形前凸轮面形成，而对于髁间部分，该平坦部分沿着凹形前凸轮面形成。平坦部分的宽度相对小并且不会影响这两个部件的曲率半径的上述错配。平坦部分应当沿着它们各自的前凸轮面设置，使得它们在胫骨部件和股骨部件相互配合时彼此接触。如图所示，平坦部分典型地形成在每个相应的前凸轮面的中央区域中。因此，胫骨部件的前凸轮面是至少大致凸形的，因为该前凸轮面可包括沿着其曲率半径形成的小平坦部分，而股骨部件的前凸轮面因而是至少大致凹形的，因为该前凸轮面可包括沿着其曲率半径形成的小平坦部分。
但是，在其他实施方式中，如图2-11所示，平坦部分可省去。
图9和10示出了一种包括所述部件的各种曲率半径的示例性实施方式。在该例子中，股骨半径R3可为大约7.4mm且胫骨半径R4可为大约17.7mm，股骨半径R1可为大约10mm且胫骨半径R2可为大约9.5mm。但是，应当理解，这些值仅仅是示意性的而非限制性的。
本领域技术人员应当理解，本发明不限于参照附图所具体描述的实施方式；本发明仅仅通过后附的权利要求书限定。

Claims (21)

1.一种用于包括股骨部件的膝关节假体的胫骨部件，该胫骨部件包括：
具有上表面的平台，所述上表面包括沿侧向间隔开的第一凹面和第二凹面，所述第一凹面和第二凹面的每个都能够容纳所述股骨部件的一个髁部分，和
胫骨桩，所述胫骨桩用于容纳在所述股骨部件的髁间凹槽中，所述胫骨桩具有前凸轮面，该前凸轮面包括由至少大致为凸的曲率半径和垂直的凹的曲率半径限定成鞍形的区段，该区段用于与作为股骨部件一部分的互补鞍形前凸轮面配合。
2.根据权利要求1所述的胫骨部件，其中，所述前凸轮面的鞍形区段位于所述前凸轮面的下部。
3.根据权利要求2所述的胫骨部件，其中，所述鞍形区段的所述凹的曲率半径小于作为所述股骨部件的鞍形前凸轮面一部分的互补接触面的曲率半径。
4.一种用于膝关节假体的股骨部件，该股骨部件包括：
主体，该主体具有前侧、后侧、一对沿侧向间隔开的髁部分和连接所述髁部分并且包括凹槽的髁间部分，所述前侧具有凸轮面，该凸轮面由至少大致为凹的曲率半径和垂直于所述凹的曲率半径的凸的曲率半径限定以形成鞍形凸轮面。
5.一种用于膝关节假体的股骨部件，其包括：
主体，该主体具有前侧、后侧、一对沿侧向间隔开的髁部分和连接所述髁部分并且包括凹槽的髁间部分，所述前侧具有弧形凸轮面，其中，所述髁间部分具有弧形顶部，并且从所述顶部至水平面测得的所述髁间部分的角度大于25°，所述水平面平行于基准平面(地平面)。
6.根据权利5所述的股骨部件，其中，所述弧形顶部被构造成用于插入通过去除骨而在股骨中形成的弧形凹口中。
7.根据权利5所述的股骨部件，其中，所述髁间部分的角度在大约20°至大约35°之间。
8.一种膝关节假体，其包括：
股骨部件，其具有前侧、后侧、一对沿侧向间隔开的髁部分和连接所述髁部分并且包括凹槽的髁间部分；
凸轮面，其邻近所述髁间凹槽地位于所述股骨部件的前侧上，所述凸轮面具有鞍形并且由至少大致为凹的第一曲率半径和垂直于所述凹的第一曲率半径的凸的第三曲率半径限定；和
胫骨部件，其包括：具有上表面的平台，所述上表面包括沿侧向间隔开的第一凹面和第二凹面，所述第一凹面和第二凹面的每个都能够容纳所述股骨部件的一个髁部分；和胫骨桩，所述胫骨桩容纳在所述股骨部件的髁间凹槽中，所述胫骨桩具有鞍形前凸轮面，该前凸轮面与所述股骨部件的鞍形前凸轮面互补并且由至少大致为凸的第二曲率半径和垂直于所述凸的第二曲率半径的凹的第四曲率半径限定；
其中，所述胫骨部件的凸的第二曲率半径小于所述股骨部件的凹的第一曲率半径。
9.根据权利要求8所述的膝关节假体，其中，所述凸的第二曲率半径等于或小于所述凹的第一曲率半径的95％。
10.根据权利要求8所述的膝关节假体，其中，所述凸的第二曲率半径等于或小于所述凹的第一曲率半径的90％。
11.根据权利要求8所述的膝关节假体，其中，所述凸的第三曲率半径介于所述凹的第四曲率半径的大约29％至大约42％之间。
12.根据权利要求8所述的膝关节假体，其中，所述髁间部分包括弧形顶部并且具有从所述顶部至平行于名义基准平面的平面测出的大于20°的盒的角度。
13.根据权利要求8所述的膝关节假体，其中，所述胫骨桩的鞍形前凸轮面形成在所述胫骨桩的下部。
14.根据权利要求8所述的膝关节假体，其中，所述间隔开的髁部分的每个都具有一表面，该表面在前后方向上凸状地弯曲以大致符合解剖学股骨髁的侧向轮廓并且在该表面的整个前后范围中沿侧向地凸状弯曲。
15.根据权利要求8所述的膝关节假体，其中，所述胫骨桩的前凸轮面的至少大致为凸的第二曲率半径和所述股骨部件的髁间部分的至少大致为凹的第一曲率半径的每个都包括沿着所述半径形成的平坦部分，每个平坦部分被设置成使得它们在所述胫骨部件和所述股骨部件相互配合时相互接触。
16.一种膝关节假体的植入方法，其包括如下步骤：
在股骨中形成弧形凹口；
提供股骨部件，其具有前侧、后侧、一对沿侧向间隔开的髁部分和连接所述髁部分并且包括凹槽的髁间部分，所述股骨部件具有凸轮面，该凸轮面邻近所述髁间凹槽地位于所述股骨部件的前侧上，其中，所述髁间部分包括具有与所述股骨中的凹口互补的形状的弧形顶部；
通过将所述弧形顶部插入形成在所述股骨中的凹口内而使所述股骨部件与所述股骨连接；
提供胫骨部件，其包括具有上表面的平台和胫骨桩，所述上表面包括沿侧向间隔开的第一凹面和第二凹面；
将所述胫骨部件连接到胫骨上；和
通过将所述胫骨桩插入所述股骨部件的髁间凹槽中并且将所述股骨部件的髁部分容纳在所述沿侧向间隔开的第一凹面和第二凹面内而使所述胫骨部件与所述股骨部件配合。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述胫骨桩具有鞍形前凸轮面，所述前凸轮面由至少大致为凸的曲率半径和垂直于所述凸的曲率半径的凹的曲率半径限定。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述股骨部件包括凸轮面，该凸轮面邻近所述髁间凹槽地位于所述股骨部件的前侧上，所述前凸轮面具有鞍形并且由至少大致为凹的曲率半径和垂直于所述凹的曲率半径的凸的曲率半径限定。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述胫骨桩具有由凸的曲率半径限定的鞍形前凸轮面，并且所述股骨部件包括互补的鞍形凸轮面，该互补的鞍形凸轮面邻近所述髁间凹槽地位于所述股骨部件的前侧上并且由凹的曲率半径限定，所述两个鞍形凸轮面相互接触，所述胫骨桩的凸的曲率半径小于所述股骨部件的凹的曲率半径。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述凸的曲率半径等于或小于所述凹的曲率半径的95％。
21.一种膝关节假体，其包括：
股骨部件，其具有前侧、后侧、一对沿侧向间隔开的髁部分和连接所述髁部分并且包括凹槽的髁间部分；
凸轮面，其邻近所述髁间凹槽地位于所述股骨部件的前侧上，所述凸轮面由至少大致为凹的第一曲率半径限定；和
胫骨部件，其包括具有上表面的平台以及胫骨桩，所述上表面包括沿侧向间隔开的第一凹面和第二凹面，所述第一凹面和第二凹面的每个都能够容纳所述股骨部件的一个髁部分，所述胫骨桩用于容纳在所述股骨部件的髁间凹槽中，所述胫骨桩具有由至少大致为凸的第二曲率半径限定的前凸轮面；
其中，所述第一曲率半径和所述第二曲率半径彼此不同，以在所述第一曲率半径和所述第二曲率半径之间产生错配，从而促使所述胫骨部件和所述股骨部件之间的接触发生在所述胫骨桩的中央区域处而不是在所述胫骨桩的侧边缘处。
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