CN101627930B - 用于旋转平台的旋转轴线前后置换 - Google Patents

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CN101627930B CN200910160406.5A CN200910160406A CN101627930B CN 101627930 B CN101627930 B CN 101627930B CN 200910160406 A CN200910160406 A CN 200910160406A CN 101627930 B CN101627930 B CN 101627930B
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Abstract

本发明涉及用于旋转平台的旋转轴线前后置换。具体地，提供了一种膝盖置换系统，包括：股骨组件，其包括外髁突铰接部分和内髁突铰接部分；胫骨托，其包括上铰接面；以及胫骨插入物，其包括(i)用于以第一髁突停留点与外髁突铰接部分铰接的第一铰接部分，(ii)用于以第二髁突停留点与内髁突铰接部分铰接的第二铰接部分，(iii)用于与上铰接面铰接的下铰接面，和(iv)用于与胫骨托连接，并限定旋转轴线的连接件，胫骨插入物相对于胫骨托绕旋转轴线旋转，当停留轴线被投影到上铰接面上时，旋转轴线在停留轴线后侧的一位置处与上铰接面相交，停留轴线包括髁突停留点。

Description

用于旋转平台的旋转轴线前后置换
相关申请的交叉引用
本申请交叉引用以下文献：John L.Williams等人于2008年6月30日提交的名称为“Orthopaedic Femoral Component Having ControlledCondylar Curvature”的序列号为12/165,579的美国实用新型专利申请；Christel M.Wagner于2008年6月30日提交的名称为“PosteriorCruciate-Retaining Orthopaedic Knee Prosthesis Having ControlledCondylar Curvature”的序列号为12/165,574美国实用新型专利申请；Joseph G.Wyss于2008年6月30日提交的名称为“Posterior StabilizedOrthopaedic Knee Prosthesis Having Controlled Condylar Curvature”的序列号为12/165,575的美国实用新型专利申请；Joseph G.Wyss于2008年6月30日提交的名称为“Posterior Stabilized Orthopaedic Prosthesis”的序列号为12/165,582的美国实用新型专利申请；Joseph G.Wyss等人于2008年7月16日提交的名称为“Knee Prostheses with Enhanced Kinematics”的美国实用新型专利申请(代理人卷号为1671-0450)；Joseph G.Wyss于2008年6月30日提交的名称为“Orthopaedic Knee Prosthesis HavingControlled Condylar Curvature”的序列号为61/007,124的美国临时专利申请，在此以引用方式将上述专利申请的所有内容全部并入本文。本发明的原理可以与这些专利申请中公开的特征结合。
技术领域
本发明一般涉及用于人体关节的假体，更具体地涉及用于膝盖的假体。
背景技术
膝关节在动态活动中提供6自由度运动。这类活动中的一种是膝关节深度屈曲或弯曲。6自由度运动受膝关节中骨头和软组织的复杂运动或运动学的影响。大多数人能够不经思索地控制膝关节的复杂运动。缺乏有意识的控制掩饰了进行诸如膝关节的屈曲和伸展(当腿被伸直时)之类的活动需要的许多不同组件之间的错综复杂的相互作用。
膝关节包括股骨远端和胫骨近端的骨界面。髌骨位于股骨远端上方、大腿前部的长肌(四头肌)的腱之内。腱插入到胫骨结节中，髌骨的后表面是光滑的，在股骨上滑动。
给股骨配置两个大的髁间棘(eminence)(内髁和外髁)，髁间棘基本是光滑的，分别与胫骨内侧平台和外侧平台相连接。胫骨的平台基本上是光滑的，稍微呈杯状，因此提供了接收股骨髁骨的微小容器。股骨、胫骨和髌骨的复杂相互作用受到膝关节骨头结构的几何形状、半月板、通过腱的肌肉附着以及韧带的限制。膝关节的韧带包括髌骨韧带，内侧副韧带、外侧副韧带，前交叉韧带(ACL)和后交叉韧带(PCL)。膝盖的运动学进一步受到润滑关节的滑液的影响。
许多研究都针对理解当膝关节通过屈曲运动时各膝盖组件的相互作用方式。2005年2月发表于MRI，Journal of Biomechanics，Volume38，Issue 2第269-276页，P.Johal等人著作的名称为“Tibio-femoralmovement in the living knee.A study of weight bearing and non-weightbearing knee kinematics using‘interventional’的文章就报导了一个这类研究，包括图2，从图2中得出图1中以图形10列出的数据。图形10显示了在膝盖通过屈曲运动时，天然膝盖的内髁和外髁参考点相对于胫骨的位置。图形10的线12表明通过深度屈曲外髁呈现出不变的前后平移，而线14表明内髁保持在胫骨平台上大约相同的位置，直到达到约90度屈曲。屈曲超过90度后，内髁表现为前后平移。
内髁和外髁的低(相切)点不是髁突和股骨平面之间的实际接触点。实际上，这些点代表可使用荧光镜检查观察的髁突的最低部分。实际的接触点通常在距低(相切)点更为靠后的位置。不过，低(相切)点的使用为比较改变组件之间设计变量的效果提供了有效基础。
损伤或疾病会恶化骨头、关节软骨和膝盖韧带。背离膝关节正常状况的变化最终会影响天然膝盖正常起作用的能力，导致疼痛和降低的运动范围。为了改善由膝关节退化所产生的状况，已经开发出了安装到股骨和胫骨的预先准备好的端部的假体膝盖。
尽管在膝盖置换手术中可尽量避免对软组织造成损伤，但在置换一部分股骨和胫骨时会不必要地牺牲一些组织。因此，尽管个人通常已经知道如何协调肌肉纤维、韧带和腱的拉紧，以在无意识思维下提供从膝盖的当前位置到期望位置的平滑过渡，组织的牺牲改变了膝盖的物理性质。因此，当用假体置换膝盖时，用来引起健康膝盖或者甚至是术前膝盖中诸如屈曲和伸展类的运动的软组织的构造不会获得相同效果。此外，软组织的牺牲导致膝关节稳定性的降低。
为了补偿对软组织损伤造成的稳定性的损失，已经开发出四类普通型移植。在一个方法中，PCL被保留。当PCL被保留时，病人经常在深度膝盖弯曲运动中会遇到股骨的外髁和胫骨之间的接触点的不自然的(相互对抗的)前向平移。当膝盖通过屈曲运动时，股骨不是向后滚动或滑动，而是沿胫骨平台向前滑动。相互对抗的前向平移通常在屈曲达30度和40度之间时开始，不过也可以在达到约120度时开始。所产生的关节稳定性的损失可能在日常生活的某些活动中加速磨损，引起不稳定感，导致异常的膝关节运动(运动学)，和/或导致四头肌的动态力矩臂降低，需要提高控制运动的力。
作为例子，图2描绘了现有技术中典型的股骨组件20试图模仿天然膝盖形状的矢状(sagittal)视图。股骨组件20包括通常在线24前侧的伸展区22和在线24后侧的屈曲区26。伸展区22由大的曲率半径(Rc)28形成，而小的Rc 30用于屈曲区26的后侧部分，以便适合关节空间，同时提供尽可能多的屈曲。改变曲率半径长度的同时，曲率半径的原点从Rc 28的原点32变成Rc 30的原点34。
在图3的平移曲线图40中显示了使用现有技术中典型股骨组件进行的深度膝盖弯曲模拟的结果，屈曲区中的髁突表面由减小的曲率半径限定，图3显示了在装置通过屈曲运动时(x轴)在胫骨组件上内髁和外髁接触胫骨组件的位置(y轴)。该模拟是在可从BiomechanicsResearch Group，Inc.of San Clemente，California购买、名称为LifeMOD/KneeSIM的多体动态程序上进行的。模型包括股骨-胫骨、髌骨-股骨接触、被动软组织和主动肌肉单元。
曲线图40中的线42和44分别显示了估计的外髁表面和内髁表面的低(相切)点。两条线42和44一开始在0度屈曲和约30度屈曲之间向后行进(从图3中看向下)。这表明在屈曲角增加时股骨组件在胫骨组件上向后滚动。超过约30度屈曲后，所估计的外髁低(相切)点线42稍微向前浮动了约5mm平移，而所估计的内髁低(相切)点线44快速向前运动。两个表面在前侧方向上的运动表明超过约30度后出现相互对抗的前侧平移。将超过30度屈曲的线42，44和图1的线12和14进行比较，揭示了天然膝盖和模仿天然膝盖几何形状的置换膝盖之间在运动学上的显著不一致。
此外，返回图2，当股骨组件20屈曲时，以致在由Rc 28限定的髁突表面上产生与胫骨部件(未显示)的接触，软组织施加在膝盖上的力被协调以部分基于Rc 28的长度和原点32提供平滑运动。当股骨组件20运动通过髁突表面从Rc 28过渡到Rc 30的角度时，膝盖可能一开始会被控制，就像会继续沿Rc 28运动一样。在股骨组件20继续运动时，膝盖的实际构造与接触胫骨组件(未显示)的表面仍由Rc 28限定时所实现的构造背离。当感测到该背离时，认为软组织的力正被快速重新配置为适于沿原点34的Rc 30所限定的表面运动的构造。构造的突然变化会造成不稳定感，认为天然膝盖不会发生这种突然变化。
而且，Andriacchi，T.P.，The Effect of Knee Kinematics，Gait andWear on the Short and Long-Term Outcomes of Primary Total KneeReplacement，NIH Consensus Development Conference on Total KneeReplacement，pages 61-62，(Dec 8-10，2003)报道了在天然膝盖中，0到120度之间的屈曲伴随着股骨相对于胫骨外旋近似10度，而从120度屈曲到150度屈曲要求再外旋20度。因此，在0度和120度屈曲之间，外旋/屈曲度的初始比率表现为约0.008度，在120度和150度屈曲之间该外旋/屈曲度比率增加至0.67度。
所报道的天然膝盖的外旋得到图1中数据的支持。具体地，在屈曲约9度和90度之间时，线12的斜率持续下降，表明外髁表面的最低点正持续向后侧行进。而线14从约9度屈曲到90度屈曲时向前侧运动。因此，假设该差异只是由于外旋造成的，则在膝盖从约9度屈曲运动到约90度屈曲的过程中，股骨组件在向外旋转。超过90度屈曲，线12和14显示出两个髁突表面都向后侧运动。而外髁表面在后侧方向上正以更快的速度运动。因此，超过90度，线12和14之间的间隙继续扩大，表明出现了膝盖额外的外旋。
图4显示了在产生图3结果的测试中，胫骨相对于股骨的内旋(从建模角度讲，与股骨相对于胫骨的外旋相同，两者在本文中都标记为
Figure G2009101604065D00041
图形50包括线52，线52表明当所测试的组件被操纵到130度屈曲时，
Figure G2009101604065D00042
达到约7度的最大值。在约0度屈曲和120度屈曲之间，
Figure G2009101604065D00051
从1度变化为0度，内旋/屈曲度的变化率为-0.05度。在约20度屈曲和50度屈曲之间，内旋从0度变化为1度，内旋/屈曲度的变化率为0.03度。在约50度和130度之间，图形50表现为几乎线性的增长，内旋转从约1度增加到约7度，内旋/屈曲度的变化率为0.075度。因此，并入现有技术的股骨组件的膝关节的
Figure G2009101604065D00052
与天然膝盖的
Figure G2009101604065D00053
显著不同。
已经进行了旨在提供与天然膝盖更类似运动学的各种尝试。例如，一种移植类型中前向平移的相互对抗的问题通过牺牲PCL，依赖关节几何形状来提供稳定性来寻求解决。在另一种移植类型中，移植受到限制。即，在股骨组件和胫骨组件之间使用实际的连杆。在另一种移植类型中，用股骨组件上的凸轮和胫骨组件上的杆来置换PCL。
复制天然膝盖运动学的另一种尝试涉及使用胫骨插入物，该胫骨插入物被配置成在胫骨平台上旋转。旋转的胫骨插入物通常被称作旋转平台(RP)设计。RP设计所表现出来的一种优势是屈曲-伸展与
Figure G2009101604065D00054
的分离。认为该分离可降低组件的总磨损。胫骨平台上胫骨插入物的旋转轴线(RP轴)通常被位于与胫骨-股骨停留点(当关节处于完全伸展时，胫骨组件的低点或相切点)一致的位置以及在前向方向上从胫骨-股骨停留点移离的位置之间。
需要一种能更接近地复制天然膝盖的内在稳定性和运动学(例如通过管理
Figure G2009101604065D00055
)的膝盖假体。还需要一种管理同时允许股骨组件在胫骨平台上作可接受回滚(rollback)的膝盖假体。
发明内容
在一个实施例中具有增强运动学性能的膝盖置换系统包括股骨组件，其包括外髁突铰接部分和内髁突铰接部分；胫骨托，其包括上铰接面；和胫骨插入物，其包括(i)用于以第一髁突停留点与所述外髁突铰接部分铰接的第一铰接部分，(ii)用于以第二髁突停留点与所述内髁突铰接部分铰接的第二铰接部分，(iii)用于与所述上铰接面铰接的下铰接面，和(iv)用于与所述胫骨托连接并限定旋转轴线的连接件，所述胫骨插入物相对于所述胫骨托绕所述旋转轴线旋转，当所述停留轴线被投影到所述上铰接面上时，所述旋转轴线在停留轴线后侧的一位置处与所述上铰接面相交，所述停留轴线包括所述第一髁突停留点和所述第二髁突停留点。
在又一实施例中，一种假体关节包括：股骨组件，其包括外髁突铰接部分和内髁突铰接部分；胫骨托，其包括上铰接面；和胫骨插入物，其包括(i)用于与所述外髁突铰接部分铰接的第一铰接部分，(ii)用于与所述内髁突铰接部分铰接的第二铰接部分，(iii)用于与所述上铰接面铰接的下铰接面，和(iv)用于限定旋转轴线的枢轴，所述胫骨插入物相对于所述胫骨托绕所述旋转轴线旋转，当所述中心线被投影到所述上铰接面上时，所述旋转轴线在胫骨插入物中心线外侧一位置处与所述上铰接面相交。
在又一实施例中，一种假体关节包括：股骨组件，其包括外髁突铰接部分和内髁突铰接部分；胫骨托，其包括上铰接面；和胫骨插入物，其包括(i)用于以第一髁突停留点与所述外髁突铰接部分铰接的第一铰接部分，(ii)用于以第二髁突停留点与所述内髁突铰接部分铰接的第二铰接部分，(iii)用于与所述上铰接面铰接的下铰接面，和(iv)用于与所述胫骨托连接并限定旋转轴线的连接件，所述胫骨插入物相对于所述胫骨托绕所述旋转轴线旋转，当所述停留轴线被投影到所述上铰接面上时，所述旋转轴线在停留轴线后侧的一位置处与所述上铰接面相交，所述停留轴线包括所述第一髁突停留点和所述第二髁突停留点。
通过参见下述详细描述和附图，上述特征和优点及其它特征和优点对于本领域技术人员是显而易见的。
附图说明
图1显示了天然膝盖在深度膝盖弯曲过程中内髁和外髁在胫骨组件上的参考点位置的图形；
图2描绘了现有技术的假体股骨组件的矢状(sagittal)视图，在该组件的后侧部分具有降低的曲率半径；
图3以图形形式显示了模拟结果，该图形为估计的股骨组件的内髁和外髁在胫骨组件上的低(相切)点的位置，表明在约30度-35度屈曲时开始出现相互对抗的前侧平移；
图4显示针对图3的模拟，胫骨组件相对于股骨组件的内旋；
图5描绘了现有技术的膝盖假体的展开透视图，包括带旋转平台的股骨和胫骨，旋转平台的旋转轴线位于停留点前侧；
图6描绘了图5的现有技术膝盖假体的矢状图，显示了位于旋转轴线后侧的髁突停留点；
图7描绘了图5现有技术膝盖假体的胫骨插入物投影到图5的现有技术膝盖假体的胫骨托的铰接表面上的停留轴线和中心线的俯视平面图；
图8描绘了具有连接件的图5的现有技术膝盖假体的胫骨托透视图，该连接件限定胫骨支承插入物的旋转轴线；
图9显示了用反向工程化(reverse engineered)数据建模的现有技术膝盖置换系统的深度膝盖弯曲模拟结果的图形；
图10显示在图9的深度膝盖弯曲模拟过程中胫骨相对于股骨组件的内-外旋(
Figure G2009101604065D00071
)以及胫骨支承插入物相对于胫骨旋转的图形；
图11显示了使用被改造为具有胫骨支承插入物旋转轴线的图9现有技术膝盖置换系统的深度膝盖弯曲模拟结果的图形，图中胫骨支承插入物位于系统停留点前侧0.2英寸处；
图12显示在图11的深度膝盖弯曲模拟过程中胫骨相对于股骨组件的内-外旋(
Figure G2009101604065D00072
)以及胫骨支承插入物相对于胫骨旋转的图形；
图13显示使用被改造为具有胫骨支承插入物旋转轴线的图9的现有技术膝盖置换系统的深度膝盖弯曲模拟结果的图形，图中胫骨支承插入物位于系统停留点处；
图14显示在图13的深度膝盖弯曲模拟过程中胫骨相对于股骨组件的内-外旋()以及胫骨支承插入物相对于胫骨旋转的图形；
图15显示使用被改造为具有胫骨支承插入物旋转轴线的图9的现有技术膝盖置换系统的深度膝盖弯曲模拟结果的图形，图中胫骨支承插入物位于该系统的停留点后侧0.5英寸处；
图16显示在图15的深度膝盖弯曲模拟过程中胫骨相对于股骨组件的内-外旋(
Figure G2009101604065D00074
)以及胫骨支承插入物相对于胫骨旋转的图形；
图17显示使用与图9的现有技术膝盖置换系统不同、被改造为具有胫骨支承插入物旋转轴线的深度膝盖弯曲模拟结果的图形，胫骨支承插入物位于该系统的停留点前侧0.317英寸处；
图18显示在图17的深度膝盖弯曲模拟过程中胫骨相对于股骨组件的内-外旋(
Figure G2009101604065D00075
)以及胫骨支承插入物相对于胫骨旋转的图形；
图19显示使用图17的膝盖置换系统，并将其改造为具有胫骨支承插入物旋转轴线的深度膝盖弯曲模拟结果的图形，胫骨支承插入物位于该系统的停留点处；
图20显示在图19的深度膝盖弯曲模拟过程中胫骨相对于股骨组件的内-外旋(
Figure G2009101604065D00081
)以及胫骨支承插入物相对于胫骨旋转的图形；
图21显示使用被改造为具有胫骨支承插入物旋转轴线的图17的膝盖置换系统的深度膝盖弯曲模拟结果的图形，图中胫骨支承插入物位于该系统的停留点外侧0.317英寸处；
图22显示在图21的深度膝盖弯曲模拟过程中胫骨相对于股骨组件的内-外旋(
Figure G2009101604065D00082
)以及胫骨支承插入物相对于胫骨旋转的图形；
图23显示使用被改造为具有胫骨支承插入物旋转轴线的图17的膝盖置换系统的深度膝盖弯曲模拟结果的图形，图中胫骨支承插入物位于该系统的停留点内侧0.717英寸处；
图24显示在图23的深度膝盖弯曲模拟过程中胫骨相对于股骨组件的内-外旋(
Figure G2009101604065D00083
)以及胫骨支承插入物相对于胫骨旋转的图形；
图25显示使用被改造为具有胫骨支承插入物旋转轴线的图17的膝盖置换系统的深度膝盖弯曲模拟结果的图形，图中胫骨支承插入物位于该系统的停留点后侧0.317英寸处；
图26显示在图25的深度膝盖弯曲模拟过程中胫骨相对于股骨组件的内-外旋()以及胫骨支承插入物相对于胫骨旋转的图形；
图27显示使用被改造为具有胫骨支承插入物旋转轴线的图17的膝盖置换系统的深度膝盖弯曲模拟结果的图形，图中胫骨支承插入物位于该系统的停留点后侧0.317英寸、胫骨支承插入物的中心线外侧0.317英寸处；
图28显示在图27的深度膝盖弯曲模拟过程中胫骨相对于股骨组件的内-外旋(
Figure G2009101604065D00085
)以及胫骨支承插入物相对于胫骨旋转的图形；
图29显示使用被改造为具有胫骨支承插入物旋转轴线的图17的膝盖置换系统的深度膝盖弯曲模拟结果的图形，图中胫骨支承插入物位于该系统的停留点后侧0.317英寸、胫骨支承插入物的中心线内侧0.317英寸处；
图30显示在图29的深度膝盖弯曲模拟过程中胫骨相对于股骨组件的内-外旋(
Figure G2009101604065D00086
)以及胫骨支承插入物相对于胫骨旋转的图形；
图31描绘包括带旋转平台的股骨组件和胫骨组件的膝盖置换系统的放大透视图，旋转平台的旋转轴线根据本发明的原理进行定位；以及
图32描绘图31的膝盖假体的胫骨插入物投影到图31的膝盖假体的胫骨托的关节面上的停留轴线和中心线的俯视平面图。
具体实施方式
图5描绘并入已知特征的膝盖置换系统100。膝盖置换系统100包括胫骨托102，胫骨支承插入物104和具有两个股骨髁突单元108、110的股骨组件106。胫骨托102包括用于将胫骨托102附连到病人胫骨的下部杆112以及用于接收胫骨支承插入物104的上部平台114。
胫骨支承插入物104包括下胫骨托接触面118和上胫骨托支承面120。上胫骨托支承面120包括被配置为与股骨髁突单元108、110连接的支承面122、支承面124。脊状物126从支承面122和支承面124之间向上延伸。连接件128从下胫骨托接触面118向下延伸。
股骨组件106被配置为附连到病人的胫骨。滑槽(trochleargroove)130形成于股骨髁突单元108和110之间，在此实施例中是对称的。滑槽130为髌骨组件(未显示)提供连接面。凸轮室132位于股骨髁突单元108的后侧部分134和股骨髁突单元110的后侧部分136之间。两个钉子138和140用来将股骨组件106安装到病人的胫骨上。
图6描绘了通过凸轮室132截取的股骨组件106的横截面视图和胫骨支承插入物104的侧平面图。前凸轮142和后凸轮144位于凸轮室136内。脊状物126包括前凸轮部146和后凸轮部148。前凸轮142配备有前凸轮部146，以在如图6所示的伸展中，股骨组件106位于胫骨支承插入物104上时，防止出现不期望的向后滑动。
在图6中以全部展开方式绘出了股骨组件106。股骨组件106的低点或相切点被标记为髁突停留点150。用于髁突单元110的髁突停留点150和髁突停留点152在图7中显示为投影到上平台上，限定停留轴线154。停留轴线154在本文中定义为“停留点”158，在这点上与上胫骨托支承面120的中心线156交叉。停留点158位于连接件116后侧，与连接件128一起限定胫骨支承插入物104的旋转轴线160(见图8)。旋转轴线160位于停留点158前侧。
对类似于膝盖置换系统100的现有技术的装置进行深度膝盖弯曲模拟。现有技术的装置是可从Zimmer，Inc.，of Warsaw Indiana购买的
Figure G2009101604065D00101
LPS-flex旋转平台全膝系统。为进行模拟而模型化的现有技术装置的设计参数通过反向工程(reverse engineering)得到。使用上述的LifeMOD/KneeSIM version 2007.1.0 Beta 12 and later(LMKS)动态程序进行模拟。LMKS被配置为将MCL，LCL以及囊组织模型化为线性弹簧，允许髌骨腱和韧带缠绕在植入物上。
当463N的恒定垂直负载施加在臀部上时，臀部和踝关节的屈曲/伸展，踝关节的外展/内收，内翻/外翻及轴向旋转不受约束。用闭环控制器将张力施加到四头肌和后腿腱肌肉以匹配预定的膝盖-屈曲伸展轮廓。现有技术装置的设计参数被输入到模型中，并经过一个周期高达约150度屈曲的深度膝盖弯曲。
组件被定位成使与腿的机械轴和膝盖原始关节线一起排列在矢状平面上的胫骨-股骨接触面的插入物的停留点恢复。在矢状平面中全伸展时髌骨韧带角是通过将髌骨组件放置在中心在股骨组件的滑槽内的适当的上-下位置确定的，冠状面内的髌骨韧带是通过使用LMKS的默认设置确定的，导致在膝盖全伸展时在冠状面内约12度的Q角。股直肌的冠状角在全伸展时距腿在全伸展时的垂直机械轴约为7度，全伸展时的冠状髌骨韧带角约5度。
上述限定的建模情形的结果在本文后面部分称为“LMKS建模结果”，包括最靠近胫骨托的股骨外侧和内侧髁突最低部分的前后位置，这些位置是相对于停留点记录的。此外，胫骨相对于股骨的旋转以及胫骨插入物相对于胫骨托的旋转是采用Grood & Suntay协调系统报告的。讨论如图9-16中所示现有技术装置的LMKS建模结果时，将引用膝盖置换系统100的对应组件的附图标记，髁突108被指定为内髁，髁突110被指定为外髁。
图9中显示了用于模拟股骨组件106在胫骨支承插入物104上的LMKS建模结果，其中图形170包括线172和174，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108在胫骨支承插入物104上的低(相切)点。图形170还包括线176和178，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108相对于胫骨托102的低(相切)点。线172，174，176和178的较低部分是在组件运动到屈曲时产生的。
图形170大致显示了股骨组件106正在胫骨支承插入物104上向后运动或者“向后滚”，直到达到约20度屈曲，再次从约90度屈曲到150屈曲。外髁面110和内髁面108的回滚量不相同。这种差别表明股骨组件106正在旋转。该结论可得到图10中图形180所示的股骨组件106在胫骨支承插入物104上的LMKS建模结果的支持，其中图形180的线182标记了股骨组件106相对于胫骨的线182揭示了在0度屈曲和100度屈曲之间，股骨组件106相对于胫骨的稳定地增加到约3.5度。
图形180还包括线184，线184标记了胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转。与线182相比，线184揭示了在0度屈曲和90度屈曲之间，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转稳定地降低到约-2.5度，表明在约90度屈曲和约110度屈曲之间，股骨组件106和胫骨支承插入物104之间旋转的最大差约为5度。
用于前述建模情形的现有技术系统的反向工程表明现有技术装置的胫骨支承插入物104的旋转轴线160位于停留点158前侧0.5英寸(“0.5A配置”)。然后将现有技术装置的模型修改为将胫骨支承插入物104的旋转轴线160放置在停留点158前侧0.2英寸(“0.2A配置”)。在图11中显示了0.2A配置的LMKS建模结果，其中图形190包括线192和194，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108在胫骨支承插入物104上的低(相切)点。图形190还包括线196和198，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108相对于胫骨托102的低(相切)点。线192，194，196和198的较低部分是在组件运动到屈曲时产生的。
图形190大致显示了股骨组件106正在胫骨支承插入物104上向后运动或“向后滚”，直到达到约20度屈曲，再次从90度屈曲到150度屈曲。0.2A配置表现出来的回滚与0.5A配置所表现出来的基本相同。
图12的图形200包括线202，线202标记了股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00113
线202揭示了在0度屈曲和约100度屈曲之间，股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00114
稳定增加到超过4度。图形200还包括线204，线204标记了胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转。线204揭示了在0度屈曲和约20度屈曲之间，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转稍微降低，之后通过约120度的屈曲，稳定增加。因此，在90度屈曲时，股骨组件106和胫骨支承插入物104之间旋转的最大差被降低到小于4度。
然后将现有技术装置的模型改造成将胫骨支承插入物104的旋转轴线160设置在停留点158(“0.0配置”)。在图13中显示了0.0A配置的LMKS建模结果，其中图形210包括线212和214，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108在胫骨支承插入物104上的低(相切)点。图形210还包括线216和218，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108相对于胫骨托102的低(相切)点。线212，214，216和218的较低部分是在组件运动到屈曲时产生的。
图形210大致显示了股骨组件106正在胫骨支承插入物104上向后运动或“向后滚”，直到达到约20度屈曲，再次从90度屈曲到150度屈曲。0.0A配置表现出来的回滚与0.5A配置所表现出来的基本相同。
图14的图形220包括线222，线222标记了股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00121
线222揭示了在0度屈曲和约100度屈曲之间，股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00122
稳定增加到超过4度。图形220还包括线224，线224标记了胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转。线224揭示了在0度屈曲和约20度屈曲之间，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转稍微降低，之后通过约120度屈曲，稳定增加。因此，在90度屈曲时，股骨组件106和胫骨支承插入物104之间旋转的最大差被降低到小于2.5度。在随后的周期中，旋转的最大差保持大约相同，但线224与线222更为一致。
然后将现有技术装置的模型改造成将胫骨支承插入物104的旋转轴线160设置在停留点158的后侧0.5英寸处(“0.5P配置”)。在图15中显示了0.5A配置的LMKS建模结果，其中图形230包括线232和234，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108在胫骨支承插入物104上的低(相切)点。图形230还包括线236和238，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108相对于胫骨托102的低(相切)点。线232，234，236和238的较低部分是在组件运动到屈曲时产生的。
图形230大致显示了股骨组件106正在胫骨支承插入物104上向后运动或“向后滚”，直到达到约20度屈曲，再次从90度屈曲到150度屈曲。0.5P配置表现出来的回滚与0.5A配置所表现出来的基本相同。
图16的图形240包括线242，线242标记了股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00131
线242揭示了在0度屈曲和约100度屈曲之间，股骨组件106相对于胫骨的稳定增加到将近6度。图形240还包括线244，线244标记了胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转。线244揭示了在0度屈曲和约10度屈曲之间，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转稍微降低，之后通过约120度屈曲，稳定增加。因此，在约95度屈曲时，股骨组件106和胫骨支承插入物104之间旋转的最大差被降低到刚好超过1度。在随后的周期中，线244与线242非常接近地一致。在0.5P配置中当关节朝屈曲位置时行进时，线244在线242之上的偏移比0.0配置中线224在线222之上的偏移大一点儿。
因此，图9-16显示了当旋转轴线160向后运动时，可实现股骨组件106相对于胫骨托102的旋转和胫骨支承插入物104相对于胫骨托102的旋转之间的保真度增加。此外，股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00133
增加了一倍之多。
通过使用不同配置的膝盖置换系统进行一系列附加的建模情形实现了对本文列出的原理的校验。在讨论对图17-30所示的不同配置的装置的LMKS建模结果时，将引用膝盖置换系统100的对应组件的附图标记。
以胫骨支承插入物104的旋转轴线160在中心线156和停留点158前侧0.317(“0/0.317A配置”)英寸处来建立不同配置的装置模型。在图17中显示了0/0.317A配置的LMKS建模结果，其中图形250包括线252和254，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108在胫骨支承插入物104上的低(相切)点。图形210还包括线216和218，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108在胫骨支承插入物104上的低(相切)点。图形250还包括线256和258，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108相对于胫骨托102的低(相切)点。线252，254，256和258的较低部分是在组件运动到屈曲时产生的。
图形250大致显示了股骨组件106正在胫骨支承插入物104上向后运动或“向后滚”，直到达到约30度屈曲，再次从105度屈曲到130度屈曲。
图18的图形260包括线262，线262标记了股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00141
线262揭示了在0度屈曲和约120度屈曲之间，股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00142
稳定增加到刚刚超过5度。图形260还包括线264，线264标记了胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转。线264揭示了在0度屈曲和约70度屈曲之间，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转稳定降低，之后通过约130度屈曲，达到相对恒定的旋转角。因此，在约120度屈曲时，股骨组件106和胫骨支承插入物104之间旋转的最大差不断地被增大到约10度。在随后的周期中，最大差约为10度。
然后将不同配置装置的模型改造成将胫骨支承插入物104的旋转轴线160设置在停留点158的中心线上(“0/0配置”)。在图19中显示了0/0配置的LMKS建模结果，其中图形270包括线272和274，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108在胫骨支承插入物104上的低(相切)点。图形270还包括线276和278，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108相对于胫骨托102的低(相切)点。线272，274，276和278的较低部分是在组件运动到屈曲时产生的。
图形270大致显示了股骨组件106正在胫骨支承插入物104上向后运动或“向后滚”，直到达到约30度屈曲，再次从95度屈曲到130度屈曲。0.0A配置表现出来的回滚与0/0.317A配置所表现出来的基本相同，不过第二回滚事件出现在较早的屈曲角。
图20的图形280包括线282，线282标记了股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00143
线282揭示了在0度屈曲和约130度屈曲之间，股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00144
稳定增加到超过7度。图形280还包括线284，线284标记了胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转。线284揭示了在0度屈曲和约65度屈曲之间，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转稳定降低，之后通过约105度屈曲，稳定增加。因此，在约65度屈曲时，股骨组件106和胫骨支承插入物104之间旋转的最大差被降低到约8度，在约130度屈曲时稍微大于8度。在随后的周期中，65度时的最大差被降低到约为5度，而130度时的最大差保持在稍微大于8度。
然后将不同配置装置的模型改造成将胫骨支承插入物104的旋转轴线160设置在中心线156外侧0.317英寸处，并在停留轴线154上(“0.317L/0配置”)。在图21中显示了0.317L/0配置的LMKS建模结果，其中图形290包括线292和294，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108在胫骨支承插入物104上的低(相切)点。图形290还包括线296和298，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108相对于胫骨托102的低(相切)点。线292，294，296和298的较低部分是在组件运动到屈曲时产生的。
图形290大致显示了股骨组件106正在胫骨支承插入物104上向后运动或“向后滚”，直到刚好超过约30度屈曲，再次从95度屈曲到130度屈曲。0.317L/0配置表现出来的回滚与0/0.317A配置所表现出来的类似。
图22的图形300包括线302，线302标记了股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00151
线302揭示了在0度屈曲和约130度屈曲之间，股骨组件106相对于胫骨的稳定增加到超过11度。图形300还包括线304，线304标记了胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转。线304揭示了在0度屈曲和约110度屈曲之间，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转稳定增大到约8度，之后在130度屈曲时下降到约7度。因此，在约65度屈曲时，股骨组件106和胫骨支承插入物104之间旋转的最大差被降低到约8度，在约130度屈曲时稍微大于8度。因此，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转稍微大于或等于股骨组件106通过约100度屈曲时的
Figure G2009101604065D00153
股骨组件106和胫骨支承插入物104之间的旋转最大差在130度屈曲时刚好超过5度。在随后的周期中，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转的最大差稍微增加，使交叉点逼近约115度屈曲，在130度屈曲时，股骨组件106和胫骨支承插入物104之间旋转的最大差约为4度。
然后将不同配置装置的模型改造成将胫骨支承插入物104的旋转轴线160设置在中心线156内侧0.317英寸处，并且在停留轴线154上(“0.317M/0配置”)。在图23中显示了0.317M/0配置的LMKS建模结果，其中图形310包括线312和314，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108在胫骨支承插入物104上的低(相切)点。图形310还包括线316和318，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108相对于胫骨托102的低(相切)点。线312，314，316和318的较低部分是在组件运动到屈曲时产生的。
图形310大致显示了股骨组件106的外髁面110正在胫骨支承插入物104上向后运动或“向后滚”，直到达到约65度屈曲，而内髁面108表现为后滚到约35度屈曲。从约105度屈曲到130度屈曲，股骨组件106表现出另外的回滚。
图24的图形320包括线322，线322标记了股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00161
线302揭示了在0度屈曲和约115度屈曲之间，股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00162
稳定增加到刚好低于5度。图形320还包括线324，线324标记了胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转。线324揭示了在0度屈曲和约50度屈曲之间，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转稳定增大，之后通过130度屈曲时达到相对恒定的约-5度的旋转。因此，在约130度屈曲时，股骨组件106和胫骨支承插入物104之间旋转的最大差约为11度。在随后的周期中，旋转的最大差也约为11度。
然后将不同配置装置的模型改造成将胫骨支承插入物104的旋转轴线160设置在中心线156上，停留轴线154后侧0.317英寸处(“0/0.317P配置”)。在图25中显示了0/0.317P配置的LMKS建模结果，其中图形330包括线332和334，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108在胫骨支承插入物104上的低(相切)点。图形330还包括线336和338，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108相对于胫骨托102的低(相切)点。线332，334，336和338的较低部分是在组件运动到屈曲时产生的。
图形330大致显示了股骨组件106正在胫骨支承插入物104上向后运动或“向后滚”，直到达到约35度屈曲，再次从95度屈曲到130度屈曲。
图26的图形340包括线342，线342标记了股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00163
线342揭示了在0度屈曲和约130度屈曲之间，股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00164
稳定增加到几乎为9度。图形340还包括线344，线344标记了胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转。线344揭示了在0度屈曲和约55度屈曲之间，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转稍微降低，之后通过105度屈曲时稳定增大，之后旋转稳定降低。因此，在约130度屈曲时，股骨组件106和胫骨支承插入物104之间旋转的最大差约为9度。在随后的周期中，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转保持约为3度，直到达到100度屈曲，在这点上，旋转角降低到约0度。因此，在随后的周期中在130度屈曲时，内髁面108和胫骨支承插入物104之间旋转的最大差约为9度。
然后将不同配置装置的模型改造成将胫骨支承插入物104的旋转轴线160设置在中心线156外侧0.317英寸，停留轴线154后侧0.317英寸处(“0.317L/0.317P配置”)。在图27中显示了0.317L/0.317P配置的LMKS建模结果，其中图形350包括线352和354，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108在胫骨支承插入物104上的低(相切)点。图形350还包括线356和358，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108相对于胫骨托102的低(相切)点。线352，354，356和358的较低部分是在组件运动到屈曲时产生的。
图形350大致显示了股骨组件106正在胫骨支承插入物104上向后运动或“向后滚”，直到达到约40度屈曲，再次从95度屈曲到130度屈曲。
图26的图形360包括线362，线362标记了股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00171
线362揭示了在0度屈曲和约130度屈曲之间，股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00172
稳定增加到约为11度。图形360还包括线364，线364标记了胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转。线364揭示了在0度屈曲和约110度屈曲之间，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转稳定增大到约10度旋转，之后通过130度屈曲时稍微降低。
因此，股骨组件106相对于胫骨的旋转大于股骨组件106的
Figure G2009101604065D00173
直到达到约120度屈曲，在60度屈曲时，股骨组件106和胫骨支承插入物104之间旋转的最大差约为3度。在随后的周期中，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转通常较高，在约60度屈曲时，股骨组件106和胫骨支承插入物104之间旋转的最大差约为6度。
然后将不同配置装置的模型改造成将胫骨支承插入物104的旋转轴线160设置在中心线156内侧0.317英寸，停留轴线154后侧0.317英寸处(“0.317M/0.317P配置”)。在图29中显示了0.317M/0.317P配置的LMKS建模结果，其中图形370包括线372和374，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108在胫骨支承插入物104上的低(相切)点。图形370还包括线376和378，这两条线分别显示了估计的股骨组件106的外髁面110和内髁面108相对于胫骨托102的低(相切)点。线372，374，376和378的较低部分是在组件运动到屈曲时产生的。
图形370大致显示了股骨组件106的外髁面110正在胫骨支承插入物104上向后运动或“向后滚”，直到达到约60度屈曲，而内髁面108回滚到约20度屈曲。股骨组件106表现出从约100度屈曲后滚到约130度屈曲。
图30的图形380包括线382，线382标记了股骨组件106相对于胫骨的
Figure G2009101604065D00181
线382揭示了在0度屈曲和约130度屈曲之间，股骨组件106相对于胫骨的稳定增加到将近6度。图形380还包括线364，线384标记了胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转。线384揭示了在0度屈曲和约50度屈曲之间，胫骨支承插入物104相对于胫骨的旋转持续降低到约-5度，之后通过约130度屈曲时稍微增大。因此，在130度屈曲时，股骨组件106和胫骨支承插入物104之间旋转的最大差约为9度。在随后的周期中，在早期屈曲中该差较小。
因此，图17-30证明了可以用旋转平台系统的旋转轴线的位置来管理平台旋转和系统的股骨组件的
Figure G2009101604065D00183
之间的一致性。此外，可以用旋转轴线的位置来管理旋转平台系统的回滚和旋转特性。
根据本发明原理的一个实施例的系统示于图31中。膝盖置换系统400包括胫骨托402，胫骨支承插入物404和具有两个股骨髁突单元408和410的股骨组件406。胫骨托402包括用于将胫骨托402附连到病人胫骨的下部杆412和用于与404铰接的上部平台414。连接件416位于上部平台414上。
胫骨托404包括下胫骨托接触面418和上胫骨支承面420。上胫骨支承面420包括被配置为与股骨髁突单元408和410铰接的内支承面422和外支承面424。脊状物426从支承面422和支承面424之间向上延伸。枢轴428从胫骨托接触面418向下延伸。股骨组件406可基本与股骨组件106类似，在本文不再进行讨论。
进一步参见图32，示出了投影到上部平台414并限定停留点438的停留轴线430，髁突停留点432、434和胫骨支承插入物404的中心线436。在此实施例中连接件416被定位成限定旋转轴线440，旋转轴线440位于投影的停留轴线430后侧、投影的中心线436外侧。在一个实施例中，旋转轴线438位于外、后侧，距停留点在约0.2英寸到0.5英寸之间。在又一实施例中，旋转轴线438位于投影停留轴线430后侧0.317英寸、投影中心线436外侧0.317英寸处。
尽管已经通过描述示例性过程和系统组件描述了本发明，并且尽管相当详细地描述了各过程和组件，但申请人并不旨在限制或以任何方式将所附权利要求的范围局限为这些细节。对本领域技术人员而言，附加优点和改进也是显而易见的。因此，本发明在最宽泛方面并不局限于具体细节，实施方式或所示和所描述的示例性例子。作为例子，旋转轴线的定位适用于在没有ACL情况下的交叉保持和交叉牺牲设计(cruciate-retaining and cruciate-sacrificing designs)。因此，在不偏离本发明一般思想的精神或范围情况下，从这些细节中可进行变化。作为例子但并不作为限制，本文所描述的系统可应用于除膝盖之外的其它关节。

Claims (13)

1.一种膝盖置换系统，包括：
股骨组件，其包括外髁突铰接部分和内髁突铰接部分；
胫骨托，其包括上铰接面；和
胫骨插入物，其包括(i)用于以第一髁突停留点与所述外髁突铰接部分铰接的第一铰接部分，(ii)用于以第二髁突停留点与所述内髁突铰接部分铰接的第二铰接部分，(iii)用于与所述上铰接面铰接的下铰接面，和(iv)用于与所述胫骨托连接并限定旋转轴线的连接件，所述胫骨插入物相对于所述胫骨托绕所述旋转轴线旋转，所述旋转轴线相对于所述胫骨托和所述胫骨插入物固定，使得当包括所述第一髁突停留点和所述第二髁突停留点的停留轴线被投影到所述上铰接面上时，所述旋转轴线在所述停留轴线后侧的位置处与所述上铰接面相交。
2.根据权利要求1所述的膝盖置换系统，其中当所述胫骨插入物中心线投影到所述上铰接面上时，所述旋转轴线与胫骨插入物中心线相交。
3.根据权利要求2所述的膝盖置换系统，其中在被投影的胫骨插入物中心线和被投影的停留轴线的相交点后侧0.2英寸和0.5英寸之间的位置处，所述旋转轴线与所述胫骨插入物中心线相交。
4.根据权利要求3所述的膝盖置换系统，其中在被投影的胫骨插入物中心线和被投影的停留轴线的相交点后侧0.3英寸的位置处，所述旋转轴线与所述胫骨插入物中心线相交。
5.根据权利要求1所述的膝盖置换系统，其中当胫骨插入物中心线投影到所述上铰接面上时，所述旋转轴线在胫骨插入物中心线外侧位置处与所述上铰接面相交。
6.根据权利要求5所述的膝盖置换系统，其中在距离被投影的胫骨插入物中心线和被投影的停留轴线的相交点0.2英寸和0.5英寸之间的位置处，所述旋转轴线与所述上铰接面相交。
7.根据权利要求6所述的膝盖置换系统，其中在距离被投影的胫骨插入物中心线和被投影的停留轴线的相交点0.4英寸的位置处，所述旋转轴线与所述上铰接面相交。
8.一种假体关节，包括：
股骨组件，其包括外髁突铰接部分和内髁突铰接部分；
胫骨托，其包括上铰接面；和
胫骨插入物，其包括(i)用于以第一髁突停留点与所述外髁突铰接部分铰接的第一铰接部分，(ii)用于以第二髁突停留点与所述内髁突铰接部分铰接的第二铰接部分，(iii)用于与所述上铰接面铰接的下铰接面，和(iv)用于与所述胫骨托连接，并限定旋转轴线的连接件，所述胫骨插入物相对于所述胫骨托绕所述旋转轴线旋转，所述旋转轴线相对于所述胫骨托和所述胫骨插入物固定，使得当包括所述第一髁突停留点和所述第二髁突停留点的停留轴线被投影到所述上铰接面上时，所述旋转轴线在所述停留轴线后侧以及在胫骨插入物中心线外侧的位置处与所述上铰接面相交。
9.根据权利要求8所述的假体关节，其中在距离被投影的胫骨插入物中心线和被投影的停留轴线的相交点0.2英寸和0.5英寸之间的位置处所述旋转轴线与所述上铰接面相交。
10.根据权利要求9所述的假体关节，其中在距离被投影的胫骨插入物中心线和被投影的停留轴线的相交点0.4英寸的位置处所述旋转轴线与所述上铰接面相交。
11.根据权利要求10所述的假体关节，其中在被投影的停留轴线后侧0.3英寸的位置处，所述旋转轴线与所述上铰接面相交。
12.根据权利要求9所述的假体关节，其中在被投影的停留轴线后侧0.3英寸的位置处，所述旋转轴线与所述上铰接面相交。
13.根据权利要求9所述的假体关节，其中在被投影的胫骨插入物中心线外侧0.3英寸的位置处，所述旋转轴线与所述上铰接面相交。
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