CN102579164B - 具有转动式支撑物的髋臼杯 - Google Patents

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Abstract

一种人工髋关节植入系统，包括：人工股骨组件，其具有股骨柄部、与股骨柄部连接的颈部及与颈部连接的部分球形头部。提供髋臼组件，其包括：壳体，壳体具有部分球形内支撑面，部分球形内支撑面具有开口端，开口端有圆周边缘部。圆周边缘部具有周向及径向朝内延伸的法兰。支撑元件安装在壳体内，并且具有与壳体的部分球形内表面接合的部分球形第一外表面区域。部分球形第一外表面区域以从圆心开始的第一半径延伸。支撑元件具有第二部分球形外表面区域，其从距离圆心一定距离处延伸，该距离小于第一半径，从而形成了用于和边缘接触的阻止面。

Description

具有转动式支撑物的髋臼杯
【技术领域】
本发明涉及一种人工髋关节植入系统。
【背景技术】
人工髋关节植入系统包括部分球形杯体，该部分球形杯体适于放置在髋臼内，并且该部分球形杯体具有部分球形内支撑面，以便容纳部分球形球头，该部分球形球头可以附接到人工股骨柄(prosthetic stem)，以便放置到股骨内，并且所述杯体的内支撑面在部分球形球头内可活动的角度超过180°。这种类型的杯体是已知的，其包括单个支撑元件，比如由合成塑料材料例如具有超高分子量的聚乙烯或金属制成的支撑元件。内支撑面也可以形成于嵌入物上，所述嵌入物也可以由合成塑料材料、陶瓷或金属制成，并且嵌入物设置在外壳体内，外壳体与髋臼配合，借此可以使用外壳体，并且通过比如骨水泥或通过机械装置比如钉子或螺钉来固定外壳体。杯体与初次全髋关节置换术配合使用，该使用包括将股骨组件(femoral component)植入股骨内，该股骨组件通常包括股骨柄(stem)、颈部(neck)和球头。
在其它已知的杯体构造中，可以将内支撑面设置在内部衬垫或嵌入物上，所述内部衬垫或嵌入物由不同于外部背衬(backing)的材料制成，所述外部背衬与髋臼配合。双移动性或双极杯体一般包括内部支撑物，所述内部支撑物内容纳部分球形球体，并且内部支撑物本身可自由转动地安装在部分球形壳体内，部分球形壳体具有用于和髋臼配合的外表面和内表面。支撑物外表面与外壳体的内支撑面配合，所述外壳体与髋臼配合。这种类型的杯体允许具有较大的角度运动(angular movement)灵活性(mobility)。这种杯体展示于美国专利4,798,610和美国专利申请公开文件2004/0143341中。
在所有这些构造中，尤其是在双移动性杯体中，具有用于将球头保持(retain)在内支撑面上的装置是有利的。具有许多将球头保持在内支撑面上的方法。比如，在美国专利4,798,610中，使用了位于内部支撑物中的圆锥面上的环状物(ring)。第二种结构包括：将两个扁平物(flat)放置在球头上，在将球头插入杯体之前将球头转动90°，然后再次将球头反向转动90°。这种构造的缺点是：需要使用特定的球头，并且具有球头截断(truncating)引起的磨损危险。这种类型的系统展示于法国专利FR 2 785 525和美国专利申请公开20030171817中。
另一种将球头保持在适于放置在髋臼(该髋臼具有部分球形内支撑面，以便容纳部分球形球头，该部分球形球头可以附接到股骨柄，以便放入股骨内)内的部分球形杯体内的方法是使用位于杯体和球头上的平坦表面。杯体的部分球形内支撑面可以活动超过180°的角度，并且内支撑面靠近入口部(entrymouth)的部位上形成了实质上平坦的表面，所述平坦表面位于从部分球形内支撑面的中心开始的半径上。该半径小于杯体剩余部分的半径，并且球头具有位于其部分球形表面上的实质上平坦的配合表面，配合表面上具有用于容纳和保持将要使用的股骨柄的结构，并且在固定到股骨柄之前，允许将其放置在杯体内，并且对其进行转动，从而将其保持在上面。部分球形内支撑面和球头上的部分球形支撑面具有适当尺寸和结构，从而导致转动时球头的平移运动，进而导致球头位置移动，因此每个相对侧边上具有月牙形保持区域。
这种结构展示于美国专利7,520,902中。这种结构的一个好处是可以使用标准尺寸的球头。通过内支撑面上的扁平物的尺寸来仔细控制进入杯体的动作，从而使得球头相对于支撑面的运行精确。
在一个优选构造中，杯体口部(mouth)的横轴(当被插入时，其实质上是平行于球头的平坦表面)偏离杯体的内支撑面的横轴。偏离距离可以小于10mm，比如最多5mm。
【发明内容】
本发明可以应用于任何适当材料的杯体和球头，比如合成塑料材料、金属或陶瓷材料制成的杯体和球头。如果有必要，可以包含比如1mm的自由半脱位(subluxation)。
本发明可应用于杯体，内支撑面设置在该杯体的内支撑元件上；本发明也可应用于双移动性或双极杯体中，在双移动性或双极杯体中，内支撑元件成型为可以在背衬的另一个支撑面内移动的嵌入物；并且本发明也可应用于骨水泥型或非骨水泥型杯体。
本发明的人工髋关节植入系统包括人工股骨组件，其具有股骨柄部、与股骨柄部连接的颈部及与颈部连接的部分球形头部。提供髋臼组件，其包括：壳体，壳体具有部分球形内支撑面，部分球形内支撑面具有开口端，开口端有圆周边缘部。圆周边缘部具有周向及径向朝内延伸的法兰。支撑元件容纳在壳体内，并且具有与壳体的部分球形内表面接合的部分球形第一外表面区域。支撑元件具有部分球形内支撑面区域，该支撑面区域具有用于容纳安装在股骨组件的茎部的头部的开口端。支撑元件的部分球形第一外表面区域围绕内表面开口端的中心轴线延伸。中心轴线与一个极端及所述支撑元件的部分球形第一外表面区域的转动中心交叉。所述支撑元件具有从靠近所述开口端开始朝着所述极端延伸的第二部分球形外表面区域，所述第一外表面区域从所述支撑元件的所述部分球形内表面的中心开始延伸的比所述第二部分球形表面区域更远。所述支撑元件具有中心点，所述中心点为所述第一和第二部分球形外表面区域和所述部分球形内表面区域的转动中心。该中心点位于极轴上。
所述支撑元件的所述部分球形第一外表面区域从所述极端开始朝着所述开口端延伸，从而限定了在所述部分球形第一表面与所述第二外表面区域之间大体上径向延伸的圆周接触面。所述圆周接触面优选地围绕所述部分球形第一外表面区域与所述第二外表面区域延伸了360度。圆周接触面可以分成两个或多个通过间隙隔开的片段。所述圆周接触面位于所述支撑元件上，并且位于所述极端与一个赤道之间，所述赤道延伸穿过垂直于极轴的部分球形第一外表面区域的转动中心，并且所述赤道垂直于所述部分球形第一外表面区域。接触表面可以与内支撑面的极轴之间形成一定角度，或者垂直于内支撑面的极轴，并且垂直于第一部分外表面的中心轴线。所述圆周接触面位于一个位置，所述位置在所述极端与所述赤道的中间，从而通过支撑元件相对于所述壳体的转动，所述股骨组件的所述颈部在所述壳体的所述向内延伸的圆周边缘部之前与所述支撑元件的所述开口端接触。所述边缘部的所述向内延伸的圆周法兰的内径小于支撑元件的第一部分球形外表面区域的外径，并且小于所述第二部分球形表面区域的赤道处的外径，从而当将支撑元件插入壳体时，在所述圆周法兰与所述赤道处产生干涉。所述边缘面对壳体的极轴区域的表面具有与支撑元件上的接触面匹配的表面。通过与边缘在小于所述壳体或外壳的向内延伸的法兰部内径的直径部位处的接触，第一部分球形外表面区域的外径在圆周接触面处可变形。所述圆周接触面围绕从所述赤道开始的40°到45°的纬度延伸。壳体可以安装在与髋臼接触的外壳内。壳体可以为金属制成，并且胶结到或通过螺钉附接到髋臼内。
【附图说明】
图1为具有其内安装有转动式支撑元件的壳体的髋臼杯的分解图；
图2展示了其内装配有图1所示转动式支撑元件的髋臼杯壳体；
图2a为图1和图2所示壳体的仰视图；
图3为图2所示的装配后的杯体的剖视图，该杯体包括了安装在支撑元件内完全转动位置处的股骨组件的头部和颈部；
图4为图1-3所示髋臼杯和转动式支撑元件在中心位置处的装配图，其中包括了分离锁定环(split locking ring)；
图5a展示了具有两件式背衬的另一个实施例的分解图，所述两件式背衬包括外壳(outer shell)及固定于该外壳上以便容纳支撑元件的内壳(innershell)；
图5b展示了具有图5a所示的内外壳、壳体及支撑元件的三件式杯体的装配图；
图5c为图5a和图5b所示装配在一起的三件式杯体的剖视图；
图6展示了支撑元件的第一部分球形部与壳体的边缘(rim)上朝内延伸的法兰(flange)之间的插入间隙；及
图7展示了插入过程中在法兰的尖部(tip)与支撑元件的第二部分球形外表面的赤道区域(equatorial region)之间的轻微干涉。
【具体实施方式】
图1展示了总体上用10标示的二件式髋臼杯的分解图，髋臼杯10包括外壳体12和支撑元件14。壳体12上具有接骨螺钉孔16，而所述支撑元件14上则具有二件式球形部(spherical section)30、32。图2展示了装配起来的部件12、14。图2a为图1所示壳体的仰视图，并且壳体具有环形开口(circularopening)28，环形开口28的中心为29。如图2a所示，壳体12可以包括多个通孔16，用于容纳将外壳体12固定在髋臼上的螺钉(图未示)。如果在髋臼内使用压配结构，则可以省掉通孔16。支撑元件14为一体式结构，并且优选地由超高分子量的聚乙烯制成，但是也可以由陶瓷制成。
图3-4展示了图1中的装配后的髋臼杯的剖视图，并且展示了具有部分球形外表面18和部分球形内支撑面20的壳体12。表面18和20可具有单个中心35，或可具有互相偏移的中心。壳体12包括圆周边缘22，该圆周边缘22包括径向地朝内延伸的法兰24，法兰24具有尖部25，所述尖部25限定了具有中心29(位于壳体12的极轴上)的环形开口28。法兰24具有面向上方的圆周表面27。支撑元件14展示为安装在开口28内，并且第一部分球形支撑面区域30与壳体2的内支撑面20接合。第一部分球形支撑面区域30可以在任何方向上相对于支撑面区域20转动，并且作为大体上用31标示的股骨组件(其具有安装在支撑元件14的部分球形支撑面36内的头部38)的运动结果，第一部分球形支撑面区域30显示为逆时针反向在壳体12内转动。
支撑元件14进一步包括第二部分球形表面区域32，该区域32从部分球形支撑区域30开始延伸，并且具有较小的直径，同时位于表面20的径向内侧。因此，表面32与表面20之间没有接触。在一个优选实施例中，部分球形支撑面30和32同心，并且具有相同中心，比如中心35，因此在两者之间形成了台阶或接触面34，该接触面34围绕支撑元件14的外表面延伸了360°。这也是可行的：将第一部分球形支撑面区域30成型为两个或多个片段(segment)，这些片段由比如狭窄的沟槽分开，从而将连续的接触面30断开。
支撑元件14包括内支撑面36，其设计成容纳股骨组件31的头部38的外支撑面37。部分球形支撑面36具有开口端(open end)39，借此在装配全关节时将头部38插入进去。股骨组件的头部38作为一体式结构或通过锥形公母互连结构而与颈部42连接，所述锥形公母互连结构与髓内股骨柄44一体成型，或通过第二公母锥形互连结构与髓内股骨柄44连接。这种模块化的股骨组件设计是众所周知的。股骨柄44旨在容纳在股骨的髓管内，虽然在一些肿瘤场合，可能形成整个近端股骨(proximal femur)。此外，股骨组件31可以为试验性股骨组件，并且所述髋臼杯10可以为试验性髋臼杯。通常情况下，头部38接合，并且可以在支撑元件14内的部分球形支撑面36上的任何方向内转动。
图5a-5c展示了总体上标示为200并且具有转动式支撑物的另一个三件式髋臼杯。髋臼杯200包括外壳210，该外壳210具有用于和髋臼接触的外表面211。外壳210包括位于其极端(pole)上的螺纹孔209。另一个壳体212安装在外壳210内，并且借助经由壳体212中的孔205而插入所述外壳210的螺纹孔209内的螺钉213及靠近外壳与壳体组合的开口端214的互锁锥形部217而固定在外壳210内。支撑嵌入物或元件219安装在所述壳体212中。壳体212与壳体12相同，区别是用于容纳螺钉213的开孔(bore)215以及在围绕边缘222设置了外部公锥面217。支撑元件219与上文中讨论的支撑元件14完全相同。
髋臼杯200的好处是：穿过外壳210的孔216的螺钉的头部由壳体212的外表面226遮盖住。一旦装配后，外壳210和壳体212将无法相对转动，因此它们的极轴同轴。如上所述，螺纹孔209、215位于极轴的中心。
如图3-4所示，壳体12具有穿过其极端的轴线(极轴)80，所述轴线80与通过了部分球形壳体内表面20的中心21的赤道垂直。所述赤道平行于穿过了髋臼内的开口的平面。在一个优选实施例中，壳体的赤道面同时平行于壳体12的开口28所限定的平面，并且极轴80延伸穿过开口28的中心29。
部分球形支撑元件表面部30也具有极轴81，所述极轴81垂直于穿过了支撑元件14的外表面30、32的中心35的赤道面83。赤道面83可以平行于支撑嵌入物14的开口端39所在的平面86。同样，在一个优选实施例中，当轴线80、81如图4那样对准时，极轴81也可以垂直于开口端39所在的平面。壳体12和支撑元件14内的开口所在的平面可以与极轴80、81之间形成一定角度，如果部分球形表面在壳体12和/或支撑元件14的一侧延伸的角度大于另一侧(比如美国专利5,108,445所展示的髋臼杯)。
如图3所示，部分球形的头部38具有垂直于穿过中心35的赤道的轴线84。在一个优选实施例中，轴线84与颈部42的轴线同轴。
图4展示了局部插入所示壳体12中的支撑元件14，并且轴线80和81互相对准。在所展示的实施例中，支撑元件14的内表面36上包括朝外延伸的凹槽部52，凹槽部52具有上端壁54，该上端壁54侧向向外延伸到凹槽部52的外壁56，外壁56向下向内朝着借以让头部38插入的开口39倾斜。外壁54止于下端壁59，所述下端壁59侧向朝内伸展并且与形成了支撑元件14的开口39的一部分的周缘边壁(peripheral edge wall)59a邻接。周缘边壁59a位于开口39所在的平面的内侧，并且通过斜面90与平面86连接。
如美国专利4,798,610所示(其内容通过引用结合于此)，优选地由类似于构成支撑元件14的具有超高分子量的聚乙烯制成的分离环60具有分离部62，从而使得分离环60径向可扩展和收缩。分离环60包括上端壁64及向下和向内倾斜的外壁66。所述外壁66的倾斜度(slope)与凹槽部52的外壁56相同，以便与其配合。在装配时，头部38轴向插入支撑元件14的开口39中，穿过周缘边壁59a，并且穿过分离环60，以便让分离环60轴向向上升到凹槽部52内的上部位置，从而让分离环60扩展。一旦头部38的赤道或最大直径处用力穿过分离环60而与支撑元件14的部分球形支撑面36接合，则分离环60收缩。当头部接触部分球形内表面36时，分离环60收缩，并且沿着倾斜的外壁56、66朝下滑动，从而将头部38限制在支撑元件14内。也可以使用其他将头部保持在支撑元件内的方法，比如美国专利7,455,694(该专利的内容通过引用结合于此)中展示的方法。
图6、7展示了将聚乙烯制成的支撑元件14插入壳体12内的方法，该方法同样适用于图3-4或图5a-5c中的二件或三件式设计中。法兰24的尖部25形成的开口28的直径设计成使得台阶或接触面34的尖部89(其周向围绕支撑元件14在第一球形部30与第二球形部32之间延伸)的直径稍微小于开口直径，从而形成非常小的间隙，这样就允许部分地将支撑元件14插入壳体12内。最大直径处，即第二球形部32的赤道处具有一定直径，从而与开口直径之间产生轻微干涉，因此在装配过程中，恰恰在将支撑元件14完全插入壳体12之前，形成了卡配(snap fit)。
在优选实施例中，第一部分球形表面区域30、第二部分球形表面区域32及部分球形内表面36互相同心，因此它们具有共同的中心35，但其半径则不同。因此，如上所述，穿过了中心35并且垂直于支撑物的赤道面83的轴线80、81在球形表面的极端处与内部分球形表面36及第一部分球形表面30交叉。
在本发明的一个实施例中，第一部分球形表面相对于极轴81延伸到大约40-45度的纬线上，并且接触面34以类似角度在表面30与32之间延伸。
在使用过程中，支撑元件14在壳体12内转动到表面30，而头部38和颈部42则在支撑元件14内转动到表面36。当颈部42与支撑元件14接触时，颈部42与倾斜的圆周表面90接合，所述倾斜的圆周表面90围绕支撑元件14的开口39延伸。当颈部42与表面90接合时，支撑元件14在壳体12内转动，该转动受到接触面35与法兰24的上表面27之间的接合的限制。在这一点上，在股骨组件40的颈部42之间的相对转动在该方向上是不可能的。接触面34相对于壳体12的极端80位于一定纬度处，从而使得股骨组件40的转动在将颈部42的表面与法兰24的尖部25分开的位置处停止。因此，颈部42总是与超高分子量的聚乙烯制成的支撑元件14接合，而不是与壳体12的金属部分接合。优选地，接触面34围绕从支撑元件14的极轴81开始的45度纬度位置周向延伸。接触面可以任何角度在表面30与32之间延伸，但优选地以与支撑元件的中心83交叉的角度延伸。
虽然结合特定的实施例描述了发明，应当理解：这些实施例仅是展示了本发明的原理和应用场合。因此应当理解：可以对这些示例性实施例做出许多修改，并且在不脱离后附的权利要求所限定的发明范围和精神的情况下，可以设计出其他结构。

Claims (19)

1.一种人工髋关节植入系统，包括：
人工股骨组件，其具有股骨柄部、与所述股骨柄部连接的颈部及与所述颈部连接的部分球形头部；及
髋臼组件，其包括：
壳体，所述壳体具有部分球形内支撑面，所述部分球形内支撑面具有开口端，所述开口端有圆周边缘部，所述圆周边缘部具有周向及径向朝内延伸的法兰；
支撑元件，其具有与所述壳体的所述部分球形内支撑面接合的部分球形第一外支撑面，所述支撑元件具有部分球形内表面区域，所述支撑元件的所述部分球形第一外支撑面围绕所述内表面开口端的中心轴线、与所述部分球形外表面区域的极端交叉的中心轴线及所述部分球形第一外表面区域的转动中心延伸，所述支撑元件具有从靠近所述开口端开始朝着所述极端延伸的第二部分球形外表面区域，所述第一外表面区域从所述支撑元件的所述部分球形内表面的中心开始延伸的比所述第二部分球形表面区域更远。
2.根据权利要求1所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述支撑元件的所述部分球形第一外表面区域从所述极端开始朝着所述开口端延伸，从而限定了在所述部分球形第一表面与所述第二外表面区域之间延伸的圆周接触面的外边缘。
3.根据权利要求2所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述圆周接触面围绕所述部分球形第一外表面区域与所述第二外表面区域延伸了360度。
4.根据权利要求2所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述圆周接触面位于所述支撑元件上，并且位于所述极端与一个赤道之间，所述赤道延伸穿过所述部分球形第一外表面区域的转动中心，并且所述赤道垂直于所述部分球形第一外表面区域。
5.根据权利要求4所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述圆周接触面位于所述支撑元件上，并且位于所述极端与所述赤道之间，从而通过支撑元件相对于所述壳体的转动，所述股骨组件的所述颈部在所述壳体的所述向内延伸的圆周法兰之前与所述支撑元件的所述开口端接触。
6.根据权利要求5所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述壳体的所述边缘部的所述向内延伸的圆周法兰的内径大于所述支撑元件的所述部分球形第一外表面区域的最大外径，从而提供了间隙；并且所述圆周法兰的内径小于所述第二部分球形表面区域的赤道处的外径，从而在所述圆周法兰与所述赤道处产生了干涉。
7.根据权利要求6所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：通过与小于所述壳体的所述向内延伸的法兰部的内径的直径部位的干涉作用，所述第二部分球形外表面区域在所述赤道处的外径可以朝内变形。
8.根据权利要求5所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述圆周接触面围绕从所述赤道开始的40°到45°的纬度延伸。
9.根据权利要求1所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述壳体安装在与一个髋臼接触的外壳内。
10.根据权利要求9所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述壳体借助螺钉安装在所述外壳上。
11.根据权利要求1所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述支撑元件具有中心点，所述中心点为所述第一和第二部分球形外表面区域和所述部分球形内表面区域的转动中心。
12.一种人工髋关节植入系统，包括：
人工股骨组件，其具有股骨柄部、与所述股骨柄部连接的颈部及与所述颈部连接的部分球形头部；及
髋臼组件，其包括：
壳体，所述壳体具有部分球形内支撑面，所述部分球形内支撑面具有开口端，所述开口端有圆周边缘部，所述圆周边缘部具有周向及径向朝内延伸的法兰；
支撑元件，其具有第一和第二部分球形外表面，所述第一部分球形外表面可以在所述壳体的所述内支撑面上转动，并且所述第一部分球形外表面由从一个中心开始的第一半径限定，而所述第二部分球形外表面由从所述中心开始并且小于所述第一半径的第二半径所限定。
13.根据权利要求12所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：一个圆周接触面在所述第一部分球形外表面的末端与所述第二部分球形外表面之间延伸。
14.根据权利要求13所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述圆周接触面围绕所述部分球形第一外表面区域与所述第二外表面区域延伸了360度。
15.根据权利要求14所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述圆周接触面颜射一条线延伸，所述线相对于一个极轴形成了40°到45°的角度，所述极轴延伸穿过所述中心并且垂直于经过了所述壳体的开口端的平面。
16.根据权利要求12所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述支撑元件的所述部分球形第一外表面区域从所述极端开始朝着所述开口端延伸，从而限定了在所述部分球形第一外表面区域与所述第二外表面区域之间延伸的圆周接触面的外边缘。
17.根据权利要求16所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述圆周接触面位于所述支撑元件上，并且位于所述极端与一个赤道之间，所述赤道延伸穿过所述部分球形第一外表面区域的转动中心，并且所述赤道垂直于所述部分球形第一外表面区域。
18.根据权利要求17所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述圆周接触面位于一个位置，所述位置在所述极端与所述赤道的中间，从而通过支撑元件相对于所述壳体的转动，所述股骨组件的所述颈部在所述壳体的所述向内延伸的圆周法兰之前与所述支撑元件的所述开口端接触。
19.根据权利要求18所述的人工髋关节植入系统，其特征在于：所述壳体的所述边缘部的所述向内延伸的圆周法兰的内径大于所述支撑元件的所述第一部分球形外表面区域的最大外径，从而提供了间隙；并且所述圆周法兰的内径小于所述第二部分球形表面区域的赤道处的外径，从而在所述圆周法兰与所述赤道处产生了干涉。
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