CN102596108B - 膝关节假体 - Google Patents

Abstract

一种用于具有内侧球状股骨髁并且宽度为“w”的膝关节的膝关节假体，其特征在于，在外侧间室上：具有用于胫骨部件(2)的接触点“Pt1”的轨迹线“Lt1”作为球面“Sc1”上的预设曲线(15)，该球面的球心在内侧球1的球心“Mb”上且半径范围“Rc1”＝0.65w+/-0.25w；在给定屈曲角γ，具有共同接触点“Pt2”的轨迹线“Lt2”，以用于附属于股骨部件的半径为“Rc2”＝Rc的相似球面“Sc2”，借此，对于给定屈曲角γ，存在有一个平面“E1”，该平面同时经过球心Mb和共同接触点Pt1/Pt2，并且同样包含位于胫骨和股骨部件的引导曲线“Bi”、“Be”，“Bi”指向内侧，“Be”指向外侧，两条曲线都与共同接触点Pt1/Pt2保持固定的几何关系，以及引导曲线“Bi”和“Be”在两个方向上都能发生强制的滑动及滚动。

Description

膝关节假体

技术领域

本发明涵盖一种用于膝关节的膝关节假体，该膝关节宽度为“w”并且在内侧具有球状的股骨髁和对应的胫骨窝，该关节球和关节窝具有中心“Mb”、半径“Rb”和球面“Sb”，并定义有一个附着于胫骨的X,Y,Z笛卡尔坐标系，其原点“O”位于中心“Mb”上。

背景技术

正常膝关节与经历过全膝关节置换术（TKR）的膝关节的功能性效果的区别，已被认为与正常膝关节和人造膝关节二者不同的运动方式有关（维克托、伯勒曼斯，2006；T·P·安迪里阿琪、C·O·戴尔拜，2005）。内侧轴膝关节在关节的内侧间室中具有等形轮廓的关节球和关节窝结构，该结构复制了正常膝关节的解剖学结构且适应自然的运动模式的。然而，这些不具有交叉韧带的膝关节缺少引导结构，不能按照正常模式控制关节运动。为了获得具有正常运动的全膝关节置换，P·S·沃克提出了具有渐缩股骨髁的表面引导型TKR的新的设计理念[Bearing Surfaces for Motion Control in Total Knee Arthroplasty（全膝关节成形术中用于运动控制的支承面）；见于J·伯勒曼斯，M·D·里斯，J·维克托编著的Total Knee Athroplasty:A Guide to Get Better Performance（全膝关节成形术：获得更好表现的向导）第295-302页，柏林海德堡施普林格出版社出版]；为控制关节运动而提出以特殊形状的支承面，尤其是渐缩的股骨髁的支承间距，作为设计特征。为产生正常的运动方式，提出将斜坡结构与前侧凹陷/垫板的组合作为潜在的设计（沃克等，2007）。

发明内容

本发明的目标是创造可替换的膝关节假体，其具有接近于自然膝关节的运动方式。该目标通过本发明的方案记载的特征实现

——在外侧间室具有胫骨部件的接触点“Pt1”的轨迹线“Lt1”作为球面“Sc1”上的预设曲线，所述球面的球心在原点“O”上且其半径范围为“Rc1”=0.65w+/－0.25w

——在给定屈曲角γ，对于每个所对应的接触点“Pt1”都存在一个轨迹线“Lt2”上的共同接触点“Pt2，”以用于位于股骨上的球面“Sc2，”该球面与“Sc1”是相同的球面，具有原点“O”并且半径“Rc2”=Rc1，借此，在给定屈曲角γ，存在一个平面“E1，”该平面同时经过原点“O”和共同接触点Pt1/Pt2，并且同样包含位于胫骨件和股骨件的两条的引导曲线“Bi”、“Be，”其中“Bi”指向内侧，“Be”指向外侧，两条曲线都与共同接触点Pt1/Pt2保持固定的几何关系，

——并且引导曲线“Bi”和“Be”的形状随着屈曲角γ的变化而往相反方向发生逐渐变化，以在屈曲方向和伸展方向上都能发生强制的滑动及滚动运动。

本发明的优点在于，只要有由肌肉力量、体重和韧带张力压缩关节来保证接触，就能明确地引导胫骨以与屈曲角γ成函数关系地绕股骨内侧枢转。本发明的一个重要特征在于，为了满足合适引导所要求的运动自由度和对于几何约束，内侧和外侧几何形态的设计与期望的运动方式是相协调的。显然，只有考虑了所期望的运动方式与球状内侧间室以及外侧间室引导面的几何形态之间的特定关系，才能实现合适的引导。换言之，如果不同于本发明，在设计股骨部件和胫骨部件的时候不考虑期望的运动模式（即所述表面上实际的滚动及滑动方向），仅仅结合几何参数的变量（即渐缩的骨髁支承距离）来设计骨髁的形状，那么将不能实现合适的运动方式的控制。

引导面上的接触位置不会干涉交叉韧带的位置以及股骨上的髌骨沟位置。因此，人们可以选择保留交叉韧带，以及选择在股骨上形成滑车沟的解剖学外形，从而在全伸展到深屈曲的全幅度运动中增加自然的髌骨咬合度。

本发明的另一优点在于，它明确而完整地定义了产生引导面复杂的三维几何形态所需要的几何关系，方便了通过例如数控机床进行部件的生产。由于该几何关系被定义成无量纲的关于膝关节宽度的函数，所以只要知道膝关节宽度就能用它来生成任意尺寸的假体。

本发明的改进如本发明实施例所述。如果引导曲线“Bi”和“Be”为基于数学方程定义的几何弧形，那么引导面的编程将变得更加容易。这些弧形可以是在共同接触点Pt1/Pt2处与平面E1的线段“T2”相切的圆弧部分，该线段是从共同接触点引至球面“Sb”的线段。

本发明的另一目标是根据对尸体样本的测试结果而非仅用简单的母线生成三维轨迹线“Lt1。”该目标的实现方式是，首先在矢状面定义一条母线，再将该母线从矢状面正交投影至胫骨部件的球面“Sc1。”该母线可以是位于半径为R1和R2的两个圆形边界之间的一条连续曲线，该两个圆形边界的共同圆心“Ms”以前述坐标系中的坐标定义（x=0.07w，y=0.794w，z=0.5w），且半径分别为R1=0.54w+0.08w、R2=0.54w－0.08w。由于尸体测试的结果会因样本之间的差别而不同，建议边界半径的中间范围是R1=0.54w+0.03w、R2=0.54w－0.03w。已有一个半径R=0.54w的圆是有利的。

本发明的另一目标是明确地将胫骨和股骨之间的相对运动定义成围绕一根三维轴的旋转运动，该三维轴经过内侧关节球的球心。该目标的实现方式是，其中对于任一屈曲角γ，在接触点Pt1与胫骨接触点轨迹Lt1相切的线段T1同时也与股骨球面“Sc2”上的轨迹线Lt2相切，因此两球体Sc1/Sc2相对运动的瞬时转轴在与共同切线T1垂直的平面E1内。只要已知由表面的相互作用所产生的精确运动，就能计算出每个屈曲角γ所对应的瞬时转轴的取向以及围绕该轴的旋转增幅。这些信息将用于生成股骨接触点轨迹Lt2，该轨迹与对应的胫骨接触轨迹Lt1相匹配。为此，从位置Pt1和Pt2都处于Lt1的最前端的竖直位置开始，关于股骨的点Pt2的该位置将会被记录，并且通过输入的运动施加屈曲角增幅，使股骨产生围绕瞬时转轴的运动，该瞬时转轴在平面E1内且按规定取向。这使得Pt1和Pt2接触点两者都被移动至Lt1和Lt2上的新匹配位置。关于股骨的Lt2上接触点的新位置将被储存，该运动将会继续直到端点。连结所储存的对应不同屈曲角的一组Pt2点就定义了Lt2曲线。

在这一过程中所述输入的运动可以从尸体或者活体上获得。然而，输入的运动应被处理在与输入的运动的原始形式偏离尽可能小的情况下，首先满足所述关节球和关节窝结构的几何轮廓约束。然后该经处理的运动应当能够在正常膝关节软骨表面附近生成接触点的轨迹，因此植入过程对骨进行的切除术最少，这也是本发明的另一个优点。发明人沙哈姆·阿米里的一篇论文[论文尚未发表，标题：Conceptual Design for a Surface-GuidedTotal Knee Replacement with Normal Kinematics（具有正常运动方式的表面引导型全膝关节置换术的概念化设计）；加拿大金斯顿女王大学，2009年]说明了怎样使用最优化方法来形成输入的运动并产生相应的关节表面。该论文还说明了，设计的内侧间室与外侧间室之间要保持一定的几何相容性。

本发明提出的引导结构具有不干涉髌股关节的几何位置以及交叉韧带及其附属组织位置的优点。这使得人们可以选择前后交叉韧带或者保留后交叉韧带的设计，以及选择在全幅度运动过程中更为正常的髌股关节的设计。

由于自然膝关节与提出的内侧球-窝的设计类似，都具有等形的轮廓，因此可以基于上述思想开发一种外侧单间室的假体。另一个方案可以是带有两个单间室部件的假体，即球状内侧间室和包含上述引导结构的外侧间室。

本发明提供一种用于膝关节的膝关节假体的构建方法，该膝关节宽度为“w”并且在内侧具有球状的股骨髁和对应的胫骨窝，该关节球和关节窝具有中心“Mb”、半径“Rb”和球面“Sb”，并定义有一个附属于胫骨的笛卡尔坐标系X,Y,Z，其原点“O”位于中心“Mb”上，

——其中第一步先在外侧间室生成一条接触点“Pt1”的轨迹线“Lt1”作为球面“Sc1”上的预设曲线，该球面的球心位于原点“O”，半径范围是“Rc1”=0.65w+/－0.25w；

——其中对于每个接触点“Pt1”，在给定的屈曲角γ，存在有在轨迹线“Lt2”上的共同接触点“Pt2”以用于附属于股骨的球面“Sc2”，该球面与“Sc1”相同，具有原点“O”和半径“Rc2”=Rc1；

——其中在给定的屈曲角γ，存在一个经过原点“O”以及共同接触点Pt1/Pt2的平面“E1”，该平面同样包含胫骨件和股骨件上的引导曲线“Bi”、“Be”，其中“Bi”指向内侧，“Be”指向外侧，两条曲线都与共同接触点Pt1/Pt2保持固定的几何关系；

——其中对于屈曲运动的每个增幅，与屈曲角γ有关的枢转角β的对应增幅值由β关于γ的已知函数关系得出，以用于获得轨迹线Lt2的另一点Pt2，该点与新的点Pt1都落在由轨迹线Lt1所表示的预设曲线上；

——由此通过逐个增幅步骤构建轨迹线Lt2，并在相应平面E1内为每对相应的角γ和β添加所述引导曲线Bi和Be；

——以及最终在整个γ和β范围以一密度生成股骨件与胫骨件的引导曲线Bi和Be，该密度可以允许通过例如数控机床进行胫骨和股骨外侧引导面的机加工。

所述预设曲线可以由圆柱面与球面“Sc”相交而得，该圆柱面与矢状面垂直并构建自该矢状面上的连续曲线“Lc”：

——这里用于构建该圆柱的连续曲线Lc位于矢状面上并在两个半径为R1和R2的圆形边界之内，该两个圆形具有共同圆心，其坐标为X=0.07w；Y=－0.794w；Z=0.5w，半径分别是R1=0.54w+0.08w，R2=0.54w－0.08w。可以对这些尺寸进行限制，其中半径R1取R1=0.54w+0.03w，半径R2取R2=0.54w－0.03w。

可以理解的是，对于每个屈曲角γ，与轨迹线Lt1相切于点Pt1的切线T1也与股骨的球面“Sc2”上的轨迹线Lt2相切，并且对于每个屈曲角的瞬时转轴的位置都位于平面E1内，该平面E1经过内侧关节球的球心Mb，并与切线T1垂直，该切线在胫骨接触点Pt1与所述三维轨迹线Lt1相切。

通过改变屈曲角γ，所述引导曲线“Bi”和“Be”可以向相反方向逐渐改变形状，以在屈曲和伸展方向上都能产生强制的滑动及滚动运动。可以在轨迹线Lt1和Lt2内面上设置附加的圆锥面以作附加的支撑，该圆锥顶点位于内侧关节球的球心Mb，并由轨迹线Lt1，Lt2作为圆锥的母线。

所述引导曲线“Bi”和“Be”可以是两条起始于共同接触点Pt1/Pt2的弧线。为与自然引导面的位置接近，引导曲线“Bi”和“Be”在接触点Pt1/Pt2处可以在平面E1内与线段“T2”相切，该线段是从共同接触点Pt1/Pt2引至关节球面“Sb”的线段，因此平面E1与切线“T1”垂直，该切线与轨迹线Lt1相切于共同接触点Pt1/Pt2。

所述引导曲线“Be”和“Bi”可以是两条半径分别为“Re”和“Ri”的圆弧，与全伸展和全屈曲的末端位置相比，在屈曲角γ范围的中段，胫骨部件上的曲线与股骨部件上的对应引导曲线之间可以具有较低的等形度。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的优选实施例，其中相同的附图标记用来表示同样或类似的部件：

图1示意性地示出了在XYZ坐标系中膝关节假体的后侧视图；

图2a示意性地示出了胫骨部件沿YZ平面的竖向截面图；

图2b示意性地示出了沿球面Sc1轨迹线Lt1截取，同时也是沿矢状面母曲线Lc截取的图2a的外侧视图；

图2c示意性地示出了图2b和图2c的胫骨部件的俯视图以及轨迹线Lt1；

图3是用于外侧矢状面的、以曲线图的形式示出了内接触点Pt1的角位置所具有的角度α关于屈曲角γ的函数关系，并且在表格中示出了该角度关系的一些数值；

图4示出了带有平面E1的胫骨部件2的简略示意图，该平面经过中心点O和接触点Pt1，与轨迹线Lt1的切线垂直相交于点Pt1；

图5以曲线图的形式示出了股骨相对于胫骨的枢转角β与屈曲角γ的函数关系，并且在表格中示出了该角度关系的一些数值。

图6从后侧示意性地示出了平面E1以及外侧引导曲线Be和Bi与内侧球面Sb之间的几何关系；

图7示出了记录了外侧引导曲线半径尺寸与它们对应的屈曲角γ数值的表格；

图8a示意性地示出了处于伸展位置的后侧视图；

图8b示意性地示出了对应不同的屈曲角γ的引导曲线形状变化。

图9示意性地示出了股骨和胫骨上以宽度w的分数表示的内半径Ri根据屈曲角γ变化的图形；

图10示意性地示出了股骨和胫骨上以宽度w的分数表示的外半径Re根据屈曲角γ变化的图形；

图11从远侧示意性地示出了带附加圆锥面的股骨假体；

图12从一个后侧角度示意性地示出了带附加圆锥面的膝关节假体；

图13示意性地示出了在全伸展情况下沿平面E1的、带支承面的胫骨部分截面图；

图14示意性地示出了在大角度屈曲时沿平面E1的图13中的、带支承面的胫骨件截面图。

具体实施方式

图1示出了带有假体部分的股骨3和胫骨5，此时处于伸展位置。参数“w”定义为部件2在内外方向上的宽度。内侧和外侧矢状面4定义为与胫骨5的矢状面平行，与宽度w的中点6（见图2a）相距0.25w分别经过胫骨平台2的内侧中心和外侧中心。XYZ坐标系的中心O在内侧矢状面上。该坐标系中的X轴、Y轴和Z轴分别指向前侧、近侧和外侧。

图2a、2b和2c示出了外侧窝8的位置和形状。参考坐标系定义为其原点“O”距连接胫骨部件的外侧中心和内侧中心的直线的中点6在内侧方向上的0.25w处，近侧方向上的0.32w处，以及后侧方向上的0.07w处。X轴从原点O指向前侧，Y轴从原点O指向近侧，Z轴从原点O指向外侧。球状的内侧髁1的中心“Mb”在原点“O”上，内侧关节球的半径为Rb=0.32w。

要生成外侧髁的形状，必须首先定义外侧间室上的接触点Pt1、Pt2的轨迹线Lt1、Lt2。定义两个相同的球面，球面“Sc1”附属于胫骨，球面“Sc2”附属于股骨。当关节完全伸展时，这两个球与内侧关节球同心，它们的半径Rc1和Rc2等于0.65w。众接触点的轨迹线Lt1和Lt2都位于对应的球面Sc1和Sc2上。如图2a所示，在外侧的共同接触点Pt1/Pt2上，胫骨髁和股骨髁的引导曲线Be、Bi的形状是相同的。在关节运动的过程中，两个参考球体Sc1和Sc2始终保持同心，使得所述球体在彼此的顶面滑动时两条轨迹线Lt1、Lt2保持相切。

接触点Pt1的三维轨迹线Lt1是通过外侧矢状面4内的二维曲线在内外方向上投影至胫骨部件的球面Sc1而产生。在本示例（图2b）中，该曲线是外侧矢状面4内的圆弧，半径为R=0.54w，弧心Ms按前述坐标系的定义其坐标位于x=0.07w，y=0.794w，z=0.5w。如图2b所示，该圆弧位于两条具有同样弧心的圆弧边界之间，其中，这两条圆弧半径R1=0.54w+0.08w、R2=0.54w－0.08w。被投影的接触点Pt1在弧线Lc上的位置来自内侧矢状面上的点Pt1’（图2c），该点Pt1’的位置由角α定义，该角α为经过点Pt1’与弧心的参考线与外侧矢状面上的远近方向的参考线（图2b）之间所限定的夹角。所以对于任一屈曲角度，外侧矢状面上的接触点Pt1’和对应的Pt1都由所述弧线和对应的角α定义。因此，通过将弧线Lc投射至球面Sc1上便产生了胫骨的三维接触轨迹Lt1。可以把矢状面上的弧线Lc理解成圆柱面的一部分，该圆柱面与矢状面垂直，与球面Sc1相交。

图3中的图和表示出了对于角度范围从-5°至160°的屈曲角γ，角α所对应的值。随着屈曲角γ的增大，外侧接触点Pt1沿轨迹线Lt1（图2b，图2c）向后连续地移动。逆向运动时，接触点Pt1会向相反方向扫过相同精确轨迹。

股骨上的接触点的匹配轨迹的产生，是通过在保持胫骨固定的情况下，股骨相对于胫骨按照期望的运动方式从-5°的屈曲角开始逐级递增地移动至160°为止；在每级增幅中，与当前屈曲角关联的胫骨接触点轨迹线Lt1上的点Pt1都在股骨球体上添加了接触点Pt2。持续运动至160°，最终所有添加在股骨上的点Pt2形成了股骨接触点轨迹线Lt2。因为胫骨球体与股骨球体的几何形态是相同的，股骨上的接触点轨迹Lt2恰好被股骨球面Sc2覆盖。

与引用文献一致，屈曲轴在与胫骨的XZ平面平行的平面E1内，枢转轴定义为垂直于参考平面E1上的屈曲轴。所以如图3和图5所示，尸体测试和测试结果都适合用作植入物表面的数学建模的输入。

参见图4和图6：在所述运动的每个瞬时，与当前屈曲角γ关联的胫骨接触点Pt1和股骨球体接触点Pt2的位置是相同的（也写作Pt1/Pt2）。

——从-5°的屈曲至160°的屈曲的运动例如被分成25个增幅（计算屈曲角的单个增幅得165/25=6.6°）。

——从一个增幅至另一个增幅，股骨始终围绕内侧关节球球心旋转。

——对于任一屈曲角，瞬时转轴12的位置都位于平面E1内，该转轴经过内侧关节球1的球心Mb且与在胫骨的接触点Pt1处与三维轨迹线Lt1相切并在股骨接触点Pt2处与轨迹线Lt2相切的共同的切线T1垂直。平面E2和E3表示关节活动终点位置，即全伸展位置和全屈曲位置（图4）。

1-假设每个增幅中股骨关于胫骨的旋转运动包含两个分量，即屈曲运动和枢转运动。

2-假设瞬时屈曲轴被定位在平面E1内，并且经过内侧关节球的球心与XZ平面平行。

3-枢轴的取向位于平面E1上，并且经过内侧关节球球心与XY平面平行。

4-对于每个运动增幅，接触点Pt1的位置都按照前述方式定义。由于性别和种族的差异，接触弧线的尺寸可以按比例调整以适应从不同前后方向宽度到不同内外方向宽度的膝关节。

5-如前所述，屈曲增幅为6.6°。对于每个相对于胫骨的枢转角b，从图5所示的图表中可以截取对应的增幅量。该图示出了随屈曲角γ增大/减小时，胫骨的枢转方式。[人们可以理解，图3和图5可以通过连续的数学函数来逼近，例如落入所示限值中的多项式方程。人们也可以理解，为取得胫骨轨迹线Lt1和股骨球体Sc2上的轨迹线Lt2的不同结果，可以对这些图表和方程做出细微调整。]

6-在每个运动增幅中，胫骨和股骨的外侧引导曲线Be和Bi定义在平面E1内（见图6）。胫骨和股骨的引导曲线Be和Bi经过瞬时的共同接触点Pt1/Pt2。如前所述，平面E1经过内侧关节球球心Mb，与轨迹线Lt1正交于胫骨接触点Pt1，并且与轨迹线Lt2正交与股骨接触点Pt2。在平面E1内建立两条参考线。参考切线T2设于平面E1内，该线经过接触点Pt1/Pt2与球面Sb相切于点M。在平面E1内设正交参考线14经过接触点Pt1/Pt2，且与参考切线T2垂直。

7-基于所述的几何关系，在整个运动过程中的每个运动瞬间，平面E1内都存在一个形状始终不变的三角形（Pt1/Pt2-O-M）。因此，表示内侧接触点M与外侧接触点Pt1/Pt2之间的距离的支承间距7在整个运动过程中始终保持不变（仍见图2a）。

8-图6中，平面E1切过胫骨部件，且在顶面上的相交线由虚线16示出。股骨和胫骨部件外侧上的引导曲线形状是两条位于接触点Pt1/Pt2两侧的圆弧的结合。这两条圆弧根据它们的半径Ri和Re被分别称之为内弧和外弧。这些圆弧与线T2相切于它们的起始点Pt1/Pt2，圆弧的圆心都位于正交参考线14上。

9-随着屈曲角γ的改变，引导曲线“Bi”和“Be”的半径Ri和Re逐渐发生向相反方向的形状变化。由于股骨轨迹线Lt2比胫骨轨迹线Lt1长得多，这使得在两个方向上都能产生强制的滑动及滚动。图8a显示限定了曲线Bi和Be的后视图。在图8b中画出在不同屈曲角γ下的引导曲线Bi和Be，它们叠置起来以能看得出变化。因为接触点Pt1/Pt2和点M之间的间隔7保持不变，所以如果参考线T2被水平画出以供对比，那么最深的内侧点和外侧点是叠置的。

10-如图7中的图表所示，外侧引导曲面的内引导曲线和外引导曲线的半径尺寸被定义成关于屈曲角γ的多个函数。示出的数值是无量纲的、宽度w的小数。

11-如该表所示，内引导曲线Bi的半径增加方向与外引导曲线Be相反。

12-，在平面E1内经过共同接触点Pt1/Pt2的胫骨和股骨的外侧引导曲线是基于相同的原理建立的。只要发现了轨迹线Lt1和Lt2以及半径Re和Ri的满意的形状——引导曲线Be和Bi也必须匹配胫骨部件的厚度——可以选择小得多的屈曲增幅，以为制造得到表面的充分描绘。有时，这有助于在外侧设置凸缘13（见图2），以扩大引导表面。

13-如图9和图10的图表所示，胫骨的引导曲线的半径被认为要大于它们对应的股骨上的对应部分的尺寸；这将允许在不同的屈曲角度上具有间隙和受控制的松弛度。

14-胫骨和股骨接触曲线之间的间隙允许有松弛度。在关节的全伸展和全屈曲位置，这些松弛度的数值较小。在运动的中间范围，由于对应的接触面部分具有较大的间隙，这些松弛度较大。

轨迹线Lt1和Lt2是非常重要的，因为它们是定义引导面的基础。尽管如此，这些轨迹线不一定是引导面的一部分并且可以忽略。它们可以是用于定义引导表面和股骨和胫骨之间相对运动的虚拟线。

根据轨迹线Lt1和Lt2还可以定义基本圆锥面17、18，该圆锥面能够控制表面的滑动-滚动：两个圆锥以它们的顶点位于内侧关节球1的球心Mb处在彼此之上滑动及滚动。用于胫骨的第一圆锥以轨迹线Lt1作为生成圆锥面18的母线；用于股骨的第二圆锥以轨迹线Lt2作为生成圆锥面17的母线。对于在两个圆锥上的引导面，存在发生滚动及滑动的可能，但是不会仅由圆锥形强制发生。圆锥面某种程度上可以与上述滑动及滚动的强制系统结合，在外侧轨迹线Lt1和Lt2的内面作为辅助支撑面。图11是大体从远侧看的视图，示出了位于外侧股骨髁的圆锥面17。这种圆锥面17的圆锥带可以提供附加的关节面并支撑与其匹配的胫骨的相应部分18，该处滑动与滚动之间的关系受引导曲线Bi和Be所控制。在图12中，外侧股骨部分为透明，以示出了胫骨部件2上的圆锥面18。

在图13与图14所示示例中，伸展时具有大的圆锥支承面18，屈曲角γ大时具有小的圆锥支承面18。这种安排使在任意屈曲角下都具有充足的支承面。

根据具有前交叉韧带或后交叉韧带或两者兼有的情况，这些韧带将会作为引导该运动的第二机构。这会产生在引导运动时试图超控对方的两个相抵触的机构。为解决这一情形，以稍大的内侧和外侧引导曲线加工胫骨件，以增大胫骨和股骨引导结构之间的间隙。拥有不同的胫骨件，外科医生就可以基于患者交叉韧带的特别情况来选择最适合该患者的胫骨件。

尽管基本的胫骨外侧引导面可以用数学方法定义，但从伸展引导到屈曲的第一引导面与从屈曲引导到伸展的第二引导面之间在相同的屈曲角上可能不会刚好接合。这种引导面可以形成围绕中间路径的松弛度包络，而仍可获得接触面的控制效果。松弛度的范围可以对应于不同种类的假体而设定，包括缺少前交叉韧带或后交叉韧带的膝。

实践中存在几种在胫骨侧形成需要的松弛度的可行方案。

实例：

——参考图9和图10，半径Re和Ri可以做得更大。当屈曲角增加，该松弛度的包络从前侧移动至后侧。由于在屈曲运动的中段具有更多的松弛度，而在小屈曲角和大屈曲角时具有更少的松弛度（更多的稳定度），松弛度的包络宽度因此改变。

——参考图6示出的示例，在屈曲运动中段，引导曲线Be和Bi可能在平面E1中在切线T2方向上发生微小移动；外引导曲线Be的球半径Rc更大，内引导曲线Bi的球半径Rc更小。如果在两引导曲线之间增加一条第三直线段，那么松弛度增加时，关节可能就落于第三线段上而不接合两条引导曲线。

如果使用的材料具有足够的弹性，那么轨迹线Lt1或第三线段可以发生偏斜，以允许两侧曲线部分接合并且产生牵引力。如果材料的弹性不足，可能会在关节面之间发生尖头载荷，这可能在长期运动中引起胫骨部件的表面损伤。该弹性材料可以是例如聚氨酯（PU）、聚氨酯弹性体（elastomeric PU）、聚碳酸酯型聚氨酯(PCU)、聚乙烯（PE）或超高分子量聚乙烯（UHMW Polyethylene）。

附图标记

Be 引导面（外）

Bi 引导面（内）

E1 轨迹线的正交平面

E2 伸展时的正交平面

E3 全屈曲时的正交平面

Lt1 胫骨轨迹线

Lt2 股骨轨迹线

M 切点

Mb 球心

Ms 中心

O 原点

Pt1 胫骨接触点

Pt2 股骨接触点

R 矢状面内的半径

R1 矢状面内的半径

R2 矢状面内的半径

Rb 内侧关节球半径

Rc1 胫骨球体半径

Rc2 股骨球体半径

Sb 关节球球面

Sc1 球面（轨迹线）

Sc2 球面（轨迹线）

T2 参考切线

X 坐标轴

Y 坐标轴

Z 坐标轴

w 关节宽度

α 外侧矢状面内的角度

β 枢转角

γ 屈曲角

1 关节球（骨髁）

2 胫骨部件

3 股骨

4 矢状面

5 胫骨

6 中点

7 间距

8 外侧窝

9 沟

10 切口

11 窝

12 瞬时转轴

13 凸缘

14 垂直参考线

15 曲线

16 虚线

17 股骨圆锥面

18 胫骨圆锥面

Claims (12)

1.一种用于膝关节的膝关节假体，该膝关节宽度为“w”并且在内侧具有球状的股骨髁（1）和对应的胫骨窝（11），该球（1）和窝（11）具有中心“Mb”、半径“Rb”和球面“Sb”，并定义有一个附属于胫骨的X,Y,Z笛卡尔坐标系，其原点“O”位于中心“Mb”上，其特征是， 

——在外侧间室上具有用于胫骨部件（2）的接触点“Pt1”的轨迹线“Lt1”，所述轨迹线“Lt1”作为球面“Sc1”上的预设曲线（15），所述球面“Sc1”的球心在原点“O”上且所述球面“Sc1”的半径范围“Rc1”=0.65w±0.25w， 

——在给定的屈曲角γ，对于每个所述接触点“Pt1”都存在一个在轨迹线“Lt2”上的共同接触点“Pt2”以用于附属于股骨的球面“Sc2，”该球面“Sc2”与所述球面“Sc1”是相同的球面，该球面“Sc2”具有原点“O”并且该球面“Sc2”的半径“Rc2”=Rc1，借此，对于给定屈曲角γ，存在一个平面“E1”，该平面经过所述原点“O”和共同接触点Pt1/Pt2，并且该平面同样包含位于胫骨件和股骨件上的两条引导曲线“Bi、”“Be”，所述引导曲线“Bi”指向内侧，所述引导曲线“Be”指向外侧，两条曲线都与所述共同接触点Pt1/Pt2保持固定的几何关系， 

——并且所述引导曲线“Bi”和“Be”的形状随着所述屈曲角γ的变化而往相反方向逐渐变化，以在屈曲方向和伸展方向上发生强制的滑动及滚动。 

2.根据权利要求1所述的膝关节假体，其特征是，所述引导曲线“Bi”和“Be”是起始于共同接触点Pt1/Pt2的弧线。 

3.根据权利要求1或2所述的膝关节假体，其特征是，所述平面E1与在所述共同接触点Pt1/Pt2与所述轨迹线Lt1相切的切线“T1”正交，并且，所述引导曲线“Bi”和“Be”在所述共同接触点Pt1/Pt2处与在所述平面E1内的线段“T2”相切，该线段从所述共同接触点Pt1/Pt2引向所述球（1）的球面“Sb”。 

4.根据权利要求1或2所述的膝关节假体，其特征是，在每个所述共同接触点Pt1/Pt2，所述曲线“Bi”和“Be”是两条半径为Ri、Re的圆弧。 

5.根据权利要求1或2所述的膝关节假体，其特征是，由所述球面“Sc1”与圆柱面（5）相交生成所述预设曲线（15），所述圆柱面与矢状面（4）垂直并由该矢状面（4）上的连续曲线Lc所生成。 

6.根据权利要求5所述的膝关节假体，其特征是，用于构建所述圆柱面的所述连续曲线位于矢状面上并在两个半径为R1和R2的圆形边界之间，该两个圆形共同具有坐标XYZ为X=0.07w、Y=－0.794w、Z=0.5w的圆心，半径分别是R1=0.54w+0.08w、R2=0.54w－0.08w。 

7.根据权利要求6所述的膝关节假体，其特征是，所述半径R1取R1=0.54w+0.03w，所述半径R2取R2=0.54w－0.03w。 

8.根据权利要求1或2所述的膝关节假体，其特征是，对于每个所述屈曲角γ，与轨迹线Lt1相切于点Pt1的切线T1也与所述股骨的球面“Sc2”上的轨迹线Lt2相切，并且对于每个所述屈曲角，瞬时转轴的位置都在平面E1内，该平面E1经过所述内侧关节球的球心Mb并在胫骨的接触点Pt1处与三维轨迹线Lt1的所述切线T1垂直。 

9.根据权利要求1或2所述的膝关节假体，其特征是，整个膝关节假体具有股骨部件，该股骨部件具有类似于解剖学髌骨沟的沟（9）；并且具有胫骨部件（2），该胫骨部件具有合适形状的后侧切口（10）以用于保留一条或两条交叉韧带。 

10.根据权利要求1或2所述的膝关节假体，其特征是构造作为外侧单间室的假体，该假体结合在原内侧股骨髁与所述胫骨的凸几何形和半月板几何形之间的等形关节来保留原髌骨和髌骨沟。 

11.根据权利要求9所述的膝关节假体，其特征是，与全伸展和全屈曲的末端位置相比，在所述屈曲角γ范围的中段，所述胫骨部件与所述股骨部件上的所述引导曲线“Bi”和“Be”之间具有较小的等形度。 

12.根据权利要求1或2所述的膝关节假体，其特征是，在所述轨迹线Lt1和Lt2的内面设置附加的圆锥面（17、18）用于辅助支撑，所述圆锥面的顶点位于所述内侧球（1）的球心Mb，并由所述轨迹线Lt1，Lt2作为所述圆锥的母线。