CN107468381A - 一种膝关节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膝关节系统，所述膝关节系统包括：股骨髁、衬垫和平台。通过膝关节的股骨髁与衬垫的凸轮配合曲面的设计，满足了关节功能和稳定性的需要。通过衬垫和平台的配合设计满足了不同使用状态需求的调节与稳定性之间的需要。从而能够提高人造膝关节的性能和可靠性。

Description

一种膝关节系统

技术领域

本发明属于医疗领域，特别涉及一种膝关节系统。

背景技术

膝关节病变是一种较为常见的骨科疾病。现有技术中对于膝关节的病变有多种治疗方式，随着技术的发展，已经出现了使用人工膝关节对于病变的膝关节进行替换的治疗方案。

人工膝关节置换是一种采用人造的膝关节系统来取代身体上原生的膝关节系统的方案。采用人工膝关节对于减轻膝关节病变所带来的疼痛和不适感有很大的帮助，并且在一定程度上能够替代申请的原生膝关节的功能，因此在现有技术中逐渐成为一种较为流行的技术手段。

在人工膝关节置换的治疗方案中，人工膝关节系统的科学设计成为其能否替代原生膝关节系统的关键。现有技术中，人工膝关节存在着功能不够完善，使用不够稳定的情况。因此，需要在此领域进行持续的改进。

发明内容

本专利正是基于现有技术的上述需求而提出的，本专利要解决的技术问题是提供一种膝关节系统，以提高人造膝关节的性能和可靠性。

为了解决上述问题，本专利提供的技术方案包括：

一种膝关节系统，所述膝关节系统包括：股骨髁，股骨髁与原生的股骨固定连接，传递所述原生股骨的运动；骨髁包括固定单元、凸轮和骨髁面；所述骨髁面呈具有连续过渡的曲面形状，所述骨髁面底部设置有开口向下的凹槽，所述凹槽的底部设置有凸轮，凸轮工作曲面的截面呈现S型，所述S型曲面的上端小，下端大；股骨髁髁面在矢状面上由9段圆弧构成，各段圆弧连续相切，其圆心连线构成弧曲线，9段圆弧各段半径分别为：R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9,其相互关系为R1≥R2≥R3≥R4≥R5≥R6≥R7≥R8≥R9，各相邻圆弧的末端相切约束；衬垫与所述骨髁面以及凸轮配合接触，导向所述膝关节的运动；所述衬垫的上表面形成有立柱，所述立柱包括立柱基座和立柱凸起，所述立柱基座从所述衬垫2的底座上表面向上延伸，高于所述衬垫的底座设置，所述立柱凸起从所述基座靠近所述凸轮的一侧凸起于所述立柱基座向上延伸，所述基座与所述凸起整体成型，立柱基座和立柱凸起靠近所述凸轮一侧的侧面形成为具有连续变化的立柱工作曲面；凸轮工作曲面和立柱工作曲面相互配合使得在立柱和股凸轮初始接触时，所述凸轮的凸起部分上端和所述立柱中的上端接触，由于这两个位置曲度较大且相互配合，提供了相对较大的接触面积；随着关节屈曲度的增大，接触面间缓速过渡；在膝关节高屈曲位置时凸轮和立柱之间的接触位置逐渐降低，使得凸轮和立柱间的负荷通过胫骨衬垫的立柱基座部分传导，减少关节运动时传递到胫骨衬垫立柱的负荷压力；平台，与人体的胫骨相连，所述平台位于所述衬垫下方设置，与所述衬垫通过锁扣机构锁定连接；所述锁扣机构包括，端面接触配合面、Y型配合面、前缘配合面和卡口-卡槽；所述端面接触配合面包括设置在所述衬垫上的上端面、设置在所述平台上的下端面；所述端面接触配合面包括设置在所述衬垫底面的上端面以及设置在所述平台顶面的下端面，上端面和下端面形状相配；所述Y型配合面包括设置在所述下端后部、从下端面向上突出的Y形配合面，与所述Y形配合面相对，在所述衬垫的上端面上设置有Y型配合槽；所述前缘配合面包括在所述下端面前部向上突出的侧面为曲面的下端面前缘配合面，以及与所述前缘配合面相配合的，设置在所述上端面的前缘配合面；卡口-卡槽分别设置在上端面和下端面的前缘配合面上，所述卡扣和卡槽锁定配合；所述Y型配合面约束了衬垫相对平台的+X、-X、+Y以及绕Z轴旋转的自由度；前缘配合面约束了衬垫相对平台的-Y自由度；端面接触配合面约束了衬垫相对平台的绕X轴、Y轴的旋转自由度；卡扣-卡扣槽配合起到防脱落作用，防止胫骨衬垫和胫骨平台的相对滑脱。

优选地，所述股骨髁安装时其内面贴合股骨截骨面，利用骨水泥填充股骨髁内面和股骨截骨面的缝隙，所述股骨髁内面中包括多个倒齿，所述倒齿从所述内侧面向内向下延伸，齿尖朝下设置。

通过上述膝关节的设计，能够提高人造膝关节的性能和可靠性。

附图说明

图1、图2、图3为本专利中膝关节的整体结构示意图；

图4为本专利中股骨髁曲面的凹槽和凸轮位置图；

图5为本专利中衬垫上的立柱结构示意图；

图6、图7为本专利中股骨髁曲面的结构示意图；

图8、图9为松塔立柱的结构示意图；

图10为倒齿结构示意图；

图11为衬垫和平台的配合结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本专利的具体实施方式进行详细说明，需要指出的是，该具体实施方式仅仅是对本专利优选技术方案的举例，并不能理解为对本专利保护范围的限制。

如图1、2、3所示，本具体实施方式中提供了一种膝关节系统，所述膝关节系统包括：股骨髁1，衬垫2和平台3。

所述股骨髁1与原生的股骨固定连接，传递所述原生股骨的运动。在本具体实施方式中，所述股骨髁包括固定单元11、凸轮12和骨髁面13。所述股骨髁1的骨髁面13呈曲面的形状，所述曲面是一种具有连续过渡的曲面，其整体模拟人体原生膝关节的股骨髁的大致形状设计。

如图4所示，在所述股骨髁1的所述骨髁面13上，设置有凹槽111，所述凹槽的底部设置有凸轮12，在所述衬垫2上形成有立柱21。所述股骨髁1上的凹槽111和凸轮12与所述衬垫上形成的立柱相配合，从而限定了所述股骨髁1和所述衬垫之间的相对运动。所述凸轮的工作面形成为具有独特设计的曲面，如图1、2、3所示，所述凸轮112的工作曲面的截面呈现S型，所述S型曲面的上端小，下端大。如图5所示与所述凸轮112配合的衬垫2包括立柱基座212(如图5中斜线覆盖的部分所示)，立柱凸起211，所述立柱基座从所述衬垫2的底部向上延伸，高于所述衬垫的底部设置，具有预定的厚度，所述立柱凸起从所述基座靠近所述凸轮的一侧凸起于所述基座向上延伸，所述基座与所述凸起整体成型，所述膝关节弯曲较小的角度时，所述凸轮中的S型工作面的上端所述凸起上的曲面接触，随着所述膝关节弯曲角度的增大(如图2中示出了膝关节弯曲65°，图3中示出了膝关节弯曲145°的情形)，所述凸轮与所述立柱的接触面逐渐向所述凸轮的下端，以及立柱的下端过渡，将应力传递至所述立柱基座上，如图2的箭头方向所示。

首先，所述立柱21置于所述凹槽111中，这样就限制了立柱相对于所述凹槽的左右移动，由此也限制了所述股骨髁相对所述衬垫进行左右运动，这样股骨髁只能相对于所述衬垫转动和上下移动或者是转动。其次，所述凸轮112的曲面与所述立柱的外轮廓形成的曲面相配合，使得所述股骨髁1与所述衬垫呈不同角度时，所述股骨髁与所述衬垫接触配合的位置不同；这样，在胫骨衬垫立柱和股骨髁凸轮初始接触时，所述凸轮的凸起部分和所述立柱中的上端接触，由于这两个位置曲度较大，且相互配合，因此提供了相对较大的接触面积；随着关节屈曲度的增大，接触面间缓速过渡，在膝关节高屈曲位置时凸轮和立柱之间的接触位置逐渐降低，使得负荷的传导通过胫骨衬垫的立柱基座部分，即厚度最大位置，一定程度上减少了关节运动时传递到胫骨衬垫立柱的负荷。使得胫骨衬垫上所承受的应力最小化，保证了关节的安全有效性。

进一步的，所述股骨髁的所述曲面的右下方为骨髁面13，所述骨髁面13与所述衬垫2的上表面相接触，通过所述骨髁面13的形状和所述衬垫上表面形状的配合导引，从而限定所述膝关节的运动方式，以及膝关节在运动时所述股骨髁和所述衬垫的相对位置。

如图6所示，在本具体实施方式中，股骨髁髁面在矢状面上由9段圆弧构成，各段圆弧连续相切，其圆心连线构成弧曲线4，9段圆弧各段半径分别为：R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9,其相互关系为R1≥R2≥R3≥R4≥R5≥R6≥R7≥R8≥R9，各相邻圆弧的末端相切约束。

该9段圆弧逐渐缩小的意义在于：胫骨衬垫与股骨髁面配合部分的矢状面半径是固定不变的，所以9段圆弧不断缩小，则股骨髁面和胫骨衬垫的配合面的形合度会不断减小，释放更多的自由度，与此同时，随着股骨髁面和胫骨衬垫接触面从R1逐渐往R9转变，股骨髁的屈曲度也逐渐变大，这意味着，股骨髁在低屈曲度时其髁面和胫骨衬垫具有较高的形合度，即具有更高的限制性，维持了低屈曲度时膝关节的稳定性；股骨髁在高屈曲度时其髁面和胫骨衬垫具有较低的形合度，即具有更低的限制性，提供了高屈曲度时膝关节的活动度。图7提供了一种可能的9段圆弧的半径值，该半径值能够有效地贴近人体的运动状态，稳定还原人体膝关节的原生功能。

如图8、9所示，所述股骨髁中与所述曲面相背对的面，是所述股骨髁的固定部分，在本具体实施方式中，所述固定部分包括从所述股骨髁的表面向上突出的固定立柱101，所述固定立柱的优选地包括两个，两个固定立柱分开设置，从不同的位置将所述股骨髁与人体原生的股骨固定，为了增加所述股骨髁与股骨的把持力，在本具体实施方式中，在所述固定立柱上设置有，松塔状股骨髁固定立柱设计，所述松塔固定立柱柱设计包括多个顶端朝上的三角形，所述三角形依次上下设置，形成一个松塔状的结构。这样当所述立柱固定在股骨中时，由于松塔的三角形上端尖下端平，因此避免所述股骨髁向下脱落。股骨髁安装时和骨水泥混合将两根固定立柱插入股骨中，松塔状结构设计的固定立柱可以保证股骨髁对股骨的把持力，在膝关节运动过程中保证股骨髁避免从股骨中脱落出来，维持关节运动的稳定性。

进一步的，如图10所示，所述股骨髁安装时其内面贴合股骨截骨面，利用骨水泥填充股骨髁内面和股骨截骨面的缝隙。在本具体实施方式中，所述股骨髁内面中包括多个倒齿，所述倒齿从所述内侧面向内向下延伸，齿尖朝下设置。通过倒齿的设置可以通过倒齿的抓紧力限制所述股骨髁向下与所述股骨脱离，因而可以保证股骨髁对股骨的把持力，在膝关节运动过程中保证股骨髁避免从股骨中脱落出来，维持关节运动的稳定性。

如图11所示，平台2和胫骨衬垫3之间通过锁定配合来实现。在现有技术中，通常下胫骨平台和胫骨衬垫是一对一配合的，即一个平台只能和唯一的衬垫配合，这种配合关系虽然能够保证衬垫和平台的稳固，但是却缺少足够的使用弹性，当平台或者衬垫之一不能满足要求时，所述可能就需要同时更换或者定制不同的平台和衬垫，在实际的手术过程中有些部件是来不及重新定制的。因此一对一配合的平台和衬垫带来了很多问题，但是如果将平台和衬垫设计成一对多配合则有可能出现固定不牢固，发生微动造成磨损的情况。

为了解决上述问题，本具体实施方式中采用了Y型加弧形卡槽锁扣结构。所述锁扣结构包括，端面接触配合面31，Y型配合面32，前缘配合面33，卡口-卡槽配合面34。具体而言，包括设置在所述衬垫上的上端面、设置在所述平台上的下端面，所述上端面和所述下端面的形状配合设置；同时，还包括设置在所述下端后部，从下端面向上突出的Y形配合面，与所述Y形配合面相对，在所述衬垫的上端面上设置有Y型配和槽；以及，设置在所述下端面前部向上突出的侧面为曲面的下端面前缘配合面，与所述前缘配合面相配合的，设置在所述上端面的前缘配合面，其外侧面与所述前缘配合面的内侧面形状相配；还有，设置在两个前缘配合面上的卡扣和卡槽，所述卡扣和卡槽锁定配合。胫骨平台和胫骨衬垫Y型配合面相配合，从而约束了胫骨衬垫相对胫骨平台的+X、-X、+Y以及绕Z轴旋转的自由度；胫骨平台和胫骨衬垫前缘配合面相配合，约束了胫骨衬垫相对胫骨平台的-Y自由度；胫骨平台和胫骨衬垫端面接触配合面相配合，约束了胫骨衬垫相对胫骨平台的绕X轴、Y轴的旋转自由度；胫骨衬垫和胫骨平台卡扣-卡扣槽配合起到防脱落作用，防止胫骨衬垫和胫骨平台的相对滑脱；综上所述，胫骨衬垫和胫骨平台的四部分配合面共同完成了对胫骨衬垫和胫骨平台的完全约束。

胫骨平台和胫骨衬垫配合过程如下所述：首先将胫骨衬垫和胫骨平台的Y型配合面贴齐，然后对准前缘配合面，将胫骨衬垫上卡扣压入胫骨平台的卡扣槽中，完成锁紧机制，安装完成。

这种设计考虑实际手术中的可能出现的其他状况，而且还通过故而设计Y型加弧形卡槽锁扣结构，优化了锁定的运动机理，减少了胫骨衬垫和胫骨平台间的微动，从而减小聚乙烯的磨损，同时该设计还可以保证使用相对胫骨平台较大一号或较小一号的胫骨衬垫，符合实际的手术操作需求。

Claims (2)

1.一种膝关节系统，其特征在于，所述膝关节系统包括：

股骨髁，股骨髁与原生的股骨固定连接，传递所述原生股骨的运动；骨髁包括固定单元、凸轮和骨髁面；所述骨髁面呈具有连续过渡的曲面形状，所述骨髁面底部设置有开口向下的凹槽，所述凹槽的底部设置有凸轮，凸轮工作曲面的截面呈现S型，所述S型曲面的上端小，下端大；股骨髁髁面在矢状面上由9段圆弧构成，各段圆弧连续相切，其圆心连线构成弧曲线，9段圆弧各段半径分别为：R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9,其相互关系为R1≥R2≥R3≥R4≥R5≥R6≥R7≥R8≥R9，各相邻圆弧的末端相切约束；

衬垫；与所述骨髁面以及凸轮配合接触，导向所述膝关节的运动；所述衬垫的上表面形成有立柱，所述立柱包括立柱基座和立柱凸起，所述立柱基座从所述衬垫2的底座上表面向上延伸，高于所述衬垫的底座设置，所述立柱凸起从所述基座靠近所述凸轮的一侧凸起于所述立柱基座向上延伸，所述基座与所述凸起整体成型，立柱基座和立柱凸起靠近所述凸轮一侧的侧面形成为具有连续变化的立柱工作曲面；凸轮工作曲面和立柱工作曲面相互配合使得在立柱和股凸轮初始接触时，所述凸轮的凸起部分上端和所述立柱中的上端接触，由于这两个位置曲度较大且相互配合，提供了相对较大的接触面积；随着关节屈曲度的增大，接触面间缓速过渡；在膝关节高屈曲位置时凸轮和立柱之间的接触位置逐渐降低，使得凸轮和立柱间的负荷通过胫骨衬垫的立柱基座部分传导，减少关节运动时传递到胫骨衬垫立柱的负荷压力；

平台，与人体的胫骨相连，所述平台位于所述衬垫下方设置，与所述衬垫通过锁扣机构锁定连接；所述锁扣机构包括，端面接触配合面、Y型配合面、前缘配合面和卡口-卡槽；所述端面接触配合面包括设置在所述衬垫上的上端面、设置在所述平台上的下端面；所述端面接触配合面包括设置在所述衬垫底面的上端面以及设置在所述平台顶面的下端面，上端面和下端面形状相配；所述Y型配合面包括设置在所述下端后部、从下端面向上突出的Y形配合面，与所述Y形配合面相对，在所述衬垫的上端面上设置有Y型配合槽；所述前缘配合面包括在所述下端面前部向上突出的侧面为曲面的下端面前缘配合面，以及与所述前缘配合面相配合的，设置在所述上端面的前缘配合面；卡口-卡槽分别设置在上端面和下端面的前缘配合面上，所述卡扣和卡槽锁定配合；所述Y型配合面约束了衬垫相对平台的+X、-X、+Y以及绕Z轴旋转的自由度；前缘配合面约束了衬垫相对平台的-Y自由度；端面接触配合面约束了衬垫相对平台的绕X轴、Y轴的旋转自由度；卡扣-卡扣槽配合起到防脱落作用，防止胫骨衬垫和胫骨平台的相对滑脱。

2.根据权利要求2所述的一种膝关节系统，其特征在于，所述股骨髁安装时其内面贴合股骨截骨面，利用骨水泥填充股骨髁内面和股骨截骨面的缝隙，所述股骨髁内面中包括多个倒齿，所述倒齿从所述内侧面向内向下延伸，齿尖朝下设置。