CN1076104A - 带滚动体的人工髋关节 - Google Patents

Abstract

一种带滚动体的人工髋关节，包括人工股骨头和 人工髋臼，在人工股骨头的外凸曲面形的表面设有内 凹曲面形的槽，在人工股骨头和髋臼之间装滚动装 置，该装置包括放置在上述槽中的滚动体和一可使滚 动体保持于所述槽中又可使滚动体部分突出于其上 所设的孔外而与髋臼的内表面接触的保持架，保持架 安装于人工股骨头上。为此，本发明使关节部位的摩 擦形式成为滚动摩擦，摩擦力可大大降低，因而发热 小，磨损小，还可提高每次走路时间，减小对周围组织 的并发症及关节脱位，损坏，可大大延长使用寿命。

Description

本发明涉及假肢体，特别是关系到一种人体骨骼代用品中的带滚动体的人工髋关节。

人工髋关节置换是治疗许多髋关节疾病，如骨关节炎，骨折脱位，类风湿性关节炎，无菌性坏死，骨肿瘤等疾病的有效措施。人工髋关节分人工半髋关节（人工股骨头置换）和人工全髋关节（人工髋臼和人工股骨头置换）两种。为叙述方便起见，以下我们将以人工全髋关节为例来对人工髋关节进行描述。一般说来，现有技术的人工髋关节，包括专利文献中所公开的或市场上可买得到的，大多数是模仿人类原有髋关节-髋臼和股骨头的接触组合，代之以采用人工髋臼和人工股骨头的接触组合。此外，还有一种人工髋关节，尽管占其总量不多，但它与上述结构略有不同，也就是在人工髋臼和人工股骨头之间加设了1或/和2块单独的复层以增加人工股骨头和人工髋臼的接触面。然而，不论以上所述哪种人工髋关节，在通过置换术将其植入人体后，人工髋臼与人工股骨头或者人工髋臼与复层之间的相对运动形式都是滑动摩擦运动。因此，现有的人工髋关节在使用时摩擦力均较大，患者或植入者在行走半小时到1小时后因其关节部位摩擦发热而传播到周围组织中，所以必须停下来休息一段时间以待热散发出去。在反复使用中，容易因摩擦发热而使人工股骨头与原有的股骨腔结合处引起松动而失效。同时，这种滑动摩擦还造成人工髋关节关节面间的磨损致使产生的磨粒进入其周围的组织中而引起各种并发症，导致人工髋关节失效。例如由于磨损易于发生关节脱位，断裂等严重问题。因此，现有的人工髋关节需间歇使用，而使用不当还会引起一系列并发症，此外，寿命不长，上述种种，都是现有滑动摩擦人工关节的固有缺点。

本发明的目的是为了从根本上克服上述滑动摩擦人工髋关节所引起的种种不良现象而提供一种带滚动体的人工髋关节。

为实现上述目的，本发明的带滚动体的人工髋关节包括人工股骨头和人工髋臼或单单人工股骨头，其中所述的人工股骨头在其球面形或外凸曲面形的表面上设有1～10个或更多一些的球面形或内凹曲面形的槽，在所述的人工股骨头和人工髋臼之间装有一滚动装置，该滚动装置包括放置在内凹曲面形的槽中且具有与其槽数数量相等的滚动体，例如球和一可使滚动体保持于内凹曲面形槽中并又可使滚动体部分地突出于其上所设的孔外而与人工髋臼的内表面接触的保持架，所述的保持架则固定安装于人工股骨头上。

由于本发明的人工髋关节在人工髋臼和人工股骨头之间加入了滚动装置，因而其关节部位的摩擦形式成为滚动摩擦，摩擦系数和摩擦力大大降低，以及发热小，磨损小。相应地，可较大地提高每次行走的时间，而且也减少了它对周围组织的有害影响使各种并发症以及人工髋关节的松动、脱位和损坏减至最小。为此，本发明的人工髋关节能提供优良的使用性能且大大延长使用寿命。

以下将结合附图对本发明的实施例作详细的说明，其中：

图1是本发明人工髋关节的一个实施例，其中滚动装置带三颗等径球的剖视图;

图2是图1的人工髋关节在移去人工髋臼和保持架之后的俯视图;

图3是本发明的人工髋关节的另一个实施例，其中，在滚动装置中具有二种不等径球的剖视图;

图4是图3的人工髋关节在移去人工髋臼和保持架之后的俯视图;

图5是图3的人工髋关节在移去了人工髋臼之后的俯视图;

图6是本发明的又一个实施例，其中滚动装置的球可分别与人工髋臼和人工股骨头表面接触的剖视图。

请参见图1和2，在本发明的这个实施例中，人工髋关节包括人工髋臼1，人工股骨头4，在所述的人工股骨头的外凸曲面形的外表面上设有3个内凹曲面形的槽5，在所述的人工髋臼1和人工股骨头4之间装有一滚动装置，所述的滚动装置由三个球2和一保持架3组成。所述的滚动装置的球2位于人工股骨头的内凹曲面形的槽5中。所述的保持架3具有与人工股骨头4外表相似的形状，并且设有与人工股骨头的槽5位置相对的三个孔6。在较佳的设计中保持架上的孔6可以是球面形的，内凹曲面形的或锥圆形的等;在其所持形状的直径或曲率半径方向孔的直径逐渐减小。保持架3以固定的方式，例如通过螺钉、铆钉或焊接等诸如此类的方式装配到股骨头4上，从而使所述的球2可转动地约束于人工股骨头的槽5和保持架的孔6之间并使其一部分突出于保持架的孔6外，而与人工髋臼1的内表面相接触。在本实施例中，所述的球2的直径是一样的，它们在人工股骨头与人工髋臼的相对表面上等间隔均匀分布。

参阅图3至5，这是本发明的另一个实施例，即第二个实施例在本实施例中人工髋关节具有与前一个实施例相类似的组成部分，即包括人工髋臼1，人工股骨头4和滚动装置，只是所述的人工股骨头4的外表面上设有五个槽，五个槽中的一个槽11位于中心，具有较大的直径或曲率半径，四个槽10位于其周围，具有较小而相等的直径或曲率半径，所述的滚动装置的球，其中，一个直径较大的球7位于槽11中，四个直径较小的而相同的球9位于槽10中，所述的滚动装置的保持架8具有与人工股骨头4外表相似的形状并设有与人工股骨头的槽10和11位置相对的五个孔。在具体的设计中所述的球的直径可以任意选择，但直径或最大直径应小于人工髋臼的内径。

为安装方便起见，在以上的实施例中，滚动体的保持架可以是整块的板，也可以由2～5块小板12并合而成，如图5所示。

在图6中，提供了本发明的人工髋关节的再一个实施例，在这个实施例中由于所述的人工股骨头4上不设槽，因此由许多球13和一保持架14组成的所述的滚动装置，通过球13与人工髋臼1和人工股骨头4的内外表面相接触以达到滚动摩擦的作用。在这种结构中，有的还可在滚动体中加套环嵌件（图中未画出），通常将它们放置在保持架和滚珠之间。

本发明的人工髋关节在结构上改变以后仍可采用金属-金属型，塑料-金属型以及其它一些，如陶瓷、碳质等类型且保持这些材料具有生物相溶性的特点。为此，本发明中新设置的滚动装置部分也将采用钴铬钼合金、钛合金、不锈钢或高密度聚乙烯来制造。

以下我们将从接触强度、使用中摆角值、摩擦及寿命几个方面来分析和验证一下在材料选定以后本人工髋关节所具有的性能指标。

根据上述第二个实施例，即图3至5所示的人工髋关节，若球、髋臼、人工股骨头材料均用钴铬钼合金（其成份如下：铬27%-30%，钼5%-7%，镍0-2.5%，铁0-0.75%，碳0-0.35%，硅0-1%，锰0-1%，其余为钴）。该合金的弹性模量E均为2.1×10⁵N/mm²。在滚动装置中大球7的直径d₁为16mm，和大球7相配的球窝形槽11直径d₂为18mm，小球9的直径为8mm，和小球相配的球窝形槽10的直径d₄为9mm，小球9与髋臼球心的连线与人工股骨头颈部轴线的夹角ψ为75°。髋臼1外径d₅为50mm，髋臼1内径d₆为40mm。人工股骨头颈部的直径d₇为15mm。

接触强度：计算接触强度时的载荷F按7倍体重W计。取体重W等于700N，则F＝7W＝4900N。由于在载荷作用下，大球7的变形量δ₁和小球9的变形量δ₃之间存在如下关系：

δ₃= δ₁cosφ=δ₁cos75° 0.26δ₁

因此，当关节受载荷作用时，小球9产生的变形较小，也即承受的载荷较小，可以认为载荷主要由大球7承受。

a.大球7与人工股骨头4之间的接触强度：

根据赫兹（Hertz）点接触理论，其中：

等效接触圆半径： 1/(R) = 1/(R₁) - 1/(R₂)

R = (R₁·R₂)/(R₂- R₁) = (8×9)/(9-8) 72mm

等效弹性模量：E＝2.1×10⁵N/mm²

最大接触载荷：F＝7W＝7×700＝4900N

则最大接触应力：

${\mathrm{\σ}}_{H\max }=0.388\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{FE}}^2}{R^2}}=0.388\sqrt[3]{\frac{4900\×{2.1}^2\×{10}^{10}}{{72}^2}}$

=1345N/mm²

≤材料极限接触应力σ_Heim= 4200N/mm²

＊注：此应力为球产生万分之一直径塑性变形时的应力。

b.大球7与髋臼1之间的接触强度：同样根据赫兹（Hertz）点接触理论，其中：

等效接触圆半径： 1/(R) = 1/(R₁) - 1/(R₆)

R= (R₆R₁)/(R₆- R₁) = (20×8)/(20-8) =13.33mm

等效弹性模量：E＝2.1×10⁵N/mm²

最大接触载荷：F＝4900N

则最大接触应力：

${\mathrm{\σ}}_{H\max }=0.388\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{FE}}^2}{R^2}}=0.388\sqrt[3]{\frac{4900\×{2.1}^2{\×10}^{10}}{{13.33}^2}}$

=4141N/mm²

≤材料极限接触应力σ_Heim= 4200N/mm²

c.小球9与人工股骨头4之间的接触强度：

先根据变形协调条件求出作用在小球上载荷。由于小球9的变形δ₃和大球7的变形δ₁之间存在如下关系：

δ₃＝δ₁cosψ＝δ₁cos75°＝0.26δ₁

假定球的变形都是由于球与髋臼之间的接触应力产生，则

${\mathrm{\δ}}_1=1.23\sqrt[3]{{\left(\frac{P}{E}\right)}^2\frac{1}{R}}=1.23\sqrt[3]{{\left(\frac{4900}{2.1\×{10}^5}\right)}^2\·\frac{1}{13.33}}$

而

${\mathrm{\δ}}_3={0.26\mathrm{\δ}}_1=0.26\×1.23\sqrt[3]{{\left(\frac{4900}{2.1\×10^5}\right)}^2\·\frac{1}{13.33}}$

另外δ₃又可按以下公式计算：

${\mathrm{\δ}}_3=1.23\sqrt[3]{{\left(\frac{P_3}{E}\right)}^2\frac{1}{R}}$

1/(R) = 1/(R₃) - 1/(R₆) ,R= (R₆·R₃)/(R₆- R₃) = (20×4)/(20-4) =5mm

∴ ${\mathrm{\δ}}_3=1.23\sqrt[3]{{\left(\frac{F_3}{2.1\×{10}^5}\right)}^2\×\frac{1}{5}}$

$1.23\sqrt[3]{{\left(\frac{F_3}{2.1\×{10}^5}\right)}^2\×\frac{1}{5}}$

$=0.26\×1.23\sqrt[3]{{\left(\frac{4900}{2.1\×10^5}\right)}^2\·\frac{1}{13.33}}$

F² ₃× 1/5 ＝0.26³×4900²× 1/13.33

（1） $F_3=4900\sqrt{\frac{5}{13.33}\×{0.26}^3}=398N$

根据赫兹点接触理论，其中：

等效接触圆半径：

1/(R) = 1/(R₃) - 1/(R₄)

R = (R₄×R₃)/(R₄- R₃) = (4.5×4)/(4.5-4) =36mm

等效弹性装置：E＝2.1×10⁵N/mm²

最大接触载荷：F＝398N

则最大接触应力：

${\mathrm{\σ}}_{H\max }=0.388\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{FE}}^2}{R^2}}$ $=0.388\sqrt[3]{\frac{398\×{2.1}^2\×{10}^{10}}{{36}^2}}$ $=925N/{\mathrm{mm}}^2$

≤材料极限接触应力б_Hlim= 4200N/mm²

d.小球9与髋臼1之间的接触强度

根据赫兹点接触理论，其中：

等效接触圆半径： 1/(R) = 1/(R₃) - 1/(R₆)

R = (R₆×R₃)/(R₆- R₃) = (20×4)/(20-4) =5mm

等效弹性模量：E＝2.1×10⁵N/mm²

最大接触载荷：F＝398N

则最大接触应力

${\mathrm{\σ}}_{H\max }=0.388\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{FE}}^2}{R^2}}$ $=0.388\sqrt[3]{\frac{398\×{2.1}^2\×{10}^{10}}{5^2}}$ $=3448N/{\mathrm{mm}}^2$

   ≤材料极限接触应力

б_Hlim= 4200N/mm²

摆动角度：股骨头相对于的摆角ψ应不小于120°，人工关节的摆角大小取决于髋臼的内径d₆和股骨头关节柄颈的直径d₇。

sin α= (d₇)/(d₆) = 15/40 ∴α＝Sin^-115/40 ＝22°

∴ψ＝180°-2α＝180°-2×22°＝136°＞120°

摩擦系数：滚动摩擦人工关节的摩擦系数约为0.002，远小于滑动摩擦人工关节的摩擦系。（用关节液润滑的滑动摩动人工关节，其股骨头和髋臼在各种材料组合时的摩擦系数值如表1所示）。

表1，滑动摩擦人工关节的摩擦系数

组合                                        摩擦系数

钴铬钼合金与钴铬钼合金                      0.16

钴铬钼合金与高分子量聚乙烯                  0.044

钛合金（TC₄)与钛合金（TC₄) 0.3

钛合金（TC₄)与高分子量聚乙烯 0.044

磨损：滚动摩擦的人工关节在发生疲劳损坏前几乎没有任何磨损。而滑动摩擦的人工关节，无论是金属与金属的组合，还是金属与塑料的组合，年磨损量均要达0.13mm～0.14mm。

寿命计算：根据实验测定，人工髋关节所受工作载荷P一般等于2倍的体重W，即

P＝2W＝2×700＝1400N

对于球直径d₁为16mm的滚动摩擦人工关节，其额定动载荷C大致为7600N。于是按下述寿命计算公式：

T = ( (C)/(P) )^e× 10⁶=( 7600/1400 )³× 10⁶

=160×10⁶受载次数

对于置换了滚动摩擦人工关节的患者，其运动量较常人为少，若按每年行走2×10⁶步计，则人工关节年受载2×10⁶次，因此，本发明的滚动摩擦人工关节其按年计的寿命为：

L = (160×10⁶)/(2×10⁶) =80年

由此证明，带滚动体的新型滚动摩擦人工髋关节的寿命足够维持人的一生。

Claims (4)

1、一种带滚动体的人工髋关节，包括人工股骨头和人工髋臼，其特征在于所述的人工股骨头在其球面形或外凸曲面形的表面上设有1-10个或更多的球面形或内凹曲面形的槽，在所述的人工股骨头和人工髋臼之间装有一滚动装置，该滚动装置包括放置在内凹曲面形的槽中，且具有与其槽数数量相等的滚动体，例如球和一可使滚动体保持于内凹曲面形的槽中且又可使滚动体部分地突出于其上所说的孔外而与人工髋臼的内表面接触的保持架，所述的保持架固定安装于人工股骨头上。

2、根据权利要求1所述的人工髋关节，其特征在于所述的滚动体的直径应小于人工髋臼的内径。

3、根据权利要求1所述的人工髋关节，其特征在于滚动装置的保持架可以是整体式的板，也可以由2块或2块以上小板并合而成。

4、根据权利要求1，2或3所述的人工髋关节，其特征在于所述的滚动装置是采用钴铬钼合金、钛合金、不锈钢或高密度聚乙烯制的。

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