CN111110405B - 一种人工膝关节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种人工膝关节，该人工膝关节包括髌骨、股骨髁、胫骨衬垫以及胫骨托。股骨髁具有位于后部的髌骨滑道关节面，髌骨与股骨髁的髌骨滑道关节面接合。胫骨衬垫包括上部和下部，股骨髁与胫骨衬垫的上部接触并且可滚动地设置在胫骨衬垫的上方。胫骨托包括胫骨平台以及用于支撑胫骨平台的支撑柱，垂直于支撑柱的轴线的平面与胫骨平台底面所处的平面之间的夹角介于3‑5°之间，胫骨衬垫通过卡合结构接合于胫骨平台上方。该人工膝关节可以进一步降低衬垫两个表面的总体磨损并且改善人体行走时的舒适度。

Description

一种人工膝关节
技术领域
本发明涉及一种医疗康复器械，更具体地，涉及一种人工膝关节。
背景技术
全膝关节置换术自上世纪七十年代应用于临床以来，内植物的材料基本由钴铬钼(CoCrMo)合金和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)构成。膝关节假体的设计主要包括两个界面，其中之一是固定界面，另外之一是关节表面的滑动面。假体一般是通过骨水泥或者骨长入直接和骨固定，而胫骨部件已经由上世纪70-80年代的聚乙烯衬垫转变为目前使用的组合式(Modular)。现代膝关节置换要求医生能够把握住病人的软组织平衡，在手术过程中能够及时地调整胫骨衬垫的厚度，因此组合式的胫骨托得到广泛的应用。CoCrMo合金应用于股骨髁和胫骨托，超高分子量聚乙烯应用于胫骨衬垫和髌骨摩擦面。钛合金曾经被应用于股骨髁和胫骨托，但由于钛合金对超高分子量聚乙烯摩擦面不理想，即使经过表面镀层处理后，其磨损问题并没有显著改善，因而没能广泛应用。
传统膝关节假体设计使用的材料为钴铬钼、聚乙烯、钛合金、陶瓷，钴铬钼用于制造股骨髁和胫骨托，聚乙烯用于制造胫骨衬垫和髌骨假体，钛合金用于制造胫骨托，陶瓷用于制造股骨髁。
金属或陶瓷材料不管是应用于股骨髁还是胫骨托都存在不尽如意的临床问题。第一，超高分子量聚乙烯滑动面的磨损问题；第二，超高分子量聚乙烯对金属胫骨托非滑动面的微动磨损问题，同样的问题也发生在髋关节；第三，金属或陶瓷股骨髁对自然骨的应力遮挡问题；第四：金属胫骨托对自然骨的应力遮挡问题；第五，CoCrMo合金含有少量的镍元素，引起部分病人的过敏反应；第六，金属材料在人体中不可避免地产生腐蚀，释放出Co、Cr、Mo、Ni等离子，过量的金属离子释放会产生毒性；第七，金属材料特别是CoCrMo严重影响核磁共振(MRI)成像。
专利文献CN 104887354B公开了一种组合式全有机高分子材料人工膝关节。采用有机高分子材料制备的股骨髁、胫骨托、胫骨衬垫及髌骨以及对结构的改进显著降低了聚乙烯衬垫两个表面的总体磨损。
然而，仍有进一步优化人工膝关节结构以降低材料磨损并改善人工膝关节的舒适度的必要。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种人工膝关节。该人工膝关节可以进一步降低衬垫两个表面的总体磨损并且改善人体行走时的舒适度。
根据本发明的一方面，提供一种人工膝关节，该人工膝关节包括：
髌骨；
股骨髁，所述股骨髁具有位于后部的髌骨滑道关节面，所述髌骨与所述股骨髁的髌骨滑道关节面接合；
胫骨衬垫，所述胫骨衬垫包括上部和下部，所述股骨髁与所述胫骨衬垫的上部接触并且可滚动地设置在所述胫骨衬垫的上方；
胫骨托，所述胫骨托包括胫骨平台以及用于支撑所述胫骨平台的支撑柱，垂直于所述支撑柱的轴线的平面与所述胫骨平台底面所处的平面之间的夹角介于3-5°之间，所述胫骨衬垫通过卡合结构接合于所述胫骨平台上方。
根据本发明的一个实施例，所述髌骨和所述胫骨衬垫由超高分子量聚乙烯构成，所述股骨髁和所述胫骨托由聚醚醚酮或其衍生物构成。
根据本发明的一个实施例，所述胫骨托还包括稳定翼，所述稳定翼的一侧连接到所述支撑柱，所述稳定翼的上部连接到所述胫骨平台的底面。
根据本发明的一个实施例，所述胫骨衬垫的上表面与所述胫骨衬垫下表面之间的夹角约为4°并且由前向后逐渐变厚。
根据本发明的一个实施例，所述胫骨衬垫包括上部和下部，胫骨衬垫的上部具有与股骨髁关节面接触的凹形关节面，所述胫骨衬垫的下部具有前卡合部和后卡合部，所述前卡合部和所述后卡合部通过所述胫骨衬垫底部的缺口形成，所述前卡合部的缺口长度大于所述后卡合部的缺口长度。
根据本发明的一个实施例，所述股骨髁为后稳定型股骨髁，所述后稳定型股骨髁包括位于中间的盒状部，所述盒状部具有贯穿的开口。
根据本发明的一个实施例，所述胫骨衬垫还包括从所述胫骨衬垫的上部向上延伸的限位柱，所述限位柱可插入所述盒状部的开口。
根据本发明的一个实施例，所述胫骨平台的上部包括前卡合槽和后卡合槽，所述前卡合槽的长度大于所述后卡合槽的长度。
根据本发明的一个实施例，所述胫骨托还包括从所述胫骨平台的上表面延伸至所述支撑柱中的空心部，所述空心部中进一步设有加强柱，所述加强柱与所述支撑柱之间设有X-光显影添加物。所述X-光显影添加物由生物相容性的金属材料(如钴铬钼)制造，其直径介于1.5mm和2.5mm之间，长度介于6mm和15mm之间。加强柱由PEEK制造。
根据本发明的一个实施例，所述胫骨平台的底面以及所述股骨髁的内表面上设有扩展接合部，所述扩展接合部可以是一组小凸台以增加水泥与胫骨托的结合面积。
根据本发明的一个实施例，所述股骨髁两侧设有用于安装与取出股骨髁的夹持槽。
根据本发明的一个实施例，所述股骨髁为后交叉韧带保留型股骨髁，所述后交叉韧带保留型股骨髁包括设置在股骨髁前部的柱状X-光显影添加物以及设置在两个固定柱上的柱状X-光显影添加物。X-光显影添加物由具有生物相容性的金属材料(如钴铬钼)制造。位于股骨髁前部的柱状X-光显影添加物的直径介于0.5mm至3.0mm之间，长度介于2mm至10mm之间。位于两个固定柱上的柱状X-光显影添加物的直径介于0.5mm和3.0mm之间，长度介于2mm至10mm之间。
根据本发明的一个实施例，所述股骨髁为后稳定型股骨髁，后稳定型股骨髁包括设置在股骨髁前部的柱状X-光显影添加物。X-光显影添加物由具有生物相容性的金属材料(如钴铬钼)制造。位于股骨髁前部的柱状X-光显影添加物的直径介于0.5mm至3.0mm之间，长度介于2mm至10mm之间。
根据本发明的一个实施例，胫骨托还包括从胫骨平台底面垂直安装的多个柱状X-光显影添加物，柱状X-光显影添加物由具有生物相容性的金属材料(如钴铬钼)制造，其直径介于0.5mm和1.5mm之间，长度介于2mm和3mm之间。
根据本发明的一个实施例，髌骨的关节面为上凸的曲面。与关节面相对的侧面上设有凹槽和多个立柱，凹槽与骨水泥接合，立柱用于固定髌骨。
由于具有上述结构，本发明的人工膝关节可以获得以下多种有益效果：
(1)本发明采用相对倾斜设置的胫骨衬垫和胫骨托，可以防止股骨髁脱位，而且，采用倾斜设置的胫骨平台和进一步倾斜的胫骨衬垫可以降低滑动磨损；
(2)前后卡合结构可以将胫骨衬垫与胫骨托的相对微动控制在较小的范围内，滑动量的降低既有助于降低胫骨衬垫的磨损，又可以减小因滑动过大给患者所造成的不适感；
(3)将支撑柱的加强结构改进为可插入式，在加强结构需要更换时，可仅将加强柱取出，而无需替换整个胫骨托。
附图说明
图1A示出了根据本发明的一个实施例的人工膝关节的示意图；
图1B示出了根据本发明的一个实施例的人工膝关节的示意图；
图1C示出了根据本发明的一个实施例的人工膝关节的示意图；
图2A示出了根据本发明的一个实施例的后交叉韧带保留型股骨髁的示意图；
图2B示出了根据本发明的一个实施例的后稳定型股骨髁的示意图；
图3A示出了根据本发明的一个实施例的髌骨的示意图；
图3B示出了根据本发明的一个实施例的髌骨的示意图；
图4A示出了根据本发明的一个实施例的后交叉韧带保留型胫骨衬垫的示意图；
图4B示出了根据本发明的一个实施例的后交叉韧带保留型胫骨衬垫的示意图；
图4C示出了根据本发明的一个实施例的后交叉韧带保留型胫骨衬垫的示意图；
图4D示出了根据本发明的一个实施例的后稳定型胫骨衬垫的示意图；
图4E示出了根据本发明的一个实施例的后稳定型胫骨衬垫的示意图；
图4F示出了根据本发明的一个实施例的后稳定型胫骨衬垫的示意图；
图5A示出了根据本发明的一个实施例的胫骨托的示意图，示出了胫骨托的截面图和仰视图；
图5B示出了根据本发明的一个实施例的胫骨托的立体图；
图5C示出了根据本发明的一个实施例的胫骨托的示意图；
图5D示出了根据本发明的一个实施例的胫骨托的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了便于说明，本发明中所述的前部或前侧代表当该人工膝关节植入人体之后更接近于人体的正面的部分，所述的后部或后侧代表当该人工膝关节植入人体之后更接近于人体的背面的部分。
参考图1A-1C，图中示出了根据本发明的一个实施例的人工膝关节的示意图。该人工膝关节总体包括股骨髁100、髌骨200、胫骨衬垫300以及胫骨托400。股骨髁100具有位于后部的髌骨滑道关节面170a(参考图2a)，髌骨200的关节面210与股骨髁100的髌骨滑道关节面170a接合。股骨髁100与胫骨衬垫300的上部接触并且可滚动地设置在胫骨衬垫300的上方。胫骨衬垫300设置在胫骨托400上方，并且两者通过卡合结构接合。胫骨托400包括胫骨平台410以及用于支撑胫骨平台的支撑柱440(在图5A中示出)。参考图5A，垂直于支撑柱440的轴线的平面与胫骨平台410的底面所处的平面之间的夹角β介于3-5°之间。髌骨200和胫骨衬垫300可以由超高分子量聚乙烯构成，股骨髁100和胫骨托400可以由聚醚醚酮或其衍生物构成。
图2A示出了根据本发明的一个实施例的后交叉韧带保留型股骨髁100的示意图。如图所示，后交叉韧带保留型股骨髁包括与胫骨衬垫300滚动接触的关节面160a。后交叉韧带保留型股骨髁的前部可以设置柱状X-光显影添加物110a。X-光显影添加物110a可以由具有生物相容性的金属材料(例如钴、铬、钼等)制造。位于股骨髁前部的柱状X-光显影添加物110a的直径介于0.5mm至3.0mm之间，长度介于2mm至10mm之间。后交叉韧带保留型股骨髁100的左右两侧各设置一个固定柱120a，固定柱120a上设置有X-光显影添加物110a以用于表明该股骨髁为后交叉韧带保留型股骨髁，位于两个固定柱120a上的柱状X-光显影添加物的直径介于0.5mm和3.0mm之间，长度介于2mm至10mm之间。后交叉韧带保留型股骨髁前部的中间区域具有缺口。股骨髁的内表面为水泥接合面130a，水泥接合面130a上设有扩展接合部150a，在该实施例中，扩展接合部150a可以是一组小凸台以增加水泥与胫骨托的结合面积。股骨髁100两侧设有用于安装与取出股骨髁的夹持槽140b。股骨髁后部的髌骨滑道关节面170a与髌骨200的关节面210接合。
图2B示出了根据本发明的一个实施例的后稳定型股骨髁100的示意图。如图所示，后稳定型股骨髁包括与胫骨衬垫300滚动接触的关节面160b。后稳定型股骨髁的前部可以设置柱状X-光显影添加物110b。X-光显影添加物110b可以由具有生物相容性的金属材料(例如钴、铬、钼等)制造。位于股骨髁前部的柱状X-光显影添加物110b的直径介于0.5mm至3.0mm之间，长度介于2mm至10mm之间。后稳定型股骨髁具有位于中间的盒状部120b，盒状部120b具有贯穿的开口以用于容纳与其配合使用的后稳定型胫骨衬垫300的限位柱350b，从而防止股骨髁左右移动。后稳定型股骨髁还具有水泥接合面130b，水泥接合面130b上设有扩展接合部150b，在该实施例中，扩展接合部150b可以是一组小凸台以增加水泥与胫骨托的结合面积。股骨髁100两侧设有用于安装与取出股骨髁的夹持槽140b。股骨髁后部的髌骨滑道关节面170b与髌骨200的关节面210接合。
图3A和图3B示出了根据本发明的一个实施例的髌骨200的示意图。髌骨200的关节面210为上凸的曲面。与关节面210相对的侧面220上设有凹槽230和多个立柱240。凹槽230与骨水泥接合，立柱240用于固定髌骨。在该实施例中，立柱240的数量为3个，均匀地布置在凹槽230的外周附近。然而，本发明并不仅限于此，还可以采用其他形式的凹槽以及其他数量的立柱。
图4A示出了根据本发明的一个实施例的后交叉韧带保留型胫骨衬垫的示意图，其与后交叉韧带保留型股骨髁配合使用。该胫骨衬垫300具有上部和下部。上部具有与股骨髁100的关节面160a接触的上部凹形关节面310a，下部具有位于前侧和后侧的卡合结构。胫骨衬垫300的厚度由前向后逐渐增加，从而使胫骨衬垫300的上表面与其下表面320a的夹角约为4°。
如图4A-4C所示，胫骨衬垫300具有前卡合部340a和后卡合部330a，前卡合部340a和后卡合部330a都由从侧面朝向胫骨衬垫300的主体部分延伸的V形缺口形成，使得前卡合部340a与其上方的部分之间存在一个V形缺口，而前卡合部340a自身也总体呈V形。后卡合部330a与前卡合部340a相似，但其V形角度大于前卡合部340a。前卡合部340a围绕胫骨衬垫300的外周延伸约半圈，后卡合部330a围绕胫骨衬垫300的外周延伸外周的三分之一左右。然而，也可以根据需要将前后卡合部设置为其他长度。
图4D示出了根据本发明的一个实施例的后稳定型胫骨衬垫的示意图，其与后稳定型股骨髁配合使用。与图4A-4C的胫骨衬垫类似地，该胫骨衬垫300也包括上部和下部。上部具有与股骨髁100的关节面160b接触的上部凹形关节面310b，下部具有位于前侧和后侧的卡合结构。胫骨衬垫300的厚度由前向后逐渐增加，从而使胫骨衬垫300的上表面与其下表面320b的夹角约为4°。
如图4E-4F所示，胫骨衬垫300具有前卡合部340b和后卡合部330b，前卡合部340b和后卡合部330b都由从侧面朝向胫骨衬垫300的主体部分延伸的V形缺口形成，使得前卡合部340b与其上方的部分之间存在一个V形缺口，而前卡合部340b自身也总体呈V形。后卡合部330b与前卡合部340b相似，但其V形角度大于前卡合部340b。与后交叉韧带保留型胫骨衬垫不同的是，后稳定型胫骨衬垫还包括从胫骨衬垫的上部向上延伸的限位柱350b，限位柱350b可插入盒状部120b的开口。
参考图4E-4F，示出了后稳定型胫骨衬垫的侧视图和仰视图，由图中可以看出，前卡合部340和后卡合部330位于后稳定型胫骨衬垫的底部。前卡合部340围绕胫骨衬垫300的外周延伸约半圈，后卡合部330围绕胫骨衬垫300的外周延伸外周的三分之一左右。然而，也可以根据需要将前后卡合部设置为其他长度。
图5A示出了根据本发明的一个实施例的胫骨托的示意图，左侧为胫骨托的剖面图，右侧为胫骨托的仰视图。胫骨托400总体包括胫骨平台410和支撑柱440。支撑柱440用于支撑胫骨平台410以及胫骨平台410上方的部件。胫骨平台410和支撑柱440可以为一体式结构。如图5C所示，与支撑柱440的轴线A垂直的面以S1表示，胫骨平台410的底面470所处的面以S2表示，在本发明的实施例中，将面S1与面S2的夹角β设置为约3-5°。该夹角β与胫骨衬垫300的上下表面之间的夹角组合使得股骨髁100所受到的力并非沿着支撑柱440的轴线A，而是与轴线A存在约7°左右的夹角，从而防止股骨髁100脱位。而且，胫骨平台410以及胫骨衬垫300两者的滑动配合面与水平面之间存在3°左右的倾斜，在人体行走时可以降低磨损。
胫骨托400还包括稳定翼420，稳定翼420的一侧连接到支撑柱440，稳定翼420的上部连接到胫骨平台410的底面。稳定翼420包括两个成角度地设置的板状结构，两个板状部分别延伸至胫骨平台410前部突出的两侧。胫骨托400还包括从胫骨平台410的上表面延伸至支撑柱440中的空心部，空心部中进一步设有加强柱，加强柱与支撑柱440之间设有X-光显影添加物430。加强柱可以采用聚醚醚酮或其衍生物材料。将支撑柱440的加强结构改进为可插入式，在加强柱需要更换时，可仅将加强柱取出，而无需替换整个胫骨托400。胫骨平台410的底面470设置有垂直安装的四个柱状X-光显影添加物480，柱状X-光显影添加物由具有生物相容性的金属材料(如钴铬钼)制造，其直径介于0.5mm和1.5mm之间，长度介于2mm和3mm之间。胫骨平台410的底面470上还设置有成组的小凸台，以增加胫骨托400与骨水泥的接触面积。
胫骨平台410的上部在前侧和后侧都设有卡合槽，在该实施例中，前卡合槽460和后卡合槽450均为V形卡合槽。然而，也可以采用其他形状的凹槽。前卡合槽460和后卡合槽450的形状和长度与和其配合使用的胫骨衬垫300的前卡合部以及后卡合部相适应。具体地，后卡合槽450的锥度大于前卡合槽的斜度。
参考图5B-5D，该图示出了根据本发明的一个实施例的胫骨托400，胫骨托400呈解剖型结构，符合人体解剖结构。胫骨平台410上部大部分区域的材料都被移除，仅保留外周的部分，被保留部分形成了前卡合槽460和后卡合槽450。前卡合槽460围绕胫骨平台410的外周延伸约半圈，后卡合槽450围绕胫骨平台410的外周延伸约三分之一圈。胫骨平台410的中心区域设有用于安装加强柱的开口，开口周边设有倒角。
按照ISO 14243标准进行磨损试验，PEEK制造的股骨髁与高交联超高分子量聚乙烯制造的胫骨衬垫形成的摩擦副的磨损量为2.76mm3/100万次。按照YY/T 0810.1标准(测试频率：10Hz，测试力：90N～900N，测试周期：1000万次)进行试验，1000万次循环后，PEEK胫骨托不失效。这些测试表明，本发明的人工膝关节的磨损进一步降低，而且寿命更长。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (8)

1.一种人工膝关节，其特征在于，包括：
髌骨；
股骨髁，所述股骨髁具有位于后部的髌骨滑道关节面，所述髌骨与所述股骨髁的髌骨滑道关节面接合；
胫骨衬垫，所述胫骨衬垫包括上部和下部，所述股骨髁与所述胫骨衬垫的上部接触并且可滚动地设置在所述胫骨衬垫的上方；
胫骨托，所述胫骨托包括胫骨平台以及用于支撑所述胫骨平台的支撑柱，垂直于所述支撑柱的轴线的平面与所述胫骨平台底面所处的平面之间的夹角介于 3-5°之间，所述胫骨衬垫通过卡合结构接合于所述胫骨平台上方；
所述胫骨衬垫包括上部和下部，胫骨衬垫的上部具有与股骨髁关节面接触的凹形关节面，所述胫骨衬垫的下部具有前卡合部和后卡合部，所述前卡合部和所述后卡合部通过所述胫骨衬垫底部的缺口形成，所述前卡合部的缺口长度大于所述后卡合部的缺口长度；
前卡合部和后卡合部都由从侧面朝向胫骨衬垫的主体部分延伸的 V形缺口形成，使得前卡合部与其上方的部分之间存在一个 V形缺口，而前卡合部自身也总体呈V形；后卡合部与前卡合部相似，但其V形角度大于前卡合部；
胫骨平台的上部在前侧和后侧都设有卡合槽，前卡合槽和后卡合槽均为 V形卡合槽；前卡合槽和后卡合槽的形状和长度与和其配合使用的胫骨衬垫的前卡合部以及后卡合部相适应;
所述前卡合槽的长度大于所述后卡合槽的长度。
2.根据权利要求1所述的人工膝关节，其特征在于，所述髌骨和所述胫骨衬垫由超高分子量聚乙烯构成，所述股骨髁和所述胫骨托由聚醚醚酮或其衍生物构成。
3.根据权利要求1所述的人工膝关节，其特征在于，所述胫骨托还包括稳定翼，所述稳定翼的一侧连接到所述支撑柱，所述稳定翼的上部连接到所述胫骨平台的底面。
4. 根据权利要求 1所述的人工膝关节，其特征在于，所述胫骨衬垫的上表面与所述胫骨衬垫下表面之间的夹角约为4°并且由前向后逐渐变厚。
5.根据权利要求1所述的人工膝关节，其特征在于，所述股骨髁为后稳定型股骨髁，所述后稳定型股骨髁包括位于中间的盒状部，所述盒状部具有贯穿的开口。
6. 根据权利要求 5所述的人工膝关节，其特征在于，所述胫骨衬垫还包括从所述胫骨衬垫的上部向上延伸的限位柱，所述限位柱可插入所述盒状部的开口。
7. 根据权利要求 1所述的人工膝关节，其特征在于，所述胫骨托还包括从所述胫骨平台的上表面延伸至所述支撑柱中的空心部，所述空心部中进一步设有加强柱，所述加强柱与所述支撑柱之间设有X-光显影添加物。
8. 根据权利要求 1所述的人工膝关节，其特征在于，所述胫骨平台的底面以及所述股骨髁的内表面上设有扩展接合部。
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