CN1872009A - 多功能支撑人工关节 - Google Patents

Abstract

本发明所涉及的多功能支撑人工关节，它用于代替人体关节在第一骨骼与第二骨骼之间，并可以在伸展位置和弯曲位置之间绕弯曲通轴产生相对运动，所述人工关节由装在所述第一骨骼上的第一构件和装在所述第二骨骼上的第二构件组成，所述人工关节含有在所述第一构件和第二构件之间产生相对运动的多个支撑，所述支撑中至少有一个支撑包括具有部分完全球形支撑面的支撑和该支撑的互补支撑腔，所述支撑中至少有一个支撑含有普通凸轮弧形支撑和普通凸轮弧形支撑的互补支撑面；本设计方案具有多个支撑面，它可以为膝关节严重恶化或损伤的患者提供稳定的复原环境，同时使膝关节得以正常活动，通过增加支撑面和模拟正常关节运动，从而降低关节的磨耗和磨损。

Description

多功能支撑人工关节

技术领域

本发明涉及一种人工关节，特别是涉及一种具有多个支撑面，可模拟正常关节运动的多功能支撑人工关节。

背景技术

在现有技术中，大部分关节假体是采用单球形支撑或者并列双球支撑的设置，这些设计方案不能大部分的再现关节所要达到的要求，其支撑面磨耗或磨损使其出现远期松动现象，造成使用年限减短，从而导致假体的远期失效，这种失败是它的主要失败原因，这种失败通常需要大的外科手术来补救。因此，设计具有多样性的支撑面的人工关节来降低在每个支撑面的压力是十分必要的。

现以膝关为例，如果膝关节不能充分模拟正常膝关节的活动，对膝关节的压力将会增加，从而导致过早地断裂的可能性增加。然而，尽管膝关节允许弯曲、伸展以及其它的膝关节的动作，这种关节必须能防止这些具有减弱的或破坏的肌腱或韧带的患者的关节移位。特别是这种人工关节在伸开位置上应很稳固或被锁住，从而在走路或跑动等造成的负荷加重而不会引起关节的翘曲。

在正常的人体膝关节的弯曲和伸展时，股骨的远端和胫骨的近端相互滑动。特别是当大腿由完全伸展位转向弯曲位时，胫骨移向股骨的前面。当膝关节回到伸展位时发生相反的运动。如果膝关节受限于这种前后运动，那么膝关节的内压力将会增加，从而导致磨损的增加。

除了这种前后运动，膝关节必须允许胫骨围绕胫骨的纵轴旋转。在每一个股骨的弯曲和伸展的过程中有一些胫骨的旋转。对于施加于腿或脚外部的扭曲力，有时需要额外的旋转。这种胫骨的旋转在正常情况下会被围绕在膝关节周围的韧带和肌腱所约束。因此，如果围绕膝关节的肌腱和韧带很弱的话，有一个重要的支撑表面能用来控制加于腿或脚的各种各样的横向压力或旋转扭力是非常有意义的。与此类似地，对于人工关节来说，在胫骨的旋转周附近不允许大的旋转动作或位移也是应该的。

关于膝关节的进一步的要求是足部被允许一定程度上从围绕身体的中线旋里或旋外。这种运动被称为内翻外翻运动。在正常的膝关节中，这种动作是通过胫骨围绕某个股骨踝旋转，并与胫骨远端侧向运动一起完成的，拥有这一动作的人工关节通常更受欢迎。

最后，膝关节还必须适应髌骨的活动。在屈和伸的过程中，髌骨滑过股骨髁，而股骨髁正是人造膝关节和髌骨相接触的地方，所以需要提供一个足够大小的支撑面来避免对髌骨的损伤，并且人造膝关节还要能满足髌骨的自然运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种多功能支撑人工关节，本发明的人工关节具有多个支撑面，这样就在一定程度上限制了膝关节的活动；这种人造膝关节为膝关节严重恶化或损伤的患者提供了一个稳定的复原环境，同时还通过一个或多个部分限制的支撑面使膝关节得以正常活动，通过增加支撑面和模拟正常关节运动，从而降低关节的磨耗和磨损，以弥补现有技术中存在的不足。

本发明所涉及的多功能支撑人工关节，它用于代替人体关节在第一骨骼与第二骨骼之间，并可以在伸展位置和弯曲位置之间绕弯曲通轴产生相对运动，所述人工关节由装在所述第一骨骼上的第一构件和装在所述第二骨骼上的第二构件组成，所述人工关节含有在所述第一构件和第二构件之间产生相对运动的多个支撑，所述支撑中至少有一个支撑包括具有部分完全球形支撑面的支撑和该支撑的互补支撑腔，所述支撑中至少有一个支撑含有普通凸轮弧形支撑和普通凸轮弧形支撑的互补支撑面。

所述部分完全球形支撑面的支撑包含部分完全球形的第一支撑的支撑面和第一支撑的互补支撑腔。

所述部分完全球形支撑面的支撑包含部分完全球形的第二支撑的支撑面和第二支撑的互补支撑腔。

所述普通凸轮弧形支撑至少包含两个普通凸轮弧形支撑面，所述每个普通凸轮弧形支撑面压在各自的普通凸轮弧形支撑的互补支撑面上。

所述第一支撑的互补支撑腔限制所述第一构件和所述第二构件之间产生平行于所述弯曲通轴的相对运动。

所述第一支撑的支撑面位于所述第一构件上，所述普通凸轮弧形支撑的互补支撑面位于所述第二构件上。

所述第二支撑的支撑面位于所述第二构件上，所述普通凸轮弧形支撑的互补支撑面也位于所述第二构件上。

所述部分完全球形的第一支撑的支撑面中心完全位于所述关节的所述弯曲通轴上。

所述部分完全球形的第一支撑的支撑面位于所述至少两个普通凸轮弧形支撑面之间。

所述部分完全球形的第一支撑的支撑面和所述部分完全球形第二支撑的支撑面为完全同轴心。

所述关节为膝关节，所述第一根骨骼和第二根骨骼为人体的股骨和胫骨，所述构件一个是股骨构件，一个是胫骨构件。

所述胫骨构件包括胫骨底盘和胫骨插件。

所述股骨构件包括股骨底盘和股骨插件。

所述胫骨插件中包含有所述第一支撑的互补支撑腔。

所述股骨插件中包含有所述第二支撑的互补支撑腔。

所述胫骨构件包含部分完全球形的第二支撑的支撑面，所述股骨构件包含部分完全球形的第一支撑的支撑面，所述部分完全球形的第一支撑的支撑面的直径小于所述部分完全球形的第二支撑的支撑面的直径。

所述股骨构件的部分完全球形的第一支撑的支撑面处于第一支撑的支柱顶上。

所述胫骨插件具有前后向的通槽，该通槽与所述第一支撑的支撑腔相通，所述第一支撑的支柱贯穿该通槽。

当所述股骨插件安装到所述股骨底盘中时，所述股骨插件有第一支撑的安装通道，所述股骨构件的所述部分完全球形的第一支撑可以在该安装通道出入。

当所述述胫骨构件安装到所述股骨构件上时，所述股骨插件有第二支撑的安装通道，所述胫骨构件的所述部分完全球形的第二支撑可以在该安装通道出入。

所述部分完全球形的第一支撑的支撑面和所述部分完全球形的第二支撑的支撑面均为金属材料，所述股骨插件和胫骨插件为非金属材料，所述第一支撑的互补支撑面和所述第二支撑的互补支撑面均为聚合物材料。

所述胫骨构件的所述第一支撑的互补支撑腔为普通圆柱形，其对称轴为安装时的前后方向。

所述胫骨构件的所述第一支撑的支撑腔的前端为部分完全球形，而且与所述股骨构件的所述部分完全球形的第一支撑的半径直径完全相同。

所述胫骨构件的所述第一支撑的支撑腔是凹入的，这样在所述股骨构件的所述部分完全球形的第一支撑的支撑面和所述第一支撑的支撑腔之间产生相对运动，该相对运动垂直于弯曲通轴和胫骨的纵轴方向。

所述股骨插件含有第二支撑的互补支撑腔，在所述关节从伸展位置到弯曲位置围绕弯曲轴旋转时，第二支撑的互补支撑腔含有一个支撑面来支撑胫骨构件的第二支撑的支撑面，且允许在垂直于弯曲轴的方向上第二支撑的支撑面相对于第二支撑的互补支撑腔产生运动。

当所述关节完全伸展时，各个所述凸轮支撑的支撑面与各自凸轮支撑的互补支撑面相接触；所速关节完全伸展时，胫骨构件作用在股骨构件上的支撑载荷将全部从所述各个凸轮支撑的互补支撑面上转移到所述的凸轮支撑的支撑面上。

所述凸轮支撑的支撑面具有减径曲率，当所述关节绕弯曲轴旋转至少为65°时，使得所述凸轮支撑的支撑面至少有一个不与它各自的凸轮支撑的互补支撑面相接触。

所述的股骨插件含有挡块结构，所述胫骨构件的所述部分完全球形的第二支撑安装在第二支撑的支柱上；当所述关节完全伸展时，所述股骨插件的所述挡块结构支撑所述第二支撑的支柱，于是所述关节的过分伸展就受到了限制。

用于所述股骨插件的所述部分完全球形的第一支撑的安装通道和所述第二支撑的支撑面成90°角度时，关节才能被拆卸。

在按照本发明制造的支撑面中，至少有一个部分完全球形的部件，而这个球型部件位于一个形状特殊的互补支撑腔里。这个腔的形状与球型部件的直径有关，而球型部件的直径又限制了关节在不同方向上的运动，比如：在前后运动中，防止关节向其它方向运动而造成的损伤，即侧向脱位。在有一个以上的球型部件时，它们通常是同心的，因此，处于伸展位时，这些球型部分可以充分地稳固关节；而处于屈曲位时，可以使关节自由的前后运动。

值得提出的是，至少有一个腔的侧向宽度和位于其中的球型部件的直径一样，因此，可以有效的防止膝关节侧向脱位的发生。

如果使用同时采用两个同心的部分完全球形部件和与其相对应的互补支撑腔，那将很大程度上稳固膝关节，并防止在前后运动中发生脱位。为了达到这个目的，在前后运动整个过程中，至少有一个部分完全球形来限制关节的活动。对于人工关节来说，为了能够在伸展位保持稳固并防止前后移动，它至少得有一个部分完全球形和互补支撑腔的接触面，来防止在伸展位时关节前后移动。但是，如果在股骨上的互补支撑腔的胸肋面和远中面以及胫骨上的支撑面的后面提供空隙，那么，当膝关节在屈曲位时，将可以前后运动。不过可以通过这种前后运动来限制空隙的大小，可以防止前或后脱位。

为了进一步模拟正常膝关节的活动，我们添加了更多的支撑面，使其与正常股骨髁的功能更为相似。在多功能支撑人工关节中，这种支撑面是由在前后运动中位于关节中股骨部分的弓型或轮状的普通凸轮弧形支撑面组成的，它可以在膝关节处于不同位置时与胫骨盘的表面相互协作。这种支撑面一般有左右两个部分组成，两个部分反向位于股骨纵轴的两侧。容纳球型支撑面的腔具有足够的空间能够使关节向一个方向或另一个方向进行旋转运动，既模拟正常膝关节的内翻-外翻运动。

由于在腿完全或近乎完全伸展时，膝关节的负荷最大，所以凸轮面也被设计成在完全或近乎完全伸展时处于最大负荷状态。随着凸轮面受力的增大，膝关节的过度伸展受到阻碍，尽管有的病人采取别的措施来防止这种过度伸展，但对于凸轮面来说，膝关节在屈曲位运动时，它可以在一定程度上增加内翻、外翻或者其它的运动方式来转化其所受的负荷。

在膝关节处于伸展位时，任何上述支撑面都不会阻止胫骨在膝关节正常运动中围绕胫骨的纵轴进行必要的旋转运动。但是，股骨上的普通凸轮弧形支撑面和胫骨上的盘可以被设计成阻碍胫骨的旋转。如果需要防止这样的旋转运动，而膝关节周围的肌腱和韧带都不足以防止旋转而造成的脱位，还可以采用别的固定方式来进行保护。

我们通过使用大量的支撑面来使人工关节的磨损降到最低限度，尽管人造膝关节还是会磨损到无法继续使用的程度，但我们可以对其进行修复，而不用彻底的更换整个膝关节。为了实现这个目标，关节的股骨和胫骨部分都被设计成包括永久和可换的两个部分。所有的支撑面和固定部位都由一个含有可更换的表面和一个永久性的表面组成。在股骨的可更换部分同样有支撑面，用来接纳髌骨并在曲和伸的过程中使髌骨可以滑过股骨。

通过选择适当的材料，可更换部分可以替代永久部分和髌骨的磨损。所以，当关节磨损到不能继续使用的程度的时候，只需要替换可更换部分就可以继续使用膝关节。在使用一个以上部分完全球形和互补支撑腔的部位，组装通道中可以使关节的股骨和胫骨部分处于特定的位置从而将两者分离。由于关节的分离，可更换部分可以被替换并从新组装关节。在初次组装时，这些组装通道还可以使安装过程中不会对多功能支撑人工关节产生过多的破坏。

尽管这种人工关节被认为是膝关节的理想替代物，但是通过变换部分完全球形部分和互补支撑腔的数量和排列方式，改变轮状表面的形状，这种人工关节还可以用于替代人体其它部位的关节。

附图说明

图1为多功能支撑人工关节的立体透视图(未显示髌骨)。

图2为多功能支撑人工关节的立体外形示意图。(显示髌骨)

图3为多功能支撑人工关节股骨部分立体后向透视图。

图4为多功能支撑人工关节股骨部分立体侧前向透视图。

图5为多功能支撑人工关节股骨部分立体侧后向透视图。

图6为多功能支撑人工关节股骨插件后向透视结构示意图。

图7为图6的侧向结构示意图。

图8为图6的近端结构示意图。

图9为图6的侧向近端透视图。

图10图6的主视图。

图11为多功能支撑人工关节股骨部分立体外形结构示意图。

图12为多功能支撑人工关节胫骨部分立体外形结构示意图。

图13为多功能支撑人工关节胫骨部分立体侧后向结构示意图。

图14为多功能支撑人工关节胫骨部分立体外形结构示意图。

图15为多功能支撑人工关节胫骨部分立体后向示意图。

图16为多功能支撑人工关节胫骨插件正视图。

图17为多功能支撑人工关节胫骨插件侧向透视图。

图18为多功能支撑人工关节胫骨插件的后视结构示意图。

图19为多功能支撑人工关节纵截面透视图。

图20为多功能支撑人工关节横截面透视图。

图21为多功能支撑人工关节屈曲状态纵截面透视图。

图22为图1的水平截面透视图。

图23为图1的胫骨转动情况下的水平截面透视图。

图中：1远端方向、2前向运动、3近端方向、4伸展位、5股骨纵轴、6后向运动、7前后平面、8前后向轴、9弯曲通轴、10胫骨纵轴、11股骨构件、12胫骨构件、13股骨长钉、14弧形支撑面、15内支撑、16内支撑支柱、17股骨插件、18股骨带翼支撑、19股骨底盘、20股骨插件夹盘、21远端内支撑表面、22前端支撑表面、23近端内支撑表面、24中间支撑的后端互补支撑面、25中间支撑的前端互补支撑面、26中间支撑的近端互补支撑面、27中间支撑的支柱通道、28髌骨支撑面、29插入面、30内支撑安装通道、31中间支撑安装通道、32中间支撑的远端支撑面、33中间支撑、34中间支撑的近端支撑面、35股骨互补支撑腔、36中间支撑的支柱、37凸轮支撑的互补支撑面、38胫骨长钉、39中间支撑的前端支撑面、40胫骨插件插槽、41内支撑支柱的安装通道、42胫骨插件、43通道支撑、44内支撑的互补支撑腔、45胫骨翼支撑、46胫骨底盘、47内支撑的近端互补支撑腔、48内支撑的远端互补支撑腔、49内支撑的前端互补支撑腔、50人工关节、51旋转停止部、52接触带。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

具体实施方式

如图1，作为人工膝关节的人工关节50所示，去掉髌骨后，可观察到关节连接股骨和胫骨。股骨具有股骨纵轴5，胫骨具有胫骨纵轴10。当人工关节50安装到患者的腿上时，当其弯曲时，股骨纵轴5和胫骨纵轴10绕弯曲通轴9转动。弯曲通轴9贯穿患者的股骨髁，经由人体的中线穿过股骨髁到体外的一点。

股骨纵轴5和胫骨纵轴10绕弯曲通轴9运动时，它们处于前后平面7。该前后平面7包括平行于前后平面7且垂直于胫骨纵轴10的前后向轴8。

沿前后向轴8向患者身体前方的运动为前向运动2。相类似地，沿前后向轴8向患者身体后方的运动为后向运动6。在描述优选实施例时，其他方向包括：近端方向3和远端方向1。近端方向3指的是安装人工关节50时朝向患者臀部的方向。与其相反的是，远端方向1则指远离臀部的方向。在优选实施例的描述中，“近端”一般用来描述朝向臀部或者朝向与最靠近臀部部分的运动；与此相反，“远端”一般用来描述远离臀部或者离臀部最远部分的运动。

“后向”一般用来描述沿后向6或者沿后向6最远构件部分的运动。与其相似，“前向”一般用来描述沿后向2或者沿后向2最远构件部分的运动。

除了膝关节可以绕弯曲通轴9转动以外，胫骨还可以以胫骨旋转角绕胫骨纵轴10旋转。与其相类似，股骨在某些情况下也可以以股骨旋转角绕股骨纵轴5旋转。而且，关节在某些位置时可以绕前后向轴8旋转，绕该轴的旋转形成了内翻和外翻运动。

当患者两腿直立时，股骨纵轴5与胫骨纵轴10平行，此时构成伸展位4。当腿弯曲时，股骨纵轴5以相对于伸展位4的弯曲角运动。

图2给出了人工关节50已安装在患者腿部的情况。患者的髌骨被重新安装在它原来的位置，但图中并没有给出膝关节周围的韧带和肌腱。

人造膝关节包括两个主要构件：胫骨构件12和股骨构件11。这两个构件已装在患者的膝关节上，用以保持胫骨和股骨的正常位置。股骨、胫骨以及包围材料需去掉少部分，以达到下述的适当的布置。

图3、图4、图5和图11更详细地描述了股骨构件11。图4和图5十分清楚地表明股骨构件11包括两个独立部分，股骨底盘19和股骨插件17。股骨底盘19还有股骨钉13。股骨钉长6英寸，向近端成锥形。在股骨上有放置股骨底盘19的腔隙，通过采用填塞或其它方法将其与股骨相连。股骨钉13优选装在股骨带翼支撑18，该带翼支撑18具有摺痕而锁定于患者股骨的内表面上。股骨钉13所处的位置与股骨底盘19的撑架有关，由患者股骨的自然几何形状决定。股骨底盘19的远端位于在两个股骨髁之间的扩大的髓内腔，如图3所示。

如图5所示，股骨插件17的远端表面构成了普通凸轮弧形支撑面14。在优选实施例中，普通凸轮弧形支撑面14包含外弧形面和内弧形面，与患者的左右股骨髁相符合。如图1所示，普通凸轮弧形支撑面14的远端表面在股骨远端凸出。因此，或者股骨构件必须仅稍稍满足股骨安装，或者按照需要将股骨髁削去。

股骨插件的更具体情况如图6，7，8，9和10所示。除了普通凸轮弧形支撑面外，股骨插件通常也为圆柱形。尤其是股骨插件17的近端包括一个插入面29，这个插入面由两个圆柱型的部分构成。股骨插件17的内部通常是空心的，这样就形成了一个内表面，构成了中间支撑的互补支撑腔35。位于普通凸轮支撑的弧形支撑面的外弧形面和内弧形面之间的区域是开放式的，这样从股骨插件17的后端和外表面到中间支撑的互补支撑腔35之间中间支撑的支柱通道27。

将中间支撑的支柱通道27的一部分去掉，形成中间支撑安装通道31，该通道为圆柱形空心管道，从股骨插件17的后端表面一直延伸到中间支撑的互补支撑腔35。将股骨插件17近端的一部分去掉，形成内支撑安装通道30，该通道从股骨插件17的近端支撑面一直延伸到中间支撑的互补支撑腔35。

如图5所示，股骨底盘19还包括股骨插件夹盘20，它通常为圆柱形中空区域，与插入面29相配合将股骨插件17可滑动连接在股骨底盘19上。内支撑15通常位于股骨插件夹盘20中。内支撑15的部分表面为球形，通过内支撑支柱16将与股骨底盘连接。内支撑支柱16的横截面为矩形，且与股骨纵轴5基本平行。各个部件的配置是为了将股骨插件17安装到股骨底盘19上，插入面29滑进股骨插件夹盘20时，内支撑15和内支撑支柱16也同时穿过了内支撑安装通道30，所以在安装内支撑15时，内支撑15所处位置与中间支撑的互补支撑腔35通常为同轴心，如图11和图3所示。

见图7，股骨插件17的远端表面形成髌骨支撑面28。如图1所示，这个髌骨支撑面28与正常的股骨前端形状一致，并且在膝关节装入患者体内后与髌骨相配合，如图2。

见图12，13，14和15，将胫骨构件12从人工关节50上拆卸下来。如图13所示，胫骨构件12由胫骨底盘46和胫骨插件42构成。胫骨插件42的外表面为圆柱形。然而，胫骨插件42的近端表面为开放式，形成内支撑支柱的安装通道41，在内支撑支柱的安装通道41的任一侧，胫骨插件42形成通道支撑43。

胫骨插件42的内部为中空，形成内支撑的互补支撑腔44。内支撑的互补支撑腔44的前端封闭，为半球形表面，而胫骨插件42的后端是开放的。胫骨插件的内支撑的互补支撑腔的后端也是开放式的，与内支撑支柱的安装通道41相通。内支撑的互补支撑腔44的底部为半圆柱形，其纵轴与前后向轴8互相平行。内支撑的互补支撑腔44的近端被去掉一部分，下文将对此进行讨论。

胫骨底盘46包括中间支撑33。中间支撑33大体上为球形表面。中间支撑33的内部为中空，形成胫骨插件插槽40。胫骨插件插槽40的前端封闭后端开放，并且在中间支撑33的近端支撑面也为开放式的。胫骨插件插槽40为圆柱形，滑动插入胫骨插件42，并且准许通道支撑43延伸至中间支撑33的近端支撑面，并由中间支撑33来支撑，如图15所示。

中间支撑33安装在中间支撑的支柱36顶部，中间支撑的支柱36与胫骨的纵轴平行。中间支撑的支柱36横截面为圆形，并紧列在凸轮支撑的互补支撑面37的中后部。凸轮支撑的互补支撑面37优选完全平盘形状，可覆盖并保护了胫骨的近端，如图5。为了容纳凸轮支撑的互补支撑面37，可去掉胫骨近端的材料。

凸轮支撑的互补支撑面37进一步与胫骨长钉38相连。胫骨长钉38通常有6英时长，并且向其远端呈锥形。为了将胫骨底盘46固定在胫骨上，胫骨上有腔隙来容纳胫骨长钉38，可采用填塞或者其它的方法将其与胫骨相连。优选胫骨长钉38带有胫骨翼支撑45，这些支撑为褶皱形被锁定在患者胫骨的内表面。胫骨长钉38的位置与胫骨底盘46的撑架有关，由患者股骨的自然几何形状决定的。

图9所示，中间支撑的互补支撑腔35包括中间支撑的前端互补支撑面25、中间支撑的近端互补支撑面26和中间支撑的后端互补支撑面24。与其相类似，内支撑的互补支撑腔44包括内支撑的前端互补支撑腔49、内支撑的近端互补支撑腔47和内支撑的远端互补支撑腔48，如图17所示。同样，中间支撑33包括中间支撑的前端支撑面39、中间支撑的近端支撑面34和中间支撑的远端支撑面32，如图14所示。最后，内支撑15包括前端支撑表面22、近端内支撑表面23和远端内支撑表面21，如图11所示。

见图19和20，胫骨构件12和股骨构件11在伸展位时组装情况。内支撑15在前端、远端和近端三个方向上受到内支撑的前端互补支撑腔49、内支撑的近端互补支撑腔47和内支撑的远端互补支撑腔48的限制，但是其后方并没有受到限制，这是因为运动会沿着内部支撑安装通道30进行。同样，中间支撑33在前端、远端和近端三个方向上受到中间支撑的前端互补支撑面25、中间支撑的近端互补支撑面26及中间支撑的后端互补支撑面24的限制，但是其后方并没有受到限制，这是因为运动会沿着中间支撑安装通道31进行。

虽然中间支撑33和内支撑15在后端都没有受到限制，但是人工膝关节在这个体位时不能被组装或者拆卸，因为内支撑15通过股骨底盘19固定在相对于中间支撑的互补支撑腔35内。因此，内支撑15的后向运动受到中间支撑的互补支撑腔35和中间支撑33的限制。人工膝关节处于任何其他体位时，内部支撑安装通道30和中间支撑安装通道31都不会成一直线，以致于人造膝关节都不能被组装或者拆卸除，但下述情况除外。

人造膝关节作为整体而言，胫骨插件42的表面和股骨底盘19之间，股骨插件17的表面和胫骨底盘46之间以及股骨插件17的表面和髌骨之间一直存着在两部分之间由于相互作用而发生的运动。因此，用于制造股骨插件17和胫骨插件42的材料通常采用比股骨底盘19和胫骨底盘46的材料更耐磨损。人工膝关节50中大部分磨损都来自股骨插件17和胫骨插件42，而这两个构件的更换都无需大的重建性外科手术，这个将在下面给予描述。尤其是，设计的人工膝关节50在安装和拆卸时能够使胫骨底盘46和股骨底盘19牢固的插入到骨中。通过这种设计，可简化关节的初始安装，而且无需大的外科手术就可以更换磨损的插件。对于股骨底盘19和胫骨底盘46来说，钴-铬-钼合金是合适的材料，对于股骨插件17和胫骨插件42来说，超高分子聚乙烯是合适的材料。

为了简化组装和拆卸，中间支撑安装通道31通常为圆柱形，其大小正好使中间支撑33比较容易通过即可。同样，内支撑安装通道30通常由圆柱型部分和横截面为矩形的部分构成，圆柱型部分的直径足够大使内支撑15顺利通过，矩形部分要足够大使内支撑支柱16比较容易通过。如图17所示，内支撑的互补支撑腔44的后端呈短圆柱型，其大小可使内支撑15进入内支撑的互补支撑腔44。

组装关节时，首先将胫骨插件42滑动插入胫骨插件插槽40，这样就形成了胫骨构件12。然后，中间支撑33通过股骨插件的中间支撑安装通道31，于是中间支撑33被固定在中间支撑的互补支撑腔35。接下来，股骨底盘19的内支撑15通过股骨插件17中的内支撑安装通道30被嵌入。

如上所述，股骨插件17是通过股骨底盘19里的股骨插件夹盘20滑动连接在股骨底盘19上，如图5所示。撑住胫骨构件12和股骨插件17，以便内支撑的互补支撑腔44的纵轴和股骨插件17中内支撑安装通道30的轴相互平行和内支撑15插入内支撑的互补支撑腔44一样，股骨底盘19可以滑动连接于股骨插件17。这种组装操作只有在关节以90度屈曲时才能实现。外科医生将在患者的腿处于90度弯曲体位来组装膝关节。位于中间支撑33上的胫骨构件12和股骨插件17将沿着股骨的纵轴5移动。接下来，髌骨的位置会被调整到正常的位置，当髌骨处于这个正常的位置时，在弯曲过程中，髌骨会与股骨插件17反向运动。一旦按照说明将膝关节组装好后，除非按照上述过程逆序操作，否则关节无法拆卸。因此，关节限制了脱位和过度伸展，并提供了预防脱臼的稳定重建，而无需考虑患者肌腱和韧带的条件。

在需要拆卸膝关节时，比如更换磨损部件即股骨插件17和胫骨插件42时，按照上述安装过程逆序操作，便可以将其拆卸。将髌骨移到膝关节的一边，腿屈曲到90度位置，从远端与股骨纵轴5平行的方向拉股骨插件17，直到它与股骨底盘19分离，这时，向上拉股骨插件17并使中间支撑33通过中间支撑安装通道31就可以将股骨插件17从中间支撑33中分离出来。同样，股骨插件17被拆卸后，胫骨插件42可以从胫骨插件插槽40滑出，安装新的胫骨插件42。

组装完成后，人工膝关节绕弯曲通轴9的运动就由中间支撑的支柱通道27和内支撑支柱的安装通道来进行调节。中间支撑的支柱通道27在侧向上的宽度必须足够大，来容纳中间支撑支柱36以及至少6度左右的内翻外翻运动所需要的附加空隙。

同样，内支撑支柱的安装通道41在侧向的宽度必须足够容纳内支撑支柱16和最少6度左右的内翻外翻运动，而且胫骨不会发生旋转，如图8所示。如图9所示，中间支撑的支柱通道27从中间支撑安装通道31由前端和远端延伸至旋转停止部51。如图19所示，旋转停止部51支撑着中间支撑的支柱36，与内支撑15和内支撑的前端互补支撑腔49一起来防止关节在伸展位4时产生旋转，并且在关节在伸展位4时锁定关节，防止产生前后移动。优选的中间支撑33近端的前面也与股骨插件17相互接触，从而锁定了关节的所有前后运动。旋转停止部51的横截面为半环状，其直径与中间支撑的支柱36相近。

内支撑支柱的安装通道41从胫骨插件42的后表面起向前延伸至能让内支撑支柱16在伸展位4时按人工关节所需的方式运动的位置。

如图19和20所示，内支撑15一般置于内支撑的互补支撑腔44中。同样地，中间支撑33也置于中间支撑的互补支撑腔35中，而且当人工关节50处于伸展位置时，内支撑15和中间支撑33在伸展位置的部分球表面中心一般应为同心的。另外，普通凸轮弧形支撑面14的远端表面一般为带中心的弧形，这样它才可以放置于前后平面7上，且紧邻于内支撑15和中间支撑33的中心。据此可知，人工关节50处就有三种支撑面相互作用的势能载荷，人工关节50处于不同位置会相应由不同的外部载荷，至少这些支撑面相互作用的势能载荷中的一个，也可能是两个或三个，成为支撑的实际载荷。这三种支撑面相互作用的势能载荷，首先普通凸轮弧形支撑面14和凸轮支撑的互补支撑面37之间；其次在中间支撑33和中间支撑的互补支撑腔35之间；再次在内支撑15和内支撑的互补支撑腔44之间。

更为特别的是，支撑力可以从胫骨传到胫骨底盘46，然后通过中间支撑33传到中间支撑的互补支撑腔35，随后到达股骨插件17。然后支撑力依次通过股骨底盘19到达股骨。此外，在特殊情况下，来自胫骨底盘46上的支撑力可以传到胫骨插件42，然后再传到内支撑15，此后通过内支撑支柱16传到股骨底盘19，直到股骨。另外支撑力也可由胫骨传到凸轮支撑的互补支撑面37，然后传到普通凸轮弧形支撑面14，随后依次传到股骨底盘19和股骨。

当人工关节50组装后弯曲和伸展时，关节弯曲通轴9可能会沿前后向轴8移动，其移动取决于哪个支撑处于实际支撑载荷以及股骨相对于胫骨的移动程度。

当人工关节50弯曲角为0-65°时，普通凸轮弧形支撑面14会搁在凸轮支撑的互补支撑面37上，支撑着作用于膝盖的大部分载荷。在这种位置下，弯曲通轴9将靠近普通凸轮弧形支撑面14与凸轮支撑的互补支撑面37相接触的曲率中心。

当人工关节50弯曲角大于65°时，作用于膝盖的大部分载荷都由中间支撑33于中间支撑的互补支撑腔35的接触来承担，这种情况下，弯曲通轴9位于中间支撑33的部分球表面中心附近。优选地，除非其它载荷支撑无法相互作用时，否则不管人工关节处于何种位置，内支撑15都不承受明显的载荷。中间支撑33的部分球接触面的中心优选位于普通凸轮弧形支撑面14的相应部分的曲率中心附近，于是就可以确定人工关节50的几个组件的大小关系。

如果胫骨相对于股骨沿前后向轴8的弯曲和移动不明显改变，弯曲通轴9相对于凸轮支撑的互补支撑面37的位置也是优选的。若关节弯曲通轴的位置有较大变化，即会导致人工关节50的延长或缩短，以致于超出生理上所能接受的程度。

仍然参照图19和图20，当人工关节组装后，内支撑15会在内支撑的互补支撑腔44中滑移。如上所述，内支撑15在形状上一般为部分球形，内支撑15的直径一般都与内支撑的互补支撑腔44的侧面宽相近，这样才保证关节不会在任何侧向上脱臼，比如股骨和胫骨在侧向上的相对移动就不会导致脱臼发生。另外，胫骨相对于股骨可能会在前后平面7上发生前后移动。与此相类似，中间支撑的互补支撑腔35的侧向宽度要与中间支撑33的球形部件的直径一样，这样可以更多一层保险，以防止侧脱臼的发生和限制了下面所要提到的胫骨绕胫骨纵轴10旋转。

参照图22和图23，内支撑支柱16优选横截面为矩形。当膝盖处于伸展位4时，根据内支撑支柱16横截面和支撑通道43两侧之间的宽度，允许胫骨绕胫骨纵轴10以30°胫骨旋转角运动，这是为了模拟正常膝盖的最大胫骨转动。然而，由于内支撑支柱16与通道支撑43的作用，可避免转动脱臼现象。

弯曲过程中，在胫骨相对于股骨向前运动时，胫骨绕胫骨纵轴旋转受到限制，这是由于内支撑15与中间支撑33不再同心的缘故。基于患者的不同肌腱和韧带的情况，可通过加宽中间支撑的互补支撑腔35或内支撑的互补支撑腔44使这种限制得以缓解。对于那些肌腱和韧带严重受损的患者而言，也可以选择让内支撑15放置于从不会与中间支撑33同心的位置上，这样可以将胫骨允许的转动角减小到在任何弯曲角度使锁可以接受的程度。

人工关节在关节弯角位0-65°时的情况，如图19和图20所示。如这些图所示，在内支撑15和内支撑的远端互补支撑腔48远端有小空隙。同样，小空隙也存在于中间支撑和中间支撑的近端互补支撑面26之间。据此可知，除非其它部件严重磨损，否则这两个势能载荷支撑面的相互作用将很少或不传递载荷。相反地，普通凸轮弧形支撑面14和凸轮支撑的互补支撑面37是相配合的，这是主要载荷的支撑作用。

图21中是人工关节50弯曲角大于65°时的情况。在这种体位时，普通凸轮弧形支撑面14和凸轮支撑的互补支撑面37之间会有高达2mm的轻度分离。与此相类似，内支撑15和内支撑的远端互补支撑腔48的远端接着就会有小空隙。据此，除非其它部件遭到严重磨损，否则没有载荷传递到这两种势能载荷支撑面上。相反地，压载荷就会通过连接触带52传递到中间支撑的互补支撑腔35，这个在下面将会详细描述。

当膝盖弯曲运动时，自然的前后运动要求内支撑15可在内支撑的互补支撑腔44内向后移动。在优选的实施例中，以90°弯曲角时，内支撑15以相对于内支撑15沿后向运动6最大的移动量为3mm，同时假定内支撑15在后向6的运动是有规律的，在弯曲角为30°时，内支撑的移动为1mm，在60°时为2mm。当人工关节在使用时，这些假定的移动量的发生与否是取决于在作用于膝盖上的负载荷。上面所讨论的移动仅仅用于确定补充支撑面的形状。

为了适应这种前后移动，中间支撑的互补支撑腔35的部分形状要能够适于患者的这种前后移动。在弯曲角大于65°的任何角度，接触带52的宽度越大越好。

当关节弯曲角为0-65°时，中间支撑的前端互补支撑面25和中间支撑的近端互补支撑面26允许在中间支撑33和中间支撑的互补支撑腔35之间有明显的但尽可能小的间隙。据此，中间支撑的互补支撑腔35这些部分的形状是由普通凸轮的弧形支撑14的精确形状所决定的，普通凸轮支撑的选择应能最好地模拟患者股骨髁在任何弯曲角时的运动以及内支撑15在任何弯曲角时所假定的有规律的向后运动。

当弯曲角为65°时，普通凸轮弧形支撑面14和凸轮支撑的互补支撑面37以及中间支撑33和中间支撑的互补支撑腔35将同时接触。

当弯曲角大于65°时，中间支撑的前端和后端互补支撑面25的形状由内支撑15在任何弯曲角度所假定的向后有规律的运动所决定。依据这种向后运动，中间支撑的互补支撑腔35的形状就要允许有最大的接触带52。最好是在脱开距离106的允许范围内，让中间支撑的互补支撑腔35的瞬时曲率半径能够与中支撑33相接触的中间支撑的近端支撑面34上的那部分半径尽可能地相近。因此，中间支撑的互补支撑腔35的精确形状，在此所述的其它操作极限内，由接触带52所达到最大的迭代过程决定。

图20，通过普通凸轮弧形支撑面14的外弧形面和内弧形面同凸轮支撑的互补支撑面37的相互作用来阻止内翻外翻运动。与此相类似，正常的膝盖是通过股骨髁与胫骨近端之间的作用来阻止内翻外翻运动。除非出现，在膝盖的一侧用力挤压胫骨软骨，而在膝盖的另一侧股骨节相应的运动脱离了胫骨。人工关节50也可以发生上述运动。在关节弯曲度小于65°时，在内支撑15和内支撑的近端互补支撑腔47之间有空隙，而且在中支撑33和中间支撑的近端互补支撑面26及中间支撑的前端互补支撑面25之间有空隙。这些空隙允许普通凸轮弧形支撑面14的两个边缘都能够转动，而且要满足内翻外翻运动至少有6°的要求。当关节弯曲角大于65°时，脱开距离应该允许产生一定程度地内翻外翻运动，而无需要求中间支撑的互补支撑腔35脱离中支撑33。

正常的膝盖，关节最大弯曲角约位为135°，当弯曲超过此极限时，采用增大半径的方法来阻止关节进一步弯曲。在优选实施例中，当弯曲角接近0°时，一般普通凸轮弧形支撑面14与凸轮支撑的互补支撑面37之间的接触也能阻止关节进一步伸展。另外，为了阻止膝盖过分伸展，凸轮支撑的互补支撑面37一般在设计时能够相对于前后向轴8沿向前方向2升高5°角，来协助普通凸轮弧形支撑面14。凸轮支撑的互补支撑面37相对于前后向轴8的5°角有助于对弯曲极限位置的阻碍，但是依然允许胫骨在其旋转角范围内产生运动。

上面所述的为优选实施例，令人欣赏的是在不脱离本发明的清楚内容和权利要求的保护范围下，本发明的修改和变化是很容易的。例如，应该认识到在某些情况下仅有一个球形的支撑面可以获得足够稳定的重建。特别地，可移开中间支撑33中间支撑的互补支撑腔35，加大内支撑15和内支撑的互补支撑腔44的相关尺寸且重新装配可以获得载荷支撑的相互作用。可以选择的是，让内支撑的互补支撑腔44和内支撑15分离。在这两种情况下，为了恢复因其它支撑移走而导致某些特征的丧失，可采用可代替的设计。例如，中间支撑的支柱36横截面可为矩形，且尺寸要合适通过中间支撑的支柱通道27来限制胫骨转角，普通凸轮弧形支撑面14要做成无论在任何弯曲角时均为最重要的载荷支撑面。此外，中间支撑安装通道31可重新配置，无须内支撑15的配合，也能阻止膝盖的过分伸展。凸轮支撑的互补支撑面37也可能做成具有一定的曲率来增加与弧形支撑面有效接触面积，而且可限制胫骨沿其纵轴的旋转，而无需安装限制该运动的旋转停止部。也可以改变凸轮支撑的互补支撑面来加强或限制胫骨相对于股骨的前后运动。另外，作为其他动物或关节的替代，可改变不同支撑的配置来实现所希望的限制或允许的前后运动。尤其是，如果希望限制或允许前后运动，可以改变中间支撑的互补支撑腔35和内支撑的互补支撑腔44。按照其他动物体中使用的要求，可以重新配置其他部件从而获得不同程度的弯曲。

Claims (29)

1.一种多功能支撑人工关节，它用于代替人体关节在第一骨骼与第二骨骼之间，并可以在伸展位置和弯曲位置之间绕弯曲通轴产生相对运动，所述人工关节由装在所述第一骨骼上的第一构件和装在所述第二骨骼上的第二构件组成，其特征在于：所述人工关节含有在所述第一构件和第二构件之间产生相对运动的多个支撑，所述支撑中至少有一个支撑包括具有部分完全球形支撑面的支撑和该支撑的互补支撑腔，所述支撑中至少有一个支撑含有普通凸轮弧形支撑和普通凸轮弧形支撑的互补支撑面。

2.根据权利要求1所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述部分完全球形支撑面的支撑包含部分完全球形的第一支撑的支撑面和第一支撑的互补支撑腔。

3.根据权利要求1所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述部分完全球形支撑面的支撑包含部分完全球形的第二支撑的支撑面和第二支撑的互补支撑腔。

4.根据权利要求1所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述普通凸轮弧形支撑至少包含两个普通凸轮弧形支撑面，所述每个普通凸轮弧形支撑面压在各自的普通凸轮弧形支撑的互补支撑面上。

5.根据权利要求2所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述第一支撑的互补支撑腔限制所述第一构件和所述第二构件之间产生平行于所述弯曲通轴的相对运动。

6.根据权利要求1或2所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述第一支撑的支撑面位于所述第一构件上，所述普通凸轮弧形支撑的互补支撑面位于所述第二构件上。

7.根据权利要3或4所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述第二支撑的支撑面位于所述第二构件上，所述普通凸轮弧形支撑的互补支撑面也位于所述第二构件上。

8.按照权利要求2所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述部分完全球形的第一支撑的支撑面中心完全位于所述关节的所述弯曲通轴上。

9.按照权利要求2或4所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述部分完全球形的第一支撑的支撑面位于所述至少两个普通凸轮弧形支撑面之间。

10.根据权利要求2或3所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述部分完全球形的第一支撑的支撑面和所述部分完全球形第二支撑的支撑面为完全同轴心。

11.根据权利要求1所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述关节为膝关节，所述第一根骨骼和第二根骨骼为人体的股骨和胫骨，所述构件一个是股骨构件，一个是胫骨构件。

12.根据权利要求11所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述胫骨构件包括胫骨底盘和胫骨插件。

13.根据权利要求11所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述股骨构件包括股骨底盘和股骨插件。

14.根据权利要求5所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述胫骨插件中包含有所述第一支撑的互补支撑腔。

15.根据权利要求13所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述股骨插件中包含有所述第二支撑的互补支撑腔。

16.根据权利要求11所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述胫骨构件包含部分完全球形的第二支撑的支撑面，所述股骨构件包含部分完全球形的第一支撑的支撑面，所述部分完全球形的第一支撑的支撑面的直径小于所述部分完全球形的第二支撑的支撑面的直径。

17.根据权利要求11所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述股骨构件的部分完全球形的第一支撑的支撑面处于第一支撑的支柱顶上。

18.根据权利要求12所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述胫骨插件具有前后向的通槽，该通槽与所述第一支撑的支撑腔相通，所述第一支撑的支柱贯穿该通槽。

19.根据权利要求13所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：当所述股骨插件安装到所述股骨底盘中时，所述股骨插件有第一支撑的安装通道，所述股骨构件的所述部分完全球形的第一支撑可以在该安装通道出入。

20.根据权利要求13所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：当所述述胫骨构件安装到所述股骨构件上时，所述股骨插件有第二支撑的安装通道，所述胫骨构件的所述部分完全球形的第二支撑可以在该安装通道出入。

21.根据权利要求2，3，11或12所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述部分完全球形的第一支撑的支撑面和所述部分完全球形的第二支撑的支撑面均为金属材料，所述股骨插件和胫骨插件为非金属材料，所述第一支撑的互补支撑面和所述第二支撑的互补支撑面均为聚合物材料。

22.根据权利要求14所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述胫骨构件的所述第一支撑的互补支撑腔为普通圆柱形，其对称轴为安装时的前后方向。

23.根据权利要求14所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述胫骨构件的所述第一支撑的支撑腔的前端为部分完全球形，而且与所述股骨构件的所述部分完全球形的第一支撑的半径直径完全相同。

24.根据权利要求14所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述胫骨构件的所述第一支撑的支撑腔是凹入的，这样在所述股骨构件的所述部分完全球形的第一支撑的支撑面和所述第一支撑的支撑腔之间产生相对运动，该相对运动垂直于弯曲通轴和胫骨的纵轴方向。

25.根据权利要求15所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述股骨插件含有第二支撑的互补支撑腔，在所述关节从伸展位置到弯曲位置围绕弯曲轴旋转时，第二支撑的互补支撑腔含有一个支撑面来支撑胫骨构件的第二支撑的支撑面，且允许在垂直于弯曲轴的方向上第二支撑的支撑面相对于第二支撑的互补支撑腔产生运动。

26.根据权利要求4所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：当所述关节完全伸展时，各个所述凸轮支撑的支撑面与各自凸轮支撑的互补支撑面相接触；所速关节完全伸展时，胫骨构件作用在股骨构件上的支撑载荷将全部从所述各个凸轮支撑的互补支撑面上转移到所述的凸轮支撑的支撑面上。

27.根据权利要求4所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述凸轮支撑的支撑面具有减径曲率，当所述关节绕弯曲轴旋转至少为65°时，使得所述凸轮支撑的支撑面至少有一个不与它各自的凸轮支撑的互补支撑面相接触。

28.根据权利要求13所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：所述的股骨插件含有挡块结构，所述胫骨构件的所述部分完全球形的第二支撑安装在第二支撑的支柱上；当所述关节完全伸展时，所述股骨插件的所述挡块结构支撑所述第二支撑的支柱，于是所述关节的过分伸展就受到了限制。

29.根据权利要求13所述的多功能支撑人工关节，其特征在于：用于所述股骨插件的所述部分完全球形的第一支撑的安装通道和所述第二支撑的支撑面成90°角度时，关节才能被拆卸。

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