KR20100136449A

KR20100136449A - 고차 ｎｕｒｂｓ 표면들을 가진 무릎 대체용 보철물

Info

Publication number: KR20100136449A
Application number: KR1020107018724A
Authority: KR
Inventors: 아시트 스하; 무라리 재스티
Original assignee: 막스 오소페딕스, 아이엔씨.
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2010-12-28
Also published as: EP2254520B1; WO2009105495A1; JP5665550B2; AU2009215529A1; EP2254520A4; CN102006840A; CN102006840B; JP2011528235A; EP2254520A1

Abstract

무릎 대체용 보철물은 대퇴부 구성요소와 경골 구성요소를 포함하는데, 이에 따라 무릎이 굽혀지는 동안 경골에 대해 대퇴부가 앞쪽과 뒤쪽으로 병진운동할 수 있게 하고 경골이 경골의 종축 주위로 회전할 수 있게 한다. 대퇴부 구성요소는 절제된 대퇴부의 원위 단부에 연결되고 관절구성식 원위 표면들을 가진 중앙 과상돌기와 횡방향 과상돌기를 포함하며, 슬개골 플랜지는 관절구성식 슬개골 표면을 가진다. 경골 구성요소는 절제된 경골의 근위 단부에 연결되고 상기 중앙 과상돌기와 횡방향 과상돌기와 관절구성된 중앙 오목부와 횡방향 오목부를 가진 근위 베어링 표면을 포함한다. 관절구의 관절구성식 표면들과 상기 오목부들은 실질적으로 NURBS(Non-uniform Rational B-spline) 표면들에 의해 형성된다.

Description

고차 ＮＵＲＢＳ 표면들을 가진 무릎 대체용 보철물{TOTAL KNEE REPLACEMENT PROSTHESIS WITH HIGH ORDER NURBS SURFACES}

본 명세서는 발명의 명칭이 "Total Knee Replacement Prosthesis with High Order NURBS Surfaces"이며 2008년 2월 18일에 출원된 미국 예비출원번호 61/029,438호와 발명의 명칭이 "Total Knee Replacement Prosthesis"이고 2008년 2월 18일에 출원된 미국 예비출원번호 61/029,457호를 우선권주장하는 비예비출원으로서, 이들은 본 명세서에서 참조문헌으로 통합된다.

본 발명은 무릎 대체용 보철물에 관한 것으로서, 구체적으로는, 자연스러운 무릎 운동과 기능을 보다 정확하게 구현하는 NURBS(Non-uniform rational B-spline) 표면에 의해 형성된 관절구성식 표면을 가진 보철 무릎 임플란트에 관한 것이다.

인간의 무릎은 복잡한 경로를 따라 관절구성된다. 무릎이 굽혀질 때, 경골은 대퇴부에 대해 관상축(coronal axis) 주위로 회전된다(굽혀진다). 하지만 대퇴부는 경골 위에서 뒤쪽으로 병진운동도 하며 또한 경골은 경골의 종축 주위로 회전운동한다. 무릎이 굽혀질 때, 슬개골은 중앙으로 끌어당겨진다. 인간의 무릎 관절의 복잡한 경로는 원위 대퇴부와 근위 경골의 기하학적인 형상에 의해 주로 묘사된다. 예를 들어, 중앙 대퇴부 과상돌기(medial femoral condyle)는 길이가 상대적으로 짧으며 형태가 구체형이지만, 횡방향 대퇴부 과상돌기(lateral femoral condyle)는 더 길고 형태가 타원형이다. 중앙 경골 과상돌기는 오목한데 반해 횡방향 경골 과상돌기는 볼록하다.

인간의 무릎 관절의 복잡한 경로는 원위 대퇴부와 근위 경골을 둘러싸고 이들과 연결되는 인대의 배열에 의해 묘사된다. 인간의 무릎은 두 개의 측부 인대(collateral ligament)에 의해 상호보완적인데, 이들 중 하나는 상기 관절의 횡방향 측면에 위치되고 다른 하나는 상기 관절의 중앙 측면에 위치된다. 각각의 인대는 경골과 대퇴부에 부착된다. 대퇴부에 대한 부착 지점들은 경골의 다른 단부가 움직이고 무릎이 굽혀지는 호의 축 위에 거의 배열된다. 측부 인대들은 다양하고 외전 응력들로 무릎에 안정성을 제공한다.

또한 인간의 무릎은 무릎 관절의 중앙부분에 두 개의 십자 인대(cruciate ligament)를 추가로 포함한다. 한 십자 인대는 경골의 뒤쪽 가장자리에 부착되고, 다른 십자 인대는 경골의 앞쪽 가장자리를 향해 부착된다. 이 두 십자 인대는 모두 측부 인대의 축 상에 대체로 과상돌기 사이에서 노치 내의 대퇴부에 부착된다. 또한 이 십자 인대들은 무릎이 축방향으로 즉 종축 주위로 회전하게 할 수 있다. 따라서 무릎이 굽혀질 때 경골은 경골의 종축 주위로 회전하게 된다.

공지된 무릎 대체용 보철물은 일반적으로 대퇴부 구성요소와 경골 구성요소로 구성되는데, 이 대퇴부 구성요소와 경골 구성요소는, 각각, 압력 끼워맞춤에 의해 또는 폴리메틸 메타크릴레이트 골 시멘트로 부착함으로써 원위 대퇴부와 근위 경골의 절제된 표면들에 부착된다. 각각의 구성요소는 서로 보완하고 이 구성요소들이 서로에 대해 관절구성될 수 있게 하도록 한 쌍의 관절구 표면들을 포함한다. 상호보완적인 관절구 표면들의 기하학적 형상은 운동과 자유도의 복잡성 즉 어떤 구성요소들이 굽혀질 수 있으며, 병진운동할 수 있고 및/또는 서로에 대해 회전운동할 수 있는지를 결정한다. 또한 대퇴부 구성요소는 선천적인 슬개골 또는 인공 슬개골 구성요소와 함께 관절구성하는 슬개골 플랜지(patellar flange)를 포함한다. 이 슬개골 플랜지는 사두근(quadricep)을 위한 레버 암을 제공한다.

공지된 무릎 보철물들은 인간 무릎의 관절구 표면들을 정확하게 복제하지 못한다. 예를 들어, 공지된 보철물의 대퇴부의 관절구 표면들은 일반적으로 볼록하고 중앙-횡방향으로 그리고 앞쪽-뒤쪽 방향으로 둥글게 형성된다. 앞쪽-뒤쪽 방향에서의 곡률 반경은 중앙-횡방향에서의 곡률 반경보다 더 크다. 통상, 원위 및 뒤쪽 과상돌기의 시상 곡률의 호 중심은 중앙 및 횡방향 과상돌기를 결합하는 축 상에 중심을 이루며, 이에 따라 상과(epicondyle, 上顆)에 부착되는 측부 인대 내의 인장력은 굽혀지고 연장될 때 거의 일정한 상태를 유지한다. 경골 표면들은 일반적으로 오목하고 시상면에 정렬된 주축과 접시 형태로 형성된다. 경골 과상돌기의 시상반경과 관상반경은 대퇴부 과상돌기의 시상반경과 관상반경보다 더 크며, 이에 따라 회전하는데 있어서 어느 정도의 여유를 제공한다. 이와 유사하게, 대퇴부 상에서 슬개골 플랜지는 오목하고 돔 형태의 슬개골의 곡률 반경보다 더 큰 관상 곡률 반경으로 상부 방향으로부터 하부 방향으로 배향된다.

다수 종래 기술의 무릎 대체용 구성요소들의 디자인은 간단한 힌지 디자인으로 설계되어 자연스러운 무릎의 복잡한 회전 운동을 구현하지 못하며 이에 따라 단일 수평축 주위로 오직 피벗회전만 할 수 있게 한다. 이렇게 간단한 디자인은 대체로 보철물 구성요소에 가해지는 높은 회전 응력들에 관련된 큰 이완률로 인해 채택되지 못해왔다. 종래 기술의 그 외의 다른 무릎 보철물은 자연스러운 무릎의 움직임 경로를 보다 밀접하게 모방하려 해 왔다. 하지만, 이러한 보철물들은 인간 무릎의 자연스러운 움직임 경로를 정확하게는 복제하지 못할 뿐만 아니라 그 외에도 제작 및 내구성에 제약을 지닌다.

따라서 무릎이 굽혀질 때 대퇴부가 병진운동하고 경골이 회전운동할 수 있게 하며 제작하기가 용이하고 제작비용이 비싸지 않은, 무릎의 자연스러운 움직임을 복제하는 무릎 대체용 보철물을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

종래 기술의 많은 무릎 대체용 보철물들은 원, 호, 선, 평면, 구 및 실린더와 같이 잘 정의된 길이와 곡률 반경을 가진 간단한 기하학적 형상을 사용하여 모델링된다. 하지만, 인간 무릎의 복잡한 움직임 경로는 이렇게 간단한 기하학적 형상들을 사용하여 복제될 수 없다. 간단한 기하학적 형상을 사용하여 모델링된 보철물들은 부자연스러운 움직임, 적절치 못한 인장력 및 인대 내에서의 통증, 및 보철물 구성요소의 마모가 증가되고 헐거워진다. 따라서 인간 무릎의 복잡한 움직임 경로를 생성하기 위해 더 고차의 기하학적 형상(high order geometrics)이 필요하다.

복잡한 표면들의 3차원 형태를 표현하기에 B-spline 또는 Bezier 표면과 같은 고차 표면들이 훨씬 더 유용하다. NURBS(Non-uniform rational B-spline) 표면은 변수 공간과 3D 공간 사이의 스플라인 변환으로 형성된 이중변수 표면이다. NURBS 모델링은 커브와 표면을 나타내고 이들을 생성하기 위해 컴퓨터 그래픽에서 사용된다. 예를 들어 McNeil and associates사에서 개발한 모델링 소프트웨어(Rhinoceros 3D), 및 Unigraphics사에서 개발한 소프트웨어(IDEAS)와 같은 CAD 모델링 소프트웨어에서 NURBS가 사용된다. 도식적으로 표현된 NURBS 표면의 일 예가 하기에 도시된다.

UNRBS 표면은 두 개의 독립변수 u와 v, 그리고 네 개의 종속변수 x(s,t), y(s,t), z(s,t), 및 d(s,t)를 가지는데, 이들은:

여기서, B-spline 형상함수 N(u)은,

knot vertor

하에서, 다음과 같이 정의된다.

NURBS 모델링은 제작과정에 있어서 매우 유용하다. NURBS 표면의 3차원 형태는 단순히 컨트롤 포인트(control point)들의 위치를 변경시킴으로써 쉽게 변경될 수 있다. 게다가 고형물의 경계면 형사도 이 표면들로 생성될 수 있어서 용이하게 제작할 수 있다. 또한 NURBS 데이터는 공구 경로를 프로그래밍하기 위해 다수의 컴퓨터-제어기반의 제작 및 생산 기계에 입력될 수 있다. 따라서 NURBS 모델링을 이용하여 생성된 고차 표면 기하학적 형상을 가진 무릎 대체용 보철물을 제공하는 것이 바람직하며, 이에 따라 자연스러운 무릎의 움직임을 복제하고 프로그래밍 가능한 제작 기구를 사용하여 쉽게 제작할 수 있다.

본 발명은 무릎이 접혀질 때 대퇴부가 병진운동할 수 있고 경골이 회전운동할 수 있게 함으로써 자연스러운 무릎의 움직임을 모방하는 무릎 대체용 보철물을 제공한다. 신규 보철물은 선천적 또는 보철 슬개골 및 경골 구성요소와 관절구성되는 대퇴부 구성요소를 포함한다. 이 구성요소들은 인간 무릎의 움직임 경로를 복제하기 위해 생리학적 하중 하에서 굽혀질 수 있고, 병진운동할 수 있으며 회전운동할 수 있게 하는 상호보완적이고 관절구성식 표면들을 생성하기 위하여 고차 토포그래피(high order topography)를 사용하여 모델링된다.

제 1 구체예에서, 무릎 대체용 보철물은 절제된 대퇴부의 원위 단부에 연결된 대퇴부 구성요소와와 절제된 경골의 근위 단부에 연결된 경골 구성요소를 포함한다. 상기 대퇴부 구성요소는 관절구의 관절구성식 원위 표면들을 가진 중앙 과상돌기와 횡방향 과상돌기 및 관절구성식 슬개골 표면을 가진 슬개골 플랜지를 포함한다. 상기 경골 구성요소는 상기 중앙 과상돌기와 횡방향 과상돌기와 관절구성된 중앙 오목부와 횡방향 오목부를 가진 근위 베어링 표면을 포함한다. 이 관절구 표면들과 오목부들은 고차 NURBS(Non-uniform Rational B-spline) 표면들에 의해 실질적으로 형성되며, 상기 NURBS 표면들은 경골에 대해 대퇴부가 앞쪽-뒤쪽으로 병진운동할 수 있게 하고 무릎이 굽혀지는 동안 경골이 경골의 종축 주위로 회전할 수 있게 한다. 보철물의 NURBS 표면들은 중량 베어링 하중과 근육 하중 하에서 무릎의 자연스러운 움직임이 모방될 수 있도록 설계된다.

바람직한 한 구체예에서, 경골은 무릎이 초기에 완전히 연장된 위치로부터 중간 위치로 대략 30°로 굽혀질 때 축방향으로 즉 경골의 종축 주위로 회전하지 않는다. 중간 위치를 지나 연속적으로 굽혀진 후에 경골은 축방향에서 완전히 굽혀진 위치로 회전한다. 보철물이 완전히 굽혀질 때 경골도 축방향에서 대략 10°또는 그 이상으로 회전한다.

과상돌기들은 굽혀지는 동안 오목부 내에서 뒤쪽으로 병진운동하며 연장되는 동안에는 앞쪽으로 병진운동한다. 바람직한 한 구체예에서, 완전히 굽혀지는 동안 뒤쪽/앞쪽으로의 병진운동은 대략 1-2mm이다.

관절구의 관절구성식 표면들과 경골 오목부들은 다수의 곡률 반경을 가진다. 상기 경골 오목부들은 시상면에서 적어도 제 1 곡률 반경을 가지며 관상면에서는 상기 시상면 제 1 곡률 반경보다 더 큰 적어도 제 1 곡률 반경을 가진다. 또한 상기 오목부들은 시상면에서 다수의 곡률 반경을 가진다. 상기 관절구 표면들은 시상면의 앞쪽 부분에서 적어도 제 1 곡률 반경을 가지며 시상면의 뒤쪽 부분에서 상기 제 1 앞쪽 곡률 반경보다 더 작은 제 2 곡률 반경을 가진다. 상기 관절구의 관절구성식 표면들의 각각의 앞쪽 부분과 뒤쪽 부분은 시상면에서 다수의 곡률 반경을 가질 수 있다. 각각의 과상돌기의 뒤쪽 부분은 100°이상 및 보다 바람직하게는 130°이상 굽혀질 수 있게 하도록 형태가 형성된다.

상기 경골 구성요소는 원위 및 근위 표면들을 가진 베이스, 및 대퇴부 구성요소와 관절구성되고 맞물리는 베어링 표면을 형성하는 근위 표면과 베이스의 근위 표면과 맞물리는 원위 표면을 가진 라이너를 포함한다. 상기 베이스는 경골 플래튜(tibial plateau) 상에 정지된 베이스 플레이트 및 근위 경골 골수 캐널 내에 삽입될 수 있는 베이스 플레이트의 원위 표면에 고정된 용골(keel)을 포함한다. 상기 플레이트의 원위 표면은 텍스쳐링되고 거칠게 된 표면을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 제 1 구체예에서, 보철물은 뒤쪽의 십자 인대가 외과수술적으로 제거될 때 사용하도록 설계된다. 이 구체예에서, 대퇴부 구성요소는 과상돌기들의 뒤쪽 단부들에 연결되는 비대칭 캠을 포함하며 상기 경골 구성요소는 오목부들의 중간에 있는 대칭의 중앙 포스트를 포함한다. 경골 구성요소에 대한 대퇴부 구성요소의 앞쪽 및 뒤쪽으로의 병진운동 뿐만 아니라 경골의 축방향 회전은 상기 캠과 중앙 포스트에 의해 조절된다. 관절구성식 NURBS 표면은 무릎이 굽혀질 때 뒤쪽의 대퇴부가 회전할 수 있고 내부 경골이 회전할 수 있게 한다.

보철물의 또 다른 구체예는 뒤쪽의 십자 인대가 유지될 때 사용하도록 설계된다. 이 구체예에서, 대퇴부 구성요소는 캠을 포함하지 않으며 경골 구성요소는 중앙 포스트를 포함하지 않는다. 경골 구성요소에 대한 대퇴부 구성요소의 앞쪽 및 뒤쪽으로의 병진운동 뿐만 아니라 경골의 축방향 회전은 뒤쪽의 십자 인대에 의해 조절된다. 앞쪽의 NURBS 표면은 무릎이 굽혀질 때 뒤쪽의 대퇴부가 회전할 수 있고 내부 경골이 회전할 수 있게 한다.

본 발명의 또 다른 구체예에서, 슬개골 표면은 NURBS 표면들에 의해 실질적으로 형성되며 슬개골 상의 대퇴부의 관절구성식 움직임을 안내한다. 이 구체예에서, 슬개골 플랜지는 상부방향 및 횡방향으로 경사진 슬개골 홈과 상기 홈의 각 측면 상에서 올라간 활차 표면들을 포함한다. 슬개골 플랜지의 토포그래피 특히 슬개골 홈의 깊이는 선천적인 슬개골 또는 관절구성식 슬개골 구성요소를 따라 변경될 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따라서 완전히 굽혀진 무릎 보철물을 도시한 투시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 대퇴부 구성요소의 근위 표면을 보여주는 투시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 대퇴부 구성요소의 앞쪽의 관절구 부분과 슬개골 플랜지를 도시한 투시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 대퇴부 구성요소의 앞쪽과 뒤쪽의 관절구 부분을 보여주는 보여주는 투시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 대퇴부 구성요소의 관절구 부분의 뒤쪽 단면을 보여주는 후방 입면도이다.
도 6은 도 1에 도시된 대퇴부 구성요소의 관절구 부분의 앞쪽 단면과 슬개골 플랜지를 보여주는 전방 입면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 대퇴부 구성요소의 횡방향 입면도이다.
도 8은 도 1에 도시된 대퇴부 구성요소의 중앙 입면도이다.
도 9는 도 1의 경골 구성요소 라이너의 앞쪽 근위 표면을 보여주는 투시도이다.
도 10은 도 1의 경골 구성요소의 뒤쪽 근위 표면을 확대하여 보여주는 투시도이다.
도 11은 u 및 v 아이소커브를 사용하여 슬개골 홈의 NURBS 표면들, 슬개골 홈의 중앙 및 횡방향 활차 부분들을 예시하는 대퇴부 구성요소의 슬개골 플랜지 부분을 확대하여 도시한 투시도이다.
도 12는 트리밍(trimming) 전에 NURBS 컨트롤 포인트들을 예시하는 대퇴부 구성요소의 슬개골 플랜지 부분을 확대하여 도시한 투시도이다.
도 13은 NURBS 표면들의 형태를 형성하고 트리밍한 후에 슬개골 플랜지 표면의 얼룩말 형태의 표면 곡률을 보여주는 대퇴부 구성요소의 투시도이다.
도 14는 u 및 v 아이소커브를 사용하여 캠과 관절구 부분들의 NURBS 표면들을 예시하는 대퇴부 구성요소를 확대하여 도시한 뒤쪽 입면도이다.
도 15는 캠과 과상돌기들의 뒤쪽 단면의 얼룩말 형태의 표면 곡률을 보여주는 대퇴부 구성요소의 투시도이다.
도 16은 u 및 v 아이소커브를 사용하여 단부 표면과 만곡된 전방 베어링 표면의 NURBS 표면들을 예시하는 캠의 투시도이다.
도 17은 NURBS 컨트롤 포인트들을 예시하며 u 및 v 아이소커브를 사용하여 NURBS 표면들을 예시하는 경골 라이너의 투시도이다.
도 18은 베어링 표면의 얼룩말 형태의 표면 곡률을 보여주는 경골 라이너의 투시도이다.
도 19는 대퇴부 변위와 경골의 축방향 회전을 예시하는 90°굽어진 보철물을 도시한 투시도이다.
도 20은 단일의 NURBS 표면으로부터 형성된 슬개골 플랜지를 가진 대퇴부 구성요소의 또 다른 구체예를 도시한 투시도이다.
도 21은 슬개골 플랜지의 얼룩말 형태의 표면 곡률을 보여주는 본 발명의 또 다른 구체예의 대퇴부 구성요소를 도시한 투시도이다.
도 22는 경골 라이너의 얼룩말 형태의 표면 곡률을 보여주는 본 발명의 또 다른 구체예의 경골 구성요소를 도시한 투시도이다.
도 23은 라이너의 베어링 표면의 얼룩말 형태의 표면 곡률을 보다 상세하게 보여주는, 도 22에 도시된 경골 라이너의 투시도이다.
도 24는 u 및 v 아이소커브를 사용하여 베어링 표면의 단일 NURBS 표면을 예시하는 도 22의 경골 라이너의 투시도이다.

본 발명을 예시하기 위하여, 첨부된 도면에 본 발명의 몇몇 구체예들이 도시된다. 하지만, 해당 업계의 당업자는 본 발명이 도면에 도시되고 하기에서 기술된 정확한 장치들과 기기들에 제한되는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다. 본 명세서 전반에 걸쳐, 유사한 도면부호들은 유사한 요소들을 가리키는 것으로 사용된다. 상세한 설명을 통해 해당 업계의 당업자들에게는 본 발명의 사상과 범위 내에서 여러 변형예들과 변경예들이 가능하다는 것이 명백할 것이다.

그 외에 달리 정의되지 않는다면, 본 명세서에 사용된 모든 기술적이고 과학적인 용어들과 이들의 여러 문법적 형태들은 본 발명이 속하는 해당 업계의 당업자에게 공통적으로 이해되는 동일한 의미를 가진다. 본 명세서에서 용어 "앞쪽", "뒤쪽", "근위", "원위", "중앙", "횡방향", "시상(sagittal)", "관상(coronal)", 및 "횡방향"은 예를 들어 Dorland사의 Illustrated Medical Dictionary에서 정의된 바와 같은 통상적인 의학/해부학 의미들로 사용된다.

본 발명의 한 구체예에 따른 무릎 대체 보철물이 도 1-19에 예시되며 도면부호(10)로 표시된다. 이 보철물(10)은 절제된 대퇴부의 원위 단부에 고정될 수 있도록 설계되고 구성된 대퇴부 구성요소(20) 및 절제된 경골의 근위 단부에 고정될 수 있도록 설계되고 구성된 경골 구성요소(52)를 포함한다. 이 구성요소(20, 52)들은, 각각, 통상적인 방법들을 사용하여 종래의 대퇴부 및 경골 절제 후에 대퇴부 및 경골에 고정될 수 있다. 경골 구성요소(52)는 좌측 무릎 또는 우측 무릎 중 어느 쪽에도 사용될 수 있는 대칭적인 형태를 가지지만, 대퇴부 구성요소는 비대칭이며 도 1-19에서는 좌측 무릎용이 예시된다. 우측 무릎에 설치하기 위해 대퇴부 구성요소(20)의 거울상이 사용될 것이다.

대퇴부 구성요소(20)는 중앙 관절구 부분 또는 과상돌기(22), 횡방향 관절구 부분 또는 과상돌기(24), 및 슬개골 플랜지 부분 또는 플랜지(26)를 가지는데, 이들은 각각 중앙 과상돌기(22)와 횡방향 과상돌기(24)의 앞쪽 단부(28, 30)에 걸쳐진다(bridge). 중앙 과상돌기(22)와 횡방향 과상돌기(24)는 서로 실질적으로 평행하게 배열되며 이들 사이에서 슬관절(intercondylar) 노치(32)를 형성한다. 보철물이 굽혀지기 때문에, 만곡된 관절구 부분들의 서로 다른 단면들이 경골 구성요소(52)와 맞물리고 관절구성된다.

슬개골 플랜지(26)는 중앙 활차 표면(44)과 횡방향 활차 표면(46)에 의해 측면을 접하는 슬개골 홈(42)을 포함한다. 슬개골 플랜지는 선천적 슬개골 또는 슬개골 구성요소와 관절구성되도록 설계된다. 도 6에서 잘 볼 수 있듯이, 슬개골 플랜지는 슬개골을 수용하기에 하부가 넓혀진다. 활차 표면(56, 58)들은 들어 올려지며 슬개골에 안정성을 제공하기 위해 슬개골 홈(54)으로 부드럽게 변이된다. 도 6에서, 슬개골 홈(42)은 최적의 궤도와 안정성을 제공하기 위해 관상면에서 활차 표면(44, 46)을 따라 곡선으로 각도(θ)로 상부방향과 횡방향으로 연장된다. 바람직한 한 구체예에서, 상기 각도(θ)는 대략 6°이다. 또한 슬개골 플랜지는 과상돌기(22, 24)와 부드럽게 변이된다. 슬개골 플랜지는 선천적 대퇴부의 앞쪽 원위 표면의 기하학적 형상에 가깝게 구성된다. 그 결과, 슬개골 플랜지는 보철 또는 선천적 슬개골의 선천적인 궤도를 가진다. 슬개골 플랜지는 도 11에 도시된 것과 같은 다중 NURBS 표면 또는 도 20에 도시된 것과 같은 단일 NURBS 표면으로부터 구성될 수 있다.

각각의 과상돌기(22, 24)는 일반적으로 앞쪽 표면(34, 48)과 뒤쪽 표면(36, 40)을 포함하는데, 이들은 급격하게 변이되지 않고도 서로 부드럽게 뒤섞인다(blend). 도 1-19에 도시된 구체예에서, 앞쪽 표면과 뒤쪽 표면들은 경골 단면에서 서로 비슷하며, 이들 각각의 표면은 시상면에서 실질적으로 주축(mojor axis)에 대한 반경(주 반경)을 가진다. 보통, 과상돌기(22, 24)의 곡률의 주 반경은 높은 각도로 굽혀지는 동안 해부학적 대퇴부 롤백(rollback)을 따라가도록 전방으로부터 후방으로 변한다. 예를 들어, 앞쪽 표면(34)의 주 반경은 뒤쪽 표면(38)의 주 반경보다 더 큰 것이 바람직하다. 또한 앞쪽 표면과 뒤쪽 표면의 주 반경은 나중 절차(proceeding)를 줄일 수 있다. 예를 들어 도 1-19에 도시된 구체예에서, 뒤쪽 표면(36, 40)이 추후에 주 반경 절차를 급히 줄일 때 앞쪽 표면(34, 38)은 주 반경을 서서히 줄인다. 과상돌기(22, 24)의 뒤쪽 단부(29, 31)를 가까이 하여, 주 반경은 보철물이 바람직하게는 100°이상, 더 바람직하게는 130°이상 굽혀지게 하도록 매우 감소되는 것이 바람직하다. 게다가, 단부(29, 31)의 작은 반경은 경골 라이너(60) 상에서 구성요소들 간의 접촉상태를 유지하면서 과상돌기(29, 31)의 에지 로딩(edge loading)을 방지한다.

과상돌기(22, 24)는 관상면에서 부축(minor axis)에 대한 반경(부 반경)을 가진다. 바람직한 한 구체예에서, 과상돌기는 관상면에서 일정한 곡률 반경을 가진다. 하지만, 관절구 표면들이 NURBS를 사용하여 설계되기 때문에, 보다 복잡한 기학학적 형상도 제공될 수 있으며 관상면에서의 곡률 반경은 변할 수 있다. 특히, 뒤쪽 관절구 표면들이 세 평면 모두에서 가변 반경으로 설계될 수 있다.

한 구체예에서, 횡방향 과상돌기(24)는 도 7-8에 도시된 바와 같이 시상면에서 중앙 과상돌기(22)보다 더 큰 주 반경을 가진다. 밑에서 매우 상세하게 기술되는 것과 같이, 더 큰 횡방향 과상돌기(24)는 대퇴부 구성요소가 뒤쪽에서 경골 구성요소 상에서 병진운동할 때 경골이 축방향으로 회전하도록 보조한다. 하지만, 과상돌기(22, 24)는 시상면에서 동일한 주 반경을 가질 수 있으며 여전히 축방향 경골 회전과 대퇴부 병진운동에 영향을 미칠 수 있음을 이해해야 한다.

도 5와 도 14에서 잘 볼 수 있듯이, 캠(47)이 중앙 과상돌기(22)와 횡방향 과상돌기(24)의 뒤쪽 단부(29, 31)에 걸쳐지고 연결된다. 도 16에서, 상기 캠(47)은 일반적으로 평평한 후방 표면(48)과 만곡된 전방 베어링 표면(49)을 가진다. 후방 표면(48)은 과상돌기(22, 24)의 후방(근위) 표면과 공면으로 배향되며 원위 대퇴부의 절제된 표면에 대해 평평하다. 도 5에서 잘 볼 수 있듯이, 베어링 표면(49)의 곡률 반경은 중앙 단부(50)보다 횡방향 단부(51)에서 더 크다. 하기에서 자세히 기술되는 것처럼, 캠(47)은 무릎이 굽혀질 때 안정성과 경골 회전력을 제공하기 위해 경골 베어링 라이너(60) 상에서 중앙 포스트(90)와 맞물린다.

도 1에서, 경골 구성요소(52)는 일반적으로 경골 플랫폼(54)과 라이너(60)를 포함한다. 경골 플랫폼(54)은 베이스 플레이트(55)를 가지는데, 이 베이스 플레이트(55)는 경골의 골수 캐널(medullary canal) 내에 삽입된 안정 용골(56)과 라이너(60)의 원위 표면(64)과 맞물린다. 베이스 플레이트(55)의 하측면 또는 원위 표면은 텍스쳐링되고(textured) 거칠게 된(roughened) 표면을 가지며 이 표면은 경골 상에 장착하는 동안 깍지끼우듯이 접합되게 할 수 있다.

라이너(60)는 대퇴부 구성요소(20)와 관절구성식 근위 베어링 표면(62)과 경골 플랫폼(52)에 고정되고 이 경골 플랫폼(52)과 접하고 있는 원위 표면(64)을 가진다. 또한 경골 구성요소(50)는 중앙측면(66), 횡방향 측면(68), 앞쪽 측면(70) 및 뒤쪽 측면(72)을 가진다. 경골 구성요소는 일반적으로 앞쪽으로부터 뒤쪽으로 형성되는 중앙 시상면에 대해 대칭이다.

중앙 오목부(72)와 횡방향 오목부(74)는 근위 표면(62)의 중앙측면과 근위측면에 형성된다. 중앙 오목부(72)와 횡방향 오목부(74)는 이 구성요소들이 서로에 대해 관절구성되기 때문에 대퇴부 구성요소(20)의 중앙 과상돌기(22)와 횡방향 과상돌기(24)와 맞물린다. 바람직한 한 구체예에서, 전체 근위 베어링 표면(62)이 도 21-24에서 볼 수 있듯이 단일의 NURBS 표면으로부터 구성되는 반면에, 상기 오목부(72, 74)들은 도 17과 도 18에서 잘 볼 수 있듯이 서로 다른 NURBS 표면으로부터 설계된다. 일반적으로, 상기 오목부(72, 74)들은 대퇴부 과상돌기(22, 24)의 깊이보다 더 얕다.

각각의 오목부(72, 74)는 통상 앞쪽 표면(76, 78)과 뒤쪽 표면(80, 82)을 포함하며, 이들은 각각 도넛형 단면과 유사하고 중간의 경계면에서 서로 뒤섞인다. 앞쪽 표면(76, 78)은 실질적으로 시상면에 배향된 주 곡률 반경을 가진다. 뒤쪽 표면(80, 82)들은 실질적으로 횡단 평면에 배향된 주 곡률 반경을 가진다. 뒤쪽 오목부(80, 82)는 시상면 중앙축을 향해 내부방향으로 굽어진다. 도 17에서, 정중선(midline) 아이소커브(isocurve, L1)은 포스트(90)에 대해 약간 뒤쪽에 있는 중앙점 주위로 회전한다. 그 결과, 뒤쪽 표면(80, 82)은 후방으로 중앙의 시상축을 향하여 움직인다. 정중선 아이소커브 중심선(L1)은 앞쪽 오목부로부터 뒤쪽 오목부로 이어진다. 앞쪽 표면(76, 78)과 뒤쪽 표면(80, 82)은 관상면에서 동일하고 일정한 곡률 반경을 가지며 관상면에서 동일한 접선방향 교차면(L2)을 공유한다. 뒤쪽 표면의 관상 곡률(coronal curvature)은 뒤쪽 표면이 중앙의 시상축을 향해 회전할 때 유지된다. 이러한 구성은 경골이 경골의 종축 주위로 회전할 수 있게 하고 무릎이 굽혀질 때 후방으로 병진운동할 수 있게 한다.

앞쪽 오목부와 뒤쪽 오목부들은 경골로부터 대퇴부를 포함하고 대퇴부가 탈구되는 것을 방지하기 위해 앞쪽 단부(86)와 뒤쪽 단부(88)에서 올라간 주변부(periphery)를 가진다. 굽혀지는 동안 상기 올라간 주변부도 무릎에 안정성을 제공한다. 과상돌기(22, 24)가 오목부(72, 74)의 올라간 주변부까지 이동할 때, 측부 인대(collateral ligament)는 타이트하게 되고 무릎은 더 타이트하게 된다.

앞쪽 오목부들은 횡방향 경사부(elevation, 89)를 가지는데, 이 횡방향 경사부(89)는 과상돌기(22, 24)를 가지며 이에 따라 경골 구성요소들은 초기에 굽혀지는 동안 거의 이완되지 않고 경골이 축방향으로 회전되는 것을 방지한다. 이에 반해, 뒤쪽 오목부들은 횡방향 경사부를 포함하지 않도록 설계되고 경골이 축방향으로 회전할 수 있게 설계된다.

도 1-9에 도시된 구체예에서, 경골 구성요소(60)는 근위 표면(91), 앞쪽 표면(92), 뒤쪽 표면(93), 중앙측면 표면(94) 및 횡방향 측면 표면(95)을 가진 중앙 포스트(90)를 포함한다. 중앙 포스트(90)의 앞쪽 표면(92)은 깊이 굽혀져 슬개골 또는 슬개골 임플란트가 부딪치는 것을 최소화하기 위해 원위 표면(64)에 대해 일정각도로 테이퍼구성된다. 앞쪽 표면(92)의 베이스(96)는 초과연장되어 슬관절 노치(32)가 부딪치는 것을 최소화하기 위해 다른 각도로 테이퍼구성될 수 있다.

도 1과 도 19에서 보면, 과상돌기(22, 24)의 앞쪽 표면(34, 38)들은 부분적으로 굽혀져 중간 위치까지 끝까지 연장된 범위에서 경골 구성요소와 접촉한다. 무릎이 계속 굽혀지기 때문에, 뒤쪽 표면(36, 40)들은 중간 위치로부터 완전히 굽혀져서 경골 구성요소와 접촉한다.

게다가, 무릎이 굽혀질 때 비대칭 캠(47)은 경골 포스트(90)와 관절구성되고 대퇴부 구성요소가 경골 구성요소(52) 상에서 후방으로 병진운동하게 한다. 도 1-19에 예시된 구체예에서, 대퇴부 구성요소가 후방으로 병진운동하는 것은 대략 1-2mm로 제한된다. 도 19에서, 캠(47)의 만곡된 베어링 표면(49)도 무릎이 굽혀질 때 경골이 축방향에서 내부를 향해 회전하게 한다. 바람직한 한 구체예에서, 경골은 대략 10°이상까지, 바람직하게는 대략 15°이상까지, 보다 바람직하게는 대략 20°이상까지 회전할 수 있게 한다. 하지만, 원할 때 경골이 축방향으로 더 크게 회전할 수 있도록 하기 위하여 관절구성식 표면도 설계될 수 있다. 이러한 복잡한 병진운동과 회전운동은 뒤쪽 도넛형 표면(80, 82) 내에서 회전하는 대퇴부 과상돌기(22, 24)에 의해 가능해 진다. 이 보철물 구체예는 앞쪽 및 뒤쪽 십자 인대가 외과수술적으로 제거되었을 때 사용된다.

인간 무릎의 자연스러운 관전 운동 경로를 보다 정확하게 구현하는 것 외에도, 라이너의 앞쪽 단면(76, 78)의 관상 곡률이 뒤쪽 단면(80, 82)의 관상 곡률과 동일하기 때문에 관절구성식 표면들의 독특한 기하학적 형상은 대퇴부 과상돌기(22, 24)와 경골 라이너(60) 사이의 접촉 응력들을 감소시킨다. 앞쪽 곡률과 뒤쪽 곡률이 동일하기 때문에 과상돌기는 전방으로부터 후방으로 부드럽게 변이되고 라이너(60) 상에서 초과 응력을 가하지 않는다.

위에서 기술한 바와 같이, 대퇴부 구성요소(20)와 경골 라이너(60)는 Rhonocerous 3D 디자인 소프트웨어를 사용하여 생성된 NURBS 표면들로 모델링된다. 여러 도면들로부터 볼 수 있듯이, NURBS를 사용하는 것은 표준 기하학적 형태 외에도 매우 복잡한 디자인들도 가능하게 한다.

슬개골 홈(42)과 슬개골 플랜지(26)의 중앙 활차 부분(44)과 횡방향 활차 부분(46)을 형성하는 불연속 NURBS 표면들은 도 11에서 u 및 v 아이소커브를 사용하여 예시된다. 상기 표면의 3차원 토포그래피는 트리밍(trimming) 후에 예시된다. 트리밍 전의 복잡한 5차 표면(5th order surface)이 도 12에 도시되는데, 이것은 3차 슬개골 홈 표면에 의해 트리밍된다. 도 12는 NURBS 표면 컨트롤 포인트들도 예시한다. 예로서, 슬개골 홈(42)의 표면은 하기 NURBS 데이터를 사용하여 모델링되는데: 포인트: -49.92, 9.06, 23.33; 법선 벡터: -0.95, -0.24, -0.18; 곡률 반경: 26.12mm; 및, 표면적: 621.27mm². 상기 슬개골 홈은 근접한 활차 표면(44, 46)에 결합되며, 하기 UURBS 데이터를 사용하여 모델링된 단일 표면으로부터 트리밍되는데: 포인트: -51.36, 22.60, 15.84; 법선 벡터: -0.91, 0.32, -0.26; 곡률 반경: 6.60mm; 및, 표면적: 546.13mm². 슬개골 플랜지(26)는 또한 앞쪽 관절구 부분(22, 24) 내로 부드럽게 뒤섞인다. NURBS 표면 컨트롤 포인트 P1, P2, P3는 트리밍 전의 대퇴부 구성요소(20)의 슬개골 플랜지 부분(26)을 위해 도 12에 예시된다. 중앙 활차 표면(44)과 횡방향 활차 표면(46)은 트림 라인 "T"를 따라 단일 NURBS 표면으로부터 트리밍된다. 컨트롤 포인트들을 조작함으로써, 표면의 3차원 토포그래피는 어떠한 방향으로도 변할 수 있다.

슬개골 플랜지의 복잡한 토포그래피는 도 13에 도시된 얼룩말 형태의 표면 곡률에 의해 추가로 예시된다. 이 도면은 매우 복잡한 곡률과 표면들 간의 부드러운 변이를 보여준다.

과상돌기(22, 24)의 뒤쪽 단면(38, 40)들을 형성하는 불연속 NURBS 표면들은 도 14에서 u 및 v 아이소커브와 도 15에서 얼룩말 형태의 표면 곡률을 사용하여 예시된다. 원위 및 뒤쪽 관절구 표면들은 실질적으로 시상면 방향으로 배향되며 또한 관상면에서 만곡되어 배향된다. 예로서, 원위 및 뒤쪽 과상돌기들은 하기 NURBS 데이터를 사용하는 두 개의 표면들에 의해 형성되는데: 포인트: 7.74, 16.08, 10.83; 법선 벡터: 0.96, -0.24, -0.11; 곡률 반경: 20.67mm; 및, 표면적: 535.27mm². 깊게 굽혀지는 것을 강화하기 위해, 시상면에서의 곡률 반경은 중앙 과상돌기(22)와 횡방향 과상돌기(24)의 뒤쪽 단부(29, 31)에 대해 빠른 절차(proceeding)를감소시킨다. 도 15에서 잘 볼 수 있듯이, 뒤쪽 단부(29, 31)는 앞쪽 부분에 비해 매우 급격한(sharp) 반경을 가진다. 앞쪽 단면(34, 36)은 뒤쪽 단면(38, 40)들과 급격하게 변이되지 않고 뒤섞인다.

캠(47)을 형성하는 불연속 NURBS 표면들이 도 16에서 u 및 v 아이소커브에 의해 예시된다. 상기 UURBS 표면들은 후방표면(48), 전방 베어링 표면(49), 중앙 단부(50) 및 횡방향 단부 표면(51)들을 형성한다.

라이너(60)의 베어링 표면을 형성하는 불연속 UURBS 표면들은 도 17에서 u 및 v 아이소커브를 사용하여 도시된다. 라이너를 위한 NURBS 표면 컨트롤 포인트 P4, P5, P6, P7, P8도 도 17에 예시된다. 중앙 오목부(72)와 횡방향 오목부(74)의 횡방향 에지(89)는 트리밍 전에 표면의 주변에서 컨트롤 포인트 P4를 변위시킴으로써 올라간다. 중앙 함몰부(depression)의 위치와 깊이는 도 17에 도시된 컨트롤 포인트 P5를 이동시킴으로써 변경될 수 있다. 중간 슬관절 영역의 경사는 컨트롤 포인트 P6를 이동시킴으로써 조절된다. 중앙 시상축을 향한 뒤쪽 표면 곡률은 컨트롤 포인트 P7를 이동시킴으로써 얻어진다. 뒤쪽 표면들의 내부 에지들은 컨트롤 포인트 P8를 가압시킴으로써 대퇴부 회전에 대한 어떠한 제한도 없도록 하부로 함몰된다.

해당 업계의 당업자들에게는, 대퇴부 관절구 표면(22, 24), 경골 베어링 표면(62), 만곡된 캠 베어링 표면(49)의 임의의 부분의 윤곽이 보철물의 관절 운동 경로를 변경시키기 위해 각각의 컨트롤 포인트를 변경시킴으로써 용이하게 조작될 수 있다는 것이 명백하다는 것을 이해할 것이다.

예를 들어, 오목부의 뒤쪽 단면들의 횡단 곡률은 경골 구성요소의 중심 주위로 반경이 정해질 수 있거나 또는 더 작거나 또는 더 큰 뒤쪽 관절구성식 표면을 야기하는 거리만큼 오프셋배열될 수 있다. 오목부의 앞쪽 단면과 뒤쪽 단면 간에 혼합 표면이 사용될 수 있다. 오목부의 앞쪽 단부(86)와 뒤쪽 단부(88)의 높이는 서로 다른 양의 앞쪽 또는 뒤쪽 안정성을 제공하기 위해 변경될 수 있다. 오목부(72, 74)의 가장 깊은 부분의 위치가 베어링 하중의 중량 하에서 대퇴부 구성요소의 정지 위치를 변경시키기 위해 경골 구성요소(52) 상의 어느 곳에서나 위치될 수 있다. 개별 표면들의 형태는 무릎의 운동 경로를 조절하기 위해 수술의사의 기호와 환자의 신체에 따라 원할 때 변경될 수 있다.

시상면에 배열된 공통적인 기하학적 형상에 비해 또는 중앙 구체형 표면과 횡방향 타원형 표면들을 가진 비대칭 경골 관절구성식 표면들에 비해, 보철물(10)의 복잡한 NURBS 표면들은 3차원적으로 무한한 자유도를 제공한다. 이와 유사하게, 슬개골 홈과 활차 표면은 슬개골의 궤도를 자연스럽게 따라갈 수 있도록 3차원적으로 형태가 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 20에 도시된 또 다른 구체예에서, 슬개골 홈(142)과 슬개골 활차 표면(144, 146)은 보다 얕은 슬개골 홈을 가진 단일의 NURBS 표면으로부터 형성된다.

위에서 기술된 본 발명의 구체예는 앞쪽 십자 인대와 뒤쪽 십자 인대가 외과수술적으로 제거되었을 때 사용하도록 설계된다. 도 21-24에 도시된 또 다른 구체예에서, 뒤쪽 십자 인대가 유지되었을 때 사용하기 위한 보철물이 설계된다. 이 구체예에서, 경골 상에서 대퇴부가 뒤쪽으로 변위되는 것은 뒤쪽 십자 인대와 NURBS 표면들이 무릎이 굽혀질 때 경골이 축방향으로 회전되는 것이 제한되지 않도록 형태가 형성됨으로써 조절된다.

도 21-24에 도시된 구체예에서, 대퇴부 구성요소(220)는 도 1-19를 참조하여 기술된 대퇴부 구성요소(20)와 유사한 구성을 지닌다. 상기 대퇴부 구성요소(220)는 중앙 과상돌기(222)와 횡방향 과상돌기(224), 및 슬개골 홈(242)와 이에 인접한 활차 표면(244, 246)을 가진 슬개골 플랜지(226)를 포함한다. 하지만, 이 구체예에서, 대퇴부 구성요소는 과상돌기(222, 224)의 뒤쪽 단부들에 걸쳐있는 캠을 포함하지는 않는다. 이전 대퇴부 구성요소(20)에 비해, 도 21에 도시된 바와 같이 관상면에서 슬개골 홈(242)은 더 깊으며 과상돌기(244, 246)는 더 얕다.

이와 비슷하게, 경골 구성요소(252)는 도 1-19를 참조하여 기술된 경골 구성요소(52)와 유사한 구성을 지닌다. 경골 구성요소(252)는 경골 플랫폼(254)과 경골 베어링 라이너(260)를 포함한다. 경골 라이너는 중앙 오목부(272)와 횡방향 오목부(274)를 가진 근위 베어링 표면(262)을 가지는데, 이는 구성요소들이 서로에 대해 관절구성됨에 따라 대퇴부 구성요소(220)의 중앙 과상돌기(222)와 횡방향 과상돌기(224)와 맞물린다. 하지만, 이 구체예에서, 라이너(260)의 중심은 중앙 포스트를 포함하는 것이 아니라 중앙-횡방향 안정성을 제공하기 위해 점진적으로 올라간다.

도 1-19에 도시된 구체예에 비해서, 오목부(272, 274)는 굽혀지는 동안 대퇴부가 전방으로 슬라이딩 이동되는 것을 방지하기 위해 앞쪽으로 보다 더 경사진다. 오목부의 가장 깊은 부분들은 뒤쪽으로 이동되며 앞쪽과 횡방향 쪽으로의 경사를 가져 보철물이 굽혀질 때 대퇴부 구성요소가 뒤쪽으로 병진운동할 수 있게 하고 경골 구성요소가 축방향으로 회전할 수 있게 한다. 이 구체예에서, 라이너(260)의 베어링 표면(262)은 단일 NURBS 표면으로부터 설계된다. 시상면에서의 오목부(272, 274) 중앙부분은 시상축 중심을 향해 뒤쪽으로 향하는 아이소커브 L3에 의해 도시된다. 대퇴부의 중앙 및 횡방향 병진운동을 방지하는 중앙 경골 융기부(280)가 아이소커브 L4에 의해 도시된다. 이 구체예에서, 온전한 뒤쪽 십자 인대는 뒤쪽의 대퇴부 변위와 경골의 내부 회전을 조절한다. 뒤쪽 십자 인대에 의한 운동 경로와 간섭되는 것을 방지하기 위해 관절구성식 표면들이 NURBS 표면들로 설계된다. 전체 베어링 표면(262)는 뒤쪽 십자 인대 교체를 위해 제 1 구체예에서보다 과상돌기(222, 224)에 덜 일치된다.

대퇴부 구성요소와 경골 구성요소는 다양한 방법들과 다양한 재료들로 제조될 수 있다. 예를 들어, 대퇴부 구성요소(20)와 경골 플랫폼(54)은 기계가공될 수 있고, 주조가공될 수 있으며, 단조가공될 수 있거나 또는 그 외의 경우 코발트 크로뮴 합금, 스테인리스 스틸, 티타늄, 티타늄 합금 또는 니켈 코발트 합금과 같은 의료용, 생리학적으로 허용가능한 금속으로 단일의 일체형 유닛으로서 제조될 수 있다. 대퇴부 구성요소와 경골 플랫폼은 NURBS 모델링 소프트웨어와 호환가능한 기계장치를 사용하여 제조되는 것이 바람직하다.

또한 경골 라이너도 다양한 방법들과 다양한 재료들로 제조될 수 있다. 예를 들어, 경골 라이너는 기계가공될 수 있고, 몰딩가공될 수 있거나 또는 그 외의 경우 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형-저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 또는 이들의 혼합물들을 포함하는, 임의의 폴리올레핀과 같은 의료용, 생리학적으로 허용가능한 폴리머 재료들로부터 단일의 일체형 유닛으로서 제조될 수 있다. 또한 본 명세서에서 사용되는 폴리머 재료들은 다양한 형태, 예를 들어, 수지 분말, 플레이크, 입자, 분말, 또는 이들의 혼합물 또는 위의 어느 것으로부터도 나온 경화 형태의 폴리에틸렌을 포함한다. 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)은 대략 500,000을 초과하는, 바람직하게는 대략 1,000,000을 초과하는, 보다 바람직하게는 대략 2,000,000을 초과하는 초기 평균 분자량을 가진 선형, 비-분지 사슬(non-branched chain) 에틸렌을 의미한다. 종종 분자량은 대략 8,000,000 또는 그 이상까지도 도달할 수 있다. 상기 재료는 재료의 마모 특성 및/또는 강도 또는 경도를 변경하기 위해 예를 들어 방사선, 화학, 또는 그 외의 기술로 가공처리될 수 있다. 초기 평균 분자량은 방사선 가공 전에 UHMWPE 시작 재료의 평균 분자량을 의미한다.

대표 구체예들을 기술하면서, 상세한 설명, 특정 예들과 데이터는 오직 예시 목적으로 주어지는 것이며 본 발명을 제한하기 위함이 아니라는 것을 이해할 수 있다. 해당 업계의 당업자들에게 본 발명 범위 내에서 본 명세서에 포함된 논의사항, 설명 및 데이터들로부터 다양한 변경예들과 변형예들이 가능하며 이것들이 본 발명의 일부로 간주되는 것은 명백할 것이다.

Claims

앞쪽, 뒤쪽, 횡방향, 중앙, 원위와 근위 측면 및 시상면, 관상면 및 횡단 평면을 가진 무릎 대체용 보철물에 있어서,
상기 무릎 대체용 보철물은:
-절제된 대퇴부의 원위 단부에 연결된 대퇴부 구성요소를 포함하고, 상기 대퇴부 구성요소는 관절구성식 원위 표면들을 가진 중앙 과상돌기와 횡방향 과상돌기 및 관절구성식 슬개골 표면을 가진 슬개골 플랜지를 포함하며; 및
-절제된 경골의 근위 단부에 연결된 경골 구성요소를 포함하고, 상기 경골 구성요소는 상기 중앙 과상돌기와 횡방향 과상돌기와 관절구성된 중앙 오목부와 횡방향 오목부를 가진 근위 베어링 표면을 포함하며;
관절구의 관절구성식 표면들과 상기 오목부들은 NURBS(Non-uniform Rational B-spline) 표면들에 의해 형성되며, 상기 NURBS 표면들은 경골에 대해 대퇴부가 앞쪽-뒤쪽으로 병진운동할 수 있게 하고 무릎이 굽혀지는 동안 경골이 경골의 종축 주위로 회전할 수 있게 하는 무릎 대체용 보철물.
제 1항에 있어서,
경골이 축방향으로 회전하는 것은 초기에 굽혀지는 동안 중간 위치까지로 제한되지만, 보철물이 굽혀지고 난 뒤 상기 중간 위치를 넘어 완전히 굽혀질 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 2항에 있어서,
보철물이 완전히 굽혀지고 난 뒤 경골은 축방향으로 대략 10°이상 회전하는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 1항에 있어서,
과상돌기들은 굽혀지는 동안 오목부들 내에서 뒤쪽으로 병진운동하며 연장되는 동안에는 앞쪽으로 병진운동하는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 4항에 있어서,
보철물이 완전히 굽혀지고 난 뒤 뒤쪽으로의 병진운동은 대략 1-2mm인 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 1항에 있어서,
상기 경골 오목부들은 다수의 곡률 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 6항에 있어서,
상기 경골 오목부들은 시상면에서 적어도 제 1 곡률 반경을 가지며 관상면에서는 상기 시상면 제 1 곡률 반경보다 더 큰 적어도 제 1 곡률 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 7항에 있어서,
상기 오목부들은 시상면에서 다수의 곡률 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 1항에 있어서,
상기 관절구의 관절구성식 표면들은 다수의 곡률 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 9항에 있어서,
상기 관절구의 관절구성식 표면들의 앞쪽 부분은 시상면에서 적어도 제 1 곡률 반경을 가지며 뒤쪽 부분은 시상면에서 상기 제 1 앞쪽 곡률 반경보다 더 작은 적어도 제 1 곡률 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 10항에 있어서,
상기 관절구의 관절구성식 표면들의 각각의 앞쪽 부분과 뒤쪽 부분은 시상면에서 다수의 곡률 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 10항에 있어서,
상기 각각의 관절구의 관절구성식 표면의 뒤쪽 부분은 100°이상 굽혀질 수 있게 하도록 형태가 형성되는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 1항에 있어서,
상기 경골 구성요소는 원위 및 근위 표면들을 가진 베이스, 및 대퇴부 구성요소와 관절구성되고 맞물리는 베어링 표면을 형성하는 근위 표면과 베이스의 근위 표면과 맞물리는 원위 표면을 가진 라이너를 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 13항에 있어서,
상기 베이스는 경골 플래튜(plateau) 상에 정지된 베이스 플레이트 및 근위 경골 골수 캐널(canal) 내에 삽입될 수 있는 베이스 플레이트의 원위 표면에 고정된 용골(keel)을 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 14항에 있어서,
상기 플레이트의 원위 표면은 텍스쳐링되고 거칠게 된 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 1항에 있어서,
경골 구성요소에 대한 대퇴부 구성요소의 앞쪽 및 뒤쪽으로의 병진운동은 뒤쪽 십자 인대에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 1항에 있어서,
경골의 회전은 뒤쪽 십자 인대에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 1항에 있어서,
상기 대퇴부 구성요소는 과상돌기들의 뒤쪽 단부들에 연결되는 캠을 포함하며 상기 경골 구성요소는 상기 오목부들의 중간에 있는 중앙 포스트를 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 18항에 있어서,
경골 구성요소에 대한 대퇴부 구성요소의 앞쪽 및 뒤쪽으로의 병진운동은 상기 캠과 중앙 포스트에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 18항에 있어서,
경골의 종축 주위로의 회전은 상기 캠과 중앙 포스트에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 18항에 있어서,
상기 캠과 포스트 간의 접촉은 무릎이 대략 30°이상 굽혀질 때 발생하는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 1항에 있어서,
상기 슬개골 표면은 NURBS에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 22항에 있어서,
슬개골 표면은 횡방향으로 경사진 슬개골 홈과 상기 홈의 각각의 측면 상에서 올라간 활차 표면(trochlear surface)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
앞쪽, 뒤쪽, 횡방향, 중앙, 원위와 근위 측면 및 시상면, 관상면 및 횡단 평면을 가진 무릎 대체용 보철물에 있어서,
상기 무릎 대체용 보철물은:
-절제된 대퇴부의 원위 단부에 연결된 대퇴부 구성요소를 포함하고, 상기 대퇴부 구성요소는 관절구성식 원위 표면들을 가진 중앙 과상돌기와 횡방향 과상돌기 및 관절구성식 슬개골 표면을 가진 슬개골 플랜지를 포함하며; 및
-절제된 경골의 근위 단부에 연결된 경골 구성요소를 포함하고, 상기 경골 구성요소는 상기 중앙 과상돌기와 횡방향 과상돌기와 관절구성된 중앙 오목부와 횡방향 오목부를 가진 근위 베어링 표면을 포함하며;
상기 보철물은 경골에 대해 대퇴부가 앞쪽-뒤쪽으로 병진운동할 수 있게 하고 무릎이 굽혀지는 동안 경골이 경골의 종축 주위로 회전할 수 있게 하는 무릎 대체용 보철물.
제 24항에 있어서,
관절구의 관절구성식 표면들과 상기 오목부들은 NURBS 표면들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
앞쪽, 뒤쪽, 횡방향, 중앙, 원위와 근위 측면 및 시상면, 관상면 및 횡단 평면을 가진 무릎 대체용 보철물에 있어서,
상기 무릎 대체용 보철물은:
-절제된 대퇴부의 원위 단부에 연결된 대퇴부 구성요소를 포함하고, 상기 대퇴부 구성요소는 관절구의 관절구성식 원위 표면들을 가진 중앙 과상돌기와 횡방향 과상돌기 및 관절구성식 슬개골 표면을 가진 슬개골 플랜지를 포함하며; 및
-절제된 경골의 근위 단부에 연결된 경골 구성요소를 포함하고, 상기 경골 구성요소는 상기 중앙 과상돌기와 횡방향 과상돌기와 관절구성된 중앙 오목부와 횡방향 오목부를 가진 근위 베어링 표면을 포함하며;
상기 관절구 표면들과 상기 오목부들은 고차(high order) NURBS 표면들에 의해 형성되는 무릎 대체용 보철물.
제 26항에 있어서,
상기 슬개골 플랜지는 고차 NURBS 표면들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
제 27항에 있어서,
상기 보철물은 100°이상 완전히 굽혀질 수 있게 하며, 보철물이 완전히 굽혀지고 난 뒤 경골은 축방향으로 대략 10°이상 회전될 수 있게 하고 대퇴부는 대략 1-2mm 병진운동할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 무릎 대체용 보철물.
앞쪽, 뒤쪽, 횡방향, 중앙, 원위와 근위 측면 및 시상면, 관상면 및 횡단 평면을 가진 무릎 대체용 보철물 제조 방법에 있어서,
상기 무릎 대체용 보철물 제조 방법은:
-절제된 대퇴부의 원위 단부에 연결된 대퇴부 구성요소의 단계를 포함하고, 상기 대퇴부 구성요소는 관절구의 관절구성식 원위 표면들을 가진 중앙 과상돌기와 횡방향 과상돌기 및 관절구성식 슬개골 표면을 가진 슬개골 플랜지를 포함하며; 및
-절제된 경골의 근위 단부에 연결된 경골 구성요소의 단계를 포함하고, 상기 경골 구성요소는 상기 중앙 과상돌기와 횡방향 과상돌기와 관절구성된 중앙 오목부와 횡방향 오목부를 가진 근위 베어링 표면을 포함하며;
-NURBS를 이용하여 상기 관절구 표면들과 상기 오목부들을 모델링하는 단계를 포함하는 무릎 대체용 보철물 제조 방법.
선천적인 무릎의 기능과 운동을 보다 정확하게 모방하는 관절구성식 표면들을 가진 무릎 대체용 보철물로서, 상기 보철물은 앞쪽, 뒤쪽, 횡방향, 중앙, 원위와 근위 측면 및 시상면, 관상면 및 횡단 평면을 가진 무릎 대체용 보철물에 있어서,
상기 무릎 대체용 보철물은:
-절제된 대퇴부의 원위 단부에 연결된 대퇴부 구성요소의 단계를 포함하고, 상기 대퇴부 구성요소는 관절구의 관절구성식 원위 표면들을 가진 중앙 과상돌기와 횡방향 과상돌기 및 관절구성식 슬개골 표면을 가진 슬개골 플랜지를 포함하며; 및
-절제된 경골의 근위 단부에 연결된 경골 구성요소의 단계를 포함하고, 상기 경골 구성요소는 상기 중앙 과상돌기와 횡방향 과상돌기와 관절구성된 중앙 오목부와 횡방향 오목부를 가진 근위 베어링 표면을 포함하며;
-NURBS를 이용하여 상기 관절구 표면들과 상기 오목부들을 모델링하는 단계를 포함하는 무릎 대체용 보철물.