專利名稱：具有高階nurbs曲面的全膝關(guān)節(jié)置換假體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及膝關(guān)節(jié)置換假體，特別地，涉及具有由非均勻有理B樣條曲面(NURBS) 限定的活動連接面的膝關(guān)節(jié)假體植入物，該膝關(guān)節(jié)假體植入物可以更準(zhǔn)確地模仿正常膝關(guān) 節(jié)的功能和運動。
背景技術(shù)：
盡管在無意的觀察者看來人的膝關(guān)節(jié)是簡單的，但是膝關(guān)節(jié)要沿著復(fù)雜的路徑活 動連接。在彎曲膝關(guān)節(jié)時，脛骨繞著冠狀軸線相對于股骨明顯旋轉(zhuǎn)(彎曲)。然而，股骨還 在脛骨上向后平移，且脛骨還繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)。此外，在旋轉(zhuǎn)膝關(guān)節(jié)時，髕骨被適度牽引。人 的膝關(guān)節(jié)的復(fù)雜的活動連接路徑主要由股骨遠端和脛骨近端的幾何結(jié)構(gòu)確定。例如，股骨 內(nèi)側(cè)髁較短且為球形，而股骨外側(cè)髁較長且為橢球形的。脛骨內(nèi)側(cè)髁為凹的，而外側(cè)髁為凸 的。人的膝關(guān)節(jié)的活動連接的復(fù)雜的路徑還由包圍并連接股骨遠端和脛骨近端的韌 帶的布局確定。人的膝關(guān)節(jié)由兩條并行的韌帶補足，一條位于該關(guān)節(jié)的外側(cè)，而另一條位于 其內(nèi)側(cè)。每條韌帶連接到脛骨和股骨。到股骨的連接點大體在弧線的軸線上，脛骨的另一 端沿該弧線運動且膝關(guān)節(jié)沿該弧線彎曲。并行的韌帶以內(nèi)外翻應(yīng)力對膝關(guān)節(jié)提供穩(wěn)定性。在膝關(guān)節(jié)的中部，人的膝關(guān)節(jié)還包括兩條交叉韌帶。一條交叉韌帶連接到脛骨的 后邊沿，而另一條交叉韌帶向前連接到脛骨的前邊沿。這兩條韌帶在大體位于所述并列的 韌帶的軸線上的髁之間的凹處均連接到股骨。所述交叉韌帶在前后的方向上提供穩(wěn)定性， 并且還允許膝關(guān)節(jié)軸向旋轉(zhuǎn)，即，繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)。因此，在膝關(guān)節(jié)彎曲時，脛骨繞其縱軸線 內(nèi)旋轉(zhuǎn)。已知的全膝關(guān)節(jié)置換假體通常包括股骨部件和脛骨部件，股骨部件和脛骨部件通 過壓配合或者通過利用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥粘結(jié)分別連接到股骨遠端和脛骨近端的 切面。每個部件包括一對髁面，所述髁面相互友好并且允許各部件互相相對活動連接。友 好的髁面的幾何結(jié)構(gòu)決定運動的復(fù)雜性和自由的程度，即，所述部件能否相互相對彎曲、平 移、和/或旋轉(zhuǎn)。該股骨部件還包括髕骨凸緣，該髕骨凸緣與正常髕骨或者與人造髕骨部件 活動連接。該髕骨凸緣為四頭肌肌肉提供桿臂。已知的全膝關(guān)節(jié)假體不能精確地再現(xiàn)人的膝關(guān)節(jié)的髁面。例如，已知的假體的股 骨髁面通常為凸的，且在內(nèi)外方向和前后方向上環(huán)繞。前后方向上的曲率半徑大于內(nèi)外方向上的曲率半徑。通常，髁的遠端面和后端面的矢狀曲率(sagital curvature)的弧心的中 心在連接內(nèi)上髁和外上髁的軸線上，因此在彎曲和拉伸時，連接到上髁的并行的韌帶的張 力接近恒定。脛骨面通常是凹的碟狀的，且股骨面的主軸線在矢狀面上對齊。脛骨髁的矢 狀半徑和冠狀半徑大于股骨髁的矢狀半徑和冠狀半徑，這樣提供某種程度的旋轉(zhuǎn)松弛。同 樣，位于股骨上的髕骨凸緣為凹的，且其取向是從上到下方向的，其具有的冠狀曲率半徑大 于圓頂形髕骨的冠狀曲率半徑。許多現(xiàn)有技術(shù)的全膝關(guān)節(jié)置換部件的設(shè)計忽略了正常膝關(guān)節(jié)的復(fù)雜旋轉(zhuǎn)運動，取 而代之的是簡單的鉸鏈設(shè)計，其僅允許繞單個水平軸線樞軸旋轉(zhuǎn)。這樣的簡單設(shè)計基本上 被放棄了，因為與施加在該假體部件上的高的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力相關(guān)的高的松動率。其他現(xiàn)有技術(shù) 的膝關(guān)節(jié)假體試圖更接近地模仿正常膝關(guān)節(jié)的運動路徑。然而，這些假體不能精確地再現(xiàn) 人的膝關(guān)節(jié)的自然運動路徑，并且存在其他制造限制和耐久性限制。因此，希望提供一種膝關(guān)節(jié)置換假體，通過在膝關(guān)節(jié)彎曲時允許股骨平移及脛骨 旋轉(zhuǎn)，它可以再現(xiàn)正常膝關(guān)節(jié)的運動，并且它容易制造且廉價。許多現(xiàn)有技術(shù)的膝關(guān)節(jié)置換假體是利用諸如圓、弧、線、平面、球和圓柱的單一幾 何結(jié)構(gòu)建模成形的，它們具有嚴(yán)格限定的長度和曲率半徑。然而，利用簡單的幾何結(jié)構(gòu)不能 再現(xiàn)人的膝關(guān)節(jié)的復(fù)雜的運動路徑。利用簡單的幾何結(jié)構(gòu)建模成形的假體產(chǎn)生不自然的運 動、韌帶的不適當(dāng)?shù)睦旌吞弁?、以及增大了的假體部件的磨損和松動。因此，需要更高階 的幾何結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生人的膝關(guān)節(jié)的復(fù)雜運動路徑。高階曲面諸如B樣條或者貝塞爾(Bezier)曲面在描述復(fù)雜曲面的三維形狀時更 加得心應(yīng)手。非均勻有理B樣條曲面(即NURBS)是用參數(shù)空間和3D空間之間的樣條變換 限定的雙參數(shù)曲面。NURBS建模被用在計算機圖形學(xué)中用于產(chǎn)生和表示曲線和曲面。例如， NURBS被用在CAD建模軟件，諸如Urographies (IDEAS)和由麥克尼爾(McNeil)及同伴開發(fā) 的CAD建模軟件(Rhinoceros 3D)中。下面示出NURBS曲面的示意圖。
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NURBS曲面具有兩個自變量，u和V，以及四個因變量，χ (s，t)、y (s，t)、ζ (s，t)和 d(s，t)，這樣:
權(quán)利要求
1.一種具有前側(cè)、后側(cè)、外側(cè)、內(nèi)側(cè)、遠側(cè)和近側(cè)以及矢狀面、冠狀面和橫切面的膝關(guān)節(jié) 置換假體，包括a)股骨部件，其連接到被切的股骨的遠端，所述股骨部件包括內(nèi)髁和外髁，所述內(nèi)髁 和外髁具有遠側(cè)活動連接面；以及髕骨凸緣，其具有髕骨活動連接面；以及b)脛骨部件，其連接到被切的脛骨的近端，所述脛骨部件包括具有內(nèi)凹面和外凹面的 近側(cè)承載面，所述內(nèi)凹面和外凹面與所述內(nèi)髁和外髁活動連接；其中，所述髁的活動連接面和所述凹面基本上由非均勻有理B樣條曲面限定，從而使 得股骨能夠相對于脛骨前后平移，并且使得在膝關(guān)節(jié)彎曲期間脛骨能夠繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，在初始彎曲至中間位置期間，脛骨的 軸向旋轉(zhuǎn)基本上被限制，但是在假體彎曲超過該中間位置至全彎曲后，允許脛骨的軸向旋 轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，在假體完全彎曲后，脛骨軸向旋轉(zhuǎn)大 于約10度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述髁在彎曲期間在所述凹面內(nèi)向 后平移，而在伸開期間，向前平移。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，在假體完全彎曲后，所述向后平移為 約1-2毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述脛骨的凹面具有多個曲率半徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述脛骨凹面具有位于該矢狀面上 的至少第一曲率半徑和大于該矢狀曲率半徑的、位于該冠狀面上的至少第一曲率半徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述凹面在該矢狀面上具有多個曲率半徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述髁的活動連接面具有多個曲率半徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述髁的活動連接面的前部具有位 于該矢狀面上的至少第一曲率半徑，而后部具有小于該第一前曲率半徑的、位于該矢狀面 上的至少第一曲率半徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述髁的活動連接面的前部和后 部中的每個具有多個位于該矢狀面上的曲率半徑。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，每個髁的活動連接面 的后部被成形為允許彎曲大于100度。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述脛骨部件包括基底，其具有遠 側(cè)面和近側(cè)面；以及襯墊，其具有與該基底的近側(cè)面接合的遠側(cè)面和形成與所述股骨部件 接合并活動連接的所述承載面的近側(cè)面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述基底包括基板，其靠在脛骨 平臺上；以及龍骨，其固定在該基板的遠側(cè)面上，且能夠插入近側(cè)脛骨的髓管內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述板的遠側(cè)面具有帶紋理的粗 糙面。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述股骨部件相對于所述脛骨部件的向前平移和向后平移由后交叉韌帶控制。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，脛骨的旋轉(zhuǎn)由后交叉韌帶控制。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述股骨部件包括連接所述髁的后 端的凸輪，且所述脛骨部件包括位于所述凹面中間的中心柱。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述股骨部件相對于所述脛骨部 件的向前平移和向后平移由所述凸輪和中心柱控制。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，脛骨繞其縱軸線的旋轉(zhuǎn)由所述凸 輪和中心柱控制。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述凸輪與柱之間的接觸發(fā)生在 膝關(guān)節(jié)彎曲大于約30度時。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述髕骨面基本上由非均勻有理B 樣條曲面限定。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述髕骨面包括向外傾斜的髕骨 溝和在該溝的每一側(cè)上抬升的滑車面。
24.一種具有前側(cè)、后側(cè)、外側(cè)、內(nèi)側(cè)、遠側(cè)和近側(cè)以及矢狀面、冠狀面和橫切面的膝關(guān) 節(jié)置換假體，包括a)股骨部件，其連接到被切的股骨的遠端，所述股骨部件包括內(nèi)髁和外髁，所述內(nèi)髁 和外髁具有遠側(cè)活動連接面；以及髕骨凸緣，其具有活動連接的髕骨面；以及b)脛骨部件，其連接到被切的脛骨的近端，所述脛骨部件包括具有內(nèi)凹面和外凹面的 近側(cè)承載面，所述內(nèi)凹面和外凹面與所述內(nèi)髁和外髁活動連接；其中，所述假體使得股骨能夠相對于脛骨前后平移，并且使得在膝關(guān)節(jié)彎曲期間脛骨 能夠繞其縱軸線旋轉(zhuǎn)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述髁的活動連接面和所述凹面 基本上由非均勻有理B樣條曲面限定。
26.一種具有前側(cè)、后側(cè)、外側(cè)、內(nèi)側(cè)、遠側(cè)和近側(cè)以及矢狀面、冠狀面和橫切面的膝關(guān) 節(jié)置換假體，包括a)股骨部件，其連接到被切的股骨的遠端，所述股骨部件包括內(nèi)髁和外髁，所述內(nèi)髁 和外髁具有遠側(cè)的活動連接的髁面；以及髕骨凸緣，其具有活動連接的髕骨面；以及b)脛骨部件，其連接到被切的脛骨的近端，所述脛骨部件包括具有內(nèi)凹面和外凹面的 近側(cè)承載面，所述內(nèi)凹面和外凹面與所述內(nèi)髁和外髁活動連接；其中，所述髁面和所述凹面基本上由高階非有理B樣條曲面限定。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述髕骨凸緣基本上由高階非有 理B樣條曲面限定。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的膝關(guān)節(jié)置換假體，其中，所述假體允許大于100度的完全彎 曲，并且在完全彎曲后，允許脛骨軸向旋轉(zhuǎn)大于10度，且允許股骨向后平移約l_2mm。
29.一種制造具有前側(cè)、后側(cè)、外側(cè)、內(nèi)側(cè)、遠側(cè)和近側(cè)以及矢狀面、冠狀面和橫切面的 膝關(guān)節(jié)置換假體的方法，包括如下步驟a)股骨部件，其連接到被切的股骨的遠端，所述股骨部件包括內(nèi)髁和外髁，所述內(nèi)髁 和外髁具有遠側(cè)的活動連接的髁面；以及髕骨凸緣，其具有活動連接的髕骨面；以及b)脛骨部件，其連接到被切的脛骨的近端，所述脛骨部件包括具有內(nèi)凹面和外凹面的 近側(cè)承載面，所述內(nèi)凹面和外凹面與所述內(nèi)髁和外髁活動連接；c)利用NURBS模制所述髁面和所述凹面。
30. 一種具有活動連接面的膝關(guān)節(jié)置換假體，該膝關(guān)節(jié)置換假體能夠更準(zhǔn)確地模仿正 常膝關(guān)節(jié)的功能和運動，所述假體具有前側(cè)、后側(cè)、外側(cè)、內(nèi)側(cè)、遠側(cè)和近側(cè)以及矢狀面、冠 狀面和橫切面，包括步驟a)股骨部件，其連接到被切的股骨的遠端，所述股骨部件包括內(nèi)髁和外髁，所述內(nèi)髁 和外髁具有遠側(cè)的活動連接的髁面；以及髕骨凸緣，其具有活動連接的髕骨面；以及b)脛骨部件，其連接到被切的脛骨的近端，所述脛骨部件包括具有內(nèi)凹面和外凹面的 近側(cè)承載面，所述內(nèi)凹面和外凹面與所述內(nèi)髁和外髁活動連接；c)利用NURBS模制所述髁面和所述凹面。
全文摘要
膝關(guān)節(jié)置換假體包括股骨部件和脛骨部件，它們使得股骨能夠相對于脛骨前后平移并且在膝關(guān)節(jié)彎曲時使得脛骨能夠繞其縱軸旋轉(zhuǎn)。股骨部件連接到被切的股骨的遠端，并且包括內(nèi)髁和外髁，它們具有遠側(cè)活動連接面；以及髕骨凸緣，其具有髕骨活動連接面。該脛骨部件連接到被切的脛骨的近端，并且包括具有內(nèi)凹面和外凹面的近側(cè)承載面，所述內(nèi)凹面和外凹面與內(nèi)髁和外髁活動連接。該髁的活動連接面和所述凹面基本上由非均勻有理B樣條曲面(NURBS)限定。
文檔編號A61F2/38GK102006840SQ200980113598
公開日2011年4月6日 申請日期2009年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月18日
發(fā)明者繆拉里·賈斯蒂, 阿瑟特·沙阿 申請人:麥克斯外科整形公司