和圖23的外形修整的股骨頭148、150的接觸面積的百分比變化。如在圖25中所示，與常規(guī)股骨頭152相比(也參看具有Θ角90°的圖22A的股骨頭146，結(jié)果與第一股骨頭150相當)，Θ角為90°的第一股骨頭150并未示出接觸面積變化。然而，與常規(guī)股骨頭152相比，具有80°的Θ角的股骨頭148示出了接觸面積顯著減小。
[0225]雖然股骨頭或移動插件關(guān)節(jié)表面可以進行外形修整使得Θ角至少約80°，Θ角可以小于約115°。這可以實現(xiàn)顯著的軟組織松解(參看圖9)。
[0226]現(xiàn)有技術(shù)軸對稱股骨頭
[0227]為了與本文所公開的軸對稱股骨頭進行比較，在下文中簡要描述常規(guī)軸對稱股骨頭。在髖關(guān)節(jié)植入物中，由在股骨頭關(guān)節(jié)表面的有限部分上延伸的植入物股骨頭與髖臼部件之間的接觸面積來支承關(guān)節(jié)負荷。在現(xiàn)有技術(shù)中描述了更改關(guān)節(jié)表面幾何形狀以減小這種承載接觸面積的軸對稱股骨頭設(shè)計。例如，在1998年8月3日提交名稱為“Low WearBall And Cup Joint Prosthesis”的美國專利第6，059，830號描述了一種金屬對金屬的股骨頭，其中股骨頭關(guān)節(jié)表面的一部分具有密切匹配髖白部件半徑的半徑R。在這個密切接觸區(qū)外側(cè)，股骨頭半徑從R略微減小到r〃，使得對于R = 18mm, 17.68mm〈r〃〈17.98mm。這在髖臼部件與股骨頭表面之間形成空隙，從而限制了到半徑R區(qū)域的關(guān)節(jié)接觸面積。在這種現(xiàn)有技術(shù)中，股骨頭的成形構(gòu)造成使得Θ角小于約80° (優(yōu)選地小于約50° )，并且在常規(guī)股骨頭的承載區(qū)域內(nèi)良好地發(fā)生。這樣做以便減小關(guān)節(jié)接觸表面和因此關(guān)節(jié)磨損。因此，在這種現(xiàn)有技術(shù)中，股骨頭的成形導致材料從植入物的外圍部分可忽略的移除以提供任何有意義的軟組織松解。圖26A和圖26B示出了美國專利第6，059，830號的現(xiàn)有技術(shù)股骨頭設(shè)計，其中Θ角在20°至80°的范圍，并且外形修整的半徑為r〃 = 17.68mm(對于R = 18mm而言，17.68mm〈r"〈17.98mm可能范圍的最小值)。在圖26A中，存在相對于總球面幾何形狀可忽略的向內(nèi)轉(zhuǎn)移(S 0.44mm)。在圖26B中，存在相對于總球面幾何形狀可忽略的向內(nèi)轉(zhuǎn)移(S ,= 0.12mm)。因此，現(xiàn)有技術(shù)描述了外圍關(guān)節(jié)表面相對于股骨頭的總球面幾何形狀小于0.44_的向內(nèi)轉(zhuǎn)移。相比而言，在本文所公開的整形外科植入物的實施例中，夕卜圍外形修整構(gòu)造成使得Θ角大于約80°。這導致對常規(guī)股骨頭的承載區(qū)域外側(cè)的股骨頭的外形修整，并且因此不減小承載接觸面積。在本文所公開的整形外科植入物中，股骨頭的外形修整構(gòu)造成造成外圍關(guān)節(jié)表面的顯著向內(nèi)轉(zhuǎn)移(例如，大于約1mm)以便提供有意義的軟組織松解。圖26C示出了圖22B的股骨頭148實施例和圖26B的現(xiàn)有技術(shù)股骨頭的覆蓋圖。如在圖26C中所示，與股骨頭148相比，現(xiàn)有技術(shù)頭導致股骨頭的外圍部分相對于股骨頭的總球面幾何形狀可忽略的向內(nèi)轉(zhuǎn)移。
[0228]許多常規(guī)股骨頭使用短斜角將股骨頭關(guān)節(jié)表面聯(lián)結(jié)到股骨頭緣。常常，這種斜面被提供為激光標記植入物的表面，諸如圖26D所示的常規(guī)股骨頭。然而，與常規(guī)植入物中的這種斜角相關(guān)聯(lián)的Θ角Θ大于約118°。因此，由于這種斜角造成的任何外圍表面外形修整遠超過原生股骨頭的關(guān)節(jié)邊際發(fā)生以提供任何有意義的軟組織松解(參看圖9)。圖26E示出了圖22B的股骨頭148實施例和圖26D的現(xiàn)有技術(shù)股骨頭的覆蓋圖，斜角導致118°的Θ角。如在圖26E中所示，與圖22B的股骨頭相比，由于圖26D的股骨頭中的斜角造成的外圍表面外形修整導致關(guān)節(jié)表面相對于股骨頭的總球面幾何形狀的向內(nèi)轉(zhuǎn)移，并且遠超過原生股骨頭的關(guān)節(jié)邊際發(fā)生以提供任何有意義的軟組織松解。
[0229]使用凸半徑開始外圍外形修整
[0230]雖然股骨頭或移動插件的外圍部分能以多種方式進行外形修整，在半徑R的非外形修整區(qū)域之后緊鄰的外形修整始于凸半徑r(參看圖10、圖16A和圖17A至圖17C)。這個凸半徑r可以大于約2mm,例如，大于約5mm、大于約8mm、大于約12mm等。凸半徑r平穩(wěn)地融合到半徑R的非外形修整的部分并且具有約35°的弧角，但可以在約2°至100°、約30°至80°、約45°至65°的范圍(參看圖17A和圖17B)。使用凸半徑，而不是斜面或凹半徑，防止從股骨頭非外形修整的非外圍部分到的外形修整的外圍部分的尖銳過渡(參看圖16B和圖16C)。在髖關(guān)節(jié)運動的極端情況下，這個過渡區(qū)域可能接觸髖白部件，并且尖銳過渡可能導致高接觸應(yīng)力。圖27示出了在UHMWPE髖白內(nèi)襯與各種鈷鎳股骨頭之間的接觸壓力，包括由單個半徑R(對于圖示常規(guī)股骨頭而言18_)組成的常規(guī)股骨頭166和由具有各種外形修整的外圍輪廓的半徑R(對于具有至少10.3MPa的最大接觸壓力的四個圖示實施例中的每一個而言為18_)組成的股骨頭實施例。在外形修整為具有凸半徑的股骨頭實施例中，外圍外形修整始于凸半徑并且由兩個凸半徑組成。在外形修整為具有斜面的股骨頭實施例中，利用斜面實現(xiàn)了外形修整。在外形修整為具有凹半徑的股骨頭實施例中，利用凹半徑實現(xiàn)了外圍外形修整。在關(guān)節(jié)表面的陡止的股骨頭實施例中，通過陡止股骨關(guān)節(jié)表面，導致正交邊緣而實現(xiàn)了周圍外形修整。如在圖27中所示，在外形修整為具有凸半徑的股骨頭與髖白內(nèi)襯之間的接觸壓力類似于在常規(guī)股骨頭與髖白內(nèi)襯之間的接觸壓力。然而，在圖27中示出的其它三個股骨頭實施例的接觸壓力顯著更高。
[0231 ] 在模塊式植入物中股骨關(guān)節(jié)表面的外形修整
[0232]如上文所描述那樣，外圍外形修整能始于凸半徑。在凸半徑之后，能以任何方式完成外圍部分的其余部分，諸如利用凸半徑(^)，凹半徑或斜面任何組合(參看圖16A至圖17C)。在具有模塊式錐形接合部的股骨頭中，使用系列凸半徑A可能導致凹型錐表面減小和因此錐形接合部的長度減小。一種這樣的實施例(I)在圖28A和圖28B中示出。可能不需要錐形接合部長度的顯著減小，因為這能影響錐形接合部的強度和穩(wěn)定性。相比而言，使用一系列凸半徑諸如在圖28A和圖28C中示出的實施例(II)中，能幫助保持凹型錐表面的長度H。然而，由于股骨頭的外圍表面減小的向內(nèi)轉(zhuǎn)移，這可能導致不充分的軟組織松解。為了平衡軟組織松解的外形修整和使錐形接合部長度最大或維持錐形接合部長度的競爭性要求，在圖28A、圖28D和圖28E示出的實施例(III)和(IV)中，外圍外形修整借助于一個或多個凹半徑或斜面168 (圖28E)、170(圖28F)完成。使用凹半徑(對于圖28A和圖28F的實施例(iii)r’2jP實施例(V)的r’ 2b)或斜面使始于初始凸半徑η的曲率半徑相反，允許更大量的外圍外形修整同時使錐形結(jié)合長度最大。凹型錐表面也可以延伸直到頭的總球面幾何形狀，諸如在實施例(V)中，其中Η小于Η’。
[0233]在給定模塊式植入物系統(tǒng)中，具有相同總球半徑的外形修整的股骨頭可以設(shè)有不同表面幾何形狀和/或不同凹型錐長(參看圖58Α至圖59Β)。圖58Α出于比較目的示出了覆蓋有常規(guī)股骨頭174的外形修整的股骨頭172的實施例。圖58Β出于比較目的示出了覆蓋有另一常規(guī)股骨頭178的外形修整的股骨頭176的另一實施例。圖58Β的外形修整的頭176具有與圖58Α的頭相同的總球半徑、與圖58Α的頭172不同的外形修整的外表面幾何形狀以及與圖58Α的頭172不同的凹型錐長。圖59Α出于比較目的示出了覆蓋有常規(guī)股骨頭174的外形修整的股骨頭180的實施例。圖59Β示出于比較目的出了覆蓋有另一常規(guī)股骨頭178的外形修整的股骨頭182的另一實施例。圖59Β的股骨頭182具有與圖59Α的頭180相同的總球半徑、與圖59Α的頭180不同的外形修整的外表面幾何形狀以及與圖59Α的頭180相同的凹型錐長。
[0234]在模塊式植入物中，股骨頭的外表面的外形修整可能以徑向空隙r?？拷F形接合部的邊緣，如在圖29A和圖29B中所示。圖29A示出了常規(guī)股骨頭184和常規(guī)錐形接合部186。圖29B示出了具有外形修整表面190的股骨頭188和錐形接合部192的實施例。徑向空隙可以在約0mm至16mm、約5mm至15mm、約10mm至12mm的范圍內(nèi)等。在某些常規(guī)植入物中，錐形接合部在股骨頭的外圍邊緣/外圍緣下方延伸以允許更大的錐形接合部長度或者提供選擇適當假體股骨頸長度方面更大的靈活性。然而，這種突然過渡導致可能會撞擊軟組織的顯著/尖銳邊緣，如在圖29C中所示，圖29C示出了常規(guī)股骨頭194、常規(guī)錐形接合部196和錐形接合部196的常規(guī)延伸部分198。為了避免這點，在圖29D所示的本發(fā)明股骨頭200的另一實施例中，對股骨關(guān)節(jié)表面202的外圍表面的外形修整可以繼續(xù)以與錐形接合部204的延伸部分匯合從而避免從股骨頭關(guān)節(jié)表面202到錐形接合部204的突然過渡。
[0235]非軸對稱實施例
[0236]在“軸對稱實施例”標題后的先前部分中，描述了股骨頭和移動插件的軸對稱實施例。在其它實施例中，股骨頭或移動插件可以具有關(guān)于股骨頭或插件軸線是非軸對稱的幾何形狀，使得參數(shù)r、r’、θ、α、γ、Γι至r η、θ ^ θ ?等根據(jù)繞移動插件或股骨頭軸線的方位角Φ變化，而關(guān)節(jié)表面β的總角范圍保持恒定。圖30示出了具有局部切口或凹部206的非軸對稱股骨頭或移動插件的實施例，局部切口或凹部206能構(gòu)造成提供局部軟組織松解。如在圖30中所示，對關(guān)節(jié)表面的外形修整可以限制為繞股骨頭或移動插件軸線208的方位角范圍<^至Φ 2，以便產(chǎn)生局部切口或凹部206。在其它實施例中，股骨頭或移動插件的局部切口或凹部可以形成于多個位置。在另一實施例中，標記從球半徑R到外形修整的外圍半徑r的Θ角能根據(jù)方位角Φ變化。圖31A示出了非軸對稱股骨頭210的實施例，標記從大球半徑R到較小外圍半徑r的過渡212的Θ角根據(jù)繞股骨頭軸線214的方位角Φ變化。圖31B示出了非軸對稱移動插件216的實施例，Θ角標記從大球半徑R到較小球半徑r的過渡218，其根據(jù)繞移動插件軸線220的方位角Φ變化。
[0237]在股骨頭或移動插件的某些非軸對稱實施例中，關(guān)節(jié)表面的總角范圍β可以根據(jù)繞股骨頭或移動插件軸線的方位角Φ而變化。圖32Α示出了非軸對稱股骨頭222的實施例，其中內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)表面226被修整以匹配原生股骨頭幾何形狀。圖32Β示出了非軸對稱股骨頭224的實施例，其中內(nèi)側(cè)和外側(cè)關(guān)節(jié)表面228、230被修整以匹配原生股骨頭幾何形狀。有效地，這導致股骨頭的某些部分的修整。在圖32Α的實施例中，與常規(guī)植入物內(nèi)側(cè)部分相t匕，關(guān)節(jié)表面226的角范圍減小，以更佳地匹配原生股骨頭幾何形狀，其中β是大約100°，并且小于β’，其中β’為約120°，并且Φ在約150°至230°的范圍。同樣，在圖5Α的實施例中，與常規(guī)植入物內(nèi)側(cè)和外側(cè)部分相比，關(guān)節(jié)表面228、230的角范圍減小，以更佳地匹配原生股骨頭幾何形狀，其中β大約100°，并且小于β’，其中β’為約120°，并且Φ在約150°至230°、約340°至20°的范圍。圖33Α示出了非軸對稱移動插件232的實施例，其中外側(cè)關(guān)節(jié)表面234被修整為匹配原生股骨頭幾何形狀。
[0238]圖33Β示出了非軸對稱移動插件244的實施例，其中內(nèi)側(cè)和外側(cè)關(guān)節(jié)表面236、238被修整以匹配原生股骨頭幾何形狀。在圖33Α和圖33Β的實施例中，其相應(yīng)關(guān)節(jié)表面的其余部分240、242延伸超過常規(guī)植入物的相應(yīng)部分以補償從內(nèi)鉸接部提取小直徑股骨頭的減小的阻力。有效地，這導致移動插件關(guān)節(jié)表面的某些部分的角范圍減小和移動插件關(guān)節(jié)表面的其它部分的角范圍增加。在圖33Α的實施例中，與常規(guī)植入物內(nèi)側(cè)部分相比，關(guān)節(jié)表面的角范圍減小，以更佳地匹配原生股骨頭幾何形狀，其中β是大約100°，并且小于β ’，其中β’為約120°，并且Φ在約150°至230°的范圍內(nèi)。附隨地，關(guān)節(jié)表面的角范圍在其它位置處增加超過常規(guī)植入物的角范圍，其中β大于β’，并且Φ在約0°至150°，約230°至360°的范圍。同樣，在圖33Β的實施例中，與常規(guī)植入物內(nèi)側(cè)和外側(cè)部分相比，關(guān)節(jié)表面的角范圍減小，以更佳地匹配原生股骨頭幾何形狀，其中β大約100°，并且小于3’，其中3’為約120°，并且Φ在約150°至230°、約340°至20°等的范圍。附隨地，關(guān)節(jié)表面的角范圍在其它位置增加超過常規(guī)植入物的角范圍，其中β大于β’并且Φ在約24°至150°、約230°至340°的范圍。
[0239]在雙移動性植入物中，植入物的移動插件能相對于植入物的髖白殼以及植入物的小直徑內(nèi)股骨頭移動。因此，能有利于組合移動插件關(guān)節(jié)表面外形修整與設(shè)計特征以引導或控制插件在特定方向上或以特定自由度進行移動，特別是對于非軸向?qū)嵤├浴＿@能保持移動插件在優(yōu)選取向上以避免軟組織撞擊。
[0240]這種對移動插件在不同方向上運動的控制能經(jīng)由各種鎖定機構(gòu)和引導表面來實現(xiàn)。在一實施例中，在髖白殼上的圓形軌道可以構(gòu)造成與移動插件上的凹槽配合，從而允許平行于軌道或者沿著軌道的完全旋轉(zhuǎn)運動同時限制繞正交軸線的旋轉(zhuǎn)。圖34A和圖34B示出了移動插件246 (圖34A)的實施例，在移動插件246中形成凹槽248以與形成于髖臼殼252 (圖34B)上的引導軌道250配合，從而允許平行于軌道250或沿著軌道250的旋轉(zhuǎn)運動同時限制繞正交軸線的旋轉(zhuǎn)258。在另一實施例中，形成于插件中的圓形軌道可以構(gòu)造成與形成于髖白殼上的凹槽配合，由此允許平行于軌道或沿著軌道的完全旋轉(zhuǎn)自由度同時限制繞插件246和殼252的正交軸線254、256旋轉(zhuǎn)。
[0241]在另一實施例中，從插件的外表面延伸的突起可以構(gòu)造成包含在髖臼殼內(nèi)表面上形成的凹部或凹陷內(nèi)。圖35A至圖35C示出了移動插件260的實施例，其中插件262上的突起252的接合構(gòu)造成包含在髖白殼266中形成的凹部264內(nèi)。移動插件260還包括外形修整268，其能便于軟組織松解，如在本文中所討論的那樣。突起262抵靠凹部264的壁的接合控制在給定方向上允許旋轉(zhuǎn)的量。突起262和髖白凹部264的幾何形狀可以在插件突起262抵靠凹部壁接合防止進一步旋轉(zhuǎn)之前允許繞不同軸線具體和/或不同量旋轉(zhuǎn)。在某些實施例中，自插件表面的突起和髖白凹部可能具有圓形輪廓。在其它實施例中，自插件表面的突起和髖白凹部可能具有復雜的三維輪廓。在另外的實施例中，自髖白表面的突起可以構(gòu)造成接合移動插件中的凹部以允許繞不同軸線的具體和不同量的旋轉(zhuǎn)。
[0242]在某些實施例中，髖臼殼、移動插件或小直徑內(nèi)頭部可以是非球形的。圖36A和圖36B示出了雙移動性植入物的實施例，在髖白殼、移動插件與內(nèi)股骨頭之間具有非球形配合表面。圖36A和圖36B示出了實施例的從頂部向下觀察的圖，平面外軸線c-c’平行于股骨頭和/或移動插件軸線。圖36A示出了一實施例，其中，髖臼殼272的內(nèi)表面270和插件276的配合外表面274是非球形的，而插件280的內(nèi)表面278和小直徑股骨頭284的配合表面282是球形的。在此實施例中，在外鉸接部，插件276能繞正交軸線a-a’和b_b’旋轉(zhuǎn)。然而，限制插件276繞軸線c-c’的旋轉(zhuǎn)。在內(nèi)鉸接部，能自由發(fā)生插件276繞所有正交軸線a-a’、b-b’和c_c’的旋轉(zhuǎn)。在圖36B所示的另一實施例中，移動插件288的內(nèi)關(guān)節(jié)表面286和配合的小直徑股骨頭290是非球形的，而插件288的球形外關(guān)節(jié)表面292與髖臼殼296的球形內(nèi)表面294配合。在此實施例中，插件288在所有旋轉(zhuǎn)自由方向上相對于髖臼殼296旋轉(zhuǎn)。然而，在內(nèi)鉸接部，限制插件288繞軸線c-c’的旋轉(zhuǎn)，同時允許繞正交軸線a_a’和b_b’的旋轉(zhuǎn)。
[0243]從軸對稱實施例創(chuàng)建非軸對稱實施例
[0244]始于圖37 (其示出了股骨頭298的實施例)所示的繞軸線d_d’對稱的表面并且使之相對于另一軸線e-e’旋轉(zhuǎn)可獲得非軸對稱的表面。這得到繞軸線e-e’不軸對稱但繞軸線d-d’軸對稱的表面。
[0245]移動插件的偏移的內(nèi)鉸接中心和外鉸接中心
[0246]在諸如圖12所示那些移動插件的某些實施例中，內(nèi)鉸接中心和外鉸接中心可以重合。其中，外鉸接中心是外關(guān)節(jié)表面(半徑R)的總球面幾何中心，并且內(nèi)鉸接中心是內(nèi)關(guān)節(jié)表面(半徑民，圖3B)的總球面幾何中心。在其它實施例中，內(nèi)鉸接中心和外鉸接中心可以是非重合的。在這些中心之間的距離可以表征為偏移‘e’，關(guān)于在圖38A至圖38C示出的移動插件300、310、312的實施例示出。在圖示實施例中的e值是約1.5_至約3_，但其可以在約0.1mm至20_、約1.5mm至15_、約3_至10_、約4mm至6_的范圍等。內(nèi)絞接中心相對于外鉸接中心的這種偏移可以在任何方向上，使得內(nèi)鉸接部朝向極點302(圖38A)、遠離極點304 (圖39B)、朝向極點306和遠離移動插件軸線308 (圖38C)和遠離極和移動插件軸線等轉(zhuǎn)移。
[0247]在內(nèi)鉸接部與外鉸接部之間的偏移允許插件響應(yīng)于外部負荷而自行調(diào)整。例如，當內(nèi)鉸接部相對于外鉸接部朝向極點轉(zhuǎn)移時，移動插件在壓縮負荷下自行居中使得移動插件軸線與負荷向量的方向(自然取向)對準。圖39B示出了模擬結(jié)果，其中不偏移的移動插件314和朝向極點偏移1.5mm的移動插件316相對于中性取向旋轉(zhuǎn)29° (λ )，如在圖39Α中示出，并且700N(F)的固定壓縮負荷沿著中性取向軸線施加。無偏移的插件314保持在旋轉(zhuǎn)取向，在極點的每一側(cè)上1.5mm偏移的插件316 (總共3mm偏移)逐漸自行居中以返回到中性取向。
[0248]使內(nèi)鉸接中心和外鉸接中心偏移允許相同關(guān)節(jié)表面幾何形狀，在圖40A的實施例中示出的內(nèi)鉸接部朝向極點偏移的設(shè)計具有大于圖40B的實施例示出的無偏移的設(shè)計的外圍厚度12的外圍厚度1 i。這允許使外圍邊緣的厚度和強度最大的軟組織友好的外關(guān)節(jié)表面設(shè)計。這也可能提高對于從移動插件中提取內(nèi)股骨頭的阻力。使內(nèi)鉸接部和外鉸接部偏移能幫助插件處于優(yōu)選取向使得外關(guān)節(jié)表面的外形修整部分優(yōu)選地向原生軟組織暴露。
[0249]關(guān)節(jié)磨損和摩擦扭矩的減小
[0250]除了軟組織撞擊問題之外，使用大直徑股骨頭或移動插件的另一問題是與常規(guī)小直徑股骨頭相比增加的摩擦扭矩、磨損和/或磨損率(參看先前提到的Lachiewicz等人和Livermore等人的文章)。大直徑股骨頭或移動插件的較大磨損和磨損率可能是由于在股骨頭/移動插件與髖白內(nèi)襯/殼之間增加的接觸面積。
[0251]在先前討論的某些實施例中股骨頭/移動插件關(guān)節(jié)表面的外形修整可以幫助減小在內(nèi)鉸接部/外鉸接部處的接觸面積，從而減輕植入物磨損。先前討論的股骨頭/移