专利名称：具有高阶nurbs曲面的全膝关节置换假体的制作方法
技术领域：
本发明涉及膝关节置换假体，特别地，涉及具有由非均勻有理B样条曲面(NURBS) 限定的活动连接面的膝关节假体植入物，该膝关节假体植入物可以更准确地模仿正常膝关 节的功能和运动。
背景技术：
尽管在无意的观察者看来人的膝关节是简单的，但是膝关节要沿着复杂的路径活 动连接。在弯曲膝关节时，胫骨绕着冠状轴线相对于股骨明显旋转(弯曲)。然而，股骨还 在胫骨上向后平移，且胫骨还绕其纵轴线旋转。此外，在旋转膝关节时，髌骨被适度牵引。人 的膝关节的复杂的活动连接路径主要由股骨远端和胫骨近端的几何结构确定。例如，股骨 内侧髁较短且为球形，而股骨外侧髁较长且为椭球形的。胫骨内侧髁为凹的，而外侧髁为凸 的。人的膝关节的活动连接的复杂的路径还由包围并连接股骨远端和胫骨近端的韧 带的布局确定。人的膝关节由两条并行的韧带补足，一条位于该关节的外侧，而另一条位于 其内侧。每条韧带连接到胫骨和股骨。到股骨的连接点大体在弧线的轴线上，胫骨的另一 端沿该弧线运动且膝关节沿该弧线弯曲。并行的韧带以内外翻应力对膝关节提供稳定性。在膝关节的中部，人的膝关节还包括两条交叉韧带。一条交叉韧带连接到胫骨的 后边沿，而另一条交叉韧带向前连接到胫骨的前边沿。这两条韧带在大体位于所述并列的 韧带的轴线上的髁之间的凹处均连接到股骨。所述交叉韧带在前后的方向上提供稳定性， 并且还允许膝关节轴向旋转，即，绕其纵轴线旋转。因此，在膝关节弯曲时，胫骨绕其纵轴线 内旋转。已知的全膝关节置换假体通常包括股骨部件和胫骨部件，股骨部件和胫骨部件通 过压配合或者通过利用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥粘结分别连接到股骨远端和胫骨近端的 切面。每个部件包括一对髁面，所述髁面相互友好并且允许各部件互相相对活动连接。友 好的髁面的几何结构决定运动的复杂性和自由的程度，即，所述部件能否相互相对弯曲、平 移、和/或旋转。该股骨部件还包括髌骨凸缘，该髌骨凸缘与正常髌骨或者与人造髌骨部件 活动连接。该髌骨凸缘为四头肌肌肉提供杆臂。已知的全膝关节假体不能精确地再现人的膝关节的髁面。例如，已知的假体的股 骨髁面通常为凸的，且在内外方向和前后方向上环绕。前后方向上的曲率半径大于内外方向上的曲率半径。通常，髁的远端面和后端面的矢状曲率(sagital curvature)的弧心的中 心在连接内上髁和外上髁的轴线上，因此在弯曲和拉伸时，连接到上髁的并行的韧带的张 力接近恒定。胫骨面通常是凹的碟状的，且股骨面的主轴线在矢状面上对齐。胫骨髁的矢 状半径和冠状半径大于股骨髁的矢状半径和冠状半径，这样提供某种程度的旋转松弛。同 样，位于股骨上的髌骨凸缘为凹的，且其取向是从上到下方向的，其具有的冠状曲率半径大 于圆顶形髌骨的冠状曲率半径。许多现有技术的全膝关节置换部件的设计忽略了正常膝关节的复杂旋转运动，取 而代之的是简单的铰链设计，其仅允许绕单个水平轴线枢轴旋转。这样的简单设计基本上 被放弃了，因为与施加在该假体部件上的高的旋转应力相关的高的松动率。其他现有技术 的膝关节假体试图更接近地模仿正常膝关节的运动路径。然而，这些假体不能精确地再现 人的膝关节的自然运动路径，并且存在其他制造限制和耐久性限制。因此，希望提供一种膝关节置换假体，通过在膝关节弯曲时允许股骨平移及胫骨 旋转，它可以再现正常膝关节的运动，并且它容易制造且廉价。许多现有技术的膝关节置换假体是利用诸如圆、弧、线、平面、球和圆柱的单一几 何结构建模成形的，它们具有严格限定的长度和曲率半径。然而，利用简单的几何结构不能 再现人的膝关节的复杂的运动路径。利用简单的几何结构建模成形的假体产生不自然的运 动、韧带的不适当的拉伸和疼痛、以及增大了的假体部件的磨损和松动。因此，需要更高阶 的几何结构以产生人的膝关节的复杂运动路径。高阶曲面诸如B样条或者贝塞尔(Bezier)曲面在描述复杂曲面的三维形状时更 加得心应手。非均勻有理B样条曲面(即NURBS)是用参数空间和3D空间之间的样条变换 限定的双参数曲面。NURBS建模被用在计算机图形学中用于产生和表示曲线和曲面。例如， NURBS被用在CAD建模软件，诸如Urographies (IDEAS)和由麦克尼尔(McNeil)及同伴开发 的CAD建模软件(Rhinoceros 3D)中。下面示出NURBS曲面的示意图。
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NURBS曲面具有两个自变量，u和V，以及四个因变量，χ (s，t)、y (s，t)、ζ (s，t)和 d(s，t)，这样:
权利要求
1.一种具有前侧、后侧、外侧、内侧、远侧和近侧以及矢状面、冠状面和横切面的膝关节 置换假体，包括a)股骨部件，其连接到被切的股骨的远端，所述股骨部件包括内髁和外髁，所述内髁 和外髁具有远侧活动连接面；以及髌骨凸缘，其具有髌骨活动连接面；以及b)胫骨部件，其连接到被切的胫骨的近端，所述胫骨部件包括具有内凹面和外凹面的 近侧承载面，所述内凹面和外凹面与所述内髁和外髁活动连接；其中，所述髁的活动连接面和所述凹面基本上由非均勻有理B样条曲面限定，从而使 得股骨能够相对于胫骨前后平移，并且使得在膝关节弯曲期间胫骨能够绕其纵轴线旋转。
2.根据权利要求1所述的膝关节置换假体，其中，在初始弯曲至中间位置期间，胫骨的 轴向旋转基本上被限制，但是在假体弯曲超过该中间位置至全弯曲后，允许胫骨的轴向旋 转。
3.根据权利要求2所述的膝关节置换假体，其中，在假体完全弯曲后，胫骨轴向旋转大 于约10度。
4.根据权利要求1所述的膝关节置换假体，其中，所述髁在弯曲期间在所述凹面内向 后平移，而在伸开期间，向前平移。
5.根据权利要求4所述的膝关节置换假体，其中，在假体完全弯曲后，所述向后平移为 约1-2毫米。
6.根据权利要求1所述的膝关节置换假体，其中，所述胫骨的凹面具有多个曲率半径。
7.根据权利要求6所述的膝关节置换假体，其中，所述胫骨凹面具有位于该矢状面上 的至少第一曲率半径和大于该矢状曲率半径的、位于该冠状面上的至少第一曲率半径。
8.根据权利要求7所述的膝关节置换假体，其中，所述凹面在该矢状面上具有多个曲率半径。
9.根据权利要求1所述的膝关节置换假体，其中，所述髁的活动连接面具有多个曲率半径。
10.根据权利要求9所述的膝关节置换假体，其中，所述髁的活动连接面的前部具有位 于该矢状面上的至少第一曲率半径，而后部具有小于该第一前曲率半径的、位于该矢状面 上的至少第一曲率半径。
11.根据权利要求10所述的膝关节置换假体，其中，所述髁的活动连接面的前部和后 部中的每个具有多个位于该矢状面上的曲率半径。
12.根据权利要求10所述的膝关节置换假体，其中，每个髁的活动连接面 的后部被成形为允许弯曲大于100度。
13.根据权利要求1所述的膝关节置换假体，其中，所述胫骨部件包括基底，其具有远 侧面和近侧面；以及衬垫，其具有与该基底的近侧面接合的远侧面和形成与所述股骨部件 接合并活动连接的所述承载面的近侧面。
14.根据权利要求13所述的膝关节置换假体，其中，所述基底包括基板，其靠在胫骨 平台上；以及龙骨，其固定在该基板的远侧面上，且能够插入近侧胫骨的髓管内。
15.根据权利要求14所述的膝关节置换假体，其中，所述板的远侧面具有带纹理的粗 糙面。
16.根据权利要求1所述的膝关节置换假体，其中，所述股骨部件相对于所述胫骨部件的向前平移和向后平移由后交叉韧带控制。
17.根据权利要求1所述的膝关节置换假体，其中，胫骨的旋转由后交叉韧带控制。
18.根据权利要求1所述的膝关节置换假体，其中，所述股骨部件包括连接所述髁的后 端的凸轮，且所述胫骨部件包括位于所述凹面中间的中心柱。
19.根据权利要求18所述的膝关节置换假体，其中，所述股骨部件相对于所述胫骨部 件的向前平移和向后平移由所述凸轮和中心柱控制。
20.根据权利要求18所述的膝关节置换假体，其中，胫骨绕其纵轴线的旋转由所述凸 轮和中心柱控制。
21.根据权利要求18所述的膝关节置换假体，其中，所述凸轮与柱之间的接触发生在 膝关节弯曲大于约30度时。
22.根据权利要求1所述的膝关节置换假体，其中，所述髌骨面基本上由非均勻有理B 样条曲面限定。
23.根据权利要求22所述的膝关节置换假体，其中，所述髌骨面包括向外倾斜的髌骨 沟和在该沟的每一侧上抬升的滑车面。
24.一种具有前侧、后侧、外侧、内侧、远侧和近侧以及矢状面、冠状面和横切面的膝关 节置换假体，包括a)股骨部件，其连接到被切的股骨的远端，所述股骨部件包括内髁和外髁，所述内髁 和外髁具有远侧活动连接面；以及髌骨凸缘，其具有活动连接的髌骨面；以及b)胫骨部件，其连接到被切的胫骨的近端，所述胫骨部件包括具有内凹面和外凹面的 近侧承载面，所述内凹面和外凹面与所述内髁和外髁活动连接；其中，所述假体使得股骨能够相对于胫骨前后平移，并且使得在膝关节弯曲期间胫骨 能够绕其纵轴线旋转。
25.根据权利要求24所述的膝关节置换假体，其中，所述髁的活动连接面和所述凹面 基本上由非均勻有理B样条曲面限定。
26.一种具有前侧、后侧、外侧、内侧、远侧和近侧以及矢状面、冠状面和横切面的膝关 节置换假体，包括a)股骨部件，其连接到被切的股骨的远端，所述股骨部件包括内髁和外髁，所述内髁 和外髁具有远侧的活动连接的髁面；以及髌骨凸缘，其具有活动连接的髌骨面；以及b)胫骨部件，其连接到被切的胫骨的近端，所述胫骨部件包括具有内凹面和外凹面的 近侧承载面，所述内凹面和外凹面与所述内髁和外髁活动连接；其中，所述髁面和所述凹面基本上由高阶非有理B样条曲面限定。
27.根据权利要求26所述的膝关节置换假体，其中，所述髌骨凸缘基本上由高阶非有 理B样条曲面限定。
28.根据权利要求27所述的膝关节置换假体，其中，所述假体允许大于100度的完全弯 曲，并且在完全弯曲后，允许胫骨轴向旋转大于10度，且允许股骨向后平移约l_2mm。
29.一种制造具有前侧、后侧、外侧、内侧、远侧和近侧以及矢状面、冠状面和横切面的 膝关节置换假体的方法，包括如下步骤a)股骨部件，其连接到被切的股骨的远端，所述股骨部件包括内髁和外髁，所述内髁 和外髁具有远侧的活动连接的髁面；以及髌骨凸缘，其具有活动连接的髌骨面；以及b)胫骨部件，其连接到被切的胫骨的近端，所述胫骨部件包括具有内凹面和外凹面的 近侧承载面，所述内凹面和外凹面与所述内髁和外髁活动连接；c)利用NURBS模制所述髁面和所述凹面。
30. 一种具有活动连接面的膝关节置换假体，该膝关节置换假体能够更准确地模仿正 常膝关节的功能和运动，所述假体具有前侧、后侧、外侧、内侧、远侧和近侧以及矢状面、冠 状面和横切面，包括步骤a)股骨部件，其连接到被切的股骨的远端，所述股骨部件包括内髁和外髁，所述内髁 和外髁具有远侧的活动连接的髁面；以及髌骨凸缘，其具有活动连接的髌骨面；以及b)胫骨部件，其连接到被切的胫骨的近端，所述胫骨部件包括具有内凹面和外凹面的 近侧承载面，所述内凹面和外凹面与所述内髁和外髁活动连接；c)利用NURBS模制所述髁面和所述凹面。
全文摘要
膝关节置换假体包括股骨部件和胫骨部件，它们使得股骨能够相对于胫骨前后平移并且在膝关节弯曲时使得胫骨能够绕其纵轴旋转。股骨部件连接到被切的股骨的远端，并且包括内髁和外髁，它们具有远侧活动连接面；以及髌骨凸缘，其具有髌骨活动连接面。该胫骨部件连接到被切的胫骨的近端，并且包括具有内凹面和外凹面的近侧承载面，所述内凹面和外凹面与内髁和外髁活动连接。该髁的活动连接面和所述凹面基本上由非均匀有理B样条曲面(NURBS)限定。
文档编号A61F2/38GK102006840SQ200980113598
公开日2011年4月6日 申请日期2009年2月18日 优先权日2008年2月18日
发明者缪拉里·贾斯蒂, 阿瑟特·沙阿 申请人:麦克斯外科整形公司