专利名称：力封闭的膝关节置换假体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种关节置换假体，更特别地说，是指一种用于膝关节的力封闭的关 节置换假体，属于医用器件。
背景技术：
目前，骨科人工关节的应用越来越广泛，为许多关节患者恢复了关节功能，目前 多数现有人工关节属于开式结构，股骨假体和胫骨假体间易出现松脱的现象，另外假 体部件之间多采用高副联接，这都会造成接触部分大量的磨损，严重时还会导致二次 手术以及因磨粒造成关节处病变。 发 明 内 容
本发明的目的是提供一种力封闭的膝关节置换假体，该假体仿人体膝关节的生物 结构设计，按关节屈/伸中前交叉韧带支链近似等长的特性，将前交叉韧带支链设置为 两端为球铰的等长杆。股骨假体的髌面采用人体膝关节CT/MRI扫描图像的重构图型 的轮廓面拟合而得。本发明的置换假体的形体是通过膝关节生物结构建立的空间并联 机构设计而成，运动副以低副为主，在满足关节运动要求的条件下同时能够减少磨损。
本发明是一种力封闭的膝关节置换假体，该置换假体由股骨假体、股骨支座、胫 骨支座、转动联杆组件、前交叉韧带支链和后交叉韧带支链构成。股骨假体安装在股 骨支座上，转动联杆组件、前交叉韧带支链和后交叉韧带支链安装在股骨支座与胫骨 支座之间。
本发明紐力封闭的膝关节置换假体优点在于
1. 通过转动联杆组件、前交叉韧带支链和后交叉韧带支链实现股骨支座与胫骨支座 之间的并联联接，既仿生于膝关节的生物联接结构，又使股骨支座与胫骨支座形 成闭式联接，消除开式置换假体结构中两关节松脱的缺陷。
2. 后交叉韧带支链采用弹簧结构，实现股骨假体与胫骨假体之间的力封闭结构，通 过弹簧能调解膝关节屈/伸中股骨假体与胫骨假体的力协调。
53. 前交叉韧带支链、后交叉韧带支链采用球铰结构分别与股骨支座、胫骨支座联接， 转动联杆组件通过孔轴配合与股骨支座联接。在构件连接中主要以低副联接为 主，有效地减少了置换假体关节运动中的摩擦与磨损。
4. 股骨假体的髌面轮廓基于被置换者膝关节的股骨CT/MRI扫描重建3D股骨髌面 轮廓，根据关节解剖学的研究结果，股骨髁后部近似为球结构，利用空间机构螺 旋理论、最小二乘法建立膝关节股骨假体髌面的拟合优化模型，用MATLAB、 ADAMS仿真求解髌面轮廓，使股骨支座与胫骨支座更接近人体生物胫-股关节， 具有良好的关节接触性与良好的承载性。
5. 通过前交叉韧带支链釆用定长杆件结构、后交叉韧带支链采用弹簧结构的球铰联 接，避免了关节屈/伸中屈曲角度为负和过大的现象，能够实现假肢膝关节o。
135。范围内的屈曲运动。
图1是本发明力封闭的膝关节置换假体的结构图。
图1A是本发明力封闭的膝关节置换假体的另一视角结构图。
图1B是本发明力封闭的膝关节置换假体的内部运动部分的结构图。
图2是本发明的股骨支座的结构图。
图2A是本发明的股骨支座的仰视角度的结构图。
图2B是本发明的股骨支座的后视角度的结构图。
图3是本发明的胫骨支座的结构图。
图4是本发明的股骨假体的正视角度的结构图。
图4A是本发明的股骨假体的后视角度的结构图。
图5是本发明的转动联杆组件的分解图。
图6是本发明的前交韧带支链的分解图。
图7是本发明的后交韧带支链的分解图。
图中 l.股骨假体 11.髌面 12.外侧髁
131.F螺纹孔 132.倾斜面 14.髁间窝 2.股骨支座
22.连接板 221.A沉头孔 23.上支撑板 231.A球窝
24.外恻板 241.A通孔242.空腔 243.限位块
13.连接板 21.股骨转接头 232.B螺纹孔 25.内侧板251.A螺纹孔252.B球窝253.C螺纹孔26.后侧板261.半圆凹台
3.胫骨支座31.支撑面板32.胫骨连接头33.C球窝331.B沉头孔
34.D球窝35.F球窝351.D螺纹孔36.E球窝361.E螺纹孔
4.转动联杆组件41.螺钉42.A联杆421.轴承套422.B通孔
423.连接端424.凸台43.屈曲轴431.卡槽432.螺纹端
5.前交叉韧带支链51.A球売511.C沉头孔512.A开口
52. B球壳521.D沉头孔522.B开口53.B联杆531.A球头
532. B球头6.后交叉韧带支链61.C球壳611.E沉头孔
612.C开口62.D球売621.F沉头孔622.D开口63.C球头
631.堵头 64.D球头 641.套筒 642.C通孔 643.空腔65.弹簧
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种力封闭的膝关节置换假体，该置换假体是基于空间并联机构理论、 仿人体膝关节股骨远端的全膝关节置换假体，属于生物医学工程技术领域。参见图1、
图1A、图1B所示，本发明的力封闭的膝关节置换假体由股骨假体1、股骨支座2、 胫骨支座3、转动联杆组件4、前交叉韧带支链5和后交叉韧带支链6构成。股骨假 体1安装在股骨支座2上，转动联杆组件4、前交叉韧带支链5和后交叉韧带支链6 分别安装在股骨支座2与胫骨支座3之间。通过转动联杆组件4、前交叉韧带支链5 和后交叉韧带支链6实现股骨支座2与胫骨支座3之间的并联联接，既仿生于膝关 节的生物联接结构，又使股骨支座2与胫骨支座3形成闭式联接。 (一)股骨假体1
参见图1、图1A、图4、图4A所示，股骨假体1为仿人体膝关节股骨远端的 构形，且为一体加工成型件。股骨假体l上设有髌面ll、外侧髁12、连接板13， 髌面11的下端是外侧髁12、连接板13，且外侧髁12与连接板13之间设有髁间 窝14。髌面11由多条不规则的轮廓线构成，该轮廓线在图中用虚线表示，在本发 明中，发明人应用"虚线"是为了更加清楚地说明髌面ll为仿人体膝关节股骨远端 的构形。髌面11轮廓是基于被置换者膝关节的股骨CT/MRI扫描重建3D股骨髌面 轮廓，根据关节解剖学的研究结果，股骨髁后部近似为球结构，利用空间机构螺旋理
7论、最小二乘法建立膝关节股骨假体髌面的拟合优化模型，用MATLAB、 ADAMS 仿真求解髌面轮廓，使股骨支座2与胫骨支座3更接近人体生物胫-股关节，具有良 好的关节接触性与良好的承载性。
连接板13上设有F螺纹孔131，该F螺纹孔131与螺钉的配合实现将股骨假 体1安装在股骨支座2的连接板22上。
(二) 股骨支座2
参见图1、图1A、图2、图2A、图2B所示，股骨支座2上设有股骨连接头 21、连接板22、上支撑板23、外侧板24、内侧板25和后侧板26，外侧板24与 内侧板25之间设有空腔242;
股骨连接头21设在上支撑板23的上面板上。
上支撑板23的下面板上设有A球窝231，以及设在A球窝231四周的B螺纹 孔232; A球窝231用于放置A球头531; B螺纹孔232与螺钉的配合用于实现将 A球壳51安装在A球窝231处。
连接板22上设有多个A沉头孔221，该A沉头孔221与F螺纹孔131配合， 并应用螺钉从而实现股骨支座2与股骨假体1的安装。
外侧板24上设有A通孔241 ，该A通孔241用于转动联杆组件4中的屈曲轴 43使螺纹端432通过。
内侧板25的一板面上设有A螺纹孔251，该A螺纹孔251内螺纹连接有转动 联杆组件4中的屈曲轴43的螺纹端432;内侧板25的另一板面上设有B球窝252、 C螺纹孔253， B球窝252用于放置C球头63, C螺纹孔253与螺钉的配合用于 实现将C球壳61安装在B球窝252处。
后侧板26上设有半圆凹台261 ，该半圆凹台261有利于D球头64的运动。
(三) 胫骨支座3
参见图1、图1A、图3所示，胫骨支座3的支撑面板31上设有C球窝33、 D 球窝34、 F球窝35、 E球窝36;胫骨支座3的下部设有胫骨连接头32。 F球窝 35与E球窝36设置在径向中心线上，该径向中心线也是F球窝35的窝球心与E 球窝36的窝球心的连线；C球窝33与D球窝34设置在轴向中心线上，该轴向中 心线也是C球窝33的窝球心与D球窝34的窝球心的连线。C球窝33的中心设有B沉头孔331,该B沉头孔331内安装有转动联杆组件 4中A联杆42的连接端423 (连接端423的端部设有螺纹孔，图中未示出)，并且 从胫骨支座3的下部将螺钉41与连接端423上设有的螺纹孔连接，利用A联杆42 上设有的凸台424，从而实现了将转动联杆组件4安装在胫骨支座3上。
F球窝35的四周设有D螺纹孔351 ，该D螺纹孔351与螺钉的配合用于实现 将B球壳52安装在F球窝35处。
E球窝36的四周设有E螺纹孔361 ，该E螺纹孔361与螺钉的配合用于实现 将D球壳62安装在E球窝36处。 (四)转动联杆组件4
参见图l、图1A、图1B、图7所示，转动联杆组件4包括有螺钉41、 A联杆 42、屈曲轴43，屈曲轴43套接在A联杆42的轴承套421内。
A联杆42的一端为连接端423，A联杆42的另一端为轴承套421，轴承套421 的中间是通孔422，该通孔422用于屈曲轴43穿过；A联杆42至连接端423的 拐点处设有凸台424，该凸台424在实现转动联杆组件4与胫骨支座3的安装时起 到挡圈的作用。该轴承套421套接在屈曲轴43上，且置于股骨支座2的外侧板24 与内侧板25之间的空腔242内。
屈曲轴43为圆柱结构，屈曲轴43的一端设有卡槽431，屈曲轴43的另一端 为螺纹端432。该卡槽431用于放置工具(如改锥)，通过该工具实现将屈曲轴43 的螺纹端432与股骨支座2的内侧板25上的A螺纹孔251连接。
在本发明中，转动联杆组件4结构的设计需要考虑两转动副能够抵抗沿轴向的作 用力以及关节在屈曲运动中角度合适问题。对于抵抗轴向力，转动联杆组件4和股 骨假体1之间为转动副，靠联接在轴承套421内的屈曲轴43来实现，其中屈曲轴 43通过螺纹与股骨支座2连接(如附图l、图1A)，而转动联杆组件4和胫骨支座 2之间的转动副靠转动联杆组件4的结构特点和联接在转动联杆组件4上的支撑螺钉 41来实现(如附图7)。
在本发明中，为了实现股骨假体1相对与股骨支座2、胫骨支座3的合适角度的 屈曲运动，在股骨支座2的外侧板24上设有限位块243 (该限位块243与轴承套 421上的挡块配合)，该限位块243为扇形结构，其与A通孔241的外沿接合，如 以A通孔241的中心为圆心，则该扇形的夹角为135° 。因此，转动联杆组件4的 轴承套421 (轴承套421上凸起的即为挡块，该挡块与限位块243配合)的转动范 围为O。 ~135° ，这样就避免了屈曲角度过大的问题。(五) 前交叉韧带支链5
参见图l、图1A、图1B、图5所示，前交叉韧带支链5包括有A球壳51、 B 球壳52和B联杆53。
A球壳51的中心是通孔，该通孔用于放置A球头531， A球売51上设有C沉 头孔511,该C沉头孔511与B螺纹孔232配合，并应用螺钉从而实现将A球壳 51安装在股骨支座2上。A球壳51上设有A开口 512，该A开口 512用于使B 联杆的一端通过。
B球壳52的中心是通孔，该通孔用于放置B球头532， B球壳52上设有D沉 头孔521，该D沉头孔521与D螺纹孔351配合，并应用螺钉从而实现将B球壳 52安装在胫骨支座3上。B球売52上设有B开口 522，该B开口 522用于B联 杆的另一端通过。
B联杆53的一端设有A球头531， B联杆53的另一端设有B球头532。 前交叉韧带支链5的安装①将A球头531的联杆部分先通过A球壳51上的 A开口 512;②将A球壳51上的C沉头孔511与B螺纹孔232配合；③用螺钉 穿过C沉头孔511后螺纹连接在B螺纹孔232内，从而实现A球头531的安装； B球头532的联杆部分先通过B球壳52上的B开口 522; 将B球壳52上的 D沉头孔521与F螺纹孔351配合；⑥再用螺钉穿过D沉头孔521后螺纹连接在 F螺纹孔351内，从而实现B球头532的安装。
(六) 后交叉韧带支链6
参见图1、图1A、图1B、图6所示，后交叉韧带支链6包括有C球壳61、 D 球壳62、 C球头63、 D球头64和弹簧65。
C球壳61的中心是通孔，该通孔用于放置C球头63, C球壳61上设有E沉 头孔611，该E沉头孔611与C螺纹孔253配合，并应用螺钉从而实现将C球壳 61安装在股骨支座2上。C球壳61上设有C开口 612，该C开口 612用于使C 球头63的上堵头631通过。
D球壳62的中心是通孔，该通孔用于放置D球头64， D球壳62上设有F沉 头孔621，该F沉头孔621与E螺纹孔361配合，并应用螺钉从而实现将D球壳 62安装在胫骨支座3上。D球壳62上设有D开口 622，该D开口 522用于D球 头64上的套筒641通过。C球头63上设有堵头631 ，该堵头631置于D球头64上的套筒641的空腔 643内。
D球头64上设有套筒641 ，套筒641的筒体上设有通孔642 (该通孔642用 于人体的生物液体通过，起到润滑的作用)，套筒641的中心为一空腔643，空腔 643内先放置弹簧65，然后用C球头63上的堵头631顶上。
后交叉韧带支链6的安装①将C球头63上的堵头631先通过C球売61上 的C开口612;②将C球壳61上的E沉头孔611与C螺纹孔253配合；③用螺 钉穿过E沉头孔611后螺纹连接在C螺纹孔253内，从而实现C球头63的安装； D球头64上的套筒641先通过D球壳62上的D开口 622; 将D球壳62上 的F沉头孔621与E螺纹孔361配合；⑥用螺钉穿过F沉头孔621后螺纹连接在 E螺纹孔361内，从而实现D球头64的安装。
在本发明中，后交叉韧带支链6在设计上充分考虑了在屈曲运动过程中的张力和 对关节运动起到缓冲作用，因此采用球副将C球头63通过C球壳61与股骨支座2 连接，D球头64通过D球壳62与胫骨支座3联接，C球头63与D球头64采用 圆柱副、弹簧65联接，利用了弹簧65在屈曲运动过程提供的张力和起到缓冲作用。
本发明的力封闭的膝关节置换假体的运动原理为股骨支座2上的股骨连接头 21安装到被置换人体股骨远端中，通过生物水泥将股骨支座2与人体股骨固联，胫 骨支座3上的胫骨连接头32安装到被置换人体胫骨中，同样，通过生物水泥将胫骨 支座与被置换人体胫骨固联。当股骨假体1相对于胫骨支座3作屈曲运动(如图1 所示的箭头方向)时，由股骨假体1带动人体股骨绕胯关节中股骨颈轴线转动，使 人体股骨作屈曲运动，股骨与胫骨的运动合成，实现人体下肢运动。
本发明设计的力封闭的膝关节置换假体，是结合空间并联机构的理论，设计中充 分考虑了关节屈曲运动特性以及传统膝关节置换假体中高副联接的不足，设计了靠低 副联接的力封闭膝关节置换假体，并避免了屈曲角度为负和过大的问题，使得假肢膝 关节能够实现0° 135。范围内的屈曲运动。
1权利要求
1、一种力封闭的膝关节置换假体，其特征在于该力封闭的膝关节置换假体由股骨假体(1)、股骨支座(2)、胫骨支座(3)、转动联杆组件(4)、前交叉韧带支链(5)和后交叉韧带支链(6)构成；股骨假体(1)上设有髌面(11)、外侧髁(12)、连接板(13)，髌面(11)的下端是外侧髁(12)、连接板(13)，且外侧髁(12)与连接板(13)之间设有髁间窝(14)；连接板(13)上设有F螺纹孔(131)，该F螺纹孔(131)与螺钉的配合实现将股骨假体(1)安装在股骨支座(2)的连接板(22)上；股骨支座(2)上设有股骨连接头(21)、连接板(22)、上支撑板(23)、外侧板(24)、内侧板(25)和后侧板(26)，外侧板(24)与内侧板(25)之间设有空腔(242)；股骨连接头(21)设在上支撑板(23)的上面板上；上支撑板(23)的下面板上设有A球窝(231)，以及设在A球窝(231)四周的B螺纹孔(232)；A球窝(231)用于放置A球头(531)；B螺纹孔(232)与螺钉的配合用于实现将A球壳(51)安装在A球窝(231)处；连接板(22)上设有A沉头孔(221)，该A沉头孔(221)与F螺纹孔(131)配合，并应用螺钉从而实现股骨支座(2)与股骨假体(1)的安装；外侧板(24)上设有A通孔(241)，该A通孔(241)用于转动联杆组件(4)中的屈曲轴(43)使螺纹端(432)通过；内侧板(25)的一板面上设有A螺纹孔(251)，该A螺纹孔(251)内螺纹连接有转动联杆组件(4)中的屈曲轴(43)的螺纹端(432)；内侧板(25)的另一板面上设有B球窝(252)、C螺纹孔(253)，B球窝(252)用于放置C球头(63)，C螺纹孔(253)与螺钉的配合用于实现将C球壳(61)安装在B球窝(252)处；后侧板(26)上设有半圆凹台(261)，该半圆凹台(261)有利于D球头(64)的运动；胫骨支座(3)的支撑面板(31)上设有C球窝(33)、D球窝(34)、F球窝(35)、E球窝(36)；胫骨支座(3)的下部设有胫骨连接头(32)；F球窝(35)与E球窝(36)设置在径向中心线上，C球窝(33)与D球窝(34)设置在轴向中心线上；C球窝(33)的中心设有B沉头孔(331)，该B沉头孔(331)内安装有转动联杆组件(4)中A联杆(42)的连接端(423)；F球窝(35)的四周设有D螺纹孔(351)，该D螺纹孔(351)与螺钉的配合用于实现将B球壳(52)安装在F球窝(35)处；E球窝(36)的四周设有E螺纹孔(361)，该E螺纹孔(361)与螺钉的配合用于实现将D球壳(62)安装在E球窝(36)处；转动联杆组件(4)包括有螺钉(41)、A联杆(42)、屈曲轴(43)，屈曲轴(43)套接在A联杆(42)的轴承套(421)内；A联杆(42)的一端为连接端(423)，A联杆(42)的另一端为轴承套(421)，轴承套(421)的中间是B通孔(422)，该B通孔(422)用于屈曲轴(43)穿过；A联杆(42)至连接端(423)的拐点处设有凸台(424)；该轴承套(421)套接在屈曲轴(43)上，且置于股骨支座(2)的外侧板(24)与内侧板(25)之间的空腔(242)内；屈曲轴(43)为圆柱结构，屈曲轴(43)的一端设有卡槽(431)，屈曲轴(43)的另一端为螺纹端(432)，螺纹端(432)与股骨支座(2)的内侧板(25)上的A螺纹孔(251)连接；前交叉韧带支链(5)包括有A球壳(51)、B球壳(52)和B联杆(53)；A球壳(51)的中心是通孔，该通孔用于放置A球头(531)，A球壳(51)上设有C沉头孔(511)，该C沉头孔(511)与B螺纹孔(232)配合，并应用螺钉从而实现将A球壳(51)安装在股骨支座(2)上；A球壳(51)上设有A开口(512)，该A开口(512)用于使B联杆的一端通过；B球壳(52)的中心是通孔，该通孔用于放置B球头(532)，B球壳(52)上设有D沉头孔(521)，该D沉头孔(521)与D螺纹孔(351)配合，并应用螺钉从而实现将B球壳(52)安装在胫骨支座(3)上；B球壳(52)上设有B开口(522)，该B开口(522)用于B联杆的另一端通过；B联杆(53)的一端设有A球头(531)，B联杆(53)的另一端设有B球头(532)；后交叉韧带支链(6)包括有C球壳(61)、D球壳(62)、C球头(63)、D球头(64)和弹簧(65)；C球壳(61)的中心是通孔，该通孔用于放置C球头(63)，C球壳(61)上设有E沉头孔(611)，该E沉头孔(611)与C螺纹孔(253)配合，并应用螺钉从而实现将C球壳(61)安装在股骨支座(2)上；C球壳(61)上设有C开口(612)，该C开口(612)用于使C球头(63)的上堵头(631)通过；D球壳(62)的中心是通孔，该通孔用于放置D球头(64)，D球壳(62)上设有F沉头孔(621)，该F沉头孔(621)与E螺纹孔(361)配合，并应用螺钉从而实现将D球壳(62)安装在胫骨支座(3)上；D球壳(62)上设有D开口(622)，该D开口(522)用于D球头(64)上的套筒(641)通过；C球头(63)上设有堵头(631)，该堵头(631)置于D球头(64)上的套筒(641)的空腔(643)内；D球头(64)上设有套筒(641)，套筒(641)的筒体上设有C通孔(642)，套筒(641)的中心为一空腔(643)，空腔(643)内先放置弹簧(65)，然后用C球头(63)上的堵头(631)顶上。
2、根据权利要求1所述的力封闭的膝关节置换假体，其特征在于该置换假体是基于空间并联机构理论、仿人体膝关节股骨远端的全膝关节置换假体，属于生物医学工程技术领域。
3、 根据权利要求1所述的力封闭的膝关节置换假体，其特征在于该置换假体通过 转动联杆组件(4)、前交叉韧带支链(5)和后交叉韧带支链(6)实现股骨支座(2)与胫 骨支座(3)之间的并联联接，既仿生于膝关节的生物联接结构，又使股骨支座与胫 骨支座(3)形成闭式联接。
4、 根据^t利要求1所述的力封闭的膝关节置换假体，其特征在于股骨假体(l)为仿 人体膝关节股骨远端的构形，且为一体加工成型件。
5、 根据权利要求1所述的力封闭的膝关节置换假体，其特征在于髌面(ll)轮廓是 基于被置换者膝关节的股骨CT/MRI扫描重建3D股骨髌面轮廓。
6、 根据权利要求1所述的力封闭的膝关节置换假体，其特征在于通过前交叉韧带 支链5釆用定长杆件结构、后交叉韧带支链6采用弹簧结构的球铰联接，避免了 关节屈/伸中屈曲角度为负和过大的现象，能够实现假肢膝关节0。 135。范围内 的屈曲运动。
7、 根据权利要求1所述的力封闭的膝关节置换假体，其特征在于通过股骨支座(2) 的外侧板(24)上的限位块(243)与A联杆(42)上的轴承割421)的凸起挡块配合， 使得轴承套(421)的转动范围为0。 ~135° 。
全文摘要
本发明公开了一种力封闭的膝关节置换假体，该置换假体由股骨假体、股骨支座、胫骨支座、转动联杆组件、前交叉韧带支链和后交叉韧带支链构成。股骨假体安装在股骨支座上，转动联杆组件、前交叉韧带支链和后交叉韧带支链安装在股骨支座与胫骨支座之间。股骨假体的髌面轮廓是基于被置换者膝关节的股骨CT/MRI扫描重建3D股骨髌面轮廓。本发明通过前交叉韧带支链采用定长杆件结构、后交叉韧带支链采用弹簧结构的球铰联接，避免了关节屈/伸中屈曲角度为负和过大的现象，能够实现假肢膝关节0°～135°范围内的屈曲运动。
文档编号A61F2/38GK101653387SQ20091009273
公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月24日 优先权日2009年9月24日
发明者强 徐, 许勇刚, 郑红光, 郭云飞, 黄荣瑛 申请人:北京航空航天大学