[發明專利]一種客制化人工膝關節假體的設計方法

有效

• 申請號: 201710048621.0
• 申請日: 2017-01-23
• 公開（公告）號: CN106821552B
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發明（設計）人: 李新宇;陳維毅
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: A61F2/38
• 分類號: A61F2/38;A61B6/03;A61B6/00
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

本發明涉及醫療器材領域，用于人工膝關節手術置換件的設計，具體為一種客制化人工膝關節假體的設計。解決了目前膝關節假體存在的股骨矢狀面髁曲線曲率不連續、回滾能力弱、穩定性差的技術問題。一種客制化人工膝關節假體的設計方法，包括如下步驟：（1）、通過患者股骨末端CT圖像分別擬合出股骨兩髁的第一矢狀面擬合橢圓；（2）、通過患者股骨末端CT圖像得到股骨兩髁的冠狀面擬合橢圓；（3）、根據股骨兩髁的冠狀面擬合橢圓短半軸的尺寸得到股骨兩髁的第二矢狀面擬合橢圓，其中L等于冠狀面擬合橢圓短半軸的長度；（4）將股骨兩髁的冠狀面擬合橢圓沿其對應的第二矢狀面擬合橢圓掃掠形成光滑股骨髁曲面，進而構成股骨末端的兩髁結構。

技術領域

本發明涉及醫療器材領域，用于人工膝關節手術置換件的設計，具體為一種客制化人工膝關節假體的設計。

背景技術

現有人工膝關節假體的產品（見文獻Knee implants – Review of models andbiomechanics，Materials and Design 30 (2009) 398–413，Fig。3），均使用多個圓相切組成曲線組擬合股骨矢狀面髁曲線；使用圓曲線擬合股骨冠狀面兩側髁曲面。由于多年以來，加工技術的限制，如今成型的膝關節假體有著便于加工制造，改進變量少，改進容易等特點。但隨著制造技術的進步（3D打印和多軸聯動機床），人們生活水平的提高，患者對于膝關節置換術術后的功能恢復的期待也逐漸提高。因此，怎樣改善現有膝關節的力學性能，使之能更好的模擬及再現正常人體膝關節的運動功能變得尤為重要。膝關節假體組件包括：股骨組件、脛骨襯墊、脛骨組件（圖1）。現有膝關節假體存在諸多問題：1.曲率不連續問題，現有膝關節假體由于使用多個圓相切擬合股骨矢狀面髁曲線（見Application of a noveldesign method for knee replacements to achieve normal mechanics，The Knee 21(2014) 353–358，Fig.1以及Design optimization of a total knee replacement forimproced constraint and flexion kinematics，Journal of Biomechanics 44 (2011)1014–1020，Fig1），所以髁曲面存在曲率突變的點。根據赫茲接觸理論，曲率突變會導致接觸壓力突變。因此，現有假體在步態過程中，患者步態力與關節假體的突變力疊加到導致患者關節壓力過大。2.回滾（rolling back）能力弱問題，根據人體膝關節解剖結構可知，人體膝關節在由屈曲到伸展的步態過程中，股骨關節在脛骨平臺上有一個向后回滾的運動位移。為這一位移提供大部分力的是前后交叉韌帶系統，借由韌帶和髕骨組成的固定系統，限制股骨的向前位移。但在現有膝關節假體上，由于多數膝關節置換手術需要將患者的交叉韌帶移除，并且現有膝關節假體上多采用內外側股骨髁平行放置的基本結構，使人工膝關節假體在由屈曲到伸展的過程中與脛骨平臺的接觸力線基本不變。由力學分析可知，在膝關節運動過程中任意位置，水平面上，髕骨部分提供的限制力與股骨末端與脛骨襯墊的摩擦力平衡。故而，股骨兩髁與脛骨平臺兩個接觸點之間的距離越大，髕骨部分的限制力越小。現有膝關節假體的接觸點之間距離恒定，在運動過程中對髕骨部分的壓迫較大，回滾能力有限。3.穩定性差，問題同上，由于膝關節假體的兩個接觸點之間的距離恒定，并且相對于重力力線較近（見圖2、圖3，其中圖3中s1、s2、s3各代表一個圓弧，表示現有膝關節假體是由多個圓曲線相切擬合組成的），在站立姿態下提供的穩定性有限。4. 適配性不高，現有產品多為通用型號，不會對特定患者做特殊優化。而細微的不匹配也會形成應力遮擋效應，造成患者骨質流失，導致術后中短期內假體松動，需進行二次手術修復。

發明內容

本發明為解決目前膝關節假體存在的股骨矢狀面髁曲線曲率不連續、回滾能力弱、穩定性差以及適配性不高的技術問題，提供一種客制化人工膝關節假體的設計方法。