CN101404955B - 髌骨构件 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供了髌骨构件设计，其优化地成形以有助于减小剪力，并适应轻微的植入误差。此外，它们可减少尤其在深弯曲活动期间前面的膝关节疼痛，并有助于在膝关节运动范围内以受控方式便于进行移动。
Description
本申请要求享有于2006年1月23日提交的题名为“Low ShearForce Patella”序列号No.60/761,296的美国临时申请、于2006年1月23日提交的题名为“Controlled Constraint Anatomic Patella”序列号No.60/761,297的美国临时申请、以及于2006年1月23日提交的题名为“Convex Oval Patella”序列号No.60/761,298的美国临时申请的权益，上述各申请的完整内容通过引用而结合在本文中。
发明背景
本发明大致涉及髌骨构件，其设计成形成可置换自然的髌骨或膝盖骨的一部分的髌骨部分(或膝盖骨)，并且具体地涉及如下髌骨构件，其设计成与全膝关节假体的股骨构件协作并与之形成关节连接。还提供了用于植入所述髌骨构件的方法。
关节置换，尤其是膝关节置换已经变得日益普及了。已经发展出各种膝关节假体和疗法来治疗膝关节劣化(例如，由于关节炎、损伤或疾病而引起)的虚弱作用(debilitating effect)。用于修补患者膝关节的相当普遍的疗法是全膝关节置换，其中胫骨被切除，并利用胫骨构件进行置换，而且股骨被切除，并利用股骨构件进行置换。在某些情况下，外科医生还将置换髌骨与股骨构件接合处的髌骨后侧的关节面，其可帮助改善全膝关节置换或部分膝关节置换的效果。
髌骨的主要功能是提高四头肌的效率，并且用作四头肌腱和髌腱之间的连接。髌骨在其后侧具有隆起部位，其在股骨髁之间的凹槽内滑动，被称为髌骨轨迹(patellar track)。髌骨、髌骨轨迹和骨髁一起充当四头肌腱的低摩擦滑轮和杠杆。
如图1中所示，在膝关节置换手术期间，修复髌骨构件2可附在自然的髌骨4上，以便髌骨构件2的后侧6在膝关节的弯曲和伸展期间与股骨构件8接触。因而在膝关节的弯曲和伸展期间，髌骨构件2顺股骨构件的滑车沟(trochlear groove)9中(将股骨髁分开的线)移动。
为了植入髌骨构件2，要除去自然髌骨的一部分，并将植入物固定在髌骨上。某些植入物是“嵌入的”，意味着在骨中利用埋头钻钻出浅孔，以便使植入物大约与骨齐平。其它类型的植入物是“上置的”，其意味着髌骨背部被刨平，并将植入物放置在平坦骨的顶面上。本申请中所描述的本发明胜过这些类型的植入物，并且可用于这两种植入物。
自然膝关节的最大运动范围大约为150-160度。对比而言，大多数膝关节置换仅能获得大约110-120度的弯曲。此差距可部分归因于膝关节中的疤痕和其它物理状态，但其余部分可主要归因于现有的植入物未能提供考虑到膝关节的自然运动的合适的修复构件几何形状。
因而，尽管市场上的某些产品相对成功，但是许多髌骨构件会在大约五到十五年之后失效。其失效的一部分原因是由于在构件某些区域的过度磨损或在骨/构件界面处的松动。例如，对于圆顶形髌骨构件，失效的一个原因是在弯曲期间股骨构件作用在髌骨构件上的向下的作用力可能造成从髌骨构件中延伸出来，并将该构件连接在自然髌骨上的钉被削弱和断裂。直接作用于植入物上的剪力在膝关节运动期间发生变化，并且其随着膝关节移动到更深弯曲状态而增加。例如，在不同的弯曲角度下，髌骨-股骨界面上的接触应力向外朝界面的周边移动，并随着膝关节弯曲增加而增加。在膝关节弯曲期间，髌骨本身弯曲，并且接触点在构件关节面上高出地移动。在此位置上，接触力(垂直于构件的关节面)产生了背面压缩力和背面剪力。
例如，当人站直时，股骨构件8施加于钮扣形或圆顶形髌骨构件2的压力的法线指向或靠近圆顶形构件的中心。图2中用箭头A显示了压力线的一个示例。在弯曲期间(例如，当人蹲坐时)，膝关节的弯曲增加并造成股骨构件和髌骨构件之间的接触点在滑车沟中滚动更深并进入到骨髁中。压力线还从圆顶的中心朝着部件的上面部分摆动。在完全弯曲的状态下，压力线不再垂直于自然的髌骨，而是向下定向，向下指向髌骨部件的上面部分，如图3中用箭头B所示。在完全弯曲的状态下，力矢量对髌骨的上面部分施加压力。其本质上试图将钮扣形髌骨构件“推”离髌骨表面。这种作用力将被称为剪力。发生这种情况的部分原因是因为钮扣形髌骨轴对称的圆顶形形式。
一种用于解释剪力的有用的类比是考虑桌面上的圆顶形镇纸。如果有人将压力施加于圆顶中心，那么镇纸将保持在原位。这类似于人站直，且股骨构件的作用力(即，压缩力)指向髌骨圆顶的中心。再参考镇纸示例，如果人垂直于表面、并朝着镇纸的上面部分摆动压力点(例如，朝着其中一个边缘)，那么镇纸将沿着桌子表面而滑动。这类似于弯曲状态的膝关节，此时股骨构件的作用力指向髌骨构件的上面部分。在此位置，将髌骨构件连接到髌骨上的钉尤其受力。事实上，许多人工髌骨失效都是由于钉失效，并且这些类型的作用力对患者会是痛苦的。此作用力被称为剪力，并且本发明的实施例寻求避免或降低剪力。
剪力对人工髌骨构件造成问题而不对自然髌骨造成问题的部分原因是因为人工髌骨构件倾向于成形为如弧形或圆顶形状，而自然髌骨是更为线性的形状。因为自然髌骨较平，所以当髌骨在弯曲期间旋转，并且当接触矢量(注意当与骨髁接触时，有两个接触矢量，一个来自各骨髁，而当与滑车沟接触时，只有单独的接触矢量)在髌骨上移动时，来自股骨构件的力矢量仍保持某种程度地垂直(或正交)于髌骨，同以某一角度指向髌骨构件的圆顶相反。
在理想状态下，按解剖学形状成形的髌骨构件由于其接触状态和形状而展示出较低的界面剪力。然而，它们会由于外科植入期间的不良旋转或不良定位而对高的接触应力的边缘载荷特别敏感。例如，所提供的许多高度一致的“符合解剖构造的”髌骨设计，其在滑车沟关节区域和骨髁间关节区域之间具有不同的约束水平。同钮扣形(或圆顶形)设计相比，在符合解剖结构的设计中的约束差异被放大了，因为符合解剖结构的设计与更多的股骨表面对接。这种放大的约束差异造成符合解剖结构的髌骨构件在从一个区域移动到另一区域时，其相对于股骨构件(尤其旋转自由度)的对准(平衡)发生移位，这可能使患者感到不稳定、疼痛或闷响(clunk)。这种移位在攀登期间似乎更强烈，此时髌骨从骨髁间区域移动到滑车沟中。所面临的设计挑战是设计髌骨构件的表面，其最大限度地减小受约束的移位，同时仍能减少构件/骨的剪力。这种设计将有希望减少患者疼痛，并延长构件的寿命。
因此，本发明的实施例最大限度地减小髌骨构件和髌骨之间的剪力负荷，但仍然能提供一种构件，其不像高度一致的“符合解剖学形状的”髌骨那样对外科不良植入或功能性运动那么敏感。
髌骨构件制造商所经历的另一挑战是设计一种构件，其不仅减少所述剪力问题，而且还能适应由于手术不精确和患者解剖结构上的差异而引起的变化。例如，定位髌骨构件，使其精确地匹配股骨构件上的髌骨-股骨滑车沟几何形状的定向是很困难的。因此，市场上的大多数设计是对髌骨构件的支承面使用轴对称的结构(如图中1-3所示)，这在髌骨部件部分和股骨构件之间产生较低的一致性。利用这种设计，外科医生不需要精确地且精密地定位构件从而使其起作用。然而，这种构件由于其形状而造成上述剪力问题。其它设计试图制造更平坦或更凹入的髌骨构件，从而使其更接近自然髌骨，但由于这种构件被制得较平，所以其对定位误差更为敏感。由于缺乏精密仪器、数据和信息，可能难以通过外科方式设置符合解剖结构的髌骨构件的旋转定位，使其精确地与股骨构件上的髌骨-股骨沟的几何形状的定向相匹配。换句话说，更平的构件对不良旋转更为敏感。当没有在正确的位置植入非轴对称的髌骨构件时，其甚至可能造成比上述轴对称设计更大的磨损问题。
例如，某些设计提供的构件具有由平的隆起部位分隔开的鞍形关节区域。虽然这些构件理论上考虑了在髌骨构件和股骨构件之间的更大的表面接触区域，但是它们对对准还是极端敏感的(尤其髌骨构件相对自然髌骨的旋转对准和倾斜)。当外科精度不是绝对精确时，对准误差可能造成髌骨构件的边缘载荷和过大的固定载荷。
一致的符合解剖学形状的髌骨(例如鞍形髌骨)所经历的另一问题是其在整个弯曲范围内具有与股骨构件不同的约束模式。具体地说，髌骨在滑车沟中滑动的约束不同于髌骨在骨髁间区域中滑动的约束。结果，当在各个区域中进行关节活动时，髌骨寻求不同的平衡位置。在髌骨从滑车沟转移到骨髁间区域中期间，时常由于髌骨以不同的约束模式达到新的平衡状态而造成重新调整的平移和/或旋转运动。这种运动被称为闷响，并且在从深弯曲伸展的期间特别明显。如之前所提及的那样，其可能造成疼痛，并且还可能使患者感觉不稳定，因为这种转移可能是非线性的，并且可能各区域不一致。
因此，需要提供一种髌骨构件设计，其具有更优化的形状，使其可帮助减少剪力，而且还成形成可适应轻微的植入误差。而且还需要一种髌骨构件，其可帮助减少前面的膝关节疼痛，尤其在深弯曲活动期间，因为在这些活动期间，构件/骨界面剪力相当高。还需要一种髌骨构件，其可在膝关节运动范围内以受控方式移动。另外还需要一种髌骨构件，其在某些区域具有体积增加的材料，这种材料加固构件，并帮助减少故障。
概述
本发明的实施例提供了髌骨构件，该髌骨构件成形为减小或最大限度地减小剪力，并适应轻微的植入误差。此外，实施例可减少前面的膝关节疼痛，尤其在深弯曲活动期间，并易于在膝关节运动范围内，以受控方式进行移动。
根据本发明的一个方面，提供了一种髌骨构件，其包括：
髌骨构件主体，其具有(a)使用中与自然髌骨相接合的第一表面；和(b)在使用中抵靠在股骨构件上的第二表面，该第二表面具有上、下、中间和横向边缘表面，第二表面还包括：
(i)基本上轴对称的部分，其从中间边缘表面延伸至横向边缘表面，其在使用中与股骨构件接触；
(ii)从基本上轴对称的部分延伸出来的一个或多个小面表面(facetsurface)，该一个或多个小面表面在使用中与股骨构件接触。
根据一个实施例，髌骨还可包括位于上边缘表面处、下边缘表面处或这两个边缘表面处的一个或多个收缩部分，以容许在弯曲和伸展期间在股骨构件上平滑的移动。
根据另一实施例，基本上轴对称的部分在使用中，在固定的运动范围内与股骨构件接触，并且该一个或多个小面表面在固定的运动范围外与股骨构件接触。
根据又一实施例，该一个或多个小面表面凹入或凹陷地远离基本上轴对称的部分。
根据另一实施例，基本上轴对称的部分包括饼形条片，其具有位于中间边缘和横向边缘处的较宽的弯曲部分，且条片会合于基本上轴对称的部分的顶点。
另一实施例提供了基本上轴对称的部分，其在使用中利于容忍不良旋转。
根据又一实施例，第一表面在髌骨/髌骨构件界面处与髌骨相接合，并且第二表面提供了整个运动范围内的接触矢量，该接触矢量接近垂直于髌骨/髌骨构件界面。
根据其它实施例，相对以下其中一条线而言，该接触矢量在一个实施例中大约为0-30度，或在另一实施例中大约为0-20度，或者在又一实施例中大约为0-10度，或者在甚至另一实施例中为0-5度：
(a)对于上置构件，大约垂直于髌骨/髌骨构件界面的线；
(b)对于嵌入构件，与髌骨中准备好的轴线大约平行的线；或者
(c)大约垂直于基准线的线，基准线被限定为四头肌腱连接到髌骨上极之处和髌腱连接到髌骨下极之处之间的线。
根据另一实施例，所述一个或多个收缩部分包括边缘半径。
另一实施例提供了浮突部分(relieved portion)，其定位在基本上轴对称的部分的顶点所处的位置，其中所述一个或多个小面在基本上轴对称的部分的外侧面上延伸。
根据另一实施例，一个或多个小面凹入地从基本上轴对称的部分延伸出来。
根据另一实施例，浮突部分将基本上轴对称的部分分隔成第一基本上轴对称的部分和第二基本上轴对称的部分，其中第一基本上轴对称的部分从构件的中间边缘表面延伸至中间中心部分，并且第二基本上轴对称的部分从构件的横向边缘表面延伸至横向中心部分。在另一实施例中，浮突部分在小面中形成了分开的接触斑块(contact patch)，在使用中，即使在深弯曲状态下该接触斑块也与股骨构件接触。
根据本发明的另一方面，提供了一种髌骨构件，其包括：
髌骨构件主体，其具有(a)使用中与髌骨接合的第一表面；和(b)使用中靠在股骨构件上的第二表面，该第二表面具有上边缘表面和下边缘表面，该第二表面还包括：
凸起的关节面，其由绕一条或多条轴线掠过的轮廓形成，这些轴线都不与第二表面相交。
这方面的另一实施例可包括一个或多个在中间至横向方向上基本对准的轴线。
根据另一实施例，这方面还可具有位于上边缘表面处、下边缘表面处或这两个边缘表面处的一个或多个收缩部分，以容许在弯曲和伸展期间，在股骨构件上平滑的移动。
根据另一实施例，第一表面在髌骨/髌骨构件界面处与髌骨接合，而第二表面提供了整个运动范围内的接触矢量，该接触矢量接近垂直于髌骨/髌骨构件界面。
根据其它实施例，相对以下其中一条线而言，该接触矢量在一个实施例中大约为0-30度，或在另一实施例中大约为0-20度，或者在又一实施例中大约为0-10度，或者在甚至另一实施例中为0-5度：
(a)对于上置构件，大约垂直于髌骨/髌骨构件界面的线；
(b)对于嵌入构件，与髌骨中准备好的轴线大约平行的线；或者
(c)大约垂直于基准线的线，基准线被限定为四头肌腱连接到髌骨上极之处和髌腱连接到髌骨下极之处之间的线。
在另一实施例25中，凸起的关节面具有在大约50-250mm之间的曲率半径。
根据本发明的又一方面，提供了一种髌骨构件，其特征在于，当在大于大约90度的膝关节弯曲角度下使用时，相对以下其中一条线而言，该构件和股骨构件之间的接触矢量角度在一个实施例中大约为0-30度，或者在另一实施例中大约为0-20度，或者在又一实施例中大约为0-10度，或者在甚至另一实施例中大约为0-5度：
(a)对于上置构件，大约垂直于髌骨/髌骨构件界面的线；
(b)对于嵌入构件，与髌骨中准备好的轴线大约平行的线；或者
(c)大约垂直于基准线的线，基准线被限定为四头肌腱连接到髌骨上极之处和髌腱连接到髌骨下极之处之间的线。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于植入髌骨构件的方法，其包括：
(a)提供股骨构件：
(b)提供髌骨构件，其包括：
髌骨构件主体，其具有(i)使用中与自然髌骨相接合的第一表面；和(ii)使用中靠在股骨构件上的第二表面，该第二表面具有上边缘表面、下边缘表面、中间边缘表面和横向边缘表面，该第二表面还包括：
(1)从中间边缘表面延伸至横向边缘表面的基本上轴对称的部分，其在使用中与股骨构件接触；和
(2)从基本上轴对称的部分延伸出来的一个或多个小面表面，该一个或多个小面表面在使用中与股骨构件接触；
(c)为受体的自然髌骨接受植入物做准备；
(d)将植入物植入到自然髌骨的一部分上。
本文使用的“实施例”可以被认为是本发明的一个方面或一个目的，且反之亦然。
附图若干视图的简要说明
图1显示了如何将髌骨构件固定在自然髌骨的一部分之上的侧透视图。
图2显示了当膝关节伸展时，股骨构件施加于钮扣形或圆顶形髌骨构件上的压缩力的一个示例。
图3显示了当膝关节弯曲时，股骨构件施加于钮扣形或圆顶形髌骨构件上的剪力的一个示例。
图4显示了根据本发明一个实施例的髌骨构件的平面图。
图5显示了图4的髌骨构件的透视图。
图6显示了图4的髌骨构件的中间至横向方向的侧平面图。
图7显示了带中间顶点的髌骨构件的一个备选实施例从上至下方向的侧平面图。
图8显示了当植入到髌骨上的构件完全伸展时的从上至下的视图。此构件具有与图7中所示相似的设计，但该植入物通过镶入(插入)方法而连接在髌骨上。
图9显示了具有增加的边缘半径的构件的侧透视图。
图10显示了根据本发明另一实施例的髌骨构件的俯视图。
图11显示了图10的髌骨构件的顶部透视图。
图12显示了图10的髌骨构件的中间至横向方向的侧平面图。
图13显示了图10的髌骨构件的从上至下方向的侧平面图。
图14显示了关节面上具有增加的表面面积的构件的一个备选实施例。
图15显示了具有增大的浮突部分的构件的一个备选实施例的俯视图。
图16显示了根据本发明的另一实施例的髌骨构件的俯视图。
图17显示了图16的髌骨构件的中间至横向方向的侧平面图。
图18显示了钮扣形或圆顶形髌骨构件的所承受的剪力的一个示例。
图19显示了图16的髌骨构件所承受的剪力的一个示例。
图20显示了构件的几何构造的一个示例，其可用于设计图16的构件。
图21显示了几何构造的一个示例，其用于设计现有技术的圆顶形或钮扣形髌骨构件。
图22显示了几何构造的一个示例，其可用于设计图4-6的构件。
图23显示了可用于测量法向分力、接触力矢量和剪切分力的备选参照系的示例。
本发明的详细描述
本发明的实施例提供了髌骨假体，其设计成形成髌骨部分，该髌骨部分可置换自然髌骨的一部分。这些实施例可减少传统的圆顶形髌骨构件所承受的剪力，同时还提供了植入和适应一定范围内的外科误差的便利。
为了减少构件/骨界面的剪力，该剪力可能是疼痛和构件失效的一个来源，理想的髌骨构件的关节面具有基本平直的轮廓。然而，为了增加接触面积，以获得更好的耐用性，理想的关节面基本上与股骨构件的滑车沟的冠状和矢状轮廓相匹配。最后，为了考虑旋转松驰(外科误差)，理想的关节面是轴对称的(如上面论述的钮扣形或圆形的髌骨构件)。上述髌骨构件的实施例是这些概念的恰当且最佳的混合体。更具体地说，设计越接近钮扣形设计，滑车沟关节区域和骨髁间关节区域之间的约束差异将影响构件的旋转问题越少，但骨/髌骨界面剪力将几乎很可能以不期望的方式而增加。然而，几何形状越接近“符合解剖结构的”设计，界面作用力可减少(或指向更适宜的方向)，但该设计可能对约束差异和不可避免的外科不良旋转较为敏感。所述设计的实施例意图设置髌骨的关节面，使得即使有些旋转，接触矢量仍能保持大致垂直于构件/骨界面，从而促使剪力较低。例如，在90度或更大的弯曲度下，相对于以下其中一条线而言：(a)对于上置构件，大致垂直于髌骨/髌骨构件界面的线，或(b)对于嵌入构件，与髌骨中所准备的轴线大致平行的线，或者(c)以下所述的备选参照系，实施例可减小接触矢量距离该线的角度，在一个实施例中可将其减小至0-50度，在另一实施例中减小至0-45度，在另一实施例中减小至0-40度，在另一实施例减小至0-35度，在另一实施例中减小至0-30度，在另一实施例中减小至0-25度，在另一实施例中减小至0-20度，在另一实施例中减小至0-15度，在另一实施例中减小至0-10度，并且在另一实施例中减小至大约0-5度。
对于(a)：该线垂直于髌骨/髌骨构件界面，图18和图19中显示了一个实施例的示例。垂直线由N所示，其代表“法向分力”。(图18中显示了N1，而图19中显示了N2)。对于(b)：该线与髌骨中所准备的轴线大致平行，一个示例是当准备骨中的凹腔以容纳嵌入的髌骨构件时由钻孔形成的轴线。钻孔的轴线也是髌骨中所准备的轴线。
图23中显示了测量位于接触矢量和髌骨的法线方向之间的角度的一种备选方式。这种备选方式使用不同的基准线——其并不由髌骨构件的方位来限定，而是由解剖参照系来限定。在此选择下，两个所关心的区域是(1)四头肌腱100连接到髌骨101的上极的连接区域107(第一连接区域)，和(2)髌腱104连接到髌骨下极的连接区域108(第二连接区域)。这些是作用力穿过髌骨的区域。
如果从各连接区域107和108中的某一区域(优选地是各区域的中心区域，但这不是必须的)划出线102，那么线102可用作基准线。当从中间/横向方向看去时，此基准线可用于限定参照物，从此参照物可测量作用在髌骨上的接触力。例如，可自线103处测量接触力角度，其垂直于基准线102。
现在参看髌骨构件本身，在图4-6中所示的第一实施例中，髌骨构件10具有构件主体12、与髌骨相接合的第一表面14、以及靠在股骨构件上的第二表面16。第一表面14典型地是平坦的，带有一个或多个钉(未显示)，该钉将构件10固定在已经准备好容纳构件10的患者的自然髌骨上。如上面所述，本发明的实施例可以是嵌入构件或上置构件。任何恰当数量的钉和钉的定向都可使用，并且还可使用任何其它合适的固定机构来作为钉的替代物或作为钉的补充。
第二表面16是与股骨构件相接合的表面，并且确定作用力将以何种程度而作用在第一表面14/骨界面上。第二表面16由一组关节面形成，这些关节面被分隔成基本轴对称的区域、小面区域和混合区域。这些表面的组合减少了构件/骨界面处的剪力，而且考虑了不良旋转植入公差。
显示第二表面16具有基本上轴对称的部分18，其从中间边缘表面20延伸至构件10的横向边缘表面22。基本上轴对称的部分18在构件10的一部分上具有弯曲的半径。在一个实施例中，靠近中间边缘20和横向边缘22的弯曲部分24略宽于构件顶点26处的弯曲部分。这实质上产生了两个薄的条片28(或“饼形”条片)，它们形成基本上轴对称的部分18的侧边。这些条片28在固定的运动范围内连接在股骨构件上，并帮助提供当使用完全轴对称的(即，钮扣形)髌骨时所获得的好处。(注意：轴对称部分18被称为“基本上”轴对称的，因为，如以下所述，该部分并不需要精确地对称而起作用。备选的表面几何形状，例如自由成形的表面，可取得相似的效果，并且将在下面进行论述。)
在固定的旋转范围内，髌骨构件10与基本上轴对称的部分18上的股骨构件接触。在达到旋转阀值(其可以是任何阀值水平，其示例可在5-30度、5-15度或甚至更特殊的5-10度之间，或在任何其它合适的范围内)之后，在构件10和股骨构件之间的接触典型地移动到小面表面30中，在这里存在更一致的接触条件。例如，当膝关节弯曲，并且髌骨在滑车沟和骨髁间区域之间移动时，接触可从条片28移动到小面表面30上。
如图5中所示，小面表面30设于基本上轴对称的部分18的侧面上。小面表面30限定凹窝，其“凹入”或向下并凹陷地远离基本上轴对称的部分18的条片28。在所示的实施例中，有四个小面表面30，由中间至横向基本上轴对称的部分18所限定的每个象限中有一个。出于透视和同上述钮扣形(圆顶形)植入物进行比较的目的，考虑已经刮削圆顶形构件，以便在中间至横向方向上保持基本上轴对称的部分的条片。小面表面30可具有任何容许小面表面30与股骨构件的骨髁轮廓协同的深度。图22中显示了可限定小面表面30的几何形状的一种方式。基本上轴对称的部分的边缘可围绕关节面上方空间的轴线进行标识并“突出”。这种“突出”表面或“扫描薄片”可限定小面表面30的深度范围。表面30典型地在固定的运动范围外与股骨构件接触，即，当接触从基本上轴对称的部分18移动到更一致的小面表面30上时。
当体内定位有髌骨构件10的人站直时，压力的法线指向基本上轴对称的部分18的顶点26处或其附近。当人弯曲膝关节(例如，开始采取蹲位)时，髌骨构件相对于股骨构件旋转，使得小面表面30现在成为进行接触的区域。小面表面30可提供与股骨构件协作、并且更紧密地接近自然髌骨的平台。小面30在不良旋转水平增加的条件下提供了与股骨构件更高的一致性水平。如图6中所示，当接触表面是小面表面30时，剪切分力减小。
在基本轴对称的条片28和条片28两边的小面表面30之间的过渡优选是平滑的或混合的，以便防止在弯曲移动期间发生移位或闷响。还如图4-6中所示，构件10可在上边缘表面34和下边缘表面36处设有收缩部分32。提供收缩部分32是为了避免在弯曲和伸展之间的转换期间所发生的“闷响”或滑车沟中的其它干扰。
图7显示了从上/下方向看去的备选构件10。在此实施例中，可以看出基本上轴对称的部分18可定位在更靠近构件的中间边缘20(或偏中间)的位置。图8显示了当植入到患者的左膝关节上时，从下至上的方向上看去的图7的植入物。该图还显示了如何将构件设计成一种镶入设计(例如，使可嵌入，而非置于上面)。同样，植入物(或者在这种情况下，基本上轴对称的部分)的顶点可居中，以提供并不居中位于髌骨上的旋转松驰度轴线，例如图8中所显示的中间偏压轴线。
如上面简要论述的那样，应该懂得，可使用其它关节面几何形状以取得由基本上轴对称的部分18和小面表面30所提供的相似的效果。例如，构件10可设有自由形态的形状，其与已经描述过的离散表面相似的几何形状接近。自由形态的形状不需要是精确的。例如，轴对称部分或基本上轴对称的部分不需要是完全对称的，或者小面表面可或多或少比其它小面表面缩进去，或者设计成存在其它接触状态。
图9显示了一种构件，其具有比图4-6的收缩部分32所显示的边缘半径更大的边缘半径。图9中的边缘半径38使甚至更多的材料从收缩部分32除去，这同样可帮助避免在弯曲和伸展之间转换期间所发生的闷响或滑车沟中的其它干扰。所示的此示例显示了收缩部分32可以是轻微的，或者它们可以具有显著的边缘半径38。
图10-13中显示了髌骨构件50的另一实施例。此实施例具有许多上述特征，但其还包括从上至下方向的浮突部分52(在某些实施例中，其从上边缘表面34延伸至下边缘表面36)。如图11中所示，浮突部分52将表面16的中心区域56分成两个部分(例如，分成中间和横向侧面部分)。浮突部分52可以是凹的、平的、基本上平的或轻微凸起的。其主要目的是提供具有减小的接触面积的分隔器，使得在浮突部分52和股骨构件的髌骨窝之间产生最小的接触或不接触。这种设计提供了一种关节面排列，使得在整个可用的运动范围内，存在对股骨构件恒定的约束模式。
浮突部分52本质上是构件10的顶点区域除去的材料，以便提供两个在整个弯曲(或基本上整个弯曲)过程中一直接触的斑块60。浮突部分52的制造可称为顶点浮雕(apex-relef)。(此概念类似于胫骨插入物，其具有两个在弯曲期间与股骨构件保持接触的斑块。)在弯曲期间，斑块60彼此优选地保持相对较恒定的中间-横向距离，使约束模式保持类似。这有助于在整个弯曲范围内保持对股骨构件的前缘和骨髁间区域的恒定的约束。浮突部分52沿滑车沟跨越，而没有发生接触。构件50上所提供的顶点浮雕量可根据所需的设计而改变。顶点浮雕的增加部分还可设于最上表面和最下表面(34和36)，以帮助防止上述“闷响”问题。这些增加的顶点浮雕部分本质上是上述收缩部分32，其只是可选地以更为显著的方式来提供。图10-13中还显示了基本上轴对称的部分18、小面表面30和收缩部分32(其可具有略小或略大的边缘半径)。这些表面可如之前所述成形。在其它实施例中，这些表面可能并不存在，因为双接触斑块可考虑恰当的作用力平衡，以减少剪力，并控制移动。
在图14所显示的备选实施例中，可修改构件50的轮廓，以便最大限度地增加较深弯曲时的接触面积。小面表面是以关节连接的，类似于图4-6的植入物，并且类似于那些植入物，接合的小面表面有助于减少剪应力。另外，可修改中间的顶点浮雕边缘，以增加早期弯曲时的中间接触面积。例如，如图14中所示，所有的轴线和尺寸可保持与图10所示的设计相同，但是可略微修改植入物50的上面部分62处的接触斑块，从而具备更大的关节面。换句话说，如果将图10重迭在图14上，那么将会看出上面部分62提供了较大的拐角，或者说具有延长的轮廓，其提供了位于上面部分62处的更大的关节面。
在图15所显示的另一实施例中，浮突部分52可加宽，并延伸得更远而至中间20和横向边缘22(虽然其在所示的实施例中延伸得更远而至中间边缘20)。此实施例不具有平的或基本平的浮突部分52，而是略微凸起的。如所论述的那样，这仍然被认为是本发明范围内的浮突部分52。这种设计可在结合交叉固定疗法中找到特殊的用途。浮突部分52的宽度可与股骨构件的骨髁之间的距离相等。提供增加的浮突部分可最大限度地减小接触面积，但在某些情况下可能是必须的。虽然没有显示，浮突部分52还可窄于所示的示例。这可最大限度地增加接触面积，但可能牺牲对不良植入的敏感性。根据患者的需要，通过将所述设计的各个方面组合起来可获得对必要程序的合适的平衡。
根据本发明的其它方面的另一实施例提供了凸起的椭圆形的髌骨构件70。图16和图17中所示的凸起的髌骨构件70具有椭圆形状，但在本发明的范围内可采用任何合适的形状。此实施例的构件70具有与髌骨相接合的第一表面72，和以关节连接在股骨构件上的第二表面74。第一表面72可具有与上述第一表面实施例相似的特征。第二表面74形成有凸起的关节面76。表面76限定了带弧形的线，该弧形绕轴线掠过，即，扫描弧形。图20中显示了可用于构成凸起的椭圆形髌骨构件的几何形状的一个示例。在此示例中，扫描轴线被限定在一个平面中，并且关节面轮廓是绕该扫描轴线掠过或“突出”的。此“突出的表面”或“扫描薄片”可用于限定构件70的关节面76。关节面76可通过绕一条或多条轴线扫描轮廓而形成，其中没有轴线与第二表面相交。(这与用于设计图21中所示的钮扣形或圆顶形髌骨的典型方法是不同的。)凸起的弧形或扫描轮廓的半径可在大约50-250mm的范围内，尤其有效的半径为100mm。此外，凸起的关节面76可由多个轴线组成；例如，中心区域可以是与上下区域不同的半径，以更改不良旋转对于不同的弯曲角度的敏感度。
因为需要某些滑车几何形状，所以可通过采用股骨滑车沟的横截面，并使其绕髌骨的关节面前端的基本中间的横向轴线(相反侧)掠过或突出而设计出构件70，产生当沿着矢状平面剖切时凸起的关节面。当使用大的凸起半径时，可显著地减小背面界面剪力/应力。因为关节面不是凹入的或平的，所以减小了对不良旋转(回转)的敏感性。
图18和图19中显示了将圆顶形或钮扣形构件所承受的剪力与凸起的椭圆形的髌骨构件70所承受的剪力进行比较的一个示例。用于各设计的接触矢量用箭头“A”和“B”显示。这是从股骨构件的作用力延伸的方向。法向分力(从骨/构件界面处或利用图23所限定的解剖参照系所测量的)由N代表(N1用于图18，N2用于图19)。在接触力矢量(A或B)和法向分力(N1或N2)末端之间的距离是剪切分力，由S1和S2代表。图18显示了作用在圆顶形/钮扣形构件上的剪力“S1”，并且图19显示了作用在凸起的椭圆形构件70上的剪力“S2”。作用在凸起的椭圆形构件的接触力“B”非常接近垂直于第一表面，其意味着利用这种设计极大地减小了剪力。简而言之，通过改变凸起的半径，可使剪力下降和不良旋转的敏感性达到平衡。对于不是直的，或者是略微弧形的股骨滑车沟，这种设计也比凹入的或平的设计更加优化。
再参看图17，上边缘表面78和下边缘表面80还可具有收缩部分32。如上面所述，收缩部分32可帮助构件70在滑车沟和骨髁之间的移动，防止在弯曲和伸展之间转换时可能发生的卡住或闷响。此示例还显示了收缩部分可能是圆形的或有角度的。所论述的所有实施例中的基本目的是简单地从构件的边缘除去材料。凸起的构件70的设计还可包括比所述圆顶形/钮扣形髌骨设计更大体积的材料，如图18和图19之间的比较所示。图19中箭头“B”指向的部分具有更多的材料，并且因而在那些区域比图18中的箭头“A”指向的部分更为耐用。简而言之，凸起的椭圆形的髌骨设计可用于防止在某些区域的过度磨损或骨折。
本文所述的髌骨构件实施例可利用传统的外科技术进行植入。例如，传统上在已经制好胫骨的和股骨切口之后，但在试安置之前准备好髌骨。一旦选择合适的髌骨构件，就以合适的深度和位置铰大髌骨铰孔。(在本领域中应该懂得，根据植入物是上置的还是嵌入的，将使用不同的铰孔设备和技术。)为了确定切割之后保留的骨的数量，应该测量髌骨的整个厚度，之后切除髌骨或对髌骨进行表面修整。然后可使用髌骨钉钻具钻出钉孔。然后一旦准备好自然髌骨的一部分，就植入合适的髌骨构件。
在不脱离本发明和所附权利要求的精神或范围的情况下，可对上面陈述和附图中显示的结构和方法进行变化和修改、添加和删除。
Claims (20)
1. 一种髌骨构件，包括：
髌骨构件主体，其具有(a)使用中与自然髌骨接合的第一表面；和(b)使用中靠在股骨构件上的第二表面，所述第二表面具有上边缘表面、下边缘表面、中间边缘表面和横向边缘表面，所述第二表面还包括：
(i) 从所述中间边缘表面延伸至所述横向边缘表面的基本上轴对称的部分，其在使用中与股骨构件接触；
(ii) 从所述基本上轴对称的部分延伸出来的一个或多个小面表面，所述一个或多个小面表面在使用中与股骨构件接触。
2. 根据权利要求1所述的髌骨构件，其特征在于，所述髌骨构件还包括：
(iii) 位于所述上边缘表面处、所述下边缘表面处或所述这两个边缘表面处的一个或多个收缩部分，以容许在弯曲和伸展期间在股骨构件上平滑的移动。
3. 根据权利要求中1所述的髌骨构件，其特征在于，所述基本上轴对称的部分在使用中在固定的运动范围内与股骨构件接触，并且其中，所述一个或多个小面表面在固定的运动范围外与股骨构件接触。
4. 根据权利要求1所述的髌骨构件，其特征在于，所述一个或多个小面表面凹入或凹陷地远离所述基本上轴对称的部分。
5. 根据权利要求1所述的髌骨构件，其特征在于，所述基本上轴对称的部分包括饼形条片，所述条片在所述中间边缘和所述横向边缘处具有较宽的弯曲部分，并且所述条片会合于所述基本上轴对称的部分的顶点。
6. 根据权利要求1所述的髌骨构件，其特征在于，所述基本上轴对称的部分在使用中促进容忍不良旋转。
7. 根据权利要求1所述的髌骨构件，其特征在于，所述第一表面在髌骨/髌骨构件界面处与髌骨接合，并且所述第二表面提供了整个运动范围内的接触矢量，所述接触矢量接近垂直于所述髌骨/髌骨构件界面。
8. 根据权利要求7所述的髌骨构件，其特征在于，所述接触矢量距以下其中一条线大约0-30度：
(a) 对于上置构件，大约垂直于所述髌骨/髌骨构件界面的线；
(b) 对于嵌入构件，与髌骨中准备好的轴线大约平行的线；或者
(c) 大约垂直于基准线的线，所述基准线被限定为四头肌腱连接到髌骨上极之处和髌腱连接到髌骨下极之处之间的线。
9. 根据权利要求7所述的髌骨构件，其特征在于，所述接触矢量距以下其中一条线大约为0-20度：
(a) 对于上置构件，大约垂直于所述髌骨/髌骨构件界面的线；
(b) 对于嵌入构件，与髌骨中预备好的轴线大约平行的线；或者
(c) 大约垂直于基准线的线，所述基准线被限定为四头肌腱连接到髌骨上极之处和髌腱连接到髌骨下极之处之间的线。
10. 根据权利要求7所述的髌骨构件，其特征在于，所述接触矢量距以下其中一条线大约为0-10度：
(a) 对于上置构件，大约垂直于所述髌骨/髌骨构件界面的线；
(b) 对于嵌入构件，与髌骨中预备好的轴线大约平行的线；或者
(c) 大约垂直于基准线的线，所述基准线被限定为四头肌腱连接到髌骨上极之处和髌腱连接到髌骨下极之处之间的线。
11. 根据权利要求7所述的髌骨构件，其特征在于，所述接触矢量距以下其中一条线大约为0-5度：
(a) 对于上置构件，大约垂直于所述髌骨/髌骨构件界面的线；
(b) 对于嵌入构件，与髌骨中预备好的轴线大约平行的线；或者
(c) 大约垂直于基准线的线，所述基准线被限定为四头肌腱连接到髌骨上极之处和髌腱连接到髌骨下极之处之间的线。
12. 根据权利要求2所述的髌骨构件，其特征在于，所述一个或多个收缩部分包括边缘半径。
13. 根据权利要求1所述的髌骨构件，其特征在于，所述髌骨构件还包括浮突部分，所述浮突部分定位在否则将是所述基本上轴对称的部分的顶点之处，其中，所述一个或多个小面在所述基本上轴对称的部分的外侧面上延伸。
14. 根据权利要求13所述的髌骨构件，其特征在于，所述一个或多个小面从所述基本上轴对称的部分凹陷地延伸出来。
15. 根据前述权利要求13-14中的任一项所述的髌骨构件，其特征在于，所述浮突部分将所述基本上轴对称的部分分隔成第一基本上轴对称的部分和第二基本上轴对称的部分，其中，所述第一基本上轴对称的部分从所述髌骨构件的中间边缘表面延伸至中间中心部分，并且所述第二基本上轴对称的部分从所述髌骨构件的横向边缘表面延伸至横向中心部分。
16. 根据前述权利要求13-14中的任一项所述的髌骨构件，其特征在于，所述浮突部分在所述小面上产生了分隔开的接触斑块，在使用中，即使在深弯曲状态下所述接触斑块也与所述股骨构件接触。
17. 根据权利要求1所述的髌骨构件，其特征在于，当以大于大约90度的膝关节弯曲角度使用时，所述髌骨构件和股骨构件之间距以下其中一条线的接触矢量角度大约为0-30度：
(a) 对于上置构件，大约垂直于髌骨/髌骨构件界面的线；
(b) 对于嵌入构件，与髌骨中预备好的轴线大约平行的线；或者
(c) 大约垂直于基准线的线，所述基准线被限定为四头肌腱连接到髌骨上极之处和髌腱连接到髌骨下极之处之间的线。
18. 根据权利要求17所述的髌骨构件，其特征在于，所述接触矢量角度大约为0-20度。
19. 根据权利要求17所述的髌骨构件，其特征在于，所述接触矢量角度大约为0-10度。
20. 根据权利要求17所述的髌骨构件，其特征在于，所述接触矢量角度大约为0-5度。
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