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作者:尹居中(2001-04-06),推薦:徐業良(2001-04-06)
附註:本文為八十九學年度國科會計畫「新型人工全膝關節之設計」部份成果。

人工全膝關節產品概要圖

人工全膝關節組成元件雖然不多,但每一元件都與其他數個元件有交互作用,且並非由某單一元件達成特定功能,而往往是依靠各元件的幾何形狀與各元件的相互接觸狀態來達成其機構運動上所需的功能。因此本文嘗試為人工全膝關節設計建立以界面為核心(而非以元件為核心)的產品概要圖(schematics)[Ulrich, and Eppinger, 1995],如圖1所示,依據人工膝關節各元件的交互作用情形,將人工膝關節各元件的接觸狀態區分成9個界面,並探討各界面的組成元件、主要功能、設計限制與其設計概念。

1. 人工膝關節產品概要圖

界面1:彎曲伸展接觸界面

彎曲伸展接觸界面位於人工股骨股髁與人工半月板之間,其主要的功能在幫助膝關節產生彎曲、伸展動作。此界面設計上亦需考慮能順利排除磨屑,避免磨屑積存於半月板上,造成半月板加速磨耗。此界面在設計時除了受到裝配厚度限制外,最主要限制仍在彎曲、伸展角度需達150度,膝關節得承受高應力狀態,且膝關節在彎曲、伸展的過程中,其A-P位移量需為6-10mm

彎曲伸展接觸界面採雙包絡線的設計,如圖2所示,即人工股骨骨髁有兩個方向是被半月板完全包覆的狀態,此種接觸狀態使得接觸面積增大,降低接觸應力,且半月板在垂直方向設計成凸狀,以利於排除磨屑。

2. 雙包絡線人工膝關節模型

為了幫助膝關節產生彎曲與伸展的運動,彎曲伸展接觸界面在人工股骨骨髁部份採用了變曲率設計。如圖3所示,人工股骨骨髁最右側的曲率半徑最小,以利於股骨骨髁相對半月板產生旋轉運動,而人工股骨左半側的曲率與半月板的曲率是完全一致的,此設計在人體站立時,可獲得較大接觸面積,以降低半月板的應力。

3. 股骨骨髁與半月板接觸狀態

界面2:半月板滑移界面

半月板滑移界面位於人工半月板與脛骨托盤之間,其主要功能在幫助膝關節產生前後滑移與側向滑移等動作,以及提供此相對運動時之穩定性,此外亦需在膝關節產生軸向旋轉時,能提供引導與順暢性。半月板滑移界面在設計時除了受到裝配厚度限制外,最重要的限制條件在膝關節產生前後滑移與側向滑移時的位移量。

4為半月板滑移界面的設計。半月板底部凸柄機構與脛骨托盤凹槽機構,除了可引導半月板相對脛骨托盤產生軸向旋轉運動,其幾何尺寸亦能限制前後滑移與側向滑移之位移量,並且同時提供上述運動時之穩定性。

4. 半月板與脛骨托盤的接觸狀態

界面3:彎曲伸展導引界面

彎曲伸展導引位於人工股骨骨髁導引圓柱與脛骨托盤上的導引曲面之間,其最主要功能在引導膝關節產生彎曲、伸展動作,提供膝關節運動之穩定性。除此之外,其需與股骨骨髁═半月板界面配合,使膝關節的A-P位移量被限制在6-10mm。彎曲伸展導引界面的結構如圖5所示,此界面配合彎曲伸展接觸界面,將直接影響膝關節的運動狀態。

5. 彎曲伸展導引界面

界面4:軸向旋轉限制界面

軸向旋轉限制界面位於脛骨托盤導引曲面與人工半月板之間,其主要功能在限制膝關節產生軸向旋轉之旋轉量,如圖6所示。其主要限制是導引曲面與人工半月板的接觸面須避免尖銳角度,以避免高接觸應力造成表面損傷。

6. 導引曲面與半月板接觸狀態

界面5:導引曲面根部

導引曲面根部連接在脛骨托盤上,成一懸臂樑形式,導引曲面與脛骨托盤的結合處需能承受高彎曲應力。

界面6導引圓柱固定界面

導引圓柱固定在人工股骨骨髁上,其相對位置改變為影響膝關節彎曲、伸展狀態的重要因素,且固定處亦需能承受高彎曲應力。

界面7:人工股骨骨髁固定界面

人工股骨骨髁固定界面主要功能在將人工股骨骨髁固定在股骨上,除需能承受負荷外,最少骨骼切削量及便醫師組裝也是設計上重要考量。

界面8:脛骨托盤固定界面

脛骨托盤固定界面目的在將脛骨托盤固定在脛骨上,界面結構需能承受膝關節運動時所產生的扭力,避免脛骨托盤與脛骨產生鬆脫。如圖7所示,脛骨托盤固定界面設計成十字插入柄,承受較高之扭轉應力。

7. 脛骨托盤與脛骨固定界面設計

界面9髕骨接觸界面

髕骨接觸界面位於人工髕骨與人工股骨骨髁之間,其主要功能在使人工髕骨得以適時在股骨骨髁上滑行,使髕骨能成為肌肉施力的支點,幫助肌肉牽引膝關節產生運動。

各界面名稱、影響元件、所需達成的功能、與其限制條件均列於表1中,並訂定出各界面設計執行的優先度。

1. 膝關節各界面達成功能與限制

界面

名稱

影響元件

主要功能

設計限制

優先

1

彎曲伸展接觸界面

人工股骨骨髁

人工半月板

產生彎曲、伸展運動,排除磨屑

彎曲、伸展角度,接觸應力,A-P位移量

1

2

半月板滑移界面

人工半月板

脛骨托盤

產生前後、側向滑移與維持其穩定性,引導軸向旋轉

前後滑移量,側向滑移量

1

3

彎曲伸展導引界面

導引圓柱

導引曲面

引導彎曲、伸展運動,提供膝關節彎曲、伸展之穩定性

彎曲、伸展時A-P位移量

2

4

軸向旋轉限制界面

導引曲面

人工半月板

限制軸向旋轉

軸向旋轉角度

3

5

導引曲面根部

導引曲面

脛骨托盤

 

高彎曲應力

3

6

導引圓柱固定界面

人工股骨骨髁

導引圓柱

引導膝關節產生彎曲、伸展

高彎曲應力

2

7

人工股骨骨髁固定界面

人工股骨骨髁

將人工股骨骨髁固定在股骨上

最少骨骼切削量,便醫師組裝

5

8

脛骨托盤固定界面

脛骨托盤

將脛骨托盤固定在脛骨上

承受扭力

5

9

髕骨接觸界面

人工髕骨

人工股骨骨髁

使髕骨能成為肌肉施力的支點

 

4

參考資料

Ulrich,, K.arl T., and Eppinger, S.teven D., Product Design and Development, McGraw-Hill, New York (1995).