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作者:尹居中(2001-06-24),推薦:徐業良(2001-06-27)
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。

彎曲伸展導引界面細部設計

在完成彎曲伸展接觸界面與半月板滑移界面設計之後,為使膝關節在產生彎曲、伸展動作時,能保持運動穩定性,接下來我們針對重要性、優先度次高的彎曲伸展導引界面進行設計。

彎曲伸展導引界面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1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。

1. 彎曲伸展導引界面

由於彎曲伸展導引界面主要功能在引導膝關節產生彎曲、伸展動作,並提供膝關節運動之穩定性,故我們先在股骨骨髁上建立導引圓柱,其相關位置如圖2所示。

2. 彎曲伸展導引界面

導引圓柱建構完畢後,我們以機構分析軟體進行膝關節彎曲模擬,並從中讀取導引圓柱在膝關節彎曲至150度時之軌跡路徑,並將軌跡繪製成圖3。接下來我們在導引圓柱的軌跡中,抓取導引曲面在運動過程中最外圍的輪廓,如圖4所示。此輪廓線即為導引曲面與導引圓柱接觸的2D幾何形狀,圖5則為完整的3D導引曲面。由於導引圓柱與導引曲面在彎曲過程中幾乎都呈現接觸狀態,故導引曲面可引導膝關節產生彎曲、伸展的動作,並維持其過程的運動穩定性。

3. 彎曲至150度之導引圓柱軌跡圖

4. 導引圓柱輪廓線

5. 導引曲面模型

6為建立導引曲面前後之膝關節彎曲角度與股骨骨髁位移關係圖,未建立導引曲面之膝關節A-P位移為8.72mm,建立導引曲面後之膝關節A-P位移則為8.64mm

6. 有無導引曲面之彎曲角度與股骨骨髁位移關係圖