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作者:尹居中(2001-06-27),推薦:徐業良(2001-06-29)
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。

新型人工全膝關節設計與初步評估

1. 新型人工全膝關節相關尺寸與初步模擬

當彎曲伸展導引界面設計完成後,新型人工膝關節重要的界面均已完成,圖1~3為各元件完整的尺寸,總裝配厚度為20.64mm,符合設計需求。

1. 人工股骨骨髁尺寸

2. 人工半月板尺寸

3. 脛骨托盤尺寸

4至圖11為新型人工膝關節機構動態模擬與其相關數據,其中膝關節彎曲至150度時,其A-P位移為8.97mm、軸向旋轉角度為15.16度、A-P方向滑移為4.05mmZ軸方向滑移量為4mm。各項設計需求與其達成狀態均列於表1中。

4. 彎曲與伸展動態模擬(點選可觀察其模擬動畫)

5. 膝關節彎曲伸展過程旋轉角度與股骨骨髁位移關係

6. 軸向旋轉動態模擬(點選可觀察其模擬動畫)

7. 膝關節軸向旋轉角度與時間關係

8. A-P方向滑移動態模擬(點選可觀察其模擬動畫)

9. 膝關節A-P方向滑移與時間關係

10. Z軸方向滑移動態模擬(點選可觀察其模擬動畫)

11. 膝關節Z軸方向滑移與時間關係

1. 新型人工膝關節設計需求達成表

人工膝關節需求

目前狀態

彎曲角度範圍需從0°~150°

0°~150°

軸向旋轉±15°

±15.16°

A-P位移5mm

4.05mm

側向滑移2~3mm

4mm

人工半月板的厚度至少要在8mm以上

9mm

人工膝關節的厚度需限制在40mm以下

20.64mm

增設導引曲面

已達成

半月板為凸形關節面

已達成

2. 新型人工全膝關節與真實膝關節動態模擬比較

在完成新型人工全膝關節設計之後,為了解新型人工膝關節彎曲伸展運動模式是否接近真實膝關節,我們嘗試對新型人工膝關節與真實膝關節進行動態模擬比較。圖12Goodfellow, J.O’Connor, J.[1994]以四連桿機構模擬真實膝關節彎曲狀況,連桿為固定連桿,則固定在股骨上,跟隨股骨彎曲而移動。連桿的位置隨著股骨彎曲相對變化,兩連桿的交點則定義為膝關節彎曲時的瞬時旋轉中心。比較旋轉中心在彎曲時的相對位置,即能比較新型人工膝關節與真實膝關節的彎曲運動模式。

12. 四連桿模擬真實膝關節彎曲狀態[Goodfellow, J. and O’Connor, J., 1994]

13為機構軟體分析四連桿運動狀態以模擬真實膝關節彎曲情形,連桿2為圖12中的連桿,連桿1為連桿,點2為圖12的端點B,點1為端點C。我們以機構分析軟體模擬所獲得的數據與Lu[1993]以程式撰寫分析數據比較,其結果如圖14所示。當四連桿模擬膝關節由0度彎曲至150度時,無論是順時旋轉中心或是點1、點2的運動軌跡,機構軟體分析的數據與程式分析極為接近,故接下來以此瞬時旋轉中心的數據與新型人工膝關節進行彎曲動態比對。

13. 以機構軟體模擬四連桿運動狀態

14. 四連桿模擬膝關節至彎曲150度軌跡

在新型人工膝關節模型模擬由0度彎曲至150度時,擷取近似圖12中端點BC的位置資料,並經運算整理後將其與四連桿點12的運動軌跡分析比較,其結果如圖15所示。可知新型人工膝關節在由0度彎曲至150度時,雖未與真實膝關節運動軌跡完全一致,但其位移變化的趨勢是十分接近。

15. 膝關節模型彎曲至150度與四連桿軌跡比較圖

3. 新型人工全膝關節穩定性評估

膝關節元件中,除了股骨骨髁與半月板接觸面的幾何形態外,導引曲面亦具有提升膝關節穩定性的效果。由於後十字韌帶在膝關節置換手術過程中會被移除,十字韌帶中提升穩定性、避免股骨與脛骨在相對運動時產生脫臼等功能,將被導引曲面所取代。

為了評估導引曲面提供膝關節運動穩定性的優劣,Kocmond[1995]提出了以“DSF(Dislocation Safety Factor)”來當作評估的依據。圖16與圖17所示即為一具有導引曲面之人工全膝關節模型。股骨骨髁上的導引曲面稱為“femoral cam”,在脛骨托盤上則有一“tibia spin”用來限股骨自由度。“tibia spin” 於垂直方向的最高點與“femoral cam”於垂直方向的最低點的距離,即為“DSF ”。若以“tibia spin”垂直方向的最低點為原點,則DEF= tibia spin的高度 - femoral cam的高度。DEF越大表示膝關節的穩定性越佳。

16. DSF概念圖一[Kocmond et al, 1995]

17. DSF概念圖二[Kocmond et al, 1995]

DSF值會隨著股骨旋轉角度變化而有所不同。如圖18所示,Kocmond經動態模擬發現,股骨旋轉角度約70°時,DSF值最高,之後彎曲角度愈大,DSF值愈小,表示膝關節的穩定性愈差。當彎曲角度大到DSF值為負數時,表示femoral cam的高度已在tibia spin的上方,此時導引曲面不再具穩定功能,股骨與脛骨隨時會發生脫臼現象。

18. 股骨旋轉角度與DEF關係[Kocmond et al, 1995]

新型人工膝關節由彎曲伸展導引界面來提供膝關節相對運動時的穩定性,如圖19所示。由於彎曲伸展導引界面中的導引曲面是依據膝關節彎曲至150度時,導引圓柱的軌跡設計而成,故以DSF來評估新型人工膝關節,即使彎曲至150度時,股骨與脛骨托盤能具有相當的穩定性,其相關數據如圖20所示,穩定性在膝關節旋轉至100.57度時為最佳。

19. 導引曲面與導引圓柱相關位置

20. 新型人工膝關節彎曲角度與DEF關係

4. 新型人工膝關節三維實體模型

最後圖21至圖23為新型人工膝關節的三維實體模型。

21. 前視圖與右側視圖

22. 左側視圖與等角視圖

23. 上視圖與下視圖

參考資料

Goodfellow, J., and O’Connor, J., The Knee, W. Norman Scott Mosby-Year Book, Inc. 1994.

Kocmond, J.H., “Stability and Range of Motion of Insall-Burstein Condylar Prostheses”, Journal of the Arthrpplasty, Vol. 10, No. 3, pp. 383~388, 1995.