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作者:尹居中(2001-11-12);推薦:徐業良(2001-11-13)
附註:本文發表於八十九年度國科會醫工學門成果發表會。

新型人工全膝關節之設計

摘要

本計畫主要目的便是希望設計出新一代的全人工膝關節,能夠產生更接近真實膝關節的運動模式,並且有更好的可靠性與強健性。

關鍵詞:人工膝關節

Abstract

The purpose of this project is to design a reliable and robust total knee prostheses whose motion pattern is close to real knee.

Keywords: total knee prostheses

1. 研究目的

膝關節是人體中最大且最重要的關節,容易受到各種不同的外傷和疾患,目前國內每年約進行7000例的人工膝關節置換手術,是骨科相當常見的手術之一。Laskin[1984]明確指出,外科醫師進行全人工膝關節置換手術的主要目的,是要重新創造一個接點,能夠產生無痛的弧形運動功能,並在各運動平面保持穩定性。人工膝關節如能正常使用,一般來說可以使用十年以上。但是仍然有相當比例的病人因為人工膝關節鬆動(loosening)、磨耗(wear)、或破損(breakage),必須再次接受人工膝關節再置換手術[Wanawat et al., 1993; Ermnerson et al., 1996]。因此除了功能上的考量之外,可靠性和強健性也是人工膝關節設計上考量的重點。本計畫主要目的便是設計新一代的全人工膝關節,能夠產生更接近真實膝關節的運動模式,並且有更好的可靠性與強健性。

2. 新型人工全膝關節之設計

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。因此本研究首先為人工全膝關節設計建立以界面為核心的產品概要圖,如圖1所示,將各元件的接觸狀態區分成9個界面,各界面名稱、影響元件、所需達成的功能、其限制條件、優先度均列於表1中。

1. 人工膝關節產品概要圖

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

2為本研究“變曲率雙包絡線”人工全膝關節設計之幾何模型。與一般現行人工全膝關節不同的是,人工股骨骨髁的x方向與z方向是被半月板完全包覆的狀態,此種接觸狀態使得彎曲伸展接觸界面的接觸面積為最大狀態,大幅降低接觸應力。半月板在y方向設計成上凸狀,以利於排除磨屑,如圖3。為了使半月板與脛骨托盤組成半月板滑移界面能夠產生A-P位移,本研究於半月板下方設計一導引圓柱,位置如圖3所示。基礎模型所設定導引圓柱的半徑值為9mm,脛骨托盤凹槽半徑為12mm,此界面能使半月板產生最大位移為6mm,以符合設計需求。

2. 變曲率雙包絡線人工膝關節模型

3. 變曲率雙包絡線股骨骨髁幾何外型

4. 半月板導引圓柱

3. 彎曲伸展導引界面設計

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。我們先在股骨骨髁上建立導引圓柱,其相關位置如圖5左所示,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,抓取導引曲面在運動過程中最外圍的輪廓,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右則為完整的3D導引曲面,導引圓柱與導引曲面在彎曲過程中幾乎都呈現接觸狀態,故可可引導膝關節一原先預期軌跡產生彎曲、伸展的動作,並維持其過程的運動穩定性。

5. 彎曲伸展導引界面設計

參考文獻

Ermnerson, K.P., Moran, C.G. and Finder, I.M., “Survivorship analysis of the kinematic stabilizer total knee replacement - a 10 to 14-year follow-up,” Journal of Bone and Joint Surgery, 78B: 441-445, 1996.

Laskin, R.S., Denham, R.A., and Apley, A.G., Replacement of the Knee, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York Tokyo, 1984.

Wanawat, C.S., Flynn, W.F., Saddler, S., Hansraj, K.K. and Maynard, M.J, “Long-term results of the total condylar knee arthroplasty – a 15-year survivorship study,” Clinical Orthopaedics, 286:94-102,1993.