人工膝关节设计中的相关问题

人工关节是骨科领域在20世纪取得的最重要进展之一，当前国内手术需要的人工膝关节假体绝大多数需要进口，国产人工膝关节假体在设计理念和制造水平上多为仿制国外，国内尚无独自开发研制的人工膝关节假体系列。进口假体费用较高，且都是按照欧美白种人膝关节参数进行设计的，有时会出现与国内患膝关节不匹配的情况。人工膝关节置换术的长期疗效有赖于下肢正常力线的恢复，假体的几何形状要与人体相匹配，才能使假体与周围保留的软组织协调运动，精确的膝关节三维形态知识是膝关节假体设计、制造及选择的基础。通过对人工膝关节假体稳定性的实现与相关技术、人工膝关节设计中的膝关节运动学及膝关节骨形态特征表达问题等方面加以综述，评述人工膝关节设计中应该考虑的相关问题，为国产人工膝关节假体设计提供参考。     

人工膝关节假体设计新进展

纵观膝关节假体设计开发的历史,现代假体的设计要求置换后的膝关节能更好的恢复膝关节本身的运动学特性,同时要求减少关节假体接触面之间的应力,减少假体磨损.通过提高人工膝关节的活动度来增加膝关节的功能,从而建立更像自然膝关节的动力学上人工膝.采用高交联聚乙烯为垫片材料,更好的胫骨假体锁定机制,使用活动负重人工膝关节设计,能使假体更一致并能减少对固定接触面的应力,从而增加假体的使用寿命.     

人工膝关节设计相关问题分析

人工膝关节置换术是通过金属和塑料来置换已完全或部分损坏了的膝关节。由于工业技术水平的提高和快速发展，我国从20世纪70年代开始了人工膝关节的研制和临床应用。随着医疗技术和人们生活水平的提高，人们对人工膝关节置换技术有了较深的认识，在临床上也得到了广泛的应用。人工膝关节置换术可明显减轻膝关节病症、矫正变形及改善关节功能。据不完全统计，如今全世界平均每年进行约50万例人工膝关节假体置换，我国每年也施行近万例人工膝关节置换手术，且数量逐年增加。人工膝关节置换术已经成为临床较常用的手术之一，其十年以上的临床优良率已达到90％以上。人工膝关节的设计需生物力学、材料学专业人员、骨科医师及其他工程技术人员的共同努力。     

人工膝关节围假体置换期的临床内容:应用与问题

背景:膝关节骨性关节炎和类风湿性关节炎是膝关节最常见的关节炎,在关节炎晚期,出现严重关节畸形和活动障碍,就需要进行全膝关节置换治疗,全膝关节置换术不仅能明显减轻症状,还能矫正畸形和改善关节功能.目的:对膝关节假体的分类、膝关节置换手术技巧及其置换后并发症等方面进行归纳总结.方法:应用计算机检索维普数据库(http://www.cqvip.com/),在标题和摘要中以"膝关节置换,假体,并发症"为检索词进行检索.选择文章内容与膝关节假体临床应用有关的文献,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章.根据纳入标准选择20篇文献进行综述.结果与结论:不同患者应根据病情、关节限制程度、固定方式和半月板功能来选择不同的人工膝关节.不同膝关节假体的适应证应由膝关节的骨和软组织条件决定、膝关节韧带的质量和状态、关节畸形以及关节软骨破坏的程度决定假体的选择.下肢深静脉血栓和肺栓塞、假体周围感染、假体松动等为关节置换的常见并发症.     

人工膝关节临床应用中的假体设计、生物力学性能、计算机辅助技术及其相关争议

文章导语:人工膝关节置换发展经历了近20年的临床实践,不断的改进设计,在哪些方面有了深入的研究?活动载荷假体与高屈曲度假体各有哪些优势?随着人们对膝关节生物力学研究的不断深入,膝关节假体设计理念在哪些方面的探索不断更新了?全膝人工关节无菌性松动失败的因素有很多种,医生们如何进行松动鉴定?人工膝关节置换至今仍存在哪些在争议着的问题?     

人工膝关节几何外型尺寸研究现状及其应用特点

目的：在人工膝关节置换术中、膝假体尤其是解剖型假体大多是模仿人膝关节几何外型尺寸（尤其是股骨髁部分），并参考假体植入后的运动及稳定性等设计，因此，研究膝关节几何外形尺寸对人工膝关节设计有重要意义。资料来源：应用计算机检索Pubmed数据库1990-01／2005-04有关膝关节几何外形尺寸测量的文章，检索词“knee joint，geometry measurement，prosthesis design．TKA”，限定文章语言种类为English，研究对象为人类。同时计算机检索中国期刊全文数据库，万方数据1994-01／2005-04期间的相关文章，检索词“膝关节外形尺寸测量、人工膝关节假体设计”，限定文章语言种类为中文。资料选择：对资料进行初审，选取符合研究要求的有关文章，查找全文。纳人标准：①有关膝关节几何外形尺寸测量的研究。②有关人工膝关节假体设计的研究。排除标准：重复研究：资料提炼：共收集到135篇有关膝关节假体设计及膝关节外形尺寸测量的文章，排除重复或类似的同一研究，17篇符合研究要求。资料综合：①国内膝关节假体尺寸研究：有研究对正常人膝关节进行三维CT扫描，按身高不同分为3组，每组各获得6个正常左右膝关节数据，综合每组数据建立典型的膝关节三维解剖模型；对120例240个正常人膝关节CT扫描后所输出的数据进行三维重建，并行相关参数的测量和分析，初步建立国内正常人膝关节模型和国人正常膝关节相关指标参考值；对数字化虚拟中国男性一号的膝关节断面切片图像，提供膝关节的有限元生物力学仿真分析：②国外膝关节假体尺寸研究：通过对尸体骨CT扫描，应用计算机辅助设计三维重建测量分析后，指出在人工膝关节置换术中．不仅要恢复肢体正常的力线，而且假体的几何形状要与个人人体相匹配．从而使假体能与周围保留的软组织协调运动。③膝关节假体尺寸研究展望：提供更多尺寸、或不同尺寸比率来得到最大的截骨覆盖面，重建膝关节。结论：人工膝关节设计方面不但需要大量人体解剖学研究资料，还需要测量股骨远端、胫骨近端和髌骨实体的几何学、形态学相关的数据及病态膝关节截骨后的相关数据，才能设计出符合人解剖结构的人工假体，而且型号从小至大，一应俱全，供给假体的型号愈多，选择余地愈大，手术效果亦愈理想．     

人工膝关节在运动性损伤中的应用

目的:评价人工膝关节置换及其在运动性损伤中的应用前景.方法:以"人工膝关节,置换,运动性损伤,膝关节损伤为中文关键词;以:"artificial knee joint, arthroplasty, sports injury,knee joint injury"为英文关键词,采用计算机检索1993-01/2009-10相关文章.纳入与有关膝关节运动性损伤及人工膝关节置换相关的文章;排除重复研究或Meta分析类文章.以39篇文献为主重点进行了讨论膝关节运性损伤的生物力学特征及人工膝关节的发展与在运动损伤中的应用.结果:运动性膝关节损伤的性质主要为擦伤、挫伤、骨折、脱位、撕裂、劳损,严重的关节损伤、骨折、骨裂等损伤要经过手术治疗才能得到康复,必要时需要接受人工关节置换.人工关节置换能够出去痛灶、疼痛,恢复关节的活动功能,并能有效地调整肢体的长度,人工关节置换具有疗效的确切性和可预期性,但也存在如假体松动、磨损或折断等并发症.置换人工膝关节时首先考虑的问题是假体的材料,需要耐用且无排斥反应.结论:人工膝关节近年来发展迅速,解决了很多患者的关节疾病问题,随着材料学及生物学的发展,在采用材料特别是对假体的个性化设计方面还有很大提升空间.人工膝关节置换能够应用于某些严重的运动性膝关节损伤患者.     

现代人工膝关节假体的研究与进展

人工关节假体是置入人体内的材料,其形态的设计、表面处理、材料选用、制造工艺以及包装的要求都十分严格。不同患者应根据病情、关节限制程度、固定方式和半月板功能来选择不同的人工膝关节。股骨与胫骨间的旋转对线关系是影响全膝关节置换术后效果的重要因素。合适的软组织平衡是获得良好的假体位置和力线的前提。不同膝关节假体的适应症应由膝关节的骨和软组织条件决定、膝关节韧带的质量和状态、关节畸形以及关节软骨破坏的程度决定假体的选择。下肢深静脉血栓和肺栓塞、伤口愈合不良、假体周围感染、置入后骨折、关节僵硬、置入后残留疼痛是关节置换的常见并发症。选择高质量的假体、不断开发和推广使用其配套器械是全膝关节置换术普及和发展的关键。     

人工膝关节几何外型尺寸研究现状及其应用特点

目的:在人工膝关节置换术中,膝假体尤其是解剖型假体大多是模仿人膝关节几何外型尺寸(尤其是股骨髁部分),并参考假体植入后的运动及稳定性等设计,因此,研究膝关节几何外形尺寸对人工膝关节设计有重要意义。资料来源:应用计算机检索Pubmed数据库1990-01/2005-04有关膝关节几何外形尺寸测量的文章,检索词“kneejoint,geometry measure-ment,prosthesis design,TKA”,限定文章语言种类为English,研究对象为人类。同时计算机检索中国期刊全文数据库、万方数据1994-01/2005-04期间的相关文章,检索词“膝关节外形尺寸测量、人工膝关节假体设计”,限定文章语言种类为中文。资料选择:对资料进行初审,选取符合研究要求的有关文章,查找全文。纳入标准:①有关膝关节几何外形尺寸测量的研究。②有关人工膝关节假体设计的研究。排除标准:重复研究。资料提炼:共收集到135篇有关膝关节假体设计及膝关节外形尺寸测量的文章,排除重复或类似的同一研究,17篇符合研究要求。资料综合:①国内膝关节假体尺寸研究:有研究对正常人膝关节进行三维CT扫描,按身高不同分为3组,每组各获得6个正常左右膝关节数据,合每组数据建立典型的膝关节三维解剖模型;对120例240个正综常人膝关节CT扫描后所输出的数据进行三维重建,并行相关参数的测量和分析,初步建立国内正常人膝关节模型和国人正常膝关节相关指标参考值;对数字化虚拟中国男性一号的膝关节断面切片图像,提供膝关节的有限元生物力学仿真分析。②国外膝关节假体尺寸研究:通过对尸体骨CT扫描,应用计算机辅助设计三维重建测量分析后,指出在人工膝关节置换术中,不仅要恢复肢体正常的力线,而且假体的几何形状要与个人人体相匹配,从而使假体能与周围保留的软组织协调运动。③膝关节假体尺寸研究展望:提供更多尺寸、或不同尺寸比率来得到最大的截骨覆盖面,重建膝关节。结论:人工膝关节设计方面不但需要大量人体解剖学研究资料,还需要测量股骨远端、胫骨近端和髌骨实体的几何学、形态学相关的数据及病态膝关节截骨后的相关数据,才能设计出符合人解剖结构的人工假体,而且型号从小至大,应俱全,供给假体的型号愈多,择余地愈大,一选手术效果亦愈理想。     

人工膝关节置换相关问题的临床问答

人工膝关节的固定方式主要分骨水泥固定型和非骨水泥固定型两类。目前应用最广泛的是骨水泥固定型假体,年纪轻、骨质较好的病人可根据情况选用非骨水泥固定型假体。     

六连杆假肢膝关节优化设计

目的：假肢膝关节的设计对于膝上截肢者的安全与步态关系重大。为了改善膝上假肢穿戴者的步态,设计了六连杆假肢膝关节。方法：采用最优化设计使摆动相步态尽可能逼近正常步态;在结构设计上利用瞬停节特性使膝关节在支撑期有自锁功能并具有很强的抗干扰能力。结果：计算机仿真为踝关节运动轨迹均方误差不超过１．９６％。结论：该膝关节假肢在支撑期保持稳定性的同时,在摆动期内膝、踝关节运动轨迹,以及大小腿的角度变化关系相对于正常人具有很好的逼近效果,能够有效改善患者步态。     

个体化人工膝关节假体的计算机辅助设计

通过CT数据凄取、膝关节三维实体建模、个体化膝关节假体的设计、虚拟手术、通过有限元分析软件及基于生物力学的数字仿真软件进行计算机辅助工程假体应力状态和系统运动生物力学评价。该流程对产品设计、评价以及手术的策划具有较强的指导意义，也足产品研制质量、成本、设计周期等方面最有利的保证，表明现代计算机辅助设计技术联合工程学知识，是成功制定个体化人工膝关节假体设计的可行途径。     

国人膝关节参数对假体设计的意义

背景:人工全膝关节置换所选假体的形状、尺寸是否与膝关节相匹配,将明显影响手术及术后长期效果.由于缺少对国人体质参数的研究,中国关节外科领域缺少国人膝关节特性数据和国产化膝关节假体.目的:获得国人正常胫骨近端不同截骨高度线性参数正常参考值.方法:选取82例/135膝(男85膝,女50膝)国人正常膝关节,年龄19～82岁,平均47.2岁;利用原始CT扫描图像资料重建膝关节,并在工作平台上以一定后倾角度对胫骨进行旋转、切割,测量不同截骨高度各截面的相关线性参数.结果与结论:测得所有受试者胫骨各截面的前后径平均值为(48.41±3.41)mm,横径平均值为(75.03±4.88)mm,前后径与横径的比值平均为0.655±0.032;前后径、横径在不同性别间差异存在显著性义(P＜0.01),前后径在不同截骨高度差异存在显著性意义(P＜0.01).结果说明在设计国人膝关节假体应该注意到性别及截骨高度的差异.     

六杆机构在假肢膝关节设计中的应用

验证了六杆机构的瞬心线与股骨骼不同的弯曲半径圆心线轨迹相似，阐述了机械六杆机构膝关节在正常运动中的步态分析，为研制新型膝关节提供了一定的理论设计基础。     

Influence of post-cam design of posterior stabilized knee prosthesis on tibiofemoral motion during high knee flexion

Backgrounds

The post-cam design of contemporary posterior stabilized knee prosthesis can be categorized into flat-on-flat or curve-on-curve contact surfaces. The curve-on-curve design has been demonstrated its advantage of reducing stress concentration when the knee sustained an anteroposterior force with tibial rotation. How the post-cam design affects knee kinematics is still unknown, particularly, to compare the difference between the two design features. Analyzing knee kinematics of posterior stabilized knee prosthesis with various post-cam designs should provide certain instructions to the modification of prosthesis design.

Methods

A dynamic knee model was utilized to investigate tibiofemoral motion of various post-cam designs during high knee flexion. Two posterior stabilized knee models were constructed with flat-on-flat and curve-on-curve contact surfaces of post-cam. Dynamic data of axial tibial rotation and femoral translation were measured from full-extension to 135°.

Findings

Internal tibial rotation increased with knee flexion in both designs. Before post-cam engagement, the magnitude of internal tibial rotation was close in the two designs. However, tibial rotation angle decreased beyond femoral cam engaged with tibial post. The rate of reduction of tibial rotation was relatively lower in the curve-on-curve design. From post-cam engagement to extreme flexion, the curve-on-curve design had greater internal tibial rotation.

Interpretation

Motion constraint was generated by medial impingement of femoral cam on tibial post. It would interfere with the axial motion of the femur relative to the tibia, resulting in decrease of internal tibial rotation. Elimination of rotational constraint should be necessary for achieving better tibial rotation during high knee flexion.     

e-Knee: the electronic knee prosthesis

Tibiofemoral forces determine polyethylene wear and affect the longevity of total knee prostheses. Previously, investigators relied on theoretic data from mathematical models to predict mechanical forces in the knee. Predictions of tibiofemoral forces are highly variable because of the complex interplay of the muscles involved in activities. Ideally, knee forces should be directly measured. An electronic total knee prosthesis (e-Knee) was developed to directly measure tibiofemoral compressive and tensile forces in vivo. After 13 years of research and development, the e-Knee was implanted into a patient in 2004. Tibiofemoral force data were collected intraoperatively and throughout the postoperative period during activities of daily living and during exercise. Direct measurement of knee forces can lead to a better understanding of the stresses seen following total knee arthroplasty. Information generated by the e-Knee will aid in the improvement of implant design and patient care.