膝关节假体设计及Gemini系列产品)

后稳定型假体的出现
• 之前膝关节全髁置换假体为后交叉韧带保留型， 后交叉韧牺牲型，由于切除型会带来后向不稳 定，所以催生了后稳定型假体（posterior stablization）的出现 • 1977年HSS推出了TC－II • 1978年，Insall与工程师Albert Burstein博士合 作，推出了Insall-Burstein后稳定膝假体，确立 了凸轮-立柱机制，从此确立了现代后稳定型 假体的形态
关节几何形态
当负荷作用时，单一半径的设计尽管 接触面积较小，但仍然优于平面设 计...
. . . 但当负荷作用在一个髁，曲面设计可 以有一个大面积的接触，而平面设计可能 产生边缘负荷，导致高的接触压强15
15 . Engh G.H., Dwyer K.A.: “Mechanical Failure: Implant Breackage and Loosening“ from Fu F.H. et al editors: Knee Surgery, Williams and Wilkins, 1994
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1895年
• 关节间隙成形 使用非生物材料如金属箔和金属板等作为间隔物 材料包括金、银、玻璃、铝、镁和白金等 • • • • 柏林 1891 植入了第一例膝关节假体 象牙制造的铰链式膝关节 骨水泥固定 Themistosicles GlÜck, MD.
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Insall Burstein 后稳定型假体 （1980，HSS New York）
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后稳定型假体的原理
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Robert Brigham全膝关节假体（1980， Boston）
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70年代晚期
• 开始理解假体对线的重要性
– 手术器械变得越发重要
• 胫骨平台的失败率仍高
– 平台假体需要更多的型号 – 金属托已成为常规
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1981 Homedica公司引入了PCA假体 （Porous Coated Anatomic） • 骨水泥髋关节10年临 床随访较差的结果
– “Cement Disease”的提 出
Stabilo髁式假体1974
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三室置换 切除交叉韧带 提供髌骨假体 但稳定性较DuoPatella假体差
全髁式假体（Total Condylar） 1975
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早期假体：限制型假体为主
• 主要根据股骨髁及胫骨平台的形状
特征进行设计
• 对膝关节几何学的把握限于平面二
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关节几何形态
关节形合度越大，接触面积越大，对超高分子聚乙烯的应力 越小。19
Gemini 关节几何形态设计特征就是髁的面接触设计 . . .
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活动平台垫片解剖型设计
每一种聚乙烯垫片均可和同样一种的胫骨基座匹配...
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活动平台构件
遗憾的是，他选择了膝关节结核进 行置换，最终因感染而失败！
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GlÜck的其它创新
– 第一次使用骨水泥固定假体 – 提倡假体的生物固定 – 发明了第一个骨折固定针
1940年，Campell提出股骨金属铸模，发展为 膝关节金属间隔物 这时的理念只是作为替代填充，没有考虑 到形态特征,更谈不上功能
关节几何形态学
正如Insall所描述的那样的基本关节几何形态19:
曲面对曲面
曲线对平面
平面对平面
19 . Insall J.N.: “Historical Development, Classification and Characteristics of Knee Prostheses“ from Insall J.N. editor et al: S urgery of the Knee, Churchill Livingstone, 1993, pp. 677-737
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单室或两室置换 保留所有韧带结构
双髁置换 保留所有韧 带结构 无髌骨
单髁假体 1973
Duo Condylar 1973
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三室置换 保留后交 叉韧带 提供髌骨假 体
简单的铰链式翻修假体 三室置换切除PCL提供髌骨 假体第一个后稳定膝关节
世界首个非铰链式三室置换的膝关节
维概念
• 较少考虑运动状态下的膝关节生物
力学模式
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1976两个研究机构
• HSS 摒弃了后交叉韧带保留式假体而转向 不保留PCL假体的研发 • Boston（哈佛） 采纳了Duo Patella假体的 设计理念，致力于保留PCL假体的研发 • 从此，围绕PCL保留与否的设计开始出现 争论并一直延续到现在
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胫骨假体解剖型设计
• 胫骨假体分左右侧 • 胫骨假体型号多 每侧5种型号，最大程度满足不 同患者的个体需要。
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旋转平台的优点
聚乙烯的磨损与所受到的接触应力有关，后者与接触面积呈线形函数 关系。接触应力小于15Mpa时聚乙烯与股骨假体之间的磨损大大减小
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1950～1970年代
•60年代开始，膝关节假体开始具有一定解剖形态， 并且将材料范围缩小，但以上几种假体只是分别置 换股骨侧或者胫骨侧。松动的发生率较高
70年代以后
1971 HSS （Hospital for Special Surgery, New York）
Peter Walker, Ph.D 在HSS 创建了工程学系 开始研发系列化膝关节系统涵盖从简单的单髁置换到软组织 结构替代的一系列针对膝关节疾病的植入物
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解剖型胫骨假体
追求覆盖 追求力线
对称型胫骨假体
对线不佳
覆盖不全
胫骨平台为非对称形，如果采用对称设计的胫骨假体，为了追求覆盖 ，容易导致假体安放在内旋位置 如追求力线准确，则内侧平台后方骨质覆盖不全，容易造成下沉。
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解剖型胫骨假体
解剖形设计的胫骨假体可以达到与胫骨截骨面皮质完美接触，实现皮质骨支撑 假体，有效减少假体下沉，最终实现降低翻修率 。 解剖型胫骨假体由于为非对称设计，安装时不容易将假体安放到内旋位置， 只需将假体与胫骨截骨面尽可能的重合，即可保证正确对位和力线
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1976
• 两个明确的膝关节设计理念和手术技术开始出现 • New York：PCL切除型假体 • Boston：PCL保留型假体 双髌型假体
双髁型假体
（保留PCL）
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几何型膝假体 （美国 Coventry）
解剖型膝假体
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– 生物固定型假体的摆动 及不稳
• 以压配式假体（Press Fit）开始了变革
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Microlock
• 微锁定理念受下列因素制约：
– 较差的手术器械 – 较差的临床效果
• • • • 带金属托髌骨假体的高失败率 假体不稳定 胫骨平台假体固定效果差 钛合金的负重差
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膝关节的几个概念
• • • • 保留后交叉的假体 CR 后稳定型假体 PS 旋转平台的优点 CR---PS 假体区别
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Gemini MKII 基本设计理念
• 活动平台 • 全解剖型设计
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活动平台构件
著名人工关节大师John N.Insall指出： 任 何固定平台设计的假体都不可能解决低接触 应力和自由旋转之间的矛盾。
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按限制程度： 非限制性-单髁 PS CR 等 半限制性 -LCCK 全限制性 -旋转铰链 按是否模拟膝关节旋转功能：旋转平台垫 固定平台型 按置换范围：假体可分单髁、双髁、 全髁型（表面置换） 按固定方式：骨水泥型、非骨水泥型 按是否保留后交叉韧带：后交叉韧带保留型（CR) 后交叉韧带替代型（PS)
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活动平台解决了形和度和限制性之间的矛盾
固定平台 曲面对平面
固定平台曲面对曲面
活动平台 曲面对曲面
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Gemini MKⅡ （CR）
+
自由旋转 高形合度
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旋转平台可以自动调整力线
追求覆盖 追求力线
对线不佳
覆盖不全
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膝关节假体设计及Gemini系列产品
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膝关节假体设计历史
19世纪早期：机械性模仿及间隔作用
1800-1840 关节切除成形 切除关节内病变的软骨
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19世纪
1840s-1890s 关节间隙成形 关节间隙内放置生物膜或非生物膜：包括木 质结构、自体组织或动物组织 Verneuil用软组织充当间隔物重建关节面， 所用材料包括猪膀胱，尼龙，阔筋膜及髌前 滑囊等 1860年Ferguson做膝关节软骨切除，形成新 关节
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第一个非链接型后稳定假体
最早的后稳定型假体之一 IB Ⅰ、IB Ⅱ
TC－II 1977 HSS
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1977-1979：带金属托的胫骨平 台假体出现
• 为改变高失败率的全聚乙 烯平台假体设计 • 大多数金属托为CoCr合金 • Cintor在TC假体和Duo Patella假体中使用了钛合金 金属托
假体设计理念的进展 95% at 10 years
• • • • • • 对膝关节解剖学的进一步了解 对膝关节几何学的进一步了解 对膝关节运动学的了解 材料学的进展 摩擦学的进展 制作工艺的进展
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膝关节置换现状
• 疗效好-止痛，恢复行走， 生活能够自理， • 使用寿命长-10年假体生存 率95%以上 • 操作规范 • 分型细化-出现适应不同病 情的假体（单髁，表面假体 ，翻修假体）
The conflict between low stress articulations and free rotation could not be solved by any fixed bearing knee design.
(InsaLeabharlann Baidul , Orthopedics 1998)
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由于活动平台的存在，大大减少了膝关节旋转活动对胫骨假体的剪 切力，降低了假体的松动率 胫骨假体所受的旋转应力：固定平台>活动平台
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活动平台构件
髌股关节并发症的主要原因是髌骨在股骨髁间滑槽中运动轨迹的 改变，活动平台假体中旋转平台的旋转可以调整髌骨的运动轨迹 始终处于良好位置 髌股关节友好：固定平台<活动平台
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接触面积与接触压强
来源：Dennis DA, Komistek RD, CORR, 2006
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股骨假体与平台接触面积比较：活动平台与固定平台
来源：Brown C, Tipper JL, Bell C et al., Comparison of wear particles generated by fixed and rotating platform mobile bearing knee designs Transactions 51st Annual Meeting, Orthopaedic Research Society, 2005;30:1230
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股骨－胫骨的高形合度在全膝关节置换中是 一个和好的特征，可以减少股骨髁和胫骨平 台超高分子聚乙烯的接触应力，这一应力可 以导致假体的松动。但是，形和好的假体可 以产生高的剪切应力，这同样会导致松动19－ －－正常膝关节在屈伸活动过程中存在旋转 运动。
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The Leeds Knee 1967 - 1974
B B Seedhom, PhD
Anatomic Approach
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1972 Geomedic双髁假体
• 带有 髌骨 翼但 无髌 骨假 体
1972 FreemanSwanson双髁假体
• 双髁（Bi-Condylar）假 体首次出现