【doc】股骨远端关节面几何学特征在人工关节设计中的意义

【doc】股骨远端关节面几何学特征在人工关节 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中的意义 股骨远端关节面几何学特征在人工关节设 计中的意义 2882002 ? 人工关节置换? 股骨远端关节面几何学特征在人工关节 设计中的意义 周殿阁目厚山方嚣张珏张斌 【摘要】目的从几何学角度分析正常国人股骨远端关节面特征,探讨与睬关节运动学的关系及 其在人工膝关节假体设计中的意义方法收集lO具尸体膝关节标本进行解剖.通过内外上髁轴钻孔 后进行MR检查,同时收集2O例正常成人志愿者膝关节MR图像资料:几何学最小二乘法分析正常 志愿者及尸体晾关节标本的股骨远端关节面特征,同时测量尸体晾关节标本通过内外上髁的钻孔与股 骨远端关节面之间的关系=结果矢状位关节面拟合后得到股骨内外髁远端及后髁关节面相切的两个 圆弧,钻孔通过滑车部位后十字韧带止附近=经统计学分析,内外侧后髁圆弧半径及关节面圆弧半径 之问比较差异无显着眭意义(P>005);远端外髁关节面半径太于远端内髁(P<0D1),但内侧远端 关节面弧度远远大于外侧(P<0叭);内髁远端曲面半径与内侧后髁曲面半径之比为1.89,外髁远端 曲面半径与外俩后髁曲面半径之比为2O1,二者之间接近倍数关系相关性检验显示内侧髁远端关节 面半径与内侧后髁关节面半径有明显相关(r=0814,P<001),外侧髁远端关节面 半径与外侧后髁 关节面半径有叫显相关(0740.P<0叭).通过内外上髁轴的钻孔L道近似于股骨 远端后髁关节 面的固定轴心结论矢状位股骨髁内外侧关节面可被两个相切的圆弧所代表,其圆 心近似于内外上 髁轴,可看作膝戈节屈曲固定轴;内外上髁钻孔通过后十字韧带止电附近,显示十 字韧带在膝关节屈 曲活动中的重要作用;股骨内侧远端关节面曲面半径为后髁关节面曲面半径之比 接近倍数关系,殷骨 内侧髁关节面较外侧髁扁平,其特点主要表现在股骨远端关节面: 【关键词】膝关节:睬关节,几工;假体设计 GeometriccharactersofdistalfemurandkneeprosthesisdesignZHOUDiange.LUHous^0几C Jiog,eLa1..,frthritAClinicandResearchCenterPekingUniversityPeople'sHosp~al,Beqing100044.China IAbstract10bjectiveTocharacterizethegeomet0fthedistalfemul-innorl/lalchinosepeople. andexploreits"l? dorionwithkinematicsaswelIasprosthesisdesignoftheknee1ointMethotisThedistal tour8of10cadaverknee1ointsand20knee1ointsofnorlllaladultvatunteerswereanalyzedwil】】MRlonthe sagittalandhn~zontaIplanesForcadaverknee1oints.anatomicstudyw出 conducted.andahalewasdrilled ol3thedistalfenlHrattheconnectiononthefemoralinse~ionsofthecollateralligamentsLeast$qual~fitting wasusedtoaualyzetheMRIpictureso13thesagitta]plane.ResultsOnthesagittalplane.bilateraldistal condylarsurfacesanfIpo~steriorcondylarsurfaceswerefittedintotwotangentcircles.theholepassedthrougJ~ theinse~ionll】posteriorCrUCiateligamentfPCL】 Theradiusandtheradianofthemedialposten0rc0ndvlar circlewerenotstatisticallydifferentfromthatofthelateralposteriorcondvlarcircle(P>0.051.Theradius ofthe】 ateraldistaIcondylarcirehiwasstatisticalIvlargerthanthatofthemedialdistalcondylareirclefP( 00lI.whereastileradianofthemedialdistalcondvlarcirclewi:L~statisticallvim'gerthanl】】 at0fthelateral distalcondflarcln:ie【P<0O1)eradiusofthedistalcirclewas189and2.01foldofth0se『】 fthe medialposlerinrcircleandthelateralposteriorcirderespectivelyCorrelationbetweenradiusofmedialdistal condylarcircleandthatofmediaIposteriorcondylarcirclewasstatislicalIvsignificam{r=0814.P<00lJ. Correlationbetweenradilateratdistalcondylarcircleandthatoflaternlposleriorcondylarirelewas statisticallysignificant(r=0.740.P<0O/1.eholepassingthroughtheepieondylaraxiswasaD口roxi. matewiththefixedflexionaxisConclusionOnthesagittalplane. bilateralposteriorcondylarcurv~ture8 awellfittedintotwotangentcircles;theircentersareclosetoepicond~laraxisandapproxlmatethfixed flexionaxisoftheknee.'fheholepassingthroughtheepieondylaraxisisalsopasstheinsortofPCL:this IneansthatPCLph'YanintpertantroleinflexionofthekneeTheradiusofthedistaltitlew踮 approxjmate twotimeslargerthanthatoftheposteriorcircle. Medlalcondylarisflatterthanlateralcondylar;distalarticular 作者单位100044北京上学^冠医院骨关节科【周鼹,吕dt 张斌l博~q:-X读j1.北京太学力学系『方竞张珏f博上生在读j1 surfacedetendinesthemajorcharac— teristiesofthefemoralcondyles 【Keywords]KneejaltKn prosthesis;Prosthesisdesign ? 中华骨科杂志20112年5H第22卷第5翡ChinJO~hop.May2002v一I22.N"5-289 膝关节表面的几何学特征对了解膝关节运动 学有重要意义,对人]二关节假体的设计及手术操作 均有重要的指导意义本研究利用正常尸体膝关节 标本进行实验,用几何学测量方法分析股骨远端关 节面的形态学特征及其与内外上髁及侧副韧带之 间的关系 材料与方法 一 ,实验材料及标本 (一1甲醛溶液固定的正常,完整成年尸体膝关 节标本10具.无年龄及性别 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 ,标本选择膝关节 发育正常,关节软骨表面光滑无破坏者长度截取 自膝关节线上下争少20cm取膝关节前正中切口 暴露股骨两侧内外E髁及侧副韧带起(股骨侧)止 (胫骨侧)点,解剖内侧副韧带止点,修整韧带止点 周围组织,追踪内侧副韧带浅层及深层起点部位并 结合触诊找到内}髁淘此部位为内侧副韧带股骨 侧深层起点…用特制卡尺固定于股骨外上髁最外 点及内上髁沟最深点处.以直径2mm的克氏针在 卡尺的引导下钻L.此孔道通过的轴线为内外上髁 外科轴(surgicalepicondylaraxis,SEA)…手术完成 后缝合膝关节及皮肤.用美国通用电器公司生产的 SignaCvi型核磁振扫描机进行水平位及矢状位 扫描,矢状位图像垂直于钻孔线.扫描层厚4mm,间 距1mil1 1二j另采集正常成年志愿者2O例2O膝进行相 同方法的MR矢状位扫描2O例志愿者中.男9例, 女11例;平均年龄28.8岁(25,55岁) 二,测量方法 在矢状位图像上.选择最接近股骨髁关节面最 高点的层面进行测量.首先找出股骨后髁上方软骨 边缘点及关节伸直o.位时股骨髁关节面与胫骨平 台相交处(半j1板前角上方),作两点连线,此部位 关节面为膝关节从0.到最大屈曲范围内胫骨平台 与股骨髁相关节的部位然后,将图像进行灰度处 理,确定此段关节软骨轮廓曲线,应用数学测量软 件以最小二乘法曲线回归原理进行内外髁关节面 轮廓的曲线拟合分别测量以下参数:r,r--,内外 后髁关节面半径:n,内侧后髁关节面弧度;B,外侧 后髁关节面弧度;R.内外髁远端关节面半径; ,内髁远端关节面弧度:13,外髁远端关节面弧度; d,后髁圆心与钻L之间的距离;D,后髁圆弧直径. 水平位测量钻孔与后髁关节面连线的夹角即后髁 角(posteriorcondylarangle,PCA)测量结果将矢状 位关节面拟合测量结果中正常活体膝关节与尸体 膝关节数据台并进行统计.用SPSS软件进行各参 数之问配对检验及相关回归分析. 结果 解剖所见,内外侧副韧带均有深浅两层.外侧 副韧带起点局限于股骨外上髁尖附近;内侧副韧带 股骨侧起点范围较大,分布于内上髁部位呈半月形 隆起的嵴上,直径可达1f,t31.半月形嵴的中心为一 浅沟,为内侧副韧带深层起点,此部位较局限,自内 上髁沟的钻孔部位恰好通过内侧副韧带深层起点, 屈曲时可见内侧副韧带深层紧张度增强. 一 ,人体膝关节及尸体膝关节标本矢状位测量 结果 (一)矢状位MR图像测量结果 如图l所示,矢状位关节面拟合后得到股骨内 外髁远端及后髁关节面相切的两个圆弧,其中股骨 远端前后圆弧位置相切,滑车部位钻孔通过后十字 韧带股骨侧起点附近.各圆半径及弧度的测量结果 见表1.2 ?图l矢状位MR关节面图像经最小二乘法曲线回归 拟台后得到股骨内外髁关节面前后相切的两十圆弧 a远端关节面圆心b钻Lc后髁关节面圆心 Fig1Twolattgentcircles山tainedbyleastsquaretilting 0"MRIsag[ttalandistfemurarticularpmfile a(entrofdislalarticularcimlebhole 【cc~lerofposteriorar0cnl~cimle (二)统计学分析结果 1经配对检验,内外侧后髁圆弧半径(r"一 rr1比较差异无显着性意义(P>005),外侧后髁 关节面弧度较内侧大2.5.(13>),但差异也无显 着性意义(P>005). 2.外恻髁远端关节面半径(R)大于内侧髁远 端半径(R】{P<0.叭),但内侧远端关节面弧度远 远大于外侧(r>p-,P<O01),表明远端内侧关 节面轮廓较外髁"扁平"且前后径较外侧大. 3内外髁远端关节面曲面中心恰好位于各自 ,/ 表l股骨远端关节面圆弧半径及关节面弧度(i?) Tab.1Radiusandradlanofarticularcircleindistalfemurl? 褒2不同参数之间的配对f检验及相关性比较 Tab.2Pairedttestandcorrelationofdifferentdatas 统计数据……一B?一月IdI—日lM_ruIr Data 注:'差异有并什廖卫(stm】significance);差异九着性息卫 l0statisticgniGcanee) 后髁的曲面圆周线附近,内髁远端曲面半径与内侧 后髁曲面半径之比为1.89,外髁远端曲面半径与外 侧后髁曲面半径之比为2.叭.二者之间接近倍数关 系.相关性检验表明二者有明显相关性,内侧髁远 端关节面半径i内侧后髁关节面半径的相关系数 为0.814(P<0.01),外侧髁远端关节面半径与外 侧后髁关节面半径的相关系数为0.740(P( H【mmJ 图2外髁远端半诤一一)和内髁远端半)线性回归关系 Fig2Linearregnes~onofdJsla]circlebetweenmedia](1) alaleral(Jeondylas r-'(mm) 与内侧后髁半径()的线性回归关系 图3内髁远端半径() F3unBHTregressionmedia|ci~lebelwecndlslalIM) andp~lefiorfr)c】mle 周4外髁远端半径t一)与外侧后髁半径(r)之间 的线性同归关系 Pig4TJnearei0noflateralcirclebetweendistal(RT) andposterior(rI)eondyius 0.01),相关性均显着 4.将上述有明显相关性的参数组进行相关性 分析,并得出每组内两个参数的直线回归方程(图 2,41. 二,尸体标本钻孔位置及水平位测量结果 (一)如图1所示,尸体标本测量结果表明,矢 状位上通过内外上髁的钻孔正好位于后髁的圆心 附近.与外侧后髁圆心的平均距离为3.54mm,与内 侧后髁圆心的平均距离为4.22mln.两侧几伺圆心 与钻孔距离占后髁圆弧直径之比如表3所示. 表3内外髀钻孔与后髀几何圆心之间的距离{mm) Tab.3Thedistancebetweenhoksandcenterofcircle OilImthme出alandlateralcondylus(mm) 部位钻孔一圆心距离d后髁直径Dd/D比值 PartDi~neeomh0kDisasteroc?Ratioofd/D t0ceH[eroftitlecondylarelrcie (二)水平位图像测量,通过内上髁沟与外上髁 尖端的钻孔线与后髁夹角平均为4.1.(图5). (三)矢状位观察股骨髁间,钻孔在此处通过后 十字韧带起点前方平均3.2111111处. 讨论 膝关节表面的几何学特征个体差异较大,测量 华骨科杂志2002年5第22卷第5期ChinJO~hop.May2002.Vd22.—5?291 阿5水平I町观察钻孔的位及后髁带 Fig5Relatinnshipbetweentheh0andpop,riotrondylar anglen?honzonlalplane 方法也相当复杂,传统的膝关节瞬时运动中心理论 认为膝关节面的瞬间运动轴线是不同定的,人工膝 关节假体的股骨表面为多半径设计.近年出现的嗉 关节固定轴理论将膝关节运动简化为围绕固定于 股骨髁上的横轴和定于胫骨内恻的长轴进行i 维空间运动,这一假说认为膝关节屈曲轴位于股骨 内外上髁附近,与内外上僻轴和内外侧副韧带起点 有密切关系,,罔内这方面的研究报道尚不多见 本实验通过MR影像进行测量,更真实地反映关节 面形态,结台数学衄小二乘法原理最大限度地减 小了实验误差结果显示矢状位股骨内外髁关节面 拟台为两个基本中H切的圆,股骨内外后髁的圆弧半 径基本相等,其弧度比较差异也无显着性意义,但 外髁圆弧角度稍大结合内外髁远端关节面拟合及 比较结果发现股骨内侧髁远端半径小于外侧髁远 端,而内侧髁远端弧度远远大于外侧髁,可见股骨 远端内侧髁较外侧髁"宽"而"扁",股骨外侧髁较 "圆",其特征主要表现在股骨远端若节面,股骨内 外侧后髁关节面矢状位轮廓基本相似即关节在屈 曲过程中相同的膝关节屈曲角度下内髁关节面滚 动的距离较外侧长,在膝关节屈曲到一定程度时, 胫骨内外侧关节面均由大的圆弧从切线位进人一 个同心圆轨道由于本实验未行膝关节运动学研 究,此切线位与膝关节屈曲角度相对应的生物力学 关系尚待进一步研究证实. 日本的Matsuda等1998年 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 测量了股骨内 外侧髁的曲面半径,也得出股骨内外后髁部分曲面 半径内外髁几乎相等的结论.这一结果与本实验结 果极为近似,表明膝关节在屈曲到某一角度时,其内外侧髁围绕一个固定的轴线运动: 解剖时发现,恻副韧带起点特别是内侧副韧带 起点不能看作是一个点,而是一个面,特别是内侧副 韧带,其起点范围直径可达1CIII.内外侧副韧带股 骨起点均分为深浅两层,在臁关节伸直时浅层紧张, 屈曲时浅层松弛而深层紧张,这也是本实验选用内 上髁沟作为钻孔位置的依据之一.因此本组认为后 髁固定轴线与内外侧副韧带起点即内外上髁轴有 "近似"关系. 但内外上髁轴与膝关节固定轴是否完全吻合尚 存在不同看法.Churchill等II998年报告膝关节最 佳屈曲轴通过股骨后髁中心,与内外上髁轴无明显 差别.但他指出固定轴与内外上髁轴线之间存在 3.4mm的位移和2.9.的夹角,此角度与本实验测量 到的膝关节水平位上钻孔与后髁线之间的4.夹角 相近.但在临床上,可以认为膝关节运动被简单地 描述为围绕固定的屈曲轴和胫骨旋转轴的运动,最 佳屈曲轴可模糊地认为与内外上髁轴"非常近似". 此轴线的定位在临床应用中很重要,手术中内外上 髁I:1f由触诊找到,在应用后髁进行股骨假体旋转定 位的膝关节置换手术中,如果股骨后髁发生破坏,则 会发生旋转定位的不准确,此时内外上髁轴是重要 的参考定位标志. 与传统的瞬时旋转中心理论相比,后者瞬时旋 转轴线的移动范围达15—201TI1TI0,与本实验固定 轴的距离相比大得多瞬时旋转中心理论的目的是 想在单一的平面上解释所有的运动,因此其测量的 误差也很大.而螺旋轴线分析方法其轴线的移动范 围也达10,15Ill1TI,角度变化达30.一45mI,如此大 的移动范围使人很难对腺关节的运动有一个准确的 把握.并且Panjabi等1982年报告认为二维平面 上的膝关节运动学研究可使误差达到28mm本研 究结果显示的几毫米的范围相对于整个膝关节来说 很小,因此固定轴理论的意义在于将膝关节旋转轴 线固定后,便于进行各种各样的几何学及生物力学 分析,对进一步了解膝关节的运动学及生物力学特 征有重要意义. 实验中还观察到,从膝关节拟合圆弧半径及弧 度之间的回归分析看,膝关节前后髁之间,内外髁之 间存在显着的相关关系,股骨内外髁远端关节面半 径与后髁关节面曲面半径之比分别为内侧1.89和 外侧2.叭.表明股骨远端曲面半径的中心正好位于 后髁曲面中心的圆周上,并且两弧相切.这对于膝 关节屈曲过程中远端曲面向后髁曲面的平滑过渡有 重要意义.纽约特种外科医院的Walker等I在早期 的朦关节假体的设计研究中将股骨内外髁关节面拟 台为两个相切的圆弧,他们认为这样拟台的关节面 范围最大,吻合敬果也最好.两个圆弧前后半径之 比为1.8:1或2:1.1985年,Mensch等报告用两 个不同半径的圆分别拟台屈膝0.,45.和45.,120. 的两个位置上关节面圆弧,结果认为股骨内外髁前 后半径之比分别为1.7:1或19:1.平均1.8:1.上 述两则报道与本文实验结果极为近似. 本实验从几何学角度分析了膝关节股骨髁关 节面轮廓与内外上髁轴及内外侧副韧带之间的关 系.实验结果表明股骨后髁矢状位内外侧关节面可 视为半径相等的圆形,其圆心近似于内外上髁轴, 可看作膝关节屈曲固定轴;内外上髁钻孔通过后十 字韧带起点附近,显示后十字韧带在膝关节屈曲活 动中的重要作用;股骨内侧远端关节面曲面半径为 后髁关节面曲面半径之比接近倍数关系,股骨内侧 髁关节面较外侧髁扁平,其特点主要表现在股骨远 端关节面.膝关节固定轴理论对经典的膝关节的运 动学原理及人工膝关节假体的设计提出了新的课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,其中具有代表性的膝关节假体如近年应用较广 泛的Scorpio单半径膝关节假体就是应用单半径理 论设计的,这种假体在膝关节屈曲过程中关节面的 力学过度平滑,避免了屈曲过程中侧副韧带紧张度 的较大变化,降低了关节磨损并增加了膝关节的屈 曲角度,该假体在实际应用中取得了良好的近期和 中期敬果191o但膝关节的运动除屈曲活动外,同时还 伴有胫骨的内外旋运动,其稳定结构除侧副韧带之 外,还有前后十字韧带,半月板乃至伸肌装置的参 与,假体置换后在上述部分结构改变的情况下是否 对膝关节的运动学及远期固定效果造成影响以及 随着近年来活动承重式膝关节等膝关节假体的出 现,韧带对膝关节置换后运动学模式的影响等问题 尚待进一步深人研究. 参考文献 IBergerRARubashHE.SeeIMJ.etalDeterminingtherolationaI alignmentofthefemoralcomponentintotalkneearthroplastyusing theepieondylaraxis.ClinOrthop,1993,(286):40—47 2ChuTchillDL.IneavosJJohnsoncC.ata1.Thettansepieond,dar axisapp~xima/estheoptimalfl~xioaaxisoftheknee.CllnOrthop? 1998(356):111—118 3HollisterAM.JataaaS.SisdaAK,a1.The—ofrotationofthe kneeClinO~hop,I993.【2901:259—268. 4MatsudaSMatsudaH,MJ}agiTetalFestaleand?legeomet~ inth…,】and?skClinOrthop.1998,(349):l83一 】88 5SoudanKVanAudekemkeR~lartensMM-0ds.difficultiesand in.curaciesin1hestudyofhumanjointkinematicsandpathokln~' matfosby【heinstantaxisconceptExample;theknee{oint.J Biomeeh.1979.12:27—33 6P~jabiMM.GoelVKWalterSDErrorsinkinematicparametersof ap]aaKrJoint:guidelinesforoptimalexperimentaldesign.J 544 Biomech,1982,15:537— 7Walker鸺.Shnj[H.ErkmanMJTherolatfonalaxisofthekneeand itssignificance协p~sthesisdesign.ClinOrhtop.1972,(89) 16O一170 8Men~hJS.AmstutzHCKneemorphologyguidetokneer placementC]inOrthop.1975,【l12):231—241. 9H』lI.袁燕韩.寇伯龙.等1202个人工晦关节置换术的临 l术特点分析.中华骨科杂志.2001.2l:7l0—713 (收稿日期:2001一I2-31) (本文编辑:马宏庆) 福善美@骨科临床 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 征集活动通知 目前在骨科临床如何有效预防人工 关节置换术后可能引起的假体松动,从 而确保手术成功率已越来越受到广大骨 科医师的重视.同样如何有效预防骨质 疏松性骨折患者的再次骨折亦受到越来 越多骨科医师的关注.为了鼓励更多骨 科医师参与这两项课题的观察与研究, 杭州默沙东制药有限公司与中华医学会 骨科分会合作开展福善美0骨科临床论 文征集活动. 内容:(11骨科临床应用福善美0预 防骨质疏松性骨折患者的再次骨折.(2) 骨科临床应用福善美0预防人工关节置 换术后可能引起的假体橙动. 要求:未公开发表的学术论文,并附 摘要.正规论文格式.每篇论文须至少收 集20例以上治疗组患者.为确保论文真 实性,请加盖单位公章. 评选与奖励;2002年l2月由中华 医学会骨科分会临床论文评审专家组评 选出一等奖1名,二等奖3名,三等奖8 名.一等奖:获得2003年国际骨质疏松 会议参会赞助(欧美地区);二等奖:获 得2003年国际骨质疏松会议参会赞助 ? 消启,? (亚洲地区);三等奖:获得2003年中华 医学会骨质疏松年会参会赞助.所有投 稿的第一作者均将获得精美礼品一份. 获奖论文(一,二等奖)将向《中华骨科 杂志》推荐发表. 征稿起始日期:2002年5月8日,征 稿截止日期:2002年l1月30日 投稿邮寄地址:上海邮政信箱 20—073,邮编:200020.投稿E—MAIL 地址:Lucy~u@merck.corn 本活动由杭州默抄东制药有限公司 赞助,咨询电话:(021)63915522转221.