膝关节置换假体包括股骨部件和胫骨部件,它们使得股骨能够相对于胫骨前后平移并且在膝关节弯曲时使得胫骨能够绕其纵轴旋转。股骨部件连接到被切的股骨的远端,并且包括:内髁和外髁,它们具有远侧活动连接面;以及髌骨凸缘,其具有髌骨活动连接面。该胫骨部件连接到被切的胫骨的近端,并且包括具有内凹面和外凹面的近侧承载面,所述内凹面和外凹面与内髁和外髁活动连接。髁和凹面的活动连接面由超环区段限定。
1.一种具有前侧、后侧、外侧、内侧、远侧和近侧以及矢状面、冠状面和横切面的膝关节置换假体,包括:a)股骨部件,其连接到被切的股骨的远端,所述股骨部件包括:内髁和外髁,所述内髁和外髁具有远侧活动连接面,所述远侧活动连接面含有具有主转轴线和次转轴线的超环前面和超环后面;以及髌骨凸缘,其具有活动连接髌骨面;以及b)胫骨部件,其连接到被切的胫骨的近端,所述胫骨部件包括分别与所述内髁和外髁活动连接的近侧内承载面和近侧外承载面,所述近侧内承载面和近侧外承载面具有主曲率半径被定向在不同平面内的超环前面和超环后面;其中,所述假体使得股骨能够相对于胫骨进行前后平移,并且在膝关节弯曲期间使得胫骨能够绕其纵轴线旋转。
2.根据权利要求1所述的假体,其中,在膝关节从全伸开弯曲到中间位置时,胫骨的轴向旋转被限制在小于10度,在膝关节从该中间位置弯曲到全弯曲时,允许胫骨的轴向旋转大于10度。
3.根据权利要求1所述的假体,其中,所述内髁和所述外髁的所述前面和所述后面的主曲率半径被定向在所述矢状面内,并且每个面的次曲率半径基本上被定向在所述冠状面内。
4.根据权利要求1所述的假体,其中,每个髁的前面和后面的主曲率半径不相等,而所述每个髁的前面和后面的次曲率半径相等。
5.根据权利要求1所述的假体,其中,每个胫骨承载面的前面的主曲率半径被定向在所述矢状面内,而次曲率半径被大体定向在所述冠状面或者横切面内。
6.根据权利要求5所述的假体,其中,每个胫骨承载面的后面的主曲率半径被定向在所述横切面内,而次曲率半径被大体定向在所述冠状面内。
7.根据权利要求4所述的假体,其中,每个胫骨承载面的前面和后面的主曲率半径不等,而次曲率半径相等。
8.根据权利要求7所述的假体,其中,所述内髁的活动连接面的次曲率半径等于或者小于所述胫骨的内承载面的前面和后面的次曲率半径,并且所述外髁的活动连接面的次曲率半径等于或者小于所述胫骨的外承载面的前面和后面的次曲率半径。
9.根据权利要求1所述的假体,其中,所述内髁的前面和所述外髁的前面中的每个面具有不同的主曲率半径,且所述内髁的后面和所述外髁的后面中的每个面具有不同的主曲率半径。
10.根据权利要求9所述的假体,其中,所述内髁的前面和后面以及所述外髁的前面和后面中的每个面具有相同的次曲率半径。
11.根据权利要求9所述的假体,其中,所述内承载面的前面和所述外承载面的前面中的每一个具有不同的主曲率半径,且所述内承载面的后面和所述外承载面的后面中的每一个具有不同的主曲率半径。
12.根据权利要求1所述的假体,其中,对于主曲率半径,所述内承载面和所述外承载面共享单一中心。
13.根据权利要求1所述的假体,其中,对于主曲率半径,所述内承载面和所述外承载面具有不同的中心。
14.根据权利要求1所述的假体,其中,所述内髁和所述外髁的前面中的每一个具有位于所述矢状面内的至少第一主曲率半径,且后面中的每一个具有比所述前面的第一主曲率半径小的、位于矢状面内的至少第一主曲率半径。
15.根据权利要求14所述的假体,其中,所述超环前面和超环后面中的每一个具有多个位于所述矢状面内的主曲率半径。
16.根据权利要求15所述的假体,其中,所述超环前面和超环后面中的每一个具有相同的次曲率半径。
17.根据权利要求1所述的假体,其中,所述内承载面和所述外承载面的前面中的每一个具有位于所述矢状面内的至少第一主曲率半径和比该第一主曲率半径大的、位于所述横切面内的至少第一主曲率半径。
18.根据权利要求17所述的假体,其中,所述内承载面和所述外承载面的前面中的每一个具有多个位于所述矢状面内的主曲率半径,并且后面中的每一个具有多个位于所述横切面内的主曲率半径。
19.根据权利要求18所述的假体,其中,所述内承载面和所述外承载面的前面和后面中的每一个具有相同的次曲率半径。
20.根据权利要求2所述的假体,其中,胫骨轴向旋转小于10度从全伸开到所述中间位置,而轴向旋转大于10度从所述中间位置到全弯曲。
21.根据权利要求1所述的假体,其中,所述内髁和所述外髁在弯曲期间在所述内承载面和所述外承载面上向后平移,而在伸开期间向前平移。
22.根据权利要求21所述的假体,其中,在该假体完全弯曲后,向后平移1-2毫米。
23.根据权利要求1所述的假体,其中,每个髁的后部被成形为允许弯曲大于100度。
24.根据权利要求1所述的假体,其中,每个髁的后部被成形为允许弯曲大于130度。
25.根据权利要求1所述的假体,其中,所述胫骨部件包括:基底,其具有远侧面和近侧面;以及衬垫,其具有与该基底的近侧面接合的远侧面和形成与所述股骨部件接合并活动连接的所述内承载面和所述外承载面的近侧面。
26.根据权利要求25所述的假体,其中,所述基底包括:基板,其靠在胫骨平台上;以及龙骨,其固定在该基板的远侧面上,且可以插入近侧胫骨髓管内。
27.根据权利要求26所述的假体,其中,所述基板的远侧面具有带纹理的粗糙面。
28.根据权利要求1所述的假体,其中,所述股骨部件相对于所述胫骨部件的向前和向后的平移由后交叉韧带控制。
29.根据权利要求1所述的假体,其中,胫骨的旋转由后交叉韧带控制。
30.根据权利要求1所述的假体,其中,所述股骨部件包括连接所述内髁和所述外髁的后端的凸轮,且所述胫骨部件包括位于所述内承载面和所述外承载面中间的中心柱。
31.根据权利要求30所述的假体,其中,所述股骨部件相对于所述胫骨部件的向前和向后的平移由所述凸轮和中心柱控制。
32.根据权利要求30所述的假体,其中,胫骨绕其纵轴线的旋转由所述凸轮和中心柱控制。
33.根据权利要求30所述的假体,其中,所述凸轮与中心柱之间的接触发生在膝关节弯曲大于30度时。
34.根据权利要求1所述的假体,其中,每个远侧活动连接面的主曲率半径的中心位于连接股骨的内上髁和外上髁的轴线上。
35.根据权利要求11所述的假体,其中,每个远侧活动连接面的主曲率半径的中心位于连接股骨的内上髁和外上髁的轴线上。
36.根据权利要求1所述的假体,其中,每个内承载面和每个外承载面的前面和后面平滑交叠在一起。
37.根据权利要求36所述的假体,其中,所述内承载面和所述外承载面与修补面拟合,该修补面与所述髁活动连接。
38.一种具有前侧、后侧、外侧、内侧、远侧和近侧以及矢状面、冠状面和横切面的膝关节置换假体,包括:a)股骨部件,其连接到被切的股骨的远端,所述股骨部件包括:内髁和外髁,所述内髁和外髁具有远侧活动连接面,所述远侧活动连接面含有具有主转轴线和次转轴线的超环前面和超环后面;以及髌骨凸缘,其具有活动连接髌骨面;以及b)胫骨部件,其连接到被切的胫骨的近端,所述胫骨部件包括:近侧承载面,其具有与所述内髁和外髁活动连接的内凹面和外凹面,所述内凹面和外凹面含有具有主曲率半径和次曲率半径的超环前面和超环后面;其中,所述假体使得股骨能够相对于胫骨前后平移,并且在膝关节弯曲期间使得胫骨能够绕其纵轴线旋转。相关的申请此非临时申请要求于2008年2月18日提交的名称为Totalxa0Kneexa0ReplacementProsthesis(全膝关节置换假体)的美国临时申请No.61/029,457以及于2008年2月18日提交的名称为Totalxa0Kneexa0Replacementxa0Prosthesisxa0withxa0Highxa0OrderNURBSxa0Surfaces(具有高阶非均匀有理B样条表面的全膝关节置换假体)的美国临时申请No.61/029,438的优先权,这两个申请通过引用并入本文。技术领域
本发明涉及全膝关节置换假体,特别地,涉及具有由超环面限定的活动连接面的膝关节假体植入物,该膝关节假体植入物可以更准确地模仿正常膝关节的功能和运动。
背景技术
尽管在无意的观察者看来人的膝关节是简单的,但是膝关节要沿着复杂的路径活动连接。在弯曲膝关节时,胫骨绕着冠状轴线相对于股骨明显旋转(弯曲)。然而,股骨还在胫骨上向后平移,且胫骨还绕其纵轴线旋转。此外,在旋转膝关节时,髌骨被适度牵引。人的膝关节的复杂的活动连接路径主要由股骨远端和胫骨近端的几何结构确定。例如,股骨内侧髁较短且为球形,而股骨外侧髁较长且为椭球形的。胫骨内侧髁为凹的,而外侧髁为凸的。人的膝关节的活动连接的复杂路径还由包围并连接股骨远端和胫骨近端的韧带的布局确定。人的膝关节由两条并行的韧带补足,一条位于该关节的外侧,而另一条位于其内侧。每条韧带连接到胫骨和股骨。到股骨的连接点大体在弧线的轴线上,胫骨的另一端沿该弧线运动且膝关节沿该弧线弯曲。并行的韧带以内外翻应力对膝关节提供稳定性。在膝关节的中部,人的膝关节还包括两条交叉韧带。一条交叉韧带连接到胫骨的后边沿,而另一条交叉韧带向前连接到胫骨的前边沿。这两条韧带在大体位于所述并列的韧带的轴线上的髁之间的凹处均连接到股骨。所述交叉韧带在前后的方向上提供稳定性,并且还允许膝关节轴向旋转,即,绕其纵轴线旋转。因此,在膝关节弯曲时,胫骨绕其纵轴线内旋转。已知的全膝关节置换假体通常包括股骨部件和胫骨部件,股骨部件和胫骨部件通过压配合或者通过利用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥粘结分别连接到股骨远端和胫骨近端的切面。每个部件包括一对髁面,所述髁面相互友好并且允许各部件互相相对活动连接。友好的髁面的几何结构决定运动的复杂性和自由的程度,即,所述部件能否相互相对弯曲、平移、和/或旋转。该股骨部件还包括髌骨凸缘,该髌骨凸缘与正常髌骨或者与人造髌骨部件活动连接。该髌骨凸缘为四头肌肌肉提供杆臂。已知的全膝关节假体不能精确地再现人的膝关节的髁面。例如,已知的假体的股骨髁面通常为凸的,且在内外方向和前后方向上环绕。前后方向上的曲率半径大于内外方向上的曲率半径。通常,髁的远端面和后端面的矢状曲率(sagitalxa0curvature)的弧心的中心在连接内上髁和外上髁的轴线上,因此在弯曲和拉伸时,连接到上髁的并行的韧带的张力接近恒定。胫骨面通常是凹的碟状的,且股骨面的主轴线在矢状面上对齐。胫骨髁的矢状半径和冠状半径大于股骨髁的矢状半径和冠状半径,这样提供某种程度的旋转松弛。同样,位于股骨上的髌骨凸缘为凹的,且其取向是从上到下方向的,其具有的冠状曲率半径大于圆顶形髌骨的冠状曲率半径。许多现有技术的全膝关节置换部件的设计忽略了正常膝关节的复杂旋转运动,取而代之的是简单的铰链设计,其仅允许绕单个水平轴线枢轴旋转。这样的简单设计基本上被放弃了,因为与施加在该假体部件上的高的旋转应力相关的高的松动率。其他现有技术的膝关节假体试图更接近地模仿正常膝关节的运动路径。然而,这些假体不能精确地再现人的膝关节的自然运动路径,并且存在其他制造限制和耐久性限制。许多现有技术的膝关节置换假体是利用诸如圆、弧、线、平面、球和圆柱的单一几何结构模制成形的,它们具有严格限定的长度和曲率半径。然而,利用简单的几何结构不能再现人的膝关节的复杂的运动路径。利用简单的几何结构模制成形的假体产生不自然的运动、韧带的不适当的拉伸和疼痛、以及增大了的假体部件的磨损和松动。因此,希望提供一种具有更复杂的活动连接面的膝关节置换假体,通过在膝关节弯曲时允许股骨平移及胫骨旋转,它可以再现正常膝关节的运动,并且它容易制造且廉价。
发明内容
本发明提供一种全膝关节置换假体,该全膝关节置换假体通过在膝关节弯曲时允许股骨平移和胫骨旋转模仿正常膝关节的运动。该新颖的假体包括与胫骨部件和正常的髌骨或者假体髌骨活动连接的股骨部件。所述部件的活动连接面被设计成具有超环面,这样允许在承受生理负荷时弯曲、平移和旋转,以再现正常膝关节的运动路径。在一个实施例中,膝关节置换假体包括:股骨部件,其连接到被切的股骨的远端;以及胫骨部件,其连接到被切的胫骨的近端。该股骨部件包括:内髁和外髁,它们具有远侧活动连接面,该远侧活动连接面含有具有主曲率半径和次曲率半径的超环前面和超环后面。该股骨部件还包括具有活动连接的髌骨面的髌骨凸缘。该胫骨部件包括具有内凹面和外凹面的近侧承载面,所述内凹面和外凹面与所述内髁和外髁活动连接。所述凹面含有具有主曲率半径和次曲率半径的超环前面和超环后面。每个凹面的前面和后面平滑交叠在一起,并且优选与修补面(patchxa0surface)拟合,该修补面与所述髁活动连接。髁面和凹面基本上由超环面(超环区段)限定,这样使得股骨能够相对于胫骨进行前后平移,并且这样使得胫骨能够在膝关节弯曲时绕其纵轴线旋转。假体的超环面被设计成,使得能够在负重和承受肌肉负荷的情况下模仿正常膝关节的运动。在优选实施例中,当膝关节初始从全伸开弯曲到约30度的中间位置时,胫骨具有小于10度的最小轴向旋转。在超过该中间位置继续弯曲后,胫骨轴向旋转到全弯曲。当该假体完全弯曲时,胫骨优选轴向旋转大于约10度,优选大于约15度,以及更优选达到约20度。该假体使得股骨能够相对于胫骨平移。髁在弯曲期间在凹面内向后平移,而在伸开期间向前平移。在优选实施例中,在全伸开时,向后/向前平移约1-2毫米。该假体还允许大的弯曲度。在优选实施例中,每个髁的后部被成形为允许弯曲大于110度,优选大于130度,以及更优选达到约155度。髁的前面和髁的后面中的每个面的主曲率半径被定向在矢状面内,而每个面的次曲率半径通常被定向在冠状面内。每个髁的前面和后面的主曲率半径可以相等,也可以不相等,而该面的次曲率半径优选相等。每个髁面的主曲率半径的中心优选在连接股骨的内上髁和外上髁的轴线上。每个凹面的前面的主曲率半径被定向在矢状面内,而次曲率半径通常被定向在冠状面内。每个凹面的后面的主曲率半径被定向在横切面内,而次曲率半径通常被定向在冠状面内。对于每个主曲率半径,内凹面和外凹面可以共享单个旋转中心,或者对于该主曲率半径,具有不同的中心。优选地,每个凹面的前面和后面的主曲率半径不等,而次曲率半径相等。髁面的次曲率半径等于或者小于凹面的前面和后面的次曲率半径。在非对称实施例中,内髁的前面和外髁的前面中的每个具有不同的主曲率半径,且内髁的后面和外髁的后面中的每个具有不同的主曲率半径。在该实施例中,内髁和外髁的前面和后面中的每个具有相同的次曲率半径。内凹面的前面和外凹面的前面中的每个也具有不同的主曲率半径,且内凹面的后面和外凹面的后面中的每个具有不同的主曲率半径。在另一个实施例中,髁前面和髁后面中的每个具有多个位于矢状面内的主曲率半径。髁前面和髁后面中的每个具有相同的次曲率半径。在该实施例中,所述凹面的前面中的每个具有多个位于矢状面内的主曲率半径,而后面中的每个具有多个位于横切面内的主曲率半径。所述凹面的前面和后面中的每个具有相同的次曲率半径。该胫骨部件包括:基底,其具有远侧面和近侧面;以及衬垫,其具有与该基底的近侧面接合的远侧面和成形为与该股骨部件活动连接的承载面的近侧面。该基底包括:基板,其位于胫骨平台上;以及龙骨,其固定在该板的远侧面上,且可以插入近侧胫骨的髓管内。优选地,该基板的远侧面具有带纹理的粗糙面。该假体的一个实施例被设计用于在后交叉韧带被手术切除时使用。在该实施例中,股骨部件包括连接髁的后端的不对称凸轮,胫骨部件包括位于凹面中心的对称中心柱。该股骨部件相对于该胫骨部件的向前和向后的平移以及胫骨的轴向旋转由该凸轮和该中心柱控制。该凸轮和该柱的接触发生在膝关节弯曲大于约30度时。在膝关节弯曲时,关节面使得后股骨能够旋转且胫骨能够内旋。该假体的另一个实施例被设计成用于在后交叉韧带保留时使用。在该实施例中,股骨部件不包括凸轮,且胫骨部件不包括中心柱。该股骨部件相对于该胫骨部件的向前和向后的平移以及胫骨的轴向旋转由后交叉韧带控制。当膝关节弯曲时,该关节面使得后股骨能够旋转且胫骨能够内旋。
附图说明
图1为根据本发明实施例的全伸开的膝关节假体的立体图;图2为示出图1所示的股骨部件的近侧面的立体图;图3为示出图1所示的股骨部件的髌骨凸缘和前髁部分的立体图;图4为示出图1所示的股骨部件的前髁部分和后髁部分的立体图;图5为示出图1所示的股骨部件的髁部分的后区段的后视图;图6为示出图1所示的股骨部件的髌骨凸缘和髁部分的前区段的前视图;图7为图1所示的股骨部件的侧视图;图8为图1所示的股骨部件的内视图;图9为示出图1所示的胫骨部件衬垫的前近侧面的立体图;图10为示出图1所示的胫骨部件的后近侧面的立体图;图11为超环区段的取向以及与图1所示的假体的矢状面、冠状面和横切面相关的坐标轴的图解说明;图12为图9和10所示的胫骨凹陷的前超环面和后超环面之间的接合的图解说明;图13为曲线图,利用结构线(isocurves)示出在前超环面与后超环面交叠并且对该面进行了新的曲面修补之后的胫骨承载面;图14为图1所示的膝关节假体弯曲90度的立体图;图15和图16为根据本发明另一个实施例的股骨部件的立体图;图17和图18为根据本发明另一个实施例的胫骨衬垫的立体图;图19为利用结构线示出图17和图18所示的胫骨承载面的曲线图;以及图20为曲线图,利用结构线示出在前超环面和后超环面交叠并且对该面进行了新的曲面修补后的胫骨承载面。
具体实施方式
为了阐释本发明,附图示出本发明的几个实施例。然而,本领域普通技术人员应当明白,本发明并不限制于在此所示出的和在下面所描述的具体布置和手段。在整个说明书中,利用相同的标号指代相同的单元。根据该详细描述,落入本发明的精神和范围内的各种改动和变型对于本领域技术人员而言是显而易见的。除非另有说明,本文中以各种语法形式使用的全部技术术语和医学术语具有与本发明所属技术领域内的普通技术人员的通常理解相同的含义。本文中使用具有其常规医学/解剖学含义的术语“前”、“后”、“近”、“远”、“内”、“外”、“矢状”、“冠状”以及“横切”,例如,在Dorland‘sxa0Illustratedxa0Medicalxa0Dictionary(多兰图解辞典)中所限定的常规含义。术语“超环”指由封闭曲线绕其自身平面上的轴线(主轴线)旋转但不与该轴线相交或者包含该轴线而产生的面。术语“主半径”指封闭曲线绕主轴线旋转的半径。主半径位于与主轴线正交的平面上。术语“次半径”指封闭曲线的半径。次半径可能大于主半径。根据本发明实施例的膝关节置换假体示于图1至图14中,并且整体上用标号10表示。假体10包括:股骨部件20,该股骨部件20被构造和设计成固定在被切股骨的远端;以及胫骨部件52,该胫骨部件52被构造和设计成固定在被切胫骨的近端。进行了传统的股骨和胫骨切除后,可以利用传统的方法将部件20、52分别固定至股骨和胫骨。胫骨部件52具有对称设计,这样既可以用在左膝关节,又可以用在右膝关节;然而,股骨部件是非对称的,并且在图1-14中示出用于安装在左膝关节上的股骨部件。股骨部件20的镜像用于安装在右膝关节上。参考图1所示的坐标轴,假体10具有定向在Y-Z平面中的矢状面、定向在X-Y平面中的冠状面、以及定向在X-Z平面中的横切面。当该假体被植入时,矢状面、冠状面和横切面分别与患者的实际矢状面、冠状面和横切面对齐。股骨部件20具有:内髁部分,即髁22;外髁部分,即髁24;以及髌骨凸缘部分,即凸缘26,凸缘26分别桥接内髁22的前端28和外髁24的前端30。内髁22和外髁24以基本上互相平行的关系布置,并且在它们之间限定有髁间窝32。在膝关节弯曲时,弯曲的髁部分的不同区段与胫骨部件52接合并活动连接。髌骨凸缘26包括髌骨沟42,内滑车面44和外滑车面46位于髌骨沟42两侧。髌骨凸缘26被设计成与正常髌骨或者假体髌骨部件活动连接。正如在图6中最清楚地看到的那样,髌骨凸缘的下方宽,以容纳髌骨。滑车面44、46升高并且平滑过渡到髌骨沟42内,以为该髌骨提供稳定性。参考图6,髌骨沟42与滑车面44、46一起在冠状面上以曲线方式向上和向外延伸夹角(θ),以提供最佳轨迹和稳定性。在优选实施例中,夹角(θ)为约6度。髌骨凸缘26还与髁22、24平滑过渡。通过模拟正常股骨的远侧前面的几何结构,构造髌骨凸缘26。结果,髌骨凸缘26具有假体髌骨或者正常髌骨的自然轨迹。髁22、24中的每个通常包括前面34、36和后面38、40,它们互相平滑交叠,而没有突变。在图1-14所示的实施例中,该前面和后面由超环的各区段限定。每个面均具有基本上位于矢状面上的主半径。在第一实施例中,在每个髁上,前面34、36的主曲率半径与后面38、40的主曲率半径相同。可替选地,髁22、24的主曲率半径可以从前到后递减,以在弯曲度大时,模仿解剖学上的股骨后旋。例如,前面34、36的主半径可以大于后面38、40的主半径。例如,对于普通的膝关节,主曲率半径可以为约14mm。可替选地,前面和后面的主半径还可以向后逐渐减小。前髁面和后髁面中的每一个可以由多个具有向后逐渐减小的主曲率半径的超环区段构成。例如,前面34、36可以由第一超环区段和第二超超环区段构成,其中第二超环区段具有比第一超环区段的主曲率半径小的主曲率半径。同样,后面38、40可以由第一超环区段和第二超环区段构成,其中第二超环区段具有比第一超环区段的主曲率半径小的主曲率半径。后区段半径的减小比前区段半径的减小大的多。特别是,邻近髁22、24的后端29、31的面具有显著减小的主曲率半径,以使得能够有大的弯曲度,即大于110度的、优选大于130度的、并且更优选达到大约155度的弯曲度。此外,端29、31的小的半径防止髁29、31的边缘装载,同时保持胫骨衬垫60上的髁之间的接触。次曲率半径的沿面取向不同。在优选实施例中,髁22、24具有恒定的次曲率半径。然而,髁面可以具有变化的次曲率半径。对于普通膝关节,次曲率半径例如可以为约20mm。在一个实施例中,外髁24具有比如图7和图8所示的内髁22大的主半径,并且图解示于图11中。尽管主半径不同,但是髁22、24中的每一个的主半径的中心在膝关节的上髁轴线上。正如下面更详细描述的,当股骨部件在胫骨部件上向后平移时,较大的外髁24有助于胫骨轴向旋转。然而,应当明白,髁22、24可以具有相同的主半径,但仍可以实现胫骨轴向旋转和股骨平移。在图5和图6中可以最清楚地看到,凸轮47桥接内髁22的后端29和外髁24的后端31。参考图6,凸轮47具有通常平坦的背面48和弯曲的前承载面49。背面48被定向为与髁22、24的背面(近侧面)共面,并且背面48是平坦的,以邻接股骨远端的切面,在图1中可以最清楚地看出。在图5中可以最清楚地看出,承载面49的曲率半径在外端51比在内端50大。正如下面更详细描述的那样,凸轮47在胫骨承载衬垫60上与中心柱90接合,以在膝关节弯曲时,提供稳定性并使胫骨旋转。参考图1,胫骨部件52通常包括:胫骨平台54和衬垫60。胫骨平台54具有:基板55,基板55与衬垫60的远侧面64接合;以及稳定的龙骨56,龙骨56插入胫骨的髓管内。基板55的下侧面或者远侧面具有纹理的粗糙面,这样,在安装到胫骨上时,可以实现骨水泥交错结合。衬垫60具有:近侧承载面62,近侧承载面62与股骨部件20活动连接;以及远侧面64,远侧面64邻接胫骨平台52并被固定至胫骨平台52。胫骨部件52还具有内侧66、外侧68、前侧70、以及后侧72。胫骨部件通常关于从前到后延伸的中心矢状轴对称。在近侧面62的内侧和外侧形成内凹面72和外凹面74。当各部件相互相对活动连接时,内凹面72和外凹面74与股骨部件20的内髁22和外髁24接合。一般而言,凹面72、74比股骨髁22、24的深度浅。尽管在本文的一个优选实施例中髁面部分被描述为凹面,但是与股骨部件活动连接的一个或者多个髁面部分可以是平坦的,甚或是凸面。凹面72、74通常分别包括前面76、78和后面80、82,它们互相平滑交叠,而没有突变。在图1-14所示的实施例中,所述前面和后面由超环的区段限定,在中间边界处,它们交叠在一起。前面76、78中的每一个具有基本上定位于该矢状面内的主曲率半径。后面80、82中的每一个具有基本上定位于该横切面内的主曲率半径。凹面72、74的后面80、82向着该中心矢状轴向后向内弯曲。后面80、82围绕比柱90稍许靠后的中心点旋转。该中心线从前凹面延伸到后凹面。前面76、78和后面80、82具有相同的恒定的次曲率半径,并且享有相同的切线相交线“L2”。在后面转向中心矢状轴时,该后面的次曲率半径保持不变。在膝关节弯曲时,此结构允许胫骨绕其纵轴线旋转并且向后平移。可替选地,凹面的前面和后面中的每一个可以由多个具有不同主曲率半径的超环区段组成。例如,前面76、78可以由第一超环区段和第二超环区段组成,其中第二超环区段具有小于第一超环区段的主曲率半径的主曲率半径。同样,后面80、82可以由第一超环区段和第二超环区段组成,其中第二超环区段具有小于第一超环区段的主曲率半径的主曲率半径。在该实施例中,所述前面和后面具有相同的次曲率半径。该前凹面和后凹面在前端86和后端88具有升高的外围,以容纳股骨并防止股骨从胫骨脱臼。在膝关节弯曲期间,升高的外围还为膝关节提供稳定性。当髁22、24沿凹面72、74的升高的外围升高时,并行的韧带拉紧,且膝关节变得更紧。前凹面具有外立面89,其容纳髁22、24,因此,胫骨部件在初始弯曲期间有少许松弛,并且限制胫骨的轴向旋转。相反,后凹面被设计成没有限制的外立面,并且被设计成使得胫骨能够轴向旋转。这种结构被称为螺旋归位机构(screwxa0homexa0mechanism),在该结构中,膝关节在初始弯曲期间基本上被阻止或者“被锁定”进行轴向旋转,但是能够在弯曲位置进行轴向旋转。在优选实施例中,在全伸开到约30度的中间位置的弯曲范围内,胫骨的轴向旋转优选被大体限制在小于10度。然而,超环面能够被定形,以使得基本上可以在不同的弯曲的中间位置处实现胫骨的轴向旋转。此外,后面80、82的外侧比内侧高,因此,在膝关节弯曲时,胫骨的轴向旋转释放并行的韧带上的拉力。在图1-14所示的实施例中,胫骨部件60包括中心柱90,该中心柱90具有:近侧面91、前面92、后面93、内侧面94、以及外侧面95。相对于远侧面64,中心柱90的前面92是锥形的,以在深弯曲时,将对髌骨或者髌骨植入物的冲击降低到最小。前面92的基底96可以是不同角度的锥形,以在伸展过度时,将对髁间窝32的冲击降低到最小。图11示出超环区段和凹面的取向示意图以及与假体的矢状面、冠状面和横切面相关的坐标轴。在图11中,前、后、内、外股骨髁的超环面和内、外凹面的前面分别由第一超环T1和第二超环T2表示。主半径被定向在Y-Z平面或者矢状面内,旋转主轴线位于X-Y平面或者冠状面内,且通常平行于X轴。后面的内、外凹面的超环面由第三超环T3表示。主半径被定向在X-Z平面或者横切面内,旋转主轴线被定向在Y-Z平面内,且通常平行于Y轴。图12示出内胫骨凹面72的前超环面76和后超环面80之间的切线相交线L2的示意图。在优选实施例中,凹面的前面和后面平滑交叠过渡。图13示出曲线图,该曲线图利用结构线示出在前超环面和后超环面交叠并且对该面进行了新的曲面修补之后的胫骨承载面。参考图1和图14,在全伸开到部分弯曲的中间位置的范围内,髁22、24的前面34、36接触该胫骨部件。在膝关节继续弯曲,从该中间位置到完全弯曲时,后面38、40接触该胫骨部件。此外,当膝关节弯曲时,股骨部件在胫骨部件上向后平移,直到在弯曲到约30度时,凸轮47接触柱90,从而限制该平移。在图1-14所示的实施例中,股骨部件的后向平移被限制在约1-2毫米。参考图14,在膝关节弯曲时,凸轮47的弯曲承载面49还使得胫骨轴向向内旋转。在优选实施例中,胫骨的旋转大于约10度,优选大于15度,更优选达到约20度。然而,如果需要,活动连接面和凸轮47可以被设计成能够实现更大的胫骨轴向旋转。这种复杂的平移和旋转运动还可以由在后超环面80、82上旋转的股骨髁22、24实现。当前交叉韧带和后交叉韧带均被手术切除时,可以采用该实施例的假体。除了能够更加精确地再现人的膝关节的自然关节运动路径,该活动连接面的特定几何结构还能够降低股骨髁22、24与胫骨衬垫60之间的接触应力,因为该衬垫的前面76、78的次曲率半径与后面80、82的次曲率半径相同。由于前曲率和后曲率相同,所以髁从前到后平滑地平移,并且不会对该衬垫60施加过大的应力。为了增强深度弯曲,靠近内髁22和外髁24的后端29、31,各髁的矢状面上的曲率半径迅速降低。在图7和图8中可以最清楚地看出,与前部相比,后端29、31具有非常小的半径(sharpxa0radium)。前区段34、36与后区段38、40交叠,而没有突变。本领域技术人员容易明白,可以改变股骨髁面22、24、胫骨承载面62、弯曲的凸轮承载面49、或者柱90的任何部分的直径和轮廓,以改变该假体的关节运动路径。例如,凹面的后面的主曲率半径可以以该部件的几何中心为中心,也可以偏离一定距离,以形成较小或者较大的后活动连接面。凹面的前端86和后端88的高度也可以改变,以提供不同程度的前稳定性或者后稳定性。凹面72、74的最深部分的位置可以位于胫骨部件52上的任何位置处,以在负重的情况下,改变股骨部件的休止位置。各面中任何一个面的形状都可以按要求根据外科医生的偏好和患者的解剖而改变,以控制膝关节的运动路径。上面描述的本发明实施例被设计用于在手术切除前交叉韧带和后交叉韧带时采用。在图15-20所示的另一个实施例中,假体被设计用于在后交叉韧带保留时采用。在该实施例中,股骨在胫骨上向后的位移受后交叉韧带的控制,并且超环面被定形成,使得在膝关节弯曲时不会对胫骨的轴向旋转产生限制。在图15-20所示的实施例中,股骨部件220与参考图1-14描述的股骨部件20具有相似的结构。股骨部件220包括:内髁222和外髁224,其具有前面234、236和后面238、240;以及髌骨凸缘226,其具有髌骨沟242和邻近的滑车面244、246。然而,在该实施例中,股骨部件不包括用于桥接髁222、224的后端的凸轮。与第一股骨部件20相比,髌骨沟242较深,并且在冠状面上滑车面244、246较浅。同样,胫骨部件252与参考图1-14所描述的胫骨部件52具有相似的结构。胫骨部件252包括具有近侧承载面262的承载衬垫260,该近侧承载面262具有内凹面272和外凹面274,当各部件相互相对活动连接时,内凹面272和外凹面274与股骨部件220的内髁222和外髁224接合。所述凹面具有超环前面276、278和超环后面280、282。然而,在该实施例中,衬垫260的中心261不包括中心柱,但是它逐渐升高,以提供内外稳定性。与图1-14所示的实施例相比,凹面272、274在前面升高得更高,以防止股骨在弯曲时发生向前滑动。凹面的最深部分向后位移,并且在前面和后面具有立面,以在该假体弯曲时,允许股骨部件向后平移,并且允许胫骨部件轴向旋转。在该实施例中,完整的后交叉韧带控制后股骨的位移和胫骨的内旋。活动连接面被设计用以避免干扰由该后交叉韧带所控制的运动路径。与用于后交叉置换物的第一实施例相比,整个承载面262与髁222、224有较小的一致性。股骨部件和胫骨部件可以以各种方式、由各种材料构造。例如,股骨部件和胫骨部件可以由医用级别的、生理可接受的金属,诸如钴铬合金、不锈钢、钛、钛合金或者镍钴合金,通过机加工、铸造、锻造、或者利用其他方法构造为一体集成单元。胫骨衬垫也可以以各种方式、由各种材料构造。例如,胫骨衬垫可以由医用级别的、生理可接受的聚合材料,诸如任何聚烯烃,包括高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)或者它们的混合物,通过机加工、模制或者利用其他方法构造为一体集成单元。在此使用的聚合材料还包括各种形式的聚乙烯,例如,树脂粉末、薄片、颗粒、粉末或者它们的混合物,或者由上述任何一个所获得的固结形式。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)指具有的初始平均分子量超过约500,000,优选超过约1,000,000,并且更优选超过约2,000,000的线型、非支链乙烯。通常,分子量可以达到约8,000,000或者更高。例如,可以利用辐射、化学或者其他技术处理该材料,以改变其耐磨性能和/或强度或者硬度。初始平均分子量指进行任何照射之前的UHMWPE起始原料的平均分子量。