立 論 Effects of Attachment of Patella-Tendon to Modular Oncology Prosthesis 逸 年六

不 力 了 50 了 度 度 力 猪 論 力 力 論 異 利 狀 了 泥 立 500N 力 了 度 0 15 30 45 力 15 力 論 降 10.8% MVMS 力 20.8% MVMS 力 泥 若 力 300N 450N 11.2% 泥 4.2% 7.1% MVMS 力 力 力 力 力 臨 療 參 CCIS 泥 I

Abstract Attachment of patella-tendon to the modular knee joint prosthesis is usually fixed to the middle position, but it is different from original attachment location for left and right knee in human body. This research is to investigate the attachment effects of patella-tendon ( PT ) in modular oncology prosthesis. Total 50 subjects were collected in this research and CT images of human knee joint in sagittal plane were used to generate a three-dimensional model for defining PT length and rotation angle of tibiofemoral. An in-vitro experiment of pig PT were performed to obtain the strength of PT and to test three design of locking devices of PT of modular knee prosthesis. A finite-element model of human tibial joint consisting of cortical bone, cancellous bone, and bone cement was used to simulate the loading condition of standing by one leg with 500N loading. The model of prosthetical tibial stem inserted with various interface geometry of collar angle (0, 15, 30, and 45 ) are used to investigate the effect of loading transmission. Results show that the collar angle design of 15 indicates the smaller maximum von Mises stress ( MVMS ). Moreover, rotation angle of tibiofemoral is divided into three groups to discuss the influence of original and artificial PT position. Results show that different artificial PT position decreases 10.8% MVMS on implant and 20.8% MVMS on cortical bone only as compared with the original one. With attachment force as 300N and 450N to implant by the soft tissue of PT, MVMS on implant increased as 11.2%, MVMS on bone cement as 4.2%, and MVMS on cortical bone as 7.1%. Result of this research reveals the significance of attachment of PT in prosthesis and can be referred in oncology surgery. Keywords Patella-tendon, Modular joint prosthesis, CAE, Conical-collared intramedullary stem CCIS, Bone cement. II

逸 老 老 論 老 識 識 論 利 聯 龍 臨 識 瑩老 識 諸 論 不吝 見 更 力 識了 龍 精神 勵 旅 III

錄..... Abstract...... 錄.. 錄.. 錄... 論 1 1-1 1 1-2 2 1-3....3 1-3-1...4 1-3-2...4 1-4...9 1-5..11 1-6..15 1-7..18 CAD 立..19 2-1 量..19 2-1-1 流..19 2-1-2 立..20 2-1-3 CAD 立...23 2-2 CAD Implant 26 2-3 量.. 28 IV

料...33 3-1 50 例 料...34 3-2 度.. 37 3-3 度.... 39 3-3-1 度. 42 3-3-2. 44 3-3-3 論....48 3-4. 50 猪 力..53 4-1..53 4-2 料... 54 4-3.....57 4-4 論.... 61.. 63 5-1. 63 5-1-1 立...63 5-1-2 立..67 5-2 力.75 5-3.79 5-3-1 例....79 5-3-2 例... 82 5-3-3 不 度.... 85 5-3-4 不 度 論.88 5-4.89 V

5-4-1....89 5-4-2 98 六 論 101 6-1 度 度.....101 6-2 拉.101 6-3 度.102 6-4.103 論. 105 7-1 論... 105 7-2... 106 參 107.111 VI

錄 1.1 - UOC. 3 1.2 50 例 料...5 1.3...7 1.4 - UOC.. 10 1.5 UOC. 10 1.6 UOC. 11 1.7 流...17 2.1 流 19 2.2 狀切....21 2.3 Amira CT import...22 2.4 22 2.5 輪廓 23 2.6 Implant...24 2.7 24 2.8 24 2.9 SolidWorks 讀 *.dxf 25 2.10 *.dxf 輪廓...25 2.11 CAD.....25 2.12 Implant..26 2.13 26 2.14 兩 行 27 2.15 27 2.16 28 2.17 離 離 Implant 度..29 2.18 Implant..30 2.19 Implant.30 2.20 立 流....31 2.21 切 31 2.22 立 零 32 2.23 立 32 3.1 Implant..33 3.2 度 量...38 3.3 SolidWorks 量 度 39 3.4 度 40 3.5 狀 立 40 3.6 41 3.7 度 流...42 VII

3.8 43 3.9 A 43 3.10 度.... 44 3.11 度 流 45 3.12 落 46 3.13 落 46 3.14 兩 47 3.15 47 3.16 兩 量 度 48 3.17 M72L01 F42L03. 48 3.18 兩 50 3.19 隆 A 立 51 3.20 量 51 3.21 B A... 52 4.1 聯 53 4.2 MV-3A 立 切..54 4.3 55 4.4 念 55 4.5 56 4.6 猪 MTS.. 57 4.7 料 MTS BIONIX 858 58 4.8 A C 拉 裂 59 5.1 Amira 讀.65 5.2 66 5.3 UOC 立 67 5.4 69 5.5....69 5.6 70 5.7 71 5.8 72 5.9 Coordinate.73 5.10.... 74 5.11 Ansys - 77 5.12 力 78 5.13 Conical-collared intramedullary stem... 80 5.14 度 Max. von Mises stress..81 5.15 Conical-collared intramedullary stem...82 5.16 度 Max. von Mises stress 83 VIII

5.17 Max. von Mises stress...86 5.18 泥 Max. von Mises stress... 86 5.19 Max. von Mises stress...87 5.20 Max. von Mises stress.... 87 5.21 91 5.22 91 5.23 力量 92 5.24 Max. von Mises stress 力 300N.93 5.25 泥 Max. von Mises stress 力 300N.94 5.26 Max. von Mises stress 力 300N.94 5.27 Max. von Mises stress 力 300N.95 5.28 力 MVMS 力 300N.96 5.29 力 泥 MVMS 力 300N.96 5.30 力 MVMS 力 300N.97 5.31 力 MVMS 力 300N.97 IX

錄 1.1.... 13 3.1 50 例 料......34 3.2 兩 兩 量 度........49 4.1 拉 力....59 4.2 Device A 數 力........60 4.3 Patella-Tendon-Tibia 數 力.........60 4.4 力.......61 4.5 理....62 5.1 料 數 料....78 5.2 料 力 數....84 5.3 ASTM 泥 料.... 84 5.4 不 度 料 Max. von Mises stress...85 5.5 MVMS 50N~250N.92 5.6 MVMS 300N 450N..93 5.7 力 MVMS 300N 450N...95 5.8 MVMS.99 5.9 MVMS.99 5.10 MVMS...100 5.11 不 力 300N 100 6.1 不 度 料 MVMS.103 X

論 1-1 年來 年 年 臨 了 力 不 力 [1-3] 臨 罹 臨 易 切 臨 療 Limb salvage surgery [4] 切 留 切 行 良 了 Intramedullary Stem 狀 CAD 行 Computer-Aided Engineering, CAE 猪 力 拉 數 度 度 了 度 了 度 度 論 1

力 1-2 聯 United Orthopedic Corporation, Hsinchu, Taiwan 列 [5] 1.1 不 切 切 度 不 不 若 力 立 CAD 裡 行 力 異 度 不 數 2

1.1 - UOC Custom-made Knee joint system Proximal Tibial 1-3 離 易 Tibiofemoral joint Patellofemoral joint 不 力量 Mobility 度 Stability 3

1-3-1 Distal femur Lateral femoral condyle Medial femoral condyle Proximal tibia 了 1.2(a)(b) Femoral condyle 不 狀 Sagittal plane 率 Plateau Lateral tibia condyle Medial tibia condyle 隆 Intercondylar eminence 隆 Intercondylar fossa 狀 不 兩 不 度 Full extension 兩 1-3-2 兩 Patellar surface 1.2(c)(d)(e) 滑 數 Extensor 力 力 益 Quadriceps 力 兩 參 1.2 (8) 隆 Tuberosity of tibia (17) Apex of patella 3-3 度 參 1.2 (13) Lateral condyle of femur 1.3 4

(a) ( ) (b) (c) (d) ( ) (e) 1.2 [6] Bones of right knee joint and patella 1 Femur 2 Patellar surface of femur 3 Lateral epicondyle of femur 4 Intercondylar eminence of tibia 隆 5

5 Lateral condyle of tibia 6 Position of tibiofibular joint 7 Head of fibula 8 Tuberosity of tibia 隆 9 Fibula 10 Shaft of tibia 11 Popliteal surface of femur 12 Intercondylar fossa of femur 13 Lateral condyle of femur 14 Patella 15 Base of patella 16 Anterior surface of patella 17 Apex of patella 18 Articular surface of patella 6

(a) (b) 1.3 [6] Bones of leg, right tibia and fibula 1 Lateral condyle of tibia 2 Position of tibiofibular joint 3 Head of fibula 4 Interosseous border of tibia 5 Shaft of fibula 7

6 Interosseous border of fibula 7 Lateral surface of fibula 8 Position of tibiofibular joint 9 Lateral malleolus 10 Medial condyle of tibia 11 Tuberosity of tibia 隆 12 Shaft of tibia (diaphysis) 13 Anterior margin of tibia 14 Medial malleolus 15 Inferior articular surface of tibia 16 Intercondylar eminence 隆 17 Soleal line 18 Medial border of tibia 19 Posterior surface of tibia 20 Malleolar sulcus of tibia 21 Malleolar articular surface of fibula 22 Apex of head of fibula 23 Posterior surface of fibula 24 Posterior border of fibula 25 Medial intercondylar tubercle 26 Posterior intercondylar area 27 Anterior intercondylar area 28 Lateral intercondylar tudercle 8

1-4 1.1, 1.4-1.6 罹 切 六 年 更 了 復 類 不 都 不 復 療 療 不 復 力 了 切 不 不 不 度 不 歷 X 量 切 聯 United Orthopedic Corporation, Hsinchu, Taiwan 不 臨 不 [5] 9

1.4 - UOC Custom-made Knee joint system Distal Femur 1.5 UOC Custom-made Hip joint system 10

1.6 UOC Custom-made Shoulder joint system 1-5 見 臨 療 量良 行 [7-9] 臨 罹 都 來 行 [10-12] 1961 年 Barr 行 [13] [14-15] 不 11

臨 狀 狀 率 [16] 流 利 X 留 行 [17-19] 力 行 料 力 度 力 量 力 力 力 度 來 論 力 不 力 力 Mandell 2004[27] 年 利 了 狀 泥 度來 論 若 利 不 力 ( Stress ) ( Strain ) 數 利 立 行諸 不 狀 不 不 狀 省 料 [20-23] 力 1992 年 Zavatsky 1997 年 Toutoungi et al. [35-36] 立 立 12

狀 數 來 來 力 Wismans 1980[37] 年 料 利 力 力 立 理論 度 利 來 類 力 利 來 立 列 1.1 1.1 Main list of references Author 年 Year Content Barr 1961 切 [13] 六 車 Ericson 1987 力 力 [31] Yang 1998 [14] 1999 立 [24] Yang 2001 13

[15] Minns 2003 CT RP [18] 立 利 2003 Adams [25] 2003 林 2004 利 DDH 行 力 [23] 力 [26] 利 理 泥 Mandell 2004 度 0 30 60 80 力 2000N 20 2000N 論力 [27] 14

1-6 猪 力 論 度 力量 立 輪廓 輪廓 Amira TGS Inc., San Diego, CA, U.S.A. 讀 Computer tomography, CT CT 輪廓 輪廓 輪廓 料 *.dxf SolidWorks SolidWorks Corp., Boston, U.S.A. 輪廓 料 利 SolidWorks 行 拉 兩 量 度 度 ANSYS Swanson Analysis Inc., Huston, PA, U.S.A. 讀 SolidWorks *.sat 了猪 拉 數 行 流 1.8 15

A (Computter tomography) B 理 Amira Medical image Adjust value of the image 輪廓 Select the outline 3-D vision model 量 度 度 Measurement C 輪廓 (*.dxf) 行 3-D contours model 1. DXF 2. 利 不 (Spline) 輪廓 3. 拉 3-D Solid Model D 量 1. 隆 量 度 2. 量 度 3. 量 a 量 Procedure A Building 3-D geometry model and measuring tendon data 16

E 金 立 (3-D Solid Model) F 金 立 (3D Mesh Model) G (Boundary condition ) 1. 料 2. 力量 (Couple Force) 3. (Constrained) H 猪 拉 數 (Tension experimentation) 1. 2. 18 3. 2 - - I 力 Finite element analysis of biomethanics 1. 度 2. 力量 3. 力量 b 猪 拉 Procedure B Building finite element analysis model and tension experimentation 1.7 流 17

1-7 論 六 論 論 論 CAD 立 CAD Implant Bone 利 料 度 度 猪 力 易 料 行拉 20 行拉 行 - 流 立流 料 六 論 量 拉 度 論 18

CAD 立 2-1 量 2-1-1 流 立 輪廓 輪廓 Amira TGS Inc., San Diego, CA, U.S.A. 讀 Computer tomography, CT CT 輪廓 聯 Implant IGES 理 輪廓 輪廓 料 *.DXF SolidWorks SolidWorks Corp., Boston, U.S.A. 輪廓 料 利 SolidWorks 行 拉 2.1 流 CT or MRI 理 (Amira 輪廓 ) Amira SolidWorks 讀 *.DXF (Implant) IGES 2.1 流 Procedure of building deficient knee joint 3-D solid model 18

2-1-2 立 CT Transverse plane 0.1 398 512 512 DICOM 輪廓 Amira 讀 CT 2.3 CT 輪廓 CT DICOM 讀 Amira 裡 Data Window 來 參 2.2 Grey value 參 2.4 輪廓 Quadriceps femoris muscle 輪廓 Patellar ligament 綠 輪廓 Gastrocnemius muscle 輪廓 Cortical bone 398 輪廓 2.5 19

2.2 狀切 [6] Sagittal section through the knee joint 1 Femur 2 Quadriceps femoris muscle 3 Suprapatellar bursa and articular cavity 滑 4 Patella 5 Patellar surface articular cartilage 6 Intrapatellar fat pad 7 Patellar ligament 8 Tibia 9 Tibial nerve 神 10 Addu ctor magnus muscle 20

11 Popliteal vein 12 Semitendinosus muscle 13 Semimembranosus muscle 14 Popliteal artery 15 Gastrocnemius muscle 16 Anterior cruciate ligament 17 Posterior cruciate ligament 18 Popliteus muscle 19 Soleus muscle 2.3 Amira CT import 2.4 Selected soft tissue, patella and tibiofemoral joint 21

2.5 輪廓 Visual and contour model of 3-D left knee joint 2-1-3 CAD 立 398 輪廓 聯 (Implant) IGES 2.6 Implant 了 Implant 2.7 0.1mm 398 Contour 不 度 度 148mm 2.8 Amira Contour *.dxf SolidWorks 2.9 參 輪廓 2.10 6mm 輪廓 留 輪廓 參 不 輪廓 利 SolidWorks 拉 輪廓 行 拉 22

2.11 2.6 Implant Relation between implant and dimensions 2.7 Deficient knee joint model 2.8 Simplified deficient knee joint model 23

2.9 SolidWorks 讀 *.dxf Imported dxf format to SolidWorks 2.10 *.dxf 輪廓 Simplified contour of dxf format 2.11 CAD CAD model of deficient tibiofemoral joint 24

2-2 CAD Implant 聯 Implant 2.12 2.13 Implant 行 2.14 2.15 2.16 2.12 Implant Deficient point of tibia and axis of implant 2.13 Limitation of the coincident concurrent 25

Select this plane Select Top Plane 2.14 兩 行 Constraint of parallel planes 2.15 Anterior view of assembly 26

(a)lateral view (b) 輪廓 Contour of implant and femur 2.16 Lateral view and top view of assembly 2-3 量 Amira 讀 MRI CT 料 來 輪廓 度 來 CAD model 來切 Tibia Implant 離 CAD model 立 理 切 來 臨 27

理 量 來 Femur 度 更 2.17 離 離 Implant 度 切 Tibia Implant Implant 2.18 Implant 2.19 2.20 立 流 了 切 2.21 零 2.22 零 2.23 利 2.17 離 離 Implant 度 Height of soft tissue distance femur bottom distance and Implant 28

2.18 Implant Relationship between model and Implant 2.19 Implant Constraints of Implant and Tibia are coaxial 29

立 2.20 立 流 Flow chart of assembly 2.21 切 30

2.22 立 零 Assembly divides into three components 2.23 立 Finish situation of after assembly 31

料 3.1 聯 United Orthopedic Corporation Implant 利 利 SolidWorks 立 CAD 量 26 50 料 量 數 列 3.1 立 立 ID N 3.1 Implant 32

3-1 50 例 料 3.1 50 例 料 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 NO M72 LN01 F57 LR02 F42 LR03 FN LR04 FN LR05 MN NR06 FN LR07 F35 LR08 M29 LR09 M66 LR10 Visual Model Sex M F F F F M F F M M Age 72 57 42 N N N N 35 29 66 Left knee Right knee LCS X Y Z Left Knee Tendon Length (mm) RCS X Y Z Right Knee Tendon Length (mm) 3.65 14.75 9.73 28.14 8.68 Bad 11 12.5 19.77 16.57 Bad 14.84 7.69 23.06 27.22 2.48 15.18 9.53 3.22 8.25-14.1-11.2 43.6-15 -11.1 38.6-6.9-6.9 19.5-13.5-14.7 48.6 14.1-17.4 23.9 Bad -15.8-13.5 36.9-12.4-13.4 35.4-13.2-17.4 45.3-13.9-5.8 58.2 47.2 42.9 21.8 52.5 32.8 Bad 42.3 39.8 50.3 60.1 Bad 14.3-13.9 37.7 13-16.3 35.8 9.4-16 49-10 0.7-49 9.7-18.4 52.4 18.7-12.2 36.1 16.3-11.3 32.6 14.7-14.8 41.8 11.3-3.1 52.9 Bad 42.7 41.4 52.4 50 56.4 42.4 38.2 46.7 54.2 33

3.1 50 例 料 -2 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 NO M52 LR11 F63 LR12 F64 LR13 M29 LR14 M19 LR15 M10 LR16 M56 LR17 F62 LR18 F68 LR19 M73 LR20 Visual Model Sex M F F M M M M F F M Age 52 63 64 29 19 10 56 62 68 73 Left knee Right knee LCS X Y Z Left Knee Tendon Length (mm) RCS X Y Z Right Knee Tendon Length (mm) 1.17 14.1 1.46 5.91 35.44 29.08 25.87 1.24 8.34 15.7 7.26 37.84 1.15 2.77 3.77 46.27 13.28 5.41 3.02 13.11-16 -12.2 41.9 1.3-19.3 26.2-4.9-19.4 49.3-11.1-9.7 45.4 25.5-13.8 27.4 16.8-17.5 29.2-14.4-14.6 45.7-5.1-20 49.3-6.6-14.4 32.7-12.1-10.8 48.8 46.5 32.6 53.2 47.7 39.9 38 50.1 53.4 36.3 51.4 13.7-14.2 35.6-19.7-11.8 13.2 6.5-18.2 45.8 9.1-12.2 39.2 14.6-19.5 45 25.7-14 31.7 14.2-16.1 49 7.5-18.7 42.5 5.6-15.2 36 14.4-11.1 61.9 40.7 26.5 49.7 42.1 51.2 43.2 53.5 47 39.5 64.5 34

3.1 50 例 料 -3 21 22 23 24 25 26 NO F50 LR21 M65 LR22 M55 LR23 M39 LR24 F66 LR25 M65 LR26 Visual Model Sex F M M M F M Age 50 65 55 39 66 65 Left knee Right knee LCS X Y Z Left Knee Tendon Length (mm) RCS X Y Z Right Knee Tendon Length (mm) 18.27 2.58 18.14 22.82 1.19 3.96 26.72 13.4 3.85 17.9 2.86 0.78-18.6-16.6 42.5-4.1-15.2 55.6-17.3-12.1 55.3-19.6-12.3 71.3-2.5-20.4 52.7-0.9-9 56.7 49.3 57.8 59.2 75 56.6 57.4 19-17.4 49.2 9.8-15 55.6 10.3-14.2 55.6 19.2-10.4 67.9 0.9-23 52.6 1.3-11.4 55.9 55.5 58.4 58.3 71.3 57.4 57.1 35

力 念 利 CT 不 度 切 臨 參 Amira SolidWorks 來 論 度 度 3-2 度 切 切 切 度 度 不 隆 量 度 連 隆 離 3.1 度 (L) 連 P p 隆 P t 離 L PP...(3.1) p t 度 量 利 Amira 裡 量 離 量 CT 量 不 裡 不 36

留 拉 隆 離 3.2 量 量 不 2~3mm 來 立 度 料參 P p P t (a)anterior view (b)lateral view 3.2 度 量 利 Amira *.DXF SolidWorks 輪廓 不 輪廓 拉 行 拉 CAD 3.3 便 切 不切 量 量 量 數 異 度 Amira 量 不 CAD 量 37

3.3 SolidWorks 量 度 3-3 度 度 3.4 來 B A 度 裡 立 Z 來 度 3.2 利 來 參 不 Z 度 (θ) D t ± D l ± + ( ) - ( ) θ DD t l.......(3.2) 38

來 Amira 利 Image Segmentation Editor 狀 利 ObliqueSlice 3.5 D t D l θ 3.4 度 3.5 狀 立 39

狀 不易 料量 異 力 來 度 度 來量 度 Rotation of patella-tendon, RPT 3.6 Φ 3.6 Amira 裡 3.6 兩 兩 量 度 異 來量 度 Φ 裡 量 立 離 裡 量 兩 利 CAD 來 度 兩 利 隆 兩 論 40

3-3-1 度 3.7 流 利 Amira 輪 廓 *.DXF SolidWorks 輪廓 利 3.8 Posterior condyle line Intercondylar fossa of femur A A 連 3.9 度 3.10 Amira *.dxf SolidWorks 輪廓 連 A A 隆 隆 連 3.7 度 流 41

3.8 A A 3.9 A 42

3.10 度 3-3-2 3.12 流 利 Amira 輪廓 *.DXF SolidWorks 輪廓 利 輪廓 輪廓 兩 兩 輪廓 落 輪廓裡 PCL offset 來 度 3.12 3.13 利 立 3.8 隆 3.14 3.15 兩 兩 度量 43

3.16 Amira *.dxf SolidWorks 輪廓 兩 兩 (P) (P) 3.11 度 流 44

3.12 落 3.13 落 45

3.14 兩 3.15 46

3.16 兩 量 度 3-3-3 論 兩 Model 兩 論 列 M72L01 F42L03 兩 3.17 3.17 M72L01 F42L03 47

M72L01 量 度 4.3 量 6.6 量 不 兩 不 劣 F42L03 量 14.1 利 量 度 3.7 3.2 量 F42L03 利 兩 度 異 3.18 兩 度 不 M72L01 裡 兩 度 不 M72L01 立 兩 量 來 利 來量 度 量 3.2 兩 兩 量 度 Method 1 Angle of measurement Method 2 Angle of measurement M72L01 4.3 6.6 F42L03 14.1 3.7 48

3.18 兩 3-4 利 3-3 立 立 6 隆 A A 立 1 X 6 Y Z 行 6 3.19 輪廓 B 利 量 1 3.20 3.21 A X0, Y0, Z0 B ( X1.3, Y-1.63, Z3.58 ) cm 裡 了 度 度 了 50 例 料 利 不 49

猪 力 論 不 異 數 A 3.19 隆 A 立 B A 3.20 量 50

B A 3.21 B A 51

猪 力 4-1 4.1 利 MasterCam CNC software, inc., Tolland, USA CAM 輪廓 路 NC 切 MV-3A 立 切 4.2 Fanuc Series 0-M 數 行 NC 路 來 4.3(a) 4.1 聯 52

4.2 MV-3A 立 切 4-2 料 猪 來 裡 不 聯 行 利 Kessler suture method, 4.3 來 行拉 4.4 念 了不 螺 53

4.3 Clip device (moved end) Fastener Patella Patella-tendon Anchorage device of prosthesis Clip device (fixture) 4.4 念 理 20 年猪 切 留 54

了 切 18 隆 Tibial tuberosity 兩 狀 利 螺 螺 易 理 理 冷 行 拉 來 No.5, Polyester suture, J&J 來 行猪 連 利 8 18 - 行 18 - 六 不 A 4.5(a) B C 4.5(b)(c) 行 UOC Howmedica 兩 猪 行 2 - - D 4.6(d) (a)new UOC Product (b) UOC Product (c) Howmedica Product 4.5 55

(a)device A (b)device B (c)device C (d)patella-tendon-tibia 4.6 猪 MTS 4-3 20 年猪 2 理 - - 行 度 拉 18 - 不 18 - 易 料 行拉 利 料 (MTS BIONIX 858, MTS Inc., U.S.A.) 4.7 行拉 拉 力狀 行 拉 拉 n=2 利 不 拉 Device A n=6 Device B n=6 Device n=6 20 行拉 20-30N 力 56

1mm/sec 拉力 行 4.8 A C 拉 裂 4.1 力 力 300N~400N 列 Device A 數 力 4.2 拉 離 31mm 65mm 力 354N 力 190N 4.3 Patella-Tendon-Tibia 力 利 利 拉 異 力 1100N 裂狀 數 4.4 拉 No.5, polyester suture, J&J 拉 數 MTS Adjustable upper plate Cylindrical column Control panel 4.7 料 MTS BIONIX 858 57

4.8 A C 拉 裂 4.1 拉 力 Device A Device B Device C Patella-Tendon-Tibia No.5 polyester suture 1 354 (1.43) 262 (1.4) 438 (1.65) 1177 (1.32) 178 2 401 (1.63) 361 (1.13) 381 (1.22) 1096 (1.28) 192 3 314 (1.21) 344 (1.44) 376 (1.57) 4 307 (1.35) 328 (1.63) 350 (1.29) 5 318 (1.23) 330 (1.18) 379 (1.31) 6 370 (1.53) 341 (1.39) 393 (1.17) Average 344 340.8 386.2 1136.5 185 Standard err 43 38 37 Unit N (cm), ( ) is tendon width. 58

4.2 Device A 數 力 4.3 Patella-Tendon-Tibia 數 力 59

4.4 力 4-4 論 A B C 力 拉 數 兩 兩 數 C 拉 力 4.5 理 B 易 力 離 不易 A 不 力量 A B 拉 力 離 數 C 拉 兩 力 力 力 便 離 A C 度 便 A B C 60

C A 力 A 4.5 理 Device A Device B Device C 力 易 力 離 易 X The best, Good, General X No 61

5-1 兩 參 Minns 2003[18] 年 立 輪廓 輪廓 Amira TGS Inc., San Diego, CA, U.S.A. 讀 Computer tomography, CT CT 輪廓 輪廓 輪廓 料 *.dxf SolidWorks SolidWorks Corp., Boston, U.S.A. 輪廓 料 利 SolidWorks 行 拉 ANSYS Swanson Analysis Inc., Huston, PA, U.S.A. 讀 SolidWorks *.sat 行 力 力 參 [21] 論 泥 力 5-1-1 立 F42R03 CT 料 年 42 女 50kg 62

CT Transverse plane 3mm 150 512 512 DICOM 輪廓 Amira 讀 CT 5.1(a) CT 輪廓 CT DICOM 讀 Amira 裡 Data Window 來 輪廓 輪廓 5.1(b) Grey value 參 5.1(b) 輪廓 Cortical bone 藍 輪廓 Cancellous bone 150 輪廓 5.2(a) 5.2(b) 63

(a)amira CT import (b) 輪廓 ( ) Contour of tibia 5.1 Amira 讀 64

(a) 輪廓 3-D visual knee joint contour model (b) 3-D visual knee joint model 5.2 65

5-1-2 立 聯 聯 CAD 5.3(a) CAD UniGraphics 16.0 IGES IGES 料 行 行參數 更 行 聯 SolidWorks 量 利 來 5.3(b) 9mm 度 100mm (a) UOC Implant 66

(b)simplified Implant 5.3 UOC 立 Amira *.dxf SolidWorks 輪廓 參 不 輪廓 度 487.23mm 切 205.58mm 利 SolidWorks 拉 輪廓 行 拉 5.4 CAD 5.5 5.6 X f 行 Z 行 X t Y Z 泥 力 立 泥 67

5.4 連 兩 路 (a) (b) 連 行 5.5 68

Z Y X f Z Y 5.6 X t 5.7(a)(b) CAD 裡 輪廓 CT 5.8 CAD 5.6 X t Y Z 5.9 69

Z Y X t (a) (b) 5.7 70

(a)amira 裡 X Y Z (b)amira SolidWorks 5.8 71

5.9 Coordinate SolidWorks 了 力 利 ANSYS 行 力 力 5.10 72

A. Simplicity Finite Element Analysis Model (Import Solidworks File *.sat) B. 料 1. (Element Type) 2. 料 (Material Proprties) 數 (Young s Modulus, E) (Poisson s Ratio, υ) 理 (Pre-Processing) C. 林 (Booleans -Glue) D. (Volume Meshing) 1.Mapped Meshing 2.Free Meshing E. (Loads and Constrains) 1. (BC) => 2. => 力 力 理 (Post-Processing) F. (Analysis) G. (Results) => 列 (List) (Plot) H. (check result) => 理 5.10 Steps of finite element analysis 73

5-2 力 SolidWorks *.sat ANSYS 行 理 泥 ANSYS 林 Booleans operation Glue 5.11(b) 不 行 Map mesh 5.11(a) 不 Solid95 3-D 20-node structural solid Solid95 20 Tetrahedral Pyramid Prism 立不 3-D Meshing Smart Mesh 5.11(a) 料 5.1 Cortical bone Cancellous bone 塞 了 Bone marrow 狀 力 度 不 Cortical bone 連 度 Isotropic 料 數 Young s modulus, E 17000MPa Poisson s ratio, υ 0.3 Cancellous bone 狀 Trabeculae 連 狀 沈 都 74

不 不 不 列 列 力 量 數 70MPa 0.2 泥 Bone cement 數 2200MPa 0.3 Implant 金 (Co-Cr-Mo) 數 248000MPa 0.3 Ultra-High Molecular Weight Polyethylene UHMWPE 數 1016MPa 0.46 力 5.11(c) (1) 力 Loading condition 力 立 力 狀 力參 [21] 力 力 Couple force 5.12 量 F = 214.9i 232.3 j 1528.1k F = 214.9N, F = 232.3N, F = 1528.1N x y (2) Boundary condition Constrained z 75

(a) Use Map mesh in the regular place use Smart mesh in the irregular place (b) Cross section of total glue model (c) Boundary condition of the finite element model 5.11 Ansys - 76

5.12 力 5.1 料 數 料 [21,28] Material coefficient of the finite element model and material property Material (UHMWPE) (Implant) 泥 (Bone cement) (Cancellous bone) (Cortical bone) Young's Poisson's Element Modulus Ratio Type E (MPa) 1016 0.46 Solid 95 248000 0.3 Solid 95 2200 0.3 Solid 95 70 0.2 Solid 95 17000 0.3 Solid 95 Material Property (isotropic) (isotropic) (isotropic) (isotropic) (isotropic) 77

5-3 0, 15, 30, 45 5-3-1 例 15 + 1mm round, 15, 30 +1mm round 5.13 15 15 異 15 30 度 異 數 5.14 5.4 15 兩行數 15 + 力 UHMWPE 泥 力 降 說 力不 力 力 不易 15 30 15 + UHMWPE 力 30 + 切 YZ 15 數 異 利 切 力 切 若 力 切 力 數 異 力 參 說 例 力 78

(a) Collar angle 15 +R. (b) Collar angle 15 5.13 Conical-collared intramedullary stem (c) Collar angle 30 +R. 79

Angle Analysis-Bone cement Angle Analysis-Cancellous bone Max.von Mises stress(mpa) 20 18 16 14 12 10 Angle( ) Max.von Mises stress(mpa) 0.35 0.34 0.33 0.32 0.31 0 15 30 45 60 Angle( ) (a) Max. von Mises stress of Bone cement with various conical-collar angle(cca) (b) Max. von Mises stress of Cancellous -bone with various CCA Angle Analysis-Cortical bone Max.von Mises stress(mpa) 55 54 53 52 51 50 Angle( ) Max.von Mises stress(mpa) 230 200 170 140 0 15 30 45 60 (c) Max. von Mises stress of Cortical bone with (d) Max. von Mises stress of Implant various CCA with various CCA 5.14 度 Max. von Mises stress Max. von Mises stress of components with various conical-collar angle (The starting point is 15 +Round) 80

5-3-2 例 度 0,15,30,45 +1mm 5.15( 0 ~45 ) 度 5.4 度 15 30 力 泥兩 度 力 15 度 力 來 度 力 15 30 15 UHMWPE 力 30 5.16 15 力 30 15 (a) Collar angle 0 +R.(b) Collar angle 15 +R.(c) Collar angle 30 +R.(d) Collar angle 45 +R. 5.15 Conical-collared intramedullary stem 81

Angle Analysis-Bone cement Angle Analysis-Cancellous bone Max. von Mises stress(mpa) 25 20 15 10 5 0 0 15 30 45 60 Max. von Mises stress(mpa) 0.37 0.36 0.35 0.34 0.33 0.32 0 15 30 45 60 Angle( ) Angle( ) (a) Max. von Mises stress of Bone cement with various CCA (b) Max. von Mises stress of Cancellous -bone with various CCA Angle Analysis-Cortical bone Max. von Mises stress(mpa) 52.5 52 51.5 51 50.5 Angle( ) Max. von Mises stress(mpa) 214 209 204 199 194 0 15 30 45 60 (c) Max. von Mises stress of Cortical bone with (d) Max. von Mises stress of Implant various CCA with various CCA 5.16 度 Max. von Mises stress Max. von Mises stress of components with various conical-collar angle 82

5.2 料 力 數 [29] Dept. of orthopedics corrects the stress and modulus of the material Materials σ yield (MPa) σ ultimate (MPa) E (GPa) Stainless-steel 700 850 180 Co-alloy 490 700 200 Ti-alloy 1100 1250 110 Bone 85 120 18 PMMA - 35 5 UHMWPE 14 27 1 Patella-tendon - 58-5.3 ASTM 泥 料 No.F451-99ae1 [30] ASTM material property standard of bone cement ASTM 泥 泥 Property Testing value of bone cement Max. doughing time, min 5.0 Settting time, min 5~15.0 度 Max. temperature, 90 度 Min compression strength, MPa 60 量 Max. deformation amount, mm 0.14 83

5.4 不 度 料 Max. von Mises 力 Max. von Mises stress of components with various conical-collar angle Characteristics 0 15 15 30 45 Round Round Round Round UHMWPE 35.124 (22.176) 35.186 (22.219) 35.196 (22.153) 35.222 (22.195) 35.266 (22.101) Implant (Co-Cr-Mo) 207.312 213.314 207.478 213.965 209.825 Bone cement 15.426 14.556 18.701 17.221 19.213 Cancellous bone 0.325 0.328 0.32 0.348 0.366 Cortical bone 52.424 50.945 51.494 51.271 51.193 Full Part cross-section Implant (snap-section) 196.979 199.285 148.015 197.717 195.638 Unit MPa 5-3-3 不 度 例 例 力 力 1mm 若 更 滑 度 不 度 兩 力 Mandell [27] Proximal ingrowth 度 0 ~60 力 量 量 力 來 5.17~20 15 + Max. von Mises stress MVMS 力 84

(a) Anterior view (b) Posterior view 5.17 Max. von Mises stress Max. von Mises stress of Implant (a) Anterior view (b) Posterior view 5.18 泥 Max. von Mises stress Max. von Mises stress of Bone cement 85

(a) Anterior view (b) Posterior view 5.19 Max. von Mises stress Max. von Mises stress of Cancellous bone (a) Anterior view (b) Posterior view 5.20 Max. von Mises stress Max. von Mises stress of Cortical bone 86

5-3-4 不 度 論 力 5-15 0 15 30 45 15 30 度 0 45 力 泥 度 力 5.20 15 力 Mandell [27] 立 理 量 力 micromotion 刺 stimulation 度 更 Mandell 理 泥 力 離 No ingrowth 20 2000N 力量 25MPa 力 裡 力 了 2 林 [26] 100mm 離 力量 力 力 了 立 論 力 理 5.4 泥 降 力 5.2 5.3 良 降 力 更 度 87

5-4 5-4-1 利 度 15 猪 拉 數 來 論 利 SolidWorks 3-4 洞 立 輪廓 利 量 1 5.21 (X2.54, Y-22.77, Z47.05) mm 裡 行 Map mesh 不 Solid95 Free mesh 5.22 力 Ericson [31] 六 車 力 力 0.9 0.9BW, Body weight 若 50kg 女 力 450N 力量 拉 數 利 力量 不 更 力量 力量 300N 4.1 立 300N 450N 力 50N 100N 150N 200N 250N 力 力量 力量 5.23 行 力 ANSYS Max. von Mises stress 5.5 5.6 88

5.5 六 數 數 50N 100N 150N 200N 250N 力 MVMS 力 力 量 力 力 例 5.6 了 300N 450N 力 MVMS 數 5.6 力 量 300N 450N 力 263.2MPa 292.6MPa 了 11.2% 力 泥 力 16.8MPa 17.5MPa 了 4.2% 力 力 59.2MPa 63.4MPa 了 7.1% 力 路 樓 力 力 F = 214.9N, F = 232.3N, x y Fz = 1528.1N 力 力 5.24~27 量 力 300N MVMS 力 更 不 力 參 [38] 力 F = 379.43N F = 476.33N F = 1416.04N 5.7 x y 量 力 力 力 若 力 300N 450N 力 降 5.8% 泥 8% 8.5% 力 5.28~31 力 300N 力 MVMS z 89

5.21 5.22 90

(a) Input the coordinate value (b) Position of application of force in the space 5.23 力量 5.5 Max. von Mises stress ( 50N~250N ) Mesh size smrt size 4 Load 50kg Couple Force 50kg Couple Force 50kg Couple Force 50kg Couple Force 50kg Couple Force 50kg Couple Force Tendon Force 50N Tendon Force 100N Tendon Force 150N Tendon Force 200N Tendon Force 250N Implant (Co-Cr-Mo) 213.3 218.481 226.356 235.119 243.883 253.395 Bone cement 14.6 15.783 15.993 16.204 16.414 16.625 Cancellous bone 0.3 0.352 0.348 0.344 0.341 0.339 Cortical bone 50.9 52.247 53.635 55.025 56.416 57.807 Unit MPa 91

5.6 Max. von Mises stress 300N 450N Mesh size smrt size 4 Load ultimate 50kg Couple Force Tendon Force 300N 50kg Couple Force Tendon Force 450N 50kg Couple Force Tendon Force 300N Tendon Force 450N Implant (Co-Cr-Mo) 700 213.3 98.8 263.2 148.2 292.6 Bone cement 35 14.6 12.8 16.8 19.2 17.5 Cancellous bone 0.3 0.2 0.3 0.3 0.4 Cortical bone 120 50.9 34.3 59.2 51.5 63.4 Unit MPa (a) Anterior view (b) Posterior view 5.24 Max. von Mises stress 力 300N 92

(a) Anterior view (b) Posterior view 5.25 泥 Max. von Mises stress 力 300N (a) Anterior view (b) Posterior view 5.26 Max. von Mises stress 力 300N 93

(a) Anterior view (b) Posterior view 5.27 Max. von Mises stress 力 300N 5.7 力 MVMS 300N 450N Mesh size smrt size 4 Load ultimate 50kg Couple Force Tendon Force 300N 50kg Couple Force Tendon Force 450N 50kg Couple Force Tendon Force 300N Tendon Force 450N Implant (Co-Cr-Mo) 700 387.5 98.8 335 148.2 315.5 Bone cement 35 18.4 12.8 16.2 19.2 14.9 Cancellous bone 0.5 0.2 0.4 0.3 0.4 Cortical bone 120 92.6 34.3 73.2 51.5 67 Unit MPa 94

(a) Anterior view (b) Posterior view 5.28 力 MVMS 力 300N (a) Anterior view (b) Posterior view 5.29 力 泥 MVMS 力 300N 95

(a) Anterior view (b) Posterior view 5.30 力 MVMS 力 300N (a) Anterior view (b) Posterior view 5.31 力 MVMS 力 300N 96

5-4-2 3-1 量 26 50 3.6 度 Φ 3-3-2 0 ~10 n=25 11 ~20 n=15 21 n=10 裡 3.2 7.3 9.5 3.7 5.9 8.3 13.3 14.8 17.9 12.5 15.7 18.14 23.1 26.7 22.8 28.1 35.4 行 力 Max. von Mises 力 數 利 力 5.8 5.9 5.10 5.8 5.9 5.10 力 數 理 來 不 5-5-1 5.11 降 10.8% 20.8% 力 97

5.8 Max. von Mises stress ( 15 +Round ) Load 50kg Couple Force Tendon Force 300N ultimate Right knee Left knee 3.2 7.3 9.5 3.7 5.9 8.3 Coordinate System Value 14.7-14.8 41.8 13.7-14.2 35.6 16.3-11.3 32.6-14.1-11.2 43.6-11.1-9.7 45.4-6.6-14.4 32.7 Implant (Co-Cr-Mo) 700 238.8 244.3 236.1 252.6 252.5 288.1 Bone cement 35 16.6 17 16.9 19.6 19.4 21.5 Cancellous bone 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 Cortical bone 120 50.2 50.8 47.4 53.8 53.2 62 Unit MPa 5.9 Max. von Mises stress ( 15 +Round ) Load 50kg Couple Force Tendon Force 300N ultimate Right knee Left knee 13.3 14.8 15.2 12.5 15.7 18.1 Coordinate System Value 14.2-16.1 49 98 14.3-13.9 37.7 18.7-12.2 36.1-12.4-13.4 35.4-12.1-10.8 48.8-17.3-12.1 55.3 Implant (Co-Cr-Mo) 700 235.8 240.4 234.7 267.6 253.4 247.7 Bone cement 35 16.2 16.8 16.8 20.6 19.5 19.3 Cancellous bone 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 Cortical bone 120 50.7 50.1 46.9 57.9 53.5 52.5 Unit MPa

5.10 Max. von Mises stress ( 15 +Round ) Load 50kg Couple Force Tendon Force 300N ultimate Right knee Left knee 23.1 26.7 22.8 28.1 35.4 Coordinate System Value 9.4-16 49 19-17.4 49.2-19.6-12.3 71.3-13.5-14.7 48.6 25.5-13.8 27.4 Implant (Co-Cr-Mo) 700 237.7 238.4 243.7 262.9 249.1 Bone cement 35 15.9 16.6 19 20.1 20.4 Cancellous bone 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 Cortical bone 120 52.5 49.5 51.2 56.1 54.6 Unit MPa 5.11 不 力 300N Mesh size smrt size 4 Load ultimate 50kg Couple Force 50kg Couple Force Group 1 Group 2 Group 3 Tendon Force 300N Tendon Force 300N Implant (Co-Cr-Mo) 700 213.3 263.2 236.1 234.7 238.4 Bone cement 35 14.6 16.8 16.9 16.8 16.6 Cancellous bone 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 Cortical bone 120 50.9 59.2 47.4 46.9 49.5 Unit MPa 99

六 論 6-1 度 度 利 Amira CT 量 量 不 CAD 料 量 度 來量 度 Rotation of patella-tendon, RPT 利 CAD 數 數 了 量 度 Amira 量 數 度量 利 度 數 參 6-2 拉 參 Ericson 1987[31] 料 利 車 力 力 0.9 0.9BW, Body weight 70kg 車 力 630N 50kg 女 車 力 450N A B C 數 來 300N~400N 拉 力 不 力 若 力量 更益 復 A C B A B 100

來 來 力 離 A 若 力 來 更 6-3 度 度 0 15 30 45 切 YZ 狀切 力 MVMS 197MPa 199.3MPa 197.7MPa 195.6MPa Plot 力 MVMS 207.3MPa 213.3MPa 214MPa 209.8MPa PE 力 MVMS 力 22MPa 泥 力 MVMS 15.4MPa 14.6MPa 17.2MPa 19.2MPa 力 MVMS 52.4MPa 50.9MPa 51.3MPa 51.2MPa 度 MVMS 0.3MPa MVMS 降 力 6.1 泥 度 力 15 30 度 力 泥 度 力 15 度 力 復 力 度 來 力 度 15 101

度 力 來 力 度 來 度 更 6.1 不 度 料 MVMS Characteristics ultimate 0 15 30 45 Round Round Round Round UHMWPE 27 22.176 22.219 22.195 22.101 Implant (Co-Cr-Mo) 700 207.312 213.314 213.965 209.825 Bone cement 35 15.426 14.556 17.221 19.213 Cancellous bone 0.325 0.328 0.348 0.366 Cortical bone 120 52.424 50.945 51.271 51.193 Full Part cross-section Implant (snap-section) 196.979 199.285 197.717 195.638 Unit MPa 6-4 力 力 量 力 300N 450N 拉力 力 例 11.2% 泥 4.2% 7.1% MVMS 力 路 樓 量 力 F = 214.9N, x Fy = 232.3N, F = 1528.1N 力 z 力 力 力 102

力 450N 拉力 力 數 300N 拉力 300N 450N 降 5.8% 泥 8% 8.5% MVMS 力 力量 力 力 力 力 263.2MPa 降 234.7MPa 力 59.2MPa 降 46.9MPa 降 10.8% MVMS 力 20.8% MVMS 力 泥 103

論 度 度 了 度 利 狀 了 臨 立 500N 力, 了 度 力 猪 論 數 來 力 力 論 異 了 50 度 度 論 7-1 論 論 (1) 了 50 理 度 度 便 行 (2) 力量 力 力 力 降 10.8% MVMS 力 20.8% MVMS 力 104

泥 來說 若 裡 隆 不 (3) 了 論 度 力 聯 15 (4) 若 力 路 樓 力 力 F = 214.9N, F = 232.3N, F = 1528.1N x y 力 力 300N 450N 11.2% 泥 4.2% 7.1% MVMS 力 力 力 z 7-2 不 立 立 臨 來 (1) 來 力量 更 狀 (2) 來 泥 更 狀 (3) 力 力 力 (4) υ 105

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省 66 年 5 22 歷 立 立 林 北 立 E-mail a172233@gmail.com 111