JP4148316B2

JP4148316B2 - 人工膝関節

Info

Publication number: JP4148316B2
Application number: JP2002333917A
Authority: JP
Inventors: 恭寿高野; 憲司土居; 昌弘黒坂; 晋一吉矢
Original assignee: Kobe Steel Ltd; New Industry Research Organization NIRO
Current assignee: Kobe Steel Ltd; New Industry Research Organization NIRO
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2022-11-18
Also published as: JP2004166802A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、慢性関節リウマチ、変形性膝関節症などによる高度に変形した膝関節あるいは交通事故、災害等により破壊された関節を正常な機能に回復させるために用いられる人工膝関節に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図６に示すように、疾患や事故により変形・破壊された膝関節の大腿骨Ａの遠位部と脛骨Ｂの近位部の骨切りを行い大腿骨コンポーネント１と脛骨コンポーネント１１をそれぞれ挿入固定する人工膝関節置換手術が行われており、人の正常な関節運動を再現するものとして、脛骨コンポーネント１１の上面（「関節面」という）１２に接しつつ大腿骨コンポーネント１の下面の凸面部８が転動及び／又は滑動することにより、屈曲可能となるような構造の人工膝関節が用いられてきた（汎用品）。
【０００３】
ところで現在、日本で使用されている人工膝関節は、欧米で開発されたものが９５％近くを占め（例えば、特許文献１〜３参照）、したがってその人工膝関節は、欧米の椅子、ベッドを利用した生活に必要な屈曲角度（前後方向の曲げ角度）を重視して開発されたため、臨床的には１２０度程度までの屈曲角度しか得られないものが多かった。
【０００４】
しかし、日本人の高齢者などは日常的に正座することが多く、そのため１５０度以上の屈曲角度まで可能な人工膝関節が望まれている。
【０００５】
また実際の生体膝関節では、屈曲に際して、関節面に対して水平方向への回転（「回旋」という）も同時に生じており、屈曲角度に対応した回旋角度が誘導されることにより滑らかに屈曲できるものである。そして１５０度以上の高屈曲角度において、より自然で滑らかな屈曲を実現するためには、１０度以上の回旋角度を確保することが望ましい。
【０００６】
特許文献４に開示された人工関節（図７、８参照）は、１６０度の高屈曲角度を実現すべく提案されたものである（従来例１）。この人工関節を構成する大腿骨コンポーネント１は、図７に示すように、上記汎用品と同様、一対の顆状突起部材２ａ、２ｂを所定の間隔９（図示せず）をあけて横（水平方向）に設け、それらの後部６同士を結合部材（「カム」という）３で結合して一体としたものであるが、その後部６を汎用品より後方に膨らませ、その後部６の上部に前部５側に巻き込まれるように凸面部７が形成されている。一方、脛骨コンポーネント１１には、図８に示すように、汎用品と同様、関節面１２と突起部（「スパイン」という）４とが形成されている。これにより、図８に示すように、屈曲角度が１３０度を超えたときにも、カム３がスパイン４に接触し支持される一方、凸面部７が関節面１２に滑らかに接触しつつ摺動するので、大腿骨コンポーネント１が脛骨コンポーネント１１から脱落することなく１６０度まで高屈曲角度が得られるとしている。
【０００７】
ところが、この提案の人工関節では回旋については全く考慮されておらず、単に前後方向への屈曲のみが可能となるものである。そして、このような屈曲のみが可能な人工関節を施術した場合、靭帯を含む軟部組織がある程度健全な症例に対しては、軟部組織による回旋が幾分確保され屈曲もある程度確保され得るが、軟部組織の状態が悪い症例に対しては、回旋は生じ難く屈曲の点で改良の余地があった。
【０００８】
一方、特許文献５には、図９に示すような人工膝関節が開示されている（従来例２）。上記従来例１と同様、大腿骨コンポーネント１と脛骨コンポーネント１１とから構成されるものであるが、上記従来例１と異なりスパインおよびカムを用いていない。脛骨コンポーネント１１の関節面１２に設けられた一対の凹面部１２ａ、１２ｂのうち、一方の凹面部１２ａの有意の部分の曲率と、大腿骨コンポーネント１を構成する一対の顆状突起部材２ａ、２ｂのうち凹面部１２ａと接する方の顆状突起部材２ａの凸面部８ａの有意の部分の曲率とを概ね等しくし、他方の凹面部１２ｂの有意の部分の曲率をこの凹面部１２ｂと接する方の顆状突起部材２ｂの凸面部８ｂの有意の部分の曲率より小さくした（言い換えると、なだらかにした）ことにより、前者の凹面部１２ａに一方の顆状突起部材２ａの凸面部８ａが嵌まり込んでここを支点として他方の顆状突起部材２ｂが水平方向に回転でき、すなわち回旋が可能となるものである。しかし、この人工膝関節は、歩行時の比較的小さな屈曲角度の範囲で必要な回旋角度を確保することを目的としており、高屈曲角度にまで適用できるものではない。また、屈曲角度に応じて回旋角度が誘導されるものではない。
【０００９】
【特許文献１】
特公昭６１−５０６２５号公報
【特許文献２】
特公昭６２−３６６９６号公報
【特許文献３】
特公平２−４５４５６号公報
【特許文献４】
特開平１１−３１３８４５号公報
【特許文献５】
米国特許第５，２１９，３６２号明細書
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような状況に鑑み、本発明の課題は、屈曲角度に対応した回旋角度が誘導されることにより高屈曲角度まで円滑に屈曲できる人工膝関節を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、大腿骨の遠位部に装着される大腿骨コンポーネントと脛骨の近位部に装着される脛骨コンポーネントとからなる人工膝関節において、前記大腿骨コンポーネントが、互いに間隔をあけて横に設けられた一対の顆状突起部材と、該一対の顆状突起部材の互いの後部を結合する、概ね前方に向かう案内面を有する結合部材とを備え、前記脛骨コンポーネントが、前記各顆状突起部材の凸面部が摺動及び／又は転動する一対の凹面部と、前記一対の顆状突起部材の間隔に嵌入され該間隔の長手方向に可動自在となるように形成された、概ね後方に向かう案内面を有する突起部とを備え、該人工膝関節の屈曲角度が変化したとき、前記突起部と前記結合部材との互いの案内面の接触部位の位置が変化することにより、該人工膝関節の回旋角度が変化するように構成された人工膝関節である。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、前記結合部材の案内面と前記突起部の案内面のうち少なくとも一つが、捩じれた形状である請求項１に記載の人工膝関節である。
【００１４】
〔作用〕
以下において、大腿骨コンポーネントと脛骨コンポーネントとの相対的な動きや位置関係の把握を容易にするため、脛骨コンポーネントは、その関節面を水平にした状態で固定されたものとみなし、大腿骨コンポーネントのみが屈曲・回旋するものとして説明する。
【００１５】
本発明の人工膝関節は、屈曲角度の変化に対応して該人工膝関節の回旋角度が変化するように構成しているので、屈曲角度に応じて回旋角度が誘導され円滑な屈曲が可能となる。
【００１６】
例えば、屈曲角度が変化したときに前記突起部と前記結合部材との互いの案内面の接触部位の位置が変化することにより該人工膝関節の回旋角度が変化するように構成すれば、屈曲角度に応じて回旋角度が誘導され円滑な屈曲が可能となる。
【００１７】
また例えば、前記結合部材の案内面を捩じった形状に形成すれば、屈曲角度を変化させたときに、その屈曲角度の変化量に対応して前記突起部の案内面と接触する、前記結合部材の案内面の接触部位の高さ方向の位置が移動することによりその接触部位の水平方向の位置も移動し、その水平方向への移動量分だけ脛骨コンポーネントに対して大腿骨コンポーネントが水平方向（関節面方向）に回転（回旋）する。したがって屈曲角度に対応する回旋角度が生じることになる。
【００１８】
上記において、前記結合部材の案内面に替えて、前記突起部の案内面の方を捩った形状に形成しても同様の作用効果を奏することは明らかである。
【００１９】
さらに上記において、前記結合部材の案内面と前記突起部の案内面との両方を捩った形状に形成すれば、上記と同様の作用により屈曲角度に対応する回旋角度が生じることに加え、双方の案内面の捩りの度合いをそれぞれ単独で捩った場合に比べて小さくできるので、大腿骨コンポーネントと脛骨コンポーネントとの間に生じる集中応力が前記結合部材と前記突起部とに分散され、各コンポーネントの疲労寿命が延長される。
【００２０】
さらに、前記一対の凹面部のうち、一方の凹面部の有意の部分の曲率をこの凹面部に接する前記顆状突起部材の凸面部の有意の部分の曲率と概ね等しくし、他方の凹面部の有意の部分の曲率をこの凹面部と接する前記顆状突起部材の凸面部の有意の部分の曲率より小さくすることにより、前者の凹面部に一方の顆状突起部材の凸面部が嵌まり込んでここを支点として他方の顆状突起部材が後者の凹面部上を摺動し得るので、回旋がより滑らかに行われる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る人工膝関節の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図１は本発明の実施に係る人工膝関節の斜視図である。図２〜４は本発明の実施に係る人工膝関節の動作状態を説明する図であり、図２は屈曲角度０度、図３は屈曲角度９０度、図３は屈曲角度１５０度の状態を示す。なお、図２〜４の各（ａ）は図１における関節面１２より上方はＡＡ断面、関節面１２より下方はＣＣ断面を繋ぎ合わせた断面図であり、各（ｂ）は図１における関節面１２より上方はＢＢ断面、関節面１２より下方はＤＤ断面を繋ぎ合わせた断面図である。
【００２３】
図１において、本発明の人工関節は大腿骨コンポーネント１と脛骨コンポーネント１１とからなる。大腿骨コンポーネント１は、一定の間隔９をあけて横（水平方向）に設けた一対の顆状突起部材２ａ、２ｂを、これらの互いの前部を一体に結合して膝蓋を形成するとともに、互いの後部を結合部材であるカム３により結合して形成されている。一方、脛骨コンポーネント１１は、関節面１２に一対の凹面部１２ａ、１２ｂと、突起部であるスパイン４とが形成されており、このスパイン４を大腿骨コンポーネントの間隔９に嵌入するとともに、各凹面部１２ａ、１２ｂそれぞれに各顆状突起部材２ａ、２ｂの各凸面部８ａ、８ｂそれぞれを当接させた状態で用いられる。
【００２４】
間隔９に嵌入されたスパイン４が、膝関節の屈曲にしたがって前後方向に自在に動くように、間隔９の横（水平方向）の幅は突起部４の横方向の幅より少しだけ広目とし、間隔９の空間部の前後方向（長手方向）の長さは、関節面１２の高さレベルでの突起部４の前後方向の長さ（すなわち裾部の長さ）より長くしておく。
【００２５】
そしてスパイン４の、概ね後方に向かう案内面４ｓを左右対称の形状でなく、捩った形状、例えば、案内面４ｓを水平に切断したときの切断線が、スパイン４の下端（裾部）から上端（頂部）に向かうにしたがって、上方から見て反時計方向に回転するような形状に形成しておく。
【００２６】
あるいは、上記スパイン４の案内面４ｓを捩った形状とする替わりに、カム３の、概ね全周に亘る案内面３ｓを左右対称の形状でなく、捩じった形状としてもよい。案内面３ｓを捩った形状とするためには、例えば、横に寝かせた円柱の中心軸を湾曲させたものをカム３として用いればよい。もしくは、カム３の中心軸は左右方向に真っ直ぐでカム３の左右の径を変化させ円錐台状にして捩りを加えてもよい。
【００２７】
あるいは、図１に示すように、スパイン４の案内面４ｓとカム３の案内面３ｓの双方ともを捩った形状とすると、より一層回旋角度が得られさらに好ましい。
【００２８】
まず、スパイン４の案内面４ｓを捩った形状とするためには、図２に示すように、スパイン４の案内面４ｓについて、その上部（近位部）においては右側（内側）が左側（外側）より前方に位置するようにし、その下部（遠位部）においては右側（内側）が左側（外側）より後方に位置するようにするとよい。なお、上部（近位部）と下部（遠位部）のうち一方のみを上記の位置関係としてもよい。次に、カム３の案内面３ｓを捩った形状とするためには、図２に示すように、カム３の案内面３ｓについて、その上部（近位部）と下部（遠位部）の右左側（内外側）が前後方向にほぼ等しい位置に位置するようにし、かつ右側（内側）の半径が左側（外側）の半径より小さくするとよい。
【００２９】
なお、一般的な膝の回旋は、大腿骨と脛骨の内側を軸として外側が回旋（外旋）する。しかし、本発明は、回旋の制御を外旋のみに限定するものではなく、カム３とスパイン４の形状を適切に設計することにより、大腿骨と脛骨の外側を軸として内側が回旋する内旋を制御することも可能である。
【００３０】
このように、案内面３ｓと４ｓのうちの少なくとも一つの案内面を捩った形状としておくと、屈曲にしたがって回旋が誘導される。例えば図２〜４に示すように、案内面３ｓと４ｓの双方ともを捩った形状とした場合において、膝関節の屈曲角度が０度のとき（図２）には、カム３とスパイン４とは接触せず、顆状突起部材２ａと２ｂとは前後方向にずれがなく（δ＝０）、回旋は生じていない。屈曲角度を増加させていくと、やがてカム３とスパイン４とが互いの案内面同士（３ｓと４ｓ）で接触するが、案内面３ｓ、４ｓ双方が捩られた形状をしているので、図３の（ａ）、（ｂ）で示すように、図１のＡＡ断面およびＢＢ断面における前後方向の接触位置が異なり、顆状突起部材２ａと２ｂとの前後方向のずれδが生じ、回旋が生じ始める（図３）。そして、さらに屈曲角度が増大すると、前記接触位置が上方に移動し、ずれδの量が増加して回旋角度も増加する（図４）。このようにして、屈曲にしたがって回旋が誘導される。なお、上記図２〜４の場合において、案内面３ｓ、４ｓのうち一方のみを捩った形状とし、他方を左右対称の形状としても、上記と同様の機構で回旋が誘導されることは明らかである。ただし、一方のみを捩った形状として、上記双方を捩った形状とする場合と同程度の回旋を生じさせるためには、その捩りの度合いを、双方を捩った形状とする場合に比べ大きくする必要があり、接触部位への応力集中が増加するおそれがある。
【００３１】
なおカム３およびスパイン４の断面形状は、図２〜４に示すものに限られるものではなく、屈曲角度の変化によって旋回角度が変化するように構成されれば、どのような形状であってもかまわないが、荷重による応力に耐える形状とすることが好ましい。例えば、カム３の断面形状は、図２〜４の円形の他に楕円形等であってもよく、スパイン４の断面形状は、図２〜４のような略三角形の他に、略四角形等であってもよい。
【００３２】
また、案内面３ｓと４ｓとは、互いに接触したときに集中荷重を生じさせず、また摩耗をできるだけ少なくするため、角のない滑らかな表面形状としておくことがよい。
【００３３】
また、図１に示すように、膝関節ができるだけ滑らかに屈曲するよう、顆状突起部材２ａ、２ｂの凸面部８ａ、８ｂは球面状とし、これらが当接しつつ摺動／転動する凹面部１２ａ、１２ｂも、集中荷重を生じさせず摩耗をできるだけ小さくするため、球面状とすることがよい。
【００３４】
さらに、凹面部１２ａ、１２ｂのうち一方の凹面部（図１では１２ａ）の有意の部分の曲率をこれと接する凸面部（図１では８ａ）の有意の部分の曲率と概ね等しくし、他方の凹面部（図１では１２ｂ）の有意の部分の曲率をこれと接する凸面部（図１では８ｂ）の有意の部分の曲率より小さくする（言い換えると、なだらかにする）ことが好ましい。ここに「有意の部分」とは、当該人工膝関節の屈曲角度および回旋角度の範囲で凸面部１２ａ（または１２ｂ）と凹面部８ａ（または８ｂ）とが互いに接触し得る部分を意味する。これにより、凹面部１２ａに凸面部８ａが嵌まり込んでここを支点とする一方、凹面部１２ｂ内を凸面部８ｂが前後方向に摺動し得るので、回旋がより滑らかに行われる。なお凹面部１２ｂの有意の部分の曲率は、案内面３ｓ、４ｓの形状との組み合わせに応じて、より円滑な回旋が可能となるよう適宜調整すればよい。
【００３５】
なお、本発明に係る人工膝関節は、生体適合性、機械的強度、耐摩耗性等を考慮して、この分野で通常用いられている公知の材料で通常行われている公知の加工法により形成すればよい。すなわち材料としては、例えばチタン、チタン合金、ステンレス鋼、Ｃｏ−Ｃｒ合金等の金属材料、あるいはセラミックス素材、超高分子量ポリエチレン等の合成樹脂材料等を用い、各部材の表面（凸面部８ａ、８ｂ、凹面部１２ａ、１２ｂ）を鏡面・研磨加工等しておくことが好ましい。
【００３６】
また、本発明の人工膝関節を実際に患者体内に埋設・装着するにあたっては、ポリメタクリル酸メチル等の骨セメントを用いて残存生体骨と接着する方法、あるいは骨セメントを用いずに人工膝関節の表面に凹凸をつけて生体骨を侵入させ固着する方法等、従来の人工膝関節に用いられている公知の技術を適宜採用すればよい。
【００３７】
【実施例】
図１に示した形状と同様の人工関節（カム３とスパイン４との双方を捩った形状とし、凹面１２ａは凸面８ａと互いの有意の部分を略合同とし、凹面１２ｂは凸面８ｂよりなだらかな形状としたもの）を３種類のサイズについて製作し、それぞれのサイズごとに屈曲角度を０度から１５０度まで順次増加させ、各屈曲角度における回旋角度を実測し、屈曲角度と回旋角度との関係を求め、その結果を図５に示した。
【００３８】
図５に示すように、各サイズの人工膝関節（図５の折れ線ａ、ｂ、ｃ）とも屈曲角度約７０度までは回旋が生じないが、屈曲角度約９０度に達すると回旋が生じ始め、以後、屈曲角度の増加とともに回旋角度も増加し、屈曲角度１５０度において回旋角度１８〜２２度が得られ、屈曲角度１５０度以上の高屈曲角度においてより自然で滑らかな屈曲を実現できる１０度以上の回旋角度を確保できることを確認した。
【００３９】
なお、一般的な歩行に必要な最大屈曲角度は約６０度でそのときの回旋角度は約３度である。したがって、歩行時に必要な屈曲角度の範囲においても回旋角度を制御することが好ましいが、スパインにカムが常に接触しつづけると、スパインの摩耗および破損、カムの折損等の危険性が増す。そのため、本実施例では屈曲角度約７０度まではスパインとカムとを接触させず回旋が生じない構造とした。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、屈曲角度に対応した回旋角度が誘導され１５０度以上の高屈曲角度まで円滑に屈曲できる人工膝関節を提供できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に係る人工膝関節の斜視図である。
【図２】本発明の実施に係る人工膝関節の、屈曲角度０度における動作状態を説明する図である。
【図３】本発明の実施に係る人工膝関節の、屈曲角度９０度における作動状態を説明する図である。
【図４】本発明の実施に係る人工膝関節の、屈曲角度１５０度における作動状態を説明する図である。
【図５】実施例の人工膝関節における、屈曲角度と回旋角度との関係を示す図である。
【図６】人工膝関節を生体に取り付けた状態を説明する図である。
【図７】従来例１の人工膝関節の大腿骨コンポーネントの側面図である。
【図８】従来例１の人工膝関節の屈曲角度約１３０度における側面図である。
【図９】従来例２の人工膝関節の斜視図である。
【符号の説明】
１…大腿骨コンポーネント
２ａ、２ｂ…顆状突起部材
３…結合部材（カム）
３ｓ…案内面
４…突起部（スパイン）
４ｓ…案内面
５…前部
６…後部
７…凸面部
８、８ａ、８ｂ…凸面部
９…間隔
１１…脛骨コンポーネント
１２…関節面
１２ａ、１２ｂ…凹部
Ａ…大腿骨
Ｂ…脛骨

Claims

大腿骨の遠位部に装着される大腿骨コンポーネントと脛骨の近位部に装着される脛骨コンポーネントとからなる人工膝関節において、
前記大腿骨コンポーネントが、互いに間隔をあけて横に設けられた一対の顆状突起部材と、該一対の顆状突起部材の互いの後部を結合する、概ね全周に案内面を有する結合部材とを備え、
前記脛骨コンポーネントが、前記各顆状突起部材の凸面部が摺動及び／又は転動する一対の凹面部と、前記一対の顆状突起部材の間隔に嵌入され該間隔の長手方向に可動自在となるように形成された、概ね後方に向かう案内面を有する突起部とを備え、
該人工膝関節の屈曲角度が変化したとき、前記突起部と前記結合部材との互いの案内面の接触部位の位置が変化することにより、該人工膝関節の回旋角度が変化するように構成された人工膝関節。
前記結合部材の案内面と前記突起部の案内面のうち少なくとも一つが、捩じれた形状である請求項１に記載の人工膝関節。