JP2000512164A - 低摩耗性ボールカップ人工関節 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ボール(14)とカップ(18)の人工関節は、関節接合金属面(25,24)が設けられ、この接合面(25,24)は、50μｍ程度の差がある半径(R₃,R₁,)上に形成され、接触面域(θ)を持つ面(25,24)を有する。接触面域(θ)は、0.12πR₃ ²から1.65πR₃ ²の範囲にある表面を有し、接触面域(θ)における金属関節接合面（25,24）の中心線平均表面の粗さは、好ましくは0.1μｍ以下である。

Description

【発明の詳細な説明】 低摩耗性ボールカップ人工関節 技術分野 本願発明は、移植可能な人工関節に関し、特に疾病または負傷によるボールカ ップ関節の代替として適用される。背景技術 一般に市販されている移植可能なボールカップ（ソケット）関節は、通常半球 面を有する分子量のきわめて高いポリエチレン等のプラスチック製の移植可能な カップまたはソケットと、コバルト−クロム合金等の金属製のボール部材とで構 成される。移植された関節を使用することによって、プラスチック製のカップ部 が大いに摩耗し、また、摩耗した粒子により、かつて骨があったところに大きな 柔組織の嚢胞が発達し、骨変性等の問題が次々に起こることがある。骨変性の結 果、人工のカップとボールの両方の構成要素を担持する骨性が非常に弱くなり、 これらの要素がゆるんでしまうことがある。 プラスチック製の表面が摩耗することにより形成される堆積物を減らすために 、ボールとカップの両方の関節接合面を耐摩耗性の硬質の物質、たとえばセラミ ックまたはコバルト−クロム合金等の金属で作ることが望ましい。人工器具に金 属と金属を用いた関節接合面を利用するという基本概念は、新規ではない。先行 文献として以下を挙げる。Walker，P.S.，およびB.L.Gold，“The Tribology（F riction，Lubrication and Wear）of All-Metal Artificial Hip Joints”,Wear 17:285-299，1971およびNottonの米国特許第4,263,681号;Hintermannの米国特 許第4,687,487号;Sivashの米国特許第3,943,576号;およびShersherの米国特許第 3,859,669号。人工のボールカップ補綴についても、Freyの米国特許第4,031,570 号;Mullerの米国特許第4,784,662号;およびFisherのPCT国際公開第WO95/23566号 において記載されている。 しかしながら、ボールとカップの関節接合面が金属製である場合、摩耗性の問 題が続くことは、明らかである。ボールとカップのいずれかまたは両方が、互い に対して表面をぴったりと嵌合するようになるまですり減っていく「摩滅」期間 の間、最初は摩耗の発生する度合いが高い。そして嵌合していくにつれて、摩耗 の発生率は次第に減少する。特に摩耗の激しい初期に生じる小さい粒子は、関節 腔を潤滑して周囲の組織に分散する滑液に、遊離し、上述したように、重合体の 表面を用いる場合に遭遇する種類の医学的問題が引き起こされる可能性があると いう懸念がある。 すべて金属からなるボールとカップの関節の関節接合面が、摩耗率が減少する まですり減ってしまった場合、通常、この摩耗のプロセスによって、ボールとカ ップのいずれか、または、両方の関節接合面に１または複数のうね(ridge)が形 成されることがわかる。また、うねは、表面と表面とが嵌合している面域または 接触している部位を画定する。しかしながら、うねは、正常に関節接合している ときの関節運動を損なわない一方、大きな動きをする運動を行っているときに摩 耗を促進し、および／または、潤滑の機能を果たす滑液の混入を妨げることもあ る。発明の開示 ボールカップ関節の接合している硬質の表面を注意深く削ることによって、ボ ールまたはカップの関節接合面上にうねが形成されることがあっても、通常これ らの関節に関連する「摩滅」を大いに避けることができる。 本願発明は、広義の側面において、２つの正常に接合する骨と骨との間に使用 されるボールとカップを関節接合する人工関節に関する。人工器官は、前記骨の 一つに装着され、半径R₁上に形成された第一の硬質の球形の関節接合面を包含す る球形の内部面を備えた通常半球腔を有する本体からなる関節接合するカップ部 材からなる。第二の関節接合部材には、前記骨の別の骨に装着されたボール形状 の本体と、半径R₃上に形成された第二の硬質の球形関節接合面とを備え、この第 二の硬質の球形関節接合面は、前記第一の関節接合面に接触面域において摺動可 能に接触している。 ここで用いられる「接触面域」とは、半径R₁とR₃によって画定される面が接し ている面域であり、この場合、R₁とR₃の差は50μｍ程度であり、25μｍ程度が望 ましいが、好ましくは6μm程度、最も好ましくは、2μｍ程度である。第一およ び第二の部材のそれぞれの球形の表面は、接触面域が、0.12πR₃ ²から1.65πR₃ ² 、好ましくは0.2πR₃ ²ら0.7πR₃ ²の範囲となるように形成される。別の 表現で表すと、接触面域は、半径R₃において形成される固定角φによって画定さ れる球形の分割片の面域であり、この場合、φは、40度から160度にあって、好 ましくは50度から100度である。 また、それぞれの球形面は、接触面域にすぐ隣接したところで広がり、その間 に、近接した隙間を有するが、接触しない非接触面域を形成する。また、非接触 面域における面は、半径R₁の描く弧に沿って測定される接触面域のエッジからの 距離ｓにおけるボールとカップとの末広がりの面の間に生じるギャップを「ｈ」 とし、接触面域にすぐに隣接するカップとボールのそれぞれの半径をR₄とR₂とし てR=(R₄R₂)/(R₄−R₂)である場合に、ｈ＝s²/2R±20%という関係を特徴とする。 別の方法で表すと、カップの頂点から半径R₃の描く角度θだけ接触面域から間隔 をあけた位置において、ギャップｈは、Ｒが上記の通り定義され、かつθがラジ アン(rad)で表示される場合、(R₁θ)²/2Rで表される値の20％以内である。θが 約0.5radよりも小さい場合、ギャップｈは、式(R₁θ)²/2Rによってプラスマイナ ス３％以内で画定される。図面の簡単な説明 図１は、カップ部材の断面を表した、本願発明によるボールカップ人工関節の 関節接合面の部分断面の概略図である。 図２は、本願発明によるボールカップ人工関節を具現化した人工股関節部の斜 視平面図である。 図３は、本願発明による人工器官のカップ部位の部分横断面の側面図である。 図４は、本願発明によるボールカップ人工関節の表面の概略図である。発明を実施するための最良の形態 「接触面域」は、カップとボールの硬質関節接合面の摺動面域を意味していて 、この場合、R₁とR₃の差は50μｍ程度であり、25μｍ程度が望ましいが、好まし くは6μｍ程度、最も好ましくは、2μｍ程度である。顕微鏡レベルでは、あらゆ る金属、セラミックその他硬質の表面は、多少粗くギザギザしており、表面には 、凹凸がある。先行文献として、Mummery，L.，“Surface Texture Analysis Th e Handbook"，Hommelwerke GmbH，1992をここに挙げる。好ましくは、接触の 面域の関節接合面の中心線平均表面の粗さは、0.1μｍ以下であり、好ましくは0 .025μｍ以下である。 まず、第２図について述べると、図２において、ヒトの大腿骨の近位部は「Ｆ 」で、骨盤に近接する寛骨臼は「Ｂ」で表されている。図示するように、人工大 腿骨10は、周知の外科的処置によって大腿骨の髄管の近位の末端部に移植され、 人工大腿骨は、髄管に納められたステム12と結合ネック16等の結合部によってス テム12に接合された関節接合ボール14からなる。前記結合ネックは、大腿骨の軸 に対して斜めにボールを取付け、カップの内部で接合を可能にする。図２および 図３において18は、同様に周知となっている多数の外科的処置のうちのいずれか の処置によって寛骨臼に移植された寛骨臼の人工カップを表す。 人工大腿骨および寛骨臼人工カップを大腿骨の近位の末端部と寛骨臼にそれぞ れ固定するために用いられる外科的処置は、広く報告されてきた。通常、骨性の 寛骨臼は、露出され、図３の18に示すように人工カップを受けるように外科的に 削られる。人工カップは、適宜ざらざらにされた、または骨との接着に対して接 着性を高めるように、または接着剤が用いられない場合骨性組織の内殖を促進す るように施された凸面20を外側に設けてもよい。ねじやその他のアタッチメント を用いて、寛骨臼にカップをさらにしっかり固定してもよい。図３において、フ ィン22を、カップの外側の縁に取付け、カップが所定の位置に納まるように寛骨 臼の硬質の骨性の縁に埋め込む。上述したように、通常、カップを骨性寛骨臼に 固定させるためにボーンセメント(bone cement)が用いられる。 図３において図示されるように、カップは金属製で、内部に金属製の関節接合 面24を有する。しかしながら、カップは、数種の成分でできていてもよい。たと えば、図３に図示されているものと類似した外殻は、骨性寛骨臼に付属物を備え ていてもよく、内側には一般的に半球形の殻が外殻によって担持されていてもよ い。内側の殻は、凹型の、一般的には球形の硬質の関節接合面を有する。 図２の人工大腿骨10について述べると、大腿骨の髄管「Ｃ」は、通常人工器官 のステム12を収めるために外科的な準備処理が施されており、ステムは、典型的 なボーンセメントを用いて所定の位置に接着させるか、髄管にしっかり納められ 、そして骨の成長を促進させ、支持する面を外部に設けてもよい。ボール14 は、ネック16によってステムに取付けられている。ボール14は、さらに、カップ の内部の硬質の関節接合面24と接合するように細心の注意を払って形成され、形 づけられた硬質の外面25（図１）を設けている。本願発明は、ボールとカップの 球形をした硬質の関節接合面の間に相互に関節接合する性質に関するものであり 、以下、この相互作用についての説明を行う。 図１について述べると、ボール14およびカップ18は、互いに関節接合する結合 を図示している。図１におけるボールとカップとの向き合う面の曲率の違いが、 さらに図４において理解しやすくするために誇張されていることが理解されよう 。固定角φの範囲内の接触する面域をここでは「接触面域」と称する。この面域 では、カップの表面は、半径R₁上に形成され、ボールの表面は半径R₃上に形成さ れる。接触面域を超えたところでは、ボールおよびカップの表面は接触していな い。接触面域のすぐ隣接したところでは、ボールの半径はR₂と図示され、カップ の半径はR₄と図示される。 接触面域内で、R₁とR₃との差は50μｍ程度であり、25μｍ程度が望ましいが、 好ましくは6μｍ程度であり、最も好ましくは2μｍ程度である。固定角φで限定 された接触面域は、ボールがカップに静かに収まっている（すなわち、ボールと カップとの間に大きな圧迫荷重がない）ときに測定して、0.12πR₃ ²から1.65πR₃ ² にあり、好ましくは0.2πR₃ ²から0.7πR₃ ²にある。さらに詳細に説明していく ように、ボールとカップの関節接合面は、表面の粗さが最大限であることが望ま しい。半径R₁、R₂、R₃およびR₄は、1.6mmのカーバイド・ボールを探針として使 用したSheffield-Bendix Formatモデル6060計器等の標準調整測定装置によって 測定されるように、表面の凹凸の先端によって規定されたボールとカップの表面 に対して測定されることは理解されよう。このような接触面域は、ボールの曲率 の半径がカップの曲率の半径よりも若干小さい、人工ボールとカップが金属と金 属であった従来では見られなかったであろう。上述したように、従来の金属と金 属の人工器官では、最初から摩耗の発生率が高く、表面がぴったりと嵌合し、ほ ぼ等しい曲率の半径を持つ帯域が発達し、帯域は、うねによって範囲が制限され る。ここに記載されるように、接触面域を設けることによって、このような初期 の摩耗はたいてい避けることができる。従来の金属対金属の移植におい て、移植して最初の１〜２年で大部分が摩耗してしまう。この初期の摩耗をほと んど避けることができることによって、移植の寿命にわたる全体の摩耗を大いに 低滅させることができる。 理解しやすいように、図１で図示される接触面域において、その中心がボール とカップの頂点Aにある。ボールとカップの間の実際の圧迫荷重軸は、必ずしも ボールとカップの頂点を通過せず、垂直（直立位置とする）から約15°ないし約 35°の範囲の角Aだけ傾いていることは、図２から理解されよう。重要なことは 、接触面域は、上記に記載され規定されているように、骨盤に関する大腿骨のあ らゆる正常な運動における荷重軸と交差するようになっていることである。接触 面域は、図１においてボールの表面付近を均一に角度φを通過しているように図 示されている。角度φは、荷重軸が接触面域を通過できるように、ボールおよび カップと荷重軸の位置とが様々に配置できるほど大きいことが望ましい。接触面 域の中心を通過する軸をボールとカップのいずれかまたは両方の頂点からほんの 少しシフトさせることが望ましい。これにより、接触面域がボールとカップのい ずれかまたは両方の頂点の付近で対称でなく、むしろシフトした荷重軸をさらに 含むように配置される。 ボールとソケットが関節接合している硬質表面は、それぞれ、コバルト−クロ ム合金等の超硬合金でできていることが好ましい。チタンおよびチタニウム合金 等の金属は、かじり耐性が低いため使用を避けるのが好ましい。セラミックの材 料を使用してもよい。ここで用いる「硬質」表面という言葉は、約170ヌープ以 上の表面硬度値を有する表面を意味することと理解されるべきである。関節接合 面は、周知の超仕上げにおける研磨またはラッピングプロセスによって慎重に形 成することができる。関節接合する金属の表面は、イオンボンバードメントおよ びその同等物を含む周知の方法によって硬化することができる。これによって得 られた表面に非常に細かい研磨剤を用いて通常の方法で超仕上げ機械加工によっ て研磨を施す。ボールとカップの関節接合面を一致させたまま保つように慎重に 行う。形成された表面は、ダイヤモンド状のコーディング等の硬質のコーティン グまたは窒化チタン等の窒化物のコーティングを施してもよい。関節接合面が金 属製である場合、異なる金属または類似の金属の異なる合金をそれぞれの表面に 使用することが好ましい。これによって、２つの金属の耐摩耗性のレベルは異な る。たとえば、ボールの表面は、低炭素コバルト−クロム合金製で、カップの表 面は、高炭素コバルト−クロム合金製でもよい。 また、本願発明にとって重要なことは、接触面域にすぐ隣接した面域において ボールとカップとの向き合う面の性質である。この面域をここでは「非接触」面 域と称する。この面域では、ボールの表面が形成される半径は、カップの半径よ りも多少小さい。この非接触面域においてカップとボールの面は、互いに少しず つ離れることが望ましい。表面がだんだん遠ざかることによって、接触面域にお いて、滑液がカップとボールの面の間に収まりやすくなり、摩耗を増大させるこ とになりうるうねの形成を防ぐことができると考えられる。 図１において、カップの内部構造が球形として図示され、ボールが接触面域の 中心においてカップと同じ半径上に形成され、赤道に向かってより小さい半径が 図示されているが、これは好ましい実施態様である。ボールは、代替として球形 でもよく、表面は、接触面域の中心においてカップと同じ半径上に形成されてい てもよく、赤道に近づくにつれて接触面域の外側により大きな半径上に形成され ていてもよい。このため、そのカップとボールのギャップと角度θとの関係が実 質的に上記記載の通りであれば、接触面域の外側で、赤道に近づくにつれて、ボ ールの半径がより小さな値に減少されてもよく、カップの半径がより大きな値に 増大してもよい。後者の場合、距離ｓは、半径R₁の描く弧上に置かれ、かつ、ボ ールとカップの向き合う面の間に置かれていることになる。いずれにしても、接 触面域に近接するうねの形成を避けるために、半径R₂およびR₄は、半径R₁の原点 と接触面域のエッジの両方を通過する線に沿ってそれぞれ原点を有することが好 ましい。 図１で図示するように、カップの内部面は、球状であり（R₁＝R₄)、接触面域 の外側にあるボールの面がより短い半径上に形成される場合、半径R₁の描く弧に 沿って、すなわちその頂点から弧をなしているカップの面に沿って測定される接 触面域のエッジからの距離ｓにおいてボールとカップの向き合う面の間にあるギ ャップ「ｈ」は、式ｓ²/2Rで表される値の20％以内にあり、この場合、R₂とR₄が 接触面域にすぐ隣接しているボールとカップのそれぞれ半径であるとき、有効 半径がＲ＝(R₄R₂)/(R₄−R₂）である。別の方法で表すと、接触面域から角度θだ け間隔をあけたカップの表面上の所定の位置で、図１に図示されているように、 半径R₁が描く角度が接触面域から離れるように、ギャップｈは、Ｒが上記の通り 規定される場合、式(R₁θ)²/2Rでほぼ表される値の20％以内となっている。θが 約0.5radよりも小さい場合、ギャップｈは、式(R₁θ)²/2Rによって、プラスマイ ナス3％以内で規定される。 ボールの外部面は、球状であり（R₂＝R₃）、接触面域の外側にあるカップの面 がより大きい半径上に形成される場合、半径R₃の描く弧に沿って、すなわちその 頂点から弧をなしているボールの面に沿って測定される接触面域のエッジからの 距離ｓにおいてボールとカップの向き合う面の間にあるギャップｈは、式ｓ²/2R で表される値の20％以内にあり、この場合、Rは上記記載の通りである。別の方 法で表すと、接触面域から角度θだけ間隔をあけたカップの表面上の所定の位置 で、図１に図示されているように、半径R₃が描く角度が接触面域から離れるよう に、ギャップｈは、Ｒが上記の通り規定され、θがradで表される場合、式(R₃θ )²/2Rでほぼ表される値の20％以内である。θが約0.5radよりも小さい場合、ギ ャップｈは、式(R₃θ)²/2Rによって、プラスマイナス3％以内で規定される。 接触面域において、R₁およびR₃は、実質的に等しいので、式(R₃θ)²/2Rと(R₁ θ)²/2Rは、実質的に同等であり、後者の式で表すことができる。この式は、精 確ではないが、R₁の原点およびボールとカップとが向き合う面を通過する線に沿 って測定されるギャップｈに非常に近似している。また、R₁＝R₄またはR₂＝R₃で ある場合だけでなく、これらの式をいずれも適用できない場合、すなわち接触面 域の外側にあるカップとボールの面が、接触面域の範囲内にあるカップとボール の半径と異なる半径上に形成されている場合にも有用である。 したがって、ボールとカップの向き合う面が、接触面域から次第に離れていき 、カップまたはボールのうね形成が避けられるということは理解されるよう。接 触面域におけるカップとボールの表面は、接触面域に分布される摩耗性が小さい まま互いに摺動し合うような性質を有する。接触面域が非常に潤滑性が高いこと は有利である。 表面が接触面域の外側で離れる割合は、上述したように有効半径R₁の関数であ る。Ｒは、１から14メートルの間にあることが望ましく、3から10メートルの間 にあることが好ましい。 図４において、カップとボールの関節接合面を図示している。この場合、接触 面域の外側にあるカップとボールの面は、接触面域内にあるカップとボールの半 径と異なる半径上に形成されており、カップとボールの位置は、X軸を接触面域 の中心にあるボールとカップの接触面に対して垂直となるように、接触面域の中 心にその原点を有するX-Y座標系に置かれている。ここで、ギャップ「g」は、非 接触面域すなわちY軸と平行であるXの所定値において測定され、式 g=(R₂-R₄)(1+D²)^1/2+[R₄ ²-(X^*-R₄D)²]^1/2-[R₂ ²-(X^*-R₂D)²]^1/2 ただし、X^*=X-R₁(1-D)、かつ、D=cos(φ/2) によって求められる。 関節接合面の表面の粗さもまた、摩耗に影響を及ぼす。ボールとカップの関節 接合面の中心線平均表面の粗さは、シェフィールドプロフィルメータ等のプロフ ィル測定器によって測定されるように、0.1μｍ以下であり、好ましくは0.025μ ｍ以下である。セラミック材料においては、0.0125μｍを越えない表面の粗さが 得られ、かつ好ましい。いずれの金属の表面についても、ボールとカップの関節 接合面は、顕微鏡レベルで見たときに山と谷の連続から成っており、顕微鏡的に 粗い表面が互いに擦り合うとき、それぞれの面の山が互いにぶつかるたびに摩耗 が生じることになる。しかしながら、本願発明によると、それぞれの関節接合面 は滑らかな表面であるだけでは十分といえない。さらに、これらの面の接触面域 が0.12πR₃ ²ら1.65πR₃ ²の間にあることが要求される。接触面域に近接するカッ プとボールの向き合う面が、潤滑剤の混入を助長するように、うねをなくして次 第に離れていくことが望ましい。 本願発明により、ボールとカップの関節の接合の硬質表面は、ほとんど摩耗せ ず、これにより関節の隙間に有害な屑がほとんど流入することがない。 本願発明の好ましい実施態様を述べてきたが、発明の思想ないし添付のクレー ムの範囲から逸脱することなく多くの変更や修正、改造を施すことができると理 解されよう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成９年１２月２３日（１９９７．１２．２３） 【補正内容】 したがって、ボールとカップの向き合う面が、接触面域から次第に離れていき 、カップまたはボールのうね形成が避けられるということは理解されるよう。接 触面域におけるカップとボールの表面は、接触面域に分布される摩耗性が小さい まま互いに摺動し合うような性質を有する。接触面域が非常に潤滑性が高いこと は有利である。 表面が接触面域の外側で離れる割合は、上述したように有効半径R₁の関数であ る。Ｒは、１から14メートルの間にあることが望ましく、3から10メートルの間 にあることが好ましい。 図４において、カップとボールの関節接合面を図示している。この場合、接触 面域の外側にあるカップとボールの面は、接触面域内にあるカップとボールの半 径と異なる半径上に形成されており、カップとボールの位置は、X軸を接触面域 の中心にあるボールとカップの接触面に対して垂直となるように、接触面域の中 心にその原点を有するX-Y座標系に置かれている。ここで、ギャップ「g」は、非 接触面域すなわちY軸と平行であるXの所定値において測定され、式 g=(R₂-R₄)(1-D²)^1/2+[R₄ ²-(X^*-R₄D)²]^1/2-[R₂ ²-(X^*-R₂D)²]^1/2 ただし、X^*=X-R₁(1-D)、かつ、D=cos(φ/2) によって求められる。 関節接合面の表面の粗さもまた、摩耗に影響を及ぼす。ボールとカップの関節 接合面の中心線平均表面の粗さは、シェフィールドプロフィルメータ等のプロフ ィル測定器によって測定されるように、0.1μｍ以下であり、好ましくは0.025μ ｍ以下である。セラミック材料においては、0.0125μｍを越えない表面の粗さが 得られ、かつ好ましい。いずれの金属の表面についても、ボールとカップの関節 接合面は、顕微鏡レベルで見たときに山と谷の連続から成っており、顕微鏡的に 粗い表面が互いに擦り合うとき、それぞれの面の山が互いにぶつかるたびに摩耗 が生じることになる。しかしながら、本願発明によると、それぞれの関節接合面 は滑らかな表面であるだけでは十分といえない。さらに、これらの面の接触面域 が0.12πR₃ ²ら1.65πR₃ ²の間にあることが要求される。接触面域に近接するカッ プとボールの向き合う面が、潤滑剤の混人を助長するように、うねをなくして次 第に離れていくことが望ましい。請求の範囲 １．２つの正常に関節をなす骨と骨との間に使用される人工関節であって、 半径R₁上に形成された硬質の第一の球形関節接合面を包含する球形の内部面を 設けたほぼ半球状のキャビティを有する本体を備え、前記骨の一方に装着可能な 関節カップ部材と、 半径R₃上に形成された硬質の第二の球形関節接合面を包含するほぼボール形状 の本体を備え、前記半径R₁より前記半径R₃が50μｍ程度小さく、前記第二の球状 間接接合面が前記第一の関節接合面に接触面域において摺動可能に接触し、かつ 、前記骨の他方に装着可能な関節ボール部材とを備え、 前記第一および第二の球状関節接合面は、それぞれ前記接触面域が0.12πR₃ ² から1.65πR₃ ²の範囲となるように金属で形成されていることを特徴とする人工 関節。 ２．前記第一および第二の球形関節接合面は、それぞれ前記接触面域が0.2πR₃ ² から0.7πR₃ ²の範囲となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記 載の人工関節。 ３．前記第一および第二の球形関節接合面は、それぞれ前記接触面域にすぐ隣接 して分かれ、前記球形面の間に近接した隙間を有するが、接触しない非接触面域 を形成し、該非接触面域における前記表面の形状は、半径R₃の描く角度θだけ前 記接触面域から間隔をあけた場所で分かれた前記接合面のギャップｈが、半径R₂ およびR₄を、それぞれ前記接触面域にすぐに隣接する前記カップおよびボールの 半径であるとして、R=(R₄R₂)/(R₄−R₂)である場合に、h=(R₁θ)²/2R±20％とい う関係式で表されることを特徴とする請求項１に記載の人工関節。 ４．R₂は、R₃より小さいことを特徴とする請求項３に記載の人工関節。 ５．R₄は、R₁より大きいことを特徴とする請求項３に記載の人工関節。 ６．R₁＝R₄であることを特徴とする請求頂３に記載の人工関節。 ７．R₂=R₃であることを特徴とする請求項３に記載の人工関節。 ８．Rは１メートルから14メートルの範囲にあることを特徴とする請求項３に記 載の人工関節。 ９．前記接触面域における前記第一および第二の関節接合金属面の中心線平均表 面の粗さが、それぞれ0.1μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の人 工関節。 １０．前記接触面域における前記第一および第二の関節接合金属面の中心線平均 表面の粗さが、それぞれ0.025μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載 の人工関節。 １１．前記角度θだけ前記接触面域から間隔をあけた場所で分かれた前記接合面 の形状は、前記ギャップｈが、前記角度θが0.5radより小さいとき、h=(R₁θ)²/ 2R±3%の関係式で表されることを特徴とする請求項３に記載の人工関節。 １２．X位置における非接触面域における前記面が、X^*=X-R₁(1-D）、Ｄ=cos(φ/ 2)およびR=(R₄R₂)/(R₄-R₂)である場合、g=（R₂-R₄)(1+D²)^1/2+[R₄ ²-(X^*-R₄D)²]^{1 /2} -［R₂ ²-(X^*-R₂D)²]^1/2の関係式で表されることを特徴とし、ｇは、前記X位置 においてY軸と平行に測定される非接触面域における前記球形面の間にあるギャ ップであり、X、Yは接触面域の中心にあるボールとカップの接触面に対して垂直 となるX軸がある接触面域の中心にその原点を有するX-Y座標系に置かれているこ とを特徴とする請求項１あるいは３に記載の人工関節。 １３．２つの正常に接合する骨と骨との間に使用される接合人工関節であって、 前記骨の一つに装着可能な、半径R₁上に形成された第一の硬質の球形の関節接 合面を包含する球形の内部面を備えた通常半球腔を有する本体からなる関節接合 するカップ部材と、 前記骨の別の骨に装着可能な、半径R₃上に形成された第二の硬質の球形の関節 接合面を包含する、およびR₁がR₃と50μｍ程度異なる場合、前記第一の関節接合 面を接触面域に摺動可能に接触する球形面を備えたボール形状の本体からなる関 節接合するボール部材であって、前記ボールとカップは半径R₂およびR₄上にそれ ぞれ形成される前記接触面域の外側の面を少しずつ広げたことを特徴とするボー ル部材と、 中心線平均表面の粗さが0.025μｍ以下であり、接触面域がO.12πR₃ ²から1.65 πR₃ ²にあるように賦形されたそれぞれ第一と第二の金属関節接合面であっ て、前記第一および第二の球形面が前記接触面域にすぐ近接して少しずつ広がり 、前記球形面の間に非接触面域をしっかりと間隔をあけて設け、X位置における 非接触面域における前記面間のギャップが、X^*=X-R₁(1-D）、D=cos(φ/2)および R=(R₄R₂)/(R₄-R₂)である場合、g=（R₂-R₄)(1-D²)^1/2+［R₄ ²-(X^*-R₄D)²]^1/2-［R₂ ² -(X^*-R₂D)²]^1/2の関係式で表されることを特徴とし、また、ｇは、前記X位置に おいてY軸と平行に測定される非接触面域における前記球形面の間にあるギャッ プである場合、X、Y接触面域の中心にあるボールとカップの接触面に対して垂直 となるようにXに接触面域の中心にその原点を有するX-Y座標系に置かれているこ とを特徴とするそれぞれ第一と第二の金属関節接合面と、 からなる人工関節。 １４．前記第一および第二の球形面を、接触面域が0.2πR₃ ²から0.7πR₃ ²の範囲 となるように賦形することを特徴とする請求項１３に記載の人工関節。 １５．R₂は、R₃より小さいことを特徴とする請求頂１３に記載の人工関節。 １６．R₄は、R₁より大きいことを特徴とする請求項１３に記載の人工関節。 １７．R₁=R₄であることを特徴とする請求項１３に記載の人工関節。 １８．R₂＝R₃であることを特徴とする請求項１３に記載の人工関節。 １９．接触面域における第一および第二の関節接合金属面の中心線平均表面の粗 さが、それぞれ0.025μｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の人工 関節。 ２０．ボールあるいはカップの関節接合面の一つが、接触面域の内外の一定径上 にあり、他の一つは外れていることを特徴とする請求項１３に記載の人工関節。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つの正常に関節をなす骨と骨との間に使用される人工関節であって、 半径R₁上に形成された硬質の第一の球形関節接合面を包含する球形の内部面を 設けたほぼ半球状のキャビティを有する本体を備え、前記骨の一方に装着可能な 関節カップ部材と、 半径R₃上に形成された硬質の第二の球形関節接合面を包含するほぼボール形状 の本体を備え、前記半径R₁より前記半径R₃が50μｍ程度小さく、前記第二の球状 間接接合面が前記第一の関節接合面に接触面域において摺動可能に接触し、かつ 、前記骨の他方に装着可能な関節ボール部材とを備え、 前記第一および第二の球状関節接合面は、それぞれ前記接触面域が0.12πR₃ ² から1.65πR₃ ²の範囲となるように金属で形成されていることを特徴とする人工 関節。 ２．前記第一および第二の球形関節接合面は、それぞれ前記接触面域が0.2πR₃ ² から0.7πR₃ ²の範囲となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記 載の人工関節。 ３．前記第一および第二の球形関節接合面は、それぞれ前記接触面域にすぐ隣接 して分かれ、前記球形面の間に近接した隙間を有するが、接触しない非接触面域 を形成し、該非接触面域における前記表面の形状は、半径R₃の描く角度θだけ前 記接触面域から間隔をあけた場所で分かれた前記接合面のギャップｈが、半径R₂ およびR₄を、それぞれ前記接触面域にすぐに隣接する前記カップおよびボールの 半径であるとして、R=(R₄R₂)/(R₄-R₂)である場合に、ｈ＝(R₁θ)²/2R±20％とい う関係式で表されることを特徴とする請求頂１に記載の人工関節。 ４．R₂は、R₃より小さいことを特徴とする請求項３に記載の人工関節。 ５．R₄は、R₁より大きいことを特徴とする請求項３に記載の人工関節。 ６．R₁＝R₄であることを特徴とする請求項３に記載の人工関節。 ７．R₂＝R₃であることを特徴とする請求項３に記載の人工関節。 ８．Rは１メートルから14メートルの範囲にあることを特徴とする請求項３に記 載の人工関節。 ９．前記接触面域における前記第一および第二の関節接合金属面の中心線平均表 面の粗さが、それぞれ0.1μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の人 工関節。 １０．前記接触面域における前記第一および第二の関節接合金属面の中心線平均 表面の粗さが、それぞれ0.025μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載 の人工関節。 １１．前記角度θだけ前記接触面域から間隔をあけた場所で分かれた前記接合面 の形状は、前記ギャップｈが、前記角度θが0.5radより小さいとき、ｈ=(R₁θ)² /2R±3％の関係式で表されることを特徴とする請求頂３に記載の人工関節。 １２．２つの正常に接合する骨と骨との間に使用される人工関節であって、前記 骨の一つに装着可能な、半径R₁上に形成された第一の硬質の球形の関節接合面を 包含する球形の内部面を備えたほぼ半球状のキャビティを有する本体からなる関 節接合するカップ部材と、 前記骨の別の骨に装着可能な、半径R₃上に形成された第二の硬質の球形関節接 合面を包含し、前記半径R₁が前記半径R₃より25μｍ程度大きく、前記第一の関節 接合面に接触面域で摺動可能に接触する球形面を備えたボール形状の本体からな る関節接合するボール部材とを備え、 前記第一と第二の金属関節接合面は、中心線平均表面の粗さが0.025μm以下で あり、前記接触面域が0.12πR₃ ²から1.65πR₃ ²の範囲となるように形成されてい ることを特徴とする人工関節。 １３．前記ボールとカップは、前記半径R₂および半径R₄上にそれぞれに形成され た接触面域の外側で次第に広がる面を有し、前記第一および第二の球形面が前記 接触面域のすぐ隣接したところで少しずつ広がり、前記球形面の間に間隔を有す るが接触しない非接触面域を形成し、位置Xにおいて前記非接触面域における前 記面の間のギヤツプgが、式 g=(R₂-R₄)(1+D²)^1/2+[R₄ ²-(X^*-R₄D)²]^1/2-[R₂ ²-(X^*-R₂D)²]^1/2 ただし、X^*=X-R₁(1-D)、D=cos(φ/2)かつR=(R₄R₂)/(R₄-R₂) の関係式で表され、 前記ギャップgは、前記位置XにおいてY軸と平行に測定される前記非接触面 域における前記球形面の間にあり、位置X，Yが、接触面域の中心にあるボールと カップの接触面に対して垂直となるようにX軸に接触面域の中心にその原点を有 するX-Y座標系に置かれていることを特徴とする請求項12に記載の人工関節。 １４．R₂は、R₃より小さいことを特徴とする請求項13に記載の人工関節。 １５．R₄は、R₁より大きいことを特徴とする請求項13に記載の人工関節。 １６．R₁＝R₄であることを特徴とする請求項13に記載の人工関節。 １７．R₂＝R₃であることを特徴とする請求項13に記載の人工関節。 １８．R₁は１メートルから14メートルの範囲にあることを特徴とする請求項13に 記載の人工関節。 １９．２つの正常に接合する骨と骨との間に使用される接合人工関節であって、 前記骨の一つに装着可能な、半径R₁上に形成された第一の硬質の球形関節接合 面を包含する球形の内部面を備えたほぼ半球状のキャビティを有する本体からな る関節接合するカップ部材と、 前記骨の別の骨に装着可能な、半径R₃上に形成された第二の硬質の球形関節接 合面を包含し、前記半径R,が前記半径R₁より50μｍ程度大きく、前記第一の関節 接合面を接触面域に摺動可能に接触する球形面を備えたボール形状の本体からな る関節接合するボール部材であって、前記ボールおよびカップが、それぞれ前記 半径R₂および前記半径R₄上に形成される前記接触面域の外側の面を少しずつ広げ られたボール部材と、 中心線平均表面の粗さが0.025μｍ以下であり、接触面域が0.12πR₃ ²から1.65 πR₃ ²にあるように形成された第一と第二の金属関節接合面であって、前記第一 および第二の球形面が前記接触面域にすぐ隣接して少しずつ広がり、前記球形面 の間に非接触面域を間隔をあけて設け、位置Xにおける非接触面域の前記面の間 のギヤップgが、 g=(R₂-R₄)(1+D²)^1/2+[R₄ ²-(X^*-R₄D)²]^1/2-[R₂ ²-(X^*-R₂D²)^1/2 ただし、X^*=X-R₁(1-D)，D=cos(φ/2)かつR=(R₄R₂)/(R₄-R₂) の関係式で表され、また、ギャップgは、前記位置XにおいてY軸と平行に測定さ れる非接触面域における前記球形面の間にあり、位置X，Yが、接触面域の中 心にあるボールとカップの接触面に対して垂直となるようにX軸に接触面域の中 心にその原点を有するX-Y座標系に置かれていることを特徴とする第一および第 二の金属関節接合面とを備えていることを特徴とする人工関節。 ２０．前記第一および第二の球形面を、接触面域が0.2πR₃ ²から0.7πR₃ ²の範囲 となるように形成することを特徴とする請求項19に記載の人工関節。 ２１．R₂は、R₃より小さいことを特徴とする請求項19に記載の接合人工関節。 ２２．R₄は、R₁より大きいことを特徴とする請求項19に記載の接合人工関節。 ２３．R₁=R₄であることを特徴とする請求項19に記載の接合人工関節。 ２４．R₂=R₃であることを特徴とする請求項19に記載の接合人工関節。 ２５．接触面域における第一および第二の関節接合金属面の中心線平均表面の粗 さが、それぞれ0.025μｍ以下であることを特徴とする請求頂19に記載の人工関 節。 ２６．２つの正常に接合する骨と骨との間に使用される接合人工関節であって、 前記骨の一つに装着可能な、半径R₁上に形成された第一の硬質の球形の関節接 合面を包含する球形の内部面を備えたほぼ半球状のキャビティを有する本体から なる関節接合するカップ部材と、 前記骨の別の骨に装着可能な、半径R₃上に形成された第二の硬質の球形関節接 合面を包含し、前記半径R₁が前記半径R₃より50μｍ程度大きく、前記第一の関節 接合面を接触面域に摺動可能に接触する球形面を備えたボール形状の本体からな る関節接合するボール部材であって、前記ボールまたはカップの一方の球形面の みが、一定半径内で接触面域の外側に形成されたボール部材とを備え、 前記第一および第二の球形面は、それぞれ前記接触面域にすぐ隣接して少しず つ広がり、前記球形面の間に非接触面域を間隔をあけて設け、位置Xにおける非 接触面域の前記面の間のギャップgは、 g=(R₂-R₄)(1+D²)^1/2+[R₄ ²-(X^*-R₄D)²]^1/2-[R₂ ²-(X^*-R₂D)²]^1/2 ただし、X^*=X-R₁(1-D)、D=cos(φ/2)かつR=(R₄R₂)/(R₄-R₂) の関係式で表され、また、ギャップgは、前記位置XにおいてY軸と平行に測定さ れる非接触面域における前記球形面の間にあり、位置X，Yが、接触面域の中心に あるボールとカップの接触面に対して垂直となるようにX軸に接触面域の中 心にその原点を有するX-Y座標系に置かれていることを特徴とする人工関節。 ２７．２つの正常に関節接合する骨と骨との間に使用される人工関節であって、 前記骨の一方に装着可能な、半径R₁上に形成された第一の硬質の球形の関節接 合面を包含する球形の内部面を備えたほぼ半球状のキャビティを有する本体から なる関節接合するカップ部材と、 前記骨の他方に装着可能な、半径R₃上に形成された第二の硬質の球形の関節接 合面を包含し、前記半径R₁が前記半径R₃より50μｍ程度大きく、前記第一の関節 接合面を接触面域に摺動可能に接触する球形面を備えたボール形状の本体からな る関節接合するボール部材とを備え、 前記第一と第二の球形面が、それぞれ前記接触面域にすぐ隣接して広がり、前 記球形面の間に非接触面域を設け、接触面域から半径R₃の描く角度θだけ間隔を あけた場所で、前記末広がりの面の間のギャップｈが、半径R₂および半径R₄をそ れぞれ接触面域にすぐに隣接するカップとボールの半径とし、R=(R₄R₂)/(R₄-R₂) としたとき、h=(R₁θ)²/2R±20%という関係式で表されるように配置されている ことを特徴とする人工関節。