JP2009531092A

JP2009531092A - 人間の膝関節用の人工器官又は成形器具

Info

Publication number: JP2009531092A
Application number: JP2009501841A
Authority: JP
Inventors: ネーゲアル・ハンス
Original assignee: アエクオス・エンドプロテティク・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2009-09-03
Also published as: WO2007110050A2; US20100222727A1; DE202006005095U1; EP2001422A2; WO2007110050A3

Abstract

【課題】人工器官又は成形器具としての人間の膝関節用固定器具について、関節の特に自然な動きを再現できるよう動作を改良すること。
【解決手段】人工器官又は成形器具としての人間の膝関節用固定器具１であって、大腿部に固定可能な大腿部固定部２と、脛骨に固定可能な脛骨部３とを備え、これら大腿部固定部２及び脛骨部３がジョイント部４によって互いに連結されており、該ジョイント部によって、膝関節のその垂直状態から屈曲状態への移行時に、垂直方向のベクトル成分Ｐ_Vertと水平方向のベクトル成分Ｐ_Sagを有する曲線状の軌道Ｐに沿って当該ジョイント部４の実際の回転中心が移動する前記固定器具において、脛骨の屈曲動作時における前記脛骨部３の軌道Ｐの水平成分Ｐ_Sagを前記大腿部固定部２に対して後方１０から前方１１へ移動させる。

Description

本発明は、人工器官又は成形器具としての人間の膝関節用固定器具であって、大腿部に固定可能な大腿部固定部と、脛骨に固定可能な脛骨部とを備え、これら大腿部固定部及び脛骨部がジョイント部によって互いに連結されており、該ジョイント部によって、膝関節のその垂直状態から屈曲状態への移行時に、垂直方向のベクトル成分と水平方向のベクトル成分を有する曲線状の軌道に沿って当該ジョイント部の実際の回転中心が移動する前記固定器具に関するものである。

上記のような固定器具における種々の運動は、１つの枢支点回りの運動では大腿部と脛骨部の自然な相対運動が不可能であるということが前提となっている。そのため、特にヒンジ結合による人工器官又は成形器具では満足のいく運動が達成できない。

そこで、特許文献１には、ガイド部による多軸制御がなされる人口膝関節が提案されている。これには、カム溝としての２つの溝と、ガイドピンとして形成された２つのガイド部材とを備えたジョイント機構が設けられている。なお、これら溝及びガイド部材は、生体工学的に調和する必要がある。

ここで、１つのカム溝は、人工膝関節に対して垂直な面内に配置されており、大腿部の前方への運動を可能にするものとなっている。一方、もう１つのカム溝は長手方向に設けられているとともに、比較的長い弓状のセグメントがジョイント部の一点を中心とした人類運動学的な運動のために設けられている。

また、運動の初期段階においては、長手方向に延設されつつ湾曲したカム溝に設けられた上方のガイドピン回りに比較的短い弓状セグメントでの回転がなされる。そして、下方のガイドピンがカム溝の前端部に達した後、このガイドピンは、長手方向に設けられたカム溝の比較的長い弓状のセグメントを介した上方のガイドピンの移動のための回転中心あるいはヒンジとして機能する。ここで、自然な動作は、脛骨部が、膝の曲げ動作開始から２５°の範囲で、ジョイント部により大腿部に対して８〜９ｍｍ程度後方へ移動されることによりなされる。

上記に類似の多軸制御により動作する膝整形具が特許文献２及び特許文献３に開示されている。これらには、それぞれ、膝の曲げ動作開始から所定の範囲で脛骨部が大腿部に対して強制的に所定の距離スライドするよう設定されたジョイント部を備えた構成が記載されている。

また、特許文献４には複数のリンク及び長さ可変の１つのばねリンクを備えたリンクシステムで構成された整形外科的な、あるいは人工的な関節が記載されており、ばねリンクがいかなる曲げ角度においても関節を固定するよう互いに回転可能に連結された５つの長さ固定のリンクが設けられている。特に、ばねリンクは、関節が所定の解除手段によってのみ曲がるように該関節を設定するものとなっている。

さらに、特許文献５には、２つのレールに結合された中間部材を貫通する２つの回転軸を備えた自然な膝関節を補助する人工関節が開示されている。ここで、中間部材は両レールの互いに上下に位置する端部における内面部の間で支持されており、下方のレールにあっては２つの回転ピンのうち上側のものによって中間部材に結合されており、上方のレールにあっては２つの回転ピンのうち下側のものによって中間部材に結合されている。
独国特許出願公開第６８９２８５１１号明細書米国特許第４７７３４０４号明細書欧州特許出願公開第０１７３１６１号明細書欧州特許出願公開第０４８２８０９号明細書独国特許第４１２３６２号明細書

本発明の目的とするところは、人工器官又は成形器具としての人間の膝関節用固定器具について、関節の特に自然な動きを再現できるよう動作を改良することにある。

上記目的は、請求項１に記載した特徴を有する固定器具によって達成される。なお、各従属請求項には、特に有利な実施の形態が記載されている。

本発明は、脛骨の屈曲動作時における脛骨部の軌道の水平成分を大腿部固定部に対して後方から前方へ移動させることを特徴としている。また、本発明は、当業者の間で従来支配的であった、膝の初期屈曲時に脛骨部を大腿部に対して後方へ移動させる（特に摺動させる）手法に対し、これに反する動作によって関節の自然な動きを達成するものである。さらに、本発明によって脛骨部を大腿部に対して前方へ移動させることにより、単なる回転運動により膝関節の滑らかな動きを阻害することがない。

また、脛骨の所定の第１の角度範囲における屈曲動作時の脛骨部の軌道の水平成分を大腿部固定部に対して後方から前方へ移動させると好ましい。これにより、回転運動が所定の第１の範囲内に限定され、膝関節の動作が更に最適化される。

さらに、脛骨の屈曲動作時における脛骨部の軌道の垂直成分を大腿部固定部に対して下方から上方へ移動させると好ましい。これにより、膝関節の自然な動きを更に良好かつ滑らかにすることが可能である。

ところで、多軸制御された運動は、基本的に、その機能的な相互作用において軌道を規定する適当に構成された部材によって達成される。特に、本発明の一実施形態においては、ジョイント部にガイド部を設け、該ガイド部に２つのガイド溝、特に開口部を設けるとともに、この各ガイド溝に係合するガイド部材、特に突出部を設け、ガイド部及びガイド部材をそれぞれ大腿部固定部又は前記脛骨部に結合させたことを特徴としている。

これにより、非常に薄い構造が得られる上、その製作コストの抑制を図ることも可能である。また、ガイド部材を、摩擦抵抗が低減されるようローラとして形成することもできる。ここで、このローラはガイド溝において案内され、このローラにはわずかな磨耗しか生じない。さらに、このような構成においては、比較的大きな力も伝達することが可能である。

また、所望の運動軌道を得るには、基本的にそれぞれガイド溝に係合した２つのガイド部材が必要である。特に好ましい実施形態は、それぞれ１つのガイド部材が係合する３つのガイド溝をガイド部に設けたことを特徴としている。これにより、同じ動作によって関節を特に極端な位置へ移動させることが可能であり、ガイド部材の不都合な運動によって動作における抵抗が大きくなるのを防止することができる。なお、ガイド部材が極端な位置へ移動するのに抗する復帰力を発生する復帰部材を更に設けてもよい。

また、本発明の他の実施形態は、ガイド溝のうちいずれか１つを、特に当該固定器具の水平方向に対して平行に設けたことを特徴としている。これにより、前進初動時の所望の運動を容易に規定することが可能である。

さらに、ガイド溝を連続した経路として形成するのが好ましく、こうすることで、単調な関節運動を得ることができる。そのため、患者は関節動作の著しい改善を感じることができると同時に、従来では避けることができなかった膝関節動作のサポート不足を解消することも可能である。

また、本発明の他の実施形態は、ジョイント部に内歯及び該内歯に噛合する歯車を設けるとともに、これら内歯及び歯車をそれぞれ大腿部固定部又は脛骨部に結合したことを特徴としている。このように構成することで、内歯に噛合する歯車のみによって所望の運動軌道を得ることが可能である。ここで、この歯車は、関節の曲げ動作時に固有の中心軸回りに回転し、内歯のピッチ円に平行な軌道を移動するようになっている。

さらに、本発明の他の実施形態は、固定器具を、大腿部固定部に結合された特に大腿部レールである大腿部固定具と、脛骨部に結合された特に脛骨部レールである脛骨固定具とを含んで構成したことを特徴としている。これにより、人工器官又は成形器具の容易な固定が達成できる。

本発明によれば、人工器官又は成形器具としての人間の膝関節用固定器具について、関節の特に自然な動きを再現できるよう動作を改良することが可能である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１には整形器具として人間の膝関節固定具１が示されており、この膝関節固定具１は、大腿部を固定するための大腿部固定部２と、脛骨に固定された脛骨部３とを備えて構成されている。そして、大腿部固定部２及び脛骨部３はジョイント部材４によって互いに連結されており、このジョイント部材４は脛骨部３に結合されたガイド部５を備えている。

また、このガイド部５には第１及び第２のガイド溝６，７が刻設されており、これら第１及び第２のガイド溝６，７には、種々の動作が可能となるようそれぞれ第１及び第２のガイド部材８，９が係合するようになっている。これにより、図１に示す状態から図２に示す状態へのジョイント部材４の回転時（膝の屈曲動作時）に、実際の回転中心がその軌道Ｐに沿って移動することになる。

ここで、大腿部固定部２に対する脛骨部３の軌道Ｐの水平成分Ｐ_Sagが膝の曲げ動作の際に後方１０から前方１１へ移行する一方、同垂直成分Ｐ_Vartは下方から上方へと移行する。特に、膝の曲げ動作時には、水平軸と平行な第１のガイド溝６に係合する第１のガイド部材８は、前方から後方へと移動する。

＜実施の形態２＞
図３及び図４には、本実施の形態による膝関節固定具１２が、更に第３のガイド溝１３に係合する第３のガイド部材１４を備えて、膝を曲げていない状態あるいは膝を曲げた状態で示されている。

このように、３つのガイド部材８，９，１４を用いることにより、膝の曲げ動作がより滑らかとなって、特に、動作に対する不都合な抵抗を防止することが可能となっている。また、本実施の形態においても、大腿部固定部２及び脛骨部３はジョイント部材１５によって互いに連結されており、このジョイント部材１５のガイド部１６には、所望の種々の動作が可能となるよう第１〜第３のガイド部材８，９，１４と係合するそれぞれ第１〜第３のガイド溝６，７，１３が刻設されている。

そして、脛骨部３の回転中心の軌道Ｐは、大腿部固定部２に対して、膝を曲げていない図３に示す状態から図４に示す膝を曲げた状態へ、後方１０から前方１１へ移行する。

＜実施の形態３＞
図５及び図６には、本実施の形態による膝関節固定具１７が示されている。この膝関節固定具１７はジョイント部材１８を備えており、該ジョイント部材１８は、内歯１９と、これに噛合する歯車２０とで構成された歯車機構を備えている。すなわち、大腿部固定部２に回転可能に結合された歯車２０は、脛骨部３に結合された内歯１９に噛合している。

そして、図５に示す膝を曲げていない状態から図６に示す膝を曲げた状態へのジョイント部材１８の回転、すなわち脛骨部３の前方１１から後方１０への回転によりピッチ円に沿った転がり運動が生じるとともに、ピッチ円と平行な軌道Ｐへと歯車２０の中心軸２１が移動する。

膝を屈曲させていない状態における本発明による固定器具を示す図である。膝を屈曲させた状態での図１と同様な図である。３つのガイド部材を設けた場合の膝を屈曲させていない状態における本発明による固定器具を示す図である。膝を屈曲させた状態での図３と同様な図である。歯車機構を設けた場合の膝を屈曲させていない状態における本発明による固定器具を示す図である。膝を屈曲させた状態での図５と同様な図である。

符号の説明

１，１２，１７膝関節固定具
２大腿部固定部
３脛骨部
４，１５，１８ジョイント部材
５，１６ガイド部
６第１のガイド溝
７第２のガイド溝
８第１のガイド部材
９第２のガイド部材
１０後方
１１前方
１３第３のガイド溝
１４第３のガイド部材
１９内歯
２０歯車
２１歯車の中心軸
Ｐ回転中心の軌道
Ｐ_Sag 回転中心の軌道の水平成分
Ｐ_Vert 回転中心の軌道の垂直成分

Claims

人工器官又は成形器具としての人間の膝関節用固定器具（１，１２，１７）であって、大腿部に固定可能な大腿部固定部（２）と、脛骨に固定可能な脛骨部（３）とを備え、これら大腿部固定部（２）及び脛骨部（３）がジョイント部（４，１５，１８）によって互いに連結されており、該ジョイント部によって、膝関節のその垂直状態から屈曲状態への移行時に、垂直方向のベクトル成分（Ｐ_Vert）と水平方向のベクトル成分（Ｐ_Sag）を有する曲線状の軌道（Ｐ）に沿って当該ジョイント部（４，１５，１８）の実際の回転中心が移動する前記固定器具において、
脛骨の屈曲動作時における前記脛骨部（３）の軌道（Ｐ）の水平成分（Ｐ_Sag）を前記大腿部固定部（２）に対して後方（１０）から前方（１１）へ移動させることを特徴とする固定器具。
脛骨の所定の第１の角度範囲における屈曲動作時の前記脛骨部（３）の軌道（Ｐ）の水平成分（Ｐ_Sag）を前記大腿部固定部（２）に対して後方（１０）から前方（１１）へ移動させることを特徴とする請求項１記載の固定器具。
脛骨の屈曲動作時における前記脛骨部（３）の軌道（Ｐ）の垂直成分（Ｐ_Vert）を前記大腿部固定部（２）に対して下方から上方へ移動させることを特徴とする請求項１又は２記載の固定器具。
前記ジョイント部（４，１５）にガイド部（５，１６）を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固定器具。
前記ガイド部（５，１６）に２つのガイド溝（６，７，１３）、特に開口部を設けるとともに、この各ガイド溝に係合するガイド部材（８，９，１４）を設け、前記ガイド部（５，１６）及び前記ガイド部材（８，９，１４）をそれぞれ前記大腿部固定部（２）又は前記脛骨部（３）に結合させたことを特徴とする請求項４記載の固定器具。
それぞれ１つの前記ガイド部材（８，９，１４）が係合する３つの前記ガイド溝（６，７，１３）を前記ガイド部（１６）に設けたことを特徴とする請求項４又は５記載の固定器具。
前記ガイド溝のうちいずれか１つ（６）を、特に当該固定器具の水平方向に対して平行に設けたことを特徴とする請求項５又は６記載の固定器具。
前記ガイド溝（６，７，１３）を連続した経路として形成したことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の固定器具。
前記ジョイント部に内歯（１９）及び該内歯に噛合する歯車（２０）を設けるとともに、これら内歯及び歯車をそれぞれ前記大腿部固定部（２）又は前記脛骨部（３）に結合したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固定器具。
前記大腿部固定部（２）に結合された特に大腿部レールである大腿部固定具と、前記脛骨部（３）に結合された特に脛骨部レールである脛骨固定具とを含んで構成したことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の固定器具。