JP2010063783A

JP2010063783A - 人工関節構造

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Publication number: JP2010063783A
Application number: JP2008235110A
Authority: JP
Inventors: Hideo Matsumoto; 秀男松本; Yoshimori Kiriyama; 善守桐山; Takaaki Seki; 隆明関
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-03-25

Abstract

【課題】人工関節の置換施術において、施術者の経験、勘、主観に頼る施術から、客観的で信頼性の高いデータに基づく施術へと変換させ、人工関節の内側と外側の軟部組織のバランスを定量的で３次元的に測定して評価できる人工関節構造を提供する。
【解決手段】第１の骨と第２の骨の端部が組み合わされて屈曲および伸長運動を行う関節部が、人工関節に置換されて構成される人工関節構造において、第１の骨の側に連結される第１コンポーネントと、第２の骨の側に連結される第２コンポーネントとを備え、第１コンポーネントと第２コンポーネントとは、双方の湾曲面同士が接触して回動し関節動作を行うように構成され、第１コンポーネントまたは第２コンポーネントの一方は、代替して組み込むことが可能な代替コンポーネントを備え、代替コンポーネントの所定位置には、組み込まれたときに周囲から受ける荷重を測定するためのセンサを複数配設し、複数のセンサは少なくとも１つの３軸型荷重測定用センサを含んで構成される。
【選択図】図６

Description

本発明は整形外科で用いられる人工関節に係るものであり、より詳細には、膝関節や足関節等を人工のものに置換する施術に用いられる人工関節において、施術中に関節の内側と外側の荷重バランスを整えること、すなわち屈曲位および伸展位での軟部組織の荷重バランスを得ることが容易にできる人工関節の構造に関するものである。

人体には膝関節や足関節などの関節があり、例えば膝関節については、屈曲および伸展位などの運動は大腿骨および脛骨の運動を伴い、大腿骨および脛骨を結ぶ端部では一連の複雑な運動を可能とするように相互に連携した関節接合が形成されている。
なかでも膝関節は、変形性膝関節症、関節リウマチ、骨腫瘍などの疾病や、外傷や損傷を負ったときには、膝部の骨や関節軟骨および靱帯などを損壊劣化させて、膝が機能する能力に大きな影響を与える。
そのため、整形外科の分野においては各種の人工膝関節が開発されており、劣化した膝関節を人工膝関節に置換する人工膝関節置換術が普及している。

劣化した関節を人工膝関節に置換する施術法では、置換された人工膝関節において、その周辺の屈伸を制御する内外側側副靱帯などの軟部組織が、適正な荷重バランスを獲得しているか否かの判断は、大変に重要なことである。
置換された人工膝関節は、生体の膝関節の動きと同等な動きをする必要があり、人工膝関節置換施術の技法において、内側と外側のバランスを整えること、つまり、屈曲位と伸展位での軟部組織の荷重バランスを得ることは、施術後の良好な可動域と安定性を獲得するために大変重要なことである。

人工膝関節の置換施術は、人工膝関節の形状、大きさ、動作などに合わせて、人体の関節を切除して調整したり、人工膝関節側を切除して調整したりするのであるが、そのような置換施術においては、「大腿骨−人工膝関節−脛骨」間の機械的な調整、内側と外側の軟部組織の荷重バランスの調整などの処置のすべてが、術者の技量、経験、主観などに委ねられている。
したがって、置換術が施された患者の人工膝関節は、内側と外側の軟部組織の荷重バランスの調整がうまくとれず、生体膝関節のように柔軟でスムーズな関節運動が確保することができない、という問題が起こることがある。

このため、置換施術では、施術中に周辺の内側と外側の軟部組織の荷重バランスを計測し、これが適正であるならば、置換が成功する可能性はきわめて高いといえる。
人工膝関節が適正な内外側の荷重バランスを獲得しているならば、適正なアライメントや屈曲角の確保などの良好な臨床成績が得られ、人体内での人工膝関節の理想的なパーフォーマンスを期待でき、結果として、人工膝関節自体の耐久性を高めることができる。

このように、関節の置換施術において内外側の荷重バランスの調整を行うことは大変重要なことではあるが、従来の技術では内外側の荷重バランスを精密に測定をして、それに基づいて調整しながら施術することは容易ではなかったし、その測定や確認は、施術者または執刀医の主観に頼っているところが大きかった。
また、たとえ測定できたとしても、１軸方向の荷重データが得られるだけであったので、それでは実際の人体のような立体的で精密な測定が不可能であり、これらのデータを基に置換施術において膝関節部位を調整しても、元の生体膝関節のようなスムーズな関節運動が確保できるかどうか不明であった。

本発明の技術分野に係わる文献としては、例えば次のようなものがある。
特開２００８−６２０３０号公報特表２００７−５２０３１７号公報

本発明では、人工関節の置換施術において、従来のような施術者や執刀医の経験、勘、主観などに頼る施術から、客観的で信頼性の高いデータに基づく施術へと変換させ、人工関節の内側と外側の軟部組織の荷重バランスを定量的で３次元的に測定して評価できる人工関節構造を提供することを目的としている。

（１）第１の骨と第２の骨の端部が組み合わされて屈曲および伸長運動を行う関節部が、人工関節に置換されて構成される人工関節構造において、
前記第１の骨の側に連結される第１コンポーネントと、
前記第２の骨の側に連結される第２コンポーネントと、を備え、
前記第１コンポーネントと第２コンポーネントとは、双方の湾曲面同士が接触して回動し、関節動作を行うように構成され、
前記第１コンポーネントまたは第２コンポーネントの一方は、代替して組み込むための代替コンポーネントと置換可能な構成を備え、
前記代替コンポーネントの所定位置には、組み込まれたときに周囲から受ける荷重を測定するためのセンサを複数配設し、
前記複数のセンサは、少なくとも１つの３軸型荷重測定用センサを含んで構成される。

また、(１)の人工関節構造において、
前記複数個のセンサは、３軸型荷重測定用センサと１軸型荷重測定用センサとの組み合わせから構成されてもよい。
また、(１)の人工関節構造において、
前記複数個の前記センサは、すべて３軸型荷重測定用センサから構成されてもよい。

（２）大腿骨と脛骨の両端部が半月板を挟んで組み合わされて膝の屈曲および伸長運動を行う膝の関節部が、人工関節に置換されて構成される人工関節構造において、
前記大腿骨の側に連結される第１コンポーネントと、
前記脛骨の側に連結される第２コンポーネントと、を備え、
前記第１コンポーネントは第１湾曲面(凸面)を、前記第２コンポーネントは第２湾曲面(凹面)を有して、双方の湾曲同士が接触して回動し、膝の関節動作を行うように構成され、
前記第２コンポーネントは、代替して組み込むための代替コンポーネントと置換可能な構成を備え、
前記関節部は、前記大腿骨に結合された大腿四頭筋腱と、前記脛骨に結合された膝蓋腱と、その間の膝蓋骨と、を有し、
前記代替コンポーネントの所定位置には、組み込まれたときに周囲から受ける荷重を測定するために、少なくとも１つの３軸型荷重測定用センサを含む複数の荷重測定用センサを配設する。
(２)の人工関節構造において、
前記膝蓋骨にも、周囲から受ける荷重を測定するための荷重測定用センサを配設してもよい。

また、(２)の人工関節構造において、
前記代替コンポーネントの複数個のセンサは、３軸型荷重測定用のセンサと１軸型荷重測定用のセンサとの組みせから構成されていてもよいし、また、すべて３軸型荷重測定用のセンサから構成されていてもよい。
また、前記膝蓋骨に配設されるセンサは、１軸型荷重測定用のセンサから構成されることができるが、３軸型荷重測定用のセンサから構成されるのがより好ましい。

本発明は、人工関節の置換施術において、３軸型荷重測定用センサを用いて周辺の内外側の荷重バランスを３次元的に測定することができ、また複数の位置での計測値を組み合わせてトータル的に正確な荷重バランスの判断が可能となる。
この内外側の荷重バランスの値を３軸型荷重測定用センサを含む荷重測定用センサによって多面な位置から測定し、この値が適正か不適正であるかを置換施術の場においてその都度調整して確認することができ、内外側荷重バランスを含む人工関節の置換施術を、効率良く進めることができる。

内外側の荷重バランスの適正を確保することにより、施術後の人体内での人工関節の良好な運動機能を期待することができ、結果として人工関節自体の機能や耐久性も高めることができる。
従来のように、施術者の主観に頼る施術から、客観的なデータに基づく施術へと変換されることとなり、施術者の腕前、熟練度、経験、勘などに差異があったとしても、信頼性や安定性を一定に保持した人工関節の置換施術を実施することができる。

本発明では、実際に人工関節を組み込んだと同じ状態で、内外側のバランスを三次元データを含む荷重値として獲得することができ、正確で信頼性の高いデータに基づき、個人差の少ない定量的で客観的なバランス評価が可能になる。
なお、本発明による人工関節構造は、膝関節に限られるものではなく、肘関節、足関節、手首関節といった別の関節にも容易に適用することができる。

さて、本発明による人工関節構造の実施の形態について、添付の図１〜１２を用いて説明する。
図１２は、人体の膝関節の構造を示す説明図である。ここで、大腿骨３０と脛骨４０のそれぞれの端部の端面が半月板６２を介して合わせられて当接され、正面側にある「大腿四頭筋腱５０−膝蓋骨５１−膝蓋腱５２」と、両側面側にある２つの「側副靭帯６０、６１」とが、大腿骨３０と脛骨４０の側面に接合され、大腿骨３０と脛骨４０の両端部が半月板６２を挟んで一体的に組み合わされ、膝の屈曲および伸展運動を行う膝関節部が構成されている。

図１と図２は人工関節を膝関節に適用した例を示す図で、図１は膝の側面から見たときの人工関節構造１００、図２は膝を裏面から見たときの人工関節構造１００である。
この図１では、「大腿四頭筋腱５０−膝蓋骨５１−膝蓋腱５２」は示されているが、「側副靭帯６０、６１」は省略している。
人工関節構造１００では、大腿骨３０に合わせて連結接合される大腿骨側コンポーネント１０と、脛骨４０に合わせて連結接合される脛骨側コンポーネント２０と、を備えて、大腿骨側コンポーネント１０と脛骨側コンポーネント２０とが接触して相互に回動し、関節動作を行うことができる。

図１と図２において、大腿骨３０の下向きの端部形状は大腿骨側コンポーネント１０の上向きの内部形状に合わせられて両者が一体的に組み合わされており、また、脛骨側４０の上向きの端部形状は脛骨側コンポーネント２０の下向きの内部形状に合わせられ、同様に両者が一体的に組み合わせられている。
ここで、大腿骨側コンポーネント１０は下向きの湾曲凸面ｆ１を有し、脛骨側コンポーネント２０は上向きの湾曲凹面ｆ２を有しており、双方の湾曲面ｆ１とｆ２の接触する部位においてはその曲率が略等しく構成され、双方の湾曲面同士ｆ１−ｆ２が接触して相互に回動して、膝の関節動作を行う構成となっている。

つぎに図３を用いて、大腿骨側コンポーネント１０と、脛骨側コンポーネント２０との構造について説明する。
大腿骨側コンポーネント１０は、チタン合金、クロムモリブデン合金或いは医療用セラミクスなどの生体適合材料から構成され、全体的には外形が略Ｃ形や半円形のような立体形状を成して、下向きの面として脛骨側コンポーネント２０に当接する湾曲凸面ｆ１が形成されている。
また、大腿骨側コンポーネント１０の上面側は、施術によって端部が切削形成された大腿骨３０の形状に合致してそこで接合される形状となっており、大腿骨３０の下向き端部に挿入されて係合されるための係止突起部ｋ１とｋ２とを有する。

この大腿骨コンポーネント１０は大腿骨３０に装着される部材であり、大腿骨３０の端部を大腿骨コンポーネント１０の上側面の形状に合わせて骨を切り、大腿骨３０のその骨切面を上側内面に密着させて装着する。このとき、上面からペグ状の係止突起部ｋ１とｋ２を突出させて挿入することにより、大腿骨コンポーネント１０と大腿骨３０との接合の固着性を高めることができる。

脛骨コンポーネント２０は、大腿骨コンポーネント１０を受ける関節面プレートＡと、脛骨１０の上端に装着されて関節面プレートＡを支持する基体プレートＢとからなる。
このうち、関節面プレートＡは、金属と摩擦に対して相性のよい超高分子量ポリエチレン等の医療用樹脂材から構成され、大腿骨コンポーネント１０の湾曲凸面ｆ１を当接させて保持するために、上面には湾曲凹面ｆ２を有している。

また、関節面プレートＡの裏面は、平坦な面を形成して基体プレートＢに載置されて係合される形状となっており、このとき、位置がずれたりしないように、基体プレートＢの側にも関節面プレートＡの裏面を受け入れるために所定の係合構造を設けている。
そして、大腿骨コンポーネント１０との位置規定や相互移動時の整合性を高めるために、上面中央に基体プレートＡの突設部ｔ１を設けて、これを大腿骨コンポーネント１０の通し穴Ｔ２に挿通して、所定の位置に配設されるように構成されている。

基体プレートＢは、同じく生体適合金属で構成されており、その上面の形状が関節面プレートＡに合わされて係合され、これを保持する構造となっている。この基体プレートＢの脛骨４０に対する装着も、大腿骨コンポーネント１０と同様であり、脛骨１０の上方端部を平にして骨切りをして、基体プレートＢの下面をそれに合わせた形状としている。そして、脛骨１０との接合性を高めるために、基体プレートＢの裏面には係合突起部ｔ２を突設しておき、これを脛骨１０の内部に突入させて係合させ、相互の位置を固定させている。

図４(１)は、脛骨側コンポーネント２０を示す外観斜視図であり、次の図４(２)は図４(１)の前後を反転させた位置における外観斜視図である。
脛骨側コンポーネント２０は、図２に示した関節面プレートＡの下面と基体プレートＢの上面とを組み合わせて係合させ、一体的部材として構成したものである。この脛骨側コンポーネント２０の上面には大腿骨コンポーネント１０の内部の所定位置に挿通して配設される突設部ｔ１を、また、下面には脛骨側コンポーネント２０の上方端面に接合される突設部ｔ２を備えている。

ところで、これらの大腿骨コンポーネント１０と脛骨コンポーネント２０とを含む人工膝関節を膝関節に置換した場合、その屈曲、伸展及び回旋などの動作には、生体膝関節と同様に靱帯群に大きく影響されることになる。
図１および図２において、屈伸及び回旋動作に際して膝関節の安定性に関与する主な靱帯群としては、膝の内側の上下にあって大腿骨３０と脛骨４０とに連結する内側副靱帯６１と、膝の外側の上下にあってやはり大腿骨３０と脛骨４０とに連結する外側側副靱帯６０とがあり、また、前面にあって大腿骨３０に連結する大腿四頭筋５０から膝蓋骨５１を経由して脛骨４０に連結する膝蓋腱５２、その後方に存在する座骨下腿筋（図示せず）等がある。

図５(１)(２)は代替コンポーネント８０を示す図である。代替コンポーネント８０は脛骨コンポーネント２０に代替して組み込むための置換可能な構成を備えており、図４(１)の外観斜視図は、図３(２)に示した脛骨コンポーネント２０に対応する図である。
この代替コンポーネント８０は、脛骨コンポーネント２０と同様に、ふたつのプレート部材の８１と８２を組み合わせた構造からなり、プレート部材の８１と８２の間の所定位置には、周囲から受ける荷重を測定するために、少なくとも１つの３軸型荷重測定用センサを含む複数の荷重測定用センサを配設している。

図５の代替コンポーネント８０の外側の上面Ｆ２の形状は、図４の部材Ａと部材Ｂとを組み合わせた脛骨コンポーネント２０の湾曲凹面ｆ２と同等なものとする必要があるが、大腿骨コンポーネント１０の湾曲凸面ｆ１と直接当接にしない部位は、荷重測定に影響しないので省略することができる。
この図５では、図４の突設部ｔ１は湾曲凸面ｆ１と直接当接しない部位なので省略することができ、また突設部ｔ２も省略してよい。
こうして、図５の代替コンポーネント８０は、荷重測定に関わらない突起部分などは省略して、できる凹凸の少ない簡素な構造にしているので、膝関節の置換施術において、脛骨コンポーネント２０の代わりにこの代替コンポーネント８０を挿入する作業性を容易にすることができる。

本発明の人工関節構造は、置換しようとする人工関節を実際に関節に装着したとき、靱帯群がどのようなバランスを発揮するかを定量的に荷重測定するセンサを備えるものであり、図５(２)に示すように代替コンポーネント８０のプレート部材の８１と８２との間の所定位置には、組み込まれたときの周囲から受ける荷重を測定するために、５個のセンサＳ１〜Ｓ５を備えており、そのうちの中央のセンサＳ５は３軸型荷重測定用センサで構成している。

図６は、代替コンポーネント８０のプレート部材８２上に、荷重を測定するための５個のセンサＳ１〜Ｓ５を配列して配置した図であり、そのうちの中央のセンサＳ５は３軸型荷重測定用センサ、両側に並列配置されたセンサＳ１〜Ｓ４は１軸型荷重測定用センサで構成している。
このプレート部材８２に配設された荷重測定用センサＳ１〜Ｓ５は、荷重が測定できるものであれば、どのような原理のものでもよく、例えば、荷重の大小を電気量として出力する歪計ならば、一般的で取り扱い易く、本発明にも適用しやすい。

図６は、プレート部材８２に配設されたセンサＳ１〜Ｓ５の一例を示す平面図と側面図であり、その表面に３軸型荷重測定用のセンサＳ５を中心にして、大腿骨コンポーネント１０の左右の湾曲凸面ｆ１と当接する位置の前後方向に、右側に「センサＳ２(前側)−センサＳ１(後ろ側)」、左側に「センサＳ４(前側)−センサＳ３(後ろ側)」として左右２個ずつ、計５個を組み込んだものを示している。

ここでの１軸型荷重測定用と３軸型荷重測定用センサの数や組み合わせおよび配置については、図６のあくまでも一例であって、それらは関節部位の構造や測定データの質や量など応じて、任意に設定できるものである。
できるだけ広範な位置に数多く設置することで、より細かい荷重分布が測定できるし、また、３軸型荷重測定用センサの割合を多くすることによって、より精密で立体的な荷重分布が測定できるようになる。

図５に示したものは、荷重測定用センサＳ１〜Ｓ５は有線式で接続されており、それぞれのセンサＳ１〜Ｓ５毎にコード(ｃ１〜ｃ５)が後方へ引き出されており、代替コンポーネント８０は後方から出し入れするのに適する構成となっており、代替コンポーネント８０は正規の取り付け位置に配設されて、正面にある「大腿四頭筋腱５０−膝蓋骨５１−膝蓋腱５２」に影響されることなく、正常状態に保持されることができる。
なお、センサＳ１〜Ｓ５は有線式としているが、これに限らず、小さな電池等を内蔵してこれを電源として出力を無線で発信する無線式のものを利用することができる。この場合には導線とその接続が不要となるので、構造が簡単で施術のときにも邪魔にならないという利点がある。

図５の代替コンポーネント８０は、人口関節として脛骨４０に連結接合される脛骨側コンポーネント２０に代わるものとして設計されており、人口関節施術時の荷重の測定が済めば正規の脛骨側コンポーネント２０に取り替えられるものである。
この代替コンポーネント８０としては、実際の脛骨側コンポーネント２０と同じ形状のものを製作し、これに荷重測定用センサを組み入れて、これを代替コンポーネント８０として用いることも可能である。

図６において、左右に２個ずつ並列に配置されたセンサＳ１〜Ｓ４は１軸型荷重測定用センサであり、上下方向「(ｚ＋)←→(ｚ−)」の荷重だけを測定する。また、中央に配置されたセンサＳ５は３軸型荷重測定用センサであり、上下方向「(ｚ＋)←→(ｚ−)」、左右方向「(ｘ＋)←→(ｘ−)」、前後方向「(ｙ＋)←→(ｙ−)」という３方向、すなわちｘｙｚ３軸(３次元)の荷重を測定する。

次に、図７−１０を用いて、この代替コンポーネント８０によって置換する人工膝関節の靱帯バランスをセンサＳ１−Ｓ５を用いて測定した事例について説明する。
この靱帯バランスの測定は、骨切りをした後に所定の大腿骨側コンポーネント１０と脛骨側コンポーネント２０とをインプラントして組み込んだ後に行う。この場合、大腿骨側コンポーネント１０はそのままのものを使用するが、脛骨側コンポーネント２０は上記してきたように代替コンポーネント８０に置換して使用する。この代替コンポーネント８０にはセンサＳ１〜Ｓ５が組み入れられているので、これらのセンサによって荷重の測定を開始する。

図７は、図６のようにセンサＳ１〜Ｓ５が配置された代替コンポーネント８０を人工膝関節に組み込んだ状態で、その膝関節を屈曲する動作を行わせ、それに伴って変動する荷重をセンサ毎に測定した事例のデータを示すものであり、縦軸が歪み(με)で縦軸が時間(Sec)を示す。
また、図７(上)はセンサＳ１〜Ｓ４それぞれのｚ方向のみの荷重変化図であり、図７(下)はセンサＳ５のｘ−ｙ−ｚ方向の３軸の荷重変化図である。

図７(上)によれば、１軸型荷重測定用のセンサＳ１〜Ｓ４のうちの図６の左上のセンサＳ４の変動が最も大きく、センサＳ４の付近のｚ＋方向(上下の下)により大きく荷重が与えられていることがわかる。そしてこのとき、図６中央のセンサＳ５も荷重変動しており、ｚ＋方向(上下の下)の荷重が大きいことはセンサＳ４と同様であるが、そのつぎにｘ＋方向(左右の左)にかかる荷重が大きく、さらにｙ−方向(前後の後)にかかる荷重も多少あることがデータから明らかであり、膝関節の左方向に荷重が加えられ動作であることがわかる。

この図７によれば、ｚ方向のみの荷重変化を測定するセンサＳ１〜Ｓ４に加えて、ｘｙｚ方向の３軸の荷重変化を測定するセンサＳ５を用いることにより、センサＳ５による「ｘ＋／ｘ−方向(左右)」にかかる荷重と、「ｙ＋／ｙ−方向(左右)」にかかる荷重とを測定することができるので、３次元的測定によって立体的で精密で実際の構造に近い形態で関節部の荷重分布を判定することができる。

次の図８−１０は、図７の膝関節の屈曲動作とは異なる状態における、センサＳ５のみの荷重変動を示す図である。
まず図８の測定データでは、「ｚ＋方向(上下方向の下)」と「ｙ＋方向(前後方向の前)」により大きく荷重が与えられており、「ｘ方向(左右方向)」にはほとんど荷重変動が認められないので、「ｙ＋方向(前後方向の前)」に主に荷重が加えられている状態と判断することができる。

次の図９の測定データでは、「ｚ＋方向(上下方向の下)」への荷重は大きいが、「ｘ−方向(前後方向の後)」にある程度の荷重変化が認められ、「ｙ方向(左右方向)」ではほとんど荷重が変動していないので、「ｘ−方向(前後方向の後)」に荷重が加えられている状態と判断することができる。
さらに、図１０の測定データでは、「ｚ＋方向(上下方向の下)」への荷重は大きく、「ｘ方向(左右方向)」での荷重の変化は少なく、「ｙ−方向(前後方向の後)」でもかなりの荷重変動があるので、「ｙ−方向(前後方向の後)」に荷重が加えられている状態と判断することができる。

本発明では、図６のような代替コンポーネント８０に組み込まれた荷重測定用センサＳ１〜Ｓ５を人口膝関節に代替して組み入れることによって、図７−１０のような測定データが得られた。これらの荷重測定用センサＳ１〜Ｓ５のうち、センサＳ１〜Ｓ４はｚ方向のみの荷重を測定するが、中央のセンサＳ５はｘ−ｙ−ｚ方向の３軸方向(３次元)の荷重変化を測定できる。
また、３軸方向(３次元)の荷重を測定するセンサにより、「ｘ−ｙ−ｚ」方向の３軸の荷重変化図を表示するにあたり、図７(下)、図８〜１０では、平面上における３本線のグラフ図として２次元的に表示しているが、むしろ３次元のベクトル波形として立体的に表示されることが好ましく、施術中の画面上でそのように表示されれば、施術者にとっても理解しやすい。

このように、配設する複数のセンサのうち、少なくとも一つのセンサを３軸型荷重測定用センサとすることにより、３次元方向の荷重測定を行い、立体的で精密で実際の荷重構造に近い形態で、関節部の荷重分布を認識して判定することができるようになり、人口関節の置換後の状態を手術前の状態に容易に近似させることができ、人口関節を施術する技術の向上に大きく寄与することができる。

本発明の実施例としては、配設する５つのセンサのうち、１つのセンサを３軸型荷重測定用センサ、４つのセンサを１軸型荷重測定用センサとしたものについて説明したが、センサのうちの３軸型荷重測定用センサをより多く用いることが好ましい。
また、３軸型荷重測定用センサでは、ｘｙｚ軸として、「上下方向」「左右方向」「前後方向」の互いに９０度で交わる３次元軸として設定したが、他の方向を３次元軸とすることも可能である。
なお、現在普及している３軸型荷重測定用センサは、高価であって形状もやや大形のものであるので、構造性、適合性、コストアップなどで問題が生じないように設計されることが望まれる。

図１１は、３軸型荷重測定用センサを含む複数のセンサを用いる計測システムのブロック図である。センサ（Ｓ１〜Ｓ５の５個）の計測値を増幅器(ＡＭＰ)９１で増幅し、それをＡＤ変換器９２でデジタル信号に変え、さらにマイコン９３(ＭＣ)に入力し、このマイコン９３に入力されたこれらのデータは、パソコン(ＰＣ)９４に送られる。このとき、ＭＣ９３には、膝の屈伸角度を計測するアングルセンサを膝関節の外側に取り付けておいて、その計測値をＡＤ変換器９２を通して入力することも可能である。

ＰＣ９４はディスプレイを有して画面表示することができる。画面には、荷重センサ(Ｓ１〜Ｓ５)５個を取り付けた図５(２)と同様の代替コンポーネント８０の平面図とそのセンサ配置図とが表示され、各センサＳ１〜Ｓ５による荷重の計測値がそれぞれの位置に表示される。
また、平面図の画像には、各荷重センサＳ１〜Ｓ５から送られたデータを基にしてＭＣ９３が計算した重心位置（Ｇ）がドットマトリックスで表示される。
そして、表示画面には、アングルセンサで計測した「膝の屈伸角度」、荷重センサＳ１〜Ｓ５の計測値を総和した「全荷重」、「重心座標」の座標値なども表示されるようにするとよい。
なお、ここで荷重測定のために取り込まれたデータは、ＰＣ９４に保存される。

本発明のでは人口関節構造では、人口関節の施術者が、人工膝関節置換の施術中に、置換された人工膝関節を適宜に動作させてみて、荷重測定用センサーから得られた荷重分布データに基づいて表示されたディスプレイから、その周辺の荷重が適正なバランスを獲得しているか否かを容易に判断することができる。
そして、それらの荷重分布データに基づいて、人工膝関節の構造に合わせて関節を切除して調整したり、関節にあわせて人工膝関節を切除して調整したりし、置換され人工膝関節が生体膝関節と同等なスムーズな関節運動が確保するように施術をすることができる。
さらに、測定された荷重分布データは客観的でそれを判定する作業も容易となり、人工関節の置換施術において、施術者の経験、勘、主観、熟練度などに頼る施術から、客観的で信頼性の高い荷重データ分布に基づく施術へと変換させ、人工関節の内側と外側の軟部組織のバランスを定量的で３次元的に測定して評価できる人工関節構造を提供することができる。

人工関節を膝関節に適用した例を示し、膝の側面から見たときの人工関節構造１００である。図１の人工関節構造１００を膝の裏面から見たときの図である。本発明の人工関節構造で用いられる大腿骨側コンポーネント１０と分解された脛骨側コンポーネント２０を示す外観斜視図である。本発明の人工関節構造で用いられる脛骨側コンポーネント２０を示す外観斜視図である。本発明の人工関節構造で用いられる代替コンポーネント８０を示す構造説明図である。本発明の人工関節構造で用いられる荷重測定センサが組み込まれた部材を示す説明図である。本発明の人工関節構造で用いられる荷重測定センサによる第１の測定データを示す図である。同じく荷重測定センサによる第２の測定データを示す図である。同じく荷重測定センサによる第３の測定データを示す図である。同じく荷重測定センサによる第４の測定データを示す図である。本発明の人工関節構造で用いられる荷重測定センサによる測定システムの一例を示す図である。人体の膝関節の構造を示す説明図である。

符号の説明

１００人工関節構造
１０大腿骨側コンポーネント
２０脛骨側コンポーネント
ｆ１大腿骨側コンポーネントの上向きの湾曲凸面(第１湾曲面)
ｆ２脛骨側コンポーネントの下向きの湾曲凹面(第２湾曲面)
Ａ脛骨コンポーネントの関節面プレート
Ｂ脛骨コンポーネントの基体プレート
８０代替コンポーネント
８１、８２代替コンポーネントのプレート部材
Ｆ２代替コンポーネントの外側の上面
Ｓ１〜Ｓ４１軸型荷重測定用センサ
Ｓ５３軸型荷重測定用センサ
３０大腿骨
４０脛骨
５０大腿四頭筋腱
５１膝蓋骨
５２膝蓋腱
６０、６１側副靭帯
６２半月板

Claims

第１の骨と第２の骨の端部が組み合わされて屈曲および伸展運動を行う関節部が、人工関節に置換されて構成される人工関節構造において、
前記第１の骨の側に連結される第１コンポーネントと、
前記第２の骨の側に連結される第２コンポーネントと、を備え、
前記第１コンポーネントと第２コンポーネントとは、双方の湾曲面同士が接触して回動し、関節動作を行うように構成され、
前記第１コンポーネントまたは第２コンポーネントのいずれか一方は、代替して組み込むための代替コンポーネントと置換可能な構成を備え、
前記代替コンポーネントの所定位置には、組み込まれたときに周囲から受ける荷重を測定するための荷重測定用センサを複数配設し、
前記複数のセンサは、少なくとも１つの３軸型荷重測定用センサを含んで構成される、ことを特徴とする人工関節構造。
大腿骨と脛骨の両端部が半月板を挟んで組み合わされて膝の屈曲および伸展運動を行う膝の関節部が、人工関節に置換されて構成される人工関節構造において、
前記大腿骨の側に連結される第１コンポーネントと、
前記脛骨の側に連結される第２コンポーネントと、を備え、
前記第１コンポーネントは第１湾曲面を、前記第２コンポーネントは第２湾曲面を有して、双方の湾曲面同士が接触して回動し、膝の関節動作を行うように構成され、
前記第２コンポーネントは、代替して組み込むための代替コンポーネントと置換可能な構成を備え、
前記関節部は、前記大腿骨に結合された大腿四頭筋腱と、前記脛骨に結合された膝蓋腱と、その間の膝蓋骨と、を有し、
前記代替コンポーネントの所定位置には、組み込まれたときに周囲から受ける荷重を測定するために、少なくとも１つの３軸型荷重測定用センサを含む複数の荷重測定用センサを配設する、ことを特徴とする人工関節構造。
請求項２に記載の人工関節構造において、
前記膝蓋骨に、周囲から受ける荷重を測定するための荷重測定用センサを配設する、ことを特徴とする人工関節構造。