JP2010188051A - 人工膝関節 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】大腿骨遠位端に固定される大腿骨コンポーネントと、脛骨近位端に固定され大腿骨コンポーネントを摺動可能に受容する脛骨プレートとを備えた人工膝関節であり、大腿骨コンポーネントが内側顆と外側顆とを有し、内側顆と外側顆の間には、開口と内側顆と外側顆との後端を接続し膝関節屈曲時に脛骨プレートに対して摺動する楕円球状摺動部とが形成され、脛骨プレートが、内側顆を受容する内側窩と外側顆を受容する外側窩とを備え、内側窩と外側窩との間には、膝関節の屈曲・伸展動作に対応して開口内を前後方向に移動し膝関節屈曲時に楕円球状摺動部に接触するスパインと、スパインの後面を構成し楕円球状摺動部を摺動可能に受容する凹状摺動面とが形成され、楕円球状摺動部の幅が開口から連続して後端に向かって広くなっている。
【選択図】図1
Description
また、伸展〜軽度屈曲時の回旋方向への動揺性を小さくするために、大腿骨顆間の開口部とポストが回旋方向で干渉することを利用している。
あわせて深屈曲においても、大腿骨顆間の開口部とポストが小さな回旋角度で干渉するため、大きな回旋運動が期待できない状態にあった。
しかし、靭帯の張力を適切に調整できなかった場合、伸展〜軽度屈曲位における前後方向、回旋方向への抵抗力が比較的小さいため、前後方向、回旋方向に安定しない恐れがあった。
本明細書において、「楕円球状摺動部」とは、楕円球状体の曲面を摺動面とする摺動部のことであり、楕円球状体の全部又は一部を含むことができる。
また、本明細書における「楕円球状体」とは、長軸と単軸を有する楕円球状の立体物だけでなく、真球状の球体も含むものとする。
また、本発明の人工膝関では、回旋が生じる膝関節屈曲時には、スパインが楕円球状摺動部に接触するので、回旋方向の安定性を高めることができる。
図1及び図2は、本実施の形態にかかる人工膝関節1を示している。
人工膝関節1は、大腿骨の遠位端に固定される大腿骨コンポーネント20と、脛骨の近位端に固定される脛骨プレート10とを含んでいる。
伸展時の人工膝関節1は、スパイン13が開口23中に挿入されている。楕円球状摺動部24は、凹状摺動面14に接触しておらず、脛骨プレート10の内側顆21及び外側顆22と、大腿骨コンポーネント20の内側窩11及び外側窩12が、それぞれ接触している。
内側顆21及び外側顆22が、内側窩11及び外側窩12に対して前方向に摺動し、それに伴い、スパイン13が開口23中を後ろ方向に移動する。そして屈曲角度45°まで屈曲すると、内側顆21及び外側顆22の後端に形成された楕円球状摺動部24がスパイン13の後面(凹状摺動面14)に接触する。開口23の幅がスパイン13の幅に近いので、スパイン13の移動は、開口23内で0°〜15°に制限される。
スパイン13が楕円球状摺動部24の前側を支持することにより、大腿骨コンポーネント20の前方向への脱臼が防止されている。
また、スパイン13は、開口23から離脱する。これにより、開口23によるスパイン13の移動の制限がなくなり、楕円球状摺動部の回旋制限に移行する。これに伴い、大腿骨コンポーネント20は0°〜20°の回旋が可能になる(図7(a))。
楕円球状摺動部24が凹状摺動面14に対して摺動する。また、楕円球状摺動部24が外側方向に回転することにより、大腿骨コンポーネント20を0°〜25°外旋することが可能である(15)(図7(b))。
楕円球状摺動部24が凹状摺動面14に対してさらに摺動する。大腿骨コンポーネント20は、0°〜35°外旋することが可能である(図7(c))。
特に、楕円球状摺動部24の幅24wが、後端に向かって広くなっているのが好ましく、自然な膝関節と同様の外旋状態(軽度屈曲時には外旋角度が小さく、深屈曲時には外旋角度が大きい)を実現することができる(図5(c)〜(e)、図7(a)〜(c))。楕円球状摺動部24の幅24wと外旋角度の関係について、以下に詳細に説明する。
例えば、本発明の人工膝関節1は、図8(a)〜(f)のように、屈曲角度0°で楕円球状摺動部24と凹状摺動面14とが接触する人工膝関節1も含んでいる。この図の人工膝関節は、屈曲角度0°〜150°の全範囲で、楕円球状摺動部24と脛骨プレート10とが接触する。 なお、楕円球状摺動部24と凹状摺動面14とが接触する屈曲角度は、0〜90°の範囲にあるのが好ましい。90°を越える屈曲角度まで楕円球状摺動部24と凹状摺動面14とが接触しないと、人工膝関節1の安定性が低くなりすぎるので好ましくない。
図10(a)に示す人工膝関節1は、スパイン13の頂部13tの位置が、楕円球状摺動部24の最下点(この図では下端24bに相当)の位置より高い。このように、大腿骨コンポーネント20が脱臼する際に乗り越えなくてはならない障害が存在する場合、ジャンピング・ディスタンスJDは正の値(JD>0)をとる(これを「正のジャンピング・ディスタンスと称する」)。また、ジャンピング・ディスタンスの絶対値(これを「ジャンピング・ディスタンスの大きさ」と称する)は、スパイン13の頂部13tと楕円球状摺動部24の下端24bとの高さの差に等しい。
人工膝関節では、低屈曲よりも深屈曲のほうが、大腿骨コンポーネント20が前方向に脱臼しやすい。本発明の人工膝関節1は、深屈曲におけるジャンピング・ディスタンスが大きいので、深屈曲における大腿骨コンポーネント20の脱臼も効果的に抑制できる。
しかしながら、屈曲角度150°でのジャンピング・ディスタンスの大きさが小さすぎる。よって、深屈曲において、大腿骨コンポーネント200Qが脱臼する危険性がある。
また、スパイン130Qの頂部近傍(強度が低い)に作用点Oがあるので、スパイン130Qが破損しやすい。
そして、スパイン13の高さが低いので、スパイン13用の空間92は、従来に比べて非常に狭くできる。
底部の高さT0と高さT2/3との間ではスパイン13の厚みが厚いので、作用点Oから大きな応力Fを受けてもスパイン13が破損しにくい。
本実施の形態の人工膝関節1は、屈曲時の外旋をさらに容易にしたものである。実施の形態1とは、脛骨プレート10の後端側の縁部の形状が異なっている。それ以外の構成については、実施の形態1と同様である。
本明細書において「後端摺動曲面12c」とは、曲面状の後端摺動面を全て含む。後述するように、後端摺動面とは、大腿骨コンポーネント20の外側顆22を摺動させる面である。よって、外側顆22を安定して摺動させるために、後端摺動曲面12cは凹状の曲面であるのが好ましい。
また、本明細書において「後端摺動平面12p」とは、平面状の後端摺動面を全て含む。
大腿骨コンポーネント20は、膝関節の屈曲により、脛骨プレート10の上でロールバックする。そして、人工膝関節1を深屈曲すると、大腿骨コンポーネント20の外側顆22又は内側顆21が、脛骨プレート10の外側窩12又は内側窩11から亜脱臼する。このとき、外側窩12の後端に後端摺動曲面12cが形成されていると、内側顆21より先に外側顆22が亜脱臼する。本実施の形態の人工膝関節1は、亜脱臼を促進することにより、深屈曲を容易に達成できる。
ここで「後端摺動曲面12cの方向」について、図17を参照しながら、以下に詳細に説明する。
図17には、任意の測定点Pにおける、後端摺動曲面12cの法線の方向(法線ベクトルN)が図示されている。本明細書では、「後端摺動曲面12cの方向」とは、法線ベクトルNの方向である。なお、本明細書で議論される「法線ベクトルN」は、後端摺動曲面12cに対して引くことのできる2本の法線ベクトルのうち、上向きの成分NSを含む法線ベクトルである。
外側顆22が後方にいくほど(つまり、人工膝関節1の屈曲角度が大きくなるほど)、外側顆22を内側方向に方向付ける力が大きくなり、それに伴い、外側顆22を外旋角度も大きくすることができる。
なお、図19のように、水平成分N1〜N3は、点P1〜P3における摺動ルート12xの接線方向と一致させているが、これに限定されない。
人工膝関節1の深屈曲時に、脛骨プレート10の内側窩11の後端部と、大腿骨コンポーネント20若しくは大腿骨とが接触する場合がある。そこで、内側窩11の後端部を、平面11pによって面取りするのが好ましい。(図15参照)。図20に、平面11p(図15の部分II)の拡大図を示す。
図20からわかるように、平面11pの任意の点P’に引かれた法線ベクトルN’は、上方向成分NS’と後ろ方向成分NP’とを含む。しかしながら、法線ベクトルN’は、内側方向成分Nm’を含んでいない。すなわち、平面11pは、後方には方向付けられているが、内側後方には方向付けられていない。
図21(a)、(b)に示すように、本発明の人工膝関節1で使用する脛骨プレート10では、外側窩12及び内側窩11は曲面である。
なお、外側窩12の「位置Q2」とは、人工膝関節1の伸展時において、大腿骨コンポーネント20の外側顆22(図21(a)の破線)の最下位置が、脛骨プレート10の外側窩12と接触する位置である。また、内側窩11の「位置Q1」とは、人工膝関節1の伸展時において、大腿骨コンポーネント20の内側顆21(図21(b)の破線)の最下位置が、脛骨プレート10の内側窩11と接触する位置である。
大腿骨コンポーネント20を150°に屈曲したとき、図23(a)では、亜脱臼後、大腿骨コンポーネント20の外側顆22と脛骨プレート10の後端摺動曲面12cとの接触範囲が広い(面接触している)。よって、外側顆22が、後端摺動曲面12c上でスムーズに摺動できる。これに対して、図23(b)では、外側顆22と後端摺動曲面12cの後方縁部とが接触している。
10 脛骨プレート
11 内側窩
11p 内側窩の切除面
11r 内側窩の後方の半径
12 外側窩
12c 後端摺動曲面
12p 後端摺動平面
12r 外側窩の後方の半径
13 スパイン
13t スパインの頂部
14 凹状摺動面
20 大腿骨コンポーネント
21 内側顆
22 外側顆
23 開口
24 楕円球状摺動部
24b 楕円球状摺動部の下端
Claims (6)
- 大腿骨遠位端に固定される大腿骨コンポーネントと、脛骨近位端に固定され大腿骨コンポーネントを摺動可能に受容する脛骨プレートと、を備えた人工膝関節であって、
前記大腿骨コンポーネントが、内側顆と外側顆とを有し、
前記内側顆と前記外側顆との間には、
開口と、
前記内側顆と前記外側顆との後端を接続し、膝関節屈曲時に前記脛骨プレートに対して摺動する楕円球状摺動部と、が形成され、
前記脛骨プレートが、前記内側顆を受容する内側窩と、前記外側顆を受容する外側窩とを備え、
前記内側窩と前記外側窩との間には、
膝関節の屈曲・伸展動作に対応して前記開口内を前後方向に移動し、膝関節屈曲時に前記楕円球状摺動部に接触するスパインと、
前記スパインの後面を構成し、前記楕円球状摺動部を摺動可能に受容する凹状摺動面と、が形成され、
前記楕円球状摺動部の幅が、前記開口から後端に向かって広くなることを特徴とする人工膝関節。 - 屈曲角度0°〜150°において、前記スパインの頂部が、前記楕円球状摺動部の下端よりも高い位置にあることを特徴とする請求項1に記載の人工膝関節。
- 前記スパインの内側面と前記内側窩との間、及び前記スパインの外側面と前記外側窩との間が、曲面にされていることを特徴とする請求項1又は2に記載の人工膝関節。
- 前記外側窩の後端部が、平面又は曲面により面取りされて後端摺動面を形成しており、
前記後端摺動面が内側後方に方向付けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の人工膝関節。 - 屈曲角度90°以上の屈曲位において、前記楕円球状摺動部と前記凹状摺動面との作用点の高さ方向における位置が、前記外側窩底部の高さと、前記外側窩底部から測定した前記スパインの頂部の高さの2/3の位置の高さとの間にあることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の人工膝関節
- 前記楕円球状摺動部の少なくとも一部が、前記外側顆より外向きに突出していることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の人工膝関節。
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