JP2012120770A - 人工膝関節 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の人工膝関節では、大腿骨コンポーネント20が、内側顆21、外側顆22、内側顆21と外側顆22と間に開口部23を残して後端接続する第1の摺動面24、及び第1の摺動面24上方の第2の摺動面25を備え、脛骨プレート30が、内側窩31、外側窩32、内側窩31と外側窩32との間から上方に突出して開口部23に挿入されるポスト部36、ポスト部36後面に第1の摺動面24が接触する第3の摺動面34、及びポスト部36後方に第2の摺動面25が接触する第4の摺動面35を備える。第1、第4の摺動面24、35は凸状曲面で、第4の摺動面35は第3の摺動面34より後方で、屈曲角度に応じて、第1、第3の摺動面24、34が接触する第1の摺動状態と、第2、第4の摺動面25、35が接触する第2の摺動状態とを有する。
【選択図】図2
Description
また、深屈曲におけるロールバック量が十分に大きくないと、深屈曲したときに大腿骨コンポーネントが脛骨に接触する原因になるおそれがある。
「後顆」とは、大腿骨コンポーネントの内側顆及び外側顆のうち、後方にある領域を指す。側面図(図17)において、後顆(図では外側顆の後顆22P)は円Cで近似することができる。
「後顆中心」とは、後顆22Pを円Cで近似した場合の円の中心Oを指す。
「大腿骨コンポーネントの回転中心」とは、大腿骨コンポーネントが回転動作をする際に中心となる位置である。回転中心の位置は、屈曲角度によって移動する。通常は、回転中心は、大腿骨コンポーネントの領域内に位置している。
「大腿骨コンポーネントの回転半径」とは、後顆中心Oと、大腿骨コンポーネントの回転中心との距離である。
「ロールバック量」とは、伸展時(屈曲角度0°)を基準としたときの「後顆中心」の前後方向(A−P方向)への移動量である。
「ロールバック率」とは、膝の屈曲角度1°あたりのロールバック量である。
本発明の人工膝関節では、伸展時(屈曲角度0°)には、大腿骨コンポーネント20の内側顆21及び外側顆(図示せず)が、脛骨プレート30の内側窩31及び外側窩(図示せず)に接触している(図18(a))。これを「基準の摺動状態」と称する。そして、膝を屈曲していくと、例えば屈曲角度60°で、大腿骨コンポーネント20の第1の摺動面24が、脛骨プレート30の第3の摺動面34に接触して「第1の摺動状態」になる(図18(b))。次いで、例えば屈曲角度165°で、大腿骨コンポーネント20の第2の摺動面25が、脛骨プレートの第4の摺動面35に接触して「第2の摺動状態」になる(図18(c))。
基準の摺動状態(図18(a))では、大腿骨コンポーネント20は実質的にロールバックしない。第1の摺動状態(図18(b))及び第2の摺動状態(図18(c))における大腿骨コンポーネント20のロールバック量は、大腿骨コンポーネント20が接触している脛骨プレートの接触位置CPに強く依存する。第1の摺動状態における大腿骨コンポーネントのロールバック量は、第3の摺動面34にある接触位置CP1に依存する。第2の摺動状態におけるロールバック量は、第4の摺動面35にある接触位置CP2に依存する。本発明の人工膝関節は、第4の摺動面35が第3の摺動面34よりも後方に位置しているので、接触位置CP2のほうが接触位置CP1よりも後方に位置することになる。その結果、第2の摺動状態のロールバック量は、第1の摺動状態のロールバック量より大きくなる。
本実施の形態では、左膝用の人工膝関節を例にとり、説明する。
図1〜図3は本発明の人工膝関節1を示しており、大腿骨遠位部に固定される大腿骨コンポーネント20と、脛骨近位部に固定される脛骨トレー40と、脛骨トレー40の上に係合された脛骨プレート30と、を含んでいる。
大腿骨コンポーネント20の第1の摺動面24は、凸状の曲面にされている。
脛骨プレート30の第4の摺動面35は、凸状の曲面にされている。
基準の摺動状態(例えば、屈曲角度0°〜45°)では、大腿骨コンポーネント20の内側顆21及び外側顆22が、脛骨プレート30の内側窩31及び外側窩32に接触している(図1〜図2)。第1の摺動状態(例えば、屈曲角度45°〜150°)では、大腿骨コンポーネント20の第1の摺動面24が、脛骨プレート30の第3の摺動面34に接触している(図4〜図5)。そして、第2の摺動状態(例えば、屈曲角度150°〜180°)では、大腿骨コンポーネント20の第2の摺動面25が、脛骨プレートの第4の摺動面35に接触している(図6〜図7)。
基準の摺動状態(図2)では、大腿骨コンポーネント20と脛骨プレート30との間に、大腿骨コンポーネント20の前後方向の動きを規制するような接触が存在しないためである。よって、大腿骨コンポーネント20は、脛骨プレート30に対して前後方向に移動しない(すなわち、大腿骨コンポーネント20は実質的にロールバックしない)。
第2の摺動状態(図7)では、大腿骨コンポーネント20(第2の摺動面25)は、第4の摺動面35の接触位置CP2において脛骨プレート30と接触する。図7からわかるように、大腿骨コンポーネント20は、脛骨プレート30(第4の摺動面35)によって前方向への移動を制限されている。
なお、図10(c)〜(h)に示すように、接触位置CP1の位置は、屈曲角度の増加に伴って、第3の摺動面34の面上を後方に移動する。図10(c)〜(e)は第1の摺動状態、図10(f)〜(h)は第1摺動状態から第2摺動状態への移行状態、及び図10(i)〜(j)は第2の摺動状態を示している。移行状態でも屈曲角度が大きいほど、ロールバック量が大きくなる。第3の摺動面34と第4の摺動面35との間は、曲面(凹状の曲面)で連続しているので、第2の係合4から第3の係合5へスムーズに移行する。
なお、移行状態は、大腿骨コンポーネントの屈曲角度が75°〜155°で発生させることが望ましい。
大腿骨コンポーネント20の回転運動を詳細に検討すると、以下のことがわかった。基準の摺動状態では、回転中心は、後顆中心O(O1)の近傍に位置している(図10(a)、(b))。
本発明の人工膝関節1では、脛骨プレート30のポスト部36が、大腿骨コンポーネント20の開口部23内に配置されている。この開口部23の後部は第1の摺動面24で閉じられている。よって、大腿骨コンポーネント20を脛骨プレート30に対して前方向(A方向)に平行移動させた時に、ポスト部36の先端が、第1の摺動面24と干渉しやすい。よって、大腿骨コンポーネント20が前方に移動して脛骨プレート30から脱臼するのを抑制する効果が期待できる。
大腿骨コンポーネント20の後顆の形状は、膝関節を深屈曲したときの回転運動及び回旋運動を制御するために、様々な工夫がされている。特に、特許文献1では、適正な回旋運動を実現するために、大腿骨コンポーネント20の後顆の後方に突出する球状突起を設けている。
本発明の人工膝関節1では、大腿骨コンポーネント20の後顆に球状曲面を設ける代わりに、脛骨プレート30に凸状曲面の第4の摺動面35を設けることにより、深屈曲時の回旋運動を可能にしている。そのため、大腿骨コンポーネント20の後方の突出が小さくなり、膝裏側の軟組織への影響(特に、伸展時の影響)を小さくできる効果が期待できる。
脛骨プレート30には、第3の摺動面34と第4の摺動面35とが形成されている。第4の摺動面35は、第1の摺動状態(例えば、屈曲角度45°〜150°)の間は機能しない。よって、第4の摺動面35の前後方向(A−P方向)の寸法(長さ)と上下方向の寸法(高さ)は、屈曲角度150°になるまで接触しないように、小寸法にするのが好ましい。そのため、脛骨プレート30の内側窩31及び外側窩32を形成する面積を広く確保することができる。よって、第1の係合3の安定性を向上させる効果が期待できる。
「傾きが変化する屈曲角度」は、グラフ中で、ゾーン1とゾーン2をそれぞれ直線で近似して、それらの直線の交点の位置から求めることができる。
なお、第1の摺動面24及び第3の摺動面34の形状は、これに限定されず、第1の摺動状態を適切に実現できれば、どのような形状でも採用できる。
脛骨プレート30の第4の摺動面35が、球面状の凸状曲面を有しているのが好ましい。これにより、第3の係合5が形成されたときに、膝関節を回旋させることができる。
ここで、「球面状の凹状曲面」とは、矢状断面・水平断面のいずれでも凹状になる曲面のことを指しており、例えば真球の内表面、楕円球の内表面など様々な曲面を含む。また、「球面状の凸状曲面」とは、矢状断面・水平断面のいずれでも凸状になる曲面のことを指しており、例えば真球の外表面、楕円球の外表面など様々な曲面を含む。
(1)伸展時〜浅屈曲(屈曲角度0°〜45°、図8〜図10の(a)〜(c))
第1の係合3(大腿骨コンポーネント20の内側顆21と脛骨プレート30の内側窩31とによる内側係合3Mと、大腿骨コンポーネント20の外側顆22と脛骨プレート30の外側窩32とによる外側係合3L)が形成されている。
上記の第1の係合3と、第2の係合4(大腿骨コンポーネント20の第1凸状曲面部24と、脛骨プレート30の第2凹状曲面部34とから成る)とが、共に形成されている。第2の係合4では、大腿骨コンポーネント20の第1凸状曲面部24が、脛骨プレート30の第2凹状曲面部34と接触しているので、大腿骨コンポーネント20は前方Aへ脱臼するのが抑制される。
なお、第1の摺動状態を屈曲角度45°〜150°の間維持すると、人工膝関節の動きが、自然な膝関節に近づけることができるので好ましい。
第2の係合4から、第3の係合5(大腿骨コンポーネント20の第1凹状曲面部25と脛骨プレート30の第2凸状曲面部35とから成る)へと移行する。また、大腿骨コンポーネント20は後方Pにオフセットされると、第1の係合3も解消される。しかしながら、人工膝関節1が回旋すると、第1の係合3のうち内側係合3M又は外側係合3Lのいずれか一方が再度形成される。
なお、第2の摺動状態を屈曲角度150°〜180°の間維持すると、人工膝関節の動きが、自然な膝関節に近づけることができるので好ましい。
よって、図12のように、ジャンピング・ディスタンスJPを正にすることにより、30°における大腿骨コンポーネント20の前方脱臼を抑制することができる。
実施の形態1では、第3の係合5における膝関節の回旋自由度を高めるために、大腿骨コンポーネント20の第2の摺動面25を球面状の凹状曲面とし、脛骨プレート30の第4の摺動面35を、球面状の凸状曲面としていた。
実施の形態2では、別の形態によって、膝関節の回旋自由度を高めている点で、実施の形態1と異なっている。
なお、円筒状の凸部39は、図16のように、下に向かって縮径したテーパー状の凸部39にすることもできる。
深屈曲時における回旋性と、回旋時の内側方向への移動量とを考慮すると、回旋結合部6は、脛骨トレーを前後方向に3等分(図14の前側領域30A、中央領域30C、後側領域30P)にしたときの中央領域30Cに位置することが好ましい。より具体的には、脛骨プレート30の凸部39の軸中心39Cが、中央領域30Cの範囲内に位置するのが好ましい。
ロールバック量の符号は、後顆中心Oが後方に移動した場合を正(+)、前方に移動した場合を負(−)とする。
膝の屈曲角度を増加したときに、ロールバック量が増加(つまり、後顆中心Oが後方に移動)したときは、ロールバック率の符号は正(+)である。反対に、膝の屈曲角度を増加したときに、ロールバック量が減少(つまり、後顆中心Oが前方に移動)したときは、ロールバック率の符号は負(−)である。ロールバック率は、屈曲角度に対してロールバック量をプロットしたときに、グラフの接線の傾きに一致する。
一方、図13(d)では、0°〜30°では、緩やかに負に傾いており、30°〜180°では、緩やかに正に傾いている。グラフの変曲点は、30°である。
3 第1の係合
3M 内側係合
3L 外側係合
4 第2の係合
5 第3の係合
6 回旋係合
20 大腿骨コンポーネント
21 内側顆
21P 内側顆の後顆
22 外側顆
23 開口部
24 第1の摺動面
24b 第1の摺動面の下端
25 第2の摺動面
30 脛骨プレート
30b 下面
31 内側窩
32 外側窩
34 第3の摺動面
35 第4の摺動面
36 ポスト部
36t ポスト部の上端
39 凸部
40 脛骨トレー
40u 脛骨トレーの上面
40b 脛骨トレーの下面
41 ステム
49 凹部
JD ジャンピング・ディスタンス
C 後顆の近似円
CP 大腿骨コンポーネントと脛骨プレートとの接触位置
O 後顆中心
A 前方
P 後方
M 内側
L 外側
R 回旋
Claims (10)
- 大腿骨遠位部に固定される大腿骨コンポーネントと、
脛骨近位部に固定される脛骨トレーと、
前記脛骨トレー上に係合された脛骨プレートと、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は、
内側顆と、
外側顆と、
前記内側顆と前記外側顆と間に開口部を残しつつ後端を接続する第1の摺動面と、
前記第1の摺動面の上方に位置している第2の摺動面と、を備え、
前記脛骨プレートは、
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、
前記内側窩と前記外側窩との間から上方に突出し、前記開口部に挿入されるポスト部と、
前記ポスト部の後面に形成され、前記第1の摺動面が回転摺動可能に接触する第3の摺動面と、
前記ポスト部の後方に形成され、前記第2の摺動面が回転摺動可能に接触する第4の摺動面と、を備えており、
前記第1の摺動面と前記第4の摺動面は、凸状の曲面であり、
前記第4の摺動面は、前記第3の摺動面よりも後方に位置しており、
屈曲角度に応じて、前記第1の摺動面と前記第3の摺動面とが接触する第1の摺動状態と、前記第2の摺動面と前記第4の摺動面とが接触する第2の摺動状態とを有することを特徴とする人工膝関節。 - 前記第1の摺動状態から前記第2の摺動状態へと移行する屈曲角度が、75°〜155°の範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載の人工膝関節。
- 前記第2の摺動面は、凹状の曲面であ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。
- 前記第2の摺動面が、球面状の凹状曲面を有し、
前記第4の摺動面が、球面状の凸状曲面を有す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。 - 前記第3の摺動面は、凹状の曲面で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。
- 前記脛骨プレートが、前記脛骨トレー上で回旋可能に係合され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。
- 屈曲角度45°〜150°では前記第1の摺動状態にあり、
屈曲角度150°〜180°では前記第2の摺動状態にある特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の人工膝関節。 - 前記第2の状態では、前記内側顆と前記内側窩との間及び前記外側顆と前記外側窩との間が非接触であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の
- 屈曲角度30°において、前記第1の摺動面の下端が、前記ポスト部の上端より下側に位置することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の人工膝関節。
- 屈曲角度0°において、前記第1凸状曲面部の下端が、前記ポスト部の上端より下側に位置することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の人工膝関節。
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