JP2012120770A - 人工膝関節 - Google Patents

Abstract

【課題】ロールバック量及びロールバック率が、浅屈曲で小さく、深屈曲で大きい人工膝関節を提供する。
【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

本発明は、人工膝関節に関し、特に、膝関節の浅屈曲では、大腿骨コンポーネントのロールバック量が小さく、深屈曲ではロールバック量が大きくなることを特徴とする自然な膝関節の屈曲動作を持つ人工膝関節に関する。

変形性膝関節症や慢性関節リウマチなどにより膝関節が高度に変形した場合、正常な機能に回復させるために、人工膝関節への置換手術が行われている。

人工膝関節への置換後も自然な膝に近い動作ができるように、人工膝関節には様々な工夫がなされている。一例としては、浅屈曲時に脱臼しにくく、深屈曲時に外旋可能な人工股関節が知られている（例えば、特許文献１）。この人工膝関節では、大腿骨遠位端に固定される大腿骨コンポーネントは、内側顆と、外側顆と、内側顆と外側顆との間の開口と、内側顆と外側顆との後端を接続し、膝関節屈曲時に前記脛骨プレートに対して摺動する楕円球状摺動部とを備えている。また、脛骨近位端に固定される脛骨プレートは、内側顆を受容する内側窩と、外側顆を受容する外側窩と、開口内に挿入されるスパインと、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を備えている。

特開２０１０−１８８０５１

自然な膝は、膝の屈曲角度に応じたロールバックが起こる。特に、自然な膝では、ロールバック量が、浅屈曲で小さく（例えば、0mm〜約10mm）、深屈曲で大きい（例えば、約10mm〜30mm）という第１の特徴と、ロールバック率（膝の屈曲角度に対するロールバック量）が、浅屈曲では低く（例えば、約+0.1mm/度）、ある角度以上の深屈曲になると急激に高くなる（例えば、約+0.35mm/度）という第２の特徴がある。

しかしながら、特許文献１の人工膝関節では、膝の屈曲によってロールバックは起こるものの、膝の屈曲角度に応じたロールバック率の変化が生じない。
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。

そこで、本発明は、自然な膝と同じように、ロールバック量及びロールバック率が、浅屈曲で小さく、深屈曲で大きい人工膝関節を提供することを目的とする。

本発明は、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。

ここで、本発明の人工膝関節の動作を説明するために、本明細書で使用される用語を定義する。
「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。

以下に、図１８を参照しながら本発明の人工膝関節の基本動作を説明する。
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））。

まず、各摺動状態における大腿骨コンポーネント２０のロールバック量について検討する。
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。

すなわち、本発明の人工膝関節によれば、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ことにより、浅屈曲ではロールバック量を小さく、深屈曲ではロールバック量を大きくすることができる。

本発明の人工膝関節は、第４の摺動面が第３の摺動面よりも後方に位置していることにより、ロールバック量が浅屈曲で小さく、深屈曲で大きくなり、そして、第１の摺動面と第４の摺動面とを凸状の曲面にすることにより、ロールバック率が浅屈曲で低く、深屈曲で高くなる。よって、本発明の人工膝関節は、従来の人工膝関節に比べて、自然な膝の動作により近い動作をすることができる。

図１は、実施の形態に係る人工膝関節の屈曲角度０°における斜視図である。 図２は、図１のＸ−Ｘ線における断面図である。 図３は、実施の形態１に係る人工膝関節の分解斜視図である。 図４は、実施の形態１に係る人工膝関節の屈曲角度９０°における斜視図である。 図５は、図４のＹ−Ｙ線における断面図である。 図６は、実施の形態１に係る人工膝関節の屈曲角度１６５°における斜視図である。 図７は、図６のＺ−Ｚ線における断面図である。 図８（ａ）〜（ｊ）は、実施の形態１に係る人工膝関節の様々な屈曲角度における斜視図である。 図９（ａ）〜（ｊ）は、実施の形態１に係る人工膝関節の様々な屈曲角度における部分断面斜視図である。 図１０（ａ）〜（ｊ）は、実施の形態１に係る人工膝関節の様々な屈曲角度における断面図である。 図１１は、実施の形態１に係る人工膝関節の屈曲角度１６５°、回旋角度２５°における斜視図である。 図１２は、実施の形態１に係る人工膝関節の屈曲角度３０°における断面図である。 図１３は、自然な膝及び人工膝関節の後顆のロールバック量を、屈曲角度に対してプロットしたグラフである。図１３（ａ）は自然な膝のグラフ、図１３（ｂ）は実施の形態１に係る人工膝関節のグラフ、図１３（ｃ）〜（ｄ）は従来の人工膝関節のグラフである。 図１４は、実施の形態２に係る脛骨プレートの下面図である。 図１５は、実施の形態２に係る脛骨トレーの上面図である。 図１６は、実施の形態２に係る人工膝関節の断面図である。 図１７は、人工膝関節の大腿骨コンポーネントの後顆を円で近似する方法を示す断面図である。 図１８（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る人工膝関節の動作を説明するための断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及び、それらの用語を含む別の用語）を用いる。それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分又は部材を示す。

＜実施の形態１＞
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は、内側顆２１と、外側顆２２と、内側顆２１と外側顆２２と間に開口部２３を残しつつ後端を接続する第１の摺動面２４と、第１の摺動面２４の上方に位置している第２の摺動面と、を備えている。
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は、大腿骨コンポーネント２０の内側顆２１を受容する内側窩３１と、大腿骨コンポーネント２０の外側顆２２を受容する外側窩３２と、内側窩３１と外側窩３２との間から上方に突出し、大腿骨コンポーネント２０の開口部２３に挿入されるポスト部３６と、ポスト部３６の後面に形成され、第１の摺動面２４が回転摺動可能に接触する受容する第３の摺動面３４と、ポスト部３６の後方に形成され、第２の摺動面２５が回転摺動可能に接触する第４の摺動面３５と、を備えている。第４の摺動面３５は、第３の摺動面３４よりも後方に位置している。
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。

図２に示した第３の摺動面３４は、ほぼ鉛直方向に伸びる曲面である。第３の摺動面３４と、その後方に位置する第４の摺動面３５との間は、曲面（凹状の曲面）で連続している。これにより、第１の摺動状態から第２の摺動状態への移行がスムーズに進み、膝関節の違和感を軽減することができる。

脛骨トレー４０は、下面４０ｂから突出して、脛骨に挿入されるステム４１を備えている。脛骨トレー４０の上面４０ｕに脛骨プレート３０が載置される。

本発明の人工膝関節１は、３つの係合（第１の係合３、第２の係合４、及び第３の係合５）が形成できるようになっている。

（１）「第１の係合３」とは、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とを含む（図１、図３）。第１の係合３は、通常は、屈曲角度０〜１６５°（場合によっては０°〜１８０°）の範囲で形成される。屈曲角度によって、第１の係合３のみが形成される場合（例えば屈曲角度０°〜４５°）と、第１の係合３と第２の係合４とが共に形成される場合（例えば屈曲角度４５°〜１５０°）とがある。さらに、第１の係合３と第３の係合５とが共に形成される場合もある（例えば屈曲角度１５０°〜１８０°）。

（２）「第２の係合４」は、大腿骨コンポーネント２０の第１の摺動面２４と、脛骨プレート３０の第３の摺動面３４との接触により形成されている（図４、図５）。第２の係合４は、通常は、屈曲角度４５°〜１５０°の範囲で形成される。上述したように、第２の係合４は、第１の係合３と共に形成される。

（３）「第３の係合５」は、大腿骨コンポーネント２０の第２の摺動面２５と脛骨プレート３０の第４の摺動面３５との接触により形成される（図６、図７）。第３の係合５は、通常は、屈曲角度１５０°〜１８０°の範囲で形成される。上述したように、第３の係合５は第１の係合３と共に形成されるか、又は第３の係合５のみが形成される。

本発明の人工膝関節１は、屈曲角度に応じて、図４〜図５のように第２の係合４が形成される状態（すなわち、第１の摺動面２４と第３の摺動面３４とが接触する状態であり、これを「第１の摺動状態」と称する）と、図６〜図７のように第３の係合５が形成される状態（すなわち、第２の摺動面２５と第４の摺動面３５とが接触する状態であり、「第２の摺動状態」と称する）とが生じる。屈曲角度が増加すると、第１の摺動状態から第２の摺動状態へと移行する。

次に、本発明の人工膝関節の基本動作を具体的に説明する。
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）。

ここで、大腿骨コンポーネント２０のロールバック量は、基準の摺動状態、第１の摺動状態及び第２の摺動状態で異なる。
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１の摺動状態（図５）では、大腿骨コンポーネント２０（第１の摺動面２４）は、第３の摺動面３４の接触位置ＣＰ１において脛骨プレート３０と接触する。図５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３の摺動面３４）によって前方向への移動を制限されている。
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。

本発明の人工膝関節１では、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は接触位置ＣＰ１よりも後方に位置する（図５、図７）。接触位置ＣＰ１、ＣＰ２は、大腿骨コンポーネント２０の後方位置を決定するファクターであるので、接触位置ＣＰ２で規定される（第２の摺動状態の）大腿骨コンポーネント２０の位置は、接触位置ＣＰ１で規定される（第１の摺動状態の）大腿骨コンポーネント２０の位置よりも後方になる。よって、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。
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。

このように、本発明の人工膝関節１によれば、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ことにより、浅屈曲ではロールバック量を小さく、深屈曲ではロールバック量を大きくすることができる。

また、大腿骨コンポーネント２０のロールバック率も、基準の摺動状態、第１の摺動状態及び第２の摺動状態で異なる。ロールバック率は、（ロールバック量）／（屈曲角度）として規定される。所定角度におけるロールバック量は、伸展時（屈曲角度０°）を基準としたときの所定角度における「後顆中心」の前後方向（Ａ−Ｐ方向）への移動量である。
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（Ｏ_１）の近傍に位置している（図１０（ａ）、（ｂ））。

基準の摺動状態では、大腿骨コンポーネント２０が脛骨プレート３０の上ですべってしまい、ロールバックが起こらない。そのため、回転中心が後顆中心Ｏ（Ｏ_１）とほぼ一致する結果になる。よって、大腿骨コンポーネント２０のロールバック量はほぼ０である。一方、第１の摺動状態及び第２の摺動状態は、大腿骨コンポーネント２０と脛骨プレート３０とが接触位置ＣＰ１、ＣＰ２で接触しているため、大腿骨コンポーネント２０は、後方への移動を強要される。よって、大腿骨コンポーネント２０は、ロールバックして後方に移動する。第１の摺動状態では、大腿骨コンポーネント２０が屈曲するに従って、ＣＰ１は第３の摺動面３４を移動し、ロールバックする（図１０（ｃ）〜（ｈ））。第２の摺動状態では、大腿骨コンポーネント２０の屈曲に伴って、ＣＰ２は第４の摺動面３５を移動するが、ＣＰ２はＣＰ１より後方にあるために、大腿骨コンポーネント２０のロールバック量は第１の摺動状態よりが大きくなる（図１０（ｈ）〜（ｊ））。

本明細書では、（ロールバック率）＝（ロールバック量）／（屈曲角度）で定義されている。基準の摺動状態では、ロールバック量はほぼ０であることから、ロールバック率もほぼ０であることがわかる。第１の摺動状態の中で図１０（ｄ）〜（ｅ）間でのロールバック率を検討すると、大腿骨コンポーネント２０の屈曲角度の変化は３０度であり、ロールバック量は図１０（ｄ）の後顆中心Ｏ_４と図１０（ｅ）の後顆中心Ｏ_５の距離である。第２の摺動状態の中で図１０（ｈ）〜（ｉ）間でのロールバック率を検討すると、大腿骨コンポーネント２０の屈曲角度の変化は１５度であり、ロールバック量は図１０（ｈ）の後顆中心Ｏ_８と図１０（ｉ）の後顆中心Ｏ_９の距離である。第２の摺動状態でのロールバック量は第１の摺動状態より大きく、第２の摺動状態での角度の変化は小さいので、第２の摺動状態のロールバック率は、第１の摺動状態のロールバック率より高いことがわかる。

上述のように、本発明の人工膝関節１によれば、自然な膝と同じように、ロールバック量及びロールバック率が、浅屈曲で小さく、深屈曲で大きくすることができる効果が得られる。

さらに、本発明の人工膝関節１は、大腿骨コンポーネント２０の前方向（Ａ方向）への脱臼を抑制する効果も期待される。
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。

また、本発明の人工膝関節１は、膝裏側の軟組織（血管や神経）への影響を低減できると期待できる。
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。

さらに、本発明の人工膝関節１は、第１の係合３の安定性が向上すると期待される。
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。

本発明の人工膝関節１では、自然な膝関節と同様に、浅屈曲のロールバック率が低く、深屈曲のロールバック率が高い。特に、自然な膝関節では、ロールバック率の低い屈曲角度の範囲（ゾーン１）から、ロールバック率の高い屈曲角度の範囲（ゾーン２）へと移行する境界が、通常は７５°〜１５５°の範囲内にある。よって、本発明の人工膝関節も、ゾーン１からゾーン２へと移行する境界が、７５°〜１５５°の範囲内にあるのが好ましい。屈曲角度に対するロールバック量をプロットしたグラフ（例えば、図１３）では、ロールバック率は、グラフの傾きに相当する。よって、大腿骨コンポーネント１のロールバック量の増加量の傾き（ロールバック率）が変化する屈曲角度が、７５°〜１５５°の範囲にあるのが好ましいと言い換えることができる。
「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。

脛骨プレート３０の第３の摺動面３４は、大腿骨コンポーネント２０の第１の摺動面２４と対応する形状にするのが好ましい。具体的には、第１の摺動面２４が凸状曲面なので、第３の摺動面３４は凹状曲面にする。これにより、第２の係合４が形成されるときに、第１の摺動面２４と第３の摺動面３４との接触面積が増加するので、第１の摺動面２４と第３の摺動面３４（特に、第３の摺動面３４）の摩耗を低減することができる。

第１の摺動面２４及び第３の摺動面３４の組合せの例としては、大腿骨コンポーネント２０の第１の摺動面２４を、内側−外側方向（Ｍ−Ｌ方向）に軸を有する円筒体に形成し、第３の摺動面３４を、円筒体を受けるような曲面にする。この例では、第２の係合４（例えば、屈曲角度４５°〜１５０°）が形成されている間の回旋運動が制限されるので、膝の腱を切除した患者や、膝の腱が弱っている高齢者のように、膝関節の安定性に不安のある患者に好適である。
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。

また、大腿骨コンポーネント２０の第２の摺動面２５は、脛骨プレート３０の第４の摺動面３５と対応する形状にするのが好ましい。具体的には、第４の摺動面３５が凸状曲面なので、第２の摺動面２５は凹状曲面にする。これにより、第３の係合５が形成されるときに、第２の摺動面２５と第４の摺動面３５との接触面積が増加するので、第２の摺動面２５と第４の摺動面３５（特に、第４の摺動面３５）の摩耗を低減することができる。

特に、大腿骨コンポーネント２０の第２の摺動面２５が、球面状の凹状曲面を有し、
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。

次に、屈曲角度の変化に伴う人工膝関節１の変化を、図８〜図１０を参照しながら詳細に説明する。
（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。

（２）第１の状態（屈曲角度４５°〜１５０°、図８〜図１０の（ｃ）〜（ｈ））
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。

（３）第２の状態（屈曲角度１５０°〜１８０°、図８〜図１０の（ｈ）〜（ｊ））
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。

図１１は、屈曲角度１６５°、回旋角度２５°における人工膝関節１を示している。脛骨プレート３０を基準として、大腿骨コンポーネント２０が矢印Ｒに沿って外旋する。これにより、第２の状態において、内側顆２１と内側窩３１との間の内側係合３Ｍが形成される。このように、第２の状態では、大腿骨コンポーネント２０のオフセットと大腿骨コンポーネント２０の回旋との相乗効果により、内側係合３Ｍ（内側顆２１と内側窩３１との係合）と、外側係合３Ｌ（外側顆２２と外側窩３２との係合）のいずれか一方が接触（残り他方が非接触）になるのが好ましい。これにより、第２の状態での回旋自由度を維持しながら、回旋後の膝関節を安定させることができる。

自然な膝関節の動きを再現する為には、より浅い屈曲角度でポストとカムを係合させ、ロールバック量をコントロールできることが望ましい。また、歩行時の際に膝関節が荷重を受ける屈曲角度は約３０°程度であり、３０°付近にて脱臼抵抗性が高いことが望まれる。図１２に示すように、屈曲角度３０°において、第１凸状曲面部２４の下端２４ｂが、ポスト部３６の上端３６ｔより下側に位置すると、屈曲角度３０°のときにジャンピング・ディスタンスＪＤが正にすることができる。

ここで「ジャンピング・ディスタンス」とは、大腿骨コンポーネント２０が前方向に脱臼する際に乗り越えなくてはならない障害の「高さ」のことである。本発明の人工膝関節１では、ジャンピング・ディスタンスは、第１凸状曲面部２４の下端２４ｂと、ポスト部３６の上端３６ｔとの高さの差に相当する。

図１２のように、ポスト部３６の上端３６ｔの位置が、第１凸状曲面部２４の下端２４ｂの位置より高い場合は、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。障害がある場合に、ジャンピング・ディスタンスＪＤを正の値（ＪＤ＞０）とする（これを「正のジャンピング・ディスタンスと称する」）。
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。

上述のように、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とにより、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。ただし、図１０からも分かるように、深屈曲ではジャンピング・ディスタンスＪＰが大きいため、脱臼抑制効果が大きい。一方、浅屈曲（特に屈曲角度０°）では、ジャンピング・ディスタンスＪＰが小さい（又は場合によってはジャンピング・ディスタンスＪＰが負になる）ので、脱臼抑制効果が小さい（又は効果がない）。

一般的には、屈曲角度０°では、大腿骨コンポーネント２０を前方向に動かす力がかからないため、通常の患者であればそれほど問題ではない。しかしながら、高齢者などの膝関節周りの筋肉が弱い患者の場合には、図１に示すように、屈曲角度０°において、第１凸状曲面部２４の下端２４ｂが、ポスト部３６の上端３６ｔより下側に位置するのが好ましい。これにより、屈曲角度０°においても、大腿骨コンポーネント２０の前方への脱臼を抑制することができる。

＜実施の形態２＞
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。

実施の形態２では、脛骨プレート３０は、脛骨トレー４０の上に、回旋可能に係合されている。具体的には、図１４のように、脛骨プレート３０の下面３０ｂに円筒状の凸部３９が形成されており、図１５のように、脛骨トレー４０の上面４０ｕに、凸部３９を受容するための凹部４９が形成されている。このような凸部３９と凹部４９との係合を「回旋係合６」と称する。脛骨プレート３０は、脛骨トレー４０に対して凸部３９の軸中心３９Ｃを中心として回転することができる。その結果、脛骨プレート３０の上側に位置する大腿骨コンポーネント２０も、脛骨トレー４０に対して回転することができる。このようにして、回旋係合６を形成することにより、人工膝関節１を回旋させることができる。
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。

人工膝関節１が回旋係合６を含んでいる場合、第３の係合５自体に回旋能を有していなくてもよい。よって、脛骨プレート３０の第２凸状曲面部３５を、内側−外側方向（Ｍ−Ｌ方向）に軸を有する円筒体に形成し、大腿骨コンポーネント２０の第１凹状曲面部２５を、円筒体を受けるような曲面にすることができる。

回旋係合６は、第１の係合３、第２の係合４及び第３の係合５のいずれにおいても回旋可能である。しかし、自然な膝と同様に深屈曲（例えば１５０°〜１８０°）での回旋性が高いのが好ましい。例えば、回旋結合部６をより後方に形成することにより、深屈曲での回旋性を高めることができる。

回旋結合部６が回旋すると、脛骨プレート３０の後方部分及び大腿骨コンポーネント２０の後方部分は、脛骨トレー４０に対して内側方向に移動する。この内側方向への移動量が大きすぎると膝関節が不自然な動きになるので好ましくない。この内側方向への移動量は、回旋結合部６を後方に形成するほど大きくなる。
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。

なお、中央領域３０Ｃの領域内において、軸中心３９Ｃの位置を前寄りにすると、回旋結合部６の回旋能が抑制されて、脛骨トレー４０に対する大腿骨コンポーネント２０の回旋方向の動作が安定する。例えば、膝関節まわりの筋肉が弱っている患者（例えば高齢者）に適用する場合には、軸中心３９Ｃの位置を前寄りにすることもできる。

図１３に、自然な膝及び人工膝関節のロールバック量をシミュレーションして、膝の屈曲角度に対してプロットしたグラフを示す。
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。

図１３（ａ）は、自然な膝のロールバック量を示すグラフであり、３０°〜９０°ではほぼ水平であり、９０°〜１２０°ではわずかに正に傾いており、１２０°〜１８０°では大きく正に傾いている。このグラフから見積もられるゾーン１とゾーン２との境界は、１１０°である。

図１３（ｂ）は、実施の形態１の人工膝関節１のロールバック量を示すグラフである。自然な膝のグラフ（図１３（ａ））とよく似ており、０°〜９０°ではほぼ水平であり、９０°〜１２０°ではわずかに正に傾いており、１２０°〜１８０°では大きく正に傾いている。このグラフから見積もられるゾーン１とゾーン２との境界は、自然な膝と同じく、１１０°である。

図１３（ｃ）〜（ｄ）は従来の人工膝関節のグラフである。図１３（ｃ）では、０°〜７０°では、緩やかに負に傾いており、７０°〜１７５°では、緩やかに正に傾いている。グラフの変曲点は、７０°である。
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。

図１３から明らかなように、本発明の人工膝関節（図１３（ｂ））は、自然な膝関節（図１３（ａ））とは、グラフの傾き、ゾーン１とゾーン２との境界角度などの点で類似している。よって、本発明の人工膝関節１は、従来の人工膝関節に比べて自然な膝関節の動きを再現することができることがわかる。

１ 人工膝関節
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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
9. 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。
10. 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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