JP2765997B2 - 人工股関節,人工骨頭及びその製造方法 - Google Patents

人工股関節,人工骨頭及びその製造方法

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    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30Joints
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の利用分野] 本発明は人工股関節あるいは人工骨頭に関するもので
ある。特にセメントレス人工骨頭のステム形状の改善に
関するものである。
[従来技術及び問題点] 我が国における股関節人工骨頭の応用は1950年代前半
から行われるようになり、その後材質、形状等に種々の
改良が加えられるようになり、今日では盛んに用いられ
るようになった。人工骨頭の具備要件の一つとして大腿
骨髄腔との良好な適合性を保持することのできるステム
形状が挙げられる。
しかしながら、従来の人工骨頭は外国人大腿骨を基準
として設計されたものが多く、必ずしも日本人に適した
ものではなく、固体差の問題もあり、ステムと髄腔の良
好な適合性を得ることを困難にしており、問題点となっ
ている。
[問題点を解決するための手段] 本発明者らは、この問題を解決するため、日本人大腿
骨の最大長、髄腔中心、髄腔径、皮質厚、外径の精密測
定を多数例について実施し、この計測結果の統計処理を
行い複雑な形状をなしている大腿骨髄腔部の日本人標準
モデルを解析推定し、さらにこの髄腔にバイオメカニカ
ルに最も適合する人工骨頭ステムをデザインすること等
により本発明に到達した。
即ち本発明は第1に、大腿骨の骨髄中に挿入されるス
テムと該ステムの先端部に骨頭球を具備した人工骨頭と
人工臼蓋からなる人工股関節において、該ステムが大腿
骨の近位端部から中央部にかけて髄腔中に挿入されるも
のであって、大腿骨の近位端部に位置する該ステムの上
方横断面形状は、それに外接する楕円の長径の方向が大
腿骨の矢状方向と90度を越える角度を有する実質上多辺
形であり、大腿骨の中央部近傍に位置する該ステムの下
方横断面形状は、それに外接する楕円の長径方向が矢状
方向に実質上一致した実質上多辺形であることを特徴と
した人工股関節を提供するものである。
さらに本発明は、大腿骨の髄腔中に挿入されるステム
と該ステムの先端部に骨頭球を具備した人工骨頭におい
て、該ステムが大腿骨の近位端部から中央部にかけて髄
腔中に挿入されるものであって、大腿骨の近位端部に位
置する該ステムの上方横断面形状は、それに外接する楕
円の長径の方向が大腿骨の矢状方向と90度を越える角度
を有する実質上多辺形であり、大腿骨の中央部近傍に位
置する該ステムの下方横断面形状は、それに外接する楕
円の長径方向が矢印の方向に実質上一致した実質上多辺
形であることを特徴とした人工骨頭を提供するものであ
る。
尚かかる本発明の人工骨頭には、より好ましいものと
して、該ステムの横断面形状が実質上多辺形であり、該
上方横断面の面積が該下方横断面の面積よりも大きなテ
ーパ状をなすものである; 該上方横断面形状の多辺形の辺数が該下方横断面形状
の多辺形の辺数より多く、且つ該下方横断面形状が四辺
形である人工骨頭; 該上方横断面形状と下方横断面形状が共に四辺形であ
る人工骨頭; 該ステムの横断面の中心位置が、上方に向かうにつれ
てより大きく矢状方向の後方にずれた状態にある人工骨
頭が含まれる。
さらに本発明は、大腿骨の髄腔中に挿入されるステム
と該ステムの先端部に骨頭球を具備した人工骨頭におけ
る、該ステムが大腿骨の近位端部から中央部にかけて髄
腔中に挿入されるものであって、大腿骨の近位端部に位
置する該ステムの上方横断面形状が大腿骨の矢状方向と
角度を有する方向に長辺を有した実質上長方形であっ
て、大腿骨の中央部近傍に位置する該ステムの下方横断
面形状が矢状方向に長辺を有した実質上長方形であるこ
とを特徴とする人工骨頭を提供するものである。
さらに本発明は、大腿骨の髄腔中に挿入されるステム
と該ステムの先端部に骨頭球を具備した人工骨頭におい
て、該ステムの横断面形状が実質上四辺形をなし、少な
くとも一部において髄腔での占拠率を最大としたもので
あることを特徴とした工骨頭を提供するものである。
また本発明は、大腿骨の髄腔中に挿入されるステムと
該ステムの先端部に骨頭球を具備した人工骨頭におい
て、該ステムの横断面形状が実質上長方形をなし、髄腔
中に挿入された状態で、大腿骨の近位端部において短辺
の面の外側に形成される空隙部の横断面積の合計が長辺
の面の外側に形成される空隙部の横断面積の合計よりも
小さくなるようにしたことを特徴とする人工骨頭を提供
するものである。尚ここで空隙部とは、ステムを髄腔中
に挿入した状態における皮質骨とステムの間の部分をい
う。
さらに本発明は、大腿骨の髄腔中に挿入されるステム
と該ステムの先端部に骨頭球を具備した人工骨頭におい
て、該ステムの横断面形状が実質上長方形をなし、髄腔
中に挿入された状態で、大腿骨の近位端部を越えた部分
から中央部において長辺の面の外側に形成される空隙部
の横断面積の合計が短辺の面の外側に構成される空隙部
の横断面積の合計よりも小さくなるようにしたことを特
徴とする人工骨頭を提供するものである。
さらに本発明は、大腿骨の髄腔中に挿入されるステム
と該ステムの先端部に骨頭球を具備した人工骨頭の製造
方法において、あらかじめ多数の大腿骨について最大長
及び撮影された各々のCT写真より、大腿骨の近位端部か
ら中央部の所定の複数位置における各々についての髄腔
横断面の中心位置及び該中心位置から所定の多方向での
髄腔径Riを求め、各所定位置及び所定方向についての多
数の髄腔径Riの平均値i、さらに必要に応じて標準偏
差σiを算出し、各所定位置における髄腔横断面形状を
求めさらに該横断面形状に内接した多辺形を求め、各所
定位置における該多辺形を基準にした該スラムの形状を
決定することを特徴とした人工骨頭の製造方法を提供す
るものである。
以下に、本発明ついてさらに詳細に説明する。
まず本発明における人工骨頭の製造方法としては、以
下に示す如き方法を含むものである。即ち日本人大腿骨
の計測は髄腔内物質の実質上除去した40歳以上の右大腿
骨289例について直接計測による最大長の測定、ならび
に最大長を20等分し、近位端3/20から中央部第10断面ま
での各断面のCT写真の投影計測による髄腔中心及び髄腔
中心から放射状に16等分した各方向の髄腔径、皮質厚、
外径を測定することにより行った。これらの計測値を統
計処理し近位端から中央部に至る大腿骨髄腔に関する日
本人標準モデルを解析推定した。大腿骨髄腔は捩れと湾
曲の二つの要素を持つ複雑な形状に加え固体差を有して
いると考えられるが、今回計測の結果以下に述べるよう
な日本人標準モデルの形状に関する特徴が見い出され
た。
即ち、髄腔の断面形状は楕円形をなしているが、その
長径は大腿骨近位端部では、横径と一致するかまたは僅
かに前外側と後内側を結ぶ方向にあり、一方、大腿骨近
位端部を越えて中央部にかけてでは、円形をへて横楕円
形は矢状方向に回転し、中央部では楕円形の長径は矢状
方向に一致しているのがみられた。
また、髄腔中心は大腿骨近位端部では中央部に比べ矢
状方向後方に移動し、その移動の大きさは近位端部に向
かうにつれより大きく移動しているのがみられた。
このようにして得られた大腿骨髄腔部の日本人標準モ
デルに基づきバイオメカニカルに最も適合した人工骨頭
ステムをデザインした。即ち、ステムは捩れと湾曲をも
ちテーパー面で構成されておりこの横断面形状は実質的
に多辺形好ましくは四辺形からなるものであり、髄腔部
横断面に占めるステム横断面の占拠率を最大になるよう
に設計した。特に四辺形の各辺と髄腔断面の四つの間隙
に着目した場合、内側及び外側の二つの間隙については
前方及び後方の二つの間隙に比べより小さくなるよう設
計した。
かかる本発明の人工骨頭の製造方法のより好ましい態
様として、i及びσiを用いて、i±3σiの範囲
で各々所定位置について相似形状の複数のステム形状を
決定して、複数の人工骨頭からなる標準人工骨頭のセッ
トを製造する方法があげられる。
尚、かかる製造方法において、かかるCT写真として、
髄腔内物質を実質上除去した大腿骨について撮影された
ものを用いることが人工骨頭の使用形態での適合性を高
めるうえで有効である。
さらに本発明の製造方法では、NC加工や母型カスティ
ング等の方法によって行うことが実際上有利である。
次に、本発明の人工骨等について更に詳細に説明す
る。
即ち、本発明の人工骨頭は、ステム横断面の形状が実
質的に多辺形、好ましくは四辺形、特に好ましくは長方
形をなし、またステム上方部では四辺形を越えた多辺形
でありステム中央部及び下方部では四辺形をなす場合も
ある。
ステム横断面形状が実質的に四辺形である場合、大腿
骨近位端部では、同四辺形の長径は前額方向に平行か若
しくは前外側と後内側を結ぶ方向に平行したものであ
る。即ち上方横断面の形状は、その外接楕円の長径が矢
状方向と90度を越えた角度を有した多辺形をなす。尚こ
の角度は150度以下が好ましく、さらに100〜140度の範
囲にあることが実用上望ましい。
大腿骨近位端部を越えた先ではステム横断面の四辺形
の各辺は近位端部に比べ縮小され、特に長辺がより大き
く縮小され、一度実質上の長方形となる過程をとるもの
が良好である。
更にこれより先の大腿骨中央部では同四辺形は矢状方
向に回転し、また各辺は縮小され特に横径方向の2辺が
縮小され矢状方向に長辺を有する実質上に四辺形とな
る。即ち下方横断面の形状は、その外接楕円の長径が矢
状方向と実質上一致した多辺形である。
かくして、本発明の人工骨頭は、ステム部が下方と上
方で一定の範囲でねじれ構造を取ることを特徴とするも
のである。尚かかるねじれ構造としては、上部横断面の
多辺形の外接楕円の長径が矢状方向となす角度が、90度
を越え150度以下であることが好ましく、さらに好まし
くは該角度が100〜140度の範囲にあって、下方に移るに
つれて多辺形の横断面の外接楕円の長径方向が短径方向
よりも大きく縮小されてその短径方向が長径方向とな
り、下方横断面の外接楕円におけるかかる長径方向が矢
状方向に実質上一致したものが好ましい。
また本発明の人工骨頭としては、ステム横断面四辺形
の中心が、大腿骨近位端部では中央部に比べ矢状方向の
後方に湾曲した形状となっているものが実用上良好であ
る。
更に、統計処理による平均値と標準偏差を用いて推定
し得る日本人大腿骨髄腔部の標準モデルの大きさの分布
状態に基づきステムの複数個のサイズを設定することが
できた。各個体について断面間で位置によるサイズの変
動の程度を検証したが、この変動は比較的小さく、従っ
て任意の基準断面(位置)で適合するサイズを選択した
場合に他の断面(位置)でも良好な適合性の得られるこ
とが判明した。
ステムの横断面は実質的に多辺形であればよく、テー
パー状のステムの各面について言えば、その表面の一部
または全体に若干の突起形状や開孔部が付加されてもよ
い。更にステム内部を中空にしても差し支えない。ステ
ム横断面の多辺形の各頂点は若干のまるみがあってもよ
い。また多辺形の各辺は直線ではなく若干のふくらみま
たは凹みを持たせてもよい。尚かかるステムの形状は、
左右の大腿骨で対称とすることが望ましい。
また本発明の人工股関節は、以上説明した如き形状の
ステムを具備したことを特徴とするものである。
[実施例] 実質的に髄腔物質を除去した日本人右大腿骨289例に
ついて直接計測による最大長の測定ならびに最大長を20
等分し、近位端3/20から中央部第10断面までの各断面の
CT写真の投影計測による髄腔中心及び髄腔中心から放射
状に16等分した各方向の髄腔径、皮質厚、外径を測定し
た。
図1には各断面を代表して近位端3/20,5/20,7/20,9/2
0の4断面について、髄腔中心及び髄腔中心から放射状
に16等分した各方向の髄腔径の平均値により描かれる髄
腔断面の形状及び位置を示した。
図2は横断面形状が実質的に四辺形をなすステムの概
略の形状を示した。
[発明の効果] 本発明の人工股関節は、種々の患者が使用する場合に
高い適合性が容易に得られるものである。
本発明の人工骨頭もまた同様に、種々の患者に適用さ
れる場合により高められた適合性を得ることが容易であ
る優れた利点を有する。尚本発明の人工骨頭の各種態様
は、各々より適合性を高めるうえで効果を奏するもので
ある。
本発明の人工骨頭の製造方法によれば、かかる適合性
の高められた人工骨頭を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
図1は、上から見た髄腔の各々の部分における横断面形
状及びその位置を示す。即ち同図における1は最大長を
20等分した上部から3/20の部分,2は同じく5/20の部分,3
は同じく7/20の部分,4は同じく9/20の部分の断面におけ
る髄腔中心から放射状に16等分した各方向の髄腔径の平
均値により描かれる上部よりみた髄腔の横断面形状及び
位置を示す。図面上の上部は前方,下部は後方の矢状方
向を示す。 図2は横断面形状が四辺形のステム形状を前方内側斜め
上方からみた場合の該略図を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 戸川 晴雄 東京都町田市三輪緑山3―9―1 (56)参考文献 特開 平2−144055(JP,A) 特開 平2−92352(JP,A) 特開 平1−313052(JP,A) 特開 平2−167159(JP,A) 特開 平3−4849(JP,A) 特開 昭63−23658(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) A61F 2/32,2/36

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】大腿骨の髄腔中に挿入されるステムと該ス
    テムの先端部に骨頭球を具備した人工骨頭と人工臼蓋か
    らなる人工股関節において、該ステムが大腿骨の近位端
    部から中央部にかけて髄腔中に挿入されるものであっ
    て、大腿骨の近位端部に位置する該ステムの上方横断面
    形状は、それに外接する楕円の長径の方向が大腿骨の矢
    状方向と90度を越える角度を有する実質上多辺形であ
    り、大腿骨の中央部近傍に位置する該ステムの下方横断
    面形状は、それに外接する楕円の長径方向が矢状方向に
    実質上一致した実質上多辺形であることを特徴とした人
    工股関節。
  2. 【請求項2】大腿骨の髄腔中に挿入されるステムと該ス
    テムの先端部に骨頭球を具備した人工骨頭において、該
    ステムが大腿骨の近位端部から中央部にかけて髄腔中に
    挿入されるものであって、大腿骨の近位端部に位置する
    該ステムの上方横断面形状は、それに外接する楕円の長
    径の方向が大腿骨の矢状方向と90度を越える角度を有す
    る実質上多辺形であり、大腿骨の中央部近傍に位置する
    該ステムの下方横断面形状は、それに外接する楕円の長
    径方向が矢状方向に実質上一致した実質上多辺形である
    ことを特徴とした人工骨頭。
  3. 【請求項3】該ステムは、横断面形状が実質上多辺形で
    あり、該上方横断面の面積が該下方横断面の面積よりも
    大きなテーパ状をなすものである請求項2の人工骨頭。
  4. 【請求項4】該上方横断面形状の多辺形の辺数が該下方
    横断面形状の多辺形の辺数より多く、且つ該下方横断面
    形状が四辺形である請求項2の人工骨頭。
  5. 【請求項5】該上方横断面形状と下方横断面形状が共に
    四辺形である請求項2の人工骨頭。
  6. 【請求項6】該ステムの横断面の中心位置が、上方に向
    かうにつれてより大きく矢状方向の後方にずれた状態に
    ある請求項2の人工骨頭。
  7. 【請求項7】大腿骨の髄腔中に挿入されるステムと該ス
    テムの先端部に骨頭球を具備した人工骨頭において、該
    ステムが大腿骨の近位端部から中央部にかけて髄腔中に
    挿入されるものであって、大腿骨の近位端部に位置する
    該ステムの上方横断面形状が大腿骨の矢状方向と角度を
    有する方向に長辺を有した実質上長方形であって、大腿
    骨の中央部近傍に位置する該ステムの下方横断面形状が
    矢状方向に長辺を有した実質上長方形であることを特徴
    とした人工骨頭。
  8. 【請求項8】大腿骨の髄腔中に挿入されるステムと該ス
    テムの先端部に骨頭球を具備した人工骨頭の製造方法に
    おいて、あらかじめ多数の大腿骨について最大長及び撮
    影された各々のCT写真より、大腿骨の近位端部から中央
    部の所定の複数位置における各々についての髄腔横断面
    の中心位置及び該中心位置から所定の多方向での髄腔径
    Riを求め、各所定位置及び所定方向についての多数の髄
    腔径Riの平均値i、さらに必要に応じて標準偏差σi
    を算出し、各所定位置における髄腔横断面形状を求めさ
    らに該横断面形状に内接した多辺形を求め、各所定位置
    における該多辺形を基準にした該スラムの形状を決定す
    ることを特徴とした人工骨頭の製造方法。
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