JP2971853B2 - 骨補綴具 - Google Patents

骨補綴具

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ヘンドリック・ウィレム・イャン・ヒュイスケス
ピエール・ヨセフ・テオドール・マリー・ヤスパース
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、骨補綴具、更に詳
しくは、大腿骨頭補綴具とか寛骨臼補綴具等を含む補綴
具に関する。
【０００２】
【従来の技術】上記骨補綴具の先行技術として次のもの
が知られている。 −G.Giebel等による“Fertigung von Knochenmodellen
nach Computer-Tomographie-Daten zurVerwendung in C
hirurgie und Orthopadie"と題する、バイオメディツィ
ニッシェ・テクニク(Biomedizinische Technik）,第３
０巻、第５号、１１１〜１１４頁に記載の論文。 −E.L.Trickey等による膝外科手術及び関節鏡検査法の
第１回ヨーロッパ会議、１９８４年４月９〜１４日、ベ
ルリンでの講演集、 −DEU.Munzinger等による“Biomechanics of knee pros
theses”と題する、スプリンガ−フェルラーク（Spring
er-Verlag）、ベルリン、ハイデルベルグ、３２４〜３
３４頁記載の論文。 −米国特許第４１５３９５３号、グロベラー（Grobbela
ar）、コラム３、１９〜２８頁、５６〜６１頁。 −西独国特許第２８０５８６８号、エンゲルブレヒト
（Engelbrecht）等、第１図。 −英国特許第２０９６００３号、バースタイン（Burste
in）、第２頁。 −ヨーロッパ特許第０１４９５２７号、リー（Lee）
等、第１図、第２図 −英国特許第２０４５０８２号、ラーブ（Raab）、第１
頁
【０００３】
【解決しようとする課題】本発明の第１の目的は前記従
来技術を改良することにある。本発明のもう１つの目的
は人工骨補綴具と骨との界面部に作用する引張り応力、
圧縮応力および剪断応力を、当該補綴具にセメント質外
被を有するかどうかに拘わらず、調整可能とすることに
ある。理論上、骨の吸収又は壊死は補綴具に基づき骨を
覆う応力によって発生するといわれている。
【０００４】
【課題の解決手段及び作用効果】本発明の骨補綴具は、
当該補綴具の初期寸法を選定し、上記補綴具の初期寸法
を骨模型に導入し、上記骨と上記補綴具の材料特性を設
定し、上記骨と上記補綴具に掛かる所望の応力パターン
を予め設定し、上記選定された補綴具の初期寸法に対し
当該骨−補綴具境界面における各結節点での該骨及び補
綴具間の応力を算出し、上記模型に導入する補綴具の形
状を繰り返し変更し、これら変更された一連の補綴具の
形状に対してそれぞれ算出された応力値と上記所望のパ
ターン応力値との差が所定の最小値となる形状にしたが
って形成したものである。
【０００５】上記補綴具によれば骨と当該補綴具間に作
用する、局部的な法線応力及び剪断応力が最小のものに
される。現在実用されている骨内補綴具は一般に骨と直
接接触する人造材料製外被により被覆された金属コアか
ら構成されたものである。本発明によれば、いわゆる、
有限エレメント法によりある構成の数理的シュミレーシ
ョン模型が作成される。この模型により、人造材料製外
被と骨との接続平面又は界面領域に作用する応力が計算
される。この種の応力はとりわけ当該補綴具の形状寸法
に依存する。数理検索手法により、上記形状寸法が決定
され、これにより予め選定された骨と補綴具との界面で
の応力パターンが作成される。
【０００６】上記手法が大腿骨頭補綴具及び寛骨臼補綴
具の２−Ｄ模型に適用された。本発明は、特定形状を有
する大腿骨頭補綴具を提供するものである。
【０００７】上記形状の特徴は、従来技術の文献、例え
ば、下記の特許公報では知られていない；西独国特許第
３２４３８６１号、西独国特許第２８０５８６８号、ベ
ルギー国特許第２２４７７２１号、英国特許第２０７８
５２３号、英国特許第２０４５０８２号、ヨーロッパ特
許第１４６１９２号、ヨーロッパ特許第１２１４６号、
米国特許第４０２１８６５号。
【０００８】大腿骨頭補綴具の製造方法についての先行
技術として、例えば米国特許第４７１８９０９号が知ら
れている。
【０００９】また、本発明は特殊な形状を有する寛骨臼
補綴具を提供するものである。この特殊形状は従来技
術、例えば米国特許第４５６６１３８号および第４５６
３７７８号から知ることは出来ない。
【００１０】関節症、関節炎、外傷又はその他の原因に
基づく関節の欠陥は当該人の幸福な生活を阻害しかつ社
会に多大な迷惑を掛ける。成功例が増大するにつれて、
上記欠陥は関節形成術により矯正された。世界中で毎
年、上記処置が５０００００回以上行われている。その
殆どの欠陥が股関節および膝関節に関するものである。
一方、足、足指、肩、腕、手、及び手指関節等は人工関
節を取り付けることが可能である。
【００１１】従来形式の補綴具は一般に金属材とプラス
チック材とから構成されている。大抵の補綴具はアクリ
ルセメント材を介して骨内に固定される金属ステム又は
プラトーを有する。アクリルセメント材はモノメチル−
メタクリレート液とポリメタルメタクリレート粉末とか
ら成る速硬化性の混合物である。大量の粘稠材が骨髄内
の管又は骨梁内に導入される。その後、当該補綴具がア
クリルセメント素材中に挿入される。硬化後、金属コア
と骨との間にセメント外被が残存する。この骨セメント
材は接着性を有さず、当該セメント材と骨との接続は単
に機械的結合により行われているに過ぎない。堅固な結
合はセメント材を骨梁内に奥深く浸透させることにより
実現される。この透過はアクリルセメント材の粘性が十
分に低くかつ所定期間加圧すれば行われる。
【００１２】アクリルセメント材が使用されない場合、
補綴具は骨内に直接装入される。そのような補綴具は完
全に金属から製作することが可能であり、又は金属コア
及びコーティング材から構成することが可能である。こ
の場合、補綴具と骨とは予備固定する必要がない。一
方、そのような固定は補綴具の表面構造部内に伸ばすこ
とにより達成することが出来る。
【００１３】これまでに良く知られている関節の取り換
え手術における問題点は補綴具の緩みが生じることであ
る。この緩みは大低補綴具と骨との界面部内で生じる。
この厄介な問題点は手術時の患者の年令の低年令化、し
たがって活動性が高くなるに伴って発生度合の増大する
ことが知られている。補綴具の緩みは骨の吸収を来た
し、終局的に苦痛の激しいものとなる。これらの苦痛の
訴えは古い補綴具を取り外すとともに新しい補綴具を挿
入する補修手術においてすざましいものである。一方、
長時間掛かった補修手術結果は初期の関節取り換え結果
よりも良くはなく、かつ該補修手術は任意に何度も繰り
返し行うことが出来ない。
【００１４】緩みの原因又は理論について一般的な見解
は現在存在しない。次のようなことは可能性がありその
ようなことと考えられる；界面での骨の壊死はセメント
モノマーの毒性、発熱性硬化骨セメント材からの異常加
熱、機械的負荷に基づくセメント質外被の崩壊、局部的
応力ピークによる界面部の破損、応力遮蔽により生じる
骨への負荷の低減化等に基因するものと考えられる。
【００１５】本発明のその他の利点、特徴は一実施例を
示す添付図面とともに以下に説明する。
【００１６】
【発明の実施の形態】人工骨補綴具の緩みはアクリルセ
メントと骨の界面への機械的過負荷によって惹起する。
ここでは、特に、界面での法線応力および剪断応力のピ
ークの発生とか、界面でのセメント質における高変形エ
ネルギー密度準位の発生とかを意味する。本発明によれ
ば、当該補綴具の骨とセメント質間の界面での応力パタ
ーンが限定素子模型により算出された。そのような模型
において、特定の形状寸法が限定された種類の素子から
概算された。この模型に対し、外部負荷、材料特性およ
び境界条件もまた与えられた。該模型における応力およ
び歪みが高級ディジタルコンピュータにより算出するこ
とができる。
【００１７】所望の応力パターンが最良のものと近似さ
れ、これらの応力パターンを発生する形状寸法を決定す
るための数理検索又は最適化処理における目標とされ
る。
【００１８】第１図の限定素子模型において、素子１０、
１１および１２は骨皮質を、素子３、（３´）、４は骨
梁を、素子５、９、（９´）は骨セメント質を、６、７
および８は人工骨補綴具を示す。
【００１９】第２図において、ステップ１３で任意に選
定された人工骨の初期の形状寸法、例えば既知の人工骨
補綴具の形状寸法Ｇが骨模型に導入される。ステップ１
４で、外部負荷Ｍ、材料特性Ｅおよび境界条件Ｂが与え
られる。各補綴具−骨界面の結節点ｉでの応力が計算さ
れるとともに関数ｆi＝ｆ（節点ｉでの法線応力、剪断
応力、正接応力）に代入される。重量因子ｗiが節点ｉ
の関数ｆiに割り当てられるとともにこれらの全関数値
が累算され、下記する当該初期形状寸法Ｇに関する目的
関数ＦGとされる：
【数１】
【００２０】ステップ１５において、目的関数ＦGは設
計基準Ｄに応じたもので、所望の応力パターンを表す。
この目的関数値ＦGが最小化される。例えば、関数ｆiに
おいて応力が高い均等力、例えば６まで高められ、よっ
て各応力ピークが滑らかなものとされる。例えばｆi＝
Ｕi 3とされ、ここでＵiは節点ｉでの応力変形エネルギ
ーである。
【００２１】次に、金属ステムとセメント皮質間界面の
結節点ｊが小間隔にわたって移動され、新しい形状寸法
Ｇjが求められる。この新しい形状寸法Ｇjに関し関数値
ｆGjが算出される。この操作は全結節点jに対してなさ
れる。得られた関数値ＦGjが初期値ＦGと比較される。
ステップ１６において、この関数値ＦGjが初期値ＦGと
比較して減少した量に応じて、所定のアルゴリズム、い
わゆる最小Ｐアルゴリズムを介して形状寸法ＧがＧ´に
変換され、この結果ＦG´がＦGより小さくなる。次い
で、この形状寸法Ｇ´が帰還ループ１７を介してステッ
プ１３におけるＧと置換され、この操作手順が再び開始
される。基準Ｄにより定義される所望の形状寸法に到達
すると、関数値ＦG´はそれよりも減少することがな
く、この操作はステップ１８で終了する。
【００２２】以下に、上述の設計方法により得られた人
工骨補綴具の実施例、特に大腿骨頭補綴具および寛骨臼
補綴具の具体例を示す。上述した算出方式を他の人工骨
補綴具に適用可能であることは明らかなことである。
【００２３】大腿骨頭補綴具例 第１図の模型において、内および外皮質骨を接続する三
次元実体構造が第１図中の素子網を背景とした側板によ
って概算される。
【００２４】第２図に示す操作手順を適用するにあた
り、第１図に示す人工骨補綴具１の設計基準は次ぎのと
おりである。
【００２５】−剪断応力および法線応力は出来る限り低
くする。 −均一な剪断応力分布とする。 −均一な法線応力分布とする。 −セメント質と皮骨間の引っ張り応力を無くす。 −セメント質と骨梁間の引っ張り応力を制限する。 −界面近傍のセメント質における応力エネルギー密度を
低くする。
【００２６】このようにして得られた第１図および第３
図に示すようなおおよその形状寸法は当該人工骨補綴具
の頭部２５における外部負荷（モーメントまたは力）の
特性感度を示す。しかしながら、当該人工骨補綴具１、
２０の材料、例えばステンレススチール、ＣｏＣｒＭ
ｏ、チタニューム等は設計を著しく変更するものではな
い。本実施例は補綴具材料としてＣｏＣｒＭｏを選択し
たものに基づくものである。
【００２７】第３図に示す設計物の顕著な特徴は次のと
おりである。 −金属ステム２２は基部近くにテーパー部を有する。 −上記金属ステム２２は末端テーパー部を有する。 −上記金属ステムを骨に挿入した後、当該ステムチップ
は骨髄軸の近くに配置しなければならない。 −第１図におけるセメント質外皮は中間側部の切断面に
おける厚みが±１０ｍｍとされる。 −セメント質外皮はその中間部において切断面の下１.
５ｃｍから末端部に向かってその厚みが２から４.５ｍ
ｍに漸増するとともに中間部から下方に当該ステム先端
部に向かって中間側部のセメント質外皮の厚みが４.５
ｍｍに維持されている。 −側方末端部におけるセメント質外皮の厚みが下方のス
テム先端部に向かって増大する。
【００２８】第３図に示す補綴具２０はステム２２、首
部２３、円錐部２４から構成され、この頂部に大腿頭骨
２５が位置する。このモジュール構造体は首部の長さ及
び大腿頭骨の材質を種々のものが選択可能とされる。こ
の材質としてはセラミックまたは他の人造材料が含まれ
る。第３図から解るように、当該補綴具２１の側方端部
は平坦状とされる一方、上方に向かって幅広かつ丸形背
部１９とされる。この背部１９は前及び後側部に剥取り
部を有する。これらの剥取り部は当該ステム基部の強度
を設定するとともにセメント質外皮に良好な応力分布を
もたらす。ステム末端部と首部軸及び骨髄軸との交点間
の合計長さは１２５ｍｍとされる。この図を尺度として
他の特性寸法が第３図から読み取ることができる。
【００２９】第４図の５種類の金属補綴具３４〜３８に
より、種々の患者に殆どの場合ぴったりと嵌合する人工
骨補綴具を提供することが出来る。これらの補綴具３４
〜３８は側部寸法のみが相違している。これらのうちの
いずれか１つの補綴具により、一連の骨に上述したよう
な応力パターンに近似したものを生起させることが出来
る。
【００３０】第３図において、本発明にしたがって設計
された寛骨臼補綴具２６はＵＨＭＷＰＥ（超高分子量ポ
リエチレン）から成るインサート２９および金属支持体
もしくは裏打ち体２８から構成される。第３図及び第５
図から解るように、その形状寸法は前述したように大腿
頭骨補綴具に対して記述されたものと同様の基準をもっ
て形成されたものであり、それらは次のとおりである。 −リム３０は一定の厚み３ｍｍのセメント質を保証す
る。 −金属支持体の厚みは不均一である。 −金属支持体が最外側部で寛骨臼の外平面と連続してい
る。 −金属支持体が中間側部で寛骨臼の出来る限り離間した
外平面と連続している。 −金属支持体は周辺部で１ｍｍ以上の厚みを有する部分
がない。 −金属支持体は中心部または周辺近傍で最大厚み例えば
５ｍｍを有する。
【００３１】第５Ａ図〜第５Ｇ図に示す金属支持体の外
径寸法はセメント質外皮を含めて４６〜５８ｍｍとされ
る。大腿頭骨の直径は２８ｍｍ、ポリエチレン最小厚み
は５ｍｍとされた。その他の寸法は第１表に掲げる。
【００３２】
【表１】
【００３３】上記金属支持体またはカップにスペーサー
６４が取り付けられ、これらのスペーサー６４は金属支
持体２８の穴２７に装着され、このようにして挿入時の
セメント質外皮厚の均一性が保証される。ポリエチレン
製インサート２９は金属支持体２８に凹所および鋲３２
を介して装着される。このインサート２９にリム３０が
設けられ、該リム３０に金属支持体２８のリム３１を受
容する溝９０が形成されている。このリム３０はリーマ
ー仕上げされた骨盤に当該寛骨臼補綴具を位置決めする
とともに後述するように操作時セメントを加圧する作用
を行う。ポリエチレン製インサートは寛骨盤に対し１０
度の角度をもって位置決めして装着され、これにより当
該大腿頭骨２５の脱臼を防止する。
【００３４】大腿頭骨補綴具の挿入および位置決め手順 大腿頭骨補綴具の形状寸法がそのセメント質外皮の形状
を考慮して正確に上述した方法で形成される。このよう
な補綴具３８は、第６図に示すように正確に位置決めさ
れる。なお、補綴具が上述した方法により設計されたも
のでない場合には後述する方法で位置決めする。第４図
に示すような平面Ｒで大腿骨を切断した後、該大腿骨の
骨髄内管が円筒状にリーマー仕上げする。ドリル穴内に
案内部材として作用する滑らかなステム末端部のやすり
がけ作用により大腿骨基部が正確な寸法にやすりがけさ
れる。それ自体が当該モールドとされる石目やすりによ
り、基部スペーサー５１に正確な凹所が形成される。
【００３５】第３図および第６図に示すように、２つの
スペーサー５１および４８が取り付けられた人工骨補綴
具３８は骨４７内に位置決めされる。第１スペーサー５
１はステム基部の切断面の高さ位置に配置される。補綴
具用開口９１とは別に、この基部スペーサー５１は排気
チューブ５３用の穴５５および骨セメント材注入用の穴
５４を有する。このようにして基部スペーサー５１はス
テム基部を位置決めするとともに接合しなければならな
い大腿骨管９２を封鎖する。
【００３６】第２スペーサー４８は円筒状に穿孔された
骨幹４９に最小の遊びをもって嵌合され、これにより骨
４７に対しステム先端部の正確な位置決めおよび大腿管
９２の下側部の封止を確実なものにする。末端スペーサ
ー４８にはその全長にわたり複数の管５２が形成され、
これらの管５２は環状溝４９と接続される。
【００３７】接着時、排気チューブ５３はこれらの管５
２の１つにその一端部が取り付けられる。骨髄空間をブ
ラシ掛けするとともに濯ぎを行い、補綴具３８、スペー
サー４８、５１および排気チューブ５３から成るアッセ
ンブリが挿入される。このようにして残りの骨髄空間が
２次的に接着される。セメント材が充填穴５４を介して
骨髄管９２に射出される。例えば、小さい直径のノズル
を有する図示しないセメント銃を介して注入が行われ
る。この骨髄管９２の充填完了後、セメント材は末端ス
ペーサー４８の管５２を透過して骨４７内に透過するよ
うに加圧される。このセメント注入は骨構造体の一部分
にドリル穴をあけ、該穴を介して行うことも出来る。
【００３８】スペーサー４８および５１は好ましくはＰ
ＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）から製作し、硬化
セメント材を介して強固な接着を行うようにする。短時
間骨セメント材を加圧した後、排気チューブ５３はゆっ
くりと回収され、その間セメント素材は加圧状態にされ
る。排気チューブ５３を取り外した後、残りの空間にセ
メント材が充填される。
【００３９】排気チューブ５３は空気、流体および骨髄
の排出管として作用し、該チューブ５３は接着時セメン
ト材により大腿管９２を押し圧する。セメント材と骨と
を強固に結合するために、排気チューブ５３を取り外し
た後もセメント材の加圧状態を保持するようにするよう
にしてもよい。
【００４０】上述の方法は大腿頭骨補綴具に関して適用
したものであるが、その他、長尺の骨内に位置決めすべ
きステムを備えた種々の補綴具における位置決めおよび
固定に適用できることは勿論のことである。末端スペー
サー５１における開口５０は円形ではなくかつ偏心状に
配置してもよい。その他の補綴具に適用する場合、この
開口５０は例えば円形とし又は同心状に配置するように
してもよい。
【００４１】第７図、第８図および第９図に示すよう
に、本発明の大腿頭骨補綴具の第２実施例は寸法Ｌおよ
びＷに対し寸法Ｋをもって画定される曲り形状のものと
することにより骨からの取り外しが容易におこなうこと
が出来、これは補修処理に重要なものである。
【００４２】図示するように第１実施例から剥取り部を
無くした形状の第２実施例のものはセメント質外皮の適
用空間をさらに提供するものである。
【００４３】好ましくは、中型の補綴具に関し、寸法Ｌ
が１３５ｍｍ、寸法Ｗが４１ｍｍのものに対し寸法Ｋは
１１.２５ｍｍとされる。
【００４４】第１０図に示すように、本発明の第２実施
例の寛骨臼補綴具は好ましくはポリエチレンから成るス
ペーサー７１を有し、外部から支持体７２に挿入される
ようになっている。インサート７３に中心穴７６に挿入
される固定中心素子７４が設けられる。このインサート
７３にはリム７８に配置された溝７７が設けられ、この
リム７８にはインサート７３の周囲に等間隔で３つの切
り欠き７９が設けられている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好ましい１実施例の大腿頭骨補綴具
の概略平面図である。
【図２】 第１図の補綴具の設計手順の一例のフローチ
ャートである。
【図３】 本発明の１実施例の大腿頭骨補綴具の好まし
い設計例の分解斜視図である。
【図４】 本発明の５種類の形状寸法の大腿頭骨補綴具
を示す図である。
【図５】 Ａ〜Ｇは、本発明に係る７種類の寛骨臼補綴
具の形状を示す図である。
【図６】 大腿頭骨補綴具を固定する手順の説明図であ
る。
【図７】 本発明の第２実施例の大腿頭骨補綴具の背面
図である。
【図８】 本発明の第２実施例の大腿頭骨補綴具の側面
図である。
【図９】 本発明の第２実施例の大腿頭骨補綴具の各部
分断面図である。
【図１０】 本発明の寛骨臼補綴具の分解斜視図であ
る。
【符号の説明】
２０ 補綴具 ２２ ステム ２５ 大腿骨頭部 ２６ 寛骨臼補綴具 ２８ 金属支持体 ２９ ポリエチレン製インサート ３０ リム ３８ 補綴具 ４７ 骨 ４８ 第２スペーサー ４９ 円形溝 ５１ 第１スペーサー ５３ 排気チューブ ５４ 充填穴 ６４ スペーサー ７１ ポリエチレン製スペーサー ７２ バッキング ７３ インサート ７４ 固定中心素子 ９２ 大腿骨管
フロントページの続き (72)発明者 ヘンドリック・ウィレム・イャン・ヒュ イスケス オランダ国6604シーシー ヴィイシェ ン、ヴォエジクセストラート340番 (72)発明者 ピエール・ヨセフ・テオドール・マリ ー・ヤスパース オランダ国3581クービー ユトレヒト、 ヴァン・ホーケンドルプストラート19ア ー番 (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】 骨に固定される大腿骨頭補綴具におい
    て、 上記補綴具の初期寸法を選定し、 上記補綴具の初期寸法を骨模型に導入し、 上記骨と上記補綴具の材料特性を設定し、 上記骨と上記補綴具に掛かる所望の応力パターンを予め
    設定し、 上記選定された補綴具の初期寸法に対し当該骨−補綴具
    境界面における各結節点での該骨及び補綴具間の応力を
    算出し、 上記模型に導入する補綴具の形状を繰り返し変更し、こ
    れら変更された一連の補綴具の形状に対してそれぞれ算
    出された応力値と上記所望のパターン応力値との差が所
    定の最小値となる形状を特定し、該特定形状にしたがっ
    て当該骨補綴具を形成することにより、骨内に挿入した
    とき、接触面での応力が出来る限り低くかつ均一分布値
    を有するようにした、大腿骨頭補綴具。
  2. 【請求項２】 大腿骨の切断面下方の基部の中間側部位
    置に腹部を有するステムにより構成した、請求項１に記
    載の大腿骨頭補綴具。
  3. 【請求項３】 ステムの基部にテーパー部を設けた、請
    求項２に記載の大腿骨頭補綴具。
  4. 【請求項４】 ステムの末端部にテーパー部を設けた、
    請求項２又は請求項３に記載の大腿骨頭補綴具。
  5. 【請求項５】 ステムの末端部に設けたテーパー部が該
    ステムの基部に設けたテーパー部より細くした、請求項
    ３又は請求項４に記載の大腿骨頭補綴具。
  6. 【請求項６】 大腿骨内に挿入したとき、ステムの先端
    部が骨髄軸の中間部に位置するような形態とした、請求
    項１〜請求項５のいずれかに記載の大腿骨頭補綴具。
  7. 【請求項７】 骨髄軸に対し湾曲する形態とした、請求
    項１〜請求項６のいずれかに記載の大腿骨頭補綴具。
  8. 【請求項８】 骨模型がセメント外被およびその材料特
    性を含み、該セメント外被の内側に作用する歪みエネル
    ギー密度が予め設定された値に到達するまで該骨模型の
    設計変更を行うようにした、請求項１に記載の大腿骨頭
    補綴具。
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