JP3543198B2 - 人間の肩関節用人工関節 - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、人工関節、特に人間の肩関節用の内部人工関節に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、肩関節は簡単な関節構造に属し球関節としてみなせるという一般的な前提に基づいて、肩関節用人工関節には3つの回転自由度のみが与えられていた。一方、ドイツ特許出願3908958.4に開示されているように、互いに動く球状作用面を有する一対の関節部材を備える人体用人工関節、例えば作用面が凹曲面対凸曲面形状である人工関節であって、2つの関節軸をもつ関節連鎖、いわゆる2部材構造の関節連鎖によって決定される関節幾何形状を有する作用曲面を備えるものが知られている。この場合、両作用面の回転中心が凸作用面をもつ関節部材内に位置し、安定な関節連鎖が得られている。この2部材関節連鎖の機能は、両作用面の接触点における摩擦結合を前提としている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
前述の如く、従来の肩関節用人工関節は、3つの回転自由度のみを有し、実際の肩関節のような自由度の高い滑らかな動きに欠けるものであった。
そこで本発明の目的は、従来の球関節の原理で構成された人間の肩関節用の内部人工関節を2部材関節連鎖の機能の知識を用いて改良し、自然な関節作用を可能にする人間の肩関節用の内部人工関節を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明による人工関節は、球状の関節面を有し互いに動く一対の関節部材、即ち関節頭及び関節窩からなる、作用面の曲面状態が正面(垂直面)においても正面に垂直な横断面においても凸面対凹面であり、それぞれの曲面における作用面の関節幾何形状がその時その時の断面輪郭の作用面の回転中心を通る2部材関節連鎖によって決まるものであって、その特徴構成は、関節頭及び関節窩がそれぞれの作用面に関して以下のように形成されている点にある。即ち、腕の静止状態即ちぶら下がり状態において、正面における両作用面が、両者が接触する支持領域では同じ曲率半径を有する(RK1=RP1)と共に、ここに続く転動領域では支持領域から離れるほど両関節部材の隙間が広がっていくように両作用面の半径が決められている。
【0005】
さらに、関節部材の作用面の接触点を径方向に通る横断面において、前記接触点Kの両側の隙間が前記接触点Kから離れるほど広がっていくように両作用面の半径Rp2,Rk2が決められていることが好ましい。
【0006】
【作用】
本発明による人工関節は5つの自由度を備えている。本発明による関節構造は次の考えに基づいている。関節頭は一方では自己の曲面中心点周りに所定の角速度で回転し、その際、関節窩の関節面上の接触点はその箇所に留まり、関節頭の接触点は回転と逆方向に移動する。さらに、関節頭が関節窩の中心点周りに所定の角速度で回転し、その際、関節頭の接触点は位置を変えないが、関節窩の作用面上を同じ回転方向に移動する。これら2つの回転は重なり合っている。
【0007】
本発明によればさらに、静止姿勢において関節窩の下部に負荷がかかることにより作用面の直線的な支持が得られ、これによって理想的な力の初期化が可能となる。さらに、関節接合された作用面の曲率半径の不一致によって形成される関節の隙間により、腕を上げたときに作用面の接触点が上方に移動するので、関節の隙間が上方ほど小さくなり下方ほど大きくなる。この結果、上部の関節隙間内では関節流体の圧力が高くなり、下部の関節間隔内では低くなる。さらに、接触点を形成する関節頭の関節面の点が、接触点の上方への移動にもかかわらず下向きの速度Vを有し、関節流体は下方へいっしょに動くことになる。したがって、本発明による人工関節は渦巻きポンプの原理に基づいて作動するといえる。
他の好ましい構成が請求の範囲の従属形式請求項に記載されている。
【0008】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、従来の球関節の原理で構成された人間の肩関節用の内部人工関節に比べて、2部材関節連鎖の機能の知識を用いたことにより、自然な関節作用が可能になった。
【0009】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図1に、人間の肩関節の代わりをする本発明の人工関節を示す。この人工関節1は関節窩2と関節頭3とから構成されている。関節頭3は上肢骨4につながっている。関節窩2は、図1に示す正面において曲率半径RP1の凹曲面を有し、これによって形成される作用面5は円形となる。つまり半径RP1は作用面全域にわたって一定である。例えば半径RP1を約25mmとすることが好ましい。図2に示すように、図1の正面に垂直な横断面においても関節窩2は曲率半径RP2が一定である作用面6を有する。本実施例ではさらに、作用面5と作用面6とは同じ曲率半径を有する。つまりRP1=RP2である。
【0010】
関節頭3は凸状曲面によって形成される作用面7を有し、その曲率半径RK1は正面において一定ではない。むしろ曲率半径RK1は、腕がぶら下がっている状態に相当する図1の静止姿勢において、関節窩2の下部の支持領域8に位置する関節頭3が関節窩2の曲率半径RP1に相当する曲率半径を有するように決められている。これにより、支持領域8において関節窩2の作用面5と関節頭3の作用面7との間に直線状の接触が生じる。この直線状の支持領域8は関節頭3において約20度の角度範囲にわたる。
【0011】
この支持領域8から転動領域9が続き、この転動領域9では、両関節部材2,3の間の隙間が支持領域8から離れるに従って単調増加するるように、関節窩2の作用面5及び関節頭3の作用面7のそれぞれの半径が決められている。この増加していく隙間は本実施例では、関節頭3の作用面7の半径を支持領域8での半径を起点に単調減少させることによって実現している。この半径の減少幅は、支持領域8での関節頭3及び関節窩2の作用面の半径の20%を最大とすることが好ましい。転動領域9は、関節頭の外周部約180度の角度範囲にわたって設けるのが好ましい。更に、転動領域9の周方向外側には、関節頭3と関節窩2の作用面の半径の差が一定である終端部10が約40度〜70度の角度範囲にわたって続いている。
【0012】
図2からわかるように、関節部材2,3の作用面の任意の接触点Kを径方向に通る横断面においても、接触点Kの両側における関節部材2,3の隙間が接触点Kから離れるほど広くなるように作用面6,11の半径が決められている。前述のように関節窩2の作用面6の半径RP2は正面における作用面5の半径RP1と同じであり、他方、関節頭3の作用面11の半径RK2は正面における関節頭3の作用面7の半径RK1とは異ならせている。接触点Kの両側の両作用面6,11の半径の差が支持領域8における作用面の半径の30%を最大とすることが好ましい。さらには、関節頭3の半径RK2が支持領域8における作用面の半径RP1より約12%小さいことが好ましい。つまり、RP1が約25mmのときにRK2を約22mmにするとよい。この場合、横断面における関節頭3の作用面11の半径RK2は接触点Kにける最大値から背側に約90度の円弧角において約3mm減少し、同様に腹側に約90度の円弧角において最大1mmだけ減少している。
【0013】
本実施例では作用面5,7又は作用面6,11を形成する凹面・凸面を有する互いに動く関節部材2,3が用いられている。そして、正面及び横断面における作用面の中心点MK,MPの位置からわかるように、凸状の作用面7,11を有する関節部材である関節頭3の内側に作用面の中心点MK,MPが位置しており、以下の条件を満たしている。つまり、2つの部材からなる安定した関節連鎖が形成され、その連鎖リンクが半径R=RP−RKを有する関節軸を備えている。このRの値は0より大きく、直線状の支持領域Kにおいてほぼ0である。図3は、本実施例の人工関節1において腕を約60度上げた状態を示している。
【0014】
上述のように本実施例にあっては、関節窩がいずれの断面においても一定で等しい半径を有する作用面を備え、他方、関節頭の作用面の半径が変化している。しかしながら、関節頭の作用面の半径を一定で等しくし、関節窩の作用面の半径を変化させることにより、本発明による作用面の幾何学形状を実現することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による人工関節の正面視での断面図
【図2】図1における関節部材の作用面の接触点を径方向に通る横断面を示す図
【図3】腕を持ち上げた状態における人工関節の正面視での断面図
【符号の説明】
2 関節窩
3 関節頭
5,6,7,11 作用面
8 支持領域
9 転動領域
10 終端領域

Claims (15)

  1. 球状の関節面を有し互いに動く一対の関節部材である関節頭及び関節窩からなり、作用面の曲面状態が正面においても正面に垂直な横断面においても凸面対凹面であり、それぞれの曲面における作用面のリンク構造がその時その時の断面輪郭の作用面の回転中心を通る2部材関節連鎖によって決まる人間の肩関節用人工関節であって、
    前記関節頭(3)及び関節窩(2)は、それぞれの作用面に関して、腕の静止状態に対応するぶら下がり状態において、正面における両方の作用面(5,7)が接触している支持領域(8)では両作用面(5,7)が同じ曲率半径を有すると共に、ここに続く転動領域(9)では支持領域から離れるほど両関節部材の隙間が広がっていくように両作用面(5,7)の半径RP1,RK1が決められるように形成されていることを特徴とする人間の肩関節用人工関節。
  2. 両関節部材(2,3)の作用面(6,11)の接触点Kを径方向に通る横断面において、前記接触点Kの両側の隙間が前記接触点Kから離れるほど広がっていくように両作用面(6,11)の半径Rp2,Rk2が決められていることを特徴とする請求項1記載の人間の肩関節用人工関節。
  3. 前記転動領域(9)が前記関節頭(3)の周囲に180度にわたって延びていることを特徴とする請求項1又は2記載の人間の肩関節用人工関節。
  4. 前記支持領域(8)が関節頭(3)の周囲に20度の角度範囲にわたって延びていることを特徴とする請求項1,2又は3記載の人間の肩関節用人工関節。
  5. 作用面(5,7)の半径差が一定である終端領域(10)が前記転動領域(9)に周方向につながっていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の人間の肩関節用人工関節。
  6. 前記終端領域(10)が70度の角度範囲にわたって延びていることを特徴とする請求項5記載の人間の肩関節用人工関節。
  7. 前記転動領域(9)における半径差は前記支持領域(8)における両作用面(5,7)の半径の20%を最大とすることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項記載の人間の肩関節用人工関節。
  8. 前記接触点Kの両側の作用面(6,11)の半径差は支持領域(8)における作用面(5,7)の半径の30%を最大とすることを特徴とする請求項2から7のいずれか1項記載の人間の肩関節用人工関節。
  9. 関節部材(2,3)の一方の作用面(6,11),(5,7)は、正面においても横断面においても円形であり、支持領域(8)における作用面(5,7)の半径と等しい半径を有することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項記載の人間の肩関節用人工関節。
  10. 前記の等しい半径を有する作用面(5,6)を備える関節部材が関節窩(2)であることを特徴とする請求項9記載の人間の肩関節用人工関節。
  11. 前記の等しい半径を有する作用面(5,6)の半径が25mmであることを特徴とする請求項9又は10記載の人間の肩関節用人工関節。
  12. 正面において前記関節頭(3)の半径が、支持領域(8)における25mmから転動領域(9)の端部における21mmまで減少していることを特徴とする請求項10又は11記載の人間の肩関節用人工関節。
  13. 横断面において関節頭(3)の半径が支持領域(8)における作用面(5,7)の半径より12%小さいことを特徴とする請求項10から12のいずれか1項記載の人間の肩関節用人工関節。
  14. 横断面において関節頭(3)の半径が22mmであることを特徴とする請求項13記載の人間の肩関節用人工関節。
  15. 関節頭(3)の半径RK2が横断面における最大値から背側に90度の円弧角において3mm減少し、且つ、腹側に90度の円弧角において最大1mmだけ減少していることを特徴とする請求項13又は14記載の人間の肩関節用人工関節。
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