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

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（Ｒ_K1＝Ｒ_P1）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Ｒ_p2，Ｒ_k2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Ｒ_P1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Ｒ_P1は作用面全域にわたって一定である。例えば半径Ｒ_P1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Ｒ_P2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Ｒ_P1＝Ｒ_P2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Ｒ_K1は正面において一定ではない。むしろ曲率半径Ｒ_K1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Ｒ_P1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Ｒ_P2は正面における作用面５の半径Ｒ_P1と同じであり、他方、関節頭３の作用面１１の半径Ｒ_K2は正面における関節頭３の作用面７の半径Ｒ_K1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Ｒ_K2が支持領域８における作用面の半径Ｒ_P1より約１２％小さいことが好ましい。つまり、Ｒ_P1が約２５mmのときにＲ_K2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Ｒ_K2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Ｍ_K，Ｍ_P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Ｍ_K，Ｍ_P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＝Ｒ_P−Ｒ_K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Ｒ_P1，Ｒ_K1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Ｒ_p2，Ｒ_k2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Ｒ_K2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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