JP3679315B2

JP3679315B2 - 人工膝関節

Info

Publication number: JP3679315B2
Application number: JP2000218220A
Authority: JP
Inventors: 経憲武井
Original assignee: Nakashima Propeller Co Ltd
Current assignee: Nakashima Propeller Co Ltd
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2020-07-19
Also published as: US20020010512A1; DE60113483T2; EP1174099B1; DE60113483D1; JP2002028170A; EP1174099A1; US6406497B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体膝関節に置き換えられる人工膝関節に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
膝関節が変形性関節症やリウマチ或いは外傷等によって機能しなくなった場合、人工膝関節に置き換えることが行われている。この人工膝関節は、内側と外側の二つの凸面を前後に連ねて大腿骨顆部とした大腿骨コンポーネントと、大腿骨顆部を滑動及び転動可能に支持する凹面を前後に連ねて脛骨顆部とした脛骨コンポーネントとからなる。この場合、大腿骨顆部は、内側顆部と外側顆部とを有するが、いずれも、その最下点を結んだ軌跡は側面視で二次元的な近似円弧曲線となっており、従来の人工膝関節では、この近似円弧曲線の前後方向の延びは平行に設定されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この平行設定が人工膝関節の可動域に制限を与えており、特に最大屈曲の獲得を困難にしていた。その弊害を列挙すると次のようになる。
１．大腿骨顆部を支持する脛骨顆部は平面視で内外方向に長軸を有する楕円溝を形成しており、大腿骨顆部はこの楕円溝上で滑動と転動をしながら回転して膝の屈曲を許容している。この場合、大腿骨顆部は脛骨顆部の垂直投影面内に納まっており、それからはみ出すことはない。しかし、屈曲角度が増すとその回転中心が後方に移動することから、脛骨顆部の楕円面の垂直投影面内からはみ出してしまう。脛骨顆部の縁、特に後側方部は内側、外側共にハムストリングの走行部にあたるため、大腿骨顆部のはみ出しはハムストリングの正常な緊張を阻害し、屈曲障害を起こす。
【０００４】
２．生体膝関節では、脛骨顆部は前後にほぼ平面的であって屈曲時における大腿骨の姿勢は前後十字靱帯で制御している。即ち、屈曲角度６０°位までは十字靱帯が徐々に伸長し、後はほぼ一定して姿勢制御を図っている。一方、人工膝関節では、脛骨顆部の側面形状を立位の０°の位置を最深点としてその前後に”船底形”を呈する凹形を設けて大腿骨顆部の円滑な回転を図るようにしており、この場合でも、脛骨顆部の凹形の曲率半径を大腿骨顆部の凸形の曲率半径よりも大きくする半拘束型のものがもっとも多い。このため、大腿骨顆部が屈曲して行くと、脛骨顆部との接触面は徐々に位置が高くなり、生体膝関節の動きと異なってしまう。従って、十字靱帯を温存している場合は、その伸長が過度になり、姿勢制御が行われ難いし、切除している場合でも、内側、外側副靱帯の伸長が大きくなり過ぎて円滑な屈曲を阻害する。
【０００５】
３．大腿骨顆部が大きな屈曲角度を得るにはそれ応じて顆部を後上方に延ばさなければならない。ところが、広い面積を必要とする平行設定では、後上方に存在する靱帯や腱に干渉してあまり長くはとれない。このため、従来の人工膝関節における屈曲角度は、１１０°〜１２０°程度が限界であった。しかし、正座等をするには１５０°程度の屈曲を必要とする。
【０００６】
４．生体膝関節では、屈曲角度が増すに連れて大腿骨が内外旋運動を伴って屈曲の円滑さを補助している。しかし、大腿骨顆部と脛骨顆部とが平行に設定されていると、この内外旋運動が制限を受ける。即ち、屈曲角度が増すと、大腿骨顆部は脛骨顆部の凹形溝から逸脱して上方に持ち上げられる状態となって正常な回旋が阻害されるし、十字靱帯や内側、外側副靱帯も伸長し過ぎて円滑な屈曲や回旋が困難になる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上の課題を解決するため、次のような手段を講ずる。即ち、左右二つの凸面を前後に連ねてそれぞれ内側顆部と外側顆部とからなる大腿骨顆部とした大腿骨コンポーネントと、内側顆部と外側顆部を滑動及び転動可能に支持する凹面を前後に連ねて内側顆部と外側顆部とからなる脛骨顆部とした脛骨コンポーネントとからなる人工膝関節において、大腿骨顆部の最下位を前後に結んだ線であるトップライン及びトップラインを受ける脛骨顆部のボトムラインを後面視で外側を凸にする略円弧（曲線）に形成するとともに、その間隔を後方に行くほど狭めた、すなわち、リアインにする一方、トップラインをその中心線に対して対称にリアインさせ、かつ、その延長線を顆部が途切れた上方辺りの中心線上で交差させたことを特徴とする人工膝関節を提供する。
【０００８】
本発明の特徴である大腿骨顆部のトップライン及び脛骨顆部のボトムラインをリアインさせると次のような長所がある。
１．トップラインがリアインしていると、屈曲角度が増すに従って大腿骨内側顆部及び外側顆部の間隔（距離）が減少する。従って、高屈曲時にも、大腿骨顆部は脛骨顆部からはみ出すことなく、その垂直投影面内に納まっている。このため、ハムストリングに干渉したりしてこれの正常な緊張を阻害したりすることがない。
２．このことは、高屈曲の場合にも大腿骨顆部が脛骨顆部から上昇する割合が少ないことを意味し、十字靱帯の緊張度が緩和され、円滑な屈曲が可能になる。
【０００９】
３．屈曲時に膝関節にかかる荷重は、リアインさせた場合も内側及び外側顆部の重心位置にかかる。このため、大きな屈曲角度をとったときには、重心は顆部の最下点を結んだトップラインの外側に移行し、曲率半径はそれだけ小さくなる。曲率半径が小さいと、回転中心の変位量もそれだけ少なくなるから、小さな変位で大きな屈曲角度を得ることができ、高屈曲を可能にする。又、回転半径が小さいと、軽い力で屈曲できる。
４．リアインしておれば、大腿骨が脛骨の骨軸を中心に回転する回旋も、回転半径が小さくなって軽い力で行われるとともに、振れ等がなく安定する。従って、屈曲動作を補助し、大きな屈曲角度が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は後十字靱帯を切除した膝関節に装着する大腿骨コンポーネント１の斜視図、図２は膝関節に装着した状態を示す背面図、図３は同じく側面図であるが、人工膝関節は、一対の大腿骨コンポーネント１と脛骨コンポーネント２とから構成される。このうち、大腿骨コンポーネント１は、チタン合金等の生体適合金属で構成されて大腿骨の遠位端に装着されるもので、外郭が側面視で略円形をしており、内部中央に前後に水平に伸びる高床部３とその両側に低床部４とが形成され、これらの前後端に前壁５及び後壁６が起立している。
【００１１】
高床部３の裏面中央にはポケット７が前後に向けて形成されており、ポケット７の左右の部位の外郭は下方に突出した凸面に形成され、この凸面を前後に所定の曲率半径Ｒで筋条に連ねて内側顆部８ａと外側顆部８ｂとからなる大腿骨顆部８としている。本発明では、この大腿骨顆部８の間隔、即ち、内側顆部８ａと外側顆部８ｂの間隔を後方に行くほど狭めた、即ち、リアインにしているのである。このリアインの態様は、内側顆部８ａ、外側顆部８ｂとも、その中心線Ｌに対して対称にリアインしているのが好ましく、内側顆部８ａと外側顆部８ｂのそれぞれ最下点を結んだ線（トップラインＴ）が後面視で円弧を形成しており、この円弧の大きさは、その延長線が大腿骨顆部８が途切れた上方辺りの中心線Ｌ上で交差する程度に設定してある。
【００１２】
これに対し、脛骨コンポーネント２は、プレート９とこのプレート９を支持するベース１０とからなる。このうち、プレート９は、大腿骨顆部８を滑動及び転動可能に支持するもので、医療用の超高分子量ポリエチレン等で構成されている。この場合、プレート９の上面には、大腿骨顆部８のそれぞれの凸面を受ける凹陥した凹面を所定の曲率半径Ｓで前後に筋条に連ねており、これを脛骨顆部１１の内側顆部１１ａと外側顆部１１ｂにしている。従って、この内側顆部１１ａと外側顆部１１ｂの凹面を上方から見ると、後方ほど接近した”そら豆形”をしていることになる。尚、脛骨顆部１１の曲率半径Ｓは、大腿骨顆部８の曲率半径Ｒよりも大きく設定されており、このうち、後半のそれは平坦に近くしてある。
【００１３】
脛骨顆部１１の間隔、即ち、内側顆部１１ａと外側顆部１１ｂの間隔も後方に行くほど、大腿骨顆部８と同様にリアインしている。尚、内側顆部１１ａと外側顆部１１ｂとの間には前記したポケット７と相互作用を奏するポスト１２が上起して形成されているが、その詳細形状については後述する。ベース１０は、チタン合金等で構成され、脛骨近位端上に固定される。プレート９とベース１０とは位置がずれたりしてはならないから、その接合面には相互に嵌合する凹凸等を形成して固定の強化を図っている。
【００１４】
以上の大腿骨コンポーネント１と脛骨コンポーネント２からなる人工膝関節は、手術によって膝関節に装着する。このとき、大腿骨に大腿骨コンポーネント１を装着するには、大腿骨の遠位端を整形してその前後がそれぞれ大腿骨コンポーネント１の前壁５と後壁６との間に嵌まり込み、左右はその高床部３に跨がって低床部４に据えられる。これに対して脛骨コンポーネント２の脛骨に対する装着は、脛骨の近位端を平坦にしてその端面にベース１０を固定して行う。このとき、ベース１０の裏面にステム１３を突設し、これを脛骨中に差し込めば、固定の強化が図られる。
【００１５】
前記した大腿骨部８の間に形成されるポケット７と、脛骨顆部１１の間に形成されるポスト１２の形状であるが、まず、脛骨顆部１１の上面に大腿骨顆部８を載せた状態を背面（又は前面）から見ると、ポケット７は、大腿骨顆部８の凸面のアールに沿う側方傾斜面７ａを有して中央に切れ上がっており、ポスト１２の側面部１２ａは、この側方傾斜面７ａに接触している。次に、側面から見ると、ポケット７の前方には漏斗形の垂下部７ｂが形成されており、垂下部７ｂの後方には位置の高い裾部７ｃを隔てて半球状のカム１４が形成されている。又、ポスト１２は、これら垂下部７ｂと裾部７ｃとに一定隙間を有してこれらの形状に応じた前方傾斜部１２ｂと頂部１２ｃを有しており、頂部１２ｃからは凹面形に抉れた後方傾斜部１２ｄを有している。
【００１６】
以上により、膝を屈曲させる動作、即ち、図３において、大腿骨コンポーネント１と脛骨コンポーネント２とを相対回転させると、大腿骨顆部８は脛骨顆部１１に対して後方に回転して行く（脛骨側を固定してみた場合）。このとき、大腿骨顆部８が脛骨顆部１１に対して滑りがないとすると、早期に脛骨顆部１１から脱落してしまう。このため、大腿骨顆部８は適宜前方に滑りながら転がることになるが、いずれにしても、大腿骨顆部８の回転中心Ｏは後方に移動する。この屈曲動作のときの滑動と転動を制御し、両者の姿勢の安定を図るのが前記したポケット７に形成されたカム１４とこれに作用するポスト１２の後方傾斜部１２ｄである。
【００１７】
具体的には、これらが接触する状態を保ちながら（前方移動を規制しつつ）、大腿骨顆部８が脛骨顆部１１に対して回転する。この回転は、立位の０°から正座の１５０°程度まで行われるから、カム１４及び後方傾斜部１２ｄの形状はこれを可能にする設計にされる。又、この回転時、ポスト１２の側面部１２ａとポケット７の側方傾斜面７ａとの接触は維持されており、ポスト１２がピボットとなってタイトな動きが確保されるとともに、接触面を増大して面圧を下げ、磨耗等を減少させる。
【００１８】
ところで、本発明では、図２に示すように、大腿骨顆部８及び脛骨顆部１１は共にリアインになっているのであるから、これらを構成する凸面のトップラインＴ及び凹面のボトムラインＶもこれに応じてリアインになっている。図４は屈曲角度に対応する大腿骨顆部８と脛骨顆部１１の接触状態を示す大腿骨コンポーネント１の背面説明図、図５は側面説明図であるが、膝関節には骨軸に平行に荷重がかかっており、荷重の方向は屈曲角度にかかわらないから、最大荷重点（重心）を結ぶラインＡはリアインしているトップラインＴやボトムラインＶどおりにはならず、ほぼ平行である。
【００１９】
従って、後半では、当然にトップラインＴ等よりは外側に位置するが、大腿骨顆部８と脛骨顆部１１が回転するときにその関係を作って行くのはこのラインＡに準拠するのは前述したとおりであるから、これがトップラインＴ等より外側にあると、実質的な回転半径はそれだけ小さいものとなり、小さい変位で大きな屈曲角度がとれることになるし、屈曲に要する力も小さくてすむ。同時に、内旋又は外旋しようとするとき、その回転半径も小さくなるから、横振れ等もなく、軽い力で円滑に回転する。更に、脛骨顆部１１の曲率半径Ｓが後半は大きく設定されていることから、屈曲時における大腿骨顆部８の浮き上がりが少なく、上下動の少ない屈曲動作を得ることができ、結果として高屈曲が可能になる。
【００２０】
ところで、以上のラインＡは内側顆部８ａと外側顆部８ｂの中心から２０ｍｍの距離に設定してあるが、中心からの距離がそれぞれ２３．５ｍｍのラインＢと２７ｍｍのラインＣを図４に設定してみた。そして、これを屈曲させたときのそれぞれのラインＡ〜Ｃの軌跡を図５に示した。これを見ると、中心からの距離が離れるほど屈曲角度が増したときの回転半径が小さくなっていることがわかる。従って、最大荷重点となるラインＡをトップラインＴの外側に離すほど、換言すれば、トップラインＴをラインＡの内側に設定するほど、屈曲性が高まることが言える。そこで、それぞれの患者の状況（年齢や症状及び要望や生活習慣）に応じてこのトップラインＴを設定をすることになる。
【００２１】
図６は脛骨顆部１１に対して大腿骨顆部８を９０°屈曲したときの平面図であるが、このように、これらをリアインの構造にすると、大腿骨顆部８が大きく屈曲しても、脛骨顆部１１が形成されるプレート９の垂直投影面からはみ出さないことも注目する点である。これが従来のように平行設定であると、回転中心Ｏが後方に移動することによって斜線部Ｚのようにプレート９からはみ出す。すると、ハムストリング等に干渉することになるのは前述したとおりである。
【００２２】
以上は、十字靱帯を切除した膝関節に適用する人工膝関節についてであるが、十字靱帯の損傷が少ない膝関節については、特に損傷の少ない後十字靱帯を温存して人工膝関節を装着する。図７はこのタイプの人工膝関節を膝に装着した場合の平面図、図８は背面図、図９は側面図であるが、大腿骨コンポーネント１、脛骨コンポーネント２とも、その基本的な構造は変わらない。但し、このタイプのものは、回転時の姿勢制御を後十字靱帯１５で図っており、これに伴って後十字靱帯１５が通る生体の大腿骨顆の間の凹み１６や脛骨顆の間の凹み１７も残しており、これに装着される大腿骨の遠位端や脛骨の近位端の整形はこれに応じたものにしてある。
【００２３】
この他、カム１４やポスト１２の後方傾斜部１２ｄも設けていないし、大腿骨顆部８の間の高床部３に後十字靱帯１５が通るのを許容する溝１８を後方から切り欠いている。但し、脛骨顆部１１の間のポスト１２については、後十字靱帯１５に干渉しない範囲で後半を欠如して背の低いものを設けており、これにポケット７の側方傾斜面７ａが接触している点は同じである。更に、大腿骨顆部８及び脛骨顆部１１がリアインの構造をしている点も同じであり、屈曲や内外旋のときの挙動についても同じである。
【００２４】
【発明の効果】
以上、本発明の人工膝関節によれば、大腿骨顆部のトップライン及び脛骨顆部のボトムラインがリアインしていることにより、前述したように、上下動や横振れの少ない安定した屈曲を軽い力によって大きな角度にわたって得ることができる。同時に、高屈曲の際にも周囲の靱帯や腱を傷めることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例を示す大腿骨コンポーネントの斜視図である。
【図２】本発明の一例を示す人工膝関節の装着状態の背面図である。
【図３】本発明の一例を示す人工膝関節の装着状態の側面図である。
【図４】本発明の一例を示す大腿骨コンポーネントの背面説明図である。
【図５】本発明の一例を示す大腿骨コンポーネントの側面説明図である。
【図６】本発明の一例を示す人工膝関節の装着状態の平面図である。
【図７】本発明の他の一例を示す人工膝関節の装着状態の平面図である。
【図８】本発明の他の一例を示す人工膝関節の装着状態の背面図である。
【図９】本発明の他の一例を示す人工膝関節の装着状態の側面図である。
【符号の説明】
１大腿骨コンポーネント
２脛骨コンポーネント
８大腿骨顆部
８ａ内側顆部
８ｂ外側顆部
１１脛骨顆部
１１ａ内側顆部
１１ｂ外側顆部
１２ポスト
１４カム

Claims

左右二つの凸面を前後に連ねてそれぞれ内側顆部と外側顆部とからなる大腿骨顆部とした大腿骨コンポーネントと、内側顆部と外側顆部を滑動及び転動可能に支持する凹面を前後に連ねて内側顆部と外側顆部とからなる脛骨顆部とした脛骨コンポーネントとからなる人工膝関節において、大腿骨顆部の最下位を前後に結んだ線であるトップライン及びトップラインを受ける脛骨顆部のボトムラインを後面視で外側を凸にする略円弧（曲線）に形成するとともに、その間隔を後方に行くほど狭めた、すなわち、リアインにする一方、トップラインをその中心線に対して対称にリアインさせ、かつ、その延長線を顆部が途切れた上方辺りの中心線上で交差させたことを特徴とする人工膝関節。
脛骨顆部の内側顆部と外側顆部の間に後面視で裾広がりの傾斜面を有して上起するポストを設けるとともに、大腿骨顆部の内側顆部と外側顆部の対向する内側面をポストに接触させた請求項１の人工膝関節。
膝関節が十字靱帯を切除したものであり、大腿骨顆部の内側顆部と外側顆部との間にポストの後面に作用して屈曲時の姿勢を制御するカムを設けた請求項１又は２の人工膝関節。
膝関節が後十字靱帯を温存したものであり、後十字靱帯が伸長して屈曲時の姿勢を制御する請求項１〜３いずれかの人工膝関節。