JP4059980B2

JP4059980B2 - 人工股関節用ねじソケット

Info

Publication number: JP4059980B2
Application number: JP19234698A
Authority: JP
Inventors: ウルリッヒ・ビッツェル
Original assignee: Johnson & Johnson Medical ltd
Current assignee: Johnson & Johnson Medical ltd
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2018-06-24
Also published as: EP0887052A3; JPH1170131A; DE69831193T2; EP0887052B1; CA2241405A1; EP0887052A2; DE69831193D1; DE19727846A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ねじソケット本体のねじ山底面（ベース）上にＶ字形状、のこ状（バットレス）、台形状あるいは円形状の自己切削型（セルフ・カッティング）ねじ山を有する人工股関節用ねじソケット（スクリューソケット）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
そのようなねじソケットは、例えば、プラスチック材料のソケットインレーを挿入することができるねじ切りリングを備えたソケットを記載した欧州特許第００６５４８２Ｂ１号で知られている。ねじ切りリングのねじ山底面は半球状であり、すなわち、そのねじ山底面は球形ゾーンにあり、図示した実施形態の実施例ではのこ状ねじを支持している。この自己切削型ねじ山のねじ山セグメントは、凹んだねじ溝（ねじ込み時に除去された材料はこの溝を通って外部に出る）によって遮られる。ねじ山セグメントは回転方向に対して垂直な前面を有する。
【０００３】
ねじソケットのねじ込み挙動に関する多くの研究がある。例えば"MechanischeIntegration von Schraubpfannen"（"Mechanical intergration of Screw Sockets"）, Dr. Ulrich Witzel, Georg Thieme Verlag, 1996.を参照のこと。この公知ソケットを寛骨臼に作られた相補的リセスにねじ込むと、この自己切削型ねじは骨材料を貫通し、ねじ込みトルクはねじソケットが端部位置まで達したところで最大値まで増大し、それにより典型的なねじソケットおよび典型的な骨材料の場合の最大トルクは１５Ｎｍ〜３０Ｎｍの範囲となり得る。改変された寛骨臼の場合、特に、硬化あるいは石灰化により骨強度が非常に強くなっている骨材料の場合は、ねじソケットへのねじ込みに必要なトルクは実質的に高くなる。極端な場合、患者がねじソケットにより手術台上で回転しないように、ねじ込み時に患者を所定位置に固定しなければならない程の高いトルクをかけなければならないこともあった。
【０００４】
機械の構造では工具切削刃が研削面を有することができることが原理的に知られている。幾何学的パラメータを表わすために、切削工具を図１の断面図で概略的に図示する。ワークピース（加工片）２を切削する際に、工具のクリアランス面（隙間面）１はワークピース面６とクリアランス角度αをなす。工具の切削面３（この面の上に切屑４が排出される。）と面５（ワークピース面６に対し垂直な面）との間に位置するのが切削すくい角γである。クリアランス面１と切削面３はウエッジ角βを囲む。
【０００５】
平坦なねじ山、すなわち、図２に簡略化のため、ねじソケット本体８に２個のねじ歯７だけ示されるような、プロフィール断面が本質的には矩形のねじ山の歯を備えたねじソケットが従来の技術で同様に知られている。図３は図２の平面Ａ−Ｂに沿った断面図である。そのような平らなねじ山の場合、切屑４は図３で概略的に矢印により示され、材料除去を伴う切削は、例えば円錐形あるいは、図２に示したように半球形であるソケット本体８のねじ山ピッチにより増大する半径Ｒ（ねじ山輪郭の外側半径）によって行なわれる。従って、次のねじ山セグメント（前のねじ山セグメントから凹んだねじ溝９により分離される。）の外側半径Ｒは幾分大きな半径に移行し、その結果、骨材料内への材料除去を伴う切削が再び行われる。平坦なねじ山を備えたねじソケットの場合、図３に示したようなねじ山セグメントの縦断面図において、平坦なねじ山がクリアランス角度α’（そのねじ山セグメントの直線的なべべル（面取り）により達成される）を有する実施形態が知られている。このべべルはロス面１３、すなわち、骨材料にねじ山を固定するために失われる面を生じさせる。また、図４に示すように、縦断面図において、ねじ山がその前方領域に切削すくい角γ’を有するように形成された平坦なねじ山も知られている。
【０００６】
ねじソケットについて既知のＶ字形状ねじ山は（既知ののこ状、台形状あるいは円形状ねじ山も同様に）特定の切削刃のコンフォメーション（立体形状）を一切持たない。図５はＶ字形状ねじ山を備えたねじソケットの実施例の一部切断図を示す。この図には簡略化するため、ねじソケット本体に２個のねじ歯だけがプロフィール断面に示されている。図６は図５の面Ａ−Ｂに沿った断面図を示す。図６のねじ山セグメントの縦断面図において、Ｖ字形状ねじ山は、クリアランス角α’も切削すくい角γ’も有していない。
【０００７】
図６の面Ｃ−Ｄに沿って、ねじ山セグメントを通る別の断面、すなわち、ねじ山底面１８の上方の一定高さにある（本質的には）断面を以下に検討する。そのような断面は図７に示されており、矢印１２はねじソケットの回転軸である。ねじ込み時に、ねじ山セグメント前面１０は移動方向１１に移動する。図７のねじ山の場合、この断面にはクリアランス角α₁，α₂も、切削すくい角γ₁ ，γ₂ もなく、すなわち、ウェッジ角β₁ ，β₂ は各々９０°である（添字１，２は前面１０の両側の切削刃を示す）。
【０００８】
このようなねじ山セグメントの場合、ねじ山セグメント前面は、ねじ込みと同時に最初は骨材料を変位する。せいぜい、骨材料をねじ溝９内に押し退ければ、該前面は切削するだけである。このことは、図８に示されるような、ねじ込み方向に対して斜交するねじ溝９により分離される以外は図７と同様であるねじ山セグメントにも当てはまる。ねじ込みと同時にそのようなねじ山は、同様に初めは本当の切削作用を行わずに骨材料の変位を行なう。さらに、ねじ山セグメントの切削刃はねじソケットの製造で丸くなり、図８において曲率半径ｒで示されるように、表面処理のため通常サンドブラストが施される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、全般的に、Ｖ字形状ねじ山を備えたねじソケットの場合において（のこ状、台形状あるいは丸いねじ山を備えたねじソケットの場合でも同様に）、硬化改変のために骨材料が非常に硬く、ねじ山の変位がもはや事実上不可能となれば、ねじ込み時に常に問題が生ずる。実際、ねじソケットをその端部位置にねじ込みするために極端に高いトルクをかける必要がある点で、上述した問題が生じる。
【００１０】
しかし、Ｖ字形状ねじ山は、骨インプラントソケットのデザインおよび安定性の点で平坦なねじ山よりも生体力学的に利点があるため、既知のＶ字形状ねじ山をその切削効果の点で改善し改良しなければならない。
【００１１】
従って、本発明の目的は、従来のねじソケットより少量のトルクで硬い骨材料にもねじ込むことができるＶ字形状、のこ状、台形状あるいは円形状のねじ山を有するねじソケットを得ることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、人工股関節用ねじソケットにおいて、特許請求の範囲の請求項１に記載されるように構成することによって達成される。
【００１３】
すなわち、本発明に係る人工股関節用ねじソケットは、Ｖ字形状、のこ状、台形状あるいは円形状の自己切削型ねじ山をねじソケット本体のねじ山底面上に備えた人工股関節用ねじソケットにおいて、上記ねじ山底面（１８）に接する平面に対して平行に変位した、回転方向の前方領域に位置する平面の断面において、切削刃がクリアランス角αを有するように、クリアランス面を有する切削刃を備えて、上記前方領域に各ねじ山セグメントが形成されることを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、上記断面において、この切削刃が切削すくい角γも有するように形成されることが好ましい。そのクリアランス角α、切削すくい角γは、０．０１（測定単位ラジアン）より大きいことが好ましい。
【００１５】
上記ねじ山底面に平行な上記断面においてクリアランス角αを有するだけでなく、プロフィール縦断面（すなわち、ねじ山セグメントの前方領域のねじ方向の立体的スパイラルラインに対して接線方向に位置する平面）においてクリアランス角α’を有するクリアランス面もさらに有する立体的切削刃として、ねじ山セグメントの切削刃を形成することが特に好ましい。この立体的切削刃のデザインは、上記プロフィール縦断面においてねじ山セグメントが切削すくい角γ’をも有すれば完結する。
【００１６】
さらにまた、各ねじ山セグメントの切削刃は、上記ねじ山底面に平行な上記断面において、その前方切削刃が、ねじ込み方向の先導ねじ山セグメント端の延長エンベロープよりも突き出るように形成されることが好ましい。これにより、直接作用する切削刃が得られ、骨材料が先導ねじ山セグメント端の後方に弾性的に押し退けられなくても有効である。
【００１７】
また、この発明の別の実施形態に係る人工股関節用ねじソケットは、自己切削型ねじ山をねじソケット本体のねじ山底面上に備えた人工股関節用ねじソケットにおいて、上記ねじ山底面（１８）に接する平面に対して平行に変位した、回転方向（１１）の前方領域に位置する平面の断面において、切削刃が切削すくい角γを有するように、クリアランス面を有する切削刃を備えて、上記前方領域に各ねじ山セグメントが形成され、また、上記断面において、各ねじ山セグメントが上記前方領域で広くなっており、それによりその広がりのために、前方切削刃が回転方向の先導ねじ山セグメント端のエンベロープよりも突き出ることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は以下、図面に示した実施形態の実施例に基づいて説明する。
図１２は、図６の面Ｃ−Ｄが通る断面に対応するねじソケットを通る断面、すなわち、ねじ山セグメントをねじ山底面１８の上方の一定高さで切断したねじソケットを通る断面を示している。半球状のねじソケットの場合、面Ｃ−Ｄが通る断面は球面に沿った断面に対応する。これに対して、本願発明は、ねじ山底面に接する平面に対して平行に変位したねじ山セグメントの前方領域にある平面が通る断面に基づいている。第１の近似において、本願発明に係る上記断面は、ねじ山セグメントの切削刃の回転方向の前方領域では、局部的に、図１２に示した断面に相当するものとする。
【００１９】
図１２に示した断面では、ねじ山セグメントは、次のねじ溝９に向かって、その前面１０から離れるようにテーパ（先太）になっている。ねじ山セグメントの切削面は斜線で表され、参照符号１５はねじ山底面１８におけるねじ山セグメントの谷底ラインを示す（図５参照）。ねじ山セグメントの縦方向のテーパの結果として、前面１０がその外側切削刃の各々でクリアランス角を有する（片側のクリアランス角α₁ のみが特定される）。
【００２０】
ねじ山セグメントの幅がその長さに沿って狭小となることにより、ねじ山セグメントの切削刃は、先導ねじ山セグメント端の延長エンベロープよりも両側に突出し、このため直接作用する切削刃が得られ、骨材料が切削刃の前方に位置するねじ溝９内に弾性的に押し退けられなくても有効であるという効果もある。
【００２１】
図１３は、本発明の別の実施形態についての図１２と同様の図を示す。図１３による実施形態では、クリアランス角α₁ は、直接作用するウェッジ角β₁ と切削すくい角γ₁ とともに、ねじ山セグメントの前面１０のポール側あるいはねじ込み方向の側にだけ設けられている。
【００２２】
別の実施形態によれば、ねじ山セグメントは、図１４に示されるように、そのセグメントがクリアランス角α₁ を持たず、ねじ込み方向に前方に位置する切削刃が幅ｂを有する切削リップ（これが実際にクリアランス角と同様の効果を達成する）に置き換ることによっても可能である。ねじ山セグメントは、そのセグメントが切削リップの領域で広がっており、次に段差（または深さ）ａだけ凹むように形成される。切削リップの幅ｂは例えば０．３ｍｍとし、切削リップ後方の深さａは例えば０．０５ｍｍとすることができる。
【００２３】
図９〜図１１は、図５の平面Ａ−Ｂに沿ったねじ山の断面図を示す。図９に示した実施形態の場合において、図６に示した既知のねじ山と比較してみると、底面１８上方のねじ山輪郭１４の高さが減少している。これにより、ねじ山セグメントの切削刃のクリアランス角α’はこの断面平面内で達成される。ねじ谷底上方のねじ山セグメントの高さは、ねじ山セグメントの長さに沿って回転方向の開始位置から終了位置まで減少する。
【００２４】
しかしながら、結果として、ねじ山の高さが減少する連続的に湾曲したねじ山輪郭１４は、図３と図４に示したような真っ直ぐで平坦なねじ山輪郭と比べて、大きなねじ山セグメント面を必要とする。すなわち、図３と図１０で示したロス面１３が最小になる。このロス面１３は骨材料にねじ山を埋め込むか固定するために効果的に失われる面である。従って、クリアランス角α’を、ねじ山底面上方のねじ山の高さが連続的に減少して湾曲したねじ山輪郭によって実現すると、ねじソケットを骨へ良好に固定できる利点がある。
【００２５】
図１０と図１１は、ねじ溝９の別のデザインを示し、その結果切削刃は異なった形態にある。図１１に示した実施形態の場合、この断面図において切削刃が切削すくい角γ’を有するように、ねじ溝９は斜めに凹んでいる。
【００２６】
そのクリアランス角α’に関して、このねじ山輪郭はねじ山の頂の後方の幾何学的に決定された径の減少を第１に補なうものであり、クリアランス角が無い場合、すなわち、α’＝０では、骨ソケットのねじ山の外側輪郭のクリアランスストッパー（隙間栓）になる。
【００２７】
なお、本願発明の具体的な実施形態は以下の通りである。
（Ａ）Ｖ字形状、のこ状、台形状あるいは円形状の自己切削型ねじ山をねじソケット本体のねじ山底面上に備えた人工股関節用ねじソケットにおいて、上記ねじ山底面（１８）に接する平面に対して平行に変位した、回転方向の前方領域に位置する平面の断面において、切削刃がクリアランス角αを有するように、クリアランス面を有する切削刃を備えて、上記前方領域に各ねじ山セグメントが形成されることを特徴とする人工股関節用ねじソケット。
（１）前記切削刃は、前記ねじ山底面（１８）に接する平面に対して平行に変位した平面の断面において、切削刃がさらに切削すくい角γを有するように、切削面を備えて、各ねじ山セグメントの前方領域に形成されることを特徴とする実施態様（Ａ）に記載のねじソケット。
（２）ねじ山底面の上方の一定高さにある断面において、各ねじ山セグメントの幅がそのねじ山セグメントの全長に沿って回転方向の前面領域から連続的に減少することを特徴とする実施態様（Ａ）に記載のねじソケット。
（３）前記ねじ山底面に接する平面に対して平行に変位した平面の断面において、その前方切削刃が、回転方向の先導ねじ山セグメント端のエンベロープよりもねじ込み方向に突き出るように、各切削刃が形成されることを特徴とする実施態様（Ａ）または上記実施態様（１）もしくは（２）のうちのいずれか１項に記載のねじソケット。
（４）クリアランス角αが０．０１（測定単位ラジアン）より大きいことを特徴とする実施態様（Ａ）または上記実施態様（１）〜（３）のうちのいずれか１項記載のねじソケット。
（５）切削すくい角γが０．０１（測定単位ラジアン）より大きいことを特徴とする上記実施態様（１）〜（４）のうちのいずれか１項に記載のねじソケット。
【００２８】
（６）各ねじ山セグメントの回転方向の前方領域は、プロフィール縦断面（すなわち、ねじ山セグメントの前方領域のねじ方向の立体的スパイラルラインに対して接線方向に位置する平面）において、ねじ山セグメントがクリアランス角α’を有するように、クリアランス面を有する別の切削刃を備えて形成されることを特徴とする実施態様（Ａ）または上記実施態様（１）〜（５）のうちのいずれか１項に記載のねじソケット。
（７）前記別の切削刃は、前記プロフィール縦断面において、ねじ山セグメントが切削すくい角γ’を有するように、さらに別の切削面を備えて形成されることを特徴とする上記実施態様（６）に記載のねじソケット。
（８）前記クリアランス角α’は、ねじ山底面（１８）の上方の高さが減少する連続的に湾曲したねじ山輪郭（１４）によって実現されることを特徴とする上記実施態様（６）に記載のねじソケット。
（９）前記クリアランス角α’は０．０１（測定単位ラジアン）より大きいことを特徴とする上記実施態様（６）に記載のねじソケット。
（１０）前記切削すくい角γ’は０．０１（測定単位ラジアン）より大きいことを特徴とする上記実施態様（７）に記載のねじソケット。
（Ｂ）自己切削型ねじ山をねじソケット本体のねじ山底面上に備えた人工股関節用ねじソケットにおいて、上記ねじ山底面（１８）に接する平面に対して平行に変位した、回転方向（１１）の前方領域に位置する平面の断面において、切削刃が切削すくい角γを有するように、クリアランス面を有する切削刃を備えて、上記前方領域に各ねじ山セグメントが形成され、また、上記断面において、各ねじ山セグメントが上記前方領域で広くなっており、それによりその広がりのために、前方切削刃が回転方向の先導ねじ山セグメントのエンベロープよりも突き出ることを特徴とする人工股関節用ねじソケット。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による人工股関節用ねじソケットによれば、回転方向の前方領域に、クリアランス面（あるいは切削リップ）を有する切削刃が形成されているので少量のトルクで硬い骨材料にもねじ込むことができる。また、切削面をさらに追加することによって、さらに少量のトルクで骨材料にねじ込むことができる。さらに、ねじソケットを骨へ良好に固定できる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】幾何学的工具パラメータを説明するための工具の概略断面図である。
【図２】ねじソケットの回転軸１２を含む平面が通る、従来技術のねじソケットの部分断面図である。
【図３】図２の平面Ａ−Ｂに沿った断面図である。
【図４】従来技術の別のねじソケットの図３と同様の図である。
【図５】回転軸１２を含む平面が通る、Ｖ字形状ねじ山を有する従来技術のねじソケットの部分断面図である。
【図６】図５の平面Ａ−Ｂに沿った断面図である。
【図７】図６の面Ｃ−Ｄに沿った、ねじ山を通る断面図である。
【図８】既知の別のねじ山の図７と同様の図である。
【図９】図３および図４と対応して示した、本発明のねじ山セグメントの断面図である。
【図１０】図３および図４と対応して示した、本発明のねじ山セグメントの断面図である。
【図１１】図３および図４と対応して示した、本発明のねじ山セグメントの断面図である。
【図１２】図７および図８と対応して示した、本発明によるねじソケットのねじ山を通る断面図である。
【図１３】本発明の別の実施形態の、図１２に対応する断面図である。
【図１４】本発明の別の実施形態の、図１２に対応する断面図である。
【符号の説明】
９ねじ溝
１０前面
１１回転方向
１２回転軸
１３ロス面
１４ねじ山輪郭
１５ねじ山セグメントの谷底ライン
１８ねじ山底面
α，α₁，α’ クリアランス角
β，β₁，β’ ウェッジ角
γ，γ₁，γ’ 切削すくい角
Ｒねじ山輪郭の外側半径
ａ切削リップの深さ
ｂ切削リップの幅

Claims

Ｖ字形状、のこ状、台形状あるいは円形状の自己切削型ねじ山を、ポールを有するねじソケット本体のねじ山底面上に備えた人工股関節用ねじソケットにおいて、
上記ねじ山底面（１８）に接する平面に対して平行に変位した、回転方向の前方領域に位置する平面の断面において、切削刃がクリアランス角α ₁を有するように、クリアランス面を有する切削刃を備えて、上記前方領域に各ねじ山セグメントが形成され、上記クリアランス角α ₁ が、直接作用するウエッジ角β ₁ および切削すくい角γ ₁ と共に、それぞれのネジ山セグメントの面（１０）のポール側のみに存在することを特徴とする人工股関節用ねじソケット。
請求項１に記載のねじソケットにおいて、
ねじ山底面の上方の一定高さにある断面において、各ねじ山セグメントの幅がそのねじ山セグメントの全長に沿って回転方向の前面領域から連続的に減少することを特徴とするねじソケット。
請求項１または２に記載のねじソケットにおいて、
前記切削刃の領域にある、前記ねじ山底面に接する平面に対して平行に変位した平面の断面において、その前方切削刃が、前記回転方向の先導ねじ山セグメント端のエンベロープよりもねじ込み方向に突き出るように、各切削刃が形成されることを特徴とするねじソケット。
請求項１〜３のいずれか１項記載のねじソケットにおいて、
クリアランス角α ₁ が０．０１（測定単位ラジアン）より大きいことを特徴とするねじソケット。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のねじソケットにおいて、
切削すくい角γ ₁ が０．０１（測定単位ラジアン）より大きいことを特徴とするねじソケット。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のねじソケットにおいて、
各ねじ山セグメントの回転方向の前方領域は、プロフィール縦断面（すなわち、ねじ山セグメントの前方領域のねじ方向の立体的スパイラルラインに対して接線方向に位置する平面）において、ねじ山セグメントがクリアランス角α’を有するように、クリアランス面を有する別の切削刃を備えて形成されることを特徴とするねじソケット。
請求項６に記載のねじソケットにおいて、
前記別の切削刃は、前記プロフィール縦断面において、ねじ山セグメントが切削すくい角γ’を有するように、さらに別の切削面を備えて形成されることを特徴とするねじソケット。
請求項６または７に記載のねじソケットにおいて、
前記クリアランス角α’は、ねじ山底面（１８）の上方の高さが減少する連続的に湾曲したねじ山輪郭（１４）によって実現されることを特徴とするねじソケット。
請求項６〜８のいずれか１項に記載のねじソケットにおいて、
前記クリアランス角α’は０．０１（測定単位ラジアン）より大きいことを特徴とするねじソケット。
請求項７〜９のいずれか１項に記載のねじソケットにおいて、
前記切削すくい角γ’は０．０１（測定単位ラジアン）より大きいことを特徴とするねじソケット。
自己切削型ねじ山を、ポールを有するねじソケット本体のねじ山底面上に備えた人工股関節用ねじソケットにおいて、
上記ねじ山底面（１８）に接する平面に対して平行に変位した、回転方向（１１）の前方領域に位置する平面の断面において、切削刃が切削すくい角γ ₁ を有するように、クリアランス面を有する切削刃を備えて、上記前方領域に各ねじ山セグメントが形成され、この断面において上記前方領域でのみポール方向に広くなっており、それによりその広がりのために、前方切削刃が前記回転方向の先導ねじ山セグメントのエンベロープよりも突き出ることを特徴とする人工股関節用ねじソケット。