JP4356842B2 - 人工膝関節 - Google Patents

Description

本発明は、膝関節に置換される人工膝関節に関するものである。

膝関節が、変形性膝関節症、関節リウマチ、骨腫瘍を罹患したり、外傷等を負った場合には、人工膝関節に置換することが行われている。この人工膝関節は、従来からあるように、内外二つの顆部を有する大腿骨部材と、この二つの顆部をそれぞれ回動可能に収受する関節プレートを有する脛骨部材との組み合わせからなるが、これらの顆部や関節プレートは、生体膝関節と同等な動きをするのが望ましい。

膝関節に要求される動きは、顆部と関節面の伸展・屈曲に伴う回動、つまり、脛骨の骨軸を含む平面内での回転及び摺動（転動）と、回旋、すなわち、骨軸廻りの回転であって、屈曲終端では脛骨側が内側に回転し（これを内旋という）、伸展側では外側に回転する（これを外旋という）ことである。このため、生体膝関節では、凸形をした顆部が前後に凹溝となって連なる関節面に嵌まり込んでおり、顆部は、この凹溝内を回転しながら摺動できるようになっている。この凹溝は緩やかなものであって、顆部は、凹溝内で多少回転できるようになっており、これで回旋を可能にしている。

これらの動きを制御するのが、前後十字靱帯や側副靱帯といった靱帯群であるが、同時に、顆部の前方には半月板が存在するから、この半月板でも顆部の姿勢を制御している。このように、生体膝関節では、靱帯群や半月板が巧妙に作用して膝関節の回動と回旋を可能にしているといえる。

そこで、人工膝関節でも、この動きをできるだけ再現させるようにと、顆部とこれを受ける凹溝（関節面）を生体のものと同等に形成するとともに、凹溝の終端を回旋に向くように誘導したりしている。しかし、回旋運動を再現させるためには、内側又は外側の顆部がそれぞれ凹溝内で前後に移動できるようにする必要があり、それを許容するために凹溝の曲率半径は、顆部のそれよりも大きいか平坦なものになっている。このため、顆部と凹溝との関節面適合率は低くなって接触面積が小さくなり、応力が集中して関節プレートの摩耗や破損の危険が高くなっている。

このため、下記特許文献１のように、回動と回旋を別々に確保するような人工膝関節が出現している。すなわち、関節プレートが脛骨の近位端に固定されるベースプレートに対して骨軸廻りに回転できるようにしてあり、回旋運動はこの部分でのみ受け持ち、顆部を受ける凹溝は転動のみが可能となっている（所謂、モバイルベアリングタイプ）。これにより、凹溝の曲率半径は、顆部の曲率半径と同じか僅か大きい程度となり、関節面適合率が高くなって接触面積が大きくなり、応力集中が抑えられて関節プレートの摩耗や破損の危険を小さくできるといった効果を有している。

これはこれで、相応の効果をあげるものであるが、上記した先行例のものでは、溝形成体とベースプレートとの接触面がフラットなものであるため、溝形成体にかかる顆部の荷重がそのままベースプレートに集中荷重となり、接触面の摩耗を促進させることになる。この摩耗が進行すると、スムーズな回動、回旋ができないのはもちろんのこと、摩耗粉が周囲に浸透して骨溶解を起こしたり、ルースニングを起こしたりする。また、ピンとホールとが嵌合するものでは、その間にも入り込んでガタや回転不能といった事態を起こすことがある。
特開２００４−１６０１７９号公報

本発明は、このような課題を解決するものであり、脛骨部材を構成する関節プレートとベースプレートとの接触面を集中荷重を起こさないような形態にしたものである。

以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、大腿骨部材の顆部を脛骨部材の関節プレートで脛骨の骨軸と交差する平面上で回動可能に収受するとともに、関節プレートを脛骨の近位端に固定されるベースプレートによって骨軸廻りに回転可能に支持した人工膝関節において、関節プレートの下面にピンを突設し、ベースプレートにこのピンが挿入されるブーツを形成して関節プレートがピンを軸に回転できるようにするとともに、ベースプレートと関節プレートとの接触面を凸が上方に向く球面にしたことを特徴とする人工膝関節を提供したものである。

また、本発明は、以上の人工膝関節において、請求項２に記載した、凹側となる球面の曲率半径を凸側となる球面の曲率半径よりも大きくした手段、請求項３の、ピンとブーツを上方が径大なテーパにした手段を提供する。さらに、この人工膝関節は、請求項４に記載した、ベースプレートの上面に突起部を設け、関節プレートがこの突起部を中心に回転する構成のものも含む。

請求項１の手段によると、接触面積が増して圧力が減少するし、その方向をずらせて荷重を分散させることができる。したがって、回動と回旋をスムーズに行わせることができるとともに、摩耗を減少させてこれに基づく上記した不具合を是正するし、耐久性も高める。同時に、凸と凹とが嵌合することで調芯効果も期待できる。さらに、関節プレートとベースプレートの接触面は凸が上方に向いた球面であるから、荷重が外周側に分散して圧力を更に減らせるし、入り込んだ摩耗粉等を外周に放出する効果も期待できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、図１は本発明に係る人工膝関節を装着した左膝の背面図、図２は左足を内方から見た側面図、図３は人工膝関節を構成する脛骨部材の要素であるベースプレートの背面図、図４は平面図、図５は同じく関節プレートの背面図、図６は平面図、図７は大腿骨部材の斜視図である。

人工膝関節は、大腿骨部材１と脛骨部材２との組み合わせからなるが、このうち、大腿骨部材１は、チタン合金やコバルトクロムモリブデン合金又は医療用セラミクスといった生体適合材料で構成され、側面視略半円形、すなわち、略Ｃ形に形成されたものである。半円形の内面３は多角形（本例では五角形）に面取りされているとともに、中央に入江状の欠落部４を設けて（ＣＲ型と称す）その両側に断面の外周が略球状をした内側顆部５と外側顆部６とを形成したものである。なお、欠落部４をボックスで覆って脛骨側部材２から突起するポストの動きを特定に制御するＰＳ型と称されるタイプのものもあるが、本発明ではこのようなタイプのものも含む。

この大腿骨部材１は大腿骨７に装着されるもので、大腿骨７の遠位端を内面３の形状に合わせて骨切りし、骨切面を内面３に密着して装着する。このとき、内面３の中央辺りの辺からペグ８を突出させ、このペグ８を大腿骨７に挿入して固着性を高めている。

これに対して、脛骨部材２は、大腿骨部材１を受ける関節プレート９と、脛骨１０に装着されて関節プレート９を支持するベースプレート１１とからなる。このうち、関節プレート９は、超高分子量ポリエチレン等の医療用樹脂材から構成され、上面に内側顆部５を受ける内側関節面１２と外側顆部６を受ける外側関節面１３とが形成された関節面部１４と、関節面部１４の裏面から突出するピン１５とを有するものである。これにおいて、内側関節面１２と外側関節面１３とは、内側顆部５と外側顆部６の外面形状に合わせた断面形状をしたものが前後に条状に続いており、それぞれ内側顆部５と外側顆部６とを関節適合面率の高い状態で収受している。

ベースプレート１１は、大腿骨部材１と同じく、金属やセラミックスといった生体適合材料で構成されており、上部に関節面部１４を受ける支持部１６と、支持部１６の裏面に突出してピン１５を受け入れる穴７ａが凹設されたブーツ１７とを有するものである。ベースプレート１１の脛骨１０に対する装着も大腿骨部材１と同様であり、脛骨１０の近位端を平に骨切りし、ブーツ１７を脛骨１０の中に挿入するとともに、支持部１６の下面を骨端面に沿わせている。したがって、このブーツ１７は、ベースプレート１１を脛骨１０に強固に固定するためのペグを兼ねるものでもある。さらに、本例のベースプレート１１には、関節面部１４の下面とブーツ１７の外周に亘ってリブ１４ａが形成されており、廻り止めと固定強化とが図られている。

この状態のペースプレート１１に関節プレート９を上から重ねると、脛骨部材２は装着される。このとき、関節プレート９のピン１５は、ベースプレート１１のブーツ１７の穴１７ａに挿入され、関節プレート９は、このピン１５を軸として骨軸廻りに回転できるものとなる。この点で、ピン１５と穴１７ａとは、隙間なく嵌合されるのが適し、この意味で、上方が径大になったテーパにするのが嵌合が緊密になって好ましい。なお、ここでの骨軸とは、それぞれの骨の中心線のことであり、立位のときの脛骨１０の骨軸ａはほぼ垂直であり、大腿骨７の骨軸ｂは側面視ではほぼ垂直であるが、背面視では外方に傾いている。

以上の人工膝関節は、膝の伸展、屈曲に伴って内側及び外側顆部５、６は内側及び外側関節面１２、１３上を転動するが、その伸展、屈曲の終端では、外旋又は内旋しようとする。この回転力が作用すると、関節プレート９はベースプレート１１に対して回転して回旋する。すなわち、この人工膝関節の屈伸における転動は、内側及び外側顆部５、６と内側及び外側関節面１２、１３とが受け持ち、回旋は、ベースプレート１１と関節プレート９とが受け持つことになり、この点で、モバイルベアリングタイプと称せられている。

一方、モバイルベアリングタイプには、図示は省略するが、ベースプレート１１の上面にボール等の突起物を設け、関節プレート９の下面にこの突起物が入り込むホールを形成して突起物とホールを軸として回転するものもあるが、本発明における人工膝関節は、このようなタイプのものも含む。なお、大腿骨部材１と脛骨部材２（関節プレート９とベースプレート１１）の上記した金属や樹脂といった材質の選択は、このときの摺動を円滑にする。

回旋時、関節プレート９の関節面部１４の下面は、ベースプレート１１の支持部１６の上面に対して荷重を付加した状態で回転するが、本発明では、この接触面を両方とも球面にしたものである。なお、球面の向きには、凸が上方に向いた場合と下方に向いた場合とがあるが、そのいずれであってもよい。もちろん、球面の頂点及び底点は、ピン１５とブーツ１７ということになる。

このすることにより、接触面積が増して圧力が低減するとともに、圧力の方向をずらせて荷重を分散させる効果もあり、結果的に摩耗を減らせる。この場合、凸を上方に向けると、荷重は外周側に分散して圧力を更に減らせるし、入り込んだ摩耗粉等を外周に放出する効果も期待できる。一方、凸を下方に向けると、球面同士の調芯効果が一層高く期待できる。

球面の曲率半径は、両者同じにして接触面を全面に確保するのが適するが、工作や組付けを考慮すると、凹形の方の曲率半径を凸形の曲率半径よりもわずか大きくした方が好ましい。曲率半径の具体値としては、２００〜４００ｍｍ程度が適し、このうち凹形の方を５〜３０ｍｍ程度大きくするのが適する。

図８は支持部の球面の曲率半径を２４０ｍｍ、関節面部の球面の曲率半径を２５０ｍｍに設定して凸が上方に向く球面にした場合の関節プレート（以下、本発明品）への荷重のかかり具合を有限要素法で解析した結果による模式図、図９は接触面をフラットにした場合の関節プレート（以下、従来品）の同じく模式図であるが、これをみると、従来品では、内側及び外側顆部の荷重を直接受ける上面の内側及び外側関節面には、両面とも極度に応力集中した部分（色が薄くなるほど応力集中が大きい）が存在するが、本発明品では、内側及び外側ともに大きな応力集中は見られない。

関節面部の表面を球面にするのは、ベースプレートの上面に接するその下面であるが、下面を球面にするだけで、その上面の応力集中が避けられていることがわかる。一方、下面については、このことが如実に表われており、従来品では、ブーツの基部やその周囲の下面にかなりの応力集中が発生しているが、本発明品では、それほど激しい応力集中は見られない。このことから、本発明品の優秀性が実証できた。

本発明の人工膝関節を装着した左足の背面図である。 同じく左足を内側から見た側面図である。 ベースプレートの背面図である。 ベースプレートの平面図である。 脛骨部材を構成する関節プレートの背面図である。 同じく関節プレートの平面図である。 大腿骨部材の斜視図である。 本発明品の有限要素法による解析結果による模式図である。 従来品の有限要素法による解析結果による模式図である。

１ 大腿骨部材
２ 脛骨部材
３ 大腿骨部材の内面
４ 大腿骨部材の欠落部
５ 内側顆部
６ 外側顆部
７ 大腿骨
８ ペグ
９ 関節プレート
１０ 脛骨
１１ ベースプレート
１２ 内側関節面
１３ 外側関節面
１４ 関節面部
１４ａ リブ
１５ ピン
１６ 支持部
１７ ブーツ
１７ａ 穴
ａ 脛骨の骨軸
ｂ 大腿骨の骨軸

Claims (4)

1. 大腿骨部材の顆部を脛骨部材の関節プレートで脛骨の骨軸と交差する平面上で回動可能に収受するとともに、関節プレートを脛骨の近位端に固定されるベースプレートによって骨軸廻りに回転可能に支持した人工膝関節において、関節プレートの下面にピンを突設し、ベースプレートにこのピンが挿入されるブーツを形成して関節プレートがピンを軸に回転できるようにするとともに、ベースプレートと関節プレートとの接触面を凸が上方に向く球面にしたことを特徴とする人工膝関節。
2. 凹側となる球面の曲率半径を凸側となる球面の曲率半径よりも大きくした請求項１の人工膝関節。
3. ピンとブーツとを上方が径大なテーパにした請求項１又は２の人工膝関節。
4. ベースプレートの上面に突起部を設け、関節プレートがこの突起部を中心に回転する請求項１〜３いずれかの人工膝関節。