JP5388065B2 - 固有振動数の操作及び抑制のための人工補正器構成部品の非対称的な構成 - Google Patents

Description

本発明は、患者の大腿骨に埋め込むための人工股関節のステムであって、このステムは球頭に連結可能であり、球頭はまたソケットインサートの球冠において回動可能に挿入されている、人工股関節のステムに関する。

背景技術
市場には自然の股関節の代替のための複数の人工補正器機構が存在している。人工補正器機構は、一般的に、球頭２と連結されているステム１と、ソケットインサート３と連結されている寛骨臼ソケット４とから成っている。ステム１と寛骨臼ソケット４とは大腿骨もしくは骨盤骨へ組み込むことにより身体に結合されていて、且つ球頭２もしくはソケットインサート３のための支持体である。球頭２はソケットインサート３の球冠において回動可能に支承されている−自由度：１（図１参照）。

ソケットインサートの球冠における球頭の協働中、様々な理由から及び特に球頭及びソケットインサートのための高い硬度の材料（例えば金属合金、セラミックス製の素材）の使用時に、滑動対間の不都合な固体摩擦が生じることがある。この場合、関連する構成部品の振動挙動、ひいては騒音発生、いわゆる軋みが結果的に起こることがある種々異なる現象に繋がる場合がある。３つの現象を以下に簡単に記載する。

１．材料対偶と、表面構造と、２つの摩擦対の相対速度とに基づき、運動時には固体摩擦の作用下で、いわゆるスティックスリップ作用が発生する場合がある。つまり、正確な考察において球冠における球頭の準連続的な運動が、時間的に極めて短い多数の運動サイクルから構成され、それぞれ１つの短い運動は突然の静止状態、及びまた突然の運動によって直接もたらされる。このスティックスリップ作用は静止摩擦及び滑動摩擦の継続的な交番により惹起される。

スティックスリップ作用の発生に基づき起こる振動は励振として作用し、個々の構成部品もしくは人工的な関節の構成部品群の振動に繋がる。この場合、構成部品もしくは構成部品群の１つ又は複数の固有振動数が可聴のスペクトル（約１６−２００００Ｈｚ）にあると、固有振動数は人工的な股関節の支持体である患者に、例えばいわゆる軋みとして音響的に知覚されることがある。このことは患者には不都合であり、事情によっては、患者の周囲にも同様に知覚され、場合によってはプライバシーに関する著しい制限に繋がる。

２．頻繁に繰り返される運動パターン及び（運動サイクル中の球頭−インサートの摩擦学的な機構の短時間の分離の）マイクロ分離に基づき、球頭もしくはインサートにおけるストリップライン（Ｓｔｉｐｅ−ｗｅａｒ）の形成に繋がることがあり、ストリップライン長さにわたって特定の規則性を有しているストリップ状の磨耗パターンの形成に繋がることがある。今や球頭が規定の個々の条件下（姿勢、運動経過）で、ストリップラインパターンゾーンの領域において、インサートに対して相対的に運動する場合、このことは自励の振動に繋がることがある。この励振が、関連する構成部品もしくは構成部品群の固有振動数の範囲内にある場合には、このことは固有モードの形成及び騒音形成に繋がる。この場合、構成部品もしくは構成部品群の１つ又は複数の固有振動数が可聴のスペクトル（約１６−２００００Ｈｚ）にある場合、固有振動数は人工的な股関節の支持体である患者に、例えばいわゆる軋みとして音響的に知覚されることがある。

３．人工的な股関節の挿入後に、特に極端なソケット位置の場合には、金属ステムと金属ソケット、もしくは金属ステムとセラミックインサートとが接触することになる。この接触は単に点状ではなく、相応する脚運動により所定の角度を越えて起こり、その結果、ソケット／インサートを介しての金属ステムの「研磨」に繋がると、このことは自励の振動に繋がることがある。励振は関連する構成部品もしくは構成部品群の固有振動数の範囲内にあると、固有モードの形成及び騒音形成に繋がる。この場合、構成部品もしくは構成部品群の１つ又は複数の固有振動数が可聴のスペクトル（約１６−２００００Ｈｚ）にあると、固有振動数は人工的な股関節の支持体である患者に、例えばいわゆる軋みとして音響的に知覚されることがある。

本発明の根底にある課題は、請求項１の上位概念部記載のステムを改良して、軋みが発生しないステムを提供することである。

上記課題はステムの外側及び／又は内側のジオメトリ、及び／又は材料構成が非対称的に構成されていることにより解決される。

つまり本発明に係るステムは、患者の大腿骨に埋め込むための人工股関節のステムであって、ステムが球頭に連結可能であり、球頭がソケットインサートの球冠において回動可能に挿入されている、人工股関節のステムにおいて、ステムが、ステムの外側及び／又は内側のジオメトリ、及び／又は材料構成において非対称的に構成されていることを特徴とする。

ステムの好ましい非対称的な構成により、ステムの固有モードの形成を防ぐことができ、音響的に知覚可能な振動数範囲における構成部品の振動の顕在化を有効に緩衝できる。この場合、提案されたステムの非対称性は、種々異なる手段により達成できる。この手段は任意に互いに組合せ可能である：３つの全空間方向（横断面及び長手方向軸線）における非対称的な外側のジオメトリの形式、３つの全空間方向（横断面及び長手方向軸線）における非対称的な内側のジオメトリの形式、及び種々異なる剛性及び緩衝特性を有する材料から成るステムの非対称的な構成によるものである。

従って、好ましい本発明による構成では、外側及び内側のジオメトリは３つの全空間方向において非対称的に構成されている。

このことは例えば、ステムがその表面に切欠きを有していることによりもたらすことができる。

択一的又は組合せにおいては、横断面の外側の周縁部が非対称的に成形されていてよい、及び／又はステムがステム軸線に沿って不連続的に成形されている。

本発明による構成では、ステムは貫通している横方向孔を有している。

内側のジオメトリの非対称的な構成は本発明の構成において、ステムが可能な限り種々異なった体積の内側の中空室を有していることにより達成されている。

別の実施の構成では、ステムに不連続的に互いに隣り合うことができる長手方向孔が加工されている。

本発明の更に別の実施の構成は、結合ウェブに種々異なる直径の孔が加工されていることを特徴とする。

材料構成の非対称的な実施の構成は、剛性及び／又は緩衝特性及び／又は素材が、ステムの長手方向軸線に沿って種々異なっていることにより達成できる。

本発明に係るステムは、好ましくは、外側及び／又は内側のジオメトリが３つの全空間方向において非対称的に構成されている。

好ましくは、ステムがステムの表面に切欠きを有している。

好ましくは、横断面の外側の周縁部が非対称的に成形されている。

好ましくは、ステムがステム軸線に沿って不連続的に成形されている。

好ましくは、ステムが貫通している横方向孔を有している。

好ましくは、ステムが可能な限り種々異なる体積の内側の中空室を有している。

好ましくは、ステムにおいて長手方向孔が加工されており、長手方向孔は不連続的に互いに隣り合うようになっている。

好ましくは、結合ウェブを備えた当該ステムにおいて、結合ウェブにおいて種々異なる直径の孔が加工されている。

好ましくは、剛性及び／又は緩衝特性及び／又は素材がステム軸線に沿って種々異なっている。

以下に、従来の技術と本発明とを図面に基づき詳細に説明する。

従来の技術を示した図である。 本発明によるステムを示した図である。 ステムの本発明による横断面（実線）と、従来のステム（破線）の横断面とを対比した図である。 ステムの内側のジオメトリを非対称的に構成するための貫通している横方向孔を示した図である。 ステムの内側のジオメトリを非対称的に構成するための、横断面における内側の中空室を示した図である。 長手方向孔を備えた本発明によるステムを示した図である。 図７ａは結合ウェブ内に孔を備えたステムを示した図であり、図７ｂは図７ａの線Ａ−Ａに沿った断面図である。

図１には従来の技術が示されている。一般的に、人工股関節部は球頭２に連結されたステム１と、ソケットインサート３に連結された寛骨臼ソケット（Ｈｕｅｆｔｐｆａｎｎｅ）４とから成っている。ステム１と寛骨臼ソケット４とは大腿骨５もしくは骨盤骨１５へ組み込むことにより患者の身体に結合されていて、且つ球頭２もしくはソケットインサート３のための支持体である。球頭２はソケットインサート３の球冠内で回動可能に支承されている。

図２には本発明によるステム１が示されている。このステム１では外側のジオメトリを非対称的に構成するために、表面に切欠きが配置されている。

図３には、本発明によるステムの横断面（実線）が、従来のステムの横断面（破線）に対比されて示されている。ステムの横断面の外側の周縁部は軋みを避けるために非対称的に成形されている。これによりステム１はステム軸線９に沿って不連続的に成形されている。

図４には、ステム１の内側のジオメトリを非対称的に構成するための貫通している横方向孔１０が示されている。この横方向孔１０の直径は種々異なって選択されている。

図５には、ステム１の内側のジオメトリを非対称的に構成するための、横断面８における内側の中空室１１が示されている。符号９でステム軸線が記されている。内側の中空室１１の体積は有利には種々異なっている。

図６には、長手方向孔１２を備えた本発明によるステムが示されている。長手方向孔１２は不連続的に互いに接して隣り合っている。長手方向孔１２は結合ウェブ１３内にも配置されている。

図７ａには結合ウェブ１３内に孔４を備えたステム１が示されている。図７ｂには図７ａの線Ａ−Ａに沿った断面図が示されている。孔１４の直径が種々異なっていることがよく判る。

ステム１の非対称的な実施の形態は、ステム１の材料もしくは素材がステム軸線９に沿って変化していることにより達成することもできる。この場合、弾性率は従来のステム材料と異なっていることが重要である。従って、図２の切欠き６はステム１の基本材料とは異なる弾性率を備えた第２の材料により充填されていてもよい。

Claims (9)

1. 患者の大腿骨（５）に埋め込むための人工股関節のステム（１）であって、該ステム（１）が球頭（２）に連結可能であり、該球頭（２）がまたソケットインサート（３）の球冠において回動可能に挿入されている、人工股関節のステムにおいて、
   当該ステム（１）が、ステムの固有モードの形成を防ぐことができ、音響的に知覚可能な振動数範囲における構成部品の振動の顕在化を緩衝するように、前記ステム（１）の外側及び内側の少なくとも一方側の、ジオメトリ、又はジオメトリ及び材料が、非対称的に構成され、かつ、
   前記少なくとも一方側のジオメトリが、前記ステム（１）の表面に設けた切欠き（６）を含み、３つの全空間方向において非対称的に構成されることを特徴とする人工股関節のステム。
2. 前記ジオメトリ及び材料は、前記切欠き（６）に、ステム（１）の基本材料とは異なる弾性率を備えた第２の材料を充填することにより非対称的に構成される請求項１記載のステム。
3. 前記ジオメトリは、前記ステムの横断面（８）の外側の周縁部（７）を非対称的に成形することにより非対称的に構成される請求項１または２記載のステム。
4. 前記ジオメトリは、前記ステム（１）をステム軸線（９）に沿って不連続的に成形することにより非対称的に構成される請求項１から３までのいずれか一項記載のステム。
5. 前記ジオメトリは、前記ステム（１）に、貫通している横方向孔（１０）を形成することにより非対称的に構成される請求項１から４までのいずれか一項記載のステム。
6. 前記ジオメトリは、前記ステム（１）に、可能な限り種々異なる体積の内側の中空室（１１）を形成することにより非対称的に構成される請求項１から５までのいずれか一項記載のステム。
7. 前記ジオメトリは、前記ステム（１）に、不連続的に互いに隣り合うように長手方向孔（１２）を形成することにより非対称的に構成される請求項１から６までのいずれか一項記載のステム。
8. 結合ウェブ（１３）を備えた請求項１から７までのいずれか一項記載のステムにおいて、前記結合ウェブ（１３）において種々異なる直径の孔（１４）が加工されている、請求項１から７までのいずれか一項記載のステム。
9. 剛性、緩衝特性及び素材の少なくとも１つが、ステム軸線（９）に沿って種々異なっている、請求項１から８までのいずれか一項記載のステム。

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