JP5826025B2 - 人工膝関節インプラント - Google Patents

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Description

本発明は、患者の膝関節を人工膝関節に置換する手術において用いられる人工膝関節インプラントに関する。
脛骨の近位部に固定される脛骨コンポーネントと、大腿骨の遠位部に固定される大腿骨コンポーネントと、を備える人工膝関節が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載された大腿骨コンポーネントは、大腿骨顆部を含む。大腿骨顆部は、左右二つの凸面を前後に連ねて形成された内側顆部と、外側顆部とからなる。脛骨コンポーネントは、脛骨顆部を含む。脛骨顆部は、内側顆部と、外側顆部とからなる。脛骨コンポーネントの内側顆部及び外側顆部は、凹面を有している。凹面は、大腿骨コンポーネントの内側顆部及び外側顆部を滑動及び転動可能に支持する。大腿骨顆部及び脛骨顆部のそれぞれにおいて、内側顆部と外側顆部との間の間隔は、後方に行くほど狭められている。
特開2002−28170号公報([0007]〜[0009])
ところで、通常、人体の膝関節においては、膝の伸展、屈曲に伴い、2つの運動が生じることが知られている。ひとつは回旋運動(Medial Pivot Motion)であり、ひとつはロールバック(Rollback)と呼ばれる運動である。
回旋運動とは、膝の屈曲角度が増すに従って、大腿骨が脛骨の内側顆部を中心に変位する動きのことをいう。Rollbackとは、膝の屈曲の際、大腿骨が脛骨上を回転しながら後方に移動する動きのことをいう。回旋運動、Rollbackの両方において、膝関節を支持する靭帯が大きく影響を与えており、特に、膝関節を支持する靭帯の中でも大腿骨脛骨関節(以下F−T関節)の前後方向及び回旋を制御している、前十字靭帯と後十字靭帯(以下、ACL、PCLともいう)は重要で、特にPCLは回旋運動の中心的役割を果たすことが知られている。
また、その他の膝関節周辺の靭帯としての内側側副靭帯及び外側側副靭帯では、膝の屈曲動作時に、内側側副靭帯が膝関節の動きを規定する力よりも、外側側副靭帯が膝関節の動きを規定する力のほうが弱いことが知られている。これが、膝関節の屈曲時に、膝の外側部分が回旋動作によって動き易いという原因の一つとなっている。
したがって、人工膝関節を装着した患者が膝を違和感なく屈曲動作できるようにするためには、人工膝関節においても、屈曲動作に伴うロールバックに伴う回旋運動を実現できることが必要である。
特許文献1に記載の構成では、前述したように、人工膝関節の大腿骨顆部及び脛骨顆部のそれぞれにおいて、内側顆部と外側顆部との間の間隔は、後方に行くほど狭められている。これにより、膝の屈曲角度が大きくなるに従って、大腿骨コンポーネントの内側顆部のうち脛骨コンポーネントに接触している部分と、大腿骨コンポーネントの外側顆部のうち脛骨コンポーネントに接触している部分との間の間隔が短くなる。その結果、大腿骨コンポーネントは、脛骨コンポーネントに対して脛骨の軸線回りに回旋し易くなる。
しかしながら、特許文献1に記載の構成では、大腿骨コンポーネントに対して脛骨コンポーネントが回旋し易くはなるけれども、内側顆部と外側顆部の形状が同じなので、この人工膝関節では、機械的に(積極的に)大腿骨の回旋運動を促進する構成となっていない。
本発明は、上記実情に鑑みることにより、人工膝関節インプラントにおいて、より自然な回旋運動を行うことができるようにすることを目的とする。
上記目的を達成するための第1発明に係る人工膝関節インプラントは、患者の膝関節を人工膝関節に置換する手術において用いられる人工膝関節インプラントであって、前記患者の大腿骨の遠位部に取り付けられる大腿骨コンポーネントと、前記患者の脛骨の近位部に取り付けられ、前記大腿骨コンポーネントと協働して前記脛骨に対する前記大腿骨の屈曲動作を案内する脛骨プレートと、を備え、前記大腿骨コンポーネントは、前記患者の内側側副靭帯に隣接した位置で前記脛骨プレートと接触する凸湾曲状の第1関節面と、当該第1関節面とは左右方向に並び、前記患者の外側側副靭帯に隣接した位置で前記脛骨プレートと接触する凸湾曲状の第2関節面と、を含み、前記第1関節面と前記第2関節面との間には、前記左右方向と直交して延びる所定の基準面が規定されており、前記第1関節面及び前記第2関節面は、それぞれ、前記脛骨の軸線に対する前記大腿骨コンポーネントの回旋運動を誘導するための第1回旋誘導部及び第2回旋誘導部を有し、前記第1関節面及び前記第2関節面のそれぞれのうち、前記脛骨プレートと接触している部分である第1接触部及び第2接触部が、それぞれ、前記脛骨に対する前記大腿骨の屈曲角度の変化に伴って、前記第1関節面及び前記第2関節面での位置が変位し、前記屈曲角度の単位量としての単位屈曲角度の増大に伴う前記第2回旋誘導部での前記第2接触部と前記基準面との間の距離の減少量が、前記単位屈曲角度の増大に伴う前記第1回旋誘導部での前記第1接触部と前記基準面との間の距離の減少量よりも大きく設定されていることを特徴とする。
この発明によると、第1回旋誘導部及び第2回旋誘導部が脛骨プレートに接触している場合において、屈曲角度が増大したとき、第2接触部が基準面に近づく量は、第1接触部が基準面に近づく量よりも大きい。これにより、大腿骨が脛骨に対して脛骨の軸線回りに回旋するという、回旋動作が発生する。したがって、人工膝関節インプラントは、膝の屈曲動作に伴うロールバックに伴い、大腿骨を脛骨に対して機械的に(積極的に)回旋させることができる。その結果、患者は、より自然な回旋運動を行うことができる。
従って、本発明によると、人工膝関節インプラントにおいて、より自然な回旋運動を行うことができる。
第2発明に係る人工膝関節インプラントは、第1発明の人工膝関節インプラントにおいて、前記脛骨プレートは、前記第1関節面と接触する第3関節面と、前記第2関節面と接触する第4関節面と、を含み、前記第3関節面及び前記第4関節面は、前記左右方向に対称な形状を有していることを特徴とする。
この発明によると、第3関節面と第4関節面とを左右対称な形状としていることにより、脛骨プレートを、患者の左膝用の脛骨プレートとしても、患者の右膝用の脛骨プレートとしても用いることができる。これにより、患者の左膝用の脛骨プレートと、患者の右膝用の脛骨プレートと別々に用意する必要がなく、脛骨プレートの汎用性を高くすることができる。その結果、人工膝関節インプラントの製造コストを低減することができる。
第3発明に係る人工膝関節インプラントは、第1発明又は第2発明の人工膝関節インプラントにおいて、前記第2回旋誘導部において、前記屈曲角度が増大する場合の、前記単位屈曲角度あたりの前記第2接触部と前記基準面との間の距離の減少量が、前記第2回旋誘導部の何れの位置においても同じであることを特徴とする。
この発明によると、第2回旋誘導部が脛骨プレートと接触した状態で屈曲角度が変化している場合において、単位屈曲角度の変化に対する大腿骨の回旋動作量を、より均一にすることができる。これにより、患者が膝を屈伸動作している場合に、大腿骨の回旋動作を滑らかに行うことができ、より自然な屈曲動作を行うことができる。
第4発明に係る人工膝関節インプラントは、第1発明乃至第3発明の何れかの人工膝関節インプラントにおいて、前記第1回旋誘導部において、前記屈曲角度が増大する場合の、前記単位屈曲角度あたりの前記第1接触部と前記基準面との間の距離の減少量が、前記第1回旋誘導部の何れの位置においても同じであることを特徴とする。
この発明によると、第1回旋誘導部が脛骨プレートと接触した状態で屈曲角度が変化している場合において、単位屈曲角度の変化に対する大腿骨の回旋動作量を、より均一にすることができる。これにより、患者が膝を屈伸動作している場合に、大腿骨の回旋動作を滑らかに行うことができ、より自然な屈曲動作を行うことができる。
第5発明に係る人工膝関節インプラントは、第1発明乃至第4発明の何れかの人工膝関節インプラントにおいて、前記第1回旋誘導部及び前記第2回旋誘導部のそれぞれは、前記屈曲角度がゼロよりも大きい所定の基準値以上である場合に前記脛骨プレートと接触することを特徴とする。
この発明によると、大腿骨の回旋動作が開始される屈曲角度を、ゼロよりも大きい値とすることができる。これにより、膝が真っ直ぐに延びた状態又はこれに近い状態では、大腿骨の回旋動作を生じないようにすることができる。その結果、生体膝関節の動作状態により近い動作状態を、人工膝関節において実現することができる。
第6発明に係る人工膝関節インプラントは、第5発明の人工膝関節インプラントにおいて、前記基準値未満の前記屈曲角度では、前記屈曲角度の値に拘らず、前記第1接触部と前記基準面との間の距離が一定であり、且つ、前記第2接触部と前記基準面との間の距離が一定であることを特徴とする。
この発明によると、屈曲角度がゼロ又は小さい値の場合には、膝の屈曲動作に伴う回旋動作が生じないようにされている。これにより、屈曲角度がゼロ又は小さい値の場合において、生体膝関節の屈曲動作に極めて似た屈曲動作を、人工膝関節で実現することができる。
本発明によると、人工膝関節インプラントにおいて、より自然な回旋運動を行うことができる。
人工膝関節インプラント、患者の大腿骨、及び患者の脛骨を示す一部断面図であり、患者の側方から見た状態を示している。 (a)は、大腿骨コンポーネントの前面図であり、(b)は、大腿骨コンポーネントの平面図であり、(c)は、大腿骨コンポーネントの側面図である。 大腿骨コンポーネントの後面図である。 (a)は、脛骨プレートの平面図であり、(b)は、脛骨プレートの前面図であり、(c)は脛骨プレートの側面図である。 人工膝関節インプラントの屈曲動作について説明するための主要部の図であり、(a)は、大腿骨コンポーネントの後面図を示しており、(b)〜(e)は、それぞれ、所定の屈曲角度における大腿骨コンポーネントと脛骨プレートとの接触状態について示す断面図である。 人工膝関節インプラントの屈曲動作について説明するための主要部の図であり、(a)〜(e)の各図では、所定の屈曲角度における大腿骨コンポーネントの平面図及び側面図と、側面から見た大腿骨コンポーネントとの接触位置における脛骨プレートの断面図と、が示されている。 比較例としての人工膝関節インプラントの屈曲動作について説明するための主要部の図であり、(a)は、大腿骨コンポーネントの後面図を示しており、(b)〜(e)は、それぞれ、所定の屈曲角度における大腿骨コンポーネントと脛骨プレートとの接触状態について示す断面図であり、図7(f)は、脛骨プレート204の平面図である。 比較例としての人工膝関節インプラントの屈曲動作について説明するための主要部の図であり、(a)〜(e)の各図では、所定の屈曲角度における大腿骨コンポーネントの平面図及び側面図と、側面から見た大腿骨コンポーネントとの接触位置における脛骨プレートの断面図と、が示されている。 (a)は、本発明の実施形態の変形例としての人工膝関節インプラントの側面図であり、(b)は、当該人工膝関節インプラントの平面図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。尚、本発明は、膝関節を人工膝関節に置換する手術において用いられる人工膝関節インプラントとして広く適用することができる。
図1は、人工膝関節インプラント1、患者の大腿骨101、及び患者の脛骨102を示す一部断面図であり、患者の側方から見た状態を示している。尚、図1では、大腿骨101と、人工膝関節インプラント1の大腿骨コンポーネント2と、脛骨102は、切断面を示している。また、図1では、人工膝関節インプラント1の脛骨コンポーネント3は、側面を示している。人工膝関節インプラント1は、患者の膝関節を人工膝関節へ置換する手術において用いられ、例えば、変形性膝関節症や慢性関節リウマチ等により膝関節が高度に変形した患者に対して、膝を正常な機能に回復させるために用いられる。
本実施形態において、人工膝関節インプラント1は、患者の前十字靭帯は切除するけれども後十字靭帯は温存した状態で、当該患者の膝関節を人工膝関節に置換する、CR(Cruciate Retaining)型人工膝関節置換術に用いられる。
人工膝関節インプラント1は、大腿骨コンポーネント2と、脛骨コンポーネント3と、を備えて構成されている。脛骨コンポーネント3は、脛骨プレート4と、脛骨トレイ5と、を含んでいる。
大腿骨コンポーネント2は、大腿骨101の遠位部103に固定されている。また、脛骨プレート4は、脛骨102の近位部104に、脛骨トレイ5を介して固定されている。大腿骨コンポーネント2及び脛骨コンポーネント3は、患者の膝の屈伸運動に伴って、相対摺動する。このように、大腿骨コンポーネント2と脛骨コンポーネント3との協働により、脛骨102に対する大腿骨101の屈曲動作が案内される。
尚、以下では、「内側」、又は「外側」というときは、人工膝関節インプラント1が設置されている患者の膝の内側又は外側をいうものとする。すなわち、人工膝関節インプラント1が患者の左足に配置されている場合には、内側は、患者にとっての右側をいい、外側は、患者にとっての左側をいう。また、「前」又は「後」をいうときは、患者にとっての前又は後をいうものとする。また、「上」又は「下」をいうときは、患者にとっての上又は下をいうものとする。また、特に言及無き場合には、屈曲角度θがゼロの状態、すなわち、患者が真っ直ぐに起立した状態を基準に人工膝関節インプラント1を説明する。本実施形態では、人工膝関節インプラント1が患者の左足に装着された状態を説明する。
図2(a)は、大腿骨コンポーネント2の前面図であり、図2(b)は、大腿骨コンポーネント2の平面図であり、図2(c)は、大腿骨コンポーネント2の側面図である。尚、図2(a)と、図2(b)とは、図示する向きの対応関係が異なっている。図3は、大腿骨コンポーネント2の後面図である。
図1、図2(a)、図2(b)、図2(c)及び図3に示すように、大腿骨コンポーネント2は、例えば、生体親和性を有する金属材料を用いて形成されている。大腿骨コンポーネント2は、側面視においてU字状に形成されている。また、大腿骨コンポーネント2は、平面視においてU字状に形成されている。
大腿骨コンポーネント2は、内側顆6と、外側顆7と、を含んでいる。内側顆6及び外側顆7は、それぞれ、左右方向に並んで配置されている。内側顆6の前部と外側顆7の前部とは、互いに接続されている。内側顆6の中間部及び後部と、外側顆7の中間部及び後部とは、左右方向に離隔しており、前後方向に略平行に並んでいる。大腿骨コンポーネント2の前部は、前方から見たときに、上側に向けて凸となる形状に形成されている。
内側顆6及び外側顆7のそれぞれのうち、大腿骨101の遠位部103側を向く内側面には、固定面8が形成されている。固定面8は、内側顆6に形成された固定面8aと、外側顆7に形成された固定面8bと、を含んでいる。固定面8は、大腿骨コンポーネント2を大腿骨101の遠位部103に固定するために設けられている。固定面8は、それぞれ、遠位部103に形成された骨切り面110に固定される。
骨切り面110は、大腿骨コンポーネント2を遠位部103に固定するために、術者によって人工的に形成された面である。骨切り面110は、例えば、術者がカッタ等の器具を用いて遠位部103の一部を切除することで、形成されている。骨切り面110は、例えば、前側を向く第1面111と、前斜め下側を向く第2面112と、下側を向く第3面113と、後斜め下を向く第4面114と、後側を向く第5面115と、を有している。
固定面8は、これら第1〜第5面111〜115に沿う形状に形成されており、これら第1〜第5面111〜115のそれぞれに、骨セメント、又は生体活性材料コーティング等を用いて固定されている。また、固定面8a,8bのうち、第3面113と対向する部分には、それぞれ、凸部9が形成されている。これらの凸部9は、第3面113に形成された凹部116に挿入されている。
内側顆6及び外側顆7のそれぞれにおいて、大腿骨101の遠位部103の外側を向く外側面には、第1関節面11及び第2関節面12が形成されている。第1関節面11及び第2関節面12は、患者の膝の屈伸運動に伴って脛骨プレート4と摺動する湾曲面として設けられている。第1関節面11及び第2関節面12は、左右方向に並んで配置されている。第1関節面11及び第2関節面12は、それぞれ、脛骨プレート4側に向けて凸となる凸湾曲形状に形成されている。第1関節面11及び第2関節面12は、それぞれ、大腿骨101の遠位端としての第3面113と対向する面と反対側を向き、且つ、遠位部103の後部としての第5面115と対向する面と反対側を向いており、且つ、側面視において、遠位部103の一部を取り囲んでいる。
第1関節面11は、患者の内側側副靭帯105に隣接するように配置されている。また、第2関節面12は、患者の外側側副靭帯106に隣接するように配置されている。通常、これらの側副靭帯105,106のうち、外側側副靭帯106のほうが、人工膝関節インプラント1の動きを規制する力が小さい。
第1関節面11は、内側顆6に備えられる遠位顆21、後顆22及び上顆23によって形成されている。また、第2関節面12は、外側顆7に備えられる遠位顆31、後顆32及び上顆33によって形成されている。
遠位顆21,31は、それぞれ、大腿骨101の遠位面としての第3面113と隣接するように配置されている。後顆22,32は、それぞれ、遠位顆21,31から後斜め上方へ向けて延びる部分として設けられている。後顆22,32は、それぞれ、主に、第4面114及び第5面115と隣接するように配置されている。上顆23,33は、それぞれ、後顆22,32の上端から上方へ向けて延びる部分として設けられている。上顆23,33は、第5面115に隣接するように配置されている。
上記の構成により、本実施形態では、第1関節面11及び第2関節面12は、それぞれ、遠位顆21,31の後部側の一部の外側面と、後顆22,32の外側面と、上顆23,33の外側面とによって形成されている。大腿骨コンポーネント2は、側面視において、脛骨プレート4に対して変位方向M1に沿って変位する。側面視において、変位方向M1は、第1関節面11及び第2関節面12に沿う方向である。
この変位方向M1における第1関節面11及び第2関節面12のそれぞれの一端11a,12aの位置は、大腿骨コンポーネント2の下端で且つ凸部9と上下に並ぶ位置とされている。また、変位方向M1における第1関節面11及び第2関節面12のそれぞれの他端11b,12bの位置は、固定面8の後部上端に隣接する位置とされている。
また、第1関節面11及び第2関節面12は、複数の曲率半径を有する円弧状面によって形成されている。本実施形態では、第1関節面11及び第2関節面12は、側面視において曲率半径R1,R2,R3を有している。
第1関節面11及び第2関節面12のそれぞれにおいて、遠位顆21,31における後側部分の一部、及び後顆22,32における下側部分の一部は、曲率半径R1を有している。第1関節面11及び第2関節面12のうち、曲率半径R1を有する部分の後端15,15は、固定面8の後方に位置している。これらの後端15,15は、大腿骨コンポーネント2の後端に位置している。
第1関節面11及び第2関節面12のうち、この後端15,15から上方へ向けて延びる部分の曲率半径R2は、曲率半径R1よりも小さい値となっている。この曲率半径R2を有する部分は、後顆22,32の上端まで延びている。すなわち、この曲率半径R2を有する部分の上端16は、後顆22,32の上端に位置している。この上端16から上方へ向けて延びる部分の曲率半径R3は、曲率半径R2よりも小さい値となっている。この曲率半径R3を有する部分は、上顆23,33によって形成されており、他端11b,12bまで延びている。上記の構成により、曲率半径R1>R2>R3となっている。
また、第1関節面11は、左右方向における中間部が大腿骨コンポーネント2の外側に向けて凸となるように、湾曲状に形成されている。同様に、第2関節面12は、左右方向における中間部が大腿骨コンポーネント2の外側に向けて凸となるように、湾曲状に形成されている。このような構成により、第1関節面11及び第2関節面12は、それぞれ、左右方向の中間部が、脛骨プレート4に接触する。
第1関節面11のうち、脛骨プレート4に接触している部分が、第1接触部41となる。また、第2関節面12のうち、脛骨プレート4に接触している部分が、第2接触部42となる。すなわち、第1関節面11のうち、左右方向の中間部である頂点部分に、第1接触部41が位置することとなる。同様に、第2関節面12のうち、左右方向の中間部である頂点部分に、第2接触部42が位置することとなる。第1接触部41及び第2接触部42は、それぞれ、脛骨102に対する大腿骨103の屈曲角度θの変化に伴って、第1関節面11及び第2関節面12での位置が変位する。
第1関節面11及び第2関節面12の間には、左右方向と直交して延びる基準面43が規定される。基準面43は、第1接触部41と第2接触部42との間の位置に規定されている仮想の平面である。基準面43は、例えば、左右方向における外側顆7と内側顆6との間の略中央に配置され、人工膝関節インプラント1の屈曲動作に拘らず、位置が変化しない仮想平面として扱われる。すなわち、基準面43は、屈曲角度θに拘らず、脛骨プレート4に対する位置が変化しない平面である。
本実施形態では、側面視における、脛骨102の軸線L1に対する大腿骨101の軸線L2の角度としての屈曲角度θ(以下、単に屈曲角度θともいう。)が規定されている。この屈曲角度θの変化に伴う、第1接触部41と基準面43との間の距離変化の態様と、第2接触部42と基準面43との間の距離変化の態様と、が異なるようにされている。尚、図1では、屈曲角度θがゼロ度の状態を示している。
第1関節面11は、第1直動誘導部45と、第1回旋誘導部46と、を有している。また、第2関節面12は、第2直動誘導部47と、第2回旋誘導部48と、を有している。
第1直動誘導部45及び第2直動誘導部47は、人工膝関節インプラント1の屈曲動作の際に、大腿骨コンポーネント2が基準面43と平行な方向に動作するために設けられている。第1直動誘導部45及び第2直動誘導部47には、屈曲角度θが所定の基準値θ1未満の場合に、第1接触部41及び第2接触部42が位置する。本実施形態では、基準値θ1は、例えば、45度に設定されている。すなわち、第1直動誘導部45及び第2直動誘導部47には、屈曲角度θがゼロ度以上で且つ45度未満の場合に、第1接触部41及び第2接触部42が位置する。
第1直動誘導部45は、第1関節面11のうち、遠位顆21に形成された部分及び後顆22の一部に形成された部分を含んでいる。第1直動誘導部45の頂部45aは、側面視において、曲率半径がR1の部分を含んでいる。第1直動誘導部45の頂部45aは、基準面43と略平行に延びている。第1直動誘導部45の頂部45aと脛骨プレート4との接触により頂部45aに第1接触部41が位置している場合、屈曲角度θの値に拘らず、第1接触部41と基準面43との間の距離D1は一定である。
第2直動誘導部47は、第1直動誘導部45と左右対称な形状を有している。すなわち、第2直動誘導部47は、第2関節面12のうち、遠位顆31に形成された部分及び後顆32の一部に形成された部分を含んでいる。第2直動誘導部47の頂部47は、側面視において、曲率半径がR1の部分を含んでいる。第2直動誘導部47の頂部47aは、基準面43と略平行に延びている。第2直動誘導部47の頂部47aと脛骨プレート4との接触により頂部47aに第2接触部42が位置している場合、屈曲角度θの値に拘らず、第2接触部42と基準面43との間の距離D2は、一定である。また、距離D1=距離D2とされている。上記の構成を有する第1直動誘導部45及び第2直動誘導部47に隣接して、第1回旋誘導部46及び第2回旋誘導部48が配置されている。
第1回旋誘導部46及び第2回旋誘導部48は、人工膝関節インプラント1の屈曲動作の際に、大腿骨コンポーネント2を、脛骨102の軸線L1に対して回旋動作させるために設けられている。第1回旋誘導部46及び第2回旋誘導部48には、屈曲角度θが所定の基準値θ1以上の場合に、第1接触部41及び第2接触部42が位置する。基準値θ1は、例えば、45度程度に設定されている。尚、屈曲角度θの上限値は、患者の大腿骨101の遠位部103の形状及び脛骨102の近位部104の形状によって異なるものの、百数十度程度とされている。
第1回旋誘導部46は、第1関節面11のうち、後顆22の一部及び上顆23に形成されている。第1回旋誘導部46のうちの頂部46aに、第1接触部41が位置する。第1回旋誘導部46の頂部46aは、側面視において、曲率半径がR1の部分と、R2の部分と、R3の部分と、を含んでいる。第1回旋誘導部46の頂部46aは、基準面43に対する距離が、場所によって異なっている。より具体的には、頂部46aは、変位方向M1に沿って第1直動誘導部45から遠ざかるに従い、基準面43に近づいている。換言すれば、変位方向M1に沿って第1直動誘導部45から遠ざかるに従い、頂部46aと基準面43との間の距離が減少している。これにより、第1回旋誘導部46の頂部46aに第1接触面41が位置している場合には、屈曲角度θの増大に伴って、第1接触部41と基準面43との間の距離D1が減少する。本実施形態では、頂部46aに第1接触部41が位置している場合に屈曲角度θが増大するときの、単位屈曲角度あたりの第1接触部41と基準面43との間の距離D1の減少量ΔD1が、頂部46aの何れの位置においても同じとされている。
変位方向M1における頂部46aの一端46bは、第1直動誘導部45の頂部45aに連続している。一端46bには、例えば、屈曲角度θが45度の場合に第1接触部41が位置する。また、変位方向M1における頂部46aの第1中間部46cでは、側面視における頂部46aの曲率半径がR1からR2に変化している。第1中間部46cには、例えば、屈曲角度θが60度の場合に、第1接触部41が位置する。また、変位方向M1における頂部46aの第2中間部46dでは、側面視における頂部46aの曲率半径が、R2からR3に変化している。第2中間部46dには、例えば、屈曲角度θが90度の場合に、第1接触部41が位置する。上記の構成を有する第1回旋誘導部46とは左右方向に隣接した位置に、第2回旋誘導部48が配置されている。
第2回旋誘導部48は、第2関節面12のうち、後顆32の一部及び上顆33に形成されている。第2回旋誘導部48のうち頂部48aが第2接触部42を形成する。第2回旋誘導部48の頂部48aは、側面視において、曲率半径がR1の部分と、R2の部分と、R3の部分と、を含んでいる。第2回旋誘導部48の頂部48aは、基準面43に対する距離が、場所によって異なっている。より具体的には、頂部48aは、変位方向M1に沿って第2直動誘導部47から遠ざかるに従い、基準面43に近づいている。換言すれば、変位方向M1に沿って第2直動誘導部47から遠ざかるに従い、頂部48aと基準面43との間の距離が減少している。これにより、第2回旋誘導部48の頂部48aに第2接触部42が位置している場合には、屈曲角度θの増大に伴って、第2接触部42と基準面43との間の距離D2が減少する。本実施形態では、頂部48aに第2接触面42が位置している場合に屈曲角度θが増大するときの、単位屈曲角度あたりの第2接触部42と基準面43との間の距離D2の減少量ΔD2が、頂部48aの何れの位置においても同じとされている。
変位方向M1における頂部48aの一端48bは、第2直動誘導部47の頂部47aに連続している。頂部48aの一端48bは、頂部46aの一端46bと左右方向に並んでいる。また、変位方向M1における頂部48aの第1中間部48cでは、側面視における頂部48aの曲率半径がR1からR2に変化している。第1中間部48cは、第1中間部46cと左右方向に並んでいる。第1中間部48cには、例えば、屈曲角度θが60度の場合に、第2接触部42が位置する。また、変位方向M1における頂部48aの第2中間部48dでは、側面視における頂部48aの曲率半径がR2からR3に変化している。第2中間部48dは、第2中間部46dと左右方向に並んでいる。第2中間部48dには、例えば、屈曲角度θが90度の場合に、第2接触部42が位置する。
本実施形態では、後面視において、第2回旋誘導部48の頂部48aの湾曲の度合いが、第1回旋誘導部46の頂部46aの湾曲の度合いよりも大きい。前述したように、単位屈曲角度の増大に伴う第1回旋誘導部46の第1接触部41と基準面43との間の距離D1の減少量は、ΔD1である。また、単位屈曲角度の増大に伴う第2回旋誘導部48の第2接触部42と基準面43との間の距離D2の減少量は、ΔD2である。本実施形態では、減少量ΔD2が、減少量ΔD1よりも大きい(ΔD2>ΔD1)。上記の構成を有する大腿骨コンポーネント2は、脛骨コンポーネント3によって、摺動可能に支持される。
脛骨コンポーネント3の脛骨トレイ5は、脛骨プレート4を支持するトレイ本体49と、トレイ本体49の裏面から突出するスタッド部50と、を含んでいる。スタッド部50は、脛骨102の近位部104に形成された孔部104aに嵌合されており、骨セメント、又は生体活性材料コーティング等を用いて脛骨102の近位部104に固定されている。トレイ本体49は平板状に形成されており、近位部104の端面上に配置されている。トレイ本体49は、大腿骨コンポーネント2側を向く表面を有している。このトレイ本体49の表面に、脛骨プレート4が固定されている。
図4(a)は、脛骨プレート4の平面図であり、図4(b)は、脛骨プレート4の前面図であり、図4(c)は脛骨プレート4の側面図である。図1、図3、図4(a)、図4(b)及び図4(c)に示すように、脛骨プレート4は、合成樹脂等を用いて形成されている。脛骨プレート4は、平板状のプレート51を有している。プレート51は、左右に細長い円板状に形成されている。プレート51には、内側窩53及び外側窩54が形成されている。
内側窩53及び外側窩54は、それぞれ、大腿骨コンポーネント2の内側顆6及び外側顆7と摺動可能に接触する窪みとして設けられている。内側窩53のうち、大腿骨コンポーネント2の内側顆6と対向する面には、第3関節面13が形成されている。同様に、外側窩54のうち、大腿骨コンポーネント2の外側顆7と対向する面には、第4関節面14が形成されている。
第3関節面13は、内側顆6の第1関節面11と接触するために設けられている。また、第4関節面14は、外側顆7の第2関節面12と接触するために設けられている。第3関節面13と第1関節面11との接触状態は、転がり接触及びすべり接触の少なくとも一方を含む。同様に、第4関節面14と第2関節面12との接触状態は、転がり接触及びすべり接触の少なくとも一方を含む。
第3関節面13の底部13aは、平面視において、湾曲した形状とされている。より具体的には、第3関節面13の底部13aは、平面視において、所定の曲率半径R13を有している。この底部13aは、第1関節面11の第1接触部41と接触する。第3関節面13と左右方向に隣接して、第4関節面14が形成されている。
第4関節面14は、第3関節面13とは左右方向に対称な形状に形成されている。換言すれば、第4関節面14は、基準面43を中心に、第3関節面13と対称な形状に形成されている。具体的には、第4関節面14の底部14aは、平面視において、湾曲した形状とされている。より具体的には、第4関節面14の底部14aは、平面視において、所定の曲率半径R14を有している。この底部14aは、第2関節面12の第2接触部42と接触する。また、プレート51の後部には、切欠部55が形成されている。切欠部55は、プレート51の後端部のうち、左右方向の中央に形成されている。
[人工膝関節の屈曲動作の説明]
図5は、人工膝関節インプラント1の屈曲動作について説明するための主要部の図であり、図5(a)は、大腿骨コンポーネント2の後面図を示しており、図5(b)〜図5(e)は、それぞれ、所定の屈曲角度θにおける大腿骨コンポーネント2と脛骨プレート4との接触状態について示す断面図である。また、図6は、人工膝関節インプラント1の屈曲動作について説明するための主要部の図であり、図6(a)〜図6(e)の各図では、所定の屈曲角度θにおける大腿骨コンポーネント2の平面図及び側面図と、側面から見た大腿骨コンポーネント2との接触位置における脛骨プレート4の断面図と、が示されている。
図5(a)及び図6(a)に示すように、屈曲角度θがゼロ度である場合、大腿骨コンポーネント2の第1直動誘導部45が第3関節面13に接触することで、第1直動誘導部45に第1接触部41が位置している。また、大腿骨コンポーネント2の第2直動誘導部47が第4関節面14に接触することで、第2直動誘導部47に第2接触部42が位置している。
この状態から、大腿骨コンポーネント2が脛骨プレート4に対して変位方向M1の一方に変位することにより、屈曲角度θは、ゼロよりも大きくなる。例えば、図5(b)及び図6(b)に示すように、屈曲角度θが30度である場合、大腿骨コンポーネント2のうち、第1直動誘導部45及び第2直動誘導部47が、それぞれ、第3関節面13及び第4関節面14に接触している。これにより、第1直動誘導部45及び第2直動誘導部47のそれぞれに、第1接触部41及び第2接触部42が位置している。このように、第1直動誘導部45及び第2直動誘導部47がそれぞれ、第3関節面13及び第4関節面14に接触している場合、屈曲角度θに拘らず、第1接触部41及び基準面43間の距離D1と、第2接触部42及び基準面43間の距離D2は、同じ値である。
屈曲角度θが増すに従い、屈曲角度θが所定の基準値θ1(本実施形態において、45度)以上になると、図5(c)及び図6(c)に示すように、大腿骨コンポーネント2のうち、第1回旋誘導部46及び第2回旋誘導部48が、それぞれ、第3関節面13及び第4関節面14に接触する。これにより、第1回旋誘導部46及び第2回旋誘導部48のそれぞれに、第1接触部41及び第2接触部42が位置している。この場合、単位屈曲角度の増大、すなわち、屈曲角度θが1度増すことに伴う、距離D2の減少量ΔD2は、距離D1の減少量ΔD1よりも大きい。その結果、距離D2は、距離D1よりも短くなる。このため、屈曲角度θの増大に伴って、大腿骨コンポーネント2の外側顆7が基準面43側に寄せられるように、大腿骨コンポーネント2が回旋する。すなわち、大腿骨コンポーネント2は、脛骨102の軸線L1回りを矢印A1方向に回旋する。
図5(c)及び図6(c)に示す状態から屈曲角度θがさらに増すと、図5(d)及び図6(d)に示すように、大腿骨コンポーネント2は、軸線L1回りをさらに回旋する。この際、屈曲角度θが単位屈曲角度だけ増大する毎に、大腿骨コンポーネント2は、矢印A1回りに一定量回旋する。
その結果、図5(e)及び図6(e)に示すように、屈曲角度θが最大値に近い120度である場合、軸線L1回りの大腿骨コンポーネント2の回旋量が、十分な値となる。以上のようにして、膝の屈曲動作に伴って、大腿骨コンポーネント2が脛骨プレート4上を回転(転がり接触及びすべり接触)しながら後方に移動するという、ロールバックが生じる。
尚、屈曲角度θが図5(e)及び図6(e)に示すように120度である状態から、屈曲角度θが低減していく場合、すなわち、膝を伸ばす動作の場合、人工膝関節インプラント1は、上記したのと逆の動作を行う。
次に、人工膝関節インプラント1に対する比較例としての人工膝関節インプラント201の動作について、図7及び図8を用いて説明する。図7は、人工膝関節インプラント201の屈曲動作について説明するための主要部の図であり、図7(a)は、大腿骨コンポーネント202の後面図を示しており、図7(b)〜図7(e)は、それぞれ、所定の屈曲角度θにおける大腿骨コンポーネント202と脛骨プレート204との接触状態について示す断面図であり、図7(f)は、脛骨プレート204の平面図である。また、図8は、人工膝関節インプラント201の屈曲動作について説明するための主要部の図であり、図8(a)〜図8(e)の各図では、所定の屈曲角度θにおける大腿骨コンポーネント202の平面図及び側面図と、側面から見た大腿骨コンポーネント202との接触位置における脛骨プレート204の断面図と、が示されている。
人工膝関節インプラント201は、大腿骨コンポーネント202と、脛骨プレート204とを有している。大腿骨コンポーネント202の第1関節面211は、第1直動誘導部245からなる。また、第2関節面212は、第2直動誘導部247からなる。すなわち、大腿骨コンポーネント202は、回旋誘導部を有しておらず、この点以外は、大腿骨コンポーネント2と同様の構成を有している。
第1直動誘導部245の頂部245aは、基準面43と平行に延びている。また、第2直動誘導部247は、第1直動誘導部245とは左右対称な形状を有しており、頂部247aは、基準面43と平行に延びている。大腿骨コンポーネント202を支持する脛骨プレート204は、図7(f)に示すように、第3関節面213と、第4関節面214と、を有している。脛骨プレート4と脛骨プレート204とは、第3関節面及び第4関節面の形状が異なる点以外は、互いに同様の構成を有している。
平面視において、第3関節面213の底部213aは、前半部が円弧状に形成され、後半部が基準面43と平行な直線状に形成されている。また、第4関節面214は、第3関節面213とは左右対称な形状に形成されている。すなわち、平面視において、第4関節面214の底部214aは、前半部が円弧状に形成され、後半部が基準面43と平行な直線状に形成されている。
図7(a)及び図8(a)に示すように、屈曲角度θがゼロ度である場合、大腿骨コンポーネント202の第1直動誘導部245は、第3関節面213に接触しており、第1直動誘導部245に第1接触部241が位置している。また、大腿骨コンポーネント202の第2直動誘導部247は、第4関節面214に接触しており、第2直動誘導部247に第2接触部242が位置している。
この状態から、図7(b)及び図8(b)に示すように、大腿骨コンポーネント202が脛骨プレート204に対して変位方向M1の一方に変位することにより、屈曲角度θは、ゼロよりも大きくなる。しかしながら、屈曲角度θに拘らず、大腿骨コンポーネント202の第1直動誘導部245及び第2直動誘導部247が、それぞれ、第3関節面213及び第4関節面214に接触している。このため、屈曲角度θに拘らず、第1接触部241及び基準面43間の距離D201と、第2接触部242及び基準面43間の距離D202は、一定である。
すなわち、図7(b)及び図8(b)に示す、屈曲角度θが30度である場合と、図7(c)及び図8(c)に示す、屈曲角度θが60度である場合と、図7(d)及び図8(d)に示す、屈曲角度θが90度である場合と、図7(e)及び図8(e)に示す、屈曲角度θが120度である場合の何れの場合も、距離D201,D202は、同じである。このため、大腿骨コンポーネント202は、脛骨プレート4に対して回旋動作を生じない。
以上説明したように、人工膝関節インプラント1によると、第1回旋誘導部46及び第2回旋誘導部48が脛骨プレート4の第3関節面13及び第4関節面14に接触する場合がある。この場合において、屈曲角度θが増大したとき、第2接触部42が基準面43に近づく量は、第1接触部41が基準面43に近づく量よりも大きい。これにより、大腿骨101が脛骨102に対して脛骨102の軸線L1回りに回旋するという、回旋動作が発生する。したがって、人工膝関節インプラント1は、患者の膝の屈曲動作に伴うロールバックに伴い、大腿骨101を、脛骨102に対して機械的に(積極的に)回旋させることができる。その結果、より自然な回旋運動を行うことができる。
従って、人工膝関節インプラント1において、より自然な回旋運動を行うことができる。
また、人工膝関節インプラント1によると、脛骨プレート4において、第3関節面13と第4関節面14とを左右対称な形状としている。これにより、脛骨プレート4を、患者の左膝用の脛骨プレートとしても、患者の右膝用の脛骨プレートとしても用いることができる。これにより、患者の左膝用の脛骨プレートと、患者の右膝用の脛骨プレートと別々に用意する必要がなく、脛骨プレート4の汎用性を高くすることができる。その結果、人工膝関節インプラント1の製造コストを低減することができる。
また、人工膝関節インプラント1によると、第2回旋誘導部48において、屈曲角度θが増大する場合の、単位屈曲角度あたりの第2接触部42と基準面43との間の距離D2の減少量ΔD2が、変位方向M1における第2回旋誘導部48の何れの位置においても同じに設定されている。このような構成とすることにより、第2回旋誘導部48が脛骨プレート4と接触した状態で屈曲角度θが変化している場合において、単位屈曲角度の変化に対する大腿骨101の回旋動作量を、より均一にすることができる。これにより、患者が膝を屈伸動作している場合に、大腿骨101の回旋動作を滑らかに行うことができ、より自然な屈曲動作を行うことができる。
また、人工膝関節インプラント1によると、第1回旋誘導部46において、屈曲角度θが増大する場合の、単位屈曲角度あたりの第1接触部41と基準面43との間の距離D1の減少量ΔD1が、第1回旋誘導部46の何れの位置においても同じに設定されている。このような構成とすることにより、第1回旋誘導部46が脛骨プレート4と接触した状態で屈曲角度θが変化している場合において、単位屈曲角度の変化に対する大腿骨101の回旋動作量を、より均一にすることができる。これにより、患者が膝を屈伸動作している場合に、大腿骨101の回旋動作を、より滑らかに行うことができ、より自然な屈曲動作を行うことができる。
また、人工膝関節インプラント1によると、第1回旋誘導部46及び第2回旋誘導部48は、屈曲角度θがゼロよりも大きい所定の基準値θ1以上である場合に、脛骨プレート4と接触する。これにより、大腿骨101の回旋動作が開始される屈曲角度θを、ゼロよりも大きい値とすることができる。したがって、膝が真っ直ぐに延びた状態又はこれに近い状態では、大腿骨101の回旋動作を生じないようにすることができる。その結果、生体膝関節の動作状態により近い動作状態を、人工膝関節インプラント1において実現することができる。
また、人工膝関節インプラント1によると、所定の基準値θ1未満の屈曲角度θでは、屈曲角度θの値に拘らず、第1接触部41と基準面43との間のD1が一定であり、且つ、第2接触部42と基準面43との間の距離D2が一定である。これにより、屈曲角度θがゼロ又は小さい値の場合には、膝の屈曲動作に伴う回旋動作が生じないようにされている。このように、屈曲角度θがゼロ又は小さい値の場合において、生体膝関節の屈曲動作に極めて似た屈曲動作を、人工膝関節インプラント1で実現することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したけれども、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能である。例えば、次のように変更して実施してもよい。
(1)前述の実施形態では、人工膝関節インプラントがCR型の人工膝インプラントである形態を例にとって説明したけれども、この通りでなくてもよい。例えば、図9(a)及び図9(b)に示す、PS(Posterior-Stabilized)型の人工膝関節インプラント1Aに本発明を適用してもよい。PS型の人工膝関節インプラント1Aは、患者の前十字靭帯と、後十字靭帯の双方を切除する人工膝関節置換術において用いられる。
図9(a)は、本発明の実施形態の変形例としての人工膝関節インプラント1Aの側面図であり、図9(b)は、人工膝関節インプラント1Aの平面図である。尚、以下では、上記実施形態と異なる点について主に説明し、上記実施形態と同様の構成には図に同一の符号を付して説明を省略する。
人工膝関節インプラント1Aは、大腿骨コンポーネント2Aと、脛骨プレート4Aと、を含んでいる。大腿骨コンポーネント2Aが大腿骨コンポーネント2と異なっている点は、カム部56を有している点にある。また、脛骨プレート4Aが脛骨プレート4と異なっている点は、ポスト57を有している点にある。
カム部56は、内側顆6の後顆22と外側顆7の後顆32との間に配置された、小片状の部分である。カム部56は、膝の屈曲角度θが所定角度以上のときに、脛骨プレート4Aのポスト57と接触することにより、膝の屈曲運動を案内する。カム部56と、内側顆6と、外側顆7とによって、開口部58が形成されている。開口部58には、ポスト57が挿通される。ポスト57は、プレート51の内側窩53と外側窩54との間に配置された、柱状の部分である。
(2)また、前述の実施形態では、脛骨プレートの第3関節面及び第4関節面が左右対称な形状である形態を例にとって説明したけれども、この通りでなくてもよい。
(3)また、第2回旋誘導部において、屈曲角度が増大する場合の、単位屈曲角度あたりの第2接触部と基準面との間の距離の減少量は、変位方向における第2回旋誘導部の位置に応じて異なっていてもよい。同様に、第1回旋誘導部において、屈曲角度が増大する場合の、単位屈曲角度あたりの第1接触部と基準面との間の距離の減少量は、変位方向における第1回旋誘導部の位置に応じて異なっていてもよい。尚、第1関節面の第1回旋誘導部は、単位屈曲角度の変化に伴う第1接触部と基準面との間の距離の変化がゼロとなるように構成されていてもよい。
(4)また、上述の実施形態では、第1回旋誘導部及び第2回旋誘導部は、屈曲角度がゼロよりも大きい所定の基準値以上である場合に脛骨プレートと接触する形態を例にとって説明したけれども、この通りでなくてもよい。例えば、第1回旋誘導部及び第2回旋誘導部は、常時、脛骨プレートと接触してもよい。
(5)また、前述の実施形態では、第1関節面の頂部及び第2関節面の頂部が、側面視において複数の曲率半径を有する形態を例にとって説明したけれども、この通りでなくてもよい。例えば、第1関節面及び第2関節面は、側面視において単一の曲率半径を有していてもよい。
本発明は、本発明は、患者の膝関節を人工膝関節に置換する手術において用いられる人工膝関節インプラントとして、広く適用することができる。
1 人工膝関節インプラント
2 大腿骨コンポーネント
4 脛骨プレート
11 第1関節面
12 第2関節面
41 第1接触部
42 第2接触部
43 基準面
46 第1回旋誘導部
48 第2回旋誘導部
101 大腿骨
102 脛骨
103 遠位部
104 近位部
105 内側側副靭帯
106 外側側副靭帯
D1,D2 距離
ΔD1,ΔD2 距離の減少量
L1 脛骨の軸線

Claims (6)

  1. 患者の膝関節を人工膝関節に置換する手術において用いられる人工膝関節インプラントであって、
    前記患者の大腿骨の遠位部に取り付けられる大腿骨コンポーネントと、前記患者の脛骨の近位部に取り付けられ、前記大腿骨コンポーネントと協働して前記脛骨に対する前記大腿骨の屈曲動作を案内する脛骨プレートと、を備え、
    前記大腿骨コンポーネントは、前記患者の内側側副靭帯に隣接した位置で前記脛骨プレートと接触する凸湾曲状の第1関節面と、当該第1関節面とは左右方向に並び、前記患者の外側側副靭帯に隣接した位置で前記脛骨プレートと接触する凸湾曲状の第2関節面と、を含み、
    前記第1関節面と前記第2関節面との間には、前記左右方向と直交して延びる所定の基準面が規定されており、
    前記第1関節面及び前記第2関節面は、それぞれ、前記脛骨の軸線に対する前記大腿骨コンポーネントの回旋運動を誘導するための第1回旋誘導部及び第2回旋誘導部を有し、
    前記第1関節面及び前記第2関節面のそれぞれのうち、前記脛骨プレートと接触している部分である第1接触部及び第2接触部が、それぞれ、前記脛骨に対する前記大腿骨の屈曲角度の変化に伴って、前記第1関節面及び前記第2関節面での位置が変位し、
    前記屈曲角度の単位量としての単位屈曲角度の増大に伴う前記第2回旋誘導部での前記第2接触部と前記基準面との間の距離の減少量が、前記単位屈曲角度の増大に伴う前記第1回旋誘導部での前記第1接触部と前記基準面との間の距離の減少量よりも大きく設定されていることを特徴とする、人工膝関節インプラント。
  2. 請求項1に記載の人工膝関節インプラントであって、
    前記脛骨プレートは、前記第1関節面と接触する第3関節面と、前記第2関節面と接触する第4関節面と、を含み、
    前記第3関節面及び前記第4関節面は、前記左右方向に対称な形状を有していることを特徴とする、人工膝関節インプラント。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の人工膝関節インプラントであって、
    前記第2回旋誘導部において、前記屈曲角度が増大する場合の、前記単位屈曲角度あたりの前記第2接触部と前記基準面との間の距離の減少量が、前記第2回旋誘導部の何れの位置においても同じであることを特徴とする、人工膝関節インプラント。
  4. 請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の人工膝関節インプラントであって、
    前記第1回旋誘導部において、前記屈曲角度が増大する場合の、前記単位屈曲角度あたりの前記第1接触部と前記基準面との間の距離の減少量が、前記第1回旋誘導部の何れの位置においても同じであることを特徴とする、人工膝関節インプラント。
  5. 請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の人工膝関節インプラントであって、
    前記第1回旋誘導部及び前記第2回旋誘導部のそれぞれは、前記屈曲角度がゼロよりも大きい所定の基準値以上である場合に前記脛骨プレートと接触することを特徴とする、人工膝関節インプラント。
  6. 請求項5に記載の人工膝関節インプラントであって、
    前記基準値未満の前記屈曲角度では、前記屈曲角度の値に拘らず、前記第1接触部と前記基準面との間の距離が一定であり、且つ、前記第2接触部と前記基準面との間の距離が一定であることを特徴とする、人工膝関節インプラント。
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