JP5975984B2 - 寛骨臼インサートと寛骨臼の所定の背面衝突による股関節プロテーゼ用のセラミック製寛骨臼インサートの破壊荷重の向上 - Google Patents

Description

本発明は、股関節プロテーゼ用の寛骨臼及び寛骨臼インサートであって、該寛骨臼インサートは前記寛骨臼に、これら両構成部分の赤道領域における円錐状のクランプ結合部のクランプコーンを介して連結されていて、該クランプコーンの下方で、極に到るまで、前記両構成部分の間に隙間が存在しており、該隙間は、前記両構成部分の半径方向の一連の輪郭によって画成されている、股関節プロテーゼ用の寛骨臼及び寛骨臼インサートに関する。

近年の股関節プロテーゼについては、生体親和性かつ摩耗の少ない支承の実現のために種々様々な材料が使用される。この場合、先行技術によれば、いわゆる硬・硬対が耐久性があり確実な患者のケアのために最も適している。このような対では、ステムに組み付けられる骨頭も、寛骨臼に組み付けられる寛骨臼インサートも、技術的な意味で硬質の材料から成っている。目下のところ、セラミック・セラミック対及び金属・金属対が使用されている。現在の研究では、セラミック・金属対の臨床効果も調査されている。

手術中にその患者にとって最良のスライド対を選択するという可能性を執刀医に提供するために、近年の股関節プロテーゼはモジュール式に形成されている（図１参照）。これらのインプラントは通常、骨頭２に連結されるステム１と、寛骨臼インサート３に連結される寛骨臼４とから成っている。ステムと寛骨臼とは通常、金属合金から成っており、大腿骨若しくは骨盤に根付くことにより人体に結合されている。ステムと寛骨臼とは、骨頭若しくは寛骨臼インサートのための支持体である。骨頭は寛骨臼インサートの球冠に自由度１で回転可能に支承されている。

寛骨臼インサートと寛骨臼との間の連結は、アダプタ材料、例えばプラスチックを使用せずに直接連結される場合、通常円錐状のクランプ結合により行われる。このための手段は例えばＥＰ０６４９６４１号明細書、ＥＰ０８２６３４７号明細書、ＤＥ１９６５４４０９号明細書に記載されている。この場合、両構成部分の連結は主として、寛骨臼のいわゆる赤道領域に位置するクランプコーンによって行われている。「赤道」の概念の説明のためには図２の符号５を参照されたい。ＥＰ０６４９６４１号明細書の図１若しくはＥＰ０８２６３４７号明細書の図１〜図４に示されているように、いわゆる両構成部分の極領域では接触は行われておらず、その代わりに、この領域における両構成部分間の接触を回避するために明らかな隙間が設けられている。「極」の概念の説明のためには図２の符号６を参照されたい。

クランプコーンの下方、極に到るまでのジオメトリ領域において、寛骨臼インサートの背面側の領域における両構成部分間の接触を回避する必要性は以下のように生じる。

１．寛骨臼インサートが負荷されることにより、寛骨臼インサートは負荷に応じて僅かに寛骨臼内に沈み込む。この場合、背面領域において両構成部分間が早期に接触すると、クランプコーンが解放されることになる。これにより、連結部のクランプ力はもはや上昇せず、恐らく低過ぎるレベルとなる。骨頭と寛骨臼インサートとの間の付着により引張力が寛骨臼インサートに伝達されると、寛骨臼インサートは寛骨臼から持ち上がる恐れがある。連結部のこのような障害により、最終的には、生体内でこのプロテーゼシステムが使用できなくなる。これに対して、両構成部分間に十分な隙間が存在していれば、寛骨臼インサートへの負荷の増大に伴いクランプ力は妨げられることなく上昇し、両構成部分間の十分な固定が保証されている。

２．背面側の領域で両構成部分間の接触が生じる場合、この接触が点状ではなく、面接触であることが保証されなければならない。点接触は局所的な過剰応力を生ぜしめ、これにより、過負荷が生じ早期の故障に通じる。しかしながら面接触は、示されたジオメトリでは保証されていない。許容誤差範囲で常にあり得るような僅かな形状のずれや、非対照的な負荷等による寛骨臼における僅かな傾動は、既に点接触を生ぜしめるものであり、ひいては早期の故障に通じる。独自の研究により、現在のジオメトリでは、背面側の領域における面接触の制御は不可能であることが示されている。

上記問題を回避若しくは解決しながら、両構成部分が制御されて背面側で接触することにより、寛骨臼インサートにおける引張応力が減少し、このことは特にセラミック製の寛骨臼インサートを使用する場合、有利に作用することが前提となっている。これにより寛骨臼インサートの破壊荷重は明らかに上昇する。金属合金製の寛骨臼インサートを使用する場合、応力の減少により変形が僅かになることが予想される。これにより、滑動面の負荷に基づく形状のずれは減少し、滑動パートナの摩耗は減少する。

独自の研究により、このような又は類似の形状を有した両構成部分間には背面側の隙間が必要であることが強調されている。

本発明の課題は、請求項１の上位概念に記載の形式の股関節プロテーゼ用の寛骨臼及び寛骨臼インサートを改良して、寛骨臼インサートにおける引張応力を減少させることである。

本発明によればこの課題は、請求項１の特徴部により解決される。

前記両構成部分の半径方向の一連の輪郭は、前記クランプコーンの下方のコーン端部から前記極まで同じ形状的要素を同じ順序で有しており、これらの形状的要素間には接線状の若しくはほぼ接線状の移行部が形成されていることにより、 寛骨臼インサートにおける引張応力を減少させることができる。

好適な構成では、前記隙間は、前記寛骨臼インサートの無負荷状態で最大となる初期の隙間であって、前記寛骨臼インサートに負荷がかかると減少し、所定の負荷を超えると少なくとも部分的に閉じられ、これにより前記両構成部分は、前記クランプコーンの下方であっても接触する。制御された背面側の接触により、寛骨臼インサートの破壊荷重はこれにより明らかに高くなる。

好適には、前記クランプコーン近傍の領域における前記寛骨臼インサートの無負荷状態での前記両構成部分間の前記初期の隙間は、前記極の領域における前記隙間の幅よりも小さい又は該幅と同じである。

選択的には、前記寛骨臼インサートの前記無負荷状態における前記両構成部分間の前記初期の隙間の幅は、前記クランプコーン近傍の領域から前記極に向かって連続的に増大する。

好適には、寛骨臼は金属から成っていて、薄壁で特にたわみ易く形成されている。これにより、寛骨臼インサートに負荷がかかる場合、寛骨臼は拡開し、寛骨臼インサートはクランプコーンに沿って、寛骨臼の内部へと滑動し、所定の負荷を超えて、両構成部分がクランプコーンの下方でも接触するまで滑動する。

好適には、前記寛骨臼インサートはセラミックから成っていて、特に酸化アルミニウムセラミック又は、酸化アルミニウム又は酸化ジルコニウムを主体とする混合セラミック又は、窒化ケイ素セラミックから成っている。

本発明の実施例では、寛骨臼インサートの背面は、寛骨臼の内側のジオメトリと同様に、球面の部分として形成されている。

一実施態様では、前記クランプコーンの外側で、前記寛骨臼インサートの前記背面の半径Ｒ_{インサート背面}（Ｒ_ＥＲ）は、前記寛骨臼の内側のジオメトリの半径Ｒ_寛骨臼極（Ｒ_ＰＰ）に等しい、又は該半径Ｒ_寛骨臼極（Ｒ_ＰＰ）よりも大きい。

好適には、前記クランプコーンと前記球面との間の移行部において、前記寛骨臼インサートの背面の湾曲部半径（Ｒ_{インサート湾曲部}）は、前記寛骨臼の内側のジオメトリの湾曲部半径（Ｒ_{寛骨臼湾曲部}）に等しい。

好適な一実施態様は、前記クランプコーンと前記球面との間の移行部においてそれぞれ１つの湾曲部半径が存在しており、前記寛骨臼インサートの前記背面の半径Ｒ_{インサート背面}（Ｒ_ＥＲ）は、前記寛骨臼の内側のジオメトリの半径Ｒ_寛骨臼極（Ｒ_ＰＰ）に近似しており、前記寛骨臼インサートの背面の湾曲部の半径_{インサート湾曲部}（Ｒ_ＥＶ）は前記寛骨臼の内側のジオメトリの湾曲部半径Ｒ_{寛骨臼湾曲部}（Ｒ_ＰＶ）よりも大きく、前記寛骨臼インサートは酸化アルミニウム混合セラミックから成っていて、前記寛骨臼は薄壁の金属ソケットであることを特徴としている。

上記問題を解決し、いわゆる制御された背面側の接触若しくは「制御された底面接触」を可能とするためには以下のような解決手段が提案される。

寛骨臼インサートの背面側のジオメトリと寛骨臼の内側のジオメトリとを互いに以下のように、即ち、
・各構成部分の下方のコーン端部から極に到るまで、半径方向の一連の輪郭上には、各形状的要素間の接線状若しくはほぼ接線状の移行部しか生じないように、
・下方のコーン端部から極に到るまで、協働する両構成部分の半径方向の一連の輪郭が同じ形状的要素しか有さず、寸法は同じである必要はないように、
・前記クランプコーン近傍の領域における前記両構成部分間の前記初期の隙間、即ち前記無負荷状態での隙間は、前記極の領域における前記隙間よりも小さい又は該隙間と同じであるように、
適合させる。

従来技術の股関節プロテーゼを示す図である。 本発明による股関節プロテーゼ用の寛骨臼インサートと寛骨臼とを示した図である。 本発明による股関節プロテーゼ用の寛骨臼インサートと寛骨臼とを示した図である。

以下に図面につき本発明を詳しく説明する。

図１には、モジュール式に形成された従来技術の股関節プロテーゼ１２が示されている。この股関節プロテーゼ１２は、骨頭２に連結されたステム１と、寛骨臼インサート３に連結された寛骨臼４とから成っている。ステム１と寛骨臼４とは通常、金属合金から成っており、大腿骨若しくは骨盤内に根付くことにより人体に結合されている。ステム１と寛骨臼４とは、骨頭２若しくは寛骨臼インサート３のための支持体である。骨頭２は寛骨臼インサート３の球冠に自由度１で回転可能に支承されている。

股関節プロテーゼ１２（図１参照）のための、本発明による寛骨臼インサート３と寛骨臼４との好適な構成が図２及び図３に示されている。寛骨臼インサート３はクランプコーン（円錐部分）５によって、寛骨臼４に固定されている。符号７によって赤道領域が、符号６によって極が示されている。この実施例では、寛骨臼インサート３の背面側のジオメトリ（表面形状）及び寛骨臼４の内側のジオメトリ（表面形状）が、球面若しくは球面の一部として形成されている。クランプコーン５への移行部にはそれぞれ湾曲部Ｒ_ＥＶとＲ_ＰＶが存在している。寛骨臼インサート３の背面１１の球表面の半径Ｒ_{インサート背面}、即ちＲ_ＥＲは、寛骨臼４の内側のジオメトリの半径Ｒ_寛骨臼極、即ちＲ_ＰＰよりも僅かに大きく形成されている。寛骨臼インサート３における湾曲部半径Ｒ_{インサート湾曲部}、即ちＲ_ＥＶは、寛骨臼４の内側のジオメトリの湾曲部半径Ｒ_{寛骨臼湾曲部}、即ちＲ_ＰＶと同じである。これにより生じた構成部分３，４の間の隙間８は、下方のコーン端部９の近傍の領域から、構成部分３，４の極６へ向かって増大している。隙間８の幅は符号１０で示されている。

Claims (8)

1. 股関節プロテーゼ（１２）用の寛骨臼（４）及び寛骨臼インサート（３）であって、該寛骨臼インサート（３）は前記寛骨臼（４）に、これら両構成部分（３，４）の赤道領域（７）における円錐状のクランプ結合部のクランプコーン（５）を介して連結されていて、寛骨臼インサート（３）の無負荷状態で、前記クランプコーン（５）の下方で極（６）に到るまで、前記両構成部分（３，４）の間に隙間（８）が存在しており、該隙間（８）は、前記両構成部分（３，４）の半径方向の一連の輪郭によって画成されている、股関節プロテーゼ（１２）用の寛骨臼（４）及び寛骨臼インサート（３）であって、
   前記両構成部分（３，４）の半径方向の一連の輪郭は、前記クランプコーン（５）の下方のコーン端部（９）から前記極（６）まで同じ形状的要素を同じ順序で有しており、これらの形状的要素間には接線状の若しくはほぼ接線状の移行部が形成されており、
   前記隙間（８）は、前記寛骨臼インサート（３）の無負荷状態で最大となる初期の隙間（８）であって、前記寛骨臼インサート（３）に負荷がかかると減少し、所定の負荷を超えると少なくとも部分的に閉じられ、これにより前記両構成部分（３，４）は、前記クランプコーン（５）の下方であっても接触し、
   前記寛骨臼インサート（３）の背面（１１）は、前記寛骨臼（４）の内側ジオメトリと同様に、球面の部分として形成されており、
   前記クランプコーン（５）の外側において、前記寛骨臼インサート（３）の前記背面（１１）の半径Ｒ _{インサート背面} （Ｒ _ＥＲ ）は、前記寛骨臼（４）の内側のジオメトリの半径Ｒ _寛骨臼極 （Ｒ _ＰＰ ）に等しい、又は該半径Ｒ _寛骨臼極 （Ｒ _ＰＰ ）よりも大きい、
   ことを特徴とする、股関節プロテーゼ用の寛骨臼及び寛骨臼インサート。
2. 前記クランプコーン近傍の領域における前記インサート（３）の無負荷状態での前記両構成部分（３，４）間の前記初期の隙間（８）の幅（１０）は、前記極（６）の領域における前記隙間の幅よりも小さい又は該幅と同じである、請求項１記載の寛骨臼及び寛骨臼インサート。
3. 前記寛骨臼インサート（３）の無負荷状態における前記両構成部分（３，４）間の前記初期の隙間（８）の幅（１０）は、前記クランプコーン近傍の領域から前記極（６）に向かって連続的に増大する、請求項１記載の寛骨臼及び寛骨臼インサート。
4. 前記寛骨臼（４）は金属から成っていて、薄壁であり、たわみ易く形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の寛骨臼及び寛骨臼インサート。
5. 前記寛骨臼インサート（３）はセラミックから成っている、請求項１から４までのいずれか１項記載の寛骨臼及び寛骨臼インサート。
6. 前記寛骨臼インサート（３）は、酸化アルミニウムセラミック又は、酸化アルミニウム又は酸化ジルコニウムを主体とする混合セラミック又は、窒化ケイ素セラミックから成っている、請求項１から４までのいずれか１項記載の寛骨臼及び寛骨臼インサート。
7. 前記クランプコーン（５）と球面との間の移行部において、前記寛骨臼インサート（３）の背面（１１）の湾曲部半径Ｒ_{インサート湾曲部}（Ｒ_ＥＶ）は、前記寛骨臼（４）の内側のジオメトリの湾曲部半径Ｒ_{寛骨臼湾曲部}（Ｒ_ＰＶ）に等しい、請求項１から６までのいずれか１項記載の寛骨臼及び寛骨臼インサート。
8. 前記クランプコーン（５）と球面との間の移行部においてそれぞれ１つの湾曲部半径が存在しており、前記寛骨臼インサート（３）の前記背面（１１）の半径Ｒ_{インサート背面}（Ｒ_ＥＲ）は、前記寛骨臼（４）の内側のジオメトリの半径Ｒ_寛骨臼極（Ｒ_ＰＰ）に近似しており、前記寛骨臼インサート（３）の背面（１１）の湾曲部の半径Ｒ_{インサート湾曲部}（Ｒ_ＥＶ）は前記寛骨臼（４）の内側のジオメトリの湾曲部半径Ｒ_{寛骨臼湾曲部}（Ｒ_ＰＶ）よりも大きく、前記寛骨臼インサートは酸化アルミニウム混合セラミックから成っていて、前記寛骨臼（４）は薄壁の金属ソケットである、請求項１から７までのいずれか１項記載の寛骨臼及び寛骨臼インサート。

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