JPH02144055A - 人工関節 - Google Patents
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
て植設される大腿骨に負荷を適度に分担させる大腿骨コ
ンポーネントに関する。
というウォルフの法則(Wolf’ s Law)の教
訓に基づくと、THR関節(total hip re
place+nent:全臀部置換関節)の手術後の骨
の変形を抑えて適当なレベルで骨へ応力を与えることが
望ましい。この臀部置換において、通常、近位大腿骨に
はある程度の変形が伴う。力学的剛性によると典型的金
属植設体はいくぶん近位の骨を応力について保護する。
きい骨髄導管を有する患者においては、応力保護は特に
問題が多い。極端な場合、近位大腿骨はその当初質量の
小部分を再吸収して、植設体の保持部の損失又は植設体
破壊を引き起すことになりかねない。不幸なことに、植
設体の曲げ剛性は特に2〜4乗の割合で指数関数的に増
加し、植設体の寸法にて直線的増加関係を有する植設体
の幾何形状に左右される。
の間にはほとんど相関がないという事実もある。すなわ
ち、小柄な比較的軽い人体は大直径の骨髄導管を大腿骨
に有していることもあるし、大柄の人体において大腿骨
に小直径の導管を有していることもある。したがって、
植設体としては特に大直径でその質量に関して大変少な
い剛性を有したものが望まれる。
がより低いと考えられるものを利用する方法がある。こ
れには、より堅いと考えられるコバルト−クロム合金の
代りに、チタン合金又はカーボン繊維強化ポリマー複合
体が用いられる。植設体はその中を中空にしても良い。
料の寄与がほとんどなくなる。例えば、もし16mm直
径の丸材体の植設体が壁厚2mmを残して中空とされる
とすると、質量の減少量は56%で曲げ剛性の現象が3
2%しかないことになる。興味深いことに16mmの直
径の幹体は1011I11直径の幹体より剛性において
6.5倍の堅さを有する。モーシャ及びデイック(Mo
rscher and Dlck)は、9年間の臨床実
験で、いわゆる等弾性(1soelastic)の棒状
義肢について報告した。この等弾性棒状義肢は骨盤から
大腿骨の頭部及び首部を通して大腿骨中へ力を伝達する
ためにポリアセタール樹脂を用いて製造されており、こ
れは、彼らの「プラスチック材から製造された等弾性臀
部内部義肢のセメントを用いない固定(Cementl
ess Fixation of’ l5oelast
1c Hlp Endoprostheses) J
(Chlnlcal 0rthpaedies、 J
une、 1983. Volume 178゜pag
es 77〜87)に開示されている。彼らは「植設体
の適当な固定は主にその設計と材料に左右される。人工
関節の挿入は骨構造の変形を誘導する。もし適当になさ
れないならば、植設体は遅かれ早かれ破損するであろう
。植設体の弾性及び連続的変形は材料の弾性係数及び義
肢の設計に左右される。異質材料の物理特性を骨組織の
それに合わせると同様に大腿骨へ義肢を合わせるように
設計することによって、全システムは自然の大腿骨と同
一の弾性を有するようになる。さらに弾性臀部内部義肢
は、また歩行中における踵衝撃−つま先地面離間の行程
においてショックアブソーバとして作用する。」と述べ
ている。
ーズ(Robert Marthys)によって製造さ
れ1973年に植設された等弾性臀部内部義肢にあると
している。この例によると、この義肢は、良好な組織の
包容力で高く応力が加えられたコンポーネントのために
、骨組織の弾性係数に近い係数、良好な耐久性、及び強
靭性を有するポリアセタール樹脂から形成されている。
コンポーネントは、幹体の弾性を増加するために先端に
向けてテーパが施された金属コアによって補強されてい
る。これによって、義肢の幹体が骨の変形に追従可能と
なる。設計についての言及においては、著者らは、[等
弾性は骨の物理特性に植設体のそれが適度に近似してい
ることをも意味する。理想的な等弾性は、決して得るこ
とはできない。なぜならば、骨は等方性特性を示す関節
形成のために用いられる異方性、異形質性材料であるか
らである。
対して構造上適合性がない。さらに、人体の骨の個々の
形質及び強度の変形例は決して人工関節では模倣できな
い。しかし、さらなるプラスチック材料は日々使用され
る剛直材料の不利を避けるであろう。」としている。
7.617号明細書は、モーシャ及びデイックによって
述べられた弾性のag+定を提供する大腿骨幹体の臀部
義肢を開示している。ターナ−の幹体の横断面は、大き
なスロットを残すように直角に切り離された小側面の1
つがぼは矩形管の形状をなしている。
導管に位置決めすることを容易にする優れた横方向の弾
性を存在させることになる。他に優れた点としては、該
ピンはと固体による設計はど重くならないことであり、
また導管は骨の生長を支援する。
有する大腿骨臀部植設体」と称する米国特許出願第15
1゜627号明細書に開示されている。この構成におい
ては、植設体の長手方向の中間側面はギザギザが付され
ており、溝形状幹体断面を形成している。
なり、一方、外部の幾何形状は、植設体の中央側面上の
開放溝を除いて、実質的には変化を残すことはない。結
果として得られた長手溝は、幹体が植設された状態の時
に、冠状平面(coronalplane)に全体が位
置される。該溝の深さは大腿骨の近位及び遠位端部間に
て変化自在であるので、右の長さ方向に沿った所定位置
において慣性重力モーメントに影響し、それによって適
当な幹体の可撓性を得ることができる。すなわち、幹体
は、その長さに沿って特定の位置において、大腿骨の可
撓性にほぼ相関関係があるのである。
するものである。短くいえば、植設体の長さの中央幹部
は、加工されかつ外寸法は減少されてより小さな断面を
有するようになされている。
ことになる。
撓性が向上する。また、実験により、その減少断面の大
きさによって植設体の負荷が加わった時に高い幹体の応
力を得ることが明らかになった。従って、注意深い均衡
(careful balance)は幹体から除かれ
た材料の量と特定サイズの植設体によって肩叱侍される
所望の応力水準との間において達成されるのである。
は選択的であってもよい。植設体の減少断面をなす材料
の量は、大腿骨植設体の近位及び遠位端の間において変
化自在であってもよく、これは幹体の長さ方向に沿った
いずれの位置においても慣性重性モーメントに影響し、
適当な幹体の可撓性を達成する。すなわち、幹体はその
長さに沿って特定の位置において形成されており、大腿
骨自体の可撓性にほぼ相関するようになる。
体の寸法は、幹体の断面形状が略円形とすると、25%
以下に減少させないことが望ましい。その理由は、幹体
は植設体が大腿骨へ挿入されるに必要な衝撃力により変
形するおそれがあるからである。実際、この潜在的困難
性を除外するためには最終断面積領域は植設体の比較で
きる全大きさの輪郭の寸法の25%以上少なくさせない
ことが好ましいのである。
られる共通材料のいずれでもよく、チタン、チタン合金
、コバルト−クロム合金及びこれらの複合材料でもよい
のである。また、これは、セラミックや粉末焼結体自体
は成型工程や機械的あるいは化学的削成工程やその他の
適当な寸法で形成され得る。
大きさの7〜10個の幹体を得ることができる。これら
幹体は外径、長さ、減少中間幹部の寸法、幹体の近位か
ら遠位までのテーパの量において変化させたものである
。最も近い大きさは、外科手術前に行なわれる放射線撮
影で決定される。
に結局選択されるのである。
以下の記載から明らかになるであろう。
明を限定するものでないと理解すべきであろう。本発明
にかかる添付図面はこの記載と共に本発明の一実施例を
示し、本発明の詳細な説明するためのものである。
している。図示の如く、大腿骨コンポーネント22は大
腿骨24中に適当に植設され寛骨臼部26と協働的に係
合する。この寛骨臼部26は骨盤30の寛骨臼28中に
植設されている。通例の方法においては、大腿骨コンポ
ーネント22は、その最適位端部にてテーパ部分32を
有し、テーパ部分32は球部材34に適当に受け入れら
れるように設けられている。つぎに、球部材34は寛骨
臼部26のベアリング部材36に回転自在に係合してお
り、寛骨臼部26は金属帽子部材38中に保持されてお
り、金属帽子部材38は全体が骨盤30に固定されてい
る。大腿骨コンポーネント22はさらに肩部40を含み
、テーパ部分32が4部42を介して肩部40へ接合し
ている。
長している。
導管48中に嵌合されている。幹体44は断面が減少さ
れた中間幹部50としてヰ形成されて、この減少中間幹
部50は臀部義肢20が植設される人体の冠状平面に一
般的に位置する。減少された中間幹部50の寸法(第2
図り照)は大腿骨コンポーネント22の近位及び遠位端
部間で変化させることができる2−0この目的は、幹体
44の長さに沿っていかなる所定位置においても大腿骨
コンポーネント22の慣性質量モーメントに影響させる
ためであり、これによって最適な幹体の可撓性を達成す
る。減少された中間幹部5oの形状も変化させることが
でき、幹体44が適当な可撓性を得るために必要があれ
ば対称な形状とすることができる。幹体44の断面は、
第2図への符号50Aで示される全体が図示したような
変形例とすることができる。
曲げ剛性が指数関数的割合で増加し、特に2乗から4乗
の割合で増加する。その植設体の結合構造によって植設
体の寸法は直線的に増加する。このことの幾何学的証明
は第3図に示されており、これは植設するごとに連続的
に現れる寸法の変化の一連の幹体44の相対剛性を含む
柱状グラフである。注目すべきことは、18市直径の幹
体44の剛性は9mm直径の16倍となることである。
44の直径が増加するに従ってほぼ直線的に増加するこ
とまで抑制することに役立つのである。
荷の曲げモードに左右されることが分かるであろう。こ
の負荷は次式による最大幹体応力を生せしめる。
置における最大応力であり、Mはかかる勢力位置におけ
る構造に伝えられる曲げモーメントであり、Cは勢力位
置の中心軸から卓の距離であり、■は幾何学的考慮によ
る慣性質量モーメントである。
や、生体力学的分析に基づく植設体の負荷状態が知られ
た場合、上記式の変形である次式を介して必要な慣性モ
ーメントを得ることができる。
体の断面の面積の25%以下にすべきではなく、すなわ
ち、もとの幹体の断面の面積は75%以上まで減少され
るべきではなく、このようにすれば大腿骨へ植設体を導
入するに必要な力は該植設体を変形させないのである。
設体の剛性は公知の量である。これは臨床実験から決定
される。剛性は慣性モーメント■に比例し、よって幹体
の直径の4乗に比例して増加する。しかしながら、本発
明によればこの増加は固体植設体のために生じるであろ
う細片に限定され、この細片の増加は減少した中間幹部
によって達成される。
になる。
して、I kla体Wは、上記式すなわち、S醇瑚M
c / 1 を満たすために用いられる種々の減少した断面の寸法を
決定する。
4の近位端部における及び該端部に向かう応力が遮断す
るを防止すること、並びに大腿骨24へさらなる応力及
び張力を与えることにある。
5図はm6図のグラフに現された3つの断面位置におけ
る試験植設体58の相対可撓性を示している。
特許請求の範囲に記載された発明から離れることなく、
他の変形例も図示した実施例のように実施され得ること
は当業者に容易に理解されるであろう。
の一部切欠側断面図、第2図は第1図の線2−2に沿っ
た断面図、第3図は通常市販されている大腿骨部分にお
ける直径を変化させた幹体の一連の相対剛性を示す柱状
グラフ、第4図は本発明による変形例の円形断面を有す
る大腿骨部分の幹体の断面図、第5図は本発明を具現化
する大腿骨部分の部分概略側断面図及び植設体の種々の
位置における区間特性を示すグラフ、第6図は第5図に
おける大腿骨の部分の相対可撓性を示すグラフである。 主要部分の符号の説明 20・・・・・・臀部義肢 22・・・・・・大腿骨コンポーネント24・・・・・
・大腿骨 26・・・・・・寛骨臼部 28・・・・・・寛骨臼 30・・・・・・骨盤 32・・・・・・テーパ部分 34・・・・・・球部材 36・・・・・・ベアリング部材 38・・・・・・金属帽子部材 40・・・・・・肩部 42・・・・・・首部 44・・・・・・幹体 46・・・・・・遠位端部 48・・・・・・骨髄内導管 50・・・・・・減少された中間幹部
Claims (25)
- (1)人体の骨構造における損傷自然関節と置換する人
工関節のコンポーネントであって、骨髄導管内を有する
長い第1骨に固定された第1協働部材と、第2骨又はそ
の自然部分に固定された第2協働部材とを有し、第1及
び第2協働部材は相互に可動であり、内部で係合して第
1及び第2骨の間で相対的移動が可能であり、 冠状平面に全体が存在する長手軸を有しかつ第1協働部
材と一体的に形成されており第1骨の骨髄導管内に受け
入れ自在である幹体を有し、前記幹体は近位及び遠位端
部の間にて伸長しており、前記近位及び遠位端部から離
れた領域において断面積の減少した中間幹部を有し、前
記幹体の長さに沿っていずれかの所定の位置における慣
性質量モーメントに影響しこれらによって適当な幹体の
可撓性を有することを特徴とする人工関節のコンポーネ
ント。 - (2)前記中間幹部は、その断面において対称であるこ
とを特徴とする請求項1記載のコンポーネント。 - (3)前記中間幹部は、その断面において非対称である
ことを特徴とする請求項1記載のコンポーネント。 - (4)前記中間幹部は、長手軸に沿ってテーパが施され
ていることを特徴とする請求項1記載のコンポーネント
。 - (5)前記中間幹部の断面の面積は、比較すべきすべて
の寸法で均一な植設体のその面積の75%まで減少され
ていることを特徴とする請求項1記載のコンポーネント
。 - (6)前記中間幹部はその長さに沿った断面はほぼ均一
であることを特徴とする請求項1記載のコンポーネント
。 - (7)前記中間幹部はその長さに沿った断面において可
変であることを特徴とすると請求項1記載のコンポーネ
ント。 - (8)チタン、チタン合金、コバルト−クロム合金及び
これらの複合材により構成されていることを特徴とする
請求項1記載のコンポーネント。 - (9)人体の骨構造における損傷自然関節と置換する人
工関節であって、骨髄導管内を有する長い第1骨に固定
された第1協働部材と、第2骨又はその自然部分に固定
された第2協働部材とを有し、第1及び第2協働部材は
相互に可動であり、内部で係合して第1及び第2骨の間
で相対的移動が可能であり、 冠状平面に全体が存在する長手軸を有しかつ第1協働部
材と一体的に形成されており第1骨の骨髄導管内に受け
入れ自在である幹体を有し、前記幹体は近位及び遠位端
部の間にて伸長しており、前記近位及び遠位端部から離
れた領域において断面積の減少した中間幹部を有し、前
記幹体の長さに沿っていずれかの所定の位置における慣
性質量モーメントに影響しこれらによって適当な幹体の
可撓性を有することを特徴とする人工関節。 - (10)前記中間幹部は、その断面において対称である
ことを特徴とする請求項9記載の人工関節。 - (11)前記中間幹部は、その断面において非対称であ
ることを特徴とする請求項9記載の人工関節。 - (12)前記中間幹部は、長手軸に沿ってテーパが施さ
れていることを特徴とする請求項9記載の人工関節。 - (13)前記中間幹部の断面の面積は、比較すべきすべ
ての寸法で均一な植設体のその面積の75%まで減少さ
れていることを特徴とする請求項9記載の人工関節。 - (14)前記中間幹部はその長さに沿った断面はほぼ均
一であることを特徴とする請求項9記載の人工関節。 - (15)前記中間幹部はその長さに沿った断面において
可変であることを特徴とする請求項9記載の人工関節。 - (16)チタン、チタン合金、コバルト−クロム合金及
びこれらの複合材により構成されていることを特徴とす
る請求項9記載の人工関節。 - (17)人体の骨構造における損傷自然関節と置換する
人工関節であって、前記関節の第1骨に固定された帽子
形状ソケット部材と、 前記ソケット部材において回転自在に係合自在の球部材
と、 骨髄を有する長い骨である前記第1骨から離れた第2骨
へ前記球部材を固定する長手幹体を含む載置部材と、を
有し、前記幹体は第2骨の骨髄導管内にて冠状平面に全
体が存在する長手軸を有しかつ嵌合可能であり、前記幹
体は前記球部材近傍の近位端部から前記球部材から離れ
た遠位端部まで伸長しており前記近位及び遠位端部から
離れた領域において減少した中間幹部を有していること
を特徴とする人工関節。 - (18)前記中間幹部は、その断面において対称である
ことを特徴とする請求項17記載の人工関節。 - (19)前記中間幹部は、その断面において非対称であ
ることを特徴とする請求項17記載の人工関節。 - (20)前記中間幹部は、長手軸に沿ってテーパが施さ
れていることを特徴とする請求項17記載の人工関節。 - (21)前記中間幹部の断面の面積は、比較すべきすべ
ての寸法で均一な植設体のその面積の75%まで減少さ
れていることを特徴とする請求項17記載の人工関節。 - (22)前記中間幹部はその長さに沿った断面はほぼ均
一であることを特徴とする請求項17記載の人工関節。 - (23)前記中間幹部はその長さに沿った断面において
可変であることを特徴とする請求項17記載の人工関節
。 - (24)前記第1骨は骨盤であり、第2骨は大腿骨骨で
あり、前記球部材及び前記幹体は臀部義肢の大腿骨コン
ポーネントの部品であることを特徴とする請求項17記
載の人工関節。 - (25)前記載置部材及び前記球部材は、チタン、チタ
ン合金、コバルト−クロム合金及びこれらの複合材によ
り構成されていることを特徴とする請求項8記載の人工
関節。
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