JPH03131250A

JPH03131250A - 人工膝関節

Info

Publication number: JPH03131250A
Application number: JP26986989A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Matsuno; 松野　伸男; Kiyohiko Nohara; 清彦野原
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1989-10-17
Filing date: 1989-10-17
Publication date: 1991-06-04

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、人工膝関節、ざらに詳しくは１ｇ動面形状を
改善した人工膝関節に関する６〈従来の技術〉リウマチや骨の変形症、ざらには下数により、朦関節を
人工物で代替する手術が１９５０年代より多く行なわれ
るようになってきた。

人工膝関節の開発当初は、軸つきのｈｉｎｇｅ型が用い
られその初期にはきわめて安定し優れた成績をあげた。

　膝の動きは他の関節と比較してきわめて複雑なもので
あるが、それを単なる蝶番運動にしても問題ないことが
明らかになった。

しかし、この評価もやがてｈｉｎｇｅの中心軸や柄の折
損、ゆるみ、沈み込みなどの出現によりしだいに低下し
た。　この原因は膝本体の複雑な生理的運動（すべり、
ころがり、回旋など）を無視したために、軸や柄、なら
びに人工関節と骨との接合面に大きな負荷が発生したた
めと考えられた。

その後、いくつかの変遷をへたのち、現在使用されてい
るものの主流は顆装置換型と呼ばれるもので、一般的に
は第１図に示すように、大腿骨側コンポーネント４、脛
骨側コンポーネント５、さらに膝蓋骨コンポーネント９
よりなっている。　その素材としては、大腿骨側コンポ
ーネント４には５ＵＳ３１６Ｌ。

ＣＯ合金、Ｔｉ合金などの金属やＡｆｌｚＯｓ、ＺｒＯ
，などのセラミックスが用いられ、脛骨側コンポーネン
ト５、膝蓋骨側コンポーネント９には摺動部を超高分子
量ポリエチレン（ＵＩＩＭＷＰＥ　、ＨＤＰ）とし、骨
との接合面倶１を大腿骨側と同一素材よりなる２層構造
としたものが一般に用いられている。

人工膝関節に要求される項目としては、寸法が患者の骨
の大きさに合っていることの他に、■生体内で毒性を示
さないこと、■安定性がよく可動域が大きいこと、■摩
耗が少なく耐用年数が長いこと、■骨と強固に接合する
ことなどである。

■については、従来より数多くの研究がなされ金属とし
てはＴｉ合金が最も安全で実用的であると言われている
（例えば奥野攻ＢＯｔｌＮＤＡＲＹ。

１９８９年９月号、Ｐ２４〜３１「生体材料としてのチ
タンＪ参照）、　■については、金属またはセラミック
スと超高分子量ポリエチレンの組合せが現状では、最も
優れており、さらに、耐用年数を延長するため表面改質
などの研究がなされている（例えば、パイラン・シオシ
ャンシ、金属表面技術、ｖｏｌ、３９　、　Ｎｏ。

１０．１９８８、Ｐ６６４〜６６８「金属、セラミック
スおよび高分子材料のイオン注入による表面改質の実際
例」参照）、　■についても、骨との強固な接合を図る
ため、表面を粗面化したり多孔質層を設けて骨をこれに
成長侵入させアンカー効果を狙ったりしたものや、さら
にその上にアパタイトやＴＣＰ等のバイオアクティブな
物質をコーティングすることにより、化学的な結合を得
る研究（例えば、大百ａｔａｉ、日本接着協会誌、ｖｏ
ｌ、２２、Ｎｏ、　２（１９８６）１１２ｒ人工骨・関
節と骨との固着」参照）が進められ、一部実用化されて
いる。

〈発明が解決しようとする課題〉しかし、■については若干の問題があった。

すなわち、従来の人工膝関節では、屈曲範囲が限られて
おり、その上限は９０〜１１０°と言われていた。

人工膝関節の開発初期においては病気に伴なう疼痛を除
去できるだけでも、その効果は十分であったが、近年の
ように高齢化が進み、置換手術後２０〜３０年も生活を
おくるためには、可能な限り大きな屈曲範囲が要求され
る。

特に、日本人のように正座生活をする場合、１２０°以
上の屈曲角が必要であると言われている。

さらに、屈曲角を無理に大きくしようとすると、前記ｈ
ｉｎｇｅ型の人工膝関節のように人工関節と骨との接合
面に過大な負荷がかかることになり、骨との強固な結合
が得られないばかりか、長期使用によりゆるみ現象を引
き起こし、場合によっては再置換手術が必要となる可能
性もある。

膝関節の屈曲−伸展運動では、最大屈曲角から６０゛ぐ
らいまでは、大腿骨は脛骨摺動面上のほぼ定点を中心に
“すべり運動”をしている。

６０°付近から０°付近までは、大腿骨は脛骨面上を０
ころがり運動“と“ずベリ運動“の混合運動をし、内外
顆間のころがり率の差は、“回旋運動”どなって現わわ
ると言われている。

従って、屈曲−伸展運動に伴なう抵抗をで参るだけ少な
くすることが必要である。

また、人工膝関節においては、可動域たりてなく安定性
も重要である。

そこで従来の人工膝関節は程度の差はあるが脛骨コンポ
ーネントの摺動面の後方は、凹状に盛り上って高くなっ
ており、また中には人工膝関節そのものに安定性を持た
せるため、摺動面中央に凹みをつζづたものもあった。

このため、前述の屈曲−伸展運動（すべり、ころかり、
回旋）が阻害され大きな屈曲角が得られ、ないばかりか
、運動に伴なう抵抗負荷により７耗の増大ばかりでなく
骨との接合にも悪影當を及ぼしていた。

本発明者らは、膝関節の屈曲−伸展運動が滑らかに行わ
４１、しかも屈曲角１２０°以上を得るために種々の検
討を行りた結果、人工膝関節の大腿骨側コンポーネント
の前後方向の寸法および顆後部の曲率半径と脛骨側コン
ポーネントの摺動面との組合せにより人工ｇ関節の運動
性が決定されることを見いだした。

本発明は、大きな屈曲範囲が得られ、汎用性があり、か
つ長寿命の人工膝関節を提供することを目的としている
。

く課題を解決するだめの手段〉上記目的を達成するために本発明によれば、前壁部、内
および外題部を有し、前壁部は連続し、顆後部から内、
外題間に切欠部を有する大腿骨側コンポーネントと、摺動面がほぼ水平１２中央面、およびこの両側に連続す
る前面部および後面部を有し、さらに後面部から水平中
央面部にかりて切欠部を有する上部プレートと、ベース
プレートとを有する脛・ｌ−側コンポーネントとで構成
される人工膝関節において、前記大腿骨側コンポーネントの顎後部外面の曲率半径（
Ｒ）と大腿骨側コンポーネントの前後方向寸法（Ｌ）と
の比（Ｒ／Ｌ）が０．２７〜０．３３の範囲であり、か
つ、前記脛骨側コンポーネントの前記後面部の後方終端
部を凸面状に形成し、かつ、前記水平中央面部から前面
部にかかる上面中央に、前記大腿骨側コンポーネントの
前記切欠部に嵌合する台部を形成したことを特徴とする
人工膝関節が提供される。

前記脛骨側コンポーネントの上部プレートの摺動面の市
ｆ面部が、前記大腿骨側コンポーネントの顆の面にほぼ
対応するように前記水平中央面部から前方に向かって凹
状に盛り上がっているのが好まし５い。

以下に本発明をざらに詳細に説明する。

まず本発明の基礎となった実験結果について述べる。

第３図に示す人肺関節の大腿骨１の前後方向寸法（ｆｌ
）と同順後部曲率半径（ｒ）どの関係を調査した結果は
、第２図にＯ印で示す通りてｒ　／　１が０．２７〜０
，３３の範囲にあることがわかった。　なお、第３図中
の２．３はそれぞれ脛骨、膝蓋骨である。

そこで、第１図に示す大腿骨側コンポーネント４の前後
方向の寸法（Ｌ）と顎後部外面の曲率半径（Ｒ）との比
（Ｒ／Ｌ）を０．２５〜０．４０の範囲に変化させた大
腿骨側コンポーネントと、この大腿骨側コンポーネント
の運１りを阻害しないように接合面を平面化した脛骨側
コンポーネントを作成１ノ、こわを屍体膝関節に取り付
けて可動域の調査を行なった結果は、表−１の通りであ
った。

表−１からＲ／Ｌが０２２７＝０．３３＋７）範囲で可
動域、安定性とも良いことかゎがる。　この値は前記人
肺関節のｒ　／　１とも一致し、本発明の人工膝関節が
高い汎用性を有することがわかる。

表−１なお、従来品の人工膝関節について、大腿骨側コンポー
ネントのＲ／Ｌを調査した結果は第４図にム印で示すよ
うにＲ／Ｌが０．３３より犬であった。

しかし、得られた最大屈曲角は１２０°までであり、従
来の人工膝関節と比較して大幅に改善されていることが
判明したが、正常膝関節に近い屈曲角には至らなかった
。

この原因について、さらに屈曲時の膝の骨と人工膝関節
の位置関係をＸ−ｒａｙで確認を行なったところ、脛骨
側コンポーネントの後部が大腿骨顆後部の残存骨と干渉
していることが判明した。　そこで、脛骨摺動面の終端
部の角を落とした、すなわち終端部を凸面状に形成した
脛骨側コンポーネントを用いて前記試験を行なったとこ
ろ最大屈曲角１４０°が容易に得られるようになった。

なお、屍体骨を用いた実験の結果、脛骨側摺動面を平面
化したり、その終端部の角を落としたことによる不安定
化は、周囲の軟組織がしっかりしていれば全く問題がな
いことがわかった。

本発明の人工膝関節を第１図に示す好適実施例に基づき
説明する。

大腿骨側コンポーネント４は、前壁部４１、内、外題４
２ａ、４２ｂ、および内、外題４２ａ、４２ｂのほぼ中
央の内面に骨への固定を強固にするため突起４４が設け
られている。　大腿骨側コンポーネント４の摺動面（外
面）の形状は、いくつかの円弧が組み合わされた円弧状
となっている。

大腿骨側コンポーネント４の前後方向寸法（Ｌ）と顆後
部４３外面曲率半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｌ）を０．２７〜
０．３３の範囲とする。　Ｒ／Ｌがこの範囲外では、１
４０°の屈曲角、スムーズな運動性および良好な整合性
が得られない。

大腿骨側コンポーネント４の骨接合面（内面）および突
起４４の形状は、特に限定せず公知のものでよい。　ま
た、その材質も公知の金属、セラミックス等を用いるこ
とができ、生体適合性に富むものが好ましい。

脛骨側コンポーネント５は、上部プレート６とその下面
（脛骨２側）に取り付けるペースプレート７で構成され
、ベースプレート７、の下面には脛骨２への固定を行う
ために適宜の形状および数のねじ部８等が突設されてい
る。　これら各部品の形状、材質等は、上部プレート６
の摺動面の形状を除き特に限定せず公知のものでよい。

前記上部プレート６の一例を第５図および第６図に示す
。

上部プレート６の摺動面は、水平中央面部６１とこれに
連続する前面部６２および後面部６３ならびに中央台部
６４で構成されている。

前記水平中央面部６１は、大腿骨側コンポーネント４の
摺動面（外面）と当接する部分である。

前記前面部６２は、凹状に上方に反り前方に向って盛り
上るように高く形成すると、膝関節伸展時の大腿骨側コ
ンポーネント４と脛骨側コンポーネント５との接触域が
広くなり荷重を分散させる効果があるので好ましい。　
また、大腿骨側コンポーネント・の過度の前方移動が阻
止できる点でも安定性が増すので好ましい。

この凹状の程度は、大腿骨１下端前部の曲率半径と同一
またはこれよりやや大きい曲率半径とするのが望ましい
。

上部プレート６は前記後面部６３から水平中央面部６１
にかζづて切欠部を有して後部が左右に分岐している。

　この左右の後面部６３の後方終端部は凸面状に形成さ
Ｊ］、その曲率半径は３　＝　１０　ｍ　ｍが好ましい
。　その理由は、曲率半径が３ｍｍ未満では、凸面状に
した効果が小さく、また１０ｒｎｍ超では、最大屈曲時
に大腿骨側コンポーネント４の顆後部４３が水平中央面
部６１より外ねたところで接する可能性があるためであ
る。

中央台部６４は、コンポーネント４および５をそわぞれ
＋１．２に接合したときに内、外題４２ａ、４２ｂの間
の切欠部に人り込める位置に設け、その上面は平面に限
ることなく、また、その形状、寸法は、大腿骨側コンポ
ーネントの切欠部と同等か、それより１−・２　ｍ　ｒ
ｎ小さ目がよい。　さらに、その高さは大腿骨側コンポ
ーネント４の肉厚の１／２以下の１−３ｍｍ程度が好ま
しい。　これにより大腿骨側コンポーネント４の安定性
を増すことができる。　その理由は中央台部６４が大き
すぎる場合には、大腿羽側コンボ−・ネント４の自由度
が損われ、小さすぎると、安定化に寄与しないからであ
る。　また、高さについては、あｊ−り高くなるとプレ
ート６が摩耗したり沈み込み現象が起こった場合、中央
台部６４と大腿骨１どで接触する可能性が出てくるため
である。

〈実施例〉以下に本発明を実施例に基づき具体的に説明する。

（実施例１）大腿１１・側コンポーネントの前後方向寸法（！、）と
、穎後部の曲率半径（Ｒ）との比（Ｒ／Ｌ）が０．２７
〜０．３３の間で各諸接Ｒ／Ｌ値間の比が１４０６にな
るように、第４図に○印で示す１８種の大腿骨側コンポ
ーネントをチタン合金で精密鋳造により製作した。

大腿骨側コンポーネントの内面は第１図に示す公知の形
状とした。

脛骨側コンポーネントについても、大腿骨側コンポーネ
ントに合せて１８種のベースプレートを製作した。　　
このベースプレートの上に組み合わされる上部プレート
−は、幅が同一の場合上部プレートの品揃え数を減らず
ため前後方向には関係なく共通で使用できるようにした
。　ここで、−例として大腿１・側コンポーネントの幅
６４ｍｍの場合における脛骨側コンポーネントの上部プ
レートの摺動面形状について説明すると、上部プレート
の幅、前後方向寸法は、千ねぞれ６６ｍｍ、４４ｍｍで
、前後方向各部の寸法は水平中央面部２４ｍｍ、前面部
１７ｍｍ、後面部３ｍｍとし、前面部および後面部の終
端部の曲率半径はそゎぞれ４５ｍｍ、４ｍｍにした。　
上部プレートの材質は超高分子量ポリエチレンとした。

　ベースプレートおよびねじ部は、第１図に示す公知形
状とし、オオ買はチタン合金とした。

前記大腿骨側コンボーネン！・と胛骨側コンボーネン）
・を屍体骨へ埋込み、可動域試験を行なったが、いずれ
も屈曲角１４０”がスムーズに得られ良好な可動性をＭ
’　してぃた。

〈発明の効果〉本発明は、以上説明したように構成されているので、疾
病や事故等で損なゎ４また膝関節の人工代替物として使
用される人工間関節として本発明の人工膝関節を用いる
ことにより膝関節可動域を正常膝関節に近い状態まで大
幅に拡大するよう改善できる。

また、本発明の人工膝関節は、汎用性を有するとともに
、骨との整合性か良好なため、人工膝関節の寿命を延長
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の人工膝関節の装着状態を示す部分断
面図である。第２図は、人肺関節の大腿骨の前後方向寸法と顆後部曲
率半径との関係を示す図である。第３図は、人肺関節の概略図である。第４図は、人工膝関節の大腿骨側コンポーネントの前後
方向寸法と穎後部曲率半径との関係を示す図である。第５図および第６図は、それぞれ本発明の脛骨側コンポ
ーネントの上部プレートの平面図およびその側面図であ
る。符号の説明１・・・大腿骨、２・・・脛骨、３・・・膝蓋骨、４・・・大腿骨側コンポーネント、５・・・脛骨側コンポーネント、６・・・上部プレート、７・・・ベースプレート、８・・・ねじ部、９・・・膝蓋骨コンポーネント、４１・・・前壁部、４２ａ・・・内題、４２ｂ・・・外題、４３・・・顆後部、４４・・・突起、６１・・・水平中央面部、６２・・・前面部、６３・・・後面部、６４・・・中央台部Ｆ　Ｉ　Ｇ、　３ＦＩＧ、１ＦＩＧ、２大腿骨の許後方向寸泌（１）（ｍｍ）ＦＩＧ、４

Claims

【特許請求の範囲】

（１）前壁部、内および外顆部を有し、前壁部は連続し
、顆後部から内、外顆間に切欠部を有する大腿骨側コン
ポーネントと、摺動面がほぼ水平な中央面、およびこの両側に連続する
前面部および後面部を有し、さらに後面部から水平中央
面部にかけて切欠部を有する上部プレートと、ベースプ
レートとを有する脛骨側コンポーネントとで構成される
人工膝関節において、前記大腿骨側コンポーネントの顆後部外面の曲率半径（
Ｒ）と大腿骨側コンポーネントの前後方向寸法（Ｌ）と
の比（Ｒ／Ｌ）が０．２７〜０．３３の範囲であり、か
つ、前記脛骨側コンポーネントの前記後面部の後方終端
部を凸面状に形成し、かつ、前記水平中央面部から前面
部にかかる上面中央に、前記大腿骨側コンポーネントの
前記切欠部に嵌合する台部を形成したことを特徴とする
人工膝関節。
（２）前記脛骨側コンポーネントの上部プレートの摺動
面の前面部が、前記大腿骨側コンポーネントの顆の面に
ほぼ対応するように前記水平中央面部から前方に向かっ
て凹状に盛り上がっている請求項１記載の人工膝関節。