JPS581443A - 股関節の補綴 - Google Patents

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】 本発明は、改良された大腿骨固定ステムを有する股関節
補綴に関する。

全体的股関節補綴の大腿骨のが一部は、大腿骨の骨髄の
空洞内に受入れられてセメントによシ遣所に保持される
固定ステム忙よシ大騙骨へ固定される。何年間にもわ九
夛、大腿骨と勿論固定ステムは、主として圧縮と曲げ荷
重から成る数万回に及ぶ荷重サイクルを受ける。いかな
る構造部材のこのような周期的負荷の間においても、荷
重を減少させることは、このような部材の設計における
非常九重要な目標である。一般に、これらの荷重サイク
ルの関に生ずる応力は、ステムの中央３分の／の所で最
大である。そこでは、撓みによる張力が最大である。

応力を減少させるという問題は、ステムのために用いら
れる材料と寸法と形状の選択に基いてより小さい撓みで
よシ大きい荷重を支持することのできるステムを提供す
ること罠よ）全く容易に！決し得るように思われるかも
知れない。このアゾａ−チは、然しなから、成功しない
。大腿骨の固定ステムが、大腿骨の骨髄の空洞内の適所
にあり。

且つ骨とセメントとステムの複合構造体が、損われない
とき、骨に比較してより大きいステムの剛性が、ステム
により重く負荷を掛け、これが骨から荷重を取り去る。

骨は、それに加わる荷重に従って作シ直されるので、骨
に加わる荷重の減少は。

複合構造体内の骨の量の減少を結果として生じさせる。

骨の悪化が望ましくないという事実は別として、潜在的
な悪循環が存在する。骨の負荷の減少の結果生じる骨の
量の減少祉、骨九より与えられる剛性をも減少させる。

これは、減らされ九骨に関して１選択されたステムの相
対的剛性を増大させる。これが、骨に７１Ｅｌ−わる負
荷を更に減少させる。それ故、応力を減少させるための
この外見上のア！ローチは、上方脚部へ股関節補綴のゴ
ールを固定する。骨とセメントとステムの複合構造体の
悪化を加速するという結果を生じさせる。

本発明に従って、ステ＾の応力を減少させる股関節補綴
の大幅骨固定ステムが提供される。このステムは、ステ
ム内の応力を最少九すると共に骨の中の応力を最大にす
るために、３つの条件即ち設計基準に適合する。第１に
、ステムが損われていない骨とセメントドステ五ノ複合
構造体の一部であるとき、ステム内の応力が最少となる
。第、２Ｖｒ−１中心（基部）に近い方の支持が減少又
は失われて、ステムが、単独で荷重の大部分又は全部を
支持しなければならないとき、ステム内の応力が最少と
される。第３に、ステムの存在の結果として骨の沖の応
力の減少２に最少となる。

上述の最初のλつの条件は、競争する。第１の場合にお
いて、複合構造体が損われていないとき、構造体上に加
わる荷重が、構成要素の相対的剛性に従って構成要素間
に分配されるので、最小断面をもつステムは、そのより
大きい可撓性の故に最も軽く負荷され、それ故最少の応
力をもつ。第一の条件について、ステムが単独で荷重を
支持する場合、断面が最大であるステムが、最少の応力
を４つ。

る張力が最大となるステムの領域における応力の減少が
達成されるように、包囲する骨に比較して低い制御され
九可撓性を有するステムが提供され丸。応力を最も受け
るステムの長さくおいて、平坦にされた横側により先端
を切られた円形断面が、ステ＾が単独で荷重を支持する
とき曲げ荷重が通常は最大となる。実質的に増大し丸断
面寸法を与える。他方、損われていない複合構造体につ
いて。

先端を切られた横側罠より与えられるよシ大きい寸法が
、より太いステ五部分を曲げの中立軸線により近く位置
決めし、この中立軸線においては。

曲げモーメントから生ずる応力が最小であるユこれ鉱、
大腿骨の横＠忙ある骨が１曲げの中立軸線から最も離れ
た場所で増大した張力によって最大応力を支持すること
、を可能とする。

次に、簡単に言えば、本発明罠よる大腿骨固定ステムは
、上に゛略述し九３つの設計基準に適合する。それは、
複合構造体が損われていないとき、ステ１の応力を最少
にする。それは、中心（基部）に近い方の支持が失われ
たとき、ステムの応力を最少にし、ステムは、単独で関
節から残余の支持点へ荷重を伝える。それは、複合構造
体が損われていがいとき、骨の応力の減少を最少にする
。

周期的負荷から繰返し応力を最も受けるステムの部位に
おいて、ステムの断面は、その断面の外局の大きい部分
の周りに円形とされる。この断面形状祉１前後の方向と
中央の方向へ骨髄の空洞を満たし、且つ横側で楕円の先
端を切る平坦部を有する、先端を切られた楕円形とする
ことができる。

この楕円の断面は、骨髄の空洞の断面形状に最もよく近
似するっ然しなから１円の形状寸法に基づく断面形状が
、製造と移植に有利であるので好ましい。

ステムを空洞内に正しく配置するために、ステムが空洞
を満たすセメントを通して挿入されるとき、ステムの端
部にある傾斜面が、ステムを骨髄の空洞の中央側の方へ
向ける。上向きに、カラーは、空洞内に在るべきステム
のこの部分を終結させる。このカラーは、通常、大腿骨
の最上端に位置する。勿論、中間区分は、カラーから上
方に延び、全股関節補綴のが−ルとソケットの関節のダ
ールに終っている。

補綴のステム部分０可撓性は、上述の３つの設計基ｓＫ
従って最少とされる。ステムの好ましい材料は、ｎ　　
ＡＭ　ｕｖｃ４−アルオニつふと≠−パナヂニームで合
金にされたチタニウム）である。ステムの寸法及びそれ
故可撓性は、下方ステムが適所でセメントで固められた
ときの下方ステムＫｊｌｌも近い大腿骨の骨の中の応力
１Ｂ複合が。

Ｘテｂとセメントのない然し同様な荷重下での大腿骨の
骨の中ノ応力’ａ　単独以上となるように・選ばれる。

同時に、セメントと骨を包囲する支持のない補綴大腿骨
固定ステム内の応力（Ｆｐ　　単独は。

結局はステムの疲労に終るのに十分な応力Ｓｐ、より小
さい。他の点では円形断面の、横側の先端を切る平坦部
の配置が、好ましい実施態様の特定のステムのこれらの
改良された特性に寄与しているう平坦部は、断面の円形
部分の中心から距離りだけかけ噛れている。距離りは、
約Ｏｊ　ｒｐ　以上であり且つ約０．７ｒ　　以下であ
る。ここに、「、は、断ｐ 面の円形部分の半径である。、％に好ましい実施態様に
おいては、ｈは約０−　Ａ　ｊ　ｒｐ　である。

本発明の上述の及びその他の特徴と利点は、好ましい実
施態様についての以下の詳細な説明を添付図面と組み合
わせて参照することにより、より良く理解されるであろ
うっ 補綴１０は、ソケット部材即ち組立体１１を含み、ソケ
ット部材１１は、その詳細は本発明の一部を形成しない
ので、単に略図で示されている。

ソケット部材１１は、技術分野において公知のデラクテ
イスに従って形成しうる、というだけで十分である。

大腿骨部材１２は、股関節補綴のが一部１４を与えるの
であるが、骨髄の空洞１８を満丸し且つその空洞１８内
の適所に大腿骨固定ステム２０を固定するセメント１６
により、大腿骨１５へ固定サレテいる。カラー２１は、
ステム２０の上端ヲ―成し、大腿骨とその骨髄の空洞の
上端に在り。

セメントで満たされた空洞内の所望の深さにステム２０
を位置決めするようになっている。大腿骨部材１２の中
間結合部分２２け、カラーから上方と中央へ延び、メー
ル１４を大腿骨に関して位置決めすると共！／ｃ＋Ｐ−
ル１４をステム２０へ固定する。

ステム２０の先端２４には、下方と中央へ傾斜する表面
２５があシ、ステム２０が未だ固まっていないセメント
１６を通し文挿入されるとき、先端２４を空洞１８の中
央側の方へ案内するのを助ける、そのとき、ステム２０
は、挿入の間所望により空洞の中央側へより接近して位
置する傾向がある。

切断線２−２と３−３との間のステム２０の長さに沿う
すべての位置で、ステム２０の横断面は。

その外周２７の大部分の周りに円形であり、且つ平坦部
２８により先端を切られている。断面３−３の場所のす
ぐ上では、ステムは、前と後の平坦部２９を除いて、実
質的に円形になっている。平坦部２９は、多かれ少なか
れステムの長さに沿って延び、大腿骨の軸線の周りに回
転しないように固定性を高める。

第１図において、複合構造体（損われていない骨、硬化
したセメント、及びステム）の曲げの中立軸線が、Ｉｆ
ｓｎとして中に引かれている。中立軸線ｎ　Ｂ　、複合
構造体の中心軸線の近くに配置されている０本明細書の
次の区分の目的のため、設計の種々のノ譬うメータが第
３図に示されている、「　は与えられた断面における大
腿骨の半径、「。

は骨髄の空洞の半径、「ρ　はステムの横断面の弧状部
分の半径、ｈは平坦部２８から断面の外周の弧状部分を
形成する円の中心までの片寄り距離である。

与えられた骨の形状寸法について決定されるベキ断面の
ノクラメータは、「ρ　とｈである。最良の補綴を設計
する際の目標は、各々の骨の直径圧ついて、３つの設計
基準、即ち損われていない複合構造体内のステム応力の
最小、中心に近い方の支持のないステム応力の最小、及
び複合構造体が損われていないときの骨の応力の減少の
最小、ｔ−最もよく満足させるようにｒ、とｈの値を選
ぶことである。

複合構造体へ加えられ九曲げモーメン）Ｍによる応力が
、補綴ステムの断面の円形部分２７と骨の内側表面と外
側表面とが同心である場合について計算された。設計応
力は、次の通り、複合梁の理論を用いて求められた。複
合体の一部とし１のステムについて、複合体の一部とし
ての補綴内の応力Ｐ複合は： である。

ステム単独圧ついて、そのステムが単独で荷重を支持す
るときの補綴内の応力　１Ｐ　　単８は：ｔ １Ｐ　単独＝−」−である。

Ｐ 複合体の一部としての骨について： 骨単独について： 骨の重心に関して複合体の曲げの中立軸線の位置は、次
式により求められる。

上述の式において： １８．１ｏ、　ｌ、　　は、夫々、骨とセメントと補綴
の面積慣性モーメントであり； Ｅ８．　Ｅｏ、　Ｅ、は、夫々、骨とセメントと補綴の
弾性係数であシ； ＾８．＾０．＾、は、骨とセメントと補綴の夫々の面積
であル； ■、と１゜は、骨の重心に関して、補綴とセメントの重
心の位置を夫々示し； ｔ８とｔ、ｉ！、夫々、骨と補綴内の中立軸線から最大
応力の点までの距離である。

３基準の設計問題は、単一の目標とコつの強制とをもつ
問題として１次の通り、再公式化することができる。

と伽定して　（Ｆｐ複合を最少にすること、である。

こζに： ３、Ｆは、補綴の疲労強度であり： ＲＭＩＮは、骨が単独で荷重を支持するときの骨の応力
に対する、複合体の一部としての骨の応力の、最少杵容
比であるっ Ｓ、Ｆは、用いられる材料により左右され、ＲＭＩＮの
値は、臨床経験と診断に基いて選択することができる。

設計基準応力、リ　複合、ｃｌｐ　単独、″Ｂ複合、及
び′Ｂ　単独が、補綴と骨の広範囲の形状寸法について
計算された。最適設計・譬うメータ「ｐ　とｈを選ぶた
めの手順を、典型的な大きい大腿骨を代表する骨の形状
寸法九ついて、ここに説明する。

その結果中ずる複合構造体は１次の様に説明される。

骨の形状寸法：　（０＝２／、７　ｖｍｒ＝／μλ− 応力が最大となる臨界断面における曲げ峰−メント： Ｍ＝／４？Ｘ１０３Ｎ　ｍ　（／ｊＯ（７１ｎ−Ａｂ）
（／　７．コＩ　　ＫＰ−ｓ） 弾性係数二 骨：　Ｅ８＝／７．２Ｘ１０３Ａｔ４／ｄｃユｊＸ／（
７’ｐｓｌ）（／　７！　、　７７４即／ｓｌ） セメント；εｃ　＝Ｊ、’Ａ　！；　Ｘ　／　０３ＭＨ
７’ｊ（（１）ｊｘ１０’　Ｐ　ｓ　Ｉ　）（３ｊ、／
にｊゆ／５ｌ） Ｔ４１ｓＡｌ　弘Ｖステム： Ｅ　＝／／７×ＩＯ’ＭＮ／ぜ（／７ｘ１０’ｐｓｌ）
（／、／りｊ、２７θ　リ？り一） ｃｏ　ｃｒ　ＭＯステム； ｔ　＝、２４４１！ｘ１０３ＭＮ／ｊ（Ｊ／＊ｘ１０’
ｐｓ１）（，２，、！；、３／、／４０勢−） ｎ　６Ｍ≠Ｖステムの降伏強度： ｓ、＝ＩＯθＭＮ／ぜ　Ｃ／／！、０００ｐｓｌ）（に
、０ざより／ｄ） ｎｔｇｌＬｔｖステムの疲労強ｆ： ０、　ｊ　ＯＳＹであると内輪に見積もって’ＰＦ　；
４Ｌ（１）　（７ＭＮ　７ｍ　（３７ｅ　６θ（７ｐｓ
ｌ　）（弘、０２０す／ｃｄ） 上述に加えて、最少貯容比 ′Ｂ単独 を遇ばねばならない。現存する設計九ついて、Ｒのｆｌ
ｌが、前述の手順を用いて求められた。これらの値は、
終始一貫して、０．７〜Ｏ９ｔの範囲内に入ることが見
出された。九とえ骨がより少なく負荷されるとしても、
特に長期間の問題は何も、今まで観察されていない。従
って、これらの応力水準が安全であると推定され、Ｒの
最小値がＲＭ、Ｎ＝０．７ であるように選ばれた。

ｈＬユニー 第λの設計基準を満足させるため罠、大きいステムが要
求される。最大寸法は、ステムから骨への良好な荷重伝
達と調和した移植のため十分な厚さの竜メント層を許す
ものでなければならない。

構造の分析は、セメントの厚さを最小とすべきことを推
奨しており、それ故、制限は外科的な考慮に基いている
。もし本補綴の半径「、が空洞の半径　「　の約１０−
より大きくないならば、４メントの厚さは適壱であるで
あろう。それ故、「、の次の値が、ここに提供した設計
曲線中に用いられた。

「＝９．２≠箇（’　＝０．７　ｒａ−館弘図）ｒｐ ｒ＝／／、≠−（「　＝θ）「、、第５図）ｒｐ 材料の選択 ステムの材料の選択は、ｎＡＭ　≠Ｖ（第参図と第５図
の曲線Ｔ）とＣｏ　Ｃｒ％に３（纂弘図と第５図の曲＃
Ｃ）との間にあつ九。骨の応力、″８複合は、ｎｌｐＭ
ｔｌ−Ｖステムに対し、常により大きい（第弘１図と第
ｊａ図におけるより大きいＲ）。

補綴ステムの応力１Ｐ　複合は、コバルトクロムのステ
ムの場合よりもチタニウム合金のステムの場合に常に小
さい、第弘Ｃ図と第ｊｃ図参照。それ故、＃ｉ述の設計
基準の第１と第３Ｆｌ、ｎ４Ａｌ弘Ｖステムにより最も
よく満足される。′Ｐ　単独は材料とは無関係であるの
で、材料の選択は、第λの設計基準の満足に影響を及ぼ
さない。第弘ｂ図と第ｔｂ図参照。

Ｈｙす１廊− ｒｐ　　の分数としてｈを決定するのが便利である。

それ故、第２図と第３図は。

ｒｐ の函数として打点された。

ｈ＝０の場合、ステムの断面形状は半円であり、ｈ＝／
の場合１円となる。

設計の強制： 約Ｏ１ｊよりも大きいｈの値に対してのみＩＰ単独　＜
　　ｓ、。

が満足される（第弘ｂ図、第ｊｂ図参照）５設計の強制
： ｒ＝９．りＩＩ　ｗｍ　（ｒｐ＝　０．７　ｒ１第１Ａ
ａ図）に対するｈのすべて値について、及び ｒ　　−／／、弘■（ｒ　　＝０．Ｉ　ｒ、、鮪ｊ口図
）に対ρ　　　　　　　　　　　　　ｐ し約０．７未満のπの値について、満足される。

それ故、すべての設計基準は、０．３と０．７の間のＷ
の値について満足される。範囲九ついては、り単独は約
コＯ−（第＋ｂ図、菖ｚｂ図）減少し、’Ｐ　複合Ｆｉ
約２０　％　（第ｐｃ図）又は／３−（第ｊｃ図）増大
する。ステムの応力１Ｐ　複合は。

ｒｉｎｇ≠Ｖの疲労強度よりかなシ低いので、最大の利
益は、許容範囲内でｈのよシ大きい値をとること罠より
得られる。これに基いて、ｈ＝ｏ、ｔｚの値が選ばれた
。

典槃的な大腿骨について、好ましい実施態様の特定の特
徴を上に説明したけれども１本発明の精神と範囲に従う
ステムをもり他の股関節補綴は、技術分野の商業者に容
易に明らかとなるであろう。

従って、好ましい実施態様の前述の説明は、４Ｉ許請求
の範囲に記載された本発明の範囲を限定するように理解
されるべきではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、移植されたときの実施態様の正両立面図であ
る。 第２図は、第１図の２−２ｇＫ沿う断面図であって、ス
テムの下端におけるその先端を切られた断面を示す。 第３図は、第１図の３−３線に沿う断面図であり、ステ
ムの上部の先端を切られた拡大断面図である。 ＩＩｓ≠・図は、ステムの横断面の半径九対する平坦部
の片寄シの比りに対し、骨単独の中の応力に対する複合
構造体内の骨の中の応力の比Ｒを打点し九グラツ表示で
ある。 第弘ｂ図は、ｆｉＫ対して打点された。補綴ステム単独
内の応力のグラフ表示である。 第４４ｃ図は、πに対して打点された、損われていない
複合構造体内の補綴ステム内の応力のグラフ表示である
。 第ｊａ図は、第Ｖ−図に類似のグラフ表示であるが、骨
髄の空洞に比較して断面がより大きい補綴ステムについ
ての４のである。 ｆｌｌｌｔｊｂ図は、より大きい補綴ステムについての
、第≠ｂ図に類似のグラフ表示である。 第ｔｃ図は、第≠Ｃ図に類似のグラフ表示であるが、よ
り大きい補綴ステムについてのものである。 １２・・・大腿骨構成要素。 １４・・・メール。 １６・・・女メント、 １８・・・大腿骨の骨髄の空洞。 ２０　、、、ステム、 ２７・・・円形部分。 ２８・・・平坦にされた横側。 ２４・・・傾斜表面。 弁理士　　中　　　村　　　　　　　捻回　　　　山　
　　　本　　　　　　　　　部同　　　　串　　　　岡
　　　　八　　　　即問　　　大　　　塚　　　文　　
　開 開　　　宍　　　戸　　　嘉　　　− 図面の浄書（内容に変更なし） ＦＩ６．２　　　　　　　　　　　　　　Ｆ／に、Ｊｈ
”ｈ／ｒｐ ｈ＊ｈ／ｒｐ 手続補正書（方式）　５７．ａ、−ａ 昭和　　年　　月　　日 特許庁長官　殿 １、事件の表示　昭和！７年特許願　第３．！；２７７
号２、発明の名称　　　股関節の補綴 ３、補正をする者 事件との関係　出願人 ４、代理人 ６、補正の対象　　全図面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／、　解剖学上の股関節のダールとソケットのが一ルと
   置換するように適合された？−ル１４と、大腿骨の骨髄
   の空洞１８内に受入れられてセメント１６によシ固定さ
   れるよ５に適合され九ステム２０と、を含み、大腿骨へ
   取付けるように適合された股関節の補綴用の大腸骨構成
   要素１２において、ステムの最大応力の部分において、
   ステムの断面形状が、断面の外局の大きい部分の局りで
   ほぼ円形２７にされ、平坦にされ圧損側２８で先端を切
   られていること、を特徴とする大腿骨の構成要素。 ユ　ステム２０の末端は、ステムの横側から中央側へ下
   方に傾斜する表面２４に終っており、この表面２４は、
   ステムが流入セメント内に挿入されるとき骨髄の空洞の
   中央側に近い位置へステムを案内すること、を特徴とす
   る特許請求の範囲路１項に記載の構成要素。 ３、′Ｐ単独＜　ｓ、。 但し、′Ｐ単独は、セメントと骨を包囲する支持のない
   ステムの前記部分の中の応力であり。 ３ＰＦは、結局ステムの疲労に終るのに十分な応力であ
   ること、を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の構
   成要素。 弘　ステムの前記部分の可撓性が であること、但し １Ｂ　複合は％適所にセメントで固められ九ステムをも
   つ前記部分に最も近い大腿骨の骨の中の応力であり。 １Ｂ　単独は、同様な荷重の下で、前記ステ＾とセメン
   トのない大腿骨の骨の中の応力であること。 を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の構、成要素
   。 よ　ステムの可撓性が、最少化されていること。 を特徴とする特許請求の範囲館３項又蝶第≠項に記載の
   構成要素。 ６．断面の外周のはぼ円形にされた部分２７が円の一部
   であシ、平坦圧された横側２８が、この円の中心から距
   離りだけ離間されており、ｈは。 ０．３≦□≦　０．７ ｐ 但し「、＝前記円の半径、 であるようなｈの値であること、を特徴とする特許請求
   の範囲第３項に記載の構成要素。 ７、　−　＝　０．．４　ｊ ｐ であること、を特徴とする特許請求の範囲第６項に記載
   の構成要素。 ざ、　ステムの材料が、ｎ４Ａｌ弘Ｖ（アルミニウム６
   −．パナデユーム≠饅、を含むチタニ息−ム合金）であ
   ること、を特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の構
   成要素。 ２　外周のほぼ円形の部分２７が、最大応力の前記部分
   におけるステムの与えられた断面に隣接する骨髄の空洞
   １８の半径ｒ　の約１０−以下黴とする特許請求の範囲
   １１ｃ１項、第弘項、又は第を項に記載の構成要素。