KR100358191B1

KR100358191B1 - 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓 및 이것을 구비한 인공관절

Info

Publication number: KR100358191B1
Application number: KR1020000007362A
Authority: KR
Inventors: 윤용산
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2002-10-25
Also published as: DE60118818D1; EP1125562A3; KR20010081559A; JP2001269360A; EP1125562B1; DE60118818T2; EP1125562A2; JP3553023B2; US20010014828A1; US6524344B2

Abstract

본 발명은 대퇴골에는 고정되고 스템의 표면에는 슬라이딩하여 씌워져 일체화되도록 구성함으로써, 인공관절 수명에 해로운 전단응력을 대폭 감소시키고 응력차단 현상을 대폭 완화하며, 대퇴골과 스템과의 틈새형성을 억제함으로써 이물질 침투로 인한 대퇴골의 융해를 최소화하는 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓을 제공하는 데 그 목적이 있다. 본 발명의 자켓(10)은, 인체의 대퇴골(15)의 단부에서 길이방향으로 파낸 구멍속에 삽입되어 사용되는 통상의 인공관절 스템(21)의 대부분을 덮어 씌울 수 있도록 스템(21)과 대응하는 형태로 형성되고, 스템(21)과의 결합시에 신장하여 일체화되도록 유연하면서 영구적으로 사용가능한 재질로 형성된다. 또한, 자켓(10)은 시멘트(cement)로 제조되거나, 시멘트로 제조된 자켓의 내면에는 내마모성이 우수한 합성수지층(12)이 형성되어 있다. 또한, 자켓(10)의 표면에는 수술시에 사용될 수 있도록 대퇴골(15)내에 미리 주입된 시멘트가 자켓(10)의 삽입시에 상부로 용이하게 배출될 수 있도록 자켓의 길이방향을 따라 배출경로(13)가 형성되어 있다.

Description

시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓 및 이것을 구비한 인공관절{Jacket for cemented artificial joint and the artificial joint with it}

본 발명은 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓에 관한 것이며, 특히, 대퇴골에는 고정되고 인공관절 스템의 표면에는 슬라이딩하여 씌워져 일체화되도록 구성된 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 위와 같이 구성된 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓에 인공관절 스템이 슬라이딩하여 씌워져 일체화된 인공관절에 관한 것이기도 하다.

일반적으로, 인공관절은 비구(acetabulum)부분과 대퇴골(femur)부분으로 구분되어 있어, 대퇴골부분은 금속이나 세라믹, 비구부분은 폴리에틸렌으로 각각 제조하거나, 양 쪽 모두를 세라믹으로 제조하여 사용하고 있다.

그리고, 인체의 대퇴골은 피질골 또는 다공질 뼈로 구성되어 있으며 내부에 길이방향으로 골내강이 있고 이 골내강을 적절한 크기로 파내고 이곳에 시멘트(cement)를 채워 넣은 후 인공관절 스템(stem)을 삽입하여 고정시키고 있다.

이 때, 인공관절의 스템과 인체의 대퇴골을 응결시키는 시멘트는 화학적 접착력이 없으며, 단순히 물리적인 결속에 의한 고착력에 의해 이루어진다.

앞서 설명한 바와 같은 방법으로 시술되는 인공관절에 대한 기술은, 본 출원인이 출원하여 권리를 획득한 대한민국 특허공고 제85-1814호(발명의 명칭 : 인공전치환 고관절)에 기술되어 있다.

도 1을 참조하여, 그 기술내용을 간단히 살펴보면 다음과 같다.

인공관절(1)은 상부로부터 두부(2), 경부(3), 칼라(4) 및 스템(5)이 일체로 형성되어 있다. 여기에서, 칼라(4)의 선단부는 대퇴골의 피질골의 내측 상단에 밀착되게 만곡되어 있고, 스템(5)은 그 상부단면을 원형단면에 가까운 타원형 단면으로 하여 하부로 가면서 원형단면을 이루도록 되어 있다. 이렇게 스템(5)을 형성하는 것은 관절의 수직상부에서 가해지는 압축력과 관절의 스템에 수직방향으로 가해지는 횡력에 대한 비틀림을 방지하기 위해서다.

그리고, 이런 스템(5)의 상부 외측면에는 수술후 임의의 방향으로 회전토크가 발생하더라도 관절이 대퇴골내에서 회전하는 것을 방지할 수 있도록 적당한 두께의 날개(7)가 길이방향으로 돌설되어 있고, 이런 날개(7)의 중앙에는 고정공(8)이 형성되어 있다.

또한, 날개(7)의 내측에는 다수의 철선공이 스템(5)의 길이방향으로 적당한 간격을 두고 각각 형성되어 있고, 이런 철선공에는 사슬형 철선(9)이 끼워 감겨 있다. 이렇게 사슬형 철선(9)이 감긴 부분을 포함한 스템(5)의 표면에는 시멘트(6)가 적당한 두께로 코팅처리되어 있다. 이렇게 시멘트(6)를 미리 코팅처리하는 것은 수술시에 사용되는 시멘트와의 접합을 용이하게 하고 시멘트의 사용을 줄여 양생시에 발생하는 열량을 줄이기 위해서다.

이와 같이 구성된 인공관절을 인체의 대퇴골내에 삽입하기 위해서는, 먼저 인공관절(1)의 스템(5)이 삽입될 수 있도록 골내강(femoal canal)을 적절히 파내 구멍을 형성하고, 이곳에 시멘트를 적당량 주입한다. 그런 다음, 시멘트가 주입된 부위에 스템(5)을 삽입시키면, 스템(5)의 표면에 미리 코팅된 시멘트(6)층과 접합되어 스템(5)이 대퇴골의 내부에 일체로 견고하게 고착된다.

앞서 설명한 바와 같이 인체에 시술된 인공관절을 사용하다 보면, 전단하중에 의해 인공관절의 스템 고정용으로 사용되는 시멘트층이 대퇴골과 분리되어, 대퇴골과 스템의 사이에 틈새가 형성된다.

그리고, 종래기술의 인공관절의 스템에는 수술시에 또는 제작시에 시멘트층이 붙어 있어, 스템 머리에 작용하는 수직력이 대퇴골-스템의 경계면에 전단력으로 작용하여 대퇴골에 섬유성 조직막(fibrous tissue membrane, 연골막)을 형성함으로써 유효조인트 공간(effective joint space)을 만들어 이곳에서 비구(acetabulum)와 골두(femoral head)의 미끄럼 작용에 의한 마모가루가 형성된다. 이렇게 형성된 마모가루는 대퇴골과 스템의 사이에 형성된 틈새에 침투되어 대퇴골의 융해 (osteolysis)를 촉진시키는 단점이 있다.

또한, 종래기술의 인공관절은 수직력의 상당 부분이 아래쪽으로 전달되고 대퇴골의 위쪽에서는 응력이 적게 걸리는 응력차단현상(stress shielding)으로 대퇴골의 위부분이 약화되는 단점이 있다.

그리고, 시멘트층 자켓을 사용하지 않는 엑스터(Exeter) 스템은 수술시에 시멘트층이 형성되는데, 이렇게 수술시에 형성된 시멘층은 기계적 성질이 매우 취약하여(인장강도가 절반 이하) 파손의 우려가 있다. 또한, 이런 엑스터 스템은 수술시에 시멘트층을 형성하기 때문에, 시멘트층의 균일한 두께를 확보할 수 없어 뼈와 스템이 서로 접촉할 가능성이 있어 이물질의 침투경로를 만들어 줌으로써 위험하며, 스템이 연직하중으로 침하할 때 끝 부분에서 파손이 생길 가능성이 있다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 대퇴골에는 고정되고 스템의 표면에는 슬라이딩하여 씌워져 일체화되도록 구성함으로써, 인공관절 수명에 해로운 전단응력을 대폭 감소시키고 응력차단 현상을 대폭 완화하며, 대퇴골과 스템과의 틈새형성을 억제함으로써 이물질 침투로 인한 대퇴골의 융해를 최소화하는 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 위와 같이 구성된 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓에 인공관절 스템이 슬라이딩하여 씌워져 일체화되는 인공관절을 제공하는 데 다른 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 인공관절의 구성요소들을 설명하기 위한 사시도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓의 구성요소들을 설명하기 위한 사시도이고,

도 3은 도 2에 도시된 인공관절 스템용 자켓을 선 A-A를 따라 절취한 단면도이고,

도 4는 도 2에 도시된 인공관절 스템용 자켓을 선 B-B를 따라 절취한 단면도이고,

도 5는 도 2에 도시된 자켓이 인공관절 스템에 삽입되어 있는 상태를 도시한 도면이며,

도 6은 도 4에 도시된 인공관절을 인체의 대퇴골내에 삽입한 상태를 도시한 단면도.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

10 : 자켓 11 : 자켓 시멘트층

12 : 합성수지층 13 : 배출경로

14 : 수술 고정용 시멘트 15: 대퇴골

20 : 인공관절 21 : 스템

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 인체의 대퇴골의 단부에서 길이방향으로 파낸 구멍속에 삽입되어 사용되는 통상의 인공관절 스템의 대부분을 덮어 씌울 수 있도록 상기 스템과 대응하는 형태로 형성되고, 상기 스템과의 결합시에 신장하여 일체화되도록 유연하면서 영구적으로 사용가능한 재질로 형성되는 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 자켓은 시멘트(cement)로 제조되는 것이 양호하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 시멘트로 제조된 자켓의 내면에는 내마모성이 우수한 합성수지층이 형성되어 있는 것이 양호하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 시멘트로 제조된 자켓의 시멘트의 내부에는철사줄 또는 섬유가 보강되어 있는 것이 양호하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 자켓의 표면에는 수술시에 사용될 수 있도록 대퇴골내에 미리 주입된 시멘트가 상기 자켓의 삽입시에 상부로 용이하게 배출될 수 있도록 상기 자켓의 길이방향을 따라 배출경로가 형성되어 있는 것이 양호하다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 인체의 대퇴골의 일부분을 파낸 구멍속에 삽입될 수 있도록 상부로부터 두부, 경부 및 스템이 일체로 형성되어 있는 인공관절에 있어서, 상기 스템의 대부분을 덮어 씌울 수 있도록 상기 스템과 대응하는 형태로 형성되고, 상기 스템과의 결합시에 신장하여 일체화되도록 유연하면서 영구적으로 사용가능한 재질로 형성되는 자켓을 구비하며, 상기 스템과 상기 자켓을 결합하여 일체화할 경우 상기 스템의 하부 끝부분과 상기 자켓의 하부 끝부분의 사이에는 소정 깊이의 공간이 형성되는 인공관절이 제공된다.

아래에서, 본 발명에 따른 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓 및 이것을 구비한 인공관절의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓의 구성요소들을 설명하기 위한 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 인공관절 스템용 자켓을 선 A-A를 따라 절취한 단면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 인공관절 스템용 자켓을 선 B-B를 따라 절취한 단면도이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓(10)은 인공관절 스템을 삽입할 경우, 스템을 둘러싸고 있는 형태, 즉 주머니 형태로 형성된 것으로서, 스템과 대응하는 형태로 형성되어 있다. 그리고, 이런 자켓(10)에 스템을 삽입할 경우, 스템의 길이방향을 따라 슬라이딩되다가 일정 깊이까지 삽입되면 스템의 표면이 자켓(10)에 내면에 밀착되어 일체화되도록 구성되어 있다. 즉, 자켓(10)은 스템 대부분의 표면을 덮어 씌울 수 있도록 형성되고, 또한 스템과의 결합시에 신장하여 일체화되도록 유연하면서 영구적으로 사용가능한 재질로 형성된다. 그러므로, 자켓(10)은 시간이 경과함에 따라 용해되어 없어지지 아니하고 스템과 일체화되는 형태로 대퇴골내에 영구적으로 존재한다.

또한, 자켓(10)은 스템이 자켓(10)과 밀착하여 일체화될 때까지 삽입하더라도 스템의 하부 끝단부가 자켓(10)의 하부 끝단부에 닿지 않도록 스템의 길이방향의 길이보다 조금 길게 형성되어 있다. 즉, 자켓(10)과 스템이 일체화되더라도 스템의 하부 끝단부와 자켓(10)의 하부 끝단부의 사이에는 소정 깊이의 공간이 형성되도록 구성되어 있다. 이렇게 소정의 공간을 형성하도록 구성하는 것은 스템이 하부로 침하할 때, 자켓(10)이 파손되는 것을 미연에 예방하기 위해서다.

그리고, 자켓(10)은 수술시에 대퇴골에 인공관절 스템을 고정할 때 사용되는 시멘트로 통상 제작되는 데, 스템과 맞닿는 내부에는 스템이 슬라이딩함에 따른 마모를 최소화하도록 초고밀도 폴리에틸렌(ultrahigh molecular weight polyethylene) 또는 이와 유사한 합성수지층(12)을 형성하기도 한다. 즉, 자켓(10)을 전부 시멘트 또는 전부 합성수지만으로 제작할 수도 있고, 외부는 자켓 시멘트층(11)이 형성되도록 시멘트를 사용하고 내부는 합성수지층(12)이 형성되도록 합성수지를 사용하여 제작할 수 있다. 그리고, 시멘트로 제조된 자켓(10)의 시멘트의 내부에는 철사줄 또는 섬유가 보강되어 제작될 수도 있다. 이 때, 자켓을 구성하는 자켓 시멘트층(11)과 합성수지층(12)의 두께는 필요에 따라 조절할 수 있다.

그리고, 자켓(10)의 표면에는 스템이 삽입된 자켓(10)이 인체에 삽입됨에 따라 대퇴골내에 이미 주입된 시멘트가 자켓(10)의 표면을 따라 상부로 배출될 수 있는 배출경로(13)가 형성되어 있다. 이런 배출경로(13)는 톱니모양의 고랑 형태로서, 자켓(10)의 길이방향을 따라 형성되어 있다. 이 때, 배출경로(13)는 몇 개의 톱니모양의 고랑이 한 세트를 이루어 소정의 간격을 두고 자켓(10)의 표면에 4개 형성되어 있다. 이렇게 형성되는 배출경로(13)는 자켓(10)의 전면에 형성될 수도 있고, 4개 이상 또는 이하의 세트로도 형성하여 사용할 수도 있다. 이렇게 배출통로(13)를 형성할 경우, 자켓(10)의 노출표면은 상대적으로 커지게 된다.

이렇게 자켓(10)의 표면에 배출경로(13)를 형성함으로써, 수술시에 사용되는 시멘트의 배출을 용이하게 할 뿐만 아니라, 수술시에 형성되는 시멘트층과 자켓간의 연결을 확실하게 한다.

아래에서는, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 자켓(10)을 사용하여 인공관절을 인체에 삽입하는 과정을 설명하겠다.

도 5는 도 2에 도시된 자켓이 인공관절 스템에 삽입되어 있는 상태를 도시한 도면이고, 도 6은 도 4에 도시된 인공관절을 인체의 대퇴골내에 삽입한 상태를 도시한 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 먼저, 본 발명의 자켓(10)에 스템(21)의 표면에 시멘트층이 코팅되어 있지 않은 종래의 인공관절(20)의 스템(21)을 삽입한다. 그러면, 스템(21)이 자켓(10)의 일정 깊이까지는 슬라이딩하여 삽입되다가 그 이후에는 슬라이딩하지 못하고 스템의 표면이 자켓(10)에 내면에 밀착되어 고정됨으로써 일체화된다. 즉, 자켓(10)에 의해 스템(21)의 대부분의 표면이 씌워지는 형태로 일체화된다. 이렇게 스템과 자켓(10)이 일체화되더라도, 스템(21)의 하부 끝단부와 자켓(10)의 하부 끝단부의 사이에는 소정 깊이의 공간이 형성된다.

그런 다음, 이렇게 스템(21)의 둘레에 자켓(10)이 삽입된 인공관절(20)을 인체의 대퇴골(15)내에 삽입하는데, 그러기 위해서는 도 6에 도시된 바와 같이 먼저 인공관절(20)의 스템(21)이 삽입된 자켓(10)이 삽입될 수 있도록 대퇴골(15)의 골내강(femoral canal)을 파내 구멍을 형성하고, 이곳에 수술 고정용 시멘트(14)를 적당량 주입한다. 그런 다음, 수술 고정용 시멘트(14)가 주입된 부위에 자켓(10)을 삽입하면, 자켓(10)의 표면에 형성된 배출통로(13)를 따라 수술 고정용 시멘트(14)가 배출되면서 접합되어 스템(21) 및 자켓(10)이 대퇴골(15) 내부에 일체로 견고하게 고착된다.

상기와 같이 본 발명의 자켓(10)을 사용하여 인공관절을 인체에 삽입함에 있어, 자켓(10)을 먼저 대퇴골(15)내에 삽입한 후, 자켓(10)에 인공관절 스템(21)을 삽입하여 일체화하는 과정을 수행하여도 무방하다. 앞서 설명한 본 발명의 자켓은 모든 종류의 인공관절(고관절, 슬관절, 견관절 등등)에 사용될 수 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓을 구비한 인공관절을 사용할 경우에는, 대퇴골과 자켓 간에는 주로 압축력이 작용하여 섬유조직막(fibrous tissue membrane, 연골막)의 형성을 최대로 억제하고 대퇴골을 활성화시키며(단단하게 함), 대퇴골과 자켓의 경계면에서 대퇴골에 해로운 전단응력을 대폭 감소시키고 이를 대퇴골에 유익한 압축력으로 변환함과 동시에 이런 압축력에 의하여 대퇴골과 자켓에 의한 틈새의 생성을 억제하여 이물질 침투에 의한 대퇴골의 융해를 최소화한다.

또한, 본 발명의 인공관절 스템용 자켓을 구비한 인공관절을 사용할 경우에는, 수직력이 띠응력(hoop stress)으로 변환되어 대퇴골의 상단부(proximal region of bone)에서도 생리학적으로 대퇴골의 활성화(Wolfe's law)를 일으키기에 충분한 압축력을 야기시켜 응력차단 현상을 대폭 완화할 수 있다.

또한, 본 발명의 자켓은 그 내부에 마모에 강한 폴리에틸렌층을 형성함으로써 스템과의 상호 미끄럼 운동에 의한 마모가루의 발생을 최소화할 수 있고, 또한 자켓이 주머니 형태이므로 비구와 골두에 의해 형성된 마모가루가 자켓과 스템의 사이에 설령 침입할지라도 대퇴골에는 직접 맞닿지 않으므로 대퇴골이 융해되는 손상을 예방할 수 있다.

또한, 본 발명의 자켓은 강도가 우수하고 두께가 균일한 시멘트층을 확보함으로써 대퇴골과 스템의 직접적인 접촉을 예방하고, 스템이 연직하중에 의해 침하할 때 자켓의 끝부분에 공간을 확보함으로써 자켓의 파단을 방지하는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 본 발명의 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓 및 이것을 구비한 인공관절에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

인체의 대퇴골의 단부에서 길이방향으로 파낸 구멍속에 삽입되어 사용되는 통상의 인공관절 스템의 대부분을 덮어 씌울 수 있도록 상기 스템과 대응하는 형태로 형성되고, 상기 스템과의 결합시에 신장하여 일체화되도록 유연하면서 영구적으로 사용가능한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓.
제1항에 있어서, 상기 자켓은 시멘트(cement)로 제조되는 것을 특징으로 하는 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓.
제2항에 있어서, 상기 시멘트로 제조된 자켓의 내면에는 합성수지층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓.
제2항에 있어서, 상기 시멘트로 제조된 자켓의 시멘트의 내부에는 철사줄 또는 섬유가 보강되어 있는 것을 특징으로 하는 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 자켓의 표면에는 길이방향을 따라 시멘트 배출경로가 형성되는 것을 특징으로 하는 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓.
인체의 대퇴골의 일부분을 파낸 구멍속에 삽입될 수 있도록 상부로부터 두부, 경부 및 스템이 일체로 형성되어 있는 인공관절에 있어서,

상기 스템의 대부분을 덮어 씌울 수 있도록 상기 스템과 대응하는 형태로 형성되고, 상기 스템과의 결합시에 신장하여 일체화되도록 유연하면서 영구적으로 사용가능한 재질로 형성되는 자켓을 구비하며,

상기 스템과 상기 자켓을 결합하여 일체화할 경우 상기 스템의 하부 끝부분과 상기 자켓의 하부 끝부분의 사이에는 소정 깊이의 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 시멘트 사용 인공관절 스템용 자켓을 구비한 인공관절.