KR100385827B1 - 무릎 관절 보철물 - Google Patents

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Abstract

무릎 관절 보철물은 대퇴부 성분, 경골 플래토우 및 경골 베어링 부재를 포함한다. 대퇴부 성분 및 경골 베어링 부재의 관절구 엘리먼트의 관절이음면의 설계 및 형상은 관절이음면사이의 접촉면적이 완전한 정렬 및 정렬 부정상태에서 최대가 되도록 된다. 또한, 완전한 정렬 및 정렬 부정에서의 관절이음면 위에 발생하는 접촉 응력은 감소된다. 관절이음면상의 높은 접촉 면적 및 낮은 접촉 응력은 다른 크기의 무릎 보철물을 매칭시킬 때도 유지될 수 있다.

Description

무릎 관절 보철물{Knee joint prosthesis}
발명의 배경
본 발명은 이식가능한 보철물, 특히 무릎 관절 보철물(knee joint prosthesis)에 관한 것이다.
관절 복귀 수술은 일반적이며 정상적으로 작용하지 않는 많은 개별부위가 정상적으로 작용하게 한다. 인공관절은 일반적으로 현재의 뼈에 고정된 금속 및/또는 세라믹 성분으로 구성된다.
무릎 관절증은 질병 및/또는 손상된 무릎 관절이 보철물 무릎 관절로 대치되는 외과분야에 잘 알려져 있다.
일반적인 무릎 보철물은 대퇴부 성분, 무릎 관절 성분, 경골 트레이 또는 플래토우 및 경골 베어링 부재를 포함한다.
대퇴부 성분은 일반적으로 한 쌍의 측면으로 일정한 간격을 가진 관절구 부분을 포함하며, 상기 관절구 부분의 내부 또는 말단 표면은 경골 베어링 성분에 형성된 상보 관절구 엘리먼트와 관절로 이어진다.
적합하게 작용하는 인공 무릎 관절에서, 대퇴부 성분의 관절구 부분은 경골 베어링 부재의 관절구 엘리먼트에 의하여 형성된 관절이음면위에 자유롭게 미끄러지고 굴러야한다. 대치된 인공 관절의 자연적인 마찰은 파손된 부스러기를 발생시킬 수 있으며, 이는 미소한 파손 입자(예를 들어 보철물의 금속 또는 플라스틱등)가 이동되어 골절내로 유입되게 한다. 파손된 부스러기는 인공 관절에서 발생하면, 부스러기의 외과적 제거 또는 인공 관절의 복구가 자주 요구된다.
적합하게 이식된 보철물 무릎 관절의 정상 사용 중에, 하중 및 응력이 경골 베어링 부재위에 가해진다. 경골 베어링 부재는 일반적으로 초경량 분자 폴리에틸렌 (UHMWPE)으로 만들어지며, 마찰, 연속 사이클링 및 응력은 경골 베어링 부재의 일부 부식 및/또는 파열을 야기하여, 파손된 부스러기를 발생시킬 수 있다. 파손된 부스러기의 위험은 인공 골절의 정렬 부정중에 더 커질 수 있으며, 이는 정상 사용 및/또는 환자내의 보철물의 부정확한 이식에 의하여 발생될 수 있다. 정렬 부정중에 경골 베어링 부재상의 하중은 균일하게 분산되지 않는다. 이러한 불균일한 하중 분산(또는 에지 하중)은 파손된 부스러기의 발생을 가속시킬 수 있다. 경골 베어링 부재상의 접촉 응력은 골절의 정렬 부정을 증가시켜, 보철물 무릎 관절이 정렬 부정상태일 때 파손된 부스러기가 증가되는 위험을 가중시킨다.
골절 대치 수술은 보철물 성분이 적합하게 크기가 설정되고, 이식되고 정렬되도록 상당한 정확도를 필요로 한다. 불완전한 크기 설정, 이식 및 정렬은 무릎 관절의 불완전한 작용을 유발할 뿐만 아니라 보철물의 일부에서 높은 접촉 응력이 발생하도록 하여, 파손된 부스러기가 발생될 가능성이 있다.
무릎 관절증을 겪고 있는 환자의 해부학적 구조는 광범위하게 변화할 수 있으며 보철물 골절을 형성하는 표준화된 크기의 보철물 성분을 매칭시키는 것을 곤란하게 할 수 있다. 많은 보철물 성분은 유사한 기의 성분이 함께 이용되고 원래 관절에 대치될 때 환자내에 이식되도록 제조된다. 즉, 인공 무릎 관절을 형성하는 대퇴부 성분, 경골 베어링 부재 및 경골 플래토우는 일반적으로 매칭된 크기이여야 한다. 상기 성분들의 크기가 매칭되지 않는다면, 바람직하지 않은 에지 하중이 발생하여 파손을 가속화한다.
따라서 매일 활발하게 움직이고 여러 가지 정렬 부정상태라도, 매칭된 또는 매칭되지 않은 관절구 크기의 선택에 따라, 양호한 접촉 면적 및 대퇴부 및 경골 성분사이의 작은 접촉 응력에 의하여 파손된 부스러기의 발생이 적은 무릎 관절 보철물이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 성능이 개선되고 수명이 긴 무릎 관절 보철물을 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 파손된 부스러기의 발생이 감소된 무릎 관절 보철물을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 정렬 부정 상태에서 정상 사용중에 양호한 접촉 면적 및 대퇴부 및 경골 성분사이의 작은 접촉 응력을 유지할 수 있는 무릎 관절 보철물을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 양호한 접촉 면적 및 대퇴부 및 경골 성분사이의 작은 접촉 응력을 유지하면서 성분 크기를 혼합할 수 있는 것이다. 이러한 목적은 이하의 설명으로부터 명백해진다.
발명의 요약
본 발명은 환자에게 이식될 때 대퇴부 및 경골 성분의 관절이음면이 양호한 접촉 영역 및 작은 접촉 응력을 유지하도록 구성된 무릎 관절 보철물을 제공하는 것이다. 무릎 관절 보철물의 대퇴부 성분은 환자의 환도뼈의 끝부분위에 배치될 수있는 인접면 및 대퇴부 관절구를 형성하는 두 개의 인접한 반평형 베어링면을 포함하는 말단 관절이음면을 가진다. 각각의 대퇴부 성분은 전방-후방 방향 및 중간-측면 방향에서 구부러지고 볼록한 형상이다. 봉합면에 놓이며, 경골 관절구 엘리먼트와 접촉하며, 전방-후방 방향으로 뻗는 각각의 대퇴부 관절구의 곡률은 적어도 두 개의 반봉합 반경에 의하여 형성되며, 여기서 제 1봉합 반경은 제 2봉합 반경보다 더 전방에 있으며 제 1 및 2봉합 반경은 이들 각각의 곡률 반경의 중심사이의 거리만큼 서로 오프셋된다. 바람직하게, 제 1 및 2봉합 반경의 곡률 중심은 공동선형이다. 두정면에 놓이며, 경골 관절구 엘리먼트와 접촉하며, 중심-주변 방향으로 뻗는 각각의 대퇴부 관절구의 곡률은 그리고 적어도 두 개의 두정 반경에 의하여 형성된다.
또한 보철물은 환자의 경골에 장착되는 인접 단부 및 말단 단부를 가진 경골 트레이 또는 플래토우를 포함한다. 또한, 보철물은 경골 플래토우 성분의 인접 단부내에 장착가능한 말단면 및 인접 관절이음면을 가진 경골 베어링 부재를 포함한다. 경골 베어링 부재의 인접 관절이음면은 두개의 인접 경골 관절구 엘리먼트를 포함하며, 이는 대퇴부 성분의 인접, 반평형 베어링면을 수용한다. 경골 베어링 부재의 각각의 관절구 엘리먼트는 전방-후방 방향 및 중간-측면 방향에서 구부러진 오목형상이다.
본 발명의 보철물은 대퇴부 관절구 및 경골 관절구 엘리먼트사이의 개선된 접촉을 특징으로 한다. 바람직하게, 약 2060N의 하중을 받을 때, 대퇴부 베어링면 및 관절구 엘리먼트사이의 접촉 응력은 보철물이 완전한 정렬상태에 있을 경우 약15MPa를 초과하지 않으며 보철물이 내반족-외반족 리프트 및 정렬의 내부-외부 회전상태에 있을 경우 약 20MPa를 초과하지 않는다. 또한, 대퇴부 성분의 관절구 및 경골 베어링 부재의 관절구 엘리먼트사이의 접촉영역은, 보철물이 약 15˚구부림을 받을 때, 정렬 부정없이, 200mm2보다 크다. 대퇴부 성분의 관절구 및 경골 베어링 부재의 관절구 엘리먼트사이의 접촉면적은, 보철물이 약 15˚구부림 및 3˚내반족-외반족 리프트를 받을 때, 정렬 부정없이, 130mm2보다 크다. 바람직하게, 제 1 및 2봉합 반경은 보철물의 대퇴부 성분의 치수 증가와 함께 증가하며, 한편 두정 반경은 대퇴부 성분의 치수 증가와 함께 일정하게 유지한다. 제 1봉합 반경은 약 1.020 내지 1.885인치의 범위에 있으며, 제 2봉합 반경은 약 0.6 내지 1.2인치의 범위에 있다. 바람직하게 두정 반경은 0.7 내지 1.1인치 범위에 있다.
전방-후방 방향에서, 경골 관절구 엘리먼트의 곡률은 대퇴부 성분의 베어링면의 제 1봉합 반경의 약 104% 내지 120%인 반경에 의하여 형성된다. 중간-측면 방향에서, 경골 관절구 엘리먼트의 곡률은 대퇴부 성분의 베어링면의 두정 반경의 약 120% 내지 152%인 반경에 의하여 형성된다.
실시예
본 발명은 무릎 관절 보철물을 위한 개선된 구조를 제공한다. 본 발명의 무릎 관절 보철물의 설계 및 형상은 무릎 관절 보철물의 대퇴부 및 경골 성분사이의 큰 접촉을 쉽게 한다. 이러한 개선된 접촉은 접촉을 증가시키며 인공 관절의 관절이음사이의 접촉 응력을 감소시켜 대치된 관절에서 발생하는 파손된 부스러기를 제거하거나 또는 상당히 감소시킨다.
제 1도는 본 발명에 따라 형성된 무릎 관절 보철물(10)에 형성된 세 개의 성분을 도시한다. 대퇴부 성분(12)은 환자의 대퇴부의 말단 단부내에 장착가능한 내부면(16) 및 상부 관절이음면(18)을 포함한다. 관절 이음면(18)은 인접 측면(20) 및 중간(22) 관절구를 포함한다. 또한 무릎 보철물(10)은 경골 트레이 또는 플래토우(24)를 가지며, 이것의 말단 단부(26)는 환자의 경골내에 장착가능한 말단으로 뻗은 스템(25)을 포함한다. 경골 플래토우(tibial plateau)의 인접 단부(30)는 리세스 영역(32)을 포함하며, 상기 영역내에는 경골 베어링 부재(34)가 기계적 결합으로 장착된다.
경골 베어링 부재(34)는 경골 플래토우(24)의 인접 단부(30)의 리세스 영역(32)내에 장착가능한 말단면(36)을 포함한다. 경골 베어링 부재(34)의 인접면(38)은 대퇴부 성분(12)의 관절이음면(18)과 접합하고 관절이음되는 관절이음면(40)을 형성한다. 경골 베어링 부재(34)의 관절이음면(40)은 인접 측면(42) 및 중간(44) 관절구를 포함한다. 제 2도에서, 대퇴부 성분(12)의 측면 및 중간 관절구(20, 22)는 경골 베어링 부재(34)의 측면 및 중간 관절구(42, 44)와의 접합으로 장착된다.
도시되지는 않았지만, 인공 무릎 관절의 경골 성분은 경골 트레이 성분(24) 및 경골 베어링 부재(34)에 상응하는 부분을 포함하는 단일 조각으로서 형성될 수 있다. 일반적으로, 상기와 같은 단일 조각은 초경량 분자 폴리에틸렌으로 제조될 수 있다.
대퇴부 성분(12)의 관절구(20, 22) 및 경골 베어링 부재(34)의 관절구(42, 44)는 이들 두 성분이 서로 접합할 때 대퇴부 성분의 관절구 및 경골 베어링 부재의 관절구사이의 접촉면적이 최대가 되도록 형성된다. 가장 큰 접촉 면적은 무릎 관절의 이동범위에서의 완전한 정렬상태 및 내반족-외반족 리프트 및 내부-외부 회전을 포함한 정렬 부정상태에서 이루어진다. 용어 "완전한 정렬(perfect alignment)"은 해부학적인 구부림 범위(약 10˚내지 135˚)를 통하여 무릎 관절이 0˚내반족-외반족 리프트이고 0˚내부-외부 회전인 상태를 말한다.
대퇴부 성분 및 경골 베어링 부재의 관절구사이의 큰 접촉 면적을 얻기 위한 능력은 충분한데, 이는 보철 성분, 특히 경골 베어링 부재상의 접촉 응력이 최소화되기 때문이다. 많은 경우에, 경골 베어링 부재는 초경량 분자 폴리에틸렌(UHMWPE)과 같은 중합체 재료로 만들어진다. 인공 무릎 관절의 이용중에 경골 베어링 부재사이에 하중이 불균일하게 분산되고 집중될 경우, 에지 하중이 발생할 수 있다. 에지 하중은 보철물의 중심부분에서 높은 접촉 응력의 발생을 야기할 수 있으며, 따라서 이는 관절내부에 파손된 부스러기를 발생시킬 수 있다.
제 2, 3, 5B 및 11도는 관절구(20, 22)를 포함하는 본 발명의 대퇴부 성분(12)을 도시한다. 각각의 관절구(20, 22)는 일반적으로 타원형이며 전방-후방 방향 및 중간-측면 방향으로 구부러지고 오목하다. 봉합면에 놓여있고 경골 베어링 부재의 관절구(42, 44)와 접하며, 전방-후방 방향으로 뻗은 각각의 관절구(20, 22)의 관절이음면(23)의 곡률은 제 1봉합 반경이 제 2봉합 반경보다 앞에 있는 두 개의 반평형 반경에 의하여 형성된다. 보다 앞에 있는 제 1 봉합 반경(R1)은 이들 각각의 곡률(C1, C2)의 중심사이의 거리만큼 제 2봉합 반경(R2)으로부터 오프셋된다.
제 5A도에서, 각각의 관절구(20, 22)의 봉합면에 놓인 관절이음면(23)의 곡률은 4개의 반경으로 형성될 수 있다. 그러나, 임계면 형상은 경골-베어링 부재(34)의 관절구(42, 44)를 접촉하는 관절구(20, 22)의 부분에 대한 것이다. 제 1봉합 반경(R1)은 전방-후방 방향을 따라 봉합면에서 각각의 관절구(20, 22)의 관절이음면(23)의 중간부분을 커버한다. 일반적으로, R1에 의하여 형성된 관절구(20, 22)의 관절이음면(23)은 약 0˚및 40˚사이의 무릎의 구부림중에 경골 베어링 부재(34)의 관절이음면(40)과 접촉한다. 제 1 봉합 반경(R1)은 약 1.020 내지 1.885인치 범위에 있다.
제 2봉합 반경(R2)은 봉합면에 놓이고 전방-후방 방향으로 뻗은 관절구(20, 22)의 관절이음면(23)의 뒷부분을 커버한다. R2에 의하여 형성된 관절구(20, 22)의 관절이음면(23)은 일반적으로 40˚이상의 무릎의 구부림중에 경골 베어링 부재(34)의 관절이음면(40)을 접촉한다. 제 2봉합 반경(R2)은 바람직하게 약 0.6 내지 1.2인치, 보다 바람직하게 해부학적 압박 때문에 0.7 내지 1.1인치의 값을 가진다.
제 5A 도에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 봉합 반경(R1, R2)는 만곡부(C1, C2)의 각각의 중심으로부터 시작된다. 만곡부(C1, C2)의 중심은 동일 선상에 있고, R2(C2)에 대한 만곡부의 중심은 R1(C1)에 대한 만곡부의 중심보다 더 뒤에 있다.
제 1 및 제 2 봉합 반경(R1, R2)는 어느 정도 대퇴부 성분의 크기에 의존한다. 대표적으로, 대퇴부 성분은 서로 다른 환자의 해부들 조절할 정도로 서로 다른크기로 이용될 수 있다. 대퇴부 성분은 가장 큰 폭 (전반-후방 치수)가 약 50 내지 74mm인 치수 및 가장 큰 폭 (중간-측면 치수)이 54 내지 78mm인 치수들 가질 수 있다. 하기의 표 1은 대퇴부 성분 치수의 변동에 따른 제 1 및 제 2 봉합 반경에 대한 대략적 값을 예시한 것이다.
표 1
제 5B 도는 두정 평면에 놓이고, 중간-측면 방향으로 연장한 관절구(20, 22)의 관절 표면(23)의 만곡부를 도시한 것이다. 상기 표면의 만곡부는 두정 반경(R3)에 의해 규정된다. 바람직하게는, 두정 반경은 약 0.7 내지 1.1 인치이다. 두정 반경의 값은 실질적으로 일정하고, 보철물의 대퇴부 성분의 치수에 의존하지 않는다. 실질적으로, 똑같은 두정 반경이 사용되는 대퇴부 성분 또는 경골 베어링부재의 크기와 무관하게 사용될 수 있다.
제 1 내지 4 도, 10A 도 및 10B 도와 관련하여, 경골 베어링부재(34)는 일반적으로 타원형이고, 중간-측면 및 전방-후방 방향 둘 모두에 있는 인접 측면 경골 관절구(42) 및 중간 경골 관절구(44)를 포함한다. 봉합 평면에 놓이고, 전방-후방 방향으로 연장한 경골 관절구 부재(42, 44)의 만곡부는 봉합 반경(R5)에 의해 규정된다. 바람직하게는, 상기 봉합 반경은 대퇴부 성분(12)의 관절구 부재(20, 22)의 제 1 두정 반경(R1)의 약 104 내지 120%이다.
두정 평면에 놓이고, 중간-측면 방향으로 연장한 경골 베어링부재(34)의 관절구(42, 44)는 두정 반경(Rc)에 의해 규정된다. 바람직하게는, 경골-베어링부재의 관절구(42, 44)의 두정 반경은 대퇴부 성분(12)의 관절구(20, 22)의 두정 반경(R3)의 약 120% 내지 152%이다.
본 발명의 보철물의 대퇴부 성분(12)의 아크 각도는 대퇴부 성분 치수에 의존한다. 제 10 도에 도시된 바와 같이, 아크 각도(α)는 관절 표면(18) 상의 아크 중심(100)으로부터 가장 낮은 지점(102) 까지 연신된 라인과, 관절 표면(23)의 아크 중심(100)으로부터 측면 에지(28) 사이의 연신된 라인 사이의 각도이다. 아크 각도는 에지 하중을 경화시키지 않으면서 허용될 수 있는 내반-외반 리프트의 양에 정비례한다. 더욱더, 아크 각도는 이것이 관절구의 크기 및 형태의 작용을 조절하여, 동일하게 "매칭"된 크기가 사용되지 않음에도 불구하고, 대퇴부 및 경골 성분의 관절구가 적합한 고정을 달성하기 때문에 중요하다.
아크 각도는 이것이 대퇴부 성분(12)의 폭과 중간-측면 치수의 함수이기 때문에 크기 의존성이다. 하기의 표 2는 변동 크기의 대퇴부 엘리먼트에 대한 대표적 아크 각도를 예시하는 것이다.
표 2
본 발명의 무릎 관절 보철물(10)은 많은 장점을 제공한다. 상기 기재된 바와 같이, 대퇴부 성분(12)과 경골 베어링부재(34) 사이의 접촉-면적은 최대화되고, 접촉 응력은 감소된다. 그러나, 또다른 장점은 본 발명의 무릎 관절 보철물의 대퇴부 성분이 외과적 삽입 수술 동안, 상응하는 크기를 갖는 경골 베어링부재 또는 하나가 더 큰 또는 더 작은 크기의 유닛인 경골 베어링부재에 매치될 수 있다. 이것은 외과 의사가 환자의 해부학적 필요성을 조절하도록 인공 접합부를 삽입시킬 수 있게 한다. 이러한 크기 매칭에도 불구하고, 본 발명의 무릎 보철물은 여전히, 더 우수한 접촉 면적 및 최소화된 접촉 응력을 갖는다.
제 6A 도 및 7A 도는 완전한 정렬 조건 (제 6A 도)에서, 그리고 3˚내반-외반 리프트로 인해 불규칙적으로 정렬되는 경우(제 7A 도)의 공지된 종래의 무릎 보철을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 대퇴부 성분(12)의 측면 관절구(20)는 경골 베어링 부재(34)의 측면 관절구 부재(42)로부터 분리된다. 결과적으로, 측면 대퇴부 관절구(42)와 측면 경골 관절구 부재(42)의 계면은 에지 하중을 받는다. 비교에 의해, 제 7B 도에 도시된 본 발명의 무릎 보철의 3˚내반-외반 불규칙 정렬은 에지 하중 없이 대퇴부 성분과 경골 베어링부재 관절 표면(18, 40) 사이의 우수한 접촉을 유지시킨다.
제 8 도는 함께 설치되고 8˚내부/외부 회전의 정렬 부정 조건을 받는 본 발명의 대퇴부 성분(12) 및 경골 베어링 부재(34)를 도시한 것이다. 이러한 정렬 부정에도 불구하고, 에지 하중이 거의 일어나지 않고, 대퇴부 성분(12)과 경골 베어링 부재(34)의 관절 표면 사이에 우수한 접촉이 유지된다.
제 9 도는 무릎 접합부의 15˚만곡 동안 본 발명의 경골 베어링 부재(34)에 인접하여 설치된 본 발명의 대퇴부 성분(12)을 도시한 것이다.
도시한 바와 같이, 이러한 만곡 동안 대퇴부 성분(12)과 경골 베어링 부재(34)의 관절 표면 사이에 우수한 접촉이 유지된다.
제 11 도는 본 발명의 무릎 보철물 (샘플 X)을 포함하는, 다양한 종래의 무릎 보철물 (샘플 A 내지 G)에 대한 대퇴부 성분과 경골 베어링 부재의 관절 표면 사이의 접촉 응력의 관찰된 값을 도시한 것이다. 제 11 도에 도시된 데이터를 생성시키기 위해, 평균 체중의 거의 3배인 약 2060N의 하중이 가해질 경우에 15˚만곡, 3˚내반-외반 리프트 및 0˚내부-외부 회전의 정렬 조건에서 무릎 보철물에 대해 접촉 응력이 평가된다.
실험 보고서는, 대퇴부 성분이 더 이상 움직이지 않을 때까지 블록 (이것은 시멘트를 가짐) 상에 대퇴부 성분을 밀어넣음으로써 적합한 홀딩 블록에 대퇴부 성분이 연결되는 것을 필요로 한다. 압축 기계적 시험기를 인장시키는 인스트론 1123에 볼트 조립된 x-y판 상에 회전 인덱싱 선반이 고정된다. 회전 인덱싱 선반은 필요하다면, 레벨링되고 쐐기를 끼운다. 이러한 장치는 전방 위치로부터 약 45˚시계 방향으로 회전하는 방향으로 인스트론 1123에 부착된다.
대퇴부 시험 블록은 대퇴부 블록 홀딩 브래킷에 고착되고, 이 조립체는 인스트론 1123의 로드 셀 내로 나사 조임된다. 다음에, 경골 홀딩 블록은 회전 인덱싱 선반의 기부판 상에 볼트 조임된다. 대퇴부 조립체 (대퇴부 성분이 부착되지 않은 것)은 경골 홀딩 블록에 대해 위치한다. 대퇴부 조립체는 경골 블록이 대퇴부 블록 홀더에 수직일 정도로 조절되어야 한다. (회전 다이얼은 정렬 과정에 사용되지 않는다).
시험에 앞서, 경골 삽입체는 약 18 내지 24 시간 동안 수조 (37℃±℃)에 침지된다. 시험은 37℃±℃의 온도 및 80 내지 90% 상대 습도를 갖는 환경 챔버 내에서 수행된다.
챔버가 바람직한 온도 및 습도 수준에 도달하면, 경골 삽입체를 수조로부터 빼내고, 경골 홀딩 고정물 내로 삽입시킨다. 시험하는 동안, 대퇴부 성분은 바람직한 고정각으로 설정될 수 있다.
시험의 초기에, 인스트론 챠트 기록기에 설정된 500 ㎏의 완전한 규모로 2 mm/분의 크로스헤드 속도가 설정된다. 미국 메사츄세츠, 보스톤에 소재하는 택스칸, 인코포레이티드(Tekscan, Inc.)에서 입수할 수 있는 TEKSCAN과 같은 전극 센서 그리드를 갖는 간섭 필름(interpositional film)이 대퇴부와 경골 성분 사이에 위치한다. 진정한 타임 스크린이 개방되고, 힘 보정이 수행된다. 센서는 대퇴부 성분과 경골 삽입체 사이에 위치한다. 하중은 센서 그리드의 중심에서 동일하게 위치한다. TEKSCAN 기술은 사용자가 가해진 하중값을 도입하도록 조장한다. 다음에, 대퇴부는 경골 삽입체(및 TEKSCAN 센서) 상에 하중된다. 로드는 적합한 수준에 도달할 때까지 증가된다. 그 순간에, 인스트론 변위 조절기의 "정지(stop)" 버튼과 PC 키보드 상의 "입력(enter)" 키가 동시에 눌려진다. 접촉 응력 및 접촉 면적이 기록되고, 하중이 제거된다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 보철물은 종래의 무릎 보철물의 접촉 응력 보다 작은 피크 접촉 응력을 나타낸다. 본 발명의 무릎 보철물은 적합하게는 11 MPa의 접촉 응력을 나타내며, 반면에, 종래의 무릎 보철물에 대한 접촉 응력은 16 내지 24 MPa이다.
제 12 도는 제 11 도의 데이터를 발생시키기 위해 사용되는 똑같은 시험법을 사용하여, 피크 접촉 응력의 평가의 결과를 도시한 것이며, 단, 무릎 보철물은 15˚만곡, 3˚내반-외반 리프트 및 0˚내부-외부 회전의 정렬 부정 조건에 있다. 제 12 도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 무릎 보철물(샘플 X)은 약 16 MPa의 접촉 응력을 나타내며, 종래의 무릎 보철을 사용하여 발생하는 접촉 응력은 약 24 MPa 내지 30 MPa이다.
제 13 도는 3개의 서로 다른 정렬 조건에서 여러 무릎 보철물의 대퇴부와 경골 성분 사이의 접촉 면적을 비교하여 얻어진 데이터를 도시한 것이다. 평가된 정렬 조건은 15˚만곡, 0˚내반-외반 리프트 및 0˚내부-외부 회전(15-0-0), 15˚만곡, 3˚내반-외반 리프트 및 0˚내부-외부 회전 (15-3-0) ; 및 15˚만곡, 0˚내반-외반 리프트 및 8˚내부-외부 회전 (15-0-8)이다. 제 13 도에 도시된 데이터는 또한 TEKSCAN 기술이 무릎 관절 보철물의 규정된 면적에서 접촉 면적 및 접촉 응력을 모두 제공함에 따라, 상기 기술된 방법을 사용하여 생성된다.
종래의 무릎 관절 샘플은 제 13 도에서 샘플 A 내지 E로서 표시된다. 본 발명의 샘플은 샘플 3/2, 3/3 및 3/4로서 표시된다. 본 발명의 샘플을 표시하는 데에 있어서, 첫 번째 부호는 표 1 및 2에서 규정한 바와 같이, 대퇴부 성분 크기를 언급하는 것이고, 두 번째 부호는 경골 베어링 부재 크기를 언급하는 것이다.
제 13 도에 도시된, 15-0-0 정렬에서, 여러 무릎 보철물의 대퇴부와 경골 성분 사이의 접촉 면적은, 본 발명의 무릎 관절(샘플 3/2, 3/3, 3/4)이 평가된 종래의 무릎 보철물에서 보다 상당히 더 높은 접촉 면적을 나타낸다. 치수 3 대퇴부 성분(61 ×66mm) 및 치수 3 경골 베어링 부재(47 ×71mm)를 사용하는 본 발명의 무릎 보철물은 약 270mm2의 접촉 면적을 나타낸다. 치수 2 경골 베어링 부재(43 ×64mm)와 매치된 치수 3 대퇴부 성분(샘플 3/2)는 약 310mm2의 접촉 면적을 달성한다. 치수 4 경골 베어링 부재(51 ×76mm)와 매치된 치수 3 대퇴부 성분(샘플 3/4)은 약 355 mm2의 접촉 면적을 달성한다. 비교에 의해, 종래의 무릎 보철물은 15-0-0 정렬 조건에서 약 120 내지 210mm2의 접촉 면적을 나타낸다.
제 13 도는 또한 본 발명에 따르는 3개의 무릎 보철물 치수 배열 (3/3, 3/2 및 3/4)이, 무릎 관절이 15-3-0 정렬 조건에 있는 경우에, 각각 190 mm2, 210mm2및170mm2의 접촉 면적을 달성함을 예시한다. 평가된 다른 무릎 보철물은 똑같은 시험 조건하에 약 70 내지 97mm2의 접촉 면적을 갖는다.
본 발명의 3개의 무릎 보철 치수 배열 (3/3, 3/2 및 3/4)을 또한 각각 15-0-8의 조건하에 비교적 높은 접촉 면적을 나타낸다. 본 발명의 무릎 보철물은 3/3 치수 배열에 대해 170mm2, 3/2 치수 배열에 대해 185 mm2및 3/4 치수 배열에 대해 147mm2의 접촉 면적을 나타낸다. 평가된 종래의 무릎 보철물은 똑같은 조건하에 약 119 내지 190mm2의 접촉 면적을 나타낸다.
본 발명에 따라 제조한 무릎 보철물의 대퇴부 성분 및 경골 베어링 부재의 관절 표면의 설계 및 형태는 그 자체로 무릎 관절 보철물에 대한 다양한 서로 다른 구조로 사용된다.
즉, 본원에 기술된 관절 표면 설계 및 형태는 십자형 보유 무릎 보철, 십자형 새크리파이싱 무릎 보철, 반달형 베어링 보철, 힌지 보철 및 유니콘딜라 보철과 같은 무릎 관절 보철에 통합될 수 있다.
제 1도는 대퇴부 성분, 경골 플래토우 및 경골 베어링 부재를 도시하는 인공 무릎 관절의 분해 사시도이다.
제 2도는 완전 정렬상태에서 보철 경골 베어링 부재에 인접하게 배치된 인공 무릎 대퇴부 성분의 전면도이다.
제 3도는 완전 정렬상태에서 보철 경골 베어링 부재에 인접하게 배치된 인공 무들의 중심에서 본 측면도이다.
제 4도는 제 1도에 도시된 보철 경골 베어링 부재의 평면도이다.
제 5A도는 본 발명에 따라 형성된 대퇴부 성분 및 경골 베어링 부재의 봉합면에서의 부분 단면도이다.
제 5B도는 본 발명에 따라 형성된 대퇴부 성분 및 경골 베어링 부재의 두정면에서의 부분 단면도이다.
제 6A도는 완전한 정렬상태에서 선행기술의 경골 베어링 부재에 가까이 장착된 선행기술의 대퇴부 성분의 후방도이다.
제 6B도는 완전한 정렬상태에서 본 발명의 경골 베어링 부재에 가까이 장착된 본 발명의 대퇴부 성분의 후방도이다.
제 7A도는 약 3˚내반족-외반족 리프트를 가진 정렬 부정상태에서 선행 기술의 경골 베어링 부재에 가까이 장착된 선행기술의 대퇴부 성분의 후방도이다.
제 7B도는 약 3˚내반족-외반족 리프트를 가진 정렬 부정상태에서 본 발명의 경골 베어링 부재에 가까이 장착된 본 발명의 대퇴부 성분의 후방도이다.
제 8도는 8˚내부-외부 회전을 가진 정렬 부정 상태에서, 경골 베어링 부재에 가까이 장착된 본 발명의 대퇴부 성분의 평면도이다.
제 9도는 8˚구부림에서 경골 베어링 부재에 가까이 장착된 본 발명의 대퇴부 성분의 측면도(주변측)이다.
제 10도는 본 발명에 따라 형성된 대퇴부 성분의 후방도이다.
제 11도는 본 발명의 인공 무릎 관절 및 선행기술의 인공 무릎 관절 설계에 대한, 완전한 정렬상태에서, 경골 베어링 부재와 보철 대퇴부 성분을 결합하는 중에 발생하는 접촉 응력을 도시하는 막대 그래프이다.
제 12도는 본 발명의 인공 무릎 관절 및 선행기술의 인공 무릎 관절 설계에 대한, 정렬 부정상태에서, 경골 베어링 부재와 보철 대퇴부 성분을 결합하는 중에 발생하는 접촉 응력을 도시하는 막대 그래프이다.
제 13도는 여러 가지 정렬상태에서 선행기술의 인공 무릎 관절 구조와 비교되는 본 발명에 따라 형성된 인공 무릎 관절의 보철 대퇴부 성분 및 경골 베어링 부재사이의 접합의 접촉 면적을 도시하는 막대 그래프이다.
◐ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ◐
10 : 무릎 관절 보철물 12 : 대퇴부 성분
18 : 관절이음면 20, 22 : 관절구
32 : 리세스 영역 34 : 경골 베어링 부재
42, 44 : 관절구

Claims (14)

  1. 무릎 보철물에 있어서,
    환자의 대퇴부의 말단 단부상에 장착가능한 하부면 및 전방-후방 방향과 중간-측면 방향으로 구부러지고 오목 형상인 두 개의 인접 반평형 베어링면을 가진 상부 관절이음면을 가진 대퇴부 성분을 포함하는데, 봉합면에 놓이며, 경골 관절구 성분과 접촉하며, 전방-후방 방향으로 뻗는 각각의 베어링면의 곡률은 적어도 두 개의 반봉합 반경에 의하여 형성되며, 제 1봉합 반경은 제 2봉합 반경보다 더 전방에 있으며 제 1 및 2봉합 반경은 이들 각각의 곡률 반경의 중심사이의 거리만큼 서로 오프셋되며, 두정면에 놓이며, 경골 관절구 성분과 접촉하며, 중간-측면 방향으로 뻗는 각각의 베어링면의 곡률은 두정 반경에 의하여 형성되며,
    환자의 경골에 장착되는 인접 단부 및 말단 단부를 가진 경골 성분; 및
    경골 성분의 인접 단부내에 장착가능한 말단면 및 인접 관절이음면을 가진 경골 베어링 부재를 포함하는데, 상기 인접 관절이음면은 두 개의 인접 경골 관절구 엘리먼트를 포함하며, 이는 대퇴부 성분의 인접, 반평형 베어링면을 수용하며, 각각의 관절구 엘리먼트는 전방-후방 방향 및 중간-측면 방향에서 구부러진 오목형상이며;
    상기 보철물은 대퇴부 관절구 및 경골 관절구 엘리먼트사이의 개선된 접촉을 가지며, 약 2060N의 하중을 받을때, 대퇴부 베어링면 및 관절구 엘리먼트사이의 접촉 응력은 보철물이 완전한 정렬상태에 있을 경우 약 15MPa를 초과하지 않으며 보철물이 내반족-외반족 리프트 및 정렬의 내부-외부 회전상태에 있을 경우 약 20MPa를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 무릎 보철물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 2봉합 반경은 보철물의 대퇴부 치수의 증가에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 무릎 보철물.
  3. 제 2항에 있어서,
    경골 관절구 엘리먼트와 접촉하는 제 1 및 2봉합 반경은 1.020 내지 1.885인치 범위인 것을 특징으로 하는 무릎 보철물.
  4. 제 2항에 있어서,
    경골 관절구 엘리먼트와 접촉하는 상기 제 2봉합 반경은 0.7 내지 1.1인치 범위인 것을 특징으로 하는 무릎 보철물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 두정 반경은 보철물의 대퇴부 성분의 치수 증가에 따라 일정한 것을 특징으로 하는 무릎 보철물.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 두정 반경은 0.7 내지 1.1인치 범위인 것을 특징으로 하는 무릎 보철물.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 보철물이 정렬 부정되지 않고 약 15˚구부러질 때 대퇴부 성분의 베어링면과 경골 베어링 부재의 관절구 엘리먼트사이의 접촉 면적은 200mm2이상인 것을 특징으로 하는 무릎 보철물.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 보철물이 약 15˚구부러지고 3˚내반족-외반족 리프트될 때 대퇴부 성분의 베어링면과 경골 베어링 부재의 관절구 엘리먼트사이의 접촉 면적은 130mm2이상인 것을 특징으로 하는 무릎 보철물.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 대퇴부 성분은 외과 수술중에 보철물의 성능을 일치시키지 않고 대응 크기인 경골 베어링 부재 또는 대응 크기보다 크거나 작은 경골 베어링 부재와 매칭될 수 있는 것을 특징으로 하는 무릎 보철물.
  10. 제 3항에 있어서,
    전방-후방 방향으로의 경골 관절구 엘리먼트의 곡률은 대퇴부 성분의 베어링면의 제 1봉합 반경의 약 104 내지 120%인 반경에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 무릎 보철물.
  11. 제 6항에 있어서,
    중간-측면 방향으로의 경골 관절구 엘리먼트의 곡률은 대퇴부 성분의 베어링면의 두정 반경의 약 120 내지 152%인 반경에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 무릎 보철물.
  12. 제 1항에 있어서,
    내반족-외반족 정렬 부정 상태는 3˚내반족-외반족 리프트인 것을 특징으로 하는 무릎 보철물.
  13. 제 1항에 있어서,
    내부-외부 회전 정렬 부정은 8˚내부-외부 회전인 것을 특징으로 하는 무릎 보철물.
  14. 무릎 보철물에 있어서,
    환자의 대퇴부의 말단 단부상에 장착가능한 하부면 및 전방-후방 방향과 중심-주변 방향으로 구부러지고 오목 형상인 두 개의 인접 반평형 베어링면을 가진상부 관절이음면을 가진 대퇴부 성분을 포함하는데, 봉합면에 놓이며, 경골 관절구 엘리먼트와 접촉하며, 전방-후방 방향으로 뻗는 각각의 베어링면의 곡률은 적어도 두 개의 반봉합 반경에 의하여 형성되며, 제 1봉합 반경은 제 2봉합 반경보다 더 전방에 있으며 1.020 내지 1.885인치이며, 제 2봉합 반경은 약 0.7 내지 1.1인치이며, 두정면에 놓이며, 경골 관절구 엘리먼트와 접촉하며, 중간-측면 방향으로 뻗는 각각의 베어링면의 곡률은 0.7 내지 1.1인치의 두정 반경에 의하여 형성되며;
    환자의 경골에 장착되는 인접 단부 및 말단 단부를 가진 경골 성분; 및
    경골 성분의 인접 단부내에 장착가능한 말단면 및 인접 관절이음면을 가진 경골 베어링 부재를 포함하는데, 상기 인접 관절이음면은 두 개의 인접 경골 관절구 엘리먼트를 포함하며, 이는 대퇴부 성분의 인접, 반평형 베어링면을 수용하며, 각각의 관절구 엘리먼트는 전방-후방 방향 및 중간-측면 방향에서 구부러진 오목형상이며, 전방-후방 방향으로의 경골 관구 엘리먼트의 곡률은 대퇴부 성분의 베어링면의 제 1봉합 반경의 약 104 내지 120%인 반경에 의하여 형성되며 중심-주변 방향으로의 경골 관절구 엘리먼트의 곡률은 대퇴부 성분의 베어링면의 두정 반경의 약 120 내지 152%인 반경에 의하여 형성되며;
    상기 보철물은 무릎 관절의 이동범위 전체에서 그리고 정렬 부정 상태에서 대퇴부 관절구 및 경골 관절구 엘리먼트 사이의 개선된 접촉 면적 및 감소된 응력을 가지는 것을 특징으로 하는 무릎 보철물.
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