KR100901524B1 - 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무릎관절을 대체할 수 있는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공슬관절에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대퇴골의 경골측 말단에 결합되는 대퇴골 결합부재와, 경골의 대퇴골측 말단에 결합되는 경골 결합부재로 이루어진 인공슬관절에 있어서, 상기 대퇴골 결합부재와 경골 결합부재의 접촉면을 넓혀 어떠한 무릎의 운동에 따를지라도 응력분포를 균일하고 일정하게 분산시킬 수 있도록 하는 대퇴골 결합부재와 경골 결합부재의 응력분산을 위한 인공 슬관절에 관한 것이다. 특히 상기 대퇴골 결합부재와 경골 결합부재의 곡률을 회전에 따른 단계에 따라 구분하여 어떠한 상태에서도 접촉면적을 넓혀 반복되는 하중에 따른 응력을 효과적으로 분산시킬 수 있도록 한다. 상기 경골 결합부재는 대퇴골 결합부재와의 접촉부위에 베어링 부재을 포함하여 상기 베어링 부재의 곡률을 상기 대퇴골 결합부재의 곡률과 대응되도록 형성할 수도 있다.

이를 위하여 본 발명은, 대퇴골의 경골 측 말단에 결합되는 대퇴골 결합부재와, 경골의 상기 대퇴골 측 말단에 결합되는 경골 결합부재와, 상기 대퇴골 결합부재와 상기 경골 결합부재의 사이에 위치하는 베어링 부재를 포함하고, 상기 대퇴골 결합부재는 경골 측 접촉부에 응력분산을 위해 접촉면을 넓게 유지할 수 있도록 다양한 곡률반지름을 갖는 복수의 측면곡률부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절을 제공한다.

인공슬관절, 곡률, 복수의 곡률부, 응력분산, 대퇴골 결합부재, 경골 결합부재, 베어링 부재

Description

대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절 {Artificial Knee Joint Apparatus having Plural Curvatures at a Femoral Component}

본 발명은 무릎관절을 대체할 수 있는 인공슬관절에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대퇴골의 경골측 말단에 결합되는 대퇴골 결합부재와, 경골의 대퇴골측 말단에 결합되는 경골 결합부재로 이루어진 인공슬관절에 있어서, 상기 대퇴골 결합부재와 경골 결합부재의 접촉면을 넓혀 어떠한 무릎의 운동에 있을지라도 응력분포를 균일하고 일정하게 분산시킬 수 있도록 하는 대퇴골 결합부재와 경골 결합부재의 응력분산을 위한 인공 슬관절에 관한 것이다. 특히 상기 대퇴골 결합부재와 경골 결합부재의 곡률을 회전에 따른 단계에 따라 구분하여 어떠한 상태에서도 접촉면적을 넓혀 반복되는 하중에 따른 응력을 효과적으로 분산시킬 수 있도록 한다. 상기 경골 결합부재는 대퇴골 결합부재와의 접촉부위에 베어링 부재을 포함하여 상기 베어링 부재의 곡률을 상기 대퇴골 결합부재의 곡률과 대응되도록 형성할 수도 있다.

신체를 이루는 무수한 관절 중, 슬관절은 경골과 대퇴골 사이를 연결하는 관절부위로서, 슬관절의 마모와 뼈조직의 노화 및 사고로 인하여 회복 불가능한 상태에 놓이는 환자가 점차 증가하고 있다. 슬관절이란 무릎관절로서 대퇴골 하단과 경골 상단 및 슬개골(무릎뼈)의 후면 사이에 있는 관절로서 다리를 무릎에서 뒤쪽으로 굽히는 기능을 한다.

슬개골의 뒷면은 4mm 내지 6mm 두께의 연골로 덮여 있으며, 무릎을 구부리고 피는 과정에서 허벅지뼈(대퇴골)의 말단부 전방의 관절면을 위 아래로 이동하면서(슬개-대퇴 관절) 대퇴사두근의 무릎을 펴주는 힘을 향상시켜준다. 평지를 걸을 때 슬개-대퇴 관절에 가해지는 압력은 몸무게의 반에 해당하며, 층계를 올라갈 때는 몸무게의 3배, 쪼그리고 앉았다가 일어날 때는 몸무게의 8배의 힘이 가해진다. 관절낭은 대퇴골 하단의 가장자리에서 시작되어 경골 상단의 가장자리에 붙어 있다. 그 밖에 내측 및 외측의 측부인대, 관절낭 안에 있는 슬십자인대를 비롯하여 많은 튼튼한 인대에 의하여 뼈의 결합이 강화됨과 동시에 운동방향과 범위가 제한되어 있다.

슬관절의 관절 반월 연골손상의 증상을 살펴보면, 관절 반월연골은 무릎관절을 이루는 대퇴골과 경골 사이에 위치하는 연골조직으로, 관절 연골 사이에 위치하여 무릎 관절의 충격을 완충해주며, 관절 연골에 영양분을 공급하고, 관절의 안정성을 제공하며 동시에 무릎 관절의 움직임을 원활하게 하며, 체중 부하를 전달시키는 역할을 한다.

보통 관절 반월연골은 내측 반월상 연골판과 외측 반월상 연골판으로 이루어 져 있는데, 유럽과 미국인에서는 내측 반월상 연골판이 외측보다 크고 이동성이 적어 쉽게 손상되어 내측 반월상 연골판 손상이 크지만, 우리나라에서는 오히려 외측 손상이 많은 것으로 알려져 있다.

반월연골의 손상은 무릎 관절에 자주 발생하는 손상 중 하나로, 운동경기나 등산 혹은 일상생활 중의 부상시에 흔히 발생한다. 무릎이 굽혀진 상태에서 회전 운동이 가해질 때, 즉 무릎관절에 비틀림 힘이 발생할 때 잘 생기며, 심한 외력이 가해지는 경우에는 십자인대, 측부인대, 경골골절 등의 손상이 동반될 수 있다.

이러한 슬개골에 발생되는 병증의 대부분은 특별한 외상이 없이 증상이 발생할 수 있으며 그 원인으로는 슬개-대퇴 관절의 구조적 기능적 이상이 있는 경우이다. 다리가 비정상적으로 바깥쪽으로 휜 경우나 발이 심하게 바깥쪽으로 돌아있는 경우에는 슬개-대퇴 관절에 무리한 힘이 반복적으로 가해져 관절연골의 연화증이 발생할 수 있고, 장기간 무릎 관절을 사용하지 않은 경우도 대퇴사두근 약화 및 구축으로 인하여 발생될 수 있다.

슬개-대퇴 관절에 구조적 이상이 있는 경우 슬개골을 안정시켜 주는 보조기를 착용할 수 있고 또한, 그 손상이 극심한 경우 인공 슬관절로 대체해 주는 수술적 치료 방법을 시술할 수도 있다.

이에 최근 관절부위의 심각한 손상으로 회복 불가능한 환자에게 인공관절을 대치하는 시술이 널리 행해지고 있으며, 이러한 인공관절의 관절 운동부위에는 금속이나 세라믹 또는 폴리에틸렌 등이 사용되어 기계적 특성이 우수하고 마찰계수가 작으며 생체적합성을 높이고 있다. 일반적으로 인공슬관절은 대퇴골부분과 경골부 분과, 대퇴골부분과 경골부분 사이에 연골에 해당되는 부분인 베어링부분으로 구분되고 있다. 여기서 대퇴골부분 및 경골부분은 주로 금속 합금을 사용하며, 연골부분은 폴리에틸렌 등으로 제조하고 있다. 경골부분은 경골의 무릎관절측 끝단에 삽입되는 삽입부에 의해 고정된다. 삽입부는 경골의 골수에 의해 고착된다. 그러나, 무릎관절에 반복적으로 하중이 가해질 경우, 상기 인공 슬관절의 구조적 결함에 의해 충분한 효과를 달성하기 어렵고, 지속되는 하중에 의해 상기 대퇴골부분과 경골부분이 손상되거나, 특히 베어링부분이 파손되는 경우가 발생되어 커다란 문제를 야기시킨다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 대퇴골 결합부재와 경골 결합부재의 곡률을 조절하여 응력분포를 균등하게 분배되도록 하며, 이로써 무릎의 운동이 있는 경우, 접촉부위에서 더 넓은 면적으로 접하게 하여 응력을 분산시킬 수 있도록 하는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 대퇴골과 경골의 접촉되는 부위에서 가로방향의 회전이 있을 수 있으므로, 전방에서 보았을 때 대퇴골 결합부재와 경골 결합부재의 곡률이 서로 대응되도록 하고 보다 부드러운 운동을 용이하게 하기 위하여 원형의 곡률을 이루도록 함으로써 한 쪽으로 기울어지는 경우 응력이 집중되는 것을 방지하고, 분산될 수 있도록 하는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 측방에서 보았을 때 다양한 대퇴골의 곡률에 의해서, 본 발명의 인공 슬관절을 시술한 무릎이 굽히는 경우 부드럽게 회전될 수 있도록 하고, 보다 더 큰 각도로 무릎이 굽혀질 수 있도록 하며, 대퇴골이 경골로부터 이탈되는 것도 방지할 수 있는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 경골 결합부재의 상부와 대퇴골 결합부재의 하부의 접촉부위에서 그 접촉하는 면적을 넓게 하여 위에서 내려오는 하중에 의한 응력 을 균등하게 분산시켜 상기 대퇴골 결합부재 및 경골 결합부재의 내구성을 향상시키고, 시술 후 보다 안정적으로 활동할 수 있도록 하는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 대퇴골 결합부재 하부의 측면부 곡률을 조절하여 무릎을 앞으로 뒤로 굽힐 경우 보다 자연스럽게 굽힐 수 있도록 하며, 하중이 균일하게 도달하도록 하고, 응력이 분산될 수 있도록 하는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 대퇴골 결합부재의 하부의 전면부 곡률을 조절하여 무릎이 좌우로 살짝 회전하는 경우 한 측이 들리게 되고, 한 쪽에만 하중이 크게 작용하여 접촉되는 바, 이에 상기 하중이 집중되는 부위에서 응력이 분산될 수 있도록 하는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절을 제공하는 것이다.

본 발명은 앞서 상술한 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의하여 구현될 것이며, 하기와 같은 구성을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 인공 슬관절은 대퇴골의 경골 측 말단에 결합되는 대퇴골 결합부재와, 경골의 상기 대퇴골 측 말단에 결합되는 경골 결합부재와, 상기 대퇴골 결합부재와 상기 경골 결합부재의 사이에 위치하는 베어링 부재를 포함하고, 상기 대퇴골 결합부재는 경골 측 접촉부에 응력분산을 위해 접촉면을 넓게 유지할 수 있도록 다양한 곡률반지름을 갖는 복수의 측면곡률부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 인공 슬관절은 상기 측면 곡률부는 제1측면곡률부, 제2측면곡률부 및 제3측면곡률부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 인공 슬관절은 상기 제1측면곡률부의 곡률 반지름, 제2측면곡률부의 곡률 반지름 및 제3곡률부의 곡률 반지름은 순차적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 인공 슬관절은 상기 대퇴골 결합부재의 접촉부는 베어링 부재와 접촉하는 면적을 넓게 유지하여 응력을 분산시킬 수 있도록 하는 전면곡률부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 인공 슬관절은 상기 베어링 부재는 상기 경골 결합부재와 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 인공 슬관절은 상기 베어링 부재는 상기 대퇴골 결합부재의 접촉부에 대응되는 함몰된 곡면을 포함하여 접촉하는 면적을 증가시켜 응력을 분산시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 전술한 과제 해결 수단 및 후술할 구성과 결합, 작동관계에 의해서 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.

본 발명은, 대퇴골 결합부재와 경골 결합부재의 곡률을 조절하여 응력분포를 균등하게 분배되도록 하며, 이로써 무릎의 운동이 있는 경우, 접촉부위에서 더 넓은 면적으로 접하게 하여 응력을 분산시킬 수 있도록 하는 효과를 도모할 수 있다.

본 발명은, 측방에서 보았을 때 다양한 대퇴골의 곡률에 의해서, 본 발명의 인공 슬관절을 시술한 무릎이 굽히는 경우 부드럽게 회전될 수 있도록 하고, 보다 더 큰 각도로 무릎이 굽혀질 수 있도록 하며, 대퇴골이 경골로부터 이탈되는 것도 방지할 수 있는 효과를 도모할 수 있다.

본 발명은, 전방에서 보았을 때, 대퇴골과 경골의 접촉되는 부위에서 가로방향의 회전이 있을 수 있으므로, 대퇴골 결합부재와 경골 결합부재의 전면부의 곡률이 서로 대응되도록 하고 보다 부드러운 운동을 용이하게 하기 위하여 원형의 곡률을 이루도록 함으로써 한 쪽으로 기울어지는 경우 응력이 집중되는 것을 방지하고, 분산될 수 있도록 하는 효과를 도모할 수 있다.

본 발명은, 경골 결합부재의 상부와 대퇴골 결합부재의 하부의 접촉부위에서 그 접촉하는 면적을 넓게 하여 위에서 내려오는 하중에 의한 응력을 균등하게 분산시켜 상기 대퇴골 결합부재 및 경골 결합부재의 내구성을 향상시키고, 시술 후 보다 안정적으로 활동할 수 있도록 하는 효과를 도모할 수 있다.

본 발명은, 대퇴골 결합부재 하부의 곡률 조절로 인해 베어링 부재 또는 경골 결합부재의 상부에 접촉면적을 더 넓혀 주어 응력을 분산시켜 줄 수 있으므로, 하중에 의한 본 발명의 인공 슬관절이 파손되는 것을 방지하며, 내구성이 강하고 수명이 연장된 인공슬관절을 제공할 수 있다.

본 발명은, 대퇴골 결합부재의 하부의 곡률을 조절하여 무릎이 많이 회전함에 따라 다양한 방향으로 하중이 전달되어 응력분포가 집중될 수 있는 바, 상기 응력을 분산시킴으로써 마찰에 의한 마모도 줄일 수 있고, 이로써 안정적인 인공 슬관절을 이룰 수 있는 효과를 도모할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공슬관절 장치의 구성 및 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 인공 슬관절의 일 실시예에 따른 대퇴골 결합부재를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 대퇴골 결합부재에서의 제1측면곡률부를 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 대퇴골 결합부재에서의 제2측면곡률부를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 슬관절을 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 슬관절을 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 대퇴골 결합부재에서의 전면곡률부를 도시한 도면이며, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인공 슬관절을 도시한 도면이고, 도 9a는 종래 발명의 접촉부에서 응력집중을 도시한 도면이며, 도 9b는 본 발명에 따른 접촉면적 확장을 통한 응산분산을 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 대퇴골 결합부재와 베어링 부재 간의 접촉면적을 도시한 단면도이다.

도 2 및 도 10을 참조하여 본 발명의 인공 슬관절을 살펴보면, 본 발명의 인 공 슬관절은 도 1에서 도시된 대퇴골(1)의 하부에 결합되는 대퇴골 결합부재(100)와 경골(3)의 상부에 결합되는 경골 결합부재(300) 및 상기 대퇴골 결합부재 및 경골 결합부재 사이에서 연골의 역할을 하는 베어링 부재(500)를 포함한다. 이에 상기 대퇴골 결합부재(100)는 상기 베어링 부재(500)와 접촉하여 마찰하며, 베어링 부재는 상기 대퇴골 결합부재의 상부에서 전달되는 하중에 따른 응력을 받게 된다. 또한, 상기 대퇴골 결합부재와 베어링 부재는 접촉되는데, 다리가 인대로 인하여 움직이게 되는 경우, 경골이 전후로 움직이게 되고, 좌우로도 움직이게 될 수 있게 된다. 따라서, 이러한 무릎 관절의 움직임으로써 상기 대퇴골 결합부재와 베어링 부재의 접촉부위가 곡률에 따른 다양한 접촉을 유지하도록 하는 것이 바람직한데, 이는 응력을 적절히 분산시키도록 하기 위함이다.

상기 대퇴골 결합부재(100)는 전체적으로 U자형을 띠고 생체 적합성의 재질로 이루어지며, 상부에는 대퇴골(1)이 결합될 수 있도록 수용할 수 있는 부위를 가지고, 하부에는 약간 구형에 가까운 다양한 곡률을 가지는 곡면을 가진다. 상기 대퇴골 결합부재(100)는 대퇴골의 일부를 절개하여 상기 대퇴골 결합부재(100)에 수용될 수 있도록 하는 대퇴골 수용부(110)와 상기 대퇴골 수용부(110)에서 대퇴골과 더욱 견고하게 결합될 수 있도록 하는 고정돌기(150)을 포함한다. 또한 상기 대퇴골 결합부재(100)는 하면에는 하기에서 설명할 베어링 부재(500)와 접촉하게 되는 곡면 형태의 접촉부와 상기 접촉부에서 움푹 들어간 형상으로 이루어진 함몰부(170)를 포함한다.

상기 대퇴골 수용부(110)는 상기 대퇴골 결합부재(100)의 상부 내부에 해당 되는 부위로써 대퇴골의 하부 절개면에 견고하게 결합된다. 이에 상기 대퇴골 수용부(110)의 표면은 상기 대퇴골과 견고히 결합될 수 있도록 거친 표면을 가지거나, 다공성 재질로 이루어짐이 바람직할 것이다.

상기 고정돌기(150)는 상기 대퇴골 수용부(110)의 상측으로 대퇴골(1)에 내입되어 삽입될 수 있도록 형성되는 돌기로써 나사모양이나, 상기 대퇴골에 내입되어 견고히 상기 대퇴골의 골조직을 잡아줄 수 있는 형상의 걸림 등이 있으면 더욱 바람직할 것이다.

상기 접촉부는 본 발명의 핵심적인 부위로써, 하기에서 설명할 베어링 부재(500)의 오목부(510)와 접촉하여 상기 대퇴골이 움직이는 경우 접촉면적을 최대한으로 넓게 하여 응력을 자연스럽게 분산시킬 수 있도록 하는 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 상기 접촉부는 측면에서 보았을 때의 접촉부의 곡률과 전면부에서 보았을 때의 접촉부의 곡률이 상이한 바, 이렇게 상이한 곡률을 갖도록 하는 것은 전후의 무릎관절의 이동시에도 자연스러운 운동이 가능함과 동시에 접촉면적을 증가시킴으로써 응력을 분산시킬 수 있도록 하며, 좌우로 약간씩 외전하는 경우에도 상기 접촉부가 한 쪽은 살짝 들리는 경우에도 다른 한 쪽에서 큰 응력이 집중됨으로써 그 부분에서도 접촉면적을 넓게 유지시킴으로써 응력이 분산될 수 있도록 하기 위함이다. 이에 상기 접촉부는 측면부에서 보았을 때의 곡률부인 제1측면곡률부(131), 제2측면곡률부(132), 제3측면곡률부(133)를 포함하고, 전면부에서 보았을 때의 곡률부인 전면곡률부(137)를 포함한다.

도 2 내지 도 6을 참조하여 상기 측면곡률부를 설명하면, 먼저 도 2에서 보 는 바와 같이 상기 측면곡률부는 제1측면곡률부(131), 제2측면곡률부(132) 및 제3측면곡률부(133)을 포함하여, 실제로 무릎이 굽힐 때, 상기 대퇴골 결합부재(100)가 축을 중심으로 구르는 경우 점점 더 작은 반지름의 곡률로 인하여 보다 더 확실하게 굽혀질 수 있도록 하며, 그로써 더 큰 각도로 굽힐 수 있도록 한다. (이를 롤백(Roll Back)이라 고 하는데, 통상적으로 굽힐 수 있는 무릎의 각도보다 훨씬 더 굽힐 수 있도록 하는 것을 말한다) 이에 상기 제1측면곡률부(131)는 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 곡률 반지름이 R1으로써 가장 작은 곡률 반지름을 갖게 되고, 제2측면곡률부(132)는 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 R2로써 그 다음 작은 곡률 반지름을 갖게 되고, 제3측면곡률부(133)는 도 2에서 보는 바와 같이 R3로써 가장 큰 곡률 반지름을 갖게 된다. 이렇게 일정한 부위에서의 각각 상이한 곡률 반지름을 갖게 됨으로써 도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이 평상시 무릎을 굽히지 아니한 상태에서는 제2측면곡률부(132) 내지 제3측면곡률부(133)가 하기의 베어링 부재(500)의 오목부(510)에 접촉하도록 하여 보다 넓은 접촉면을 갖도록 함으로써 응력을 분산시킬 수 있도록 하며, 무릎을 굽히게 되는 경우 도 6에서 보는 바와 같이 제2측면곡률부(132)에서 제1측면곡률부(131)까지 접촉하도록 하는데, 결국 무릎이 회전을 함에 따라 지속적으로 접촉면적이 넓은 부위를 갖도록 유지시켜 줌으로써 응력 분산의 효과를 도모할 수 있게 된다. 더 나아가 상기 곡률반지름(R1, R2, R3)이 제3곡률부(133)에서 제1곡률부(131)로 갈수록 점진적으로 작아지게 되어 무릎을 굽히는 경우 롤백(Roll Back)이 가능하도록 하며, 이렇게 큰 각도로 굽히게 되더라도 상기 대퇴골이 경골로부터 탈구되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있도록 한 다.

다음 도 7 내지 도 10을 참조하여, 상기 전면곡률부(137)을 설명하면, 상기 전면곡률부(137)는 상기 대퇴골 결합부재(100)를 전면에서 보았을 때, 접촉부의 곡률부를 지칭하는 것으로 하기의 베어링 부재(500)의 오목부(510)에 접촉할 때, 좌우방향으로 완만한 곡선으로 접촉하도록 한다. 이렇게 완만한 곡선은 도 7에 도시된 바와 같이 일정한 반지름의 곡률을 갖도록 형성됨이 바람직하다. 통상적으로 인체의 무릎은 좌우로 약간씩 움직일 수 있는데, 평상시에는 도 8에 도시된 바와 같이 좌우의 대퇴골 결합부재(100)의 접촉부가 하기의 베어링 부재(500)의 오목부(510)에 접촉하게 됨에 반해 좌우로 약간 외전시 도 9a 및 도 9b에 도시된 것처럼 한쪽 접촉부는 약간 들리게 되고, 다른 한쪽 접촉부는 더욱더 밀착하여 첩족되게 됨으로, 응력이 한 쪽으로 집중되는 현상이 발생되게 된다. 이에 따라 종래발명을 도시한 도 9a에서 보는 바와 같이 종래발명의 경우 그 한쪽의 접촉부가 좁은 관계로 동일한 응력이라도 좁은 접촉면적에 따른 집중된 응력분포(A)를 나타내게 된다. 그러나, 도 9b에 따르면, 비록 한쪽의 접촉부가 들리게 되고, 다른 한쪽은 더욱더 강하게 접촉이 될지라도 접촉면적이 넓어져 응력이 분산(B)될 수 있으므로 종래발명에 따른 좁은 면적에의 응력집중은 어느 정도 해소할 수 있게 된다. 이러한 전면곡률부(137) 형성에 따른 접촉부를 넓힘으로써 응력분산의 효과를 달성할 수 있는 것은 대퇴골 결합부재(100)와 베어링 부재(300)가 접촉하는 단면도를 나타낸 도 10에서 보다 확연히 알 수 있는데, 결국 상기 전면곡률부(137)의 곡률과 베어링 부재(500)의 곡률(510)이 상응하도록 형성함이 바람직할 것이다.

상기 경골 결합부재(300)는 통상적인 인공 슬관절에서 경골의 상부에 내입되어 고정 결합되며 생체 적합성 소재로 이루어지는 것으로써, 하기에서 설명하게 될 베어링 부재(500)를 지탱한다. 또한 여러가지 타입으로 형성될 수 있는데, 하기의 베어링 부재와의 결합관계에 따라 모바일 타입 및 픽스 타입으로 크게 분류된다. 이렇게 모바일 타입으로 분류되는 경우, 하기의 베어링 부재(500)는 상기 경골 결합부재(300) 상부에서 회전 또는 전후로 움직임이 가능하도록 하며, 이로써 보다 자연스러운 무릎 관절의 운동을 실현할 수도 있다. 그러나, 픽스 타입의 경우 하기의 베어링 부재(500)가 상기 경골 결합부재(300)에 고정되어 움직일 수 없도록 하는데, 자유로운 운동이 어려운 반면, 견고한 고정으로 인해 안정된 운동을 구현할 수 있다. 이에 상기 픽스타입의 경우 하기의 베어링 부재(500)가 상기 경골 결합부재(300)와 일체형으로 이루어질 수도 있다. 이 경우 하기에서 설명할 베어링 부재(500)가 상기 대퇴골 결합부재(100)와의 결합관계 및 접촉관계를 통해 이루는 효과를 상기 경골 결합부재(300)에서 실현할 수 있음은 당연하다. 따라서 본 발명의 베어링 부재(500)에서의 구성요소와 이를 통한 작용 및 효과는 상기 경골 결합부재(300)를 통해 실현할 수 있고, 이는 본 발명의 보호범위 포함되는 것으로 본다.

상기 베어링 부재(500)는 상기 대퇴골 결합부재(100)와 상기 경골 결합부재(300)와의 사이에서 인체의 연골과 비슷한 역할을 하게 되는데, 이에 상기 대퇴골 결합부재 및 경골 결합부재의 재질과는 다르게 마모에 따른 이물질이 나오지 않고 마찰 등에 의해 열이 발생되지 않아 마찰에 강할 수 있으며, 표면이 매끄러워 자연스러운 마찰 접촉이 가능하도록 재질을 폴리에틸렌으로 형성함이 바람직하다. 상기 베어링 부재(500)는 상부에 상기 대퇴골 결합부재(100)의 접촉부가 접촉하는 전면에서 보았을 때의 오목부(510) 및 상기 오목부(510) 사이에서 돌출된 볼록부(520), 측면에서 보았을 때의 상기 베어링 부재(500)의 양 끝단에 형성된 전방 돌출부(530) 및 후방 돌출부(540)와 함몰된 부위는 함몰부(550)를 포함한다.

상기 오목부(510)는 상기 베어링 부재(500)를 전면에서 보았을 때 본 발명의 인공 슬관절의 양 방향에 형성된 함몰된 부위로써 이 부위는 상기 대퇴골 결합부재(100)의 접촉부와 접촉하여 상기 대퇴골 결합부재(100)가 회전하는 경우 마찰되는 부위이다. 따라서, 상기 접촉에 따라 하중이 이 부위에 집중하게 되므로 접촉면적을 최대한 넓혀 응력이 집중되는 것을 방지할 필요가 있다. 따라서, 상기 오목부(510)는 상기 대퇴골 결합부재(100)의 전면 곡률부(137)와 대응되는 곡률을 갖도록 함이 바람직하다. 이에 따라 상기 전면 곡률부(137)에서 설명한 바와 같이 약간 좌우로 들리는 경우 한쪽에서만 접촉하게 되어 응력이 집중될 것인데, 접촉면적 증가로 인해 응력이 분산될 수 있도록 하는 효과를 돔할 수 있게 되는 것이다.

상기 볼록부(520)는 상기 베어링 부재(500)를 전면에서 보았을 때, 상기 오목부(510)와 오목부(510) 사이에 상부로 돌출된 부위로써 상기 대퇴골 결합부재(100)의 함몰부(170)와 대응되도록 한다. 그러나, 이는 상기 접촉부와는 달리 접촉되는 부위가 아니고 통상적으로 인체에서 무릎을 굽힐 수 있도록 하는 슬개골이 위치할 수 있도록 하기 위함이다. 이러한 상기 슬개골과 인대를 통한 무릎이 굽혀질 수 있는 메카니즘은 본 발명의 기술분야에 속하는 통상의 지식의 가진 자라면 명확히 알 수 있는 것이므로 이하 그 설명은 생략하기로 한다.

상기 전방 돌출부(530) 및 후방 돌출부(540)는 상기 베어링 부재(500)를 측면에서 보았을 때, 전방 및 후방에서 일정 높이 돌출된 부위인데, 특히 상기 전방 돌출부(530)는 본 발명의 인공 슬관절을 시술한 환자가 무릎을 큰 각도로 굽히는 경우 상기 대퇴골 결합부재(100)가 상기 베어링 부재(500)로 부터 이탈되는 것을 방지할 수 있도록 하며, 상기 후방 돌출부(540)는 무릎이 큰 각도로 굽혀 롤백하는 경우 탈구되는 것을 방지하여 안정적인 무릎관절의 운동을 가능하도록 한다.

상기 함몰부(550)는 상기 베어링 부재(500)를 측면에서 보았을 때, 상기 대퇴골 결부재(100)의 접촉부에서 상기 제1측면곡률부(131), 제2측면곡률부(132) 및 제3측면곡률부(133)와 접촉하는 부위로써 결국, 상기 대퇴골 결합부재의 측면곡률부에서 상세히 설명한 바와 같이 상기 각각의 곡률부의 곡면와 대응되는 곡률을 갖도록 함이 바람직하다. 이로써 보다 안정적으로 결합되고, 접촉면적을 충분히 확보함으로써 응력을 효과적으로 분산시킬 수 있도록 하는 것이다.

이하에서는 본 발명에 따른 인공슬관절 장치의 작동관계 및 사용상태에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 슬관절을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 슬관절을 도시한 도면이며, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인공 슬관절을 도시한 도면이고, 도 9a는 종래 발명의 접촉부에서 응력집중을 도시한 도면이며, 도 9b는 본 발명에 따른 접촉면적 확장을 통한 응산분산을 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 대퇴골 결합부재와 베어링 부재 간 의 접촉면적을 도시한 단면도이며, 도 11는 본 발명에 따른 접촉면적 확장을 통한 응력분산 효과를 나타낸 접촉면적과 응력분산을 나타낸 표이고, 도 12는 본 발명의 응력분산 및 하중경감에 따른 효과를 나타낸 표이다.

도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 인공 슬관절의 작동관계를 살펴보면, 이는 측면부에서 바라본 무릎관절의 운동에 따른 응력분산 및 안정적인 운동의 효과를 달성하기 위한 것이다. 이에 본 발명은 대퇴골 결합부재(100)에서 접촉부에서 다양한 곡률반지름을 가지는 측면곡률부를 포함하는데, 바람직하게는 제1측면곡률부(131), 제2측면곡률부(132) 및 제3측면곡률부(133)를 포함할 수 있다. 먼저 무릎이 굽혀지지 아니한 상태인 도 5의 상태에서는 상기 제2측면곡률부(132) 내지 제3측면곡률부(133)가 상기 베어링 부재(500)의 함몰된 곡면인 함몰부(550)에 접촉하게 된다. 이에 상기 제2측면곡률부(132) 내지 제3측면곡률부(133)는 상기 함몰부(550)와 곡률이 대응되도록 하여 비교적 넓은 면적으로 접촉되도록 하여야 한다. 또한, 도 6에서 보는 바와 같이 무릎이 굽혀지는 때에도 역시 비록 곡률반지름이 달라지는 제2측면곡률부(132) 내지 제1곡률부(131)와 접촉하게 되는데 상기 베어링 부재(500) 또는 경골 결합부재(300)와 넓은 면적으로 접촉하게 된다. 이에 따라 응력분포는 접촉면적이 넓어짐으로써 고르게 분산될 수 있는 효과를 도모할 수 있고, 또한 상기와 같이 순차적으로 제3측면곡률부에서 제1측면곡률부까지 곡률반지름이 작아지면서 적게 굽혀도 무릎이 굽혀지는 각도가 크게 될 수 있는데, 롤백(Roll Back)이 가능하도록 함으로써 자연스러운 무릎 관절의 운동을 도모하게 된다. 결국 상기 베어링 부재(500) 또는 경골 결합부재(300)에 접촉면적을 넓게 하여 응력이 집중되어 전달되지 아니하므로 파손을 방지할 수 있으며 내구성을 향상시켜주고 수명을 연장시켜 줌은 물론, 순차적인 곡률반지름의 차이로 인해 안정적인 무릎 관절의 운동을 유지시켜 줄 수 있게 된다.

도 8, 도 9a 및 도 9b, 도 10을 참조하여 본 발명의 인공 슬관절의 결합에 따른 작동관계를 살펴보면, 본 발명은 자연 무릎관절이 전면부에서 좌우로 약간씩 움직일 수 있고, 이에 따라 한쪽의 접촉부가 들리게 되는 것을 감안하여 한쪽 접촉부에만 응력이 집중하는 것을 보상해 줄 수 있도록 한다. 도 8은 본 발명의 인공 슬관절을 시술한 무릎에서 좌우로 움직이지 아니한 상태의 양쪽 접촉부가 베어링 부재의 함몰된 곡면인 오목부(510)에 접촉된 상태로 유지되어 일정한 응력을 분산되어 받도록 한다. 그러나, 상기 무릎관절이 한쪽으로 외전하는 경우 도 9a 및 도 9b에서 보는 바와 같이 한쪽은 들리게 되며 다른 한쪽에 응력이 집중되는 현상이 발생하게 된다. 이에 도 9a는 종래 인공슬관절에 따라 시술이 이루어진 경우 곡률이 상기 대퇴골 결하부재(100)의 접촉부에 포함하지 아니하므로 접촉면적이 매우 좁아 하중이 상기 좁은 접촉면적에 집중하게 된다. 따라서, 상기 하중에 따른 집중된 응력(A)은 하부의 베어링 부재(500) 뿐만 아니라 경골 결합부재(300)의 파손을 초래하기도 한다. 그러나, 도 9b에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 인공 슬관절을 시술하게 되는 경우, 한쪽의 접촉부에서만 접촉하여 하중이 집중하더라도 응력(B)이 더 넓은 접촉면적으로 인하여 비교적 고르게 분산될 수 있도록 할 수 있다. 이는 도 10의 본 발명의 인공 슬관절이 한쪽으로 집중되는 경우를 도시한 단면도에서도 명확히 확인할 수 있다.

이러한 상기 대퇴골 결합부재(100)에 포함된 접촉부의 측면곡률부 및 전면곡률부의 구성에 따른 응력분산의 효과는 도 11 및 도 12의 표에서 명확히 알 수 있는데, 이를 참조하여 본 발명의 인공 슬관절에 따른 응력분산 효과를 살펴보기로 한다. 먼저 도 11에 도시된 접촉면적에 따른 응력분포를 참조하면, 접촉면적(Contact Area)이 전체면적(Total Area)에 걸쳐 있는 경우[1 to 1] 응력(Contact Stess)이 1.5 정도의 수치로 비교적 낮게 나타난다. 이러한 접촉면적의 비율은 곡률반지름의 비율이(R2/R1) 1:1인 경우로써 응력분산의 효과를 가장 크게 이룰 수 있게 된다. 그러나, 곡률반지름의 비율(R2/R1)이 [1.5 to 1]인 경우 응력분포가 2.2 정도의 수치로 조금더 크게 나타나고, 곡률반지름의 비율(R2/R1) [5 to 1]인 경우 그 응력집중도는 거의 3.0에 가까워지게 된다. 이를 살펴볼 때, 접촉면적이 넓어질수록 응력이 집중되지 아니하고 분산될 수 있는 효과를 달성할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 인공 슬관절에서 대퇴골 결합부재(100)의 접촉부에서 측면곡률부 및 전면곡률부의 구성을 통해 접촉면적을 충분히 넓게 유지하고, 이로써 상기와 같이 응력분산의 효과를 이룰 수 있게 되는 것이다. 도 12는 접촉하는 부위가 평면과 평면으로 이루어지는 경우(HFF : high confirmity flat-on-flat design), 곡면과 곡면으로 이루어지는 경우(HCC : high confirmity curve-on-curve design)의 응력분포에 대하여 실험한 수치를 기록한 것이다. 이에 도 12에서 하단의 표 중 좌측을 참조하면, 이는 최대 접촉응력에 대한 실헙값으로 HCC의 경우 HFF보다 더 작은 수치의 접촉응력을 나타내 준다. 따라서, 본 발명과 같이 인공 슬관절에서 대퇴골 결합부재(100)의 접촉부와 베어링 부재(500)의 함몰된 부위에서 모두 곡면을 형성하여 접촉하도록 하는 것이 응력집중을 분산시킬 수 있는 효과를 극대화할 수 있음을 알 수 있다. 본 발명의 대퇴골 결합부재(100) 접촉부의 측면곡률부 및 전면곡률부를 곡면으로 형성하고, 이에 상응되게 상기 베어링 부재(500)의 상기 대퇴골 결합부재와 접촉되는 부위를 함몰된 곡면으로 형성하는 것은 응력을 분산시킬 수 있는 효과적인 수단이 된다.

이와 같이 본 발명은 상기 대퇴골 결합부재(100)의 접촉부에서 측면곡률부 및 전면곡률부를 포함하고, 상기 베어링 부재(500)의 상기 대퇴골 결합부재와 접촉되는 부위에서 함몰된 곡면을 형성하도록 함으로써 응력을 효과적으로 분산시킬 수 있게 하고, 종국적으로 상기 대퇴골 결합부재, 베어링 부재 및 경골 결합부재의 파손을 방지하고, 내구성을 향상시키며, 수명을 연장시킴으로써 안정적인 인공 슬관절을 도모할 수 있도록 한다.

앞서 살펴본 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명에 따른 인공슬관절을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시예일 뿐, 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

도 1은 종래의 인공 슬관절이 시술된 모습을 나타낸 도면

도 2는 본 발명의 인공 슬관절의 일 실시예에 따른 대퇴골 결합부재를 도시한 도면

도 3은 본 발명의 대퇴골 결합부재에서의 제1측면곡률부를 도시한 도면

도 4는 본 발명의 대퇴골 결합부재에서의 제2측면곡률부를 도시한 도면

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 슬관절을 도시한 도면

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 슬관절을 도시한 도면

도 7은 본 발명의 대퇴골 결합부재에서의 전면곡률부를 도시한 도면

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인공 슬관절을 도시한 도면

도 9a는 종래 발명의 접촉부에서 응력집중을 도시한 도면

도 9b는 본 발명에 따른 접촉면적 확장을 통한 응산분산을 도시한 도면

도 10은 본 발명의 대퇴골 결합부재와 베어링 부재 간의 접촉면적을 도시한 단면도

도 11는 본 발명에 따른 접촉면적 확장을 통한 응력분산 효과를 나타낸 접촉면적과 응력분산을 나타낸 표

도 12는 본 발명의 응력분산 및 하중경감에 따른 효과를 나타낸 표

* 도면의 주요부분에 대한 주요 설명 *

1 : 대퇴골 3 : 경골

20 : 종래 인공슬관절의 대퇴골결합부재 23 : 종래 인공슬관절의 접촉부

25 : 종래 인공슬관절의 고정돌기 27 : 종래 인공슬관절의 함몰부

30 : 종래 인공슬관절의 경골결합부재 50 : 종래 인공슬관절의 베어링부재

51 : 종래 인공슬관절의 오목부 52 : 종래 인공슬관절의 볼록부

100 : 대퇴골 결합부재 110 : 대퇴골 수용부

131 : 제1측면곡률부 132 : 제2측면곡률부

133 : 제3측면곡률부 137 : 전면 곡률부

150 : 고정돌기 170 : 함몰부

300 : 경골 결합부재 500 : 베어링 부재

510 : 오목부 520 : 볼록부

530 : 전방 돌출부 540 : 후방 돌출부

550 : 함몰부

Claims (8)

1. 대퇴골의 경골 측 말단에 결합되는 대퇴골 결합부재와, 경골의 상기 대퇴골 측 말단에 결합되는 경골 결합부재와, 상기 대퇴골 결합부재와 상기 경골 결합부재의 사이에 위치하는 베어링 부재를 포함하고,

   상기 대퇴골 결합부재는 경골 측 접촉부에 응력분산을 위해 접촉면을 넓게 유지할 수 있도록 다양한 곡률반지름을 갖는 복수의 측면곡률부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 측면 곡률부는 제1측면곡률부, 제2측면곡률부 및 제3측면곡률부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1측면곡률부의 곡률 반지름, 제2측면곡률부의 곡률 반지름 및 제3곡률부의 곡률 반지름은 제3측면곡률부에서 제1측면곡률부로 갈수록 작아지는 것을 특징으로 하는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 대퇴골 결합부재의 접촉부는 베어링 부재와 접촉하는 면적을 넓게 유지하여 응력을 분산시킬 수 있도록 하는 전면곡률부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 베어링 부재는 상기 경골 결합부재와 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 베어링 부재는 상기 경골 결합부재와 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 베어링 부재는 상기 대퇴골 결합부재의 접촉부에 대응되는 함몰된 곡면을 포함하여 접촉하는 면적을 증가시켜 응력을 분산시킬 수 있도록 하는 것을 특징 으로 하는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 베어링 부재는 상기 대퇴골 결합부재의 접촉부에 대응되는 함몰된 곡면을 포함하여 접촉하는 면적을 증가시켜 응력을 분산시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 대퇴골 결합부재에 복수의 곡률부가 형성된 인공 슬관절.

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