KR101255057B1 - 인공 슬관절의 포스트-캠 구조 - Google Patents

Abstract

인공 슬관절의 포스트-캠 구조가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 인공 슬관절의 포스트-캠 구조는, 포스트가 형성된 베어링부재와, 캠이 형성된 대퇴골 결합부재가 구비되는 인공 슬관절에 있어서, 포스트의 후단부에는 상기 캠과의 접촉이 이루어지는 구간에 걸쳐 전방으로 오목한 종단면형상을 가지는 오목부가 형성되며, 캠의 전단부에는 오목부와 동일하거나 작은 곡률반경을 이루는 종단면형상을 가지는 선접촉부가 형성된다.

Description

인공 슬관절의 포스트-캠 구조{post-cam structure of artficial knee joints}

본 발명은 대퇴골 결합부재와 경골 결합부재 사이에 위치되는 베어링부재와 대퇴골 결합부재에 포스트와 캠이 각각 형성된 구조를 가지는 인공 슬관절에 관한 것이다.

슬관절은 대퇴골 하단과 경골 상단 및 슬개골의 후면 사이에서 대퇴골과 경골 사이를 연결하는 무릎관절로서, 무릎을 구부리고 펼 때 사용되며, 대퇴골과 경골간의 연결부는 연골로 싸여있고, 내, 외측 측부인대, 관절낭 내의 슬십자인대 등에 의하여 대퇴골과 경골간의 결합이 강화됨과 동시에 운동방향과 범위가 제한된다.

평지를 걸을 때 슬관절에 가해지는 압력은 몸무게의 반에 해당하며, 층계를 올라갈 때는 몸무게의 3배, 쪼그리고 앉았다가 일어날 때는 몸무게의 8배의 힘이 가해지게 되는데, 이러한 반복 응력에 의한 슬관절의 마모와 뼈조직의 노화, 사고 등으로 인해 회복 불가능한 상태에 놓이는 환자가 점차 증가하고 있다.

관절 반월연골은 대퇴골과 경골 사이에 위치하는 연골조직으로, 무릎이 굽혀진 상태에서 회전 운동이 가해질 때, 즉 무릎관절에 비틀림 힘이 발생할 때 손상되기 쉬우며, 심한 외력이 가해지는 경우에는 십자인대, 측부인대, 경골 골절 등의 손상이 동반될 수 있다.

이와 같은 슬관절 손상 발생 시, 일반적으로 관절의 구조적 이상이 그 원인 경우에는 슬개골을 안정시켜 주는 보조기를 착용하며, 심각한 손상으로 회복 불가능한 경우에는 인공 슬관절을 대치하는 시술이 널리 행해지고 있다.

일반적으로 인공슬관절은 대퇴골에 결합되는 대퇴골 결합부재와 경골에 결합되는 경골 결합부재와, 대퇴골 결합부재와 경골 결합부재 사이에 위치되는 베어링부재로 구성되며, 대퇴골 결합부재 및 경골 결합부재는 주로 합금으로 구성되고, 베어링부재는 폴리에틸렌 등으로 제조된다.

인공 슬관절을 시술함에 있어서, 후방십자인대를 제거하는 경우에는, 베어링부재에 후방십자인대를 대신할 수 있는 포스트가 형성되고, 대퇴골 결합부재에 포스트에 맞물리는 캠이 형성된 인공 슬관절이 사용된다.

대퇴골 결합부재는 베어링부재의 상면에 형성된 홈부(groove)상에서 베어링부재와 접촉된 상태로 구르면서(rolling) 무릎의 굽힘 운동을 수행하게 되며, 대퇴골 결합부재의 J형 저면부가 전방측으로 이동되는 중에 캠이 베어링부재의 포스트와 접촉된 이후에는 포스트와의 접촉부를 기준으로 상부가 후방측으로 젖혀지는 롤백(roll-back)이 발생된다.

롤백 과정에서는 캠의 전단부가 포스트의 수직면을 타고 점차 상측으로 이동하게 되며, 무릎을 펴는 운동을 수행하면 그 반대로 캠의 전단부가 포스트의 수직면을 타고 점차 하향이동되고 포스트 후방으로 이격된다.

종래에는 캠과 접촉되는 포스트 후단부가 수직면 또는 원주형 곡선면으로 이루어짐에 따라 후단이 수직선 단면 형상을 가지며, 포스트의 길이가 짧을수록 탈구가 발생되기 쉬워 포스트의 길이를 길게 형성하고 후방으로의 경사각을 가지도록 하여 탈구를 방지하고 있다.

일반적으로 캠의 전단부는 전후방으로 긴 직선형 내지 납작한 타원형 종단면 형상을 가지는데, 이는 상기와 같이 포스트의 수직면을 타고 이동됨에 있어서 다양한 각도에서 포스트와의 명확하고 안정된 접촉을 구현할 수 있도록 전단부가 전방으로 뾰족한 단면형상을 구현하기 위한 것이다.

상기와 같은 캠-포스트 접촉구조에 의하면, 캠과 포스트간의 접촉 시 캠의 전단에 해당되는 국부에 응력이 집중되며, 캠의 전단부와 포스트의 후단부를 동일한 횡단면 형상으로 형성하더라도 특정 각도 및 위치에서만 선접촉되고 그 외에는 점접촉이 이루어지게 되므로 캠과 포스트의 마모 촉진으로 인해 그 사용수명이 단축되는 문제점이 있었다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 포스트를 연장형성하거나 경사형성하지 않고도 탈구를 안정적으로 방지할 수 있으면서도, 캠과 포스트간의 접촉이 전 구간에 걸쳐 보다 확장된 접촉면적에 걸쳐 선접촉 내지 면접촉의 형태로 연속적으로 이루어질 수 있는 인공 슬관절의 포스트-캠 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 포스트(130)가 형성된 베어링부재(100)와, 캠(230)이 형성된 대퇴골 결합부재(200)가 구비되는 인공 슬관절에 있어서, 상기 포스트(130)의 후단부에는, 상기 캠(230)과의 접촉이 이루어지는 구간에 걸쳐 전방으로 오목한 종단면형상을 가지는 오목부(131)가 형성되며, 상기 캠(230)의 전단부에는, 상기 오목부(131)와 동일하거나 작은 곡률반경을 이루는 종단면형상을 가지는 선접촉부(231)가 형성되는 것을 특징으로 하는 인공 슬관절의 포스트-캠 구조를 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 포스트의 오목부(131)와 상기 캠의 선접촉부(231)는, 제1곡률반경(R₁)에 해당되는 일정한 곡률로 형성될 수 있다.

또한, 상기 포스트의 오목부(131)는, 측방향을 따라 후방으로 볼록한 횡단면형상을 가지며, 상기 캠의 선접촉부(231)는, 상기 오목부(131)의 횡단면상의 곡률과 동일한 곡률을 이루는 횡단면형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 포스트의 오목부(131)는, 측방향을 따라 전방으로 오목한 횡단면형상을 가지며, 상기 캠의 선접촉부(231)는, 상기 오목부(131)의 횡단면상의 곡률과 동일한 곡률을 이루는 횡단면형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 캠의 선접촉부(231)는, 요철형성되며, 각 요철의 전단이 동일한 곡률반경상에 위치되는 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 포스트를 연장형성하거나 경사형성하지 않고도 탈구를 안정적으로 방지할 수 있으며, 캠과 포스트간의 접촉이 전 구간에 걸쳐 보다 확장된 접촉면적에 걸쳐 선접촉 내지 면접촉의 형태로 연속적으로 이루어질 수 있다.

도 1 - 본 발명의 제1실시예에 따른 포스트-캠 구조를 가지는 인공 슬관절을 도시한 측면도 및 평면도
도 2 - 도 1의 A-A선 종단면도
도 3 - 대퇴골 결합부재와 베어링부재를 다양한 결합각도에서 도시한 측면도
도 4 - 도 3의 평면도
도 5 - 도 4의 A'-A'선 종단면도
도 6 - 대퇴골 결합부재와 베어링부재간의 결합각도별 접촉위치를 도시한 개념도
도 7 - 포스트와 캠이 접촉된 상태를 다수의 종방향 위치에서 도시한 종단면도
도 8 - 도 7의 D-D선 단면형상의 제1실시예를 도시한 횡단면도
도 9 - 도 7의 D-D선 단면형상의 제2실시예를 도시한 횡단면도

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 1의 (a), (b)는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 포스트-캠 구조를 가지는 인공 슬관절을 도시한 측면도 및 평면도이고, 도 2는 도 1의 (b)의 A-A선 종단면도이다.

도 1, 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 포스트-캠 구조를 가지는 인공 슬관절은, 대퇴골과 경골 사이에 위치하는 반월연골에 대응되는 베어링부재(100)에는 후방십자인대를 대신할 수 있는 포스트(130)가 형성되고, 대퇴골 하단부에 결합되는 대퇴골 결합부재(200)에는 상기 포스트(130)에 맞물리는 캠(230)이 형성된 인공 슬관절에 관한 것이다.

상기 대퇴골 결합부재(200)는 상기 베어링부재(100)의 상면에 형성된 홈부(groove)상에서 상기 베어링부재(100)와 접촉된 상태로 정위치 회전(rolling)되며 무릎의 굽힘 운동을 수행하게 되는데, 상기 대퇴골 결합부재(200)의 저면부가 전방측으로 회전, 이동되는 중에, 상기 캠(230)이 포스트(130)와 접촉된 이후에는 상기 포스트(130)의 후면부를 기준으로 상부가 후방측으로 젖혀지는 롤백(roll-back)이 발생된다.(도 3 내지 도 5 참조)

본 발명의 실시예는, 상기 포스트(130)를 연장형성하거나 경사형성하지 않고도, 롤백(roll- back) 시 상기 대퇴골 결합부재(200)가 베어링부재(100)로부터 이탈되는 탈구를 안정적으로 방지할 수 있으면서도, 상기 캠(230)과 포스트(130)간의 접촉이 전 구간에 걸쳐 보다 확장된 접촉면적에 걸쳐 선접촉 내지 면접촉의 형태로 연속적으로 이루어질 수 있도록 하는 포스트-캠 구조를 개시한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 인공슬관절은, 상기 포스트(130)의 후단부에는 상기 캠(230)과의 접촉이 이루어지는 구간에 걸쳐 전방으로 오목한 종단면형상을 가지는 오목부(131)가 형성되며, 상기 캠(230)의 전단부에는 상기 오목부(131)와 동일하거나 작은 곡률반경을 이루는 종단면형상을 가지는 선접촉부(231)가 형성된 구조를 가진다.

종래에는 상기 포스트의 후단부가 단순한 수직면 또는 원주형 곡선면으로 이루어짐에 따라, 상기 포스트 후단이 수직선 종단면형상을 가지며, 상기 캠은 상기 포스트의 수직면을 타고 이동됨에 있어서 다양한 각도에서 명확하고 안정된 접촉을 구현할 수 있도록 전단부가 전방으로 뾰족한 단면형상을 가질 수 밖에 없다는 한계가 있었다.

따라서, 종래에 포스트와 캠간의 최대 접촉을 구현함에 있어서는, 상기 캠의 뾰족한 전단에 해당되는 극히 일부에서만 점접촉이 이루어지거나, 포스트와 캠이 상호 대응되는 단면형상을 가지는 특정 결합각도에서 상기 캠의 뾰족한 전단에 해당되는 두께로 선접촉(횡방향으로의 연장길이를 가지는 선접촉)이 이루어질 수 있는 정도였다.

또한, 상기 캠(230)이 형성된 상기 대퇴골 결합부재(200)의 후단부에 상방으로의 이탈력 또는 후방으로의 회전력이 작용하는 경우, 상기 캠(230)에 별도의 구속력이 작용하지 않아 상기 포스트(130) 후단의 수직면을 타고 상측으로 쉽게 이동되거나 후방으로 바로 이격되어 탈구가 발생되기 쉬웠다.

그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 포스트(130)에 상기 오목부(131)를 형성함으로써, 상기 오목부(131)의 상부가 상기 오목부(131)에 접촉된 상태의 상기 캠(230)의 상향 이동을 구속할 뿐만 아니라, 상기 캠(230)이 상기 포스트(130) 후방으로 소정 거리 이격되더라도 실질적으로 상기 포스트(130)의 오목부(131) 내부에 위치하는 상태를 유지하며 상기 포스트(130) 후방으로 이격되지 않아 탈구가 방지된다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 선접촉부(231)가 기존의 캠의 전단부와 동일한 형상(곡률)을 가지더라도, 상기 캠(230)과 오목부(131)간의 최소 접촉면적을 구현함에 있어서 얇은 선과 곡선면간의 접촉의 형태로 이루어지므로, 종래에 최대 접촉면적을 구현함에 있어서 얇은 선과 직선면간의 접촉이 이루어질 수 있었던 것과 비교해, 명확히 확장된 접촉면적을 구현할 수 있다.

이에 따라, 상기 캠의 선접촉부(231)가 상기 포스트의 오목부(131)와 동일하거나 작은 곡률반경을 가지기만 하면, 상기 오목부(131)의 곡면과 안정적으로 선접촉될 수 있으며, 상기 포스트의 오목부(131)와 캠의 선접촉부(231)가 동일한 곡률을 가질수록 선접촉되는 선의 두께가 보다 두꺼워지면서 실질적으로 면접촉이 이루어지게 된다.

도 2를 참조하면, 상기 포스트의 오목부(131)는 제1곡률반경(R₁)에 해당되는 일정한 곡률의 종단면형상을 가지며, 상기 캠의 선접촉부(231) 또한 상기 포스트의 오목부(131)와 동일한 상기 제1곡률반경(R₁)에 해당되는 곡률을 가진다.

도 2에 도시된 본 발명의 제1실시예는, 상기 포스트(130)와 캠(230)간에 최대로 안정적인 선접촉이 이루어질 수 있는 일례를 개시한 것으로, 이하, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 0~140°(도 1, 2에 도시된 결합각도(0°)를 기준)에 해당되는 다양한 결합각도에 걸쳐 일정한 접촉면적으로 안정되게 접촉을 유지할 수 있다.

도 3, 4, 5의 (a) 내지 (d)는 각각 상기 대퇴골 결합부재(200)와 베어링부재(100)를 60°, 80 °, 100°, 120°에 해당되는 다양한 결합각도에서 도시한 측면도, 평면도, A'-A'선 종단면도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 대퇴골 결합부재(200)의 저면부가 전방측으로 회전, 이동되는 중에, 상기 포스트(130)와 캠(230)간의 접촉이 60°에서 발생되고, 상기 캠(230)이 포스트(130)와 접촉된 이후에는 상기 대퇴골 결합부재(200)가 베어링부재(100) 상측에서 80 °, 100°, 120°로 구름(rolling) 운동을 하는 과정에서 상기 포스트(130)의 후면부를 기준으로 상부가 후방측으로 젖혀지는 롤백(roll-back)이 발생된다.

상기 포스트의 오목부(131)와 상기 캠의 선접촉부(231)는 60°, 80 °, 100°, 120°를 포함한 다양한 결합각도 전반에 걸쳐 안정되게 상호 접촉된 상태를 유지할 수 있으며, 상기 오목부(131)와 선접촉부(231)를 동일한 곡률로 형성하면 상기 오목부(131)와 선접촉부(231)간의 접촉이 이루어지는 전 영역에 걸쳐 균일한 접촉면적을 형성할 수 있다.

무릎을 구부리는 동작을 수행하는 중에는, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 선접촉부(231)의 상단부가 먼저 상기 오목부(131)의 곡면과 접촉하게 되고, 도 5의 (b), (c), (d)에 도시된 바와 같은 과정을 거쳐 상기 오목부(131)의 곡면을 타고 점차 상측으로 이동하여 후방으로 이격되며, 상기 선접촉부(231)의 하단부는 점차 전방으로 이동하여 상기 오목부(131)에 접촉된다.

도 6은 이러한 상기 대퇴골 결합부재(200)와 베어링부재(100)간의 결합각도별 접촉위치를 하나의 도면상에 표시한 개념도이다.

상기 캠의 선접촉부(231)를 상기 제1곡률반경(R₁)에 해당되는 일정한 곡률로 형성함에 있어서는, 상기 선접촉부(231) 전체를 상기 제1곡률반경(R₁)을 가지는 원호형상으로 형성할 수도 있으나, 도 6에 도시된 바와 같이, 각 요철의 전단이 상기 제1곡률반경(R₁)에 해당되는 하나의 곡률반경상에 위치되도록 요철형성할 수도 있다.

상기 선접촉부(231)를 요철형성하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 60°, 80 °, 100°, 120°로 접촉이 이루어짐에 있어서, 보다 상측에 위치한 요철부터 순차적으로 상기 오목부(131)와 접촉이 이루어지게 되며, 이러한 요철은, 일정한 곡률반경으로 상기 선접촉부(231)를 가공하는 과정에서 발생될 수 있는 가공오차로 인한 미접촉 발생을 방지할 수 있는 요소로 작용할 수 있다.

또한, 상기 대퇴골 결합부재(200)가 전방으로 이동되다가 그 상부가 후방측으로 젖혀지는 롤백(roll-back)이 발생되면 상기 대퇴골 결합부재(200) 저면와 베어링부재(100) 상면간의 접촉면적이 현저히 축소되는데, 상기 요철의 크기를 하측으로 갈수록 점차 확장된 너비를 가지도록 형성하면, 상기 선접촉부(231)와 오목부(131)간의 접촉면적 확대에 의해 인공 슬관절의 결합 안정성을 보완, 확보할 수 있다.

상기 캠의 선접촉부(231)가 0의 곡률반지름을 가지는(뾰족한 형상을 가지는) 외에는, 상기 포스트의 오목부(131)와 곡면대 곡면으로 접촉이 이루어지게 되며, 도 5에 도시된 종단면도상에서도 상기 포스트의 오목부(131)와 캠의 선접촉부(231)간의 접촉영역을 점이 아닌 곡선으로 표시할 수 있다.

이는, 이하, 도 7에 도시된 바와 같은 횡단면도상에서 상기 포스트의 오목부(131)와 캠의 선접촉부(231)가 동일한 곡률로 형성되지 않아, 횡단면도상에서 점접촉의 형태로 표시된다 하더라도, 본 발명의 실시예에 의하면, 종단면도상에서는 실질적으로 상기 오목부(131)의 오목한 곡면상에서 선접촉이 이루어지는 것을 의미한다.

도 7의 (a), (b)는 각각 상기 포스트(130)와 캠(230)이 접촉된 상태를 B-B선, C-C선 종단면도이고, 도 8은 도 7의 (a), (b)의 D-D선 단면형상의 제1실시예를 도시한 횡단면도이고, 도 9는 도 7의 (a), (b)의 D-D선 단면형상의 제2실시예를 도시한 횡단면도이다.

도 7의 (a), (b)는, 도 5, 6에 도시된 종단면상에서의 상기 선접촉부(231)와 오목부(131)간의 접촉 이외에, 횡단면상에서의 연속된 선접촉을 설명하고자 도시한 것으로, B-B선, C-C선에 해당되는 다수의 종방향 위치에서 상기 선접촉부(231)와 오목부(131)가 연속하여 접촉되는 것을 확인할 수 있다.

도 8에 도시된 실시예에서, 상기 포스트의 오목부(131)는 측방향을 따라 후방으로 볼록한 횡단면형상을 가지며, 상기 캠의 선접촉부(231)는 상기 오목부(131)의 횡단면상의 곡률반지름(R₂)과 동일한 곡률반지름(R₂)을 이루는 횡단면형상을 가진다.

도 9에 도시된 실시예에서, 상기 포스트의 오목부(131)는 측방향을 따라 전방으로 오목한 횡단면형상을 가지며, 상기 캠의 선접촉부(231)는 상기 오목부(131)의 횡단면상의 곡률반지름(R₃)과 동일한 곡률반지름(R₃)을 이루는 횡단면형상을 가진다.

상기 캠의 선접촉부(231)와 포스트의 오목부(131)를 형성함에 있어서, 전, 후단이 각각 직선을 이루는 횡단면형상을 가지도록 형성할수도 있으나, 도 8, 9에 도시된 바와 같이, 곡률을 가지는 횡단면형상을 가지도록 형성하면, 상기 대퇴골 결합부재(200)와 베어링부재(100)간에 횡방향으로의 유격 및 회전이 발생하더라도 횡단면상에서 다각도에 걸쳐 안정적으로 선접촉을 구현할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께, 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.

100 : 베어링부재 130 : 포스트
131 : 오목부 200 : 대퇴골 결합부재
230 : 캠 231 : 선접촉부

Claims (5)

1. 포스트(130)가 형성된 베어링부재(100)와, 캠(230)이 형성된 대퇴골 결합부재(200)가 구비되는 인공 슬관절에 있어서,
   상기 포스트(130)의 후단부에는 상기 캠(230)과의 접촉이 이루어지는 구간에 걸쳐 전방으로 오목한 종단면형상을 가지는 오목부(131)가 형성되고,
   상기 캠(230)의 전단부에는 상기 오목부(131)와 동일하거나 작은 곡률반경을 이루는 종단면형상을 가지는 선접촉부(231)가 형성되며,
   상기 캠의 선접촉부(231)는 요철형성되며, 각 요철의 전단이 동일한 곡률반경상에 위치되는 것을 특징으로 하는 인공 슬관절의 포스트-캠 구조.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 포스트의 오목부(131)는,
   측방향을 따라 후방으로 볼록한 횡단면형상을 가지며,
   상기 캠의 선접촉부(231)는,
   상기 오목부(131)의 횡단면상의 곡률과 동일한 곡률을 이루는 횡단면형상을 가지는 것을 특징으로 하는 인공 슬관절의 포스트-캠 구조.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 포스트의 오목부(131)는,
   측방향을 따라 전방으로 오목한 횡단면형상을 가지며,
   상기 캠의 선접촉부(231)는,
   상기 오목부(131)의 횡단면상의 곡률과 동일한 곡률을 이루는 횡단면형상을 가지는 것을 특징으로 하는 인공 슬관절의 포스트-캠 구조.
   
5. 삭제

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