KR101407608B1

KR101407608B1 - 포스트-캠형 인공슬관절의 충격흡수형 조립식 베어링 시스템

Info

Publication number: KR101407608B1
Application number: KR1020120151712A
Authority: KR
Inventors: 이재환
Original assignee: 충남대학교산학협력단; 이재환
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2014-06-13

Abstract

본 발명은 반구속형 인공슬관절의 femur의 조립식 베어링 insert 포스트에 관한 것으로 보다 상세하게는 기존의 베어링 insert에 고정된 포스트가 아니고 분리되어 있다. 베어링 insert 본체와 축으로 연결되어 축에 의해 전후 이동 이동하고 또한 축에 의해서 베아링 insert 에서이탈하지 않으며, 본래 사람의 무릎 운동과 유사한 굴곡과 신장운동을 도와준다. 또한 스프링/고무 등과 같은 충격완충제가 부착되어 있어 캠이 접촉시 발생하는 충격을 흡수하여 포스트에 발생하는 마모를 감소시킴으로써 인공관절의 수명(사용연한)을 연장할 수 있다. 또한 조립식 부품을 적용하므로 설계변경이 용이하고 기계 가공시 원자재 절감을 할 수 있으며 엄밀한 표면가공으로 폴리에틸렌의 마모를 감소시켜 인공관절의 수명을 연장시키는 목적으로 본 발명은 매우 유용하게 사용될 수 있다.

Description

포스트-캠형 인공슬관절의 충격흡수형 조립식 베어링 시스템{Modular Bearing System with Buffering Capability for Post-Cam Type Artificial Knee Joint}

본 발명은 (semiconstrained type, 반구속형) 인공슬관절의 캠에 의한 접촉시, 폴리에틸렌 베어링 insert에 충격흡수 기능이 있는 조립식 포스트가 있는 구조에 관한 것이다.

인공슬관절은 생체 무릎 뼈와 연골을 대체하는 금속과 폴리에틸렌으로 구성되는 인공적인 관절이다. 관절염 환자나 사고로 손상된 환자들에게 많이 사용되고 있는 현재 보편화된 제품이다. 환자의 상태에 따른 사용 용도에 따라 unconstrained type (자유형)과 semiconstrained type (반구속형) 으로 분류된다. ( 조우신의 무릎의 인공관절술, 영창출판사, 2007 에는 의사로서 시술자가 체험한 인공슬관절의 기능과 분류, 시술에 관한 내용이 국내의 유일한 저서로 본 발명에 제시된 내용의 근거가 되고 있다.) 외국 특히 미국의 경우 세계시장 점유율이 매우 높으며 관련 기술과 특허가 절대적으로 많이 있다. 본 발명과 관련된 특허들은 다음과 같다. 한국의 경우 최근 들어 인공슬관절 특허가 발표되고 있고, 포스트-캠 형의 기본적 특허는 미국에서 활성화 되어 있고 관련 인공슬관절 특허는 다음과 같다.

[문헌1] 한국 특허 10930727 2009. 12. 01 개선된 포스트 및 개선된 캠 구조를 갖는 인공 슬관절 ; 무릎의 굽힘 운동시 더 많은 굽힘에서 인공관절의 탈구를 방지하고 포스트와 캠의 접촉시 서로의 곡률부가 잘 대응되어 폴리 포스트의 마모를 감소함을 목적으로 함. 포스트는 베어링 부재에 한 몸체로 되어 있음. 본 발명과 같은 이동형이고 충격완충형은 국내외적으로 없음. ss

[문헌2] 한국 특허 1020110042872 (출원번호) 2011. 05. 06 인공 슬관절의 포스트-캠 구조 ; 공개중으로 캠의 포스트 접촉시 여러개의 선접촉 면이 있음.

[문헌3] 미국 특허 US 7,731,755 B2 Jun. 8, 2008 Posterior stabilized mobile bearing knee ; 한국특허 (문헌 1)와 같은 식의 포스트-캠 형 인공슬관절

[문헌4] 미국 특허 US 7,326,252 B2 Feb. 5, 2008 High performance knee prosthesis ; 한국특허 (문헌 1)와 같은 식의 개선된 포스트-캠 형 인공슬관절

[문헌5] 인공 슬관절의 응력 해석에 관한 연구, 이재환, 2005, 5 한국전산구조공학회 춘계학술발표대회 ; 인공슬관절의 베아링 insert에 발생하는 응력 해석

[문헌6] Preliminary Design Process of the Mobile Bearing Type Knee Prosthesis, Jaehwan Lee (이재환), 2010, CNU-Kyushu Univ. Symposium ; Design, material and stress analysis of knee joint

대부분 미국 제품인 인공슬관절의 경우, 도1의 자유형 인공슬관절의 femur (대퇴부)와 tibia(경골부)는 금속으로 제작되고 가운데 반월연골을 대체하기 위해 UHMWPe 라는 고밀도 폴리에틸렌으로 베어링 insert를 만들어서 상 (대퇴부)과 하 (경골부) 금속 부품에 중간 반월연골을 대신하는 베어링 세트를 구성한다. 인공슬관절 수술시 일단 전방인대 (ACL)을 제거하게 되고, 환자의 상태에 따라 후방인대(PCL)를 보전하거나 제거하기도 하며 이런 경우, 인공관절의 후진하며 회전하는 (roll back)을 돕기 위해 도2 처럼 포스트-캠 시스템으로된 반자유형을 사용하기도 한다. 반자유형 인공슬관절에는 다양한 형태의 포스트-캠이 있지만 기본적으로는 베어링으로 된 포스트와 여기에 접촉하며 슬관절의 회전을 돕는 캠으로 되어 있다. 도2는 후방인대를 제거한 후방안정형으로 포스트와 캠이 사용되는 인공슬관절의 일반적인 형상이다. 도1과 도2 에서 femur (대퇴부)는 날개처럼 생긴 2개의 부분이 있어 회전을 하는데 하나는 내과 (medial condyle) 이고 다른 하나는 외과 (lateral condyle) 이다. 캠은 이 내과와 외과 끝 부분에 붙어 있다. 한편 도2에서 베어링 insert는 생체의 반달형 연골을 대신하는데 가운데에 볼록하게 솟아 있는 부분이 포스트로 캠이 이 부분에 계속 접촉하며 롤백을 하게 된다. 이 폴리에틸렌 포스트와 금속 캠이 순간적으로 선 접촉을 하므로 과다한 응력이 발생하게 되어 폴리에틸렌의 피로파괴가 누적되어 파손이 되게 된다. 즉 금속부분인 femur 와 tibia 는 멀쩡한데 폴리부분이 손상되어 재수술을 하게 된다. 도2의 포스트가 분리된 조립형으로 사용되는 것이 본 발명의 배경이다.

인공슬관절을 시술할 경우, 대부분 무릎 주위의 인대와 힘줄을 제거하므로 굴곡시 정상인의 무릎처럼 정밀한 생체역학적 움직임을 구현하기가 어렵다. 무릎의 대퇴부는 무릎 굴곡시 처음엔 약간의 회전에 이어서 병진이 약간의 시차를 두고 발생하고 다시 회전운동을 한다. 인공관절에서 건강한 생체처럼 모션을 하기 위해 도입된 아이디어가 포스트-캠인 것이다. 캠은 금속 주조물로 femur part 에 대부분 한 몸체로 되어 있으며 무릎의 굴곡시 femur가 회전하며 후진(roll back)시 상부 femur part 가 충분히 후진할 수 있게 포스트와 접촉하며 도와줄 수 있다.

여러 발표된 연구와 임상결과를 보면 이러한 포스트-캠 제품은 포스트가 폴리에틸렌이고 캠이 금속이라 수년 혹은 수십년 접촉을 하면 마모로 인해 UHMWPe 라는 고밀도 폴리에틸렌으로 된 포스트나 베어링이 손상된다는 점이다. 손상으로 인한 인공관절 재(삽입)수술은 기존의 뼈를 더 많이 제거하기 때문에 환자에게 큰 부담을 주고 특히 인공관절은 연로한 환자에게 실시하기 때문에 이러한 재수술 부담이 매우 심각하다.

이러한 마모가 발생하는 역학적 원인은 이러한다. 원래 생체역학적 무릎관절은 이러한 강제적 접촉이 발생하는 모습이 아니다. 그런데 인공관절 시술을 위해 전방인대 (ACL)를 강제로 절단해 제거하고 포스트-캠의 경우 후방인대 (PCL) 까지 제거하면 관절의 굽힘과 신전 (펴짐) 시 인대가 없어 제대로 된 기능을 할 수가 없게 된다. 즉 굽힘시 femur 부분이 회전하며 슬라이딩하면 뒤로 움직여야 되고 신전(무릎을 핌)시 반대 현상이 되어야 하는데 인대가 없으면 이러한 정상 기능을 할 수가 없게 된다. 이러한 생체역학적 역할을 포스트-캠이 대신 하므로 수 많은 금속-폴리간의 강제 접촉이 발생하는 것이고 따라서 접촉과 충격에 의해 마모 현상이 발생하는 것이다. 따라서 포스트와 캠의 마모를 감소시키는 방안이 필요하다. 또한 이러한 강제 운동은 생체역학적 운동의 굴곡과 신전 상태와 적합하지 않은 경우 femur 가 이탈하거나 극심한 마모가 발생하거나 롤백이 제대로 되지 않거나 혹은 femur 가 전방으로 과다 전진하여 문제가 될 수 있다.

삭제

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 베어링 포스트에 캠이 접촉을 할 때 조립식인 포스트와 베어링 insert 사이에 완충작용을 하는 스프링이 있어 접촉시의 순간충격을 흡수하여 포스트의 마모를 감소시키는 것을 목적으로 한다. 또한 기존의 포스트는 베어링 인서트에 한 몸체로 붙어 있어 포스트에 캠의 하중이 전달될 때 큰 모멘트가 포스트의 아래부분에 발생함으로써 피로파괴에 의한 베어링 손상이 발생하고 있는데, 본 발영의 경우 완충작용과 역학적인 스프링 경계조건에 의해 큰 모멘트가 발생하지 않게 된다.

본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 폴리에틸렌으로 된 포스트가 기존처럼 베어링 insert에 한 몸체로 제작되지 않고 도3에 보이는 바와 같이 이동을 가능하게 하는 축과 한조를 이루고 축과 포스트의 축구멍 사이에 약간의 간격을 두어 인체 내의 액체가 윤활작용을 함으로써 축과 포스트 사이의 접촉을 순화시킨다. 베어링 insert 와 스프링 사이, 스프링과 포스트 사이에 금속 와셔를 위치시켜 혹시 있을지 모를 스프링과의 접촉에 의한 마모를 방지시킨다.

본 발명에 따르면, 베어링 포스트의 이동 운동에 의해 접촉시의 순간충격을 이격 격차를 두고 흡수하여 포스트의 마모를 감소시키게 된다. 또한 베어링 insert 와 포스트 사이에 스프링이 설치되어 접축시의 충격하중을 흡수함과 동시에 큰 모멘트가 발생하지 않게 한다. 이런 스프링에 의해 원래의 무릎의 생체역학적 인대 역할을 대신함으로써 굴곡과 신전시 원활한 모션이 발생하게 한다. 또한 후방인대 제거형 인공 슬관절이 굽힘과 신전시 롤백이 발생하게 도와준다. 베어링 insert를 UHMWPe 재료로 몰딩하거나 기계로 절단하여 만들 경우 CNC 밀링머신으로 표면가공을 하게 되는데 기존의 경우 포스트가 베어링 insert 에 붙어 있어 CNC머신이나 손으로 가공하기에 어려운 곳에 위치하여 마모에 문제가 될 수 있다. 본 발명의 경우 포스트를 조립식으로 제작하므로, 베어링 본체와 별도로 가공할 수 있어 표면가공이용이하고 엄밀한 표면조도를 얻을 수 있어 마모를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시 예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 의학산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

도 1 금속 femer, 폴리에텔렌 베어링 insert, 금속 tibia로 구성된 일반적인 자유형 인공슬관절 사진
도 2 캠이 있는 금속 femer, 포스트가 있는 폴리에텔렌 베어링 insert, 금속 tibia로 구성된, 반구속형 인공슬관절 사진과 설명
도 3 본 발명의 인공슬관절의 이동하며 충격을 흡수하는 조립구조의 베어링 포스트

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

본 발명은 롤백을 하는 인공관절의 UHMWPe로된 포스트의 내마모성을 증가시키기 위해 전후이동이 가능한 조립식 포스트에 관한 것으로, 베어링 insert (140)와는 분리되고 축으로 연결된 포스트 (141)로 이루어 진다 (도3).

베어링 포스트는 생체적합한 폴리에틸렌으로 된 매끄한 면을 갖는 물체로서 기존의 것들과 달리 베어링 insert 에서 분리되고, 중심에는 관통부(142)를 지나가는 전후 이동용 축(143)이 있다. 이 축은 포스트가 이동 운동을 하면서 이동 궤도를 이탈 하지 않도록 잡아준다. 베어링 포스트의 중요 기능은 금속 femur의 좌우 두 날개 끝 부분에 부착된 캠과 접촉하여 무릎관절의 롤백을 유도하는데 캠과 접촉시 발생하는 마모를 방지하여야 한다. 포스트와 베어링 insert 사이에 스프링 (144)을 삽입하여 캠과 접촉시의 순간적인 충격을 흡수하고 모멘트를 감소시킨다. 또한 이러한 스프링과 베어링 포스트와의 접촉을 방지하기 위하여 와셔(145)를 넣어 마모를 방지한다. 포스트가 베어링 insert 에 고정되는 여러 방법 중 하나는 베어링 insert에 원형 구멍(147)을 만들고 이동용 축 (143)이 삽입되고 축의 끝은 마개(146)로 고정한다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 인공관절의 수명에 중요한 요소인 캠-포스트의 접촉에서 발생하는 마모를 감소시키고 조립식으로 하여 기계 가공시 원자재 절감과 설계변경에 유리한 점이 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

140 : 인공슬관절 폴리에틸렌 베어링 insert
141 : 인공슬관절 폴리에틸렌 베어링 insert 포스트
142 : 베어링 insert 포스트와 이동용 축 사이의 공간
143 : 베어링 insert 포스트용 이동 축
144 : 충격흡수용 스프링
145 : 와셔
146 : 축 고정 너트
147 : 축 고정 공간

Claims

포스트-캠형 인공슬관절의 베어링 시스템에 있어서,
1) 베어링 포스트;
2) 베어링 인서트(insert);
3) 상기 베어링 포스트와 베어링 인서트를 연결하는 이동 축; 및
4) 상기 베어링 포스트와 베어링 인서트 사이에 위치하고 상기 이동 축 상에 설치되는 충격흡수부;
로 구성되는 포스트-캠형 인공슬관절의 베어링 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 충격흡수부는 스프링 또는 고무인 것을 특징으로 하는 포스트-캠형 인공슬관절의 베어링 시스템.
제 1항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 베어링 포스트와 상기 충격흡수부 사이에 위치하고 상기 이동 축 상에 설치되는 와셔를 추가로 포함하는 포스트-캠형 인공슬관절의 베어링 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 베어링 포스트는 폴리에틸렌 재질인 것을 특징으로 하는 포스트-캠형 인공슬관절의 베어링 시스템.