KR101409288B1

KR101409288B1 - 회전 및 병진 가능한 캠을 갖는 포스트-캠형 인공슬관절 시스템

Info

Publication number: KR101409288B1
Application number: KR1020140015839A
Authority: KR
Inventors: 이재환
Original assignee: 충남대학교산학협력단; 이재환
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2014-06-24

Abstract

본 발명은 인공슬관절의 femur의 캠에 있어서 병진과 회전이 가능한 조립식 캠에 관한 것으로 보다 상세하게는 기존의 femur에 고정된 캠이 아니고 회전하며 전후 병진 이동함으로 본래 사람의 무릎 운동과 유사한 굴곡과 신장운동을 도와주며 포스트에 발생하는 마모를 예방하여 인공관절의 수명(사용연한)을 연장할 수 있다. 캠의 형상은 포스트와의 접촉시 마모를 최소화할 수 있게 포스트와 접촉 면적이 최대가 되는 형상으로 원형, 오목형, 혹은 볼록형등 포스트와의 적합성에 따라 다양해 질 수 있다. 또한 조립식 부품을 적용하면 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

회전 및 병진 가능한 캠을 갖는 포스트-캠형 인공슬관절 시스템{Post-Cam Type Artificial Knee Joint with Translational and Rotational Cam}

본 발명은 회전 및 병진이 가능한 캠을 갖는 포스트-캠형 인공슬관절 시스템에 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, 2007에는 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.

[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, 4 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

도 1의 자유형 인공슬관절의 femur(대퇴부)와 tibia(경골부)는 금속으로 제작되고 가운데 연골을 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 도 2 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. 도 2는 후방인대를 제거한 후방안정형으로 포스트와 캠이 사용되는 인공슬관절의 일반적인 형상이다. 도 1과 도 2 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 도 2에서 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 femur와 tibia는 멀쩡한데 폴리부분이 손상되어 재수술을 하게 된다.

인공슬관절을 시술할 경우, 대부분 무릎 주위의 인대와 힘줄을 제거하므로 굴곡 시 정상인의 무릎처럼 정밀한 생체역학적 움직임을 구현하기가 어렵다. 무릎의 대퇴부는 무릎 굴곡시 처음엔 약간의 회전이 이어서 병진이 약간의 시차를 두고 발생하고 다시 회전운동을 한다. 인공관절에서 건강한 생체처럼 모션을 하기 위해 도입된 아이디어가 포스트-캠인 것이다. 캠은 금속 주조물로 femur part에 대부분 한 몸체로 되어 있으며 무릎의 굴곡 시 femur가 회전하며 후진(roll back)시 상부 femur part가 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 UHMWPe라는 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 이러하다. 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 굽힘 시 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 femur가 이탈하거나 극심한 마모가 발생하거나 롤백이 제대로 되지 않거나 혹은 femur가 전방으로 과다 전진하여 문제가 될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 캠이 회전을 하며 접촉을 하므로 접촉 시의 충격을 완화시켜 포스트의 마모를 감소시키는 것을 목적으로 한다. 캠의 형상은 포스트와의 접촉 시 마모를 최소화할 수 있게 포스트와 접촉 면적이 최대가 되는 형상으로 원형, 오목형, 혹은 볼록형등 포스트와의 적합성에 따라 다양해 질 수 있다.

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

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (A) 중공형의 관통부가 형성된 회전몸체, 상기 관통부를 통과하여 설치되고 양 끝 부분에 나사산이 성형된 지지축, 및 상기 지지축 양 끝 부분의 나사산에 각각 고정되는 고정너트로 이루어지는 조립식 캠 부;와 (B) 상기 지지축의 양 끝 부분이 삽입-설치되며, 삽입-설치된 상기 지지축이 병진이동이 가능하도록 선형의 홀이 형성되어 있는 대퇴부(femur);를 포함하는 것을 특징으로 하는 포스트-캠형 인공슬관절 시스템에 관한 것이다. 본 발명에서는 캠이 주조에 의해 femur 금속에 부착되지 않고 도 3에 보이는 바와 같이 지지축과 회전몸체로 한조를 이루고 지지축과 회전몸체 사이에 약간의 간격을 두어 인체 내의 액체가 윤활작용을 함으로써 지지축과 회전몸체 사이의 접촉을 순화시킨다. 캠이 포스트 베어링에 접촉 시는 회전을 하며 접촉을 하여 기존과 같은 순간 선접촉에 (작은 접촉면적에 큰 힘이 순간적으로 작용함을 의미)의한 마모 작용대신 면접촉과 같은 역할을 함으로써 마모를 감소시킨다. 또한 도 4처럼 회전몸체의 지지축이 전후 이동을 할 수 있는 공간을 두어 롤백 시 필요없는 접촉을 감소시키거나 이동에 의한 약간의 이격에 의해 과대한 접촉을 흡수할 수 있다.

본 발명에 따르면, 후방인대 제거형 인공 슬관절이 굽힘과 기전 시 롤백이 발생하게 하며 또한 포스트와 캠의 기계적 접촉시 회전하며 면접촉을 시도함으로써 폴리에틸렌으로 된 포스트의 마모를 감소시킨다. 또한 캠이 병진운동할 수 있는 공간을 두어 접촉시의 충격을 이격 격차를 두고 흡수하게 한다. 인공관절의 접촉면은 매우 매끄럽게 표면 polishing 가공을 엄밀하게 해야 한다. 캠을 주조나 단조로 만들 경우 일단 CNC 밀링머신으로 표면가공 하고 사람의 손으로 polishing 을 하게 된다. 이때 캠과 같은 부분은 CNC머신이나 손으로 가공하기에 어려운 곳에 위치하여 마모에 문제가 될 수 있다. 본 발명의 경우 캠을 femur 본체와 별도로 가공할 수 있어 표면가공과 polishing 시 용이하고 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 1은 금속 femer, 폴리에텔렌 베어링 insert, 금속 tibia로 구성된 자유형 인공슬관절의 예시도.
도 2는 캠이 있는 금속 femer, 포스트가 있는 폴리에텔렌 베어링 insert, 금속 tibia로 구성된 반구속형 인공슬관절의 예시도.
도 3은 본 발명의 회전하는 조립구조의 인공슬관절의 femur 캠의 구조도.
도 4는 본 발명의 병진과 회전하는 조립구조의 인공슬관절의 femur 캠의 구조도.

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 회전하면서 전후이동이 가능한 캠을 포함하는 포스트-캠형 인공슬관절 시스템에 관한 것으로, 금속 femur(100, 도3)에 부착되는 회전몸체(120, 도 3)로 이루어 진다.

금속 femur(100)에 부착되는 회전몸체(120)는 회전하는 몸체로서 생체적합한 금속으로 된 원형이나 오목한 형태등, 접촉하는 포스트와의 마모를 최소화하기 위해 서로의 접촉 면적을 최대로 하고 곡률을 일치하는 형태의 봉형으로 원형의 중심에는 관통부(121)를 지나가는 지지축(122)이 있다. 회전몸체의 중요 기능은 대퇴부의 좌우 날개 (내과와 외과) (110) 끝 부분에 부착되어 회전을 하는 기능이고 부착하는 방법에 따라 여러 가지 방법이 있을 수 있다. 회전몸체와 대퇴부의 좌우 날개사이의 접촉 시 마모를 방지하기 위하여 얇은 판(와셔)(125)이 있을 수 있다. 회전몸체가 금속 femur에 고정되는 여러 방법 중 하나는 대퇴부의 좌우 날개 (110)에 원형 홀(111a)을 만들고 지지축(122)을 삽입하고 지지축의 끝은 나사산(123)으로 되어 UHMWPe나 금속으로 만든 고정너트(124)로 고정한다.

롤백 운동시 내마모성을 증가시킬 수 있는 다른 방법으로 금속 femur에 부착되는 회전몸체의 고정 부분을 다른 형태로 만들 수 있다. 지지축이 삽입되는 대퇴부의 좌우 날개 양쪽에 옆으로 퍼진 직선형 홀(111b)을 만들어, 지지축이 전후 이동을 할 수 있도록 함으로써 포스트와 캠의 접촉 시 필요 이상의 최대 모멘트가 발생하지 않게 함으로써 마모를 감소시키고자 한다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 인공관절의 수명에 중요한 요소인 캠-포스트의 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.

100 : 금속 femur
110 : 대퇴부의 좌우 날개 (내과와 외과: medial and lateral condylar)
111a : 홀
111b : 홀
120 : 회전몸체
121 : 관통부
122 : 지지축
123 : 나사산
124 : 고정너트
125 : 와셔

Claims

(A) 중공형의 관통부가 형성된 회전몸체, 상기 관통부를 통과하여 설치되고 양 끝 부분에 나사산이 성형된 지지축, 및 상기 지지축 양 끝 부분의 나사산에 각각 고정되는 고정너트로 이루어지는 조립식 캠 부;와
(B) 상기 지지축의 양 끝 부분이 삽입-설치되며, 삽입-설치된 상기 지지축이 병진이동이 가능하도록 선형의 홀이 형성되어 있는 대퇴부(femur);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 포스트-캠형 인공슬관절 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 회전몸체와 대퇴부의 좌우 날개 사이에 각각 삽입되는 와셔를 추가로 포함하는 포스트-캠형 인공슬관절 시스템.