(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
寛骨臼に嵌入され、外面がほぼ４５°で斜め下方にカットされ、カット面から上方に円筒状凹部が形成された金属製アウターカップと、アウターカップの円筒状凹部に旋回・摺動可能に嵌合され、下外面がほぼ４５°で斜め下方にカットされ、カット面に臨んで大腿骨ヘッドが才差運動可能に嵌入される略半球状凹部が形成された円筒体の金属製インナースリーブとからなる人工股関節であり、アウターカップとインナースリーブとの間に隙間を確保してこの隙間に衝撃緩和材を介装したことを特徴とする人工股関節。
【請求項２】
衝撃緩和材がコイルバネである請求項１の人工股関節。
【請求項３】
インナースリーブの上端にポケットを凹陥し、コイルバネの下端をポケットに収容した請求項２の人工股関節。
【請求項４】
コイルバネの下端がインナースリーブに固定される請求項２又は３の人工股関節。
【請求項５】
衝撃緩和材が皿バネである請求項１の人工股関節。
【請求項６】
衝撃緩和材が同極を対向させてアウターカップとインナースリーブに取り付けられる一対の磁石である請求項１の人工股関節。
【請求項７】
インナースリーブに略半球状凹部と隙間とを連通する１又は２以上の孔が形成される請求項１〜６いずれかの人工股関節。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属対金属で構成される人工股関節において、歩行時や立ち上がったとき又は飛び降りたときの衝撃を緩和する人工股関節に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
股関節は、大腿骨の先端にある骨頭が骨盤の寛骨臼に回動可能に嵌め込まれた構造であり、人が動作をするときに大腿骨の回動（屈伸）を許容し、大腿骨から伝わる荷重を骨盤に分散したり、衝撃を緩和する等の役割を果たす。股関節が正常であれば、歩行したり、立ち上がったり、飛び降りたり、座ったりする動作をスムーズに行うことができるが、股関節が疾病や外傷等で円滑な機能が果たせなくなった場合には人工股関節に頼らざるを得ない。
【０００３】
人工股関節には、骨盤に固定して半球状の凹部が形成された金属製のアウターカップと、アウターカップの凹部に回動可能に嵌合され、同じく半球状の凹部が形成されて半球状をしている超高分子量ポリエチレン樹脂製のインナーカップと、大腿骨に固定される大腿骨ステムの先端に形成された金属製の球状の大腿骨ヘッド（球状ヘッド）が才差運動可能に嵌入されたスリーピースのものと、アウターカップの凹部に球状ヘッドが直接嵌入されるツーピースのもとがある。
【０００４】
前者は金属対樹脂型と称され（非特許文献１）、樹脂が股関節にかかる衝撃を緩和する特性がある。生体の股関節も同様であって、関節部分に存する軟部組織等が衝撃緩和の役目を果たす。しかし、このタイプのものは、ポリエチレン樹脂の磨耗が問題になり、磨耗が進行すると、摺接部において密着していたインナーカップと球状ヘッドとの構造に隙間が発生する。この隙間が大きくなると、球状ヘッドがインナーカップから外れて脱臼を引き起こしたりする。また、摩耗により、摩耗粉が体内に分散して血液中に拡散すると、マクロファージの捕食作用が進み、いずれは骨溶解が惹起され、再手術が必要となったりする。
【０００５】
このため、特許文献１には、超高分子量ポリエチレン樹脂よりも耐摩耗性に優れた材料として炭素繊維強化ポリエーテルエーテルケトンを用いる提案がされている。また、特許文献２には、摩耗粉を局所に留めて拡散しないようにソケットの端部を包むようにした提案もある。しかし、ポリエチレン樹脂を用いることには変わりはないから、多かれ少なかれ、磨耗の問題は生ずる。
【０００６】
一方、後者は金属対金属型と称され、磨耗が少ないこともあって、ポリエチレン構造の欠点を解消する人工股関節として期待されており、近年使用が増加している（非特許文献２）。しかし、このタイプのものは、金属と金属が直接接触していることから、歩行や立ち上がり等の動作時の衝撃を緩和する能力に欠けており、身体に大きな苦痛を与えるという問題がある。したがって、このタイプに要求される特性は、衝撃をいかに緩和させるかということになってくる。
【０００７】
なお、金属に代えて磨耗の少ないセラミックも採用されることがあるが、セラミックも硬質材料であることには変わりはないので、衝撃を緩和するという面では同じ問題を有している。上記した特許文献１では、セラミックにおける衝撃緩和作用を期待してカップ表面に樹脂製のライナを設ける案が提案されている。さらに、特許文献３には、ヘッドに樹脂製のライナを貼設するという提案もある。しかし、これらはいずれも樹脂材を用いており、超高分子量ポリエチレンと同様に摩耗による脱臼や摩耗粉の問題が生ずるのは避けられない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−０５４７８８号公報
【特許文献２】特開２００４−０２４８６８号公報
【特許文献３】特表２００７−５３６９４８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Kurtz SM Muratoglu OK,Evans M,Edidin AA.Advances in the processing,sterilization,amd crosslinking of ultra-high molecular weight polyethylene for total joint arthroplasty Biomaterials 1990;20:1659-1685
【非特許文献２】Duncan Dowson,DSc,Cath Hardaker,Msc,Magnus Flett,MSc,and Graham H.A.hipjoint simulator study of the performance of Metal-on-Metal joint.The Journal of Arthroplasty Vol.19 No.8 Suppl.3 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者等は、耐磨耗性に優れた金属対金属型人工股関節における衝撃緩和性に欠けるという問題を克服するために種々の改善策を検討した結果、有機高分子系樹脂を用いる代わりに新規な手段を用いることで、衝撃緩和作用を発揮させる人工股関節を発明するに至ったのである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、寛骨臼に嵌入され、外面がほぼ４５°で斜め下方にカットされ、カット面から上方に円筒状凹部が形成された金属製アウターカップと、アウターカップの円筒状凹部に旋回・摺動可能に嵌合され、下外面がほぼ４５°で斜め下方にカットされ、カット面に臨んで大腿骨ヘッドが才差運動可能に嵌入される略半球状凹部が形成された円筒体の金属製インナースリーブとからなる人工股関節であり、アウターカップとインナースリーブとの間に隙間を確保してこの隙間に衝撃緩和材を介装したことを特徴とする人工股関節を提供したものである。
【００１２】
また、本発明は、以上の人工股関節において、請求項２に記載した、衝撃緩和材がコイルバネである手段、請求項３に記載した、インナースリーブの上端にポケットを凹陥し、コイルバネの下端をポケットに収容した手段、請求項４に記載した、コイルバネの下端がインナースリーブに固定される手段、請求項５に記載した、衝撃緩和材が皿バネである手段、請求項６に記載した、衝撃緩和材が同極を対向させてアウターカップとインナースリーブに取り付けられる一対の磁石である手段、請求項７に記載した、インナースリーブに略半球状凹部と隙間とを連通する１又は２以上の孔が形成される手段を提供する。  
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によると、アウターカップとインナースリーブとの間には衝撃緩和材が介装されることから、人が動作するときや股関節部分に瞬間的に大きな荷重がかかったときにその衝撃を吸収して緩和する。したがって、身体（股関節）への負担、疼痛感、不快感を和らげ、より自然な行動を保証する。このことは、人工股関節自体の損傷、更にはルーズニングの発生等を軽減することにもなり、人工股関節の寿命を長期に安定させ、患者に精神的、肉体的に多大な負担をかける抜去、再手術等の事態を少なくする。
【００１４】
これにおいて、衝撃緩和材の具体例としては、請求項２のコイルバネがあり、所望のバネ定数のものを安価に製作できる利点がある。そして、請求項３の手段によれば、自由長を長くできて設計の自由度が広がるという利点がある。請求項４の手段によると、コイルバネの安定性を高めるとともに、コイルバネの伸縮時にインナースリーブの旋回を許容し、より衝撃緩和が図られるという利点がある。請求項５の皿バネ及び請求項６の磁石によると、収容スペースが小さくて足りる利点がある。請求項７の手段によると、隙間に溜まった体液を大腿骨ヘッドの摺動面に潤滑材として供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る人工股関節の分解斜視図である。
【図２】本発明に係る人工股関節を寛骨臼に設置した状態の要部断面図である。
【図３】本発明に係る人工股関節を寛骨臼に設置した状態の他の例を示す要部断面図である。
【図４】本発明に係る人工股関節を寛骨臼に設置した状態の他の例を示す要部断面図である。
【図５】本発明に係る人工股関節を寛骨臼に設置した状態の他の例を示す要部断面図である。
【図６】本発明に係る人工股関節を寛骨臼に設置した状態の他の例を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明に係る人工股関節の分解斜視図であるが、この人工股関節は、寛骨臼１に嵌入されるアウターカップ２と、アウターカップ２に嵌合されるインナースリーブ３と、インナースリーブ３に嵌合され、大腿骨に挿入される大腿骨ステム４とからなる。このうち、アウターカップ２は、原則的には半球状をしており、整形した寛骨臼１に骨セメントやネジ釘で固定的に装着される。アウターカップ２が寛骨臼１から覗く外面はほぼ４５°で斜め下方にカットされ、カット面５から上方に円筒状凹部６が形成されている。なお、この円筒状凹部６はアウターカップ２の外面との間に多少の肉を残して形成されている。このアウターカップ２は、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金やチタン合金といった生体適合金属で構成される。
【００１７】
インナースリーブ３は、外形がアウターカップ２の円筒状凹部６に嵌合される円筒体をしており、下外面がアウターカップ３と同じくほぼ４５°で斜め下方にカットされ、カット面７に臨んで略半球状凹部８が形成されている。インナースリーブ３の下端はアウターカップ２のカット面５と面一になるまで挿入されるのが正規の状態であるが、このとき、その状態とアウターカップ２の円筒状凹部６の上端との間には隙間９を有している。なお、インナースリーブ３は円筒状凹部５に対して最大で１ｍｍ程度の間隙を有しており、自由に旋回及び摺動するものになっている。インナースリーブ３も、アーターカップ２と同様な生体適合金属で構成される。
【００１８】
インナースリーブ３の略半球状凹部１０には球状の大腿骨ヘッド（球状ヘッド）１０が才差運動（こまやすりこぎに似た立体的な回動運動）可能に嵌合され、球状ヘッド１０はネック１１を経て大腿骨に挿入される大腿骨ステム４へと続いている。なお、球状ヘッド１０を含む大腿骨ステム４も、上記した生体適合金属で構成されている。
【００１９】
本発明では、アウターカップ２の円筒状凹部６とインナースリーブ３との間に衝撃緩和材１２を介装する。本例では、衝撃緩和材１２としてコイルバネ１２ａを示しており、これを上記した隙間９に装填している。この場合、コイルバネ１２ａの下端をインナースリーブ３の上端に円周上３ケ所で固定しているが、フリーにすることもある（上端はフリー）。なお、隙間９が小さいときには、インナースリーブ３の上面にポケット１３を凹陥し、コイルバネ１２ａの下端をこの中に収容する。コイルバネ１２ａの姿勢を安定させるとともに、バネの設計の自由度を広げるためである。
【００２０】
以上により、人が動作するときには、球状ヘッド１０がインナースリーブ３の略半球状凹部８の中で自由に才差運動をすることで生体の股関節と同様な股関節機能を発揮する。加えて、本発明では、股関節に上下方向の荷重が掛かったときにはインナースリーブ３がアウターカップ２の円筒状凹部６の中でコイルバネ１２ａを介して上昇し、衝撃を緩和する。一般に、力はある点から他の点に伝わるが、衝撃が大きいとは、この力が大きいことはもちろんのこと、力の減弱の度合いが小さいこと、伝達時間が短いことであると言われている。
【００２１】
股関節に掛かる荷重は、歩行時では３×１０3 Ｎ、正座から起立する場合は４×１０3 Ｎと言われており、この荷重の伝達時間を長くすれば、荷重も減弱されて衝撃を緩和できる。股関節にかかる衝撃を緩和できれば、股関節を始めとして人体各部への負担が減らせるとともに、疼痛感、不快感も取り除くものとなる。本発明に係る人工股関節は、衝撃緩和材を用いることでこのことを可能にしたものである。
【００２２】
コイルバネ１２ａによる衝撃緩和の態様は、自身が収縮されて伝達を遅らせることであるが、コイルバネ１２ａの弾性力がそれに寄与する。加えて、コイルバネ１２ａが収縮するときには、外径を膨大させるとともに、自身が旋回するが、コイルバネ１２ａの下端をインナースリーブ３に固定しておけば、インナースリーブ３が旋回しながら上昇するから、この点でも伝達時間の遅延（衝撃緩和）に寄与する。この場合、インナースリーブ３と円筒状凹部６とが上記した間隙を有することが旋回を容易にする。
【００２３】
本発明者等は、似たような状況でコイルバネが衝撃を緩和するかどうかを米国ＭＴＳ社製８５８ＭｉｎｉＢｉｏｎｉｘ試験機を用いてテストをしてみた。コイルバネは直径１０ｍｍで巻数が２〜３、バネ定数が２４０Ｎ／ｍｍのものを使用し、これを直径４３ｍｍで長さが５ｍｍの円筒体空間の中に挿入し、インナースリーブ状のものを０．３秒で３×１０3 Ｎの荷重で押してコイルバネを収縮させてみた。結果は、３×１０3 Ｎの荷重を２．３×１０3 Ｎに減弱させ、伝達時間は１．２秒まで遅らせることができた。このことから、このコイルバネの衝撃緩和の効果が確認でき、これを人工股関節に適用することの意義が実証できた。
【００２４】
本発明の場合、衝撃緩和材１２による緩和程度をどの位に設定するかが問題になるが、歩行時の３×１０3 Ｎの荷重がかかったときには、既にコイルバネ１２が幾らか収縮しているのが適すると言える。生体の股関節でもこの現象を呈しているからである。そして、急に立ち上がったときの４×１０3 Ｎの荷重がかかったときには、コイルバネ１２ａはほとんど収縮している状態が適すると想定できる。一方で、コイルバネ１２ａのバネ定数があまり高いと、設置者自身に強い違和感が生ずるからである。この点で、このコイルバネ１２ａは、バネ定数が４×１０3 Ｎ／３ｍｍ程度で、巻数 2〜４、直径３５〜４０ｍｍ程度のものが適当と考えられる。なお、あまりに強い荷重がかかると、コイルバネ１２ａは巻線同士が接触してそれ以上収縮しない剛体になり、一種のストッパ作用を呈す。
【００２５】
ところで、以上のアウターカップ２やインナースリーブ３の寸法等について記しておくと、まず、アウターカップ２は、直径５０〜６０ｍｍの略半球形をしており、外面側は水平から４０〜５０°の角度でカットされており、ここから長辺が３７．１ｍｍ、短辺が６．５ｍｍで直径が４３ｍｍの円筒状凹部６が形成されている。インナースリーブ３は、直径４２．９ｍｍの円筒体をしており（円筒状凹部６との間隙は１ｍｍということになる）、下端が水平から４０〜５０°の角度でカットされており、ここに臨んで直径３１ｍｍの略半球状凹部８が形成されている。インナースリーブ３の丈は長辺３３ｍｍ、短辺１．５ｍｍをしており、アウターカップ２の円筒状凹部６の上部との間に５ｍｍの隙間９を有していることになる。
【００２６】
ちなみに、球状ヘッド１１の直径はインナースリーブ３の略半球状凹部８の直径と同じ３１ｍｍである。なお、以上の寸法は一例であって、体格や年齢によって変わることから、これに限定されるものではない。特に、アウターカップ２の円筒状凹部６とインナースリーブ３の上端との隙間９は加工を工夫して長くするのが適する（上記したポケット１３の形成もその一例である）。この隙間９が長いほど、衝撃緩和材１２の種類やバネの設計の自由度が広がるからである。
【００２７】
衝撃緩和材１２としては、以上のバネ１２ａの他に皿バネや磁石が考えられる。図３は皿バネ１２ｂの例であり、図４は磁石１２ｃの例であるが、皿バネ１２ｂであれば、隙間９の長さが短くて足りるし、磁石（永久磁石）１２ｃであれば、全体が薄くできて隙間９は更に短くてよい。なお、磁石１２ｃの場合は、二個用いて対向面が反発し合う極にしておく必要があるし、アウターカップ２の円筒状凹部６とインナースリーブ３に接する面は接着剤等で固着しておく必要がある。そして、これらの素材についても上記と同様に生体適合金属が用いられるのはいうまでもない。
【００２８】
図５は更に他の例を示す要部の断面図であるが、本例のものは、インナースリーブ３にその略半球状凹部８と上方の隙間９とを連通する孔１４を形成したものである。これによると、隙間９は空隙であるから、これに体液が溜まるが、孔１４はこの体液を大腿骨ヘッド１０と略半球状凹部８の摺動面に供給する作用があり、大腿骨ヘッド１０の動きがスムーズになる利点がある。なお、孔９は一つに限らず、複数であってもよい。
【００２９】
図６も更に他の例を示す要部の断面図であるが、本例のものは、アウターカップ２の円筒状凹部６の延長に周囲に肉を確保して膨出部１５を形成したものである。これによると、隙間９が長くとれ、内部に収容するコイルバネ１２ａのバネ定数を低く抑えることができ、衝撃の伝達時間をより遅延させて違和感を減少させ、機能性を向上させることができる。なお、このような膨出部１５を設けたとしても、寛骨臼１をこれに即した形状に整形することで嵌入は可能になる。また、アウターカップ２と寛骨臼１を固定性を高めることにも寄与する。
【符号の説明】
【００３０】
１        寛骨臼
２        アウターカップ
３        インナースリーブ
４        大腿骨ステム
５        アウターカップのカット面
６        円筒状凹部
７        インナースリーブのカット面
８        略半球状凹部
９        隙間
１０      大腿骨ヘッド
１１      ネック
１２      衝撃緩和材
１２ａ    コイルバネ
１２ｂ    皿バネ
１２ｃ    磁石
１３      ポケット
１４      孔
１５      膨出部                                                              
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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