(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然関節を置換するための体内補綴具として用いられる人工関節であって、一対の第１関節面と、前記一対の第１関節面と接合される一対の第２関節面とを備え、直接的な力伝達のための領域として、前記第１関節面の各々には第１調節面（Ｆ１）が、前記第２関節面の各々には各運動状態で前記第１調節面（Ｆ１）と直線状の接当線（Ｂ）を介して接触する第２調節面（Ｆ２）が形成されており、前記第１調節面（Ｆ１）と前記第２調節面（Ｆ２）との接触に際して一対の第１調節面（Ｆ１，Ｆ１）の間に一対の第２調節面（Ｆ２，Ｆ２）が挟み込まれるように、前記第１調節面（Ｆ１）と前記第２調節面（Ｆ２）との接触によって形成される一対の接当線（Ｂ）どうしが互いに傾斜している人工関節。
【請求項２】
前記第１調節面（Ｆ１）と前記第２調節面（Ｆ２）の外側に、円弧状の曲線（Ｓ１，Ｓ２）の集合によって形成され、且つ、関節的な力伝達の領域を形成する隆起面（９，１０）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の人工関節。
【請求項３】
前記第１調節面（Ｆ１）と前記隆起面（１０）の境界には湾曲した接触線（Ｌ１）が形成され、前記第２調節面（Ｆ２）と前記隆起面（９）の境界には湾曲した接触線（Ｌ２）が形成されており、一方の接触線（Ｌ１）は、円筒半径（Ｒ１）を有する第１円筒（１）または円錐角度（α１）を有する第１円錐（１）の楕円形の断面輪郭の一部であり、かつ、他方の接触線（Ｌ２）が、第１円筒（１）の上を転がり運動および／または滑り運動し円筒半径（Ｒ２）を有する第２円筒（２）もしくは第１円錐（１）の上を転がり運動および／または滑り運動し円錐角度（α２）を有する第２円錐（２）の反対軌跡として生じることを特徴とする請求項２に記載の人工関節。
【請求項４】
前記第１円筒（１）と前記第２円筒（２）とは、関係式Ｒ＝Ｒ２＋Ｒ１を満たす関節軸軌跡の半径Ｒを有して外接する２節から成る関節連結を形成するか、または、関係式Ｒ＝Ｒ２−Ｒ１を満たす関節軸軌跡の半径Ｒを有して内接する２節から成る関節連結を形成するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の人工関節。
【請求項５】
前記第１円錐（１）と前記第２円錐（２）とは、関係式α＝α２＋α１を満たす軸間の角度αを有して外接する２節から成る関節連結を形成するか、または、関係式α＝α２−α１を満たす軸間の角度αを有して内接する２節から成る関節連結を形成するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の人工関節。
【請求項６】
内接する２節から成る連結が人間の膝のための人工関節の外側の関節室（１１）を形成し、外接する２節から成る連結が該人工関節の内側の関節室（１２）を形成し、各関節室の大腿骨側の関節部分と脛骨側の関節部分はそれぞれ剛体に連結されていることを特徴とする請求項４または５に記載の人工関節。
【発明の詳細な説明】
本発明は、関節部が相対的に互いに関節で接合されるそれぞれ湾曲した関節面を有する少なくとも２つの人工関節部から成る人工関節、特に自然関節を置換するための体内補綴具に関する。
前述のような人工関節は、ドイツ特許第４２０２７１７．９号明細書から知られている。この場合では関節面が互いに垂直の平面を有し、しかも縦平面と横平面で異なる円形の断面輪郭を有し、前記関節面の湾曲関係は各平面において凸面−凸面、凸面−凹面または凹面−凹面であり、前記関節面の関節幾何学形状は互いに両平面のそれぞれに２つの関節軸を有する関節連結いわゆる２節から成る関節連結により決定され、前記関節連結はそれぞれ付属の断面輪郭の関節面の湾曲中心を通って延びる。この人工関節の関節面は凸面−凹面、凹面−凹面もしくは凸面−凸面に形成されるので、本質的に点状の力伝達領域が生じるため、関節面に材料摩擦を引き起こす面圧上昇が発生する可能性がある。これにより前記人工関節の耐用年数は短縮されてしまうことがある。関節部の関節面間の力伝達を改善するため、公知の関節において個々の関節部の間に、それぞれ良好かつ一様の力配分が達成される圧力分布体を配置することが提案されている。ところがこの圧力分布体によると人工関節に必要な関節部の数が増加する。
本発明が解決しようとする課題は、点状の力伝達領域が回避され、圧力分布体の組込みが不要であり、それと同時に特に人間の自然関節のための体内補綴具としての使用時に人体の所与条件に最適の適合が可能になる人工関節を形成することである。
この課題は、本発明に基づき、冒頭に述べた形式の人工関節により達成され、それぞれの関節面に湾曲した接触線が形成され、前記関節面の一方の湾曲した接触線が円筒半径Ｒ１もしくは円錐角α１を有する第１円筒もしくは円錐の楕円形の断面輪郭の一部であり、他方の接触線が第２の、第１円筒もしくは第１円錐上で転がり運動および／または滑り運動をする、円筒半径Ｒ２もしくは円錐角α２を有する第２円筒もしくは第２円錐の反対軌跡として生じ、ならびに前記関節面は多数の直線状の接当線から形成された調節面を有し、前記調節面が片側で接触線に互いに相対して接続され、かつ、接当線はそれぞれ基準平面もしくは可動／不動系内の基準球上の接触線の瞬間の接点と各運動系の瞬間の基準点との間の接合線である。好ましくは本発明に基づき、基準点として可動または不動系の固定点または可動点が選択され、その際、一方の円筒もしくは円錐が運動せず、他方の円筒もしくは円錐が前記不動の円筒／円錐上で転がり運動および／または滑り運動をすることを前提とする。
一方向にのみ可動する運動への固定および基準点としての瞬間の回旋極の選択は、極曲線が滑り運動をしないで互いに転がり運動するので、調節面に対応する部分に前記性質が伝達されることになる。瞬間の回旋極の代りに可動もしくは不動系内の基準面もしくは基準球の他方の瞬間の共通点が使用されるとき、これにより転がり運動から滑り運動への割合を変化させることができる。
さらに本発明に基づき、第１および第２円筒もしくは第１および第２円錐が、外接する２節の関節連結もしくは内接する２節の関節連結を形成できるように前記円筒もしくは円錐が互いに配置されることを考慮している。円筒の場合には、外接する２節から成る連結で関係式Ｒ＝Ｒ２＋Ｒ１が、もしくは、内接する２節から成る関節連結で関係式Ｒ＝Ｒ２−Ｒ１が適用され、式中Ｒは関節軸軌跡の半径であり、Ｒ１は第１円筒の半径であり、Ｒ２は第２円筒の半径である。円錐の場合には、円筒の場合に準じてα＝α２＋α１およびα＝α２−α１が適用され、式中αはそれぞれ接触する円錐対の軸間の角度である。
本発明に基づき円筒もしくは円錐は、互いに重なり合いもしくは入れ子になって転がり運動または滑り運動をし、円筒軸の間隔もしくは円錐軸間の角度は常に一定にとどまるので、平面または球面の２節から成る連結が生じる。それ自体は３パラメータで表現可能な平面運動または球面の運動は、上述のように２つの自由度に制限される。対応する円筒半径もしくは円錐角度は、好ましくは人間の膝関節の解剖学的な条件に適合され、同種材料とその材料の性質にしたがって変化させることもできる。
本発明に基づく人工関節は、関節面の各接点で線状の力伝達領域が形成されることを特徴とする。
さらに本発明に基づき、調節面の領域で直接力が伝達される領域の近くに無接触領域が形成されるならば、これを長所とすることができ、これにより辺縁組織は機能面で最小限の外傷のみが生じる。このため本発明に基づき、調節面に相対する接触線の側で接当線は、隆起部が形成されるように円弧状の曲線で延びるとき目的に適している。この曲線は、接触線の瞬間の接点で可動または不動系内に平面が設けられ、この平面は、調節面の各接当線および前記接当線の共通の垂直線から、各接触点の接触線の１つの接線へ固定される。隆起部は、前記隆起部の関節面の外側部分が接触しないように形成されている。この隆起部の外側部分は、湾曲した関節面の間接的な力伝達の領域を形成する。
曲線は、本発明に基づき、屈曲なしに調節面の各接当線に当接し、該曲線の法線が接点で一致する。曲線が好ましくは部分的に円弧状に形成されながら−外側の線分で様々な大きさの半径を選択して−関節面の運動中に常に関節接合する隆起部の間に自由な空間を残すことができる。
本発明に基づく関節は、好ましくは、内側の関節室が内接する２節から成る連結を形成し、外側の関節室が外接する２節から成る連結を形成し、これにより一方向にのみ可動する４関節が形成されるように、４関節における人間の膝用の体内補綴具として使用される。
添付図面に示した実施例を利用して本発明をより詳しく説明する。
図１ないし１１
本発明に基づく関節構造を示す。
本発明に基づき、関節の一定の平面または球面の一方向の可動性が達成されなければならない。これは、平面または球面の駆動体に有利な条件が与えられることによりおこなわれる。この駆動体では、第１ステップで回旋軸が前記軸の周囲に配列された、互いに接触する円筒により、または球面の円錐によっても置換され、前記円筒もしくは円錐は互いに転がり運動および／または滑り運動をする。対応する円筒の半径もしくは円錐の円錐角度は、置換する自然関節、特に人間の膝関節の解剖学的な所与条件に適合される。
図１に、２つの互いに転がり運動および滑り運動をする円筒１、２を中心点Ｍ１およびＭ２と、半径Ｒ１およびＲ２と、回旋軸ｄ１およびｄ２とで表す。ここに示した円筒対は、平面で外接する２節から成る連結として配列され、この結果、円筒２は円筒１で転がり運動もしくは滑り運動をする。ここでＲ＝Ｒ２＋Ｒ１が当てはまり、式中Ｒは、２節から成る関節連結の長さでもある関節軸軌跡である。図１ａは、付属の円錐角度α１、α２を有する２つの互いに重なり合って転がり運動をする円錐１、２の図示であり、その際、α＝α２＋α１が当てはまる。
図２に、円筒１および２と、中心点Ｍ１およびＭ２と、半径Ｒ１およびＲ２と、円筒軸Ｄ１およびＤ２とから成る円筒配列を示し、前記円筒は内接する２節から成る連結の形態で配列される。ここでＲ＝Ｒ２−Ｒ１が当てはまり、式中Ｒは同じく関節軸軌跡の半径であり、それにより２節から成る連結の長さである。図２ａは、付属の円錐角度α１、α２を有する２つの互いに入れ子になって転がり運動をする円錐１、２の図示であり、その際、α＝α２−α１である。
図２に示したように、たとえば前記配列において円筒１が不動部分として選択され、その際、円筒１では接触線Ｌ１が円筒１の斜め切断により選択され、これにより前記接触線は楕円形の形状を有する。円筒２は、これにより円筒１上で可動部分として選択され、および、転がり運動および／または滑り運動され、その際、円筒面上で円筒２の転がり運動および滑り運動にしたがって反対曲線が接触線Ｌ２として形成される。前記接触線Ｌ２は、線分ごとに円弧状の形状を有する。両方の接触線Ｌ１およびＬ２は、これにより瞬間的に常に共通の接点Ｋを有する。円筒１は、本発明に基づき、たとえば本発明に基づく膝のための人工関節を形成する際、大腿骨の関節部分に、かつ、円筒２は脛骨の関節部分に割当てることができる。
図３に、ここで図２に記載した関節配列で円筒１および２に形成された接触線Ｌ１およびＬ２に基づき、線状接触による接当線Ｂが、本発明に基づく調節面を形成するためどのように作られるか、を示す。このために好ましくは可動系に１つの基準点Ｑが指定され、この基準点は、接当線Ｂが接触線Ｌ１およびＬ２の瞬間の接触点Ｋまで好ましくはｚ軸に対して角度β（３５°＜β＜７０°）を有するように、関節内部に移動した自由に選択する基準面（矢状面）で選択される。この基準面は、ここで座標軸面ｘおよびｙにより示される機能面と平行である。接当線Ｂの全体は、静止系において基準点Ｑの接触線Ｌ１と軌跡５との間で延びる直線を有する調節面Ｆ１を与える（図４参照）。可動系には、接触線Ｌ２と前記系で一箇所に固定された基準点Ｑとの間に調節面Ｆ２が生じる（図５参照）。これにより各運動状態で、両方の調節面Ｆ１およびＦ２が構造上それぞれ線状に接触する。関節面のためにそれぞれ調節面Ｆ１およびＦ２の一部が選択され、この部分がＬ１もしくはＬ２に接続され、かつ、中心に向って接触線上で測定して最大３ｃｍまで延びる。この接当線Ｂにより形成された調節面Ｆ１およびＦ２の部分は、直接力伝達の領域に属す。
さらに本発明に基づき、接触線Ｌ１、Ｌ２の、調節面Ｆ１、Ｆ２に向き合う側に、関節的な力伝達を行う関節接合部分面が生じることが判っている。このために必要な本発明の構造は図６を利用して説明する。接触線Ｌ１、Ｌ２の瞬間の接点Ｋで支援構造として可動系および不動系に瞬間の平面が設けられ、この平面が、調節面Ｆ１、Ｆ２の接当線Ｂと、接当線Ｂの共通の垂直線７と、接線ｔとから接触線Ｌ１および／またはＬ２に固定される。この平面には、屈曲なしの調節面Ｆ１、Ｆ２の接当線Ｂに、円弧状の曲線、つまり運動全体にわたり好ましくは定在する曲線Ｓ１、Ｓ２が当接される。これにより−図７に示したように−可動系と、−図８に示したように−不動系とに隆起面９、１０が生じ、この平面は屈曲なしにそれぞれの調節面Ｆ１、Ｆ２に当接され、かつ、該平面の法線は接点で一致する。円弧状の曲線Ｓは、運動中常に、関節接合されそこから形成された隆起部面９、１０の間に自由空間が残るような性状を有する。これは、円形の曲線Ｓ１、Ｓ２で、様ざまな大きさの半径が選択されることにより達成できる。さらに、Ｓ１およびＳ２が共通の半径を有する一定の区間（最大２ｃｍまで）にわたって同じ半径を持つようにして、その後で初めて屈曲なしに様ざまな大きさの半径にすることも利点がある。これにより直接的な力伝達の領域は円弧状の領域に拡大される。調節面Ｆ１およびＦ２および隆起状の関節面１０、９は、直線と円弧とから成る断面輪郭の運動により発生するので、この平面はＣＮＣ研磨機を利用して製造することができる。基準点Ｑは、不動系でも指定することができる。さらに、Ｑを運動に依存して選択し、特にそのために、自由に選択可能な中間面に位置する瞬間回旋極Ｐ（図６）を使用することも、好ましいものとすることができる。次に調節面Ｆ１は、接触線Ｌ１と不動中心軌跡４との間にあり、かつ、調節面Ｆ２は接触線Ｌ２と可動中心軌跡６との間にある。不動中心軌跡４および可動中心軌跡６は、運動の瞬間の回旋軸の全体を含む自由選択面の線分として生じる。接当線Ｂを形成するために瞬間の回旋極が選択される場合、極点の曲線が重なり合って転がり運動をするので、形成された調節面Ｆ１およびＦ２上で滑り運動が最小限に抑制される。瞬間の回旋極の代りに他の瞬間の共通点が可動／不動系内の基準面に使用される場合、転がり運動と滑り運動の割合を変化させることができる。
図９は、関節頭部の関節面を形成することができる人工関節部１２に図８に記載した接続した隆起面１０を有する調節面Ｆ１からなる不動系の配置の伝達を示す。ここでは、調節面Ｆ１および隆起面１０の寸法は解剖学的な条件に適合されることが理解される。
好ましくは本発明に基づく関節は、図１および２に記載した２つの本発明に基づく関節配列の平行接続から成る人間の膝関節を置換するための体内補綴具として形成される。その場合に各関節体対の調節面は、該調節面が中心面Ｘ−Ｘに向けられた側におかれるように中心面Ｘ−Ｘに配列される。ここで脛骨の関節体および大腿骨の関節体は、それぞれ剛体に互いに接続される。これにより、一方向の可動性の性質が生じ、この性質は生じた４関節により条件づけられる。瞬間の回旋極は、側面図で外側および内側の連結の切点（もしくはその延長）として生じる。全体として固定面には不動中心軌跡と、可動面には可動中心軌跡とが発生する。図１０および１１に、背後から見た右膝の膝関節のためのもので、本発明に基づく構造方法にしたがって作られた外側の関節室１１と内側の関節室１２との大腿骨の関節面および脛骨の関節面を示す。関節的な力伝達の領域において、これは隆起状の関節面９、１０であるが、脛骨の大半径が大腿骨となるように、該半径が選択される。外側の関節室１１には、図２に記載した配列、すなわち内接する２節から成る関節連結が形成され、内側の関節室１２には、図１に記載した外接する２節から成る関節連結がある。
【図１】
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【図１ａ】
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【図２ａ】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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