(57)【要約】【課題】球状ヘッドの形状を最適化することにより、実使用時の負荷に対する高い強度を有する人工関節を提供する。【解決手段】一方向に屈曲傾斜した形状を成すステム２と、該ステム２の一端側を嵌め入れる開口３を有する球状ヘッド１とを具備する人工関節であって、前記ステム２の屈曲傾斜した方向と、前記球状ヘッド１の開口３周縁の肉厚の最も厚い方向とが同じ方向であることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に屈曲傾斜した形状を成すステムと、該ステムの一端側を嵌め入れる開口を有する球状ヘッドとを具備する人工関節であって、前記ステムの屈曲傾斜した方向と、前記球状ヘッドの開口周縁の肉厚の最も厚い方向とが同じ方向であることを特徴とする人工関節。
【請求項２】
球状ヘッドの開口周縁の最も厚い部分の厚みａが、最も薄い部分の厚みａ０の１.０１〜２．５倍である請求項１記載の人工関節。
【請求項３】
開口が、球状ヘッドの中心から表面に向けて拡径している請求項１または２に記載の人工関節。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工関節に関し、特に、荷重を受けやすい部分に供せられる人工関節に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、交通事故などによる外傷、病気による骨の変性により関節機能が損なわれ、治療、回復の見込みが薄いような場合、当該関節部分を切除し、人工関節で補綴する置換手術が行われている。この際に用いられる人工関節の例として図４および図５に示すような球状ヘッド型のものがある（例えば、下記の特許文献１参照）。図４は、従来の人工関節を示す概略図である。図５は、従来の球状ヘッドを示す概略断面図である。
【０００３】
この人工関節は、球状ヘッド１０１とステム１０２とから構成されている。球状ヘッド１０１は、外形状が略球状を成し、ステム１０２の一端部を嵌め入れる開口１０３を有する部材であり、通常、合金もしくはアルミナやジルコニア等のセラミックスにより形成される。このような球状ヘッド１０１は、生体側の骨材、又は対立する人工骨材との摺動係合する部分（摺動係合部）において耐磨耗性に優れ、かつ生体骨に本来備わったレベルと同程度以上の強度を有する材料が用いられ、人工関節用の部材として十分な耐久性を備えることができるよう配慮されている。
【０００４】
一方、ステム１０２は、軸部１０５とシャフト部１０６とからなる部材であり、その形状は、生体骨が有する関節形状に合わせるように成形されている。すなわち、軸部１０５とシャフト部１０６とが互いにある角度を持って屈曲傾斜した形状を有している。
【０００５】
このようなステム１０２は、一般に、生体との親和性に優れかつ耐食性に優れたチタン合金等が好適に用いられる。このような球状ヘッド型の人工関節は、球状ヘッド１０１とステム１０２とを、開口１０３に軸部１０５を嵌め入れることで一体化され、一般には肩関節の上腕側や股関節の下肢側先端の生体骨患部を切除した部分に前記シャフト部１０６を挿入することで、人工関節として機能するものである。
【特許文献１】特開２００１−８９２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、人工関節の摺動係合部に掛かる荷重は、通常、生体の重量のかかる方向、即ち、地平に対して鉛直方向にかかる。これは、人工関節の受ける荷重は、通常、生体骨の主要部分に沿った方向、すなわちステム１０２のシャフト部１０６に沿った方向に起因していることを意味する。
【０００７】
したがって、人工関節における、球状ヘッド１０１とステム１０２とを連結する際に連結用の開口１０３にステム１０２の軸部１０５を嵌め入れる方向と、摺動係合部を介して生体胴体から球状ヘッド１０１にかかる荷重の方向は一般に一致せず、主として荷重ベクトルはステム１０２の軸部１０５の先端から根元に向かうベクトルに対してステム１０２の屈曲傾斜した方向に傾いている。このため球状ヘッド１０１には、非対称な負荷がかかり、ステム１０２が本来の形状から更に屈曲されるような方向の力を受ける。結果的に、球状ヘッド１０１の開口１０３の周縁部のうち荷重ベクトルの向かう方向側、即ち、ステム１０２の屈曲傾斜した側に最も応力が集中する。
【０００８】
このため、従来の人工関節用骨部材の球状ヘッド１０１では、ステム１０２を嵌め入れる開口の周縁部の肉厚がどの方向にも一定であることから、前述の最も荷重の集中する部位に最も高い応力が発生し、この部分に最も破壊が起こりやすくなるという問題があった。
【０００９】
従って本発明は、球状ヘッドの形状を最適化することにより、実使用時の負荷に対する高い強度を有する人工関節を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の人工関節は、一方向に屈曲傾斜した形状を成すステムと、該ステムの一端側を嵌め入れる開口を有する球状ヘッドとを具備する人工関節であって、前記ステムの屈曲傾斜した方向と、前記球状ヘッドの開口周縁の肉厚の最も厚い方向とが同じ方向であることを特徴とする。
【００１１】
上記人工関節では、球状ヘッドの開口周縁の最も厚い部分ａの厚みが、最も薄い部分の厚みａ０の１.０１〜２．５倍であること、開口は、球状ヘッドの中心から表面に向けて拡径していることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の人工関節では、人体内において、荷重により球状ヘッドにかかる応力が最も高くなる部位の肉厚を特に厚くすることにより、当該部位の剛性が高まり、荷重を受けた際の変形を抑制することができ、結果的に、発生する応力を低減でき破壊強度を向上させることができる。こうした本発明の構成によれば、球状ヘッドの摺動係合部を介しての関節の動作を妨げることなく、人工関節の強度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の人工関節の一例について詳細に説明する。図１は、本発明の人工関節を示す概略図である。図２は、本発明の球状ヘッドを示す概略断面図である。
【００１４】
本発明の人工関節は、球状ヘッド１とステム２とから構成されている。球状ヘッド１は、略球面形状を有する外表面８と開口３を有している。一方、ステム２は、軸部５とシャフト部６とから構成されている。これらがステム２の軸部５を球状ヘッド１の開口３に嵌め入れることにより、人工関節として一体化されているものである。
【００１５】
球状ヘッド１は、図２に示すように、外表面８のうち開口３の周縁部３ａが非球面形状となっており、周縁部３ａの断面ｓの肉厚に分布を有しており、ステム２の屈曲傾斜した方向と、球状ヘッド２の開口３の周縁部３ａの最も厚い部分ａの方向とが同じ方向であることが重要であり（図１の矢印で示した厚い（符号ａ）部分がシャフト部６の屈曲方向）、その厚みの最も厚い部分ａが、最も薄い部分の厚みａ０の１.０１〜２．５倍であること、開口３は、球状ヘッド１の中心から表面に向けて拡径していることが望ましい。
【００１６】
一方、球状ヘッド１の開口３の周縁部３ａの肉厚の最も厚い部分の方向と、ステム２の屈曲傾斜した方向とが同じ方向に連結されない場合、ステムを嵌め入れる開口３の周縁部への応力が増加し、この部分の破壊が起こりやすくなる。
【００１７】
図３は、本発明の球状ヘッドの別の形態を示す断面図である。図３に示すように、開口３が外表面８の球面部の中心を通る軸線ｔと、開口３の中心軸ｔ´とがずれるように設けられているものであり、結果的に、図２の形態と同様、例えば開口３の周縁部３ａの断面ｓ´において肉厚分布を有している。
【００１８】
一方、図３の形態においても、図２と同様、ステム２は軸部５とシャフト６とがある角度をもって嵌入されており、全体として屈曲傾斜した形状で構成されているが、本発明によれば、この場合も球状ヘッド１の開口３の周縁部３ａの肉厚の最も厚い部分の方向が、ステム２の屈曲傾斜した方向に一致するように、球状ヘッド１とステム２とが連結されている。なお、本発明にかかる球状ヘッド１では、この球状ヘッド１の生体内での適用性および可動性の点で開口３の入口から１ｍｍの深さ位置での断面ｓにおいて、ａ０≦４ｍｍの関係を満足することが望ましい。
【実施例】
【００１９】
球状ヘッドを以下の手順で作製した。まず、主成分としてアルミナ粉体を準備し、焼結助剤としてシリカ成分を主成分とする助剤粉末を準備し、これらの粉末を有機バインダとともに混合し、スプレードライヤを用いて顆粒状に調製した。
【００２０】
次に、得られた顆粒をプレス成形により、球状ヘッド１の外形状を有する成形体を作製し、切削加工により、外表面を半径１５．５ｍｍの球面状にするとともに、先端部の直径１２ｍｍ、深さ１５ｍｍ、入口の直径１４ｍｍのテーパー形状を有する開口を作製した。このとき、開口の入口から１ｍｍの位置での断面ｓにおいて、ａ０＝４．５ｍｍ、ａ＝４．５ｍｍ、５．５ｍｍ、６．５ｍｍ、９．０ｍｍ、１２ｍｍとなるように、外表面の開口の入口側１０ｍｍ以下を加工した。
【００２１】
次に、加工した成形体を焼成炉にてピーク温度１６００℃で大気中で焼成した。その後、研磨加工により、外表面８及び開口３内面を鏡面加工し、外表面８の球状部の半径１３．２ｍｍ、先端部の直径１０．２ｍｍ、深さ１２．８ｍｍ、入口の直径１２．８ｍｍの開口３、および開口３の入口から１ｍｍの位置での断面ｓにおいて、ａ０＝３．８ｍｍ、ａ＝３．８ｍｍ、４．６ｍｍ、５．４ｍｍ、７．３ｍｍ、１１．０ｍｍである球状ヘッドを得た。
【００２２】
次にステム２を、チタン合金のＮＣ切削加工により作製した。作製した球状ヘッド１とステム２を荷重２５０ｋｇｆにより勘合させた。この場合、ステムの屈曲傾斜した方向と、球状ヘッドの開口周縁の肉厚の最も厚い方向とが同じ方向になるように取り付けた。
【００２３】
さらに、シャフト部６が垂直になるようセメント固定した上で、球状ヘッド１に荷重を印加する破壊強度試験を実施した。
【００２４】
その結果、ａ＝３．８ｍｍ、４．６ｍｍ、５．４ｍｍ、７．３ｍｍ、１１．０ｍｍの場合のそれぞれで、破壊荷重が１７００ｋｇｆ、２１００ｋｇｆ、２６００ｋｇｆ、２２００ｋｇｆ、２０００ｋｇｆであった。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の人口関節を示す概略図である。
【図２】本発明の球状ヘッドを示す概略断面図である。
【図３】図３は、本発明の球状ヘッドの別の形態を示す断面図である。
【図４】従来の人口関節を示す概略図である。
【図５】従来の球状ヘッドを示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１    球状ヘッド
２    ステム
３    開口
【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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