(57)【要約】【課題】損なわれた人体関節に変わる人工関節を構成する人工骨の接合部において、接合する両人工骨の間に加わる圧接荷重を軽減させることにより、人工関節における人工骨の磨耗を抑制し、人工関節の磨耗部品を交換することなく人工関節を長期に亘って実使用可能とする。【解決手段】人工関節を構成する一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設してその一方の永久磁石と他方の永久磁石の磁極を対向させ、その一方の永久磁石と人工骨を連結すると共に他方の永久磁石と人工骨を連結し、それら一方の永久磁石の磁極と他方の永久磁石の磁極の間に生ずる磁気反発力または磁気吸引力によって、上記一方の人工骨と他方の人工骨に両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与して、人工関節における人工骨の磨耗を抑制する。【選択図】  図２
2004222832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設し、前記一方の人工骨の側に配設された前記対の一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された前記対の他方の永久磁石の磁極を対向させ、前記一方の人工骨を前記対をなすいずれかの側の永久磁石と連結すると共に、前記他方の人工骨を前記対をなす他のいずれかの側の永久磁石と連結し、前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気反発力または磁気吸引力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与したことを特徴とする人工磁気関節。
【請求項２】
生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設し、前記一方の人工骨の側に配設された前記対の一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された前記対の他方の永久磁石の磁極を対向させ、且つその各対向磁極の極性を同極性として対向させ、前記一方の人工骨を前記一方の永久磁石と連結すると共に前記他方の人工骨を前記他方の永久磁石と連結し、前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気反発力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与したことを特徴とする人工磁気関節。
【請求項３】
生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を複数対、積畳状に配設し、前記各対をなす永久磁石において前記一方の人工骨の側に配設された一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された他方の永久磁石の磁極を対向させ、且つその各対向磁極の極性を同極性として対向させ、前記一方の人工骨を前記複数対の端部の前記一方の永久磁石と連結すると共に前記他方の人工骨を前記複数対の端部の前記他方の永久磁石と連結し、前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気反発力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与したことを特徴とする人工磁気関節。
【請求項４】
生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設し、前記一方の人工骨の側に配設された前記対の一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された前記対の他方の永久磁石の磁極を対向させ、且つその各対向磁極の極性を異極性として対向させ、前記一方の人工骨を前記他方の永久磁石と連結すると共に前記他方の人工骨を前記一方の永久磁石と連結し、前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気吸引力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与したことを特徴とする人工磁気関節。
【請求項５】
生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設し、前記一方の人工骨の側に配設された前記対の一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された前記対の他方の永久磁石の磁極を対向させ、且つその各対向磁極の極性を異極性として対向させ、前記一方の人工骨を前記一方の永久磁石と連結すると共に前記他方の人工骨を前記他方の永久磁石と連結するものとし、且つ前記一方の人工骨と前記一方の永久磁石の間あるいは前記他方の人工骨と前記他方の永久磁石の間を、中間支点で回動自在に保持された回動支持片を介して連結し、前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気吸引力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与したことを特徴とする人工磁気関節。
【請求項６】
生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設し、前記一方の人工骨の側に配設された前記対の一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された前記対の他方の永久磁石の磁極を対向させ、前記一方の人工骨を前記対をなすいずれかの側の永久磁石と連結すると共に、前記他方の人工骨を前記対をなす他のいずれかの側の永久磁石と連結し、前記永久磁石を含む磁路内に磁路シャッターを設けると共に、前記関節を動かそうとする信号を感知して前記磁路シャッターを開閉させる磁路制御センサーを備え、前記磁路シャッターの開閉に伴って前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気反発力または磁気吸引力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与したことを特徴とする人工磁気関節。
【請求項７】
対をなす一方の永久磁石および／または他方の永久磁石の磁極部を、蛸足状に分岐した形状として円弧上に等間隔で分布させたことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載した人工磁気関節。
【請求項８】
対をなす一方の永久磁石および／または他方の永久磁石の磁極部を蛸足状に分岐した形状として円弧上に等間隔で分布させ、且つその蛸足状の磁極部に、前記円弧方向に突出する継鉄部を付加したことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載した人工磁気関節。
【請求項９】
対をなす一方の永久磁石および／または他方の永久磁石が、分割された永久磁石片と、その永久磁石片の間を磁気的に繋ぐ継鉄心からなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載した人工磁気関節。
【請求項１０】
一方の人工骨と他方の人工骨の間が可動限界設定部材で連結されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載した人工磁気関節。
【請求項１１】
対をなす永久磁石を磁気シールド壁で覆ったことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載した人工磁気関節。
【請求項１２】
一方の人工骨と一方の永久磁石の間、および／または他方の人工骨と他方の永久磁石間を、スライドケースと緩衝部材を含む磁石支持部材を介して連結したことを特徴とする請求項２あるいは請求項３に記載した人工磁気関節。
【請求項１３】
生体関節を構成する一方の生体骨が大腿骨であり、生体関節を構成する他方の生体骨が脛骨であり、生体関節を構成する一方の生体骨に装着される一方の人工骨が大腿骨側人工骨であり、生体関節を構成する他方の生体骨に装着される他方の人工骨が脛骨側人工骨であることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載した膝人工関節用の人工磁気関節。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、人体各部の生体関節に代わる人工関節の分野に属し、関節を構成する一方の人工骨と他方の人工骨の接合個所にエネルギー内蔵型の永久磁石装置を組み込んだ人工磁気関節に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
疾患や外傷や老化によって損なわれた人体の生体関節機能を回復させるために、従来から股・膝・足首・肩・肘・手首・指関節など各所の生体関節に代わる人工関節が開発されている。人工関節の骨素材は、言うまでもなく人体に無害で耐候性に優れ磨耗し難いものである必要があり、アルミナ、アルミナ・セラミックス、ジルコニア・セラミックス、ＨＤＰ（ｈｉｇｈ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）  などが用いられている。しかし従来の人工関節を耐久性の面から見ると、人工骨の耐磨耗性が未だ十分満足できるものではなく、人工関節の磨耗部品を交換することなく人工関節を実生活で長期に亘って使用することは困難である。従来の人工関節の実用耐用年数は約２０年程度と考えられる。
【０００３】
そして人工関節の耐久性を高めるために、耐磨耗性に優れた骨素材の開発は従来から進められているが、本願で特許を受けようとする発明に関連する先行技術文献情報は見当たらない。すなわち、関節を構成する一方の人工骨と他方の人工骨の接合個所にエネルギー内蔵型の永久磁石装置を組み込んだ人工磁気関節を示唆する先行技術文献情報は見当たらない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、長期の実用に耐える人工関節を構成することを目的とし、対をなすエネルギー内蔵型の永久磁石の間に生ずる磁気反発力あるいは磁気吸引力を用いて、関節を構成するの人工骨の接合部（関節を構成する二つの骨の各端部が結合して屈曲あるいは伸展（僅かな回旋）する部分）において両人工骨の間に加わる荷重を軽減させることにより、人工関節における人工骨の磨耗を抑制し、人工関節を長期に亘って使用可能にしようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためにこの発明は、生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設し、前記一方の人工骨の側に配設された前記対の一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された前記対の他方の永久磁石の磁極を対向させ、前記一方の人工骨を前記対をなすいずれかの側の永久磁石と連結すると共に、前記他方の人工骨を前記対をなす他のいずれかの側の永久磁石と連結し、前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気反発力または磁気吸引力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与することにより、人工関節における人工骨の磨耗を抑制する。
【０００６】
また、対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気反発力を用いて人工関節における人工骨の磨耗を抑制するために、生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設し、前記一方の人工骨の側に配設された前記対の一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された前記対の他方の永久磁石の磁極を対向させ、且つその各対向磁極の極性を同極性として対向させ、前記一方の人工骨を前記一方の永久磁石と連結すると共に前記他方の人工骨を前記他方の永久磁石と連結し、前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気反発力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与する。
【０００７】
そして、上記の対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気反発力を大きく取るために、生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を複数対、積畳状に配設し、前記各対をなす永久磁石において前記一方の人工骨の側に配設された一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された他方の永久磁石の磁極を対向させ、且つその各対向磁極の極性を同極性として対向させ、前記一方の人工骨を前記複数対の端部の前記一方の永久磁石と連結すると共に前記他方の人工骨を前記複数対の端部の前記他方の永久磁石と連結し、前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気反発力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与する。
【０００８】
さらに、対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気吸引力を用いて人工関節における人工骨の磨耗を抑制するために、生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設し、前記一方の人工骨の側に配設された前記対の一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された前記対の他方の永久磁石の磁極を対向させ、且つその各対向磁極の極性を異極性として対向させ、前記一方の人工骨を前記他方の永久磁石と連結すると共に前記他方の人工骨を前記一方の永久磁石と連結し、前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気吸引力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与する。
【０００９】
また、対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気吸引力を用いて人工関節における人工骨の磨耗を抑制するための他の手段として、生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設し、前記一方の人工骨の側に配設された前記対の一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された前記対の他方の永久磁石の磁極を対向させ、且つその各対向磁極の極性を異極性として対向させ、前記一方の人工骨を前記一方の永久磁石と連結すると共に前記他方の人工骨を前記他方の永久磁石と連結するものとし、且つ前記一方の人工骨と前記一方の永久磁石の間あるいは前記他方の人工骨と前記他方の永久磁石の間を、中間支点で回動自在に保持された回動支持片を介して連結し、前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気吸引力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与する。
【００１０】
さらに、関節を動かそうとする時点で、上記の対をなす永久磁石の対向磁極間に大きな磁気的力を発生させるために、生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設し、前記一方の人工骨の側に配設された前記対の一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された前記対の他方の永久磁石の磁極を対向させ、前記一方の人工骨を前記対をなすいずれかの側の永久磁石と連結すると共に、前記他方の人工骨を前記対をなす他のいずれかの側の永久磁石と連結し、前記永久磁石を含む磁路内に磁路シャッターを設けると共に、前記関節を動かそうとする信号（例えば、関節を動かそうとする際に人体内に生ずる筋力変化や体重負荷変化、あるいは体外から加えられる各種の信号など）を感知して前記磁路シャッターを開閉させる磁路制御センサーを備え、前記磁路シャッターの開閉に伴って前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気反発力または磁気吸引力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与する。
【００１１】
また、人工磁気関節の作動を安定させるために、対をなす一方の永久磁石および／または他方の永久磁石の磁極部を、蛸足状に分岐した形状として円弧上に等間隔で分布させ、さらにその蛸足状の磁極部に、円弧方向に突出する継鉄部を付加する。また、一方の人工骨と他方の人工骨の間を可動限界設定部材で連結する。また、一方の人工骨と一方の永久磁石の間、および／または他方の人工骨と他方の永久磁石の間を、スライドケースと緩衝部材を含む磁石支持部材を介して連結する。また、対をなす永久磁石を磁気シールド壁で覆ってその永久磁石から外界への磁気漏洩を遮蔽する。
【００１２】
さらに、高価な永久磁石材料の使用量を節減すると共に人工関節に組み込む永久磁石の形状の自由度を高めるために、対をなす一方の永久磁石および／または他方の永久磁石を、分割された永久磁石片と、その永久磁石片の間を磁気的に繋ぐ継鉄心で形成する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の基本的な実施形態は、生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設し、前記一方の人工骨の側に配設された前記対の一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された前記対の他方の永久磁石の磁極を対向させ、前記一方の人工骨を前記対をなすいずれかの側の永久磁石と連結すると共に、前記他方の人工骨を前記対をなす他のいずれかの側の永久磁石と連結し、前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気反発力または磁気吸引力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与したことを特徴とする人工磁気関節である。
【００１４】
この発明の他の基本的な実施形態は、生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設し、前記一方の人工骨の側に配設された前記対の一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された前記対の他方の永久磁石の磁極を対向させ、前記一方の人工骨を前記対をなすいずれかの側の永久磁石と連結すると共に、前記他方の人工骨を前記対をなす他のいずれかの側の永久磁石と連結し、前記永久磁石を含む磁路内に磁路シャッターを設けると共に、前記関節を動かそうとする信号を感知して前記磁路シャッターを開閉させる磁路制御センサーを備え、前記磁路シャッターの開閉に伴って前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気反発力または磁気吸引力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与したことを特徴とする人工磁気関節である。
【００１５】
この発明の主要な実施形態は、生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設し、前記一方の人工骨の側に配設された前記対の一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された前記対の他方の永久磁石の磁極を対向させ、且つその各対向磁極の極性を同極性として対向させ、前記一方の人工骨を前記一方の永久磁石と連結すると共に前記他方の人工骨を前記他方の永久磁石と連結し、前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気反発力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与したことを特徴とする人工磁気関節である。
【００１６】
この発明の他の主要な実施形態は、生体関節を構成する一方の生体骨と他方の生体骨にそれぞれ装着される一方の人工骨と他方の人工骨の間に、対をなす永久磁石を配設し、前記一方の人工骨の側に配設された前記対の一方の永久磁石の磁極と前記他方の人工骨の側に配設された前記対の他方の永久磁石の磁極を対向させ、且つその各対向磁極の極性を異極性として対向させ、前記一方の人工骨を前記他方の永久磁石と連結すると共に前記他方の人工骨を前記一方の永久磁石と連結し、前記対をなす永久磁石の対向磁極間に生ずる磁気吸引力によって、前記一方の人工骨ならびに前記他方の人工骨に対し、その両人工骨を互いに引き離す方向の力を付与したことを特徴とする人工磁気関節。
【００１７】
【実施例】
以下この発明に係る人工磁気関節を、その実施例を示す図面を参考に説明する。図１ないし図８に示す実施例はいずれも膝人工磁気関節に関する例である。関節の中でも特に膝関節では、体重による大きな負荷が加わることから、膝関節に組み込まれた永久磁石装置の作用制御において、その体重を作用始動条件に使えるので、膝人工磁気関節においてこの発明が特に優位となる。
【００１８】
図１は膝部を含む右足骨格を前面から見た要部断面図、図２、図４、図５、図６および図８はそれぞれこの発明に係る膝人工磁気関節の幾つかの実施例を示す縦断面図、図３は図２のＨ３−Ｈ３´線方向から見た永久磁石部分の平面図、図７は図６のＨ７−Ｈ７´線方向から見た部分平面図、図９は人工磁気関節における磁力計算に関わる基本磁気回路図である。
【００１９】
図１において、Ａは大腿骨（生体関節を構成する一方の生体骨）、Ｂは脛骨（生体関節を構成する他方の生体骨）で、大腿骨Ａの下端と脛骨Ｂの上端の間、すなわち大腿骨Ａと脛骨Ｂの接合部（関節構成部）に人工磁気関節Ｅが組み込まれている。
【００２０】
図２はその人工磁気関節Ｅの基本的な実施例を示すもので、靭帯Ｃや関節包Ｄで繋がっている大腿骨Ａと脛骨Ｂの間に人工磁気関節Ｅが組み込まれている。人工磁気関節Ｅは、帽状の大腿骨側人工骨（関節を構成する一方の人工骨）１と、帽状の脛骨側人工骨（関節を構成する他方の人工骨）２と、大腿骨側永久磁石（一方の永久磁石）３と、この大腿骨側永久磁石３と対向して配設される脛骨側永久磁石（他方の永久磁石）４と、磁石支持部材５，６を含んで構成されている。大腿骨側永久磁石３および脛骨側永久磁石４は互いに対向して対をなすもので、大腿骨側永久磁石３および脛骨側永久磁石４は共に磁極部が蛸足状に分岐して円弧上に等間隔に分布し、磁極はＳ極（またはＮ極）に着磁され中心部はＮ極（またはＳ極）に着磁されている。また図３に示すように、脛骨側永久磁石４の各蛸足状先端部には、円弧方向に突出する継鉄部４ａが設けられている。なお、大腿骨側永久磁石３の各蛸足状先端部にも同様の継鉄部が設けられている（図示省略）。
【００２１】
大腿骨側人工骨１は大腿骨Ａの下端部に装着され、脛骨側人工骨２は脛骨Ｂの上端部に装着され、大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２の間は可動限界設定スプリング（可動限界設定部材）７で連結されている。すなわち、可動限界設定スプリング７によって、大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２の相対可動範囲が制約され人工磁気関節の過剰な動きが防止される。大腿骨側永久磁石３は磁石支持部材５を介して大腿骨側人工骨１に連結され、脛骨側永久磁石４は磁石支持部材６を介して脛骨側人工骨２に連結されている。また磁石支持部材５，６は、それぞれスライドケース５ａ，６ａと緩衝スプリング（緩衝部材）５ｂ，６ｂを含んで構成され、磁石支持部材５は大腿骨側永久磁石３と大腿骨側人工骨１の間の衝撃を緩衝し、磁石支持部材６は脛骨側永久磁石４と脛骨側人工骨２の間の衝撃を緩衝する機能をもつ。そして大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４は両者の磁極間に若干の間隙Ｗをもって対向し、大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４のそれぞれの同極性の磁極（Ｎ極またはＳ極）が向かい合った状態で保持されている。したがって大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４の間には磁力による反発力が生じていて、大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４は互いに引き離される方向に付勢されている。その結果、大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４の間の反発力によって、大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２の間にも両者を引き離す方向の力が加わる。また大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４の間で、図３の矢印Ｍに示すような円周方向の回転捩りが生じようとしても、大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４の各蛸足状の磁極が互いに対向する位置に戻ろうとする復元力が作用してその回転捩れが防がれる。そして大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４の各蛸足状先端部（磁極部）に設けた継鉄部４ａはこの復元力の生成を補完する機能を果す。
【００２２】
一般に膝関節には体重による大きな荷重（負荷）が加わるため、大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２が接した状態で体重による大きな荷重を受けながら関節運動（膝の屈曲や伸展）が度重なると、その関節運動の累積に伴って、大腿骨側人工骨１や脛骨側人工骨２が磨耗して人工関節としての長期使用に耐えられなくなる。しかし図１の実施例で示すような人工磁気関節によれば、大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４の間の磁気反発力によって大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４は互いに引き離される方向（負荷を打消す方向）に付勢されているので、この磁気反発力によって大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２の間に加わる負荷荷重が相殺軽減され、大腿骨側人工骨１ならびに脛骨側人工骨２の磨耗が抑制されて人工関節としての実用寿命を延ばすことができる。
【００２３】
なお、大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４からなる磁気回路は出来るだけ完全に近い閉回路として人工磁気関節Ｅからの漏洩磁束を極力少なくするようにし、漏洩磁束による外界への影響を防いでいる。また、その磁気回路において磁束変化ｄφ／ｄｔ  が発生すると渦電流などによる温度上昇が生ずるので、その温度上昇が体温以上にならないようにしている。
【００２４】
ここで人工磁気関節Ｅの大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４の間に生ずる磁力の基本設計に関して説明する。図９は、人工磁気関節における磁力計算に関わる基本磁気回路図で、大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４にそれぞれ相当する上側鉄心９３と下側鉄心９４がギャップ長ｄの間隙Ｑをもって対向した磁気回路を示している。またこの磁気回路は、磁束漏洩が無く、上側鉄心９３と下側鉄心９４の間の磁束は空隙Ｑにのみ存在して磁束の拡がりが無い理想磁気回路として考える。鉄心９３，９４の磁路長（鉄心の中心の平均磁路長）をそれぞれＬ１，Ｌ２とし、その磁路の断面積をＳ０とし、その磁路に磁束密度Ｂの一定の磁束が通っているとき、この磁路系に蓄えられている磁界のエネルギーＵは次式で示される。
【００２５】
2004222832.tif 000003
2004222832.tif 000004
そして、ギャップ長ｄをその断面に垂直にΔｄだけ広げるために必要とする力をＦとすれば、ギャップ長ｄをその断面に垂直にΔｄだけ広げるために必要な力Ｆは次式示すようになる。
2004222832.tif 000005
この外部から加えなければならない力Ｆは、磁石が互いに引き合う力と釣り合っているから、鉄心（磁石）９３，９４間に働く力はＢ２Ｓ０／μ０である。したがって断面の単位面積当りの引き合う力ｆは次式のようになる。
2004222832.tif 000006
【００２６】
ここで空気中での透磁率μａを真空中と同じものとすると、次のような値となる。
2004222832.tif 000007
もし、アルニコ系磁石、ＭＣＡ１４０およびＭＣＢ７５０の永久磁石について磁力を調べると、ＭＣＡ１４０の透磁率μＡ  、比透磁率ＫｍＡ  およびＭＣＢ７５０の透磁率μＢ  、比透磁率ＫｍＢ  は次のようになる。
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この場合に空隙と鉄心（磁石）内との透磁率の差から考えると、磁気抵抗の値は空隙で支配される。具体的に永久磁石の磁極断面の面積Ｓ０を０．０１×０．０１＝１×１０−４とすると、鉄心９３，９４間に働く力Ｆは次式に示すようになる。但し、Ｂ＝１［Ｔ］のものを用いるとする。
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また単位面積当りの片方の力は次式のようになる。
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しかし、磁気回路の端面間に空隙がある場合に磁束の漏洩による力の減少があることから、断面１ｃｍ四方の鉄心９３，９４の磁気回路でその鉄心端面間のギャップ長が１ｍｍ離れる毎に磁束漏洩による力の減少が１０％生ずるとすると、鉄心９３，９４間の各ギャプ長ｄにおいて鉄心（磁石）間に働く磁力の強さは次表に示すようになり、いずれにしても鉄心（磁石）間に大きな力が生ずることになる。
【００２７】
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【００２８】
したがって図１に示した実施例に立ち帰れば、大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４の間に大きな磁気反発力を内在させることができ、その上で大腿骨側永久磁石３と大腿骨側人工骨１が磁石支持部材５を介して連結され、脛骨側永久磁石４と脛骨側人工骨２が磁石支持部材６を介して連結されているので、この磁気反発力によって大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２も互いに引き離される方向（負荷を打消す方向）に付勢される。そして、固有の透磁率・比透磁率を有する永久磁石材料を定め、その大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４の磁極端面断面積Ｓ０と着磁による磁束密度Ｂを加減設計することにより、大腿骨側永久磁石３と脛骨側永久磁石４の間の磁気反発力、すなわち大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２に作用して両人工骨を引き離そうとする力を所望の設定圧力に設計することができる。その結果、体重に起因して大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２の接合部に加わる圧接力（圧接負荷）が前記磁気反発力によって軽減され、大腿骨側人工骨１ならびに脛骨側人工骨２の磨耗が抑制されて人工関節としての実用寿命を延ばすことが可能となる。
【００２９】
図４は、この発明に係る人工磁気関節の他の実施例を示すもので、大腿骨側永久磁石（一方の永久磁石）４３と脛骨側永久磁石（他方の永久磁石）４４間の磁気吸引力によって大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２を互いに引き離す方向（負荷を打消す方向）に付勢し、大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２の間の圧接力をこの磁気吸引力によって軽減するものである。
【００３０】
図４において、Ａは大腿骨、Ｂは脛骨で、大腿骨Ａと脛骨Ｂの間に人工磁気関節Ｅ４が組み込まれている。人工磁気関節Ｅ４は、大腿骨Ａの下端に装着された大腿骨側人工骨（関節を構成する一方の人工骨）１、脛骨Ｂの上端に装着された脛骨側人工骨（関節を構成する他方の人工骨）２、大腿骨側永久磁石（一方の永久磁石）４３、脛骨側永久磁石（他方の永久磁石）４４、磁石支持部材５，６、大腿骨側磁石連結部材（一方の磁石連結部材）８、脛骨側磁石連結部材（他方の磁石連結部材）９、連結部材１０，１１、磁石連結補助部材１２，１３、可動限界設定スプリング（可動限界設定部材）７、磁気シールド壁１４を含んで構成されている。
【００３１】
磁石支持部材５，６は、それぞれスライドケース５ａ，６ａと緩衝スプリング（緩衝部材）５ｂ，６ｂを含んで構成され、それぞれ大腿骨側永久磁石４３ならびに脛骨側永久磁石４４を緩衝支持する。大腿骨側人工骨１、大腿骨側永久磁石４３、脛骨側人工骨２、脛骨側永久磁石４４は基本的には図２に示したところと変わらない。大腿骨側永久磁石４３と脛骨側永久磁石４４は図２に示した大腿骨側永久磁石３や脛骨側永久磁石４とは形状が異なるが基本的には蛸足形状で、大腿骨側永久磁石４３および脛骨側永久磁石４４の磁極分布は、図２，３に示した大腿骨側永久磁石３および脛骨側永久磁石４の磁極分布と同等である。すなわち、大腿骨側永久磁石４３の中心部はＳ極（またはＮ極）に着磁され大腿骨側永久磁石４３の外周の蛸足状先端部は前記中心部とは逆極性のＮ極（またはＳ極）に着磁されてＮ・Ｓ磁極群が形成されており、他方、脛骨側永久磁石４４の中心部は大腿骨側永久磁石４３の中心部の極性とは逆極性のＮ極（またはＳ極）に着磁され、脛骨側永久磁石４４の外周の蛸足状先端部は脛骨側永久磁石４４の中心部とは逆極性のＳ極（またはＮ極）に着磁されている。そして大腿骨側永久磁石４３と脛骨側永久磁石４４は若干の間隙Ｗをもって対向し、大腿骨側永久磁石４３と脛骨側永久磁石４４の互いに異極性の磁極が向かい合った状態で保持されている。したがって大腿骨側永久磁石４３と脛骨側永久磁石４４の間には磁力による吸引力が生じ、大腿骨側永久磁石４３と脛骨側永久磁石４４は互いに引き付けられる方向に付勢されている。また、大腿骨側永久磁石４３と脛骨側永久磁石４４の間で関節の伸展による少しの回転捩りが生じても、大腿骨側永久磁石４３と脛骨側永久磁石４４の対向する各磁極Ｎ，Ｓが互いに吸引して元の対向する位置に戻ろうとする復元力が作用して過度の回転捩れが防がれる。また、大腿骨側永久磁石４３および脛骨側永久磁石４４の外側に磁気シールド壁１４を設けている。
【００３２】
そして、大腿骨側人工骨（一方の人工骨）１には連結部材１０を介して大腿骨側磁石連結部材（一方の磁石連結部材）８が連結され、更に大腿骨側磁石連結部材８に磁石連結補助部材１２を介して脛骨側永久磁石（他方の永久磁石）４４が連結されている。また、脛骨側人工骨（他方の人工骨）２には連結部材１１を介して脛骨側磁石連結部材（他方の磁石連結部材）９が連結され、更に脛骨側磁石連結部材９に磁石連結補助部材１３を介して大腿骨側永久磁石（一方の永久磁石）４３が連結されている。また、大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２の間は可動限界設定スプリング（可動限界設定部材）７で連結されていて、可動限界設定スプリング７によって、大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２の相対可動範囲が制約され人工磁気関節の過剰な動きが防止される。その結果、大腿骨側永久磁石４３と脛骨側永久磁石４４の間に作用する磁気吸引力によって、大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２の間に両者を引き離す方向の力が加わることになり、大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２の間の圧接力がこの磁気吸引力によって軽減されて大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２の磨耗を抑制することができる。
【００３３】
また、大腿骨側永久磁石４３ならびに脛骨側永久磁石４４の外側に磁気シールド壁１４を設けているので、大腿骨側永久磁石４３および脛骨側永久磁石４４からの磁気漏洩による外界への悪影響を防ぎ、大腿骨側永久磁石４３および脛骨側永久磁石４４に内蔵する全磁気エネルギーを人工磁気関節に作用させることができる。
【００３４】
図５は、この発明に係る人工磁気関節の更に他の実施例を示すもので、関節を動かそうとする体内または体外からの信号や力が働いたときに、その信号や力を磁路制御センサーが感知し人工磁気関節の磁気回路を完成させて対をなす永久磁石間に必要十分な磁気反発力（あるいは磁気吸引力）を発生させ、この磁気反発力によって人工関節を構成する一方の人工骨と他方の人工骨を互いに引き離す方向（体重などの負荷を打消す方向）に付勢し、人工関節を構成する人工骨の間の圧接力を軽減するものである。
【００３５】
図５において、Ｅ５は人工磁気関節で、大腿骨Ａと脛骨Ｂの間に組み込まれている。１は大腿骨側人工骨（関節を構成する一方の人工骨）、２は脛骨Ｂの上端に装着された脛骨側人工骨（関節を構成する他方の人工骨）、５，６は力を感知して伸縮する磁石支持部材、７は可動限界設定スプリング（可動限界設定部材）で、これらは構造的には図２で説明したところと同じである。５３ａは第一の大腿骨側永久磁石（第一の一方の永久磁石）、５３ｂは第一の脛骨側永久磁石（第一の他方の永久磁石）で、第一の大腿骨側永久磁石５３ａと第一の脛骨側永久磁石５３ｂは互いに対向して第一の対をなし、両永久磁石５３ａ，５３ｂの同一極性の磁極が対向して位置し、第一の大腿骨側永久磁石５３ａと第一の脛骨側永久磁石５３ｂ間の空隙に、第一の大腿骨側永久磁石５３ａならびに第一の脛骨側永久磁石５３ｂの磁路を形成する磁性材の磁路形成片１５が配設されている。また磁路形成片１５には磁路シャッター１５ａが設けられ、磁路シャッター１５ａは連結部材１７を介して磁石支持部材５に連結されている。同様に、５４ａは第二の大腿骨側永久磁石（第二の一方の永久磁石）、５４ｂは第二の脛骨側永久磁石（第二の他方の永久磁石）で、第二の大腿骨側永久磁石５４ａと第二の脛骨側永久磁石５４ｂは互いに対向して第二の対をなし、両永久磁石５４ａ，５４ｂの同一極性の磁極が対向して位置し、第二の大腿骨側永久磁石５４ａと第二の脛骨側永久磁石５４ｂ間の空隙に、第二の大腿骨側永久磁石５４ａならびに第二の脛骨側永久磁石５４ｂの磁路を形成する磁性材の磁路形成片１６が配設されている。そして、磁路形成片１６には磁路シャッター１６ａが設けられ、磁路シャッター１６ａは連結部材１８を介して磁石支持部材６に連結されている。そして脛骨側永久磁石５３ｂと大腿骨側永久磁石５４ａが結合し、第一の対をなす大腿骨側永久磁石５３ａおよび脛骨側永久磁石５３ｂと第二の対をなす大腿骨側永久磁石５４ａおよび脛骨側永久磁石５４ｂが積畳状（複数対の永久磁石が重なった状態）で配設されている。したがって、第一の対をなす大腿骨側永久磁石５３ａと脛骨側永久磁石５３ｂの間、および第二の対をなす大腿骨側永久磁石５４ａと脛骨側永久磁石５４ｂの間には磁気反発力が生じており、この磁気反発力によって、人工関節を構成する一方の人工骨と他方の人工骨を互いに引き離す方向（負荷を打消す方向）に付勢し、人工関節を構成する人工骨の間の圧接力を軽減するものである。なお、大腿骨側永久磁石５３ａ，５４ａおよび脛骨側永久磁石５３ｂ，５４ｂの外側に磁気シールド壁１４を設けている。
【００３６】
この人工磁気関節Ｅ５において、関節を動かそうとする筋力あるいは体重が関節に加わっていないときは、磁路形成片１５，１６の磁路シャッター１５ａ，１６ａが開放状態にあって、各永久磁石５３ａ，５３ｂ，５４ａ，５４ｂの磁極間の磁気抵抗が大きいことから大腿骨側永久磁石５３ａ，５４ａとこれに対向する脛骨側永久磁石５３ｂ，５４ｂの間の磁気反発力が小さく、その磁気反発力によって大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２に作用する力（大腿骨側人工骨１と脛骨側人工骨２を互いに引き離す方向に付勢する力）も小さい。
【００３７】
ここで人工関節Ｅ５に関節を動かそうとする筋力あるいは体重の力が関節に加わると、その力を磁石支持部材５および／または磁石支持部材６を感知し磁石支持部材５および／または磁石支持部材６が収縮して磁路シャッター１５ａおよび／または磁路シャッター１６ａを閉じて磁路形成片１５および／または磁路形成片１６を機能させる。この結果、各永久磁石５３ａ，５３ｂ，５４ａ，５４ｂの磁極間の磁気抵抗が小さくなり、大腿骨側永久磁石５３ａ，５４ａとこれに対向する脛骨側永久磁石５３ｂ，５４ｂの間の磁気反発力が大きくなり、その磁気反発力によって、大腿骨側人工骨１と頚骨側人工骨２に、互いに引き離す方向の大きな力が付与されることになって、人工関節を構成する人工骨の間の圧接力を軽減し人工関節を構成する人工骨の磨耗を抑制することができる。そしてここでは磁石支持部材５，６が関節を動かそうとする力（例えば体内から生ずる筋力や体重）を感知して伸縮し磁路シャッター１５ａ，１６ａを開閉し磁路を制御する磁路制御センサーの機能を奏する。このように図５に示す実施例によれば、関節を動かそうとする信号（例えば筋力）を感知して人工磁気関節に十分な磁気反発力あるいは磁気吸引力を付与することになり、人工関節を構成する人工骨の間の圧接力を軽減して人工骨の磨耗を抑制することができる。なお、関節を動かそうとする筋力や体重のような力に代えて、関節を動かすときに体内で生ずる電気的信号や体外から与えられる力や信号を用いても良く、それらの力や信号を感知する磁路制御センサーを設けて磁路を制御することも可能である。
【００３８】
図６および図７はこの発明に係る人工磁気関節の他の実施例を示す．もので、永久磁石の支持構成を変えたものである。図６，７において、Ｅ６は人工磁気関節で、大腿骨Ａと脛骨Ｂの間に組み込まれている。１は大腿骨側人工骨（関節を構成する一方の人工骨）、２は脛骨Ｂの上端に装着された脛骨側人工骨（関節を構成する他方の人工骨）、５，６は磁石支持部材、７は可動限界設定スプリング（可動限界設定部材）で、これらは図２で説明したところと同じである。６３は大腿骨側永久磁石（一方の永久磁石）で、湾曲状の複数の永久磁石が円弧上に配設され、連結スプリング１９で環状に連結されている。６４は脛骨側永久磁石（他方の永久磁石）で、椀状で周縁が蛸足状に分岐している。大腿骨側永久磁石６３の磁極と脛骨側永久磁石６４の磁極は間隙Ｗをもって対向し、その対向する磁極は互いに逆極性で、大腿骨側永久磁石６３と脛骨側永久磁石６４の間に吸引力が働いている。なお、大腿骨側永久磁石６３および脛骨側永久磁石６４の外側に磁気シールド壁１４を設けている。
【００３９】
各大腿骨側永久磁石６３は、中間支点２１で矢印Ｒに示すように回動自在に保持された回動支持片２０を介して、磁石支持部材５の連結部２２に結合され、磁石支持部材５は連結部材１０を介して大腿骨側人工骨１に連結されている。なお、回動支持片２０と磁石支持部材５の連結部２２との連結個所は互いに回動自在なるように軸着されている。また、脛骨側永久磁石６４は、磁石支持部材６および連結部材１１を介して脛骨側人工骨２に連結されている。したがって、大腿骨側永久磁石６３と脛骨側永久磁石６４の間の磁気吸引力によって、人工関節を構成する一方の人工骨（大腿骨側人工骨）１と他方の人工骨（脛骨側人工骨）２を互いに引き離す方向（負荷を打消す方向）に付勢し、人工関節を構成する人工骨の間の圧接力を軽減することができる。なお、各大腿骨側永久磁石６３を環状に連結する連結スプリング１９は、関節の伸展によって大腿骨側永久磁石６３と脛骨側永久磁石６４の間に生ずる円周方向の回転捩りに対し、大腿骨側永久磁石６３と脛骨側永久磁石６４の各磁極間の吸引力・反発力と共に、その回転捩りを元に戻す働きをする。
【００４０】
図８はこの発明に係る人工磁気関節の更に他の実施例を示すもので、永久磁石の構成を変えたものである。図８において、Ｅ８は人工磁気関節で、大腿骨Ａと脛骨Ｂの間に組み込まれている。１は大腿骨側人工骨（関節を構成する一方の人工骨）、２は脛骨側人工骨（関節を構成する他方の人工骨）、５，６は磁石支持部材、７は可動限界設定スプリング（可動限界設定部材）、８３は湾曲状の複数の永久磁石が円弧上に配設されてなる大腿骨側永久磁石（一方の永久磁石）、８４は椀状で周縁が蛸足状に分岐した脛骨側永久磁石（他方の永久磁石）、          １０，１１は連結部材、２０は回動支持片、２１は中間支点、２２は磁石支持部材の連結部、１４は磁気シールド壁で、これらの構成および膝人工磁気関節としての機能は図６に示したものと基本的に同じである。
【００４１】
しかし、大腿骨側永久磁石（一方の永久磁石）８３は、分割された永久磁石片８３ａとその間を磁気的に繋ぐ継鉄心８３ｂからなり、脛骨側永久磁石（他方の永久磁石）８４も、分割された永久磁石片８４ａとその間を磁気的に繋ぐ継鉄心８４ｂからなる点に特徴がある。このように大腿骨側永久磁石８３および／または脛骨側永久磁石（他方の永久磁石）８４を、分割された小さな永久磁石片８３ａ，８４ａと継鉄心８３ｂで構成することにより、高価な永久磁石材料の使用量を減ずると共に人工関節に組み込む永久磁石の形状の自由度を高めることができる。
【００４２】
なお、上記の各図に示した永久磁石の構造は、磁極先端を分岐突出させているが、磁石材料の同一平面上の磁極対向位置に磁極を着磁しても良い。
【００４３】
【発明の効果】
上記実施例からも明らかなように、この発明の人工磁気関節によれば、エネルギー内蔵型の永久磁石を関節を構成する人工骨に連結することにより、その永久磁石間の磁気反発力または吸引力を基に、互いに接合して関節を構成する人工骨に、その人工骨を互いに引き離す方向の力を付与して、人工関節を構成する人工骨の間の圧接力を軽減し人工骨の磨耗を抑制して人工関節の連続使用可能期間を大幅に延ばすことができるようになる。また、体内あるいは体外で生じた関節を動かそうとする信号あるいは力を感知して磁気回路を制御することにより、関節に大きな負荷が加わるときに、永久磁石間に大きな磁気反発力または磁気吸引力を発生させて人工関節の人工骨の磨耗を効果的に減じ、人工関節の連続使用期間を延ばすことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る膝人工磁気関節を組み込んだ右足骨格を前面から見た要部断面図。
【図２】この発明の一実施例を示す膝人工磁気関節の縦断面図。
【図３】図２のＨ３−Ｈ３´線方向から見た同膝人工磁気関節の永久磁石部分の平面図。
【図４】この発明の他の実施例を示す膝人工磁気関節の縦断面図。
【図５】この発明の他の実施例を示す膝人工磁気関節の縦断面図。
【図６】この発明の他の実施例を示す膝人工磁気関節の縦断面図。
【図７】図６のＨ７−Ｈ７´線方向から見た同膝人工磁気関節の部分平面図。
【図８】この発明の他の実施例を示す膝人工磁気関節の縦断面図。
【図９】人工磁気関節における磁力計算に関わる基本磁気回路図。
【符号の説明】
Ａ：大腿骨（生体関節を構成する一方の生体骨）
Ｂ：脛骨（生体関節を構成する他方の生体骨）
Ｃ：靭帯
Ｄ：間接包
Ｅ，Ｅ４，Ｅ５：人工磁気関節
Ｎ，Ｓ：磁極（磁極極性）
Ｑ：ギャップ
ｄ：ギャップ長
Ｗ：間隙（対をなす一方の永久磁石と他方の永久磁石の磁極間の間隙）
１：大腿骨側人工骨（関節を構成する一方の人工骨）
２：脛骨側人工骨（関節を構成する他方の人工骨）
３，４３，５３ａ，５４ａ，６３，８３：大腿骨側永久磁石（一方の永久磁石）
４，４４，５３ｂ，５４ｂ，６４，８４：脛骨側永久磁石（他方の永久磁石）
４ａ：  継鉄部
５，６：磁石支持部材／磁路制御センサー
５ａ，６ａ：スライドケース
５ｂ，６ｂ：緩衝スプリング（緩衝部材）
７：可動限界設定スプリング（可動限界設定部材）
８：大腿骨側磁石連結部材（一方の磁石連結部材）
９：頚骨側磁石連結部材（他方の磁石連結部材）
１０，１１：連結部材
１２，１３：磁石連結補助部材
１４：磁気シールド壁
１５，１６：磁路形成片
１５ａ，１６ａ：磁路シャッター
１７，１８：連結部材
１９：連結スプリング
２０：回動支持片
２１：中間支点
２２：磁石支持部材の連結部
８３ａ，８４ａ：永久磁石片
８３ｂ，８４ｂ：継鉄心
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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