(57)【要約】【課題】人工股関節に歩行による負荷を加えた際、球面骨頭部と弾性臼蓋カップとの接触圧力が局部的に増大することを抑制して、その間の潤滑液流れを円滑に維持し有効に利用することにある。【解決手段】上端に球面骨頭部を有するステムを大腿骨に嵌入固定し、内面に弾性臼蓋カップを配設した凹球面受座を骨盤側に固定し、該球面骨頭部を凹球面受座内の弾性臼蓋カップを介して回動自在に挿入受持せしめてなる人工股関節において、球面骨頭表面と凹球面受座内の弾性臼蓋カップ内面との回動摺動域の全表面を真球面形状にした際、歩行に伴う球面骨頭部の回動中に球面骨頭の真球面が弾性臼蓋カップとの接触で生じる最大接触圧力軌跡部分とその周囲に沿った部分の真球表面帯をそれより球心側に僅かに低い球表面や湾曲表面に加工してバンド状部分に形成したことを特徴とする人工股関節。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上端に球面骨頭部を有するステムを大腿骨に嵌入固定し、内面に弾性臼蓋カップを配設した凹球面受座を骨盤側に固定し、該球面骨頭部を凹球面受座内に弾性臼蓋カップを介して回動自在に挿入受持せしめてなる人工股関節において、球面骨頭表面と凹球面受座内の弾性臼蓋カップの内面との回動摺動域の全表面を真球面形状にした際に、歩行に伴う球面骨頭部の回動中に球面骨頭の真球面が弾性臼蓋カップとの接触で生じる最大接触圧力軌跡部分とその周囲に沿った部分の真球表面帯を真球表面よりバンド状に球心側に僅かに低い球状表面に加工したことを特徴とする人工股関節。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加齢、事故、病気などで損傷した股関節を人工股関節に置換した場合に、人工股関節の潤滑性を向上させることで摩擦係数を低下させ、摩耗や摩擦発熱を抑制して、寿命の延長と快適性の向上を同時に実現させることのできる実用性の高い人工股関節に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
長寿命化によって関節疾患を患う人の数は増加の一途であり、人工関節全置換術は国内だけでも年間に約１０万例、世界的には１００万例以上に及びそのうち８０％が人工股関節の置換手術である。
世界的なバイオ技術開発競争の中で再生医療技術関連の研究に集中され、関節内の軟骨組織も実験室的には再生可能になりつつあるが、再生された軟骨の強度は弱く、最も重要な軟骨の表面組織については再生できる目処さえたっていない。
【０００３】
一方、すでに臨床実績のある人工関節については改善によって性能を飛躍的に高めることができれば、安価で信頼性の高いインプラントとして、すべてが再生医療に取って代わられることは将来的にもないと考えられる。現在の人工関節は主として軟骨部にポリエチレン等の超高分子材料を用い金属やセラミックスと組み合わせたものが多い。ところが人工関節全置換術の８割を占める股関節においては、微細なポリエチレン摩耗粉が発生し人工関節を緩める原因となることが明らかにされて以来、ポリエチレン分子のクロスリンク化、骨頭側材料の変更や大きさの検討など、様々な対策が施されつつ現在に至っているが、未だその機能、性能とも生体関節にははるかに及ばない。ポリエチレンを使用せず金属やセラミックスなど、硬質材同士を組み合わせて人工関節を作る先進的試みもあるが、米国においては全セラミックス関節を臨床応用した結果、僅か１年程度でトラブルが続出して訴訟問題に発展する深刻な問題となっている。
【０００４】
そのため現在主流のポリエチレン製軟骨を採用した人工関節が工学的にも安定なため、今後もポリエチレン製軟骨に代わる新素材が開発されない限り、使われ続けるものと考えられる。一般にポリエチレン製軟骨の摩耗を抑制するには素材の耐摩耗性を上げる努力のほかに、設計工学的なアプロ−チも重要である。関節は機械でいえば軸受に相当するので、軸受の潤滑状態を改善できれば人工関節使用時の快適性と長寿命化が同時に得られ、高齢社会に必要な福祉医療技術の一つになる。
【０００５】
従来の市販の人工股関節で代表的なモデルは、図６に示すように、球面骨頭１表面と、凹球面受座２内面間にポリエチレン等の弾性高分子材料で所定厚の凹球面に形成した人工臼蓋（以下弾性臼蓋カップと称する）３を介設し、球面骨頭１表面と弾性臼蓋カップ３内面の回動摺動域面をすべて真球面状に加工して球面軸受を構成し、球面骨頭部１下方のステム４を大腿骨に、凹球面受座２を骨盤側にそれぞれ挿入固定したものである。このため、歩行により負荷を受けると、ほとんどの変形は凹球面受座２側の弾性臼蓋カップ３に生じてその摩耗に至り前述の問題が惹起していた。
【０００６】
体内より抜去された凹球面受座２内の弾性臼蓋カップ３を観察すると、接触圧の違いに応じた摩耗形態の相違が明瞭に認められる。凹真球面加工した弾性臼蓋カップ３に金属あるいはセラミックスなどで作った球面骨頭部１を挿入して負荷を加えた際の接触圧力を求める一般式は未だ報告がない。しかしながら図７の圧力分布曲線ＣＬに示すように力のベクトルが真球面１Ｆと交わる点Ｐで接触圧力ＰＣが最大で、そこから両側に離れるに従い接触圧力が減少することは容易に想像できる。弾性臼蓋カップ３と球面骨頭部１との隙間に関節液があったとしても、球面同士の弾性臼蓋カップ３内面と球面骨頭部１表面が接触する以前に関節液のほとんどは接触圧力の低い周囲にスクイズアウトして、その状態で歩行による相対的な滑り運動を行えば潤滑上は益々極めて厳しい環境となって摩耗や摩擦熱の問題が生じる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の解決しようとする課題は、人工股関節に歩行による負荷を加えた際、球面骨頭部１と弾性臼蓋カップ３の接触圧力が局部的に増大することを抑制して、接触面間に関節液を保持することで潤滑液として有効に利用することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するものでありその特徴とするところは、上端に球面骨頭部を有するステムを大腿骨に嵌入固定し、内面に弾性臼蓋カップを配設した凹球面受座を骨盤側に固定し、該球面骨頭部を凹球面受座内の弾性臼蓋カップを介して回動自在に挿入受持せしめてなる人工股関節において、球面骨頭表面と凹球面受座内の弾性臼蓋カップの内面との回動摺動域の全表面を真球面形状にした際、歩行に伴う球面骨頭部の回動中に球面骨頭の真球面が弾性臼蓋カップとの接触で生じる最大接触圧力軌跡部分とその周囲に沿った部分の真球表面帯を真球表面よりバンド状に球心側に僅かに低い球状表面に加工したことを特徴とする人工股関節にある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
即ち本発明の人工股関節は、図７に示すように球面骨頭１表面と凹球面受座２内の弾性臼蓋カップ３の内面との回動摺動域の全表面を真球面形状１Ｆにした際に、球面骨頭１の真球面が弾性臼蓋カップ３との接触で生じる最大接触圧力ＰＣ軌跡部分Ｐとその周囲に沿った部分の真球表面帯１ＦＺを、図１に示す前記バンド状部分３０の形成によって低減させ、且つ該バンド状部分３０の周辺の接触圧力分布を、図１の接触圧力分布曲線ＣＬ２のようにバンド状部分３０内部の接触圧力と同程度もしくは高くなるようにするものである。
これにより歩行に伴う回動中、すべり運動とともに該バンド状部分３０の内部に関節液をトラップしてバンド状部３０外に関節液を逃げ難くして、関節液つまり潤滑液の流れを円滑に維持して、該球面骨頭部２０と凹球面弾性臼蓋カップ１０との挿入受持部における弾性臼蓋カップ１０の、低摩擦化、低摩耗化を有利に実現させて、発熱防止、破損防止、緩み（ルーズニング）防止等を長期に渡って安定維持させるのである。
【００１０】
このように球面骨頭２０側に該バンド状部分３０を形成するだけで、歩行中の接触圧力状態と潤滑条件を同時に改善できる可能性に着目した点は、独創的であり新規なものである。この点に着目した研究および発明は、国内外を問わずこれまでにない。接触圧力分布が変わると潤滑状態が変わるため摩擦係数の変わることは、金属板上をポリエチレンで擦る基礎的実験ですでに明らかにしている。設計工学の基本原理を機構学より優先させて人工股関節に応用したことに本発明の新規性と優位性がある。
【００１１】
而して、本発明における球面骨頭２０に成形する該バンド状部分３０の非球状表面は、球面骨頭の真球面部との境を滑らかな低面変化部に加工し、これに連続してバンド状部分３０の長手方向に、及び又はそれに直交する方向に凸状に形成した単一曲率半径球状（球心は球面骨頭の真球面部の球心と同一でも非同一でも良い）又は曲率半径の異なる複数の球面部分及び又は湾曲面等で複合合成した非球面とするか、又は曲率半径を連続的に斬増又は斬減変化した非球面とする。
また、球面骨頭２０や凹球面受座５０の材質は、金属又はセラミックス等を用い、弾性臼蓋カップ１０は、クッション性、耐摩耗性、低摩擦性、耐圧性等の機能を有する前述したポリエチレン等の弾性高分子材料を用いるが、前記機能の他に通液性、捕液性を有する公知の弾性高分子材料でもよい。
【００１２】
【発明の実施例】
本発明の１実施例を図１〜図５に示す。
図１〜図５において、人工股関節の球面骨頭部２０は、金属製で曲率半径：１３ｍｍの真球面４０を骨頭２０の回転方向に加工して、弾性臼蓋カップ１０との間に荷重を加えない状態では最大でも０．０１ｍｍのバンド状隙間を作ったことを図４は隙間を強調して描いている。図５は回動方向に直交する方向の臼蓋カップ１０と加工骨頭２０の間の無負荷時での隙間の変化する様子を強調して描いている。凹球面受座５０は、厚み：３ｍｍの金属製で曲率半径：２３ｍｍの凹真球内面を形成し、弾性臼蓋カップ１０は、厚み：１０ｍｍのポリエチレン製で曲率半径：１３ｍｍの真凹球内面を形成したものである。
【００１３】
図２、図３は、本実施例の人工股関節における要部即ち、弾性臼蓋カップ１０を介して該球面骨頭部２０を回動自在に挿入受持した部分の拡大図である。図では球面骨頭２０表面のバンド状部分３０をイメ−ジしやすいように、弾性臼蓋カップ１０を半透明にして、バンド状部分３０が弾性臼蓋カップ１０の中央部にある状態を描いている。実際の人工股関節は図６のように傾いた状態で取付けられるため、必ずしも弾性臼蓋カップ１０の中央部にバンド状部分３０が位置するとは限らないが、弾性臼蓋カップ１０は内面が凹真球面であるため、バンド状部分３０がどの位置にあっても幾何学的には同じである。
球面骨頭部２０が凹球面受座５０内に設置した弾性臼蓋カップ１０と接触する回動摺動域の全表面が真球面４０の状態から、球面骨頭部２０において、歩行により球面骨頭部２０と弾性臼蓋カップ１０の間で荷重の最も大きくなる領域とその周囲をその球表面４０より球心側に最大０．０１ｍｍ低くした前記該バンド状部分３０を形成する。
これにより、図１に併記した圧力分布曲線ＣＬ２に示す如く、歩行による局部荷重を低減させる一方で低減されたバンド状部分３０の近傍周囲の接触面圧を上昇させる結果となる。このことが関節液を閉じ込めて潤滑性を上げる作用をする。
【００１４】
図３は、弾性臼蓋カップ１０の下側から見た図である。図２、図３ではバンド状部分３０の加工状態を分り易くするように極端に描いているが、本例では、図４、図５に示す複合球面形状にしてある。
つまり、歩行による球面骨頭部２０の回転方向１００に沿って形成するバンド状部分３０の球面形状は、図４に示す如く、球面骨頭部２０のすべり方向１００に沿って真球表面４０より球心側に最大０．０１ｍｍ低くする。球表面が真球面４０より球心側に低くなったことで無負荷状態では骨頭２０と凹球面受座５０内に配設した弾性臼蓋カップ１０との間のバンド状加工部分３０には関節液が保持されやすくなる。またバンド状部分３０の前端部３０ｆをすべり方向１００にそって弾性臼蓋カップ１０の外部まで延長することで、球面骨頭部２０の回動とともに関節液は導入されやすくなる。荷重の増加にしたがい弾性臼蓋カップ１０は弾性変形して僅かな隙間はさらに小さくなろうとするが内部にトラップされた関節液が圧力を発生することで球面骨頭部２０と弾性臼蓋カップ１０が直接接触して摩耗することを防ぐ。バンド状加工部３０の後端部３０ｂは真球面へと滑らかに変化することで関節液が負荷域より流出することを防ぐ。
【００１５】
また図５に示す如く、滑り方向１００と直交する方向１１１の球面形状は真球面４０より最も低くしたバンド状部分３０の中央部から滑らかに変化させて再び真球面４０に接続することで、負荷が小さいときには球面骨頭部２０と弾性臼蓋カップ１０の間に関節液を保持する隙間を作ると同時、負荷が大きくなればバンド状加工部３０側方の接触圧力が高くなることで関節液の側方漏れを防ぐ役割をする。
これにより図１の圧力分布曲線ＣＬ２に示す如く、球面骨頭部２０が歩行に伴う回動中、すべり運動とともに該バンド状部分３０内の接触圧力を低減し、且つ該バンド状部分３０の周辺の接触圧力をバンド状部分３０内部の接触圧力と同程度もしくは高くなるように接触圧力分布を形成させて、該バンド状部分３０内にトラップした関節液を、バンド状部分から逃げ難くして、関節液を潤滑液として有効に機能させようとするのである。
【００１６】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の人工股関節は、球面骨頭部と弾性臼蓋カップとの回動摺動域の全表面を真球面にした際に生じる接触部中央での最大接触圧力帯を前記バンド状部分によって低減し、且つ該バンド状部分の前端部を除く周辺の接触圧力をバンド状部分内の接触圧力と同程度か、もしくは高くなるように接触圧力分布を形成することにより、歩行に伴う回動中、すべり運動とともに該バンド状部内にトラップした関節液に圧力を発生させることで球面骨頭部と弾性臼蓋カップとの局部的過大な直接接触部分を無くし、バンド状部分外には関節液を逃げ難くして、関節液つまり潤滑液の流れを円滑に維持して、該球面骨頭部と凹球面受座内の弾性臼蓋カップとの挿入受持部における低摩擦化、低摩耗化を有利に実現させて、発熱防止、破損防止、緩み（ルーズニング）防止等を長期に渡って安定維持させるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における球面骨頭と加工骨頭をそれぞれ凹球面受座内の弾性臼蓋カップに挿入して負荷を与えた場合の圧力分布を示す説明図である。
【図２】本発明の１実施例で人工股関節要部である該球面骨頭部２０が弾性臼蓋カップ１０に挿入された状態でバンド状部分３０の後端部３０ｂが見える位置から弾性臼蓋カップ１０を半透明にして立体的に示した説明図である。
【図３】図２に示す該球面骨頭部２０の前端部３０ｆが弾性臼蓋カップ１０の外にあることが弾性臼蓋カップ１０を半透明にして立体的に示した説明図である。
【図４】球面骨頭部２０に形成したバンド状部３０の中央部を、その滑り方向１００に沿って切断して見た湾曲形状を示す断面図である。
【図５】球面骨頭部２０に形成したバンド状部分３０を、その滑り方向１００と直交する方向１１１に切断して見た湾曲形状を示す断面図である。
【図６】従来の人工股関節を立体的に示す説明図である。
【図７】従来の球面骨頭と加工骨頭をそれぞれ凹球面受座内の弾性臼蓋カップに挿入して負荷を与えた場合の圧力分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１０：弾性臼蓋カップ
２０：該球面骨頭部
３０：真球面より僅かに低いバンド状部分
４０：球面
５０：凹球面受座
１００：球面骨頭部２０の負荷時の回転方向
３０ｆ：バンド状部分３０の負荷時のすべり方向１００の前端部
３０ｂ：バンド状部分３０の負荷時のすべり方向１００の後端部
１１１：滑り方向１００と直交する方向
【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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