(57)【要約】【課題】  滑らかな動きを確保して屈曲時の回旋を誘発し、摩耗の低減して強度的に優れるＰＳ型人工膝関節を提供する。【解決手段】  大腿骨の遠位端に装着される大腿骨コンポーネントの内顆及び外顆を脛骨の近位端に装着される脛骨コンポーネントの内側関節面及び外側関節面によって滑動かつ転動可能に支受する人工膝関節において、両関節面の間の前後略中央に後面が外方に湾曲したポストを起立させて内顆と外顆との間に形成される後端から前端近くまで延びている顆間溝に突入させるとともに、顆間溝の後部にポストの後面に沿うカムを設け、このポストとカムとの相関関係を、大腿骨コンポーネントと脛骨コンポーネントとが相対的に屈曲してカムがポストに接当すると、大腿骨コンポーネントが脛骨コンポーネントに対して外側方向に回旋させられることを特徴とする人工膝関節。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大腿骨の遠位端に装着される大腿骨コンポーネントの内顆及び外顆を脛骨の近位端に装着される脛骨コンポーネントの内側関節面及び外側関節面によって滑動かつ転動可能に支受する人工膝関節において、両関節面の間の前後略中央に後面が外方に湾曲したポストを起立させて内顆と外顆との間に形成される後端から前端近くまで延びている顆間溝に突入させるとともに、顆間溝の後部にポストの後面に沿うカムを設け、このポストとカムとの相関関係を、大腿骨コンポーネントと脛骨コンポーネントとが相対的に屈曲してカムがポストに接当すると、大腿骨コンポーネントが脛骨コンポーネントに対して外側方向に回旋させられることを特徴とする人工膝関節。
【請求項２】
カムは、外側が径大をしている請求項１の人工膝関節。
【請求項３】
ポストは、その後面の外側関節面側が内側関節面側より後退、すなわち、湾曲の中心が外側に変位している請求項１又は２の人工膝関節。
【請求項４】
顆間溝の外側面は、中心線と平行に形成し、内側面は、後端から前端に向かってカムを過ぎた辺りから緩やかなカーブを描いて外顆側に寄って行くものに形成してあるとともに、ポストは、その側面から前面にかけての側面の肉を削り、平面視で略三角形に形成してある請求項１〜３いずれか１項の人工膝関節。
【請求項５】
カムの表面の曲率半径とポストの後面の曲率半径をほぼ等しくした請求項１〜４いずれか１項の人工膝関節。
【請求項６】
内側及び外側関節面は、側面視で凹形に形成されるものの、外側関節面は、後部が平坦に形成されている請求項１〜５いずれか１項の人工膝関節。
【請求項７】
内外方向の垂直断面における内顆と内側関節面及び外顆と外側関節面の接触面の最下位点を結ぶジョイントラインを屈伸角度全域に亘ってほぼ等しい角度で内傾させた請求項１〜６いずれか１項の人工膝関節。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膝関節に置換される人工膝関節に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
膝関節が変形性膝関節症、慢性関節リウマチ、骨腫瘍を罹患したり、外傷等を負った場合、人工膝関節に置き換えることが行われている。この人工膝関節は、大腿骨の遠位端に装着されて内顆と外顆とを有する大腿骨コンポーネントと、脛骨の近位端に装着されて内顆と外顆とをそれぞれ支受する内側関節面と外側関節面とを有する脛骨コンポーネントとからの組合せになるが、これら両顆及び両関節面は、生体膝関節と同等な動きをする必要がある。
【０００３】
すなわち、膝を屈曲させたとき、大腿骨コンポーネントと脛骨コンポーネントとが前後や左右にずれて脱臼したりしないことである。生体膝関節では、前十字靱帯、後十字靱帯がこの前後、左右のずれを規制しているが、人工膝関節置換術が適用となる患者では、この靱帯機能を喪失又は弱化していることが多いことから、ずれを起し易い。このため、特許文献１及び２に見られるように、脛骨コンポーネントの関節面の間の前後略中央にポストを起立させ、これを大腿骨コンポーネントの内外顆間に形成される顆間溝に突入させるとともに、顆間溝の後部に、ある角度屈曲するとポストに接当するカムを設けて前後及び左右のずれを規制するＰＳ型（Posterior Stabilized Type)と称される人工膝関節が提案されている。
【０００４】
一方で、人工膝関節で忘れてはならないのは回旋の問題である。膝関節では、屈曲するにつれて大腿骨が外側方向（脛骨でいえば内側方向）に回旋する（これを外旋又は内旋という）ことであり、生体膝関節では、これを、内顆と外顆の最下点を内外（左右）方向に結ぶジョイントライン（joint Line  略してＪＬ）がＳＥＡ（Flexion-extension Center Axis ；立位のときの屈伸中心軸のことであり、水平になっている）に対して内顆側が下がっている（これを内傾という）ことで確保している。しかし、上記先行例の人工膝関節は、屈曲終期の回転半径を増して深屈曲を可能にしたり、カムの周囲の肉厚を増して応力集中を避けたりするものであって、回旋の問題については特に留意されていない。
【０００５】
本発明者は、人工膝関節において、ジョイントラインを内傾させることで、回旋をより誘発し易くする案件を特許文献３として提案しており、相応の効果を上げている。しかし、その後の研究により、ＰＳ型人工膝関節では、更なる問題点があることもわかった。具体的には、屈曲時の回旋によってポストと顆間溝の側面とが干渉する事態が生じるが、この干渉により、ポストが削られてその研削粉が骨等に浸入してこれを溶解させたり、生体性を害したりすることがある。そこで、ポストの幅を顆間溝の幅よりかなり狭くしてその干渉を避けたりしているが、これによると、ポストの強度が低下して折損したりすることがある。また、屈曲終端では、カムがポストに強く接当するが、このとき、ポストの幅が狭いと、接触面積が減じて面圧が上がり、摩耗の促進にもつながる。
【特許文献１】特開平１１−３１３８４５号公報
【特許文献２】特開２００３−１１６８９２公報
【特許文献３】特開２００３−２３０５８２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、ポストやカムの形状や配置の更なる工夫、ポストと顆間溝との特定の関係、さらには、顆と関節面との特定の関係を考慮することで、滑らかな動きを確保して回旋を誘発し易くし、しかも、摩耗の低減や強度の確保を可能にしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、大腿骨の遠位端に装着される大腿骨コンポーネントの内顆及び外顆を脛骨の近位端に装着される脛骨コンポーネントの内側関節面及び外側関節面によって滑動かつ転動可能に支受する人工膝関節において、両関節面の間の前後略中央に後面が外方に湾曲したポストを起立させて内顆と外顆との間に形成される後端から前端近くまで延びている顆間溝に突入させるとともに、顆間溝の後部にポストの後面に沿うカムを設け、このポストとカムとの相関関係を、大腿骨コンポーネントと脛骨コンポーネントとが相対的に屈曲してカムがポストに接当すると、大腿骨コンポーネントが脛骨コンポーネントに対して外側方向に回旋させられることを特徴とする人工膝関節を提供したものである。
【０００８】
これにおいて、本発明は、請求項２の、カムは、外側が径大をしている手段、請求項３の、ポストは、その後面の外側関節面側が内側関節面側より後退、すなわち、湾曲の中心が外側に変位している手段、請求項４の、顆間溝の外側面は、中心線と平行に形成し、内側面は、後端から前端に向かってカムを過ぎた辺りから緩やかなカーブを描いて外顆側に寄って行くものに形成してあるとともに、ポストは、その側面から前面にかけての側面の肉を削り、平面視で略三角形に形成してある手段、請求項５の、カムの表面の曲率半径とポストの後面の曲率半径をほぼ等しくした手段、請求項６の、内側及び外側関節面は、側面視で凹形に形成されるものの、外側関節面は、後部が平坦に形成されている手段、請求項７の、内外方向の垂直断面における内顆と内側関節面及び外顆と外側関節面の接触面の最下位点を結ぶジョイントラインを屈伸角度全域に亘ってほぼ等しい角度で内傾させた手段を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明により、回旋は誘発される。このように、人工膝関節の屈曲における回旋が自然に誘発されるものにすると、靱帯バランスも生体膝関節と変わらないものになり、関節のより滑らかな運動を可能にするとともに、正座、胡座に代表される日本人特有の深屈曲動作に対応することが可能になる。回旋を誘発するためのポストやカムのそれぞれの具体的な形状や配置は請求項２及び３の発明のものが考えられる。請求項４の発明によると、屈曲初期から回旋が誘導されるとともに、このとき、顆間溝の内側側面とポストとの干渉が防がれて摩耗も少なくなるし、動きも滑らかになる。請求項５の発明によると、ポストに対するカムの回転が円滑になるとともに、接触面積を増して摩耗の減少にもつながる。請求項６及び７の発明によると、屈曲の全角度に亘って回旋が誘発される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一例を示す人工膝関節の装着状態の立位における側面図、図２は同じく背面断面図であるが、人工膝関節は、大腿骨コンポーネント１と脛骨コンポーネント２との組み合わせからなり、このうち、大腿骨コンポーネント１は、チタン合金等の生体適合金属で構成され、中央に後端から前端近くまで延びている入江状の顆間溝３を設けて内顆４と外顆５とを側面視で略Ｃ形に形成したものであり、大腿骨６の遠位端に装着される。この場合、内顆４と外顆５を前後方向から見ると、その外郭は凸面形をしており、この凸面形が前後に筋条に続いているものである。
【００１１】
図４は大腿骨コンポーネント１の平面図であるが、本発明に係る大腿骨コンポーネント１は、顆間溝３の後部において、内顆４と外顆５とに亘って渡し架けられるカム７が設けてある。このカム７は、中央が凹んだ鼓形をしているものであり、本例では、外顆５側が径大に形成されている。なお、このカム７は、大腿骨６との装着性を高めるため、大腿骨コンポーネント１の後壁の前面のラインに沿って上から半分辺りまでカットされている。カム７の材質は、大腿骨コンポーネント１と同質のもので構成されるが、その形成は、一体成形したものでもよいし、別体のものを製作して後付けしたものでもよい。また、顆間溝３についても、その外側面３ａは、顆間溝３の中心線と平行に延びているが、内側面３ｂは、後端から前端に向かってカム７を過ぎた辺りから緩やかなカーブを描いて外顆５側に寄って延びていて外側面３ａと結合している。
【００１２】
これに対して、脛骨コンポーネント２は、超高分子ポリエチレン等の医療用樹脂材で構成され、脛骨８の近位端に装着される。このように、金属と樹脂との組合せにしたのは、摩擦性を高めてより円滑な運動をさせるためである。この場合の脛骨コンポーネント２は、生体適合金属で構成され、脛骨８に挿入されるペグ９ａを有する脛骨ベースプレート９上に載置されている。脛骨コンポーネント２の上面には、上記した大腿骨コンポーネント１の内顆４と外顆５とをそれぞれ支受する内側関節面１０と外側関節面１１とが間に低い隆起部１２を隔てて形成されている。これら両関節面１０、１１ともに内顆４と外顆５の外郭形状に略沿った凹面形に形成されており、この凹面形が前後に展開されている。この場合、内顆４と外顆５及び内側関節面１０と外側関節面１１の上下の投影面はほぼ同じ大きさに設定されている。
【００１３】
図５は脛骨コンポーネント２の平面図及び両側面断面図であるが、その両方の関節面１０、１１は、いずれも中央が凹んだ凹形をしているが、ただ、外側関節面１１は、中央から後部は平坦に形成されており、さらに、その終端ではやや内側方向に回り込んでいる。そして、内外関節面１０、１１のほぼ中央辺りにポスト１３が起立している。このポスト１３は、平面視で見ると、前面、後面ともにほぼ円形をしているが、後面の曲率半径の方が大きくて緩やかに外方に湾曲している。一方、側面から前面にかけては、側面の肉を削り（鎖線は肉を削らない場合の輪郭線）、略三角形に形成してある。加えて、本例におけるポスト１３は、外顆５側にやや回転させた状態で（捻って）設けてある。このポスト１３は、脛骨コンポーネント２と同質材料で一体成形されるのが通常であるが、別体のものを取り付けてもよい。この他、ポスト１３の後部には、両関節面１０、１１よりやや落ち込んだ凹部１４が形成されているとともに、凹部１４の後部は切り欠かれていて切欠部１５となっている。
【００１４】
以上の人工膝関節を構成する大腿骨コンポーネント１と脛骨コンポーネント２とは、膝の屈伸に伴って相対的に屈曲、伸展するが、これを、顆間溝３がポスト１３に案内されながら内顆４と外顆５とが内側関節面１０と外側関節面１１の上を転がりと滑りを伴って回転することで可能にしている。屈伸する角度は、垂直に対して−１０°〜１５０°であり、その初期には転がりが主体となり、後期には滑りが主体となるが、いずれの動きも側副靱帯等の膝関節靱帯群が制御しており、内顆４及び外顆５が内側関節面１０及び外側関節面１１からの脱落（脱臼）の防止にも寄与している。
【００１５】
図３は膝の屈曲に伴って大腿骨コンポーネント１と脛骨コンポーネント２とが相対的に屈曲する状態を示す側面図であるが、膝を伸展させた（屈曲角度０°）立位のときは、脛骨コンポーネント２のカム７は、大腿骨コンポーネント１のポスト１３から離れて位置している（図１）。そして、屈曲させて行くに伴って大腿骨コンポーネント１の内顆４及び外顆５は脛骨コンポーネント２の内側関節面１０及び外側関節面１１上を転動及び滑動し、カム７は、ポスト１３に接近して行く。
【００１６】
このとき、顆間溝３の上記した外側面３ｂの形状は、屈曲初期から大腿骨コンポーネント１のスムーズな外側方向への回旋、すなわち、外旋を誘導するし、同時にポスト１３の側面の肉が削られていることは、外側面３ｂとポスト１３との干渉を避けて動きを滑らかにするとともに、摩耗を少なくする。ところで、膝関節が屈曲するときの回旋は、内側の顆と関節面との接触面はその場に止まり、外側の顆と関節面との接触面は、大腿骨からいえば後方に移行する動きをしている。すなわち、内顆４側を回転中心とする回転運動をすることになり、これによって回旋がスムーズに誘導されるようになっている。したがって、内顆４を支受する内側関節面が中央が凹んだ凹形をしていることは、その接触面の滞留が確実になるし、外顆５を支受する外側関節面１１の後部が平坦であることは、外顆５の後方移行を容易なものにする。そして、屈曲角度が７０°付近になると、カム７は、ポスト１３に接当し、以後は、両者で規制、案内されつつ最大屈曲角度まで回転する。このとき、外側関節面１１の後部が内側に回り込んでいると、屈曲終端のときに大腿骨コンポーネント１が更に外側に回り込む（脛骨コンポーネント２でいえば内側に回り込む）、所謂、一種のトーインの動きをして生体膝関節と同等な動きをするのに寄与する。
【００１７】
図６はこの状態を示す人工膝関節の平面図であるが、このとき、カム７は、外顆５側が径大になった鼓形をしていること、ポスト１３の接当面である背面は、外方に緩やかに湾曲した曲面に形成され、かつ、外顆５側にやや回転させて設けてあることから、カム７、すなわち、大腿骨コンポーネント１は、ポスト１３に接当すると更に外旋させられる。なお、図示は省略するが、カム７の外径を回転後期になるほど大きくしておけは、この外旋の度合いは、回転に伴って漸大させることができる。この場合、カム７の鼓形の曲率半径とポスト１３の後面の曲率半径とをほぼ同じにしておくのが、接触面積が増してこの動きが滑らかになるとともに、摩耗の減少にも寄与する。
【００１８】
ところで、以上は、カム７がその外顆５側が径大に形成され、ポスト１３が外顆５側にやや回転させて設けてある例であり、大腿骨コンポーネント１を回旋させるための最良の形態であるが、外顆５を外向させるにはこれに限らない。図７はこれを可能にする例を示すカム７とポスト１３との関係を示す平面図であるが、カム７の径が外顆５側が径大に形成されておれば、ポスト１３が真っ直ぐに向いているものでもよい（ａ）。また、カム７が左右対称の径を有するものであっても、ポスト１３の後面の外側関節面１１側が内側関節面１０側より後退、すなわち、湾曲（アール）の中心が外側に変位しているものであればよい（ｂ）。
【００１９】
加えて、本例の人工膝関節は、大腿骨コンポーネント１における内顆４と外顆４の肉厚を内顆４の方を屈伸角度全域に亘ってほぼ等しく厚くしてある。そして、これに伴って脛骨コンポーネント２の内側関節面１０と外側関節面１１の肉厚を内側関節面１０の方を屈伸角度全域に亘ってほぼ等しく薄くしてある。すなわち、内顆４と外顆５及び内側関節面１０と外側関節面１１の外周面に、それぞれ側副靱帯の緊張、弛緩のバランスを崩すことがないように段差を設けたもので、内外方向の垂直断面において、それぞれ内顆４と外顆５を受ける内側関節面１０と外側関節面１１の接触面のうちの最下位点を結ぶジョイントラインＪＬを内側方向を低く、つまり、内傾させたものである。
【００２０】
なお、これらの段差構造は、大腿骨コンポーネント１と脛骨コンポーネント２とを製作するときに施すことができるから、手術では、大腿骨の骨切ラインＢＣＬは、ＳＥＡに平行に設定し、脛骨の骨切ラインは、ＢＣＬと平行で、機械軸、つまり、脛骨中心軸に直角に行うことになる。したがって、このような人工膝関節に因ったとしても、手術の困難さは生じない。
【００２１】
このようにする理由は、生体膝関節がこのようになっているからであり、これと同じにすることで、側副靱帯の緊張、弛緩のバランスを崩すことがないようにして置換後の膝（屈伸）機能を生体膝関節と同じように設定したものである。なお、この場合のジョイントラインＪＬの内傾角度αは、生体膝関節と同じ１〜１０°、好ましくは２〜５°にするのが適する。この他、本例では、内顆４の凸面の曲率半径を外顆５のそれよりは小さくしており、これに伴って内側関節面１０の凹面の曲率半径も外側関節面１１のそれより小さくしている。
【００２２】
さらに、本例では、内顆４の最大肉厚点を前後に連ねた最大肉厚ラインＭを前方に行くほど外向させて外顆５の最大肉厚点を前後に連ねた最大径ラインＭ´（ほぼ前後に真っ直ぐになっている）との間隔を狭めて（これに伴って内外関節面１０、１１にもこれに対応するラインＬ、Ｌ´が形成される）、所謂、トーインにしている。こうすると、屈曲時における脛骨８側の回旋が更に誘発されるからである。
【００２３】
以上のような人工膝関節によれば、すなわち、カム７とポスト１３との形状や配置及び顆間溝３の形状並びに両関節面１０、１１の形状を上記したような特有のものにすることで、屈曲時における回旋を誘発するとともに、靱帯、特に、側副靱帯の緊張、弛緩のバランスを崩すようなこともない。したがって、生体膝関節に近い動きをさせて違和感のないものにできるとともに、手術時にこれを一部剥離したりしなくても機能低下は来さず、手術時間の短縮等、患者の負担を軽減させる。そして、これに、ジョイントラインＪＬを内傾させる構成を加えると、屈伸時における回旋をより誘発する上に１３０°以上の深屈曲も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一例を示す人工膝関節の側面図である。
【図２】本発明の一例を示す人工膝関節の一部断面背面図である。
【図３】本発明の一例を示す人工膝関節の屈曲状態を示す側面図である。
【図４】本発明の一例を示す大腿骨コンポーネントの平面図である。
【図５】本発明の一例を示す脛骨コンポーネントの平面図手ある。
【図６】本発明の一例を示す膝屈曲時における大腿骨コンポーネントと脛骨コンポーネントの関係を示す平面図である。
【図７】本発明の一例を示すポストとカムの平面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    大腿骨コンポーネント
２    脛骨コンポーネント
３    顆間溝
３ａ  顆間溝の外側側面
３ｂ  顆間溝の内側側面
４    内顆
５    外顆
６    大腿骨
７    カム
８    脛骨
９    脛骨ベースプレート
９ａ  ペグ
１０  内側関節面
１１  外側関節面
１２  隆起部
１３  ポスト
１４  凹部
１５  切欠部
ＪＬ  ジョイントライン
Ｍ    最大肉厚ライン
Ｍ´  最大肉厚ライン
Ｌ    最低点ライン
Ｌ´  最低点ライン
【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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