(57)【要約】【課題】屈曲伸展運動と回旋運動とを同時に誘発すること。【解決手段】一定の屈曲角度から角度が増す毎に関節最下点までの径が短縮する後顆側球心ＤＯ２を有する内顆部ＭＣ、及び屈曲による関節最下点までの径が一定となる後顆側球心ＤＯ１を有する外顆部ＬＣを形成した大腿骨コンポーネントＦＣと、膝屈曲に伴う上記内顆部の後顆側の最下点位置を水平位にした内顆側関節面、屈曲に伴い後内遠位方向に回旋を伴って移動する外顆側関節面を大腿骨両顆部の陰性モデルとして形成した脛骨コンポーネント(ＴＣ)とを備える。【選択図】図８
2017018150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の屈曲角度から角度が増す毎に関節最下点までの径が短縮する後顆側球心を有する内顆部、及び屈曲による関節最下点までの径が一定となる後顆側球心を有する外顆部を形成した大腿骨コンポーネントと、
膝屈曲に伴う上記内顆部の後顆側の最下点位置を水平位にした内顆側関節面、屈曲に伴い後内遠位方向に回旋を伴って移動する上記外顆側関節面を大腿骨両顆部の陰性モデルとして形成した脛骨コンポーネントと
を備えたことを特徴とする人工膝関節置換術用コンポーネント。
【請求項２】
上記大腿骨コンポーネントの内顆部は、屈曲に伴う後顆側球心の関節最下点までの径の短縮により、屈曲０°時の後顆側球心を通過する垂線に沿って後顆側球心の位置が下降し、
上記脛骨コンポーネントの外顆側関節面は、上記大腿骨子コンポーネントの内顆部の屈曲に伴う後顆側球心の下降量に対応した深さの陰性モデルとして形成する
ことを特徴とする請求項１記載の人工膝関節置換術用コンポーネント。
【請求項３】
上記大腿骨コンポーネントの内顆部の後顆側球心と外顆部の後顆側球心とを結ぶ線を外科的顆上線と平行とすることを特徴とする請求項１記載の人工膝関節置換術用コンポーネント。
【請求項４】
上記大腿骨コンポーネントの内顆部は、屈曲９０°から角度が増す毎に関節最下点までの径が短縮する後顆側球心を有することを特徴とする請求項１記載の人工膝関節置換術用コンポーネント。
【請求項５】
一定の屈曲角度から角度が増す毎に関節最下点までの径が短縮する後顆側球心を有する内顆部、及び屈曲による関節最下点までの径が一定となる後顆側球心を有する外顆部を形成した大腿骨関節部と、
膝屈曲に伴う上記内顆部の後顆側の最下点位置を水平位にした内顆側関節面、屈曲に伴い後内遠位方向に回旋を伴って移動する上記外顆側関節面を大腿骨両顆部の陰性モデルとして形成した脛骨関節部と
を備えたことを特徴とする人工膝関節構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工膝関節置換術用コンポーネント及び人工膝関節構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、生体の膝関節とより近い動きをする人工膝関節を提供するべく、多くの提案がなされている。（例えば、特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２３０５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
生体の膝関節は、屈伸運動のみを行なう蝶番関節と見なされるが、膝を曲げた状態では下腿の内旋（１０°）、外旋（４０°）が可能である。また膝を十分に伸ばすとき、その最終段階では、終末回旋と呼称される、下腿のわずかな外旋（５°）が見られる。これらの意味で膝関節は、純粋な蝶番関節ではない。
【０００５】
上記特許文献に記載された技術も含めて、従来の技術では生体の膝関節と同様の屈曲進展運動と回旋運動とを同時に誘発するような構成を有したものは存在しなかった。
【０００６】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、屈曲伸展運動と回旋運動とを同時に誘発することが可能な人工膝関節コンポーネント及び人工膝関節構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、一定の屈曲角度から角度が増す毎に関節最下点までの径が短縮する後顆側球心を有する内顆部、及び屈曲による関節最下点までの径が一定となる後顆側球心を有する外顆部を形成した大腿骨コンポーネントと、膝屈曲に伴う上記内顆部の後顆側の最下点位置を固定した内顆側関節面、屈曲に伴い後内方に回旋する上記外顆側関節面を大腿骨両顆部の陰性モデルとして形成した脛骨コンポーネントとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、屈曲伸展運動と回旋運動とを同時に誘発することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る大腿骨コンポーネントの外顆を側面から見た概念構成を示す模式図。
【図２】同実施形態に係る大腿骨内顆側面から見た概念構成を示す模式図。
【図３】同実施形態に係る屈曲０°での大腿骨後顆の内側及び外側の顆球の関係を示す図。
【図４】同実施形態に係る内顆及び外顆の位置関係を示す図。
【図５】同実施形態に係る実際の大腿骨コンポーネントの側面構成を示す図。
【図６】同実施形態に係る実際の大腿骨コンポーネントの軸射面構成を示す図。
【図７】同実施形態に係る実際の大腿骨コンポーネントの前額面を後方から見た構成を示す図。
【図８】同実施形態に係る本大腿骨コンポーネントの軸射面、側面、及び前額面の位置関係を示す三面図。
【図９】同実施形態に係る膝屈伸運動と内側後顆球中心の移動の関係を示す図。
【図１０】同実施形態に係る脛骨コンポーネントＴＣに対する膝屈伸運動と大腿骨コンポーネントＦＣ側の外顆ＬＣの後顆側球中心の移動の関係を示す図である。
【図１１】同実施形態に係る軸射面における屈伸運動と、内顆ＭＣ及び外顆ＬＣの最遠位点の移動について示す図である。
【図１２】同実施形態に係る内顆の屈曲角度と関節形成面の関係を示す図。
【図１３】同実施形態に係る脛骨コンポーネントにおける関節面形状を示す図。
【図１４】同実施形態に係る膝の屈伸・回旋運動と屈伸軸の関係を示す図。
【図１５】同実施形態に係る膝蓋骨コンポーネントの位置を示す図。
【図１６】同実施形態に係る大腿骨コンポーネントの内顆の輪郭線を、屈曲０°時の最下点を原点としたＸＹ座標上で近似した例を示す図。
【図１７】同実施形態に係る大腿骨コンポーネントの外顆の輪郭線を、屈曲０°時の最下点を原点としたＸＹ座標上で近似した例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を外科手術により生体の膝関節と置換する人工膝関節置換術用コンポーネントに適用した場合の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。  
人工膝関節置換術用コンポーネントは、大腿骨コンポーネントと脛骨コンポーネントとを対として構成される。上記大腿骨コンポーネントは、内顆と外顆とを一体に組合せて構成される。
【００１１】
まず図１乃至図４により、大腿骨コンポーネントの形状を決定する概念構成について説明する。  
図１は、大腿骨コンポーネントＦＣ（Ｆｅｍｏｒａｌ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の外顆の基本的な概念構成を側面から見た図を示す。図の右側に位置する後顆部ＰＣ（Ｐｏｓｔｅｒｉｏｒ  Ｃｏｎｄｙｌｅ）が円柱の一部であり、図の左側に位置する前顆部ＡＣ（Ａｎｔｅｒｉｏｒ  Ｃｏｎｄｙｌｅ）が楕円柱の一部となって、これらが一体に構成される。
【００１２】
。
【００１３】
すなわち、外顆の後顆部ＰＣの径は一定となる。後顆球の中心と前顆部の楕円体の長軸方向の頂部とを結ぶ線を外顆前後軸ＡＸ１とする。楕円柱の断面の短軸ＡＸ２は、後顆球軸ＡＸ３より（人体の）前方に位置する。よって、この楕円体の短軸ＡＸ２は、後顆球の直径ＡＸ３より長くなる。
【００１４】
外顆前後軸ＡＸ１は、屈曲０°の状態で水平面に対して後傾し、その角度は一般に６°乃至１１°の範囲となり、平均を８°とする。
【００１５】
以上のことから、屈曲０°時の最下部は点ではなく線となるため、屈曲０°の場合のみ、後顆球中心線Ｌ１及び最下部線Ｌ２として表わすことができる。
【００１６】
図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、大腿骨コンポーネントＦＣの内顆の基本的な概念構成を側面から見た図を示す。図２（Ａ）に示すように、屈曲０°から反時計方向に角度をつけると、各角度が示す点は、膝がその角度で屈曲する際の最下点となる。
【００１７】
図の左側に位置する前顆部ＡＣの関節面形状は楕円体の一部として近似できる。一方、図の右側に位置する後顆部ＰＣの球体の径は、屈曲０°〜９０°ではほとんど変化せず一定であるが、９０°より大きな屈曲では徐々に短縮して、理論上１８０°の時に外顆球の径と同一となる。
【００１８】
９０°より大きな屈曲では、屈曲角度の変化により図中に符号ＤＯで示すように、円中心の位置が移動し、その運動は屈曲０°の最下点を通過する垂直線ＡＸ４上の上下運動となる。
【００１９】
図２（Ｂ）において、Ｃ１は内顆最大適合円、Ｃ２は外顆球の径に基づく適合円である。屈曲０°の場合の内側後顆球中心ＤＯと内顆の楕円体の最先端を結ぶ線を、内顆前後軸ＡＸ５とする。楕円体の短軸は、屈曲０°の場合の最下点を通過する上記垂直線ＡＸ４の同一線上になる。
【００２０】
次に大腿骨コンポーネントＦＣにおける屈曲０°での大腿骨後顆の内側及び外側の顆球の関係について説明する。  
図３（Ａ）は、前額面から見た概念構成を示す。同図（Ａ）において、内側後顆ＩＤの最大適合円球の近位部を破線で示す。当該最大適合円球中心と、内側後顆ＩＤの中心ＤＯ２は同一となる。内側後顆ＩＤの中心ＤＯ２と外側後顆ＯＤの中心ＤＯ１とを結ぶ中心間線ＡＸ６は膝屈伸軸ＡＸ６６と同一方向となり、屈曲０°では水平となる。
【００２１】
当該最大適合円球の中心ＤＯ２が外側後顆ＯＤの中心ＤＯ１を通過する垂直線上に位置するように転写すると、仮想内側後顆の中心（ＤＯ３）は外側後顆ＯＤの中心ＤＯ１に一致する。外側後顆ＯＤの中心ＤＯ１（＝仮想内側後顆の中心ＤＯ３)と、内側後顆ＩＤの中心ＤＯ２とを結ぶ中心間線ＡＸ６は上記膝屈伸軸ＡＸ６６と同一方向となる。
【００２２】
また、この膝屈伸軸ＡＸ６６(＝ＡＸ６)は、外科的顆上線ＳＥＬと平行となる。また外側及び内側の各後顆の最下端を結んだ後顆線ＤＣＬ（Ｄｉｓｔａｌ  Ｃｏｎｄｙｌａｒ  Ｌｉｎｅ）は、水平線ＨＬに対して３°内反するものとする。
【００２３】
図３（Ｂ）は、軸射面から見た概念構成を示す。内顆球中心Ｄ０２と外顆球中心ＤＯ１との関係を明示するため、図３（Ａ）に示されたＤＯ２とＤＯ３の関連をそのまま保った状態で、内顆ＭＣを転写する。同図（Ｂ）中において、外側後顆ＯＤの周囲に破線でその仮想内側後顆ＶＩＤを示す。
【００２４】
外側後顆ＯＤの中心ＤＯ１は、この仮想内側後顆ＶＩＤより内後方に位置する。内側後顆ＩＤの中心ＤＯ２と仮想内側後顆ＶＩＤの中心ＤＯ３を結ぶ中心間線ＡＸ６６が上述した如く膝屈伸軸となり、前額面線ＦＰと平行になる。このとき、外側後顆ＯＤの中心ＤＯ１と内側後顆ＩＤの中心ＤＯ２とを結ぶ中心間線ＡＸ６が外科的顆上間線ＳＥＬと平行となる。
【００２５】
図４は、大腿骨コンポーネントＦＣにおける内顆及び外顆の位置関係を示す。  
図４（Ａ）は、大腿骨顆の軸射面像を示す。同図（Ａ）で、外顆ＬＣの前後軸ＡＸ７が矢状方向線に対して平行となる一方で、内顆ＭＣの前後軸ＡＸ８が矢状面に対して２０°前方に収斂する。
【００２６】
また、外顆ＬＣの後顆ＯＤの中心ＤＯ１と、内顆ＭＣの後顆ＩＤの中心ＤＯ２とを結ぶ中心間線であるＡＸ６は、外科的顆上間線ＳＥＬと平行となる。
【００２７】
屈曲０°時の大腿骨前後軸ＡＸ９は、１０°程、後内方から前外方に向かって開き、後顆線ＰＣＬ（Ｐｏｓｔｅｒｉｏｒ  Ｃｏｎｄｙｌａｒ  Ｌｉｎｅ）は前額面線ＦＰに対して１°内反する。
【００２８】
図４（Ｂ）は、大腿骨顆の側面像を示す。同図（Ｂ）で、外顆ＬＣの前後軸ＡＸ７は、内顆ＭＣの前後軸ＡＸ８に対して後傾する。これら２つの前後軸ＡＸ７，ＡＸ８の見かけ上の交点が外顆ＬＣにおける後顆球中心ＤＯ１となる。
【００２９】
図５は、上記図１乃至図４で示した概念構成から導出された、実際の大腿骨コンポーネントＦＣの側面構成を示す。同図中、ＭＳは内顆ＭＣの関節面、ＬＳは外顆ＬＣの関節面である。人工膝関節により置換して誘導できる可動域の範囲を屈曲０°(直立位)〜１３５°とする。生体膝の１３５°〜１５０°においては、内顆ＭＣと外顆ＬＣの各最下点を結ぶ線に相当する部位は水平となる。
【００３０】
図６は、上記図１乃至図４で示した概念構成から導出された、実際の大腿骨コンポーネントＦＣの軸射面構成を示す。同図中、屈曲０°時の外顆ＬＣの前後軸ＡＸ７は、矢状軸ＡＸ１０と平行となる一方で、内顆ＭＣの前後軸ＡＸ８は、矢状軸ＡＸ１０に対して前方で２０°収斂する。
【００３１】
屈曲０°時の大腿骨回旋軸（＝前後軸）ＡＸ９は、矢状軸ＡＸ１０に対して１０°前外方に向かう。
【００３２】
外顆ＬＣの後顆ＯＤの中心ＤＯ１と、内顆ＭＣの後顆ＩＤの中心ＤＯ２とを結ぶ中心間線であるＡＸ６は、外科的顆上間線ＳＥＬと平行となる。大腿骨関節面の人工物による置換被覆は０°〜１３５°が可能である。
【００３３】
図７は、屈曲０°時の実際の大腿骨コンポーネントＦＣの前額面を後方側から見た構成を示す。同図中、Ｐ１は外顆ＬＣの最先端点、Ｐ２は内顆ＭＣの最先端点、Ｐ３は外顆ＬＣの最後点、Ｐ４は内顆ＭＣの内顆最後点を示す。
【００３４】
可動域の範囲を０°〜１５０°とした場合、大腿骨関節面の人工物による置換被覆は０°〜１３５°が可能であり、膝屈伸軸ＡＸ６６はＡＸ６と一致するために水平位となる。
【００３５】
図８は、上記図５乃至図７で示した本大腿骨コンポーネントＦＣの軸射面（図８（Ａ））、側面（図８（Ｂ））、及び後方から見た前額面（図８（Ｃ））相互の位置関係を示す三面図である。
【００３６】
次に上記大腿骨コンポーネントＦＣと組み合わせる脛骨コンポーネントＴＣの構成について説明する。
【００３７】
まず図９乃至図１１により、脛骨コンポーネントＴＣの形状を決定する概念構成について説明する。  
図９は、脛骨コンポーネントＴＣに対する膝屈伸運動と大腿骨コンポーネントＦＣ側の内顆の後顆側球中心の移動の関係を示す図である。同図中、屈曲０°時に、内顆前後軸ＡＸ８に対して内顆ＭＣの後顆球中心ＤＯ２を通る垂直線ＶＬの最下点Ｐ６が、屈曲角度０°〜９０°において内顆と脛骨とが接触する固定化された最下点となる。
【００３８】
屈曲角度９０°以上では、内顆ＭＣの後顆部ＤＳのオフセット効果が生じるため、最下点は、屈曲角度の増大に伴い垂直線ＶＬの最下点Ｐ６より後方に向かい水平移動する。内顆ＭＣの後顆球中心ＤＯ２は、屈曲０°〜９０°の範囲では後顆球中心ＤＯ２を通る垂直線ＶＬと内顆前後軸ＡＸ８の交点に位置する。９０°以上の屈曲では屈曲角度の増大と共に屈曲１３５°までの間、内顆ＭＣの後顆球中心ＤＯ２はオフセット効果により後下方に移動する。１３５°〜１５０°までは水平移動する。
【００３９】
同図では、屈曲０°〜９０°，１３５°，１５０°の場合の各後顆球とその中心点位置ＤＯ２を示している。
【００４０】
上記図２でも説明した如く、内顆の後顆は屈曲角度が９０°を超えると、屈曲角度の増大に連れて球の径が徐々に短縮する傾向が顕著となる。
【００４１】
屈曲０°時に球中心ＤＯ２は最高点となり、内顆前後軸ＡＸ８の高さと一致する。
【００４２】
屈伸運動に伴って、内顆ＭＣ側の後顆球中心ＤＯ２位置は図示する範囲を往復し、上述した如くすべての屈曲角度において後顆球の最遠位（最下位）点は、屈曲０°時の最遠位点と同一の高さレベルとなる。
【００４３】
図１０は、脛骨コンポーネントＴＣに対する膝屈伸運動と大腿骨コンポーネントＦＣ側の外顆ＬＣの後顆側球中心ＤＯ１の移動の関係を示す側面像（回旋角度２０°）である。上記図１でも説明した如く、屈曲０°時の外顆ＬＣの後顆部ＰＣの球中心ＤＯ１は、屈曲０°時の内顆ＭＣの後顆球中心ＤＯ２を、同中心を含む矢状面において転写した際には外顆ＬＣの後顆部球中心ＤＯ１と内顆ＭＣの後顆球中心ＤＯ２との間を結ぶ線は水平な線となる。
【００４４】
外顆ＬＣの後顆球中心ＤＯ１が内顆ＭＣの後顆球中心ＤＯ２に対して後方に位置するため、屈曲に伴って遠位方向に移動する。このため、外顆ＬＣの後顆球中心ＤＯ１は、屈曲に伴って後遠位方に移動しなければならない。屈曲９０°時からさらに屈曲角度が大きくなると、すでに述べたように、内顆ＭＣの最遠位点は屈曲角度に係わらずＰ６と同一な高さを維持するため、外顆ＬＣの後顆球が図中に矢印Ａ１で示すように移動して、外顆ＬＣの後顆部の最遠位点と内顆ＭＣの最遠位点の高さは最終的には屈曲１３５°で同じになる。外顆ＬＣの後顆部ＰＣの最遠位点は後方傾斜線ＭＬ１を形成する。後方傾斜線ＭＬ１は屈曲１３５°以上では水平となる。
【００４５】
図１１は、軸射面における屈伸運動と内顆ＭＣ及び外顆ＬＣの最遠位点の移動について示す図である。同図の右側、内顆ＭＣ側の後顆ＩＤの球は図３で示した如く前額面においては屈曲０°〜９０°で最大径、９０°を超えると１８０°まで徐々に小径化するが、軸射面においては最大径を保持したままの状態を保つ。
【００４６】
一方、同図の左側、外顆ＬＣ側の後顆ＯＤの球は、屈曲０°時から１５０°時、１８０°時（参考のため破線で示す）に至るまで同径であるが、前額面線ＦＰを始点とし、屈曲度が増すに伴って順次後遠位方向に移動する。
【００４７】
膝屈伸を生じる場合、内顆ＭＣ側の後顆ＩＤの最下点の高さは変化せず一定であるが、内顆ＭＣ側の後顆ＩＤのオフセット効果のため、最下点Ｐ６より後方に平行移動し、後顆球中心ＤＯ２も後遠位方向に移動する。内顆ＭＣ側の後顆ＩＤの中心ＤＯ２と外顆ＬＣの後顆ＯＤの中心ＤＯ１間の距離は一定である。
【００４８】
よって、膝の屈曲に伴い、外顆ＬＣの後顆ＯＤの中心点ＤＯ１は、内顆ＭＣ側の後顆ＩＤの中心点ＤＯ２からの距離がほとんど変化しない円弧に沿って後内且つ遠位方向に移動する。この膝屈曲に伴う外顆ＬＣの移動により、大腿骨の内旋、脛骨から見た場合は脛骨外旋が生じる。
【００４９】
図１２は、内顆ＭＣの屈曲角度と脛骨関節形成面の関係を示す。屈曲０°〜９０°までは内顆ＭＣの後顆球ＩＤは、最下点が固定点となるが、屈曲に伴って後顆球の径が９０°より大きくなるに連れて短縮する。屈曲０°時の大腿骨内顆ＭＣ部の脛骨面に対する陥入の深さが５ｍｍの範囲では、屈曲９０°まででは、接触面における径の差の影響はほとんど生じないが、屈曲９０°以上ではオフセット効果のため後顆中心ＤＯ２に後方移動が生じ、それに伴い内顆ＭＣは後方に水平移動する。
【００５０】
図１３は、脛骨コンポーネントＴＣにおける関節面形状を示す図である。上記図１０でも説明した如く、屈曲０°のとき外顆ＬＣの後顆球中心ＤＯ１は内顆ＭＣの後顆球中心部ＤＯ２より後方に位置するため、屈曲に伴って下降する。この内顆側後顆球中心ＤＯ１と外顆側後顆球中心部ＤＯ２との前後方向の位置のずれによる影響は、屈曲９０°まで継続する。
【００５１】
９０°以上の屈曲では、屈曲角度の増加とともに内顆ＭＣの球径が短縮するため、外顆側の後顆球心においても屈曲とともに下降が生じる。
【００５２】
この下方への動きを実現するためには、外顆ＬＣは最下点が屈曲とともに後下方に移動しなければならない。外顆ＬＣの後顆球最下点は、後顆球中心ＤＯ１が内顆側の後顆球中心部ＤＯ２との距離が一定であるために、屈曲とともに後内方へ移動する。
【００５３】
外顆ＬＣは屈曲に伴って最下点が下降するため、大腿骨コンポーネントＦＣの顆部と脛骨コンポーネントＴＣの関節面間における関節形成面積は屈曲とともに増大する。
【００５４】
図１３（Ｄ）〜図１３（Ｇ）は、上記図１３（Ａ）のＣ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線とＦ−Ｆ線に沿った断面形状を示すものである。
【００５５】
図１３（Ｈ）において、屈曲０°時の最下点を通過する矢状方向線上での脛骨コンポーネントＴＣの形状は、上記図１３（Ｄ）〜図１３（Ｆ）における高さａ，ｂ，ｃ及びｄで示す如く、後方傾斜する面を形成する。この面形状自体は、Ｋａｐａｎｄｊｉ（文献：Ｔｈｅ  Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｊｏｉｎｔ  Ｖｏｌ．２  Ｓｅｃｏｎｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ  ｐ．８７  Ｆｉｇ．４４，４５  １９７９）に記載された内容と近似している。
【００５６】
図１４は、前額面における膝の屈伸・回旋運動と屈伸軸の関係を示す。屈曲とともに内顆ＭＣ側の後顆球中心部ＤＯ２は０°〜９０°までは変化がなく、屈曲９０°以上では後下方に移動する。一方の外顆ＬＣ側の後顆球中心ＤＯ１は、屈曲と共に内下方に移動する。
【００５７】
屈曲０°時の遠位顆線ＤＣＬは水平線ＨＬに対し３°内反する。この内反度は屈曲角度の増加に伴って減少し、屈曲１３５°時においてほぼ解消して１５０°に至るまで後顆線ＰＣＬに相当する線は水平となる。
【００５８】
図１５は、大腿骨コンポーネントＦＣに繋がる膝蓋骨コンポーネントＰＴＣの位置を示す。図１５（Ａ）は屈曲０°時の軸射面像を示すもので、膝蓋骨コンポーネントＰＴＣの最後点は、内顆外顆中心線ＤＯ１−ＤＯ２の中点を通過する内顆外顆中心線ＤＯ１−ＤＯ２に垂直な線上にある。屈伸運動中、膝蓋骨コンポーネントＰＴＣは内顆ＭＣと外顆ＬＣの関節面間に位置を保つ。
【００５９】
図１５（Ｂ）は、屈曲９０°時の前額面像を示す。屈曲９０°までは、内顆ＭＣが外顆ＬＣに対して相対的に前方に移動するため、大腿骨の外旋による膝蓋骨コンポーネントＰＴＣの内方移動が制御される可能性が生ずる。
【００６０】
屈曲９０°以上では、内顆ＭＣの径が短縮するが、内顆ＭＣの前方移動は持続する。しかし、大腿骨の内顆ＭＣは、前方が収斂し、後方が拡大しているため、膝蓋骨コンポーネントＰＴＣには膝回旋による過度の側方ストレスはかからない。
【００６１】
このため、膝蓋骨コンポーネントＰＴＣの内外方向の位置にはほとんど変化が生じない。図１５（Ｂ）中にその移動線ＰＢＬを示すように、膝蓋骨コンポーネントＰＴＣの最後位点は大腿骨顆部面に対して垂直な線を描く。
【００６２】
図１６は、大腿骨コンポーネントＦＣの内顆ＭＣの輪郭線を、屈曲０°時の内側後顆適合円の最下点を原点としたＸＹ座標上で近似した例を示す。Ｘ座標値が負となる前顆側は、次式  
ｘ2／４８2＋（ｙ−２６）2／２６2＝（−１）2                            …(1)   
で表すことができる。
【００６３】
またＸ座標値が正となる後顆側の近位部の輪郭は、図中に破線で示すように、次式  
ｘ2／２６2＋（ｙ−２６）2／２３2＝１                                    …(2)   
で表すことができる。
【００６４】
同図中の点線は、次式  
ｘ2＋（ｙ−２６）2＝（±２６）2                                       …(3)   
で表す、内顆の最大適合円である。
【００６５】
同図中に実線で示す、次式  
（ｘ−２）2＋（ｙ−２６）2＝（±２３）2                               …(4)   
で表す外顆ＬＣの輪郭線に比して、屈曲１３５°より屈曲角度が大きい場合に内顆側と外顆側はほぼ同一の輪郭線を形成する。  
図１７は、大腿骨コンポーネントＦＣの外顆ＬＣの輪郭線を示す。屈曲０°時の後顆球ＰＣの最下点を座標（２，３）としたＸＹ座標上で近似した例を示す。Ｘ座標値が主に負となる前顆側は、次式  
(ｘ＋７)2／４３2＋（ｙ−２６）2／２３．９2＝（−１）２                …(5)   
で表すことができる。Ｙ座標値が負となっている、原点直近の範囲に関しては、上記図１の屈曲０°時の前後軸ＡＸ１が８°後傾しているため、最下部線Ｌ２としてｙ＝０の直線で近似する。
【００６６】
屈曲０°時の前後軸ＡＸ１は実際には図１に示すように８°後傾している。よって、実際の前顆部の曲線は破線で示される様な形状となる。
【００６７】
またＸ座標値が正となる後顆側の輪郭は、図中に破線で示すように、次式  
（ｘ−２）2＋（ｙ−２６）2＝（±２３）2                               …(6)   
で表すことができる。
【００６８】
このように大腿骨コンポーネントＦＣの外顆ＬＣ及び内顆ＭＣの形状を、すべて円及び楕円で示すことが可能となる。したがって、実際の各コンポーネントの設計及び製造がきわめて容易となる。  
以上詳述した如く本実施形態においては、大腿骨の関節面を後顆部は球体の一部、前顆部は楕円体の一部の組合せとして示す。この場合、外顆側の後顆球は一定の径を有するものとする。一方で内顆側の後顆球は、屈曲０°〜９０°時は同径であるものの、それ以上の屈曲角度では徐々に短径化し、理論上は屈曲１８０°で外顆側の後顆球と同径となり、その輪郭が楕円状となる。
【００６９】
したがって、膝の屈曲が９０°より大きくなる場合には、その屈曲に伴って内顆側の後顆球心位置が、オフセット効果の影響がなければ屈曲０°時の同球心位置を通過する垂線に沿って下降する。屈曲０°時の外顆側の後顆球心は内顆側の後顆球心より後方に位置すること、及び上記内顆側の後顆球心が屈曲９０°より大きい屈曲で下降することに連動する外顆側の後顆球心の動きにより、外顆側の後顆球心と最下点の位置は屈曲と共に後内方に移動しながら下降する。
【００７０】
脛骨側の関節面を、脛骨と接する大腿骨両顆部の形状の陰性モデルとするべく、大腿骨外顆側の最下点が上述した如く屈曲に伴って下降するので、外顆に対する脛骨側の関節面は屈曲に伴って順次深い凹面となる。そのため、外顆に対する大腿骨と脛骨間の関節面での接触面積は屈曲と共に増加するようになる。
【００７１】
このようにして本実施形態においては、膝関節を構成する大腿骨コンポーネントＦＣと脛骨コンポーネントＴＣとを組み合わせて自然な屈曲伸展運動と回旋運動とを同時に誘発することが可能となる。
【００７２】
また上記実施形態では、脛骨コンポーネントＴＣの外顆側関節面が、大腿骨コンポーネントＦＣの内顆ＭＣの屈曲に伴う後顆側球心ＤＯ２の下降量に対応した深さの陰性モデルとして形成されるものとし、且つ大腿骨コンポーネントＦＣの内顆ＭＣの後顆側球心ＤＯ２と外顆ＬＣの後顆側球心ＤＯ１とを結ぶ線を外科的顆上線ＳＥＬと平行であるので、この線は膝の屈曲軸が屈曲に伴って変位するが、膝屈伸軸ＡＸ６６は恒常的に水平位を保つための膝の側方安定性を保持できる。
【００７３】
大腿骨コンポーネントＦＣの内顆ＭＣの後顆部ＰＣの近位部の適合円の径の短縮は、内側側副靱帯の等長性の保持および屈曲１３０°以上での内外顆の同一輪郭線の形成に欠くべからざる構造である。
【００７４】
なお上記実施形態は、本発明を外科手術により生体の膝関節と置換する人工膝関節置換術用コンポーネントに適用した場合について説明したものであるが、本発明はこれに限らず、例えば二足歩行するロボット等の人工膝関節構造にも同様にして適用可能となる。
【００７５】
その他、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上述した実施形態で実行される機能は可能な限り適宜組み合わせて実施しても良い。上述した実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件による適宜の組み合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、効果が得られるのであれば、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【００７６】
ＡＣ…前顆部、ＡＸ１…外顆前後軸、ＡＸ２…楕円体短軸、ＡＸ３…後顆球軸、ＡＸ４…垂直線、ＡＸ６…内外顆球中心間線、ＡＸ６６…膝屈伸軸、ＡＸ７…外顆前後軸、ＡＸ８…内顆前後軸、ＡＸ９…大腿骨前後軸、ＡＸ１０…矢状軸、ＤＣＬ…遠位顆線、ＤＯ１…後顆球中心、ＤＯ２…後顆球中心部、ＦＣ…大腿骨コンポーネント、ＦＰ…前額面線、ＨＬ…水平線、ＩＤ…内側後顆、Ｌ１…後顆球中心線、Ｌ２…最下部線、ＬＣ…外顆、ＬＳ…外顆関節面、ＭＣ…内顆、ＭＳ…内顆関節面、ＯＤ…外側後顆、ＰＢＬ…膝蓋骨コンポーネント移動線、ＰＣ…後顆部、ＰＣＬ…後顆線、ＰＴＣ…膝蓋骨コンポーネント、ＳＥＬ…外科的顆上線。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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