(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大腿骨に装着される大腿骨コンポーネントの内外顆を脛骨に装着される脛骨コンポーネントの内外関節面で前後回動可能に支持する人工膝関節において、脛骨コンポーネントが平板体の下面に中が空洞になって脛骨の骨髄内に骨軸方向に向けて挿入されるペグが設けられるベースプレートと、平板体に載置される皿状体の下面に設けられる軸部がペグに緊嵌状態で一定範囲だけ旋回可能に挿入されるインサートとで構成されるものであり、インサートの軸部及びベースプレートのペグを皿状体の上面に形成される内外関節面の左右中間点よりも内側に偏位させたことを特徴とする人工膝関節。
【請求項２】
ペグ及び軸部が互いに嵌合し合う断面が楕円形をしたストレート部と、テーパ部とからなるものであり、軸部のストレート部がペグのストレート部内で一定範囲の旋回を許容する楕円形にしてある請求項１の人工膝関節。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体膝関節に置換する人工膝関節に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、内外二つの顆を有する大腿骨コンポーネントと、この二つの顆をそれぞれ支持する内外二つの関節面を有する脛骨コンポーネントとの組み合わせからなるが、これらの顆や関節面は生体膝関節に近い形状にしてある。即ち、顆を側面から見ると略円形に、前後方向から見るとその外郭を凸面形にしており、関節面をこれを受ける凹面形にしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、生体膝関節では、膝関節を伸展させると脛骨側が外旋し（足首側が外側に旋回すること）、屈曲すると内旋する回旋運動を伴っている。従って、人工膝関節でもこの動きが要求され、内外顆と内外関節面とによる接触面の形状をこの動きが誘発されるようにしている。一方、この構成において、互いのコンポーネントを旋回不能な構成にしていると、上記した回旋作用によってポリエチレン等からなる関節面側に過度のストレスがかかり、偏摩耗を生じたり、剥離を起こしたりする。更に、人工膝関節の置換手術に際して回旋アライメントの調整を誤っても同様なことが起こる。
【０００４】
このため、多くの場合、関節面側を骨軸廻りに旋回できる構成にしているが、無制限に旋回できるようにしておくと、関節面は横長の形状をしていることから、これが大きく旋回したときに脛骨端の輪郭からはみ出して周囲の組織を損傷させる。又、旋回角度が大きくなると、旋回動作そのものも不安定なものになる。そこで、従来の人工膝関節でも、旋回角度を一定範囲のみに規制している。この規制構造の一般的なものとして、内外関節面を形成したインサートと脛骨に装着されてインサートを支持するベースプレートとで構成される脛骨コンポーネントのインサート又はベースプレートの一方に形成した突起を他方に形成した溝に嵌入して案内させるとともに、この溝の区間を制限して旋回を規制する方法に依っていた。
【０００５】
しかし、これによると、突起が溝の行き止まりに当たった個所では面圧が高まりすぎ、溝や突起の破壊及び損傷が生じて耐久性を低下させていた。又、突起と溝とにガタが生じ、旋回がブレたりしていた。勿論、生体膝関節では、関節面は旋回等はできないようになっているが、回旋作用によるストレスは関節間に介在している半月板が変形することで吸収している。しかし、人工膝関節を装着するときには、これら半月板は切除してしまうから、このような作用は期待することができない。
【０００６】
一方で、従来の人工膝関節における関節面の旋回中心はあくまでその形状中心、即ち、内外関節面の中間点に設定していた。その理由は定かではないが、動きを単純化して制御を容易にするため、製作の容易性を確保するため、一つのもので左右どちらの膝にも適用できるようにするため、等がその理由と思われる。しかし、生体膝関節における回旋作用の中心は、形状中心よりも内側に寄っており、所謂、メディアルピボットを形成している。この点でも、従来の人工膝関節は生体膝関節とは違った動きをしており、自然な動きに欠けていた。本発明は、人工膝関節にこのメディアルピボットを付与することで、生体膝関節に近い動きをさせるようにしたものである。加えて、無理のかからない旋回規制機構を採用して耐久性の向上を図ったものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、大腿骨に装着される大腿骨コンポーネントの内外顆を脛骨に装着される脛骨コンポーネントの内外関節面で前後回動可能に支持する人工膝関節において、脛骨コンポーネントが平板体の下面に中が空洞になって脛骨の骨髄内に骨軸方向に向けて挿入されるペグが設けられるベースプレートと、平板体に載置される皿状体の下面に設けられる軸部がペグに緊嵌状態で一定範囲だけ旋回可能に挿入されるインサートとで構成されるものであり、インサートの軸部及びベースプレートのペグを皿状体の上面に形成される内外関節面の左右中間点よりも内側に偏位させたことを特徴とする人工膝関節を提供したものである。
【０００８】
脛骨の骨軸は、その近位端では、内外関節面の中間点よりも内側方向に偏位していること及び上方側が内方に傾いていることから、脛骨コンポーネントのインサートの内外関節面にかかる体重等の重心は、その中間点ではなく、内側に偏位している。従って、インサートの旋回中心をこちら側に偏位させることは、大腿骨コンポーネントの内外顆をこの重心位置で旋回させることになり、この旋回動作をスムーズにする。即ち、メディアルピボットを形成して生体膝関節に近い動きにできる。
【０００９】
このことは、インサートの内外関節面にかかるストレスを緩和することになるから、偏摩耗や剥離を防止して耐久性を向上させることにも寄与する。更に、旋回中心を内側に偏位させることは、旋回時における内外顆の前後方向のスライド量を外側の方を内側の方よりも大きくすることになるので、生体膝関節における屈伸時の回旋運動に即したものになってその動きをスムーズにするとともに、屈曲角度の増大に寄与する。
【００１０】
又、本発明は、以上の人工膝関節において、請求項２に記載した、ペグ及び軸部が互いに嵌合し合う断面が楕円形をしたストレート部と、テーパ部とからなるものであり、軸部のストレート部がペグのストレート部内で一定範囲の旋回を許容する楕円形にしてある手段を提供する。インサートが無制限に旋回すると、周囲組織を傷つけるし、内外顆とインサートとの回動（転動、滑動、摺動）が不安定になるから、これを防いだものであるが、こうすることで、軸部がペグ内でブレなく旋回できるし、突起と溝のように小面積の部材を部分的に当てて旋回を規制するものではないため、面圧が高くなりすぎて破壊等を起こすことがない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、このうち、図１は本発明の一例を示す左膝用の人工膝関節を構成する脛骨コンポーネントのインサートとベースプレートの斜視図、図２は同じく人工膝関節を構成する大腿骨コンポーネントの斜視図、図３は以上の人工膝関節を膝に装着した状態を示す側面図、図４はインサートの平面図、図５はベースプレートの平面図、図６は図５のＡ−Ａ断面図、図７は図３のＢ−Ｂ断面図である。
【００１２】
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るが、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、内面が多角形に形成され、中央後部に入江状の欠落部を設けて内側顆３と外側顆４とを側面視で略円形、即ち、略Ｃ形に形成したものであり、大腿骨５の遠位端を適宜に骨切りしてここに装着されるものである（図２）。尚、図示は省略するが、上記した欠落部の部分をボックスで覆ってここに収容される後述する脛骨コンポーネント２の隆起部との相互の特定の動きを規制するＰＳ型と称されるタイプもあるが、このタイプのものも、ここでの大腿骨コンポーネント１に含まれる。この場合、内側顆３と外側顆４を前後方向から見ると、その外郭は凸面をしており、この凸面が前後に筋条に続いているものである。
【００１３】
これに対して、脛骨コンポーネント２は、脛骨６の近位端を骨切りしてその骨端に装着されるベースプレート７と、このベースプレート７の上に載設されるインサート８とから構成される（図１）。このうち、ベースプレート７は、生体適合金属で構成され、上部に設けられる平板体９の下面中央にペグ１０が突設されたもので、このペグ１０を脛骨６の骨髄内に埋入することで固定される。一方、インサート８は、超高分子ポリエチレン等の医療用樹脂材で構成され、ベースプレート７上に重ねられる皿状体１１と、その裏面に突設されて前記したペグ１０内に挿入される軸部１２とからなるものである。
【００１４】
この場合のペグ１０は、中が空洞になった筒体であり、平板体９の中心直下に設けられるストレート部１０ａとストレート部１０ａの下方に連続する先細りのテーパ部１０ｂとから構成されている。一方、軸部１２は、上方のストレート部１２ａと下方のテーパ部１２ｂとを有する軸体であり、ストレート部１２ａはペグのストレート部１０ａに、テーパ部１２ｂはテーパ部１０ｂにそれぞれ緊嵌状態（ガタがない状態）で旋回可能に挿入されている。
【００１５】
従って、インサート８にかかる重量は、インサート８の皿状体１１の裏面とベースプレート７の平板体９の上面だけでなく、相互のテーパ部１０ｂ、１２ｂでも受け持つことになるから、それぞれの面圧が減少して摩耗量が減ずることになり、耐久性を向上させるものとなる。更に、軸部１２は、ペグ１０内に緊嵌されるものであるから、これを旋回させたときにガタやブレがないから、安定した動きとなる。
【００１６】
インサート８の皿状体１１の上面には、前記した大腿骨コンポーネント１の内側顆３と外側顆４とをそれぞれ支持する内側関節面１３と外側関節面１４とが間に低い隆起部１５を隔てて形成されている。これら両関節面１３、１４共に内側顆３と外側顆４と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。
【００１７】
大腿骨５と脛骨６とは膝の屈伸に伴って相対的に屈曲、伸展する必要があるが、以上の人工膝関節では、この動きを内外顆３、４が内外関節面１３、１４上を転がりと滑りを伴って回動することで可能にしている（図３）。屈曲する角度は、−１０〜１４０°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、いずれの動きも十字靱帯や側副靱帯といった靱帯群が制御しており、内外顆３、４が内外関節面１３、１４から脱落（脱臼）することはない。
【００１８】
これに加え、インサート８は、特に、これと内外顆３、４との接触面が屈伸角度の初期と終期とで回旋運動を誘発するように形成されていることに伴って、ベースプレート７上を水平面内で僅かに旋回できるようになっている。尚、本例では、ベースプレート７の平板体９の底面が据え付けられる水平な平面Ｕは、脛骨６の骨軸に直角な平面Ｖと平行ではなく、ある角度αだけ前傾して設けられているから（従って、内外関節面１３、１４もこの角度αだけ後傾していることになる）、上記した旋回は、この平面Ｖ上を旋回することになる（図６）。平面Ｖが後傾していると、屈曲が容易になる反面、直立時の不安定さは否めないから、これらを考量して後傾角度αを０〜１５°の範囲に設定している。
【００１９】
本発明は、以上のインサート８の旋回中心を内外顆３、４の中間点よりも内側に偏位させたものである（図４）。即ち、内外関節面１３、１４の中間点、具体的には、形状中心Ｓより所定距離δだけ内側に偏位した点Ｒを旋回中心としたものである。従って、このことは、インサート８の軸部１２は、ベースプレート７のペグ１０の中心を軸に旋回するのであるから、インサート８の旋回中心Ｒを形状中心Ｓよりも距離δだけ内側に偏位させるということは、ペースプレート７に設定されるインサート８の回転中心も、この距離δだけずらせて設けることになる（図５）。
【００２０】
ところで、この距離δは適宜に定められるが、生体膝関節と同様に１〜１０ｍｍ程度が適当である。一方、本例のインサート８は、その軸部１２がベースプレート７のペグ１０内に緊嵌して旋回可能に挿入されるのであるから、軸部１２の中心を旋回軸として旋回し、ブレ等は生ぜず、周囲組織を傷めたりしないのであるが、更に、本発明では、このことを一層徹底させるために、この旋回を無制限にはしておらず、一定の範囲で規制している。
【００２１】
この規制の具体的構成として、本例では、ペグ１０のストレート部１０ａの断面形状を扇形をしている楕円形体とし、これに嵌合される軸部１２のストレート部１２ａを、ストレート部１０ａに対してある角度だけ旋回が許容される楕円形体としている（図７）。従って、旋回限界点においても、ストッパや溝といったような小面積の部分に過度の圧力がかかるといった事態にはならず、特定個所が破壊や損傷を起こすことはない。ところで、この軸部１２がペグ１０内で旋回できる範囲が最大の旋回角度βということになるが、本発明では、この旋回角度βを生体膝関節と同様に２０°以下に設定している。尚、旋回角度βの調整は、このストレート部１２ａの形状を変えることで対処できる。
【００２２】
以上により、膝の屈伸時に派生する内外顆３、４と内外関節面１３、１４との回旋運動は、その形状中心Ｓよりも偏心距離δだけ内側に寄った旋回中心Ｒを中心とする。従って、生体膝関節と同様なメディアルピボットを形成するから、インサート８に過度のストレスを与えず、回旋運動をスムーズに行わせるとともに、表面に偏摩耗や剥離を生じさせず、耐久性を高める。又、旋回中心Ｒを内側に偏位させるということは、ここから内側顆３の中心までの距離Ｒ1 の方が外側顆４中心までの距離Ｒ2 よりも大きくなるから、膝の屈伸時における外側顆４の前後の移動量が内側顆３のそれよりも大きくなり、屈伸時の脛骨の回旋運動がスムーズになるとともに、屈曲角度の増大に寄与する。
【００２３】
【発明の効果】
以上、本発明は、大腿骨コンポーネントを支持する脛骨コンポーネントのインサートを旋回可能にするとともに、その旋回中心をインサートに形成される内外関節面の中心から内側方向に偏位させて設けたものであるから、人工膝関節に生体膝関節と同様のメディアルピボットを形成し、動きをスムーズにする。このことは、関節面にかかるストレスを緩和することになるから、偏摩耗や剥離を防止して耐久性を向上させる。又、旋回中心を内側に偏位させることは、旋回時における内外顆の前後方向の移動量を外側の方を内側の方よりも大きくすることになるから、膝の屈伸時における脛骨の回旋運動がスムーズになり、屈曲角度の増大に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一例を示す脛骨コンポーネントのインサートとベースプレートの斜視図である。
【図２】  本発明の一例を示す大腿骨コンポーネントの斜視図である。
【図３】  本発明の一例を示す人工膝関節を膝に装着した状態の側面図である。
【図４】  本発明の一例を示すインサートの平面図である。
【図５】  本発明の一例を示すベースプレートの平面図である。
【図６】  図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】  図３のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
１    大腿骨コンポーネント
２    脛骨コンポーネント
３    内側顆
４    外側顆
５    大腿骨
６    脛骨
７    ベースプレート
８    インサート
９    平板体
１０  ペグ
１１  皿状体
１２  軸部
１３  内側関節面
１４  外側関節面
Ｒ    旋回中心
【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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