JP3475274B2 - 人工関節 - Google Patents

人工関節

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は人工関節、特に人間の膝関節のための体内人
工関節であって、第１関節頭及び第１関節窩からなる第
１関節と第２関節頭及び第２関節窩からなる第２関節と
で構成され、両関節が互いに平行に配置されて両関節の
回転軸心が互いに平行であるものに関する。
ドイツ特許出願第3908958.4号に、特に人間の関節の
代用のための人工関節であって、互いに動く球面状の関
節面を有する少なくとも２つの関節部材から構成される
人工関節が開示されている。円弧状の断面輪郭を有する
作用面の曲率関係が凸面対凸面、凸面対凹面又は凹面対
凹面であり、その関節幾何形状は２つの関節軸を有する
関節鎖（二節関節鎖）によって決まり、これらの関節軸
は作用面の回転中心を通っている。関節面は球面状に形
成されており、５つの自由度で関節運動が可能である。
しかしながら、このような関節は例えば人間の膝関節
のような特別な関節機能をまねるためには適していない
ことが明らかにされている。
本発明の課題は、１つの関節面でのみ運動自由度を有
するとともに、個人個人の実状に合わせるための大きな
バリエーションの幅を有し、高い機械的安定性を備えて
いる人工関節を提供することにある。
この課題は、本発明によれば、以下のような構造の人
工関節、特に人間の膝関節のための体内人工関節によっ
て達成される。つまり、第２関節が第１関節に対して長
手平面視で背後に位置し、両関節頭が互いに固定連結さ
れ、且つ、両関節窩が互いに固定連結され、両関節頭及
び両関節窩は、トーラス体の面セグメントからなる関節
面を備え、且つ、互いに直交する平面、すなわち長手平
面及び横断平面内に作用面を有し、これらの作用面は一
定半径を有する単一の円弧状断面輪郭を各平面内に備
え、この円弧状断面輪郭の半径は両平面において異な
り、各平面内における作用面の曲率関係は、凸面対凸
面、凸面対凹面又は凹面対凹面のいずれかであり、各平
面における作用面どうしの関節幾何形状は、それぞれ２
つの関節軸心を有する関節鎖によって決定され、これら
の関節軸心は、それぞれ対応する断面輪郭の半径を有す
る作用面の回転中心を通っている。従って、本発明によ
れば、４点リンクとして構成される人口膝関節が作り出
され、加えられる圧力の作用によって下腿部は後方への
み揺動することができる。
ここで好ましくは、圧力分散体が関節面の間に備えら
れ、前記関節面に当接する関節面の滑り面は、前記関節
面に適合するトロイド形状を有し、前記圧力分散体は、
円弧状断面輪郭を有する作用面の回転中心を結ぶ線上に
おいて最小厚さを有する。本発明に従って備えられたト
ロイド状関節面によって、運動自由度は１つの面、つま
り長手平面においてのみ生じ、他方、この面に垂直な平
面においては運動自由度が制限されている。本発明は、
人間の膝関節の関節軌跡が、互いに垂直な面における断
面輪郭の本発明による構造の各トロイド状面によって置
き換えることができるという意外な洞察に基づいてい
る。この際に生じる応力は適当な固さの材料の使用によ
って抑制される。現存する適切な圧力分散体は、両関節
部材の間の圧力が掛かる（druckkraftschluessige）結
合と大きな面に生じる圧力負荷の分散を保証し、このこ
とから高い機械的安定性が生じ、低めの機械的圧力強度
を有する材料を使用することが可能となる。
本発明のさらに好ましい態様では、長手平面及び横断
平面において前記円弧状断面輪郭を有する前記第１関節
の関節部材の作用面は、長手平面及び横断平面の両平面
内において、関節頭が凸面円弧状断面輪郭を有する関節
部材内に回転中心を置くような凸面対凹面に形成されて
おり、回転中心の関節軸軌跡は、圧力分散体無しでは半
径RM＝R2−R1又は距離RM1＝R22−R11を、圧力分散体有
りでは距離RM＝R2−R1−Ｄ又はRM1＝R22−R11−Ｄを有
し、ここでR2又はR22は、R1又はR11と圧力分散体の最小
厚さＤとの和に比べて大きいか等しく、横断平面の作用
面の回転中心は、長手平面の作用面の回転中心を通る回
転軸心と一致しない。圧力分散体無しの場合はＤ＝０と
なる。回転中心M11とM22が一致する必要はない。回転中
心M22が上腿部の方向に又は側方内側（正中面）や外側
（側面）の方向にあるいはその両方の方向に回転中心M
11からずれて位置することができる。このように構成し
た関節は、特に人間の膝関節の正中面の関節部材のため
の体内人工関節として適している。この正中面の関節部
材は、正中面の上腿部（大腿部）関節頭と正中面の脛骨
（脛部）関節頭との間の自然の関節の代用となる。この
場合、前後方向の面（矢状面）において、圧力が掛かる
組まれた（unberschlagene）二節関節鎖が形成され、こ
の関節鎖は、関節面のトロイド形状のために、前後方向
の面に対して垂直な面である前面においては運動自由度
が制限されている。
さらに、本発明による好適な態様では、一方の平面
（長手平面）において円弧状断面輪郭を有する作用面が
次の曲率関係を備えることもできる。つまり、その回転
中心がそれぞれ対応する関節部材内に位置するような凸
面対凸面に形成され、その回転中心の関節軸軌跡は、圧
力分散体無しでは半径RL＝R8＋R9、圧力分散体有りでは
RL＝R8＋R9＋Ｄを有する。そして、他方の平面すなわち
横断平面内では、半径を有する円弧状断面輪郭の曲率関
係の比は、作用面が凸面状断面輪郭を有する関節部材内
に回転中心が位置するような凸面対凹面に形成されてお
り、その回転中心どうしの距離は、圧力分散体無しでは
RL1＝R91−R81、圧力分散体有りではRL1＝R91−R81−Ｄ
であり、ここでR91は、R81と圧力分散体の最小厚さＤと
の和R81＋Ｄに比べて大きいか等しく、圧力分散体が無
い場合はＤ＝０であり、回転中心は、回転中心を通る回
転軸心に一致しない。ここでも、圧力分散体なしの実施
形態では式Ｄ＝０が成立する。回転中心M81とM91も同様
に一致する必要はない。回転中心M91は、上腿部の方向
に又は側方内側（正中面）や外側（側面）の方向にある
いはその両方の方向に回転中心M81からずれて位置する
ことができる。このように構成した関節は、目的にかな
った人間の膝関節の側面の関節部材のための体内人工関
節となり、これは側面の大腿骨関節丘（上腿部）と側面
の脛部関節丘（脛骨）との間の自然の関節の代用とな
る。この場合、この関節は前後方向の面（長手平面）に
おいて圧力が掛かる非対称の二節関節鎖を備え、この関
節鎖は、関節面のそのトロイド形状のために、前面（横
断平面）においては運動自由度が制限されている。
さらに好適な特徴は下位クレームに含まれている。
添付の図面に含まれている実施例を用いて本発明を詳
しく説明する。図面は以下の通りである。
図１ 圧力分散体を有する本発明による関節の第１実施
例の矢状（前後方向の）面（長手平面）での断面 図２ 前面、つまり図１に対して90゜ずれた横断平面で
の図１による関節部材の断面 図３ 圧力分散体を有する本発明による関節の別実施例
の矢状面（長手平面）での断面 図４ 前面、つまり図１に対して90゜回転した横断平面
での図３による関節部材の断面 図５ 矢状断面（長手断面、側面視）での人間の右膝の
構造 図６及び７ 圧力分散体無しの本発明による関節の図１
及び２に対応する図 図８及び９ 圧力分散体無しの本発明による関節の図３
及び４に対応する図 図10 別の実施例における矢状断面での本発明による人
間の右膝の構造 人間の膝関節は２つの関節部材、つまり正中面の関節
部材と側方の関節部材とから構成されている。図１に、
正中面の関節部材のための代用として用いられる本発明
による人工関節の断面が示されている。本発明によるこ
の関節は正中面の大腿部（上腿部）の関節頭（関節丘）
と正中面の脛側骨（脛骨）の関節頭（関節丘）との間の
自然の関節の代わりをするものである。本発明によるこ
の第１の関節は２つの関節部材１及び２から構成され、
関節部材１つまり第１関節頭は正中面の大腿部の関節丘
に固定連結された大腿部（上腿部）に相当する。関節部
材２つまり第１関節窩は脛側骨の関節丘の骨に固定連結
された脛骨部材（脛骨部）に相当する。両関節部材１及
び２の間には圧力分散体３が設けられている。本発明に
よれば、関節部材１の関節面４と関節部材２の関節面５
とはそれぞれトロイド状に形成されている。関節面4,5
に面した円盤３の滑り面6,7は関節面4,5に適合するトロ
イド状に形成されている。図１から明らかなように、関
節部材１は矢状断面（前後方向の断面）、つまり長手平
面において円弧状の断面輪郭を有する作用面を備えてお
り、その回転中心はM1、円弧状の断面輪郭の半径はR1で
ある。このように形成された作用面は凸面である。関節
部材２も同様に、回転中心M2と半径R2をもつ円弧状の断
面輪郭を有しており、円弧状の断面輪郭を有する作用面
が凹面になっている。これらの回転中心M1及びM2は凸面
状の断面輪郭をもつ関節部材の内側に位置し、その回転
中心の関節軸軌跡が半径RM＝R2−R1−Ｄを有する。ここ
でＤは両回転中心M1とM2を結ぶ線の延長線上での円盤３
の最小厚さである。R2は、R1とＤとの合計がR2より小さ
くなるように決定される。その結果、この配置は重なり
合った二節関節鎖を示している。
図２から、横断平面つまり正面においても両関節部材
1,2の作用面が円弧状の断面輪郭を有していることがわ
かるが、関節部材１の作用面の円弧上の断面輪郭は半径
R11と中心点つまり回転中心M11とを有し、関節部材２の
作用面は半径R22と中心点M22とを有する。ここでも、両
関節部材１と２との間の圧力分散体３は最小円盤厚さＤ
を有する。図に示した実施例では中心点M11とM22が重な
っている。回転中心M11とM22が重なっている必要はな
い。回転中心M22が上腿部の方向に又は側方内側（正中
面）や外側（側面）の方向にあるいはその両方の方向に
回転中心M11からずれて位置していてもよい。これは、
単に目的にかなった一実施形態にすぎない。さらに図２
から、どのように回転軸心X,Yが図１の回転中心M2及びM
1を通って図２の正面断面内を延びているかが理解され
る。そして、中心点M11及びM22は中心点M1及びM2を通る
回転軸心X,Yに重なっていないことがわかる。
図６及び７には、図１及び２による関節に相当する圧
力分散体無しの本発明による関節が示されている。ここ
で、同じ部材には同じ参照番号が付されている。各半径
相互の幾何学的関係の寸法に関してＤ＝０という条件が
当てはまる。図1,2又は図6,7の二つの関節における半径
RMが等しいとすれば、図６及び７の関節におけるR1及び
R11を図１及び２の対応する半径に比べて大きくするこ
とになる。これによって関節面5,6間の接触面が可能な
限り大きくなるので目的にかなう。
又、図３に本発明による第２の関節の長手平面つまり
前後方向の面における断面が示されている。この関節は
人間の膝関節の側方関節部材を形成することができる。
この側方関節部材は側方大腿部の関節丘と側方脛側骨の
関節丘との間の自然の関節の代用となる。図３による関
節は、関節部材８及び９、つまり第２関節頭８と第２関
節窩９とから構成されており、第２関節頭８と第２関節
窩９との間に圧力分散体10が可動状態で配置されてい
る。この関節部材８は人体内で側方大腿骨の関節丘の骨
に固定連結された大腿部に相当し、関節部材９は人体内
で側方脛骨の関節丘の骨に固定連結された脛部に相当す
る。関節部材8,9によって形成された関節面11,12はトロ
イド状の形をしており、関節面11,12に面した円盤10の
滑り面13,14は関節面11,12の形状に適合するトロイド状
に形成されている。関節部材８は、図３に示す長手平面
において円弧状の断面輪郭をもつ作用面を備えており、
この円弧状の断面輪郭は中心点つまり回転中心M8と半径
R8とを有する。従って作用面は凸面である。関節部材９
は中心点つまり回転中心M9と半径R9とを有し、従って作
用面の円弧状断面輪郭も凸面形状である。図示されてい
るように、回転中心M8又はM9はそれぞれの関節部材８又
は９の内部に位置する。回転中心M8及びM9の関節軸軌跡
は半径RL＝R8＋R9＋Ｄを有し、ここでＤは二つの回転中
心M8及びM9を結ぶ線上における円盤10の最小厚さであ
る。
図４には、図３に対する正面、つまり横断平面におけ
る断面が示されている。この断面においても関節部材8,
9は各作用面の円弧状断面輪郭をそれぞれ有しているこ
とがわかる。関節部材８は中心点M81と半径R81を有する
円弧状断面輪郭を備え、これによって凸面状作用面が形
成されている。関節部材９は中心点M91と半径R91を有す
る円弧状断面輪郭を備え、これによって凹面状作用面が
形成されている。回転中心つまり中心点M81及びM91は作
用面の凸状断面輪郭を有する関節部材８の内部に位置
し、回転中心M81及びM91の関節軸軌跡は図示された実施
例では重なり合うように配置されている。回転中心M91
は上腿部の方向に又は側方内側（正中面）や外側（側
面）の方向にあるいはその両方の方向に回転中心M81か
らずれて位置することもできる。また、回転中心M81及
びM91は回転中心M8及びM9を通る回転軸心X1,Y1と重なっ
ていないことがわかる。図３の円弧状作用面は重なり合
わずに圧力がかかる二節関節鎖を示しており、関節面の
トロイド形状のために前面においては図４に示すように
運動自由度が得られない。
図１から図４に示した本発明による関節の満足できる
作用にとって、圧力分散体３又は10が可動であることが
必須である。このために圧力分散体と関節部材1,2また
は8,9の間の滑り面6,7は関節部材との摩擦ができるだけ
小さくなるようにしなければならず、さらに圧力分散体
の両側におけるそれぞれの隣接する面との間の摩擦力が
等しい大きさになるようにしなければならない。このこ
とは、本発明によれば、圧力分散体3,10の有効滑り面6,
7がそれぞれ隣接する関節部材1,2または8,9に同じ広さ
で接することによって達成される。それぞれの接触面の
広さはトロイド状の膨らみ径を選択することによって、
そして圧力分散体の周部膨らみの形状によって達成でき
る。また、滑り面6,7;13,14は高度に研磨されている。
図８及び９に、図３及び４の関節に相当する圧力分散
体無しの関節が示されている。ここで、同じ部材には同
じ参照番号が付されている。各半径相互の幾何学的関係
の寸法に関してＤ＝０という条件が当てはまる。図3,4
又は図8,9の二つの関節における半径RLが等しいとすれ
ば、図6,7におけるR8及びR81を図3,4における関節の場
合よりも大きくすることになる。この方法により、関節
面11,12の間の接触面積が可能な限り大きくなる。
図５に右膝の構造を側面視での前後方向断面で模式的
に、そして図1,2又は図6,7の第１関節と図3,4又は図8,9
の第２関節とを用いて示している。個々の関節部材は互
いに連結され、大腿部の第１及び第２関節頭1,8、そし
て、脛部の第１及び第２関節窩2,9がそれぞれ互いに固
定連結されている。この固定連結は大腿骨と脛骨を介し
て行うことができるが、骨に大きな損傷を受けた場合に
も固定連結によって人工的に達成することができる。関
節部材1,2又は8,9からなる二つの関節は、本発明によれ
ば、回転中心M1及びM2、又はM8及びM9を通る４つの回転
軸心X,Y及びX1,Y1が２つの平行な面で互いに平行に延
び、関節部材8,9からなる第２関節が関節部材1,2からな
る第１関節に対して臀部の方向つまり後方に少しずれす
るように配設されている。このような関節構造体は４点
リンクであり、図５においてＦで示された関節部材が大
腿部に、そしてＴで示された関節部材が脛部に連結され
る。大腿部の座標系において、Ｆは架台、Ｔは連結リン
ク、RL及びRMは回転リンクである。脛部の大腿部に対す
る相対運動は連結リンクＴの動きとして現れる。Ｔの長
さはRLとRMとの合計RL＋RMより大きいので、軸M8は太線
で示された初期位置から臀部側へのみ動くことができ
る。軸M2は腹部側にも臀部側にも動くことができる。し
かし、いずれの場合もＴの末端の延長部つまり下腿部は
後方に揺動する。いずれの場合も２つの可能な膝屈伸運
動を表しており、各部は自ら拘束されて動き出す。回転
軸心M2の腹部側への運動の際、この軸心は腹部側の死点
（RMとＴが一直線に重なる）を越えた後さらに腹部側に
動く。脛部はそれから細線で描いた位置a1をとる。回転
軸心M2の臀部側への運動の際、この軸心は臀部側の死点
（RLとＴが一直線に重なるP1で示す位置）で最も臀部側
の位置に達する。さらに動くと、M2は今度は腹部側へ動
く。この動きは、下腿部（脛部Ｔ）の更なる動きの際に
回転軸心M2がその位置にとどまろうとするように（脛部
の位置P2）、ゆっくりと起こる。いずれの場合（a1,P1,
P2）も下腿部は後方に揺動する。この人工関節は、下腿
部にかかる圧力の作用によって後方にのみ揺動すること
ができるように構成されている。
さらに、圧力分散体の最小厚さを零にすることも可能
であり、この場合、中央に孔を有するリング状圧力分散
体となる。
図10には、図５に示した本発明による関節の別の実施
態様が示されている。この人間の膝関節の代用となる関
節構造は、正中面に配置された関節部材1,2からなる第
１関節が側面に配置された関節部材8,9からなる関節に
対して大腿部側に関節中心点M1,M2に関して量Δｘだけ
ずれていることを示している。このずれ量によって、人
間の膝の最大屈膝角に相当する関節の最大揺動角μmax
が臀部の方へ影響を受けることになる。ここで、大腿部
のずれ量Δｘが大きいほど最大揺動角μmaxが小さくな
るという法則性が成立する。好ましくは、大腿部のずれ
量Δｘは、M8からM1の連結線Ｆが水平線に対して０゜と
45゜との間の角度α（０＜α＜45゜）になるように選択
される。また、本発明による関節の関節部材1,2又は8,9
を、連結リンクRLを通る平面と連結リンクRMを通る平面
とが空間的に互いに傾斜し、これによって球面状の運動
軌跡が生じるように配置することも本発明の枠内に入
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ネーガール，ハンス ドイツ連邦共和国 デー‐3407 クライ ヒェン／オーテー クライン‐レングデ ン ランゲ・ヘッケ 41 (56)参考文献 ***国特許出願公開3908958（ＤＥ, Ａ１) 米国特許3748662（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) A61F 2/38 A61F 2/30 ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】人工関節、特に人間の膝関節のための、特
    に体内人工関節であって、第１関節頭（１）及び第１関
    節窩（２）からなる第１関節と第２関節頭（８）及び第
    ２関節窩（９）からなる第２関節とで構成され、これら
    が互いに平行に配置され、両関節のそれぞれの回転軸心
    （X,Y/X1,Y1）が互いに平行であり、第２関節が第１関
    節に対して長手平面視で背後に位置し、両関節頭（1,
    8）が互いに固定連結され、且つ、両関節窩（2,9）が互
    いに固定連結され、両関節頭（1,8）及び両関節窩（2,
    9）は、トーラス体の面セグメントからなる関節面を備
    え、且つ、互いに直交する平面、すなわち長手平面及び
    横断平面内に作用面を有し、これらの作用面は一定半径
    を有する単一の円弧状断面輪郭を各平面内に備え、この
    円弧状断面輪郭の半径は両平面において異なり、各平面
    内における作用面の曲率関係は、凸面対凸面、凸面対凹
    面又は凹面対凹面のいずれかであり、各平面における作
    用面どうしの関節幾何形状は、それぞれ２つの関節軸心
    を有する関節鎖によって決定され、これらの関節軸心
    は、それぞれ対応する断面輪郭の半径（R1,R2,R11,R22;
    R8,R9,R81,R91）を有する作用面の回転中心（M1,M2,
    M11,M22;M8,M9,M81,M91）を通っている人工関節。
  2. 【請求項２】圧力分散体（3,10）が関節面（4,5;11,1
    2）の間に備えられ、前記関節面に当接する関節面の滑
    り面（6,7;13,14）は、前記関節面に適合するトロイド
    形状を有し、前記圧力分散体（3,10）は、円弧状断面輪
    郭を有する作用面の回転中心を結ぶ線上において最小厚
    さを有していることを特徴とする請求項１記載の人工関
    節。
  3. 【請求項３】長手平面及び横断平面において前記円弧状
    断面輪郭を有する前記第１関節の関節部材（1,2）の作
    用面は、長手平面及び横断平面の両平面内において、関
    節頭が凸面円弧状断面輪郭を有する関節部材（１）内に
    回転中心（M1,M2）を置くような凸面対凹面に形成され
    ており、回転中心の関節軸軌跡は、圧力分散体無しでは
    半径RM＝R2−R1又は距離RM1＝R22−R11を、圧力分散体
    有りでは距離RM＝R2−R1−Ｄ又はRM1＝R22−R11−Ｄを
    有し、ここでR2又はR22は、R1又はR11と圧力分散体の最
    小厚さＤとの和に比べて大きいか等しく、圧力分散体無
    しの場合はＤ＝０であり、横断平面の作用面の回転中心
    （M11,M22）は、長手平面の作用面の回転中心（M1,M2）
    を通る回転軸心（X,Y）と一致しないことを特徴とする
    請求項１又は２記載の人工関節。
  4. 【請求項４】回転中心M22が回転中心M11から、上腿部の
    方向、もしくは側方内側（正中面）または側方外側（側
    面）の方向、もしくはその両方の方向にずれて位置する
    ように、回転中心M11と回転中心M22とは、一致するか又
    は互いに離間していることを特徴とする請求項３記載の
    人工関節。
  5. 【請求項５】前記凸面状作用面が第１関節頭（１）上に
    形成され、前記凹面状作用面が第１関節窩上（２）に形
    成されていることを特徴とする請求項３又は４記載の人
    工関節。
  6. 【請求項６】半径（R8,R9）を有する前記第２関節の関
    節部材（8,9）の作用面の円弧状断面輪郭は、一つの平
    面すなわち長手平面内では、その回転中心（M8、M9）が
    それぞれ対応する関節部材（8,9）内に位置するような
    凸面対凸面に形成され、その回転中心（M8,M9）の関節
    軸軌跡は、圧力分散体無しでは半径RL＝R8＋R9、圧力分
    散体有りではRL＝R8＋R9＋Ｄを有し、他方の平面すなわ
    ち横断平面内では、半径（R81,R91）を有する円弧状断
    面輪郭の曲率関係の比は、作用面が凸面状断面輪郭を有
    する関節部材（８）内に回転中心（M81,M91）が位置す
    るような凸面対凹面に形成され、その回転中心どうしの
    距離は、圧力分散体無しではRL1＝R91−R81、圧力分散
    体有りではRL1＝R91−R81−Ｄであり、ここでR91は、R
    81と圧力分散体の最小厚さＤとの和R81＋Ｄに比べて大
    きいか等しく、圧力分散体が無い場合はＤ＝０であり、
    回転中心（M81,M91）は、回転中心（M8,M9）を通る回転
    軸心（X1,Y1）に一致しないことを特徴とする請求項１
    から５のいずれか１項記載の人工関節。
  7. 【請求項７】回転中心M91が回転中心M81から、上腿部の
    方向もしくは側方内側（正中面）や側方外側（側面）の
    方向、もしくはその両方の方向にずれるように、回転中
    心M81とM91とは、一致するか又は互いに離間して位置し
    ていることを特徴とする請求項６記載の人工関節。
  8. 【請求項８】第２関節頭（８）上では、前記両平面の作
    用面は凸状に形成され、第２関節窩（９）上では、同作
    用面は長手平面では凸状に、横断平面では凹状に形成さ
    れていることを特徴とする請求項６又は７記載の人工関
    節。
  9. 【請求項９】前記圧力分散体（3,10）の両滑り面（5,6;
    13,14）が同じ大きさであることを特徴とする請求項１
    から８のいずれか１項記載の人工関節。
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