JP3701066B2 - ２つの骨の間の可動結合の適用できる人工器官関節 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は蝶番つき人工器官、詳述すれば蝶番と顆状突起支承を有する膝人工器官に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
蝶番式膝人工器官、例えば米国特許第４，２１９，８９３号は天然側副靭帯が膝の安定性に表面つけ替え式膝代替品、例えば、本明細書でも取入れられた米国特許第４，４７０，１５８号で記述しているものに欠如しているか、あるいはそれが役に立たない場合に一般に用いられる。
【０００３】
典型的例として蝶番式人工器官は関節荷重の大部分を前記蝶番により大腿骨から脛骨に伝達させる。このような荷重伝達は軸ピン、蝶番支承ならびに蝶番ハウジングを備える相対的に大型の蝶番を必要とする。このような設計は前記米国特許第４，４７０，１５８号に述べられた非蝶番式表面つけ替え式人工器官以上にその埋込みのために骨をかなり大きく除去する必要がある。前記蝶番素子を適応させるためにも前記のような比較的大きい骨の除去を必要とする。そのうえ、蝶番式膝代替品は典型的例として前記表面つけ替え式膝代替品よりも著しく重いものである。
【０００４】
さらに、前記米国特許第４，４７０，１５８号に述べられた膝用の大腿骨素子は異なる曲率半径により形成される複雑な弯曲面を備える。脛骨が大腿骨に関しての回転に伴ない、それは、大腿骨素子の支承面により形成される異なる軸の回りを回転する。このような異なる軸はこのような支承面を有する蝶番式装置の使用を複雑なものにする。それは、蝶番が典型的例として、上述の米国特許第４，２１９，８９３号や米国特許第４，８８８，０２１号；米国特許第４，０９２，７４０号；ならびにドイツ連邦共和国特許出願公開第２５ ４５ ８２１号とドイツ連邦共和国特許第２２ ４４ ０６４号により例証された第２の軸の回りを回転できる平面に固定された軸の回りを回転するからである。後者は嵌合い素子にあるスロットを滑動する軸ピンを示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、嵌合い大腿骨と脛骨素子が互いに直接接触している。とにかく、このような素子は先に論じたように前記大きい荷重に適応できるような好ましくない大きさになりがちである。
【０００６】
本発明者は本発明により、上述の米国特許第４，４７０，１５８号により開示された支承装置を用いる顆状突起支承蝶番式膝人工器官の必要を認めている。この組合わせで、支承装置を用いて荷重の大部分を大腿骨と脛骨の部材の顆状突起面により大腿骨から脛骨に伝達させることがわかった。本発明による蝶番は先行技術の装置と対照的に、荷重伝達よりもむしろ膝の安定にのみ用いられる。これは、典型的蝶番耐力膝代替品よりも著しく少い骨の除去で間に合う軽量装置を作れる相対的に小型の蝶番素子の使用を可能にする。
【０００７】
骨の除去を最小限に止めることは埋込み部材の固定は、残す骨の量が多く、さらに人工器官の緩みもしくは不良のための人工器官の取替えの必要が起こる場合にもしばしば向上するので好ましい。前記人工器官の重量を最小限にすることも人工器官の重量が歩行におよぼす影響も最小限に止めるために好ましい。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
大腿骨と脛骨の間の本発明による可動結合が適応できる人工器官関節は大腿骨に取付けるためのもので、前記大腿骨からかなり離間して対面する顆状突起可動結合面を有する大腿骨部材と、脛骨に当該部材の軸にほぼ沿って取付けるためのもので前記脛骨からかなり離間して対面する研磨平面を有する脛骨部材からなる。支承手段は前記顆状突起可動結合面と研磨平面の間にあって、前記両面と可動接触して荷重のほぼ全部を前記大腿骨部材から脛骨部材に伝達させるものである。
【０００９】
蝶番手段は前記脛骨部材に取付け、また前記大腿骨部材に蝶番止めし、さらに前記脛骨部材に固定して前記蝶番手段が相対的に無視できるほどの僅かな荷重も大腿骨から脛骨に当該脛骨部材の軸に沿う方向に伝達させ、また大腿骨と脛骨を前記脛骨部材の軸を横切る方向に支持する。
【００１０】
さらなる実施例によれば、大腿骨と脛骨の間の可動結合を適応させる人工器官関節は、大腿骨に取付けるためのもので、前記大腿骨からかなり離間して対面する顆状突起可動結合面を有する大腿骨部材と、脛骨に取付けるためのもので、軸を横切る平面に位置して、前記脛骨からかなり離間して対面する研磨平面を有する脛骨部材からなる。
【００１１】
支承手段は前記顆状突起可動結合面と前研磨平面の間に、前記両面と可動接触し、前記顆状突起可動結合面と接触する共通接続湾曲面記と、前研磨平面記に接触する脛骨顆状突起支承面を有し、さらに前記支承手段と面は前記脛骨部材の軸を横切る方向に、前記大腿骨部材の前記脛骨部材に関する可動結合に応じて移動できる構造になっている。
【００１２】
蝶番手段は前記大腿骨部材に前記脛骨部材の軸を横切る大腿骨側の軸の回りを回転するよう蝶番式に、かつ前記脛骨部材に前記脛骨部材の軸の回りを回転するよう取付けられる。
【００１３】
さらなる実施例では、後者の蝶番手段を固定して前記脛骨部材の軸の回りの回転と、該軸に沿った方向に前記両骨に関して非荷重支承に軸方向転置させるが、前記両骨を前記脛骨部材の軸を横切る方向に安定させる。
【００１４】
さらに別の実施例では、大腿骨と脛骨の間の可動結合を適応させる人工器官は大腿骨に取付け、前記大腿骨から離間させて対面する顆状突起可動結合面を有する大腿骨部材と；ほぼ脛骨部材の軸に沿って取付け、前記脛骨から離間させて対面する研磨平面を有する脛骨部材と；前記大腿骨部材と脛骨部材の両部材に連結して前記脛骨部材が前記大腿骨部材に関して前記脛骨部材の軸の回りを回転させる手段を備え、前記両骨が屈曲も伸展もできることを特徴とする。
【００１５】
以上に伴う改良は、大腿骨部材と脛骨部材の間の第１の軸の回りの相対回転の角度の値を屈曲の度合の関数として制限する回転制限手段からなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１において、蝶番膝代替品装置１００は大腿骨部材２００、蝶番アセンブリー３００、支承４００ならびに脛骨部材５００からなる。前記装置１００を大腿骨６００と脛骨７００に埋込む。膝蓋骨部材８００も生来の膝蓋骨９００に埋込みできるし、あるいは前記生来の膝蓋骨をそのまま残しておいてもよい。
【００１７】
前記大腿骨部材２００は棒支持材２０５と、前記支持材２０５に組立てられ、かつ前記大腿骨６００に埋込まれる安定棒２０２を備える金属大腿骨本体２０１からなる。前記大腿骨本体２０１（図２）は接続部材２０９により接合された一対の同形の離間する顆状突起部材２０８を備える。研磨関節弯曲雄型顆状突起面２０３（図３）を各部材２０８上に形成する。前記面２０３の各々（図３）はそれぞれ横方向に異なる曲率半径Ｒ２、Ｒ３とＲ４をもつ曲り線Ｓ２、Ｓ３およびＳ４（図３）からなる。前記線分は前記曲率半径が隣接面線分の間の界面で共通接線を有す。前記面２０３を共通接続弯曲面２１４により前記部材２０９の領域で接合する（図２）。前記大腿骨顆状突起可動結合面２０３の形成についての詳細な説明は、本明細書で取入れられた前述の米国特許第４，４７０，１５８号に示され、ここでは省略する。
【００１８】
図２乃至４では、２つの離間した蝶番支持材２０４と中空心棒支持材２０５が前記本体２０１に形成され、それから突出する。前記蝶番支持材２０４は各々対応する顆状突起部材２０８と一体、かつその部品である。各支持材２０４は、表面２０３に接する線２０３′に平行する軸２０７上に整合し、かつ同軸である内腔２０６を備える。２つの同型の各々がスラストフランジ２１１を備え、また蝶番支承面を形成する内腔２１２を有する熱可塑性円筒状ブッシュ２１０を前記蝶番支持材２０４にある内腔２０６に圧嵌する。
【００１９】
前記脛骨部材５００（図１）は金属脛骨本体５０１と、前記本体５０１に集成された端５０８を支持キャビティ５０５に備えた安定棒５０２からなる。前記安定棒５０２を前記脛骨に周知の方法で埋込む。図１２における細長い円筒状キャビティ５０５を脛骨本体５０１に形成する。前記キャビティ５０５は軸５０７と同軸であって前記安定棒５０２の端部を収容する。前記脛骨本体５０１は軸５０７を横切る一端で板５０６を備える。
【００２０】
前記板５０６は軸５０７に垂直の研磨平面５０４を備える。前記板５０６を異なる厚さにして、脛骨の損失に当る量に適応させる。截頭円錐形キャビティ５０３を本体５０１に軸５０７の回りに同軸に形成する。前記キャビティ５０３はキャビティ５０５と直径を細くした部分５０８を介して連絡している。板５０３（図１３）は凸形の曲り周縁５１０をもって細長くなっている。前記板５０６は前記周縁５１０の反対側に半径方向内側方向に伸びる弯曲凹部５０９を備える。キャビティ５０３と５０５を前記板５０６の中心で軸５０７上に整合させる。
【００２１】
蝶番アセンブリー３００（図１、５乃至７、１４と１５）はヘッド３１１、蝶番ピン３２０と止めねじ３３０を有する金属キャリッジ３１０を備える。前記ヘッド３１１は蝶番ピン支持内腔３１５を備える。ヘッド３１１にあるねじ孔３１６は内腔３０５と連絡していて前記ねじ３３０を収容する（図１５）。中間に横断面が長方形のシャンク３０８が前記ヘッド３１１から垂下する（図６と７）。前記シャンク３０８は研磨平側面３１２と、平面に研磨した後面３１７と平面に研磨した前面３１８を備える。円形円筒状回転軸３１３が前記シャンクから垂下する。前記回転軸は前記シャンク３０８に隣接するその周面に環状の縦すじローレット３１４を備える。
【００２２】
前記金属円形円筒状蝶番ピン３２０（図５）は環状溝３２２で離間させた研磨ピン支承面３２１を備える。止めねじ３３０（図１５）を用いて前記蝶番ピン３２０を前記蝶番ピン３２０にある前記溝３２２の噛合わせにより蝶番ピン支持孔３１５に保持する。前記蝶番ピン３２０を前記本体の支持材２０４に取付けられたプラスチック製ブッシュ２０６の孔２１２に回転自在に密接して収容する。
【００２３】
熱可塑性プッシュ３４０（図８）は軸３４３と同軸の截頭円錐形外支承面３４２を備える。前記ブッシュ３４０は軸３４３と同軸の軸方向に伸びる円形円筒状内腔３４１を備える。回転軸３１３（図６、７、１４と１５）を前記内腔３４１の面と係合する前記隆起ローレット３１４で前記ブッシュ３４０の内腔３４１に圧嵌して、前記ブッシュ３４０と相対的に固定された単一の一体アセンブリーを形成する。
【００２４】
前記回転軸を取付けたブッシュ３４０の外支承面３４２を軸５０７に沿って本体５０１の前記截頭円錐形キャビティ５０３に軸３４３と５０７をほぼ同軸にして軸方向に挿入する。前記ブッシュ３４０をそれが軸方向に本体５０１の前記キャビティ５０３に、例えば前記本体５０１のキャビティ５０３にあるブッシュの位置の比較で示されたように移動できる必要な寸法にする（図１４と図１５）。
【００２５】
図１４の前記両骨６００と７００（図１）が伸展した軸方向位置にあって、前記ブッシュ３４０はそのテーパー付き外支承面３４２と、キャビティ５０３のテーパー付き内支承面の間に半径方向の隙間Ｃをもつ。前記隙間Ｃは、前記ブッシュ３４０を前記キャビティ５０３に入れて、図１４の位置から図１５に示された位置に、前記本体５０１にはごく僅かな軸方向荷重しかかけないで前記ブッシュ３４０により方向５１３に軸方向に移動させるだけの十分な数値を有す。
【００２６】
前記ブッシュ３４０の表面３４２は前記脛骨本体５０１のキャビティ５０３の研磨内テーパー付き支承面と軸５０７の回りに可動結合する。前記隙間Ｃのため、前記ブッシュ３４０とキャビティ５０３の表面の間、若干の横方向で半径方向の遊びと運動があるが、この遊びは許容できる。
【００２７】
図１５では、前記回転軸３１３とブッシュ３４０が屈曲軸方向位置にあって、図１４のそれらの位置に関して、前記図の方向５１３に下方方向に容易に移動できる。この屈曲位置では、前記ブッシュ３４０とキャビティ５０３の面の間に隙間Ｃ′（図では見えない）がある。その結果、回転軸３１３により前記本体５０１に、十分に伸展された位置もしくは十分に屈曲した位置のいずれにあっても方向５１０に誘発される軸方向の荷重はごく僅かなものである。これは前記両骨６００と７００（図１）に軸５０７を横切るあらゆる半径方向、例えば方向４１４に安定性を与えることで重要である。
【００２８】
前記熱可塑性支承４００（図９乃至１１）は、部材２０８の大腿骨顆状突起面２０３の収容に適した形状にした脛骨顆状突起支承面４０１を備える。前記支承４００の構造は上述の米国特許第４，４７０，１５８号にさらに詳細に述べられている。前記支承面４０１は前記嵌合い大腿骨顆状突起の可動結合面２０３と可動結合している。
【００２９】
前記支承４００は平面図にして長方形の通し溝４０２を備え（図９）、それを通して前記キャリッジヘッド３１１のシャンク３０８を滑動自在に収容する。前記溝４０２は平行な平側面４０３を備える。前記側面４０３は前記キャリッジシャンク側面３１２と係合して、前記支承４００の前記キャリッジ３１０に関し軸５０７の回りで軸方向の回転を防止する（図１４と１５）。後部支承溝４０２の端４０４と前記溝端４０５はそれぞれ、前記キャリッジヘッド３１１のシャンク３０８の後部ならびに前部両面３１７と３１８と、膝の伸展から屈曲への移動運動（逆もまた同じ）中に係合する。
【００３０】
下部の平面になった平滑仕上支承面４０６は前記脛骨本体５０１の研磨上部脛骨面５０４と板５０６上で可動結合する。面４０７の前記顆状突起支承域４０１は大腿骨可動結合面２０３の線分Ｓ２を補足し、脛骨可動結合面４０７を形成する。図１４に示すように、これらの嵌合い面は伸展中、前記支承が最大の荷重を支える時、合同する。対照的に屈曲中（図１５）、顆状突起面線分Ｓ３もしくはＳ４（図３）は前記支承面４０７と係合し、非合同接触、すなわち線接触をもたらす。
【００３１】
図１４は組立てられた蝶番式膝代替品の十分に伸展させた安定化棒２０２と５０２を除外した部分横断面を示す。線４１０は前記大腿骨本体２０１と支承４００の係合可動結合面に対応し、この運動相でのその合同接触を示す。方向４１２のさらなる伸展を後部溝端４０４と係合するキャリッジ３１０のシャンク３０８の後面３１７で停止させる。この停止処置も前記支承４００の前記脛骨本体５０１に関し前方方向４１４′のさらなる前方伝達移動を防ぐ。
【００３２】
前記支承４００は、関節を図１５の屈曲位置から図１４の十分に伸展させた位置に可動結合した時、係合した可動結合大腿骨本体５０１の表面２０３のカムの働きに応じて前方方向４１４′に伝達する。前記カムの働きは前記支承４００を前方に移動させようとする。前記前方支承運動は大腿骨本体２０１の曲率半径Ｒ２の中心の前方運動の結果である（図３）。この前方運動は図１５の位置から図１４の位置への前記脛骨本体５０１に関し、伸展中に前記本体２０１の蝶番支持内腔２０６の回りを逆時計回りに回転するためである。
【００３３】
前記支承可動結合面４０７を関節圧縮荷重のため大腿骨可動結合面２０３に接して保持するので、脛骨可動結合面４０７の曲率半径の中心と、従って、支承４００が前方に、方向４１４′にＲ２の中心をもって伝達する必要がある。支承４００はシャンク３０８により停止されるまで、この方向に移動する。この停止作用は支承面４０７上の顆状突起面２０３のカムの働きのため静かでかつ徐々である。
【００３４】
図１５は中程度に屈曲した膝代替品を示す。膝の働きのこの相で、脛骨可動結合面４０７は大腿骨可動結合面２０３の線分Ｓ３との圧縮接触下にある。この圧縮力は前記支承４００を後方方向４１６に図１４の支承前部屈曲位置から図１５の後部位置に駆りたてる。顆状突起面２０３の支承面４０７との係合を仮想線４１８で示す。
【００３５】
図１５では、前記本体２０１の曲率半径がＲ２の可動結合面２０３（図３）を軸２０７（蝶番ピンの中心）にある曲率半径Ｒ３の原点と接続する線は圧縮力ベクトル（図示せず）に平行である。前記圧縮力ベルトルが脛骨部材５００の本体５０１の軸５０７にほぼ沿っているので、前記本体５０１の図１４の位置から図１５の位置までのこの運動は支承４００の方向４１６への後方伝達をもたらすことになる。前記支承の過度は後方位置決めはキャリッジ３１０のシャンク３０８の前面３１８を支承４００にある溝４０２の前部溝端４０５と係合させることで防ぐことができる。
【００３６】
前記ブッシュ３４０は、それを前記脛骨部材本体５０１のキャビティ５０３に緩く係合させ、また前記キャビティ５０３と同じテーパー付き構造になっているので、前記脛骨軸５０７の回りの回転ばかりでなく上述のようにこの軸に沿う軸方向の伝達が自由である。前記蝶番アセンブリー３００の回転軸３１３も前記回転軸を前記ブッシュ３４０に固定するので同一の運動を行う。従って、蝶番膝代替品１００に運動の２つの自由度；すなわち蝶番軸２０７の回りの屈曲・伸展と、脛骨軸５０７の回りの軸方向の回転を有する。
【００３７】
前記の異なる部材の好ましい金属材料は、セラミック窒化チタンをコーティングしたチタン合金もしくはコバルトクロム合金である。好ましい熱可塑性樹脂は超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰｅ）である。
【００３８】
前記膝代替品１００を次の方法で埋込む。適当な大腿骨安定棒２０２を周知の方法で大腿骨本体２０１（図１）に組立て大腿骨部材２００を形成する。支承４００をキャリッジ３１０とテーパー付きブッシュ３４０からなるキャリッジアセンブリーの上に、支承４００の溝４０２を前記キャリッジのシャンク１０８と係合させて組立てる。ヘッド３１１をその後、大腿骨部材２００に予め組立てたブッシュ２１０の間の領域に挿入する（図４）。
【００３９】
前記ヘッド３１１の支持内腔３１５（図７）をその後、ブッシュ２１０の蝶番支承面２１２と整合させる（図４）。蝶番ピン３２０を第１の蝶番支承の内腔２１２に、前記キャリッジ３１０の支持孔３１５を通して貫通させ、第２の蝶番支承内腔２１２に入れる。止めねじ３３０をその後、止めねじ孔３１６に導入する（図１５）。前記止めねじ３３０を締め付けると、その円錐端は蝶番ピン３２０の溝３２２と係合して（図５）、前記ピンと止めねじを所定の場所に締付ける。このような締付けは前記ピン３２０とヘッド３１１の間の金属対金属の微細動、従って有害な金属摩耗くずの発生の防止に重要である。脛骨本体５０１と脛骨安定棒５０２をそこで組立てて脛骨部材５００を形成する。
【００４０】
脛骨と大腿骨を１９９３年刊フレデリックＦ．ビューヒエル（Ｂｕｅｃｈｅｌ）のｎｊＬＣＳ“トリコンパートメンタル、ニー、システム、ウィズ、ポロコート（Ｔｒｉｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔａｌ Ｋｎｅｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｐｏｒｏｃｏａｔ”と題する小冊子に述べられた拡孔器を用いて大腿骨と脛骨安定棒２０２と５０２をそれぞれ収容する流路の整備に用いること以外の方法で調製する。ボックス状キャビティを大腿骨の中心、遠位後部側に整備する。このボックス状キャビティは前記２つの支持材２０４を取囲む包囲体からなる（図４）。前記脛骨部材５００を脛骨７００を埋込み、また大腿骨部材−蝶番アセンブリーを大腿骨６００に埋込む。
【００４１】
関節をそこで外して、前記テーパー付きブッシュ３４０を前記脛骨本体５０１のテーパー付きキャビティ５０３に挿入する。円筒状ブッシュの代りにテーパー付きブッシュを用いてこの挿入中に前記テーパー付きブッシュ３４０とキャビティ５０３の間の若干の不整合を与える。関節をその後、閉じて埋込みを完了する。埋込み人工器官の外観を図１９に示す。
【００４２】
図１６乃至１８では、脛骨本体５２０の別の実施例が前記本体５２０のプラットホーム５１２から直立してそれに固定（例えばそれと一体に）された前記突起５１１を備える。大腿骨顆状突起はこれらの図では図示を複雑にしないため分離させた。突起５１１はややＶ字型になっているが、平滑な弯曲面５１３を有し、同様の形状ではあるが支承４１０ではさらに大きい寸法の前記凹部４１１と係合する。図１８は十分に伸展した前方位置にある支承４１０を示す。前記凹部４１１は前記支承４１０の前後両方向伝達を横切る方向にある突起５１１の幅よりも大きい幅Ｗ（図１６）を有する。前記凹部４１１は前記突起の深さ方向の厚よりも大きい深さｄを有する。
【００４３】
前記突起の図１６の凹部４１１との完全に着座して十分に伸展した位置での係合は、大腿骨部材の脛骨部材に関する軸方向の回転、例えば軸５１４の回りの回転を阻む。埋込まれると、この係合は大腿骨の脛骨に関する軸方向の回転を十分な伸展中阻むものである。十分な伸展にあってこの軸方向の回転がないことは人の膝にあっては常態であるので、軸方向回転の筋肉制御のできない若干の患者には好ましい。膝を屈曲させると（図１７）、支承４１０は方向４１８に前方に移動して、前記突起５１１を前記凹部４１１から徐々に係合から外させる。この後方運動は支承４１０の本体５２０に関する軸の回りの軸方向の回転の角度範囲を前記支承４１０の方向４１８に後方移動が増大するに従い増加させる。換言すれば、屈曲が起こると、相対屈曲骨の各々の部分で、前記突起５１１の前記凹部４１１の側壁からの離間が増大する。この増大した離間は前記突起の回転値をより大きくしてからそれが前記凹部の側壁に支えさせる。
【００４４】
突起５１１と凹部４１１の形状は軸方向の回転を膝の屈曲の度合に依存する予め決められた角度限度内に制御する構成にできる。例えば、図１６で、突起５１１は十分に伸展している大腿骨と脛骨の間の相対的な軸方向の回転を阻む。図８では屈曲されていて、軸５１４の図１の最大量の軸方向の相対回転は前記突起５１１が前記凹部４１１の側壁に凹部４１１の外リム４１９で接触する。
【００４５】
別の実施例では、前記突起５１１と支承４１０の凹部４１１の形状が示されたものと異なっても、相対的な軸方向回転の角度範囲を屈曲の関数としてさらに制御させればよい。例えば、前記凹部４１１のテーパーを図示以上に緩やかにも、あるいは急勾配にして、前記凹部４１１と比較して、より広い凹部もしくはより狭い凹部をつけることもできる。逆の状況にあっては、突起もそれに相応じて狭くも広くもできる。
【００４６】
上述すべての実施例における回転の制御は段階関数と比較して、屈曲の度合の連続平滑関数である。すなわち図１６乃至１８で示されるように、本体５２０の図１６の伸展から図１８の屈曲への移動に従って、前記突起５１１の許容回転の度合が前記凹部４１１の側面の連続円滑弯曲傾斜線と前記突起５１１の嵌合い面の形状の関数として増加する。
【００４７】
さらに、前記凹部が溝、例えば長方形であってもよく、また突起が嵌合い形状、例えば長方形で前記溝の中に取付けられて、屈曲中のわずかな軸方向回転も阻むか、あるいは必要の場合、最小限の回転を与えるかである。前記突起５１１を支承凹部壁により接近して離間させるか、あるいは必要の場合、さらに離間させるかによって、軸方向の角度回転の度合をより小さくもより大きくもできる。従って、上記の凹部ならびに突起のパラメーターを変化させることで、軸方向の回転の度合を上回る相対的に大きい制御の寛容度を付与できる。
【００４８】
そのうえ、本実施例においては前記凹部４１１を支承４１０に形成し、また突起５１１を脛骨部材本体５２０に取付ける。別の方法で、支承を必要としない材料を入手できるとすれば、その時、前記凹部を脛骨もしくは大腿骨部材の片方に形成し、突起を他方の部材に取付けることができる。この場合、前記突起と凹部を関連させて、屈曲の関数として回転させる。例えば大腿骨部材はその中に凹部あるいは大腿骨を脛骨に関し回転させるに従って、前方にも後方にも転置する突起を備えることができる。重要な側面は屈曲の量が決まり、軸５１４の回りの軸方向回転の量の関数となる。関数は線型もしくは非線型であっても差支えない。
【００４９】
回転値は好ましい実施例において十分な伸展の時にゼロであると示されるが、所定の実施による他の実施例ではゼロでないことがある。さらに、凹部と突起の形状は必ずしも同一である必要はない。重要なことは、回転を屈曲の関数として制御することである。移動する支承を示すが、このような動作は絶対的なものではない。さらに、屈曲の関数として許容される回転の度合は蝶番アセンブリー、例えば図１に示されたようなものもしくは他の形式の蝶番アセンブリーの設置の有無にかかわらず付与できる。
【００５０】
初期の顆状突起支承非再表装膝、例えば１９７０年台の“スフェロセントリック”として周知の装置は比較的小型の蝶番素子が、使用できる利点を活用できなかった。そのうえ、このような設計は全く一致しない顆状突起接触面を使用する。本発明の蝶番アセンブリー３００は相対的に小型の蝶番素子、例えばヘッド３１１とピン３２０を用いる。それはごく僅かな軸方向の荷重しか上記に論じたように前記蝶番アセンブリー３００に伝達されないからである。
【００５１】
本発明の人工器官の関節は前述の米国特許第４，４７０，１５８号の支承の顆状突起の関係の教示を取入れて、標準歩行サイクルの臨界ピーク荷重、すなわち伸展中に合同である膝代替品を提供する。同時に、関節は後部の大腿骨曲率半径を減らして用い、一層標準的な膝の働きを、すなわち屈曲中につくる。後部大腿骨の曲率半径を減らすと非臨界活動のより深い屈曲相に十分な線接触をつくるが、標準歩行サイクルの合同、臨界、ピーク荷重相中、脛骨支承と接触していない。
【００５２】
このようにして、本発明の関節は嵩が低い、軽量蝶番式膝代替品を提供し、最小限の骨の除去しか必要ないが、耐力可動結合と前述の米国特許第４，４７０，１５８号に記述された代替膝の働きと同様の関節の働きを提供する。
【００５３】
前述の米国特許第４，４７０，１５８号の可動結合と働きは１５年以上に亘る広範囲の臨床使用の後、優れた臨床成果のあることがわかった。本発明による蝶番膝代替品は、代表的な非蝶番式後部安定膝、例えば“インソール−バースタイン（Ｉｎｓａｌｌ−Ｂｕｒｓｔｅｉｎ）”装置以上の骨の除去を必要としないが、安定素子の合同接触で優れた安定化が得られる。代表的な先行技術の後部安定膝代替品は非合同安定素子で、深く屈曲させた時にあるとしてもごく僅かな安定性しかない。
【００５４】
本発明により構成された関節の深い屈曲と伸展の安定性は、埋込み棒と連結蝶番アセンブリー部材が横前後方向４１４（図１５）にはごく僅かな運動しか示さないが、前記蝶番アセンブリー部材に方向５１３にはごく僅かな軸方向の荷重しかかからない蝶番アセンブリー構造により提供できる。重要なことは、支承、例えば支承４００が前記前後方向４１４に対応する伸展・屈曲運動に応じて移動するが、同時に、このような転置を前記蝶番アセンブリーにより限定されることである。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の関節は、その相対的に小型の蝶番部材がより少量の骨の切除ですませることができるので従来の蝶番にまさる。これはこの蝶番を先行技術の後部安定化の設計を用いる場合の候補者にするものである。本発明の関節は、それがすぐれた安定化を、とりわけ安定化が重要である深い屈曲時に、またこのような安定化と相俟って摩耗を減らす安定化部材の合同接触で付与するので先行技術の後部安定化設計より優れている。本発明の後部安定化設計は全く非合同である。
【００５６】
本発明の関節はさらに、それが上述の米国特許第４，４７０，１５８号の再表装ＬＣＳ設計の臨床的に証明された可動結合面を用いるのですぐれている。そのうえ、前記関節はそれが、例えば図１６乃至１８の実施例で利用できる有効な軸方向の回転制御を用いているのですぐれている。
【００５７】
さらに、本発明の関節は前記ＬＣＳ再表装モジュール膝に酷似し、蝶番壁のキャビティの整備に用いられる単純ボックス型骨力を除き同一の器具類を用いる。従って、それは本発明の代替膝装置の方法範囲内に十分当嵌まるものである。この関節はさらにＬＣＳの方法で周知の蝶番アセンブリーを埋込む外科医により必要とされる技能量を最小限に止め、蝶番もしくは後部安定化膝が提供する安定性を必要とするような患者にとって安心できる人工器官を外科医に提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による蝶番式膝代替人工器官の側断面図である。
【図２】図１の実施例の大腿骨部材の後部側面図である。
【図３】図２の部材の線３−３による側面図である。
【図４】図３の部材の線４−４による側面図である。
【図５】図１の実施例に用いられた蝶番ピンの側面図である。
【図６】それぞれ図１の実施例の蝶番アセンブリーの金属キャリッジ部材の正面図である。
【図７】図６の側面図である。
【図８】図６と７の蝶番部材の棒部分を収密する熱可塑性支承インサートの側断面図である。
【図９】図１の実施例の支承の脛骨顆状突起支承面の平面図である。
【図１０】図９の支承の線１０−１０による断面図である。
【図１１】図９の線１１−１１の断面図である。
【図１２】図１３の実施例の脛骨部材の線１２−１２による側断面図である。
【図１３】図１の脛骨部材の平面図である。
【図１４】図１の人工器官の膝伸展位置にある側断面図である。
【図１５】図１の人工器官の膝屈曲位置にある側断面図である。
【図１６】大腿骨と脛骨部材の別の実施例の軸方向回転位置限定構造を示す平面図である。
【図１７】図１６の他の実施例の平面図である。
【図１８】図１６のさらに他の実施例の平面図である。
【図１９】図１の埋込まれた人工器官の側面図である。
【符号の説明】
１００ 蝶番式膝代替装置
２００ 大腿骨部材
２０１ 金属大腿骨本体
２０２ 安定化棒
２０３ 顆状突起可動結合面
２０４ ２つの離間蝶番支持材
２０５ 棒支持材
２０６ 内腔（蝶番支持材）
２０７ 軸
２０８ 顆状突起部材
２０９ 接続部材
２１０ 円筒状ブッシュ
２１１ スラストフランジ
２１２ 内腔
２１４ 共通接続弯曲面
３００ 蝶番アセンブリー
３０８ シャンク
３１０ 金属キャリッジ
３１１ ヘッド
３１２ 研磨平側面
３１３ 円形円筒状回転軸
３１４ 環状縦すじローレット
３１５ 蝶番ピン支持内腔
３１６ ねじ孔
３１７ 平面研磨後面
３１８ 平面研磨前面
３２０ 蝶番ピン
３２１ 研磨ピン支承面
３２２ 環状溝
３３０ 止めねじ
３４０ 熱可塑性ブッシュ
３４１ 軸方向に伸びる円形円筒状内腔
３４２ 截頭円錐状外支承面
３４３ 軸
４００ 支承
４０１ 脛骨顆状突起支承面
４０２ 通し溝
４０３ 平行平側面
４０４ 後部溝端
４０５ 前記溝端
４０６ 脛骨可動結合面
４０７ 可動結合支承面
４１０ 線（支承）
４１１ 凹部
４１４ 方向
４１４′ 方向
４１５ 方向
４１６ 方向
４１８ 仮想線
４１９ 外リム
５００ 脛骨部材
５０１ 脛骨部材本体
５０２ 安定化棒
５０３ 截頭円錐形キャビティ
５０４ 研磨平面
５０５ 支持キャビティ
５０６ 板
５０７ 横軸
５０８ 直径を細くした部分
５０９ 半径方向内側方向に伸びる曲り凹形凹部
５１０ 凸形弯曲周縁
５１１ 前記突起
５１２ プラットホーム
５１３ 円滑弯曲面
５１４ 軸
５２０ 脛骨本体
【発明の属する技術分野】
この発明は蝶番つき人工器官、詳述すれば蝶番と顆状突起支承を有する膝人工器官に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
蝶番式膝人工器官、例えば米国特許第４，２１９，８９３号は天然側副靭帯が膝の安定性に表面つけ替え式膝代替品、例えば、本明細書でも取入れられた米国特許第４，４７０，１５８号で記述しているものに欠如しているか、あるいはそれが役に立たない場合に一般に用いられる。
【０００３】
典型的例として蝶番式人工器官は関節荷重の大部分を前記蝶番により大腿骨から脛骨に伝達させる。このような荷重伝達は軸ピン、蝶番支承ならびに蝶番ハウジングを備える相対的に大型の蝶番を必要とする。このような設計は前記米国特許第４，４７０，１５８号に述べられた非蝶番式表面つけ替え式人工器官以上にその埋込みのために骨をかなり大きく除去する必要がある。前記蝶番素子を適応させるためにも前記のような比較的大きい骨の除去を必要とする。そのうえ、蝶番式膝代替品は典型的例として前記表面つけ替え式膝代替品よりも著しく重いものである。
【０００４】
さらに、前記米国特許第４，４７０，１５８号に述べられた膝用の大腿骨素子は異なる曲率半径により形成される複雑な弯曲面を備える。脛骨が大腿骨に関しての回転に伴ない、それは、大腿骨素子の支承面により形成される異なる軸の回りを回転する。このような異なる軸はこのような支承面を有する蝶番式装置の使用を複雑なものにする。それは、蝶番が典型的例として、上述の米国特許第４，２１９，８９３号や米国特許第４，８８８，０２１号；米国特許第４，０９２，７４０号；ならびにドイツ連邦共和国特許出願公開第２５ ４５ ８２１号とドイツ連邦共和国特許第２２ ４４ ０６４号により例証された第２の軸の回りを回転できる平面に固定された軸の回りを回転するからである。後者は嵌合い素子にあるスロットを滑動する軸ピンを示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、嵌合い大腿骨と脛骨素子が互いに直接接触している。とにかく、このような素子は先に論じたように前記大きい荷重に適応できるような好ましくない大きさになりがちである。
【０００６】
本発明者は本発明により、上述の米国特許第４，４７０，１５８号により開示された支承装置を用いる顆状突起支承蝶番式膝人工器官の必要を認めている。この組合わせで、支承装置を用いて荷重の大部分を大腿骨と脛骨の部材の顆状突起面により大腿骨から脛骨に伝達させることがわかった。本発明による蝶番は先行技術の装置と対照的に、荷重伝達よりもむしろ膝の安定にのみ用いられる。これは、典型的蝶番耐力膝代替品よりも著しく少い骨の除去で間に合う軽量装置を作れる相対的に小型の蝶番素子の使用を可能にする。
【０００７】
骨の除去を最小限に止めることは埋込み部材の固定は、残す骨の量が多く、さらに人工器官の緩みもしくは不良のための人工器官の取替えの必要が起こる場合にもしばしば向上するので好ましい。前記人工器官の重量を最小限にすることも人工器官の重量が歩行におよぼす影響も最小限に止めるために好ましい。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
大腿骨と脛骨の間の本発明による可動結合が適応できる人工器官関節は大腿骨に取付けるためのもので、前記大腿骨からかなり離間して対面する顆状突起可動結合面を有する大腿骨部材と、脛骨に当該部材の軸にほぼ沿って取付けるためのもので前記脛骨からかなり離間して対面する研磨平面を有する脛骨部材からなる。支承手段は前記顆状突起可動結合面と研磨平面の間にあって、前記両面と可動接触して荷重のほぼ全部を前記大腿骨部材から脛骨部材に伝達させるものである。
【０００９】
蝶番手段は前記脛骨部材に取付け、また前記大腿骨部材に蝶番止めし、さらに前記脛骨部材に固定して前記蝶番手段が相対的に無視できるほどの僅かな荷重も大腿骨から脛骨に当該脛骨部材の軸に沿う方向に伝達させ、また大腿骨と脛骨を前記脛骨部材の軸を横切る方向に支持する。
【００１０】
さらなる実施例によれば、大腿骨と脛骨の間の可動結合を適応させる人工器官関節は、大腿骨に取付けるためのもので、前記大腿骨からかなり離間して対面する顆状突起可動結合面を有する大腿骨部材と、脛骨に取付けるためのもので、軸を横切る平面に位置して、前記脛骨からかなり離間して対面する研磨平面を有する脛骨部材からなる。
【００１１】
支承手段は前記顆状突起可動結合面と前研磨平面の間に、前記両面と可動接触し、前記顆状突起可動結合面と接触する共通接続湾曲面記と、前研磨平面記に接触する脛骨顆状突起支承面を有し、さらに前記支承手段と面は前記脛骨部材の軸を横切る方向に、前記大腿骨部材の前記脛骨部材に関する可動結合に応じて移動できる構造になっている。
【００１２】
蝶番手段は前記大腿骨部材に前記脛骨部材の軸を横切る大腿骨側の軸の回りを回転するよう蝶番式に、かつ前記脛骨部材に前記脛骨部材の軸の回りを回転するよう取付けられる。
【００１３】
さらなる実施例では、後者の蝶番手段を固定して前記脛骨部材の軸の回りの回転と、該軸に沿った方向に前記両骨に関して非荷重支承に軸方向転置させるが、前記両骨を前記脛骨部材の軸を横切る方向に安定させる。
【００１４】
さらに別の実施例では、大腿骨と脛骨の間の可動結合を適応させる人工器官は大腿骨に取付け、前記大腿骨から離間させて対面する顆状突起可動結合面を有する大腿骨部材と；ほぼ脛骨部材の軸に沿って取付け、前記脛骨から離間させて対面する研磨平面を有する脛骨部材と；前記大腿骨部材と脛骨部材の両部材に連結して前記脛骨部材が前記大腿骨部材に関して前記脛骨部材の軸の回りを回転させる手段を備え、前記両骨が屈曲も伸展もできることを特徴とする。
【００１５】
以上に伴う改良は、大腿骨部材と脛骨部材の間の第１の軸の回りの相対回転の角度の値を屈曲の度合の関数として制限する回転制限手段からなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１において、蝶番膝代替品装置１００は大腿骨部材２００、蝶番アセンブリー３００、支承４００ならびに脛骨部材５００からなる。前記装置１００を大腿骨６００と脛骨７００に埋込む。膝蓋骨部材８００も生来の膝蓋骨９００に埋込みできるし、あるいは前記生来の膝蓋骨をそのまま残しておいてもよい。
【００１７】
前記大腿骨部材２００は棒支持材２０５と、前記支持材２０５に組立てられ、かつ前記大腿骨６００に埋込まれる安定棒２０２を備える金属大腿骨本体２０１からなる。前記大腿骨本体２０１（図２）は接続部材２０９により接合された一対の同形の離間する顆状突起部材２０８を備える。研磨関節弯曲雄型顆状突起面２０３（図３）を各部材２０８上に形成する。前記面２０３の各々（図３）はそれぞれ横方向に異なる曲率半径Ｒ２、Ｒ３とＲ４をもつ曲り線Ｓ２、Ｓ３およびＳ４（図３）からなる。前記線分は前記曲率半径が隣接面線分の間の界面で共通接線を有す。前記面２０３を共通接続弯曲面２１４により前記部材２０９の領域で接合する（図２）。前記大腿骨顆状突起可動結合面２０３の形成についての詳細な説明は、本明細書で取入れられた前述の米国特許第４，４７０，１５８号に示され、ここでは省略する。
【００１８】
図２乃至４では、２つの離間した蝶番支持材２０４と中空心棒支持材２０５が前記本体２０１に形成され、それから突出する。前記蝶番支持材２０４は各々対応する顆状突起部材２０８と一体、かつその部品である。各支持材２０４は、表面２０３に接する線２０３′に平行する軸２０７上に整合し、かつ同軸である内腔２０６を備える。２つの同型の各々がスラストフランジ２１１を備え、また蝶番支承面を形成する内腔２１２を有する熱可塑性円筒状ブッシュ２１０を前記蝶番支持材２０４にある内腔２０６に圧嵌する。
【００１９】
前記脛骨部材５００（図１）は金属脛骨本体５０１と、前記本体５０１に集成された端５０８を支持キャビティ５０５に備えた安定棒５０２からなる。前記安定棒５０２を前記脛骨に周知の方法で埋込む。図１２における細長い円筒状キャビティ５０５を脛骨本体５０１に形成する。前記キャビティ５０５は軸５０７と同軸であって前記安定棒５０２の端部を収容する。前記脛骨本体５０１は軸５０７を横切る一端で板５０６を備える。
【００２０】
前記板５０６は軸５０７に垂直の研磨平面５０４を備える。前記板５０６を異なる厚さにして、脛骨の損失に当る量に適応させる。截頭円錐形キャビティ５０３を本体５０１に軸５０７の回りに同軸に形成する。前記キャビティ５０３はキャビティ５０５と直径を細くした部分５０８を介して連絡している。板５０３（図１３）は凸形の曲り周縁５１０をもって細長くなっている。前記板５０６は前記周縁５１０の反対側に半径方向内側方向に伸びる弯曲凹部５０９を備える。キャビティ５０３と５０５を前記板５０６の中心で軸５０７上に整合させる。
【００２１】
蝶番アセンブリー３００（図１、５乃至７、１４と１５）はヘッド３１１、蝶番ピン３２０と止めねじ３３０を有する金属キャリッジ３１０を備える。前記ヘッド３１１は蝶番ピン支持内腔３１５を備える。ヘッド３１１にあるねじ孔３１６は内腔３０５と連絡していて前記ねじ３３０を収容する（図１５）。中間に横断面が長方形のシャンク３０８が前記ヘッド３１１から垂下する（図６と７）。前記シャンク３０８は研磨平側面３１２と、平面に研磨した後面３１７と平面に研磨した前面３１８を備える。円形円筒状回転軸３１３が前記シャンクから垂下する。前記回転軸は前記シャンク３０８に隣接するその周面に環状の縦すじローレット３１４を備える。
【００２２】
前記金属円形円筒状蝶番ピン３２０（図５）は環状溝３２２で離間させた研磨ピン支承面３２１を備える。止めねじ３３０（図１５）を用いて前記蝶番ピン３２０を前記蝶番ピン３２０にある前記溝３２２の噛合わせにより蝶番ピン支持孔３１５に保持する。前記蝶番ピン３２０を前記本体の支持材２０４に取付けられたプラスチック製ブッシュ２０６の孔２１２に回転自在に密接して収容する。
【００２３】
熱可塑性プッシュ３４０（図８）は軸３４３と同軸の截頭円錐形外支承面３４２を備える。前記ブッシュ３４０は軸３４３と同軸の軸方向に伸びる円形円筒状内腔３４１を備える。回転軸３１３（図６、７、１４と１５）を前記内腔３４１の面と係合する前記隆起ローレット３１４で前記ブッシュ３４０の内腔３４１に圧嵌して、前記ブッシュ３４０と相対的に固定された単一の一体アセンブリーを形成する。
【００２４】
前記回転軸を取付けたブッシュ３４０の外支承面３４２を軸５０７に沿って本体５０１の前記截頭円錐形キャビティ５０３に軸３４３と５０７をほぼ同軸にして軸方向に挿入する。前記ブッシュ３４０をそれが軸方向に本体５０１の前記キャビティ５０３に、例えば前記本体５０１のキャビティ５０３にあるブッシュの位置の比較で示されたように移動できる必要な寸法にする（図１４と図１５）。
【００２５】
図１４の前記両骨６００と７００（図１）が伸展した軸方向位置にあって、前記ブッシュ３４０はそのテーパー付き外支承面３４２と、キャビティ５０３のテーパー付き内支承面の間に半径方向の隙間Ｃをもつ。前記隙間Ｃは、前記ブッシュ３４０を前記キャビティ５０３に入れて、図１４の位置から図１５に示された位置に、前記本体５０１にはごく僅かな軸方向荷重しかかけないで前記ブッシュ３４０により方向５１３に軸方向に移動させるだけの十分な数値を有す。
【００２６】
前記ブッシュ３４０の表面３４２は前記脛骨本体５０１のキャビティ５０３の研磨内テーパー付き支承面と軸５０７の回りに可動結合する。前記隙間Ｃのため、前記ブッシュ３４０とキャビティ５０３の表面の間、若干の横方向で半径方向の遊びと運動があるが、この遊びは許容できる。
【００２７】
図１５では、前記回転軸３１３とブッシュ３４０が屈曲軸方向位置にあって、図１４のそれらの位置に関して、前記図の方向５１３に下方方向に容易に移動できる。この屈曲位置では、前記ブッシュ３４０とキャビティ５０３の面の間に隙間Ｃ′（図では見えない）がある。その結果、回転軸３１３により前記本体５０１に、十分に伸展された位置もしくは十分に屈曲した位置のいずれにあっても方向５１０に誘発される軸方向の荷重はごく僅かなものである。これは前記両骨６００と７００（図１）に軸５０７を横切るあらゆる半径方向、例えば方向４１４に安定性を与えることで重要である。
【００２８】
前記熱可塑性支承４００（図９乃至１１）は、部材２０８の大腿骨顆状突起面２０３の収容に適した形状にした脛骨顆状突起支承面４０１を備える。前記支承４００の構造は上述の米国特許第４，４７０，１５８号にさらに詳細に述べられている。前記支承面４０１は前記嵌合い大腿骨顆状突起の可動結合面２０３と可動結合している。
【００２９】
前記支承４００は平面図にして長方形の通し溝４０２を備え（図９）、それを通して前記キャリッジヘッド３１１のシャンク３０８を滑動自在に収容する。前記溝４０２は平行な平側面４０３を備える。前記側面４０３は前記キャリッジシャンク側面３１２と係合して、前記支承４００の前記キャリッジ３１０に関し軸５０７の回りで軸方向の回転を防止する（図１４と１５）。後部支承溝４０２の端４０４と前記溝端４０５はそれぞれ、前記キャリッジヘッド３１１のシャンク３０８の後部ならびに前部両面３１７と３１８と、膝の伸展から屈曲への移動運動（逆もまた同じ）中に係合する。
【００３０】
下部の平面になった平滑仕上支承面４０６は前記脛骨本体５０１の研磨上部脛骨面５０４と板５０６上で可動結合する。面４０７の前記顆状突起支承域４０１は大腿骨可動結合面２０３の線分Ｓ２を補足し、脛骨可動結合面４０７を形成する。図１４に示すように、これらの嵌合い面は伸展中、前記支承が最大の荷重を支える時、合同する。対照的に屈曲中（図１５）、顆状突起面線分Ｓ３もしくはＳ４（図３）は前記支承面４０７と係合し、非合同接触、すなわち線接触をもたらす。
【００３１】
図１４は組立てられた蝶番式膝代替品の十分に伸展させた安定化棒２０２と５０２を除外した部分横断面を示す。線４１０は前記大腿骨本体２０１と支承４００の係合可動結合面に対応し、この運動相でのその合同接触を示す。方向４１２のさらなる伸展を後部溝端４０４と係合するキャリッジ３１０のシャンク３０８の後面３１７で停止させる。この停止処置も前記支承４００の前記脛骨本体５０１に関し前方方向４１４′のさらなる前方伝達移動を防ぐ。
【００３２】
前記支承４００は、関節を図１５の屈曲位置から図１４の十分に伸展させた位置に可動結合した時、係合した可動結合大腿骨本体５０１の表面２０３のカムの働きに応じて前方方向４１４′に伝達する。前記カムの働きは前記支承４００を前方に移動させようとする。前記前方支承運動は大腿骨本体２０１の曲率半径Ｒ２の中心の前方運動の結果である（図３）。この前方運動は図１５の位置から図１４の位置への前記脛骨本体５０１に関し、伸展中に前記本体２０１の蝶番支持内腔２０６の回りを逆時計回りに回転するためである。
【００３３】
前記支承可動結合面４０７を関節圧縮荷重のため大腿骨可動結合面２０３に接して保持するので、脛骨可動結合面４０７の曲率半径の中心と、従って、支承４００が前方に、方向４１４′にＲ２の中心をもって伝達する必要がある。支承４００はシャンク３０８により停止されるまで、この方向に移動する。この停止作用は支承面４０７上の顆状突起面２０３のカムの働きのため静かでかつ徐々である。
【００３４】
図１５は中程度に屈曲した膝代替品を示す。膝の働きのこの相で、脛骨可動結合面４０７は大腿骨可動結合面２０３の線分Ｓ３との圧縮接触下にある。この圧縮力は前記支承４００を後方方向４１６に図１４の支承前部屈曲位置から図１５の後部位置に駆りたてる。顆状突起面２０３の支承面４０７との係合を仮想線４１８で示す。
【００３５】
図１５では、前記本体２０１の曲率半径がＲ２の可動結合面２０３（図３）を軸２０７（蝶番ピンの中心）にある曲率半径Ｒ３の原点と接続する線は圧縮力ベクトル（図示せず）に平行である。前記圧縮力ベルトルが脛骨部材５００の本体５０１の軸５０７にほぼ沿っているので、前記本体５０１の図１４の位置から図１５の位置までのこの運動は支承４００の方向４１６への後方伝達をもたらすことになる。前記支承の過度は後方位置決めはキャリッジ３１０のシャンク３０８の前面３１８を支承４００にある溝４０２の前部溝端４０５と係合させることで防ぐことができる。
【００３６】
前記ブッシュ３４０は、それを前記脛骨部材本体５０１のキャビティ５０３に緩く係合させ、また前記キャビティ５０３と同じテーパー付き構造になっているので、前記脛骨軸５０７の回りの回転ばかりでなく上述のようにこの軸に沿う軸方向の伝達が自由である。前記蝶番アセンブリー３００の回転軸３１３も前記回転軸を前記ブッシュ３４０に固定するので同一の運動を行う。従って、蝶番膝代替品１００に運動の２つの自由度；すなわち蝶番軸２０７の回りの屈曲・伸展と、脛骨軸５０７の回りの軸方向の回転を有する。
【００３７】
前記の異なる部材の好ましい金属材料は、セラミック窒化チタンをコーティングしたチタン合金もしくはコバルトクロム合金である。好ましい熱可塑性樹脂は超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰｅ）である。
【００３８】
前記膝代替品１００を次の方法で埋込む。適当な大腿骨安定棒２０２を周知の方法で大腿骨本体２０１（図１）に組立て大腿骨部材２００を形成する。支承４００をキャリッジ３１０とテーパー付きブッシュ３４０からなるキャリッジアセンブリーの上に、支承４００の溝４０２を前記キャリッジのシャンク１０８と係合させて組立てる。ヘッド３１１をその後、大腿骨部材２００に予め組立てたブッシュ２１０の間の領域に挿入する（図４）。
【００３９】
前記ヘッド３１１の支持内腔３１５（図７）をその後、ブッシュ２１０の蝶番支承面２１２と整合させる（図４）。蝶番ピン３２０を第１の蝶番支承の内腔２１２に、前記キャリッジ３１０の支持孔３１５を通して貫通させ、第２の蝶番支承内腔２１２に入れる。止めねじ３３０をその後、止めねじ孔３１６に導入する（図１５）。前記止めねじ３３０を締め付けると、その円錐端は蝶番ピン３２０の溝３２２と係合して（図５）、前記ピンと止めねじを所定の場所に締付ける。このような締付けは前記ピン３２０とヘッド３１１の間の金属対金属の微細動、従って有害な金属摩耗くずの発生の防止に重要である。脛骨本体５０１と脛骨安定棒５０２をそこで組立てて脛骨部材５００を形成する。
【００４０】
脛骨と大腿骨を１９９３年刊フレデリックＦ．ビューヒエル（Ｂｕｅｃｈｅｌ）のｎｊＬＣＳ“トリコンパートメンタル、ニー、システム、ウィズ、ポロコート（Ｔｒｉｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔａｌ Ｋｎｅｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｐｏｒｏｃｏａｔ”と題する小冊子に述べられた拡孔器を用いて大腿骨と脛骨安定棒２０２と５０２をそれぞれ収容する流路の整備に用いること以外の方法で調製する。ボックス状キャビティを大腿骨の中心、遠位後部側に整備する。このボックス状キャビティは前記２つの支持材２０４を取囲む包囲体からなる（図４）。前記脛骨部材５００を脛骨７００を埋込み、また大腿骨部材−蝶番アセンブリーを大腿骨６００に埋込む。
【００４１】
関節をそこで外して、前記テーパー付きブッシュ３４０を前記脛骨本体５０１のテーパー付きキャビティ５０３に挿入する。円筒状ブッシュの代りにテーパー付きブッシュを用いてこの挿入中に前記テーパー付きブッシュ３４０とキャビティ５０３の間の若干の不整合を与える。関節をその後、閉じて埋込みを完了する。埋込み人工器官の外観を図１９に示す。
【００４２】
図１６乃至１８では、脛骨本体５２０の別の実施例が前記本体５２０のプラットホーム５１２から直立してそれに固定（例えばそれと一体に）された前記突起５１１を備える。大腿骨顆状突起はこれらの図では図示を複雑にしないため分離させた。突起５１１はややＶ字型になっているが、平滑な弯曲面５１３を有し、同様の形状ではあるが支承４１０ではさらに大きい寸法の前記凹部４１１と係合する。図１８は十分に伸展した前方位置にある支承４１０を示す。前記凹部４１１は前記支承４１０の前後両方向伝達を横切る方向にある突起５１１の幅よりも大きい幅Ｗ（図１６）を有する。前記凹部４１１は前記突起の深さ方向の厚よりも大きい深さｄを有する。
【００４３】
前記突起の図１６の凹部４１１との完全に着座して十分に伸展した位置での係合は、大腿骨部材の脛骨部材に関する軸方向の回転、例えば軸５１４の回りの回転を阻む。埋込まれると、この係合は大腿骨の脛骨に関する軸方向の回転を十分な伸展中阻むものである。十分な伸展にあってこの軸方向の回転がないことは人の膝にあっては常態であるので、軸方向回転の筋肉制御のできない若干の患者には好ましい。膝を屈曲させると（図１７）、支承４１０は方向４１８に前方に移動して、前記突起５１１を前記凹部４１１から徐々に係合から外させる。この後方運動は支承４１０の本体５２０に関する軸の回りの軸方向の回転の角度範囲を前記支承４１０の方向４１８に後方移動が増大するに従い増加させる。換言すれば、屈曲が起こると、相対屈曲骨の各々の部分で、前記突起５１１の前記凹部４１１の側壁からの離間が増大する。この増大した離間は前記突起の回転値をより大きくしてからそれが前記凹部の側壁に支えさせる。
【００４４】
突起５１１と凹部４１１の形状は軸方向の回転を膝の屈曲の度合に依存する予め決められた角度限度内に制御する構成にできる。例えば、図１６で、突起５１１は十分に伸展している大腿骨と脛骨の間の相対的な軸方向の回転を阻む。図８では屈曲されていて、軸５１４の図１の最大量の軸方向の相対回転は前記突起５１１が前記凹部４１１の側壁に凹部４１１の外リム４１９で接触する。
【００４５】
別の実施例では、前記突起５１１と支承４１０の凹部４１１の形状が示されたものと異なっても、相対的な軸方向回転の角度範囲を屈曲の関数としてさらに制御させればよい。例えば、前記凹部４１１のテーパーを図示以上に緩やかにも、あるいは急勾配にして、前記凹部４１１と比較して、より広い凹部もしくはより狭い凹部をつけることもできる。逆の状況にあっては、突起もそれに相応じて狭くも広くもできる。
【００４６】
上述すべての実施例における回転の制御は段階関数と比較して、屈曲の度合の連続平滑関数である。すなわち図１６乃至１８で示されるように、本体５２０の図１６の伸展から図１８の屈曲への移動に従って、前記突起５１１の許容回転の度合が前記凹部４１１の側面の連続円滑弯曲傾斜線と前記突起５１１の嵌合い面の形状の関数として増加する。
【００４７】
さらに、前記凹部が溝、例えば長方形であってもよく、また突起が嵌合い形状、例えば長方形で前記溝の中に取付けられて、屈曲中のわずかな軸方向回転も阻むか、あるいは必要の場合、最小限の回転を与えるかである。前記突起５１１を支承凹部壁により接近して離間させるか、あるいは必要の場合、さらに離間させるかによって、軸方向の角度回転の度合をより小さくもより大きくもできる。従って、上記の凹部ならびに突起のパラメーターを変化させることで、軸方向の回転の度合を上回る相対的に大きい制御の寛容度を付与できる。
【００４８】
そのうえ、本実施例においては前記凹部４１１を支承４１０に形成し、また突起５１１を脛骨部材本体５２０に取付ける。別の方法で、支承を必要としない材料を入手できるとすれば、その時、前記凹部を脛骨もしくは大腿骨部材の片方に形成し、突起を他方の部材に取付けることができる。この場合、前記突起と凹部を関連させて、屈曲の関数として回転させる。例えば大腿骨部材はその中に凹部あるいは大腿骨を脛骨に関し回転させるに従って、前方にも後方にも転置する突起を備えることができる。重要な側面は屈曲の量が決まり、軸５１４の回りの軸方向回転の量の関数となる。関数は線型もしくは非線型であっても差支えない。
【００４９】
回転値は好ましい実施例において十分な伸展の時にゼロであると示されるが、所定の実施による他の実施例ではゼロでないことがある。さらに、凹部と突起の形状は必ずしも同一である必要はない。重要なことは、回転を屈曲の関数として制御することである。移動する支承を示すが、このような動作は絶対的なものではない。さらに、屈曲の関数として許容される回転の度合は蝶番アセンブリー、例えば図１に示されたようなものもしくは他の形式の蝶番アセンブリーの設置の有無にかかわらず付与できる。
【００５０】
初期の顆状突起支承非再表装膝、例えば１９７０年台の“スフェロセントリック”として周知の装置は比較的小型の蝶番素子が、使用できる利点を活用できなかった。そのうえ、このような設計は全く一致しない顆状突起接触面を使用する。本発明の蝶番アセンブリー３００は相対的に小型の蝶番素子、例えばヘッド３１１とピン３２０を用いる。それはごく僅かな軸方向の荷重しか上記に論じたように前記蝶番アセンブリー３００に伝達されないからである。
【００５１】
本発明の人工器官の関節は前述の米国特許第４，４７０，１５８号の支承の顆状突起の関係の教示を取入れて、標準歩行サイクルの臨界ピーク荷重、すなわち伸展中に合同である膝代替品を提供する。同時に、関節は後部の大腿骨曲率半径を減らして用い、一層標準的な膝の働きを、すなわち屈曲中につくる。後部大腿骨の曲率半径を減らすと非臨界活動のより深い屈曲相に十分な線接触をつくるが、標準歩行サイクルの合同、臨界、ピーク荷重相中、脛骨支承と接触していない。
【００５２】
このようにして、本発明の関節は嵩が低い、軽量蝶番式膝代替品を提供し、最小限の骨の除去しか必要ないが、耐力可動結合と前述の米国特許第４，４７０，１５８号に記述された代替膝の働きと同様の関節の働きを提供する。
【００５３】
前述の米国特許第４，４７０，１５８号の可動結合と働きは１５年以上に亘る広範囲の臨床使用の後、優れた臨床成果のあることがわかった。本発明による蝶番膝代替品は、代表的な非蝶番式後部安定膝、例えば“インソール−バースタイン（Ｉｎｓａｌｌ−Ｂｕｒｓｔｅｉｎ）”装置以上の骨の除去を必要としないが、安定素子の合同接触で優れた安定化が得られる。代表的な先行技術の後部安定膝代替品は非合同安定素子で、深く屈曲させた時にあるとしてもごく僅かな安定性しかない。
【００５４】
本発明により構成された関節の深い屈曲と伸展の安定性は、埋込み棒と連結蝶番アセンブリー部材が横前後方向４１４（図１５）にはごく僅かな運動しか示さないが、前記蝶番アセンブリー部材に方向５１３にはごく僅かな軸方向の荷重しかかからない蝶番アセンブリー構造により提供できる。重要なことは、支承、例えば支承４００が前記前後方向４１４に対応する伸展・屈曲運動に応じて移動するが、同時に、このような転置を前記蝶番アセンブリーにより限定されることである。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の関節は、その相対的に小型の蝶番部材がより少量の骨の切除ですませることができるので従来の蝶番にまさる。これはこの蝶番を先行技術の後部安定化の設計を用いる場合の候補者にするものである。本発明の関節は、それがすぐれた安定化を、とりわけ安定化が重要である深い屈曲時に、またこのような安定化と相俟って摩耗を減らす安定化部材の合同接触で付与するので先行技術の後部安定化設計より優れている。本発明の後部安定化設計は全く非合同である。
【００５６】
本発明の関節はさらに、それが上述の米国特許第４，４７０，１５８号の再表装ＬＣＳ設計の臨床的に証明された可動結合面を用いるのですぐれている。そのうえ、前記関節はそれが、例えば図１６乃至１８の実施例で利用できる有効な軸方向の回転制御を用いているのですぐれている。
【００５７】
さらに、本発明の関節は前記ＬＣＳ再表装モジュール膝に酷似し、蝶番壁のキャビティの整備に用いられる単純ボックス型骨力を除き同一の器具類を用いる。従って、それは本発明の代替膝装置の方法範囲内に十分当嵌まるものである。この関節はさらにＬＣＳの方法で周知の蝶番アセンブリーを埋込む外科医により必要とされる技能量を最小限に止め、蝶番もしくは後部安定化膝が提供する安定性を必要とするような患者にとって安心できる人工器官を外科医に提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による蝶番式膝代替人工器官の側断面図である。
【図２】図１の実施例の大腿骨部材の後部側面図である。
【図３】図２の部材の線３−３による側面図である。
【図４】図３の部材の線４−４による側面図である。
【図５】図１の実施例に用いられた蝶番ピンの側面図である。
【図６】それぞれ図１の実施例の蝶番アセンブリーの金属キャリッジ部材の正面図である。
【図７】図６の側面図である。
【図８】図６と７の蝶番部材の棒部分を収密する熱可塑性支承インサートの側断面図である。
【図９】図１の実施例の支承の脛骨顆状突起支承面の平面図である。
【図１０】図９の支承の線１０−１０による断面図である。
【図１１】図９の線１１−１１の断面図である。
【図１２】図１３の実施例の脛骨部材の線１２−１２による側断面図である。
【図１３】図１の脛骨部材の平面図である。
【図１４】図１の人工器官の膝伸展位置にある側断面図である。
【図１５】図１の人工器官の膝屈曲位置にある側断面図である。
【図１６】大腿骨と脛骨部材の別の実施例の軸方向回転位置限定構造を示す平面図である。
【図１７】図１６の他の実施例の平面図である。
【図１８】図１６のさらに他の実施例の平面図である。
【図１９】図１の埋込まれた人工器官の側面図である。
【符号の説明】
１００ 蝶番式膝代替装置
２００ 大腿骨部材
２０１ 金属大腿骨本体
２０２ 安定化棒
２０３ 顆状突起可動結合面
２０４ ２つの離間蝶番支持材
２０５ 棒支持材
２０６ 内腔（蝶番支持材）
２０７ 軸
２０８ 顆状突起部材
２０９ 接続部材
２１０ 円筒状ブッシュ
２１１ スラストフランジ
２１２ 内腔
２１４ 共通接続弯曲面
３００ 蝶番アセンブリー
３０８ シャンク
３１０ 金属キャリッジ
３１１ ヘッド
３１２ 研磨平側面
３１３ 円形円筒状回転軸
３１４ 環状縦すじローレット
３１５ 蝶番ピン支持内腔
３１６ ねじ孔
３１７ 平面研磨後面
３１８ 平面研磨前面
３２０ 蝶番ピン
３２１ 研磨ピン支承面
３２２ 環状溝
３３０ 止めねじ
３４０ 熱可塑性ブッシュ
３４１ 軸方向に伸びる円形円筒状内腔
３４２ 截頭円錐状外支承面
３４３ 軸
４００ 支承
４０１ 脛骨顆状突起支承面
４０２ 通し溝
４０３ 平行平側面
４０４ 後部溝端
４０５ 前記溝端
４０６ 脛骨可動結合面
４０７ 可動結合支承面
４１０ 線（支承）
４１１ 凹部
４１４ 方向
４１４′ 方向
４１５ 方向
４１６ 方向
４１８ 仮想線
４１９ 外リム
５００ 脛骨部材
５０１ 脛骨部材本体
５０２ 安定化棒
５０３ 截頭円錐形キャビティ
５０４ 研磨平面
５０５ 支持キャビティ
５０６ 板
５０７ 横軸
５０８ 直径を細くした部分
５０９ 半径方向内側方向に伸びる曲り凹形凹部
５１０ 凸形弯曲周縁
５１１ 前記突起
５１２ プラットホーム
５１３ 円滑弯曲面
５１４ 軸
５２０ 脛骨本体
Claims (10)
- 大腿骨６００と脛骨７００の間の可動結合に適応できる人工器官関節であって、前記大腿骨６００に取付けられた大腿骨部材２００と、前記脛骨７００に取付けられた脛骨部材５００を備え、
前記大腿骨部材２００は顆状突起可動結合面２０３を有する金属大腿骨本体からなり、前記脛骨部材５００は当該脛骨部材の軸５０７を横切り横たわる研磨平面５０４と、当該脛骨部材５００の軸の中心に位置する截頭円錐型のキャビティ５０３を備え、
前記顆状突起可動結合面２０３と研磨平面５０４の間に備えられ、前記両面と可動接触する支承手段４００を有し、該支承手段４００は前記顆状突起可動結合面２０３と接触する脛骨顆状突起支承面４０１並びに前記研磨平面５０４と接触する平滑仕上支承面４０６を有し、前記脛骨部材５００に相対し可動に呼応して当該脛骨部材５００の軸５０７を横切る方向に移動可能となし、
前記截頭円錐型のキャビティ５０３内に設けられ、当該キャビティ内を伸び、前記脛骨部材５００の軸上の中心に置かれる熱可塑性ブッシュ３４０を有し、
前記大腿骨部材２００に蝶番固定された蝶番部材を備え、該蝶番部材は前記脛骨部材５００の軸５０７を横切る方向で蝶番ピン３２０の周りを回転する金属キャリッジと、前記キャビティ５０３内の前記熱可塑性ブッシュ３４０に固定される回転軸３１３を有し、前記熱可塑性ブッシュ３４０は蝶番手段と大腿骨部材２００が前記脛骨部材５００に対し、該脛骨部材５００の軸５０７を横切る方向で移動するのを阻止する形で前記キャビティ５０３内に固定され、前記熱可塑性ブッシュ３４０並びに前記蝶番部材は前記脛骨部材５００に対し、該脛骨部材５００の軸５０７の周りに回転可能でかつ軸５０７に沿って当該軸上に移動可能であり、前記熱可塑性ブッシュ３４０と前記蝶番部材は、前記脛骨部材５００に対しごく僅かな軸方向荷重で軸方向に移動させることができるように設計されて一体成形されている人工器官関節。 - 前記蝶番部材は回転自在に固定され、前記大腿骨部材２００に取付けて、前記脛骨部材５００の軸５０７に直交する蝶番ピン３２０の周りを大腿骨部材２００に対し回転することを特徴とする請求項１に記載の人工器官関節。
- 前記研磨平面５０４が平面で、前記蝶番の蝶番ピン３２０が前記研磨平面５０４に平行であることを特徴とする請求項１に記載の人工器官関節。
- 前記大腿骨部材２００が前記脛骨部材５００に対し回転することに応じて、前記大腿骨部材２００の軸２０７が大腿骨６００と脛骨７００の対向位置に伝達し、前記蝶番が、可動結合中の相対位置において前記支承手段の移動停止を係合する停止手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の人工器官関節。
- 前記支承手段が、大腿骨部材２００と、移動の第１角度範囲で合同接触し、当該支承に対し、大腿骨部材２００の第２角度範囲で非合同接触していることを特徴とする請求項１に記載の人工器官関節。
- 前記支承手段が熱可塑性支承手段からなり、大腿骨部材２００と脛骨部材５００は金属製であり、蝶番手段は前記支承手段を通過することを特徴とする請求項１に記載の人工器官関節。
- 前記支承手段は、通し溝４０２を有する支承手段を有し、前記蝶番手段は前記通し溝４０２を貫通し、前記蝶番手段と前記支承手段は、前記支承手段の第１と第２の対向移動配置において第１の軸を横切る一定の方向に停止するための嵌合い停止手段を有することを特徴とする請求項６に記載の人工器官関節。
- 前記通し溝４０２は、一定方向に第１の寸法をもち、蝶番部材は前記通し溝４０２内に第１の寸法より小さい第２の寸法を一定方向に含む個所を有することを特徴とする請求項７に記載の人工器官関節。
- 大腿骨部材２００が大腿骨に取付ける手段を、脛骨部材５００が經骨７００に取付ける手段を有し、前記大腿骨部材２００と脛骨部材５００が膝関節を形成することを特徴とする請求項１に記載の人工器官関節。
- 前記蝶番部材は、当該部材の如何なる個所も脛骨部材５００の前 記研磨平面５０４と可動接触しないように設計されていることを特徴とする請求項１に記載の人工器官関節。
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