JP3838720B2

JP3838720B2 - 人工股関節

Info

Publication number: JP3838720B2
Application number: JP34951296A
Authority: JP
Inventors: 勝上野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2016-12-27
Also published as: JPH10179620A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は人の股関節を置換、修復する人工股関節に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、用いられている人工関節、特に人工股関節は、ステンレス鋼、コバルトクロム系合金、チタン合金などの金属を用い、骨頭球とステムは一体的もしくはテーパー嵌合によって固定されており、ステムを大腿骨中に挿入し、骨とステムとの隙間をセメントを用いて固定している。一方、臼蓋側は骨頭球を受座するポリエチレンより成るソケットをこれも骨盤にセメントを用いて固定するものである。
【０００３】
近年、骨頭球はテーパー嵌合によって金属製ステムの先端に固定する構造の物が多く、材質もステンレス鋼、コバルトクロム合金等が多く用いられており、テーパー孔の深さや径を変えることによってステムにとりつけた際の高さが変化させられるようになっており、この方式が主流になりつつある。
【０００４】
一方、骨頭球の材質はポリエチレンとの組合せで低摩擦、低摩耗の材質であるアルミナセラミック製のものがその性能の優秀性が認められ、多数用いられるようになってきた。ところが、セラミック製の骨頭を用いた場合に組み合わせられる金属のテーパー部との不適合による骨頭球の破損等が大きな問題となる傾向がある。人間の骨頭には最大、体重の５倍ぐらいの荷重が作用すると言われており、体重80Kgの人であれば約400Kg の荷重が作用することになり非常に大きな力が作用する。
【０００５】
また長期間にわたる耐久性という点からも、高い安全係数が要求される。ところが、現実にはセラミック製の骨頭球にあけたテーパー孔にステム先端を嵌入する場合、微細な異物を噛み込むことによる不適合によってさえも骨頭球の割れを誘発する等の大きな問題がある。
【０００６】
このような問題を解決する手段として、骨頭球にあけたテーパー孔と該テーパー孔に嵌入するステムの先端に形成したテーパーを完全に一致させることが必要である。
【０００７】
しかしながら、機械加工でもって高精度に両者を一致させることは不可能である。
【０００８】
そして、金属製ステムのテーパー部表面に規則正しく配列した凸凹を円周上に形成したもの、（例えば特開昭５１−６７６９３）、或いはステムのテーパー部を空中にしたり、スリットを形成しておき、ステムのテーパー部を骨頭球に穿設したテーパー孔の壁面形状に合致するように変形できるようにしたものなどが考えられている。しかし、上記のような手段によってもセラミック製骨頭球の割れ発生を防ぐことができず、そのため人体の機能や修復における信頼性は不完全であった。
【０００９】
そこで、特開昭６３−１６１９５９の発明では、セラミック製骨頭球に奥細状のテーパー孔および該テーパー孔より奥部に周壁が外側に凸な湾曲状となった空所を設け、この空所で荷重応力を分散し、骨頭球の破壊強度を高めた人工股関節を提案している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記テーパー孔より奥部に周壁が外側に凸な湾曲状となった空所を設ける技術は非常に有効なものであったが、さらに骨頭球の信頼性を高めるために、骨頭球の破壊強度を一層高めることが望まれていた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者は、上述のような観点からセラミック製骨頭球の機械的強度を向上せしめるべく、骨頭球のデザインについて鋭意検討を続けた結果、セラミック製の骨頭球に、奥細状のテーパー孔および該テーパー孔より奥部に空所を設け、該空所の周壁面を上記テーパー孔の中心軸に対しほぼ平行に形成することによって、大きな荷重を受けた際の単位面積当たりの最大応力が非常に小さくなり、骨頭球の強度が大幅にアップすることを見出した。
【００１２】
すなわち、本発明の人工股関節は、先端側にテーパー部が形成されたステムと、前記テーパー部を嵌入する奥細状のテーパー孔が穿設されたセラミックス製の骨頭球とを備え、該骨頭球における前記テーパー孔より奥部には空所が設けられ、該空所の周壁面は、前記テーパー孔の中心軸に対してほぼ平行に形成され、かつ、前記テーパー孔の周壁面と段差なく繋がっており、前記ステムの先端部が、前記テーパー孔の壁長の１／２より奥のテーパー壁面のみに当接していることを特徴とし、骨頭球の割れ防止を図るものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図によって本発明の実施形態を具体的に説明する。
第１図乃至第３図において、Ｂはアルミナ、ジルコニアなどセラミック製の骨頭球で、図示していない臼蓋ソケット中に回動自在に受容される。また、この骨頭球Ｂには奥細状のテーパー孔ｂが穿設してあり、このテーパー孔ｂのさらに奥部には、周壁面ｅ１をほぼ垂直状、すなわち上記テーパー孔ｂの中心軸ｌに対しほぼ平行に形成した空所ｅが穿設してある。Ｓは大腿骨に挿入固定されるステムであって、このステムＳはチタン合金、ステンレス鋼などの金属から成り、先端にはテーパー部Ｔが形成され、該テーパー部Ｔは前記骨頭球Ｂのテーパー孔ｂ中に嵌入されることによってステムＳの先端に骨頭球Ｂが装着されている。
【００１４】
図１の人工股関節の場合、テーパー孔ｂ、テーパー部Ｔの各々のテーパー角度α、βは種々の角度のものを製作し、これらの組合せによる固定力（嵌着力）、回旋抵抗力の観点から、αもβも６°程度の角度が最良で骨頭球Ｂのテーパー孔角度αが、ステムテーパー部角度βより２〜４０分程度大きいものとしてある。
【００１５】
このような角度α、βの関係を持った骨頭球ＢとステムＳが組合せられることにより、テーパー部Ｔはテーパー孔ｂの奥深い部位、すなわち、１／２より奥深い部位にのみ当接した状態で嵌合する。
【００１６】
また、図２に示したように骨頭球Ｂに穿設したテーパー孔ｂの奥方に縮小径部ｃを形成することによって、ステムＳのテーパー部Ｔが嵌入された場合、上記縮小径部ｃにのみ当接し嵌合させることができる。
【００１７】
さらに、図３のように骨頭球Ｂに穿設したテーパー孔ｂの奥まった面に対し当接するべくステムＳがテーパー部Ｔの先端のみを膨大径部ｄとしたものであってもよい。
【００１８】
以上のように構成される本実施形態の人工股関節は、ステムＳの先端部が骨頭球Ｂのテーパー孔ｂの壁長の１／２より奥のテーパー壁面のみに当接するように構成したことにより、骨頭球Ｂのテーパー孔ｂの開口付近からの骨頭球Ｂの割れが防止されるとともに、上記テーパー孔ｂより奥部に空所ｅを形成したことにより、骨頭球ＢとステムＳとの当接面に加わる荷重応力を空所ｅの周囲にも分散させることができるので骨頭球Ｂの圧縮強度を向上せしめ、さらに、その周壁面ｅ１を上記テーパー孔の中心軸ｌ（図１参照）に対しほぼ平行に形成したことにより、骨頭球Ｂの圧縮強度をさらに向上せしめてある。
【００１９】
なお、上記空所ｅの周壁面ｅ１について、角度はなるだけ上記テーパー孔ｂの中心軸ｌに対し平行であることが好ましいが、１°まで程度なら奥に向かって外側に開く、或いは、内側に絞った傾きがあっても構わない。しかしながら、１°より大きく奥に向かって外側に開く場合は圧縮強度の点で若干不利となり、他方、１°より大きく奥に向かって内側に絞った傾きがある場合には、圧縮強度の問題に加えて、後述のダイヤモンドチップによる加工の際の逃げが小さくなってしまうという問題点がある。
【００２０】
さらに上記空所ｅについては、図４（Ａ）〜（Ｂ）の説明図に示すように、骨頭球Ｂの作製においてテーパー孔ｂの壁面を回転式ダイヤモンドチップｔ１で精密研削する際に、まずチップｔ１をテーパー孔ｂの開口から奥に向かって作用させるが〔図４（Ａ）〕、このチップｔ１を前記空所ｅに逃がし〔図４（Ｂ）〕、チップｔ１の側面形状に多少の凹凸があってもそれがテーパー孔ｂの奥方の壁面に転写されることがなく且つ空所ｅからテーパー孔ｂの開口に向けて折り返し精密研削することができ加工能率が上がる、という作用がある。
【００２１】
ちなみに、前記空所ｅの上隅部の曲率半径Ｒ（図１参照）としては０．５〜２ｍｍの範囲が好ましい。この曲率半径Ｒが０．５ｍｍ未満の場合、上隅部と天井面がスムーズにつながらないので荷重応力がこの部分に集中しやすく、これにより破壊強度が低くなるという問題があり、他方、２ｍｍを超えると、周壁ｅ１の上記テーパー孔ｂの中心軸ｌに対しほぼ平行な部分の長さが短くなり破壊強度があまり向上しないという恐れがある。
【００２２】
さらに、前記空所ｅの高さｈ（図１参照）としては、１〜３ｍｍの範囲が好ましい。この高さｈが１ｍｍ未満の場合、ステムＳの先端が空所ｅの天井面にあたり易くなり、当たってしまうとステムＳが抜けやすくなる恐れあり、他方、３ｍｍを超えると、空所ｅの天井面の上側の肉厚が小さくなるので、骨頭球Ｂの破壊強度が小さくなる恐れがある。
【００２３】
モデルに基づく最大応力算出例
径２２φの骨頭球のモデルを４種類デザインし、これらについて付加荷重と最大応力値をＦＥＭの手法を用いて算出した。
【００２４】
上記モデルは、モデル１が図１に基づく上記空所ｅの周壁面ｅ１を上記テーパー孔ｂの中心軸ｌに対しほぼ平行に形成した骨頭球Ｂの本発明モデル、及びモデル２〜４が図５に示すように空所ｅの周壁面ｅ２を湾曲状とした骨頭球Ｂの比較モデルで、それぞれ湾曲Ｒを０．０３５，０．０４０，０．０４５としたものである。なお、上記空所ｅの周壁面ｅ１（モデル１／図１参照）、ｅ２（モデル２〜４／図５参照）の形状以外は材質、形状等同一である。なお、モデル１の空所ｅの上隅部の曲率半径Ｒ（図１参照）は、０．８ｍｍ、また、モデル１〜４の空所ｅの高さｈ（図１参照）は２ｍｍである。
【００２５】
骨頭球Ｂの材質としては、３モル％イットリア含有の部分安定化ジルコニアの焼結体、ステムＳの材質としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を用いること、また該合金の組成変形効果を考慮した。また、ステムＳと骨頭球Ｂの摩擦率を０．３と設定してこれを考慮に入れた。付加荷重は約４３００ｋｇｆ程度とし、最大応力値はテーパーのボトム部分のフィレットについて、フィレットが拡大する方向に作用する応力を算出した。
【００２６】
その結果は以下のとおりである。：

この結果から、本発明のモデル１は最大応力値がモデル４に次いで２番目に小さく、しかもモデル４よりも付加荷重が１５０ｋｇｆも大きいことを考慮すると、実質的に最も最大応力値が小さく、したがって、機械的強度が最も大きいことを示している。
【００２７】
【発明の効果】
叙上のように本発明によれば、セラミック製の骨頭球と金属製のステムの結合において、上記テーパー孔のさらに奥部に空所を形成したことにより、▲１▼骨頭球とステムとの当接面に加わる荷重応力を空所の周囲にも分散させることができるので骨頭球の圧縮強度を向上せしめる。▲２▼骨頭球のテーパー孔の壁面を回転式ダイヤモンドチップで精密研削する際に、チップを空所に逃がすことができるので、チップの凹凸形状がテーパー孔の奥部分の壁面に転写されることがない。▲３▼且つ空所からテーパー孔の開口に向けて折り返し精密研削することができ加工能率が上がる。
【００２８】
加えて、上記空所の周壁面を上記テーパー孔の中心軸に対しほぼ平行に形成したことにより、大きな荷重を受けた際の単位面積当たりの最大応力が非常に小さくなるので▲１▼骨頭球の強度を大幅にアップすることができる。▲２▼径の小さな骨頭球を作ることができるため臼蓋ソケットの慴動面を形成する高密度ポリエチレン等の肉厚を十分に厚くすることができ関節の耐用年数（寿命）を増大することができる。
【００２９】
したがって、生産性に富み、高強度、長寿命、高信頼性をもった人工股関節をもたらすことができ、人類の福祉に大いに寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態による人工股関節の要部断面図である。
【図２】本発明他実施形態による人工股関節の要部断面図である。
【図３】本発明他実施形態による人工股関節の要部断面図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は空所の作用を説明するための説明図であり、それぞれ人工股関節の骨頭球の要部断面図である。
【図５】前記最大応力値算定に用いた比較モデルの骨頭ボールの垂直断面図である。
【符号の説明】
Ｂ：骨頭球
Ｓ：ステム
ｂ：テーパー孔
ｅ：空所
ｅ１：周壁面
ｃ：縮小径部
Ｒ：曲率半径
ｈ：高さ
ｌ：中心軸

Claims

先端側にテーパー部が形成されたステムと、前記テーパー部を嵌入する奥細状のテーパー孔が穿設されたセラミックス製の骨頭球とを備え、該骨頭球における前記テーパー孔より奥部には空所が設けられ、該空所の周壁面が、前記テーパー孔の中心軸に対してほぼ平行に形成され、前記テーパー孔の周壁面と段差なく繋がっており、前記ステムの先端部が、前記テーパー孔の壁長の１／２より奥のテーパー壁面のみに当接している人工股関節。