JPH02297361A

JPH02297361A - 人工関節シミュレータ

Info

Publication number: JPH02297361A
Application number: JP1308190A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Sasaki; 佐々木　佳男; Kenji Doi; 憲司土居; Masahiro Tomita; 冨田　正博; Yoshiyuki Kamikawa; 神河　良幸; Manabu Hisada; 学久田; Takatoo Mizoguchi; 溝口　孝遠; Toru Araya; 徹新家
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1989-02-23
Filing date: 1990-01-22
Publication date: 1990-12-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は人工関節の機械的性能や耐久性等を計測又は評
価するためのシミュレータに関し、詳細には上記計測又
は評価を実際の装着状況に酷似させた状態で行なえる様
にすると共に、シミュレータ自体の構造が複雑とならず
、コンパクト且つ故障の発生が少ない構成を備えた人工
関節シミュレータに関するものである。

以下の説明においては人工股関節を試験対象としてこれ
に適用するシミュレータについて述べるが、本発明の試
験対象となる関節部位は一切限定されない。

［従来の技術］股関節が欠損又は損傷した場合は第５図（一部破断斜視
図）に示す様な人工股関節を利用することがある。該人
工股関節は大腿骨側の代替骨となる人工骨１、及び骨盤
側の代替骨となって前記人工骨１の先端頭部１ａに対し
て回転自在に嵌合されるカップ２から構成される。この
様な人工股関節を生体内で使用するに当たっては、予め
次の様な点を評価しておく必要がある。即ち人工股関節
を生体内に埋め込んだときに歩行や屈伸等の運動が支障
なく行なえるかどうか、或は長期に亘って前記運動が繰
返されたときに該人工股関節に不具合を生じることがな
いかどうか等を試験しておかなければならない。

そこでこの様な試験を生体内と同じ様な条件の下で、別
に設けた装置を使って行なう目的で人工股関節シミュレ
ータが開発されており、このシミュレータの例としては
特開昭６３−１５８０５４号公報に開示されたものがあ
る。

人工股関節における頭部１ａとカップ２（第５図参照）
の機械的強度や摩擦係数等の性能試験、並びに頭部１ａ
、ステム部１ｂ及びカップ２の耐疲労強度や耐摩耗性等
の耐久試験を行なうシミュレータとしては、次の項目を
満足する様なものでなければならない。

■まず第５図に示す様な人工骨１とカップ２の配設にお
いて、３次元方向にＸ、Ｙ、Ｚ軸を想定したとき、Ｙ軸
に沿って矢印Ｆ、Ｇ方向（人工骨１の軸芯に沿う方向）
に方向変換の自在な荷重（以下単に軸荷重という）を負
荷でき、さらにこの軸荷重の負荷量をも任意に変えられ
る様な軸方向加圧機構を備えなければならない。また人
工骨１とカップ２の接触面において相互に摺擦６動する
様に、Ｘ−Ｚ面（水平面）内において一定角度θの範囲
で矢印ＸＩ、Ｘ２方向に方向変換することのできるねじ
り運動が行なえる機能、及びＹ−Ｚ面内において一定角
度φで矢印Ｙ　ｒ　、　Ｙ　２方向に方向変換すること
のできる揺動運動が行なえる機能を備えていなければな
らない。

■歩行時においては、股関節の頭部に体重の５〜６倍の
荷重が負荷されると言われており、前記軸荷重の最大負
荷量は５００　ｋｇｆ程度まで高めることができるもの
でなければならない。

■人工骨１とカップ２の配置は生体内に埋込むときと同
様、カップ２が上で人工骨１が下に位置する正立状態（
第５図の状態）に保持できるものでなければならない。

■上記軸荷重の方向変換及び荷重負荷量の変更は人の運
動パターンに近似する様自在に変更できるものでなけれ
ばならない。

■前記ねじり運動の方向変換周期、揺動運動の方向変換
周期及び軸荷重の方向と負荷量の変更周期は任意に定期
的又は非定期的に変えることができるものでなければな
らない。

■人工骨１とカップ２は、生体埋込み状態と類似する条
件とするため、生理食塩水等の試験液中に浸漬して作動
させることができるものでなければならない。

■人間の骨盤の剛性とできるだけ類似した条件で作動で
きるものでなければならない。

［発明が解決しようとする課題］上記■〜■のうち、特に■、■、■、■、■の条件を満
たすためには、軸荷重、揺動、ねじりの３運動を夫々独
立して行なえる様な装置を備え、且つ夫々別の駆動源を
使って任意の周期及び荷重変更パターンで人工股関節を
動かすことのできる装置を提供することが必要となる。

しかしこの様な装置では機構が複雑となって装置全体が
大型化して高価となり、さらに稼動機構部分が多くなる
ため、摩損を引き起こし易く、ＭＭ機構部分の故障発生
率が高くなったり、或は該摩損部分を修復するための保
守作業が多くなるといった問題を生じる。また他に前記
■及び■の条件を満足しないものとして、人工骨１とカ
ップ２の位置を生体埋込み状態と逆に配置したり、或は
大気中で人工関節を作動させる様な装置を使用した場合
には、人工骨１とカップ２の摩擦によって生じる微粉末
が上向きカップ２の凹曲面内に滞留したり、或は潤滑性
を不正確にし、摩擦環境が異なる為に正確にシミュレー
トできないといフた不都合があった。

他方カップ２は第５図に示す様に金属製（主としてステ
ンレス鋼製）の保持台座２９に嵌装されるのが一般的で
あり、この様なシミュレータ装置では人間の骨盤に比較
して剛性が高過ぎるという問題があった。そのためこの
ようなシミュレータ装置では人工関節の変形が小さく、
カップに発生する応力も小さくなるので、性能評価とし
て実際の使用とそぐわなくなり、上記■の条件を満たさ
ないという問題があった。

そこで本発明者らは、上記■〜■の条件を満足し、しか
も装置自体の構造が複雑とならずコンパクトに構成でき
、且つ故障が少なくてメンテナンスが簡単でしかも人間
の骨盤に類似した剛性を発揮し得る人工関節シミュレー
タを提供する目的で研究を重ね、本発明を完成した。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成した第１の発明は、揺動機構及びねじり
機構は各々の伝達装置を介して１つの可変速駆動源に接
続されることによって、上記揺動機構及びねじり機構を
機械的に同期作動できる様に構成してなる点に要旨を有
するものである。

またカップを着脱自在に嵌装保持するカップ支持具を低
剛性の材料によって形成し、該カップ支持具を保持台座
へ着脱自在に取付ける様に構成することもできる。

［作用及び実施例］第１図は本発明シミュレータの代表的な実施例を示す原
理説明図であり、第２図はこれを適用したシミュレータ
の一部破断側面説明図である。

該シミュレータはねじり機構１０、揺動機構２０及び軸
方向加圧機構４０を備えたものであり、前記ねじり機構
１０は、台座１８（第２図参照）を介して人工骨１を保
持するターンテーブル１４と、該ターンテーブル１４を
矢印Ｘ　ｒ　”　、Ｘ　２方向に揺動するためのＡＣサ
ーボモータ３を主構成部材とし、該ターンテーブル１４
とＡＣサーボモータ３はロッド１３．プーリ１１，１２
及びベルト４等の伝達装置を介して接続される。

即ちＡＣサーボモータ３が矢印Ａ方向へ回転すると、該
回転力はベルト４を介してプーリ１１に伝達され、さら
に軸１５を介してプーリ１２を同方向に回転する。尚軸
１５は軸受１６に回転自在に支持される。前記プーリ１
２上にはロッド１３の一方端を回転自在に支持する枢支
点０□が設けられ、該プーリ１２の回転によってロッド
１３を矢印８ＭＣ方向に往復移動する。該ロッド１３の
他方端はターンテーブル１４上に設けた受は部材１７と
次に述べる様に連結される。即ち該受は部材１７とロッ
ド１３の先端は、ターンテーブル１４の揺動回転に合わ
せて水平回動が可能な構造で、且つ枢支点Ｏ０の回転移
動に合わせてロッド１３が上下方向及び水平方向に振動
するの対して支障のない連結構造であれば良い。この様
な結合構造としては例えばピボット結合や第２図に示す
様な回転軸支接合とピボット結合を組合せたもの等が採
用できる。また上記枢支点０１におけるロッド１３の結
合は、前記した連結構造と同様、ピボット結合等を採用
することが好ましい。なおターンテーブル１４上には第
２図に示す様な貯留槽５３を設け、該貯留槽５３内へ生
理食塩水を貯留又は循環できる様に構成し、人工骨１や
カップ２が液中に浸漬されて生体条件と類似した状態と
なる様に工夫されている。

他方ターンテーブル１４は基台４２上にベアリング等を
介して軸支回転自在に構成されており、上記ロッド１３
の往復移動によってターンテーブル１４は基台４２に対
して矢印Ｘ　ｒ　”　Ｘ　２方向に回転揺動し、カップ
２に対して該人工骨１をねじる様に作動する。尚このと
きのねじり角度θは、プーリ１２とロッド１３の枢支位
置を変えることによって変更できる。例えば枢支点を図
中の０１から０２へ変換すればロッド１３の矢印Ｂ、Ｃ
方向の往復移動量は小さくなり、ねじり角度θを小さく
することができる。

また揺動機構２０はクランク２８を主たる構成部材とし
て次の通り構成される。該クランク２８の凹部には保持
台座２９が固定され、該保持台座２９の下方には低剛性
材料によって形成されたカップ支持具２９ａが取付板２
９ｂによって着脱自在に取付けられ、さらに該カップ支
持具２９ａの下部はカップ２を着脱自在に嵌装できる様
に構成し、装着したカップ２と人工骨１の頭部１ａが嵌
合できる様に構成される。また前記クランク２８のクラ
ンク軸２７ａ、２７ｂは軸受２３ａ。

２３ｂを介してフレームＦ１に回転自在に軸支され、該
クランク軸２７ａの一方端部にはアーム２６が固定され
る。該アーム２６の先端部にはロッド２５が回転自在に
軸支されると共に、該ロッド２５の他方端はアーム２６
の揺動平面と同一平面内で回転するプーリ２４に対して
回転自在に軸支される。該プーリ２４は軸２２．プーリ
２１及びベルト４を介してＡＣサーボモータ３に連結さ
れる。従ってＡＣサーボモータ３の矢印入方向への回転
によってプーリ２４が同方向に回転したとき、該プーリ
２４の回転によってロッド２５が矢印Ｄ４４Ｅ方向に往
復移動し、アーム２６及びクランク２８は矢印Ｙ１→Ｙ
２方向に揺動し、保持台座２９に取付けたカップ２は人
工骨１に対して揺動運動する。該カップ２の揺動角度φ
はクランク２８及びアーム２６の揺動角度と同じであり
、との揺動角度を変更するためには、ロッド２５とプー
リ２４又はアーム２６の軸支位置を変えれば良く、上記
ねじり角度θと同様に揺動角度φは簡単に変更できる。

例えばプーリ２４におけるロッド２５の接続位置を０３
から０４へ変換すれば、揺動角度φを小さくすることが
できる。

上記ねじり機構１０及び揺動機構２０は１つのＡＣサー
ボモータ３を駆動源とし共用しているので、人工骨１と
カップ２の当接面における揺動運動及びねじり運動は機
械的に同期して作動させることができる。また上記ＡＣ
サーボモータ３は正逆２方向に回転変換させるのではな
く、一定方向に回転速度を変えて回転させるものである
から、上記の揺動運動及びねじり運動を位相ずれを生じ
ることなく連続的に繰返すことができる。

さらにねじり機構１０又は揺動機構２０のいずれかの伝
達装置内に可変プーリを設けることにより、ねじり運動
及び揺動運動の周期を任意にずらす様に調整することも
できる。

なお前記人工骨１及びカップ２は人体内に埋込んだとき
と同様、正立状態に保持できるため、実際の使用に近似
した条件で試験を行なうことが可能である。

前記ターンテーブル１４を取付ける基台４２は、軸方向
加圧機構４０における複動型油圧シリンダ４１のロッド
４３の先端に固定され、矢印Ｆ４４Ｇ方向に昇降自在に
構成され、人工骨１とカップ２０間における軸荷重の方
向は容易に変換できる。さらに該油圧シリンダ４１はサ
ーボ制御タイプのものを使用することにより、該油圧シ
リンダ４１に接続される制御装置５０によって荷重負荷
量を任意に変更制御できる。

また該制御装置５０は制御系路５２を介してＡＣサーボ
モータ３とも接続しておくことにより、上記油圧シリン
ダ４１とＡＣサーボモータ３を同期して作動制御するこ
ともできる。従ってこれらねじり機構１０、揺動機構２
０及び軸方向加圧機構４０を同時に作動することにより
、人工股関節に軸荷重を負荷しつつ、揺動及びねじり運
動を模擬的に再現することができ、人体の関節と同様の
動き及び荷重パターンをシミュレートすることができる
。

上記ねじり機構１０及び揺動機構２０における動力伝達
装置は図例のものに限られず、その他歯車やチェーン等
公知の伝達装置を使用するものであっても良い。

尚上記機構の適所には揺動力、ねじり力、軸方向荷重負
荷値等を検出する計測センサや、摩耗量を連続的に計測
する摩耗量検出装置等を配設し、人工骨１やカップ２の
機械的性能及び耐久性を適宜計測及び表示記録できる様
に構成するのが好ましい。

第３図はカップ２を嵌装するカップ支持具２９ａの剛性
を変えたとき、カップ２に発生する最大応力の変化を解
析したものである。例えばステンレス鋼のヤング率は２
１０００　Ｋｇ／ｍｍ２程度であるが、ヤング率を低く
すれば発生する最大応力は徐々に増大し、ヤング率をＩ
　Ｋｇ／ｍｍ２程度まで低下させると最大応力は約１．
４倍増加することが分かる。従って剛性の低いカップ支
持具２９ａを使用すれば、人工関節の変形状態等を実際
の股関節への使用状態にできるだけ類似したものとして
観察及び評価することができる。上記低剛性材料として
は例えばポリウレタンゴムや低密度ポリエチレン等を使
用する。

第４図はカップ２をステンレス鋼製の保持台座２９に直
接取り付けたもの（従来例）と、ポリウレタンゴム製の
カップ支持具２９ａを介装したもの（本発明実施例）の
夫々について、シュミレータ装置による反復回数とカッ
プ２の摩耗量との関係を比較したグラフである。このグ
ラフによって明らかな様に、本発明実施例のほうが従来
例よりカップ２の摩耗量が多くなり、剛性を低くしたほ
うが苛酷な状態の予想される人体の骨盤により類似した
ものとすることができ、実際の人体骨盤の装着に適した
人工関節の性能評価ができる様になる。

［発明の効果］本発明は以上の様に構成されているので、人体の運動パ
ターンに合わせた荷重負荷及び運動を正確に模擬して人
工関節を作動することができ、人工関節の性能及び耐久
性等を確実に試験できる。

しかもこの装置の全体構造は複雑でなくコンパクトに構
成でき、故障の発生は少なくてメンテナンスも簡単に済
む様になった。従って装置コストは廉価であり、ランニ
ングコストも低く抑えることができる様になった。

また請求項（２）の如くカップは低剛性材料によって形
成されたカップ支持具に保持されるので、人体骨盤への
装着に類似した条件で人工関節の性能試験が行なえる様
になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明シミュレータの代表例を示す原理説明図
、第２図は本発明シミュレータの実施例を示す一部破断
側面図、第３図はカップの支持具の剛性と最大応力との
関係を示すグラフ、第４図は本発明による低剛性のカッ
プ支持具と従来例の高剛性のものとの摩耗量相違を比較
するグラフ、第５図は人工関節の荷重負荷及び運動方向
を示す説明図である。１・・・人工骨　　　　　２・・・カップ３・・・ＡＣ
サーボモータ４・・・ベルト　　　　　１１．１２，２１．２４・・
・プーリ１３．２５・・・ロッド　　　１４・・・ター
ンテーブル１５．２２　・・・軸　　　　　１６，２３
，２３ａ、２３ｂ　・・・軸受１７・・・受は部材　　
　　２６・・・アーム２７ａ、２７ｂ・・・クランク軸２８・・・クランク　　　　２９・・・保持台座２９ａ
・・・カップ支持具　２９ｂ・・・取付板４１・・・油
圧シリンダ　　４２・・・基台５０・・・制御装置　　
　　５１．５２・・・制御系路５３・・・貯留槽

Claims

【特許請求の範囲】

（１）軸方向加圧機構によって軸荷重の負荷される人工
関節に揺動運動及びねじり運動を模擬的に作用させる揺
動機構及びねじり機構を備えてなる人工関節シミュレー
タにおいて、前記揺動機構及びねじり機構は各々の伝達
装置を介して１つの可変速駆動源に接続されることによ
って、上記揺動機構及びねじり機構を機械的に同期作動
できる様に構成してなることを特徴とする人工関節シミ
ュレータ。
（２）前記人工関節を構成するカップは、低剛性材料に
よって形成されたカップ支持具に着脱自在に嵌装され、
該カップ支持具は保持台座に着脱自在に取付けられてな
る請求項（１）に記載の人工関節シミュレータ。