JPH04218155A

JPH04218155A - 膝関節エンドプロテーゼ

Info

Publication number: JPH04218155A
Application number: JP3042774A
Authority: JP
Inventors: Dietrich Stock; デイートリヒ・シユトツク; Frimut Vizethum; フライムート・フイツエトウム; Walter Hund; バルター・フント
Original assignee: Friedrichsfeld GmbH Steinzeug und Kunststoffwerke
Current assignee: Friatec AG
Priority date: 1990-02-16
Filing date: 1991-02-15
Publication date: 1992-08-07
Anticipated expiration: 2017-01-07
Also published as: DE59106746D1; DE4009360A1; EP0442330B1; EP0442330A3; US5064437A; EP0442330A2; DE4009360C2; JP3244180B2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大腿骨部、半月板要素
及び脛骨部を有し、大腿骨部及び脛骨部は支持面によっ
て半月板要素の関連する支持面に当接し、その際大腿骨
部の球面状に形成された支持面は半月板要素の凹型の球
面状支持面に当接する膝関節エンドプロテーゼに係わる
。

【０００２】

【従来の技術】西独特許第２５　　５０　　７０４　　
Ｃ２号から、大腿骨部の球面状に湾曲した支持面と、脛
骨部の実質的に平らな支持面との間に２つの人工半月板
要素が配置されている膝関節エンドプロテーゼが公知で
ある。大腿骨部及び半月板要素の湾曲支持面は製造に非常に手
間が掛かり、その際製造公差のために、大きい面圧が生
じることは実際上ほとんど回避され得ない。この点で一
定の補償を可能にするべく、半月板要素は軟質プラスチ
ックによって形成されている。支持面の外形寸法の些細
なずれと、その結果としての面圧及びピーク荷重とによ
って比較的急速に消耗が進み、損傷に至る恐れが有り、
従ってこの膝関節エンドプロテーゼの耐用期間はかなり
短い。プラスチックは、公知のように圧縮荷重を付与さ
れると変形したままとなる傾向を有し、本来相補的であ
る支持面の外形寸法が変わってしまう。半月板要素を、
例えばポリエチレンのような軟質プラスチックで形成す
ると、実際上かなりの時間が経過した後も半月板要素は
変形したままということになり、その結果大腿骨部及び
半月板要素の支持面の本来の相補的構造はもはや保証さ
れ得ず、エンドプロテーゼ全体の機能性が問題となる。半月板要素は脛骨部の平らな支持面上で、直線運動のみ
でなく、大腿骨部の球面状に湾曲した支持面の中心を通
り、かつ脛骨部の平らな支持面と直交する軸線周囲への
回動も行ない得る。従って、大腿骨部の回動角度範囲を
規定する付加的なストッパが設けられている。この点に
関して、線状、更には点状の当接によって大きい面圧が
生じ、ピーク荷重が不利なほど大きくなり、損傷が起こ
るという危険が有る。

【０００３】西独特許第３５　　２８　　２０４　　Ａ
１号からは、大腿骨部及び脛骨部が各々案内機構を有す
る膝関節エンドプロテーゼが公知である。案内機構は好
ましくは、屈曲位置を球欠面内に実現するべく互いに共
働する溝及び突起として形成されている。案内機構は、
大腿骨部と脛骨部とが互いに反対方向へ回動し得、それ
によって本物の膝関節に対応して付加的な自由度が得ら
れるように形成されている。この膝関節エンドプロテー
ゼでも大腿骨部の支持面は球面状に湾曲した面として形
成されているが、この例の場合大腿骨部の支持面は、対
応して湾曲した脛骨部の支持面において支持されている
。補助として半月板要素も用いることは行なわれず、従
って運動の推移は本物の膝関節のものにさほど緻密には
対応しない。

【０００４】更に、米国特許第４２　　２４　　６９６
号からは、プラスチック製の半月板要素のための湾曲支
持面を有する脛骨部を含むエンドプロテーゼが公知であ
り、その際脛骨部の湾曲支持面の中心は大腿骨部の領域
に位置する。大腿骨部及び脛骨部の支持面は実質的に互
いに同軸に位置し、かつ本物の関節部分の表面構造にほ
ぼ対応して湾曲するように形成されている。ただ１つの
プラスチック製半月板要素が設置されており、この要素
の凸型の湾曲支持面がただ１つの脛骨部の凹型湾曲支持
面に対応して当接する。このような膝関節エンドプロテ
ーゼでは、製造に掛かる手間が少なくなく、また線接触
に起因する面圧を実際上排除し得ない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って本発明は、冒頭
に述べたようなエンドプロテーゼを、運動及び負荷時に
生理学的膝関節機能が満たされるように改良することを
目的とする。力は可能なかぎり大きい面に伝達され得る
べきであり、特に線または点接触に起因する局所的ピー
ク荷重は回避されるべきである。エンドプロテーゼは小
型であるべきである。更に、相対運動可能部分に関する
良好な摩擦学的特性と、力を伝達する部分の静力学的安
定とが保証されるべきである。また、相対運動可能な構
成要素間の摩擦力は最小限とされるべきである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、特許請求の
範囲第１項にその特徴を記した本発明によって達成され
る。

【０００７】

【作用】本発明の提供する膝関節エンドプロテーゼは、
信頼でき、かつ場所を取らない構造で、生理学的な運動
学及び静力学特性が最適に実現されることを保証する。大腿骨部の支持面は球面状に形成されており、一方脛骨
部の支持面は円柱面状に形成されており、その際半月板
要素の関連する支持面は対応して球面状または円柱面状
に形成されている。伸開線状に湾曲した支持面を有する
身体独自の顆とは対照的に、２つの大腿骨部は球面状の
支持面を有し、これらの支持面、及び対応する半月板要
素の凹型球面状支持面は高い精度で製造され得る。同様
のことは脛骨部及び半月板要素の、互いに同軸に位置す
る円柱面状支持面にも認められる。脛骨部の円柱軸線は
屈曲軸線に対応して、脛骨部が不動に載置された脛骨プ
ラトーに対して実質的に平行に位置する。脛骨部の、凸
型の円柱面状に形成された支持面の回転軸線は脛骨の領
域に有り、それによって半月板要素が円柱面上を強制的
に案内されることが保証され、かつ半月板要素の先に述
べたような回動が確実に防止される。両面凹型であるこ
の半月板要素の、大腿骨部を通る垂直軸線周囲への許容
しがたい回動を阻止するストッパは不要である。大腿骨
部の球面状支持面と、脛骨部の円柱面状支持面とが組み
合わせられることにより、円柱面上で半月板要素の面制
御及び強制案内が好ましく実現する。その時々の屈曲位
置に従って、半月板要素は脛骨部及び大腿骨部に関して
確実に所定のように位置合わせされ、従って付加的なス
トッパ、制限要素等は必要ない。

【０００８】好ましくは、２つの脛骨部の円柱面の軸線
は共通の一平面内に位置し、この共通の平面は脛骨部及
び大腿骨部が伸展位置を取る際には実質的に２つの大腿
骨部の球面状支持面の球中心も含む。２つの半月板要素
は両面凹型に形成されており、その際大腿骨部に関連す
る方の支持面は球面状に、また脛骨部に関連する方の支
持面は円柱面状に形成されている。半月板要素は変形し
ない硬質材料、特に酸化物セラミックによって特に好ま
しく製造され得、それによって膝関節エンドプロテーゼ
の多年に及ぶ長い耐用期間が保証される。このことは、
半月板要素が、特により高弾性もしくはより軟質である
他のプラスチックから成る従来公知の膝関節エンドプロ
テーゼの場合と対照的である。好ましくは、半月板要素
は大腿骨部及び脛骨部と同じ材料から成り、その際移植
学において実証された生体適合材料、特にセラミックが
適用される。本物の膝関節の場合のように、脛骨部が大
腿骨部に関して伸展した位置では回動がロックされ、特
に２つの大腿骨部の球面状支持面の球中心が実質的に脛
骨部支持面の円柱軸線と同じ平面内に位置する。屈曲の
際には上記球中心が背側へ変位し、それによって回動が
可能となる。半月板要素は脛骨部に関して２つの空間方
向にしか運動できず、即ち円柱軸線周囲への回動と円柱
軸線に平行な並進としか可能でない。脛骨プラトーと直
交する垂直軸線周囲への回動は円柱面によって防止され
る。新たな伸展の際にも、半月板要素は脛骨部の凸型の
円柱面状支持面上を強制的に案内され、このように凸型
に湾曲した脛骨部支持面に沿って強制的に案内されるこ
とにより、半月板要素は伸展位置で元の位置を取り戻す
。

【０００９】より優れた機能を達成するべく、本発明の
範囲内で脛骨部支持面を脛骨プラトーの一方または両方
の側部に向かって傾斜させて、案内機能と生体適合性と
を改善することも可能である。脛骨プラトー上に配置さ
れる２つの脛骨部の円柱軸線が脛骨プラトーに関して同
一方向へか、または互いに反対方向へ傾けられ得、その
際傾斜角度は必要に応じて予め決定され得る。２つの円
柱軸線の、互いに同じであるかまたは異なる傾斜角度は
０〜±４５度であり得、０〜±２０度が好ましいことが
判明した。半月板要素が脛骨部の円柱面状支持面に関し
て周方向及び／または軸線方向に運動可能である点が重
要である。大腿骨部、半月板要素及び脛骨部は各々の支
持面によって、大腿骨部及び脛骨部のいかなる回動角度
位置においても大面積にわたって互いに当接し、その際
線接触及びピーク荷重は確実に回避れさる。特に好まし
くは、半月板要素は大腿骨部及び脛骨部と同じ材料によ
って形成され得、全体として長い耐用期間と高い機能上
の安全性とが達成される。半月板要素が円柱軸線方向に
おいて脛骨部の側方まで案内されることは好ましく防止
され得、それによって補償運動が可能となる。大腿骨部
と、半月板要素と、脛骨部との結合は、靭帯及び筋肉を
伴う完全な運動器官によって解剖学的に最適に維持され
、その際面接触の持続が保証され、線接触及び過負荷は
確実に回避される。そのうえ、脛骨及び大腿骨の関節面
を造形することによって、関節の自由で組織を損なわな
い運動性が解剖学的必要条件に対応して実現されている
。

【００１０】本発明による膝関節エンドプロテーゼの長
所及び特徴を、添付図面に基づき以下に詳述する。

【００１１】

【実施例】図１に、本発明による膝関節エンドプロテー
ゼを身体側面側から見たところを概略的に示す。このエ
ンドプロテーゼは大腿骨部２を含み、大腿骨部２の支持
面４は球面状に形成されている。半月板要素６は、やは
り球面状である第１の支持面８を有する。第１の支持面
８は大腿骨部２の支持面４と同心に位置し、しかも支持
面４と同じ球半径を有する。両面凹型の半月板要素６は
、円柱面状である第２の支持面１０も有する。

【００１２】本発明のエンドプロテーゼは円柱面状の支
持面１４を有する脛骨部１２も含み、支持面１４には半
月板要素６の、該面１４と同軸である支持面１０が当接
する。後段に更に詳述するように、屈曲時、半月板要素
６は円柱面状支持面１４に沿って運動し、その際この運
動を制限するために、好ましくは制限部１６、１８が脛
骨部１２上に配置されている。脛骨部１２は脛骨プラト
ー２０と不動に結合されている。場合によっては、脛骨
部１２と脛骨プラトー２０とを一体に形成することも可
能である。脛骨プラトー２０下側には切削先端２４を具
えた円柱形の突出部２２が設けられており、これらの突
出部２２は、ここには専ら一点鎖線２６で概略的に示し
た取り付けねじが用いられることにより、骨への確実な
固定を可能にする。

【００１３】脛骨部１２を、脛骨プラトー２０の対応す
る凹部内に配置され、かつそこに取り付けられる分離し
た構成要素ともし得ることを破線２５によって示す。管
形の突出部２２はその内側に、取り付けねじ２９用のテ
ーパ付き戻り止め孔２７を具えている。取り付けねじ２
９は安全要素によって脛骨プラトー２０中で緩むのを防
止されているが、必要であればねじ２９を緩めて脛骨プ
ラトー２０を脛骨から取り外すことができる。取り付け
ねじの緩みを防止するべく突出部２２内側に、例えば好
ましくはねじ山付きボルト用のねじ山を設けることも可
能である。

【００１４】図２に、本物の顆状突起に対応して２つの
大腿骨部１、２を含む本発明の膝関節エンドプロテーゼ
を腹側から見たところを示す。図２からは、図１と併せ
て見れば、２つの大腿骨部１、２が球形に形成されて、
中心３１、３２と球面状支持面３、４とを有することが
明らかに知見される。大腿骨部１、２の半径は、好まし
くは互いに等しい。しかし、２つの半径を別個の大きさ
とすることも原則として可能である。その場合は、２つ
の中心３１と３２とを結ぶ結合線３４が脛骨部１１、１
２の支持面の円柱軸線３８、３９に対して平行であるこ
とが前提条件となる。円柱軸線３８と３９とは共通の平
面４０内に位置する。好ましくは、エンドプロテーゼ伸
展位置では中心３１、３２も同じ平面４０内に位置する
。それによって、伸展位置において、脛骨プラトー２０
と直交する垂直軸線周囲への回動に対するロックが確実
に保証される。あるいは他の場合には、本発明の範囲内
で円柱軸線３８、３９を、互いに対して所与の角度を成
す別々の平面内に配置することも可能である。更に別の
構成では、中心３１、３２及び／または中心３１と３２
との結合線３４は平面４０外に配置され得、それによっ
て上記垂直軸線に関する回動のロック、及び／または本
物の膝関節が行なうような回動の自在な実現がその時々
の必要性に応じて可能となる。そのうえ、このようにし
て所望の過伸展が規定されている。

【００１５】脛骨部１１、１２の支持面、及び２つの半
月板要素５、６の対応する支持面が円柱面状に形成され
ることによって、円柱軸線に平行な運動が双方向矢印３
６に対応して実現し得る。しかもこの運動によって、２
つの中心３１と３２との間隔の、機能によって条件付け
られる変化が確実に補償される。中心３１と３２との間
隔が変化しても、脛骨プラトー２０及び両脛骨部１１、
１２の横断方向運動性と、その他の点では不変である配
置とによって互いに対応する支持面同士の面状の当接が
確実に保証され、その際線接触と、その結果としての大
きい面圧とは回避される。脛骨部１１、１２の円柱面状
支持面１３、１４は脛骨の領域に位置する回転軸線３８
、３９に関して回転半径４３、４４を有し、これと相補
的に、２つの半月板要素５、６の対応する凹型支持面が
形成されている。円柱半径４３と４４とは等しいことが
好ましいが、ここに図示しない変形例では円柱半径４３
、４４を互いに異なる大きさとすることも可能である。

【００１６】一点鎖線３５で示したように、脛骨部１１
、１２の円柱面状支持面１３、１４もしくは円柱軸線３
８、３９は脛骨プラトー２０に対して角度３７だけ傾斜
して配置され得る。それによって円柱軸線３８、３９は
、脛骨プラトー２０に垂直な脛骨軸線３３に対して勾配
を有する。傾斜角度もしくは勾配は、２つの脛骨部支持
面１３、１４それぞれについて別の大きさとされ得る。更に、２つの脛骨部支持面１３、１４の傾斜は互いに反
対方向へ実現され得る。このように、脛骨部支持面１３
、１４が脛骨プラトー２０の一方または両方の側部に向
かって傾斜することにより、案内機能及び生体適合性が
必要に応じて著しく改善され得る。いずれの変形例でも
、大腿骨部１、２と、半月板要素５、６と、脛骨部１１
、１２とは、互いに対応する各々の支持面により大面積
にわたって当接し合う。半月板要素５、６は、好ましく
は大腿骨部１、２及び脛骨部１１、１２と同じ材料から
成る。半月板要素にも、大腿骨部及び脛骨部にも、移植
学で保証された材料、特にセラミックが用いられる。

【００１７】図３に、過伸展５度での大腿骨部２を実線
で示す。これに対して、屈曲位置に有る大腿骨部２及び
半月板要素６は一点鎖線で示す。屈曲時、中心３２は線
４１に対応して湾曲した軌跡を辿る。大腿骨部２の球半
径４２は２５〜４０ｍｍであり、一方脛骨部１２の円柱
半径４４は４０〜６０ｍｍに規定され得る。ここで重要
であるのは、円柱半径４４が球半径４２に１より大きい
係数を乗じて得られる値を有するということである。そ
の際、係数は１．１〜２．５で、好ましくは１．２〜２
．０である。大腿骨部２は約１８０度の角度範囲にわた
って伸長し、その内側の輪郭は段状となっている。

【００１８】図４に、大腿骨部２の段状の内側輪郭を一
点鎖線で示す。大腿骨部２をこのように形成することに
よって、安定な構造の下に材料の節約と重量の減少とが
達成され、そのうえ大腿骨への確実な固定も可能となる
。大腿骨部２の幅４６は半月板要素６の幅４８より小さ
い。２つの幅４６と４８との差は、双方向矢印５０の方
向で許容可能な最大角度での回動の際に大腿骨部２の支
持面４が半月板要素６の、該支持面４と同心に位置する
支持面８に完全に支持されるように規定される。脛骨部
１２の幅５２も半月板要素６の幅４８より大きく、それ
によって先に述べた横断方向運動が可能となる。様々な
面部分同士の間の移行部に丸みを付けて、縁が鋭くなる
のを回避することは自明である。

【００１９】図５には、脛骨プラトー２０に垂直な脛骨
軸線３３を有する脛骨５４も概略的に示す。脛骨部１２
の円柱軸線３９は、脛骨軸線３３とは交わらず、背側に
距離６０だけずらして配置されている。距離６０は範囲
６２内で必要に応じて規定され、その際範囲６２は１０
ｍｍ以下であり得る。場合によっては、円柱軸線３９を
範囲６４内で脛骨軸線３３から腹側にずらして配置する
ことも可能である。ここに図示した特定の例では、過伸
展５度において大腿骨部支持面４の球中心３２と円柱軸
線３９とは脛骨プラトーに垂直な同一平面４０内に位置
し、この平面４０は脛骨軸線３３に対し上記距離６０を
置いて平行に規定されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による膝関節エンドプロテーゼを身体側
面側から見たところを示す概略的側面図である。

【図２】本発明のエンドプロテーゼを腹側から見たとこ
ろを示す概略的正面図である。

【図３】屈曲及び伸展位置に有る本発明のエンドプロテ
ーゼを拡大して示す、図１に類似の側面図である。

【図４】図３のエンドプロテーゼをＩＶの方向に見たと
ころを示す説明図である。

【図５】円柱軸線の位置説明のための、図３に類似の側
面図である。

【符号の説明】

１，２　　大腿骨部４，８，１０，１４　　支持面５，６　　半月板要素１１，１２　　脛骨部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　大腿骨部、半月板要素及び脛骨部を有
する膝関節エンドプロテーゼであって、大腿骨部及び脛
骨部は支持面によって半月板要素の関連する支持面に当
接し、その際大腿骨部の球面状に形成された支持面は半
月板要素の凹型の球面状支持面に当接し、脛骨部の支持
面が凸型の円柱面状に形成されており、この支持面は半
月板要素の、該支持面と同軸に配置された凹型円柱面状
支持面に当接し、半月板要素は脛骨部の円柱面状支持面
上を強制的に案内され、半月板要素の、大腿骨部の中心
を通る軸線周囲への回転は防止されていることを特徴と
する膝関節エンドプロテーゼ。
【請求項２】　　半月板要素が脛骨部の円柱面状支持面
に関して周方向もしくは軸線方向に、または周方向にも
軸線方向にも運動可能であり、その際半月板要素は円柱
軸線周囲に回動可能であり、また円柱軸線に対して平行
に並進可能であることを特徴とする請求項１に記載のエ
ンドプロテーゼ。
【請求項３】　　脛骨プラトー上に２つの脛骨部が互い
から離隔して配置されており、これらの脛骨部の円柱面
状支持面の円柱半径は好ましくは互いに等しく、及び／
または前記半径は好ましくは４０〜６０ｍｍであること
を特徴とする請求項１または２に記載のエンドプロテー
ゼ。
【請求項４】　　２つの脛骨部の円柱軸線が実質的に同
一平面内に配置されており、大腿骨部が脛骨部に関して
伸展した位置において２つの大腿骨部の中心及び／また
はこれらの中心を結ぶ結合線は、好ましくは実質的に前
記平面内で、前記円柱軸線に対し実質的に平行に位置す
ることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記
載のエンドプロテーゼ。
【請求項５】　　半月板要素が大腿骨部及び／または脛
骨部と実質的に同じ硬度を有する材料から成り、その際
半月板要素は好ましくは大腿骨部及び／または脛骨部と
同じ材料から成ることを特徴とする請求項１から４のい
ずれか一項に記載のエンドプロテーゼ。
【請求項６】　　脛骨プラトーが、脛骨部を受容するの
とは反対の側に好ましくは管形の突出部を有し、この突
出部の内側に、取り付けねじ用のテーパ付き戻り止め孔
が設けられており、及び／または取り付けねじが緩むの
をねじ山付きボルトで防止するべくねじ山が設けられて
いることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に
記載のエンドプロテーゼ。
【請求項７】　　脛骨部の、特に円柱面状に形成された
支持面の円柱半径が大腿骨部の球半径に１より大きい係
数を乗じて得られる値を有し、その際係数は１．１〜２
．５、好ましくは１．２〜２．０であることを特徴とす
る請求項１から６のいずれか一項に記載のエンドプロテ
ーゼ。
【請求項８】　　脛骨部がその支持面の少なくとも一方
の端部に、半月板要素の運動を制限する制限部を有する
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載
のエンドプロテーゼ。
【請求項９】　　脛骨部の円柱軸線が脛骨プラトーに関
して所与の角度だけ傾斜して配置されており、従って脛
骨プラトーに垂直な脛骨軸線に対して勾配を有すること
を特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のエ
ンドプロテーゼ。
【請求項１０】　　脛骨部の円柱軸線が脛骨プラトーに
垂直な脛骨軸線から背側または腹側に、特に１０ｍｍま
での範囲内で所与の距離だけずらして配置されているこ
とを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の
エンドプロテーゼ。