JPH10513371A - 関節プロテーゼ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 膝関節プロテーゼは、大腿骨部材（１４）および脛骨部材（３０）を具備している。大腿骨部材は、各々が全体的に解剖学的な大腿骨顆の形状に合わせて湾曲している一対の顆（１０、１２）を備えている。各顆（１０、１２）の表面は、顆のうちの曲げ時に荷重に対抗する部分の曲率半径および顆のうちの伸ばし時に荷重に対抗する部分の曲率半径をそれぞれ表す前後方向の半径Ｒ_CFおよびＲ_CEにより規定され、また中央横方向半径Ｒ_CMLにより規定されている。脛骨部材（３０）は、各々が大腿骨部材の顆（１０、１２）の１つを受容可能に構成されている一対の陥没部（３２、３４）を備えている。陥没部の表面は、前後方向の半径Ｒ_TAPおよび中央横方向半径Ｒ_TMLにより規定されている。上記半径は、可動範囲および膝寿命の間のバランスを最適化するよう選択されている。

Description

【発明の詳細な説明】 関節プロテーゼ 本発明は、例えば、膝関節において互いに係合する大腿骨および脛骨の表面全 体を置換することを意図したタイプの膝全体のプロテーゼのような、関節プロテ ーゼに関するものである。発明の背景 今日では、人体の多くの異なる関節に対して、人工的な関節プロテーゼが、よ く使用されている。そのようなプロテーゼの１つとして、膝全体のプロテーゼが 知られている。実質的に、すべての膝全体のプロテーゼは、金属製大腿骨部材と 、プラスチック製プラットフォームを有する脛骨部材と、を備えている。大腿骨 部材は、解剖学的な大腿骨顆に対して全体的に適合する形状とされた、互いに離 間した顆を備えている。大腿骨顆は、脛骨プラットフォーム内の離間した陥没部 内に受容される。この場合、顆および陥没部の形状は、曲げが約１３０°であり かつ過伸張が約８°である可動範囲が得られるよう、設計されている。 Ｂｕｒｓｔｅｉｎ氏およびＩｎｓａｌｌ氏の米国特許第４，２９８，９９２号 には、Ｉｎｓａｌｌ Ｂｕｒｓｔｅｉｎ膝として広く受け入れられている、後方 に安定化された膝全体の関節プロテーゼが開示されている。Ｉｎｓａｌｌ Ｂｕ ｒｓｔｅｉｎ膝は、置換すべき解剖学的関節における相対運動に非常に似た相対 運動が可能な、大腿骨部材および脛骨部材を備えている。そのような運動には、 曲げ、前後移動、側方傾斜、および、軸方向回転がある。Ｉｎｓａｌｌ Ｂｕｒ ｓｔｅｉｎ膝は、脛骨ポストと、大腿骨部材のカムフォロア部と、の相互作用に より後方に安定化される。これにより、曲げ時に、大腿骨に対する脛骨の過度の 後方移動が防止される。Ｂｕｒｓｔｅｉｎ氏他の米国特許第４，２９８，９９２ 号は、参考のためここに組み込まれる。 膝に加えて、人の解剖学的関節を複製するために、一対の顆を離間した陥没部 内に受容する、他のタイプのプロテーゼがある。例えば、２つの顆を有するプロ テーゼは、足首または指に対して使用されている。本発明は、一対の顆を対応す る陥没部内に受容するような、任意の人工関節に対して応用可能である。本発明 が膝に対して具体化されていることにより、本発明の原理を、説明のために膝全 体の関節に関して説明する。以下の説明においては、曲げ時の大腿骨に対する脛 骨の後方移動が、脛骨ポストに対する大腿骨カムフォロア表面の係合により防止 されている、後方に安定化された膝全体のプロテーゼを詳細に参照する。膝プロ テーゼに関する限りにおいては、本発明の原理は、脛骨ポストまたは大腿骨カム フォロア表面を備えていないような、また、天然の後十字靭帯の保有を可能とす るための脛骨部材の中央ノッチを有していても有していなくても良い、後方十字 補強タイプの膝全体の顆付プロテーゼに対しても同等に応用可能である。これら ２つの膝が類似していることにより、本明細書においては、一方（後方安定型） のみについて説明する。 膝全体の置換の寿命に関心があることは、明らかである。大腿骨部材と脛骨部 材との間の接触表面における応力が大きいほど、その接触表面における劣化が大 きくなる。特に、大腿骨顆を受容するプラスチック製脛骨プラットフォームにお ける劣化が大きくなる。Ｉｎｓａｌｌ Ｂｕｒｓｔｅｉｎ膝および同様の膝にお いては、大腿骨表面と脛骨表面との間の接触負荷によりもたらされる応力は、部 材どうしの適合性を高めることにより低減することができる。すなわち、凸状の 大腿骨顆の半径が脛骨プラットフォームの陥没部の半径に対してよりよく適合す るように（一致するように）作られていれば、応力は（したがって、長期劣化性 は）、最小化される。しかしながら、大腿骨部材と脛骨部材とにおける一致性が 高い場合には、膝の可動範囲、とりわけ、曲げ伸ばしおよび軸方向回転が制限さ れてしまい、また、両部材がゆるんでしまう傾向が増大してしまう。軸方向回転 とは、大腿骨部材と脛骨部材とが同時に通常の歩行時の軸方向圧縮負荷と軸方向 捩れを受けたときの、大腿骨部材と脛骨部材との間に発生する角運動量のことで ある。よって、（曲率半径どうしが完全に一致すると望ましく最小化される）圧 縮負荷のもとでの接触応力と、接触表面が一致していれば最小化される可動範囲 、特に軸方向回転と、の間には、交換関係がある。 本発明は、対応形状のプラットフォーム内に載置される２つの凸状部を有する 部材を備えるタイプの、２つの凸状部を有する関節置換体を提供する。この場合 、圧縮負荷のもとでの応力は、実質的に、安定性および可動範囲の一切の損失を もたらすことなく、低減される。したがって、関節の寿命は、安定性および可動 範囲を犠牲とすることなく、増大する。 本発明は、後方安定化タイプまたは十字補強タイプのいずれの（例えば、Ｉｎ ｓａｌｌ Ｂｕｒｓｔｅｉｎ膝のような）膝全体の置換体に関して、特に好適に 適用することができる。実際、本発明は、Ｉｎｓａｌｌ Ｂｕｒｓｔｅｉｎ膝や 他のものと比較して改良された膝全体の置換体を提供する。大腿骨顆の形状を変 更することにより、膝蓋骨の内側および外側に取り付けられるソフトな組織（す なわち、靭帯）の張力が、低減される。これは、膝蓋骨−大腿骨関節において起 こり得る合併症を低減させる。発明の概要 ２つの凸状部を有する関節プロテーゼは、第１および第２部材を具備している 。第１部材（例えば、大腿骨部材）は、各々が全体的に解剖学的な凸状部の形状 に合わせて湾曲している一対の側方に離間配置された凸状部を備えている。各凸 状部の表面は、その少なくとも一部が、（ａ）凸状部のうちの曲げ時に荷重に対 抗する部分の曲率半径および凸状部のうちの伸ばし時に荷重に対抗する部分の曲 率半径をそれぞれ表す前後方向の半径Ｒ_CFおよびＲ_CEにより規定され、また（ｂ ）中央横方向半径Ｒ_CMLにより規定されている。第２部材（例えば、脛骨部材） は、各々が第１部材の凸状部の１つを受容可能に構成されている一対の側方に離 間配置された陥没部を備えている。陥没部の表面は、前後方向の半径Ｒ_TAPおよ び中央横方向半径Ｒ_TMLにより規定されている。上記半径は、比Ｒ_CF／Ｒ_TAP、Ｒ_CE ／Ｒ_TAP、および、Ｒ_CML／Ｒ_TMLが、可動範囲特に回転、および関節寿命の間 のバランスを最適化するよう選択されている。 比Ｒ_CML／Ｒ_TML、および、比Ｒ_CF／Ｒ_TAPの組合せは、膝の曲げ伸ばしの両方 の際に接触負荷により引き起こされる応力を最小化し得るとともに、同時に、可 動範囲の最も制限された状態における膝関節の適切な軸方向回転が可能であるよ うに、すなわち、Ｒ_CEにより規定される顆円弧上に接触が維持されているような 脛骨と大腿骨との間の最もタイトな接触時に膝関節の適切な軸方向回転が可能で あるように、選択されている。比Ｒ_CF／Ｒ_TAPは、約１３０°の曲げ伸ばし運動 範囲を可能とするよう、独立に選択される。図面の説明 図１は、本発明による膝プロテーゼの大腿骨部材を示す平面図である。 図２は、大腿骨部材を示す側面図である。 図３は、大腿骨部材を示す背面図（後方側から見た図）である。 図４は、大腿骨部材を示す正面図（前方側から見た図）である。 図５は、図４の５−５線矢視断面図である。 図６は、脛骨部材を示す平面図である。 図７は、脛骨部材の図６の７−７線に沿う前方側から後方側にかけての断面を 示す図である。 図８は、脛骨部材を後方側から一部を破断して示す図である。 図９は、前方側から後方側にかけて切断した断面図であって、大腿骨部材が脛 骨部材と組み合わされている様子が示されている。好ましい実施形態の詳細な説明 図面においては、大腿骨部材（図１〜図５）および脛骨部材（図６〜図８）を 備える後方安定化型膝全体プロテーゼを示している。図示のプロテーゼは、Ｉｎ ｓａｌｌ Ｂｕｒｓｔｅｉｎ膝を改良した形態である。 大腿骨部材は、一対の同一形状の互いに側方に離間した顆（凸状部、condyle ）１０、１２を備えている。顆の各々は、前方側から後方側にかけての全体に沿 って解剖学的大腿骨顆の凸状湾曲に全体的に適合するよう、側面視（図２）にお いて湾曲している。顆の前部は、膝蓋骨フランジ１４の凸状湾曲部１４ａ、１４ ｂに対してスムーズに融合している。膝蓋骨フランジ１４の中央部１４ｃは、凹 状である。膝蓋骨中央部１４ｃは、下端部において、箱状顆間部１６の前壁１６ ａと交差している。前壁１６ａおよび大腿骨のカムフォロア２０（後述）は、膝 蓋骨部１４とともに、顆１０、１２を連結している。一対の側方に離間した壁１ ６ｂ、１６ｃは、膝蓋骨フランジを両顆に対して連結しており、箱状顆間部１６ の両側面を形成している。 外科的に作製された大腿骨に対向する大腿骨部材の表面は、全体的にフラット であり、各顆１０、１２の”面”の場合には、大腿骨部材を大腿骨に対して取り 付けるために使用されている接合剤上に大腿骨部材を固定的に保持するというキ ー効果をもたらすために、小さなリブまたはフランジ１９（図１）により連結さ れている。 顆間部１６の前壁１６ａの上面は、全体的ににフラットである。顆間部１６は 、前面から後端部におけるカムフォロア２０に向けて上方に傾斜しており、全体 的に矩形の開口１８を備えている。 大腿骨部材は、例えば３１６Ｌステンレス鋼、またはクロム−コバルト−モリ ブデン合金、またはアルミナやジルコニア等のセラミック材料のような、外科グ レードの耐久性のある金属から形成されていることが好ましい。骨に連接するす べての表面は、高度に研磨されている。大腿骨部材は、前後方向の鉛直中央面に 関して対称である。したがって、大腿骨部材は、各膝に対して使用することがで きる。 脛骨部材は、図６〜図８において、符号３０で示されている。脛骨部材は、（ 図示のように）全体的にプラスチック製とすることができる。あるいは、脛骨部 材は、金属トレー上に取り付けられたプラスチックインサートを備えることがで きる。脛骨部材は、外科グレードの低摩擦の高分子量ポリエチレン製であること が好ましい。脛骨部材は、右足用にも左足用にも使用可能であるよう、前後方向 の鉛直中央面に関して対称である。プラットフォーム３０の上面は、後方側に向 けて下向きに傾斜している。２つの側方に離間した楕円形の陥没部３２、３４が 、大腿骨顆１２、１０のそれぞれを受容するために、高原部３０の上面に形成さ れている。大腿骨部材を”受容的に”支持することは、プロテーゼ関節を安定化 させ、なおかつ、前後移動、側方傾斜、および、軸方向回転を可能とする。これ ら動きのすべては、解剖学的膝関節の通常の機能に含まれている。陥没部３２、 ３４の側方湾曲は、大腿骨顆１０、１２の側方湾曲よりもわずかに大きなものと されている。 固定ポスト３６が、部材３０の底面３１から延在している。接合剤が、固定ポ ストの壁のスリット３８内、および、支持体３０の底面のスリット４０内に装填 され、脛骨部材を脛骨に対して固定する。 安定化ポスト４２が、陥没部３２、３４の中間において、高原から上方に延在 している。安定化ポスト４２は、大腿骨顆間部１６の孔１８内に収容される。ボ スト４２は、側面視において全体的に三角形状であり、側面と、カムとして機能 する後面４２ａと、前壁１６ａと接触して過伸張に対する係止体として機能する 上方に傾斜した前面４２ｂと、を有している。安定化ポスト４２の側面は、プロ テーゼ膝関節の通常の側方傾斜および回転を可能とするために、大腿骨部材の顆 間凹所の側壁から十分に離間されている。 脚を伸ばした状態では、脛骨高原の陥没部３４、３２内への大腿骨顆１０、１ ２の受容により、全体的に安定な構造が得られる。この場合、安定化ボスト４２ および大腿骨凹所は、前後方向に係合しない。中間程度の曲げ状態では、ポスト および凹所は、機能的に停止した状態のままである。大腿骨カム２０は、膝を曲 げるにつれて、脛骨ポスト４２の後部カム表面４２ａと係合するようになる。曲 げが７０°〜８０°くらいになると、大腿骨カム２０は、脛骨のカム面４２ａと 通常に係合する。曲げがこの程度を超えると、大腿骨カム２０は、プロテーゼの 大腿骨顆を、脛骨の陥没部において戻らせる。顆と陥没部との間の接触領域は、 完全曲げ時においては、脛骨高原の後端部に非常に近い領域へと、後方側にシフ トする。このシフトおよび脛骨高原の傾斜は、大きな曲げ角度を、大腿骨の後端 と脛骨部材の後端との間との干渉をもたらすことなく得ることを可能としている 。よって、ポストおよび凹所は、大腿骨と脛骨との間の前後方向の相対位置を制 御することにより、また、大腿骨の前方移動を防止することにより、完全曲げ位 置およびその近傍において、関節機能を安定化させる。 膝が、例えば８°程度のわずかに大きな過伸張を実現すべき場合には、大腿骨 顆間部１６の前壁部１６ａが、脛骨ボストの前表面４２ｂと係合して、伸ばし過 ぎ、および、大腿骨の後方移動を防止することになる。 使用時には、大腿骨顆１０、１２は、脛骨陥没部３４、３２に受容される。上 述のように、膝の安定性、可動範囲、および、耐久性に関して主要なものは、こ の関係である。本発明に基づいて脛骨陥没部の湾曲および大腿骨顆の湾曲を、適 正に選択することは、負荷に対抗するに際して膝が内反傾斜または外反傾斜を実 行するときに、脛骨プラットフォームにかかる応力を低減させるのに、特に有効 である。顆１０、１２の湾曲が陥没部３２、３４の湾曲に対して近く一致してい る場合には、脛骨プラットフォームにかかる応力は、圧縮負荷のもとで最小化さ れる。しかしながら、可動範囲、特に軸方向回転が、また減少する。本発明に基 づいて顆および陥没部の曲率半径をわずかに変更することにより、本発明は、安 定性、可動範囲、およぴ軸方向回転を減少させることなく、耐久性すなわち寿命 を提供する。 図３に示すように、横方向平面における顆１０、１２の湾曲は、Ｒ_CMLとして 表示された半径により規定することができる。図５に示すように、前後方向平面 における顆の荷重対抗表面の湾曲は、半径Ｒ_CEおよびＲ_CFにより規定することが できる。半径Ｒ_CEは、膝を伸ばしたときの脛骨陥没部に載置された顆の表面湾曲 を規定している。半径Ｒ_CFは、膝を曲げたときの脛骨陥没部に載置された顆の表 面湾曲を規定している。 さらに、脛骨陥没部３２、３４の表面は、横方向中央半径Ｒ_TML（図８）およ び前後方向半径Ｒ_TAP（図７）により規定される。 本発明の追求により確立された最適の半径は、中央／横方向および前後方向の 両方の方向における、大腿骨顆の半径の、これに対応した脛骨陥没部半径に対す る比として表現することができる。顆が、前／後方向における２つの半径により 規定されている、すなわち、それぞれ、膝を曲げたときおよび膝を伸ばしたとき の荷重対抗部分を示す半径Ｒ_CF、Ｒ_CEにより規定されていることにより、部材間 の関係は、比Ｒ_CML／Ｒ_TML、Ｒ_CF／Ｒ_TAP、Ｒ_CE／Ｒ_TAPにより規定することがで きる。さらに、膝プロテーゼを異なるサイズとすることにより、これら比は、利 用可能な各サイズに対して同じである必要はない。本発明において例示された実 施形態は、５つの異なるサイズで示されている。以下の表においては、５つの異 なるサイズに対しての、本発明に基づく比を示している。ここで、サイズ１が最 小サイズであり、サイズ５が最大サイズである。表には、”Ｉ−Ｂ ＩＩ”とし て示された従来のＩｎｓａｌｌ Ｂｕｒｓｔｅｉｎ膝に対する対応半径を示して いる。 表Ｉから、比Ｒ_CML／Ｒ_TMLは、Ｒ_CE／Ｒ_TAPと組み合わせて、適切な軸方向回 転が得られるよう、１．００の値に近いことがわかる。比Ｒ_CML／Ｒ_TMLとして、 １．００の値を使用することは、過度に軸方向回転を制限することになるため、 許容できない。約０．６０〜０．７５の値を有するＲ_CE／Ｒ_TAPと組み合わせて 使用する場合には、約０．９６の値のＲ_CML／Ｒ_TMLが好ましい。Ｉ−Ｂ ＩＩと 比較すれば、例示された実施形態においては、接触負荷により誘起されて脛骨部 材にかかる応力は、比Ｒ_CML／Ｒ_TMLを大きくし、同時に、応力を増加させる傾向 のある比Ｒ_CE／Ｒ_TAPを減少させたことにより、低減されることとなる。これら ２つの変更を組み合わせることにより、膝関節の軸方向回転に大きな変化をもた らすことなく、接触応力を実質的に減少させることができる。 表ＩＩから、比Ｒ_CF／Ｒ_TAPが約０．４〜０．５であることがわかる。この値 は、軸方向回転を大きく減少させることなく、Ｉ−Ｂ ＩＩと比較して、接触負 荷誘起応力を低減させることに、独立に貢献することができる。比Ｒ_CML／Ｒ_TML の好ましい値と組み合わせることにより、例示された比Ｒ_CF／Ｒ_TAPの値は、膝 が伸ばされた状態での対応する曲率半径によってもたらされる軸方向回転よりも 、膝関節の曲げ位置において、より大きな軸方向回転をもたらす。 上記改良に加えて、好ましい実施形態には、Ｉｎｓａｌｌ Ｂｕｒｓｔｅｉｎ ＩＩ膝に比較して、他の改良点が組み込まれている。１つとして、大腿骨顆１ ０、１２の半径Ｒ_CEが、実質的に低減されている。その効果は、顆からバルクを 取り除くことである。これにより、膝蓋骨（図示せず）の内側面および外側面に 取り付けられるソフトな靭帯における張力を低減することができる。これは、例 えば脱臼、亜脱臼（すなわち、滑車状グローブの内側および外側への膝蓋骨の移 動）、苦痛、および、場合によっては膝蓋骨の粉砕といったような、膝蓋骨−大 腿骨関節において起こり得る厄介な問題を低減することができる。 その上、大腿骨部材の前部の高さが増大されている。これは、膝が完全に曲げ られたときの、膝の、膝蓋骨に対して係合する能力を増強している。 加えて、脛骨部材においては、脛骨ポスト４２の高さが、高くされており、カ ム表面４２ａが後方側に移動されている。ポスト４２の高さが高くされているこ とにより、大腿骨部材が、ポスト上をスリップしにくくすることができる。カム 表面４２ａを再配置することにより、すべてのサイズのプロテーゼ膝関節に対し て、本質的に一様な可動範囲をもたらすことができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バーテル，ドナルド エル アメリカ合衆国 ニューヨーク 13068 フリーヴィル イエロー バーン ロード 69

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．一対の側方に離間した凸状部を備える第１部材であって、この場合、前記凸 状部の各々の表面の少なくとも一部が（ａ）前記凸状部のうちの曲げ時に荷重に 対抗する部分の曲率半径および前記凸状部のうちの伸ばし時に荷重に対抗する部 分の曲率半径をそれぞれ表す前後方向の半径Ｒ_CFおよびＲ_CEにより規定され、ま た（ｂ）中央横方向半径Ｒ_CMLにより規定されるような、第１部材と、 少なくとも一部がプラスチック材料製であるとともに一対の側方に離間した陥 没部を備える第２部材であって、この場合、前記陥没部の各々は、前記第１部材 の前記凸状部の１つを受容可能に構成されているとともに、前記陥没部の関節表 面が前後方向の半径Ｒ_TAPおよび中央横方向半径Ｒ_TMLにより規定されるような、 第２部材と、を具備し、 前記凸状部および前記陥没部は、比Ｒ_CML／Ｒ_TMLが約０．９６でありかつ比Ｒ_CE ／Ｒ_TAPが０．６０〜０．７５であるように形成されていることを特徴とする 関節プロテーゼ。 ２．前記凸状部および前記陥没部は、比Ｒ_CF／Ｒ_TAPが０．４〜０．５であるよ うに形成されていることを特徴とする請求項１記載の関節プロテーゼ。 ３．一対の側方に離間した顆を備える大腿骨部材であって、この場合、前記顆の 各々は全体的に解剖学的な大腿骨顆の形状と同様に湾曲しているとともに、前記 顆の各々の表面の少なくとも一部が（ａ）前記顆のうちの曲げ時に荷重に対抗す る部分の曲率半径および前記顆のうちの伸ばし時に荷重に対抗する部分の曲率半 径をそれぞれ表す前後方向の半径Ｒ_CFおよびＲ_CEにより規定され、また（ｂ）中 央横方向半径Ｒ_CMLにより規定されるような、大腿骨部材と、 少なくとも上部がプラスチック材料製であるとともに一対の側方に離間した陥 没部を備える脛骨部材であって、この場合、前記陥没部の各々は、前記大腿骨部 材の前記顆の１つを受容可能に構成されているとともに、前記陥没部の表面が前 後方向の半径Ｒ_TAPおよび中央横方向半径Ｒ_TMLにより規定されるような、脛骨 部材と、を具備し、 前記顆および前記陥没部は、比Ｒ_CML／Ｒ_TMLが約０．９６でありかつ比Ｒ_CE／ Ｒ_TAPが０．６０〜０．７５であるように形成されていることを特徴とする関節 プロテーゼ。 ４．前記顆および前記陥没部は、比Ｒ_CF／Ｒ_TAPが０．４〜０．５であるように 形成されていることを特徴とする請求項３記載の膝関節プロテーゼ。 ５．前記脛骨部材は、後部が凹状に湾曲したカム部を有する上方延在ポストを備 えており、 前記大腿骨部材は、後方安定化をもたらすために、前記カム部に対して係合可 能に構成されたカムフォロア部を備え、該カムフォロア部および前記カム部は、 膝が約６０〜６５°曲げられたときに互いに係合するよう、構成されていること を特徴とする請求項３記載の膝関節プロテーゼ。 ６．前記顆の前後方向形状が、実質的に図２に示すような形状であることを特徴 とする請求項５記載の膝関節プロテーゼ。 ７．前記脛骨部材のうちの前記大腿骨部材に対して係合する表面は、実質的に図 ６〜図８に示すような形状であることを特徴とする請求項４載の膝関節プロテー ゼ。