JPH1133049A - 人工関節のセラミックス製骨頭球及び骨頭球システム - Google Patents

人工関節のセラミックス製骨頭球及び骨頭球システム

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JPH1133049A
JPH1133049A JP9192811A JP19281197A JPH1133049A JP H1133049 A JPH1133049 A JP H1133049A JP 9192811 A JP9192811 A JP 9192811A JP 19281197 A JP19281197 A JP 19281197A JP H1133049 A JPH1133049 A JP H1133049A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストで製造でき、しかも小径でも高強度
を有する人工関節のセラミックス製骨頭球及び骨頭球シ
ステムを提供すること。 【解決手段】 セラミック製骨頭球３は、一端が平面状
にカットされた略球形状をしており、その平面３ａから
中心に向かって径が小さくなる様なテーパ孔３ｂが形成
されている。このセラミック製骨頭球３のテーパ孔３ｂ
の内周面を研磨する場合に、金属製ステム４のテーパ部
４ａの外周面の面仕上げ度と同じ程度に研磨する。例え
ば、金属製ステム４のテーパ部４ａの外周面の面仕上げ
度を、Ｒａ０．１〜０．６μｍの範囲とした場合には、
セラミック製骨頭球３のテーパ孔３ｂの内周面の面仕上
げ度も、Ｒａ０．１〜０．６μｍの範囲に設定してお
く。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、人工股間節あるい
は人工肩関節等の人工関節に使用されるセラミックス製
骨頭球、及びそれを用いた骨頭球システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】図５に示す様に、従来より使用されてい
る人工股関節１００は、関節摺動部を形成する骨頭球１
０１と、これを大腿骨近位端Ｆ側に取り付けるために大
腿骨に埋め込まれる金属ステム１０２を備えるととも
に、臼蓋Ｍ側には高密度ポリエチレン（以下ＰＥとい
う）等で構成されたソケット１０３が固定されており、
該ソケット１０３に前記骨頭球１０１が受座される構造
を有している。
【０００３】前記骨頭球１０１は、自身の中心に向けて
形成されたテーパ孔１０１ａに対し、対応するテーパ面
をなすステム１０２の末端部（テーパ部１０２ａ）を嵌
合させることにより、一体化される。この骨頭球１０１
の材質としては、従来より、ステンレス鋼、Ｃｏ−Ｃｒ
鋼、Ｔｉ合金等の金属が使用されているが、金属製の骨
頭球１０１は、ソケット１０３を構成するＰＥの磨耗を
生じやすい欠点がある。そこで、近年では、ＰＥの磨耗
を生じにくいアルミナやジルコニア等のセラミック製の
骨頭球が多く用いられるようになってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前記セラミック製の骨
頭球１０１は、実用上は十分な強度を有しており良好に
使用されているが、金属製の骨頭球と比較すれば強度が
やや小さいという問題がある。
【０００５】この対策として、工作機械に良くみられる
テーパ嵌合方式における保持力増加の手法を、人工関節
に適用する研究がなされている。つまり、工作機械にお
いては、嵌合面の面仕上げ度が高いほどその保持力が大
きくなることが知られているので、人工関節の分野にお
いても、（コストの許す範囲で）できる限り面仕上げ度
を上げることが好ましいと考えられている。
【０００６】そのため、金属製のステム１０２のテーパ
部１０２ａ及びセラミックス製の骨頭球１０１のテーパ
孔１０１ａの面仕上げ度を上げる表面研磨等が実施され
ているが、金属製のステム１０２は複雑な形状をしてい
るので、通常では、金属製のステム１０２のテーパ部１
０２ａの面仕上げ度はセラミックス製の骨頭球１０１の
テーパ孔１０１ａの面仕上げ度より低くなっている。
【０００７】ところが、上述した対策を施した場合で
も、金属製のステム１０２を嵌合した場合のセラミック
製の骨頭球１０１の破壊強度は、特に骨頭球１０１の直
径が小さいと大きく低減してしまうので、小径でも大き
な強度を有するセラミックス製の骨頭球１０１を製造す
ることは困難であった。
【０００８】本発明の課題は、低コストで製造でき、し
かも小径でも高強度を有する人工関節のセラミックス製
骨頭球及び骨頭球システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の請求項１の発明は、ステムをテーパ嵌合させて用いる
人工関節のセラミック製骨頭球において、前記ステムの
テーパ部と嵌合する前記骨頭球のテーパ孔の内周面が、
当該ステムのテーパ部の外周面とほぼ同等の面仕上げ度
を有することを特徴とする人工関節のセラミックス製骨
頭球を要旨とする。
【００１０】前記ステムとは、骨頭球と嵌合させるため
に、大腿骨に取り付けられる略茎状の部材を示す。この
ステムの材質としては、セラミックス製骨頭球より柔ら
かい金属製であると、骨頭球に圧入して嵌合させた場合
に、骨頭球とのなじみがよく高い結合性を発揮するので
好適である。特に、例えばＴｉ、Ｔｉ合金、ステンレス
鋼、Ｃｏ−Ｃｒ合金を採用すると、生体親和性と耐久性
に富み、しかもコストを低減できるので一層好適であ
る。
【００１１】前記セラミック製骨頭球の材質は、特に限
定されないが、例えばＡｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、
ＳｉＣ等を主成分とするセラミックを採用できる。請求
項２の発明は、前記ステムのテーパ部の外周面の面仕上
げ度と前記骨頭球のテーパ孔の内周面の面仕上げ度との
差が、Ｒａ１μｍ以下であることを特徴とする前記請求
項１に記載の人工関節のセラミックス製骨頭球を要旨と
する。
【００１２】前記面仕上げ度の程度を示すＲａとは、Ｊ
ＩＳ ０６０１で定義される中心線平均粗さＲａであ
る。請求項３の発明は、前記ステムのテーパ部の外周面
の面仕上げ度と前記骨頭球のテーパ孔の内周面の面仕上
げ度との差が、Ｒｍａｘ１０μｍ以下であることを特徴
とする前記請求項１に記載の人工関節のセラミックス製
骨頭球を要旨とする。
【００１３】前記面仕上げ度の程度を示すＲｍａｘと
は、ＪＩＳ ０６１０１で定義される最大高さＲｍａｘ
である。尚、ＲａとＲｍａｘとの関係はＲａをほぼ１０
倍したものがＲｍａｘである。請求項４の発明は、前記
骨頭球のテーパ孔の内周面の面仕上げ度が、Ｒａ０．０
５〜Ｒａ１．０μｍの範囲であることを特徴とする前記
請求項１〜３のいずれかに記載の人工関節のセラミック
ス製骨頭球を要旨とする。
【００１４】請求項５の発明は、前記骨頭球のテーパ孔
の内周面の面仕上げ度が、Ｒｍａｘ０．５〜Ｒｍａｘ１
０μｍの範囲であることを特徴とする前記請求項１〜３
のいずれかに記載の人工関節のセラミックス製骨頭球を
要旨とする。
【００１５】請求項６の発明は、前記請求項１〜５のい
ずれかに記載の人工関節のセラミックス製骨頭球と、該
骨頭球にテーパ嵌合するステムとを備えたことを特徴と
する骨頭球システムを要旨とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】請求項１の発明では、セラミック
製骨頭球のテーパ孔の内周面の面仕上げ度と、ステムの
テーパ部の外周面との面仕上げ度がほぼ同等であるの
で、テーパ嵌合をスムーズに行なうことができ、しかも
骨頭球とステムとの接触面積を広くすることができる。
これにより、骨頭球とステムとは強固に結合するので、
圧縮破壊強度が大きくなり、その結果、セラミック製骨
頭球を小型化した場合でも、十分な強度を確保すること
ができる。
【００１７】つまり、従来では、ステムの面仕上げ度よ
りも骨頭球の面仕上げ度の方が大きくされていたが、本
発明者らの研究により、ステムの面仕上げ度と骨頭球の
面仕上げ度をほぼ同じ程度とした方が圧縮破壊強度が向
上することが見出され、本発明が完成された。
【００１８】この理由としては、テーパ嵌合において、
セラミック製骨頭球のテーパ孔の面仕上げ度を高度に上
げたとしても、ステムとの実質的な接触面積はむしろ低
減し、逆に従来より骨頭球側の面仕上げ度を落とした方
が接触面積が増大することが考えられる。例えば図１
（ａ）に示す様に、骨頭球側の面仕上げ度がステム側の
面仕上げ度より高い場合には、圧入により、ステムの表
面の凹凸は、（凹凸の少ない）硬質の骨頭球の表面に合
わされてしまい、結果として、接触面積が小さくなって
単位面積当りに加わる応力が増大し、強度も低下すると
考えられる。それに対して、骨頭球側の面仕上げ度がそ
れほど高くなくステム側とほぼ同程度の粗さを有する場
合は、図１（ｂ）に示す様に、圧入すると、ステムの表
面の凹凸は骨頭球の表面の凹凸に合わせられるので、結
果として、接触面積が大きくなって単位面積当りに加わ
る応力が減少し、強度が向上すると考えられる。
【００１９】一方、ステム側の面仕上げ度が骨頭球側と
比べて低すぎる場合、即ちステムの表面が粗すぎる場合
には、テーパ嵌合がスムーズに行われず、圧入する際の
応力が予期せぬ箇所に集中して、場合によっては骨頭球
が破損することがあるので、好ましくない。
【００２０】尚、ステム側の面仕上げ度の方が骨頭球側
の面仕上げ度よりかなり高い場合には、テーパ嵌合がス
ムーズにされ過ぎて、逆に接触面積が低減すると考えら
れるので、好ましくない。また、本発明では、従来の様
に、セラミック製骨頭球のテーパ孔の表面研磨を過度に
行なう必要がなく、むしろ従来よりも面仕上げ度を落と
すことにより強度が増加するので、コスト低減に寄与す
るという利点がある。
【００２１】請求項２の発明では、ステムのテーパ部の
外周面の面仕上げ度と骨頭球のテーパ孔の内周面の面仕
上げ度との差が、Ｒａ１μｍ以下と少なく、この範囲内
であれば、テーパ嵌合の際に骨頭球とステムとの接触面
積を十分に確保できるので、大きな圧縮破壊強度を確保
することができ、しかも、テーパ嵌合をスムーズに行な
うことができる。
【００２２】請求項３の発明では、ステムのテーパ部の
外周面の面仕上げ度と骨頭球のテーパ孔の内周面の面仕
上げ度との差が、Ｒｍａｘ１０μｍ以下と少なく、前記
請求項２と同様に、テーパ嵌合の際に骨頭球とステムと
の接触面積を十分に確保できるので、大きな圧縮破壊強
度を確保することができ、しかも、テーパ嵌合をスムー
ズに行なうことができる。
【００２３】請求項４の発明では、骨頭球のテーパ孔の
内周面の面仕上げ度が、Ｒａ０．０５〜Ｒａ１．０μｍ
の範囲であるので、大きな圧縮破壊強度を確保すること
ができ、しかもテーパ嵌合をスムーズに行なうことがで
きる。ここで、面仕上げ度がＲａ０．０５μｍより小さ
いと、骨頭球側の表面が過度に滑らかになって凹凸が少
なくなり、テーパ嵌合した場合には、上述した様に接触
面積が小さくなるので好ましくない。また、Ｒａ１．０
μｍより大きいと、骨頭球側の表面が粗くなり、テーパ
嵌合をスムーズに行なうことが困難になり、場合によっ
ては骨頭球が破損することがあるので好ましくない。
【００２４】つまり、本発明の範囲であれば、スムーズ
にテーパ嵌合を行なうことができるとともに、大きな接
触面積が得られ、それによって高い圧縮破壊強度を実現
できるので好適である。請求項５の発明では、骨頭球の
テーパ孔の内周面の面仕上げ度が、Ｒｍａｘ０．５〜Ｒ
ｍａｘ１０μｍの範囲であるので、前記請求項４と同様
に、大きな圧縮強度が得られ、しかもテーパ嵌合をスム
ーズに行なうことができる。
【００２５】ここで、面仕上げ度がＲｍａｘ０．５μｍ
より小さいと、前記請求項４と同様に、骨頭球側の表面
が過度に滑らかになって凹凸が少なくなり、テーパ嵌合
した場合には、上述した様に接触面積が小さくなるので
好ましくない。また、Ｒｍａｘ１０μｍより大きいと、
骨頭球側の表面が粗くなり、テーパ嵌合をスムーズに行
なうことが困難になり、場合によっては骨頭球が破損す
ることがあるので好ましくない。
【００２６】つまり、本発明の範囲であれば、スムーズ
にテーパ嵌合を行なうことができるとともに、大きな接
触面積が得られ、それによって高い圧縮破壊強度を実現
できるので好適である。請求項６の発明では、骨頭球シ
ステムは、セラミックス製骨頭球と、この骨頭球にテー
パ嵌合するステムとを備えているので、骨頭球を小さく
した場合でも、十分な圧縮破壊強度を確保でき、高い信
頼性を有する骨頭球システムを実現できる。
【００２７】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図２は、本発明の骨頭球システムを用いた人工股
関節の一例を模式的に示している。
【００２８】同図に示す様に、人工股関節１は、セラミ
ック製骨頭球３と、一端側がこれに嵌合する金属製ステ
ム４とからなる骨頭球システム２と、臼蓋Ｍ側に固定さ
れてセラミック製骨頭球３を受座するポリエチレン（Ｐ
Ｅ）製のソケット５とを備えている。
【００２９】前記金属製ステム４は、Ｔｉ、Ｔｉ合金、
ステンレス鋼、Ｃｏ−Ｃｒ合金のいずれかにより構成さ
れ、セラミック製骨頭球３と嵌合しない端部側が、先細
りとなる長尺形状のテーパ部４ａ（図３参照）として形
成され、大腿骨Ｆの近位端に骨切りにより形成された孔
部Ｗ内において骨セメント層７を介して固定されてい
る。尚、テーパ部４ａの先端部の直径は１０ｍｍ、テー
パ部４ａのテーパ角θは６゜である。
【００３０】一方、前記ソケット５は、内面が球面状に
形成され、臼蓋Ｍに骨切りにより形成された凹部Ｖに対
し、骨セメント層６を介して固着されている。また、セ
ラミック製骨頭球３は、例えばＡｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｓ
ｉ3Ｎ4、ＳｉＣ等を主成分とするセラミック焼成体によ
り構成されている。
【００３１】このセラミック製骨頭球３は、図３に示す
様に、一端が平面状にカットされた略球形状をしてお
り、その平面３ａから中心に向かって径が小さくなる様
なテーパ孔３ｂが形成されている。また、テーパ孔３ｂ
の先端には、逃げ穴３ｃが形成されている。尚、前記セ
ラミック製骨頭球３の直径は２６ｍｍ、テーパ孔３ｂの
深さは１０ｍｍ、テーパ孔３ｂのテーパ角θは、前記金
属製ステム４のテーパ部４ａと同様に６゜である。
【００３２】そして、上述したセラミック製骨頭球３を
製造方法する場合には、Ａｌ2Ｏ3造粒粉をプレス成形
し、セラミック製骨頭球３に対応した所定形状に加工
し、その後焼成し、最後に、表面研磨を施す。特に本実
施例では、セラミック製骨頭球３のテーパ孔３ｂの内周
面を研磨する場合に、金属製ステム４のテーパ部４ａの
外周面の面仕上げ度と同じ程度に研磨する。例えば、金
属製ステム４のテーパ部４ａの外周面の面仕上げ度を、
Ｒａ０．１〜０．６μｍの範囲とした場合には、セラミ
ック製骨頭球３のテーパ孔３ｂの内周面の面仕上げ度
も、Ｒａ０．１〜０．６μｍの範囲に設定しておく。
【００３３】この様に、本実施例では、金属製ステム４
のテーパ部４ａの外周面の面仕上げ度とセラミックス製
骨頭球３のテーパ孔３ｂの内周面の面仕上げ度とを同程
度としているので、接触面積が広くなり、圧縮強度も大
きくなる。また、金属製ステム４のテーパ部４をセラミ
ック製骨頭球３のテーパ孔３ｂに嵌合も、スムーズに行
なうことができ、嵌合の際にセラミック製骨頭球３が破
損することもない。 （実験例）次に、本実施例の効果を確認するために行っ
た実験例について説明する。
【００３４】この実験に使用する試料として、下記表１
及び表２に示す様に、各種の面仕上げ度を有する実施例
（試料No.１〜１２）及び比較例（試料No.１３〜１６）
のセラミック製骨頭球を製造した。尚、表１及び表２で
は、面仕上げ度は、１つの試料に対してランダムに４箇
所の測定データの平均値で示した。
【００３５】そして、その試料の骨頭球のテーパ孔に対
して、（前記実施例で示した形状の）各種の材質のステ
ムを嵌合させ、その嵌合の際の嵌合状態、即ち、スムー
ズに嵌合できるか否か、嵌合の際に破損が生じないか否
かを調べた。その結果を下記表３に記す。
【００３６】また、図４に示す様に、骨頭球３にステム
４を嵌合させた状態で、円錐形ブロック２１により骨頭
球３の外周面の摺動面３ｄを鋼リング２２で受けなが
ら、圧縮試験機を用いてステム４の軸方向に荷重を付加
し、骨頭球３に破壊が生じ始める荷重を、当該骨頭球３
の圧縮破壊強度値とした。その結果を同じく下記表３に
記す。
【００３７】尚、表１及び表２において、ＺｒＯ系と
は、ＺｒＯ及び安定化成分としてのＹ 2Ｏ3の混合造粒粉
を用いて、実施例と同様な形状の骨頭球を製造したもの
である。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】 尚、この表２にて、ステム側の面仕上げ度Ｒａが０と
は、測定値が計器の最小目盛りよりも小さく、実質的に
測定不可能なほど表面が滑めらかであることを示す。
【００４０】
【表３】 この表１〜３から明かな様に、セラミック製骨頭球３の
テーパ孔３ｂの内周面の面仕上げ度と、金属製ステム４
のテーパ部４ａの外周面の面仕上げ度がほぼ等しい実施
例の試料No.１〜９では、即ち面仕上げ度の差がＲａ１
μｍ以下（Ｒｍａｘ１０μｍ以下）のもので、Ｒａが
０．０５〜１．０μｍ（Ｒｍａｘ０．５〜１０μｍ）の
ものは、嵌合をスムーズに行なうことができるととも
に、嵌合時にセラミック骨頭球３に破損が生ぜず、しか
も、圧縮破壊強度が極めて大きいという顕著な効果を奏
する。
【００４１】従って、この様な骨頭球システム２を用い
れば、小型で且つ十分な強度を有する人工股関節１を容
易に実現することができる。更に、この様な効果を奏す
るにもかかわらず、セラミック骨頭球３側の面仕上げ度
を従来より低くできるので、作業工程を簡易化できると
いう利点がある。
【００４２】尚、試料No.１０〜１２のものは、骨頭球
側の面仕上げ度を上げる研磨量が増加するが、面仕上げ
度の差が小さいので、比較例よりは大きな圧縮破壊強度
を実現できる。それに対して比較例のものは、面仕上げ
度の差がＲａ１μｍ（Ｒｍａｘ１０μｍ）を上回り、そ
の差が大きいので、圧縮破壊強度が小さく好ましくな
い。また、嵌合状態についても、特に骨球側の面仕上げ
度が大きなもの（試料No.１４〜１６）は、表面が荒い
ので嵌合がスムーズにゆかずに手間がかかり、しかも、
実質上点接触の傾向が大きく、好ましくない。尚、比較
例の試料No.１３は、骨球側の表面は滑らかであるが、
逆にステム側の表面がかなり荒いので、はやり、嵌合が
スムーズにいかずに同様に手間がかかる。
【００４３】尚、本発明は前記実施例に限定されるもの
ではなく、本実施例の要旨を逸脱しない範囲内で各種の
態様で実施できることは勿論である。
【００４４】
【発明の効果】以上、詳述したとおり、請求項１の発明
では、骨頭球のテーパ孔の内周面とステムのテーパ部の
外周面とがほぼ同等の面仕上げ度を有しているので、接
触面積が広く、圧縮破壊強度が大きく、骨頭球の径を小
さくしても十分な強度を確保することができる。また、
嵌合をスムーズに行なうことができき、嵌合時に骨頭球
が破損することもない。更に、従来の様に、骨頭球のテ
ーパ孔を過度に表面研磨する必要がないので、コスト低
減にも寄与する。
【００４５】請求項２の発明では、ステムのテーパ部の
外周面の面仕上げ度と骨頭球のテーパ孔の内周面の面仕
上げ度との差が、Ｒａ１μｍ以下と非常に小さいので、
前記請求項１に記載した様な効果が得られる。請求項３
の発明では、ステムのテーパ部の外周面の面仕上げ度と
骨頭球のテーパ孔の内周面の面仕上げ度との差が、Ｒｍ
ａｘ１０μｍ以下と非常に小さいので、前記請求項１に
記載した様な効果が得られる。
【００４６】請求項４の発明では、骨頭球のテーパ孔の
内周面の面仕上げ度が、Ｒａ０．０５〜Ｒａ１．０μｍ
の範囲であるので、通常の金属製ステムのテーパ部の面
仕上げ度とほぼ同等であり、前記請求項１に記載した様
な効果が得られる。請求項５の発明では、骨頭球のテー
パ孔の内周面の面仕上げ度が、Ｒｍａｘ０．５〜Ｒｍａ
ｘ１０μｍの範囲であるので、通常の金属製ステムのテ
ーパ部の面仕上げ度とほぼ同等であり、前記請求項１に
記載した様な効果が得られる。
【００４７】請求項６の発明では、請求項１〜５のいず
れかに記載の人工関節のセラミックス製骨頭球と、骨頭
球にテーパ嵌合するステムとを備えた骨頭球システムで
あるので、その大きさを小型化しても、十分な強度を確
保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のセラミックス製骨頭球の原理を示す
説明図である。
【図２】 実施例のセラミックス製骨頭球が使用される
人工股関節及びその近傍を示す説明図である。
【図３】 実施例のセラミックス製骨頭球及びステムを
示す説明図である。
【図４】 実験方法を示す説明図である。
【図５】 従来技術を示す説明図である。
【符号の説明】
１…人工股関節 ２…骨頭球システム ３…セラミック製骨頭球 ３ｂ…テーパ孔 ４…金属製ステム ４ａ…テーパ部 ５…ソケット

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ステムをテーパ嵌合させて用いる人工関
    節のセラミック製骨頭球において、 前記ステムのテーパ部と嵌合する前記骨頭球のテーパ孔
    の内周面が、当該ステムのテーパ部の外周面とほぼ同等
    の面仕上げ度を有することを特徴とする人工関節のセラ
    ミックス製骨頭球。
  2. 【請求項２】 前記ステムのテーパ部の外周面の面仕上
    げ度と前記骨頭球のテーパ孔の内周面の面仕上げ度との
    差が、Ｒａ１μｍ以下であることを特徴とする前記請求
    項１に記載の人工関節のセラミックス製骨頭球。
  3. 【請求項３】 前記ステムのテーパ部の外周面の面仕上
    げ度と前記骨頭球のテーパ孔の内周面の面仕上げ度との
    差が、Ｒｍａｘ１０μｍ以下であることを特徴とする前
    記請求項１に記載の人工関節のセラミックス製骨頭球。
  4. 【請求項４】 前記骨頭球のテーパ孔の内周面の面仕上
    げ度が、Ｒａ０．０５〜Ｒａ１．０μｍの範囲であるこ
    とを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の人
    工関節のセラミックス製骨頭球。
  5. 【請求項５】 前記骨頭球のテーパ孔の内周面の面仕上
    げ度が、Ｒｍａｘ０．５〜Ｒｍａｘ１０μｍの範囲であ
    ることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載
    の人工関節のセラミックス製骨頭球。
  6. 【請求項６】 前記請求項１〜５のいずれかに記載の人
    工関節のセラミックス製骨頭球と、該骨頭球にテーパ嵌
    合するステムとを備えたことを特徴とする骨頭球システ
    ム。
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