JP5965121B2 - 人工股関節用コンポーネント - Google Patents

Description

本発明は、人工股関節において用いられ、臼蓋に設置される人工股関節用コンポーネントに関する。

従来より、股関節に異常が認められた患者に対して、人工股関節を適用し、股関節の一部又は全部を人工股関節で置換する人工股関節置換術が行われている。そして、上述したような人工股関節においては、骨盤の臼蓋に対しては半球殻状に設けられたシェルを有する臼蓋用コンポーネントが設置され（例えば、特許文献１参照）、大腿骨に対しては骨頭の一部又は全部を置換するコンポーネントが用いられる。

上記シェルは、臼蓋に固定される。また、シェルの内側には、半球殻状のライナーが固定される。一方、大腿骨用のコンポーネントは、大腿骨に固定されたステムと、ステムに連結された骨頭ボールとを含む。骨頭ボールは、ライナーの内側に配置される。上記の構成により、大腿骨の動きに合わせて骨頭ボールがライナーに対して摺動する。

ライナーとシェルとを固定する構造として、テーパ嵌合構造が知られている。テーパ嵌合構造では、シェルの内側面に、シェルの奥側に向けて先細りとなるテーパ面が形成され、且つ、ライナーの外側面に、シェルのテーパ面と同様のテーパ面が形成されている。そして、シェルのテーパ面に、ライナーのテーパ面が圧入される。これにより、シェルのテーパ面にライナーのテーパ面が食い込むように結合し、シェルとライナーとが高い結合力で結合される。

シェルのテーパ面とライナーのテーパ面とが全面的に面接触するようにシェル及びライナーを設計した場合でも、実際には、シェル側及びライナー側のそれぞれのテーパ面における寸法の公差に起因して、互いのテーパ面を全面的に接触させることは難しい。このため、シェルのテーパ面とライナーのテーパ面のうち、実際に互いに接触する部分及び面積に個体差が生じてしまい、シェルとライナーとの正確な嵌合箇所を規定することが難しい。その結果、シェルがライナーを固定する性能にばらつきが生じてしまう。

特許文献１に記載の構成では、支持部材と称するシェルに、クランプ面と称するテーパ面が設けられている。また、挿入体と称するライナーに、クランプ面と称するテーパ面が設けられている。シェルのテーパ面は、粗くされている。そして、シェルのテーパ面の角度と、ライナーのテーパ面の角度とは異なっている。このような構成にすることで、シェルとライナーとの接触位置を、確実に再現可能にしている。この場合、シェルとライナーとは、シェルの厚み方向の１か所で線接触している。この線接触の接触線は、円形であり、シェルの開口側寄りに位置している。

特許第４０４１１９０号明細書（[０００６]〜[０００８]、図１）

特許文献１に開示されたような、１つの接触円でシェルとライナーとが接触する構成では、シェルによるライナーの支持を安定して行えない虞がある。具体的には、例えば、骨頭ボールがライナーに受けられている場合において、骨頭ボールからライナーを介してシェルへ向けて、シェルの深さ方向と直交する方向としての横方向の成分を含む大きな荷重が作用したとき、上記接触円のうちの周方向の一部に、当該大きな荷重が局所的に作用する。その結果、大きな荷重が作用している箇所を支点に、ライナーがシェルに対して回転するように位置ずれする（脱転する）虞がある。また、上述したように、接触円の一部に、大きな荷重が局所的に作用することとなるため、ライナーにおける当該接触円の周囲の応力が局所的に高くなり、ライナーが破損する虞がある。

本発明は、上記実情に鑑みることにより、シェルとライナーとを所望の位置で確実に接触させることができ、また、ライナーの位置ずれを抑制でき、且つ、ライナーの破損を抑制できる、人工股関節用コンポーネントを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための第１発明に係る人工股関節用コンポーネントは、骨盤の臼蓋に設置され、窪み部を有するシェルと、前記シェルの内側に嵌合され、窪み部を有するライナーと、を備え、前記シェルは、金属材料及びセラミック材料の少なくとも一方を用いて形成され、前記ライナーは、金属材料及びセラミック材料の少なくとも一方を用いて形成され、前記シェルの内側面は、前記シェルの深さ方向に沿って延び前記ライナーを取り囲むテーパ状の第１対向面と、前記第１対向面に対して、前記シェルの底側に配置された奥側面と、を有し、前記ライナーの外側面は、前記第１対向面と対向するテーパ状の第２対向面と、前記第２対向面に対して、前記ライナーの底側に配置された奥側面と、を有し、前記第１対向面及び前記第２対向面の少なくとも一方には、環状の凹部が形成されており、前記第１対向面及び前記第２対向面は、前記シェルの深さ方向における前記凹部の両側のそれぞれにおいて、互いに接触し、前記ライナーに荷重が作用していない場合において、前記ライナーの中心軸線に対する前記第２対向面の傾斜角度は、前記シェルの中心軸線に対する前記第１対向面の傾斜角度と比べて大きく設定され、前記シェルの前記奥側面および前記ライナーの前記奥側面は、互いに接触することを抑制されるために互いに離隔した状態で対向し、前記第１対向面及び前記第２対向面のそれぞれに、前記凹部が形成されており、これらの凹部が互いに向かい合っていることを特徴とする。

この発明によると、シェルのテーパ状の第１対向面と、ライナーのテーパ状の第２対向面とは、シェルの深さ方向において、凹部を挟むように配置された２箇所で確実に接触できる。即ち、凹部が設けられた対向面は、少なくとも凹部の近傍において相手側の対向面に確実に接触することとなり、凹部が設けられた対向面と、当該対向面に対向する相手側の対向面との接触位置を、確実に所望の位置にすることができる。その結果、シェルとライナーとの接触状態について、個体差を少なくすることができ、シェルがライナーを固定する性能に個体差が生じることを抑制できる。よって、人工股関節用コンポーネントにおいて、安定した性能を発揮することができる。また、シェルとライナーとは、シェルの深さ方向において、少なくとも、凹部を挟むように配置された２箇所で接触している。このため、例えば、シェルの深さ方向と直交する直交方向の成分が大きい荷重が、骨頭ボールからライナーへ負荷された場合に、ライナーは、シェルによって、深さ方向の少なくとも２箇所で支持される。したがって、ライナーは、上記直交方向の成分が大きい荷重を受けても、シェルに安定した姿勢で支持された状態を維持することができる。これにより、ライナーがシェルに対して転がるように位置ずれすること（脱転）を、確実に抑制できる。また、ライナーとシェルとの接触箇所がシェルの深さ方向において少なくとも２箇所設けられていることにより、ライナーに作用する荷重は、シェルによって広い範囲で受けられる。その結果、ライナーに大きな荷重が作用した場合でも、ライナーに生じる応力が局所的に高くなることを抑制できる。これにより、ライナーの破損をより確実に抑制することができる。また、ライナーをシェルに嵌合する際、ライナーの第２対向面は、開口側から先にシェルの第１対向面に接触してシェルを押し広げ、その後、第２対向面の奥側部分が第１対向面に接触することとなる。これにより、第２対向面を、凹部を挟むように配置された２箇所で、第１対向面へより確実に接触させることができる。

従って、本発明によると、シェルとライナーとを所望の位置で確実に接触させることができ、また、ライナーの位置ずれを抑制でき、且つ、ライナーの破損を抑制できる、人工股関節用コンポーネントを提供することができる。

第２発明に係る人工股関節用コンポーネントは、第１発明の人工股関節用コンポーネントにおいて、前記凹部は、前記シェル及び前記ライナーの中心軸線を含む切断面において、単一の曲率半径を有する円弧状の輪郭を有していることを特徴とする。
第３発明に係る人工股関節用コンポーネントは、第１発明又は第２発明の人工股関節用コンポーネントにおいて、前記ライナーは、２種類以上の部材を用いて形成され、前記ライナーの前記凹部は、環状の帯状部材を用いて形成されていることを特徴とする。

第４発明に係る人工股関節用コンポーネントは、第１発明乃至第３発明の何れかの人工股関節用コンポーネントにおいて、前記第２対向面には、前記凹部が形成されており、前記第２対向面は、前記凹部に対して前記ライナーの奥側に位置する奥側部と、前記凹部に対して前記ライナーの開口側に位置する開口側部と、を含み、前記ライナーの中心軸線に対する前記第２対向面の前記奥側部の傾斜角度を第１傾斜角度とし、前記シェルの中心軸線に対する前記シェルの前記第１対向面の傾斜角度を第２角度とし、前記ライナーの中心軸線に対する前記開口側部の傾斜角度を第３傾斜角度とした場合、第３傾斜角度＞第２傾斜角度＞第１傾斜角度であることを特徴とする。

この発明によると、第２対向面のうち、開口側部を、シェルの第１対向面に確実に接触させることができる。また、第２対向面の奥側部を、シェルの第１対向面に確実に接触させることができる。これにより、第２対向面を、凹部を挟むように配置された２箇所において、第１対向面へより確実に接触させることができる。

第５発明に係る人工股関節用コンポーネントは、第１発明乃至第４発明の何れかの人工股関節用コンポーネントにおいて、前記深さ方向における前記第２対向面の両端部が、前記第１対向面と接触していることを特徴とする。

この発明によると、シェルの深さ方向における、シェルとライナーとが接触している箇所間の距離（支持スパン）を、可及的に長くすることができる。これにより、ライナーがシェルとの接触部を支点にして転がるように変位することを、より確実に抑制することができる。

第６発明に係る人工股関節用コンポーネントは、第１発明乃至第５発明の何れかの人工股関節用コンポーネントにおいて、前記凹部は、前記深さ方向に沿って複数設けられていることを特徴とする。

この発明によると、シェルの深さ方向において、３箇所以上でシェルの第１対向面と第２対向面とを接触させることができる。これにより、ライナーがシェルとの接触部を支点にして転がるように変位することを、より確実に抑制することができる。また、ライナーからシェルに作用する荷重を、より広範囲に分散させることができる。これにより、ライナーに生じる応力のピークを低くすることができ、その結果、ライナーの破損をより確実に抑制することができる。

本発明によると、シェルとライナーとを所望の位置で確実に接触させることができ、また、ライナーの位置ずれを抑制でき、且つ、ライナーの破損を抑制できる、人工股関節用コンポーネントを提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る人工股関節用コンポーネントを含む人工股関節について骨盤及び大腿骨の一部とともに示す断面図である。 人工股関節用コンポーネントの断面図であり、人工股関節用コンポーネントを骨盤とともに図示している。 図３は、図２のシェルの開口近傍の拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る人工股関節用コンポーネントの主要部の周辺の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る人工股関節用コンポーネントの主要部の周辺の断面図であり、（ａ）は、シェルにライナーが圧入される前の状態を示しており、（ｂ）は、シェルにライナーが圧入された後の状態を示している。 ライナーをシェルへ圧入する際にライナーに生じる応力及び反力を示すグラフ図である。 本発明の第４実施形態に係る人工股関節用コンポーネントの周辺の断面図である。 図７の一部拡大図である。 本発明の第５実施形態に係る人工股関節用コンポーネントの主要部の周辺の断面図である。 本発明の第６実施形態に係る人工股関節用コンポーネントの主要部の周辺の断面図である。 第６実施形態に係る人工股関節用コンポーネントの変形例における主要部の断面図である。 ライナーの変形例を示す断面図である。 シェルの変形例を示す断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。尚、本発明は、人工股関節において用いられる人工股関節用コンポーネントとして広く適用することができるものである。

図１は、本発明の一実施の形態に係る人工股関節用コンポーネント１を含む人工股関節について骨盤１００及び大腿骨１０１の一部とともに示す断面図である。図１に示すように、人工股関節用コンポーネント１は、人工股関節において用いられ、臼蓋１００ａに設置される。人工股関節は、人工股関節用コンポーネント１に加え、ステム１０３、及び骨頭ボール１０４を更に備えて構成されている。人工股関節用コンポーネント１、ステム１０３、骨頭ボール１０４は、生体埋植用に医療機器としての認可承認を得たチタン合金、コバルトクロム合金、ステンレス鋼等の金属材料、ポリエチレン、ＰＥＥＫ等の高分子材料、及びアルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料を素材として構成されている。

ステム１０３は、大腿骨１０１の髄腔部１０１ａに一端側が埋植されて配置される棒状に形成される。そして、ボール状に形成されて骨頭部分を構成する骨頭ボール１０４が、ステム１０３の他端側に取り付けられる。尚、本実施形態では、骨頭ボール１０４がステム１０３に連結される構成を例にとって人工股関節を説明しているが、この通りでなくてもよく、骨頭ボール１０４がステム１０３に一体に形成されていてもよい。

次に、人工股関節用コンポーネント１について詳しく説明する。人工股関節用コンポーネント１は、骨盤１００に固定され、且つ、骨頭ボール１０４と協働して球面継手を形成しており、骨盤１００に対する大腿骨１０１の運動を許容する。人工股関節用コンポーネント１は、シェル２と、シェル２に嵌合されたライナー３とを備えて構成されている。尚、本実施形態では、シェル２にライナー３が嵌合された状態を基準に説明する。シェル２は、骨盤１００の臼蓋１００ａに固定されるベース部材として設けられている。

図２は、人工股関節用コンポーネント１の断面図であり、人工股関節用コンポーネント１を骨盤１００とともに図示している。図２に示すように、シェル２は、生体親和性を有する材料を用いて形成されている。生体親和性を有する材料とは、生体組織との馴染みが良好な材料をいう。換言すれば、生体親和性を有する材料とは、生体組織に接触した際に長期的、慢性的な炎症反応を引き起こさず、周囲組織と良好な密着状態を維持することができる材料をいう。シェル２の材料として、チタン合金、コバルトクロム合金、ステンレス鋼等の金属材料、ポリエチレン、ＰＥＥＫ等の高分子材料、及びアルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料を例示することができる。

シェル２は、半球殻状、より具体的には、所定の厚みを有する中空の略球状の部材の半部に相当する形状に形成されている。シェル２には、窪み部２ａが形成されている。また、シェル２は、半球状の内側面を有する臼蓋１００ａ側を向く外側面２０１と、ライナー３側を向く内側面２０２と、を有している。

シェル２の外側面２０１は、臼蓋１００ａに固定されている。この外側面２０１には、臼蓋１００ａに対する固定性能を向上させるための表面処理が施されていることが好ましい。この表面処理として、アパタイトコーティング処理、溶射処理、粗面化処理等の、骨盤１００の臼蓋１００ａに対する固定性能を向上させるための表面処理を例示することができる。

シェル２の内側面２０２は、テーパ状の第１対向面２０５と、奥側面２０６と、を含んでいる。第１対向面２０５は、ライナー３の後述する第２対向面３０５と対向し且つ当該第２対向面３０５と接触可能な部分として設けられている。第１対向面２０５は、シェル２の開口２０７から、シェル２の深さ方向Ｄ１に沿って、シェル２の内側面２０２の底２０８側に向けて延びており、ライナー３を取り囲んでいる。第１対向面２０５は、円錐台状に形成されたテーパ状面であり、シェル２の底２０８側に進むに従い、直径が連続的に小さくなっている。

奥側面２０６は、ライナー３と対向しつつ、ライナー３とは直接接触することを抑制された部分として設けられている。奥側面２０６は、第１対向面２０５に対して、シェル２の底２０８側に配置されており、当該底２０８を含んでいる。奥側面２０６は、半球面状に形成されており、第１対向面２０５に隣接している。

第１対向面２０５は、奥側面２０６を一部に含む仮想の球面の内側空間に配置されており、第１対向面２０５におけるシェル２の厚みは、奥側面２０６におけるシェル２の厚みよりも大きい。これにより、シェル２の奥側面２０６にライナー３が接触してしまうことを抑制しつつ、ライナー３から荷重を直接受ける第１対向面２０５でのシェル２の強度を高くしている。

シェル２の奥側面２０６の中心及び第１対向面２０５の中心は、シェル２の中心軸線Ｒ上に位置している。シェル２の中心軸線Ｒは、シェル２の内側面２０２の底２０８を通っている。

ライナー３は、シェル２の内側に嵌合されている。ライナー３は、シェル２に固定され、且つ、骨頭ボール１０４と摺動可能に接触する部材として設けられている。ライナー３は、半球殻状、より具体的には、所定の厚みを有する中空の略球状の部材の半部に相当する形状に形成されており、シェル２の内側の半球状の空間に少なくとも一部（本実施形態では、全部）が収容されている。また、ライナー３は、シェル２の第１対向面２０５に固定されている。ライナー３の材料として、コバルトクロムモリブデン合金、ステンレス鋼等の金属材料を例示することができ、また、アルミナ、ジルコニア、ジルコニア強化アルミナ等のセラミック材料を例示することができ、更に、ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の高分子材料を例示することができる。

ライナー３は、シェル２側へ向けて窪む窪み部３ａを有している。また、ライナー３は、外側面３０１と、内側面３０２とを有している。内側面３０２は、半球状の面として設けられており、骨頭ボール１０４と摺動可能に接触している。ライナー３の外側面３０１は、テーパ状の第２対向面３０５と、奥側面３０６と、を含んでいる。第２対向面３０５は、シェル２の第１対向面２０５と対向し且つ当該第１対向面２０５と接触可能な部分として設けられている。

第２対向面３０５は、ライナー３の開口側端面３１２から、深さ方向Ｄ１に沿って、ライナー３の外側面３０１の底３０８側に向けて延びている。第２対向面３０５は、円錐台状に形成されたテーパ状面であり、ライナー３の底３０８側に進むに従い、直径が連続的に小さくなっている。第２対向面３０５の一部は、後述するように、第１対向面２０５にテーパ嵌合によって圧入固定されている。奥側面３０６は、第２対向面３０５に対して、ライナー３の底３０８側に配置されており、当該底３０８を含んでいる。奥側面３０６は、半球面状に形成されており、第２対向面３０５に隣接している。第２対向面３０５は、奥側面３０６を一部に含む仮想の球面の内側空間に配置されており、第２対向面３０５におけるライナー３の厚みは、奥側面３０６におけるライナー３の厚みよりも小さい。

ライナー３の奥側面３０６の中心及び第２対向面３０５の中心は、ライナー３の中心軸線上に位置している。ライナー３の中心軸線は、中心軸線Ｒと一致している。即ち、中心軸線Ｒは、シェル２の中心軸線であるとともに、ライナー３の中心軸線でもある。そして、第２対向面３０５は、シェル２の第１対向面２０５に取り囲まれている。

図３は、図２のシェル２０１の開口２０７近傍の拡大図である。図３に示すように、第１対向面２０５及び第２対向面３０５は、それぞれ、中心軸線Ｒに対して所定の傾斜角度Ａ１，Ａ２を有している。具体的には、中心軸線Ｒを含む切断面において、中心軸線Ｒに対する第１対向面２０５の傾斜角度Ａ１と、中心軸線Ｒに対する第２対向面３０５の傾斜角度Ａ２とは、同じ値である。

第１対向面２０５および第２対向面３０５の少なくとも一方には、環状の凹部３０９が形成されている。本実施形態では、第２対向面３０５に、環状の凹部３０９が形成されている。そして、第１対向面２０５は、第２対向面３０５のうち凹部３０９以外の部分と全域に亘って面接触している。即ち、第１対向面２０５及び第２対向面３０５は、深さ方向Ｄ１における凹部３０９の両側のそれぞれにおいて、互いに面接触している。

凹部３０９は、第１対向面２０５と第２対向面３０５との安定した接触状態を維持するために設けられている。凹部３０９は、第１対向面２０５に取り囲まれた、円環状の部分である。凹部３０９は、シェル２の深さ方向Ｄ１における中央部が、第２対向面３０５に対して最も深い底部３０９ａとされており、当該底部３０９ａから深さ方向Ｄ１の一方または他方に進むに従い、凹部３０９の深さが浅くなっている。第２対向面３０５からの底部３０９ａの深さは、例えば、１ｍｍ程度とされている。このように、凹部３０９の深さは十分に大きくされており、凹部３０９は、第２対向面３０５の表面粗さを粗くすることで形成されたものでないことが明らかである。

図３に示す断面、即ち、中心軸線Ｒを含む切断面において、凹部３０９は、円弧状の輪郭を有し、第２対向面３０５と直交する方向に向けて窪んでいる。本実施形態では、上記切断面において、凹部３０９は、単一の曲率半径を有している。凹部３０９は、第２対向面３０５において、ライナー３の開口側端面３１２の近傍に配置されている。

第１対向面２０５と第２対向面３０５とは、凹部３０９の周辺で、互いに面接触している。具体的には、前述したように、第２対向面３０５は、深さ方向Ｄ１における凹部３０９の両側方において、第１対向面２０５と全周に亘って面接触している。第２対向面３０５は、凹部３０９に対してライナー３の奥側に位置する奥側部３１０と、凹部３０９に対してライナー３の開口側端面３１２側に位置する開口側部３１１と、を有している。

本実施形態では、第２対向面３０５の奥側部３１０の全域が、第１対向面２０５と接触しており、これにより、第１接触領域１１が形成されている。また、第２対向面３０５の開口側部３１１の全域が、第１対向面２０５と接触しており、これにより、第２接触領域１２が形成されている。この構成により、深さ方向Ｄ１における第２対向面３０５の両端部が、第１対向面２０５と接触している。

深さ方向Ｄ１において、第１接触領域１１の長さは、第２接触領域１２の長さよりも長くされており、第１対向面２０５と第２対向面３０５との間の荷重の大部分は、第１接触領域１１に作用する。これにより、ライナー３の開口側端面３１２の近傍の第２接触領域１２に、過大な負荷が作用することが抑制されている。

深さ方向Ｄ１において、凹部３０９の長さの次に第１接触領域１１の長さが大きく、その次に、第２接触領域１２の長さが大きい。

図２に示すように、第１接触領域１１と深さ方向Ｄ１に隣接した位置に、ライナー３の外側面３０１の奥側面３０６が配置されている。奥側面３０６は、例えば、球面の一部を含む形状に形成されており、単一の曲率半径を有している。奥側面３０６は、シェル２の内側面２０２とは直接接触しておらず、シェル２の内側面２０２の奥側面２０６とは離隔した状態で対向している。奥側面３０６の中心の位置、及び奥側面２０６の中心の位置は、一致している。

以上の概略構成を有する人工股関節用コンポーネント１において、臼蓋１００ａと骨頭ボール１０４との間に荷重が作用した場合、この荷重は、シェル２及びライナー３に作用する。この場合、荷重は、第１接触領域１１と第２接触領域１２の２箇所、即ち、凹部３０９の幅（溝幅）分離隔した２箇所に作用する。

以上説明した人工股関節用コンポーネント１によると、シェル２のテーパ状の第１対向面２０５と、ライナー３のテーパ状の第２対向面３０５とは、シェル２の深さ方向Ｄ１において、凹部３０９を挟むように配置された２箇所で確実に接触できる。即ち、凹部３０９が設けられた第２対向面３０５は、少なくとも凹部３０９の近傍において第１対向面２０５に確実に接触することとなり、第１対向面２０５と、第２対向面３０５との接触位置（第１接触領域１１の位置、及び第２接触領域１２の位置）を、確実に所望の位置にすることができる。その結果、シェル２とライナー３との接触状態について、個体差を少なくすることができ、シェル２がライナー３を固定する性能に個体差が生じることを抑制できる。よって、人工股関節用コンポーネント１において、安定した性能を発揮することができる。また、シェル２とライナー３とは、シェル２の深さ方向Ｄ１において、少なくとも、凹部３０９を挟むように配置された２箇所で接触している。このため、例えば、シェル２の深さ方向Ｄ１と直交する直交方向の成分が大きい荷重が、骨頭ボール１０４からライナー３へ負荷された場合に、ライナー３は、シェル２によって、少なくとも第１接触領域１１と第２接触領域１２の、深さ方向Ｄ１の２箇所で支持される。したがって、ライナー３は、上記直交方向の成分が大きい荷重を受けても、シェル２に安定した姿勢で支持された状態を維持することができる。これにより、ライナー３がシェル２に対して転がるように位置ずれすること（脱転）を、確実に抑制できる。また、ライナー３とシェル２との接触箇所が深さ方向Ｄ１において少なくとも２箇所設けられていることにより、ライナー３に作用する荷重は、シェル２によって広い範囲で受けられる。その結果、ライナー３に大きな荷重が作用した場合でも、ライナー３に生じる応力が局所的に高くなることを抑制できる。これにより、ライナー３の破損をより確実に抑制することができる。

従って、人工股関節用コンポーネント１によると、シェル２とライナー３とを所望の位置で確実に接触させることができ、また、ライナー３の位置ずれを抑制でき、且つ、ライナー３の破損を抑制することができる。

また、人工股関節用コンポーネント１によると、第２対向面３０５のうち、少なくとも凹部３０９が形成された部分は、第１対向面２０５に接触させる必要が無いため、これら第１対向面２０５及び第２対向面３０５のそれぞれの寸法公差を厳密にしなくてもよい。したがって、第１対向面２０５及び第２対向面３０５を形成する加工の加工精度を過度に上げずに済み、その結果、人工股関節用コンポーネント１の製造コストを低減することができる。

また、人工股関節用コンポーネント１によると、深さ方向Ｄ１における第２対向面３０５の両端部が、第１対向面２０５と接触している。このような構成であると、深さ方向Ｄ１における、シェル２とライナー３とが接触している箇所間の最大距離（支持スパン）を、可及的に長くすることができる。これにより、ライナー３がシェル２との接触領域１１，１２を支点にして転がるように変位することを、より確実に抑制することができる。

また、公知の構成として、シェルの開口側端面に、シェルの周方向に間隔をあけて複数の溝を設けるとともに、この溝に係合する突起をライナーに設け、突起と溝とを係合させることにより、形状の異なる複数種類のライナーを択一的にシェルに固定可能な構成が知られている。しかしながら、このような構成では、シェルのテーパ状の対向面（第１対向面２０５に相当）のうちの、シェルの開口側部分の面積が小さい。このため、シェルの開口側において、シェルのテーパ状の対向面とライナーのテーパ状の対向面との接触面積が小さい。その結果、シェルとライナーとのテーパ嵌合による互いの固定の安定性が得られ難く、安定性を得られる形状は限られており、シェルの設計の自由度が低い。

これに対し、人工股関節用コンポーネント１によると、シェル２の開口側の端面に溝を設ける必要が無いため、上述したような、シェル２の形状の制約が無く、シェル２の設計の自由度を高くできる。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る人工股関節用コンポーネント１の主要部の周辺の断面図である。尚、以下では、第１実施形態と異なる構成について主に説明し、第１実施形態と同様の構成には図に同一の符号を付して説明を省略する。

第１実施形態では、第１対向面２０５の傾斜角度Ａ１と第２対向面３０５の傾斜角度Ａ２とが同じである構成を例に説明した。一方、第２実施形態及び後述する第３実施形態では、これらの傾斜角度を異ならせることにより、深さ方向Ｄ１における凹部３０９の両側方において、第１対向面と第２対向面とをより確実に接触させるようにしている。

具体的には、人工股関節用コンポーネント１のライナー３の外側面３０１は、第２対向面３０５Ａと、第２対向面３０５Ａに形成された凹部３０９と、を有している。第２対向面３０５Ａの傾斜角度Ａ２０は、第１対向面２０５の傾斜角度Ａ１とは異なっている。傾斜角度Ａ２０は、後述する傾斜角度Ａ２１と傾斜角度Ａ２２とを総称した傾斜角度である。

より具体的には、中心軸線Ｒに対する、第２対向面３０５Ａの奥側部３１０Ａの傾斜角度Ａ２１、及び開口側部３１１Ａの傾斜角度Ａ２２が、それぞれ、第１対向面２０５の傾斜角度Ａ１と異なっている。奥側部３１０Ａの傾斜角度Ａ２１を第１傾斜角度とし、第１対向面２０５の傾斜角度Ａ１を第２傾斜角度とし、開口側部３１１Ａの傾斜角度Ａ２２を第３傾斜角度とした場合、第３傾斜角度＞第２傾斜角度＞第１傾斜角度となるように各傾斜角度が設定されている。即ち、Ａ２２＞Ａ１＞Ａ２１となるように各傾斜角度が設定されている。各前記傾斜角度Ａ２２，Ａ１，Ａ２１のうち、最も大きい傾斜角度Ａ２２と最も小さい傾斜角度Ａ２１との差は、例えば、約５度である。

上記の構成により、第２対向面３０５Ａの開口側部３１１Ａが第１対向面２０５に面接触しており、且つ、奥側部３１０Ａが第１対向面２０５に面接触している。

第２実施形態によると、深さ方向Ｄ１における凹部３０９の両側で、第１対向面２０５と第２対向面３０５とが確実に接触するように、第１対向面２０５の傾斜角度Ａ１と、第２対向面３０５の傾斜角度Ａ２０とを設定することができる。

また、第２実施形態によると、第３傾斜角度＞第２傾斜角度＞第１傾斜角度としている。これにより、第２対向面３０５の開口側部３１１Ａを、シェル２の第１対向面２０５に確実に接触させることができる。また、第２対向面３０５の奥側部３１０Ａを、シェル２の第１対向面２０５に確実に接触させることができる。これにより、第２対向面３０５を、凹部３０９を挟むように配置された２箇所において、第１対向面２０５へより確実に接触させることができる。

（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態に係る人工股関節用コンポーネント１の主要部の周辺の断面図であり、図５（ａ）は、シェル２にライナー３が圧入される前の状態を示しており、図５（ｂ）は、シェル２にライナー３が圧入された後の状態を示している。

ライナー３の外側面３０１は、第２対向面３０５Ｂと、第２対向面３０５Ｂに形成された凹部３０９と、を有している。図５（ａ）に示すように、シェル２にライナー３が圧入される前の状態、即ち、ライナー３に荷重が作用していない状態を考える。この場合において、ライナー３の中心軸線とシェル２の中心軸線Ｒとが一致するようにライナー３を配置したとき、中心軸線Ｒ（ライナー３の中心軸線）に対する第２対向面３０５Ｂの傾斜角度Ａ２３は、第１対向面２０５の傾斜角度Ａ１と比べて大きくされている（Ａ２３＞Ａ１）。傾斜角度Ａ２３と傾斜角度Ａ１の差は、例えば、約５度である。

次に、ライナー３をシェル２へ圧入する作業について説明する。図６は、ライナー３をシェル２へ圧入する際にライナー３に生じる応力及び反力を示すグラフ図である。図６のグラフの横軸は、ライナー３の第２対向面３０５Ｂの開口側部３１１Ｂが、シェル２の第１対向面２０５に接触を開始したときにおけるライナー３の位置をゼロとし、そこからライナー３の開口側端面３１２を中心軸線Ｒに沿ってシェル２側に変位させた変位量を示している。また、図６のグラフの縦軸は、ライナー３に生じる応力及び反力を示している。

図６の△印は、ライナー３の奥側部３１０Ｂにおけるライナー３の応力を示している。また、図６の○印は、ライナー３の開口側部３１１Ｂにおけるライナー３の応力を示している。また、図６の◇印は、シェル２からライナー３が受ける深さ方向Ｄ１の反力を示している。図６のグラフは、シェル２とライナー３とをコンピュータ上でモデル化し、シェル２に作用する負荷をＦＥＭ（有限要素法）解析することで作成されている。

図５（ａ）及び図６を参照して、ライナー３を、中心軸線Ｒに沿ってシェル２に挿入すると、まず、ライナー３の第２対向面３０５Ｂの開口側部３１１Ｂが、シェル２の第１対向面２０５に接触する。この状態から、ライナー３の開口側端面３１２を中心軸線Ｒに沿って押圧することにより、ライナー３をシェル２の奥側へ更に押し込むと、ライナー３は、シェル２の開口２０７の周囲をシェル２の外側へ向けて押し広げる。この際のシェル２からの反力によって、ライナー３の開口側部３１１Ｂの応力が次第に上昇する。

そして、シェル２へ向けてライナー３を押し込む量、即ち、開口側端面３１２の変位量が所定量（図６において、約０．３５ｍｍ）に達するまでは、第２対向面３０５Ｂの開口側部３１１Ｂ及び奥側部３１０Ｂのうちの、開口側部３１１Ｂのみが第１対向面２０５に接触した状態（片当たり状態）が続く。この片当たり状態のとき、ライナー３の変位量が増すに従い、開口側部３１１Ｂの周辺の応力が増す傾向が見られる。そして、変位量が所定値に達すると、図５（ｂ）及び図６に示すように、第２対向面３０５Ｂの奥側部３１０Ｂが、第１対向面２０５に接触する。すなわち、第２対向面３０５Ｂの開口側部３１１Ｂに加え奥側部３１０Ｂが第１対向面２０５に面接触するという、両当たり状態に移行する。

両当たり状態では、開口側部３１１Ｂの応力と、奥側部３１０Ｂの応力は、変位量の増加に従い略同じ割合で線形的に増加する。片当たり状態において、奥側部３１０Ｂが第１対向面２０５に接触する直前には、変位量の増加に対する開口側部３１１Ｂの応力の増加量が大きいのに対し、両当たり状態では、変位量の増加に対する開口側部３１１Ｂの応力の増加量が小さくなっている。これは、両当たり状態では、奥側部３１０Ｂが第１対向面２０５に接触して負荷を受けることで、奥側部３１０Ｂと開口側部３１１Ｂとで負荷を分担して受け、開口側部３１１Ｂへの負荷の集中が抑制されていることを意味している。尚、ライナー３が受ける反力は、変位量の増加に伴って略一定の割合で増加している。

そして、図５（ｂ）に示すように、シェル２へのライナー３の圧入が完了した状態では、第２対向面３０５Ｂの傾斜角度Ａ２３は、第１対向面２０５の傾斜角度Ａ１と一致しており、開口側部３１１Ｂと奥側部３１０Ｂが、それぞれ、第１対向面２０５と強固に結合している。

第３実施形態によると、ライナー３をシェル２に嵌合する際、ライナー３の第２対向面３０５Ｂは、開口側部３１１Ｂから先にシェル２の第１対向面２０５に接触してシェル２を押し広げ、その後、第２対向面３０５Ｂの奥側部３１０Ｂが第１対向面２０５に接触することとなる。これにより、第２対向面３０５Ｂを、凹部３０９を挟むように配置された２箇所で、第１対向面２０５へより確実に接触させることができる。

また、ライナー３をシェル２へ圧入する際、ライナー３は、シェル２に対して片当たり状態から両当たり状態に移行することで、第２対向面３０５Ｂに作用する負荷を、開口側部３１１Ｂと奥側部３１０Ｂとで協働して受けることができ、開口側部３１１Ｂに過大な負荷が作用することを抑制できる。これにより、ライナー３の破損をより確実に抑制することができる。

尚、ライナー３をシェル２に圧入した状態において、第２対向面３０５Ｂの開口側部３１１Ｂの傾斜角度と奥側部３１０Ｂの傾斜角度とを、異ならせてもよい。

（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態に係る人工股関節用コンポーネント１の周辺の断面図であり、図８は、図７の一部拡大図である。図７及び図８に示すように、本実施形態では、第２対向面３０５には凹部が形成されておらず、代わりに、シェル２の第１対向面２０５に、環状の凹部２０９が形成されている。

第１対向面２０５及び第２対向面３０５は、深さ方向Ｄ１における凹部２０９の両側のそれぞれにおいて、互いに面接触している。凹部２０９は、第２対向面３０５を取り囲む、円環状の部分である。凹部２０９は、深さ方向Ｄ１における中央部が、第１対向面２０５に対して最も深い底部２０９ａとされており、当該底部２０９ａから深さ方向Ｄ１の一方または他方に進むに従い、第１対向面２０５からの深さが浅くなっている。底部２０９ａの深さは、底部３０９ａ（図３参照）の深さと同様である。

図８に示す断面、即ち、中心軸線Ｒを含む切断面において、凹部２０９は、円弧状の輪郭を有し、第１対向面２０５と直交する方向に向けて窪んでいる。本実施形態では、上記切断面において、凹部２０９は、単一の曲率半径を有している。凹部２０９は、第１対向面２０５において、シェル２の開口２０７の近傍に配置されている。

第１対向面２０５と第２対向面３０５とは、凹部２０９の周辺で、互いに面接触している。具体的には、前述したように、第１対向面２０５は、深さ方向Ｄ１における凹部２０９の両側方において、第２対向面３０５と全周に亘って面接触している。第１対向面２０５は、凹部２０９に対してシェル２の奥側に位置する奥側部２１０と、凹部２０９に対してシェル２の開口２０７側に位置する開口側部２１１と、を有している。

本実施形態では、第１対向面２０５の奥側部２１０の一部が、第２対向面３０５と接触しており、これにより、第１接触領域１１Ｃが形成されている。また、第１対向面２０５の開口側部２１１の一部が、第２対向面３０５と接触しており、これにより、第２接触領域１２Ｃが形成されている。

深さ方向Ｄ１において、第１接触領域１１Ｃの長さは、第２接触領域１２Ｃの長さよりも長くされており、第１対向面２０５と第２対向面３０５との間の荷重の大部分は、第１接触領域１１Ｃに作用する。これにより、ライナー３の開口３０７近傍の第２接触領域１２Ｃに、過大な負荷が作用することが抑制されている。

本実施形態の人工股関節用コンポーネント１によると、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

（第５実施形態）
図９は、本発明の第５実施形態に係る人工股関節用コンポーネント１の主要部の周辺の断面図である。本実施形態では、第１対向面２０５及び第２対向面３０５のそれぞれに、凹部２０９，３０９が形成されている。凹部２０９と凹部３０９とは、深さ方向Ｄ１と直交する方向に向かい合っている。

第５実施形態に係る人工股関節用コンポーネント１によると、第１対向面２０５のうちの凹部２０９に隣接する部分と、第２対向面３０５のうちの凹部３０９に隣接する部分とを、より確実に接触させることができる。

（第６実施形態）
図１０は、本発明の第６実施形態に係る人工股関節用コンポーネント１の主要部の周辺の断面図である。本実施形態では、第２対向面３０５に複数（例えば、２つ）の凹部３０９，３０９が形成されている。凹部３０９，３０９は、深さ方向Ｄ１に沿って並んで配置されている。

上記の構成により、第１対向面２０５と第２対向面３０５とが互いに接触している接触領域１０が、３箇所以上に設けられている。すなわち、第１対向面２０５と第２対向面３０５とが互いに接触している接触領域１０が、最も開口３０７寄りの凹部３０９に対して開口３０７側の位置と、凹部３０９，３０９間の位置と、最も奥側の凹部３０９に対して奥側の位置とに、それぞれ設けられている。

第６実施形態に係る人工股関節用コンポーネント１によると、深さ方向Ｄ１において、３箇所以上で第１対向面２０５と第２対向面３０５とを接触させることができる。これにより、ライナー３が接触領域１０を支点にして転がるように変位することを、より確実に抑制することができる。また、ライナー３からシェル２に作用する荷重を、より広範囲に分散させることができる。これにより、ライナー３に生じる応力のピークを低くすることができ、その結果、ライナー３の破損をより確実に抑制することができる。

尚、図１１に示すように、第１対向面２０５に複数（例えば、２つの）凹部２０９を設けてもよい。この場合も、上記と同様の作用効果を奏することができる。

また、第１対向面２０５に複数の凹部２０９を設け、且つ、第２対向面３０５に複数の凹部３０９を設けてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。例えば、次のように変更して実施してもよい。

（１）前述の各実施形態では、ライナーが、単一の材料によって形成されている形態を例にとって説明したけれども、この通りでなくてもよい。例えば、ライナーは、２種類以上の材料を用いて形成されていてもよい。例えば、図１２の断面図に示すように、ライナー３のうち、凹部３０９の周辺を、ステンレス等の金属製の環状の帯状部材１６で形成し、当該帯状部材１６以外の部分を、金属以外の材料で形成してもよい。この場合の金属以外の材料として、ＰＥＥＫ等の高分子材料を例示することができる。凹部３０９は、帯状部材１６に形成されている。この場合、帯状部材１６によって、ライナー３の強度を高くすることができる。

（２）前述の各実施形態では、第１対向面と第２対向面との関係について、複数の例を説明したけれども、この通りでなくてもよい。第１対向面の傾斜角度及び直径と、第２対向面の傾斜角度及び直径と、を適宜設定することにより、深さ方向における凹部の両側方で、第１対向面と第２対向面とを接触させてもよい。また、シェルにおいて、第１対向面の表面粗さを、他の部分の表面粗さよりも大きくしてもよい。また、ライナーにおいて、第２対向面の表面粗さを、他の部分の表面粗さよりも大きくしてもよい。

（３）前述の各実施形態では、第１対向面及び第２対向面には、凹部のみを形成した形態を例にとって説明したけれども、この通りでなくてもよい。例えば、図１３の断面図に示すように、シェル２のうち、凹部３０９とはシェル２の径方向に隣接する位置に、ライナー３と係合可能な機能部分としての係合部３１３を設けてもよい。係合部３１３は、環状に形成されている。係合部３１３には、ライナー３の外側面３０１に形成される図示しない突起、又は、凹部３０９が設けられていない従来のライナーの外周に形成された突起が挿入される。これにより、ライナーの抜け止めが達成される。このように、シェル２の第１対向面２０５のうち、凹部３０９と対向する位置に係合部３１３を配置することにより、第１対向面２０５と第２対向面３０５との接触状態が、係合部３１３の影響を受けずに済む。

（４）凹部の形状は、前述の実施形態で説明した形状に限られず、種々変更してもよい。

（５）前述の各実施形態では、シェルおよびライナーは、半球殻状である形態を例にとって説明したけれども、この通りでなくてもよい。たとえば、シェルは、円錐台形状に形成されていてもよい。また、ライナーの外側面は、円錐台形状に形成されていてもよい。

本発明は、人工股関節において用いられ、臼蓋に設置される人工股関節用コンポーネントとして、広く適用することができるものである。

１ 人工股関節用コンポーネント
２ シェル
２ａ 窪み部
３ ライナー
３ａ 窪み部
１００ 骨盤
１００ａ 臼蓋
２０１ ライナーの外側面
２０２ シェルの内側面
２０５ 第１対向面
２０９ 凹部
３０５ 第２対向面
３０９ 凹部
３１０ 第２対向面の奥側部
３１１ 第２対向面の開口側部
Ｄ１ 深さ方向
Ｒ 中心軸線

Claims (6)

1. 骨盤の臼蓋に設置され、窪み部を有するシェルと、
   前記シェルの内側に嵌合され、窪み部を有するライナーと、
   を備え、
   前記シェルは、金属材料及びセラミック材料の少なくとも一方を用いて形成され、
   前記ライナーは、金属材料及びセラミック材料の少なくとも一方を用いて形成され、
   前記シェルの内側面は、前記シェルの深さ方向に沿って延び前記ライナーを取り囲むテーパ状の第１対向面と、前記第１対向面に対して、前記シェルの底側に配置された奥側面と、を有し、
   前記ライナーの外側面は、前記第１対向面と対向するテーパ状の第２対向面と、前記第２対向面に対して、前記ライナーの底側に配置された奥側面と、を有し、
   前記第１対向面及び前記第２対向面の少なくとも一方には、環状の凹部が形成されており、
   前記第１対向面及び前記第２対向面は、前記シェルの深さ方向における前記凹部の両側のそれぞれにおいて、互いに接触し、
   前記ライナーに荷重が作用していない場合において、前記ライナーの中心軸線に対する前記第２対向面の傾斜角度は、前記シェルの中心軸線に対する前記第１対向面の傾斜角度と比べて大きく設定され、
   前記シェルの前記奥側面および前記ライナーの前記奥側面は、互いに接触することを抑制されるために互いに離隔した状態で対向し、
   前記第１対向面及び前記第２対向面のそれぞれに、前記凹部が形成されており、これらの凹部が互いに向かい合っていることを特徴とする、人工股関節用コンポーネント。
2. 請求項１に記載の人工股関節用コンポーネントであって、
   前記凹部は、前記シェル及び前記ライナーの中心軸線を含む切断面において、単一の曲率半径を有する円弧状の輪郭を有していることを特徴とする、人工股関節用コンポーネント。
3. 請求項１又は請求項２に記載の人工股関節用コンポーネントであって、
   前記ライナーは、２種類以上の部材を用いて形成され、
   前記ライナーの前記凹部は、環状の帯状部材を用いて形成されていることを特徴とする、人工股関節用コンポーネント。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の人工股関節用コンポーネントであって、
   前記第２対向面には、前記凹部が形成されており、
   前記第２対向面は、前記凹部に対して前記ライナーの奥側に位置する奥側部と、前記凹部に対して前記ライナーの開口側に位置する開口側部と、を含み、
   前記ライナーの中心軸線に対する前記第２対向面の前記奥側部の傾斜角度を第１傾斜角度とし、前記シェルの中心軸線に対する前記シェルの前記第１対向面の傾斜角度を第２角度とし、前記ライナーの中心軸線に対する前記開口側部の傾斜角度を第３傾斜角度とした場合、第３傾斜角度＞第２傾斜角度＞第１傾斜角度であることを特徴とする、人工股関節用コンポーネント。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の人工股関節用コンポーネントであって、
   前記深さ方向における前記第２対向面の両端部が、前記第１対向面と接触していることを特徴とする、人工股関節用コンポーネント。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の人工股関節用コンポーネントであって、
   前記凹部は、前記深さ方向に沿って複数設けられていることを特徴とする、人工股関節用コンポーネント。

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