JPS63158053A

JPS63158053A - 人工関節の作成方法

Info

Publication number: JPS63158053A
Application number: JP30547586A
Authority: JP
Inventors: 健一郎鈴木; 清彦野原; 垣生　泰弘; 松野　伸男
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1986-12-23
Filing date: 1986-12-23
Publication date: 1988-07-01

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）本発明は、生体内に埋めこまれる生体用材料、特に人工
骨の作成方法に係り、その形状が個入によ、く適合する
ように工夫された人工関節を作成する方法に関するもの
である。

（従来の技術）人間の各種関節は、種々の原因（外傷）により変形し、
破壊されることがある。関節破壊が著しくなれば疼痛と
関節機能障害のために、日常生活がかなり制限されるこ
とになる。

このような状態を改善し、通常の社会生活に復帰させる
ための治療法として、現在用いられている最も有効な方
法は、人工関節の置換術である。

また、歯科の分野では、虫歯、歯槽膿漏等により歯牙を
抜去している人は多く、特に食生活において不便を感じ
なければならなかった。これらの状態を回復するための
最近多く行われている治療法は、人工歯根のインブラン
ト法である。

人工骨や、人工関節、人工歯根等に要求される特性のう
ち重要な問題点としては、骨への固定方法が挙げられる
。すなわち、同じインブラント材である人工臓器の場合
と比較すると、人工骨などは骨の一部として機能するこ
とが必要であり、そのために非常に大きな荷重を受ける
ことになる。

例えば、普通の歩行時において、股関節では最大で体重
の４〜８倍の、また膝関節においては同様に２〜４倍の
荷重が加わると言われている。さらに、これらの荷重は
、生体内という化学的に極めて厳しい環境下において長
期にわたってくり返し負荷される。

従来、上記人工骨を生体内の骨へ固定する方法としては
、ボーン・セメントと呼ばれる、いわゆるポリメチルメ
タクリレートのポリマーの粉末とモノマーの液体とを混
ぜ合せ、重合・硬化させる方法、骨接触面に、骨親和性
の優れたアルミナ、水酸化アパタイト等のセラミックス
を溶射する方法、あるいは骨接触面にワイヤやビーズな
どを焼結することにより表面を多孔質化してその中に骨
を成長させる方法などがある。

（発明が解決しようとする問題点）上記従来方法には、下記のような種々の問題点があった
。

すなわち、ボーンセメント法についてみると、重合反応
による発熱によ諷周辺組織の壊死や、残留モノマーの毒
性などもあって、長期間使用している間にはルースニン
グと呼ばれるゆるみが発生してくる問題点があった。

また、従来技術（固定法）が抱える本質的な問題点のほ
かに、関節形状の個入差の問題もある。

すなわち、この個入差に対応するため、従来の人工関節
においては、多種多様の形状の製品を生産し、Ｘ線透視
像をもとに適合の可能性のある人工関節を数種類準備し
て関節置換術実施中に適合するものを選択し、ときには
自然骨の切除範囲を変更、修正しつつ生体内の骨に人工
関節を挿入、セメント等に固定する方法が採用されてい
る。

しかしながら、このような方法によって、関節形状の個
入差を完全に解決することは極めて困難である。それは
形状の異なる人工関節を予め多数用意することは容易で
はな（、現実的には２０種程度の人工関節から選択せざ
るを得ないため、個入差を多少容認して置換術をやらざ
るを得ないのが実態であった。

以上、従来技術の問題点を解決すると次のとおりである
。

（１）人工関節の摺動面の適合性があらかじめ設定され
た摺動状態より劣化し、人工関節と自然骨との接合面で
歪み、その結果疼痛を生ずると共に人工関節摺動面での
異常損耗など人工関節の寿命を低減させる現象が発生す
る。

（２）　　また、異常摩耗により摩擦力が増加し、人工
関節と骨界面に大きな力が加わり、ゆるみの原因となっ
たりしている。

（３）人工関節と自然骨の間の間隙が大きくなり、多量
の骨セメントを要するために周辺組織の壊死領域が増大
し、関節置換術の効果が激減してしまう。

本発明の目的は、上記問題点を解決し得る関節置換術の
対象となる個入の関節形状、損傷状態によく適合する人
工関節を製作する技術を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）上掲の目的に対し本発明は、次の事項を要旨構成とする
作成方法、すなわち、基本形状にもとづいて少数の一般
型ワックスモデルを準備し、施術対象者についての関節
部Ｘ線透視像を基に正常モデルとの差を求めて前記一般
型ワックスモデルを修正加工し、かくして得られる各個
入に適合する精密ワックスモデルを作成し、この精密ワ
ックスモデルを使って人工関節を精密鋳造することを特
徴とする人工関節の作成方法を課題解決手段として提案
する。

（作　用）発明者らは、関節置換術の対象となる個入の関節の形状
や損傷状態によく適合する人工関節を作成するための方
法について研究を進めた結果、まず人工関節の基本形状
を決定することが重要であることを知り得た。

基本形状の設計は、正常な関節の形状と、関節置換術に
おいて残存させる人工関節と、それと接合させるべき残
存骨（自然骨）の形状との調査、検討を通じて行った。

人工関節の前記基本形状に対し、自動化加工機による若
干の精密加工代を残してあらかじめ製作されたワックス
モデルを準備することが本発明の構成の第一の特徴であ
る。このワックスモデルは、常法により金型へ加圧注入
して製作しても良いが、より経済性を重視すれば石こう
型などへ流し込み鋳造した方が良い。なお、精密加工の
所要時間を軽減すべく、基本形状を数種用意することは
本発明の趣旨に沿うものである。勿論、基本形状とあら
かじめ製作されるワックスモデルの形状とは、自由曲面
を有しているので、自動化加工機に指示しうるちのでは
ないので、自由曲面データは膨大な記憶容量を有するコ
ンピューター内に記憶して運用するのが好ましい。なお
、該ワックスモデルの精密鋳造に際しては、鋳型に対し
、必要な溶融金属注入口や凝固収縮を補完するための押
湯部、溶融金属注入流が鋳型内のガスと置換し、ガスに
起因する欠陥を鋳造品中に残さないようにするためのガ
ス抜き孔などを、必要に応じて設ける。

かくして、コンピューターには、■基本形状、■あらか
じめ製作したワックスモデルの形状の２種の自由曲面デ
ータが格納されることとなる。

次に、関節置換術の対象となる個入の関節の形状は、関
節の損傷程度とともに正面、側面のＸ線透視像によりデ
ータとして採取する。かかるＸ線透視像は、Ｘ線源と被
写体、被写体と透過Ｘ線像の画像変換装置の距離の厳密
な調整により、ブラウン管上に倍率１．００±０．０１
倍となるよう投影され、工業用画像録画装置を介して記
録しておく。このとき、被写体のＸ線光学系に対する角
度も極めて重要であり、その角度は±１°に制御される
。

前記記録画像は、画像解析装置のブラウン管上に再生さ
れ、ブラウン管上に関節置換術施術予定の整形外科医が
正面、側面の２ケ所の透視像上に適正な人工関節の形状
を書き込む、ここで、計算機により交換されたＸ線ＣＴ
装置を用いれば、被手術者用の人工関節の形状を決定す
ることは原則的には可能である。しかし、被手術者のな
かには病変した関節を有する人もあり、この場合前述の
形状決定法では理想的な形状の人工関節は得がたい。こ
のような形状設計上の難点を克服すべく本発明者らが考
案したのが理想的な具体形状との照合を経る方法である
。すなわち、書き込みデータは、コンピューターに転送
され、スムージングを経て、人工関節の基本形状に対応
する２断面像と対比され、基本形状を決定している４〜
１０ケの代表値と比較され、関節置換術対象者の人工関
節代表値が決定される。

かかる人工関節代表値の決定理論は、基本形状が正常に
機能する関節の形状を基礎として決定されていることか
ら、該基本形状の代表値間の比率を基とした比例配分で
も十分である。なお、人工関節の置換術対象者の術後残
存（自然）骨との接合面の形状は、対象者の関節の損耗
状況を施術予定者がブラウン管上のＸ線透視像を観察し
て決定するのであるが、該形状は施術の実態から判断し
て自由曲面である必要はなく、平面の組合わせで十分で
ある。

このようにして決定された、関節置換術対象者の人工関
節の形状を基に、あらかじめ精密加工代を残して製作さ
れたワックスモデルの形状と、該人工関節との形状の差
が、自動化加工機の精密加工用データとしてコンピュー
ター内で演算され、自動化加工機に出力される。なお、
形状の差の演算は、２つの形状の相対個所を固定、基準
線として用いても良いし、自動化加工機による加工時間
が最短となるようコンピューター内での演算を行なわせ
て決定しても良い。

かくして、あらかじめ製作されたワックスモデル２ケか
ら、これを精密加工することにより２ケの人工関節のワ
ックスモデル製作できる。ここで、２ケのワックスモデ
ルのうち１ケは精密鋳造用に供されるワックスモデルで
あり、もう１ケは施術者ないし被施術者用ワックスモデ
ルである。

さらに、上述のように残存（自然）骨との接合面の形状
も、整形外科医がブラウン管上で決定しているので、コ
ンピューターから関節置換術実施時の関節骨の切断指示
を出すことは容易である。

なお、精密鋳造用ワックスモデルには、精密鋳造される
金属の収縮、鋳型機の収縮、鋳造品の仕上げ成形にとも
なう寸法変化は考慮ずみである。

勿論、本発明の特徴は、前述のように最新のコンピュー
ターによる設計技術、画像処理技術に依る所が大きいが
、ワックスモデルの成形加工技術も重要な構成要素であ
る。通常の鋳造用ワックスは融点が約７０℃と低く、機
械加工は極めて困難とされていたが、本発明者らはアク
リルなどの樹脂成品と比較して成形性、加工性の優れた
融点約９５℃の加工用ワックスを採用する。

（実施例）以下、本発明法を適用した人工膝関節に関する実施例を
３例述べる。

第１図に示すように、膝関節部は、大腿骨１、脛骨２が
軟骨をはさんで接触していて運動が可能となっている。

一般に、この膝関節として金属製鋳造品を用いる場合、
摩擦係数が生体骨間のそれに比べて著しく大きくなる。

したがって、高密度ポリエチレン３を脛骨側の大腿′骨
接合面に配し、これを金属の成形品（サポート４）でバ
ックアップする構造が一般に採用されている。このよう
にすれば、該摩擦係数は生体骨間のそれの３〜１０倍と
、金属間のそれよりはかなり小さく保ことができる。

この場合において、脛骨側の人工関節の上部を高密度ポ
リエチレン、下部を金属鋳造品と２分割しても良い。な
お、脛骨側人工関節は、大腿骨側に比し形状が単純なの
で以下大腿骨側人工関節について述べる。

大腿骨側人工関節は、自由曲面を中心に構成されるもの
で、あらかじめ以下の代表寸法を有する機械加工可能な
ワックスモデルを金型にインジェクションして製造した
。なお、ここでａ、〜ａ３（鶴）は人工関節の最大中、
Ｃ３〜ｃ３　　（ｍｍ）は最大の奥行き、ｈ、〜ｈ３　
（ｕ）は最大高さである。

■ａ＋＝７７、　　ｃ＋＝６３．　　　ｈｔ＝６５．　
　ｂ＋＝３３■ａｚＷ？２．　　ｃｚ□６０＋　　　ｈ
ｚ＝５９．　　ｂｚ＝３１■ａｚ□６７、　　Ｃｚ＝５
８．ｈｉ＝５４．　　ｂｚ＝２９また、ｂ、−ｂ３（ｔ
ｍ）は残存量と接合される人工関節の最大奥行きである
。これに対し、人工大腿骨の基本設計値は以下の通りで
ある。

■ａ＋’＝７４．　ｃ＋’＝６０．　ｈ＋’＝６２．　
ｂ、’＝３７■ａｚ’６９＋　ｃｚ’＝５７＋　ｈｚ’
＝５６．　ｂｚ’＝３５■ａｚｉ＝６４．　ｃｉ’＝５
５＋　ｈｉ’＝５１．　ｂｉ’＝３２関節置換術を施す
ことを前提として３人の屍体骨を仮想患者とし、膝関節
について正面、側面のＸｗＡ透視像を調べた。第１の仮
想患者は関節の損傷が著しく、したがって、大腿骨の切
除を広範に行なう必要があることが判明し、この仮想患
者に適合する大腿骨の形状を前出のａｗｃ、ｈ　（ｗ）
で表わせばａ＋’＝７４．５．　ｃ＋’＝６０−７＋　ｈ＋’＝６
２．４．　ｂ＋’＝３３．６であることが判明し、鋳造
用ワックスモデルとして（ｍｌ）・ａ＋’＝７５．２＋　Ｃ＋’＝６１．３．　ｔｌ＋’Ｊ
３．０．　ｔ、’＝３３．８の物を■のワックスモデル
から自動化加工機により製作し、Ｔｉ−６％Ａｆ−４％
Ｖ合金を真空電子ビーム溶解鋳造炉により鋳造した。こ
の場合の合金の注入温度は１９２０℃、注入速度は２．
５　ｋｇ／ｓｅｃであった。なお、鋳造用鋳型はＴｉ合
金との接触面にタングステンの金属層を０．１２ｍｍ、
その後方に安定化ジルコニア層１．５ｍｍ　、さらにそ
の後方に高アルミナ層１　、８ｍｍを配したものであり
、精密鋳造品は常法にしたがって湯道を精密切断、サン
ドブラスト後、酸洗し、カラーチェック、ＸｗＡ透視に
より内部や表面に欠陥のないことを確認して関節置換術
に供した。

ついで、第２の仮想患者では関節の損傷は軽微であった
ので、基本設計寸法とほぼ等しい代表寸法が適切との判
断となり下記の寸法のワックスモデルを■のワックスモ
デルを用いて自動化機械加工により製作し、前例と同一
の鋳造条件でＴｉ−６％Ａｉ４％Ｖ合金製人工大腿骨を
製作した。なお、自動化加工機の仕上げ加工条件は工具
切り込み深さ０．２ｍｍ　、切削速度８０ｍｍ／ｓｅｃ
とした。

ａ　ｚ’＝６８．８　Ｃｚ’＝５７．２　ｈ　ｚｐ＝５
５．８　ｂ　ｚ”３５．１ａ　ｚ’；６９．４　Ｃｚ’
・５７．７　ｈ　ｚ’□５６．３　ｂ　ｚ’□３５．３
　　（ｍｍ）さらに、第３の仮想患者は大腿骨が異常に
小さいが、損傷は少ない女性であって、■のワックスモ
デルから下記の代表寸法のワックスモデルを製作し、第
１の患者用と同一の鋳造等の条件で人工関節を製造した
。なお、鋳造後仕上げ、品質検査を施した人工関節の代
表寸法は、添字、Ｐで示す望ましい寸法に対し、平均０
．０７１ｍｍ　、標準偏差０．０３２ｍｍの誤差を生じ
ていたが、従来技術により人工関節を挿入する場合に予
想される最大誤差１．０〜２．５ｎ＋ｍに比べて著しく
少なく、患者により適合した人工大腿骨を用いた関節置
換術が可能となった。

ａ　：１ｐ＝６０．　　Ｃ３ｐ＝５１．　　ｈ　３’＝
４７．　　ｂ　２’＝２７ａ　　３’＝６０．５　　　
Ｃ：ｌ’＝５１．３　　　ｈ　　３’＝４７．３　　　
ｂ　　：＋”２７．５　　　　ＤＩ）これらの仮想患者
への人工関節の埋め込状態、及び能動性は、従来法のも
のと比較し、著しく良好であった。また、これらのワッ
クスモデル（を用いた鋳造は、単一のワックスモデルに
湯道を付与して鋳造すること、単一の湯道に多数のワッ
クスモデルを接続したいわゆるツリーの状態で鋳造する
ことがいずれも可能であった。

（発明の効果）以上の説明ならびに実施例の結果から判るように、本発
明作成方法によれば、次のような効果が期待できる。

＋１１　　患者の関節によく適合した人工関節が製作で
きる。

（２）シたがって、関節置換術後の運動可能範囲が従来
のものより拡大される。

（３）　　さらに、人工関節の寿命の延長が実現できる
と共に再手術の回避が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、膝関節の直立状態の側面図、第２図は、膝関
節の屈曲状態の側面図である。１・・・大腿骨　　　　　　２・・・脛骨３・・・高密
度ポリエチレン４・・・金属サポート

Claims

【特許請求の範囲】

１．基本形状にもとづいて少数の一般型ワックスモデル
を準備し、施術対象者についての関節部Ｘ線透視像を基
に正常モデルとの差を求めて前記一般型ワックスモデル
を修正加工し、かくして得られる各個入に適合する精密
ワックスモデルを作成し、この精密ワックスモデルを使
って人工関節を精密鋳造することを特徴とする人工関節
の作成方法。