Brevet FR2134170A1 — publié le 19721208

La présente invention concerne une prothèse pour-l'artieulation de deux os entre eux et plus#particulièrement une prothèse de l'articulation de la hanche, au niveau de l'insertion de la tete du fémur dans ltos coxal. Ce type de prothèse est constitué classiquement : - par une tête fémorale artificielle présentant une tige destinée à être fixée par un ciment dans le fémur après ablation du sommet de ce dernier au niveau des trochanters, la tige de la tête fémorale artificielle étant prolongée par un col terminé par un profil maie sphérique ; - et par une cupule cotglordienne hémisphérique destinée à être scellée également par un ciment dans la cavité cotyloïde de l'os coxal, cette cupule présentant un pro fil femelle sphérique destiné à recevoir le profil maie de la tette fémorale. Ce type de prothése pose divers problèmes parmi lesquels il faut noter tout particulièrement : - la nécessité d'obtenir un déplacement relatif des profils femelle et maie aussi facile et doux que possible, quels que soient les charges qu'ils supportent et les mouvements de la jambe, ce qui impose des efforts de frottement aussi faibles que possible entre les profils, - et la réalisation d'une prothèse ayant une durée de vie importante pour éviter son remplacement trop fréquent, cette durée de vie dépendant en premier lieu de la résistance à l'usure des profils coopérants. Or, il se révèle que les prothèses connues parviennent mal à allier ces deux paramètres : faible frottement entre les surfaces et résistance à l'usure. Ainsi dans un premier type de prothèse, on a prévu de réaliser h tette fémorale et la cupule en acier spécial, par exemple en alliage b base de / afin d'obu tenir une haute résistance à l'usure. Nais ce type de prothèse connue entièrement métallique présentait des caractéristiques de frottement si mauvaises que ltarticu- lation pouvait se bloquer par serrage des surfaces en contact. Un mouvement de la jambe pouvait alors entratner un descellement de la cupule et une détérioration de l'articulation qui rendait obligatoire une intervention chirurgicale pour son res- placement. Il est évident que dans les études pour améliorer les prothèses, on a cherché à éliminer en priorité ce risque de descellement de la cupule qui peut ezr tramer des accidents graves pour le sujet portant la prothèse0 On a donc proposé de réaliser la cupule en une matière plastique, telle que du polyéthylène, à bas coefficient de frottement sur le métal pour éliminer tout risque de grippage et de moins cement des profils. Nais la résistance à l'usure de la matière plastique étant bien moindre que celle de l'acier spécial, il peut se produire, après une certaine période d'usage, un jeu préjudiciable entre les profils et à plus ou moins longue échéas- ce, il devient nécessaire de changer la prothèse. La présente invention propose un moyen pour remédier à ces inconvénients et elle concerne par conséquent, une prothèse dont les éléments en contact présentent une résistance au frottement pratiquement du même ordre de grandeur que les ar- ticulations métal-plastique, tout en avant une résistance à l'usure bien supérieure à ces dernières et plus particulièrement identique à celles des prothèses classiques métal-métal. L'invention repose sur plusieurs constatations s 10) - le risque de grippage des surfaces en métal frottant l'une contre l'autre provient du fait qu'il est pratiquement impossible d'obtenir économiquement par u- aine des surfaces absolument sphériques surtout avec une précision de l'ordre du micron. De telles surfaces présentent toujours des irrégularités qui accroissent considérablement les efforts de frottement.L'élimination de ces irrégularités en- tratnerait des dépenses prohibitives ; 20) - l'observation de prothèses classiques entièrement en métal, soumises à des ea sais de fonctionnement reproduisant les conditions d'utilisation normale, a révélé que les profils sphériques ne se trouvaient jamais en contact sur la totalité de leur surface, mais qu'elles portaient l'une sur l' autre par des zones relativement faibles auxquelles se circonscrivait l'usure. La demanderesse a fait la découverte surprenante qu'en réduisant la surface de portée de l'un au moins des profils sphériques, réalisés tous deux en métal, on parvenait à améliorer les caractéristiques de friction dans des proportions telles qu'elles deviennent voisines de celles des articulations métal-plastique. La présente invention concerne donc une prothèse avec toute fémorale et cupule cotyloidienne métalliques présentant respectivement un profil sphérique mille et un profil sphérique femelle, ladite prothèse étant telle que l'un au moins des profils présente une surface de portée sphérique discontinue. Ladite surface discontinue est constituée par les faces proéminentes de parties en saillie qui séparent des zones en dépression dans lesquelles peut être introduit un fluide de lubrification. Avantageusement, les zones on dépression qui ne jouent aucun roule de frottement sont brutes de fabrication, les seules parties rectifiées avec précision étant les faces proéminentes des parties en saillie qui doivent avoir rigoureusement le même diamètre. On notera que de préférence, pour faciliter la circulation du lubrifiant les zones en dépression communiquent entre elles grâce à des canaux pratiqués dans les parties en saillie. De plus, les parties de portée en saillie seront distribuées de préfti rence sur la totalité dudit profil sphérique afin que, quelle que soit la position angulaire relative des deux profils coopérants, leur aire de contact soit à peu près constante. Selon une forme préférée d'exécution, la surface de portée sphérique die continue représente environ 30 % de l'aire totale du profil dans lequel elle est ménag#e, les zones en dépression en représentant 70 %. bA# L'invention concerne également un procédé pour réaliser une prothèse telle que présentée ci-dessus consistant à conformer l'un au moins des profils pour qu'il présente une surface générale sphérique, à ménager dans cette dernière des zones en dépression disposées de place en place, à faire communiquer entre elles les- dites zones en dépression et à usiner les seules surfaces de portée dudit profil qui sont écartées des zones en dépression afin de mettre ces surfaces rigoureusement au même diamètre. On décrira maintenant l'invention, à titre d'exemple-non limitatif s en référence aux dessins annexés dans lesquels t - la figure 1 est une vue schématique partiellement en coupe représentant la prothèse coxo-fémorale oe état de fonctionnement p - les figures 2 et 3 representont deux types de cupules cotrlo#diennes connues ; - la figure 4 est une vue représentant l'intérieur d'une cupule selon l'invention ss - la figure 5 est une coupe selon la ligne 5-5 de la figure 4 3 - la figure 6 est une coupe selon la ligne 6-6 de la figure 4 de la cupule montée sur la tete fémorale ;; - la figure 7 représente une variante de réalisation d'une prothèse totale où la ct puis est représentée en coupe i - la figure 8 est une vue partielle développée représentant la surface de portée interne de la cupule de la figure 7 3 - la figure 9 est une vue en plan de la figure 7 ss - la figure 10 est un schéma représentant une machine d'essai permettant de mesurer le couple de friction des surfaces en contact de la cupule et de la tête fémorale 3 et - la figure Il est un graphique représentant les couples de friction mesurés avec la machine de la figure 10 sur divers types de prothèses. À la figure 1, on a indiqué en 1 1105 coxal coupé, en 2 la cavité cotg- lorde et en 3 le fémur dont on voit en 4 et 5 respectivement le grand trochanter et le petit trochanter. Le sommet du fémur est coupé selon la ligne des trochanters et évidé pour permettre la fixation d'une tête fémorale artificielle dont la tige 6 est engagée et scellée par du ciment dans le fémur 5. En 7 et 8 on a indiqué respectivement le col et le profil mâle sphérique de la tete fémorale. Au cours de l'intervention chirurgicale, le fond de la cavité cotyloïde est percé en 9 pour permettre l'ancrage convenable d'une masse de ciment 10. Ensuite, on scelle dans le ciment 10 une cupule cotyloSdienne indiquée de façon générale en Il et dont la face externe porte des plots d'ancrage 12. Il s'agit là d'une technique connue qui n'est rappelée que pour faciliter la compréhension de l'invention. Lorsque la cupule Il est mise en place, on in troduit dans son profil femelle sphérique le profil maie de la tette fémorale. Ainsi obtient-an une articulation permettant les déplacements de la tete fémorale aussi bien dans la direction de basculement de la flèche F1 que dans la direction de rota- tion Comme on le sait, lorsque l'homme est debout ou lorsqu'il marche norma, lement, le poids du corps s1 exerce en porte-à-faux sur le col du fémur et pratique- ment selon une ligne oblique passant par l'axe de la rotule 8 et par le milieu du genou.Le poids du corps a donc été représenté par les flèches F3 dirigées selon cette ligne. À la figure 2, on a schématisé une partie de prothèse connue dans laquelle le profil mâle 8 ainsi que la cupule sont réalisés en acier. On peut r-ar- quer que la difficulté d'usiner parfaitement les surfaces sphériques mâle 13 et femelle 15 provoque la création de zones bombées 14 et 16 (qui ont été volontairement exagérées dans un but de clarté).On comprend que la présence de ces défauts de régularité des surfaces entratne la création de régions de portée très localisées å l'endroit des gonzes bombées sur lesquelles s'exerce une pression très importante génératrice d'usure accélérée. Ainsi les zones bombées 14 du profil tis 8 risquent de provoquer des rainures dans la surface femelle 15 et inversement, les zones 16 de cette dernière créeront des cavités dans la surface malle 13. On assistera donc, non pas à un amoindrissement des irrégularités dans le temps, mais à une multiplication de tels défauts. De plus, il faut noter que les zones bombées peuvent entraver un blo cage de articulation. En effet, si l'on se reporte à la figure 22 on voit claire- ment que si la tete fémorale 8 se déplare dans le sens de la flèche F4 la bosse 14 va venir chevaucher la bosse 16 et l'on aura alors un coincement de la tate 8 dans la cupule 11. Si l'usager force, la cupule risque d'être ébranlée et, à la longues elle se descellera. Pour tenter de remédier à ce défaut, on a déjà proposé de réaliser une cupule ayant la forme représentée à la figure 3. Ce type de cupule connue présente une surface interne 17 conformée à peu près comme la pointe d'un ballon de rugby, tandis que la tette mRne 8 est sphéri- que. Par cette construction, on constate que les surfaces 13 et 17 portent, en tien normale, selon une zone annulaire 17' de largeur réduite tewe Dans la position de la figure 3, on voit que le bord extérieur de la cupule est écarté de la tette d'une distance "d". Cependant, ce type de cupule présente des inconvénients : - difficulté de conformer la surface 17 avec précision, - risque de création d'un effet de coin" provoquant un coincement des surfaces dans le cas d'un effort dirigé selon la flèche F5 - risque de déformation de la cupule sous des charges élevées, - et surtout, création d'un jeu important entre les surfaces Si la t8t 8 prends par rapport à la cupule, la position 18 représentée en trait interrompu. Dens ce cas, les surfaces ne sont pas en contact sur leurs portées 17'. Àa contraire, comme on le voit parfaitement aux figures 4 à 8 la présente invention propose une solution dans laquelle on conserve pour les deux surfs- ces en contact une forme sphérique. On notera que bien que dans la description et dans les dessins annexés on se réfère à la cupule, l'invention n'est pas limitée à cet aspect spécifique qui doit entre considéré comme un exemple. On pourrait naturellement, au lieu de confort mer la surface interne de la cupule selon la présente invention, disposer d'une cu- pule à surface interne totalement sphérique, le profil meule de la tette fémorale d- tant alors usiné conformément à l'invention. La cupule Il est constituée classiquement par une paroi 19 hémisphérique dont la surface externe porte des picots 12 assurant le scellement de la cupule dans le ciment. La base de la cupule présente une collerette périphérique 20 également classique. Par contre, la surface interne de portée est formée par une série de segments de surfaces sphériques 21, 22, 23 et 24 qui, dans l'exemple représenté, sont constituées par des nervures annulaires situées dans des plans parallèles à la collerette 20. Entre les nervures se trouvent des zones en dépression 25, 26, 27 et 28. On notera que la nervure voisine du sommet 21 est relativement large, tandis que les autres nervures sont plus étroites et sont disposées par couples et séparées par des dépressions 22', 23', 24'. Dans les dépressions se trouve de préférence un fluide lubrifiant et pour permettre à ce dernier de ne pas gêner le mouvement de l'articulation et de circuler entre les dépressions, on a prévu des canaux 29 en pattes d'araignée. On notera, que par exemple, la profondeur des dépressions pourra etre de l'ordre de 0,3 millimètre, la largeur de la nervure 21 étant d'environ 3 md ] LUkiS- tres et celle de chacune des autres nervures de 1 zililietre. Enfin, de préférence, la position angulaire des nervures 21 à 24 pourra etre telle qu'indiqué à la figure 5. Naturellement, les parties de surfaces sphériques 21 à 24 seront rectifiées avec précision au mssme rayon "r,' et avec suffisamment de finesse pour que toute irrégularité de surface soit éliminée. Par contre, les rainures pourront être brutes de fabrication. De plus, tous les angles vifs seront abattus. Comme on peut le voir à la figure 6, avec ce type de cupule, seules les surfaces 21 à 24 sont en contact avec la surface mâle t3 de la tête fémorale, mais la disposition est telle que les portées sont réparties sur toute l'aire de contact possible entre les surfaces sphériques. Ainsi, évite-t-on toute formation de jeu indésirable. On indiquera que, dans l'exemple représenté, la surface des portées 21 à 24 de la cupule à rectifier représente seulement 30 ffi de l'aire totale du profil sphérique, alors que les zones en dépression en représentent les 70 A Ainsi peut-on réaliser une économie notable au moment du polissage qui peut etre particulièrement soigné. Aux figures 7 à 9, on a représenté une variante de réalisation d'une cupule selon l'invention. Cette cupule 30 a une surface extérieure conformée en nid d'abeilles assurant un meilleur ancrage de la cupule dans le ciment. En effet, les parties en saillie 31, légèrement coniques formeront coin entre les parties du ciment qui stin- troduiront dans les alvéoles 32. De plus, la base des parties pleines 31 est avantageusement percée de trous transversaux 33 dans lesquels le ciment pourra pénétrer. De émet le profil femelle interne de la cupule présente une structure en nid dtabeilles, comme on peut le voir particulièrement à la figure 8 représentant un fragment développé à plat de cette surface interne0 Les surfaces de portée 34 en saillie sont reliées entre elles mais delimitent des zones en dépression 35 dans lesquelles peut se trouver un lubrifiant. Des canaux de communication 36 sont percés dans les parois en saillie de la structu- re pour permettre la circulation du lubrifiant. On notera que les deux types de cupules décrits pourront Outre réalisés: - soit par forgeage ou matriçage, puis usinage au tour et rectification, les zones en dépression étant alors créées par fraisage ; - soit par moulage ou coulage, les zones en dépression étant réalisées directement lors de cette opération et laissées brutes de fonderie. On donnera à présent quelques précisions concernant les performances comparées de la prothèse selon l'invention et des prothèses connues. Pour cela, on a soumis à des essais de frottement par mesure du couple résistant t a) une prothèse connue dont les surfaces en contact sont constituées en acier ss b) une prothèse connue dont une surface (celle de la tête fémorale) est en métal et l'autre en matière plastique telle que polyéthylène g c) enfin, une prothèse selon l'invention. On a utilisé pour ces essais une machine classique et qu'on ne dderira donc pas en détail. Cette machine est schématisée à la figure 10 et est #atltu#e par un bati 36 dans lequel est fixé un appareil indicateur de couple 37. L'appareil 37 est soumis par l'intermédiaire d'un organe d'appui 38 à un effort mesurable et réglable obtenu par exemple par serrage d'une tige filetée 39 à bras de manoeuvre 40.' L'appareil 37 porte un second organe d'appui 41 diamétralement opposé à l'organe 38 et dans lequel est logée une pointe 42 d'un ensemble 43 agissant à la manière d'une balance. L'ensemble 43 comporte un corps 44 monté par l'ittermddiaire de roulements sur un bloc 45 dans lequel est montée la cupule 14 qui repose sur la tête fémorale 8 immobilisée par sa tige dans une tablette du bats. Le corps 44 porte deux bras diamétralement opposés 46 dont les extrémités libres sont destinées à por- ter des poids 47. On comprend qu'en chargeant de façon identique les deux bras 46 par des poids 47, le système sera en équilibre, pour un effort de serrage donné de la vis 39 qui sera indiqué par le cadran 37. Par contre, si l'on charge par exemple le bras 46 de droite d'un poids supplémentaire 48 de faible valeur, on assistera à un basculement du système autour de la tette 8 dans le sens des flèches 49 pour les bras et 50 pour le système 43. On peut ainsi mesurer le couple résistant en fonction d'une charge. Sur le graphique de la figure 1, on a indiqué en abscisses les charges en wforce et en ordonnées le couple résistant en La courbe Â correspond à une prothèse classique sphérique métal sur métal; la courbe B correspond à une prothèse connue métal sur plastique, et la courbe C correspond à la prothèse réalisée selon l'invention. On constate que le couple resistant de la prothèse de la présente invention est très voisin de celui de la prothèse métal sur plastique réputée posséder les meilleures caractéristiques de frottement. L'invention ayant, maintenant, été exposée et son intéret justifié sur un exemple détaillé, la demanderesse s'en réserve l'exclusivité pendant toute la durée du brevet, sans limitation autre que celle des termes des revendications ci-après. REVENDICArIONS 1. Prothèse ##articulation, notamment du fémur sur l'os coxal, compor- tant S - une tête fémorale métallique dont la tige est destinée à titre fixée dans le fémur et dont le sommet est constitué par un profil mtle à surface générale sphérique, et - une cupule cotylo#dienne hémisphérique destinée à Outre insérée dans la cavité cotyloïde de Il os coxal,cupule présentant un profil femelle à surface générale sphérique dans laquelle s'embofte le profil #1e de la tête fémorale, ladite prothèse étant caractérisée en ce que, la cupule cotyloïdienne étant réalisée également en métal, l'un au moins des profils présente une surface de portée sphérique discontinue. 2. Prothèse selon la revendication 1 caractérisée en ce que la surface de portée sphérique discontinue est constituée par les surfaces proéminentes de parc ties en saillie qui séparent des zones en dépression. 3. Prothèse selon la revendication 2 caractérisée en ce que les zones en dépression entre les parties en saillie communiquent entre elles par des canaux pratiqués dans les parties en saillie afin de permettre la circulation d'un lubri, fiant. 4. Prothèse selon la revendication 2 caractérisée en ce que les surfaces proéminentes des parties de portée en saillie sont de même famNtre- 5. Prothèse selon les reveniicationa 2, 3 et 4 prises ensemble, carac- térisée en ce que les parties de portée en saillie sont distribuées sur la totalité du profil sphérique afin que, quelle que soit la position angulaire relative des deux profils coopérants, leur aire de contact commune soit à peu près constante. 6. Prothèse selon l'une quelconque des revendications précédentes, os- ractérisée en ce que la surface de portée sphérique discontinue représente environ 30 % et les zones en dépression 70 % de l'aire totale du profil dans lequel est ménagée cette surf ace sphérique discontinue. 7. Prothèse selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisée en ce que les parties de portée en saillie sont liées les unes aux autres 8. Prothèse selon la revendication 7 caractérisée en ce que les parties de portée en saillie forment un réseau en nid d'abeilles. 9. Prothèse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractéri- sée en ce que les parties de portée en saillie sont constituées par des segments de paroi séparés les uns des autres. 10. Prothèse selon la revendication9 caractérisée en ce que les segi monts de paroi sont distribués en anneaux coaxiaux centrés sur un diaibtre d'un grand cercle de la surface sphérique. 11. Procédé pour réaliser une prothèse selon l'une quelconque des dications précédentes, cara~térisé sn ce que s - on conforme l'un au moins des profils pour qu'il présente une surface générale sphérique ; - on ménage, dans ladite surface générale sphérique, des zones en dépression diapo, sées de place en place t - on fait communiquer entre elles lesdites zones en dépression par des canaux de communication ; - et on usine les seules surfaces de portée dudit profil qui sont écartées radiale ment des zones en dépression afin de mettre ces surfaces au meme diamètre.