Brevet FR2413078A1 — publié le 19790727

L'invention a pour objet une prothèse de hanche destinée au traitement chirurgical des fractures de l'extremité supérieure du fémur,des arthroses de hanche,des dysplasies et autres maladies ou malformations atteignant l'articulation de la hanche,dans le but de remplacer cette articulation. L'objet de l'invention se rattache au secteur technique de la chirurgie,des techniques chirurgicales et moyens chirurgicaux. Pour les arthroplasties de la hanche on utilise actuellement: - des arthroplasties cotyloidiennes consistant en cupules métalliques ou plastiques. - des arthroplasties fémç > rales,tiges métalliques scellées ou non, ayant comme inconvénients majeurs:instabilité dans le fémur et protusions acétabulaires. - des arthroplasties fémoro-cotyloldiennes,comprenant une tige fémorale métallique scellée ou non#et,une cupule cotyloidienne plastique en général(polyéthylène haute densité). - des arthroplasties dites intermédiaires,métallo-plastique,avec ti- ge méta#llique scellée ou non, et cupule cotyloldienne non scellée, qui se proposent de transmettre le mieux possible les pressions entre prothèse et cotyle,et de diminuer au maximum les frottements entre prothèse et cotyle. Les deux dernières catégories sont métallo-plastiques car à 1' heure actuelle,gr#ce aux travaux de Charnley d'une part ,de Wilson et Scales d'autre part,ce système s'est imposé. Une prothèse fémorale scellée ou non scellée,doit répondre à des impératîfs:#tre biologiquement tolérée.Etre mécaniquement suffisamment résistante.Etre anatomiquement bien adaptée au canal fé- moral.Répartir le mieux possible les contraintes sur le fémur.Lutter contre les forces qui ont tendance à la faire basculer,à lten- foncer,à la mobiliser en rotation.Impératifs de stabilité à long ter~ me et d'ancrage dans l'os pour les prothèses non scellées. Pour cela les prothèses existantes sont fabriquées soit en alliage base cobalt,soit en acier inoxydable,soit en titane,avecune longueur de tige(100 à 250mm)et une section (llxllmm par exemple) suffisantes.Une embase s'appuyant bien sur la surface osseuse de coupe du col.Un angle cervico-diaphysaire le plus proche possible de l'angle physiologique(i300).Une forme cintrée de certaines tiges longues.En plus les prothèses non scellées présentent des particu larités telles qu'une surface de contact augmentée entre la tige et 1 'os. Les inconvénients des prothèses actuelles se situent à différents niveaux.La tige,toujours métallique a un module de Young allant de 14000 à 23000 tandis que celui de l'os vivant est de 2000 à 3000.De ce fait,la tige fémorale se substitue complètement à l'os au point de vue mécanique sur une hauteur de 100 à 250mm.L'os n'étant plus sollicité se nécrosesur une hauteur importante à partir du haut.Beaucoup d'ennuis viennent de là Cet inconvénient ne peut être évité avec les matériaux actuels car,étant beaucoup moinsflexibles que l'os,ils présentent des ruptures,de fatigue le plus souvent,si les tiges sont trop fines,mais aucun dessin ne peut leur donner la souplesse de l'os. Cet inconvénient est accentué dans le cas des prothèses sans ciment car toute liaison entre l'os et le ciment est illusoire sur un patient ayant une activité moyenne car les mouvements relatifs importants empêchent les liaisons que la nécrose n'a pas déjà rendu impossibles. Signalons que le poids d'une prothèse classique peut être de l'ordre de 400 grammes. La même en titane pèse environ 250 grammes. Le coefficient de frottement relativement élevé entre la tête et la cupule entrainel'usure, le descellement de la cupule si elle est scéllée, la mobilisation de la dite cupule si elle est libre.Le cas particulier des cupules libres non scéllées dans le cotyle offre un inconvénient supplémentaire en face de l'avantage important d'éviter l'emploi du ciment dans le bassin. La radiographie post opératoire la montre le plus souvent en position basculée extrême, donc mobile à chaque mouvement et reportant ainsi le mouvement de la sphère sur la cupule vers la cupule sur le cotyle. Le principe de la tige fémorale selon l'invention consiste d'une part à lui donner un comportement physiologique en adoptant un matériau ayant un module de young du même ordre que celui de l'os vivant, d'autre part en calculant la section de la tige proportionellement aux efforts qu'elle a à subir dans le cas d'un encastrement de qualité moyenne dans le canal médulaire, d'autre part en affectant au calcul des sections un coefficient que l'on appelera de substitution.Il est égal à 1 dans la partie haute de la tige qui se trouve à la section du coldu fémur sous 1' flmbase 8 et il décroit pour tendre vers zéro à l'extrêmité inférieure de la tige 6, comme il est montré sur la figure 1. De cette manière,la tige remplace complètEment l'os 7,au point de vue mécanique dans la partie haute et lui rend sa fonction pour éviter sa nécrose,d'abord partiellement puis totalement quand on s'éloigne de l'embase pour aller dans la partie courante de la diaphyse fémorale. Comme la tige qu'elle soit à cimenter ou réhabitable par l'os,est dessinée de façon à remplir le canal mé#ulaire,elle sera naturellement dessinée selon une des sections connues de l'homme de l'art et remplissant ces conditions,soit tirée d'un modèle cruciforme ou en U par exemple.La tige,pour avoir un module de Young de 2000 à 3000 au lieu de 15000 à 21000 pour les métaux et alliages actuellement utilisés,est faite de matériaux composites en fibres de carbone,bore ou autre corps convenant à cet usage et connu de l'homme de l'art noyées dans une matrice de carbone,plastique ou métal.Sl'la tige do 1t être cimentée dans le canal fémoral,la matière constitutive de la dite tige sera entièrement imprégnée.Dans le cas où la tige doit être posée sans ciment et être par conséquent réhabitable par l'os, alors elle ne sera parfaitement imprégnée qu'à coeur En surface,elle ne le sera que partiellement de façon à laisser un pourcentage notable de porosités ouvertes. Ce principe de tige incluant le matériau,le mode de calcul et la mise en oeuvre est évidemment applicable à toutes les liaisons de matériel de synthèse avec un os long que ce soit dans le membre inférieur, le membre supérieur ou les côtes par exemple. Le col de la prothèse qui remplacera mécaniquement le col du fémur sera réalisé et calculé selon les mêmes principes.Le taux de substitution sera de 1. La fonction de la tête est principalement d'assurer lefrot tement le plus doux-techniquement réalisable.Dans l'état actuel de la technique la tête est donc composite,réalisée avec une matière massive qui assure les caractéristiques mécaniques revêtue d'une couche ou imprégnée par une couche de matière dure susceptible d'un haut degré de polissage et d'un bas coefficient de frottement comme les céramiques à base de carbure ou d'oxyde de chrôme. Ces céramiques peuvent être déposées sur des composites, des plastiques ou des métaux par différents procédés tels que biscuitage, plasma, frittage, bombardement ionique ou rapportées mécaniquement. On peut traiter de la même manière les surfaces frottantes de la cupule. De façon à obtenir un poids qui soit peu génant pour le malade, en parti#culier pour la natation,la tête de la prothèse selon l' invention est en composite ou en titane, l'un et l'autre revêtus de céramique. En effet, la densité des aciers et superalliages est de 7 à 8 tandis que celle des composites de carbone est de 1,5 à 2 et celle des alliages de titane envisagés de 4 à 4,5. Le poids.total d'une prothèse peut donc être ramené de 400 grammes à 100 par exemple. Dans un modèle classique de prothèse de hanche, la tête du fémur qui présente une forme hémisphérique d'un diamètre variant de 40 à 60 mu environ selon les individus est remplacée par une sphère métallique de même diamètre et très soign#sement polie. Lors des mouvements de la marche, le mouvement du fémur par rapport au bassin se fait entre la sphère métallique et le cartil age du cotyle. Il y a transmission directe du mouvement et de la pression avec souvent de bons résultats mais aussi un risque élevé de douleurs, signes de cotyloldites et de protrusions. Dans le cas le cartilage cotyloldien est en mauvais étât, on utilise un autre procédé. On fraise le cotyle et on y scelle une cupule métallique ou plastique.La partie fémorale de la prothèse se termine alors par une sphère métallique. Le mouvement et la pression sont transmis par la surface sphère cupule. Le frottement n'est plus dommageable pour le malade mais le scellement# d'une cupule dans le bassin après fraisage est un grave inconvénient.Une amélioration praticable dans de nombreux cas a vu le jour plus récemment sous la forme de très nombreuses versions de prothèses intermédiaires comportant une cupule cotyloidienne assurant le frottement contre la sphère morale mais non scellée dans le bassin.La cupule peut être ou non rétentive sur la sphère.Elle peut être en plastique extérieurement revêtue ou non de métal.Elle n'est pas scellée dans le bassin mais est supposée rester immobile et stable dans celui-ci.Le système sphère-cupule doit transmettre la pression sans le mouvement.Enfait les réalisations diverses n'ont à ce jour pas réussi à obtenir 1' immobilité de la cupule dans le bassin. Un poucentage variable de mouvements se fait entre la cu pule et le cotyle au lieu de se faire entre la sphère et la cupule occasionnant :douleurs,usure,cotyloidite et protrusion.D'autre part le système constitué par deux sphères concentriques a trois degrés de symétrie.Tl est donc en équilibre indifférent,excepté dans des angles extrêmes où les bords sont sollicités.La cupule ne restedonc pas coaxiale avec le col fémoral mais se stabilise normalement en position extrême et doit donc par effet de butée,tourner dans leco tyle,transmettant pression et mouvement,contrairement à son but et entrainant les inconvénients déjà signalés. La cupule suivant l'-invention est dessinée de telle manière qu'elle se centre automatiquement sous l'effet de la pression perpendiculairement à la direction de l'effort qu'elle doit transmettre.Pour cela, son dessin ne comporte plus uniquement des sphères concentriques comme tous les modèles connus jusqu'à ce jour,mais une surface telle que la symétrie est ramenée d'un degré 3 à un degré 2.Au lieu d'être en équilibre indifférent,la pression tend à ramener son axe parallèlement à l'axe de l'effort c'est à dire,dans notre application,à l'axe du col du fémur ou de la prothèse qui le remplace,soit à environ 1300. la figure 2 montre une sphère métallique 1 portée par un col 2.L'axe des efforts est parallèle avec celui du col.La cupule3 est portée par la sphère 1.Elle peut être rétentive ou non sur la sphère selon qu'elle est arretée vers le bas par un plan plus bas que le diamètre ou-un plan diamétral. La cupule 3 transmet l'effort et le mouvemnt de la sphè re l aV cotyle 5.Dans l'exemple chois#,la face concave de la cupule a le diamètre extérieur de la sphèrela face convexe a le diamètre intérieur du cotyle pour s'y adapter parfaitement.La surface concave de la cupule a pour centre le centre de la sphère.La surface convexe est une sphère dont le centre est décalé par rapport à celui de la surface concave d'une distance d. Sur les matériels fabriqués à ce jour, les trois centres sont confondus.Appelons x l'axe du coi 2 et y l'axe de la cupule 3. Supposons qu'un effort fasse tourner y d'un angle a par rapport à x.La cupule est libre de tourner mais un couple la rappelle à sa position initiale.En effet,si la cupule 3 prend la position 4,la distancé du centre O de la sphère au cotyle augmente de la distance e contre le poids du corps et la tension des muscles.Ceux-citendent donc à faire tendre e vers zéro et à ramener y sur x. Le calcul du couple de redressement de la cupule est facilement accessible à l'homme de l'art aussi en donneront nous seulement les résultats.Le couple est proportionnel à la distance d des deux centres et au cosinus de l'angle a des deux axes.Ilestdonc très faible pour un angle faible et croît rapidement quand la cupule s'éloigne de l'équilibre. Nous avons donné comme exemple non limitatif celui d'une cupule limitée par deux surfaces sphériques.En fait d'autres surfaces seraient mieux adaptées et peuvent être données directement par le calcul en fonction de l'évolution du couple de redressement souhaité.Citons les paraboloides de révolution. Dans la pratique on aura intérêt à chercher un couple de redressement faible car la cupule doit para'ire libre en cas demou- vement extrême puis être ramenée insensiblement dans sa position d'équillbre.Dans le cas d'une surface convexe sphérique onchoisira donc une distance d faible,par exemple 5 mm si le diamètre de la sphère 1 est de 32mm.Si cette surface est un parabololde c'est le lieu du centre instantané de rotation que sera pris en compte. Ce qui précède a été ci-dessus développé dans le cas le plus classique d'une cupule plastique transmettant les mouvements entre une sphère métallique et le cotyle.Il existe en fait un grand nombre de variantes comportant une cupule plastique sertie ou semisertie dans une enveloppe métallique,une cupule plastique libre dans une cupule métallique ou encore des systèmes céramique-plasti#ue, céramique-métal ou autre faisant intervenir plusieurs cupules intermédiaires.Dans ce cas il suffira de rendre stable le plus souvent une seule cupule.A ce jour tous ces ensembles étant toujours concentriques,il faudra appliquer le principe de la cupule autostable à la plus externe ou à la plus mobile,donc décaler un ouplusieurs centres. Ces principes sont applicables au problème des prothèss de hanche qu'elles comportent ou non de tige fémorale.Mais Il est évident en soi,-qu'ils sont applicables avantageusement à d'autres articulations telles que le genou,l'épaule,le coude cités à titre non limitatif. REVENDICATIONS -1- Prothèse de hanche caractérisée en ce que sa tige fémorale et son col sont constitués d'un matériau composite à module de Young comparable à celui de l'os vivant. -2- Prothèse de hanche selon la revendication 1 caractérisée en ce que le matériau utilisé est un composite à fibres de bore ou de carbone dans une matrice de plastique, de carbone ou de métal. -3- Prothèse de hanche selon les revendications 1 et 2 ca ractérisée en ce que le matériau ait subi une imprégnation incomplète pour laisse#r sa partie extérieure à porosités ouvertes. -4- Prothèse de hanche selon les revendications 1 et2 caractérisée en ce que la tête rapportée à la tige et au col est en titane recouvert de céramique, l'ensemble constituant un assemblage triplex, matériau à fibres-titane-céramique. -5- Prothèse de hanche selon les revendications i et 2 caractérisée en ce que la tête rapportée à la tige et au col ou so- lidaire est en matériau à fibres recouvert de céramique. -6- Prothèse de hanche selon les revendications i et 2 ca ractérisée en ce que la cupule cotyloidienne non scéllée dans le cotyle a une partie au moins qui est constituée par un volume limité intérieurement par une sphère et extérieurement par un sphère ou autre surface de centre instantané de rotation décalé de façon à la rendre autostable et propre à se placer d'elle même perpendiculairement à l'effort qu'elle transmet. -7- Prothèse selon les revendications i à 5 caractérisée en ce qu'elle peut être destinée à l'articulation du genou. #-8- Prothèse selon les revendications i à 6 caractérisée en ce qu'elle peut être destinée à l'articulation du coude. -9- Prothèse selon les revendications i à 6 caractérisée en ce qu'elle peut être destinée à l'articulation de l'épaule. -10- Prothèse selon les revendications 1 à 6 caractérisée en ce qu'elle peut être-destinée à l'articulation de la cheville.