Brevet FR2633179A1 — publié le 19891229

1.2633179 ASSEMBLAGE AMELIORE D'UNE TETE CERAMIQUE SUR UNE TIGE METALLIQUE POUR PROTHESE DE HANCHE DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte à l'assemblage d'une tête céramique (en général une rotule) avec une tige métallique, pour prothèse de hanche. Cet assemblage, associé à une seconde partie, dite cavité açétabulaire, constitue une prothèse interne d'articulation fémorale. ETAT DE LA TECHNIQUE I1 est connu d'utiliser comme prothèse fémorale un ensemble constitué d'une tête céramique et d'une tige métallique fémorale, ladite tige étant d'un côté implantée dans le fémur et de l'autre emboîtée dans un évidement borgne pratiqué dans la tête céramique. Cet assemblage est en général associé à une cuvette acétabulaire naturelle ou artificiel- le supportant la rotation de la tête céramique pour former une prothèse interne d'articulation de hanche. La cavité borgne pratiquée dans la tête céramique (partie femelle) est habituellement tronconique à section circulaire et à faible conicité; la partie mâle de la tige métallique fémorale qui vient s'y emboîter a pratiquement les mêmes cotes de telle sorte que l'assemblage par emboitement se fait sans jeu entre les 2 pièces, la rotation relative de la tête sur la tige étant évitée par différents dispositifs comme l'emmanchement à force, l'utilisation de colles, le clavetage, le bra- sage... Etant. donné que l'angle au sommet du cône est faible, il arrive très souvent que lorsque le praticien met en place les deux pièces, leur alignement ne soit pas rigoureusement correct; ainsi au lieu d'avoir une surface de contact entre les parois desdites pièces femelles et mâles, la pièce mâle est, en réalité, en appui par seulement quelques points sur la paroi de l'évidement de la pièce femelle. Pour les mêmes raisons, il arrive également que la pièce mâle ne s'emboîte pas sur toute la portée prévue de l'évidement de la pièce femelle; ainsi par exemple le sommet de la pièce mâle peut porter à faux en un point de la paroi de l'évidement non situé au fond dudit évidement, et en même temps la paroi de contact de la pièce mâle peut porter à faux en un point de la paroi de l'évidement proche de la périphérie de la tête céramique. 26331 79 Il arrive aussi que à la fois le cône mâle métallique et l'évidement céramique présentent des défauts de géométrie qui font que le contact entre ces deux pièces ne se fait que par quelques points et que leur mise en place n'est pas correcte. Tous ces problèmes liés à la mise en place des pièces mâles et femelles font qu'en définitive les contraintes mécaniques extérieures subies par la tête céramique sont transmises à la pièce mâle et au fémur seule- ment par l'intermédiaire de quelques points d'appui entre la pièce mâle et l'évidement de la pièce femelle, au lieu de l'être par une surface de contact. Ainsi les contraintes supportées par la tête- cérami- que sont considérablement accrues en ces points et sont la cause d'une augmentation très importante du risque de rupture de la tête céramique. Ces ruptures se produisent habituellement dans la zone antérieure, par opposition à la zone profonde, de l'évidement de la tête céramique. OBJET DE L'INVENTION L'objet de l'invention- est d'obtenir un assemblage par emboîtement entre le cône mâle de la tige métallique fémorale et l'évidement conique de la tête céramique, tel que l'on évite les risques de rupture de ladite tête céramique dûs à un mauvais positionnement et/ou à des défauts de géométrie desdites deux pièces en contact. Un autre objet sera d'assurer une mise en place rigoureuse de ces deux pièces, lors de leur assemblage par le praticien. Un autre objet est d'avoir un assemblage prothètique fémoral, constitué d'une tête céramique et d'une tige métallique, qui a une meilleure résistance mécanique à la rupture grâce à une répartition optimale des contraintes dans la tête céramique. DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention est un assemblage d'une tête céramique sur une tige métal- lique formant, associé à une cuvette acétubulaire, une prothèse d'articu- lation de hanche. Cet assemblage, permettant une répartition optimale des contraintes mécaniques dans la tête céramique, ladite tête ceramique comprenant un évidement borgne dans lequel vient s'emboîter l'extrémité mâle correspondante de la tige métallique, est caractérisé en ce que l'emboîtement de l'extrémité mâle se fait sans jeu dans une première zone tronconique de l'évidement, la dite première zone, appelée zone profonde de contact, se situant vers le centre de la tête céramique et ayant un faible angle au sommet et que, dans une deuxième zone de l'évidement, dite de non contact, prolongeant la première en direction de la périphérie de la tête céramique et en débouchant à l'extérieur, l'extrémité mâle emboîtée et ia paroi de ladite. deuxième zone de l'évide- ment ne soient pas en contact. Selon l'invention l'extrémité de la tige métallique et l'évidement de la tête céramique dans lequel il s'emboîte, ne sont en contact que par l'intermédiaire au plus d'une partie de leurs surfaces latérales totales et le contact est localisé principalement en fond de cavité. Les parties en contact sont donc: en ce qui concerne- l'évidement de la tête céramique, une partie des parois latérales situées dans la zone la plus profonde de l'évidement, à l'exclusion du fond lui-même. 20. en ce qui concerne l'extrémité de la pièce mâle métallique s'emboîtant dans l'évidement, une partie des parois latérales située le plus près de son extrémité. Les cotes des surfaces en contact sont telles qu'il n'y a pas de jeu entre elles et que la pièce mâle ne vient pas buter sur le fond de l'évidement. Ainsi le fond de cavité borgne et la surface sommitale transversale du cône mâle ne doivent pas être en contact l'un avec l'autre. Habituellement la zone profonde de l'évidement de même que l'extrémité de la pièce mâle venant en contact avec elle, ont une symétrie de révolu- tion autour d'un axe se confondant avec un rayon de la tête céramique.Les zones en contact sont de préférence tronconiques. L'angle total au sommet de ce tronc de cône est faible et se situe en général entre 3 et 100 et de préférence est voisin de 6 . La hauteur de la surface portante sur laquelle il y a contact entre la paroi latérale de l'évidement et la paroi correspondante de l'extrémi- 4 2633179 té de la tige est en général comprise entre 15% et 80%, de préférence entre 25 et 70%, de la hauteur totale de l'évidement. Cette hauteur est en général comptée à partir d'un point situé, sur l'axe de révolu- tion, à une distance telle que l'on préserve un espace libre de garde entre le fond de l'évidement et le sommet de la tige métallique pour éviter qu'ils ne viennent en butée. Cet espace a une épaisseur inférieure habituellement à 2 mm. La zone profonde de contact de l'évidement est prolongée en direction de la périphérie de la tête, par une deuxième zone o tout contact avec la tige métallique est soigneusement évité. Pour cela on procède soit en augmentant par usinage le diamètre moyen de cette zone de l'évi- dement, et/ou en usinant la partie correspondante, lui faisant face, de l'extrémité de la tige métallique pour en diminuer le diamètre moyen. L'épaisseur de l'espace libre existant, dans la zone de non contact, entre la paroi de l'évidement et celle de l'extrémité de la tige métal- lique n'excède pas en général 2 mm et habituellement I mm et même parfois moins, elle est constante ou variable sur la hauteur de ladite zone de non contact suivant que les profils de l'évidement dans cette deuxième zone et de la zone de la tige métallique lui faisant face sont identiques, par exemple tous les deux cylindriques mais de diamètres différents, ou différents, par exemple l'un est cylindrique, l'autre tronconique. Cette zone de non contact a une hauteur, mesurée sur l'axe de révolution de l'évidement, qui se déduit de la hauteur de contact vue précédemment; elle est ainsi au minimum égale à 20% de la hauteur totale de l'évidement diminuée de l'espace libre de garde. Elle est donc complètement différen- te de la zone de non contact que l'on trouve dans l'art antérieur résul- t rnt d'un léger chanfrein pratiqué sur l'arête à l'embouchure de l'évi- dement; en effet, la hauteur de ce chanfrein n'excède pas en général 1 mm et peut-être en moyenne de 0,5 mm. Une fois l'assemblage réalisé, on évite la rotation de la tête céramique sur l'extrémité de la tige métallique par tous moyens connus, tels que collage, emmanchement à force, clavetage, brasage... Les figures 1 à 3 permettront de mieux comprendre l'invention. 2633179 La figure 1 représente un assemblage tête céramique - tige métallique selon l'art antérieur. Les figures 2 et 3 représentent deux façons de réaliser l'invention. Sur la figure 1 on voit la tige métallique 1 avec son cône usiné 2 destiné à venir s'emboîter entièrement dans l'évidement correspondant de la tête céramique 3. On voit que la paroi 4 de l'évidement et la paroi 5 de l'extrémité de la tige métallique sont en contact sur une hauteur 10 qui est la totalité de la hauteur de l'évidement,diminuée du petit espace de garde 6 séparant le sommet 7 de la tige métallique 1 du fond 8 de l'évidement dela tête céramique 3, et diminuée de la hauteur du chanfrein 9 pratiqué sur l'arête de l'embouchure de l'évide- ment de la tête 3. Le cône usiné 2 de la tige métallique et l'évidement de la tête céramique 3 étant tronconiques s'emboîtent sans jeu l'un dans l'autre, donnant un assemblage pour prothèse fémorale. Sur la figure 2, représentant un mode particulier de réalisation de l'assemblage selon l'invention, On voit que l'évidement de la tête céramique est tronconique sur toute sa hauteur. Par contre, l'extrémité usinée 2 entrant en contact avec la paroi 4 de la zone profonde de l'évidement est tronconique sur une hauteur 11 nettement inférieure à la hauteur totale de l'évidement; ce cône 2 est continué par une partie cylindrique 12 qui fait face sans la toucher à la deuxième zone 13 de non contact de l'évidement. L'épaisseur de l'espace compris entre la paroi de l'évidement et celle de tige métallique n'est dans ce cas pas constante. Sur la figure 3 représentant un autre mode particulier de réalisation de l'invention, on voit que l'évidement est toujours tronconique, que la zone profonde de contact 14 est plus faible que dans le cas précédent, et que la deuxième zone de non contact de l'évidement a été obtenue en pratiquant une dépouille tronconique 15 dans la tête céramique, à la suite de la zone profonde, d'angle au sommet légèrement plus grand. Le cône 2 de la tige métallique est tronconique sur toute la hauteur correspondant à l'évidement. Dans ce cas l'épaisseur de l'espace compris entre la paroi de l'évidement obtenue après l'opération de dépouille et-la paroi de la tige métallique n'est également pas constante. 6 -2633179 L'assemblage selon l'invention est applicable à toutes céramiques frit- tées à base par exemple d'oxydes tels que les oxydes d'aluminium, de zirconium..., de carbures, de nitrures tels que le nitrure de silicium, de borures... ou leurs mélanges, voire de matériaux composites (par exemple carbone-carbone...). De même la tige métallique est d'une nature quelconque par exemple titane, inox ou autres alliages, elle peut être également constituée de tous matériaux suffisamment résistants à cette application, par exemple les matériaux composites. L'invention est appliquée en particulier à la réalisation de prothèses complètes d'articulation de hanche, la cuvette acétabulaire dans laquelle prend place la rotule pouvant être naturelle ou artificielle (en métal, céramique, composite, matière synthétique etc...) elle est également applicable à toutes liaisons par emboîtement d'une tige métallique dans une cavité borgne d'une tête céramique substantiellement sphéroïdale. EXEMPLES Des essais comparatifs statiques de rupture ont été réalisés sur des têtes correspondant à chacun des cas illustrés dans les figures 1 à 3-. Ils consistent à appliquer une force sur la tête céramique 3, assemblée avec la tige métallique 1-2, selon l'axe de l'assemblage jusqu'à obtenir la ruine de ladite tête céramique; ils ont été effectués selon la procé- dure décrite dans le projet de norme française PR. S 90 443 du 10.02.88 "Pièces fémorales de prothèse de hanche avec tête rapportée: spécifica- tions de la tête et de la partie mâle de l'emboîtement". Les exemples 1,2, 3 correspondent à des essais pratiqués sur des rotules en oxyde d'aluminium frittée de diamètre 28 mm avec un évidement de profondeur 16,5 mm; la zone profonde de contact a un profil tronconique avec un fond 8 de diamètre 14 mm, et un angle total au sommet de 6 . La tige métallique fémorale est en alliage à base de titane et a une extrémité usinée, sa zone de contact a un même angle au sommet 'que l'évidement, mais le diamètre de son sommet 7 est légèrement. supérieur à celui du fond 8 de façon à créer le petit espace de garde 6, entre ledit sommet 7 et le fond 8, dont l'épaisseur est de 1 mm. 7 2633179 Les exemples 4 et 5 correspondent à des essais effectués sur des rotules en oxyde de zirconium fritté de diamètre 28 mm avec un évidement de profondeur 20 mm et un espace de garde 6 d'épaisseur 0,5 mm, dans les mêmes conditions que les essais des exemples 1 et 2. EXEMPLE 1 (figure 1 déjà décrite) Il illustre un assemblage selon l'art antérieur. La hauteur de la surface de contact entre le cône 2 de la tige métallique usinée sous forme de tronc de cône et l'évidement correspondant de la tête céramique 3 est de 15 mm compte tenu de l'espace de garde 6 et de la hauteur du chanfrein 9 qui est de 0,5 mm. La portée est donc de 100% de la hauteur utile de l'évidement. Plusieurs essais de rupture ont été effectués; la moyenne de la charge à la rupture obtenue est de 2960 kg. EXEMPLE 2 (figure 2 déjà décrite) La hauteur 11 de la portée est de 10 mm, soit 65% de la hauteur totale de l'évidement diminuée de l'épaisseur de l'espace de garde 6. Comme cela a été dit la zone de non contact a été obtenue par un usinage cylindrique 12, en retrait, de l'extrémité de la tige métallique. Les mêmes essais ont donné une charge moyenne à la rupture de 5470 kg. EXEMPLE 3 (figure 3 déjà décrite) La hauteur de la portée 14-de contact est de 5 mm, soit. 33% de hauteur totale de l'évidement diminuée de la hauteur de l'espace de garde 6. Comme cela a été dit la zone de non contact a été obtenue par usinage tronconique de la deuxième zone de l'évidement, avec un angle légèrement supérieur à celui du tronc de cône de la zone de contact. Les mêmes essais ont donné une charge moyenne à la rupture de 4600 kg. EXEMPLE 4 (figure 1, déjà décrite) Il illustre un assemblage selon l'art antérieur appliqué cette fois à des rotules en oxyde de zirconium fritté. La hauteur de la surface de contact entre le cône 2 de la tige métallique usinée et l'évidement correspondant de la tête céramique 3 est de 19 mm, une fois déduits l'espace de garde 6 de 1 mm et la hauteur du chanfrein 9 qui est de 0,5 mm. 8 -2633179 La portée est de 100% de la hauteur utile de l'évidement. Les mêmes essais ont conduit à une vaieur moyenne de la charge à la rupture de 8750 kg. EXEMPLE 5 (figure 2 déjà décrite) La hauteur 11 de la portée est de 12 mm soit 62% de la hauteur totale de l'évidement diminué de l'espace de garde 6. La zone de non-contact a été obtenue par un usinage cylindrique 12 en retrait, de l'extrémité de la tige métallique. Les mêmes essais ont donné une charge moyenne à la rupture de 12900 kg. REVENDICATIONS 1. Assemblage d'une tête céramique (3) sur une tige métallique (1) formant, associé à une cuvette acétubulaire, une prothèse d'articulation de hanche. et permettant une répartition optimale des contraintes mécaniques dans la tête céramique (3), ladite tête céramique (3) comprenant un évidement borgne dans lequel vient s'emboîter l'extrémité mâle (2) correspondante de la tige métallique, caractérisé en ce que l'emboîtement de l'extrémité mâle (2) se fait sans jeu dans une première zone tronconique (4,5) de I'évidement cette première zone, dite de contact, se situant vers le centre de la tête céramique et ayant un faible angle au sommet, et que, dans une deuxième zone de l'évidement prolongeant la première en direction de la périphérie de ladite tête céramique (3) et en débouchant à l'extérieur, l'extrémité mâle (2) et les parois (13,15) de ladite deuxième zone de l'évidement ne sont pas en contact. 2. Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur de la zone de non contact est obtenue par usinage de la partie en regard correspondante de l'extrémité mâle de la tige métallique. 3. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caracté- risé en ce que la zone de non contact est obtenue par usinage de l'évi- dement de la tête céramique dans la zone correspondante. 4. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractéri- sé en ce qu'on ménage un espace libre de garde (6) entre le fond (8) de l'évidement borgne et la surface sommitale (7) de la tige métallique (1). 5. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 4 caractéri- sé en ce que la hauteur de la zone de contact est comprise entre 15 et 80% et de préférence entre 25 et 70% de la hauteur totale de l'évide- ment. 6. Assemblage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la hauteur de la zone de contact est comptée à partir d'un point situé sur l'axe de révolution du tronc de cône formant la zone de contact, à une distance égale à l'épaisseur de l'espace libre de garde (6). 7. Assemblage selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la tête céramique (3) est à base d'oxydes tels que les oxydes d'aluminium de zirconium..., de carbures, de nitrures, tels que nitrure de silicium, ou de matériaux composites, tels que le carbone-carbone. 8. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractéri- sé en ce que l'angle total au sommet de la zone de contact est compris entre 3 et 10 et préférentiellement voisin de 6 .