Brevet FR2656217A1 — publié le 19910628

La présente invention concerne des perfectionnements apportés à une articulation artificielle de genou, utilisée dans le traitement orthopédique pour la remise en état des articulations de genoux notablement déformées par le rhumatisme ou l'ostéo-arthrite et provoquant des douleurs et des difficultés de marche, ou des articulations fractu- rées (ou détériorées) par des tumeurs des os ou par des blessures dues à des traumatismes au cours d'accidents de la route ou pendant des activités sportives. Ce n'est que récemment que les articulations artifi- cielles de genoux ont été étudiées et utilisées en pra- tique Comme l'articulation artificielle de la hanche, une articulation artificielle de genou subit des forces de flexion et d'allongement à ses surfaces d'articulation, et des forces de glissement pendant la marche ou l'exercice physique; l'articulation artificielle de genou constitue donc une articulation qui supporte des forces Comme des fractures et des problèmes d'articulation sont souvent provoqués par des maladies ou des blessures dues à des traumatismes, les cas de remplacement et de remise en état des articulations du genou à l'aide d'articulations artifi- cielles ont augmenté régulièrement dans la période récente. La figure 1 représente un exemple classique de structure d' articula- tion artificielle de genou L'articulation comporte un organe A de fémur fixé à la surface d'extrémité inférieure (surface distale) d'un fémur F et un organe de tibia B fixé au tronçon d'extrémité supérieure (tibia proximal) d'un tibia T L'organe A comporte, sous forme solidaire, une paroi avant al d'articulation qui est dirigée vers le haut à la face avant, deux condyles a 2 d'articulation qui se prolongent progressivement vers l'arrière avec une configu- ration presque courbe afin qu'ils glissent sur la surface concave b 2 d'articulation du tronçon de glissement bl d'un organe de tibia B, et des parois arrière a 3 d'articulation qui remontent vers le haut, avec une forme courbe aigué entre les condyles a 2 L'organe B de tibia comprend le tronçon précité bl de glissement, la surface concave b 2 d'articulation formée sur le tronçon bl, et un tronçon d'enrobage destiné à être fixé dans un canal proximal du tibia T L'extrémité distale du fémur F est coupée et l'organe A de fémur est fixé au fémur F par utilisation d'un ciment à os L'organe B de tibia est enrobé et fixé à l'extrémité supérieure (extrémité proximale) du tibia T La surface b 2 d'articulation du tronçon bl de glissement coopère par glissement essentiellement avec les condyles a 2 (lorsque le genou est plié et légèrement étiré) ou coopère par coulissement des condyles a 2 et des parois arrière a 3 d'articulation (lorsque le genou est fortement plié) afin que le genou puisse être plié et étiré La figure 2 est une vue en perspective représentant les organes A et B séparés de l'articulation du genou représentée sur la figure 1. Dans le cas de l'articulation artificielle classique de genou de type précité, le tronçon glissant bl est formé de polyéthylène haute densité afin qu'il permette un bon glissement de l'organe A et il nécessite la présence d'un tronçon b 4 formant un siège (voir figure 2) assurant le renforcement. Les deux organes A et B de l'articulation artifi- cielle classique de genou sont formés d'un métal auquel est insensible un corps vivant, par exemple le titane pur, un alliage de titane ou un alliage cobalt-chrome, ou il est formé d'une céramique à laquelle un corps vivant est insensible, par exemple à base d'alumine ou de zircone De tels matériaux métalliques et céramiques présentent des avantages et des inconvénients Lorsqu'il est formé de métal, le tronçon b 4 de siège a une résistance relativement élevée aux chocs, même s'il est mince Lorsqu'il est formé de céramique cependant, le tronçon b 4 de siège doit avoir une épaisseur double de celle qui est utilisée pour un métal afin que la résistance aux chocs obtenue soit égale à celle du tronçon b 4 de siège Pour des raisons d'usure, la surface b 2 d'articulation du tronçon glissant bl, formé de métal, s'use plus lorsqu'elle est au contact de l'organe A de fémur formé de métal que lorsqu'elle est au contact de l'organe A de fémur formé de céramique Si l'épaisseur totale du tronçon glissant bl et du tronçon de siège b 4 de l'organe B de tibia est augmentée, l'amplitude de coupe du tibia T peut aussi être accrue Ceci n'est pas souhaitable au point de vue de la chirurgie orthopédique Compte tenu de ces-considérations, l'épaisseur du tronçon glissant bl est réglée à 8 mm Un premier problème qui doit être résolu est l'augmentation de la durée d'utilisation de l'organe B de tibia lorsque l'épaisseur du tronçon glissant bl est limitée à 8 mm L'organe de fémur A formé de métal est combiné à l'organe de tibia B formé de métal, ou l'organe de fémur A formé de céramique est combiné à l'organe de tibia B formé de céramique Chaque combinaison présente ses avantages et ses inconvénients En particulier, l'organe A de fémur formé de céramique a une résistance relativement faible aux forces dynamiques transmises par le fémur F essentiellement en direction verticale, c'est-à-dire aux forces externes appliquées aux tronçons internes des condyles a 2 de l'organe de fémur A afin qu'ils glissent sur le tronçon bl Deux nervures a 4 de renforcement ayant des bords supérieurs presque horizontaux sont formées parallè- lement comme représenté sur les figures 2 et 3 afin que ce problème soit résolu La résistance mécanique de l'organe A de fémur formé de céramique, en présence des forces externes précitées, peut être représentée approximativement par la valeur obtenue au cours de l'essai de résistance à la flexion, illustrée sur la figure 4 Cet essai est réalisé de la manière décrite dans la suite L'organe de fémur A est placé sous forme retournée sur un support D et est fixé à celui-ci par un ciment C La force E est appli- quée progressivement à l'organe A, par-dessus, afin qu'une force soit exercée d'une manière telle que l'organe A fléchit vers l'extérieur (vers l'avant et vers l'arrière). La résistance de flexion de l'organe est obtenue par mesure de la force appliquée au moment o la surface interne de l'organe A se fissure ou se fracture Dans ce type d'essai, les fissures et fractures peuvent apparaître près d'un tronçon de raccordement all formé entre la nervure a 4 de renforcement et la paroi avant al Cela signifie que les contraintes de flexion se concentrent dans cette partie. Lorsque l'articulation est pliée fortement, la contrainte de flexion se concentre dans le tronçon de raccordement a 3 i placé à la face arrière de la nervure a 4 Dans ce cas, la paroi arrière a 3 glisse sur la surface b 2 de l'articulation et encaisse la force externe de flexion En cas de fissure ou de fracture dans l'organe A de fémur de l'articulation artificielle comme décrit précédemment, l'articulation ne peut pas fonctionner ou une fracture de l'os peut appa- raitre et présente un danger important. Un second problème doit aussi être résolu; les accidents de fracturation de l'os et les obstacles à un déplacement régulier de l'articulation doivent être élimi- nés par augmentation de la résistance à la flexion de l'organe de fémur. L'invention a pour objet une articulation artifi- cielle de genou qui permet la résolution des deux problèmes précités. L'invention a pour objet la résolution du premier problème afin que la durée d'utilisation de l'articulation artificielle de genou soit augmentée, par réduction de l'épaisseur du siège b 4 à une valeur aussi faible que possible et par augmentation de l'épaisseur du tronçon glissant bl d'une quantité correspondant à la réduction de l'épaisseur du siège b 4. Le second problème est résolu par divers dispositifs destinés à réduire la fragilité à la flexion des nervures classiques de renforcement Le dispositif le plus primitif est une augmentation de l'épaisseur et de la hauteur des nervures Dans ce cas, les trous des gorges de support de nervure du fémur F doivent être agrandis Ceci augmente la quantité d'os naturel qui doit être retirée et n'est pas souhaitable au point de vue des chirurgiens Les inven- teurs, de manière empirique, ont réussi à augmenter la résistance à la flexion avant fracture de la nervure de renforcement a 4 de plus de 200 %, non par augmentation de l'épaisseur de la nervure a 4 mais par répartition progres- sive d'une section critique dynamique qui a été conçue en fonction de l'application des forces, sans concentration dans la section d'une partie quelconque, c'est-à-dire par réalisation de la nervure de renforcement a 4 de manière qu'elle ne présente pas une variation brutale de section lorsqu'une force de flexion est appliquée dans la cavité interne de l'organe A Le second objet de l'invention a ainsi été atteint. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective représentant les conditions d'installation d'une articulation artifi- cielle classique de genou; la figure 2 est une vue en perspective représentant les organes de l'articulation artificielle classique de genou de la figure 1 à l'état démonté; la figure 3 est une coupe par un plan vertical passant par la nervure de renforcement de l'articulation artificielle classique de genou; la figure 4 illustre un procédé d'essai de flexion; la figure 5 est une vue en plan de l'organe de fémur de l'invention; et la figure 6 est une vue en élévation latérale de l'organe de fémur selon l'invention. L'invention concerne une articulation artificielle de genou comprenant un organe A de fémur destiné à être fixé à la partie distale d'un fémur F et un organe B de tibia destiné à être fixé à la partie proximale d'un tibia T, l'organe A de fémur étant formé d'une céramique d'alu- mine ou de zircone, et l'organe B de tibia étant une combinaison d'un tronçon bl de glissement formé de poly- éthylène haute densité et d'un tronçon b 4 de siège formé de titane, d'alliage de titane, d'alliage cobalt-chrome ou d'acier inoxydable. Le condyle a 2 de l'organe de fémur A formé de céramique et qui est mis au contact de la surface b d'arti- culation a une rugosité superficielle inférieure ou égale à 0,2 pm. Exemple 1 On considère maintenant l'amplitude d'usure à la surface b 2 d'articulation du tronçon de glissement bl de l'organe B de tibia, qui coopère par glissement avec les condyles a 2, et de la paroi arrière a 3 d'articulation de l'organe de fémur A qui est formée d'une céramique, en présence d'une force élevée L'amplitude d'usure au niveau de la surface b 2 de l'articulation, pour la combinaison d'une céramique et de polyéthylène haute densité, est bien inférieure à celle qui se produit à la surface b 2 d'articu- lation pour la combinaison d'un métal et de polyéthylène haute densité L'amplitude d'usure à la surface b 2 d'arti- culation qui supporte l'organe A de fémur formé d'une céramique d'alumine est par exemple de l'ordre du dixième de l'amplitude d'usure à la surface d'articulation b 2 qui supporte l'organe A de fémur formé d'un métal Le siège b 4, placé sous le tronçon de glissement bl, a une résistance aux chocs qui est élevée puis qu'il est formé d'un alliage de titane En conséquence, le siège b 4 peut être réalisé avec une épaisseur aussi faible que possible ( 2 mm par exemple), dans la mesure o il conserve son effet de support, et le tronçon bl de glissement peut avoir une épaisseur augmentée d'une amplitude correspondant à la réduction d'épaisseur du siège 4 (de l'épaisseur originale de 4 mm à 6 mm par exemple) En conséquence, la durée d'utilisation du tronçon bl de glissement peut être nota- blement prolongée Comme l'amplitude d'usure au niveau du tronçon de glissement bl est supposée être de 0,2 mm par an pour un déplacement normal du genou lors de l'utilisation par exemple d'une articulation artificielle de genou formée de métal, la durée d'utilisation de ce mode dé réalisation peut être énorme comme l'indique une simple estimation, étant donné la réduction précitée importante de l'amplitude d'usure et l'augmentation d'épaisseur du tronçon de glis- sement bl. Dans le cas de l'invention précitée, la durée d'utilisation de l'organe de tibia peut être notablement prolongée par utilisation de l'organe de fémur formé de céramique et de l'organe de tibia (mis à part le tronçon de glissement) formé de métal, comme décrit précédemment La plus grande durée d'utilisation est extrêmement avantageuse pour les patients. L'invention concerne aussi une articulation artifi- cielle de genou qui comporte l'organe précité de fémur ayant une paroi avant d'articulation al qui est dirigée vers le haut à la face avant, deux condyles a 2 qui se prolongent progressivement vers l'arrière en ayant une forme presque courbe, des parois arrière a 3 qui sont tournées vers le haut et qui ont une forme arrondie aiguë derrière les condyles a 2, et deux nervures de renforcement a 4 placées à l'intérieur des condyles a 2, dans la direction de déplacement de l'articulation, si bien que le bord supérieur a 5 de la nervure a 4 de renforcement a une confi- guration analogue à la configuration circonférentielle interne de l'organe de fémur A, formée par les parois internes de la paroi avant al, le condyle a 2 et la paroi arrière a 3, si bien qu'un tronçon a 6 de raccordement est formé de la paroi avant al et de la paroi arrière a 3 à la nervure de renforcement a 4 et a une section par un plan vertical, dans le tronçon a 6 de raccordement, qui augmente progressivement; - l'organe A de fémur est formé du même matériau que l'organe A de fémur du mode de réalisation précédent, et l'organe B de tibia est aussi formé du même matériau que l'organe B de tibia du mode de réalisation précédent. La céramique utilisée pour l'organe de fémur A est par exemple une céramique d'alumine ou de zircone, et le métal utilisé pour l'organe de tibia B est le titane pur, un alliage de titane, un alliage cobalt-chrome ou un acier inoxydable ' Exemple 2 On se réfère à l'exemple des figures 5 et 6; le bord supérieur a 5 de chaque nervure de renforcement a 4 a une configuration analogue à la configuration circonféren- tielle interne de l'organe de fémur A, formée par les parois internes de la paroi avant al, le condyle a 2 et la paroi arrière a 3, si bien que le tronçon a 6 de raccordement est formé de la paroi avant al et de la paroi arrière a 3 vers la nervure de renforcement a 4 avec une augmentation progressive de la section, dans un plan vertical, du tronçon de raccordement a 6 Plus précisément, contrairement à la configuration classique de nervure de renforcement a 4 représentée sur la figure 3 qui présente un changement net de section verticale de la paroi avant al et de la paroi arrière a 3 vers la nervure a 4 de renforcement, la configu- ration de la nervure a 4 de renforcement du mode de réalisa- tion de l'invention a une section par un plan vertical qui augmente progressivement En d'autres termes, lorsque les tronçons ail et a 31 de raccordement sont placés aux extré- mités avant et arrière de la nervure a 4 correspondent aux sections critiques pour une force de flexion comme indiqué sur la figure 3, la section critique n'est pas concentrée dans une partie verticale unique le long de la nervure a 4 de renforcement dans ce mode de réalisation mais est répartie progressivement sur toute l'étendue de la section de raccordement a 6 et augmente notablement la résistance à la force précitée de flexion Cette caractéristique est confirmée par l'expérience décrite dans la suite. Expérience i) objet l'organe de fémur ayant la structure représentée sur les figures 5 et 6, ii) organe de fémur: céramique d'alumine, iii) largeur de la nervure de renforcement: 3 mm iv) hauteur de la nervure de renforcement: 7 mm Exemple comparatif i) objet: organe de fémur ayant la structure représentée sur les figures 2 et 3 (ayant les mêmes spécifications que le mode de réalisation précédent, mis à part la nervure de renforcement), ii) organe de fémur: céramique d'alumine, iii) largeur de la nervure de renforcement: 3 mm iv) hauteur de la nervure de renforcement: 10 mm Expérience i) procédé d'essai; réalisé comme indiqué sur la figure 4. ii) résultats: l'exemple comparatif s'est fracturé pour une force de 25 103 N, mais le mode de réalisation de l'invention n'a pas présenté de fissures même pour une force de 50 103 N. Comme l'indiquent les résultats de cette expérience, la résistance à la flexion de l'organe de fémur du second mode de réalisation est supérieure de plus de 200 % à celle de l'organe de fémur de l'articulation classique, lorsque les tronçons de raccordement, de la paroi avant et de la paroi arrière, avec la nervure de renforcement, ont une section par un plan vertical qui varie progressivement dans la nervure de renforcement En conséquence, le second mode de réalisation est très avantageux car il permet l'élimina- tion des problèmes posés par l'articulation et par la fracture des os. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Articulation artificielle de genou comprenant un organe de fémur (A) destiné à être fixé à la partie distale d'un fémur et un organe de tibia (B) destiné à être fixé à la partie proximale d'un tibia, caractérisée en ce que l'organe de fémur (A) est formé d'une céramique d'alumine ou de zircone, et l'organe de tibia (B) est une combinaison d'un tronçon de glissement (bl) formé de polyéthylène haute densité et d'un tronçon de siège (b 4) formé de titane, d'un alliage de titane, d'un alliage cobaltchrome ou d'acier inoxydable. 2 Articulation selon la revendication 1, caracté- risée en ce que l'organe de fémur (A) est formé d'une céramique d'alumine, le tronçon de glissement (bl) de l'organe de tibia (B) est formé de polyéthylène haute densité, et le tronçon de siège (b 4) est formé d'un alliage de titane. 3 Articulation artificielle de genou, comprenant un organe de fémur (A) destiné à être fixé à la partie distale d'un fémur et un organe de tibia (B) destiné à être fixé à la partie proximale d'un tibia, caractérisée en ce que l'organe de fémur (A) a une paroi avant (ai) qui est disposée vers le haut à la face avant, deux condyles (a 2) qui se prolongent progressivement vers l'arrière avec une configuration sensiblement courbe, des parois arrière (a 3) disposée vers le haut et se raccordant avec une configura- tion courbe aiguë derrière les condyles (a 2), et deux nervures de renforcement (a 4) disposées à l'intérieur des condyles (a 2) et dansla direction du mouvement de l'articula- tion, le bord supérieur de la nervure de renforcement (a 4) ayant une configuration analogue à la configuration circon- férentielle interne de l'organe de fémur, formée par les surfaces des parois internes de la paroi avant (ai), des condyles (a 2) et de la paroi arrière (a 3) de manière qu'un tronçon de raccordement (a 4) soit formé de la paroi avant et de la paroi arrière vers la nervure de renforcement et possède une section, par un plan vertical, qui augmente il progressivement dans la section de raccordement (a 6), l'organe de fémur (A) est formé d'une céramique d'alumine ou de zircone, et l'organe de tibia (B) est une combinaison d'un tronçon de glissement (bl) formé de polyéthylène haute densité et d'un tronçon de siège (b 4) formé de titane, d'un alliage de titane, d'un alliage cobalt-chrome ou d'acier inoxydable.