Brevet FR2705883A1 — publié le 19941209

La présente invention concerne le domaine des prothèses articulaires notamment pour les domaines médical, animal ou cybernétique. Il existe déjà à ce jour de nombreuses prothèses articulaires. De telles articulations sont généralement constituées d'une partie mâle constituée d'une calotte de surface interne concave, et d'une partie femelle destinée à être insérée dans cette partie mâle. Dans l'hypothèse d'une prothèse destinée à être insérée dans un organisme vivant, par exemple dans le corps humain, ces articulations émettent généralement des particules d'usure. En effet, le glissement des différentes parties les unes sur les autres par des frictions, provoque des arrachements sous forme de particules libres. Ces particules libres sont considérées par l'organisme comme des agents étrangers, qui les attaque en produisant des produits chimiques qui détruisent le squelette osseux et qui entraînent ainsi le descellement de la prothèse. Cette usure entraîne donc une limitation de la durée de vie de la prothèse. D'autre part, une utilisation sportive outrépignante de la prothèse peut entraîner son déboîtement, c' est-à-dire la luxation, notamment lorsqu'elle est sollicitée non plus en rotation, mais en traction ou en extension. De plus, lors du contact entre le squelette et l'environnement matériel, ces articulations étant soumises à des vibrations, ces vibrations sont transmises au cerveau. Ces prothèses doivent donc être robustes et rigides, tout en ne transmettant pas de vibrations, et être solidement insérées, tout en permettant un mouvement sans friction et donc sans émission de particules d'usure. I1 existe déjà à ce jour des prothèses articulaires qui tentent de pallier à ces inconvénients, donc qui limitent l'émission de particules d'usure au moyen de roulements à billes insérés entre la partie mâle et la partie femelle. Cependant, lors de l'utilisation de la prothèse, les parties mâle et femelle sont animées d'un mouvement de sens inverse. Si la partie mâle est animée d'une vitesse V par rapport à la partie femelle, les billes, pincées entre les parties mâle et femelle, auront une vitesse de V/2 par rapport à la partie femelle. Afin d'éviter un glissement des billes, le brevet FR 2 671 483 prévoit une cavité réalisée dans la partie femelle, comportant une ouverture circulaire qui relie le roulement à billes à cette cavité, permettant ainsi le recyclage des billes. Cependant, cette prothèse ne résout pas le problème de la luxation. En effet, afin d'éviter le déboîtement des parties femelle et mâle, il est souhaitable que le diamètre de l'ouverture de celle-ci, par laquelle la partie mâle est introduite dans la partie femelle, soit inférieur à celui de la partie mâle. Dans la prothèse décrite dans ce brevet, la distance entre les billes opposées est inférieure au diamètre de la partie mâle. Cependant, ces billes étant en communication avec la cavité par l'intermédiaire de l'ouverture circulaire, elles sont mobiles et lorsqu'une force est exercée, elles tendent à s'y engager. La liaison entre les parties mâle et femelle ne permet donc pas de résoudre le problème de la luxation. D'autre part, cette prothèse ne résout pas les problèmes liés à l'absorption des vibrations, à l'adaptabilité au squelette, et à la nécessaire facilité de la pose, cette prothèse se présentant en une seule partie. Enfin, cette ouverture étant creusée dans la partie femelle, parallèlement à la cavité contenant les billes, cette partie femelle est fragilisée, donc moins rigide. La présente invention remédie à ces inconvénients en proposant une prothèse articulaire n'émettant pas de particules d'usure, et, de plus, ne pouvant pas être luxée. Un autre but de l'invention est une prothèse articulaire qui évite la transmission de vibrations auxquelles elle est soumise. Pour ce faire, la présente invention a pour objet une articulation à roulement sphérique à billes pour prothèses articulaires notamment humaines, animales ou cybernétiques, comportant au moins une calotte ayant une surface interne concave, au moins une portion de sphère concave placée dans l'espace partiellement hémisphérique délimité par la calotte, au moins une sphère convexe placée dans la concavité de la portion de sphère concave, au moins un ensemble composé d'une pluralité de billes disposé entre une des portions de sphères concaves et une des sphères convexes, et au moins une crosse implantée par une extrémité dans un trou d'emmanchement creusé dans chacune des sphères convexes, l'autre extrémité étant destinée à être implantée dans l'ossature d'un membre à articuler, articulation caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, au moins une gorge de recyclage d'un des ensembles de billes sphériques située dans la face interne de la portion de sphère concave sur le périmètre de l'ouverture circulaire que celle-ci définit, et en ce que le diamètre du cercle passant par les centres des billes en contact avec la portion de sphère concave et avec la gorge de recyclage est inférieur au diamètre de la sphère convexe. Un autre objet de l'invention est une articulation telle que ci-dessus, caractérisée de plus en ce qu'elle comprend des moyens destinés à amortir les vibrations et les chocs. Dans un mode de réalisation, cette articulation se caractérise également en ce qu'elle comporte des moyens d'assemblage de l'ensemble constitué par la calotte, la portion de sphère concave, la sphère convexe, les billes, et les moyens destinés à amortir les vibrations et les chocs. Ainsi, la prothèse articulaire selon la présente invention présente une structure robuste et rigide. Elle ne peut donc pas être luxée et ne transmet aucune vibration. Elle est également insérée de façon solide au squelette, tout en permettant un mouvement sans friction et donc sans émission de particules d'usure. La structure de cette prothèse articulaire permet également de simplifier au maximum le travail du chirurgien en respectant son mode opératoire, et à celle-ci d'être adaptable à toutes tailles de squelettes et standardisée vis-à-vis des interfaces, disponibles dans le commerce, en contact avec la charpente osseuse. En effet, il est souhaitable que l'intervention ne soit pas de trop longue durée, afin de réduire les temps d'anesthésie. Divers autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, sans caractère limitatif, donnée en regard des dessins annexés dans lesquels les figures 1 à 4 représentent un mode de réalisation d'une prothèse selon l'invention, pour articulation coxo-fémorale, dont la figure 1 est une vue générale, et les figures 2 à 6 sont des vues de détails de la figure 1, les figures 7 et 8 représentent un autre exemple de réalisation d'une prothèse selon l'invention. En se référant à la figure 1, la prothèse d'articulation comporte une calotte 1 à fixer par exemple dans la cavité fémorale, ayant une surface interne concave. Une portion de sphère concave 2 est placée dans l'espace hémisphérique délimité par la calotte 1. Une sphère convexe 3 est introduite dans la concavité de la sphère 2, par l'intermédiaire d'une ouverture définie par celle-ci. Un ensemble composé d'une pluralité de billes 4 est disposé entre la portion de sphère concave 2 et la sphère convexe 3. Une crosse 5 est implantée par une extrémité par exemple dans un trou conique d'emmanchement creusé dans la sphère convexe 3, l'autre extrémité étant destinée à être implantée dans l'ossature d'un des membres à articuler. Elle comporte, en outre, une gorge circulaire de recyclage de l'ensemble de billes sphériques 6 (représentée sur la figure 2) située dans la face interne de la portion de sphère concave 2 au niveau de l'ouverture par laquelle est insérée la sphère convexe 3, et des moyens destinés à amortir les vibrations et les chocs représentés par le matelas amortisseur 7 placé entre la calotte sphérique 1 et la portion de sphère 2. La sphère convexe 3 peut comporter, de plus, en bordure du trou conique d'emmanchement, une collerette 8 apte à empêcher la rotation de cette sphère 3, afin que ce trou se présentant à l'aplomb des billes, celles-ci ne puissent pas y tomber. La gorge circulaire de recyclage des billes 6 représentée sur la figure 2 est creusée dans la portion de sphère concave 2. Cette gorge 6 se situe dans la face interne de cette portion de sphère concave 2 au niveau de la section d'introduction de la sphère convexe 3. Lors de la rotation de la sphère convexe 3 dans la portion de sphère concave 2, la sphère convexe 3 ayant un mouvement animé d'une vitesse V, les billes sont animées d'un mouvement de sens inverse d'une vitesse V/2. Afin d'éviter que les billes tournent sur elles-mêmes, il est nécessaire que les billes soient animées d'un mouvement sans fin. Ceci se fait par l'intermédiaire de la gorge de recyclage 6 réalisée par un chanfrein intérieur de largeur légèrement supérieur au diamètre des billes, sur la section d'introduction de la sphère convexe, dans la portion de sphère concave 2. Cependant, lors de l'utilisation de la prothèse en traction ou en extension, afin d'éviter son déboîtement, c'est-à-dire sa luxation, il est nécessaire que le diamètre 9 de la section passant par les billes en contact avec la portion de sphère 2 et la gorge de recyclage 6 soit inférieur au diamètre de la sphère convexe 3. Ainsi, lors de tractions exercées sur la prothèse, les billes maintiennent-elles la sphère concave 3 emboîtée dans la portion de sphère convexe 2. Cette structure permet d'éviter ainsi la luxation de la prothèse qui entraînerait une impossibilité de l'utiliser, mais aussi une migration des billes dans l'organisme. Les figures 3 et 6 représentent les moyens d'assemblage de la prothèse En effet, afin de réduire la durée d'opération la plus faible possible, et pour une bonne adaptabilité de la prothèse à la morphologie du patient, il est nécessaire que la calotte 1 soit disponible en plusieurs tailles, et que le maintien des différentes parties de la prothèse par des moyens d'assemblage soit aisé. Ces moyens comportent une bague faisant couvercle 10 se vissant dans un filetage 11 situé dans la face interne de la calotte 1, et un bourrelet périphérique 12 du moyen d'amortissement des vibrations et des chocs s'insérant dans une gorge 13 creusée dans la bague faisant couvercle 10. Ce couvercle 10 comporte des créneaux (non représentés) et la calotte 1 comporte des trous 14 aptes à bloquer le couvercle après vissage. On augmente aussi les surfaces en contact et on transmet des contraintes en des points bien distincts les uns des autres, afin d'obtenir un bon scellement de la prothèse dans la cavité fémorale, et donc un mariage intime os-prothèse, en quadrillant la surface externe de la calotte 1. D'autre part, elle est percée de trous correspondant au diamètre de vis 15 de type "Parker" utilisées généralement par les chirurgiens pour la fixation, en grand nombre pour augmenter les possibilités de fixation. Après la fixation, les trous non utilisés serviront, comme le quadrillage, à l'encrage de la prothèse par envahissement osseux. Ces trous sont chanfreinés intérieurement afin de recevoir les vis 15 de fixation de type "Parker", elles-mêmes chanfreinées pour ne présenter aucune saillie gênante pour le positionnement du matelas amortisseur 7. Selon ce mode de réalisation de l'invention, la calotte 1 est en acier inox médical et tout le quadrillage ainsi que les trous sont de préférence tapissés d'une substance proche du corail qui assure l'adhésion et la prolifération de l'os sur la prothèse. La portion de sphère concave 2 est de préférence réalisée en acier inoxydable médical recouvert intérieurement de matière réfractaire céramique médicale connue, de type nitrure de silicium, tolérée par le corps humain et conférant à la pièce une résistance maximale à l'usure. De plus, le matelas amortisseur 7 est de préférence réalisé en polyéthylène de haute densité et peut être alvéolé pour faire varier sa souplesse suivant les besoins. Les billes 4 sont en céramique, de préférence en nitrure de silicium massif. La sphère convexe 3 est de préférence en acier inoxydable médical ayant peu d'inertie aux mouvements et recouvert de matière céramique toujours du type nitrure de silicium. La bague faisant couvercle 11 est, elle aussi, de préférence en acier inoxydable médical. La collerette 8 en portance avec les billes est enfin de préférence recouverte de matériau réfractaire en céramique pour parer à la pollution par contact. Un autre mode de réalisation de la prothèse articulaire peut utiliser d'autres matériaux qui ont les mêmes propriétés physiques, ou des propriétés physiques proches pour les différentes parties qui la composent. Ainsi, la portion de sphère concave 2, la sphère convexe 3 et la bague faisant couvercle 11 peuvent aussi être réalisées en alliage de titane médical, et les billes 4 en alumine. Afin de prévoir un montage aisé et rapide, et une adaptabilité aux différentes morphologies, la prothèse, selon l'invention se présente en trois sous-ensembles en sachets stériles: le premier sachet stérile comporte une calotte 1 dont le diamètre est fourni en plusieurs tailles, ainsi le chirurgien aura un choix face au volume de la cavité d'implantation, et d'un ensemble composé de 6 à 9 vis de type "Parker", le deuxième sachet stérile contient l'élément roulant monté en usine, indémontable par le chirurgien, afin de réduire le temps d'intervention et d'anesthésie et comporte le matelas amortisseur 7, la portion de sphère concave 2, les billes 4, la sphère convexe 3 et la bague faisant couvercle 10, le troisième sachet comporte la crosse à implanter dans le fémur. Un quatrième sous ensemble contenant des cônes normalisés pour allonger le bras de la crosse pourrait être fourni si besoin. Dans l'exemple de réalisation de l'invention, les débattements intérieurs et extérieurs de la jambe sont respectés: respectivement 30 et 450. Comme le montre la figure 7 qui représente un autre exemple de réalisation, la présente invention couvre de même les articulations à double roulement sphériques à billes imbriquées les unes dans les autres de type "gigogne", telles que celles qui relient l'avant-bras au bras. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, illustré sur la figure 8, la bague filetée intérieurement 10 se visse dans la face externe de la sphère concave 2, et le bourrelet périphérique 12 du matelas amortisseur 7 s'insère dans une gorge 16 creusée dans la face interne de la calotte 1. Selon ce mode de réalisation, le premier sachet stérile est constitué d'un ensemble composé d'une calotte 1, de 6 à 8 vis de type "Parker", et d'un matelas amortisseur 7. Le deuxième sachet stérile se compose d'une portion de sphère concave 2, d'un ensemble de billes 4, de la sphère concave 2 et de la bague filetée faisant barrage, les troisième et quatrième sachets étant identiques à ceux précédemment décrits. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux articulations destinées à être insérées dans un organisme, animal ou humain, mais couvre de même tout type de rotules ou d'articulations utilisées sans le domaine de la cybernétique. REVENDICATIONS: 1. Articulation à roulement sphérique à billes pour prothèses articulaires notamment humaines, animales ou cybernétiques, comportant au moins une calotte (1) ayant une surface interne concave, au moins une portion de sphère concave (2) placée dans l'espace partiellement hémisphérique délimité par la calotte (1), au moins une sphère convexe (3) placée dans la concavité de la sphère concave (2), au moins un ensemble composé d'une pluralité de billes (4) disposé entre une des portions de sphère concave (2) et une des sphères convexes (3), et au moins une crosse (5) implantée par une extrémité dans un trou d'emmanchement creusé dans une des sphères convexes (3), l'autre extrémité étant destinée à être implantée dans l'ossature d'un membre à articuler, articulation caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins une gorge de recyclage (6) d'un des ensembles de billes sphériques située dans la face interne de la portion de sphère concave (2) sur le périmètre de l'ouverture circulaire que celle-ci définit, et en ce que le diamètre du cercle passant par les centres des billes (4) en contact avec la portion de sphère concave (2) et avec la gorge de recyclage (6) est inférieur au diamètre de la sphère convexe (3). 2. Articulation selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens destinés à amortir les vibrations et les chocs. 3. Articulation selon la revendication 3, caractérisée en ce que ces moyens comportent un matelas amortisseur (7) placé entre au moins une des calottes sphériques (1) et une des portions de sphère (2). 4. Articulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'assemblage de l'ensemble constitué par la calotte (1), la portion de sphère concave (2), la sphère convexe (3), les billes (4), et les moyens destinés à amortir les vibrations et les chocs. 5. Articulation selon la revendication 5, caractérisée en ce que ces moyens d'assemblage comportent une bague filetée sur sa face externe faisant couvercle (10) se vissant dans un filetage (11) situé dans la face interne de la calotte (1) ou dans la face externe de la sphère concave (2), et un bourrelet périphérique (12) du moyen d'amortissement des vibrations et des chocs s'insérant dans une gorge (13) creusée dans la bague faisant couvercle (10), ou dans une gorge similaire creusée dans la calotte (1). 6. Articulation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la bague faisant couvercle (10) comporte des créneaux et en ce que la calotte (1) ou la sphère concave (2) comporte des trous (14) aptes à bloquer le couvercle après vissage. 7. Articulation selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que la sphère convexe comporte une collerette (8) disposée sur le pourtour du trou conique d'emmanchement de la crosse (5) apte à empêcher que les billes ne s'échappent de la concavité de la portion de sphère concave (2) vers le trou conique. 8. Prothèse articulaire pour articulation coxofémorale selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle se compose d'un premier sous-ensemble constitué de calottes (1) aptes à être fixées dans une cavité fémorale, de surfaces externes différentes, adaptées à la morphologie du squelette auquel est destiné la prothèse, et de vis chanfreinées (15) de type "Parker", d'un deuxième sous-ensemble constitué d'un matelas amortisseur (7), d'une sphère convexe (3), d'une portion de sphère concave (2), d'une pluralité de billes (4), et d'une bague faisant couvercle 10), et d'un troisième sous-ensemble se composant d'une crosse (5) apte à être fixée dans un fémur. 9. Prothèse articulaire selon la revendication 8, caractérisée en ce que la calotte (1) est percée de trous aptes à recevoir les vis (15) de type "Parker" et à permettre un envahissement osseux. 10. Prothèse articulaire selon la revendication 8, caractérisée en ce que la surface externe de la calotte (1) est quadrillée afin d'augmenter la surface en contact avec la cavité fémorale.