Brevet FR2735018A1 — publié le 19961213

-1- PIÈCE PROTHÉTIQUE PNEUMATIQUE POUR L'ARTICULATION DU GENOU ARRIÈRE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne une pièce prothétique pneumatique pour l'articulation du genou. Une telle pièce prothétique est l'élément essentiel d'une prothèse de jambe artificielle dite "au-dessus du genou", c'est-à-dire qui comporte un pied, une cheville, une partie inférieure de jambe ci-après dite "jambe", un genou et une emboiture recevant le moignon de cuisse. Le patient peut faire effectuer un mouvement de balancement à ce type de prothèse. Si ce mouvement est contrôlé de façon appropriée, une capacité de marche relativement naturelle peut ainsi être retrouvée. Un grand nombre de moyens pour contrôler le mouvement relatif de la partie supérieure de la pièce prothétique (supportant l'emboîture) par rapport à sa partie inférieure (reliée à la jambe) sont connus de de l'art antérieur. La fonction de base que doit réaliser cette pièce prothétique est celle d'amortissement et de propulseur, ce qui se traduit en général par l'utilisation de ressorts, de cylindres hydrauliques, pneumatiques, ou par toute combinaison de ces moyens. La demande de brevet britannique GB-A-2.252.503 publiée le 12 août 1992 donne un exemple de mise en oeuvre d'un cylindre pneumatique pour contrôler le mouvement d'une prothèse. L'ouverture de la valve du cylindre de la pièce prothétique est commandée par un microprocesseur en fonction de la vitesse de la marche. L'utilisation de moyens de calcul pour élaborer les ordres de pilotage de la valve du cylindre en fonction du signal provenant d'un capteur de l'angle entre la cuisse et la jambe permet un contrôle sophistiqué des mouvements. Cependant, cette pièce prothétique de genou est articulée autour d'un axe de rotation fixe et possède donc des caractéristiques de mouvements assez éloignées de celles d'un genou humain. La demande de brevet international WO 93/22.991 publiée le 25 novembre 1993 décrit une articulation mécanique reproduisant la cinématique du genou humain normal. Le mouvement de la partie inférieure de -2l'articulation est guidé par des tétons se déplaçant dans des rainures curvilignes de la partie supérieure, de telle manière que l'axe de rotation est variable et non plus fixe. La même cinématique peut être réalisée par des biellettes d'interconnexion comme cela est montré dans la demande de brevet européen EP-A1-0.590.386 déposée par la firme allemande Otto Bock Orthopadische Industrie et publiée le 6 avril 1994. La demande de brevet international WO 92/22.267 publiée le 23 décembre 1992 révélait déjà une mise en oeuvre simultanée des principes de conception ci-dessus: axe de rotation variable obtenu par un jeu de biellettes et cylindre pneumatique ayant une fonction d'amortissement et de propulsion. La régulation de la flexion et de l'extension de l'articulation était cependant réalisée différemment par la circulation d'un fluide dans un cylindre hydraulique contrôlée par électrovanne. La pièce pneumatique prothétique pour l'articulation du genou commercialisée par la société Proteval sous l'appellation de "Acphapend" présente les avantages des trois premiers dispositifs précédents mais est une réalisation entièrement mécanique et pneumatique, par conséquent plus simple et plus fiable. Dans certaines conditions d'utilisation, notamment pour la course, une prothèse comportant un système hydraulique convient mieux. Le dispositif présenté dans le document WO 92/22.267 peut donc représenter un bon compromis. Cependant, la masse du fluide rend le dispositif nettement plus lourd qu'un appareil entièrement pneumatique, donc fatiguant pour son utilisateur. La demande de brevet européen EP-A10.628.296 déposée par la société Chas. A. Blatchford & Sons et publiée le 14 décembre 1994 dévoile un système de commande d'une prothèse qui repose sur les mêmes principes que ceux décrits dans le document GB-A-2. 252.503. Le patient dispose en plus d'un boîtier électronique de programmation autonome. Il est clair que la possibilité de ne plus avoir à manipuler des réglages situés au niveau de la pièce prothétique est un facteur de confort important pour le patient; de plus, ces réglages sont alors accessibles pendant la phase de marche. C'est en tenant compte de toutes ces contraintes que la nouvelle pièce prothétique pour l'articulation du genou constituant la présente invention a été conçue; d'une réalisation entièrement mécanique et pneumatique, similaire à la réalisation connue sous le nom de "Acphapend", elle présente de plus à peu près les mêmes effets, réglables et ajustables à souhait, que -3- ceux d'un genou hydraulique. Alliant, d'une part, le confort d'un réglage déporté des caractéristiques orthopédiques propre aux systèmes électroniques et, d'autre part, la raideur nécessaire dans certaines activités sportives présentée seulement par les genoux hydrauliques, tout en étant plus légère, plus simple et plus fiable que ces derniers, l'invention offre des avantages inconnus à ce jour de l'état de la technique. DESCRIPTION GÉNÉRALE DE L'INVENTION La présente invention vise donc à pallier les inconvénients des pièces prothétiques utilisées dans des prothèses de genou connues. Elle a précisément pour objet une pièce prothétique pneumatique pour l'articulation du genou, connue pour partie en soi de l'état de l'art en ce qu'elle est formée d'une partie supérieure, apte à supporter un élément d'emboîtement d'un moignon de cuisse, et d'une partie inférieure destinée à recevoir un tube prolongé par un pied avec cheville. De façon également classique, ces deux parties sont reliées entre elles par un ensemble de biellettes articulées formant un prisme déformable; le mouvement relatif desdites deux parties entre deux positions stables d'extension et de flexion complète, autour de l'axe de rotation variable défini par ces liaisons, est contrôlé par un cylindre pneumatique; la chambre supérieure et la chambre inférieure délimitées dans le cylindre par un piston communiquent entre elles par une conduite d'air de débit réglable; le cylindre pneumatique a la fonction habituelle d'amortissement en fin de course et de propulseur par compression d'air pour le retour de la position de flexion à celle d'extension. La pièce prothétique objet de la présente invention est caractérisée en ce que, dans chacune desdites positions stables, la pression de l'air dans lesdites chambres est supérieure à 1 bar, et est préférentiellement comprise entre 4 et 7 bars. Selon un mode préféré de réalisation, la conduite d'air reliant les deux chambres est avantageusement en communication avec l'air extérieur par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour de gonflage. Selon un autre mode préféré de réalisation, la première branche de la conduite d'air reliant le clapet de gonflage à la chambre supérieure comporte un autre clapet anti-retour et une vanne en parallèle. La deuxième branche de ladite conduite vers la chambre inférieure comporte alors les mêmes dispositifs. -4- Selon encore un autre aspect de l'invention, les deux branches de la conduite d'air sont constituées par des tuyaux flexibles de longueur suffisante pour permettre la commande de ces vannes depuis l'emboiture ou la ceinture, ce qui améliore le confort d'utilisation. Dans le même but, la commande des vannes comporte de préférence plusieurs réglages prédéfinis, préférentiellement deux. Ceci peut être réalisé grâce à des vannes constituées par un obturateur à plusieurs positions, préférentiellement deux. Dans une première variante de l'appareillage selon l'invention, la pression voulue dans lesdites chambres peut être obtenue en comprimant l'air extérieur par l'intermédiaire d'un appareil annexe de gonflage. Selon une autre variante de l'appareillage selon l'invention, grâce à un jeu de vannes et de clapets anti-retour, l'air extérieur est comprimé dans lesdites chambres en utilisant la pièce prothétique comme une pompe. Le cylindre pneumatique comportera alors une purge intégrée. Le degré d'étanchéité indispensable à un fonctionnement correct sous pression élevée est assuré, au niveau de la traversée de la paroi de la chambre supérieure par la tige du piston du cylindre pneumatique, par un double joint sous pression d'huile. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les Figures 1A et lB sont respectivement les vues de côté et de face de la pièce prothétique selon l'invention, représentée en position d'extension complète. La Figure 2 est un schéma de principe pneumatique. La Figure 3 est une vue schématique du dispositif de réglage déporté des caractéristiques orthopédiques. Les Figures 4A à 4E sont des schémas pneumatiques d'une variante de l'invention. DESCRIPTION D'UNE FORME D'EXÉCUTION PRÉFÉRÉE DE L'INVENTION Les références aux Figures 1A et lB serviront à décrire les différentes caractéristiques de l'invention. La partie supérieure de la pièce prothétique est constituée par une platine 1 comportant un trou de fixation 2 et des goujons de serrage 3 d'un élément d'emboîtement (non représenté) du moignon de cuisse de l'amputé. -5- La partie inférieure, formant l'extrémité haute de la jambe artificielle, est essentiellement constituée d'un tube 4. Elle est destinée à recevoir dans une douille 5 un tube prolongé par un pied avec cheville (non représentés). La platine 1 et le tube 4 sont reliés entre eux par un ensemble de biellettes avant 6, 7 et arrière 8, 9 formant un prisme déformable. Ces éléments de liaison, avant et respectivement arrière, sont articulés autour d'axes 10, 11, 12, 13 supportés par des paliers 14 et 15, disposés à l'avant de la platine 4 et respectivement de la partie supérieure du tube 4, et par des paliers 16 et 17 disposés à l'arrière de la platine et respectivement de la partie supérieure dudit tube. Les biellettes arrière 8, 9 sont solidaires et forment un étrier unique. Les paliers 14, 15, 16, 17 sont des paliers à roulements à billes. Une telle disposition permet un mouvement de la partie supérieure de la prothèse par rapport à sa partie inférieure, autour d'un axe de rotation variable, analogue au mouvement du fémur par rapport au tibia autour de l'articulation du genou humain, entre une position d'extension complète (jambe tendue) et une position de flexion complète (jambe repliée). Dans la position d'extension complète, la jambe doit être raide et ne doit pas fléchir en appui. Dans les phases de balancement de la jambe, pendant la marche ou la course, la jambe doit pouvoir être propulsée successivement en avant et en arrière. Dans la pièce prothétique selon l'invention, la fonction d'amortissement et de propulsion est réalisée de façon connue par un cylindre pneumatique dont le corps est constitué par le tube 4 de l'élément tibial. Le tube 4 est fermé à sa partie inférieure par la douille 5 servant également de pièce de raccordement aux éléments prothétiques du bas de la jambe. La partie supérieure du tube 4 est fermée par une cloison 18 comportant un palier 19 et un double joint sous pression d'huile 20 pour le passage de la tige supérieure 21 du piston 22. Le piston 22 est muni d'une tige inférieure 23 coulissant dans un support 24 muni d'un palier 25 et fixé sur la douille 5 de façon à assurer son guidage approprié dans le tube 4. La tige supérieure 21 peut être distincte de la tige inférieure 23, mais avantageusement les deux tiges 21 et 23 sont d'un seul bloc et la tige unique 21, 23 traverse alors le palier 19 de la cloison 18, et elle traverse également le piston 22, ce dernier étant alors fixé sur la tige 21, 23. La tige supérieure 21 est munie d'un étrier 26 à l'intérieur duquel, autour d'un axe avec palier 27, est articulée une biellette 28 -6effectuant la liaison avec la platine supérieure 1 comportant un étrier 29 équipé d'un palier 30. L'air comprimé dans la chambre inférieure 41 du cylindre pneumatique, c'est-à-dire celle délimitée par le piston 22 et la douille 5, maintient la platine 1 soit dans la position d'extension complète représentée à la Figure 1 (biellette de liaison 28 en arrière de l'articulation 14 des biellettes de liaison avant 6,7 sur la platine 1), soit dans la position de flexion complète (biellette de liaison 28 en avant de ladite articulation 14). Un ressort de compression 31 contribue à maintenir la stabilité de l'ensemble piston 22 - tige(s) 21, 23 dans chacune de ses deux positions de repos. L'air comprimé dans la chambre supérieure 40 du cylindre, c'est-à-dire celle délimitée par le piston 22 et la cloison 18, permet un amortissement du mouvement en butée en flexion ou en extension. Les chambres inférieure 41 et supérieure 40 communiquent par une conduite d'air 32, 33 raccordée au corps du cylindre par des embouts 34, 35 vissés sur une pièce parallélépipèdique 36 évidée maintenue par quatre vis 37 sur le tube 4 localement aplani et percé au niveau des chambres. Un joint plan en caoutchouc 38 assure l'étanchéité. Le piston 22 comporte également un joint torique périphérique 39, afin d'isoler chacune des deux chambres 40, 41 relativement à l'autre chambre. Une étanchéité parfaite en tous points est en effet une condition importante du fonctionnement correct de la présente invention, qui sera maintenant expliquée en se référant plus particulièrement à la Figure 2. Sur cette Figure, sont représentées schématiquement les chambres supérieure 40 et inférieure 41 délimitées par le piston 22 dans le cylindre pneumatique repéré dans son ensemble par la référence 42. Ces deux chambres sont reliées entres elles par la conduite d'air 32, 33. Dans les réalisations connues de l'état de la technique, quand la prothèse est au repos (extension ou flexion complète) et le piston en position haute, la pression P1 dans la chambre supérieure et la pression P2 dans la chambre inférieure sont à la même pression PO égale à la pression atmosphérique Pa (1 bar). En supposant que la conduite d'air 32, 33 reliant les chambres 40 et 41 est fermée, si le piston 22 descend dans le cylindre 42, la pression P2 augmente et la pression P1 diminue. Un calcul simple, en application de la loi sur la compression des gaz à température constante, montre que, si le -7- piston 22 se déplace de Ax, le différentiel de pression AP entre les deux faces du piston est proportionnel à POAx. Si PO= Pa, jusqu'à des angles d'inclinaison de l'ordre de 30 ou 40 de la platine 1 relativement à sa position de repos horizontale, inclinaison qui provoque la descente du piston 22, le AP est si faible que la force de rappel n'a pas la valeur voulue. En revanche, si Pl=P2=PO= 7 bars, pour la même descente du piston 22, à une inclinaison de l'ordre de 30 , on crée un AP de l'ordre de 6 bars. La force de rappel est alors intense et l'effet propulseur considérable, même si l'angle d'inclinaison est faible, de l'ordre de quelques degrés. L'invention, dans l'un de ses aspects essentiels, consiste donc à mettre la conduite d'air 32, 33 en communication avec l'extérieur par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour 43. Il est ainsi possible de comprimer l'air extérieur dans les chambres 40, 41 à l'aide d'un dispositif de gonflage extérieur. Le clapet 43 peut être constitué simplement par une valve de type "chambre à air de vélo" et il comporte donc aussi un dispositif d'obturation 44. Le dispositif de gonflage peut être une simple pompe à vélo, classique ou comportant un manomètre. Le gonflage à une pression plus ou moins grande permet au patient d'adapter d'une façon très simple, en fonction de ses besoins, les caractéristiques orthopédiques de la pièce prothétique pour l'articulation du genou selon l'invention. Si la pression au repos à l'intérieur du système pneumatique est sensiblement égale à la pression atmosphérique, le genou a les caractéristiques du genou pneumatique classique au sens de l'orthopédie, et si la pression au repos à l'intérieur du système pneumatique est supérieure à la pression atmosphérique, le genou a alors des capacités d'amortissement de la phase pendulaire tendant vers ou ayant les effets du genou hydraulique en fonction du niveau de pression injecté dans le système, ce niveau de pression étant réglable et ajustable à souhait. Le réglage de l'amortissement du dispositif est réalisé séparément pour le mouvement de flexion et d'extension grâce à deux vannes munies en parallèle de clapets anti-retour. La branche 32 de la conduite d'air reliant la chambre supérieure 40 à la valve extérieure 43, 44 comporte une vanne de flexion 45, qui régle le débit d'air quand le gaz circule de la chambre supérieure 40 vers la chambre inférieure 41. Pour que cette vanne n'ait aucune influence sur le débit du -8- gaz circulant en sens inverse, un clapet anti-retour 46 est disposé de telle façon qu'il laisse le passage libre au gaz dans ce cas. Inversement, la branche 33 de la conduite d'air reliant la chambre inférieure 41 à la valve extérieure 43, 44 comporte une vanne d'extension 47, qui règle le débit d'air quand le gaz circule de la chambre inférieure 41 vers la chambre supérieure 40. Un clapet anti-retour 48 permet la libre circulation de l'air dans l'autre sens. Le montage tête-bêche des deux clapets 46, 48 permet donc le découplage total de l'action des deux vannes 45, 47. Classiquement les deux vannes 45, 47 peuvent être commandées par des molettes disposées au niveau de l'élément tibial. Pour un plus grand confort d'utilisation, et selon un autre aspect de l'invention, les commandes des vannes 45, 47 peuvent être déportées au niveau de l'emboîture ou de la ceinture de l'utilisateur de la pièce prothétique. Cette caractéristique sera maintenant examinée plus en détail en liaison avec la Figure 3. Cette figure montre que les deux branches 32, 33 de la conduite d'air sont constituées par des tuyaux flexibles 49, 50 reliant le cylindre pneumatique 42 aux organes de réglage déportés 51. L'assemblage de trois raccords en T 52, 53, 54 permet de raccorder les deux tuyaux 49, 50 de la conduite d'air et de supporter deux vis pointeaux 55, 56 avec molettes, faisant chacune office de vanne et de clapet anti- retour, ainsi que la valve de gonflage 57. Les vis pointeaux 55, 56 peuvent être bloquées dans la position correspondant au réglage souhaité par des contre-écrous 58, 59. Elles peuvent aussi comporter des moyens pour repérer ou réaliser plusieurs réglages prédéfinis, tels que des crans d'arrêt ou autres. Alternativement, les vis pointeaux peuvent être remplacées par des obturateurs à plusieurs positions, ménageant des canaux plus ou moins grands pour le passage du gaz. De préférence, ces obturateurs comporteront une position pour la marche normale et au moins une autre position spécifique aux efforts à fournir, par exemple pour la course ou encore pour l'alpinisme, sport o en certaines circonstances il nécessaire que la jambe soit pendant un temps prolongé la plus raide possible. -9- Selon encore une autre variante de l'invention, l'air extérieur pourra être comprimé par la pièce prothétique elle-même, faisant alors office de pompe (autogonflage). Cette pompe pourra comporter une purge intégrée. En liaison avec les Figures 4A à 4E, les différents modes de fonctionnement de la pièce prothétique selon cette variante de l'invention pourront être résumés par les Tables 1 à 5 ci-contre. A la Figure 4A, réservée à la flexion, pour laquelle en conséquence la course du piston est celle de la descente schématisée par la flèche , le parcours de l'air se déplaçant depuis la chambre inférieure 41 vers la chambre supérieure 40 est celui repéré par les flèches. A la Figure 4B, réservée à l'extension, pour laquelle en conséquence la course du piston est celle de la montée schématisée par la flèche 61, le parcours de l'air se déplaçant depuis la chambre supérieure 40 vers la chambre inférieure 41 est celui repéré par les flèches. A la Figure 4C, réservée au gonflage à même pression des deux chambres 40 et 41 formant le cylindre pneumatique 42 à l'aide d'un appareil de gonflage 62, manuel ou autre, alors que le genou est au repos, le parcours de l'air injecté est repéré par les flèches. A la Figure 4D, réservée à l'autogonflage de la pièce prothétique selon l'invention, par des mouvements alternés de flexion et d'extension de la jambe, le parcours de l'air est représenté selon que la course simultanée du piston 22 est celle de la descente (flexion), auquel cas l'air extérieur est aspiré par la valve 44 jusqu'à la chambre supérieure 40, en nette dépression relativement à la chambre inférieure 41, ou celle de la montée (extension), auquel cas l'air présent dans la chambre supérieure 40 est renvoyé à la chambre inférieure 41, dont la pression interne augmente alors notablement relativement à la situation initiale, et ainsi de suite. A la Figure 4E, il a été représenté la purge du système, à l'aide de la vanne 63 alors ouverte alors que le genou est en position de repos. Les Tables 1 à 5 rappellent la position des vannes 45, 47, 44 et 63 en relation avec les opérations conduites illustrées aux Figures 4A à 4E. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule description technique ci-dessus, donnée à titre d'exemple; elle embrasse, au contraire, toutes les variantes possibles de réalisations. XII am ue I X I.x| - 7 D awJruAno I (E9)I (4747) (Lq) I (47) úSUC úp S 3CV i N i airu uin j :ne a.n'u-A.o x X 1 xx 47;'U.ao i {c9){ {+*)i (z+)l (i) i saunsA sap SIR3 admod Dt atuguoD (E ! X X G JRIU;ULI x x I, ameL I ' Ix x Iu {c9) (t77) (z) (J)) i X X I I Z -OL - - 11 - REVENDICATIONS 1) Pièce prothétique pneumatique pour l'articulation du genou, du type formée d'une partie supérieure (1), apte à supporter un élément d'emboitement d'un moignon de cuisse, et d'une partie inférieure (4) destinée à recevoir un tube prolongé par un pied avec cheville, lesdites deux parties étant reliées entre elles par un ensemble de biellettes articulées (6, 7, 8, 9) formant un prisme déformable et le mouvement desdites deux parties entre deux positions stables d'extension et de flexion complète, autour de l'axe de rotation variable défini par ces liaisons (14, 15, 16, 17), étant contrôlé par un cylindre pneumatique (42) comportant une chambre supérieure (40) et une chambre inférieure (41), séparées par un piston (22) et communiquant entre elles par une conduite d'air (32, 33) de débit réglable, et ayant la fonction d'amortissement en fin de course et de propulseur par compression d'air, caractérisée en ce que, dans chacune desdites positions stables, la pression de l'air dans lesdites chambres (40, 41) est supérieure à 1 bar, et est préférentiellement comprise entre 4 et 7 bars. 2) Pièce prothétique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la conduite d'air (32, 33) est en communication avec l'air extérieur par l'intermédiaire d'un premier clapet anti-retour de gonflage (43). 3) Pièce prothétique selon la revendication 2, caractérisée en ce que la première branche (32) de la conduite d'air (32, 33) reliant la chambre supérieure (40) audit premier clapet (43) comporte un second clapet antiretour (46) et une première vanne (45) en parallèle et en ce que la deuxième branche (33) de la conduite d'air (32, 33) reliant la chambre inférieure (41) audit premier clapet (43) comporte un troisième clapet anti-retour (48) et une deuxième vanne (47) en parallèle. 4) Pièce prothétique selon la revendication 3, caractérisée en ce que les première et deuxième branches (32, 33) de la conduite d'air sont constituées par des tuyaux (49, 50) flexibles de longueur suffisante pour permettre la commande des première et deuxième vannes (45, 47) depuis l'emboîture ou la ceinture. ) Pièce prothétique selon la revendication 4, caractérisée en ce que la commande des vannes (45, 47) comporte plusieurs réglages prédéfinis, préférentiellement deux. 6) Pièce prothétique selon la revendication 4, caractérisée en ce que les vannes (45, 47) sont constituées par un obturateur à plusieurs positions, préférentiellement deux. -12- 7) Pièce prothétique selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que l'air extérieur est comprimé dans les chambres (40, 41) par un appareil annexe de gonflage. 8) Pièce prothétique selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que l'air extérieur est comprimé dans les chambres (40, 41) grâce à un jeu de vannes et de clapets anti-retour en utilisant ladite pièce prothétique comme une pompe. 9) Pièce prothétique selon la revendication 8, caractérisée en ce que le cylindre pneumatique (42) comporte une purge intégrée. ) Pièce prothétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le piston (22) du cylindre pneumatique (42) est relié à ladite partie supérieure (1) par une tige supérieure (21) qui traverse la paroi supérieure de la chambre supérieure (40) au moyen d'un palier (19) muni d'un double joint (20) sous pression d'huile.