Brevet FR2777453A1 — publié le 19991022

La conception, mais aussi la mise en place, donc l'immobilisation d'une prothèse du genou engendre des difficultés. Certaines de ces difficultés sont liées au principe même de fonctionnement de l'articulation du genou, d'autres aux moyens mis en oeuvre pour l'immobilisation de la prothèse, à celles-ci s'ajoutent d'autres difficultés liées aux matériaux employés (toxicité, usure, corrosion) jouant sur la fiabilité de la prothèse, sans oublier aussi l'éternel problème financier. Avril 1995, j'ai rédigé un principe de fonctionnement simple et rationnel de l'articulation du genou basé sur un axe unique obtenu sur deux sièges souples, les ménisques; principe que je m'efforce de faire reconnaître. Ce travail m'a permis de faire ressortir trois critères essentiels qu'il est impératif de respecter pour le bon fonctionnement d'une prothèse du genou; critères pouvant accélérer rapidement un descellement s'ils ne sont pas respectés. Puis, j'ai pris connaissance d'un ouvrage de biomécanique: BIOMECANIQUE ORTHOPEDIQUE Sous la direction de D. POITOUT - Edition Masson Je condense certains chapitres et paragraphes comme suit: De nombreuses études ont été faites sur les biomatériaux. * Biomatériaux métalliques, métaux, alliages... faisant ressortir impuretés, durcissements, fragilité, corrosion, diffusion, toxicité... Les traitements thermiques conduisent à des phénomènes importants comme la restauration, la recristallisation, la polygonisation, le vieillissement. * La CFAO en orthopédie - La CAO: Conception Assistée par Ordinateur - la FAO: Fabrication Assistée par Ordinateur A partir d'une image en trois dimensions les perspectives d'avenir sont nombreuses. Ainsi, l'existence de la CFAO en orthopédie est certaine et devient indispensable pour des résultats positifs. -2- Comme dans tous les domaines l'argent demeure le frein essentiel. Même si le coût de ce procédé reste supérieur aux autres solutions, les avantages qu'il est possible d'en tirer (fonctionnement rationnel, fiabilité, donc durée de vie) compensent largement. ò Les céramiques et céramo-métalliques, les céramiques colonisables, les verres et vitrocéramiques, les composites. * Fixation par colonisation osseuse, liaison os-bioverre, liaison os-vitrocéramique bioactive. L'encrage direct pour les prothèses est donc à retenir. * Les composites carbonés L. SEDEL, professeur à l'université de Paris Lariboisière, a rédigé une conclusion intitulée: perspectives d'avenir des matériaux nouveaux, dont il ressort que l'association de certains matériaux entre eux peut être prometteuse. Association autorisant l'utilisation de propriétés différentes, par exemple souplesse de l'un alliée à la résistance d'un autre. Les perspectives de ces études restent prometteuses, mais si certaines difficultés sont surmontées, il ressort qu'avec les matériaux actuellement employés une ombre demeure; l'usure souvent liée à une corrosion elle même liée au milieu. Il est toujours possible d'imaginer pouvoir maîtriser dans l'avenir la reconstitution osseuse et cartilagineuse... Dans cette attente il existe quand même des solutions fiables. L'usure peut être contrée par des procédés largement employés depuis longtemps, la corrosion due au milieu ambiant aussi, plusieurs solutions sont possibles, de plus solutions permettant de recréer un axe d'articulation autorisant la réplique presque parfaite de la réalité naturelle. Certaines conclusions tirées d'observations soulignent les problèmes d'usure pour métal-polyéthylène, amélioration avec céramique polyéthylène ou céramique céramique, l'alumine pour des sphères frottant sur siège en polyéthylène... -3 - La présente invention concerne une prothèse totale du genou. Je me suis appliqué à recréer la réalité tout en tenant compte des trois critères signalés précédemment et qui sont: 1-positionnement précis de l'axe d'articulation 2-suppression du moment d'inertie engendré par l'angle tibia-fémur (angle de Valgus) durant le mouvement (marche, course) cette action dans le but essentiel d'éviter les contraintes en rotation dans un sens puis dans l'autre à chaque pas; contraintes répétitives qui finissent par provoquer des descellements et autres ennuis d'usure supplémentaires. 3-positionnement précis de la trochlée par rapport à la rotule, donc à l'insertion du rotulien afin que la pression exercée par la rotule se répartisse de façon harmonieuse sur les deux faces de la trochlée, car un déséquilibre entraîne automatiquement des contraintes néfastes, entre autre en rotation. Les dessins concernant un genou gauche. La prothèse est composée de deux éléments. * Planche 1/4 - figure 1 - vue arrière de l'élément fémoral qui reconstitue la base du fémur; en pointillé le contour réel des condyles. * figure 2 - vue de dessus de cet élément. * figure 3 - vue arrière de l'élément tibial, là encore en pointillés le contour réel du plateau tibial. * figure 4 - vue de dessus de cet élément. En tenant compte des critères déjà cités, entre autre la suppression du moment d'inertie crée par l'angle de Valgus (voir mode de fonctionnement rédigé en 1995), il convient dans la conception et la fabrication même de ces deux élément de faire disparaître cet angle. Pour cela, il suffit de -4- situer l'axe d'articulation 1 perpendiculaire à l'axe diaphysaire 2 du fémur et du tibia 3. (Axes diaphysaires dans leur ensemble). Ainsi les axes 2 et 3 ne feront qu'un, l'axe mécanique du membre inférieur se verra légèrement déplacé vers l'intérieur au niveau du genou, et l'angle de cet axe avec l'axe du fémur et du tibia se verra alors très légèrement diminué. Chaque élément reproduit les éléments naturels. - L'élément fémoral reproduit les deux condyles (voir principe de fonctionnement que j'ai rédigé) à savoir deux larges portions de sphères, 4 pour l'externe, 5 pour l'interne, mais l'axe d'articulation se retrouvant perpendiculaire à l'axe diaphysaire les deux portions de sphères seront d'un diamètre identique, légèrement inférieur donc à la réalité en pointillés. La liaison avec le fémur se fera par un tenon 6 dont les caractéristiques devront répondre soit à une colonisation osseuse, soit à un encrage directe (processus de type mécanique ou de type chimique) pour cela le choix des matériaux sera à faire. Figure 1 - le tenon 6 est conçu pour une colonisation osseuse dans les cannelures 7. En fonction du mode d'encrage choisi il est possible d'utiliser le matériau le mieux adapté, tout comme il est possible en cas de résistance insuffisante d'armée intérieurement la partie concernée. Dans ce domaine des études et des essais ont été faites et les conclusions de ces recherches offrent des perspectives optimistes. - L'élément tibial, figure 3 vue arrière et figure 4 vue de dessus, reproduit le plateau tibial; c'est un capuchon qui coiffe le plateau tibial, aucun usinage à faire, et qui possède sur sa partie supérieure arrière les deux sièges S et 9 qui recevront les portions de sphères ou surfaces de glissement correspondant aux condyles. -5 - Deux "oreilles" 10 et 11 assurent au niveau de l'axe d'articulation la liaison avec l'élément fémoral, là encore le matériau sera choisi correctement. Après cette simple présentation, avant de donner une description précise, il me semble nécessaire d'insister sur les moyens à mettre en place pour obtenir une conception et une fabrication irréprochable en vue d'un résultat proche de la perfection. - L'élément tibial en capuchon, tout comme l'élément fémoral, surtout le tenon S, demande une grande précision de forme et de dimension qu'il est possible d'obtenir en faisant appel à une technique particulière celle de la CFAO (Conception et Fabrication Assistée par Ordinateur). En travaillant sur des images en trois dimensions tout est possible encore faut-il s'en donner les moyens, et dans ce cas j'estime que redonner un véritable sens à la vie à une personne handicapée mérite plus de sacrifices que beaucoup d'autres optiques. * Planche 2/4 - les figure 5 de face et figure 6 de profil montrent les deux éléments en position de fonctionnement. Les condyles 4 et 5 prennent place dans leur cavité, leurs sièges respectifs 8 et 9, cavité, sièges en matière résistante à l'usure par exemple polypropylène... (en quadrillage figures 4, 5 et 6). Ces deux cavités qui sont les sièges mêmes de l'articulation peuvent être montées par simple emboîtement dans une cavité aménagée dans l'élément tibial, un tenon 12, figures 5 et 6 dans la masse, située dans le fond immobilise le siège en position et autorise son changement sans grosses difficultés en cas d'usure importante. -6- La Liaison entre l'élément fémoral et tibial se fait par l'intermédiaire des "oreilles" 10 et 11 figure 3 et d'un axe rapporté. Pour l'axe, différents montages sont possibles, l'axe traverse les portions de sphères 4 et 5 (par leur centre bien sûr) ainsi que les oreilles, il comporte d'un ôté une tête, de l'autre l'immobilisation latérale se fait par clips, goupille ou écrou freiné. Sur le dessin - figure 5 - de chaque côté un axe rapporté 13 est visé et bloqué sur chaque portion de sphère. Ils comprennent une large tête avec empreinte de blocage creuse, une portion d'articulation, ou une simple entretoise rapportée, et la tige filetée, une rondelle de friction 14 s'interpose. L'alésage des oreilles sera ovalisé vers le bas 15 pour prévenir et suivre l'usure des sièges. Les "oreilles" 10 et H représentent dans la réalité la fonction des ligaments croisés et des ligaments latéraux, ils pourraient être de simples ligaments artificiels. Par exemple, figure 6, l'oreille interne 11, la bande avant A en sombre représente le latéral interne et la bande arrière en sombre aussi, le croisé postérieur (LCP). Pour plus de résistance ces deux éléments réunis dans la masse comme représentés sur les figures est plus rationnelle. - L'élément tibial par sa face inférieure reproduit le profil exact du plateau tibial, donc nécessite d'utiliser la CFAO, et se positionne donc automatiquement sans usinage sur celui-ci; le profil même du plateau (cavités glénoïdes et épines tibiales) assure déjà un positionnement et une stabilité assez grande qui sera augmentée par un rebord qui "capuchonne" la périphérie du plateau tibial et en plus deux longues ailes 16 descendent sur les parties latérales du tibia, l'immobilisations se fera alors par vis selon l'axe 17. -7- Deux échancrures, une avant il figure 4 - vue de dessus assure le passage du rotulien, une échancrure arrière 1l, le passage du faisceau arrière (tendons jumeaux, ischios muscles de la patte d'oie). - La fixation de l'élément fémoral se faisant à l'aide du tenon 6. Pour satisfaire aux exigences de l'ancrage directe la fabrication de ce tenon demandera une grande précision afin d'assurer un contact intime entre le matériau et la paroi du canal médullaire dans le but de faciliter la liaison entre l'implant et l'os, d'o la nécessité là encore d'appliquer les nouvelles techniques de CFAO. Ce procédé me semble positif car par la forme même du canal médullaire, légèrement conique au départ selon un plan longitudinal et ovale dans sa section, il assure déjà le positionnement et l'immobilisation en rotation, de plus la section de coupe du fémur assure également une base d'appui qui contre les effets de l'emmanchement conique, d'o une fois de plus la nécessité de la précision afin d'assurer l'emboîtement qui positionne parfaitement sans risque de contrainte provoquant l'éclatement. La base de la prothèse 20 recevant l'appui de la coupe du fémur peut posséder une collerette qui emprisonne l'extérieur du fémur sur son pourtour, ou plus simplement quatre portions de collerette 21 aidant au positionnement tout en pinçant la masse osseuse et en provoquant une action anti rotation aux creux des amorces des départs des condyles qui devront être reproduits sur l'appui de la prothèse 22 - figure 2. On remarque qu'avec les moyens qu'il est possible de mettre en oeuvre de telles prouesses sont réalisables. -8- L'élément fémoral dans sa partie postérieure haute possédera une entaille 23 recevant la zone postérieure de l'élément tibial afin d'assurer une flexion suffisante, 140 sur la figure 6. Dans sa partie antérieure base, devant les zones de glissement 4 et 5, un replat 24 vient en contact avec la surface avant de l'élément tibial 25. Pour assurer le blocage de l'extension dans son maximum normal, une ou deux zones tampon, éléments souples rapportés 26 - figure 4 vue de dessus - permettant d'absorber le petit choc de contact, l'épaisseur pouvant être modulée sans difficulté en fonction de la souplesse des tampons. Dans la réalité, ces surfaces planes sont des courbes qui engendrent un amortissement progressif pouvant provoquer un infime déplacement sur contraintes fortes à violentes, correspondant à la déformation des ménisques. La trochlée sera reproduite dans l'axe diaphysaire. - Le chirurgien devra déterminer avec précision le niveau de la coupe du fémur afin de déterminer la hauteur à donner à l'élément fémoral de remplacement et à l'épaisseur de l'élément tibial. Niveau de coupe déterminé par la hauteur des insertions sur la face postérieure du fémur et par l'encombrement du plateau tibial 23, mais plus la coupe sera basse, plus elle sera proche de l'axe d'articulation et meilleure sera la stabilité au niveau de la liaison fémur implant. Il faudra également déterminer la longueur du tenon 6 en fonction du matériau employé et du mode d'ancrage ainsi que du poids de la personne/ Un travail fastidieux pour un résultat apportant beaucoup de satisfaction à tous. -9- Le choix des matériaux: résistance à la compression et à l'usure pour l'élément fémoral, le tenon répondant aux exigences de l'ancrage. Une certaine élasticité pour l'élément tibial lié à une haute résistance en traction flexion torsion. Et une souplesse certaine pour les sièges mêmes. Tous les spécialistes devront apporter leur concours, chirurgiens, fabriquants, informaticiens. Car avec un choix judicieux des matériaux il est possible de reproduire l'articulation du genou avec une grande fidélité. En recréant des sièges aussi souples que les ménisques (voir principe de fonctionnement que j'ai rédigé, ainsi que les nombreux arguments que j'ai présentés) on peut retrouver les mêmes comportements avec une telle prothèse qu'une articulation normale face aux diverses contraintes qu'elle subit à chaque instant. J'ajouterais encore avec insistance que la grande rigidité obtenue avec une prothèse à axe unique bien conçue n'a rien de néfaste, rien d'handicapant, au contraire, pour convaincre je rappellerais (comme je tente de la faire depuis25 1995) que les multiples petits déplacements tout azimuts que l'on observe entre un plateau tibial et les condyles ne sont que le résultat des déformations que subissent sous contraintes les ménisques (très simplement, déformations égal30 déplacements). Ces déformations ne sont possibles que grâce à la souplesse des ménisques et que cette souplesse a pour objectif essentiel la protection des cartilages! - 10- Avec une prothèse il n'y a plus de cartilage à protéger, donc une plus grande rigidité n'a rien d'incompatible, à plus forte raison lorsque le moment d'inertie dû à l'angle de Valgus à été supprimé. Sur une articulation saine les effets de ce moment d'inertie sont eux aussi absorbés par les ménisques sans oublier encore que la rotule de hanche offre des possibilités énormes d'amortis- sement en tous sens qui compensent largement... tout o comme il est facile de pivoter sur un talon une pointe de pied sans engendrer de grosses contraintes sur la prothèse (l'autre jambe est encore là). Et enfin, à compter de cinquante ans les contraintes que l'on fait subir à une articulation sont plus15 faibles que durant les belles années de jeunesse... A partir de cette première présentation et du principe même du fonctionnement, il est possible de modifier le profil même des surfaces de glissement à notre guise. * Par exemple - planche 3/4 - les portions de sphères peuvent être remplacées par un simple rouleau 27 recevant en son milieu l'empreinte de la trochlée. La conception, le montage et les matériaux restent les mêmes que précédemment. Ce profil pourrait être en W, les deux pointes basses représentant les condyles, le V renversé du milieu la trochlée. Mais pour encore plus de facilité, c'est à dire pour réduire davantage l'usure, l'oxydation de certains matériaux, ainsi que produire moins d'efforts pour une simple manoeuvre de flexion extension il est possible de remplacer les surfaces de glissement par des surfaces de roulement tout en conservant le même axe d'articulation d'origine. * Planche 4/4 - l'implantation et l'immobilisation des éléments fémoral et tibial restent inchangées. Les critères de base sont aussi respectés, axe d'articulation perpendiculaire à l'axe diaphysaire, ainsi que sa position d'origine. Seule une modification de la conception de ces éléments au niveau de l'axe d'articulation est opérée. - Les portions de sphères 4 et 5 - planche 1/4 et 2/4 - sont remplacées chacune par une cavité recevant un tenon 23 et 29 planche 4/4 - figures 9 et 10 - appartenant à l'élément tibial et dans lesquels sera monté un roulement aiquille étanche. Figure 9 - coupe partielle S vue du roulement aiguille externe. La cage extérieure 30 du roulement est emmanchée (différents procédés peuvent être employés, collerette d'un côté, clips de l'autre...) dans un alésage correspondant réalisé dans le tenon 29,. l'axe 31 traverse l'élément fémoral, sur la figure 9, trou borgne côté intérieur et face externe un clips 32 assure son immobilisation. Le positionnement latéral pouvant être assuré par deux entretoises 33 sur l'axe de part et d'autre du roulement; l'étanchéité des deux roulements étant assurée par un joint SPI ou à lèvre de part et d'autre. Reste à connaître la fiabilité des roulements aiguilles contraints à un travail particulier d'aller et retour selon un arc de cercle d'angle assez régulier (amplitude des pas par exemple, ou assis debout). Car si cette fiabilité multiplie simplement par deux la durée de vie par rapport à une prothèse utilisant des surfaces de glissement l'intérêt est indiscutable. Et pourquoi ne pas envisager de remplacer uniauement les surfaces de glissement des condyles tout en conservant la trochlée intacte. Les surfaces de glissement rapportées s'articuleraient sur l'élément tibial; ou bien encore remplacer les bandes de glissement par des bandes de roulement tel que je l'aie déjà présenté (Brevet 96/05744); bandes de roulement pouvant s'adapter sur l'élément tibial en capuchon. - 12- REVENDICATIONS 1)Prothèse totale du genou caractérisée en ce qu'elle se compose de deux éléments reproduisant fidèlement l'articulation du genou: - Un élément fémoral reproduisant les surfaces de glissement des condyles, deux portions de sphères 4 et , la trochlée, sans oublier une surface de blocage de l'extension (24, 25, 26). - Un élément tibial reproduisant les sièges 8 et S des surfaces de glissement, sièges recevant les portions de sphères 4 et 5; cet élément possède une surface de blocage de l'extension (24, 25, 26).en opposition à la surface correspondante de l'élément fémoral. 2)Prothèse totale du genou selon la revendication 1 caractérisée par le fait que la liaison entre l'élément fémoral et l'élément tibial se fait par l'intermédiaire de deux "oreilles" l et Il qui ne sont que la reproduction associée des ligaments croisés et des ligaments latéraux. 3)Prothèse totale du genou selon la revendication 1 caractérisée par le fait que l'axe d'articulation 1, axe unique de flexion 'extension passant par le centre des deux portions de sphère 4 et 5, se trouve situé exactement dans sa position anatomique réelle et est perpendiculaire à l'axe diaphysaire du fémur.2. 4)Prothèse totale du genou selon la revendication 1 caractérisée par le fait que l'axe d'articulation 1 sur l'élément tibial est perpendiculaire également à l'axe diaphysaire du tibia 3. )Prothèse totale du genou selon les revendications 3 et 4 caractérisée par le fait que l'axe diaphysaire du fémur et du tibia ne font qu'un, supprimant ainsi 35.volontairement l'angle de Valgus. 6)Prothèse totale du genou selon la revendication 1 caractérisée par le fait que le positionnement de l'élément - 13 - tibial est réalisé par sa base d'assise à l'empreinte du plateau tibial qu'il coiffera comme un capuchon, et l'immobilisation par deux "ailes" 16, le positionnement et l'immobilisation de l'élément fémoral étant réalisé par un tenon 6 à l'empreinte exacte du canal médulaire du fémur (tenon qui répondra aux exigences de l'ancrage direct).