Brevet FR2840039A1 — publié le 20031128

La presente invention concerne un accouplement conique d'une piece male et d'une piece femelle, destine a recevoir notamment des charge$ de compression axiales. L'accouplement selon i'invention troue une appilcation particuliere, mais non exclusive' dans le domaine des protheses medicales. Le accouplenents de type conique, tels que les cones Morse, vent une solution bien connue pour aesernbler deux pieces de maniere simple et dernontable. Un accouplement conique est constitue, comme illustre la figure 1, o dune piece rnAle 1 et d'une piece femelle 2, generalement metalliques. La piece male comporte un cone 3 emmanche dans un logement conique correspondent 4 de la piece femelle 2. Les piece$ mble et fernelle 1' 2 vent congues pour que, lorsqu'elles vent en position accouplee, des interstices e1, e2 subsistent entre lextremite distale du cone 3 et le fond du logement conique 4 et s entre la base, 5, de la piece femelle et le plan superieur ou epaulementt 6, de la piece male 1, de maniere obtenir un coincernent du c6ne 3 dans le logement 4- et eviter de rendre laccouplement hyperstatique. Ces interstices el, eZ dolvent subsister dans toute la plage d'utilisation de l'accouplement. En d'autre$ termes les pieces male et femelle 1, 2 vent congues pour resister aux efforts de o pAnetration de la piece male l dans ia pi6ce femelle 2 queues que soIent les charges de compression axiales susceptibles d'6tre appliquees a l, accouplement. Ce genre d'accouplement assure un centrage et un blocage en rotation efficaces de ia piece mble par rapport a la piece femelle. Toulefois, il necessite de realiser la piece femelle en un materieu tres resistant en traction. En effet, en s raison de ['angle du cone 3 et de la force d compression axiale necessaire la realisation de l'accouplement, c'est-adire a ['assemblage des pices male et femelle, la partie inrieure de la piece femelle en contact avec le cone 3 subit en permanence des contraintes de traction T. qui augmentent lorsque, en utilisation, I'accouplement est soumis a des charges de compression axiales F. Aussi, si de tels accouplements vent appropries pour de$ pidces males et femelles metalliques, et qui ont done une bonne resistance en traction, leur principe apparalt difficilement transposable a des appReations dans lesquelles l'accouplement serait soumis a de fortes charges de compression axiales F. telles que peuvent er recevoir par exemple certaines protheses, et la matibre dans laquelle serait laite Ia piece femelle aurad une mauvaise resistance en traction. En pareil cas, en effet, la piece femelle se romprait au niveau de sa partie inferieure, sous ['action des contraintes de traction T. des le depassement de ia lirnite maximale de resistance en traction du n,aterieu constituent la piece femelle. o La presente invention vise a proposer un accouplement conique dont la piece femelle est faite en une matibre dfflerente de celles gentralement utilisees dans les accouplements coniques conventionnels et qui soit capable de limiter les contraintes en traction subies par la piece femelle meme lorsque des charges de compression axiales vent appliqudes I'accouplement. s A cette fin, il est prvu, selon l'irvention, un acóouplement conique d'une piece male et d'une piece femelle, la piece male óonportant un cone emmanche dans une partie tronconique dun iogement correspondent forme dans la- pi óe femelle, caracterise en ce que la piece femelle est faite en une matidre ayant un module de Young au plus egal a environ 35 GPa et au plus egal a celui de la o matidre dans laquelle est faite ia piece male, et en ce qu'une surface de la piece male perpendiculaire a l'axe de l'accouplement est en contact avec une surfaAce de la piece femelle egalement perpendiculaire a l'axe de l'accouplement d sorte gue les pieces male et femelle vent en butee axiale lune contre l'utre. Ainsi, dans laccouplernent selon ['invention, et a la difFerence des z accouplements coniques conventionnels ob des interstices vent necessairernent laisses entre 1a piece n le et 1a pidce femelle, les pieces male et femelle vent en butee axiale l'une contre l'autre L'intensith des contraintes de traction subies par la piece femelle reste done constante, et, en particulier, n'augmente pas lorsque l'accouplement est soumis a des charges de compres,ion axiales d'intensite croissante. La piece fenelle peut, par consequent, etre realisde en un rnateriau ayant une mauvai$e resistance en traction. Cette solution dans laqelle 11iaison entre la piece male et la piece femelle est volontairement hyperstaticiue, est rendue possible par l'elasticite intrinseque de s la piece femelle, ou en d'autres termes par le falble module de Young, inferieur ou egal a environ 35 GPa, de la matiere dans laquelle est faite la pice femelle, et par le fait que la piece femelle est au nnoins aussi {lastique que 1a piece male. (ir ce ces propriets, en effet, la piece femelle peut, lors de $on assemblage avec la piece male, etre deplacee axialement vers la piece mile le long du cone de cette to derriere, par deformation elastique, rnDme apres qu'un eMet de coincement du con e dans le loge ment correspondent a ete obteru, En dime nsion nant les pieces male et femelle pour que la piece fenelle entre en butee axiale contre 1a piece male avant le dpassement de la limite maximale de resistance en traction de la matiere constituent la piece femelle, I'on peut ainsi oblenir un accouplement conique dans loquel le cne de la piece male est coinóe dans le logement de la piice femelle, et est done centre et bloque en rotation dans ce logement, et les contraintes en tract/on subies par la piece femelle restent limitees a une valeur fixe inferieure a la limite maximale precitee. C)an$ des exemples typiques de realisation de 1'accouplement selon o linvention, Ia--pidce femeile est en pyrocarbone et la piece n,ile est en metal, ceramique ou pyrocarbone. La presente invention propose egalement une prothese, par exemple une prothese de la tte du radius, une proth $e de la tete du cubitus ou une prothese de hanche, cornprenanl un accouplement tel gue defini ci-dessus, la piece femelle de 1'accouplement constituent une tete de 1a prothe$e et la pidce male constituent un col de la prothAse, la prothbs0 comprenant en outre une queue. La presente invention vise par ailleurs proposer un ensemble de pidees male et fernelle permettant de realisr i'accouplement tel que defini cidessu$. A cette fin, il est prevu, selon ['invention, un ensemble de pieces male et fernelle, la piece male comportant un cone apte a s'emmancher dans une partie tronconique d'un logement correspondent forrnd dans la piece femelle, caracterise en ce que la piece femelle est fait0 en une matiere ayant un module de Young au s plus egal a environ 35 GPa et au plus egal a celui de la matiere dans laquelle est faite 1e piece male, en ce que la piece male cornporte une surface de butee perpendiculaire a l'axe du cone, et en ce que les pieces rnAle et femelle vent dimensionndes pour que, lorsque la piece mate et la piece temelle vent accouplee$ I'une ltautre par emmanchement du cone dans la partie tronconique o du logement, et sous lteffet d'une charge de compression axiale appliquee a cet accouplement et entranant un deplacement exial de la piece femelle par rapport la piece male par deformation elastique de la piece femelle apres qu'un effet de coincement du cons dans le logement resultant audit emmanchement a ete obtenu, la piece fernelle puisse venir buter contre la surface de butee de la piece male avant que la limite maximaie de resistance en traction de la matiere dans laquelle est faite la piece femelle soi] dApassee. D autres caracteristiques et avantages de la presente invention apparaStront a ia lurniere de la description detaillee suivante de plusieurs modes de realisation de ['invention faite en reference aux dessins annexes dans lesquels: o la figure 1, deja comnentee, est une vue en coupe d'un accoupiement conique selon la technique antArieure; - 1a figure est une vue en coupe d'un accouplenent conique selon un premier mode de realisation de ['invention; la figure 3 est une vue en coupe montrant un etat intermOdiaire de s l'accouplement selon le premier mode de realisation de ['invention; - la figure 4 est une vue en coupe nontrant un accouplement conique selon un second mode de r6alisation de ['invention; - ia figure 5 est une vue plane eclatbe montrant une prothese de la tete du radius utilisant l'accouplement selon ['invention; - la figure B est une vue plane montrant la prothese de la figure 5 dans un (tat assemble; - la figure 7 est une vue en cope d'une cheville expansion con$tituant une queue de la prothese illustree la flgure 6; - la figure est une vue en coupe montrant la cheville expansion de la figure 7 inseree dans le radius; - la figure 9 est une vue plane montrant une prothese de la tete du cubitus utilisant l'accouplement selon ['invention, et - la figure 10 est une vue plane montrant une prothese de hanche utilisant o l'accouplement selon l'lnvention. Dans toute la description $uivante, de mme que dans les revendications annexies, on entendre par cc emTnanchement >> un ajustement bloque d'une piece male dans une pidce femelle. La figure 2 montre un aócouplernent ou emmanchement conique selon un s premier mode de realisation de ['invention. Cet accouplernent comprend une piece male 10 et une piece femelle 11. La piece femelle l 1 est faite en une matibre ayant un module de Young, ou module d'elasticite, inferieur ou egal a onviron GPa, par exemple compris entre environ l O GPa et environ 35 GPa, et inferieur ou egal au module de Young de la rratiere dans laquelle est faite ls pi ce zo male 10. A titre d'exempl0, la piece femelle 11 peut etre faite en pyrocarbone et la pidce male 10 en rndtal, ceramique ou pyrocarbone. De prerence, la matiere dans laquelle est faite la piece fernelle 11 a une resistance en compression, exprimee en MPa, plus elevee que sa resistance en traction. La piece maie 10 comporte un cone 12 et un epaulement 13 faisant office de sudace de butee perpendiculaire a ['axe, A1, de l'accouplement, c'esta-dire a l'axe du cone 12. Le cone 12 est coined dans un logerrent correspondent 14 de la piece femelle 11 par emrnanchement dans une partle tronconique 15 de ce logement. De preference, le loysment 14 presente, outre la partie tronconique 15 en contact avec le cOne 12, une partie de degagement cylindrique 16 prolongeant la partie tronconique 15 depuis l'extremite de plus petit diametre de celle-ci, a proxirnite du fond du logement 14, et ayant un diamtre d1 superieur ou egal au diametre, d2, de l'extremite distale 12' du cone mile 12. La partie de degagernent cylindrique 16 sert recevoir l'extremite distale 12'du cone male 12, comme s illustre a la figure 2> Afin de permettre ltinsertion de cette extremite distale 12' du cone male 12 dans la partie de degagernent 16, le petit diarndtre, d3, de la partie tronconigue 1 S e$t egalernent superieur ou egal au diametre d2. L'angle a du cone rnAle 12 est sensiblenent identique a celui de la partie tronconique l du logement 14. Cet angle est choisi suffisamment grand pour que o l'emmanchement du cne male 19 dans le logernent 14 puisse etre demonte par l'utilisateur en exerant un effort raisonnable, et suffisamrnent petit pour que les pieces male et femelle l O. 11 restent fermement bloquees lune par rapport a l'autre et que la piece femelle 11 ne se desolidarise pas de le piece male 10 en remontant le long du cone 12 cause de son elasticit . En pratique, dans le cas s notamment d'une piece femelle conc,ue en pyrocarbone, I'angle de cone a est typiquement compris entre 2,5 et 5 , et de preference dgal a environ 4 . La base ou surface dextrGrnite proximale, 17, de IR piece femelle 11 est en contact avec l'bpaulement 13 de la piece rnAle 10. Ainsi, I'intensite des contraintes de traction T subies par la piece fernelle 11 reste constante, et ceci mme lorsque o laccouplement est soumis a une charge de conpressionaxiale F d'intensite variable. L'accouplement de la figure 2 est obtenu en assemblant la piece male 10 et la pidce femelle 11 de telle sorte que le cone male 12 vienne se coincer dans le logement 14 ds la piece femelle 11 pour bloquer les pidces male et femelle l'une z par rapport a lautre, comme montre a la figure 3, puis en appliquant une charge de compression axiale supplementaire pour deplacer axialement la piece femelle 11 par rapport a la piece male 10 jusqu'a ce que sa base 17 vienne prendre appui sur ltepaulement 13. Lors de ce dplacement axial, la partie inferieure de la piece femelle 11 dans laquelle est formee l logement 14 s'ecarte et subit done des contraintes de traction d'intensite croissante, en raison de ['angle u du cane, mais óes contraintes de traction n'augmentent plus des que la pidce femelle 11 arrive au contact de ltepaulement 13. Les dirnen$ions du cone 12 et du s logement correspondent 14 vent choisies de fa,con que la base 17 de la piece fernelle 11 puisse venir buter contre I'epaulement 13 avant que la limite maximale de resistance en traction de la matiere constituent la piece femelle 11 soit depassee. La figure 4 montre un accouplement conique selon un second mode de o realisation de ['invention' Cet accouplement differe de óelui illustre a la figure 2 en ce que la surface de butbe de la piece male 1 Oa n'est pas constituee par l'epaulement 1 3a rnais par ia surce d'extrdrnite distale 1 2a' du cone 1 2a, laquelle est en contact avec le fond, 14', du logement 1 4a de la piece femelle 11a. L'accouplement selon ce second mode de realisation convient mieux des pieces femelles dont la base est etroite. II est obtenu de maniere comparable I'accouplernent selon le premier mode de realisation. Les flgures 5 a 10 montrent des protheses utilisant les pnacipes d'accouplement decrits ci-dessus. A la figure 5 est representee une prothbse de la tte du radius. Cette zo prothese est constituee d'une t te en pyrocarbone 20, d'un col metallique 21 et diune queue egalement ndtallique 22. Le pyrocarbone constituent la tete 20 est soit massif soit sous la forme d'un revetement de pyrocarbone recouvrant un sub$trat en graphite. La tete 20 est destnee rernplacer la tAte du radius et la queue 22 a etre latroduite dans un trou pratique dans le radius. Z5 La tete 20 et le col 21 forment ensemble un accouplement du type de celui illustre la figure 2' la tete 20 jouant le role dune pidce femelle presentant un iogement dont au noins une partie est tronconique et le col 21 d'une piece male presentant un cone et un epaulement ou surface de butbe contre lequel prend appui la piece femelle (cf. figure 6). Cet acóouplement pourrait toutefois, en variante, etre du type de celui illustre a le figure 4. La queue 22 est coupiee au col 21 par une liaison conique conventionnelle, laissant un interstice entre le fond du logement de la piece fernelle, c'est--dire la queue 22, et l'extrdmite distale du cone de la piece male, c'est-a-dire le col 21, de meme qu'entre la base de la piece femelle et l'epalement de la piece mble (cf. reperes e3, e4). Grace a cet assemblage modulaire, chaque element 20, 21, 22 de la prothkse est interóhangeable. Chque element 20, 21, 22 peut ainsi etre conc,u en o differentes tailles et conserYer, queue ctue soit sa taille, un logement ow des cones nAles de forrnes et de dimensions identique$, de sorte qutun (lement donne de la prothese puisse etre interchangb avec un meme element de tail le d ifFerente. II est alors possible pour le chirurgien, une tois choi$ies les taliles respectives de la tete et de la queue pour un patient donne, de choisir la taille du col de maniere a obtenir un positionnement optimal de la tete par rapport a ['humerus et au cubitus. Seton une autre caraóttristique de la prothise de tete de radius selon ['invention, et afin d'assurer un ancrage efficace cle la prothese dans le tfOU pratiqud dans le radius, la queue 22 se presente aventageusement sous la forrne zo d'une cheville expansion, apte a se deployer transversalemeni lorqutune vi$ 23 y est insbrde' comme illustre a la figure 8. La queue 22 presnte plus particulierement un passage interieur 24 ayant une partie teraudee, permettant ['introduction et le vissage de la vis 23, des branches elastiquement deformables constituent la partie deployable de la queue, et des bossages interieurs 26 z apses a cooprer avec une partie distale conique 27 de la YiS 23 pour ecarter les branches 25 lors de lintroduction de la vis 23 et avec une partie cylincirique 28 do la vis 23 pour bloquer les branches 26 en position ecae une fois lintroduction de la vis 23 terminee (cf figures 7, 8). Une collerette 28 est en outre prvue au niveau de lextrdmitt proximale de la queue 22, destinee prendre appi sur une surEace rdsequee 29 du radiuS. La surFace externe, 30, de le queue 22 est de preference crantte, cornme montre aux figures 6 et 6, de maniere a croltre encore l'ancrage de cette queue 22 dan$ le trou du redius. La figure g nlontre une prothese de la tete du cubitus. {:)ette prothese est constituee d'une tete en pyrocarbone 40 destinee a rernplacer la tte du cubitus, d'un col metallique 41 et d'une queue 42 egalement mGtallique et destinee a etre introduite dans un trou pratique dans le cubitus. La tete 40 et le col 41 forment un accouplement du type de celui illustre a la figure 2. Cet accouplement pourrait toutefois, en variante, etre du type de celui illustre a la figure 4. Le col 41 et la o queue 42 vent accouples l'un a l'utre par un accouplement conique conventionnel. La figure tO montre une prothse de hanche, constituee d'une tete en pyrocarbone 5O7 d'un col metallique 51 et d'une queue metallique 52. Le col 51 et.. Ia queue 52 forment de preference un ensemble monobloc. La tete 50 et le col 51 s - fornent un accouplement comparable a celul de la figure 2, ou en variante, de. . celui de la figure 4. REVENDICATIONS 1. Accouplement conique dune piece male (10) et d'une piece femelle (1 1) J la piece male (10) comportant un cOne (12) emmanche dans une partie tronconique (l 5) d7un logement correspondent (14) forme dans la piece femelle (11), caracterise en ce que la pidce femelle (l 1) est faite en une matiere eyant un module de Young au plus egal a environ 35 C;Pa et au plus egal a celui de la matiere dans laquelle est faite la piece male (1 O)J et en ce qu'une surFace (13) de o la piece male perpendiculalre a l'axe (Al) de l'accauplement est en contact avec une surface (17) de la piece femelle egalenent perpendiculaire a l'axe de l'accouplement de sode que les pieces n'Ale et femelle (10, 1 1) vent en butbe axiale l'une contre l'autre. 2. Accouplment selon la revendication 1, caracteris en ce que ladite surface (13) de la piece mile perpendiculaire a l'axe de l'accouplement est constitube par un epaulement de la piece male (10) et ladite surface (17) de la piece femelle perpendiculaire a laxe de l'accouplement est constituee par une base de la piece femelle (1 l). 3. Accouplement selon la revendication 1, caracterise en ce que ladite surface de la pice male (1 Oa) perpendiculaire a l'axe de ltaccouplement est constituee par I,extremite distale (12a') du chne (12a) de la piece male (10a) et iadite surFace de la piece femelle perpendiculaire I'axe de l'accouplement est constituee par le z fond (1 4a') du logement (1 4a) de la piece femelle (1 l a). 4' Accouplement selon l'une quelconque des revendications 1 3' caracterise en ce que la piece femelle (11) est en pyrocarbone. 5. Accouplement selon la revendication 4, caracterise en óe que la piece male (1 O) est en rTetal, ceramique ou pyrocarbone. 6. Accouplement selon l'une quelconque des revendications 1 S. caracterise en ce que la rnatiere dans laquelle e$t faite la piece femeile (113 a un module de Young compris entre environ 10 (;Pa et environ 35 GPa 7. Accouplement selon l'une queloonque des revendications 1 C, caracteris en ce que la matiere dans laquelle est faite la piece femelle (11) est PI\AS resistante en compression quen traction. 8. Accouplement selon l'une quslGonque des revendicatlons a 7, caracterise en ce que le cone t12) de la piece male (l O) et la partie tronconique (15) du logement (14) de la piece fernelle (l l) ont sensiblement le meme angle de cone 1s (a3, lequel est óompris entre environ 2,6 et environ S0. 9. Accouplement selon lune quelconque cles revendications 1 a 8, caracterise en ce que la piece male (10) et la piece fenelle (1 13 vent des pieces d'une prothse. 10. Prothese comprenant un accouplement selon l'une quelconque des revendications l a 8, la piCce fernelle de l'accouplernent constitu^nt une tete (20) de la prothese et 1a piece male consttuant un col (21) de la prothese, la prothse comprenant en outre une queue ( 11. Prothese selon la revendication 10, caracterisee en ce que la queue (22) est couplee au wl (21) par un accouplement conique. 12. Prothese selon la revendication 10 ou 11, caracterisee en ce que la queue (22) est sou$ la forme d'une cheville a expansion. 13. Prothse selon la revendication 12, caracterisee en ce que la surface externe (301 de la queue (22) est crante. 14. Prothese selon l'une quelconque des revendications 10 a 13, caractersee en ce qu'elle consiste en une prothese de la te du radius (20-), une prothese de la tete du cubitus (40-42), ou une prothese cle hanche t50-. 15. Ensemble de pieces male et femelle (10, 1 1), la piece male (10) comportant un cne (12) apte s'emmancher dans une partie 1ronconique (15) dSun logement correspondent (14) forme dans la piece femells (11), caracterise en ce que la piece femelle (11) est faite en une matiere ayant un module de Young au plus egal a-environ 35 (3Pa et au plus egal a celui de la matiere dans laquelle est faite la piece nale (10), er, ce que la piece male cornporte une surface de butee (13) perpendiculaire a l'axe (A1) du cone (12), et en ce que les pieces rr ale etfemelle sonl dimensionndes pour que, lorsque la piece mle (10) et la piece femelle (1 1) vent accouplbes l'une a lautre par emmanchement du cone (12) dans la partie tronconique (l 5) du logement (14), et sous l,ffet d'une charge de compression axiale applique a cet accouplement et entrnant un dplacement axial de la piece femelle (11) par rapport a la piece mble (10) par deformation elastque de la piece fernelie apres qu'un effet de coincernent du cne (12) dans le logement (14) resultart audit emmanchement a ete obtenu, la piece fernelle (11) puisse venir s buter contre la surFace de butee (13) de la piece mble (10) avant que la llrnite maximale de resistance en traction de la matiere dans laquelle est faite la pidce femelle (11) soit depassee. 16. Ensemble de pieces male et femelle selon la revendication 1 S. caracteri$6 en ce que le petit dian1btre (d3) de la partle tronconique (15) du logement (14) de la prce femelle (11) est au moins dgal au diarnetre (d2) de l'extremite distale (12') du ó6ne (12) de la pieóe moAle (10 et en ce que la partie tronconique (15) du logement (14) de ia piece femelle (11) eSt prolongee au niveau de son extrernite de plus petit diamitre (d3) par une partie de degagement (16) de diametre (d1) au moins dgal au diametre (d9) de l'extremite distale (12') du cone (12) de la pidce mAIe (1 O) et destinee a recevoir ce extrdmite distale (12') lorsque la piece femelle (1 1) est en butee contre la surface de butee (13) de la pice male (10). 17. Ensemble de pieces n,Ale et femelle selon la revendication 15 ou 16, caracterise en ce que la pidce fernelJe (11) est en pyrocarbone et la piece male (10) est en metal, ceranique ou pyrocarbone. 18. Ensemble de pieces male et femelle selon l'une quelconque des revendications 15 17, caracteri$e en ce que la matiere dans laquelle est faite la piece femelle (1 1) a un module de Young compris entre environ 10 OPa et environ GPa. o l 9. Ensemble de pieces male et femelle selon lune quelconque des revendications 16 18, caracterise en ce que la matiere dans laquelle est fai la piece femelle (11) est plus resistante en compression qu'en traction. 20. Ensemble de pieces male et femelle selon l'une quelconque des : revendications 15 a 19, caracterise en ce que le cone (12) de la piece male (10) et la partie tronconique (15) clu logement (14) de la piece femelle (1 1) ont sensiblement le meme angle de cone (cc), lequel est compris entre environ 2,5 et environ 5 . 21 Ensemble de pieces male et femelle salon la mvendication 2D, caracterise