CH551783A

CH551783A - Prothese d'articulation du femur sur l'os coxal.

Info

Publication number: CH551783A
Application number: CH772872A
Authority: CH
Original assignee: Benoist Girard Sa & Cie
Priority date: 1971-04-23
Filing date: 1972-05-25
Publication date: 1974-07-31
Also published as: DE2229812A1; FR2134170A1; FR2134170B1; GB1322680A; BE783809A

Description

La présente invention concerne une prothèse d'articulation du fémur sur l'os coxal.

Ce type de prothèse est constitué classiquement: par une tête fémorale artificielle présentant une tige destinée à être fixée par un ciment dans le fémur après ablation du sommet de ce dernier au niveau des trochanters, la tige de la tête fémorale artificielle étant prolongée par un col terminé par un profil mâle sphérique; et par une cupule cotvloidienne hémisphérique destinée à être scellée également par un ciment dans la cavité cotyloide de l'os coxal, cette cupule présentant un profil femelle sphérique destiné à recevoir le profil mâle de la tête fémorale.

Ce type de prothèse pose divers problèmes, parmi lesquels il faut noter tout particulièrement la nécessité d'obtenir un dép lace- ment relatif des profils femelle et mâle aussi facile et doux que possible, quels que soient les charges qu'ils supportent et les mouvements de la jambe, ce qui impose des efforts de frottement aussi faibles que possible entre les profils et la réalisation d'une prothèse ayant une durée de vie importante pour éviter son remplacement trop fréquent, cette durée de vie dépendant en premier lieu de la résistance à l'usure des profils coopérants.

Or, il se révèle que les prothèses connues parviennent mal à allier ces deux paramètres: faible frottement entre les surfaces et résistance à l'usure.

Ainsi, dans un premier type de prothèse, on a prévu de réaliser la tête fémorale et la cupule en acier spécial, par exemple en alliage à base de cobalt, afin d'obtenir une haute résistance à l'usure. Mais ce type de prothèse connue entièrement métallique présentait des caractéristiques de frottement Si mauvaises que l'articulation pouvait se bloquer par serrage des surfaces en contact.

Un mouvement de la jambe pouvait alors entraîner un descellement de la cupule et une détérioration de l'articulation qui rendait obligatoire une intervention chirurgicale pour son remplacement.

Il est évident que dans les études pour améliorer les prothèses, on a cherché à éliminer en priorité ce risque de descellement de la cupule qui peut entraîner des accidents graves pour le sujet portant la prothèse. On a donc proposé de réaliser la cupule en une matière plastique, telle que du polyéthylène, à bas coefficient de frottement sur le métal pour éliminer tout risque de grippage et de coincement des profils. Mais la résistance à l'usure de la matière plastique étant bien moindre que celle de l'acier spécial, il peut se produire, après une certaine période d'usage, un jeu préjudiciable entre les profils et à plus ou moins longue échéance, il devient nécessaire de changer la prothèse.

La présente invention propose un moyen pour remédier à ces inconvénients, et a pour but de constituer des éléments en contact présentant une résistance au frottement pratiquement du même ordre de grandeur que les articulations métal-plastique, tout en ayant une résistance à l'usure supérieure à ces dernières et Si possible identique à celles des prothèses classiques métal-métal.

L'invention repose sur plusieurs constatations:
1. Le risque de grippage des surfaces en métal frottant l'une contre l'autre provient du fait qu'il est pratiquement impossible d'obtenir économiquement par usinage des surfaces absolument sphériques surtout avec une précision de l'ordre du micron. De telles surfaces présentent toujours des irrégularités qui accroissent considérablement les efforts de frottement. L'élimination de ces irrégularités entraînerait des dépenses prohibitives.

2. L'observation de prothèses classiques entièrement en métal, soumises à des essais de fonctionnement reproduisant les conditions d'utilisation normale, a révélé que les profils sphériques ne se trouvaient jamais en contact sur la totalité de leur surface, mais qu'elles portaient l'une sur l'autre par des zones relativement faibles auxquelles se circonscrivait l'usure.

On a déterminé qu'en réduisant la surface de portée de l'un au moins des profils sphériques, réalisés tous deux en métal, on parvenait à améliorer les caractéristiques de friction dans des proportions telles qu'elles deviennent voisines de celles des articulations métal-plastique .

La présente invention concerne une prothèse, caractérisée en ce que la cupule cotyloidienne étant réalisée également en métal, l'un au moins des profils présente une surface de portée sphérique discontinue.

Ladite surface discontinue peut être constituée par les faces proéminentes de parties en saillie qui séparent des zones en dépression dans lesquelles peut être introduit un fluide de lubrification. Avantageusement, les zones en dépression qui ne jouent aucun rôle de frottement sont brutes de fabrication, les seules parties rectifiées avec précision étant les faces proéminentes des parties en saillie qui doivent avoir rigoureusement le même diamètre.

On notera que, de préférence, pour faciliter la circulation du lubrifiant, les zones en dépression communiquent entre elles grâce à des canaux pratiqués dans les parties en saillie.

De plus, les parties de portée en saillie seront distribuées de préférence sur la totalité dudit profil sphérique, afin que quelle que soit la position angulaire relative des deux profils coopérants, leur aire de contact soit à peu prés constante. Selon une forme préférée d'exécution, la surface de portée sphérique discontinue représente environ 30% de l'aire totale du profil dans lequel elle est ménagée, les zones en dépression en représentant 70%.

L'invention concerne également un procédé pour réaliser une prothèse telle que présentée cidessus, consistant à conformer l'un au moins des profils pour qu'il présente une surface générale sphérique, à ménager dans cette dernière des zones en dépression disposées de place en place, à faire communiquer entre elles lesdites zones en dépression et à usiner les seules surfaces de portée dudit profil qui sont écartées des zones en dépression, afin de mettre ces surfaces au même diamètre.

On décrira maintenant, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution de l'invention, en référence au dessin dans lequel:
La fig. I est une vue schématique partiellement en coupe, représentant la prothèse coxo-fèmorale en état de fonctionnement.

Les fig. 2 et 3 représentent deux types de cupules cotyloi- diennes connues.

La fig. 4 est une vue représentant l'intérieur d'une cupule selon l'invention.

La fig. 5 est une coupe selon la ligue 5-5 de la fig. 4.

La fig. 6 est une coupe selon la ligne 6-6 de la fig. 4 de la cupule montée sur la tête fémorale.

La fig. 7 représente une variante de réalisation d'une prothèse totale où la cupule est représentée en coupe.

La fig. 8 est une vue partielle développée représentant la sur face de portée interne de la cupule de la fig. 7.

La fig. 9 est une vue en plan de la fig. 7.

La fig. 10 est un schéma représentant une machine d'essai permettant de mesurer le couple de friction des surfaces en contact de la cupule et de la tête fémorale, et
la fig. 1 1 est un graphique représentant les couples de friction mesurés avec la machine de la fig. 10 sur divers types de pro thèses.

A la fig. 1, on a indiqué en 1 l'os coxal coupé, en 2 la cavité cotyloïde et en 3 le fémur dont on voit en 4 et 5 le grand trochanter et respectivement le petit trochanter. Le sommet du fémur est coupé selon la ligue des trochanters et évidé pour permettre la fixation d'une tête fémorale artificielle dont la tige 6 est engagée et scellée par du ciment dans le fémur 3. En 7 et 8, on a indiqué respectivement le col et le profil mâle sphérique de la tête fémorale.

Au cours de l'intervention chirurgicale, le fond de la cavité cotyloïde est percé en 9 pour permettre l'ancrage convenable d'une masse de ciment 10. Ensuite, on scelle dans le ciment 10 une cupule cotyloidienne indiquée de facon générale en 1 1 et dont la face externe porte des plots d'ancrage 12.

Il s'agit là d'une technique connue qui n'est rappelée que pour faciliter la compréhension de l'invention. Lorsque la cupule il est mise en place, on introduit dans son profil femelle sphérique le profil mâle de la tête fémorale. Ainsi obtient-on une articulation permettant les déplacements de la tête fémorale aussi bien dans la direction de basculement de la flèche F1 que dans. la direction de rotation F2.

Comme on le sait, lorsque l'homme est debout ou lorsqu'il marche normalement, le poids du corps s'exerce en porte à faux sur le col du fémur et pratiquement selon une ligne oblique passant par l'axe de la rotule 8 et par le milieu du genou. Le poids du corps a donc été représenté par les flèches F3 dirigées selon cette ligne.

A la fig. 2, on a schématisé une partie de prothèse connue dans laquelle le profil mâle 8, ainsi que la cupule sont réalisés en acier.

On peut remarquer que la difficulté d'usiner parfaitement les surfaces sphériques mâle 13 et femelle 15 provoque la création de zones bombées 14 et 16 (qui ont été volontairement exagérées dans un but de clarté). On comprend que la présence de ces défauts de régularité des surfaces entraîne la création de régions de portée très localisées à l'endroit des zones bombées sur lesquelles s'exerce une pression très importante génératrice d'usure accélérée. Ainsi, les zones bombées 14 du profil mâle 8 risquent de provoquer des rainures dans la surface femelle 15 et inversement, les zones 16 de cette dernière créeront des cavités dans la surface mâle 13. On assistera donc, non pas à un amoindrissement des irrégularités dans le temps, mais à une multiplication de tels défauts.

De plus, il faut noter que les zones bombées peuvent entraîner un blocage de l'articulation. En effet, Si l'on se reporte à la fig. 2, on voit clairement que Si la tête fémorale 8 se déplace dans le sens de la flèche F4, la bosse 14 va venir chevaucher la bosse 16 et l'on aura alors un coincement de la tète 8 dans la cupule 11. Si l'usager force, la cupule risque d'être ébranlée et à la longue elle se descellera.

Pour tenter de remédier à ce défaut, on a déjà proposé de réaliser une cupule ayant la forme représentée à la fig. 3.

Ce type de cupule connue présente une surface interne 17 conformée à peu près comme la pointe d'un ballon de rugby, tandis que la tête mâle 8 est sphérique. Par cette construction, on constate que les surfaces 13 et 17 portent, en position normale, selon une zone annulaire 17' de largeur réduite e. Dans la position de la fig. 3, on voit que le bord extérieur de la cupule est écarté de la tête d'une distance d. Cependant, ce type de cupule présente des inconvénients: difficulté de conformer la surface 17 avec précision; risque de création d'un effet de coin provoquant un coincement des surfaces dans le cas d'un effort dirigé selon la flèche Fs; risque de déformation de la cupule sous des charges élevées; et surtout création d'un jeu important entre les surfaces Si la tête 8 prend, par rapport à la cupule, la position 18 représentée en trait interrompu.

Dans ce cas, les surfaces ne sont pas en contact sur leurs portées 17'.

Au contraire,comme on le voit parfaitement aux fig. 4 à 8, on propose une solution dans laquelle on conserve pour les deux surfaces en contact une forme sphérique.

On notera que, bien que dans la description et dans le dessin annexé, on se réfère à la cupule, on pourrait naturellement disposer d'une cupule à surface interne totalement sphérique, le profil mâle de la tête fémorale étant alors usiné conformément aux fig.4à8.

La cupule il est constituée classiquement par une paroi 19 hémisphérique dont la surface externe porte des picots 12 assurant le scellement de la cupule dans le ciment. La base de la cupule présente une collerette périphérique 20 également classique.

Par contre, la surface interne de portée est formée par une série de segments de surfaces sphériques 21, 22, 23 et 24 qui, dans l'exemple représenté, sont constituées par des nervures annulaires situées dans des plans parallèles à la collerette 20. Entre les nervures se trouvent des zones en dépression 25, 26, 27 et 28. On notera que la nervure voisine du sommet 21 est relativement large, tandis que les autres nervures sont plus étroites et sont disposées par couples et séparées par des dépressions 22', 23', 24'.

Dans les dépressions se trouve de préférence un fluide lubrifiant et pour permettre à ce dernier de ne pas gêner le mouvement de l'articulation et de circuler entre les dépressions, on a prévu des canaux 29 en pattes d'araignée.

On notera que, par exemple, la profondeur des dépressions pourra être de l'ordre de 0,3 mm, la largeur de la nervure 21 étant d'environ 3 mm, et celle de chacune des autres nervures de 1 mm.

Enfin, de préférence, la position angulaire des nervures 21 à 24 pourra être telle qu'indiqué à la fig. 5.

Naturellement, les parties de surfaces sphériques 21 à 24 seront rectifiées avec précision au même rayon r et avec suffisamment de finesse pour que toute irrégularité de surface soit éliminée. Par contre, les rainures pourront être brutes de fabrication.

De plus, tous les angles vifs seront abattus.

Comme on peut le voir à la fig. 6, avec ce type de cupule, seules les surfaces 21 à 24 sont en contact avec la surface mâle 13 de la tête fémorale, mais la disposition est telle que les portées sont réparties sur toute l'aire de contact possible entre les surfaces sphériques. Ainsi évite-t-on toute formation de jeu indésirable.

On indiquera que, dans l'exemple représenté, la surface des portées 21 à 24 de la cupule à rectifier représente seulement 30% de l'aire totale du profil sphérique, alors que les zones en dépression en représentent les 70%. Ainsi peut-on réaliser une économie notable au moment du polissage qui peut être particulièrement soigné.

Aux fig. 7 à 9, on a représenté une variante de réalisation d'une cupule selon l'invention.

Cette cupule 30 a une surface extérieure conformée en nid d'abeilles assurant un meilleur ancrage de la cupule dans le ciment. En effet, les parties en saillie 31, légèrement coniques, formeront coin entre les parties du ciment qui s'introduiront dans les alvéoles 32. De plus, la base des parties pleines 31 est avantageusement percée de trous transversaux 33 dans lesquels le ciment pourra pénétrer.

De même, le profil femelle interne de la cupule présente une structure en nid d'abeilles, comme on peut le voir particulièrement à la fig. 8 représentant un fragment développé à plat de cette surface interne.

Les surfaces de portée 34 en saillie sont reliées entre elles, mais délimitent des zones en dépression 35 dans lesquelles peut se trouver un lubrifiant. Des canaux de communication 36 sont percés dans les parois en saillie de la structure pour permettre la circulation du lubrifiant.

On notera que les deux types de cupules décrits pourront être réalisés, soit par forgeage ou matriçage, puis usinage au tour et rectification, les zones en dépression étant alors créées par fraisage; soit par moulage ou coulage, les zones en dépression étant réalisées directement lors de cette opération et laissées brutes de fonderie.

On donnera à présent quelques précisions concernant les performances comparées de la prothèse décrite et des prothèses connues. Pour cela, on a soumis à des essais de frottement par mesure du couple résistant:
a) une prothèse connue dont les surfaces en contact sont constituées en acier;
b) une prothèse connue dont une surface (celle de la tête fémorale) est en métal et l'autre en matière plastique telle que polyéthylène;
c) enfin, une prothèse telle que décrite.

On a utilisé pour ces essais une machine classique et qu'on ne décrira donc pas en détail. Cette machine est schématisée à la fig. 10 et est constituée par un bâti 36 dans lequel est fixé un appareil indicateur de couple 37. L'appareil 37 est soumis, par l'inter.

mèdiaire d'un organe d'appui 38, à un effort mesurable et réglable obtenu, par exemple, par serrage d'une tige filetée 39 à bras de manoeuvre 40.

L'appareil 37 porte un second organe d'appui 41 diamétralement opposé à l'organe 38 et dans lequel est logée une pointe 42 d'un ensemble 43 agissant à la manière d'une balance. L'ensemble 43 comporte un corps 44 monté par l'intermédiaire de roulements sur un bloc 45 dans lequel est montée la cupule 14 qui repose sur la tète florale 8 immobilisée par sa tige dans une tablette du bâti. Le corps 44 porte deux bras diamétralement opposés 46 dont les extrémités libres sont destinées à porter des poids 47.

On comprend qu'en chargeant de façon identique les deux bras 46 par des poids 47, le système sera en équilibre, pour un effort de serrage donné de la vis 39 qui sera indiqué par le cadran 37. Par contre, Si l'on charge, par exemple, le bras 46 de droite d'un poids supplémentaire 48 de faible valeur, on assistera à un basculement du système autour de la tête 8 dans le sens des flèches 49 pour les bras et 50 pour le système 43.

On peut ainsi mesurer le couple résistant en fonction d'une charge.

Sur le graphique de la fig. 1, on a indiqué en abscisses les charges en kg/force et en ordonnées le couple résistant en m/kg.

La courbe A correspond à une prothèse classique sphérique métal sur métal; la courbe B correspond à une prothèse connue métal sur plastique; la courbe C correspond à une prothèse telle que décrite.

On constate que le couple résistant de la prothèse décrite est très voisin de celui de la prothèse métal sur plastique réputée posséder les meilleures caractéristiques de frottement.

REVENDICATION I
Prothèse d'articulation du fémur sur l'os coxal, comportant une tète fémorale métallique dont la tige est destinée à être fixée dans le fémur et dont le sommet est constitué par un profil mâle à surface générale sphérique, et une cupule cotyloidienne hémisphé- rique destinée à être insérée dans la cavité cotyloïde de l'os coxal, cupule présentant un profil femelle à surface générale sphérique dans laquelle s'emboîte le profil mâle de la tête Semorale, ladite prothèse étant caractérisée en ce que la cupule cotyloidienne étant réalisée également en métal, l'un au moins des profils présente une surface de portée sphérique discontinue.

SOUS-REVENDICATIONS
1. Prothèse selon la revendication I, caractérisée en ce que la surface de portée sphérique discontinue est constituée par les surfaces proéminentes de parties en saillie qui séparent des zones en dépression.

2. Prothèse selon la revendication I et la sous-revendication 1, caractérisée en ce que les zones en dépression entre les parties en saillie communiquent entre elles par des canaux pratiqués dans les parties en saillie, afin de permettre la circulation d'un lubrifiant.

3. Prothèse selon la revendication I et les sous-revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les surfaces proéminentes des parties de portée en saillie sont de même diamètre.

4. Prothèse selon la revendication I et les sous-revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les parties de portée en saillie sont distribuées sur la totalité du profil sphérique, afin que quelle que soit la position angulaire relative des deux profils coopérants, leur aire de contact commune soit à peu près constante.

5. Prothèse selon la revendication I et les sous-revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la surface de portée sphérique discontinue représente environ 30% et les zones en dépression 70% de l'aire totale du profil dans lequel est ménagée cette surface sphérique discontinue.

6. Prothèse selon la revendication I et les sous-revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les parties de portée en saillie sont liées les unes aux autres.

7. Prothèse selon la revendication I et les sous-revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les parties de portée en saillie forment un réseau en nid d'abeilles.

8. Prothèse selon la revendication I et les sous-revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les parties de portée en saillie sont constituées par des segments de paroi séparés les uns des autres.

9. Prothèse selon la revendication I et la sous-revendication 8, caractérisée en ce que les segments de paroi sont distribués en anneaux coaxiaux centrés sur un diamètre d'un grand cercle de la surface sphérique.

REVENDICATION Il
Procédé pour réaliser une prothèse selon la revendication I, caractérisé en ce qu'on conforme l'un au moins des profils pour qu'il présente une surface générale sphérique, on ménage, dans ladite surface générale sphérique, des zones en dépression dispo suées de place en place, on fait communiquer entre elles lesdites zones en dépression par des canaux de communication et on usine les seules surfaces de portée dudit profil qui sont écartées radialement des zones en dépression, afin de mettre ces surfaces au même diamètre.

**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.

Claims

**ATTENTION** debut du champ CLMS peut contenir fin de DESC **. d'un ensemble 43 agissant à la manière d'une balance. L'ensemble 43 comporte un corps 44 monté par l'intermédiaire de roulements sur un bloc 45 dans lequel est montée la cupule 14 qui repose sur la tète florale 8 immobilisée par sa tige dans une tablette du bâti. Le corps 44 porte deux bras diamétralement opposés 46 dont les extrémités libres sont destinées à porter des poids 47.

On comprend qu'en chargeant de façon identique les deux bras 46 par des poids 47, le système sera en équilibre, pour un effort de serrage donné de la vis 39 qui sera indiqué par le cadran 37. Par contre, Si l'on charge, par exemple, le bras 46 de droite d'un poids supplémentaire 48 de faible valeur, on assistera à un basculement du système autour de la tête 8 dans le sens des flèches 49 pour les bras et 50 pour le système 43.

On peut ainsi mesurer le couple résistant en fonction d'une charge.

Sur le graphique de la fig. 1, on a indiqué en abscisses les charges en kg/force et en ordonnées le couple résistant en m/kg.

La courbe A correspond à une prothèse classique sphérique métal sur métal; la courbe B correspond à une prothèse connue métal sur plastique; la courbe C correspond à une prothèse telle que décrite.

On constate que le couple résistant de la prothèse décrite est très voisin de celui de la prothèse métal sur plastique réputée posséder les meilleures caractéristiques de frottement.

REVENDICATION I Prothèse d'articulation du fémur sur l'os coxal, comportant une tète fémorale métallique dont la tige est destinée à être fixée dans le fémur et dont le sommet est constitué par un profil mâle à surface générale sphérique, et une cupule cotyloidienne hémisphé- rique destinée à être insérée dans la cavité cotyloïde de l'os coxal, cupule présentant un profil femelle à surface générale sphérique dans laquelle s'emboîte le profil mâle de la tête Semorale, ladite prothèse étant caractérisée en ce que la cupule cotyloidienne étant réalisée également en métal, l'un au moins des profils présente une surface de portée sphérique discontinue.

SOUS-REVENDICATIONS 1. Prothèse selon la revendication I, caractérisée en ce que la surface de portée sphérique discontinue est constituée par les surfaces proéminentes de parties en saillie qui séparent des zones en dépression.

2. Prothèse selon la revendication I et la sous-revendication 1, caractérisée en ce que les zones en dépression entre les parties en saillie communiquent entre elles par des canaux pratiqués dans les parties en saillie, afin de permettre la circulation d'un lubrifiant.

3. Prothèse selon la revendication I et les sous-revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les surfaces proéminentes des parties de portée en saillie sont de même diamètre.

4. Prothèse selon la revendication I et les sous-revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les parties de portée en saillie sont distribuées sur la totalité du profil sphérique, afin que quelle que soit la position angulaire relative des deux profils coopérants, leur aire de contact commune soit à peu près constante.

5. Prothèse selon la revendication I et les sous-revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la surface de portée sphérique discontinue représente environ 30% et les zones en dépression 70% de l'aire totale du profil dans lequel est ménagée cette surface sphérique discontinue.

6. Prothèse selon la revendication I et les sous-revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les parties de portée en saillie sont liées les unes aux autres.

7. Prothèse selon la revendication I et les sous-revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les parties de portée en saillie forment un réseau en nid d'abeilles.

8. Prothèse selon la revendication I et les sous-revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les parties de portée en saillie sont constituées par des segments de paroi séparés les uns des autres.

9. Prothèse selon la revendication I et la sous-revendication 8, caractérisée en ce que les segments de paroi sont distribués en anneaux coaxiaux centrés sur un diamètre d'un grand cercle de la surface sphérique.

REVENDICATION Il Procédé pour réaliser une prothèse selon la revendication I, caractérisé en ce qu'on conforme l'un au moins des profils pour qu'il présente une surface générale sphérique, on ménage, dans ladite surface générale sphérique, des zones en dépression dispo suées de place en place, on fait communiquer entre elles lesdites zones en dépression par des canaux de communication et on usine les seules surfaces de portée dudit profil qui sont écartées radialement des zones en dépression, afin de mettre ces surfaces au même diamètre.