Domaine technique

La présente invention concerne les dispositifs d'articulation du type rotule utilisables notamment comme prothèses articulaires, et concerne en particulier un dispositif d'articulation à roulement sphérique à billes.

Etat de la technique II existe déjà à ce jour de nombreuses prothèses articulaires. De telles articulations sont généralement constituées d'une partie mâle constituée d' ne calotte de surface interne concave, et d'une partie femelle destinée à être insérée dans cette partie mâle. Dans 1'hypothèse d'une prothèse destinée à être insérée dans un organisme vivant, par exemple dans le corps humain, ces articulations émettent généralement des particules d'usure. En effet, le glissement des différentes parties les unes sur les autres par des frictions, provoque des arrachements sous forme de particules libres. Ces particules libres sont considérées par 1'organisme comme des agents étrangers, qui les attaque en produisant des produits chimiques qui détruisent le squelette osseux et qui entraînent ainsi le descellement de la prothèse. Cette usure entraîne donc une limitation de la durée de vie de la prothèse.

Par ailleurs, il est démontré que les surfaces mobiles de contact de ces prothèses s'usent d'environ un dixième de millimètre par an, et donc que la durée de vie liée à une utilisation normale de la prothèse n'excède pas douze à quinze années. Le jeu atteint alors plus d'un millimètre et la dégradation s'accélère alors brutalement entraînant obligatoirement une nouvelle opération. De ce fait, même si l'interface entre l'os et la prothèse est parfaite, le chirurgien peut être amené à desceller la pièce pour la remplacer par une nouvelle ce qui est beaucoup plus traumatisant qu'une première opération.

Les prothèses doivent être robustes, résistantes à l'environnement hautement corrosif de l'organisme, capables d'absorber les vibrations, capables de supporter des contraintes importantes (dans le cas de la hanche par exemple), capables d'une géométrie de débattement angulaire supérieure à celle de l'anatomie normale et de durée de vie supérieure à 1'espérance de vie du patient dans les conditions d'utilisation correspondant à celles d'une personne sportive. II existe déjà à ce jour des prothèses articulaires qui tentent de pallier ces inconvénients, et donc de limiter les particules d'usure, en utilisant des roulements à billes insérés entre la partie mâle et la partie femelle, tel que décrit par exemple dans le document EP-A-0.481.855. Mais un des problèmes posés par ce type d'articulation est le recyclage des billes lors des mouvements de la partie mâle à l'intérieur de la partie femelle. Ce recyclage est nécessaire si 1'on veut éviter des frottements importants des billes qui s'opposent aux mouvements. Pour ce faire, le dispositif décrit dans le document ci-dessus prévoit une cavité se trouvant dans la partie femelle dans laquelle les billes sont entraînées par les mouvements de la partie mâle. Mais pour atteindre cette cavité, les billes sont obligées d'effectuer une rupture de trajectoire à 180* et de remonter dans la cavité où elles sont libérées de frottement. Une telle disposition entraîne inévitablement des frottements considérables des billes sur les parois dûs au parcours plutôt "accidenté" qu'elles ont à effectuer pour se recycler.

Exposé de 1'invention

C'est pourquoi un premier but de 1'invention est de réaliser un dispositif d'articulation, utilisable notamment comme prothèse, du type rotule à roulement à billes disposant d'un moyen de recyclage des billes évitant tout frottement.

Un autre but de 1'invention est de réaliser un dispositif d'articulation à deux rotules utilisable notamment comme prothèse, dans lequel une rotule à roulement à billes est incluse dans une autre rotule à frottement solide.

Un premier objet de l'invention est donc un dispositif d'articulation à roulement à billes comportant une portion de sphère concave d'un premier rayon intérieur, une portion de sphère convexe d'un second rayon extérieur, une pluralité de billes disposées dans l'espace formé entre la portion de sphère concave et la portion de sphère convexe et dont le diamètre est égal à la différence entre le premier rayon et le second rayon. Un élément rigide solidaire de la portion de sphère convexe est amené à effectuer des mouvements par rapport à la portion de sphère concave en se servant de la portion de sphère convexe comme première rotule. Le moyen de recyclage des billes est une gorge circulaire formée dans la portion de sphère concave sur le périmètre de l'ouverture que celle-ci définit et délimitant ainsi 1'espace entre la portion de sphère concave et la portion de sphère convexe, cette gorge circulaire comportant une largeur dans la dimension radiale légèrement supérieure au diamètre des billes de sorte que toute bille amenée dans la gorge par un mouvement de 1'élément rigide se trouve libérée de toute contrainte de frottement et puisse facilement s'évacuer le long de la gorge circulaire de manière à ce que le recyclage des billes ne crée aucun frottement s'opposant aux mouvements de l'élément rigide. Un autre objet de l'invention est un dispositif tel que décrit ci-dessus dans lequel la portion de sphère concave se trouve à l'intérieur d'une cupule sphérique, la paroi extérieure de la portion de sphère concave étant en contact avec la paroi intérieure de la cupule et pouvant se déplacer angulairement par rapport à cette dernière de façon à agir comme une seconde rotule pour 1'élément rigide.

Brève description des figures

Les buts, objets et caractéristiques de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels : la figure 1 représente le dispositif d'articulation selon un mode de réalisation préféré de l'invention, dans une première position sans rotation, la figure 2 représente la gorge circulaire de recyclage des billes du dispositif d'articulation selon la présente invention, la figure 3 représente le dispositif d'articulation illustré sur la figure 1, ayant subi une rotation de la rotule à roulement à billes, la figure 4 représente le dispositif d'articulation illustré sur les figures 1 et 3, ayant subi en outre une rotation de la rotule à frottement solide, et la figure 5 représente le dispositif d'articulation selon un autre mode de réalisation de l'invention.

Description détaillée de l'invention

En se référant à la figure 1, le dispositif d'articulation utilisé comme prothèse comporte une armature structurale ou cotyle 10 destinée à être fixée par exemple dans la cavité fémorale et ayant une surface interne concave dans laquelle est enclipsee une cupule sphérique 12. Une portion de sphère concave ou coquille de confinement 14 est placée dans l'espace hémisphérique délimité par la cupule sphérique 12. Une portion de sphère convexe 16 est introduite dans la concavité de la sphère concave 14 en étant séparée de cette dernière par une couche de billes 18. La sphère convexe 16 comporte un trou d'emmanchement (non montré) en forme de cône normalisé dans lequel est insérée une crosse 20 dont l'autre extrémité est destinée à être implantée dans l'ossature d'un des membres à articuler. A la base de la portion de sphère convexe se trouve une collerette 22 empêchant une trop grande rotation

de la portion de sphère convexe dans la portion de sphère concave 14 comme on le verra par la suite.

La couche de billes 18 est prisonnière de l'espace entre la portion de sphère convexe 16 et la portion de sphère concave 14 au moyen d'un couvercle 24 comportant une gorge circulaire de recyclage des billes. Bien que la gorge circulaire se trouve dans un couvercle séparé dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, il va de soi qu'elle pourrait faire partie intégrante de la portion de sphère concave 14 dont l'ouverture aurait alors la forme du couvercle 24 représenté sur la figure 1.

Un grossissement de la gorge circulaire 30 se trouvant dans le couvercle 24 est illustré sur la figure 2. Comme on le voit sur cette figure, les billes 18 sont coincées entre la paroi de la sphère convexe 16 et la paroi intérieure de la sphère concave 14 du fait que leur diamètre est égal à la différence entre les rayons de ces deux sphères. Cependant, la dernière bille 18-n est en contact avec la bille précédente et avec le fond de la gorge circulaire 30, mais n'est plus en contact avec la paroi de la portion de sphère convexe 16 du fait que la largeur de la gorge est supérieure au diamètre des billes.

Lors de la rotation de la portion de sphère convexe 16 à l'intérieur de la portion de sphère concave 14, si la sphère convexe a un mouvement animé d'une vitesse V dans la direction d'un méridien, les billes sont animées d'un mouvement par roulement sans frottement de vitesse V/2, également dans la direction du méridien. Lorsque la bille, par exemple 18-n, atteint la gorge circulaire 30, elle ne se trouve plus coincée entre les parois des sphères convexe et concave et peut alors s'engager librement sans frottement dans la gorge circulaire (donc selon un parallèle de la sphère) en étant entraînée par les autres billes se trouvant également dans la gorge circulaire. N'étant plus coincée par les parois, le changement de direction de la bille 18-n à 90* se produit donc sans frottement. En d'autres termes, la gorge circulaire 30

décharge de toute contrainte les billes qui arrivent au niveau d'une "source de billes", et leur permet d'être tout naturellement chassées sans frottement en direction d'un "puits de billes" d'où elles seront réinjectées dans la couche de billes. En effet, au moment où la bille 18-n atteint la gorge circulaire dans son mouvement le long du méridien de la sphère, une autre bille, se trouvant à l'opposé dans la gorge circulaire, est entraînée dans la couche de billes en roulant sans frotter à la vitesse V/2 le long du même méridien, entre les parois des portions de sphères convexe et concave. Il y a donc à proprement parler "recyclage" des billes par l'intermédiaire de la gorge circulaire.

Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, la portion de sphère concave 14 peut se mouvoir à 1'intérieur de la cupule sphérique 12 par frottement solide des parois en contact l'une sur l'autre. Le fonctionnement du dispositif d'articulation selon l'invention est donc assimilable à une double rotule, la première rotule étant à roulement à billes 18 entre la portion de sphère convexe 16 et la portion de sphère concave 14, et la seconde rotule étant à frottement solide entre la portion de sphère concave 14 et la cupule sphérique 12.

Le fonctionnement de la double rotule est illustré sur les figures 3 et 4. Comme on le voit sur la figure 3, la crosse 20 a effectué un déplacement angulaire X en faisant subir une rotation maximale de la portion de sphère convexe 16 dans la portion de sphère concave 14 puisque la collerette 22 est en butée contre le couvercle 24. Ce mouvement de rotation a fait appel à la seule première rotule et au roulement des billes 18. En effet, les mouvements géométriques que subit la crosse 20 sont de deux sortes : les mouvements de type roulis et les mouvements de type site/gisement. Le confinement élevé de cette première rotule limite son utilisation aux seuls débattements angulaires faibles et au roulis. Cette première rotule qui présente un couple de démarrage faible comparé à celui

d'une rotule à frottement solide (facteur de 10) absorbe tous les roulis ainsi que les sites et gisements de faible amplitude qui représentent en fait 95% des mouvements effectués par un individu. Ainsi, l'angle maximum α est inférieur à environ 16*.

Le fonctionnement de la seconde rotule, illustré sur la figure 4, se fait par frottement solide entre la paroi extérieure de la sphère concave 14 et la paroi intérieure de la cupule 12. Ce frottement solide utilise un couple de matériaux présentant un faible coefficient de frottement solide sous charge, par exemple le couple métal (la sphère 14) / polyéthylène à ultra haute densité (la cupule 12). Ce couple est intéressant pour ses propriétés anti-friction, anti-usure, bio-compatible (utilisation fréquente dans le domaine médical). Par ailleurs, le polyéthylène confère à l'ensemble du système des propriétés anti-vibratoires permettant une bonne tenue au choc. Enfin, le métal retenu, de préférence un alliage chrome-cobalt écroui, constitue à cette date le meilleur compromis de tenue à la contrainte en compression, de résistance au poinçonnement, de résistance aux ambiances hautement corrosives du domaine de l'application considéré (médical, aéronautique, spatial, cybernétique). Par rapport à une céramique telle que l'alumine ou la zircone, il présente de surcroît l'avantage d'une usinabilité aisée et surtout celui d'une excellente résistance au choc notamment au niveau de la collerette lorsque la pièce atteint 1'amplitude maximum et arrive en butée. Cet alliage peut faire l'objet d'un traitement de surface complémentaire destiné à accroître sa micro-durée et donc sa résistance au frottement solide côté convexe, ainsi que sa résistance au poinçonnement côté concave. Ce traitement de surface peut être un dépôt par pulvérisation cathodique tel qu'implantation ionique d'azote ou carbone dur amorphe ou nitrure de titane, ou bien dépôt par projection plasma tel que zircone, chrome ou tout autre dépôt destiné à accroître la dureté superficielle du métal. On doit noter que la portion de sphère convexe est de

préférence réalisée dans le même métal ou alliage que la portion de sphère concave servant de seconde rotule.

Les billes 18 peuvent être en céramique ou en métal. Toutefois, de façon à éviter d'introduire des couples électrochimiques néfastes entre la portion de sphère convexe 16 ou la portion de sphère concave 14 d'une part, et les billes 18 d'autre part, il est préférable d'avoir des billes constituées du même métal (ou alliage) que les portions de sphère convexe ou de sphère concave. Comme on le voit sur la figure 4, la crosse a subi une rotation d'un angle φ en plus de la première rotation α au moyen de la première rotule, cette deuxième rotation, du fait du couple de démarrage de la seconde rotule bien plus important que le couple de démarrage de la première rotule, ne commence qu'à la fin du débattement maximum α obtenu au moyen de la première rotule. Elle n'a donc lieu que pour les débattements angulaires importants, c'est à dire supérieurs à environ 16* et peut se prolonger jusqu'à un angle φ d'environ 34* comme illustré sur la figure 4 lorsque la crosse 20 arrive en butée contre la cupule 12. Mais ces débattements de grande amplitude, puisque compris entre environ 16* et 50*, ne représentent qu'environ 5% des mouvements d'un individu. Par conséquent, l'usure, telle qu'elle se produit dans les dispositifs de la technique antérieure, n'est plus un facteur déterminant dans la mesure où la durée de vie d'un tel dispositif est multipliée par 20.

L'assemblage du dispositif d'articulation illustré sur la figure 1 se fait en introduisant la portion de sphère convexe 16 à l'intérieur de la portion de sphère concave 14 préalablement remplie d'une quantité adéquate de billes 18. Afin de pouvoir entrer la sphère convexe, il est impératif que le diamètre de cette dernière soit inférieur au diamètre de l'ouverture de la sphère concave. Puis on finit de mettre les billes et le couvercle 24 assurant la fermeture est monté, soit par vissage, soit par montage sous azote et soudure par faisceau d'électrons ou rayons

laser de façon à assurer un bon scellement. On doit noter que, afin de ne pas provoquer de discontinuité dans le chemin de roulement des billes, le raccordement du couvercle doit être réalisé sur le bord de la gorge de circulation, sans jeu.

Dans la réalisation préférée de 1'invention comme prothèse articulaire, notamment pour les membres inférieurs, la portion de sphère convexe 16 a un diamètre compris entre 10 et 25 mm, les billes 18 ont un diamètre compris entre 0,5 et 2,5 mm, soit entre 5 et 10% du diamètre de la sphère convexe, et la sphère concave 14 a un diamètre intérieur compris entre 11 et 27 mm. Dans une réalisation particulièrement recommandée, le diamètre de la sphère convexe est 22,83 mm, celui des billes est de 1,587 mm (1/16 de pouce) et le diamètre intérieur de la sphère concave est de 26,004 mm. Une prothèse réalisée avec de telles dimensions permet de supporter une charge comprise entre 1,2 tonne et 2 tonnes selon les matériaux utilisés, donc largement supérieure au poids qu'a à supporter une prothèse. Il est bien entendu que ces dimensions sont données à titre d'exemple mais ne sauraient être limitatives pour autant.

On notera que 1'ensemble sphère concave-couvercle se referme bien au-delà du plan équatorial de la sphère convexe sur une distance autorisant 1'emprisonnement d'au moins 3 rangées de billes par rapport à l'équateur. Cette disposition assure le blocage de la sphère convexe dans le dispositif tout en laissant suffisamment de place pour la gorge circulaire. Quoique pouvant prendre toutes les positions possibles en tant que prothèse articulaire, le dispositif d'articulation représenté sur les figures 1, 3 et 4, est le plus souvent disposé avec la crosse dirigée verticalement vers le bas, les billes se trouvant dans la partie supérieure, surtout lorsqu'il s'agit d'une prothèse du fémur. Ceci a pour inconvénient que l'effort dû au poids d'une partie du corps se porte principalement sur les

billes situées au sommet de la portion de sphère convexe, et en particulier sur la bille qui occupe la position la plus élevée lorsque le dispositif n'a subi aucun déplacement angulaire et que la crosse est verticale. C'est pourquoi, une solution consiste à laisser l'emplacement sommital sans bille ou, en d'autres termes, à retirer la bille occupant cette position lorsque les billes sont placées à l'intérieur de la portion de sphère concave. Il est également possible de retirer non pas la bille sommitale, mais celle-ci et les 6 billes qui l'entourent et qui supportent aussi une plus grande charge en position de repos. Bien entendu, l'emplacement sans billes est amené à se déplacer lorsque la prothèse subit des déplacements angulaires, mais il se retrouve toujours au sommet de la portion de sphère convexe lorsque la prothèse retrouve la position de repos verticale du fait que les billes sont coincées entre les deux parois et roulent sans glisser.

Une autre variante consiste à remplacer le frottement solide de la seconde rotule par un roulement à billes identique à celui décrit ci-dessus. Dans ce cas, la cupule 12 est remplacée en tout ou partie par une couche de billes identiques aux billes 18, et comporte également une gorge circulaire située à 1'ouverture de 1'armature structurale 10 (voir figure 1) dont la fonction est le recyclage des billes de cette seconde couche de la même façon qu'il a été expliqué précédemment.

Bien que le dispositif d'articulation de l'invention trouve principalement application dans le domaine des prothèses, il est également possible de l'utiliser dans d'autres domaines en tant que rotule ou double rotule.

En effet, les rotules font l'objet de nombreuses applications en aéronautique avec entre autres :

- les rotules de voilure,

- les rotules de train d'atterrissage, - les rotules à durée de service élevée.

Les rotules de voilure sont montées de manière peu accessible en divers points critiques que sont les

articulations complexes des diverses surfaces mobiles d'une voilure. La durée de service actuelle est dans le meilleur des cas de 50.000 cycles dans des conditions d'environnement difficiles avec des pollutions sévères. Enfin, une particularité de montage de ces rotules implique un mouvement de la bague extérieure par rapport à la bague intérieure fixe, situation inverse de celle qui est rencontrée dans la très grande majorité des cas, c'est à dire bague intérieure et axe tournant par rapport à la bague extérieure fixe.

Les rotules de train d'atterrissage sont soumises de manière répétée à des charges brutales ou à des chocs. De multiples technologies de rotules métal/métal existent pour répondre aux exigences de cette application. Le nombre de sollicitations maximum obtenu actuellement est de 1'ordre de 100.000.

Pour réduire les opérations de maintenance, on est progressivement parvenu à augmenter de façon considérable la durée de vie de certaines rotules autolubrifiantes soumises à des mouvements de faible amplitude tels qu'oscillations ou rotulages de 1* à 8* maximum, mouvements exercés à des fréquences de plusieurs cycles par seconde. Des durées de plusieurs milliers d'heures, soit plusieurs dizaines de millions de cycles, sont nécessaires dans des conditions de charge moyenne. Evidemment une durée de vie infinie est fortement souhaitée.

Toutes les rotules mentionnées ci-dessus fonctionnent selon le principe du frottement solide.

Les principales améliorations apportées à ce jour visent essentiellement à allonger la durée de vie de ces rotules et à diminuer les couples de frottement, grâce à des revêtements autolubrifiants, et à des traitements de surface pour augmenter la micro-dureté du matériau et augmenter sa résistance à l'usure. D'autres domaines tels que la cybernétique, 1'automobile ou le domaine spatial font également appel à des rotules. Pour tous ces domaines, les rotules

disponibles sur le marché fonctionnent toutes selon le principe du frottement solide. Les perfectionnements apportés à leur fonctionnement concernent toujours 1*amélioration du binôme en contact afin de réduire le couple de frottement et d'augmenter la durée de vie fortement limitée.

Un exemple de double rotule selon les principes de la présente invention et applicable aux domaines cités ci- dessus est illustré sur la figure 5. L'ensemble de 1'articulation se trouve placé dans une bague extérieure 40 (analogue à 1'armature structurale 10 de la figure 1) et comporte une bague de frottement 42 (correspondant à la cupule sphérique 12), une portion de sphère concave 44 dont la surface extérieure se déplace par frottement dans la bague de frottement 42 par exemple en polyéthylène à ultra haute densité, et une portion de sphère convexe 46 séparée de la portion de sphère concave 44 par une couche de billes 48. Cette couche de billes forme un anneau sphérique entre deux parties à gorge circulaire, une première partie à gorge 50 placée en haut de la couche de billes sur la figure et une seconde partie à gorge placée en bas de la couche de billes sur la figure.

Sur la figure 5, on voit que la portion de sphère convexe est prolongée de chaque côté par deux bras 54 et 56 dont la jonction avec la portion de sphère convexe se fait par des collerettes 58 et 60. La rotule est représentée dans une position où elle a subi un déplacement angulaire maximum (environ 16') puisque la collerette 58 est en butée avec la partie à gorge circulaire 50. Un déplacement angulaire supplémentaire de l'ensemble des deux bras 54 et 56 amènerait la sphère concave 44 à pivoter par frottement à l'intérieur de la bague de frottement 42 et jouer ainsi le rôle de la seconde rotule. Un déplacement angulaire peut avoir lieu de la même façon dans le sens des aiguilles d'une montre. on doit noter que, quel que soit le déplacement angulaire des bras 54 et 56 dans le sens des aiguilles

d'une montre ou dans le sens contraire, les deux gorges circulaires 50 et 52 sont utilisées simultanément pour le recyclage des billes.

Contrairement au premier mode de réalisation du dispositif d'articulation comme prothèse articulaire, la réalisation du dispositif de 1'invention comme double rotule dans le domaine mécanique n'est pas limitée dans ses dimensions. Celles-ci dépendront en fait des charges que devra supporter le dispositif. La combinaison de deux rotules selon 1'invention peut présenter un intérêt technique supplémentaire en ce sens que les centres de rotation des 2 rotules peuvent ne pas être confondus. Un décentrage volontaire peut être mis à profit pour obtenir par un phénomène tridimensionnel un effet de bascule par une combinaison de site/gisement sur une rotule et de roulis sur l'autre rotule, ce phénomène est particulièrement intéressant dès lors que des mouvements spécifiques sont recherchés et que 1'encombrement doit être réduit au minimum dans une direction angulaire donnée : le cas de l'articulation de l'épaule illustre ce phénomène.

Dans une autre variante de réalisation, on peut prévoir que l'une ou l'autre des deux rotules n'ait pas une forme sphérique, mais une forme ellipsoïdale. Ainsi, la rotule interne peut comprendre une portion convexe 16 (voir figure 1) de forme ellipsoïdale à 1'intérieur d'une portion concave 14 également de forme ellipsoïdale présentant un écart constant avec la portion convexe 16, ledit écart correspondant au diamètre des billes 18. Les ellipsoïdes formés par les parties convexe 16 et concave 14 présentent dans tous les cas une symétrie axiale autour de 1'axe commun qui est également celui de 1'élément rigide 20. Par rapport à l'axe, l'ellipsoïde est, soit aplati au sommet (type lentille) si la charge à supporter est principalement axiale, soit aplati sur les côtés (type ballon de rugby) si la charge à supporter est principalement radiale. Dans ce type de dispositif où la gorge circulaire n'a plus son

utilité comme dans le cas où toutes les parties sont sphériques, la rotule de forme ellipsoïdale est utilisée pour les mouvements de roulis alors que la rotule de forme sphérique (par exemple celle à frottement solide) est utilisée pour les sites et gisements.

Le dispositif d'articulation présente en outre d'autres avantages que ceux mentionnés en référence aux figures. Ainsi, l'utilisation d'un matériau tel que le polyéthylène à ultra haute densité pour la cupule sphérique de la seconde rotule permet d'accroître la tenue du dispositif vis à vis des sollicitations par choc, permet 1'absorption des vibrations au niveau de la rotule et finalement permet de réduire les sollicitations mécaniques au niveau des contacts des billes sur leurs surfaces de roulement.

Enfin, le dispositif d'articulation selon l'invention est interchangeable et compatible "vers le bas" par le biais d'un alésage normalisé (cas de 1'application aéronautique), ou par le biais d'un trou conique de type morse normalisé (cas de l'application médicale). Il est interchangeable et compatible "vers le haut" par le biais d'une sphère normalisée (diamètre, état de surface, sphéricité, tolérance sur le diamètre) s'emboîtant à 1'intérieur d'une cupule en polyéthylène d'ultra haute densité (cas de l'application médicale) elle-même logée dans une bague métallique (cas de 1'application mécanique). Cet ensemble peut d'ailleurs être réduit à une simple bague normalisée avec un revêtement autolubrifiant analogue à ce qui se rencontre dans le cas des rotules classiques.