Réalisation du simulateur

Le simulateur a été mis au point dans le laboratoire de biomécanique de la Mayo Clinic (Rochester, Mn, USA), dirigé par le Professeur Kan Nan An.

Il est représenté par la figure 54 ci dessous. Il s’agissait d’un simulateur de hanche en position non anatomique ou « inversé » : la tête fémorale était située au dessus de la cupule, celle-ci étant orientée vers le haut.

En effet, il nous a semblé difficile de réaliser un simulateur de hanche en position anatomique répondant aux différents critères évoqués ci-dessus. En particulier, le critère obligatoire d’étanchéité nécessaire à la réalisation des tests en condition de lubrification, associé aux critères de facilité de changement d’implants et d’application de contraintes, nous a fait choisir ce positionnement inversé. La simplicité de ce montage permettant une étanchéité optimale, associé au faible biais engendré par ce positionnement inversé nous a paru justifier cette décision.

I II III VI IV V I II III VI IV V

Figure 54 : Schéma du simulateur de hanche mis au point pour la réalisation des tests in vitro.

I : Moteur

II : Axe de rotation III : Bielle

IV : Porte tête céramique sur machine servo-hydrolique V : Tête céramique

a. Support du simulateur

L’ensemble du simulateur était fixé à un socle métallique monté sur amortisseur, afin de diminuer les mouvements annexes et de permettre d’amortir les éventuelles contraintes excessives soumises au simulateur (figure 59). Ce support était ensuite fixé sur la base d’une machine servo hydraulique afin que le montage puisse subir les contraintes générées par des forces de compression axiale et qui sera décrite par la suite.

b. Porte tête céramique

Pour cette étude, nous ne disposions pas de tige fémorale permettant de fixer les têtes céramiques à tester. Nous avons donc créé un porte tête céramique (figure 55), à l’aide d’un manchon métallique dont l’extrémité distale était usinée afin de s’ajuster parfaitement au diamètre du cône de la tête céramique, reproduisant ainsi le col prothétique. La fixation était, comme pour une tige fémorale, effectuée au moyen de ce cone morse (figure 56).

L’extrémité proximale était fixée sur un socle permettant de relier ce montage à l’extrémité proximale de la machine servo hydraulique. C’est pourquoi un système de compression contrôlé à l’aide d’un ressort métallique a été adapté sur le manchon, de façon à répartir les contraintes de manière adaptée sur la tête céramique et le montage. La tête était orientée vers le bas lors des tests.

Figure 56 : Fixation de la tête céramique sur le manchon métallique

c. Système de compression axiale

La compression axiale, permettant d’appliquer sur le système différentes contraintes et d’assurer la bonne coaptation des surfaces de frottement, a été effectuée à l’aide d’une machine servo hydraulique bi axiale de type MTS (Eden Prairie, MN, USA) (figure 57). Ce système permettait de définir les forces appliquées sur le système, en terme de durée et d’intensité de chargement. La machine servo-hydraulique était reliée à un ordinateur permettant de piloter l’application des forces et d’enregistrer les données des tests en terme de forces appliquées et de durée.

Nous avons opté pour l’application d’une force continue au cours des mouvements réalisés par les implants. De légères différences de pression étaient toutefois notées lors des mouvements de la cupule acétabulaire, du fait même de ces mouvements.

d. Plate forme pivotante porte cupule

Comme il s’agissait d’un simulateur de hanche inversé, la tête prothétique restait immobile et c’est donc la cupule acétabulaire qui devait effectuer les mouvements. Les cupules et leur insert céramique devaient donc être intégrés au sein d’une plate forme pivotante (figure 58). Cette plate forme a été réalisée dans un cube de métal, dont une partie de la face supérieure a été usinée et découpée selon un angle de 45° par rapport à l’horizontale. Sur cette face orientée à 45°, un logement hémisphérique, aux dimensions du métalback de la cupule acétabulaire, a été usiné. Ce logement a permis d’insérer le métalback acétabulaire, de sorte que celui-ci ne soit pas débordant vis-à-vis de la face inclinée de la plate forme. Le métalback a, part la suite, été fixé à la plate forme à l’aide d’un ciment adapté. L’orientation du métalback était ainsi de 45° par rapport à l’horizontale (inclinaison) et de 20° d’antéversion.

Les différents inserts acétabulaires en céramique étaient insérés et retirés de ce métalback de manière classique. Ils étaient maintenus en place par l’effet de cône morse. Leur extraction s’effectuait à l’aide d’une ventouse adaptée ainsi que par des microvibrations effectuées par impaction sur le rebord de la cupule.

La cupule, quant à elle, restait fixée au simulateur.

Sur deux bords latéraux opposés de la plate forme était fixé un axe autour duquel allaient s’effectuer les mouvements de la cupule acétabulaire.

e. Système bielle-manivelle

La plate forme pivotante était reliée à un moteur, par un système de bielle-manivelle (figure 59).

Ce système permettait de transformer le mouvement de rotation continue délivré par le moteur en un mouvement alternatif au niveau de la plate forme pivotante, simulant des mouvements de flexion-extension.

Le système bielle-manivelle a été dessiné et usiné afin de permettre des mouvements de la plate forme simulant la flexion-extension, dont les amplitudes de mobilité maximales étaient d’environ 80° d’un extrême à l’autre.

Figure 59 : Vue d’ensemble du montage : plate forme pivotante sur son socle amortisseur, Bras de liaison, moteur DC.

f. Moteur

Le moteur utilisé pour générer le mouvement du montage était un moteur à courant continu (DC motor) (figure 59). La vitesse de rotation du moteur était ajustée par un variateur, permettant d’adapter la vitesse de mouvement de la plate forme.

g. Le boîtier étanche

Afin de permettre la réalisation des tests en condition de lubrification, un boîtier étanche a dû être imaginé pour pouvoir immerger les implants et permettre le bon fonctionnement du simulateur (figure 60 et 61). Un boîtier transparent en plexiglas, ouvert sur le dessus, a été réalisé, qui était ensuite fixé sur le socle du simulateur à l’aide de vis. Son étanchéité était réalisée à l’aide de silicone appliqué sur les tranches de fixation des parois entre elles, ainsi qu’entre le socle du simulateur et le boîtier. Des joints permettant l’étanchéité étaient par ailleurs disposés au niveau de l’axe de rotation reliant la plate forme au système bielle-manivelle.

Des essais d’étanchéité ont par ailleurs été effectués avant le début des tests.