Tests expérimentaux : les équipements

1.1. La machine de chocs

La machine de chocs est un équipement unique conçu (Quiri Hydromécanique) spécifiquement pour reproduire les chocs qui ont lieu entre la tête fémorale et la cupule lors du contact talon-sol en condition de décoaptation. Sur le banc d’essai de la machine, le couple prothétique est positionné de façon à autoriser deux types de mouvements, Figure 2.1 :

 Translation horizontale de la cupule (suivant x) : le porte-cupule est fixé sur un palier glissant hydraulique susceptible de translater librement le long de l’axe horizontal (une rotation du palier autour de cet axe est également possible au moyen d’un second vérin mais elle n’est pas étudiée dans cette thèse).

 Translation verticale de la tête (suivant z) : le porte-cône (support de la tête) est relié à un vérin hydraulique vertical (dit vérin force) qui contrôle la force d’impact lors du choc.

Les positions anatomiques sont respectées puisque la cupule est positionnée au-dessus de la tête et que ces deux éléments sont inclinés à 45° par rapport à l’axe horizontal. Au cours des essais précédents (Hausselle, 2007; Uribe, 2012), le maintien de la cupule dans le porte- cupule était assuré par une interface en ciment chirurgical à base de PMMA, tel qu’il est éventuellement utilisé en application. Un maintien mécanique est à présent réalisé : la fixation d’une rondelle d’appui permet de solidariser le porte-cupule et le métal-back, dans lequel la cupule est enchâssée. Cet assemblage permet de garantir une désolidarisation rapide et une meilleure répétabilité par rapport à la technique de cimentation ; en effet l’épaisseur (et son homogénéité) du ciment est délicate à contrôler alors qu’elle joue un rôle dans l’amortissement des chocs et dans le positionnement de chaque composant. La tête fémorale est encastrée sur un cône fileté (un cône est conçu pour chaque tête) dont la base est mécaniquement fixée sur le porte-cône.

Au cours des tests, la lubrification est assurée par une solution de sérum bovin dilué (BioWest®) et périodiquement remplacée (puis soigneusement conservée). La solution est contenue dans une gaine de silicone assurant l’étanchéité autour du couple prothétique. La souplesse de la gaine permet de travailler avec un faible volume de solution (< 300 mL) et de

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respecter au mieux le confinement des débris d’usure dans la zone de contact ; in vivo ces débris participent potentiellement à la dégradation des surfaces en contact.

Figure 2.1: La machine de chocs et le positionnement du couple prothétique.

Les caractéristiques des cycles de chocs (amplitude de déplacement, fréquence et durée des chocs, forme du signal, nombre d’itérations, etc.) sont entièrement paramétrables grâce au codage d’un signal pilotant l’action du vérin. L’ajustement de ces caractéristiques est l’un des avantages majeurs de cette machine dans l’objectif de réaliser la plus proche adéquation entre les conditions de tests et celles in vivo. Pour reproduire la décoaptation et les chocs qui en découlent, la commande est donnée à partir d’une consigne en déplacement (Hausselle, 2007). Pour atteindre la position de décoaptation, la tête est translatée verticalement vers le bas ; en réponse, la cupule est poussée horizontalement vers la direction opposée au contact (Figure 2.2a). Une relation entre l’amplitude de décoaptation (distance de séparation suivant l’axe orienté à 45°) et la valeur imposée du déplacement de la tête a été établie et prend aussi en compte le déplacement horizontal de la cupule (Hausselle, 2007). La phase de choc est ensuite initiée par la translation de la tête vers le haut (Figure 2.2b), dont la rapidité est assurée par l’asservissement hydraulique du vérin. Les deux éléments s’entrechoquent alors au niveau du bord supérieur de la cupule. Le choc est de courte durée (environ 30 ms) et la valeur imposée du déplacement de la tête contrôle la force d’impact. Le palier hydraulique (support du porte-cupule) se comporte comme un oscillateur amorti (Uribe et al., 2012) et retrouve sa position naturelle (Figure 2.2c) avant que la position de décoaptation soit de nouveau imposée à la tête.

Les conditions expérimentales propres à chaque test sont données dans les chapitres 3 et 4. La force d’impact appliquée varie entre 6 et 9 kN et l’amplitude de décoaptation a été fixée à 1,3 mm.

1. Tests expérimentaux : les équipements Chapitre 2 : Techniques et procédures expérimentales

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Figure 2.2: Mouvements relatifs des composants du couple prothétique lors d’un cycle de

choc en condition de décoaptation (Hausselle, 2007).

1.2. Le simulateur de marche

Le simulateur de marche employé (858 Mini Bionix II test system, MTS) permet la réalisation du test d’usure standard appliqué au couple prothétique d’une PTH, tel qu’il est décrit par la norme ISO 14242-1 (ISO standard 14242-1, 2012). Celle-ci spécifie la cinématique des mouvements et le type de force à imposer afin de simuler un cycle de marche, ainsi que la configuration des échantillons et leur environnement. Les mouvements angulaires sont appliqués à la cupule alors que la tête reste immobile. Ces mouvements s’articulent autour de trois axes afin de reproduire les mouvements naturels d’abduction/adduction, flexion/extension et rotations médiale/latérale décrits au chapitre 1. Leur amplitude (degré angulaire) est ainsi spécifiée pour la marche : abduction, +7° ; adduction, -4° ; flexion, +25° ; extension, -18° ; rotation médiale (ou interne), +2° ; rotation latérale (ou externe), -10°. La force appliquée selon l’axe normal (dit axe du chargement) est caractérisée par un double maximum à 3 kN, Figure 2.3.

Le couple prothétique est testé en position anatomique et la lubrification est assurée par une solution de sérum bovin dilué contenue dans une gaine de silicone (Figure 2.4). Le montage des éléments est réalisé grâce à un maintien mécanique (pas de cimentation). L’asservissement est assuré par un groupe hydraulique.

1.3. L’autoclave

Un autoclave a été mis à disposition (Micro 8, 4001745, autoclave MED8, JP Selecta S.A.) afin de réaliser les tests de vieillissement accéléré. Cet équipement permet d’atteindre les conditions de température (134°C) et de pression de vapeur d’eau (2 bars) préconisées par les normes ISO 13356 et 6474-2 (ISO standard 6474-2, 2012; ISO standard 13356, 2008). Les éléments du couple prothétique sont positionnés dans un panier métallique en suspension au-dessus de la source d’eau (Figure 2.5), de façon à ce qu’ils ne soient pas submergés durant le test et qu’ils soient ainsi exclusivement soumis à la vapeur d’eau. Avant la montée en température, un processus de purge est réalisé manuellement afin d’extraire l’air contenu à l’intérieur de la chambre et ainsi d’obtenir une atmosphère saturée en vapeur d’eau.

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Figure 2.3: Mouvements angulaires de la cupule et force appliquée sur le couple prothétique

lors d’un cycle de marche en condition standard (ISO standard 14242-1, 2012).