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La incidencia de la cirugía artroscópica ha aumentado en las últimas dos décadas, y los sistemas de shaver artroscópicos se han convertido en un instrumento ortopédico ampliamente utilizado.Sin embargo, la mayoría de las maquinillas de afeitar generalmente no son lo suficientemente afiladas, fáciles de usar, etc.El propósito de este artículo es investigar las características estructurales de la nueva cuchilla dentada doble de la navaja artroscópica BJKMC (Bojin◊ Kinetic Medical).Proporciona una descripción general del diseño del producto y el proceso de validación.La maquinilla de afeitar artroscópica BJKMC presenta un diseño de tubo en tubo, que consta de una funda exterior de acero inoxidable y un tubo interior hueco giratorio.La cubierta exterior y la cubierta interior tienen puertos de succión y corte correspondientes, y hay muescas en las cubiertas interior y exterior.Para justificar el diseño, se comparó con un inserto Dyonics◊ Incisor◊ Plus.Se comprobaron y compararon la apariencia, la dureza de la herramienta, la rugosidad del tubo metálico, el grosor de la pared de la herramienta, el perfil del diente, el ángulo, la estructura general, las dimensiones críticas, etc.superficie de trabajo y una punta más dura y delgada.Por lo tanto, los productos BJKMC pueden funcionar satisfactoriamente en cirugía.
Una articulación en el cuerpo humano es una forma de conexión indirecta entre los huesos.Son una estructura compleja y estable que juega un papel importante en nuestra vida diaria.Algunas enfermedades alteran la distribución de carga en la articulación, lo que resulta en limitación funcional y pérdida de función1.La cirugía ortopédica tradicional es difícil de tratar con precisión de forma mínimamente invasiva, y el período de recuperación después del tratamiento es largo.La cirugía artroscópica es un procedimiento mínimamente invasivo que requiere solo una pequeña incisión, causa menos trauma y cicatrización, tiene un tiempo de recuperación más rápido y menos complicaciones.Con el desarrollo de dispositivos médicos, las técnicas quirúrgicas mínimamente invasivas se han convertido gradualmente en un procedimiento de rutina para el diagnóstico y tratamiento ortopédico.Poco después de la primera cirugía artroscópica de rodilla, fue adoptada oficialmente como técnica quirúrgica por Kenji Takagi y Masaki Watanabe en Japón2,3.La artroscopia y la endoprótesis son dos de los avances más importantes en ortopedia4.Hoy en día, la cirugía artroscópica mínimamente invasiva se usa para tratar una variedad de afecciones y lesiones, que incluyen osteoartritis, lesiones meniscales, lesiones del ligamento cruzado anterior y posterior, sinovitis, fracturas intraarticulares, subluxación rotuliana, cartílago y lesiones corporales sueltas.
La incidencia de la cirugía artroscópica ha aumentado en las últimas dos décadas, y los sistemas de shaver artroscópicos se han convertido en un instrumento ortopédico ampliamente utilizado.Actualmente, los cirujanos tienen una variedad de opciones disponibles para los cirujanos, que incluyen la reconstrucción del ligamento cruzado, la reparación de meniscos, el injerto osteocondral, la artroscopia de cadera y la artroscopia de articulación facetaria, según la preferencia del cirujano1.A medida que los procedimientos quirúrgicos artroscópicos se expanden a más articulaciones, los médicos pueden examinar las articulaciones sinoviales y tratar quirúrgicamente a los pacientes de maneras que antes eran inimaginables.Al mismo tiempo, se desarrollaron otras herramientas.Suelen constar de una unidad de control, una pieza de mano con un potente motor y una herramienta de corte.El instrumento de disección permite la succión y el desbridamiento simultáneos y continuos6.
Debido a la complejidad de la cirugía artroscópica, a menudo se requieren múltiples instrumentos.Los principales instrumentos quirúrgicos utilizados en la cirugía artroscópica incluyen artroscopios, tijeras de sonda, punzones, fórceps, cuchillos artroscópicos, hojas de menisco y navajas, instrumentos electroquirúrgicos, láseres, instrumentos de radiofrecuencia y otros instrumentos 7.
La navaja es una herramienta importante en cirugía.Hay dos principios fundamentales de los alicates de cirugía artroscópica.El primero consiste en eliminar los restos de cartílago degenerado, incluidos los cuerpos sueltos y el cartílago articular flotante, aspirando y enjuagando la articulación con abundante solución salina para eliminar las lesiones intraarticulares y los mediadores inflamatorios.La otra es remover el cartílago articular separado del hueso subcondral y reparar el defecto del cartílago desgastado.El menisco desgarrado se extirpa y se forma un menisco desgastado y roto.Las navajas también se utilizan para eliminar parte o la totalidad del tejido sinovial inflamatorio, como la hiperplasia y el engrosamiento1.
La mayoría de los bisturís mínimamente invasivos tienen una sección de corte con una cánula exterior hueca y un tubo interior hueco.Rara vez tienen 8 dientes aserrados para un borde cortante.Las diferentes puntas de las hojas proporcionan diferentes niveles de potencia de corte a la maquinilla de afeitar.Los dientes de afeitar artroscópicos convencionales se dividen en tres categorías (Figura 1): (a) tubos interiores y exteriores lisos;(b) tubos exteriores lisos y tubos interiores dentados;(c) tubos interiores y exteriores dentados (que pueden ser una hoja de afeitar).9. Aumenta su nitidez a los tejidos blandos.La fuerza máxima promedio y la eficiencia de corte de una sierra de la misma especificación es mejor que una barra plana de 10.
Sin embargo, hay una serie de problemas con las rasuradoras artroscópicas actualmente disponibles.Primero, la cuchilla no está lo suficientemente afilada y es fácil de bloquear al cortar tejido blando.En segundo lugar, una navaja de afeitar solo puede cortar el tejido sinovial blando; el médico debe usar una fresa para pulir el hueso.Por lo tanto, las cuchillas deben cambiarse con frecuencia durante el funcionamiento, lo que aumenta el tiempo de funcionamiento.Los daños por cortes y el desgaste de la maquinilla de afeitar también son problemas comunes.El mecanizado de precisión y el control de precisión realmente formaron un único índice de evaluación.
El primer problema es que la hoja de afeitar no es lo suficientemente suave debido al espacio excesivo entre las hojas interior y exterior.La solución al segundo problema puede ser aumentar el ángulo de la hoja de afeitar y aumentar la resistencia del material de construcción.
La nueva maquinilla de afeitar artroscópica BJKMC con hoja dentada doble puede resolver los problemas de filos de corte romos, obstrucción fácil y desgaste rápido de la herramienta.Para probar la practicidad del nuevo diseño de rasuradora BJKMC, se comparó con la contraparte de Dyonics◊, la Incisor◊ Plus Blade.
La nueva maquinilla de afeitar artroscópica presenta un diseño de tubo en tubo, que incluye una funda exterior de acero inoxidable y un tubo interior hueco giratorio con puertos de succión y corte a juego en la funda exterior y el tubo interior.Las carcasas interior y exterior tienen muescas.Durante el funcionamiento, el sistema de potencia hace que el tubo interior gire y el tubo exterior muerda con los dientes, interactuando con el corte.La incisión de tejido completada y los cuerpos sueltos se extraen de la articulación a través de un tubo interior hueco.Para mejorar el rendimiento y la eficiencia del corte, se eligió una estructura de dientes cóncavos.La soldadura láser se utiliza para piezas compuestas.La estructura de un cabezal de afeitado de doble diente convencional se muestra en la Figura 2.
En el diseño general, el diámetro exterior del extremo anterior de la rasuradora artroscópica es ligeramente más pequeño que el extremo posterior.No se debe forzar la navaja en el espacio articular, porque tanto la punta como el borde de la ventana de corte se desgastan y dañan la superficie articular.Además, el ancho de la ventana de la afeitadora debe ser lo suficientemente grande.Cuanto más ancha sea la ventana, más organizada cortará y succionará la afeitadora, y mejor evitará que se obstruya la ventana.
Discuta el efecto del perfil del diente en la fuerza de corte.El modelo 3D de la maquinilla de afeitar se creó con el software SolidWorks (SolidWorks 2016, SolidWorks Corp., Massachusetts, EE. UU.).Los modelos de capa exterior con diferentes perfiles de dientes se importaron al programa de elementos finitos (ANSYS Workbench 16.0, ANSYS Inc., EE. UU.) para el análisis de tensión y mallado.Las propiedades mecánicas (módulo de elasticidad y relación de Poisson) de los materiales se dan en la Tabla.1. La densidad de malla utilizada para los tejidos blandos fue de 0,05 mm y refinamos 11 caras planas en contacto con los tejidos blandos (Fig. 3a).El modelo completo tiene 40.522 nodos y 45.449 mallas.En la configuración de condiciones límite, restringimos por completo los 6 grados de libertad otorgados a los 4 lados de los tejidos blandos y la hoja de afeitar se gira 20 ° alrededor del eje x (Fig. 3b).
Un análisis de tres modelos de maquinilla de afeitar (Fig. 4) mostró que el punto de tensión máxima ocurre en un cambio estructural abrupto, lo cual es consistente con las propiedades mecánicas.La maquinilla de afeitar es una herramienta desechable4 y hay poco riesgo de rotura de la hoja durante un solo uso.Por lo tanto, nos centramos principalmente en su capacidad de corte.La máxima tensión equivalente que actúa sobre los tejidos blandos puede reflejar esta característica.Bajo las mismas condiciones de operación, cuando el esfuerzo equivalente máximo es mayor, se considera preliminarmente que sus propiedades de corte son las mejores.En términos de tensión en los tejidos blandos, la maquinilla de afeitar con perfil de dientes de 60° produjo la máxima tensión de cizallamiento en los tejidos blandos (39,213 MPa).
Distribución de la tensión de la afeitadora y de los tejidos blandos cuando las fundas de las afeitadoras con diferentes perfiles de dientes cortan tejidos blandos: (a) perfil de dientes de 50°, (b) perfil de dientes de 60°, (c) perfil de dientes de 70°.
Para justificar el diseño de la nueva hoja BJKMC, se comparó con una hoja Dyonics◊ Incisor◊ Plus equivalente (Fig. 5) que tiene el mismo rendimiento.En todos los experimentos se utilizaron tres tipos idénticos de cada producto.Todas las maquinillas de afeitar usadas son nuevas y no están dañadas.
Los factores que afectan el rendimiento de la maquinilla de afeitar incluyen la dureza y el grosor de la hoja, la aspereza del tubo de metal y el perfil y el ángulo del diente.Para medir los contornos y ángulos de los dientes se eligió un proyector de contornos con una resolución de 0,001 mm (Starrett serie 400, Fig. 6).En los experimentos, los cabezales de afeitado se colocaron en un banco de trabajo.Mida el perfil del diente y el ángulo relativo a la cruz en la pantalla de proyección y use un micrómetro como la diferencia entre las dos líneas para determinar la medida.El tamaño real del perfil del diente se obtiene dividiéndolo por el aumento del objetivo elegido.Para medir el ángulo de un diente, alinee los puntos fijos a cada lado del ángulo medido con la intersección de la sublínea en la pantalla sombreada y use los cursores de ángulo en la tabla para tomar lecturas.
Repitiendo este experimento, se midieron las dimensiones principales de la longitud de trabajo (tubos interior y exterior), los diámetros exterior anterior y posterior, la longitud y anchura de la ventana y la altura del diente.
Compruebe la rugosidad de la superficie con un puntero.La punta de la herramienta se mueve horizontalmente sobre la muestra, perpendicular a la dirección del grano procesado.La rugosidad promedio Ra se obtiene directamente del instrumento.En la fig.7 muestra un instrumento con aguja (Mitutoyo SJ-310).
La dureza de las hojas de afeitar se mide según la prueba de dureza Vickers ISO 6507-1:20055.El indentador de diamante se presiona en la superficie de la muestra durante un período de tiempo determinado bajo una determinada fuerza de prueba.Luego se midió la longitud diagonal de la indentación después de retirar el indentador.La dureza Vickers es proporcional a la relación entre la fuerza de prueba y el área superficial de la impresión.
El grosor de la pared del cabezal de afeitado se mide insertando un cabezal esférico cilíndrico con una precisión de 0,01 mm y un rango de medición de aproximadamente 0-200 mm.El espesor de pared se define como la diferencia entre los diámetros exterior e interior de la herramienta.El procedimiento experimental para medir el espesor se muestra en la Fig. 8.
El rendimiento estructural de la maquinilla de afeitar BJKMC se comparó con el de una maquinilla de afeitar Dyonics◊ de la misma especificación.Los datos de rendimiento de cada parte del producto se miden y comparan.Según los datos dimensionales, las capacidades de corte de ambos productos son predecibles.Ambos productos tienen excelentes propiedades estructurales, aún se requiere un análisis comparativo de la conductividad eléctrica desde todos los lados.
De acuerdo con el experimento del ángulo, los resultados se muestran en la Tabla 2 y la Tabla 3. La media y la desviación estándar de los datos del ángulo del perfil para los dos productos no fueron estadísticamente diferentes.
En la Figura 9 se muestra una comparación de algunos parámetros clave de los dos productos. En términos de ancho y largo de los tubos interior y exterior, las ventanas de los tubos interior y exterior de Dyonics◊ son ligeramente más largas y anchas que las de BJKMC.Esto significa que Dyonics◊ puede tener más espacio para cortar y es menos probable que la tubería se obstruya.Los dos productos no diferían estadísticamente en otros aspectos.
Las partes de la maquinilla de afeitar BJKMC están conectadas mediante soldadura láser.Por lo tanto, no hay presión externa sobre la soldadura.La pieza a soldar no está sujeta a esfuerzos térmicos ni a deformaciones térmicas.La parte de soldadura es estrecha, la penetración es grande, la resistencia mecánica de la parte de soldadura es alta, la vibración es fuerte, la resistencia al impacto es alta.Los componentes soldados con láser son altamente confiables en el ensamblaje14,15.
La rugosidad superficial es una medida de la textura de una superficie.Se consideran los componentes de alta frecuencia y onda corta de la superficie medida, que determinan la interacción entre el objeto y su entorno.La funda exterior de la cuchilla interior y la superficie interior del tubo interior son las principales superficies de trabajo de la maquinilla de afeitar.La reducción de la rugosidad de las dos superficies puede reducir efectivamente el desgaste de la maquinilla de afeitar y mejorar su rendimiento.
La rugosidad de la superficie de la cubierta exterior, así como las superficies interior y exterior de la hoja interior de dos tubos de metal, se obtuvo experimentalmente.Sus valores promedio se muestran en la Figura 10. La superficie interna de la funda externa y la superficie externa de la cuchilla interna son las principales superficies de trabajo.La rugosidad de la superficie interior de la vaina y la superficie exterior de la cuchilla interior BJKMC es inferior a la de productos Dyonics◊ similares (mismas especificaciones).Esto significa que los productos BJKMC pueden tener resultados satisfactorios en términos de rendimiento de corte.
De acuerdo con la prueba de dureza de la hoja, los datos experimentales de dos grupos de hojas de afeitar se muestran en la Figura 11. La mayoría de las hojas de afeitar artroscópicas están hechas de acero inoxidable austenítico debido a la alta resistencia, tenacidad y ductilidad requeridas para las hojas de afeitar.Sin embargo, los cabezales de afeitado BJKMC están hechos de acero inoxidable martensítico 1RK91.Los aceros inoxidables martensíticos tienen mayor resistencia y tenacidad que los aceros inoxidables austeníticos17.Los elementos químicos en los productos BJKMC cumplen con los requisitos de S46910 (ASTM-F899 Instrumentos quirúrgicos) durante el proceso de forjado.El material ha sido sometido a pruebas de citotoxicidad y se usa ampliamente en dispositivos médicos.
Se puede ver a partir de los resultados del análisis de elementos finitos que la concentración de tensión de la maquinilla de afeitar se concentra principalmente en el perfil del diente.IRK91 es un acero inoxidable supermartensítico de alta resistencia con alta tenacidad y buena resistencia a la tracción tanto a temperatura ambiente como a temperatura elevada.La resistencia a la tracción a temperatura ambiente puede alcanzar más de 2000 MPa, y el valor máximo de tensión según el análisis de elementos finitos es de aproximadamente 130 MPa, que está lejos del límite de fractura del material.Creemos que el riesgo de fractura de pala es muy pequeño.
El grosor de la hoja afecta directamente la capacidad de corte de la maquinilla de afeitar.Cuanto más delgado sea el espesor de la pared, mejor será el rendimiento de corte.La nueva maquinilla de afeitar BJKMC minimiza el grosor de la pared de dos barras giratorias opuestas, y el cabezal tiene una pared más delgada que sus contrapartes de Dyonics◊.Los cuchillos más delgados pueden aumentar el poder de corte de la punta.
Los datos de la Tabla 4 muestran que el grosor de la pared de la maquinilla de afeitar BJKMC medido por el método de medición del grosor de la pared por compresión-rotación es más pequeño que el de la maquinilla de afeitar Dyonics◊ de la misma especificación.
Según los experimentos comparativos, la nueva maquinilla de afeitar artroscópica BJKMC no mostró diferencias de diseño evidentes con respecto al modelo Dyonics◊ similar.En comparación con los insertos Dyonics◊ Incisor◊ Plus en términos de propiedades del material, los insertos de dientes dobles BJKMC tienen una superficie de trabajo más suave y una punta más dura y delgada.Por lo tanto, los productos BJKMC pueden funcionar satisfactoriamente en cirugía.Este estudio fue diseñado prospectivamente y el rendimiento específico debe probarse en experimentos posteriores.
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Este estudio no recibió financiamiento específico de ninguna agencia de financiamiento en los sectores público, comercial o sin fines de lucro.
Escuela de Dispositivos Médicos e Ingeniería de Alimentos, Universidad Tecnológica de Shanghái, No. 516, Yungong Road, Shanghái, República Popular de China, 2000 93