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La incidencia de la cirugía artroscópica ha aumentado en las últimas dos décadas, y los sistemas de afeitado artroscópico se han convertido en un instrumento ortopédico ampliamente utilizado. Sin embargo, la mayoría de las cuchillas generalmente no son lo suficientemente afiladas, son fáciles de desgastar, etc. El propósito de este artículo es investigar las características estructurales de la nueva cuchilla doblemente dentada del afeitado artroscópico BJKMC (Bojin◊ Kinetic Medical). Proporciona una descripción general del diseño del producto y el proceso de validación. El afeitado artroscópico BJKMC presenta un diseño de tubo dentro de tubo, que consiste en una funda exterior de acero inoxidable y un tubo interior hueco giratorio. La carcasa exterior y la carcasa interior tienen puertos de succión y corte correspondientes, y hay muescas en las carcasas interior y exterior. Para justificar el diseño, se comparó con un inserto Dyonics◊ Incisor◊ Plus. Se verificaron y compararon la apariencia, la dureza de la herramienta, la rugosidad del tubo de metal, el espesor 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 de BJKMC pueden funcionar satisfactoriamente en cirugía.
Una articulación en el cuerpo humano es una forma de conexión indirecta entre huesos. Son estructuras complejas y estables que desempeñan un papel importante en nuestra vida diaria. Algunas enfermedades alteran la distribución de la carga en la articulación, lo que resulta en limitación funcional y pérdida de función¹. La cirugía ortopédica tradicional es difícil de tratar con precisión mediante técnicas mínimamente invasivas, y el período de recuperación posterior al tratamiento es prolongado. La cirugía artroscópica es un procedimiento mínimamente invasivo que requiere solo una pequeña incisión, causa menos traumatismos y cicatrices, 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 Japón^2,3. La artroscopia y las endoprótesis son dos de los avances más importantes en ortopedia⁴. En la actualidad, la cirugía artroscópica mínimamente invasiva se utiliza para tratar diversas afecciones y lesiones, como la osteoartritis, las lesiones de menisco, las lesiones de los ligamentos cruzados anterior y posterior, la sinovitis, las fracturas intraarticulares, la subluxación rotuliana y las lesiones del cartílago y de cuerpos libres.
La incidencia de la cirugía artroscópica ha aumentado en las últimas dos décadas, y los sistemas de resección artroscópica se han convertido en un instrumento ortopédico de uso generalizado. Actualmente, los cirujanos disponen de diversas opciones, como la reconstrucción del ligamento cruzado, la reparación del menisco, el injerto osteocondral, la artroscopia de cadera y la artroscopia de las articulaciones facetarias, según sus preferencias¹. A medida que los procedimientos quirúrgicos artroscópicos se extienden a más articulaciones, los médicos pueden examinar las articulaciones sinoviales y tratar quirúrgicamente a los pacientes de maneras antes inimaginables. Paralelamente, se han desarrollado otros instrumentos. Estos 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 aspiración 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, bisturíes artroscópicos, cuchillas y navajas de menisco, instrumentos electroquirúrgicos, láseres, instrumentos de radiofrecuencia y otros instrumentos 7.
La cuchilla es una herramienta importante en cirugía. Existen dos principios principales en la cirugía artroscópica. El primero consiste en eliminar los restos de cartílago degenerado, incluyendo cuerpos libres y cartílago articular flotante, mediante la aspiración y el lavado de la articulación con abundante solución salina para eliminar lesiones intraarticulares y mediadores inflamatorios. El segundo consiste en eliminar el cartílago articular separado del hueso subcondral y reparar el defecto cartilaginoso desgastado. El menisco desgarrado se extirpa y se forma un menisco desgastado y roto. Las cuchillas también se utilizan para eliminar parte o la totalidad del tejido sinovial inflamatorio, como la hiperplasia y el engrosamiento.
La mayoría de los bisturíes mínimamente invasivos tienen una sección de corte con una cánula exterior hueca y un tubo interior hueco. Rara vez tienen 8 dientes serrados para un filo de corte. Diferentes puntas de hoja proporcionan diferentes niveles de poder de corte a la navaja. Los dientes de la navaja artroscópica convencional se dividen en tres categorías (Figura 1): (a) tubos interior y exterior lisos; (b) tubos exteriores lisos y tubos interiores serrados; (c) tubos interiores y exteriores serrados (que pueden ser una hoja de afeitar). 9. Su filo hacia los tejidos blandos aumenta. 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, las fresas artroscópicas disponibles actualmente presentan varios problemas. En primer lugar, la cuchilla no es lo suficientemente afilada y se atasca fácilmente al cortar tejido blando. En segundo lugar, una fresa solo puede cortar tejido sinovial blando; el médico debe usar una fresa para pulir el hueso. Por lo tanto, es necesario cambiar las cuchillas con frecuencia durante la cirugía, lo que aumenta el tiempo quirúrgico. Los daños por corte y el desgaste de la fresa también son problemas comunes. El mecanizado de precisión y el control de exactitud constituyen un único índice de evaluación.
El primer problema es que la cuchilla no afeita lo suficiente debido al excesivo espacio entre la hoja interior y la exterior. La solución al segundo problema podría ser aumentar el ángulo de la cuchilla y la resistencia del material de fabricación.
La nueva navaja artroscópica BJKMC con hoja de doble filo dentado soluciona los problemas de filos desafilados, obstrucción frecuente y desgaste prematuro de la herramienta. Para comprobar la practicidad del nuevo diseño de la navaja BJKMC, se comparó con su equivalente de Dyonics◊, la Incisor◊ Plus Blade.
La nueva cuchilla artroscópica presenta un diseño de tubo dentro de otro tubo, que incluye una funda exterior de acero inoxidable y un tubo interior hueco giratorio con puertos de succión y corte coincidentes en ambas fundas. Las carcasas interior y exterior están ranuradas. Durante el funcionamiento, el sistema de potencia hace girar el tubo interior, y el tubo exterior muerde con dientes, interactuando con el corte. La incisión tisular completa y los cuerpos libres se extraen de la articulación a través del tubo interior hueco. Para mejorar el rendimiento y la eficiencia del corte, se optó por una estructura dentada cóncava. Se utiliza soldadura láser para las piezas compuestas. La estructura de un cabezal de afeitado convencional de doble diente se muestra en la Figura 2.
En general, el diámetro exterior del extremo anterior del bisturí artroscópico es ligeramente menor que el del extremo posterior. No se debe forzar la cuchilla en el espacio articular, ya que tanto la punta como el borde de la ventana de corte se desgastan y dañan la superficie articular. Además, la ventana del bisturí debe tener un ancho suficiente. Cuanto más ancha sea la ventana, más uniforme será el corte y la succión, y mejor se evitará la obstrucción.
Discuta el efecto del perfil del diente en la fuerza de corte. El modelo 3D de la navaja se creó utilizando el software SolidWorks (SolidWorks 2016, SolidWorks Corp., Massachusetts, EE. UU.). Los modelos de la capa exterior con diferentes perfiles de diente se importaron al programa de elementos finitos (ANSYS Workbench 16.0, ANSYS Inc., EE. UU.) para el mallado y el análisis de tensiones. Las propiedades mecánicas (módulo de elasticidad y coeficiente 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 las condiciones de contorno, restringimos completamente los 6 grados de libertad dados a los 4 lados de los tejidos blandos y la hoja de la navaja se rota 20° alrededor del eje x (Fig. 3b).
Un análisis de tres modelos de maquinilla de afeitar (Fig. 4) mostró que el punto de máxima tensión se produce en un cambio estructural abrupto, lo cual es consistente con las propiedades mecánicas. La maquinilla es una herramienta desechable⁴ y existe poco riesgo de rotura de la cuchilla durante un solo uso. Por lo tanto, nos centramos principalmente en su capacidad de corte. La tensión equivalente máxima que actúa sobre el tejido blando puede reflejar esta característica. Bajo las mismas condiciones de funcionamiento, cuando la tensión equivalente máxima es mayor, se considera preliminarmente que sus propiedades de corte son las mejores. En términos de tensión en el tejido blando, la maquinilla con perfil de diente de 60° produjo la tensión de corte máxima en el tejido blando (39,213 MPa).
Distribución de la tensión en la cuchilla y los tejidos blandos cuando las fundas de las cuchillas con diferentes perfiles de dientes cortan los tejidos blandos: (a) perfil de diente de 50°, (b) perfil de diente de 60°, (c) perfil de diente de 70°.
Para justificar el diseño de la nueva cuchilla BJKMC, se comparó con una cuchilla Dyonics◊ Incisor◊ Plus equivalente (Fig. 5) que ofrece el mismo rendimiento. En todos los experimentos se utilizaron tres unidades idénticas de cada producto. Todas las maquinillas de afeitar utilizadas eran nuevas y estaban en perfecto estado.
Los factores que afectan el rendimiento de la maquinilla de afeitar incluyen la dureza y el grosor de la hoja, la rugosidad del tubo metálico y el perfil y 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 y el ángulo del diente con respecto a las líneas cruzadas 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 un ángulo de diente, alinee los puntos fijos a cada lado del ángulo medido con la intersección de la sublínea en la pantalla rayada y use los cursores de ángulo en la tabla para tomar lecturas.
Al repetir este experimento, se midieron las dimensiones principales de la longitud de trabajo (tubos interior y exterior), los diámetros exteriores anterior y posterior, la longitud y el ancho de la ventana y la altura del diente.
Compruebe la rugosidad superficial con un punzón. La punta de la herramienta se mueve horizontalmente sobre la muestra, perpendicular a la dirección del grano procesado. La rugosidad media Ra se obtiene directamente del instrumento. La figura 7 muestra un instrumento con aguja (Mitutoyo SJ-310).
La dureza de las hojas de afeitar se mide según la norma ISO 6507-1:20055. Se presiona un indentador de diamante sobre la superficie de la muestra durante un tiempo determinado, aplicando una fuerza de ensayo específica. Tras retirar el indentador, se mide la longitud diagonal de la indentación. La dureza Vickers es proporcional a la relación entre la fuerza de ensayo y la superficie de la indentación.
El espesor de la pared del cabezal de afeitado se mide insertando una cabeza esférica cilíndrica con una precisión de 0,01 mm y un rango de medición de aproximadamente 0 a 200 mm. El espesor de la 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 figura 8.
Se comparó el rendimiento estructural de la maquinilla de afeitar BJKMC con el de una maquinilla Dyonics◊ de las mismas especificaciones. Se midieron y compararon los datos de rendimiento de cada componente del producto. A partir de los datos dimensionales, se puede predecir la capacidad de corte de ambos productos. Ambos productos presentan excelentes propiedades estructurales, aunque aún se requiere un análisis comparativo de la conductividad eléctrica desde todos los ángulos.
Según el experimento de ángulo, los resultados se muestran en la Tabla 2 y la Tabla 3. La media y la desviación estándar de los datos del ángulo de perfil para los dos productos no fueron estadísticamente diferentes.
En la Figura 9 se muestra una comparación de algunos parámetros clave de ambos productos. En cuanto al ancho y la longitud de los tubos internos y externos, las ventanas de los tubos internos y externos de Dyonics◊ son ligeramente más largas y anchas que las de BJKMC. Esto significa que Dyonics◊ ofrece más espacio para el corte y reduce la probabilidad de obstrucción del tubo. En otros aspectos, no se observaron diferencias estadísticamente significativas entre ambos productos.
Las piezas de la maquinilla de afeitar BJKMC se unen mediante soldadura láser. Por lo tanto, no hay presión externa sobre la soldadura. La pieza a soldar no está sujeta a tensión ni deformación térmica. La zona de soldadura es estrecha, la penetración es amplia, la resistencia mecánica de la pieza es alta, presenta una fuerte resistencia a la vibración y a los impactos. Los componentes soldados por láser son altamente fiables en el montaje.^14,15
La rugosidad superficial es una medida de la textura de una superficie. Se consideran los componentes de alta frecuencia y de 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. Reducir la rugosidad de estas dos superficies puede disminuir eficazmente el desgaste de la maquinilla y mejorar su rendimiento.
La rugosidad superficial de la carcasa exterior, así como de las superficies interior y exterior de la hoja interior de dos tubos metálicos, se obtuvo experimentalmente. Sus valores promedio se muestran en la Figura 10. La superficie interior de la funda exterior y la superficie exterior de la hoja interior son las principales superficies de trabajo. La rugosidad de la superficie interior de la funda y de la superficie exterior de la hoja interior BJKMC es menor que la de productos Dyonics◊ similares (de las mismas especificaciones). Esto significa que los productos BJKMC pueden ofrecer resultados satisfactorios en cuanto a rendimiento de corte.
Según 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 cuchillas 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 probado para citotoxicidad y se usa ampliamente en dispositivos médicos.
Como se puede observar en los resultados del análisis de elementos finitos, la concentración de tensiones en la cuchilla se localiza principalmente en el perfil del diente. El IRK91 es un acero inoxidable supermartensítico de alta resistencia, con gran tenacidad y buena resistencia a la tracción tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas. 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, muy por debajo del límite de fractura del material. Por lo tanto, consideramos que el riesgo de fractura de la cuchilla es mínimo.
El grosor de la hoja influye directamente en la capacidad de corte de la maquinilla. Cuanto menor sea el grosor de la pared, mejor será el rendimiento de corte. La nueva maquinilla BJKMC minimiza el grosor de las paredes de sus dos barras giratorias opuestas, y el cabezal tiene una pared más delgada que sus homólogas de Dyonics◊. Las cuchillas más delgadas aumentan la potencia de corte de la punta.
Los datos de la Tabla 4 muestran que el espesor de la pared de la maquinilla de afeitar BJKMC, medido mediante el método de medición de espesor de pared por compresión-rotación, es menor que el de la maquinilla de afeitar Dyonics◊ de las mismas especificaciones.
Según experimentos comparativos, la nueva cuchilla artroscópica BJKMC no mostró diferencias de diseño evidentes con respecto al modelo similar de Dyonics◊. En comparación con los insertos Dyonics◊ Incisor◊ Plus, los insertos de doble diente de BJKMC presentan una superficie de trabajo más lisa y una punta más dura y delgada. Por lo tanto, los productos BJKMC pueden funcionar satisfactoriamente en cirugía. Este estudio se diseñó de forma prospectiva y su rendimiento específico deberá evaluarse en experimentos posteriores.
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Este estudio no recibió financiación específica de ninguna agencia de financiación de los sectores público, comercial o sin ánimo de lucro.
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