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L'incidence de la chirurgie arthroscopique a augmenté au cours des deux dernières décennies, et les systèmes de rasage arthroscopique sont devenus des instruments orthopédiques largement utilisés. Cependant, la plupart des rasoirs sont généralement insuffisamment affûtés, s'usent facilement, etc. Cet article vise à étudier les caractéristiques structurelles de la nouvelle lame à double denture du rasoir arthroscopique BJKMC (Bojin◊ Kinetic Medical). Il présente un aperçu de la conception du produit et du processus de validation. Le rasoir arthroscopique BJKMC est doté d'une conception tubulaire, composée d'un manchon extérieur en acier inoxydable et d'un tube intérieur creux rotatif. Les coques extérieure et intérieure comportent des orifices d'aspiration et de coupe, ainsi que des encoches. Afin de justifier sa conception, il a été comparé à un insert Dyonics◊ Incisor◊ Plus. L'aspect, la dureté de l'outil, la rugosité du tube métallique, l'épaisseur de la paroi, le profil et l'angle des dents, la structure globale, les dimensions critiques, etc., ont été vérifiés et comparés. Par conséquent, les produits BJKMC peuvent donner des résultats satisfaisants en chirurgie.
Une articulation du corps humain est une forme de connexion indirecte entre les os. Structure complexe et stable, elle joue un rôle essentiel dans notre vie quotidienne. Certaines pathologies modifient la répartition des charges au niveau de l'articulation, entraînant une limitation fonctionnelle et une perte de fonction¹. La chirurgie orthopédique traditionnelle peine à proposer des interventions mini-invasives précises, et la convalescence est longue. L'arthroscopie, intervention mini-invasive, ne nécessite qu'une petite incision, est moins traumatique et laisse moins de cicatrices, la récupération est plus rapide et les complications sont moins fréquentes. Grâce au développement des dispositifs médicaux, les techniques chirurgicales mini-invasives sont progressivement devenues courantes en orthopédie. Peu après la première arthroscopie du genou, elle a été officiellement adoptée comme technique chirurgicale par Kenji Takagi et Masaki Watanabe au Japon²,³. L'arthroscopie et les endoprothèses représentent deux des avancées les plus importantes en orthopédie⁴. Aujourd'hui, la chirurgie arthroscopique mini-invasive est utilisée pour traiter diverses affections et blessures, notamment l'arthrose, les lésions méniscales, les lésions des ligaments croisés antérieur et postérieur, la synovite, les fractures intra-articulaires, la subluxation rotulienne, les lésions cartilagineuses et les corps étrangers intra-articulaires.
L'incidence de la chirurgie arthroscopique a augmenté au cours des deux dernières décennies et les systèmes de fraisage arthroscopique sont devenus des instruments orthopédiques largement utilisés. Actuellement, les chirurgiens disposent d'un large éventail d'options, notamment la reconstruction du ligament croisé, la réparation du ménisque, la greffe ostéochondrale, l'arthroscopie de la hanche et l'arthroscopie des articulations facettaires, selon leurs préférences¹. L'extension des interventions chirurgicales arthroscopiques à un plus grand nombre d'articulations permet aux médecins d'examiner les articulations synoviales et de traiter chirurgicalement les patients de manières auparavant inimaginables. Parallèlement, d'autres outils ont été développés. Ils se composent généralement d'une unité de contrôle, d'une pièce à main équipée d'un moteur puissant et d'un instrument de coupe. L'instrument de dissection permet une aspiration et un débridement simultanés et continus⁶.
En raison de la complexité de la chirurgie arthroscopique, de nombreux instruments sont souvent nécessaires. Les principaux instruments chirurgicaux utilisés en chirurgie arthroscopique comprennent les arthroscopes, les ciseaux à sonde, les poinçons, les pinces, les couteaux arthroscopiques, les lames et rasoirs méniscaux, les instruments électrochirurgicaux, les lasers, les instruments à radiofréquence et d'autres instruments.
Le scalpel est un outil important en chirurgie. Son utilisation en arthroscopie repose sur deux principes principaux. Le premier consiste à éliminer les résidus de cartilage dégénéré, notamment les corps étrangers et les fragments de cartilage articulaire flottants, par aspiration et rinçage abondant de sérum physiologique afin d'éliminer les lésions intra-articulaires et les médiateurs inflammatoires. Le second consiste à retirer le cartilage articulaire séparé de l'os sous-chondral et à réparer la lésion cartilagineuse. Le ménisque déchiré est excisé et remplacé par un ménisque usé et fracturé. Le scalpel est également utilisé pour retirer tout ou partie du tissu synovial inflammatoire, comme l'hyperplasie et l'épaississement¹.
La plupart des scalpels mini-invasifs possèdent une section de coupe composée d'une canule externe creuse et d'un tube interne creux. Ils sont rarement dotés de 8 dents dentelées pour le tranchant. Différentes pointes de lame confèrent différents niveaux de puissance de coupe. Les lames de scalpel arthroscopiques conventionnelles se répartissent en trois catégories (Figure 1) : (a) tubes interne et externe lisses ; (b) tubes externe lisses et tubes interne dentelés ; (c) tubes interne et externe dentelés (pouvant être des lames de rasoir). 9. Leur tranchant pour les tissus mous est accru. La force de pointe moyenne et l'efficacité de coupe d'une scie de mêmes spécifications sont supérieures à celles d'une barre plate de 10 pouces.
Cependant, les rasoirs arthroscopiques actuellement disponibles présentent plusieurs problèmes. Premièrement, la lame n'est pas suffisamment affûtée et se bloque facilement lors de la coupe des tissus mous. Deuxièmement, un rasoir ne peut couper que le tissu synovial mou ; le chirurgien doit utiliser une fraise pour polir l'os. Par conséquent, les lames doivent être changées fréquemment pendant l'intervention, ce qui allonge la durée opératoire. Les lésions de coupe et l'usure de la lame sont également des problèmes courants. La précision d'usinage et le contrôle de l'exactitude constituent un véritable critère d'évaluation.
Le premier problème réside dans le manque de douceur de la lame, dû à un écart excessif entre les deux faces. Pour résoudre ce second problème, il serait possible d'augmenter l'angle de la lame et d'améliorer la résistance des matériaux utilisés.
Le nouveau rasoir arthroscopique BJKMC, doté d'une lame à double denture, résout les problèmes de tranchant émoussé, d'encrassement et d'usure rapide. Afin d'évaluer la praticité de ce nouveau modèle, il a été comparé au rasoir Incisor◊ Plus de Dyonics◊.
Le nouveau rasoir arthroscopique présente une conception à double tube, comprenant un manchon extérieur en acier inoxydable et un tube intérieur creux rotatif doté d'orifices d'aspiration et de coupe adaptés sur le manchon extérieur et le tube intérieur. Les manchons intérieur et extérieur sont crantés. Pendant l'utilisation, le système d'alimentation entraîne la rotation du tube intérieur, tandis que le tube extérieur, muni de dents, mord et réalise la coupe. L'incision tissulaire ainsi réalisée et les corps étrangers sont extraits de l'articulation par le tube intérieur creux. Afin d'améliorer les performances et l'efficacité de coupe, une structure de dents concaves a été choisie. Le soudage laser est utilisé pour les pièces composites. La structure d'une tête de rasage classique à double dent est illustrée sur la figure 2.
De manière générale, le diamètre extérieur de l'extrémité antérieure du rasoir arthroscopique est légèrement inférieur à celui de l'extrémité postérieure. Il ne faut pas forcer l'introduction du rasoir dans l'espace articulaire, car cela risque d'endommager la surface articulaire, tant au niveau de la pointe que du bord de la fenêtre de coupe. Par ailleurs, la largeur de la fenêtre de coupe doit être suffisante. Plus la fenêtre est large, plus la coupe et l'aspiration sont efficaces et régulières, et plus le risque d'obstruction est faible.
Analysez l'influence du profil des dents sur la force de coupe. Le modèle 3D du rasoir a été créé à l'aide du logiciel SolidWorks (SolidWorks 2016, SolidWorks Corp., Massachusetts, États-Unis). Les modèles de la coque externe, présentant différents profils de dents, ont été importés dans le programme d'éléments finis ANSYS Workbench 16.0 (ANSYS Inc., États-Unis) pour le maillage et l'analyse des contraintes. Les propriétés mécaniques (module d'élasticité et coefficient de Poisson) des matériaux sont indiquées dans le tableau 1. La densité du maillage utilisé pour les tissus mous était de 0,05 mm, et nous avons affiné 11 faces planes en contact avec ces tissus (Fig. 3a). Le modèle complet comporte 40 522 nœuds et 45 449 éléments. Dans les paramètres des conditions aux limites, les 6 degrés de liberté des 4 côtés des tissus mous sont entièrement contraints, et la lame du rasoir est pivotée de 20° autour de l'axe x (Fig. 3b).
L'analyse de trois modèles de rasoir (Fig. 4) a montré que le point de contrainte maximale se situe au niveau d'un changement structurel abrupt, ce qui est cohérent avec les propriétés mécaniques. Le rasoir étant un outil jetable⁴, le risque de rupture de la lame lors d'une utilisation unique est faible. Par conséquent, nous nous concentrons principalement sur son pouvoir de coupe. La contrainte équivalente maximale exercée sur les tissus mous peut refléter cette caractéristique. Dans des conditions d'utilisation identiques, lorsque la contrainte équivalente maximale est la plus élevée, on considère a priori que les propriétés de coupe sont optimales. Concernant la contrainte exercée sur les tissus mous, le rasoir à profil de denture à 60° a généré la contrainte de cisaillement maximale (39,213 MPa).
Répartition des contraintes du rasoir et des tissus mous lorsque des gaines de rasoir avec différents profils de dents coupent les tissus mous : (a) profil de dent de 50°, (b) profil de dent de 60°, (c) profil de dent de 70°.
Pour justifier la conception de la nouvelle lame BJKMC, celle-ci a été comparée à une lame Dyonics◊ Incisor◊ Plus équivalente (Fig. 5) aux performances identiques. Trois exemplaires identiques de chaque produit ont été utilisés pour chaque test. Tous les rasoirs utilisés étaient neufs et en parfait état.
Les performances d'un rasoir dépendent de plusieurs facteurs : la dureté et l'épaisseur de la lame, la rugosité du tube métallique, ainsi que le profil et l'angle de la dent. Pour mesurer les contours et les angles des dents, un projecteur de contours d'une résolution de 0,001 mm (Starrett série 400, fig. 6) a été utilisé. Lors des expériences, les têtes de rasage ont été placées sur un établi. Le profil et l'angle de la dent ont été mesurés par rapport au réticule sur l'écran de projection, et la différence entre les deux lignes a été déterminée à l'aide d'un micromètre. La taille réelle du profil de la dent a été obtenue en la divisant par le grossissement de l'objectif choisi. Pour mesurer un angle de dent, les points fixes de part et d'autre de l'angle mesuré ont été alignés avec l'intersection des sous-lignes sur l'écran hachuré, et les curseurs angulaires du tableau ont été utilisés pour effectuer les mesures.
En répétant cette expérience, les principales dimensions de la longueur de travail (tubes intérieur et extérieur), les diamètres extérieurs antérieur et postérieur, la longueur et la largeur de la fenêtre, et la hauteur de la dent ont été mesurées.
La rugosité de surface est mesurée à l'aide d'un rugosimètre. La pointe de l'outil est déplacée horizontalement au-dessus de l'échantillon, perpendiculairement à la direction du grain. La rugosité moyenne Ra est directement mesurée par l'instrument. La figure 7 présente un rugosimètre à pointe (Mitutoyo SJ-310).
La dureté des lames de rasoir est mesurée selon l'essai de dureté Vickers (norme ISO 6507-1:2005). Un pénétrateur en diamant est pressé sur la surface de l'échantillon pendant une durée déterminée, sous une force d'essai précise. La longueur de la diagonale de l'empreinte est ensuite mesurée après le retrait du pénétrateur. La dureté Vickers est proportionnelle au rapport de la force d'essai à la surface de l'empreinte.
L'épaisseur de la paroi de la tête de rasage est mesurée à l'aide d'une bille cylindrique, avec une précision de 0,01 mm et une plage de mesure d'environ 0 à 200 mm. L'épaisseur est définie comme la différence entre les diamètres extérieur et intérieur de l'outil. La procédure expérimentale de mesure de l'épaisseur est illustrée à la figure 8.
Les performances structurelles du rasoir BJKMC ont été comparées à celles d'un rasoir Dyonics◊ aux spécifications identiques. Les performances de chaque composant du produit ont été mesurées et comparées. À partir des données dimensionnelles, les capacités de coupe des deux produits sont prévisibles. Bien que les deux produits présentent d'excellentes propriétés structurelles, une analyse comparative de leur conductivité électrique sous tous ses aspects reste nécessaire.
D’après l’expérience sur les angles, les résultats sont présentés dans les tableaux 2 et 3. La moyenne et l’écart type des données d’angle de profil pour les deux produits n’étaient pas statistiquement différents.
La figure 9 compare certains paramètres clés des deux produits. Concernant la largeur et la longueur des tubes intérieur et extérieur, les ouvertures des tubes Dyonics◊ sont légèrement plus longues et plus larges que celles du BJKMC. De ce fait, le Dyonics◊ offre une plus grande marge de coupe et le risque d'obstruction des tubes est moindre. Pour le reste, les deux produits ne présentent aucune différence statistiquement significative.
Les pièces du rasoir BJKMC sont assemblées par soudage laser. Ainsi, la soudure ne subit aucune pression externe. La zone à souder n'est soumise ni à des contraintes thermiques ni à des déformations thermiques. La zone de soudure est étroite, la pénétration importante, ce qui confère à la soudure une grande résistance mécanique, une forte résistance aux vibrations et aux chocs. Les composants soudés au laser offrent une fiabilité d'assemblage élevée^14,15.
La rugosité de surface est une mesure de la texture d'une surface. Elle prend en compte les composantes haute fréquence et basse fréquence de la surface mesurée, qui déterminent l'interaction entre l'objet et son environnement. La gaine extérieure de la lame intérieure et la surface intérieure du tube intérieur constituent les principales surfaces de contact du rasoir. Réduire la rugosité de ces deux surfaces permet de diminuer l'usure du rasoir et d'améliorer ses performances.
La rugosité de surface de l'enveloppe extérieure, ainsi que des surfaces intérieure et extérieure de la lame intérieure des deux tubes métalliques, a été mesurée expérimentalement. Leurs valeurs moyennes sont présentées sur la figure 10. La surface intérieure de l'enveloppe extérieure et la surface extérieure de la lame intérieure constituent les principales surfaces de travail. La rugosité de la surface intérieure de l'étui et de la surface extérieure de la lame intérieure BJKMC est inférieure à celle des produits Dyonics◊ similaires (mêmes spécifications). Cela signifie que les produits BJKMC offrent des performances de coupe satisfaisantes.
D'après le test de dureté des lames, les données expérimentales de deux groupes de lames de rasoir sont présentées dans la figure 11. La plupart des rasoirs arthroscopiques sont fabriqués en acier inoxydable austénitique en raison de la résistance, de la ténacité et de la ductilité élevées requises pour les lames de rasoir. Cependant, les têtes de rasage BJKMC sont fabriquées en acier inoxydable martensitique 1RK91. Les aciers inoxydables martensitiques présentent une résistance et une ténacité supérieures aux aciers inoxydables austénitiques¹⁷. La composition chimique des produits BJKMC répond aux exigences de la norme S46910 (ASTM-F899 Instruments chirurgicaux) lors du processus de forgeage. Le matériau a été testé pour sa cytotoxicité et est largement utilisé dans les dispositifs médicaux.
Les résultats de l'analyse par éléments finis montrent que la concentration des contraintes dans le rasoir se situe principalement au niveau du profil des dents. L'IRK91 est un acier inoxydable supermartensitique à haute résistance, présentant une ténacité élevée et une bonne résistance à la traction à température ambiante et à haute température. Sa résistance à la traction à température ambiante peut dépasser 2 000 MPa, et la contrainte maximale, d'après l'analyse par éléments finis, est d'environ 130 MPa, ce qui est très inférieur à la limite de rupture du matériau. Nous estimons donc que le risque de rupture de la lame est très faible.
L'épaisseur de la lame influe directement sur la capacité de coupe du rasoir. Plus la paroi est fine, meilleures sont les performances de coupe. Le nouveau rasoir BJKMC minimise l'épaisseur des parois de ses deux barres rotatives opposées, et sa tête présente une paroi plus fine que celle des rasoirs Dyonics◊. Des lames plus fines permettent d'accroître la puissance de coupe de la pointe.
Les données du tableau 4 montrent que l'épaisseur de paroi du rasoir BJKMC mesurée par la méthode de mesure d'épaisseur de paroi par compression-rotation est inférieure à celle du rasoir Dyonics◊ de même spécification.
D'après des expériences comparatives, le nouveau rasoir arthroscopique BJKMC ne présente aucune différence de conception notable par rapport au modèle Dyonics◊ similaire. Comparé aux inserts Dyonics◊ Incisor◊ Plus, les inserts à double dent BJKMC offrent une surface de travail plus lisse ainsi qu'une pointe plus dure et plus fine. Par conséquent, les produits BJKMC sont performants en chirurgie. Cette étude a été conçue de manière prospective et ses performances spécifiques devront être évaluées lors d'expériences ultérieures.
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Cette étude n'a bénéficié d'aucun financement spécifique de la part d'organismes de financement des secteurs public, commercial ou à but non lucratif.
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