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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 un instrument orthopédique largement utilisé.Cependant, la plupart des rasoirs ne sont généralement pas assez tranchants, faciles à porter, etc.Le but de cet article est d'étudier les caractéristiques structurelles de la nouvelle lame à double dent de scie du rasoir arthroscopique BJKMC (Bojin◊ Kinetic Medical).Fournit une vue d'ensemble du processus de conception et de validation du produit.Le rasoir arthroscopique BJKMC présente une conception tube dans tube, composée d'un manchon extérieur en acier inoxydable et d'un tube intérieur creux rotatif.La coque extérieure et la coque intérieure ont des orifices d'aspiration et de coupe correspondants, et il y a des encoches sur les coques intérieure et extérieure.Pour justifier la conception, il a été comparé à un insert Dyonics◊ Incisor◊ Plus.L'apparence, la dureté de l'outil, la rugosité du tube métallique, l'épaisseur de la paroi de l'outil, le profil de la dent, l'angle, la structure globale, les dimensions critiques, etc. ont été vérifiés et comparés.surface de travail et une pointe plus dure et plus fine.Par conséquent, les produits BJKMC peuvent fonctionner de manière satisfaisante en chirurgie.
Une articulation dans le corps humain est une forme de connexion indirecte entre les os.Ils constituent une structure complexe et stable qui joue un rôle important dans notre vie quotidienne.Certaines maladies modifient la répartition de la charge dans l'articulation, entraînant une limitation fonctionnelle et une perte de fonction1.La chirurgie orthopédique traditionnelle est difficile à traiter avec précision de manière peu invasive et la période de récupération après le traitement est longue.La chirurgie arthroscopique est une procédure peu invasive qui ne nécessite qu'une petite incision, provoque moins de traumatismes et de cicatrices, a un temps de récupération plus rapide et moins de complications.Avec le développement des dispositifs médicaux, les techniques chirurgicales mini-invasives sont progressivement devenues une procédure de routine pour le diagnostic et le traitement orthopédique.Peu de temps après la première chirurgie arthroscopique du genou, elle a été officiellement adoptée comme technique chirurgicale par Kenji Takagi et Masaki Watanabe au Japon2,3.L'arthroscopie et l'endoprothèse sont deux des avancées les plus importantes en orthopédie4.Aujourd'hui, la chirurgie arthroscopique mini-invasive est utilisée pour traiter une variété d'affections et de blessures, notamment l'arthrose, les lésions méniscales, les lésions des ligaments croisés antérieurs et postérieurs, la synovite, les fractures intra-articulaires, la subluxation rotulienne, le cartilage et les lésions du corps libre.
L'incidence de la chirurgie arthroscopique a augmenté au cours des deux dernières décennies, et les systèmes de rasage arthroscopique sont devenus un instrument orthopédique largement utilisé.Actuellement, les chirurgiens disposent de diverses options, notamment la reconstruction du ligament croisé, la réparation du ménisque, la greffe ostéochondrale, l'arthroscopie de la hanche et l'arthroscopie des facettes articulaires, selon la préférence du chirurgien1.Au fur et à mesure que les procédures chirurgicales arthroscopiques s'étendent à davantage d'articulations, les médecins peuvent examiner les articulations synoviales et traiter chirurgicalement les patients de manières auparavant inimaginables.Parallèlement, d'autres outils ont été développés.Ils se composent généralement d'une unité de commande, d'une pièce à main avec un moteur puissant et d'un outil de coupe.L'instrument de dissection permet une aspiration et un débridement simultanés et continus6.
En raison de la complexité de la chirurgie arthroscopique, plusieurs instruments sont souvent nécessaires.Les principaux instruments chirurgicaux utilisés en chirurgie arthroscopique comprennent les arthroscopes, les ciseaux à sonde, les poinçons, les forceps, les couteaux arthroscopiques, les lames et rasoirs à ménisque, les instruments électrochirurgicaux, les lasers, les instruments à radiofréquence et autres instruments 7.
Le rasoir est un outil important en chirurgie.Il existe deux grands principes de pinces de chirurgie arthroscopique.La première consiste à éliminer les restes de cartilage dégénéré, y compris les corps lâches et le cartilage articulaire flottant, en aspirant et en rinçant l'articulation avec une solution saline abondante pour éliminer les lésions intra-articulaires et les médiateurs inflammatoires.L'autre consiste à retirer le cartilage articulaire séparé de l'os sous-chondral et à réparer le défaut de cartilage usé.Le ménisque déchiré est excisé et un ménisque usé et cassé est formé.Les rasoirs sont également utilisés pour éliminer une partie ou la totalité du tissu synovial inflammatoire, comme l'hyperplasie et l'épaississement1.
La plupart des scalpels peu invasifs ont une section de coupe avec une canule externe creuse et un tube interne creux.Ils ont rarement 8 dents dentelées pour un tranchant.Différentes pointes de lame fournissent différents niveaux de puissance de coupe au rasoir.Les dents de rasoir arthroscopiques conventionnelles se répartissent en trois catégories (Figure 1) : (a) tubes intérieur et extérieur lisses ;(b) tubes extérieurs lisses et tubes intérieurs dentelés;(c) tubes intérieur et extérieur dentelés (qui peuvent être une lame de rasoir).9. Leur acuité pour les tissus mous augmente.La force maximale moyenne et l'efficacité de coupe d'une scie de même spécification sont meilleures qu'une barre plate de 10.
Cependant, il existe un certain nombre de problèmes avec les rasoirs arthroscopiques actuellement disponibles.Premièrement, la lame n'est pas assez tranchante et il est facile de la bloquer lors de la coupe de tissus mous.Deuxièmement, un rasoir ne peut couper que le tissu synovial mou - le médecin doit utiliser une fraise pour polir l'os.Par conséquent, les lames doivent être changées fréquemment pendant le fonctionnement, ce qui augmente le temps de fonctionnement.Les coupures et l'usure du rasoir sont également des problèmes courants.L'usinage de précision et le contrôle de la précision formaient en réalité un seul indice d'évaluation.
Le premier problème est que la lame de rasoir n'est pas assez lisse en raison de l'écart excessif entre les lames intérieure et extérieure.La solution au deuxième problème peut être d'augmenter l'angle de la lame de rasoir et d'augmenter la résistance du matériau de construction.
Le nouveau rasoir arthroscopique BJKMC à double lame dentelée peut résoudre les problèmes d'arêtes de coupe émoussées, de colmatage facile et d'usure rapide de l'outil.Pour tester l'aspect pratique du nouveau design de rasoir BJKMC, il a été comparé à l'homologue de Dyonics◊, l'Incisor◊ Plus Blade.
Le nouveau rasoir arthroscopique présente une conception tube dans le tube, comprenant un manchon extérieur en acier inoxydable et un tube intérieur creux rotatif avec des orifices d'aspiration et de coupe correspondants sur le manchon extérieur et le tube intérieur.Les enveloppes intérieure et extérieure sont crantées.Pendant le fonctionnement, le système d'alimentation fait tourner le tube interne et le tube externe mord avec les dents, interagissant avec la coupe.L'incision tissulaire terminée et les corps lâches sont retirés de l'articulation à travers un tube interne creux.Pour améliorer les performances et l'efficacité de coupe, une structure de dent concave a été choisie.Le soudage laser est utilisé pour les pièces composites.La structure d'une tête de rasage à double dent conventionnelle est illustrée à la figure 2.
Dans la conception générale, le diamètre extérieur de l'extrémité antérieure du rasoir arthroscopique est légèrement plus petit que l'extrémité postérieure.Le rasoir ne doit pas être forcé dans l'espace articulaire, car la pointe et le bord de la fenêtre de coupe sont lavés et endommagent la surface articulaire.De plus, la largeur de la fenêtre du rasoir doit être suffisamment grande.Plus la fenêtre est large, plus le rasoir coupe et aspire de manière organisée, et mieux il empêche le colmatage de la fenêtre.
Discuter de l'effet 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, USA).Les modèles de coque externe avec différents profils de dents ont été importés dans le programme d'éléments finis (ANSYS Workbench 16.0, ANSYS Inc., USA) pour le maillage et l'analyse des contraintes.Les propriétés mécaniques (module d'élasticité et coefficient de Poisson) des matériaux sont données dans le tableau.1. La densité de maillage utilisée pour les tissus mous était de 0,05 mm et nous avons affiné 11 faces planes en contact avec les tissus mous (Fig. 3a).Le modèle entier a 40 522 nœuds et 45 449 mailles.Dans les paramètres de conditions aux limites, nous contraignons entièrement les 6 degrés de liberté donnés aux 4 côtés des tissus mous et la lame de rasoir est tournée de 20 ° autour de l'axe x (Fig. 3b).
Une analyse de trois modèles de rasoir (Fig. 4) a montré que le point de contrainte maximale se produit lors d'un changement structurel brusque, ce qui est cohérent avec les propriétés mécaniques.Le rasoir est un outil jetable4 et il y a peu de risque de bris de lame lors d'une utilisation unique.Par conséquent, nous nous concentrons principalement sur sa capacité de coupe.La contrainte équivalente maximale agissant sur les tissus mous peut refléter cette caractéristique.Dans les mêmes conditions opératoires, lorsque la contrainte équivalente maximale est la plus grande, on considère au préalable que ses propriétés de coupe sont les meilleures.En termes de contrainte des tissus mous, le rasoir à profil de dent de 60° a produit la contrainte de cisaillement maximale des tissus mous (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 équivalente Dyonics◊ Incisor◊ Plus (Fig. 5) ayant les mêmes performances.Trois types identiques de chaque produit ont été utilisés dans toutes les expériences.Tous les rasoirs d'occasion sont neufs et en bon état.
Les facteurs qui affectent les performances du rasoir comprennent 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 contour avec une résolution de 0,001 mm a été choisi (Starrett série 400, Fig. 6).Lors d'expériences, des têtes de rasage ont été placées sur un établi.Mesurez le profil de la dent et l'angle par rapport au réticule sur l'écran de projection et utilisez un micromètre comme différence entre les deux lignes pour déterminer la mesure.La taille réelle du profil de la dent est obtenue en la divisant par le grossissement de l'objectif choisi.Pour mesurer un angle de dent, alignez les points fixes de chaque côté de l'angle mesuré avec l'intersection de la sous-ligne sur l'écran hachuré et utilisez les curseurs d'angle dans le tableau pour prendre des mesures.
En répétant cette expérience, les principales dimensions de la longueur de travail (tubes interne et externe), les diamètres externes antérieur et postérieur, la longueur et la largeur de la fenêtre et la hauteur des dents ont été mesurés.
Vérifiez la rugosité de la surface avec un pointeur.La pointe de l'outil est déplacée horizontalement au-dessus de l'échantillon, perpendiculairement à la direction du grain traité.La rugosité moyenne Ra est obtenue directement de l'instrument.Sur la fig.7 montre un instrument avec une aiguille (Mitutoyo SJ-310).
La dureté des lames de rasoir est mesurée selon le test de dureté Vickers ISO 6507-1:20055.Le pénétrateur en diamant est pressé contre la surface de l'échantillon pendant une période de temps donnée sous une certaine force d'essai.Ensuite, la longueur diagonale de l'indentation a été mesurée après le retrait de l'indenteur.La dureté Vickers est proportionnelle au rapport de la force d'essai à la surface de l'empreinte.
L'épaisseur de paroi de la tête de rasage est mesurée en insérant une tête sphérique cylindrique avec une précision de 0,01 mm et une plage de mesure d'environ 0-200 mm.L'épaisseur de paroi 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 Fig. 8.
La performance structurelle du rasoir BJKMC a été comparée à celle d'un rasoir Dyonics◊ de la même spécification.Les données de performance de chaque partie du produit sont mesurées et comparées.Sur la base des données dimensionnelles, les capacités de coupe des deux produits sont prévisibles.Les deux produits ont d'excellentes propriétés structurelles, une analyse comparative de la conductivité électrique de tous les côtés est toujours nécessaire.
Selon l'expérience d'angle, les résultats sont présentés dans le tableau 2 et le tableau 3. La moyenne et l'écart type des données d'angle de profil pour les deux produits n'étaient pas statistiquement différents.
Une comparaison de certains paramètres clés des deux produits est illustrée à la figure 9. En termes de largeur et de longueur des tubes intérieur et extérieur, les fenêtres des tubes intérieur et extérieur de Dyonics◊ sont légèrement plus longues et plus larges que celles de BJKMC.Cela signifie que le Dyonics◊ peut avoir plus d'espace pour couper et que le tube est moins susceptible de se boucher.Les deux produits ne différaient pas statistiquement à d'autres égards.
Les pièces du rasoir BJKMC sont reliées par soudage au laser.Par conséquent, il n'y a pas de pression externe sur la soudure.La pièce à souder n'est pas soumise à des contraintes thermiques ou à des déformations thermiques.La pièce à souder est étroite, la pénétration est grande, la résistance mécanique de la pièce à souder est élevée, la vibration est forte, la résistance aux chocs est élevée.Les composants soudés au laser sont très fiables lors de l'assemblage14,15.
La rugosité de surface est une mesure de la texture d'une surface.Les composantes haute fréquence et ondes courtes de la surface mesurée, qui déterminent l'interaction entre l'objet et son environnement, sont considérées.Le manchon extérieur du couteau intérieur et la surface intérieure du tube intérieur sont les principales surfaces de travail du rasoir.La réduction de la rugosité des deux surfaces peut réduire efficacement l'usure du rasoir et améliorer ses performances.
La rugosité de surface de l'enveloppe externe, ainsi que les surfaces interne et externe de l'aube interne de deux tubes métalliques, ont été obtenues expérimentalement.Leurs valeurs moyennes sont indiquées sur la figure 10. La surface intérieure de la gaine extérieure et la surface extérieure du couteau intérieur sont les principales surfaces de travail.La rugosité de la surface intérieure du fourreau et de la surface extérieure du couteau intérieur BJKMC est inférieure à celle des produits Dyonics◊ similaires (même spécification).Cela signifie que les produits BJKMC peuvent avoir des résultats satisfaisants en termes de performances de coupe.
Selon le test de dureté de la lame, les données expérimentales de deux groupes de lames de rasoir sont présentées à la figure 11. La plupart des rasoirs arthroscopiques sont 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 ont une résistance et une ténacité supérieures à celles des aciers inoxydables austénitiques17.Les éléments chimiques des produits BJKMC répondent aux exigences de la norme S46910 (ASTM-F899 Surgical Instruments) pendant le processus de forgeage.Le matériau a été testé pour sa cytotoxicité et est largement utilisé dans les dispositifs médicaux.
Il ressort des résultats de l'analyse par éléments finis que la concentration de contraintes du rasoir est principalement concentrée sur le profil de la dent.IRK91 est un acier inoxydable supermartensitique à haute résistance avec une ténacité élevée et une bonne résistance à la traction à la fois à température ambiante et à température élevée.La résistance à la traction à température ambiante peut atteindre plus de 2000 MPa et la valeur de contrainte maximale selon l'analyse par éléments finis est d'environ 130 MPa, ce qui est loin de la limite de rupture du matériau.Nous pensons que le risque de fracture de la lame est très faible.
L'épaisseur de la lame affecte directement la capacité de coupe du rasoir.Plus l'épaisseur de paroi est fine, meilleures sont les performances de coupe.Le nouveau rasoir BJKMC minimise l'épaisseur de paroi de deux barres rotatives opposées, et la tête a une paroi plus fine que ses homologues de Dyonics◊.Des couteaux plus fins peuvent augmenter 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 de l'épaisseur de paroi par compression-rotation est inférieure à celle du rasoir Dyonics◊ de la même spécification.
Selon des expériences comparatives, le nouveau rasoir arthroscopique BJKMC n'a montré aucune différence de conception évidente par rapport au modèle Dyonics◊ similaire.Par rapport aux inserts Dyonics◊ Incisor◊ Plus en termes de propriétés matérielles, les inserts à double dent BJKMC ont une surface de travail plus lisse et une pointe plus dure et plus fine.Par conséquent, les produits BJKMC peuvent fonctionner de manière satisfaisante en chirurgie.Cette étude a été conçue de manière prospective et des performances spécifiques doivent être testées dans des expériences ultérieures.
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Cette étude n'a reçu aucun financement spécifique d'organismes de financement des secteurs public, commercial ou à but non lucratif.
School of Medical Devices and Food Engineering, Shanghai University of Technology, No. 516, Yungong Road, Shanghai, République populaire de Chine, 2000 93