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A incidência de cirurgias artroscópicas aumentou nas últimas duas décadas, e os sistemas de lâminas artroscópicas tornaram-se instrumentos ortopédicos amplamente utilizados. No entanto, a maioria das lâminas geralmente não é suficientemente afiada, desgasta-se facilmente, entre outros problemas. O objetivo deste artigo é investigar as características estruturais da nova lâmina dupla serrilhada da lâmina artroscópica BJKMC (Bojin◊ Kinetic Medical). Apresenta uma visão geral do processo de design e validação do produto. A lâmina artroscópica BJKMC possui um design tubo-em-tubo, composto por uma capa externa de aço inoxidável e um tubo interno oco rotativo. As capas externa e interna possuem orifícios de sucção e corte correspondentes, e há entalhes em ambas. Para justificar o design, foi feita uma comparação com um inserto Dyonics◊ Incisor◊ Plus. Aparência, dureza da ferramenta, rugosidade do tubo metálico, espessura da parede da ferramenta, perfil do dente, ângulo, estrutura geral, dimensões críticas, etc., foram verificados e comparados. A lâmina apresenta uma superfície de trabalho mais rígida e uma ponta mais fina. Portanto, os produtos da BJKMC podem funcionar satisfatoriamente em cirurgias.
Uma articulação no corpo humano é uma forma de conexão indireta entre os ossos. Trata-se de uma estrutura complexa e estável que desempenha um papel importante em nosso dia a dia. Algumas doenças alteram a distribuição da carga na articulação, resultando em limitação funcional e perda de função¹. A cirurgia ortopédica tradicional apresenta dificuldades para realizar procedimentos minimamente invasivos com precisão, e o período de recuperação após o tratamento é longo. A cirurgia artroscópica é um procedimento minimamente invasivo que requer apenas uma pequena incisão, causa menos trauma e cicatrizes, tem um tempo de recuperação mais rápido e menos complicações. Com o desenvolvimento de dispositivos médicos, as técnicas cirúrgicas minimamente invasivas tornaram-se gradualmente um procedimento de rotina para o diagnóstico e tratamento ortopédico. Pouco depois da primeira cirurgia artroscópica do joelho, ela foi oficialmente adotada como técnica cirúrgica por Kenji Takagi e Masaki Watanabe no Japão²,³. A artroscopia e as endopróteses são dois dos avanços mais importantes na ortopedia⁴. Atualmente, a cirurgia artroscópica minimamente invasiva é utilizada para tratar uma variedade de condições e lesões, incluindo osteoartrite, lesões meniscais, lesões dos ligamentos cruzados anterior e posterior, sinovite, fraturas intra-articulares, subluxação patelar, lesões de cartilagem e corpos livres.
A incidência de cirurgia artroscópica aumentou nas últimas duas décadas, e os sistemas de shaver artroscópico tornaram-se instrumentos ortopédicos amplamente utilizados. Atualmente, os cirurgiões dispõem de diversas opções, incluindo reconstrução do ligamento cruzado, reparo do menisco, enxerto osteocondral, artroscopia do quadril e artroscopia das facetas articulares, dependendo da preferência do cirurgião¹. À medida que os procedimentos cirúrgicos artroscópicos se expandem para mais articulações, os médicos podem examinar as articulações sinoviais e tratar cirurgicamente os pacientes de maneiras antes inimagináveis. Paralelamente, outras ferramentas foram desenvolvidas. Elas geralmente consistem em uma unidade de controle, uma peça de mão com um motor potente e uma ferramenta de corte. O instrumento de dissecção permite a aspiração e o desbridamento simultâneos e contínuos⁶.
Devido à complexidade da cirurgia artroscópica, muitas vezes são necessários múltiplos instrumentos. Os principais instrumentos cirúrgicos utilizados na cirurgia artroscópica incluem artroscópios, tesouras de sonda, punções, fórceps, bisturis artroscópicos, lâminas e navalhas para menisco, instrumentos eletrocirúrgicos, lasers, instrumentos de radiofrequência e outros instrumentos.
A lâmina de barbear é uma ferramenta importante em cirurgia. Existem dois princípios principais para o uso de alicates em cirurgia artroscópica. O primeiro é remover remanescentes de cartilagem degenerada, incluindo corpos livres e cartilagem articular flutuante, por meio de aspiração e irrigação da articulação com abundante solução salina para remover lesões intra-articulares e mediadores inflamatórios. O segundo princípio é remover a cartilagem articular separada do osso subcondral e reparar o defeito da cartilagem desgastada. O menisco rompido é excisado e um menisco desgastado e rompido é formado. As lâminas de barbear também são usadas para remover parte ou todo o tecido sinovial inflamatório, como hiperplasia e espessamento.
A maioria dos bisturis minimamente invasivos possui uma seção de corte com uma cânula externa oca e um tubo interno oco. Raramente apresentam 8 dentes serrilhados como lâmina de corte. Diferentes pontas de lâmina proporcionam diferentes níveis de poder de corte à lâmina. Os dentes das lâminas artroscópicas convencionais se enquadram em três categorias (Figura 1): (a) tubos internos e externos lisos; (b) tubos externos lisos e tubos internos serrilhados; (c) tubos internos e externos serrilhados (que podem ser lâminas de barbear). 9. Sua capacidade de corte em tecidos moles aumenta. A força máxima média e a eficiência de corte de uma serra com as mesmas especificações são melhores do que as de uma barra plana de 10 mm.
No entanto, existem diversos problemas com os raspadores artroscópicos atualmente disponíveis. Primeiro, a lâmina não é suficientemente afiada e entope facilmente ao cortar tecidos moles. Segundo, uma lâmina de barbear só consegue cortar o tecido sinovial mole — o médico precisa usar uma broca para polir o osso. Portanto, as lâminas precisam ser trocadas frequentemente durante a cirurgia, o que aumenta o tempo cirúrgico. Danos por corte e desgaste da lâmina também são problemas comuns. Usinagem de precisão e controle de exatidão realmente formam um único índice de avaliação.
O primeiro problema é que a lâmina de barbear não é suficientemente lisa devido ao espaço excessivo entre as lâminas interna e externa. A solução para o segundo problema pode ser aumentar o ângulo da lâmina e reforçar o material de sua construção.
A nova lâmina artroscópica BJKMC com dupla serrilha resolve os problemas de lâminas cegas, entupimento fácil e desgaste rápido da ferramenta. Para testar a praticidade do novo design da lâmina BJKMC, ela foi comparada com a lâmina Incisor Plus da Dyonics◊.
A nova lâmina artroscópica apresenta um design de tubo duplo, incluindo uma manga externa de aço inoxidável e um tubo interno oco rotativo com portas de sucção e corte correspondentes na manga externa e no tubo interno. As capas interna e externa possuem entalhes. Durante a operação, o sistema de energia faz com que o tubo interno gire e o tubo externo, com seus dentes, interaja com o corte. A incisão tecidual completa e os corpos livres são removidos da articulação através do tubo interno oco. Para melhorar o desempenho e a eficiência do corte, foi escolhida uma estrutura de dentes côncava. A soldagem a laser é utilizada para as peças compostas. A estrutura de uma cabeça de corte convencional com dentes duplos é mostrada na Figura 2.
Em geral, o diâmetro externo da extremidade anterior do shaver artroscópico é ligeiramente menor que o da extremidade posterior. A lâmina não deve ser forçada para dentro do espaço articular, pois tanto a ponta quanto a borda da janela de corte podem ser danificadas, causando lesões na superfície articular. Além disso, a largura da janela do shaver deve ser suficientemente grande. Quanto maior a janela, mais preciso será o corte e a aspiração do shaver, e menor será a probabilidade de obstrução da janela.
Discuta o efeito do perfil do dente na força de corte. O modelo 3D da lâmina de barbear foi criado utilizando o software SolidWorks (SolidWorks 2016, SolidWorks Corp., Massachusetts, EUA). Os modelos da casca externa com diferentes perfis de dente foram importados para o programa de elementos finitos (ANSYS Workbench 16.0, ANSYS Inc., EUA) para geração da malha e análise de tensões. As propriedades mecânicas (módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson) dos materiais são apresentadas na Tabela 1. A densidade da malha utilizada para os tecidos moles foi de 0,05 mm, e refinamos 11 faces planas em contato com os tecidos moles (Fig. 3a). O modelo completo possui 40.522 nós e 45.449 elementos de malha. Nas configurações de condição de contorno, restringimos totalmente os 6 graus de liberdade concedidos aos 4 lados dos tecidos moles e a lâmina de barbear foi rotacionada 20° em torno do eixo x (Fig. 3b).
Uma análise de três modelos de lâminas de barbear (Fig. 4) mostrou que o ponto de tensão máxima ocorre em uma mudança estrutural abrupta, o que é consistente com as propriedades mecânicas. A lâmina de barbear é uma ferramenta descartável⁴ e há pouco risco de quebra da lâmina durante o uso único. Portanto, focamos principalmente em sua capacidade de corte. A tensão equivalente máxima atuando no tecido mole pode refletir essa característica. Sob as mesmas condições de operação, quando a tensão equivalente máxima é a maior, considera-se preliminarmente que suas propriedades de corte são as melhores. Em termos de tensão no tecido mole, a lâmina com perfil de dente de 60° produziu a maior tensão de cisalhamento no tecido mole (39,213 MPa).
Distribuição da tensão no barbeador e nos tecidos moles quando lâminas de barbear com diferentes perfis de dentes cortam tecidos moles: (a) perfil de dente de 50°, (b) perfil de dente de 60°, (c) perfil de dente de 70°.
Para justificar o design da nova lâmina BJKMC, ela foi comparada com uma lâmina Dyonics◊ Incisor◊ Plus equivalente (Fig. 5) que possui o mesmo desempenho. Três unidades idênticas de cada produto foram utilizadas em todos os experimentos. Todas as lâminas utilizadas eram novas e sem danos.
Os fatores que afetam o desempenho da lâmina de barbear incluem a dureza e a espessura da lâmina, a rugosidade do tubo metálico e o perfil e ângulo do dente. Para medir os contornos e ângulos dos dentes, foi escolhido um projetor de contornos com resolução de 0,001 mm (Starrett série 400, Fig. 6). Nos experimentos, as cabeças de barbear foram colocadas em uma bancada. Meça o perfil e o ângulo do dente em relação à linha cruzada na tela de projeção e use um micrômetro para determinar a diferença entre as duas linhas. O tamanho real do perfil do dente é obtido dividindo-o pela ampliação da objetiva escolhida. Para medir o ângulo de um dente, alinhe os pontos fixos em ambos os lados do ângulo medido com a interseção da sublinha na tela hachurada e use os cursores de ângulo na tabela para fazer as leituras.
Ao repetir este experimento, foram medidas as principais dimensões do comprimento de trabalho (tubos interno e externo), diâmetros externos anterior e posterior, comprimento e largura da janela e altura do dente.
Verifique a rugosidade da superfície com um medidor de rugosidade superficial. A ponta da ferramenta é movida horizontalmente sobre a amostra, perpendicularmente à direção do grão processado. A rugosidade média Ra é obtida diretamente pelo instrumento. A figura 7 mostra um instrumento com uma agulha (Mitutoyo SJ-310).
A dureza das lâminas de barbear é medida de acordo com o teste de dureza Vickers ISO 6507-1:20055. O penetrador de diamante é pressionado contra a superfície da amostra por um determinado período de tempo sob uma força de teste específica. Em seguida, o comprimento diagonal da indentação é medido após a remoção do penetrador. A dureza Vickers é proporcional à razão entre a força de teste e a área da superfície da impressão.
A espessura da parede da cabeça de corte é medida inserindo-se uma cabeça esférica cilíndrica com precisão de 0,01 mm e faixa de medição de aproximadamente 0 a 200 mm. A espessura da parede é definida como a diferença entre os diâmetros externo e interno da ferramenta. O procedimento experimental para medir a espessura é mostrado na Figura 8.
O desempenho estrutural da lâmina de barbear BJKMC foi comparado ao de uma lâmina Dyonics◊ com as mesmas especificações. Os dados de desempenho de cada parte do produto foram medidos e comparados. Com base nos dados dimensionais, as capacidades de corte de ambos os produtos são previsíveis. Ambos os produtos apresentam excelentes propriedades estruturais; no entanto, ainda é necessária uma análise comparativa da condutividade elétrica em todos os aspectos.
De acordo com o experimento de ângulo, os resultados são mostrados na Tabela 2 e na Tabela 3. A média e o desvio padrão dos dados do ângulo de perfil para os dois produtos não apresentaram diferença estatística.
A comparação de alguns parâmetros-chave dos dois produtos é mostrada na Figura 9. Em termos de largura e comprimento dos tubos interno e externo, as janelas dos tubos interno e externo do Dyonics◊ são ligeiramente mais longas e largas do que as do BJKMC. Isso significa que o Dyonics◊ tem mais espaço para corte e a tubulação tem menor probabilidade de entupir. Os dois produtos não apresentaram diferenças estatísticas em outros aspectos.
As peças da lâmina de barbear BJKMC são conectadas por soldagem a laser. Portanto, não há pressão externa na solda. A peça a ser soldada não está sujeita a tensão térmica ou deformação térmica. A área soldada é estreita, a penetração é grande, a resistência mecânica da peça soldada é alta, a vibração é forte e a resistência ao impacto é alta. Os componentes soldados a laser são altamente confiáveis ​​na montagem14,15.
A rugosidade da superfície é uma medida da textura de uma superfície. Consideram-se as componentes de alta frequência e de ondas curtas da superfície medida, que determinam a interação entre o objeto e o seu ambiente. A parte externa da lâmina interna e a superfície interna do tubo interno são as principais superfícies de trabalho da navalha. Reduzir a rugosidade dessas duas superfícies pode diminuir efetivamente o desgaste da navalha e melhorar o seu desempenho.
A rugosidade superficial da camada externa, bem como das superfícies interna e externa da lâmina interna de dois tubos metálicos, foi obtida experimentalmente. Seus valores médios são mostrados na Figura 10. A superfície interna da bainha externa e a superfície externa da lâmina interna são as principais superfícies de trabalho. A rugosidade da superfície interna da bainha e da superfície externa da lâmina interna da BJKMC é menor do que a de produtos similares da Dyonics◊ (mesma especificação). Isso significa que os produtos da BJKMC podem apresentar resultados satisfatórios em termos de desempenho de corte.
De acordo com o teste de dureza da lâmina, os dados experimentais de dois grupos de lâminas de barbear são mostrados na Figura 11. A maioria das lâminas de barbear artroscópicas é feita de aço inoxidável austenítico devido à alta resistência, tenacidade e ductilidade exigidas para lâminas de barbear. No entanto, as cabeças de barbear da BJKMC são feitas de aço inoxidável martensítico 1RK91. Os aços inoxidáveis ​​martensíticos têm maior resistência e tenacidade do que os aços inoxidáveis ​​austeníticos¹⁷. Os elementos químicos nos produtos da BJKMC atendem aos requisitos da norma S46910 (ASTM-F899 Instrumentos Cirúrgicos) durante o processo de forjamento. O material foi testado quanto à citotoxicidade e é amplamente utilizado em dispositivos médicos.
Os resultados da análise de elementos finitos mostram que a concentração de tensão na lâmina de barbear se concentra principalmente no perfil do dente. O IRK91 é um aço inoxidável supermartensítico de alta resistência, com alta tenacidade e boa resistência à tração tanto em temperatura ambiente quanto em temperaturas elevadas. A resistência à tração em temperatura ambiente pode atingir mais de 2000 MPa, e o valor máximo de tensão, de acordo com a análise de elementos finitos, é de aproximadamente 130 MPa, bem abaixo do limite de fratura do material. Acreditamos que o risco de fratura da lâmina seja muito baixo.
A espessura da lâmina afeta diretamente a capacidade de corte do barbeador. Quanto mais fina a espessura da parede, melhor o desempenho de corte. O novo barbeador BJKMC minimiza a espessura da parede de duas barras rotativas opostas, e a cabeça possui uma parede mais fina do que seus concorrentes da Dyonics◊. Lâminas mais finas podem aumentar o poder de corte da ponta.
Os dados da Tabela 4 mostram que a espessura da parede da lâmina de barbear BJKMC, medida pelo método de medição de espessura da parede por compressão-rotação, é menor do que a da lâmina de barbear Dyonics◊ com as mesmas especificações.
De acordo com experimentos comparativos, a nova lâmina artroscópica BJKMC não apresentou diferenças de design significativas em relação ao modelo similar da Dyonics◊. Em comparação com as inserções Dyonics◊ Incisor◊ Plus, em termos de propriedades do material, as inserções de dente duplo da BJKMC possuem uma superfície de trabalho mais lisa e uma ponta mais dura e fina. Portanto, os produtos da BJKMC podem funcionar satisfatoriamente em cirurgias. Este estudo foi planejado prospectivamente e o desempenho específico precisa ser testado em experimentos subsequentes.
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Este estudo não recebeu financiamento específico de nenhuma agência de fomento dos setores público, comercial ou sem fins lucrativos.
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