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La incidencia de la cirugía artroscópica ha aumentado en las últimas dos décadas, y los sistemas de afeitado artroscópicos se han convertido en un instrumento ortopédico ampliamente utilizado. Sin embargo, la mayoría de las afeitadoras no suelen ser lo suficientemente afiladas ni fáciles de usar. El propósito de este artículo es investigar las características estructurales de la nueva cuchilla de doble filo de la afeitadora artroscópica BJKMC (Bojin◊ Kinetic Medical). Se ofrece una descripción general del diseño y el proceso de validación del producto. La afeitadora artroscópica BJKMC presenta un diseño de tubo en tubo, compuesto por una funda exterior de acero inoxidable y un tubo interior hueco giratorio. Las carcasas exterior e interior cuentan con puertos de succión y corte correspondientes, y presentan muescas tanto en la carcasa interior como en la exterior. Para justificar el diseño, se comparó con un inserto Dyonics◊ Incisor◊ Plus. Se revisaron 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., y una superficie de trabajo 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. Constituyen una estructura compleja y estable que desempeña 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 la función1. La cirugía ortopédica tradicional es difícil de tratar con precisión de forma mínimamente invasiva, y el período de recuperación tras el 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 rutinario para el diagnóstico y tratamiento ortopédico. Poco después de la primera cirugía artroscópica de rodilla, Kenji Takagi y Masaki Watanabe la adoptaron oficialmente como técnica quirúrgica 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 utiliza para tratar una variedad de afecciones y lesiones, incluidas osteoartritis, lesiones de menisco, lesiones del ligamento cruzado anterior y posterior, sinovitis, fracturas intraarticulares, subluxación rotuliana, lesiones de cartílago y de cuerpo suelto.
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. Actualmente, los cirujanos disponen de diversas opciones, como la reconstrucción del ligamento cruzado, la reparación de meniscos, los injertos osteocondrales, 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. Al mismo tiempo, se desarrollaron otras herramientas. Estas 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, sacabocados, fórceps, bisturíes artroscópicos, hojas y cuchillas para meniscos, instrumentos electroquirúrgicos, láseres, instrumentos de radiofrecuencia y otros instrumentos.
La navaja es una herramienta importante en cirugía. Existen dos principios fundamentales para el uso de pinzas en cirugía artroscópica. El primero consiste en eliminar los restos de cartílago degenerado, incluyendo cuerpos sueltos y cartílago articular flotante, mediante la succión y el lavado de la articulación con abundante solución salina para eliminar las lesiones intraarticulares y los mediadores inflamatorios. El otro principio consiste en extraer el cartílago articular separado del hueso subcondral y reparar el defecto cartilaginoso desgastado. Se extirpa el menisco roto 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 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 ocho dientes dentados como filo. Las diferentes puntas de las hojas proporcionan distintos niveles de potencia de corte a la navaja. Los dientes de las navajas artroscópicas convencionales se dividen en tres categorías (Figura 1): (a) tubos interior y exterior lisos; (b) tubos exteriores lisos y tubos interiores dentados; (c) tubos interior y exterior dentados (que pueden ser una hoja de afeitar). 9. Su filo para los tejidos blandos aumenta. La fuerza máxima promedio y la eficiencia de corte de una sierra de la misma especificación son mejores que las de una barra plana de 10 pulgadas.
Sin embargo, las rasuradoras artroscópicas disponibles actualmente presentan varios problemas. En primer lugar, la cuchilla no está lo suficientemente afilada y es fácil que se bloquee al cortar tejido blando. En segundo lugar, una rasuradora solo corta tejido sinovial blando; el médico debe usar una fresa para pulir el hueso. Por lo tanto, las cuchillas deben cambiarse con frecuencia durante la operación, lo que aumenta el tiempo quirúrgico. Los daños por corte y el desgaste de la rasuradora también son problemas comunes. El mecanizado de precisión y el control de la exactitud constituyeron un único índice de evaluación.
El primer problema es que la hoja de afeitar no es lo suficientemente lisa debido a la excesiva separación entre las hojas interior y exterior. La solución al segundo problema puede ser aumentar el ángulo de la hoja de afeitar y la resistencia del material de construcción.
La nueva cuchilla artroscópica BJKMC con hoja de doble filo soluciona los problemas de filos romos, obstrucción y desgaste rápido de la herramienta. Para comprobar la practicidad del nuevo diseño de la cuchilla BJKMC, se comparó con su homóloga de Dyonics◊, la cuchilla Incisor◊ Plus.
La nueva cuchilla 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 correspondientes en la funda exterior y el tubo interior. Las carcasas interior y exterior presentan muescas. Durante el funcionamiento, el sistema de potencia hace girar el tubo interior, y el tubo exterior muerde con los dientes, interactuando con el corte. La incisión tisular 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 optó por una estructura dentada cóncava. Se utiliza soldadura láser para las piezas de composite. La estructura de un cabezal de afeitado de doble diente convencional se muestra en la Figura 2.
En general, el diámetro exterior del extremo anterior de la cuchilla artroscópica 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 de la cuchilla debe ser lo suficientemente ancha. Cuanto más ancha sea la ventana, mejor organizado será el corte y la succión de la cuchilla, y mejor evitará que se obstruya.
Analice el efecto del perfil del diente en la fuerza de corte. El modelo 3D de la cuchilla se creó con el software SolidWorks (SolidWorks 2016, SolidWorks Corp., Massachusetts, EE. UU.). Los modelos de la carcasa 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 muestran 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 otorgados a los 4 lados de los tejidos blandos y la cuchilla 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 máxima tensión se produce en un cambio estructural abrupto, lo cual concuerda con las propiedades mecánicas. La maquinilla de afeitar es una herramienta desechable4 y el riesgo de rotura de la hoja es bajo con un solo uso. Por lo tanto, nos centramos principalmente en su capacidad de corte. La tensión equivalente máxima que actúa sobre el tejido blando podría reflejar esta característica. En las mismas condiciones de funcionamiento, cuando la tensión equivalente máxima es mayor, se considera preliminarmente que sus propiedades de corte son las mejores. En cuanto a la tensión en el tejido blando, la maquinilla de afeitar con perfil de diente de 60° produjo la máxima tensión de corte en el tejido blando (39,213 MPa).
Distribución de la tensión de la afeitadora y de los tejidos blandos cuando las fundas de la afeitadora con diferentes perfiles de dientes cortan 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. Se utilizaron tres tipos idénticos de cada producto en todos los experimentos. Todas las cuchillas usadas son nuevas y están intactas.
Los factores que afectan el rendimiento de una afeitadora incluyen la dureza y el grosor de la hoja, la rugosidad del tubo metálico, 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, se colocaron cabezales de afeitado en una mesa de trabajo. Mida el perfil y el ángulo del diente con respecto a la cruz filar en la pantalla de proyección y utilice 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 ambos lados del ángulo medido con la intersección de la sublínea en la pantalla sombreada y utilice 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 puntero. 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 prueba de dureza Vickers ISO 6507-1:20055. El indentador de diamante se presiona contra la superficie de la muestra durante un tiempo determinado bajo una fuerza de prueba determinada. A continuación, se mide la longitud diagonal de la huella tras retirar el indentador. La dureza Vickers es proporcional a la relación entre la fuerza de prueba y el área superficial de la huella.
El espesor de pared del cabezal de afeitado se mide insertando un cabezal esférico cilíndrico con una precisión de 0,01 mm y un rango de medición aproximado de 0 a 200 mm. El espesor de pared se define como la diferencia entre los diámetros exterior e interior de la herramienta. El procedimiento experimental para la medición del espesor se muestra en la Fig. 8.
Se comparó el rendimiento estructural de la afeitadora BJKMC con el de una afeitadora Dyonics◊ de la misma especificación. Se midieron y compararon los datos de rendimiento de cada componente del producto. Con base en los datos dimensionales, se predijo la capacidad de corte de ambos productos. Ambos productos poseen excelentes propiedades estructurales; aún se requiere un análisis comparativo de la conductividad eléctrica en todos los lados.
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 del 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 interior y exterior, las ventanas de los tubos Dyonics◊ son ligeramente más largas y anchas que las de BJKMC. Esto significa que los Dyonics◊ tienen más espacio para cortar y que los tubos son menos propensos a obstruirse. Los dos productos no presentaron diferencias estadísticas en otros aspectos.
Las piezas de la afeitadora BJKMC se unen mediante soldadura láser. Por lo tanto, no se aplica presión externa sobre la soldadura. La pieza a soldar no está sujeta a tensión ni deformación térmica. La pieza soldada es estrecha, con gran penetración, alta resistencia mecánica, alta resistencia a la vibración y alta resistencia al impacto. Los componentes soldados por láser ofrecen una alta fiabilidad en el ensamblaje14,15.
La rugosidad superficial mide 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 afeitadora. Reducir la rugosidad de ambas superficies puede reducir eficazmente el desgaste de la afeitadora y mejorar su rendimiento.
La rugosidad superficial de la carcasa exterior, así como de las superficies interior y exterior de la cuchilla 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 cuchilla interior 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 menor que la de productos Dyonics◊ similares (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 artroscópicas están fabricadas con acero inoxidable austenítico debido a su alta resistencia, tenacidad y ductilidad. Sin embargo, los cabezales de afeitado BJKMC están fabricados con acero inoxidable martensítico 1RK91. Los aceros inoxidables martensíticos presentan mayor resistencia y tenacidad que los aceros inoxidables austeníticos17. Los elementos químicos de los productos BJKMC cumplen con los requisitos de la norma S46910 (ASTM-F899 para instrumentos quirúrgicos) durante el proceso de forjado. El material ha sido sometido a pruebas de citotoxicidad y se utiliza ampliamente en dispositivos médicos.
Los resultados del análisis de elementos finitos muestran que la concentración de tensiones de la cuchilla se concentra principalmente en el perfil del diente. El acero inoxidable supermartensítico IRK91 es de alta resistencia, con alta tenacidad y buena resistencia a la tracción tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas. La resistencia a la tracción a temperatura ambiente puede superar los 2000 MPa, y el valor máximo de tensión, según el análisis de elementos finitos, es de aproximadamente 130 MPa, lo que se encuentra lejos del límite de fractura del material. Creemos que el riesgo de fractura de la cuchilla es mínimo.
El grosor de la hoja afecta directamente la capacidad de corte de la maquinilla. Cuanto más delgada sea la pared, mejor será el rendimiento de corte. La nueva maquinilla BJKMC minimiza el grosor de la pared de dos barras giratorias opuestas, y el cabezal tiene una pared más delgada que sus homólogas de Dyonics◊. Unas cuchillas más delgadas pueden aumentar el poder de corte de la punta.
Los datos de la Tabla 4 muestran que el espesor de pared de la afeitadora BJKMC medido mediante el método de medición del espesor de pared por compresión-rotación es menor que el de la afeitadora Dyonics◊ de la misma especificación.
Según experimentos comparativos, la nueva cuchilla artroscópica BJKMC no mostró diferencias de diseño evidentes con respecto al modelo similar Dyonics◊. En comparación con las propiedades del material de los insertos Dyonics◊ Incisor◊ Plus, los insertos de doble diente BJKMC presentan una superficie de trabajo más lisa y una punta más dura y fina. Por lo tanto, los productos BJKMC pueden funcionar satisfactoriamente en cirugía. Este estudio se diseñó prospectivamente y su rendimiento específico debe 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 fines de lucro.
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