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L'incidence de la chirurgie arthroscopique a augmenté au cours des deux dernières décennies, et les rasoirs arthroscopiques sont devenus un instrument orthopédique largement utilisé. Cependant, la plupart des rasoirs ne sont généralement pas suffisamment tranchants, faciles à porter, etc. Cet article a pour objectif d'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 et du processus de validation du produit. Le rasoir arthroscopique BJKMC est doté d'une conception tube-dans-tube, composée d'un manchon extérieur en acier inoxydable et d'un tube intérieur creux rotatif. Les enveloppes extérieure et intérieure sont dotées d'orifices d'aspiration et de coupe correspondants, et présentent des encoches sur les enveloppes intérieure et extérieure. Pour 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 de l'outil, le profil des dents, l'angle, la structure globale et les dimensions critiques ont été vérifiés et comparés. La surface de travail et la pointe sont plus dures et plus fines. Par conséquent, les produits BJKMC peuvent fonctionner de manière satisfaisante en chirurgie.
Dans le corps humain, une articulation est une forme de connexion indirecte entre les os. Il s'agit d'une structure complexe et stable qui joue un rôle important dans notre vie quotidienne. Certaines maladies altèrent la répartition des charges dans l'articulation, entraînant une limitation fonctionnelle et une perte de fonction1. La chirurgie orthopédique traditionnelle est difficile à traiter avec précision par une intervention mini-invasive, et la période de récupération après le traitement est longue. La chirurgie arthroscopique est une intervention mini-invasive qui ne nécessite qu'une petite incision, entraîne moins de traumatismes et de cicatrices, offre une récupération plus rapide et moins de complications. Avec le développement des dispositifs médicaux, les techniques chirurgicales mini-invasives sont progressivement devenues une procédure courante pour le diagnostic et le traitement orthopédiques. Peu après la première intervention arthroscopique du genou, elle a été officiellement adoptée comme technique chirurgicale par Kenji Takagi et Masaki Watanabe au Japon2,3. L'arthroscopie et les endoprothèses 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, les lésions du cartilage et des corps étrangers.
L'incidence de la chirurgie arthroscopique a augmenté au cours des deux dernières décennies, et les systèmes de shaver arthroscopiques 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 leurs préférences1. Avec l'extension des interventions chirurgicales arthroscopiques à un plus grand nombre d'articulations, les médecins peuvent examiner les articulations synoviales et traiter chirurgicalement les patients de manières jusqu'alors inimaginables. Parallèlement, d'autres outils ont été développés. Ils se composent généralement d'une unité de commande, d'une pièce à main dotée d'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 pinces, les couteaux arthroscopiques, les lames et rasoirs méniscaux, les instruments électrochirurgicaux, les lasers, les instruments à radiofréquence et autres instruments.
Le rasoir est un outil essentiel en chirurgie. Les pinces utilisées en chirurgie arthroscopique reposent sur deux principes fondamentaux. Le premier consiste à retirer les restes de cartilage dégénéré, notamment les corps étrangers et le cartilage articulaire flottant, par aspiration et rinçage abondant de l'articulation avec une solution saline afin d'éliminer les lésions intra-articulaires et les médiateurs inflammatoires. Le second principe consiste à retirer le cartilage articulaire séparé de l'os sous-chondral et à réparer le défaut cartilagineux usé. Le ménisque déchiré est excisé, ce qui permet de former un ménisque usé et fracturé. Les rasoirs sont également utilisés pour retirer tout ou partie du tissu synovial inflammatoire, comme l'hyperplasie et l'épaississement1.
La plupart des scalpels mini-invasifs possèdent une section coupante avec une canule externe creuse et un tube interne creux. Leur tranchant est rarement de 8 dents dentelées. Les différentes pointes de lame confèrent au rasoir une puissance de coupe variable. Les dents des rasoirs arthroscopiques conventionnels se répartissent en trois catégories (figure 1) : (a) tubes internes et externes lisses ; (b) tubes externes lisses et tubes internes dentelés ; (c) tubes internes et externes dentelés (pouvant être une lame de rasoir). 9. Leur tranchant sur les tissus mous augmente. La force de pointe moyenne et l'efficacité de coupe d'une scie de même spécification sont supérieures à celles d'une barre plate de 10.
Cependant, les rasoirs arthroscopiques actuellement disponibles présentent plusieurs problèmes. Premièrement, la lame n'est pas suffisamment tranchante et se bloque facilement lors de la coupe des tissus mous. Deuxièmement, un rasoir ne peut couper que les tissus synoviaux mous ; le médecin doit utiliser une fraise pour polir l'os. Par conséquent, les lames doivent être changées fréquemment pendant l'opération, ce qui augmente la durée de l'intervention. Les dommages dus aux coupures et l'usure du rasoir sont également des problèmes courants. L'usinage de précision et le contrôle de l'exactitude constituent un critère d'évaluation unique.
Le premier problème est que la lame du rasoir n'est pas suffisamment lisse en raison d'un espace excessif entre les lames intérieure et extérieure. La solution au second problème consiste à augmenter l'angle de la lame et à renforcer la résistance du matériau de construction.
Le nouveau rasoir arthroscopique BJKMC à double lame crantée résout les problèmes de tranchants émoussés, d'encrassement et d'usure rapide des instruments. Pour tester sa praticité, le nouveau rasoir BJKMC a été comparé à son homologue de Dyonics◊, l'Incisor◊ Plus Blade.
Le nouveau rasoir arthroscopique est doté d'une conception tube-dans-tube, comprenant un manchon extérieur en acier inoxydable et un tube intérieur creux rotatif, dotés d'orifices d'aspiration et de coupe correspondants sur le manchon extérieur et le tube intérieur. Les boîtiers intérieur et extérieur sont crantés. Pendant l'utilisation, le système d'alimentation entraîne la rotation du tube intérieur, qui mord avec les dents, interagissant avec la coupe. L'incision tissulaire terminée et les corps étrangers sont retirés de l'articulation par un tube intérieur creux. Afin d'améliorer les performances et l'efficacité de la 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 à double dent conventionnelle est illustrée à la figure 2.
En général, le diamètre extérieur de l'extrémité antérieure du shaver arthroscopique est légèrement inférieur à celui de l'extrémité postérieure. Le rasoir ne doit pas être enfoncé dans l'espace articulaire, car la pointe et le bord de la fenêtre de coupe seraient emportés et endommageraient la surface articulaire. De plus, la fenêtre du shaver doit être suffisamment large. Plus la fenêtre est large, plus le shaver coupe et aspire efficacement, et mieux il évite son obstruction.
Discutez 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, États-Unis). 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., États-Unis) pour le maillage et l'analyse des contraintes. Les propriétés mécaniques (module d'élasticité et coefficient de Poisson) des matériaux sont présentées 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 comporte 40 522 nœuds et 45 449 maillages. Dans les paramètres de conditions aux limites, nous contraignons entièrement les 6 degrés de liberté accordés aux 4 côtés des tissus mous et la lame du rasoir est tournée de 20° autour de l'axe des 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 brutal, ce qui est cohérent avec les propriétés mécaniques. Le rasoir est un outil jetable4 et le risque de rupture de lame lors d'une utilisation unique est faible. Par conséquent, nous nous concentrons principalement sur sa capacité de coupe. La contrainte équivalente maximale agissant sur les tissus mous pourrait refléter cette caractéristique. Dans les mêmes conditions de fonctionnement, lorsque la contrainte équivalente maximale est la plus élevée, on considère préliminairement que ses propriétés de coupe sont les meilleures. En termes de contrainte sur les tissus mous, le rasoir à profil de dents de 60° a produit la contrainte de cisaillement maximale sur les tissus mous (39,213 MPa).
Répartition des contraintes sur le rasoir et les tissus mous lorsque des gaines de rasoir avec différents profils de dents coupent les tissus mous : (a) profil de dent à 50°, (b) profil de dent à 60°, (c) profil de dent à 70°.
Pour justifier la conception de la nouvelle lame BJKMC, elle a été comparée à une lame Dyonics◊ Incisor◊ Plus équivalente (Fig. 5) offrant les mêmes performances. Trois modèles identiques de chaque produit ont été utilisés dans toutes les expériences. Tous les rasoirs utilisés sont neufs et en bon état.
Les facteurs qui influencent les performances d'un 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 contours d'une résolution de 0,001 mm a été choisi (Starrett série 400, Fig. 6). Lors des expériences, les têtes de rasage ont été placées sur un établi. Mesurez le profil et l'angle de la dent par rapport au réticule sur l'écran de projection et utilisez un micromètre pour mesurer la différence entre les deux lignes. La taille réelle du profil de la dent est obtenue en la divisant par le grossissement de l'objectif choisi. Pour mesurer l'angle d'une dent, alignez les points fixes de part et d'autre de l'angle mesuré avec l'intersection des sous-lignes sur l'écran hachuré et utilisez les curseurs d'angle du tableau pour effectuer les mesures.
En répétant cette expérience, les principales dimensions de la longueur de travail (tubes intérieur et extérieur), les diamètres extérieurs antérieurs et postérieurs, la longueur et la largeur de la fenêtre et la hauteur des dents ont été mesurées.
Vérifiez la rugosité de surface à l'aide d'un pointeur. La pointe de l'outil est déplacée horizontalement au-dessus de l'échantillon, perpendiculairement au sens du grain traité. La rugosité moyenne Ra est obtenue directement à partir de l'instrument. La figure 7 montre un instrument à aiguille (Mitutoyo SJ-310).
La dureté des lames de rasoir est mesurée selon l'essai de dureté Vickers ISO 6507-1:20055. Le pénétrateur en diamant est enfoncé dans la surface de l'échantillon pendant une durée donnée sous une force d'essai donnée. La longueur diagonale de l'empreinte est ensuite mesurée après retrait du pénétrateur. La dureté Vickers est proportionnelle au rapport entre la force d'essai et la surface de l'empreinte.
L'épaisseur de la 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 à 200 mm. L'épaisseur de la 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 figure 8.
Les performances structurelles du rasoir BJKMC ont été comparées à celles d'un rasoir Dyonics◊ de même spécification. Les performances de chaque pièce du produit ont été mesurées et comparées. Les données dimensionnelles permettent de prédire les capacités de coupe des deux produits. Malgré d'excellentes propriétés structurelles, une analyse comparative de la conductivité électrique de tous les côtés est nécessaire.
Selon l’expérience d’angle, 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. En termes de largeur et de longueur des tubes intérieurs et extérieurs, les fenêtres des tubes intérieurs et extérieurs Dyonics◊ sont légèrement plus longues et plus larges que celles du BJKMC. Cela signifie que le Dyonics◊ offre plus d'espace pour couper et que le tube est moins susceptible de se boucher. Les deux produits ne présentent aucune différence statistique par ailleurs.
Les pièces du rasoir BJKMC sont assemblées par soudage laser. Ainsi, aucune pression externe n'est exercée sur la soudure. La pièce à souder n'est soumise ni à des contraintes ni à des déformations thermiques. La pièce à souder est étroite, la pénétration est importante, la résistance mécanique est élevée, les vibrations sont importantes et la résistance aux chocs est élevée. Les composants soudés au laser offrent une grande fiabilité d'assemblage14,15.
La rugosité de surface mesure 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 prises en compte. Le manchon extérieur du couteau intérieur et la surface intérieure du tube intérieur constituent les principales surfaces de travail du rasoir. Réduire la rugosité de ces deux surfaces permet de réduire efficacement l'usure du rasoir et d'améliorer ses performances.
La rugosité de surface de la gaine extérieure, ainsi que des surfaces intérieure et extérieure de la lame intérieure de deux tubes métalliques, a été mesurée expérimentalement. Leurs valeurs moyennes sont présentées à la figure 10. La surface intérieure de la gaine extérieure et la surface extérieure du couteau intérieur constituent 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 obtenir des résultats satisfaisants en termes de performances de coupe.
Selon le test de dureté des lames, les données expérimentales de deux groupes de lames de rasoir sont présentées à 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 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 Instruments chirurgicaux) pendant le processus de forgeage. Ce 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 du rasoir est principalement concentrée sur le profil de la dent. L'IRK91 est un acier inoxydable supermartensitique à haute résistance, doté d'une ténacité élevée et d'une bonne résistance à la traction, tant à température ambiante qu'à température élevée. La résistance à la traction à température ambiante peut atteindre plus de 2 000 MPa, et la 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 rupture de la lame est très faible.
L'épaisseur de la lame influence directement la capacité de coupe du rasoir. Plus la paroi est fine, meilleure est la performance de coupe. Le nouveau rasoir BJKMC minimise l'épaisseur de la paroi de deux barres rotatives opposées, et sa tête présente une paroi plus fine que ses homologues Dyonics◊. Des couteaux plus fins augmentent 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.
D'après des expériences comparatives, le nouveau rasoir arthroscopique BJKMC ne présente aucune différence de conception notable par rapport au modèle similaire Dyonics◊. Comparés aux inserts Dyonics◊ Incisor◊ Plus en termes de propriétés matérielles, les inserts à double denture BJKMC présentent une surface de travail plus lisse et une pointe plus dure et plus fine. Par conséquent, les produits BJKMC peuvent être utilisés de manière satisfaisante en chirurgie. Cette étude a été conçue de manière prospective et les performances spécifiques doivent être testées lors d'expériences ultérieures.
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Cette étude n’a pas reçu de financement spécifique de la part d’organismes de financement des secteurs public, commercial ou à but non lucratif.
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Date de publication : 25 octobre 2022