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A incidência de cirurgia artroscópica aumentou nas últimas duas décadas, e os sistemas de barbear artroscópicos tornaram-se um instrumento ortopédico amplamente utilizado. No entanto, a maioria das lâminas geralmente não é afiada o suficiente, fácil de usar e assim por diante. O objetivo deste artigo é investigar as características estruturais da nova lâmina dupla serrilhada da navalha artroscópica BJKMC (Bojin◊ Kinetic Medical). Fornece uma visão geral do design do produto e do processo de validação. A navalha artroscópica BJKMC apresenta um design tubo em tubo, consistindo de uma luva externa de aço inoxidável e um tubo interno oco rotativo. As conchas externa e interna têm portas de sucção e corte correspondentes, e há entalhes nas conchas interna e externa. Para justificar o design, ele foi comparado a uma pastilha Dyonics◊ Incisor◊ Plus. A 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. superfície de trabalho e uma ponta mais dura e mais fina. Portanto, os produtos BJKMC podem funcionar satisfatoriamente em cirurgias.
Uma articulação no corpo humano é uma forma de conexão indireta entre ossos. Elas são uma estrutura complexa e estável que desempenha um papel importante em nossa vida diária. Algumas doenças alteram a distribuição de carga na articulação, resultando em limitação funcional e perda de função1. A cirurgia ortopédica tradicional é difícil de tratar com precisão minimamente invasiva, 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 diagnóstico e tratamento ortopédico. Logo após a primeira cirurgia artroscópica do joelho, ela foi oficialmente adotada como técnica cirúrgica por Kenji Takagi e Masaki Watanabe no Japão2,3. A artroscopia e a endoprótese são dois dos avanços mais importantes na ortopedia4. Hoje em dia, a cirurgia artroscópica minimamente invasiva é usada 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, cartilagem e lesões de corpo solto.
A incidência de cirurgia artroscópica aumentou nas últimas duas décadas, e os sistemas de shaver artroscópico tornaram-se um instrumento ortopédico amplamente utilizado. Atualmente, os cirurgiões têm uma variedade de opções disponíveis, incluindo reconstrução do ligamento cruzado, reparo do menisco, enxerto osteocondral, artroscopia do quadril e artroscopia da articulação facetária, 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 pacientes cirurgicamente de maneiras antes inimagináveis. Ao mesmo tempo, 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 sucção e desbridamento simultâneos e contínuos6.
Devido à complexidade da cirurgia artroscópica, múltiplos instrumentos são frequentemente necessários. Os principais instrumentos cirúrgicos utilizados na cirurgia artroscópica incluem artroscópios, tesouras de sonda, punches, fórceps, bisturis artroscópicos, lâminas e navalhas de menisco, instrumentos eletrocirúrgicos, lasers, instrumentos de radiofrequência e outros instrumentos.
A lâmina de barbear é uma ferramenta importante em cirurgia. Existem dois princípios básicos para o uso de alicates para cirurgia artroscópica. O primeiro é remover os restos de cartilagem degenerada, incluindo corpos soltos e cartilagem articular flutuante, por meio de sucção e lavagem da articulação com solução salina abundante para remover lesões intra-articulares e mediadores inflamatórios. O segundo é remover a cartilagem articular separada do osso subcondral e reparar o defeito da cartilagem desgastada. O menisco rompido é excisado, formando-se um menisco desgastado e quebrado. As lâminas de barbear também são usadas para remover parte ou todo o tecido sinovial inflamatório, como hiperplasia e espessamento1.
A maioria dos bisturis minimamente invasivos possui uma seção de corte com uma cânula externa oca e um tubo interno oco. Raramente possuem 8 dentes serrilhados para o fio de corte. Diferentes pontas de lâmina proporcionam diferentes níveis de poder de corte à lâmina. Os dentes de lâminas artroscópicas convencionais se dividem 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 afiação em tecidos moles aumenta. A força de pico média e a eficiência de corte de uma serra com a mesma especificação são melhores do que as de uma barra plana de 10.
No entanto, existem vários problemas com os barbeadores artroscópicos disponíveis atualmente. Primeiro, a lâmina não é suficientemente afiada e é fácil de bloquear ao cortar tecidos moles. Segundo, a lâmina só consegue cortar tecido sinovial mole — o médico precisa usar uma fresa para polir o osso. Portanto, as lâminas precisam ser trocadas com frequência durante a operação, o que aumenta o tempo de operação. Danos por corte e desgaste da lâmina também são problemas comuns. A usinagem de precisão e o controle de exatidão realmente formaram 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 aumentar a resistência do material de construção.
A nova navalha artroscópica BJKMC com lâmina dupla serrilhada pode solucionar os problemas de bordas de corte rombas, fácil obstrução e desgaste rápido da ferramenta. Para testar a praticidade do novo design da navalha BJKMC, ela foi comparada com a lâmina Incisor◊ Plus, da Dyonics◊.
O novo aparelho artroscópico apresenta um design tubo-em-tubo, incluindo uma luva externa de aço inoxidável e um tubo interno oco rotativo com portas de sucção e corte correspondentes na luva externa e no tubo interno. Os invólucros interno e externo são entalhados. Durante a operação, o sistema de energia faz com que o tubo interno gire, e o tubo externo morde com os dentes, interagindo com o corte. A incisão tecidual concluída e os corpos soltos são removidos da articulação através de um tubo interno oco. Para melhorar o desempenho e a eficiência do corte, foi escolhida uma estrutura de dente côncavo. A soldagem a laser é usada para peças compostas. A estrutura de uma cabeça de barbear convencional com dois dentes é mostrada na Figura 2.
Em geral, o diâmetro externo da extremidade anterior do raspador 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 são lavadas e danificam a superfície articular. Além disso, a largura da janela do raspador deve ser grande o suficiente. Quanto mais larga a janela, mais organizado o raspador corta e suga, e melhor previne o entupimento da janela.
Discuta o efeito do perfil do dente na força de corte. O modelo 3D da lâmina foi criado usando o software SolidWorks (SolidWorks 2016, SolidWorks Corp., Massachusetts, EUA). Os modelos de casca externa com diferentes perfis de dente foram importados para o programa de elementos finitos (ANSYS Workbench 16.0, ANSYS Inc., EUA) para geração de malhas e análise de tensões. As propriedades mecânicas (módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson) dos materiais são apresentadas na Tabela 1. A densidade de malha usada para tecidos moles foi de 0,05 mm, e refinamos 11 faces da plaina em contato com tecidos moles (Fig. 3a). O modelo completo possui 40.522 nós e 45.449 malhas. Nas configurações de condição de contorno, restringimos totalmente os 6 graus de liberdade dados aos 4 lados dos tecidos moles e a lâmina da lâmina é girada 20° em torno do eixo x (Fig. 3b).
Uma análise de três modelos de navalha (Fig. 4) mostrou que o ponto de tensão máxima ocorre em uma mudança estrutural abrupta, o que é consistente com as propriedades mecânicas. A navalha 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 operacionais, 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 navalha com perfil de dente de 60° produziu a tensão de cisalhamento máxima no tecido mole (39,213 MPa).
Distribuição de estresse do barbeador e do tecido mole quando bainhas 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 equivalente da Dyonics◊ Incisor◊ Plus (Fig. 5), que apresenta o mesmo desempenho. Três tipos idênticos de cada produto foram utilizados em todos os experimentos. Todos os aparelhos utilizados são novos e sem danos.
Os fatores que afetam o desempenho do aparelho de barbear incluem a dureza e a espessura da lâmina, a rugosidade do tubo de metal e o perfil e o 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 corte foram colocadas em uma bancada. Meça o perfil e o ângulo do dente em relação à retícula na tela de projeção e use um micrômetro como a diferença entre as duas linhas para determinar a medição. O tamanho real do perfil do dente é obtido dividindo-o pela ampliação da objetiva escolhida. Para medir o ângulo do dente, alinhe os pontos fixos em ambos os lados do ângulo medido com a intersecção da sublinha na tela hachurada e use os cursores de ângulo na tabela para fazer as leituras.
Repetindo esse 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 apontador. A ponta da ferramenta é movida horizontalmente sobre a amostra, perpendicularmente à direção do grão processado. A rugosidade média Ra é obtida diretamente do instrumento. A figura 7 mostra um instrumento com 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 indentador de diamante é pressionado na superfície da amostra por um determinado período de tempo sob uma determinada força de teste. Em seguida, o comprimento diagonal da indentação é medido após a remoção do indentador. 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 medição da espessura é mostrado na Figura 8.
O desempenho estrutural do aparelho de barbear BJKMC foi comparado ao de um aparelho de barbear Dyonics◊ com a mesma especificação. Os dados de desempenho de cada parte do produto foram medidos e comparados. Com base nos dados dimensionais, a capacidade de corte de ambos os produtos é previsível. Ambos os produtos apresentam excelentes propriedades estruturais, sendo necessária uma análise comparativa da condutividade elétrica de todos os lados.
De acordo com o experimento de ângulo, os resultados são mostrados na Tabela 2 e Tabela 3. A média e o desvio padrão dos dados do ângulo do perfil para os dois produtos não foram estatisticamente diferentes.
Uma 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 cortes e a tubulação tem menos probabilidade de entupir. Os dois produtos não diferiram estatisticamente em outros aspectos.
As peças do aparelho de barbear BJKMC são conectadas por soldagem a laser. Portanto, não há pressão externa sobre a solda. A peça a ser soldada não está sujeita a estresse térmico ou deformação térmica. A peça soldada é estreita, a penetração é ampla, 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. São considerados os componentes de alta frequência e de onda curta da superfície medida, que determinam a interação entre o objeto e seu ambiente. A capa externa da lâmina interna e a superfície interna do tubo interno são as principais superfícies de trabalho do aparelho de barbear. Reduzir a rugosidade das duas superfícies pode reduzir efetivamente o desgaste do aparelho e melhorar seu desempenho.
A rugosidade da superfície da bainha 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 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 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 BJKMC atendem aos requisitos da 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 demonstram que a concentração de tensões na lâmina 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 à temperatura ambiente pode atingir mais de 2.000 MPa, e o valor máximo de tensão, de acordo com a análise de elementos finitos, é de cerca de 130 MPa, o que está longe 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 aparelho. Quanto mais fina a espessura da parede, melhor o desempenho de corte. O novo aparelho BJKMC minimiza a espessura da parede de duas barras giratórias opostas, e a cabeça tem uma parede mais fina do que suas contrapartes da Dyonics◊. Lâminas mais finas podem aumentar o poder de corte da ponta.
Os dados da Tabela 4 mostram que a espessura da parede do aparelho de barbear BJKMC medida pelo método de medição de espessura de parede por compressão-rotação é menor do que a do aparelho de barbear Dyonics◊ da mesma especificação.
De acordo com experimentos comparativos, o novo aparelho artroscópico BJKMC não apresentou diferenças óbvias de design em relação ao modelo similar da Dyonics◊. Em comparação com as pastilhas Dyonics◊ Incisor◊ Plus em termos de propriedades do material, as pastilhas de dentes duplos BJKMC apresentam uma superfície de trabalho mais lisa e uma ponta mais dura e fina. Portanto, os produtos BJKMC podem funcionar satisfatoriamente em cirurgia. Este estudo foi projetado 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 financiamento dos setores público, comercial ou sem fins lucrativos.
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