La conception d'un nouveau rasoir d'arthroscopie

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13774 (2022) Citer cet article

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Les cas de chirurgie arthroscopique ont augmenté au cours des deux dernières décennies et les systèmes de rasage arthroscopique sont devenus un outil orthopédique couramment utilisé. Néanmoins, la plupart des rasoirs ont généralement des problèmes tels que le tranchant n'est pas assez tranchant et facile à porter. Cet article vise à discuter des caractéristiques structurelles du nouveau rasoir arthroscopique de BJKMC (Bojin◊ Kinetic Medical), la double lame dentelée. Le processus de conception et de vérification du produit est décrit. Le rasoir d'arthroscopie articulaire de BJKMC a une structure "tube dans un tube", comprenant un manchon extérieur en acier inoxydable et un tube intérieur creux rotatif. Le manchon extérieur et le tube intérieur ont des fenêtres d'aspiration et de coupe correspondantes, et il y a des dents dentelées sur le boîtier intérieur et extérieur. Pour vérifier la rationalité de la conception, il a été comparé au produit équivalent de Dyonics◊, l'Incisor◊ Plus Blade. L'apparence, la dureté de l'outil de coupe, la rugosité du tuyau métallique, l'épaisseur de la paroi de l'outil de coupe, le profil et l'angle des dents, la structure globale et les dimensions clés ont été examinés et comparés. Par rapport à la lame Incisor◊ Plus de Dyonics◊, la lame à double denture de BJKMC avait une surface de travail plus lisse, une tête de lame plus dure et plus fine. Par conséquent, le produit de BJKMC peut avoir des performances satisfaisantes en matière de chirurgie.

Les articulations du corps humain sont une forme de connexion indirecte entre les os et les os. Ils constituent une structure complexe mais stable et jouent un rôle important dans notre vie quotidienne. Certaines maladies modifient la répartition des contraintes au sein des articulations, entraînant des limitations et une perte de fonction1. Avec la chirurgie orthopédique traditionnelle, il était difficile de traiter avec précision les micro-traumatismes et la période de récupération après le traitement était longue. La chirurgie arthroscopique est une chirurgie mini-invasive qui ne nécessite qu'une petite incision; provoque moins de traumatismes et moins de cicatrices, et a un temps de récupération plus rapide et moins de complications. Au fur et à mesure du développement des équipements médicaux, les techniques chirurgicales mini-invasives sont progressivement devenues la procédure de routine pour le diagnostic et le traitement orthopédique. Peu de temps après la première intervention chirurgicale arthroscopique sur un genou, celle-ci a été officiellement utilisée comme technique chirurgicale par Kenji Takagi et Masaki Watanabe au Japon2,3. L'arthroscopie et l'arthroplastie étaient les deux améliorations orthopédiques les plus importantes4. Aujourd'hui, la chirurgie arthroscopique mini-invasive est utilisée pour traiter de nombreuses maladies et blessures, notamment l'arthrose, les lésions du ménisque, les lésions du ligament croisé antérieur et postérieur, la synovite, les fractures intra-articulaires, la subluxation rotulienne, les lésions du cartilage et les corps étrangers.

Les cas de chirurgie arthroscopique ont augmenté au cours des deux dernières décennies et les systèmes de rasage arthroscopique sont devenus un outil orthopédique couramment utilisé. Il existe maintenant une variété de méthodes disponibles pour les chirurgiens, y compris la reconstruction du ligament croisé, la réparation du ménisque, la transplantation ostéochondrale, l'arthroscopie de la hanche et l'arthroscopie des facettes, qui peuvent être sélectionnées selon la préférence du chirurgien1. Au fur et à mesure que les procédures de chirurgie arthroscopique ont été étendues à davantage d'articulations, les médecins ont pu explorer les articulations synoviales et traiter chirurgicalement les patients d'une manière auparavant inimaginable5. Dans le même temps, des instruments supplémentaires ont été développés. Ils comprenaient souvent une unité de contrôle, une pièce à main avec un moteur puissant et un outil de résection. Les outils de résection permettent une aspiration et un débridement simultanés et continus6.

En raison de la complexité de la chirurgie arthroscopique, plusieurs instruments sont généralement nécessaires. Les outils chirurgicaux de base utilisés en chirurgie arthroscopique comprennent les arthroscopes, les ciseaux à sonde, les poinçons à panier, les poinçons à pince, les couteaux d'arthroscopie, les lames et rasoirs à ménisque, les outils électrochirurgicaux, les lasers, les instruments de radiofréquence et d'autres instruments divers7.

Les rasoirs sont des instruments importants en chirurgie. Les principaux principes de fonctionnement des raboteuses utilisées pour la chirurgie arthroscopique sont divisés en deux types. La première consiste à éliminer les débris cartilagineux dégénérés par aspiration, y compris les corps libres et le cartilage articulaire flottant, ainsi qu'à rincer les articulations avec beaucoup de solution saline normale pour éliminer les lésions et les médiateurs inflammatoires dans les articulations. L'autre consiste à creuser et à enlever le cartilage articulaire qui s'est séparé de l'os sous-chondral et à réparer les défauts du cartilage usé. Le ménisque déchiré a été excisé et façonné en ménisque usé et cassé. Les rasoirs sont également utilisés pour éliminer une partie ou la totalité du tissu synovial inflammatoire tel que l'hyperplasie et l'épaississement1.

La plupart des couteaux de rabot chirurgicaux peu invasifs sont conçus pour avoir une partie coupante avec un manchon extérieur creux et un tube intérieur creux. Ils ont rarement des dents dentelées pour le tranchant8. Différentes pointes de coupe donnent au rasoir différents niveaux de puissance de coupe. Les dents de shaver courantes en arthroscopie sont divisées en trois catégories (Fig. 1) : (a) tube intérieur et extérieur lisses ; (b) tube extérieur lisse et tube intérieur denté ; (c) tube intérieur et extérieur denté (peut être tranchant comme un rasoir)9. Leur acuité vis-à-vis des tissus mous augmentait. La force maximale moyenne et l'efficacité de coupe des dents dentelées de la même spécification sont meilleures que celles de la règle plate10.

Types de rasoirs d'arthroscopie9.

Néanmoins, il existe de nombreux problèmes avec les rasoirs arthroscopiques actuellement disponibles. Premièrement, le tranchant n'est pas assez tranchant, ce qui peut facilement provoquer des blocages lors de la coupe des tissus mous. Deuxièmement, le rasoir ne peut couper que du tissu synovial mou - les médecins doivent polir l'os à l'aide de fraises. Par conséquent, des changements de lame fréquents sont nécessaires pendant la chirurgie, ce qui augmente la durée de l'opération. Les dommages causés par la coupe et l'usure du rasoir sont également des problèmes répandus. L'usinage de précision et le contrôle de précision conduisent également à un indice d'évaluation unifié.

Le premier problème est causé par le grand jeu entre les lames intérieure et extérieure et le manque de surface de travail lisse du rasoir. La solution au deuxième problème peut être d'augmenter l'angle de la lame du rasoir et d'augmenter la résistance du matériau dans la conception.

Le nouveau rasoir arthroscopique à double lame dentée de BJKMC a le potentiel de résoudre les problèmes d'arêtes de coupe émoussées, de blocage facile et d'usure rapide de l'outil. Afin de vérifier l'aspect pratique du nouveau design de rasoir de BJKMC, il a été comparé au produit équivalent de Dyonics◊, l'Incisor◊ Plus Blade.

Le nouveau rasoir d'arthroscopie articulaire avait une structure « tube dans un tube », comprenant un manchon extérieur en acier inoxydable et un tube intérieur creux rotatif, avec des fenêtres d'aspiration et de coupe correspondantes sur le manchon extérieur et le tube intérieur. Il y a des dents dentelées sur la canule interne et externe. Pendant le fonctionnement, un système d'alimentation entraîne la rotation du tube interne et la morsure de la dent du tube externe en coordination avec la coupe. Les tissus de coupe finis et les corps en vrac sont extraits du joint à travers le tube interne creux. Pour améliorer les performances et l'efficacité de coupe, une structure de dent concave a été sélectionnée. Le soudage au laser a été utilisé pour synthétiser les pièces. La structure générale de la tête de rasage à double denture est illustrée à la Fig. 2.

Le schéma structurel de la lame de rasoir.

En termes de structure globale, le diamètre externe de l'extrémité avant du rasoir d'arthroscope était légèrement inférieur à celui de l'extrémité arrière. Étant donné que la pointe et le bord de la fenêtre de coupe peuvent éroder et endommager la surface articulaire, le rasoir ne doit pas être forcé dans les espaces articulaires. En outre, la largeur de la fenêtre du rasoir doit être grande dans une plage raisonnable. Plus la fenêtre est large, plus la capacité d'organisation du rasoir en matière de coupe et d'aspiration est forte, et mieux les blocages de fenêtre peuvent être évités.

Explorer l'influence de la forme des dents sur la force de coupe. Les modèles 3D du rasoir ont été créés à l'aide du logiciel SolidWorks (SolidWorks 2016, SolidWorks Corp., MA, US). Les modèles de gaine externe avec différentes formes de dents ont été importés dans le logiciel d'éléments finis (ANSYS Workbench 16.0, ANSYS Inc., US) pour la génération de maillage et l'analyse des contraintes. Les propriétés mécaniques des matériaux (module d'élasticité et coefficient de Poisson) sont présentées dans le tableau 1. La densité de maille utilisée pour les tissus mous est de 0,05 mm et nous affinons les 11 faces de la raboteuse en contact avec les tissus mous (Fig. 3a). Le nombre de nœuds dans l'ensemble du modèle est de 40 522 et le nombre de mailles est de 45 449. Dans le réglage des conditions aux limites, nous limitons complètement les 6 degrés de liberté donnés aux 4 côtés des tissus mous et la lame du rasoir tourne de 20° autour de l'axe X (Fig. 3b).

Paramètres du maillage et des conditions aux limites. (a) Raffinement du maillage. (b) Face de rotation de la lame du rasoir.

A partir de l'analyse de trois modèles de shaver (Fig. 4), le point de contrainte maximale apparaît au niveau de la mutation structurale, qui est conforme aux propriétés mécaniques. Le rasoir est un instrument jetable4 et il y a peu de risque de fracture de la lame à usage unique. Par conséquent, nous nous concentrons principalement sur ses performances de coupe. La contrainte équivalente maximale agissant sur les tissus mous peut refléter cette propriété. Dans les mêmes conditions de travail, lorsque la contrainte équivalente maximale est la plus grande, on considère au préalable que sa performance de coupe est la meilleure. À partir de la contrainte sur les tissus mous, la contrainte de cisaillement maximale sur les tissus mous a été générée par le rasoir avec un profil de dent de 60° (39,213 MPa).

La répartition des contraintes du rasoir et des tissus mous lorsque la gaine extérieure du rasoir avec différentes formes de dents est utilisée pour couper les tissus mous : (a) profil de dent de 50°, (b) profil de dent de 60°, (c) profil de dent de 70°.

Pour vérifier la rationalité de la conception de la nouvelle lame de rasoir de BJKMC, elle a été comparée au produit équivalent de Dyonics◊, la lame Incisor◊ Plus (Fig. 5), qui a les mêmes spécifications. Trois produits du même type de chaque produit ont été utilisés dans toutes les expériences. Tous les rasoirs utilisés étaient neufs et sans dommage.

La lame double dentée (BJKMC) et la lame Incisor◊Plus (Dyonics◊).

Les facteurs affectant les performances du rasoir incluent la dureté et l'épaisseur de la lame, la rugosité du tube métallique, ainsi que le profil et l'angle des dents. Afin de mesurer le profil et l'angle des dents, un projecteur de profil (Starrett 400 SERIES Fig. 6) avec une résolution de 0,001 mm a été sélectionné. Dans l'expérience, la tête de rasage a été placée sur une table de travail. Le profil et l'angle des dents ont été mesurés en fonction du réticule sur l'écran de projection, et la valeur mesurée a été déterminée à l'aide d'un micromètre comme différence entre les deux lignes. La taille réelle du profil de la dent a été obtenue en la divisant par le facteur de grossissement de l'objectif sélectionné. Afin de mesurer l'angle de la dent, des points fixes de chaque côté de l'angle mesuré ont été alignés avec l'intersection d'une sous-ligne sur l'écran d'ombre, et la lecture a été effectuée à l'aide du curseur d'angle de la table de travail.

Le projecteur de profil (Starrett 400 SERIES).

En répétant cette expérience, la longueur de travail (tube intérieur et extérieur), le diamètre extérieur des extrémités avant et arrière, la longueur et la largeur de la fenêtre, la hauteur des dents et d'autres dimensions clés ont été mesurés.

L'instrument à pointe aiguille a été utilisé pour tester la rugosité de la surface. La pointe de l'instrument s'est déplacée horizontalement sur l'échantillon, perpendiculairement à la direction de la texture de traitement. La rugosité moyenne, Ra, a été directement obtenue à partir de l'équipement. La figure 7 montre l'instrument à aiguille pointue (Mitutoyo SJ-310).

L'instrument à aiguille pointue.

La dureté des lames du rasoir a été mesurée selon le test de dureté ISO 6507-1:2005 Vickers5. Le pénétrateur en diamant a été pressé contre la surface de l'échantillon sous une certaine force d'essai pendant un temps spécifié. La longueur diagonale de l'indentation a ensuite été mesurée après avoir retiré l'indenteur. La dureté Vickers est proportionnelle au quotient de la force d'essai divisé par la surface de l'indentation.

L'épaisseur de paroi des têtes de rasage a été mesurée avec une précision de 0,01 mm et une plage de mesure d'environ 0 à 200 mm en insérant une rotule cylindrique. L'épaisseur de paroi a été déterminée comme la différence entre les diamètres extérieur et intérieur de l'outil. Le processus expérimental de mesure de l'épaisseur est illustré à la Fig. 8.

Le processus expérimental de mesure de l'épaisseur.

La performance structurelle du rasoir de BJKMC a été comparée à celle du rasoir de Dyonics◊ de la même spécification. Les données de performance de chaque partie des produits ont été mesurées et comparées. D'après les données dimensionnelles, la capacité de coupe des deux produits était prévisible. Les deux produits ont montré d'excellentes performances structurelles ; des analyses comparatives encore conductrices sont nécessaires à partir de divers aspects.

Tous les auteurs ont lu et approuvé le manuscrit final pour publication.

Selon l'expérience d'angle, les résultats sont présentés dans les tableaux 2 et 3. Il n'y avait pas de différence statistique entre les valeurs moyennes et les écarts types des données d'angle de profil de dent des deux produits.

Certaines dimensions clés des deux produits sont comparées à la Fig. 9. En termes de largeur et de longueur des tubes intérieur et extérieur, les fenêtres des tubes intérieur et extérieur de Dyonics sont un peu plus longues et plus larges que celles du BJKMC. Cela signifie que Dyonics◊ peut avoir plus d'espace de coupe et que le tube n'est pas facilement bloqué. Il n'y avait pas de différence statistique entre les deux produits dans les autres dimensions.

Dimensions clés de deux types de rasoirs.

Les pièces du rasoir de BJKMC ont été assemblées par soudage au laser. Par conséquent, il n'y avait pas de pression externe sur les pièces à souder. Les pièces à souder ne sont pas affectées par l'effet thermique ou la déformation thermique. Le site de soudage était étroit avec une grande profondeur de pénétration et la pièce de soudage avait une résistance mécanique élevée, de fortes vibrations et une grande résistance aux chocs. Les pièces soudées au laser ont une grande fiabilité lors de l'assemblage14,15.

La rugosité de surface est une mesure de la texture de surface. On considère qu'il s'agit des composantes haute fréquence et courte longueur d'onde de la surface mesurée, qui déterminent l'interaction entre l'objet et l'environnement16. La surface intérieure du manchon extérieur et le tube intérieur du couteau interne 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 de travail.

La rugosité de la surface de la gaine extérieure, la surface intérieure et extérieure de la lame intérieure des deux types de tuyaux métalliques ont été obtenues par des expériences. Leur valeur moyenne est représentée par la Fig. 10. La surface interne de la gaine externe et la surface externe du couteau interne étaient les principales surfaces de travail. La surface de la gaine interne de BJKMC et la surface externe du couteau interne avaient une rugosité inférieure à celles des produits équivalents de Dyonics◊ (avec les mêmes spécifications). Cela signifie que les produits de BJKMC peuvent avoir des résultats satisfaisants en termes de performances de coupe.

Les données de rugosité du tube métallique.

Selon le test de dureté de la lame, les données expérimentales des deux groupes de lames de rasoir sont présentées à la Fig. 11. Étant donné que la lame de rasoir doit avoir une résistance, une ténacité et une plasticité élevées, la plupart des rasoirs d'arthroscope sont en acier inoxydable austénitique. Cependant, la tête de rasage de BJKMC est en acier inoxydable martensitique 1RK91. L'acier inoxydable martensitique lui confère une résistance et une ténacité supérieures à celles de l'acier inoxydable austénitique17. Les éléments chimiques du produit de BJKMC étaient conformes à la norme S46910 lors du processus de forgeage (appareil chirurgical ASTM-F899). Ce matériau a passé avec succès les tests de cytotoxicité et est largement utilisé dans les appareils médicaux.

Les données de dureté de la lame de rasoir.

A travers les résultats de l'analyse par éléments finis, on peut voir que la partie concentration de contraintes du shaver se situe principalement sur le profil de la dent. 1RK91 est un acier inoxydable super martensite à haute résistance et haute ténacité, il peut montrer une bonne résistance à la traction à température ambiante et à haute température. La résistance à la traction à température ambiante peut atteindre plus de 2000 MPa, et la valeur de contrainte maximale dans les résultats de l'analyse par éléments finis est d'environ 130 MPa, ce qui est loin de la limite de rupture du matériau et nous pensons qu'il y a peu de risque de rupture de lame.

L'épaisseur de la lame affecte directement les performances de coupe du rasoir. Plus l'épaisseur de paroi est fine, meilleures sont les performances de coupe. Le nouveau rasoir de BJKMC a minimisé l'épaisseur de paroi de deux tiges tournant l'une par rapport à l'autre, avec une épaisseur de paroi de tête de couteau plus fine que celle du produit équivalent de Dyonics◊. Le couteau plus fin peut augmenter la force de coupe de la tête de lame.

Les données du tableau 4 démontrent que l'épaisseur de paroi du rasoir de BJKMC obtenue par la méthode d'épaisseur de paroi rotative par compression était plus mince que la même spécification du rasoir de Dyonics◊.

Selon les données de l'expérience comparative, le nouveau rasoir d'arthroscopie de BJKMC ne présente aucune différence structurelle évidente par rapport au modèle équivalent de Dyonics◊. Par rapport à la lame Incisor◊ Plus de Dyonics◊ en termes de propriétés matérielles, la lame à double denture de BJKMC avait une surface de travail plus lisse, une tête de lame plus dure et plus fine. Par conséquent, le produit de BJKMC peut avoir des performances satisfaisantes en matière de chirurgie. Cette étude portait sur la conception prospective et les performances de travail spécifiques devraient être vérifiées lors d'expériences ultérieures.

Toutes les données sont disponibles dans le manuscrit.

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Cette recherche n'a reçu aucune subvention spécifique d'un organisme de financement des secteurs public, commercial ou à but non lucratif.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Xuelian Gu et Shiting Yuan.

School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, No. 516 Jungong Road, Shanghai, 200093, République populaire de Chine

Xuelian Gu, Shiting Yuan, Pengju Xu, Shanshe Xiao, Wentao Liu, Peng Liang et Gaiping Zhao

ShangHai Ligatech Bioscience Co. Ltd, 508 Tianchen Road, Shanghai, 201712, République populaire de Chine

Weiguo Lai

Shanghai BJ-KMC Medical Technology Co., Ltd., Building #23,528 Ruiqing RD, Zhangjiang High-Tech Park East, Pudong, Shanghai, 201712, République populaire de Chine

Zhi Chen

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SY a contribué à la conception de l'étude, réalisé les expériences et les analyses de données, rédigé le manuscrit. PX, ZC, SX, WL, PL et GZ ont aidé à concevoir les expériences. XG et WL ont aidé à effectuer l'analyse avec des discussions constructives.

Correspondance avec Xuelian Gu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Gu, X., Yuan, S., Xu, P. et al. La conception d'un nouveau rasoir d'arthroscopie. Sci Rep 12, 13774 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17674-2

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Reçu : 09 mai 2021

Accepté : 29 juillet 2022

Publié: 12 août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-17674-2

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