Las lesiones relacionadas con el deporte son una causa común de roturas de ligamentos y daños en tendones en hombros, rodillas, muñecas, codos y tobillos. Estas lesiones pueden ser tratadas y curadas a partir de la cirugía denominada "artroscopia", un procedimiento basado en la visualización, diagnóstico y el tratamiento de estos problemas comunes. Este tipo de cirugía reduce de manera significativa el trastorno y el traumatismo comparado con otro tipo de cirugía más convencional, reduciendo al mínimo el malestar, los dolores y el tiempo de recuperación. A partir de una incisión no más profunda que el ojo de una cerradura, un cirujano inserta en el cuerpo del paciente (en la zona dañada), un instrumento denominado "artroscopio" que proporciona una visión clara y detallada de la articulación (a través de un monitor), durante la operación.
Los instrumentos utilizados para llevar a cabo la cirugía astroscópica, incluyen sistemas especializados controlados a traves de sistemas computerizados, como los diseñados y manufacturados por Gyrus Medical. Ltd. Gyrus es una compañía basada en gran medida en proyectos de investigación y desarrollo, con un nivel de facturación de 150 millones de libras, y con centros de trabajo en Cardiff, Gales, Reino Unido, Minneapolis y Memphis (USA).
Recientemente, Gyrus desarrolló un instrumento de control de temperatura (TC) como un componente del Sistema de Radiofrecuencia Bipolar VAPR™ (Bipolar Radiofrequency System), desarrollado por Mitek Products (www.vapr.com). El desafío que Gyrus se propuso, fue diseñar y fabricar un instrumento que funcionara y se comportase con precisión y exactitud, incluso en condiciones de altas temperaturas durante la operación quirúrgica.
Gyrus utilizó el software de diseño asistido por ordenador de Solid Edge, para modelar el extremo del ensamblaje del instrumento de control de temperatura, y el software de ALGOR de análisis de elementos finitos (FEA), para verificar el resultado bajo tensión térmica. La tecnología InCAD de ALGOR proporcionó un intercambio directo de datos del extremo del ensamblaje con ALGOR, y a dinamizar el proceso de análisis y modelado, lo que ayudó a Gyrus a entregar con total éxito el diseño final del instrumento de temperatura de control.
UNA CIRUGÍA MÁS RAPIDA Y SEGURA PARA LOS PACIENTES
El sistema VAPR consiste en un generador y el instrumento requerido para realizar la cirugía artroscópica. En el caso del instrumento de temperatura de control (TC), el generador crea formas de onda de radiofrecuencia (RF) a una frecuencia de más de 500.000 oscilaciones por segundo, que son dispersadas por el extremo del instrumento, generando de este modo calor durante el proceso. Durante el procedimiento denominado "modificación térmica", el cirujano utiliza el instrumento TC para aplicar calor en el tejido de la articulación, lo que provoca que éste se contraiga, de tal modo que se ajuste a la articulación.
Por ejemplo, consideremos a un paciente con una articulación en un hombro que es inestable y que siempre aparece como consecuencia del resultado de ser inhábil a la hora de levantar el brazo normalmente. La función de la articulación del hombro se deteriora porque el ligamento que rodea a dicha articulación es estrecho y flojo. La cirugía de modificación termal puede ser utilizada entonces para apretar el ligamento capsular y restablecer la función normal del hombro.
Gyrus necesitaba diseñar un instrumento TC que proporcionara una rápida y precisa modificación térmica en el tejido, mientras que soporta las tensiones debidas a la expansión. Una de las claves fundamentales era cómo el instrumento se comportaba sometido a las temperaturas durante una operación. El calor puede afectar a las piezas del instrumento (en el sentido que las dilata), lo que da lugar a una tensión termomecánica. No obstante, la expansión no debe afectar a la capacidad del instrumento a la hora de permitir que el cirujano fije una temperatura específica, de tal modo que el procedimiento sea realizado y se mantenga controlada esa temperatura para la modificación exacta del tejido.
SATISFACCION DEL DESAFIO DEL DISEÑO CON CAD Y FEA
Según el Analista de Materiales de Gyrus, Mike Hagland, "desde que el instrumento es insertado en el cuerpo de un paciente para la modificación del tejido, la evaluación de su funcionamiento y la obtención de resultados exactos y precisos es una parte crítica". Hagland creó un modelo en 3D del instrumento TC utilizando Solid Edge. El modelo consiste en un tubo inoxidable, con capas adhesivas, de material aislante del polímero y acero inoxidable. Estas partes contienen propiedades que les permiten soportar altas temperaturas y stress térmico durante la operación. Hagland entonces capturó el modelo completo ensamblado a partir del intercambio directo de datos con ALGOR.
En ALGOR, Hagland estudió el modelo a partir de la transferencia térmica en estado estacionario y de los análisis de tensión. Especificó el comportamiento de las propiedades del material para las partes del ensamblaje adhesivas y aislantes, y utilizó propiedades standard tomadas de la biblioteca de materiales que lleva incorporada, para las partes de acero inoxidable.
Para el análisis de la transferencia térmica en estado estacionario, fue especificada una temperatura de 65º, lo que simuló una temperatura requerida de 20W, que era la necesaria para proporcionar una contracción capsular adecuada durante el proceso de cirugía en el hombro. Los parámetros de la convección fueron aplicados utilizando un calculador de convección, para simular la proporción salina en el extremo y el aire alrededor del tubo. Las temperaturas del análisis del estado estacionario del traspaso térmico, fueron entonces utilizadas como datos de entrada para un análisis estático linear para determinar las tensiones termales. Los resultados a través del cálculo de elementos finitos, revelaron que las tensiones termales encontradas durante el procedimiento estaban en conformidad con los límites aceptables para cada componente del instrumento.
Los test de laboratorio realizados confirmaron los resultados mediante el cálculo de elementos finitos. "La prueba del prototipo fue realizada con un material de silicona en una solución salina, simulado en el entorno de la operación" explicó Hagland. "La correlación entre los datos de prueba y los resultados de FEA proporcionó confianza en el diseño. Utilizamos el análisis y las pruebas prácticas de ALGOR para un rápido y progresivo método de diseño concurrente".
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