Optimización y caracterización del diseño de un mini manipulador endoscópico de doble brazo

Abstract

[ES] La introducción de la cirugía mínimamente invasiva (MIS), en particular de técnicas como la cirugía endoscópica flexible (FES), está notablemente relacionada con la mejora de las capacidades mecánicas de los instrumentos quirúrgicos, así como de su creciente aptitud para ser reprocesados médicamente.

El objetivo principal del trabajo actual es, por una parte, optimizar el diseño mecánico de un instrumento quirúrgico endoscópico compuesto de varios mecanismos flexibles, también denominados compliant mechanisms. La optimización debe de ser tal que le permita llevar a cabo la tarea para la que fue inicialmente diseñado, la resección transuretral de tumores vesicales. La influencia de diferentes parámetros se probará en un modelo extraído de manera experimental, en particular la longitud, L; ancho, b; y espesor, h, del mecanismo. Por otra parte, y debido a la complejidad de su diseño, existe la necesidad de verificar su aptitud para ser esterilizado. Para ello, una serie de experimentos han servido para la redacción de una guía en términos de reprocesado médico mediante el método de calor húmedo o esterilización por vapor, también conocido como autoclave. Esta guía es aplicable a todo tipo de instrumentos cilíndricos huecos de acero inoxidable con paredes de espesor reducido así esterilizados, y proporciona información sobre la procesabilidad de un lumen de longitud y diámetro interno determinados.

Finalmente se obtiene experimentalmente un modelo final capaz de predecir el comportamiento mecánico del mecanismo para un rango de valores geométricos adaptados a las necesidades del manipulador quirúrgico en cuestión. Este modelo describe el comportamiento de dicha estructura en términos de resistencia y flexibilidad y, en particular, proporciona el máximo ángulo de deflexión, con un error medio de 0,75º ± 0,72º, que el mecanismo puede alcanzar antes de experimentar el fallo mecánico, es decir, la deformación plástica. Se obtiene que las únicas variables influyentes son la longitud y el espesor del mismo. La validación final del modelo debe de ser considerada como uno de los trabajos futuros más inmediatos.

En lo referente a su procesabilidad médica, se logra encontrar un método de inoculación directo adecuado para geometrías pequeñas y complejas como las existentes en los instrumentos quirúrgicos destinados a la microcirugía que no pueden incorporar técnicas de medición tradicionales. Este método consistente en un paso de descarga donde la superficie interna del lumen es contaminada directamente con la carga microbiana. De los experimentos se deduce que los diámetros pequeños obstaculizan en mayor medida el proceso de esterilización y, en particular, los lúmenes estrechos con diámetros interiores inferiores a 1 mm no pueden ser esterilizados mediante autoclave. Las afirmaciones sobre los lúmenes de diámetro interior entre 1 y 2 mm muestran una tendencia según la cual la longitud del lumen favorece el proceso de esterilización, lo que debería investigarse más profundamente con un número de pruebas más representativo. Lúmenes con un diámetro interno de 5 mm no presentan crecimiento bacteriano alguno, considerados por tanto como geometrías estériles.

[EN] The introduction of minimally invasive surgery (MIS), in particular techniques such as flexible endoscopic surgery (FES), is remarkably related to the improvement of the mechanical capabilities of surgical instruments, as well as their increasing aptitude to be medically reprocessed.

The main objective of the current work is, on the one hand, to optimize the mechanical design of an endoscopic surgical instrument composed of several flexible mechanisms, also called compliant mechanisms. The optimization must be such that it allows it to carry out the task for which it was initially designed, the transurethral resection of bladder tumors. The influence of different parameters will be tested on an experimentally extracted model, in particular the length, L; width, b; and thickness, h, of the mechanism. On the other hand, and due to the complexity of its design, there is a need to verify its suitability for sterilization. To this end, a series of experiments have been used to write a guide in terms of medical reprocessing using the moist heat method or steam sterilization, also known as autoclave. This guide is applicable to all types of hollow stainless steel cylindrical instruments with thus sterilized thin-walled walls, and provides information on the processability of a lumen of determined length and internal diameter.

Finally, a final model is obtained experimentally, capable of predicting the mechanical behaviour of the mechanism for a range of geometric values adapted to the needs of the surgical manipulator in question. This model describes the behaviour of this structure in terms of strength and flexibility and, in particular, provides the maximum deflection angle, with an average error of 0.75º ± 0.72º, which the mechanism can reach before experiencing mechanical failure, i.e. plastic deformation. It is obtained that the only influential variables are its length and thickness. The final validation of the model must be considered as one of the most immediate future works.

With regard to its medical processability, a direct inoculation method suitable for small and complex geometries such as those existing in surgical instruments intended for microsurgery that cannot incorporate traditional measurement techniques can be found. This method consists of a discharge step where the internal surface of the lumen is directly contaminated with the microbial load. Experiments show that small diameters are a major obstacle to the sterilization process and, in particular, narrow lumens with inner diameters of less than 1 mm cannot be autoclaved. Claims about lumens with an internal diameter between 1 and 2 mm show a trend whereby the length of the lumen favours the sterilisation process, which should be further investigated with a more representative number of tests. Lumens with an internal diameter of 5 mm do not show any bacterial growth and are therefore considered sterile geometries.