DE4408730A1

DE4408730A1 - Controllable instrument channel for min invasive surgery

Info

Publication number: DE4408730A1
Application number: DE19944408730
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Daum
Original assignee: Daum GmbH
Current assignee: Daum GmbH
Priority date: 1994-03-15
Filing date: 1994-03-15
Publication date: 1995-09-21

Abstract

The instrument channel has a number of actuators (2) embedded in the channel wall (1), which is made of a resilient material for defection in required radial directions, by operation of individual actuators or actuator groups. Pref. the momentary angular position of the instrument channel is detected by embedded switches or sensors, e.g. expansion measuring strips, or resistance measuring electrodes embedded in an electrically-conductive rubber forming the channel wall. The required curvature of the instrument channel may be entered via a second channel of similar configuration, bent into shape by the operator.

Description

Die Erfindung betrifft einen steuerbaren Instrumentenkanal nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a controllable instrument channel the preamble of claim 1.

Das Problem bei zu schiebenden schlauchförmigen Geräten, wie z. B. flexiblen Endoskopen und Kathetern, ist ihre Starrheit während des Vortriebs. Lenkmechanismen bewegen oft nur das distale Ende des Gerätes, so daß dieses während des Vortriebs im medizinischen Einsatz mit seiner Längsseite an dem Gewebe entlangschleift. Dies verursacht oft Schmerzen und Traumata und ist der Grund für den räumlich begrenzten Einsatz. Denn es ist bisher nicht möglich, Katheter oder flexible Endoskope um enge Biegungen herumzuführen. Speziell gibt es daher auch noch keine Endoskope, die den Dünndarm in seiner gesamten Länge durchfah ren können. Auch ist der Einsatz von Minirobotern oder Mini fahrzeugen aufgrund der extrem glitschigen und empfindlichen Innenoberfläche sowie der Peristaltik nahezu unmöglich.The problem with tubular devices to be pushed, such as e.g. B. flexible endoscopes and catheters, is their rigidity during the advance. Steering mechanisms often only move that distal end of the device so that this during propulsion in medical use with its long side on the tissue grinds along. This often causes pain and trauma is the reason for the limited use. Because it is So far not possible to close catheters or flexible endoscopes To bend around. Therefore, there are none in particular Endoscopes that cover the entire length of the small intestine can. Also the use of mini robots or mini vehicles due to the extremely slippery and sensitive Inner surface and peristalsis almost impossible.

Die hier vorgelegte Erfindung behebt das Problem durch einen speziellen Einsatz eines bekannten Biegemechanismus, der es erlaubt, das schlauchförmige Gerät an jeder beliebigen Stelle in jede Richtung zu bewegen. Das Gerät zur Eingabe der gewünschten Biegung basiert auf dem in der Europäischen Paten tanmeldung 93109348.8 dargelegten Abtastprinzip einer Form eines elastischen Körpers.The invention presented here solves the problem by special use of a known bending mechanism that it allows the tubular device at any point to move in any direction. The device for entering the desired bend is based on that in the European Godfather tanmeldung 93109348.8 scanning principle of a form of an elastic body.

Anhand der folgenden Figuren wird das Gerät näher erläutert:The device is explained in more detail using the following figures:

Fig. 1a - Querschnitt durch einen Teil eines schlauch förmiges Gerät mit Plättchen aus Formgedächtnis- oder Bimetall,
b - Längsschnitt durch das schlauchförmiges Gerät der Fig. 1a entlang der Linie A-A′ und
c - Querschnitt wie in Fig. 1a mit die Bewegungsrichtung der Aktuatoren anzeigenden Pfeilen. Fig. 1a - cross section through a part of a tubular device with plates made of shape memory or bimetal,
b - longitudinal section through the tubular device of FIG. 1a along the line AA 'and
c - cross section as in FIG. 1a with arrows indicating the direction of movement of the actuators.

Fig. 2a - Querschnitt durch ein schlauchförmiges Gerät mit Spiralfedern aus Formgedächtnismaterial,
b - Längsschnitt durch das schlauchförmiges Gerät der Fig. 1a im ungeschalteten Zustand und
c - im geschalteten Zustand. FIG. 2a - cross section through a tubular device with coil springs of shape memory material
b - longitudinal section through the tubular device of Fig. 1a in the unswitched state and
c - in the switched state.

Fig. 3 Beispiel des Einsatzes des Gerätes beim Durchfahren eines unbekannten Ganges in fünf Einzelzeitschritten. Fig. 3 example of the use of the device when driving through an unknown gear in five individual time steps.

Fig. 4 Eingabegerät für die gewünschte Biegung eines steuer baren Instrumentenkanals,
a - im Querschnitt
b - im Längsschnitt an der Ebene BB′ im ungekrümmten Zustand und
c - im Längsschnitt an der Ebene BB′ im gekrümmten Zustand. Fig. 4 input device for the desired bending of a controlling cash instrument channel,
a - in cross section
b - in longitudinal section on the plane BB 'in the uncurved state and
c - in longitudinal section on the plane BB 'in the curved state.

Fig. 5 Eingabegerät für die gewünschte Biegung eines steuer baren Instrumentenkanals mit an ein leitfähiges Gummi angesetzten Elektroden. Fig. 5 input device for the desired bend of a controllable instrument channel with electrodes attached to a conductive rubber.

Fig. 6 Stützvorrichtung im Inneren des Eingabegerätes. Fig. 6 support device inside the input device.

Fig. 1 verdeutlicht den Aufbau eines steuerbaren Instrumenten kanals im Querschnitt. Der Kanalmantel 1 ist aus einem elasti schen Material gefertigt, in den die Aktuatoren 2 eingelagert sind. Diese können z. B. Streifen aus Formgedächtnis- oder Ther mobimetall sein. Diese Aktuatoren sind so eingebaut, daß sie sich in radialer Richtung nach außen biegen. Diese Wirkrichtung ist durch die Pfeile 3 angedeutet. Die dabei frei werdende Wärme kann mittels Kühlmittel abgeführt werden. Dieses Kühl mittel fließt durch die ebenfalls in den elastischen Kanalman tel eingelassenen Kanäle bzw. Schläuche 4. Die hier nicht ge zeigten Stromzuführungen verlaufen in einem Leitungskanal 5 z. B. als auf Folie gedruckte Leitungen. Der Leitungskanal kann, wie hier gezeigt, von dem Anwendungskanal 6 durch einen Schlauch 7 getrennt liegen. Die Leitungen könnten aber auch in ihrer Gesamtheit in den elastischen Kanalmantel eingebettet sein. Fig. 1 illustrates the structure of a controllable instrument channel in cross section. The channel jacket 1 is made of an elastic rule's material, in which the actuators 2 are embedded. These can e.g. B. strips of shape memory or Ther mobimetall. These actuators are installed so that they bend outwards in the radial direction. This direction of action is indicated by the arrows 3 . The heat released in the process can be dissipated using coolant. This coolant flows through the also in the elastic Kanalman tel channels or hoses 4th The power supplies not shown here run in a conduit 5 z. B. as printed lines on foil. As shown here, the line duct can be separated from the application duct 6 by a hose 7 . However, the lines as a whole could also be embedded in the elastic duct jacket.

Hier ist nur eine Lage aus Aktuatoren gezeigt. Möglich sind mehrere übereinander oder ineinander verschachtelte Lagen in radialer Richtung. Auch kann die Aktuatorenanzahl an einzelnen Stellen entlang des Gerätes variieren.Only one layer of actuators is shown here. Possible are several layers nested one above the other or one inside the other radial direction. The number of actuators can also be individual Places vary along the device.

Da die Aktuatoren in radialer Richtung wirken, ist durch ein sukzessives Schalten einiger oder Gruppen von Aktuatoren eine beliebige Biegung des Schlauches möglich. In radialer Richtung ergibt sich die Auslenkung durch Vektoraddition der Richtungs pfeile 3.Since the actuators act in the radial direction, any bending of the hose is possible by successively switching some or groups of actuators. In the radial direction, the deflection results from the vector addition of the direction arrows 3 .

Fig. 2 zeigt die Biegung eines Teilstückes 8 eines schlauch förmigen Instrumentenkanals, welches mit aus Formgedächtnis material gefertigten Spiralfedern 9 verformt wird. Die Strom- und Kühlleitungen sind zur besseren Übersicht hier nicht mit gezeichnet. Die Federn 9 liegen mit ihrer Längsrichtung, welche auch ihre Wirkrichtung ist, in Schlauchlängsrichtung. Fig. 2b zeigt die Federn im ungeschalteten Zustand. Bei Erwärmung kon trahieren die Federn 10 und 11, und die Federn 12 dilatieren. Das Schlauchteilstück biegt dann in der in Fig. 2c gezeigten Art, wenn die Federn 10′, 11′ und 12′ geschaltet werden. Fig. 2 shows the bend of a section 8 of a hose-shaped instrument channel, which is deformed with spiral springs 9 made of shape memory material. The power and cooling lines are not shown here for a better overview. The springs 9 lie with their longitudinal direction, which is also their direction of action, in the longitudinal direction of the hose. FIG. 2b shows the springs in the unswitched state. When heated, the springs 10 and 11 contract and the springs 12 dilate. The hose section then bends in the manner shown in Fig. 2c when the springs 10 ', 11 ' and 12 'are switched.

Aufgrund der Vielzahl von in den elastischen Kanalmantel einge lagerten Schaltelementen läßt sich der Schlauch an jeder belie bigen Stelle des Gerätes verformen und beim Vorschub um nahezu jede Biegung lenken. Als Beispiel ist in Fig. 3 das Durchfahren eines unbekannten Kanals 13 in fünf Einzelzeitschritten ge zeigt. Der auf einer Rolle 14 gelagerte schlauchförmige Instru mentenkanal wird durch Abrollen - in der Figur durch den Pfeil 15 gezeigt - in den Kanal 13 geschoben. An Biegungen wird das Gerät entsprechend ausgelenkt. Diese Auslenkung kann durch entsprechendes sukzessives Schalten der Aktuatoren in proximale Richtung wandern. Im bewegten Koordinatensystem des Gerätes wandern die Schlauchbiegungen in Richtung Rolle 14, im orts festen Koordinatensystem des Kanals bleiben sie an den Kanal krümmungen stehen.Due to the large number of switching elements stored in the elastic channel jacket, the hose can be deformed at any position on the device and steered by almost every bend when feeding. As an example, the passage through an unknown channel 13 in five individual time steps is shown in FIG. 3. The tubular instrument channel mounted on a roller 14 is pushed into the channel 13 by rolling - shown in the figure by the arrow 15 . The device is deflected accordingly at bends. This deflection can move in the proximal direction by successively switching the actuators. In the moving coordinate system of the device, the hose bends move in the direction of roll 14 , in the stationary coordinate system of the channel they remain at the channel bends.

Die Auslenkung kann im medizinischen Einsatz durch z. B. Rönt genbeobachtungen gesteuert werden. Es können auch Dehnungsmeß streifen, Schalter oder Drucksensoren in oder an den Kanalman tel positioniert sein. Das Gerät kann so freischwebend durch den Raum getrieben werden. Beim Einsatz z. B. im menschlichen Dünndarm wird somit eine Belastung der empfindlichen Innenhäute vermieden. Durch angesetzte Drucksensoren kann das Gerät den peristaltischen Bewegungen des Darms ausweichen.The deflection can in medical use by z. B. X-ray genetic observations can be controlled. Strain gauges can also be used strips, switches or pressure sensors in or on the Kanalman be positioned. The device can float freely the room be driven. When using z. B. in human The small intestine becomes a burden on the sensitive inner skin avoided. With attached pressure sensors, the device can dodge peristaltic movements of the intestine.

Das Gerät zur Eingabe der gewünschten Biegung basiert auf dem in der Europäischen Patentanmeldung 93109348.8 dargelegten Abtastprinzip einer Form eines elastischen Körpers.The device for entering the desired bend is based on the in European patent application 93109348.8 Principle of scanning a shape of an elastic body.

Fig. 4a zeigt eine mögliche Meßvorrichtung. Dargestellt ist der Querschnitt einer schlauchförmigen Meßapparatur, die aus elek trisch leitfähigem Gummi 19 aufgebaut ist. Dieses Meßinstrument stellt von seiner Form her eine identische Nachbildung des Instrumentenkanals dar, welche der Operateur außerhalb des Einsatzgebietes in den Händen halten kann. Fig. 4a shows a possible measuring device. The cross section of a tubular measuring apparatus is shown, which is constructed from electrically conductive rubber 19 . The shape of this measuring instrument represents an identical replica of the instrument channel, which the surgeon can hold in his hands outside of the area of application.

In das Gummi eingebettet sind Elektroden 16. Diese sind hier schematisch als Kreise dargestellt, können aber jede beliebige Form besitzen. Fig. 4b zeigt den Längsschnitt entlang der Ebene BB′ der Fig. 4a. Wird dieses so geartete Eingabegerät vom Ope rateur gekrümmt, dehnt sich das Material 19′ auf der einen und staucht 19′′ sich auf der anderen lateralen Seite. Ist die Leitfähigkeit des Material druckabhängig, so kann zwischen den Elektroden 16′ ein höher und zwischen den Elektroden 16′′ ein geringerer elektrischer Widerstand gemessen werden. Electrodes 16 are embedded in the rubber. These are shown here schematically as circles, but can have any shape. Fig. 4b shows the longitudinal section along the plane BB 'of Fig. 4a. If this type of input device is curved by the operator, the material 19 'stretches on one side and compresses 19 ''on the other lateral side. Is the conductivity of the material pressure-dependent, 16 'a higher between the electrodes 16', a lower electrical resistance are measured 'between the electrodes.

Diese Meßergebnisse werden genutzt, um den Instrumentenkanal gezielt zu verformen. Der Operateur hat das steuerbare schlauchförmige Gerät damit geradezu in der Hand. In einem Kanal 20 des Eingabegerätes kann eine Stützvorrichtung einge arbeitet sein, die die gekrümmte Form dauerhaft bis zur näch sten Ausbiegung hält. Fig. 6 zeigt hierzu eine Beispielkon struktion im Schnitt. Die Einzelteile 18 der Stützvorrichtung haben einen greifzangenförmigen 21 und einen kugelförmigen 22 Teil, sie sind rotationssymmetrisch zur Achse CC′. Fig. 6b zeigt, wie der greifzangenförmige Teil auf dem kugelförmigen Teil des nächsten Stützteils 18 sitzt. Dabei ist der durch den greifförmigen Teil ausgeübte Druck gerade ausreichend, um ein selbständiges Verrutschen zu verhindern.These measurement results are used to selectively deform the instrument channel. The operator has the controllable tubular device in his hand. In a channel 20 of the input device, a support device can be worked in, which holds the curved shape permanently until the next bend. Fig. 6 shows an example construction on average. The individual parts 18 of the support device have a gripper-shaped 21 and a spherical 22 part, they are rotationally symmetrical to the axis CC '. Fig. 6b shows how the gripper-shaped part sits on the spherical part of the next support part 18 . The pressure exerted by the grip-shaped part is just sufficient to prevent it from slipping independently.

Fig. 5 zeigt eine andere Art, wie eine Eingabevorrichtung erstellt werden kann. Hier sind um das gummiartige Material 23 Dehnungsmeßstreifen befestigt, die die Krümmung aufnehmen. Eine Stützvorrichtung ist aus Gründen der besseren Übersicht nicht gezeigt. Figure 5 shows another way an input device can be created. Here 23 strain gauges are attached to the rubber-like material, which absorb the curvature. A support device is not shown for reasons of clarity.

Claims

1. Controllable instrument channel, characterized in that it is made of an elastic material in which actuators ( 2 ) are embedded in such a way that, when switched individually or in groups, the channel jacket can bend in any radial direction ( 3 ).

2. Controllable instrument channel according to claim 1, characterized in that the actuators are spiral springs ( 9 ) made of shape memory material, plastics with shape memory or thermobimetals.

3. Controllable instrument channel according to claim 1 and 2, characterized in that by switches embedded in the instrument channel wall or Sensors the current position of the channel is determined.

4. Controllable instrument channel according to claim 1 and 2, characterized in that by means of strain gauges in or on the instrument nalwand are positioned, the current position of the channel is determined.

5. Controllable instrument channel according to claim 1 and 2, characterized in that the material of the instrument channel wall from an electrical conductive rubber is made, which is its conductivity when stretching or compressing changes and electrodes in the materi al are embedded so that the current position of the channel by measuring the electrical resistance between adjacent ter electrodes can be determined.

6. Device according to a mechanism for scanning the shape Modification of an elastic body to enter the desired one Position of the controllable instrument channel, characterized in that the input device as well as the instrument channel to be controlled is of identical or different size and is curved into the shape by hand by the surgeon as he is introduces the target position of the instrument channel.

7. The device according to claim 6, characterized in that a support device inside the input device curved shape lasts until the next bend.

8. Procedure for the targeted deflection of a controllable Instrument channel, characterized in that a self-learning algorithm to compare the the radiologically or sensorically measured actual and by the input device takes the measured target position.