DE10027447A1

DE10027447A1 - Fluidischer, peristaltischer Antrieb

Info

Publication number: DE10027447A1
Application number: DE10027447A
Authority: DE
Inventors: Klaus Zimmermann; Victor G Lysenko; Roman Preus
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2001-02-01

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer translatorischen Bewegung in Hohlräumen anzugeben, die unter Verwendung konventioneller Elemente eines Fluidantriebes betrieben werden kann und die auch in Hohlräume mit hoher Nachgiebigkeit einsetzbar ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Körper zylinderförmig ausgebildet ist, wobei der Zylindermantel von fluid-gefüllten Hohlkammern mit beliebigem Querschnitt versehen ist, die mittels wechselnder Fluiddrücke verformbar sind und eine Verformung der Zylindermantelfläche hervorrufen, wobei die Fluiddrücke in den verschiedenen Hohlkammern des Zylinders so gesteuert werden, dass eine peristaltische Bewegung der Zylindermantelfläche erzeugt wird. DOLLAR A Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer translatorischen Fortbewegung; vorzugsweise zur Fortbewegung in zylinderförmigen, nachgiebigen oder rigiden Hohlräumen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer translatorischen Fortbewegung; vorzugsweise zur Fortbewegung in zylinderförmigen, nachgiebigen oder rigiden Hohlräumen.

Es ist auch möglich, die Bewegung auf ebenen Flächen zu erzeugen.

Bevorzugste Einsatzgebiete sind medizinische Therapie- und Diagnoseverfahren.

Mit der weiteren Entwicklung der minimal-invasiven Chirurgie besteht ein zunehmender Bedarf an aktiven, miniaturisierten Bewegungssystemen zum Transport von Diagnose- und Operationswerkzeugen innerhalb der natürlichen Röhren- und Kanalsysteme des menschlichen Körpers.

Bei bisher verwendeten Trägersystemen von Diagnose- und Operationswerkzeugen handelt es sich zumeist um rigide Systeme, die passiv zu ihrem Einsatzort bewegt werden. Die dazu benötigte Vortriebskraft wird außerhalb des Körpers des Patienten durch den Operateur oder einen Roboter aufgebracht. Eine Bewegung dieser Trägersysteme durch stark gekrümmte oder mehrfach gewundene Kanäle des Körpers ist aufgrund der geringen Anpassungsfähigkeit der Systeme und des eingeschränkten Bereichs der Wirkungslinie der Vortriebskraft nicht möglich, da die Gefahr der inneren Verletzung des Patienten zu groß ist.

In DE 33 33 835 wird eine Vorrichtung beschrieben, deren elastische Außenhaut eine peristaltische Bewegung erzeugt, so daß die Vorrichtung in der Lage ist sich aktiv fortzubewegen. Um die peristaltische Bewegung zu erzeugen wird auf die zylinderförmige, elastische Außenhaut mit Einlagerungen ferromagnetischer Partikel ein elektromagnetisches Wanderfeld aufgebracht, daß zu einer zeitlich und örtlich periodischen, radialen Verschiebung der Magnetpartikel und somit der Außenhaut führt. Zur Erzeugung des magnetischen Wanderfeldes verfügt die Vorrichtung im Inneren über eine Reihe von Elektro-Magneten, die zeitlich aufeinanderfolgend aktiviert und deaktiviert werden. Die Vorrichtung besitzt somit einen rigiden Kern, der ihre Anpassungsfähigkeit an die Gestalt der zu durchlaufenden Körperkanäle stark einschränkt. Außerdem werden zur Erzielung einer effektiven Peristaltik (Amplitude) starke magnetische Felder benötigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer translatorischen Bewegung in Hohlräumen anzugeben, die unter Verwendung konventioneller Elemente eines Fluidantriebes betrieben werden kann und die auch Hohlräume mit hoher Nachgiebigkeit einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um einen stoffschlüssigen Hohlkörper, der aus einem hochelastischen Material besteht und somit reversibel verformbar ist. Aufgrund der Nachgiebigkeit des Materials und durch den Verzicht auf rigide Elemente besitzen derartige Vorrichtungen eine hohe Anpassungsfähigkeit an die Gestalt der Körperkanäle, die von ihnen passiert werden sollen wie zum Beispiel Darm oder Blutgefäße.

Systeme zum Erzeugen von Fluidströmen und -drücken werden seit geraumer Zeit in der Medizintechnik eingesetzt (Dialysemaschinen, Infusionspumpen). Außerdem wird beim Einsetzen von Stents in Blutgefäße bereits die Verformung schlauchförmiger Elemente mittels Druckluft zur irreversiblen Expansion der Stents genutzt. Somit können auf bestehende Erfahrungen beim Einsatz von Fluidsystemen in der Medizintechnik genutzt werden.

Die Vorrichtung besitzt eine hohlzylinderförmige Gestalt und kann in dem umschlossenen Raum Diagnose- und/oder Operationswerkzeuge wechselbar aufnehmen. Werden weiterhin entsprechende Schlauchkupplungen zwischen der Vorrichtung und dem druckerzeugenden System vorgesehen, so kann die Vorrichtung als einmalig-verwendbares System ausgelegt werden. Dies macht eine wiederholte Sterilisation der Vorrichtung unnötig. Die Erststerilisation kann somit wie bei Koronar-Kathetern im Laufe des Fertigungsprozesses erfolgen.

Die zylinderförmige Struktur führt eine peristaltische Bewegung aus, daß heißt die Mantelfläche der Struktur führt in axialer Richtung eine transversale, wellenförmige Bewegung aus, so daß die Änderung des Radius der Mantelfläche zeitlich und örtlich periodisch ist.

Kommt die Mantelfläche in Kontakt mit einer rigiden oder nachgiebigen Röhre, so wird aufgrund der Wanderwellenbewegung eine translatorische Bewegung des Zylinders relativ zur umgebenden Röhre erzeugt.

Eine solche peristaltische Bewegung kann mit einem Hohlzylinder aus nachgiebigem Material, im folgenden als elastischer Hohlzylinder bezeichnet, erzeugt werden, wenn der Zylindermantel in axialer Richtung periodisch von Hohlkammern durchzogen ist, die separat mit Fluid gefüllt und durch einen Innendruck belastet werden können. Dabei verformen sich die Hohlkammern aufgrund der Nachgiebigkeit des Materials und es kommt zu einer örtlichen Verformung des Zylindermantels.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine elastischer Hohlzylinder mit fluidgefüllten, ringförmigen Kammern, die über das Fluid separat mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden können,

Fig. 2 eine Hohlzylinderstruktur bestehend aus spiralförmig gewundenen, parallelen Schläuchen mit elliptischem Querschnitt, auf der Zylindermantelfläche mit elastischem Material stoffschlüssig verbunden,

Fig. 3 eine Hohlzylinderstruktur bestehend aus spiralförmig gewundenen, parallelen Schläuchen mit elliptischem Querschnitt, stoffschlüssig verbunden mit einer nachgiebigen Hülle,

Fig. 4 einen Hohlzylinder nach Fig. 1 mit einer regelmäßig mit nachgiebigen Borsten besetzten Mantelfläche,

Fig. 5 einen Hohlzylinder nach Fig. 4 mit zusätzlichen, dichtbesetzten, regelmäßig angeordneten Borstenringen aus nachgiebigen, überlangen Borsten und

Fig. 6 einen Hohlzylinder nach Fig. 3 mit einer regelmäßig mit nachgiebigen Borsten besetzten nachgiebigen Hülle (Mantelfläche).

Der in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte elastische Hohlzylinder 1 ist zum Zeitpunkt t, von ringförmigen, abgeschlossenen Kammern durchzogen, die mit einem Fluid gefüllt sind und im entspannten Zustand einen elliptischen Querschnitt besitzen. Ein entspannter Zustand der Struktur ist gegeben, wenn der Fluiddruck in den Kammern gleich dem Umgebungsdruck ist. In Fig. 1 sind die Ringe dabei zu Gruppen gleichen Fluiddruckes zusammengeschlossen, und zwar in der Weise, daß alle Kammern, die zueinander denselben, drei Kammern betragenden Abstand haben, zu einer Gruppe gehören. Somit kann von vier aufeinanderfolgenden Kammern je einer Kammer eine Gruppe und je einer Gruppe eine Kammer zugeordnet werden. Die vier Gruppen von Kammern sind mit steuerbaren Ventilen an ein druckerzeugendes System, im nachfolgenden Druckerzeuger genannt, angeschlossen. Über den Druckerzeuger können die Kammern mit den Drücken p₀, p₁ oder p₂ beaufschlagt werden. Dabei ist p₀ der Druck, der dem Umgebungsdruck entspricht und zum entspannten Zustand der Struktur führt - Kammer besitzt Ausgangsgestalt. Der Druck p₂ führt zu einer Verformung der Kammer in der Weise, daß der Querschnitt der Kammer kreisförmig wird und sich der Außendurchmesser der Gesamtstruktur vergrößert. Die Differenz zwischen dem sich einstellenden Radius und dem Ausgangsradius der Gesamtstruktur ist gleichzeitig die Amplitude der Transversalwelle, die sich auf der Zylinderoberfläche ausbilden soll. Der Druck p₁ ist so gewählt, daß die Verformung der belasteten Kammer in Verbindung mit der Verformung aller anderen Kammern der Zylinderoberfläche im Längsschnitt eine Form mit größtmöglicher Ähnlichkeit zu einer harmonischen Funktion gibt.

Die vier Gruppen werden gemäß folgender Funktion mit Fluiddruck beaufschlagt:

wobei ϕ die Phasenverschiebung des Druckes zwischen den Gruppen ist und durch die Reihenfolge der ausgewählten Kammern mit

festgelegt wird. Durch die zeitliche und örtliche Abfolge der Druckbeaufschlagung und somit auftretenden Verformungen der Kammern, bildet sich auf dem Zylindermantel in axialer Richtung eine transversale Wanderwelle aus, was einer peristaltischen Bewegung entspricht.

Werden vier parallel zueinander angeordnete Röhren 1. . .4 aus nachgiebigem Material (Schläuche) mit elliptischem Querschnitt zu einer Spirale gewunden, so entsteht eine hohlzylinderähnliche Struktur, wie sie im Längsschnitt in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei wurde die mehrgängige Schlauchspirale von außen mit einem nachgiebigen Material zu einer geometrisch exakten Zylindermantelfläche vergossen 5. Jeder Schlauch besitzt dabei dieselbe Funktion wie eine Gruppe von Kammern der Struktur in Fig. 1. Die Schläuche sind über steuerbare Ventile an einen Druckerzeuger angeschlossen, so daß sie mit den Drücken p₀, p₁ und p₂ beaufschlagt werden können. Die Beträge der Drücke sind so abzugleichen, daß drei mögliche Verformungszustände der Schläuche eingestellt werden können:

- entspannter Zustand bei p₀ - der Schlauch besitzt seine ursprüngliche Querschnittsform,
- maximal-erforderliche Verformung bei p₂ - kreisförmiger Querschnitt,
- p₁ ist so gewählt, daß die vier Schläuche, wenn sie gemäß ihrer Reihenfolge mit den Drücken p₀, p₁, p₂ und p₁ beaufschlagt werden eine nahezu harmonische Verformung der Zylindermantelfläche hervorrufen.

Werden die vier Schläuche gemäß Funktion [1] mit Fluiddruck beaufschlagt und die Phasenverschiebung gemäß [2] und der Reihenfolge der Schläuche entlang der Spirale gewählt, bildet sich auf dem Zylindermantel in axialer Richtung eine transversale Wanderwelle aus, was einer peristaltischen Bewegung entspricht.

In Fig. 3 ist eine Struktur gemäß Fig. 2 dargestellt, mit dem Unterschied, daß die mehrgängige Schlauchspirale 6 auf ihrer Außenseite mit einer Haut 7 aus einem nachgiebigen Material verbunden wurde. Werden die Schläuche gemäß den Vorgaben für den Entwurf aus Fig. 2 mit Fluiddruck beaufschlagt, führt die Haut der Struktur eine peristaltische Bewegung aus.

Um die Fortbewegung der Vorrichtung in rigiden Röhrensystemen, zum Beispiel als Träger von Inspektionssystemen für technische Leitungen, zu effektivieren, können auf eine Hohlzylinderstruktur 8 gemäß Fig. 1 nachgiebige Borsten 9 aufgesetzt werden. Diese Borsten werden in axialer Richtung in mehreren Ebenen angeordnet und die Spitzen der Borsten zeigen radial nach außen, dargestellt in Fig. 4. Führt nun die Mantelfläche des Hohlzylinders eine peristaltische Bewegung aus, werden die Borsten dadurch periodisch so gekippt und verschoben, daß die Borstenspitzen eine periodische Bewegung entlang einer elliptischen Bewegungsbahn 10 ausführen. Diese Bewegungsbahn der Borstenspitzen liegt in einer Ebene mit der Längsachse des Hohlzylinders.

Beim Durchlaufen der elliptischen Bahn setzen die Borsten auf die umgebende Rohrwandung auf und stellen somit einen Reibkontakt zur Wandung her. Die Haftreibung ermöglicht, daß die weitere Relativbewegung zwischen Borstenspitze und Borstengrund in eine Relativbewegung zwischen Rohrwandung und Hohlzylinder umgesetzt wird, bis zu dem Punkt, an dem die Borstenspitzen auf ihrer elliptischen Bahn den Kontakt zur Wandung verlieren. Die Nachgiebigkeit der Borsten bewirkt dabei, daß die Borsten frühzeitig auf die Wandung aufgesetzt werden können, um einen großen Teil des axial gerichteten Anteils der elliptischen Bahnbewegung für die Fortbewegung des Hohlzylinders zu nutzen. Die Borsten geben dem orthogonal zur Längsachse des Hohlzylinders gerichteten Anteil der elliptischen Bahnbewegung nach und verformen sich, während gleichzeitig der Kontakt zur Wandung und damit der Reibschluß aufrechterhalten wird.

Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung, die zum Reinigen von technischen Röhren eingesetzt werden kann. Dazu wurde eine Vorrichtung gemäß Fig. 4 durch mehrere Ringe aus besonders nachgiebigen, überlangen und dicht nebeneinander angeordneten Borsten 9b erweitert. Diese Borsten leisten keinen oder nur einen geringen Beitrag zur Fortbewegung der Vorrichtung, halten aber aufgrund ihrer Überlänge, im Gegensatz zu den anderen, Vortrieb erzeugenden Borsten 9a, ständigen Kontakt zur Rohrwandung 11. Aufgrund der Fortbewegung der Vorrichtung und der damit auftretenden Gleitreibung zwischen den überlangen Borsten und der Rohrwandung können im Rohr verbliebene feste Partikel mitgeschleppt und Ablagerungen von der Rohrwandung abgerieben werden.

Fig. 6 zeigt eine Vorichtung gemäß Fig. 3, die durch nachgiebige Borsten gemäß Fig. 4 ergänzt wurde. Auf diese Weise wird die einfach zu realisierende Struktur der Vorrichtung in Fig. 3 mit den Vorteilen der effektiveren Bewegungserzeugung der Vorrichtung aus gemäß Fig. 4 verbunden. Dazu müssen die Borsten 9 stoffschlüssig mit der nachgiebigen Haut 7 verbunden sein. Die Druckbelastung der fluidgefüllten Schläuche 12 erfolgt dabei analog zur Vorrichtung von Fig. 3, so daß sich auch bei dieser Vorrichtung eine translatorische Wanderwelle in axialer Richtung auf und somit eine peristaltische Bewegung der Haut ausbildet.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

. . .

4

Röhren

5

Zylindermantelfläche

6

Schlauchspirale

7

Haut

8

Hohlzylinderstruktur

9

Borsten

10

Bewegungsbahn

11

Rohrwandung

12

Schläuche

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer translatorischen Fortbewegung eines Körpers; vorzugsweise zur Fortbewegung in zylinderförmigen, nachgiebigen oder rigiden Hohlräumen, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper zylinderförmig ausgebildet ist, wobei der Zylindermantel von fluidgefüllten Hohlkammern mit beliebigem Querschnitt versehen ist, die mittels wechselnder Fluiddrücke verformbar sind und eine Verformung der Zylindermantelfläche hervorrufen, wobei die Fluiddrücke in den verschiedenen Hohlkammern des Zylinders so gesteuert werden, daß eine peristaltische Bewegung der Zylinder mantelfläche erzeugt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung eine Wanderwelle für die Peristaltik erzeugt, der eine nicht harmonische Schwingung zugrunde liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkammern im Ausgangszustand einen ellipsenförmigen Querschnitt aufweisen und ringförmig im äußeren Bereich des Zylindermantels und in Ebenen orthogonal zur Längsachse des Zylinders angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Hohlkammern kreisförmig ausgebildet ist und bei Druckbelastung lediglich eine Vergrößerung des Kreisdurchmessers auftritt, die zu einer Verformung der Zylindermantelfläche führt.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylindermantel aus einer Anzahl paralleler, fluidgefüllter Schläuche mit nicht-kreisförmigem Querschnitt besteht, die zu einer mehrgängigen Schraube gewunden sind.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Zylindermantelfläche nachgiebige Borsten in Ebenen orthogonal zur Zylinderachse angeordnet und radial ausgerichtet sind, die die Fortbewegung der Vorrichtung abweichend vom Prinzip der peristaltischen Bewegung durch die zeitlich und örtlich periodische Bewegung der Borstenspitzen und ihre Wechselwirkung mit der umgebenden Rohrwandung oder der Ebene effektivieren.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den bewegungserzeugenden Borsten weitere nachgiebige, überlange Borsten in Ebenen orthogonal zur Zylinderachse angeordnet und radial ausgerichtet sind, die durch den ständigen Kontakt zur umgebenden Rohrwandung und die dort auftretende Gleitreibung ein Mitschleppen von Fremdpartikeln und Reinigen der Rohrwandung bewirken.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylindermantel aus einer beliebigen Anzahl paralleler, fluidgefüllter Schläuche mit nicht-kreisförmigem Querschnitt besteht, die zu einer mehrgängigen Schraube gewunden sind und durch Belastung mit Fluiddruck eine Querschnittsänderung erfahren, die zu einer Verformung der Zylindermantelfläche und durch geeignete Steuerung der Fluiddrücke zu einer peristaltischen Bewegung der Zylindermantelfläche wird.