DE202022104403U1 - Device for controlling the movement of a medical device in a magnetic field - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie ein Verfahren zur Steuerung einer Bewegung einer medizinischen Vorrichtung in einem Magnetfeld ausführt, wobei die medizinische Vorrichtung einen Spulensatz umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
- Bestimmen eines Drehmoments, das auf die medizinische Vorrichtung aufgebracht werden muss, damit die medizinische Vorrichtung die Bewegung ausführt,
- Bestimmen eines Mindeststroms, der jeweils jeder Spule des Spulensatzes zugeführt werden muss, um das bestimmte Drehmoment zu erhalten, indem ein Optimierungsproblem gelöst wird, und
- Versorgen jeweils jeder Spule des Spulensatzes mit dem bestimmten Mindeststrom, so dass das medizinische Gerät die Bewegung ausführt.
A device configured to perform a method of controlling movement of a medical device in a magnetic field, the medical device comprising a coil set, the method comprising:
- determining a torque that must be applied to the medical device in order for the medical device to perform the movement,
- determining a minimum current that must be supplied to each coil of the coil set in order to obtain the determined torque by solving an optimization problem, and
- Supply each coil of the coil set with the specified minimum current so that the medical device performs the movement.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung, optional eine Datenverarbeitungsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung einer medizinischen Vorrichtung in einem Magnetfeld ausführt.The present disclosure relates to a device, optionally a computing device, configured to perform a method of controlling movement of a medical device in a magnetic field.
Zusätzlich oder alternativ kann die vorliegende Offenbarung auf eine medizinische Vorrichtung bezogen sein, die so konfiguriert ist, dass die durch das Verfahren gesteuert werden kann.Additionally or alternatively, the present disclosure may relate to a medical device configured to be controlled by the method.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Computerprogramm bereitgestellt werden, wobei das Computerprogramm Anweisungen umfasst, die, wenn das Programm von einem Computer, z. B. der Datenverarbeitungsvorrichtung, ausgeführt wird, den Computer veranlassen, das Verfahren zumindest teilweise auszuführen.Additionally or alternatively, a computer program may be provided, the computer program comprising instructions which, when the program is downloaded from a computer, e.g. B. the data processing device, cause the computer to carry out the method at least partially.
Zusätzlich oder alternativ kann ein computerlesbares (Speicher-)Medium bereitgestellt werden, wobei das computerlesbare Medium Anweisungen enthält, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, das Verfahren zumindest teilweise auszuführen.Additionally or alternatively, a computer-readable (storage) medium can be provided, the computer-readable medium containing instructions which, when executed by a computer, cause the computer to at least partially carry out the method.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Die Erörterung des verwandten Standes der Technik in der Beschreibung ist keinesfalls als Eingeständnis zu werten, dass dieser verwandte Stand der Technik allgemein bekannt ist oder zum allgemeinen Fachwissen auf dem Gebiet gehört.The discussion of related art in the specification is in no way to be construed as an admission that such related art is common knowledge or common knowledge in the field.
Der weit verbreitete Einsatz nicht-invasiver medizinischer Bildgebungsmodalitäten in der Chirurgie wie Magnetresonanztomographie (MRT), Röntgen und Ultraschall (US) hat den Einsatz von mikrometergroßen chirurgischen Instrumenten wie Führungsdrähten und Kathetern in engen Hohlräumen im Körper ermöglicht. Bei der herkömmlichen Methode, der so genannten Seldinger-Technik, wird der Zugang zu einem Blutgefäß mit einer Punktionsnadel, einem durch die Nadel geführten lenkbaren Führungsdraht und einem über den Führungsdraht geführten vorgeformten oder lenkbaren Katheter hergestellt.The widespread use of non-invasive medical imaging modalities in surgery such as magnetic resonance imaging (MRI), X-ray and ultrasound (US) has enabled the use of micrometer-sized surgical instruments such as guidewires and catheters in tight cavities in the body. The traditional method, known as the Seldinger technique, involves accessing a blood vessel with a puncture needle, a steerable guidewire passed through the needle, and a preformed or steerable catheter passed over the guidewire.
Dennoch können bei diesem Verfahren verschiedene Probleme auftreten, wie z. B. Gefäßperforation, Bruch der Gerätespitze, Abknicken, Schlaufenbildung oder Verlust des Führungsdrahtes.However, various problems can arise with this method, such as: B. Vessel perforation, breakage of the device tip, kinking, loop formation or loss of the guide wire.
Bei Führungsdrähten und Kathetern kann es in gewundenen Gefäßen auch zu Verlusten bei der manuellen Drehmomentübertragung auf die distale Spitze kommen, was die Navigation erschwert, insbesondere wenn enge Gefäße in kleinen Winkeln liegen.Guidewires and catheters can also lose manual torque transmission to the distal tip in tortuous vessels, making navigation difficult, especially when narrow vessels are at small angles.
Steuerbare (aktive) Katheter und Kontinuum-Roboter bieten eine Alternative zu den herkömmlichen passiven, auf Führungsdrähten basierenden Kathetereinführungsverfahren, die eine bessere Manövrierbarkeit und Fernsteuerung ermöglichen.Steerable (active) catheters and continuum robots offer an alternative to traditional passive guidewire-based catheter delivery methods, allowing for better maneuverability and remote control.
Die größte Herausforderung beim Design aktiver Katheter ist die Übertragung von Kraft und Drehmoment durch den weichen, schlanken Körper, um die Katheterspitze zu betätigen. Einige Systeme nutzen die Kraftübertragung über Sehnen. Forscher haben jedoch viele alternative Antriebsmechanismen vorgeschlagen, wie z. B. Multi-Backbone, konzentrische Rohre, Pneumatik, intelligente Materialien, Hydraulik, Magnetik oder hybride Ansätze, um bestimmte Nachteile von sehnenbasierten Systemen zu überwinden.The main challenge in active catheter design is the transmission of force and torque through the soft, slender body to actuate the catheter tip. Some systems use power transmission via tendons. However, researchers have proposed many alternative propulsion mechanisms, such as B. Multi-backbone, concentric tubes, pneumatics, smart materials, hydraulics, magnetics or hybrid approaches to overcome certain disadvantages of tendon-based systems.
Die Integration in bestehende medizinische Bildgebungsmodalitäten ist ein weiterer wichtiger Bestandteil der Vorrichtungsentwicklung. Die Röntgenbildgebung ist derzeit der Goldstandard für die Echtzeit-Visualisierung bei minimalinvasiven Eingriffen. Röntgendichte Katheter können in mit Kontrastmitteln gefüllten Gefäßstrukturen leicht sichtbar gemacht werden. Aufgrund des geringen Weichteilkontrasts ist es jedoch schwierig, die Auswirkungen des Eingriffs auf das Weichteilgewebe mit Röntgenbildern sichtbar zu machen. Daher besteht ein wachsendes Interesse an MRT-gesteuerten minimalinvasiven Eingriffen, da der hohe Weichteilkontrast von MRT-Bildern die Blutgefäße (z. B. im Gehirn eines Menschen) und die Gewebereaktion sichtbar macht, keine ionisierende Strahlung vorhanden ist, das Werkzeug in Echtzeit verfolgt werden kann und physiologische Messungen möglich sind (z. B. MRT-Thermometrie, Diffusion und Perfusion).Integration with existing medical imaging modalities is another important part of device development. X-ray imaging is currently the gold standard for real-time visualization in minimally invasive procedures. Radiopaque catheters can be easily visualized in vascular structures filled with contrast media. However, due to the low soft-tissue contrast, it is difficult to visualize the effects of the procedure on the soft-tissue with X-ray images. Therefore, there is a growing interest in MRI-guided minimally invasive procedures, as the high soft-tissue contrast of MRI images makes the blood vessels (e.g. in a human's brain) and tissue reaction visible, there is no ionizing radiation, the tool can be tracked in real-time and physiological measurements are possible (e.g. MRI thermometry, diffusion and perfusion).
MRT-Scanner stellen jedoch neue Anforderungen an das Design und die Betätigung von medizinischen Vorrichtungen. Erstens schränkt das permanente hohe Magnetfeld die Auswahl der Materialien für die Vorrichtungskonstruktion auf nichtmagnetische Werkstoffe ein, um unbeabsichtigte magnetische Kräfte und Drehmomente zu vermeiden. Zweitens verursachen große nichtmagnetische Metallobjekte Suszeptibilitätsartefakte bei der Bildgebung. Drittens können die Hochfrequenzimpulse des MRT-Scanners zu einer Erwärmung der leitfähigen Materialien in medizinischen Vorrichtungen führen.However, MRI scanners place new demands on the design and operation of medical devices. First, the permanent high magnetic field limits the choice of materials for device construction to non-magnetic materials to avoid unintended magnetic forces and torques. Second, large non-magnetic metal objects cause susceptibility artifacts in imaging. Third, the radio frequency pulses from the MRI scanner can cause the conductive materials in medical devices to heat up.
Daher gibt es zahlreiche Studien zur Entwicklung MR-kompatibler Antriebstechniken für die Steuerung einer Vorrichtung. Zu diesen Ansätzen gehören die Verwendung intelligenter Materialien, hydraulischer, pneumatischer und MRT-gesteuerter (magnetischer) Antriebstechniken.Therefore, there are numerous studies to develop MR-compatible driving techniques for the control of a device. These approaches include the use of smart materials, hydraulic, pneumatic and MRT controlled (magnetic) drive technologies.
Bei der thermischen Betätigung wird Strom zur Erzeugung von Kräften und Bewegungen eingesetzt, wobei thermisch aktive Materialien verwendet werden, die stark auf Temperaturänderungen reagieren, wie z. B. Formgedächtnislegierungen (SMA).Thermal actuation uses electricity to generate force and movement, using thermally active materials that are highly sensitive to temperature changes, such as carbon dioxide. B. Shape memory alloys (SMA).
SMAs können große Verformungen in kleinen Größen für die Kathetersteuerung durchführen. Allerdings benötigen sie im Allgemeinen längere Reaktionszeiten, zeigen ein stark nichtlineares Verhalten und können Sicherheitsrisiken durch die Erwärmung des benachbarten Gewebes verursachen.SMAs can perform large deformations in small sizes for catheter steering. However, they generally require longer response times, exhibit highly nonlinear behavior, and can pose safety hazards by heating adjacent tissue.
Die hydraulische Betätigung kann große Kräfte durch den schlanken Katheter mittels Flüssigkeitsdruck übertragen. Dieser Flüssigkeitsdruck über nachgiebige Kontinuumskörper führt jedoch bei positivem Druck zu einer radialen Ausdehnung und bei negativem Druck zum Ausknicken, was zu Schwankungen der Festigkeit und Ermüdung des weichen Körpers führt.Hydraulic actuation can transmit large forces through the slim catheter using fluid pressure. However, this fluid pressure across compliant continuum bodies causes radial expansion at positive pressure and buckling at negative pressure, leading to variations in soft body strength and fatigue.
Die MRT-gesteuerte Betätigung bietet aufgrund ihrer Skalierbarkeit, Sicherheit, Reaktionszeit (nahezu augenblicklich), Genauigkeit (bei anderen Methoden treten Nichtlinearitäten bei der Betätigung auf) und Freiheitsgrade (DoF) erhebliche Vorteile gegenüber den oben genannten Techniken. Darüber hinaus können MRT-gesteuerte Antriebe bildgebende Gradientenspulen nutzen, die vom Benutzer gesteuert werden, um räumliche Feldgradienten zur Steuerung eines drahtlosen Roboters oder einer magnetischen Katheterspitze in 3D zu erzeugen.MRI-guided actuation offers significant advantages over the above techniques due to its scalability, safety, response time (near instantaneous), accuracy (other methods introduce non-linearities in actuation), and degrees of freedom (DoF). In addition, MRI-guided actuators can use imaging gradient coils controlled by the user to generate spatial field gradients to control a wireless robot or magnetic catheter tip in 3D.
Die Einbettung magnetischer Elemente in Katheter zur Gradientensteuerung führt jedoch zu erheblichen Verzerrungen des MR-Bildes sowie zu zusätzlichem Gewicht und Volumen des Katheters.However, the embedding of magnetic elements in gradient control catheters results in significant distortion of the MR image as well as additional weight and bulk of the catheter.
Ein weiterer MRT-gesteuerter Ansatz ist die Anbringung von Mikrospulen an der Katheterspitze zur Steuerung des Katheters mit Hilfe von Lorentz-Kräften durch manuell gewickelte oder mit dem Laser bearbeitete Mikrospulen.Another MRI-guided approach is to attach microcoils to the tip of the catheter to steer the catheter using Lorentz forces through manually wound or laser-edited microcoils.
Die auf der Lorentzkraft basierende Lenkung belastet den weichen Körper aufgrund des hohen Kraft-Gewichts-Verhältnisses im Vergleich zur Gradientenlenkung weniger.The steering based on the Lorentz force places less stress on the soft body due to the high force-to-weight ratio compared to gradient steering.
Außerdem kann die Bildverzerrung kontrolliert werden, da die Bildartefakte nur auftreten, wenn die Spulen aktiviert sind.In addition, image distortion can be controlled since image artifacts only appear when the coils are activated.
Die magnetunterstützte Katheterisierung mit Mikrospulen ist nachweislich schneller als die manuelle Navigation mit MR-Bildführung für größere Winkel und vergleichbar mit der Röntgenführung.Magnet assisted catheterization with microcoils has been shown to be faster than manual navigation with MR image guidance for larger angles and comparable to X-ray guidance.
Die auf Mikrospulen basierenden Jouleschen Wärmeeffekte sind jedoch ein großes Problem bei der Entwicklung. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass thermische Schädigungen des Gewebes oberhalb von lokalen Temperaturen von 44 °C auftreten. Studien zu katheterintegrierten Mikrospulen haben gezeigt, dass die Verwendung von Eingangsströmen über 300 mA (1,2 W) zu Gefäßthromben, Vakuolisierung und medialen Blutungen führen kann. Zu den möglichen Lösungen gehören die Integration von Wärmeableitungsmechanismen, wie Aluminiumoxid an der Katheterspitze und die Durchleitung von Kochsalzlösung durch die Mikrospulenspitze, oder die Regulierung des Stroms auf weniger als 300 mA (1,2 W) bei Aktivierungszeiten von weniger als 1 Minute.However, the Joule heating effects based on micro-coils are a major problem in development. Previous research has shown that thermal tissue damage occurs above local temperatures of 44°C. Studies on catheter-integrated microcoils have shown that the use of input currents in excess of 300 mA (1.2 W) can result in vascular thrombosis, vacuolation, and medial hemorrhage. Possible solutions include the integration of heat dissipation mechanisms such as alumina at the catheter tip and passage of saline through the microcoil tip, or regulation of current to less than 300mA (1.2W) with activation times of less than 1 minute.
Solche Lösungen bringen jedoch zusätzliches Gewicht und Volumen für die Katheterspitze mit sich, erfordern einen Durchfluss durch den Katheter, begrenzen die Größe des Arbeitskanals und schränken die für die aktive Steuerung im Arbeitsraum erforderliche Zeit ein.However, such solutions add weight and bulk to the catheter tip, require flow through the catheter, limit the size of the working channel, and limit the time required for active control in the working space.
Die obige Beschreibung kann mutatis mutandis auf Endoskope wie Neuroendoskope angewendet werden. Die Neuroendoskopie ist eine minimalinvasive Technik zur Darstellung und Behandlung von Bereichen des zentralen Nervensystems einschließlich Schädel, Gehirn und Wirbelsäule. Derzeit werden neuroendoskopische Systeme zur Behandlung vieler verschiedener Fälle eingesetzt, darunter intraventrikuläre Läsionen, Kraniosynostose, Wirbelsäulenläsionen und Schädelbasistumore. Zu diesem Zweck werden bei chirurgischen Eingriffen sowohl starre als auch flexible Endoskope verwendet.The above description can be applied mutatis mutandis to endoscopes such as neuroendoscopes. Neuroendoscopy is a minimally invasive technique used to visualize and treat areas of the central nervous system including the skull, brain, and spine. Currently, neuroendoscopic systems are used to treat many different cases, including intraventricular lesions, craniosynostosis, spinal lesions, and skull base tumors. For this purpose, both rigid and flexible endoscopes are used in surgical procedures.
Die standardmäßigen starren endoskopischen Instrumente weisen jedoch Nachteile wie ein begrenztes Sichtfeld und das Risiko eines Traumas durch stumpfe Gewalt auf. Die Neuronavigation kann die bestehenden Techniken verbessern, insbesondere bei Patienten mit intraventrikulären Pathologien. Außerdem weisen flexible Endoskope einen größeren Bewegungsspielraum auf, was in komplexen Anatomien wie den Ventrikeln entscheidend sein kann.However, the standard rigid endoscopic instruments have disadvantages such as a limited field of view and the risk of trauma from blunt force. Neuronavigation can improve existing techniques, especially in patients with intraventricular pathologies. In addition, flexible endoscopes have a greater range of motion, which can be crucial in complex anatomies such as the ventricles.
Obwohl die Einführung der Neuroendoskopie bei chirurgischen Eingriffen erhebliche Verbesserungen im Vergleich zu anderen, traditionell invasiven chirurgischen Verfahren gebracht hat, gibt es immer noch Raum für Verbesserungen, wie z. B. mehr Präzision und weniger Trauma für das umliegende Gewebe.Although the introduction of neuroendoscopy in surgical procedures has brought significant improvements compared to other traditionally invasive surgical procedures, there is still room for improvement such as: B. more precision and less trauma to the surrounding tissue.
Es kann ein Ziel der vorliegenden Erfindung sein, mindestens einen der Nachteile des Standes der Technik zu überwinden oder zu verbessern und/oder eine nützliche Alternative bereitzustellen.It may be an object of the present invention to overcome or ameliorate at least one of the disadvantages of the prior art and/or to provide a useful alternative.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Es wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die so konfiguriert ist, dass sie ein erstes Verfahren zur Steuerung einer Bewegung einer medizinischen Vorrichtung in einem Magnetfeld ausführt. Die medizinische Vorrichtung umfasst einen Spulensatz.An apparatus configured to perform a first method of controlling movement of a medical device in a magnetic field is provided. The medical device includes a coil set.
Das erste Verfahren umfasst Bestimmen eines Drehmoments, das auf die medizinische Vorrichtung aufgebracht werden muss, damit die medizinische Vorrichtung die Bewegung ausführt.The first method includes determining a torque that must be applied to the medical device in order for the medical device to perform the movement.
Das erste Verfahren umfasst Bestimmen eines Mindeststroms, der jeweils jeder Spule des Spulensatzes zugeführt werden muss, um das bestimmte Drehmoment zu erreichen, indem ein Optimierungsproblem gelöst wird.The first method includes determining a minimum current that must be supplied to each coil of the coil set to achieve the determined torque by solving an optimization problem.
Das erste Verfahren umfasst Versorgen jeweils jeder Spule des Spulensatzes mit dem bestimmten Mindeststrom, so dass die medizinische Vorrichtung die Bewegung ausführt.The first method includes supplying the determined minimum current to each coil of the coil set so that the medical device performs the movement.
Das Optimierungsproblem (zur Bestimmung des Mindeststroms) kann wie folgt definiert werden:
- - I einen Strom darstellen kann, der jeweils jeder Spule des Spulensatzes zugeführt wird,
- - τcoils ein Gesamtdrehmoment darstellen kann, das von dem Spulensatz erzeugt wird, wenn er mit dem Strom I versorgt wird,
- - τdes das Drehmoment darstellen kann, das auf die medizinische Vorrichtung aufgebracht werden muss, damit die medizinische Vorrichtung die Bewegung ausführt, und
- - R einen Widerstand jeder Spule des Spulensatzes darstellen kann.
- - I can represent a current fed to each coil of the coil set,
- - τ coils can represent a total torque generated by the coil set when supplied with the current I,
- - τ des may represent the torque that must be applied to the medical device in order for the medical device to perform the movement, and
- - R can represent a resistance of each coil of the coil set.
Das Bestimmen des Drehmoments kann die Lösung eines weiteren Optimierungsproblems umfassen, um das auf die medizinische Vorrichtung aufzubringende Drehmoment so zu minimieren, dass die medizinische Vorrichtung die Bewegung ausführt.Determining the torque may include solving another optimization problem to minimize the torque to be applied to the medical device such that the medical device performs the movement.
Die medizinische Vorrichtung kann einen flexiblen, im Wesentlichen stabförmigen Abschnitt umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann die Bewegung eine Verformung des stabförmigen Abschnitts umfassen, die zu einer Bewegung einer Spitze des stabförmigen Abschnitts führt.The medical device may include a flexible, generally rod-shaped portion. Additionally or alternatively, the movement can include a deformation of the rod-shaped section, which leads to a movement of a tip of the rod-shaped section.
Das Lösen des weiteren Optimierungsproblems kann das Bestimmen der Verformung des stabförmigen Abschnitts umfassen, die für die Bewegung der Spitze des stabförmigen Abschnitts von einer tatsächlichen Position zu einer gewünschten Position erforderlich ist, so dass ein Drehmoment, das für die Verformung des stabförmigen Abschnitts erforderlich ist, minimiert wird. Zusätzlich oder alternativ kann das Lösen des weiteren Optimierungsproblems das Bestimmen des Drehmoments umfassen, das auf die medizinische Vorrichtung aufgebracht werden muss, damit die medizinische Vorrichtung die Bewegung ausführt, die dem Drehmoment entspricht, das für die Verformung des stabförmigen Abschnitts erforderlich ist.Solving the further optimization problem may include determining the deformation of the rod-shaped section required for moving the tip of the rod-shaped section from an actual position to a desired position such that a torque required for the deformation of the rod-shaped section is is minimized. Additionally or alternatively, solving the further optimization problem may include determining the torque that needs to be applied to the medical device in order for the medical device to perform the movement that corresponds to the torque that is required to deform the rod-shaped section.
Die Verformung, die für die Bewegung der Spitze des stabförmigen Abschnitts von der tatsächlichen Position zur gewünschten Position erforderlich ist, kann mit Hilfe eines Modells, optional eines Cosserat-Modells, bestimmt werden, das die nichtlineare Dynamik des stabförmigen Abschnitts darstellt.The deformation required to move the tip of the rod-shaped section from the actual position to the desired position can be determined using a model, optionally a Cosserat model, representing the non-linear dynamics of the rod-shaped section.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Vorrichtung zur Durchführung eines zweiten Verfahrens zur Steuerung einer Bewegung einer medizinischen Vorrichtung in einem Magnetfeld bereitgestellt werden. Die medizinische Vorrichtung umfasst einen Spulensatz. Die vorstehende Beschreibung des ersten Verfahrens gilt sinngemäß auch für das zweite Verfahren und vice versa.Additionally or alternatively, a device for performing a second method for controlling a movement of a medical device in a magnetic field can be provided. The medical device includes a coil set. The above description of the first method also applies to the second method and vice versa.
Das zweite Verfahren umfasst Bestimmen eines Drehmoments, das auf die medizinische Vorrichtung aufgebracht werden muss, damit die medizinische Vorrichtung die Bewegung ausführt. Das Bestimmen des auf die medizinische Vorrichtung aufzubringenden Drehmoments umfasst das Lösen eines Optimierungsproblems, um das auf die medizinische Vorrichtung aufzubringende Drehmoment zu minimieren, so dass die medizinische Vorrichtung die Bewegung ausführt.The second method includes determining a torque that must be applied to the medical device in order for the medical device to perform the movement. Determining the torque to be applied to the medical device includes solving an optimization problem to minimize the torque to be applied to the medical device so that the medical device performs the movement.
Das zweite Verfahren umfasst das Bestimmen des Stroms, der dem Spulensatz zugeführt werden muss, um das bestimmte Drehmoment zu erreichen.The second method involves determining the current that must be supplied to the coil set to achieve the determined torque.
Das zweite Verfahren umfasst Versorgen des Spulensatz mit dem bestimmten Strom, so dass die medizinische Vorrichtung die Bewegung ausführt.The second method includes energizing the coil set with the determined current so that the medical device performs the movement.
Die medizinische Vorrichtung kann einen flexiblen, im Wesentlichen stabförmigen Abschnitt umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann die Bewegung eine Verformung des stabförmigen Abschnitts umfassen, die zu einer Bewegung einer Spitze des stabförmigen Abschnitts führt.The medical device may include a flexible, generally rod-shaped portion. Additionally or alternatively, the movement can be a deformation of the rod-shaped section include, which leads to a movement of a tip of the rod-shaped portion.
Das Lösen des Optimierungsproblems (zur Minimierung des Drehmoments) kann das Bestimmen der Verformung des stabförmigen Abschnitts umfassen, die für die Bewegung der Spitze des stabförmigen Abschnitts von einer tatsächlichen Position zu einer gewünschten Position erforderlich ist, so dass ein Drehmoment, das für die Verformung des stabförmigen Abschnitts erforderlich ist, minimiert wird. Zusätzlich oder alternativ kann das Lösen des Optimierungsproblems (zur Minimierung des Drehmoments) das Bestimmen des Drehmoments umfassen, das auf die medizinische Vorrichtung aufgebracht werden muss, damit die medizinische Vorrichtung die Bewegung ausführt, die dem Drehmoment entspricht, das für die Verformung des stabförmigen Abschnitts erforderlich ist.Solving the optimization problem (to minimize torque) may involve determining the deformation of the rod-shaped section required to move the tip of the rod-shaped section from an actual position to a desired position such that a torque required to deform the rod-shaped section is required is minimized. Additionally or alternatively, solving the optimization problem (to minimize torque) may include determining the torque that needs to be applied to the medical device in order for the medical device to perform the movement that corresponds to the torque required to deform the rod-shaped portion is.
Die Verformung, die für die Bewegung der Spitze des stabförmigen Abschnitts von der tatsächlichen Position zur gewünschten Position erforderlich ist, kann mit Hilfe eines Modells, optional eines Cosserat-Modells, bestimmt werden, das die nichtlineare Dynamik des stabförmigen Abschnitts darstellt.The deformation required to move the tip of the rod-shaped section from the actual position to the desired position can be determined using a model, optionally a Cosserat model, representing the non-linear dynamics of the rod-shaped section.
Mindestens eines der vorstehend beschriebenen Verfahren kann den Empfang von Benutzereingaben in Bezug auf die Bewegung über eine, optional einen Joystick umfassende, Benutzerschnittstelle umfassen. Die Benutzerschnittstelle kann direkt oder indirekt, z. B. über eine Steuereinheit, mit der medizinischen Vorrichtung verbunden sein.At least one of the methods described above may include receiving user input related to the movement via a user interface, optionally including a joystick. The user interface can be direct or indirect, e.g. B. via a control unit to be connected to the medical device.
Mindestens eines der vorstehend beschriebenen Verfahren kann Bestimmen einer tatsächlichen Position der medizinischen Vorrichtung, optional der Spitze davon, unter Verwendung medizinischer Bildgebung umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens eines der vorstehend beschriebenen Verfahren eine automatische Steuerung der Bewegung auf der Grundlage der bestimmten aktuellen Position umfassen.At least one of the methods described above may include determining an actual position of the medical device, optionally the tip thereof, using medical imaging. Additionally or alternatively, at least one of the methods described above may include automatic control of the movement based on the determined current position.
Mindestens eines der vorstehend beschriebenen Verfahren kann die Anzeige einer tatsächlichen Position der medizinischen Vorrichtung, optional einer Spitze davon, und/oder einer Position der medizinischen Vorrichtung, optional einer Spitze davon, nach Durchführung der Bewegung auf einer Anzeigevorrichtung umfassen. Die Anzeigevorrichtung kann mit einer medizinischen Bildgebungvorrichtung verbunden sein.At least one of the methods described above may include displaying an actual position of the medical device, optionally a tip thereof, and/or a position of the medical device, optionally a tip thereof, after performing the movement on a display device. The display device can be connected to a medical imaging device.
Mindestens eines der vorstehend beschriebenen Verfahren kann die Anzeige der tatsächlichen Position der medizinischen Vorrichtung und/oder der Position der medizinischen Vorrichtung nach Durchführung der Bewegung in Bezug auf ein Gewebe, optional eines Menschen oder eines Tieres, auf der Anzeigevorrichtung umfassen.At least one of the methods described above may include displaying on the display device the actual position of the medical device and/or the position of the medical device after performing the movement with respect to a tissue, optionally a human or an animal.
Bei mindestens einem der vorstehend beschriebenen Verfahren kann das Magnetfeld durch eine medizinische Bildgebungsvorrichtung, optional eine Magnetresonanzbildgebungsvorrichtung, erzeugt werden.In at least one of the methods described above, the magnetic field can be generated by a medical imaging device, optionally a magnetic resonance imaging device.
Bei mindestens einem der vorstehend beschriebenen Verfahren kann das Magnetfeld ein statisches Magnetfeld sein.In at least one of the methods described above, the magnetic field may be a static magnetic field.
Bei mindestens einem der vorstehend beschriebenen Verfahren kann die medizinische Vorrichtung einen Katheter, optional einen endovaskulären Katheter, umfassen.In at least one of the methods described above, the medical device may comprise a catheter, optionally an endovascular catheter.
Der Katheter kann eine Spitze aufweisen, die optional einen Arbeitskanal umfasst, der sich durch die Spitze des Katheters erstreckt. Zusätzlich oder alternativ kann der Katheter den Spulensatz umfassen, der die Spitze umgibt. Zusätzlich oder alternativ kann der Katheter Stromleitungen umfassen, die so angeordnet sind, dass sie den Spulensatz mit elektrischer Energie versorgen.The catheter may have a tip that optionally includes a working channel that extends through the tip of the catheter. Additionally or alternatively, the catheter may include the coil set surrounding the tip. Additionally or alternatively, the catheter may include power lines arranged to provide electrical energy to the coil set.
Der Spulensatz kann vier seitliche Spulen umfassen, die so um die Spitze herum angeordnet sind, dass eine orthogonal zur Längsrichtung der Spitze stehende Gerade einen Mittelpunkt der jeweiligen seitlichen Spule schneidet, d. h. die vier seitlichen Spulen sind so um die Spitze herum angeordnet, dass eine Magnetflussrichtung der vier seitlichen Spulen auf eine Mittellinie der Spitze zeigt.The coil set may comprise four lateral coils arranged around the tip such that a straight line orthogonal to the longitudinal direction of the tip intersects a center point of the respective lateral coil, i. H. the four side coils are arranged around the tip such that a magnetic flux direction of the four side coils points to a center line of the tip.
Eine erste und eine zweite der seitlichen Spulen können in Reihe geschaltet werden. Zusätzlich oder alternativ können eine dritte und eine vierte der seitlichen Spulen in Reihe geschaltet werden. Zusätzlich oder alternativ können die erste und die zweite der seitlichen Spulen auf gegenüberliegenden Seiten der Spitze angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können die dritte und die vierte der seitlichen Spulen auf gegenüberliegenden Seiten der Spitze und zwischen der ersten und der zweiten der seitlichen Spulen angeordnet sein.A first and a second of the side coils can be connected in series. Additionally or alternatively, a third and a fourth of the lateral coils can be connected in series. Additionally or alternatively, the first and second of the side coils may be located on opposite sides of the tip. Additionally or alternatively, the third and fourth side coils may be located on opposite sides of the tip and between the first and second side coils.
Die Windungszahl mindestens einer der vier seitlichen Spulen kann zwischen 2 und 40 liegen (d. h. einschließlich 2 und 40). Optional kann die Windungszahl mindestens einer der vier seitlichen Spulen zwischen 4 und 30 liegen (d. h. einschließlich 4 und 30). Optional kann die Windungszahl mindestens einer der vier seitlichen Spulen 7 betragen.The number of turns of at least one of the four lateral coils may be between 2 and 40 (i.e. 2 and 40 inclusive). Optionally, the number of turns of at least one of the four side coils may be between 4 and 30 (i.e., 4 and 30 inclusive). Optionally, the number of turns can be at least one of the four
Der Spulensatz kann mindestens eine axiale Spule umfassen, die so um die Spitze herum angeordnet ist, dass eine Gerade, die parallel zur Längsrichtung der Spitze verläuft, einen Mittelpunkt der mindestens einen axialen Spule kreuzt bzw. schneidet.The coil set may include at least one axial coil arranged around the tip such that a straight line parallel to the longitudinal runs direction of the tip, a center point of at least one axial coil crosses or intersects.
Mindestens eine der Spulen des Spulensatzes kann durch Laserbearbeitung, Laserlithografie und/oder manuell gewickelt werden.At least one of the coils of the coil set can be wound by laser machining, laser lithography and/or by hand.
Mindestens eine der Spulen des Spulensatzes kann eine, optional rechteckige, archimedische Spiralform aufweisen.At least one of the coils of the coil set can have an, optionally rectangular, Archimedean spiral shape.
Mindestens eine der Spulen des Spulensatzes kann eine in der gleichen Ebene angeordnete Form aufweisen.At least one of the coils of the coil set may have an in-plane shape.
Die vier seitlichen Spulen können auf derselben, optional flexiblen, Leiterplatte angeordnet sein.The four lateral coils can be arranged on the same, optionally flexible, printed circuit board.
Zusätzlich oder alternativ kann bei mindestens einer der vorstehend beschriebenen Verfahren die medizinische Vorrichtung ein Endoskop, optional ein Neuroendoskop, umfassen.Additionally or alternatively, in at least one of the methods described above, the medical device can comprise an endoscope, optionally a neuroendoscope.
Das Endoskop kann eine Spitze aufweisen, die optional einen Arbeitskanal umfasst, der sich durch die Spitze des Endoskops erstreckt. Zusätzlich oder alternativ kann das Endoskop den Spulensatz umfassen, der die Spitze umgibt. Zusätzlich oder alternativ kann das Endoskop Stromleitungen umfassen, die so angeordnet sind, dass sie den Spulensatz mit elektrischer Energie versorgen.The endoscope can have a tip that optionally includes a working channel that extends through the tip of the endoscope. Additionally or alternatively, the endoscope may include the coil set surrounding the tip. Additionally or alternatively, the endoscope may include power lines arranged to provide electrical power to the coil set.
Der Spulensatz kann vier seitliche Spulen umfassen, die so um die Spitze herum angeordnet sind, dass eine orthogonal zur Längsrichtung der Spitze stehende Gerade einen Mittelpunkt der jeweiligen seitlichen Spule schneidet.The coil set may include four lateral coils arranged around the tip such that a straight line orthogonal to the longitudinal direction of the tip intersects a center point of the respective lateral coil.
Eine erste und eine zweite der seitlichen Spulen können in Reihe geschaltet werden. Zusätzlich oder alternativ können eine dritte und eine vierte der seitlichen Spulen in Reihe geschaltet werden. Zusätzlich oder alternativ können die erste und die zweite der seitlichen Spulen auf gegenüberliegenden Seiten der Spitze angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können die dritte und die vierte der seitlichen Spulen auf gegenüberliegenden Seiten der Spitze und zwischen der ersten und der zweiten der seitlichen Spulen angeordnet sein.A first and a second of the side coils can be connected in series. Additionally or alternatively, a third and a fourth of the lateral coils can be connected in series. Additionally or alternatively, the first and second of the side coils may be located on opposite sides of the tip. Additionally or alternatively, the third and fourth side coils may be located on opposite sides of the tip and between the first and second side coils.
Die Windungszahl mindestens einer der vier seitlichen Spulen kann zwischen 2 und 40 liegen (d. h. einschließlich 2 und 40). Optional kann die Windungszahl mindestens einer der vier seitlichen Spulen zwischen 4 und 30 liegen (d. h. einschließlich 4 und 30). Optional kann die Windungszahl mindestens einer der vier seitlichen Spulen 7 betragen.The number of turns of at least one of the four lateral coils may be between 2 and 40 (i.e. 2 and 40 inclusive). Optionally, the number of turns of at least one of the four side coils may be between 4 and 30 (i.e., 4 and 30 inclusive). Optionally, the number of turns can be at least one of the four
Der Spulensatz kann mindestens eine axiale Spule umfassen, die so um die Spitze herum angeordnet ist, dass eine Gerade, die parallel zur Längsrichtung der Spitze verläuft, einen Mittelpunkt der mindestens einen axialen Spule kreuzt bzw. schneidet.The coil set may include at least one axial coil arranged around the tip such that a straight line parallel to the longitudinal direction of the tip intersects a midpoint of the at least one axial coil.
Mindestens eine der Spulen des Spulensatzes kann durch Laserbearbeitung, Laserlithografie und/oder manuelles Wickeln hergestellt werden.At least one of the coils of the coil set can be manufactured by laser machining, laser lithography and/or manual winding.
Mindestens eine der Spulen des Spulensatzes kann eine, optional rechteckige, archimedische Spiralform aufweisen.At least one of the coils of the coil set can have an, optionally rectangular, Archimedean spiral shape.
Mindestens eine der Spulen des Spulensatzes kann eine in der gleichen Ebene angeordnete Form aufweisen.At least one of the coils of the coil set may have an in-plane shape.
Die vier seitlichen Spulen können auf derselben, optional flexiblen, Leiterplatte angeordnet sein.The four lateral coils can be arranged on the same, optionally flexible, printed circuit board.
Das Endoskop kann einen Endeffektor umfassen, der mit der Spitze des Endoskops verbunden ist.The endoscope may include an end effector connected to the tip of the endoscope.
Der Endeffektor kann einen weiteren Spulensatz zur Betätigung des Endeffektors umfassen.The end effector can include a further set of coils for actuating the end effector.
Das Verfahren kann die Betätigung des Endeffektors durch Anlegen eines Stroms an den weiteren Spulensatz umfassen.The method may include actuating the end effector by applying a current to the further set of coils.
Der Endeffektor kann einen Greifer mit zwei schwenkbar miteinander verbundenen Backen umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann der weitere Spulensatz mindestens eine seitliche Spule umfassen, die jeweils an einer der beiden Backen angeordnet ist.The end effector may include a gripper having two jaws pivotally connected together. Additionally or alternatively, the additional coil set can include at least one lateral coil, which is arranged on one of the two jaws.
Die Betätigung des Endeffektors kann das Öffnen und/oder Schließen der Backen des Greifers durch Anlegen des Stroms an den weiteren Spulensatz umfassen. Das Öffnen kann eine Bewegung sein, bei der die Klemmbacken des Greifers voneinander weg bewegt werden, indem sie um die schwenkbare Verbindung gedreht werden, und das Schließen kann eine Bewegung sein, bei der die Klemmbacken des Greifers aufeinander zu bewegt werden, indem sie um die schwenkbare Verbindung gedreht werden.Actuation of the end effector may include opening and/or closing the jaws of the gripper by applying current to the further set of coils. The opening may be a movement in which the jaws of the gripper are moved away from each other by being pivoted about the pivotal connection, and the closing may be a movement in which the jaws of the gripper are moved towards each other by being rotated about the swivel connection can be rotated.
Das Verfahren kann Abtragen und/oder Abtöten von Gewebe, das optional Tumorzellen umfasst, unter Verwendung der Joule-Erwärmung umfassen, die durch den Strom verursacht wird, der dem weiteren Spulensatz zur Betätigung des Endeffektors, optional zum Öffnen und Schließen des Greifers, zugeführt wird.The method may include ablating and/or killing tissue, optionally comprising tumor cells, using Joule heating caused by current supplied to the further set of coils for actuating the end effector, optionally opening and closing the gripper .
Die Spitze des Endoskops kann eine Kamera umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann die Spitze des Endoskops eine Beleuchtungsvorrichtung aufweisen, die optional eine Leuchtdiode (LED) umfasst. Zusätzlich oder alternativ kann die Spitze des Endoskops eine Öffnung eines Spülkanals aufweisen, der sich durch das Endoskop erstreckt.The tip of the endoscope can include a camera. Additionally or alternatively, the tip of the endoscope can have an illumination device, which optionally includes a light-emitting diode (LED). Additionally or alternatively, the tip of the endoscope can have an opening of a flushing channel that extends through the endoscope.
Zusätzlich oder alternativ ist die Offenbarung auf die Verwendung eines Greifers eines Endoskops, optional eines Neuroendoskops, zur Kauterisation gerichtet. Das Endoskop umfasst eine Spitze, einen mit der Spitze verbundenen Endeffektor und einen Spulensatz, die an dem Endeffektor angeordnet sind. Die Kauterisation umfasst das Betätigen des Endeffektors durch Anlegen eines Stroms an den Spulensatz und das Abtragen und/oder Abtöten von Gewebe, das optional Tumorzellen umfasst, unter Verwendung der Joule-Erwärmung, die durch den dem Spulensatz zugeführten Strom verursacht wird, um den Endeffektor zu betätigen. Die oben gegebene Beschreibung in Bezug auf das Endoskop gilt mutatis mutandis für die Verwendung zur Kauterisation und umgekehrt.Additionally or alternatively, the disclosure is directed to the use of a grasper of an endoscope, optionally a neuroendoscope, for cauterization. The endoscope includes a tip, an end effector connected to the tip, and a coil set disposed on the end effector. Cauterization involves actuating the end effector by applying a current to the coil set and ablating and/or killing tissue, optionally including tumor cells, using the Joule heating caused by the current applied to the coil set to close the end effector actuate. The description given above in relation to the endoscope applies mutatis mutandis to use for cauterization and vice versa.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt werden, die so konfiguriert ist, dass die mindestens eines der vorstehend beschriebenen Verfahren zumindest teilweise durchführt.Additionally or alternatively, a data processing device can be provided which is configured in such a way that the at least one of the methods described above is carried out at least partially.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Computerprogramm bereitgestellt werden, wobei das Computerprogramm Anweisungen umfassen kann, die, wenn das Programm von einem Computer, z. B. der Datenverarbeitungsvorrichtung, ausgeführt wird, den Computer veranlassen, mindestens eines der vorstehend beschriebenen Verfahren zumindest teilweise auszuführen.Additionally or alternatively, a computer program may be provided, which computer program may include instructions which, when the program is downloaded from a computer, e.g. B. the data processing device, cause the computer to at least partially perform at least one of the methods described above.
Zusätzlich oder alternativ kann ein computerlesbares (Speicher-)Medium bereitgestellt werden, wobei das computerlesbare Medium Anweisungen enthält, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, mindestens eines der vorstehend beschriebenen Verfahren zumindest teilweise auszuführen.Additionally or alternatively, a computer-readable (storage) medium can be provided, the computer-readable medium containing instructions which, when executed by a computer, cause the computer to at least partially carry out at least one of the methods described above.
Nachfolgend werden Definitionen von Begriffen, die in dieser Beschreibung verwendet werden, angegeben, wobei die jeweilige Beschreibung nur eine mögliche spezifische Definition von vielen möglichen Definitionen des jeweiligen Begriffs darstellt und somit nicht beabsichtigt ist, den Umfang der Offenbarung auf diese spezifische Definition einzuschränken.Definitions of terms used in this specification are provided below, each specification being only one possible specific definition of many possible definitions of each term and thus is not intended to limit the scope of the disclosure to that specific definition.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Offenbarung gehört, allgemein verstanden wird. Gibt es für einen Begriff mehrere Definitionen, so sind, sofern nicht anders angegeben, die Definitionen in diesem Abschnitt maßgebend.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one skilled in the art to which this disclosure pertains. Where a term has multiple definitions, unless otherwise specified, the definitions in this section shall control.
Wo immer hier die Ausdrücke „zum Beispiel“, „wie“, „einschließlich“ und dergleichen verwendet werden, soll der Ausdruck „und ohne Einschränkung“ folgen, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. In ähnlicher Weise sind „ein Beispiel“, „beispielhaft“ und dergleichen als nicht einschränkend zu verstehen.Wherever the phrases "for example," "such as," "including," and the like are used herein, the phrase "and without limitation" shall follow unless expressly stated otherwise. Similarly, "an example," "exemplary," and the like are not intended to be limiting.
Der Begriff „im Wesentlichen“ lässt Abweichungen vom Deskriptor zu, die sich nicht negativ auf den beabsichtigten Zweck auswirken. Beschreibende Begriffe sind so zu verstehen, dass sie durch den Begriff „im Wesentlichen“ modifiziert werden, auch wenn das Wort „im Wesentlichen“ nicht ausdrücklich erwähnt wird.The term "substantially" allows for deviations from the descriptor that do not adversely affect the intended purpose. Descriptive terms should be understood to be modified by the term "substantially" even if the word "substantially" is not expressly mentioned.
Der Begriff „ungefähr“ bezieht sich im Zusammenhang mit einem numerischen Wert auf den tatsächlich gegebenen Wert und auf die Annäherung an diesen Wert, die von einem Fachmann vernünftigerweise abgeleitet werden kann, einschließlich der Annäherungen aufgrund der Versuchs- und/oder Messbedingungen für diesen Wert.The term "approximately" in the context of a numerical value refers to the actually given value and to the approximation of that value which can reasonably be derived by one skilled in the art, including approximations based on the experimental and/or measuring conditions for that value.
Die Begriffe „umfassend“ und „einschließend“ sowie „aufweisend“ und „einbeziehend“ (und in ähnlicher Weise „umfasst“, „einschließlich“, „aufweist“ bzw. „mit“ und „bezieht ein“) und dergleichen werden austauschbar verwendet und weisen die gleiche Bedeutung auf. Insbesondere wird jeder der Begriffe in Übereinstimmung mit der im US-Patentrecht üblichen Definition des Begriffs „umfassend“ definiert und daher als offener Begriff ausgelegt, der „mindestens das Folgende“ bedeutet, und er wird auch so ausgelegt, dass er zusätzliche Merkmale, Beschränkungen, Aspekte usw. nicht ausschließt. So bedeutet beispielsweise „eine Vorrichtung mit den Bestandteilen a, b und c“, dass die Vorrichtung mindestens die Bestandteile a, b und c umfasst. Ebenso bedeutet die Formulierung „ein Verfahren mit den Schritten a, b und c“, dass das Verfahren mindestens die Schritte a, b und c umfasst.The terms "comprising" and "including" and "comprising" and "including" (and similarly "includes", "including", "has" or "comprising" and "includes") and the like are used interchangeably and have the same meaning. In particular, each of the terms is defined in accordance with the standard definition of the term "comprising" in US patent law and is therefore construed as an open-ended term meaning "at least the following" and is also construed to include additional features, limitations, aspects etc. does not exclude. For example, "a device comprising components a, b and c" means that the device comprises at least components a, b and c. Likewise, the phrase “a process comprising steps a, b and c” means that the process comprises at least steps a, b and c.
Sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes erfordert, sind in der Beschreibung und den Ansprüchen die Worte „umfassen“, „umfasst“ und dergleichen in einem einschließenden Sinne und nicht in einem ausschließenden oder erschöpfenden Sinne zu verstehen, d. h. im Sinne von „einschließlich, aber nicht beschränkt auf“.Unless the context clearly requires otherwise, in the specification and claims, the words "comprise," "comprises," and the like are to be construed in an inclusive rather than exclusive or exhaustive sense; H. in the sense of "including but not limited to".
Der Begriff „Verfahren“, wie er hier verwendet wird, kann ein computerimplementiertes Verfahren umfassen. Der Ausdruck „computerimplementiertes Verfahren“ umfasst Ansprüche, die Computer, Computernetze oder andere programmierbare Vorrichtungen einbeziehen, wobei mindestens ein Merkmal mit Hilfe eines Programms realisiert wird. Ein computerimplementiertes Verfahren kann ein Verfahren sein, das zumindest teilweise von einer Datenverarbeitungseinheit, z. B. einem Computer, ausgeführt wird.The term "method" as used herein may include a computer-implemented method. The term "computer-implemented Method” includes claims involving computers, computer networks or other programmable devices, wherein at least one feature is implemented using a program. A computer-implemented method may be a method implemented at least in part by a computing device, e.g. B. a computer running.
Der Begriff „Steuerung“ kann als ein Vorgang in einem System definiert werden, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigenen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen. Zusätzlich oder alternativ kann der Begriff „Regelung“ als ein Vorgang definiert werden, bei dem eine Größe, die Regelgröße (die zu regelnde Größe), kontinuierlich erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und im Sinne einer Anpassung an die Führungsgröße beeinflusst wird.The term "control" can be defined as a process in a system in which one or more variables as input variables influence other variables as output variables due to the laws inherent in the system. Additionally or alternatively, the term "regulation" can be defined as a process in which a variable, the controlled variable (the variable to be controlled), is continuously recorded, compared with another variable, the reference variable, and influenced in the sense of an adjustment to the reference variable becomes.
Der Begriff „Bewegung“ kann jede Verschiebung oder Änderung der Position einer Vorrichtung, hier der medizinischen Vorrichtung, bzw. seiner Spitze, umfassen. In einer möglichen Interpretation kann die Bewegung eine Bewegung sein. Eine Bewegung kann das Phänomen sein, bei dem ein Objekt, hier die medizinische Vorrichtung, optional dessen Spitze, seine Position in Bezug auf Raum und Zeit, optional das Magnetfeld, ändert.The term "movement" can include any displacement or change in the position of a device, here the medical device, or its tip. In one possible interpretation, the movement can be a movement. A motion can be the phenomenon where an object, here the medical device, optionally its tip, changes its position with respect to space and time, optionally the magnetic field.
Der Begriff „Bestimmen“ kann die Durchführung einer oder mehrerer mathematischer Operationen umfassen, um auf der Grundlage einer gegebenen Eingabe in einer bestimmten Weise eine gewünschte Ausgabe zu bestimmen.The term "determining" may include performing one or more mathematical operations to determine a desired output based on a given input in a particular manner.
Der Begriff „Drehmoment“ kann das rotatorische Äquivalent einer linearen Kraft sein. Der Begriff „Drehmoment“ kann auch als Moment, Kraftmoment, Rotationskraft oder Dreheffekt bezeichnet werden. Das Drehmoment kann die Fähigkeit einer Kraft darstellen, eine Änderung in der Drehbewegung eines Körpers, wie z. B. des runde geformten Teils der medizinischen Vorrichtung, zu bewirken. Das Drehmoment kann definiert werden als das Produkt aus der Größe der Kraft und dem senkrechten Abstand der Wirkungslinie der Kraft von der Drehachse. In drei Dimensionen kann das Drehmoment ein Pseudovektor sein; bei Punktteilchen ist es durch das Kreuzprodukt aus dem Positionsvektor (Abstandsvektor) und dem Kraftvektor gegeben. Die Größe des Drehmoments eines starren Körpers kann von drei Größen abhängen: der aufgebrachten Kraft, dem Hebelarmvektor, der den Punkt, um den das Drehmoment gemessen wird, mit dem Punkt der Kraftaufbringung verbindet, und dem Winkel zwischen dem Kraft- und dem Hebelarmvektor. Das Drehmoment kann durch die Kraft definiert werden, die auf die Spitze der medizinischen Vorrichtung einwirkt.The term "torque" can be the rotational equivalent of a linear force. The term "torque" can also be referred to as moment, moment of force, rotational force or rotational effect. Torque can represent the ability of a force to cause a change in rotational motion of a body, such as a wheel. B. the round shaped part of the medical device. Torque can be defined as the product of the magnitude of the force and the vertical distance of the line of action of the force from the axis of rotation. In three dimensions, torque can be a pseudo-vector; for point particles it is given by the cross product of the position vector (distance vector) and the force vector. The magnitude of the torque of a rigid body can depend on three quantities: the force applied, the lever arm vector connecting the point about which the torque is measured to the point of force application, and the angle between the force and lever arm vectors. Torque can be defined by the force applied to the tip of the medical device.
Anstelle des Begriffs „Strom“ bzw. „Stromstärke“ kann auch der Begriff „elektrischer Strom“ bzw. „elektrische Stromstärke“ verwendet werden. Ein elektrischer Strom ist ein Strom geladener Teilchen, wie z. B. Elektronen oder Ionen, die sich durch einen elektrischen Leiter oder einen Raum bewegen. Er wird als Nettostrom elektrischer Ladung durch eine Oberfläche oder in ein Kontrollvolumen gemessen. Die sich bewegenden Teilchen werden als Ladungsträger bezeichnet, die je nach Leiter eine von mehreren Arten von Teilchen sein können. In elektrischen Schaltkreisen sind die Ladungsträger oft Elektronen, die sich durch einen Draht bewegen. In Halbleitern können es Elektronen oder Löcher sein. In einem Elektrolyten sind die Ladungsträger Ionen, während sie in einem Plasma, einem ionisierten Gas, Ionen und Elektronen sind. Die SI-Einheit des elektrischen Stroms bzw. der bzw. der elektrischen Stromstärke ist das Ampere, d. h. der Fluss elektrischer Ladung durch eine Oberfläche mit der Geschwindigkeit von einem Coulomb pro Sekunde. Elektrische Ströme erzeugen magnetische Felder, die dazu verwendet werden können, die medizinische Vorrichtung im (externen) Magnetfeld zu bewegen oder zu betätigen. In gewöhnlichen Leitern verursachen sie Joule-Erwärmung.Instead of the term "current" or "current intensity" the term "electric current" or "electric current intensity" can also be used. An electric current is a flow of charged particles, such as B. Electrons or ions moving through an electrical conductor or a space. It is measured as the net flow of electric charge through a surface or into a control volume. The moving particles are called charge carriers, which can be one of several types of particles depending on the conductor. In electrical circuits, the charge carriers are often electrons moving through a wire. In semiconductors, it can be electrons or holes. In an electrolyte, the charge carriers are ions, while in a plasma, an ionized gas, they are ions and electrons. The SI unit of electric current or electric current is the ampere, i. H. the flow of electric charge through a surface at the rate of one coulomb per second. Electric currents create magnetic fields that can be used to move or actuate the medical device in the (external) magnetic field. In ordinary conductors they cause Joule heating.
Anstelle des Begriffs „Spule“ kann auch der Begriff „elektromagnetische Spule“ verwendet werden. Eine elektromagnetische Spule kann ein elektrischer Leiter sein, z. B. ein Draht in Form einer Spule, Spirale oder Wendel. Ein elektrischer Strom kann durch den Draht der Spule geleitet werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Ein Strom durch einen beliebigen Leiter erzeugt aufgrund des Ampere'schen Gesetzes ein kreisförmiges Magnetfeld um den Leiter. Ein Vorteil der Spulenform kann darin bestehen, dass sie die Stärke des durch einen bestimmten Strom erzeugten Magnetfelds erhöht. Die von den einzelnen Drahtwindungen erzeugten Magnetfelder gehen alle durch den Mittelpunkt der Spule und addieren (überlagern) sich, um dort ein starkes Feld zu erzeugen. Je mehr Windungen der Draht hat, desto stärker kann das erzeugte Feld sein und desto stärker kann der Effekt der Joule-Erwärmung sein.The term "electromagnetic coil" can also be used instead of the term "coil". An electromagnetic coil can be an electrical conductor, e.g. B. a wire in the form of a coil, spiral or helix. An electric current can be passed through the wire of the coil to create a magnetic field. A current through any conductor creates a circular magnetic field around the conductor due to Ampere's law. An advantage of the coil shape can be that it increases the strength of the magnetic field created by a given current. The magnetic fields created by each turn of wire all pass through the center of the coil and add (superimpose) to create a strong field there. The more turns the wire has, the stronger the field generated can be and the stronger the Joule heating effect can be.
Ein Optimierungsproblem kann als das Problem beschrieben werden, die im Wesentlichen beste Lösung aus allen realisierbaren Lösungen zu finden.An optimization problem can be described as the problem of finding the essentially best solution out of all feasible solutions.
Eine medizinische Vorrichtung kann jede Vorrichtung sein, die für medizinische Zwecke verwendet werden soll. Nach einer möglichen Definition kann ein medizinische Vorrichtung ein Instrument, ein Apparat, ein Gerät, eine Maschine, eine Einrichtung, ein Implantat, ein In-vitro-Reagenz oder ein anderer ähnlicher oder verwandter Gegenstand, einschließlich eines Bestandteils oder Zubehörs, sein, der zur Diagnose von Krankheiten oder anderen Zuständen oder zur Heilung, Linderung, Behandlung oder Verhütung von Krankheiten bestimmt ist, bei Menschen oder anderen Tieren und/oder zur Beeinflussung des Aufbaus oder einer Funktion des Körpers von Menschen oder anderen Tieren bestimmt sind und die ihre primäre Zweckbestimmung nicht durch eine chemische Wirkung im oder am Körper von Menschen oder anderen Tieren erreichen und die zur Erreichung ihrer primären Zweckbestimmung nicht verstoffwechselt werden müssen. Der Begriff „medizinische Vorrichtung“ kann Softwarefunktionen umfassen, muss aber nicht. Nach einer anderen möglichen Definition kann der Begriff „medizinische Vorrichtung“ alle einzeln oder in Kombination verwendeten Instrumente, Apparate, Vorrichtungen, Software, Stoffe oder sonstigen Gegenstände, einschließlich der vom Hersteller speziell für diagnostische und/oder therapeutische Zwecke bestimmten und für die ordnungsgemäße Anwendung erforderlichen Software, bezeichnen, die vom Hersteller für die Anwendung bei Menschen oder Tieren zur Diagnose, Verhütung, zur Diagnose, Vorbeugung, Überwachung, Behandlung oder Linderung von Krankheiten, zur Diagnose, Überwachung, Behandlung, Linderung oder zum Ausgleich einer Verletzung oder Behinderung, zur Untersuchung, zum Ersatz oder zur Veränderung der Anatomie oder eines physiologischen Vorgangs und/oder zur Empfängnisregelung bestimmt ist und die ihre bestimmungsgemäße Hauptwirkung im oder am menschlichen und/oder tierischen Körper nicht auf pharmakologischem, immunologischem oder metabolischem Wege erzielt, die aber in ihrer Funktion durch solche Mittel unterstützt werden kann.A medical device can be any device intended to be used for medical purposes. According to one possible definition, a medical device can be an instrument, apparatus, device, machine, facility, implant, in vitro reagent or a any other similar or related item, including a component or accessory, intended to diagnose, cure, mitigate, treat or prevent disease, disease or other conditions in humans or other animals and/or to affect the constitution or function of the human or other animal body and which do not achieve their primary intended purpose through a chemical action in or on the human or other animal body and which do not require metabolization to achieve their primary intended purpose. The term "medical device" may or may not include software functions. According to another possible definition, the term "medical device" can be any instrument, apparatus, device, software, material or other item used individually or in combination, including those specifically intended by the manufacturer for diagnostic and/or therapeutic purposes and necessary for their proper use Software designated by the manufacturer for use in humans or animals to diagnose, prevent, diagnose, prevent, monitor, treat, or alleviate disease, to diagnose, monitor, treat, alleviate, or compensate for an injury or disability, to investigate , intended to replace or modify the anatomy or a physiological process and/or to regulate conception and which does not achieve its intended main effect in or on the human and/or animal body by pharmacological, immunological or metabolic means, but which in its function tion can be supported by such means.
Anstelle des Begriffs „Widerstand“ kann auch der Begriff „elektrischer Widerstand“ verwendet werden. Der Widerstand multipliziert mit dem Strom kann gleich der (elektrischen) Spannung sein.The term "electrical resistance" can also be used instead of the term "resistance". The resistance multiplied by the current can equal the (electrical) voltage.
Ein stabförmiger Abschnitt kann ein Abschnitt oder Teil der medizinischen Vorrichtung sein, der einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen kann. Der stabförmige Abschnitt kann eine zylindrische Form aufweisen, wobei eine Höhe oder Länge des stabförmigen Abschnitts den Durchmesser des stabförmigen Abschnitts übersteigt. Die Spitze des stabförmigen Abschnitts kann der äußerste Teil des stabförmigen Abschnitts in einer Vorwärtsrichtung der medizinischen Vorrichtung sein. Die Spitze des stabförmigen Abschnitts kann einen Bereich um den Umfang am oder in der Nähe des Endes des äußersten Teils des stabförmigen Abschnitts umfassen. Der stabförmige Teil kann ein Rohr umfassen oder mit einem Rohr realisiert werden. Die Spitze kann als Einführspitze der medizinischen Vorrichtung bezeichnet werden.A rod-shaped portion can be a portion or part of the medical device that can have a substantially circular cross-section. The rod-shaped section can have a cylindrical shape, with a height or length of the rod-shaped section exceeding the diameter of the rod-shaped section. The tip of the rod-shaped portion may be the outermost part of the rod-shaped portion in a forward direction of the medical device. The tip of the rod-shaped portion may include a peripheral area at or near the end of the outermost part of the rod-shaped portion. The rod-shaped part can comprise a tube or be realized with a tube. The tip may be referred to as the insertion tip of the medical device.
Das Cosserat-Modell kann auf der Stabtheorie von Cosserat beruhen. Dieser Ansatz kann eine im Wesentlichen exakte Lösung für die Statik eines Kontinuumsroboters ermöglichen, da er keinen Annahmen unterliegt. Es löst eine Reihe von Gleichgewichtsgleichungen zwischen Position, Orientierung, innerer Kraft und Drehmoment des Roboters, hier der medizinischen Vorrichtung, optional des stabförmigen Abschnitts davon. Die Erstellung eines genauen Modells, das die Form eines Kontinuumsroboters vorhersagen kann, ermöglicht es, die Form des Roboters richtig zu steuern.The Cosserat model can be based on Cosserat's rod theory. This approach can provide an essentially exact solution to the statics of a continuum robot, since it is not subject to any assumptions. It solves a series of equilibrium equations between the position, orientation, internal force and torque of the robot, here the medical device, optionally the rod-shaped section of it. Creating an accurate model that can predict the shape of a continuum robot makes it possible to properly control the shape of the robot.
Ein Katheter kann aus einen dünnen Schlauch umfassen, der aus medizinischem Material hergestellt wird und eine Vielzahl von Funktionen erfüllt. Katheter sind medizinische Vorrichtungen, die in den Körper eingeführt werden können, um Krankheiten zu behandeln und/oder einen chirurgischen Eingriff vorzunehmen. Durch Modifizierung des Materials oder Anpassung der Herstellungsweise von Kathetern ist es möglich, Katheter für kardiovaskuläre, urologische, gastrointestinale, neurovaskuläre und ophthalmologische Anwendungen maßzuschneidern. Das Einführen eines Katheters wird als „Katheterisierung“ bezeichnet. Ein Katheter kann einen dünnen, flexiblen Schlauch („weichen“ Katheter) umfassen, wobei Katheter je nach Anwendung unterschiedlich steif sind. Dies kann durch das (Cosserat-)Modell berücksichtigt werden. Der Katheter kann so gestaltet sein, dass er in eine Körperhöhle, einen Kanal oder ein Gefäß, das Gehirn, die Haut oder das Fettgewebe eingeführt werden kann. Funktionell kann der Katheter eine Drainage, die Verabreichung von Flüssigkeiten oder Gasen, den Zugang für chirurgische Instrumente und/oder eine Vielzahl anderer Aufgaben ermöglichen, je nach Art des Katheters. Bei dem Katheter kann es sich um eine so genannte Sonde handeln, die in der präklinischen oder klinischen Forschung für die Probenahme von lipophilen und hydrophilen Verbindungen, proteingebundenen und ungebundenen Arzneimitteln, Neurotransmittern, Peptiden und Proteinen, Antikörpern, Nanopartikeln und Nanoträgern, Enzymen und Vesikeln verwendet wird.A catheter can consist of a thin tube made of medical grade material that performs a variety of functions. Catheters are medical devices that can be inserted into the body to treat disease and/or perform a surgical procedure. By modifying the material or adjusting the way catheters are manufactured, it is possible to tailor catheters for cardiovascular, urinary, gastrointestinal, neurovascular and ophthalmic applications. The insertion of a catheter is called "catheterization". A catheter can include a thin, flexible tube (“soft” catheter), with catheters varying in stiffness depending on the application. This can be taken into account by the (Cosserat) model. The catheter may be designed to be inserted into a body cavity, duct or vessel, brain, skin or adipose tissue. Functionally, the catheter can provide drainage, administration of fluids or gases, access for surgical instruments, and/or a variety of other tasks, depending on the type of catheter. The catheter can be a so-called probe used in preclinical or clinical research for sampling lipophilic and hydrophilic compounds, protein bound and unbound drugs, neurotransmitters, peptides and proteins, antibodies, nanoparticles and nanocarriers, enzymes and vesicles becomes.
Bei einem endovaskulären Katheter kann es sich um einen Katheter handeln, der für die endovaskuläre Aneurysmenreparatur (EVAR) konfiguriert ist. EVAR ist eine Art minimalinvasiver endovaskulärer Chirurgie, die zur Behandlung von Pathologien der Aorta, meist eines abdominalen Aortenaneurysmas (AAA), eingesetzt wird. Bei der Behandlung von Erkrankungen der thorakalen Aorta wird das Verfahren als TEVAR (thorakale endovaskuläre Aorten-I Aneurysmareparatur") bezeichnet. Bei diesem Verfahren kann ein expandierbarer Stentgraft in die Aorta eingesetzt werden, um eine Aortenerkrankung zu behandeln, ohne direkt an der Aorta zu operieren.An endovascular catheter can be a catheter configured for endovascular aneurysm repair (EVAR). EVAR is a type of minimally invasive endovascular surgery used to treat pathologies of the aorta, most commonly an abdominal aortic aneurysm (AAA). When treating thoracic aortic disease, the procedure is called TEVAR ("Thoracic Endovascular Aortic-I Aneurysm Repair"). This procedure allows an expandable stent-graft to be placed in the aorta to treat aortic disease without operating directly on the aorta .
Ein Endoskop ist eine medizinische Vorrichtung, das als Inspektionsinstrument verwendet werden kann. Ein Endoskop kann einen Bildsensor, eine optischen Linse, eine Lichtquelle und/oder einermechanischen Vorrichtung umfassen, die dazu dient, durch Öffnungen wie den Mund oder den Anus tief in den Körper zu schauen.An endoscope is a medical device that can be used as an inspection tool. An endoscope may include an image sensor, an optical lens, a light source, and/or a mechanical device designed to look deep into the body through openings such as the mouth or anus.
Ein Neuroendoskop kann ein Endoskop sein, das so konfiguriert ist, dass es für die Neuroendoskopie verwendet werden kann. Dabei handelt es sich um eine minimalinvasive chirurgische Technik, die die Inspektion (und optional die Beleuchtung) von Winkeln in verborgenen Teilen des Operationsfeldes ermöglicht, was optional eine klare Visualisierung und Manipulation von anatomischen Strukturen erlaubt. Es gibt drei Hauptunterdisziplinen der endoskopischen Neurochirurgie: die intraventrikuläre Neuroendoskopie zur Behandlung von okklusivem Hydrocephalus und anderen Läsionen im und um das Ventrikelsystem, die transnasale Neuroendoskopie einschließlich der verschiedenen endoskopischen endonasalen Zugänge für Hypophysen- und weitere Schädelbasispathologien sowie die transkranielle endoskopgestützte Mikroneurochirurgie für verschiedene Arten von intrakraniellen Tumoren, Zysten und neurovaskulären Läsionen. Es ist jedoch zu beachten, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf diese drei Bereiche beschränkt ist.A neuroendoscope can be an endoscope configured to be used for neuroendoscopy. It is a minimally invasive surgical technique that allows inspection (and optionally illumination) of angles in hidden parts of the surgical field, optionally allowing clear visualization and manipulation of anatomical structures. There are three main sub-disciplines of endoscopic neurosurgery: intraventricular neuroendoscopy for the treatment of occlusive hydrocephalus and other lesions in and around the ventricular system, transnasal neuroendoscopy including the various endoscopic endonasal approaches for pituitary and other skull base pathologies, and transcranial endoscope-guided microneurosurgery for various types of intracranial Tumors, cysts and neurovascular lesions. However, it should be noted that the present disclosure is not limited to these three areas.
Eine medizinische Bildgebungsvorrichtung kann eine Vorrichtung sein, die für die medizinische Bildgebung verwendet wird. Medizinische Bildgebung ist die Technik und der Prozess der Abbildung des Körperinneren. Die medizinische Bildgebung kann die Radiologie umfassen, die die bildgebenden Verfahren der Röntgenradiographie, der Magnetresonanztomographie, des Ultraschalls, der Endoskopie, der Elastographie, der taktilen Bildgebung, der Thermographie, der medizinischen Fotografie und/oder der nuklearmedizinischen funktionellen Bildgebungstechniken wie Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) einsetzt.A medical imaging device may be a device used for medical imaging. Medical imaging is the technique and process of imaging the inside of the body. Medical imaging can include radiology, which includes the imaging methods of X-ray radiography, magnetic resonance imaging, ultrasound, endoscopy, elastography, tactile imaging, thermography, medical photography and/or nuclear medicine functional imaging techniques such as positron emission tomography (PET) and single photon emission computed tomography (SPECT).
Ein Magnetresonanztomograph ist eine medizinische Bildgebungsvorrichtung, das für die Magnetresonanztomographie (MRT) konfiguriert ist. Die MRT ist ein medizinisches Bildgebungsverfahren, das in der Radiologie verwendet werden kann, um Bilder der Anatomie und der physiologischen Prozesse des Körpers zu erstellen. MRT-Scanner nutzen starke Magnetfelder, Magnetfeldgradienten und Radiowellen, um Bilder von den Organen im Körper zu erzeugen.A magnetic resonance imaging scanner is a medical imaging device configured for magnetic resonance imaging (MRI). MRI is a medical imaging technique that can be used in radiology to create images of the body's anatomy and physiological processes. MRI scanners use strong magnetic fields, magnetic field gradients, and radio waves to create images of the organs in the body.
Ein Arbeitskanal kann ein Kanal sein, der optional eine kreisförmige Form hat und in dem stabförmigen Abschnitt der medialen Vorrichtung angeordnet ist. Der Arbeitskanal kann sich durch den gesamten stabförmigen Abschnitt erstrecken. Der Arbeitskanal kann verwendet werden, um eine (medizinische) Vorrichtung, ein Gas und/oder ein Fluid von einem Ende der medizinischen Vorrichtung, das sich optional außerhalb des Körpers befindet, zur Spitze des stabförmigen Abschnitts zu transportieren. Der Arbeitskanal kann permanent und/oder temporär Vorrichtungen wie eine Kamera, einen elektrischen Draht und/oder eine Lichtquelle zumindest teilweise aufnehmen oder beherbergen.A working channel can be a channel, optionally circular in shape, located in the rod-shaped portion of the medial device. The working channel can extend through the entire rod-shaped section. The working channel can be used to transport a (medical) device, a gas and/or a fluid from an end of the medical device, which is optionally located outside the body, to the tip of the rod-shaped section. The working channel may permanently and/or temporarily house or at least partially house devices such as a camera, an electrical wire, and/or a light source.
Unter Kauterisation versteht man die Verbrennung von Körpergewebe mit Hilfe von Hitze, um die Blutung oder Infektion einer Verletzung zu stoppen und/oder um schädliche Zellen zu entfernen.Cauterization is the burning of body tissues using heat to stop bleeding or infection from an injury and/or to remove harmful cells.
Figurenlistecharacter list
-
1 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht einen Katheter in einer Ausgangsposition und vier Positionen, die sich von der Ausgangsposition unterscheiden.1 shows schematically in a perspective view a catheter in a starting position and four positions that differ from the starting position. -
2 zeigt schematisch die Seitenwindungen des Katheters aus1 .2 shows schematically the side turns of thecatheter 1 . -
3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Spitze des Katheters aus1 .3 shows schematically a cross section through a tip of thecatheter 1 . -
4 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht ein Endoskop.4 shows an endoscope schematically in a perspective view. -
5 zeigt schematisch in einer Draufsicht einen Greifer des Endoskops von4 in einem geschlossenen Zustand.5 shows a gripper of the endoscope of FIG4 in a closed state. -
6 zeigt schematisch in einer Draufsicht den Greifer des Endoskops von4 in einem geöffneten Zustand.6 shows schematically in a plan view the gripper of the endoscope of FIG4 in an open state. -
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung der Bewegung einer medizinischen Vorrichtung in einem Magnetfeld.7 FIG. 12 shows a flow diagram of a method for controlling the movement of a medical device in a magnetic field. -
8 zeigt Diagramme zur Veranschaulichung der stromoptimierten Reglerkapazitäten bei verschiedenen Anfangsausrichtungen und den entsprechenden Joule-Erwärmungseffekten, wenn die Spulen mit Strom versorgt werden.8th shows plots illustrating the current optimized regulator capacitances at various initial orientations and the corresponding joule heating effects when the coils are energized. -
9 zeigt ein Flussdiagramm eines weiteren Verfahrens zur Steuerung einer Bewegung einer medizinischen Vorrichtung in einem Magnetfeld.9 FIG. 12 shows a flow diagram of another method for controlling a movement of a medical device in a magnetic field.
BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGENDESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS
Wie erforderlich, werden hier detaillierte Ausführungsformen offengelegt; es versteht sich jedoch von selbst, dass die offengelegten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen Formen verwirklicht werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, und einige Merkmale können übertrieben dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hier offenbart werden, nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als Grundlage für die Ansprüche und als repräsentative Basis, um dem Fachmann zu zeigen, wie er die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einsetzen kann.As required, detailed embodiments are disclosed herein; however, it should be understood that the disclosed embodiments are merely exemplary of the invention which may be embodied in various forms. The figures are not necessarily to scale and some features may be exaggerated to show detail of certain components. Therefore, specific structural and functional details disclosed herein are not to be taken as limiting, but merely as a basis for the claims and as a representative basis for teaching one skilled in the art to variously utilize the present invention.
Im Folgenden wird eine Lösung für das Problem der durch die Lorentzkraft induzierten Erwärmung beschrieben, ohne dass eine aktive Kühlung oder eine Begrenzung der Aktivierungszeiten der Mikrospule für die Steuerung einer medizinischen Vorrichtung erforderlich ist. Dies wird durch eine hitzemindemde Design- und Aktivierungsstrategie erreicht, die die zuvor erwähnten 44 °C als Schwellenwert für eine sichere Navigation im Körper verwendet (unter der Annahme, dass keine arterielle Abkühlung stattfindet; Worst-Case-Szenario).A solution to the problem of Lorentz force induced heating without requiring active cooling or limiting the activation times of the microcoil for controlling a medical device is described below. This is achieved through a heat-reducing design and activation strategy that uses the previously mentioned 44 °C as a threshold for safe navigation in the body (assuming no arterial cooling occurs; worst-case scenario).
In
Der Katheter 1 umfasst einen stabförmigen Abschnitt 3 und eine Spitze 2, die an einem distalen Ende des stabförmigen Abschnitts 3 angeordnet ist, wobei ein Spulensatz 4 an der Spitze 2 angeordnet ist.The
Wie aus
Wie in
Der Spulensatz 4 umfasst zwei axiale Spulen 6 mit rundem Querschnitt, die um den Arbeitskanal 5 angeordnet sind, wobei ein Zentrum dieser beiden axiale Spulen 6 auf der X-Achse liegt, d.h. die Windungen der axiale Spulen 6 sind um die X-Achse gewickelt. Mit anderen Worten, eine Gerade, die parallel zur Längsrichtung der Spitze 2 verläuft, schneidet den Mittelpunkt der beiden axialen Spulen 6. In der in den
Der Spulensatz 4 umfasst vier seitlichen Spulen 7 - 10, die so um die beiden axiale Spulen 6 der Spitze 2 angeordnet sind, dass eine orthogonal zur Längsrichtung der Spitze 2 stehende Gerade, d.h. eine in der YZ-Ebene angeordnete und orthogonal zur X-Achse stehende Gerade, einen Mittelpunkt der jeweiligen seitlichen Spule 7 - 10 schneidet. In der in den
Alle seitlichen Spulen 7 - 10 sind auf derselben flexiblen Leiterplatte 14 angeordnet, die um die axiale Spulen 6 gewickelt ist, wobei eine Polymidschicht 11 zwischen den seitlichen Spulen 7 - 10 und den axiale Spulen 6 angeordnet ist (siehe
Die von den seitlichen Spulen 7 - 10 erzeugte Lorentzkraft führt zu einer Bewegung der Spitze 2 des Katheters 1 im Wesentlichen in der YZ-Ebene, wie in
Wenn ein Winkel von 90° erreicht ist, d.h. wenn der stabförmige Teil 3 so weit gebunden ist, dass der Magnetfeldvektor der Spitze 2 B0 und der Mittelpunkt der seitlichen Spulen 7-10 parallel sind, wird von den seitlichen Spulen 7-10 keine Lorentzkraft erzeugt und die axialen Spulen 6 können zur Überwindung dieses Punktes verwendet werden.When an angle of 90° is reached, ie when the rod-shaped
Die Windungszahl der vier seitlichen Spulen 7 - 10 kann zwischen 2 und 40 (d. h. einschließlich 2 und 40) bzw. zwischen 4 und 30 (d. h. einschließlich 4 und 30) liegen. Im vorliegenden Fall beträgt die Windungszahl der vier Seitenwindungen 7 - 10 jedoch jeweils 7 (sieben). Zusammen mit der rechtwinkligen archimedischen Spirale kann bei der ebenen Spulenform der Seitenwindungen 7-10, die durch Laserbearbeitung hergestellt werden, ein sehr kleiner Durchmesser der Spitze 2, z. B. etwa 1 mm, erreicht werden.The number of turns of the four lateral coils 7-10 may be between 2 and 40 (i.e. 2 and 40 inclusive) and between 4 and 30 (i.e. 4 and 30 inclusive) respectively. In the present case, however, the number of turns of the four side turns 7 - 10 is 7 (seven) each. Along with the rectangular Archimedean spiral, the planar coil form of the side turns 7-10 made by laser machining allows a very small diameter of the
Dies wird im Folgenden anhand einer bestimmten Ausführung der Vorrichtung näher erläutert, die nur zu Erläuterungszwecken beschrieben wird und den Umfang der Offenbarung, insbesondere der Ansprüche, in keiner Weise einschränken soll.This is explained in more detail below based on a specific embodiment of the device, which is described for illustrative purposes only and is not intended to limit the scope of the disclosure, in particular the claims, in any way.
Lorentzkraft-Aktuatoren haben sich aufgrund ihrer Präzision, ihrer hohen Kraftausbeute und ihrer Skalierbarkeit für die Integration von weichen Vorrichtungen als effektiv für verschiedene robotische/medizinische Anwendungen erwiesen. Diese Aktuatoren nutzen externe Magnetfelder, um eine Kraft zu erzeugen, die direkt für die Roboterbetätigung gesteuert wird. Daher können Lorentzkraft-Aktuatoren das hohe externe Magnetfeld, wie es in MRT-Umgebungen entsteht, zur Entwicklung von Robotervorrichtungen nutzen.Lorentz force actuators have proven effective for various robotic/medical applications due to their precision, high force output, and scalability for soft device integration. These actuators use external magnetic fields to generate a force that is directly controlled for robot actuation. Therefore, Lorentz force actuators can use the high external magnetic field generated in MRI environments to develop robotic devices.
Die Integration solcher Aktuatoren in Katheter wurde durch die Verwendung von Kupferspulen für die Lorentzkraft-basierte Steuerung in Blutgefäßen und im Herzen demonstriert. Bei diesem Ansatz führt die Steuerung der Strompolarität der Mikrospule direkt zu einer Deflektion der Spitze 2 in der entsprechenden Richtung (siehe
Eine Maximierung der Anzahl der Spulenwindungen und der Fläche ist jedoch für die Navigation in engen Blutgefäßen möglicherweise nicht möglich. Zur Verbesserung der beiden bestehenden Konstruktionsschemata kann die Laserbearbeitung in Verbindung mit der archimedischen Spiralspule eingesetzt werden, um ein in der Ebene liegendes Mikrospulendesign mit Vierfachkonfiguration zu schaffen (siehe
Das vorgeschlagene Design ermöglicht kompaktere und deutlich kleinere Katheterdurchmesser, z. B. bis zu 1 mm, als die bisher vorgeschlagenen Designs, während eine vergleichbare Steuerbarkeit erreicht wird. Bei diesem Ansatz sind beide Sattel-/seitlichen Spulensätze in derselben Umfangsebene integriert, ohne dass im Vergleich zum Stand der Technik eine zusätzliche Schichtdicke eingeführt wird.The proposed design enables more compact and significantly smaller catheter diameters, e.g. up to 1 mm, than previously proposed designs while achieving comparable controllability. With this approach, both saddle/side coil sets are integrated in the same circumferential plane without introducing any additional layer thickness compared to the prior art.
Im Folgenden werden die Gleichungen für eine rechteckige archimedische Spirale angegeben, um das magnetische Moment der Mikrospule abzuschätzen. Die ungefähre wirksame Fläche aller Spulenschleifen 7 - 10 kann wie folgt ausgedrückt werden (Gleichung 2)
Setzt man Gleichung (2) in Gleichung (1) ein, erhält man das magnetische Moment einer einzelnen Sattelspule
Das Erreichen größerer Biegewinkel für die auf der Lorentzkraft basierende Betätigung setzt die Maximierung des magnetischen Moments der Spule voraus. Wie aus den obigen Gleichungen hervorgeht, kann die Abstimmung verschiedener Parameter (z. B. Spulenwindungszahl, Strom, Katheterdurchmesser) die Leistung beeinflussen. In der Regel bedeutet eine größere Spulenwindungszahl eine bessere Biegeleistung aufgrund der größeren Spulenfläche. Wenn jedoch der Strom auf den Erwärmungsschwellenwert (z. B. 0,5 W) begrenzt ist, um Erwärmungseffekte abzuschwächen, besteht eine umgekehrte Beziehung zwischen dem magnetischen Moment und der Windungszahl der Spule. Mit anderen Worten: Eine geringere Spulenwindungszahl ist ideal für die Abschwächung der Erwärmung, erfordert aber höhere Ströme, um ein derartiges elektromagnetisches Drehmoment zu erzeugen, was zu einer unerwünschten Erwärmung der Stromleitungen 13 führt. Die Verwendung größerer Stromleitungen 13 zur Verringerung der Erwärmung erhöht jedoch die strukturelle Steifigkeit je nach Drahtstärke und hat somit unerwünschte Auswirkungen auf die Steuerbarkeit des Katheters. Daher kann eine Mikrospulenwindungszahl in den vorstehend beschriebenen Bereichen, insbesondere von etwa 7, verwendet werden, um das magnetische Moment zu maximieren und gleichzeitig innerhalb etablierter Stromstärken für Stromleitungen 13 und eines akzeptablen Bereichs der Steifigkeit für (z. B. endovaskuläre) Katheter zu bleiben.Achieving larger bending angles for Lorentz force based actuation requires maximizing the magnetic moment of the coil. As can be seen from the equations above, tuning various parameters (e.g. coil turns, current, catheter diameter) can affect performance. Generally, a larger number of coil turns means better bending performance due to the larger coil area. However, when the current is limited to the heating threshold (e.g. 0.5 W) to mitigate heating effects, there is an inverse relationship between the magnetic moment and the number of turns of the coil. In other words, a lower coil turn count is ideal for heating mitigation, but requires higher currents to generate such electromagnetic torque, resulting in undesired heating of the
Im Folgenden wird ein Endoskop 15, hier ein Neuroendoskop, das die gleiche Vierfachspulen-Konstruktion wie der Katheter 1 verwendet, anhand von
Das Endoskop 15 umfasst eine Spitze 16, einen stabförmigen Abschnitt 151, einen die Spitze 16 umgebenden Spulensatz 17, der bereits oben in Bezug auf den Spulensatz 4, der die Spitze 2 des Katheters 1 umgibt, beschrieben wurde, und (nicht dargestellten) Stromleitungen, die so angeordnet sind, dass sie den Spulensatz 17 auf die gleiche Weise mit elektrischer Energie versorgen wie die vorstehend beschriebenen Stromleitungen 13 des Katheters 1. Die Spitze 16 des Endoskops 15 umfasst eine Kamera 18, eine Beleuchtungseinrichtung 19, die optional eine LED umfasst, und eine Öffnung 20 eines Spülkanals, der sich durch das Endoskop 15 erstreckt.The
Das Endoskop 15 umfasst einen Endeffektor 21, hier einen Greifer, der mit der Spitze 16 des Endoskops 15 verbunden ist. Der Endeffektor wird durch Lorentzkraft betätigt. Daher umfasst der Greifer 21 einen weiteren Spulensatz 22 zur Betätigung der Backen 23 des Greifers 21.The
Dies ist in den
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Steuerung einer Bewegung der vorstehend beschriebenen medizinischen Vorrichtungen, d. h. des Endoskops 15 und des Katheters 2, in einem Magnetfeld im Detail beschrieben. Ein Flussdiagramm des Verfahrens ist in
Beiden medizinischen Vorrichtungen 2, 15 ist gemeinsam, dass sie einen flexiblen, im Wesentlichen stabförmigen Abschnitt 3, 151 aufweisen. Die Bewegung der Spitze 2, 16 umfasst eine Verformung des stabförmigen Abschnitts 3, 151, die zu einer Bewegung der Spitze 2, 16 des stabförmigen Abschnitts 3, 151 führt. Daher können die nachstehend beschriebenen Grundsätze sowohl auf den Katheter 2 als auch auf das Endoskop 15 angewendet werden.Both
In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens wird ein Drehmoment bestimmt, das auf die medizinische Vorrichtung 1, 15 aufgebracht werden muss, damit die Spitze 2, 16 der medizinischen Vorrichtung 1, 15 die Bewegung ausführt.In a first step S1 of the method, a torque is determined which has to be applied to the
Das Bestimmen des Drehmoments kann die Lösung eines ersten Optimierungsproblems umfassen, um das auf die medizinische Vorrichtung 1, 15 aufzubringende Drehmoment zu minimieren, damit die Spitze 2, 16 der medizinischen Vorrichtung 1, 15 die Bewegung ausführt.Determining the torque may involve solving a first optimization problem to minimize the torque to be applied to the
Die Lösung des ersten Optimierungsproblems kann das Bestimmen der Verformung des stabförmigen Abschnitts 3, 151 umfassen, die für die Bewegung der Spitze 2, 16 des stabförmigen Abschnitts 3, 151 von einer tatsächlichen Position zu einer gewünschten Position erforderlich ist, so dass ein Drehmoment, das für die Verformung des stabförmigen Abschnitts 3, 151 erforderlich ist, minimiert wird. Das Drehmoment, das auf die medizinische Vorrichtung 1, 15 aufgebracht werden muss, damit die medizinische Vorrichtung die Bewegung ausführt, wird dann so eingestellt, dass es gleich dem Drehmoment ist, das für die Verformung des stabförmigen Abschnitts 3, 151 erforderlich ist.The solution to the first optimization problem may involve determining the deformation of the rod-shaped
Die Verformung, die für die Bewegung der Spitze 2, 16 des stabförmigen Abschnitts 3, 151 von der tatsächlichen Position zur gewünschten Position erforderlich ist, kann mit Hilfe eines Modells, optional eines Cosserat-Modells, bestimmt werden, das die nichtlineare Dynamik des stabförmigen Abschnitts 3, 151 darstellt.The deformation required for the movement of the
Dies wird im Folgenden anhand einer spezifischen Umsetzung der Offenbarung im Detail erläutert, die lediglich zu Erklärungszwecken beschrieben wird und den Umfang der Offenbarung, insbesondere der Ansprüche, in keiner Weise einschränken soll.This is explained in detail below based on a specific implementation of the disclosure, which is described for explanation purposes only and is not intended to limit the scope of the disclosure, in particular the claims, in any way.
Steuerbare Katheter unterliegen während chirurgischer Eingriffe großen Verformungen/Bewegungen. Eine Methode zur Modellierung solcher Bewegungen, die üblicherweise zur Modellierung von elastischen Stäben und Kontinuumsstäben verwendet wird, ist die Cosserat-Stabtheorie. Das Cosserat-Stabmodell integriert die traditionelle Biegung und Verdrehung von Kirchhoff-Stäben mit zusätzlicher Dehnung und Scherung, um die volle Balkendynamik zu erfassen. Das Cosserat-Modell bildet die nichtlineare Dynamik von elastischen Stäben mit unterschiedlichen Materialien und Geometrien genau ab. Der Katheter 1 kann als ein freitragender Balken modelliert werden, auf den ein externes Drehmoment und eine Spitzenkraft wirken. Der Zustand des Katheters lässt sich durch eine Menge von N diskretisierten Segmenten
In einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens wird durch Lösung eines zweiten Optimierungsproblems jeweils ein minimaler Strom bestimmt, der jeder Spule 6, 7 -10 des Spulensatzes 4, 17 zugeführt werden muss, um das bestimmte Drehmoment (τ_des) zu erreichen.In a second step S2 of the method, a minimum current is determined by solving a second optimization problem, which must be supplied to each
Dies wird im Folgenden anhand einer spezifischen Umsetzung der Offenbarung im Detail erläutert, die lediglich zu Erklärungszwecken beschrieben wird und den Umfang der Offenbarung, insbesondere der Ansprüche, in keiner Weise einschränken soll.This is explained in detail below based on a specific implementation of the disclosure, which is described for explanation purposes only and is not intended to limit the scope of the disclosure, in particular the claims, in any way.
Die auf Mikrospulen basierende Wärmeerzeugung kann durch eine optimale Stromverteilung auf die seitlichen und axialen Spulen 6, 7 -10 reduziert werden. Der Spitzenorientierungsregler umfasst daher ein zweistufiges Optimierungsschema: 1) inverse Kinematik zur Bestimmung des Drehmoments unter Verwendung von Gleichung (9) und 2) Stromverteilung der Sattel-/axialen Spulen. Ein leistungsoptimiertes Stromverteilungsproblem wird als nichtlineare quadratische Optimierung formuliert (Gleichungen 10 und 11)
In einem dritten Schritt S3 des Verfahrens wird jeder Spule des Spulensatzes 6, 7 - 10 jeweils der bestimmte Mindeststrom (I_side1, I_side2, I_axial) zugeführt, so dass die Spitze 2, 16 der medizinischen Vorrichtung 2, 15 die Bewegung ausführt.In a third step S3 of the method, each coil of the coil set 6, 7-10 is supplied with the specific minimum current (I_side1, I_side2, I_axial), so that the
Der dritte Schritt S3 kann, falls es sich bei der medizinischen Vorrichtung um das Endoskop 15 handelt, die Betätigung des Endeffektors 21 durch Anlegen eines Stroms an den weiteren Spulensatz 22 umfassen. Falls der Endeffektor 21 die Greifzange umfasst, kann die Betätigung des Endeffektors 21 das Öffnen und/oder Schließen der Backen 23 der Greifzange 21 durch Anlegen des Stroms an den weiteren Spulensatz 22 umfassen. Das Öffnen kann eine Bewegung sein, bei der die Backen des Greifers durch Drehen um das Drehgelenk 24 voneinander weg bewegt werden, und das Schließen kann eine Bewegung sein, bei der die Backen 23 des Greifers durch Drehen um das Drehgelenk 24 aufeinander zu bewegt werden. Das Verfahren kann das Abtragen und/oder Abtöten von Gewebe umfassen, das optional Tumorzellen, wie z. B. kanzeröse Hirntumorzellen, umfasst, wobei die Joule-Erwärmung verwendet wird, die durch den Strom verursacht wird, der dem weiteren Spulensatz 22 zugeführt wird, um den Endeffektor 21 zu betätigen, optional zum Öffnen und Schließen der Backen 23 des Greifers.If the medical device is the
Die durch die Betätigung des Greifers verursachte Joule-Erwärmung kann im dritten Schritt S3 des Verfahrens zur Kauterisation verwendet werden. Genauer gesagt umfasst die Kauterisation die Betätigung des Endeffektors durch Anlegen eines Stroms an den weiteren Spulensatz 22 und das Abtragen und/oder Abtöten von Gewebe, das optional Tumorzellen umfasst, unter Verwendung der Joule-Erwärmung, die durch den an den Spulensatz gelieferten Strom zur Betätigung des Endeffektors verursacht wird.The Joule heating caused by the actuation of the gripper can be used in the third step S3 of the method for cauterization. More specifically, cauterization involves actuating the end effector by applying a current to the further coil set 22 and ablating and/or killing tissue, optionally including tumor cells, using the Joule heating generated by the current supplied to the coil set for actuation of the end effector.
Dies wird im Folgenden anhand einer spezifischen Umsetzung der Offenbarung im Detail erläutert, die lediglich zu Erklärungszwecken beschrieben wird und den Umfang der Offenbarung, insbesondere der Ansprüche, in keiner Weise einschränken soll.This is explained in detail below based on a specific implementation of the disclosure, which is described for explanation purposes only and is not intended to limit the scope of the disclosure, in particular the claims, in any way.
Mit dem vorgeschlagenen Design des vorstehend beschriebenen MRT-gesteuerten Endoskops 15 wird die Nutzung des hohen (3-7 T), externen Magnetfelds eines MR-Scanners für die wärmegesteuerte Steuerung innerhalb des Ventrikelsystems des Gehirns möglich. Der auf Lorentzkraft basierende Greifer kann für die Manipulation und Ablation von erkranktem Gewebe, d. h. für die Kauterisation, eingesetzt werden. Machbarkeitsstudien zeigen, dass das Neuroendoskop 15 im lateralen Ventrikel präzise gesteuert werden kann, um einen Tumor sowohl mit Hilfe von MRT als auch endoskopischer Führung zu lokalisieren. Die Ergebnisse zeigen auch, dass Greifkräfte von bis zu 31 mN möglich sind und eine Stromaufnahme von nur 0,69 mW eine Abtragung von Krebsgewebe bewirken kann.With the proposed design of the MRI-guided
In
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