ES2282113T3 - Stent medico expansionable con articulaciones ductiles. - Google Patents
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- A61F2002/9155—Adjacent bands being connected to each other
- A61F2002/91558—Adjacent bands being connected to each other connected peak to peak
Abstract
Dispositivo médico expansionable (100; 110), que comprende: una serie de elementos alargados (118), estando unidos entre sí la serie de elementos alargados (118) para formar un dispositivo substancialmente cilíndrico (100; 110), el cual es expansionable radialmente, teniendo la serie de elementos alargados (118) una anchura de elementos; y una serie de bisagras dúctiles (116) que conectan la serie de elementos (118) entre sí, en el dispositivo substancialmente cilíndrico (100; 110), una primera sección (104) del dispositivo substancialmente cilíndrico (100; 110) que incluye bisagras dúctiles (116) que tienen una primera anchura y una segunda sección (102) del dispositivo substancialmente cilíndrico (100; 110) que incluye bisagras dúctiles (116) que tienen una segunda anchura; caracterizado porque las bisagras dúctiles (116) tienen una anchura a lo largo de una parte de una longitud de la bisagra que es menor que la anchura del elemento, de tal manera que el dispositivo (100; 110) que se expansiona en las bisagras dúctiles (116) experimenta una deformación plástica, mientras que los elementos (118) no son deformadas plásticamente, y porque la segunda anchura es diferente de la primera anchura, de tal manera que la primera sección (104) se expansiona antes que la segunda sección (102).
Description
Stent médico expansionable con articulaciones
dúctiles.
La presente invención se refiere a dispositivos
médicos para el soporte de tejidos, y más particularmente a
dispositivos que pueden expansionarse, no extraíbles, que están
implantados en el interior de un lumen corporal de un ser humano o
de un animal vivo, para soportar el órgano y mantener la libertad de
paso.
En el pasado, se han desarrollado dispositivos
permanentes o biodegradables para ser implantados en el interior de
un paso corporal para mantener la libertad de paso del conducto.
Estos dispositivos son introducidos típicamente de manera
percutánea y son transportados transluminalmente hasta que quedan
situados en la posición deseada. A continuación, estos dispositivos
son expansionados, bien mecánicamente, por medio de la expansión de
un mandril o globo situado en el interior del dispositivo, o bien
se expansionan por sí mismos liberando una energía almacenada
mediante su activación en el interior del cuerpo. Una vez
expansionados en el interior del lumen, estos dispositivos
denominados "stents" quedan encapsulados en el interior del
tejido corporal y permanecen en forma de implante permanente.
Los "stents" conocidos incluyen diseños de
"stents" de espiras de alambre de un único filamento (Patente
USA Nº 4.969.458); cajas metálicas soldadas (Patentes USA Nº
4.733.665 y 4.776.337); y de manera muy destacada, cilindros
metálicos de paredes delgadas con ranuras axiales formadas alrededor
de su circunferencia (Patentes USA Nº 4.733.665, 4.739.762 y
4.776.337). Los materiales de construcción conocidos utilizados en
los "stents" incluyen polímeros, tejidos orgánicos y metales
biocompatibles tales como acero inoxidable, oro, plata, tántalo,
titanio y aleaciones de memoria de forma tales como Nitinol.
Las patentes USA Nº 4.733.665, 4.739.762 y
4.776.337 dan a conocer injertos vasculares interluminales,
expansionables y deformables, en forma de elementos tubulares de
paredes delgadas con ranuras axiales que permiten que los elementos
se expansionen radialmente hacia el exterior en contacto con un
conducto corporal. Después de la introducción, los elementos
tubulares son expansionados mecánicamente más allá de su límite
elástico y, de este modo, quedan fijados de manera permanente en el
interior del cuerpo. La fuerza requerida para expansionar estos
"stents" tubulares es proporcional al espesor del material de
la pared en dirección radial. Para mantener las fuerzas de
expansión dentro de unos niveles aceptables para ser utilizadas en
el interior del cuerpo (por ejemplo, 5 - 10 atm), estos diseños
deben utilizar materiales de paredes muy delgadas (por ejemplo,
tubos de acero inoxidable con paredes de 0,0025 pulgadas de
espesor). Sin embargo, unos materiales tan delgados no son visibles
en equipos de fluoroscopia y de rayos X convencionales y, por
consiguiente, es difícil colocar los "stents" de manera
precisa, o encontrar y recuperar "stents" que posteriormente se
hayan desplazado y se hayan perdido en el sistema circulatorio.
Además, muchos de estos diseños de "stents"
tubulares de paredes delgadas utilizan redes de alambres largos y
esbeltos, cuya anchura en dirección circunferencial es dos o más
veces mayor que su espesor en sentido radial. Una vez
expansionados, estos alambres a menudo son inestables, es decir,
presentan una tendencia a curvarse, torciéndose los alambres
individuales y torciéndose perdiendo planicidad. Se ha observado que
una excesiva prominencia de estos alambres torcidos en el torrente
sanguíneo incrementa la turbulencia, y de este modo se fomenta la
trombosis. A menudo se han requerido procedimientos adicionales para
intentar corregir este problema de alambres alabeados. Por ejemplo,
cuando después de la implantación inicial de los "stents" se
determina que se ha producido un curvado de los alambres, se utiliza
un segundo globo a alta presión (por ejemplo, de 12 a 18 atm) para
intentar llevar los alambres torcidos más adentro, hacia el interior
de la pared del lumen. Estos procedimientos secundarios pueden ser
peligrosos para el paciente debido al riesgo de daños colaterales
en la pared del lumen.
Muchos de los "stents" conocidos presentan
una gran recuperación elástica, conocida en el sector como
"retroceso", después de su expansión en el interior de un
lumen. Un retroceso importante necesita una
sobre-expansión del "stent" durante la
implantación para conseguir el diámetro final deseado. La
sobre-expansión es potencialmente destructiva del
tejido del lumen. Los "stents" conocidos del tipo descrito
anteriormente experimentan un retroceso de hasta un 6 a un 12%
aproximadamente de la expansión máxima.
Un retroceso importante hace asimismo muy
difícil plegar de manera segura la mayor parte de los "stents"
conocidos, sobre los globos de los catéteres de suministro. Como
resultado, el deslizamiento de los "stents" en los globos
durante su transporte por el interior de los lúmenes, su posicionado
final y su implantación han constituido un problema continuado. Se
han propuesto muchos dispositivos y técnicas auxiliares para los
dispositivos de sujeción de los "stents", para intentar
resolver este problema básico de diseño. Algunos de los dispositivos
de sujeción de los "stents" incluyen anillos y manguitos
utilizados para sujetar el "stent" en el globo.
Otro problema de los diseños conocidos de
"stents" es la falta de uniformidad en la forma geométrica del
"stent" expansionado. Una expansión no uniforme puede conducir
a un revestimiento no uniforme de la pared del lumen, creando
intersticios en el revestimiento y un soporte inadecuado del lumen.
Además, un exceso de expansión en algunas zonas o celdas del
"stent" puede conducir a una excesiva deformación del material
e incluso a un fallo de las características del "stent". Este
problema es potencialmente peor en los "stents" de reducida
fuerza de expansión que presentan unas características con unas
anchuras y unos espesores menores, en los cuales las variaciones de
fabricación resultan proporcionalmente más significativas. Además,
un catéter típico de suministro para ser utilizado en la expansión
de un "stent" incluye un globo plegado de forma compacta para
su introducción con el catéter. El globo se expansiona mediante la
presión de un fluido para desdoblar el globo y desplegar el
"stent". Este proceso de desdoblado del globo produce tensiones
desiguales aplicadas al "stent" durante la expansión del globo
debido a los pliegues, que ocasionan el problema de la expansión no
uniforme del "stent".
La patente USA Nº 5.545.210 da a conocer un
"stent" tubular de pared delgada, geométricamente similar a los
comentados anteriormente, pero fabricado en una aleación de
níquel-titanio con memoria de forma
("Nitinol"). Este diseño permite la utilización de cilindros
con paredes más gruesas mediante la utilización de las tensiones de
deformación menores y los módulos elásticos menores de la fase
martensítica de las aleaciones de Nitinol. La fuerza de expansión
requerida para expansionar un "stent" de Nitinol es inferior a
la de los "stents" de acero inoxidable de espesor comparable
de diseño convencional. Sin embargo, el problema del
"retroceso" después de la expansión es significativamente
mayor con Nitinol que con otros materiales. Por ejemplo, el
retroceso de un "stent" típico diseñado con Nitinol es de
alrededor del 9%. El Nitinol es asimismo más caro y más difícil de
fabricar y de mecanizar que otros materiales para "stents",
tales como el acero inoxidable.
Todos los "stents" anteriores comparten una
propiedad de diseño crítica: en cada diseño, las configuraciones
que sufren la deformación permanente durante la expansión del
"stent" son prismáticas, es decir, las secciones transversales
de estas configuraciones permanecen constantes o varían muy
gradualmente a lo largo de su longitud activa total. En una primera
aproximación, dichas configuraciones se deforman bajo tensiones
transversales como elementos simples con los extremos fijos o
guiados: esencialmente las configuraciones actúan como resortes de
láminas. Estas estructuras del tipo de resortes de láminas son
adecuadas idealmente para proporcionar una deformación elástica de
gran magnitud antes de que empiece la deformación permanente. Este
es exactamente el comportamiento opuesto al del "stent" ideal.
Además, la fuerza requerida para deformar "stents" con alambres
prismáticos en dirección circunferencial durante la expansión del
"stent" es proporcional al cuadrado de la anchura del alambre
en dirección circunferencial. De este modo, las fuerzas de expansión
se incrementan rápidamente con la anchura del alambre en los
diseños anteriores de "stents". Las presiones de expansión
típicas, requeridas para expansionar los "stents" conocidos,
están comprendidas entre 5 y 10 atmósferas. Estas fuerzas pueden
causar daños substanciales al tejido si están mal aplicadas.
La figura 1 muestra un diseño de "stent" de
la técnica anterior del tipo de "caja expandible". El
"stent" (10) incluye una serie de ranuras axiales (12)
formadas en un tubo cilíndrico (14). Cada fila axial de ranuras
(12) está desplazada axialmente de la fila adyacente,
aproximadamente en la mitad de la longitud de la ranura,
proporcionando una disposición de ranuras escalonadas. El material
entre las ranuras (12) forma una red de alambres axiales (16)
unidos mediante conectores circunferenciales cortos (18). La sección
transversal de cada alambre (16) permanece constante o varía
gradualmente a lo largo de la longitud total del alambre y, de este
modo, el momento rectangular de inercia y los módulos de las
secciones elástica y plástica de la sección transversal permanecen
constantes o varían gradualmente a lo largo del alambre. Dicho
alambre (16) se denomina corrientemente elemento prismático. En
este tipo de diseño, los alambres (16) tienen típicamente de 0,127
a 0,1524 mm de ancho (0,005 a 0,006 pulgadas) en dirección
circunferencial. Los espesores de los alambres en dirección radial
son típicamente de unos 0,0635 mm (0,0025 pulgadas) o inferiores,
para mantener las fuerzas de expansión dentro de unos niveles
aceptables. No obstante, la mayor parte de materiales de los
"stents" deben tener un espesor aproximado de 0,127 mm (0,005
pulgadas) para tener una buena visibilidad en los equipos de
fluoroscopia convencionales. Esta elevada proporción de la anchura
del alambre con respecto al espesor, combinada con la longitud
relativamente elevada del alambre y la curvatura inicial del tubo
del "stent" se combinan para causar la inestabilidad y el
curvado que aparece a menudo en este tipo de diseño de
"stents". La estructura del "stent" de la figura 1, una
vez expansionada, adopta una disposición aproximadamente en forma
de diamante que aparece habitualmente en las chapas de metal
expandido.
Otro "stent" descrito en la publicación PCT
número WO 96/29028 utiliza alambres con partes relativamente
débiles, con unas secciones transversales reducidas localmente, las
cuales, actúan durante la expansión del "stent" para
concentrar la deformación en estas zonas. Sin embargo, tal como se
ha descrito anteriormente, la expansión no uniforme es un problema
incluso más importante cuando se trata de utilizar anchuras y
espesores de características menores, debido a que las variaciones
en la fabricación resultan proporcionalmente más significativas. Las
partes de sección transversal localmente reducida, descritas en
este documento, están formadas por pares de orificios circulares.
La forma de la sección transversal localmente reducida concentra de
manera no deseada la deformación plástica en la parte más estrecha.
Esta concentración de la deformación plástica sin ninguna
previsión para el control del nivel de deformación plástica hace que
el "stent" sea altamente susceptible a los fallos.
En vista de los inconvenientes de los
"stents" de la técnica anterior, sería ventajoso poder
expansionar un "stent" con una fuerza de expansión a un nivel
reducido, independientemente de la selección de los materiales del
"stent", del espesor del material o de las dimensiones del
alambre.
Sería además ventajoso disponer de un
dispositivo de soporte de tejidos que permitiera una elección de los
espesores del material, de tal modo que pudiera ser visualizado
fácilmente en equipos fluoroscópicos convencionales para cualquier
material.
Asimismo, sería ventajoso disponer de un
dispositivo de soporte del tejido que fuera estable de manera
inherente durante la expansión, eliminando de esta manera el
curvado y la torsión de las configuraciones estructurales durante
el despliegue del "stent".
Sería también deseable un control de la
deformación a un nivel deseado, que aproveche las ventajas del
endurecimiento por el trabajo, sin alcanzar un nivel de deformación
plástica en la cual puede producirse un fallo.
Además sería ventajoso disponer de un
dispositivo de soporte de tejidos con una recuperación elástica o un
"retroceso" mínimo del dispositivo después de la
expansión.
Sería ventajoso disponer de un dispositivo de
soporte de tejidos que pudiera ser plegado con seguridad en el
catéter de suministro sin requerir herramientas especiales, técnicas
o características auxiliares de sujeción.
Sería aún ventajoso disponer de un dispositivo
de soporte de tejidos que tuviera una resistencia mejorada a las
fuerzas de compresión (resistencia mejorada al aplastamiento)
después de la expansión.
Sería asimismo ventajoso disponer de un
dispositivo de soporte de tejidos que consiga todas las mejoras
anteriores con una reducción mínima de la longitud total del
"stent" durante la expansión.
Finalmente, sería asimismo ventajoso dar a
conocer un dispositivo de soporte de tejidos que sea expansionable
de manera diferencial, y/o que tenga características de estructura
del orificio que permita disponer bifurcaciones.
La presente invención se dirige a varios
problemas importantes en el diseño de dispositivos médicos que
pueden expansionarse, que incluyen: necesidad de elevadas fuerzas
de expansión, falta de radio-opacidad en los
"stents" de paredes delgadas; curvado y torsión de la
configuración de los "stents" durante la expansión; deficientes
propiedades de plegado; y excesiva recuperación elástica
("retroceso") después de la implantación. La invención
proporciona asimismo las ventajas de una mejor resistencia frente a
las fuerzas de compresión después de la expansión, del control del
nivel de deformación plástica y un reducido acortamiento axial
durante la expansión. Algunas realizaciones de la invención
proporcionan asimismo una uniformidad de expansión mejorada
mediante la limitación de la deformación geométrica máxima entre
alambres. Otras realizaciones de la invención incluyen segmentos
del dispositivo de expansión que puede ser expansionado en una
secuencia especificada y/o una configuración de orificios
enmarcados para alojar bifurcaciones.
La invención implica la incorporación de
configuraciones de concentración de tensiones/deformaciones, o
"bisagras dúctiles", en puntos seleccionados en el cuerpo de
un dispositivo médico cilíndrico que puede expansionarse. Cuando se
aplican fuerzas de expansión al dispositivo como un conjunto, estas
bisagras dúctiles concentran las tensiones de expansión y las
deformaciones en zonas pequeñas bien definidas, al mismo tiempo que
limitan la deformación del alambre y la deformación plástica a los
niveles especificados.
Según un aspecto de la presente invención, un
dispositivo médico que pueda expansionarse incluye una serie de
elementos alargados y una serie de bisagras dúctiles que conectan la
serie de elementos entre sí, en un dispositivo substancialmente
cilíndrico que puede expansionarse en sentido radial. La serie de
elementos alargados tienen la anchura del elemento en dirección
circunferencial. Las bisagras dúctiles tienen una anchura en una
dirección circunferencial a lo largo de una parte de la longitud de
una bisagra, que es menor que la anchura del elemento, de tal
manera que, cuando se expansiona el dispositivo, las bisagras
dúctiles experimentan una deformación plástica, mientras que los
elementos no se deforman plásticamente. Una primera sección del
dispositivo substancialmente cilíndrico incluye bisagras dúctiles
que tienen una primera anchura, y una segunda sección del
dispositivo substancialmente cilíndrico incluye bisagras dúctiles
que tienen una segunda anchura, diferente de la primera anchura, de
tal manera que la primera sección se expansiona antes que la segunda
sección.
De acuerdo con un aspecto adicional de la
invención, un dispositivo médico que puede expansionarse incluye
una serie de elementos alargados y una serie de bisagras dúctiles
que conectan la serie de elementos entre sí, en un dispositivo
substancialmente cilíndrico que puede expansionarse radialmente. La
serie de elementos alargadas está unida entre sí en una disposición
regular para formar el dispositivo substancialmente cilíndrico. La
serie de elementos alargados tiene una anchura de elemento en una
dirección circunferencial y las bisagras dúctiles tienen una
anchura en una dirección circunferencial a lo largo de una parte de
la longitud de la bisagra que es menor que la anchura del elemento,
de tal manera que, cuando el dispositivo se expansiona, las
bisagras dúctiles experimentan una deformación plástica, mientras
que los elementos no se deforman plásticamente. Una configuración
con un orificio interrumpe la disposi-
ción regular de la serie de elementos, acomodando la configuración del orificio a una bifurcación en un vaso sanguíneo.
ción regular de la serie de elementos, acomodando la configuración del orificio a una bifurcación en un vaso sanguíneo.
Según otro aspecto de la presente invención, un
método para la expansión de un dispositivo médico incluye las
etapas de:
proporcionar un dispositivo médico
substancialmente cilíndrico que puede expansionarse, que tiene una
primera sección con bisagras dúctiles de una primera configuración,
y una segunda sección con bisagras dúctiles de una segunda
configuración, que requiere para la expansión una fuerza diferente
que la de la primera configuración; y
expansionar el dispositivo en una secuencia de
expansión controlada con un elemento que puede expansionarse.
A continuación se describirá la invención con
mayor detalle, haciendo referencia a las realizaciones preferentes
ilustradas en los dibujos adjuntos, en los cuales los elementos
similares llevan numerales de referencia similares, y en los
que:
la figura 1 es una vista isométrica de un
dispositivo de soporte de tejidos de la técnica anterior;
la figura 2 es una vista isométrica de un
dispositivo de soporte de tejidos según una realización de la
invención;
las figuras 3a-d son vistas, en
perspectiva, de bisagras dúctiles según diversas variaciones de la
invención;
la figura 3e es una vista lateral de otra
realización de una bisagra dúctil;
las figuras 4a y 4b son una vista isométrica y
una vista a mayor escala de un dispositivo de soporte de tejidos
según una realización alternativa de la invención;
las figuras 5a-5c son vistas, en
perspectiva, lateral, y en sección transversal, de una bisagra
dúctil ideal a efectos de análisis;
la figura 5d es una curva de tensión/deformación
de la bisagra dúctil idealizada;
la figura 6 es una vista, en perspectiva, de un
elemento simple a efectos de cálculo;
la figura 7 es un gráfico de los momentos con
respecto a la curvatura, para un elemento rectangular;
la figura 8 es una vista lateral, a mayor
escala, de una bisagra dúctil flexionada;
las figuras 9a y 9b son vistas laterales, a
mayor escala, de bisagras dúctiles en las posiciones inicial y
expansionada, con alambres acortados para ilustrar las relaciones de
contracción axial; y
la figura 10 es una vista lateral de una parte
de una realización alternativa de un dispositivo de soporte de
tejidos que tiene una resistencia elevada al aplastamiento y un
reducido retroceso;
las figuras 11a-11c son vistas
laterales esquemáticas, de un dispositivo de soporte de tejidos con
expansión diferencial, sin expansionar, parcialmente expansionado y
totalmente expansionado;
la figura 12a es una vista lateral, de un
dispositivo de cilíndrico de soporte de tejidos sin expansionar,
con una configuración con un orificio lateral, que ha sido dispuesta
en un plano para mayor facilidad de la ilustración; y
las figuras 12b y 12c son vistas laterales
esquemáticas del dispositivo de soporte de tejidos de la figura
12a, sin expansionar y expansionado.
La figura 2 muestra una realización de un
dispositivo expansionable (20) para soporte de tejidos según la
presente invención. El dispositivo de soporte de tejidos (20)
incluye una serie de ranuras axiales (22) formadas en un tubo
cilíndrico (24). Cada ranura axial (22) está desplazada axialmente
de las ranuras de las filas adyacentes de ranuras, aproximadamente
en la mitad de la longitud de la ranura, dando como resultado una
disposición escalonada de las ranuras. El desplazamiento entre las
filas adyacentes de ranuras tiene como resultado filas alternativas
de ranuras que se extienden hasta los extremos del tubo cilíndrico
(24). En cada extremo interior de cada una de las ranuras axiales
(22) se forma una ranura circunferencial (26). El material entre las
ranuras (22) forma una red de alambres axiales (28), que se
extiende de manera substancialmente paralela al eje del tubo (24).
Los alambres axiales (28) están unidos mediante conectores
circunferenciales cortos (30). Los conectores circunferenciales
(30) están situados tanto en el interior del tubo cilíndrico como en
los extremos del tubo cilíndrico. La sección transversal (y el
momento de inercia rectangular) de cada uno de los alambres (28) no
es constante a lo largo de la longitud del alambre. En vez de ello,
la sección transversal del alambre cambia bruscamente a ambos
extremos de cada alambre (28) en la posición de las ranuras
circunferenciales (26). De este modo, los alambres (28) no son
prismáticos. Cada alambre individual (28) está conectado al resto de
la estructura a través de un par de secciones reducidas (32), una
en cada extremo, que actúan como una configuración de concentración
de tensiones/deformaciones. Las secciones reducidas (32) de los
alambres actúan como bisagras en la estructura cilíndrica. Dado que
la configuración (32) de concentración de tensiones/deformaciones
está diseñada para trabajar dentro de la gama de deformación
plástica de materiales generalmente dúctiles, se denomina de
bisagras dúctiles. Dichas configuraciones se denominan habitualmente
"bisagras de muesca" o "resortes de muesca" en el diseño
de mecanismos de alta precisión, donde son utilizadas exclusivamente
dentro de la gama
elástica.
elástica.
Haciendo referencia a los dibujos y a la
descripción, la anchura de cualquier configuración se define
como su dimensión en la dirección circunferencial del cilindro. La
longitud de cualquier configuración se define como su
dimensión en la dirección axial del cilindro. El espesor de
cualquier configuración se define como el espesor de la pared del
cilindro.
La presencia de bisagras dúctiles (32) permite
que todas las configuraciones restantes del dispositivo de soporte
de tejidos se incrementen en anchura o en el componente orientado en
sentido circunferencial de sus momentos rectangulares de inercia
respectivos, incrementando de este modo en gran manera la
resistencia y la rigidez de estas configuraciones. El resultado
neto es que la deformación, primero elástica, y luego plástica, se
inicia y se propaga en las bisagras dúctiles (32) antes de que otros
elementos estructurales del dispositivo sufran una deformación
elástica significativa. La fuerza requerida para expansionar el
dispositivo de soporte de tejidos (20) resulta ser una función de
la forma geométrica de las bisagras dúctiles (32), más que de la
estructura del dispositivo como conjunto y, de manera arbitraria,
pueden especificarse pequeñas fuerzas de expansión mediante el
cambio de la forma geométrica de la bisagra, virtualmente para
cualquier espesor de pared del material. En particular, pueden
escogerse espesores de pared suficientemente grandes para ser
visibles en un fluoroscopio para cualquier material de interés.
Con el fin de conseguir un retroceso mínimo, las
bisagras dúctiles (32) deben estar diseñadas para funcionar
correctamente dentro de la gama plástica del material, y se
desarrollan curvas de deformación-curvatura local,
relativamente elevadas. Cuando se aplican estas condiciones, la
curvatura elástica es una fracción muy pequeña de la curvatura
plástica o total, y de este modo, cuando disminuyen las fuerzas de
expansión, el porcentaje de cambio en la curvatura de la bisagra es
muy reducido. Cuando están incorporadas en una red de alambres
diseñada para obtener el máximo partido de este efecto, el retroceso
elástico o el "retroceso" de la estructura global del
"stent" queda reducido a un mínimo.
En la realización de la figura 2, resulta
deseable incrementar la anchura de los alambres individuales (28)
entre las bisagras dúctiles (32) hasta la anchura máxima que sea
geométricamente posible para un diámetro dado, y para un cierto
número de alambres dispuestos alrededor de este diámetro. La única
limitación geométrica con respecto a la anchura del alambre es la
anchura mínima práctica de las ranuras (22), la cual es de unos
0,0508 mm (0,002 pulgadas), para el mecanizado con láser. La rigidez
lateral de los alambres (28) se incrementa en proporción al cubo
de la anchura del alambre, de modo que unos incrementos
relativamente pequeños en la anchura del alambre incrementan de
forma significativa la rigidez del alambre. El resultado neto de
introducir las bisagras dúctiles (32) y de incrementar la anchura
del alambre es que los alambres (28) ya no actúan como resortes
flexibles de láminas, sino que actúan como elementos esencialmente
rígidos entre las bisagras dúctiles. Toda la expansión o compresión
radial del dispositivo cilíndrico de soporte de tejidos (20) queda
contenida mediante deformación mecánica en las configuraciones de
las bisagras (32), y la elasticidad de la bisagra empieza con una
expansión o una compresión radial global muy pequeña.
La elasticidad de las bisagras dúctiles con
desviaciones radiales brutas muy bajas proporciona asimismo las
excelentes características de plegado que presentan los diseños
basados en bisagras dúctiles. Cuando un dispositivo de soporte de
tejidos es plegado en un globo doblado dentro de un catéter, es
posible una compresión radial muy pequeña del dispositivo, dado que
el acoplamiento inicial entre el globo y el dispositivo está ya
ajustado. La mayor parte de "stents" simplemente rebotan
elásticamente después de dicha compresión, dando como resultado
fuerzas de sujeción muy bajas y la tendencia que comporta que el
"stent" se deslice en el globo. Sin embargo, las bisagras
dúctiles mantienen una deformación plástica significativa, incluso
con las reducidas deformaciones que se producen durante el plegado
en el globo, y por consiguiente, un dispositivo que utiliza bisagras
dúctiles presenta fuerzas de sujeción mucho más elevadas. Los
diseños de bisagras dúctiles según la presente invención pueden
estar plegados con seguridad en un globo de un catéter de
suministro, manualmente o a máquina, sin necesidad de los
dispositivos auxiliares de retención habitualmente utilizados para
retener en posición los "stents" conocidos.
Los detalles geométricos de las configuraciones
de concentración de tensión/deformación o de las bisagras dúctiles
(32) pueden variar en gran manera para adaptarse a las
características exactas de expansión mecánica requeridas en una
aplicación específica. Las bisagras dúctiles más corrientes y
sencillas están formadas mediante ranuras o muescas con bases
redondeadas como en las figuras 3a y 3c. Dado que los haces láser
utilizados a menudo para fabricar estas configuraciones son
asimismo redondos, las ranuras o las muescas con bases circulares
son de las más fáciles de fabricar.
La figura 3a muestra una bisagra dúctil (36)
formada mediante un par de ranuras circulares opuestas (38), (40).
Según esta realización, la ranura circunferencial (26) tiene unos
extremos semicirculares (38) que tienen un radio de curvatura (r).
Las ranuras semicirculares exteriores (40) opuestas a los extremos
semicirculares (38) tienen asimismo un radio de curvatura (r). La
figura 3c muestra otra bisagra dúctil (54) formada mediante una
ranura parabólica o elíptica (56).
Generalmente, las bisagras dúctiles (36) de la
realización de la figura 3a, formadas entre pares de curvas
cóncavas (38), (40), tienen una anchura mínima a lo largo de una
línea que conecta sus centros de curvatura respectivos. Cuando los
alambres conectados mediante la bisagra dúctil son separados o
unidos, la deformación plástica se concentra de manera elevada en
una zona inmediatamente adyacente al plano bisector de la bisagra
en este punto de estrechamiento.
En el caso de deformaciones menores, esta
concentración muy elevada de tensiones en el plano bisector es
aceptable y, en algunos casos, útil. Para el plegado previsto de
los "stents", por ejemplo, es deseable generar deformaciones
plásticas relativamente elevadas con ángulos de desviación muy
pequeños.
Sin embargo, como un tema práctico, los ángulos
de desviación de los alambres para la expansión del dispositivo
están a menudo comprendidos dentro de la gama de 25º a 45º. Con
estos ángulos, la deformación en la raíz o en el plano bisector de
la configuración de las bisagras dúctiles cóncavas puede superar
fácilmente el alargamiento a la rotura del 50 al 60% del acero
inoxidable 316L, uno de los materiales más dúctiles para
"stents". La configuración de limitación de la desviación, que
se describirá más adelante, limita la desviación geométrica de los
alambres, pero esta configuración no afecta por sí misma al patrón
de propagación de la deformación plástica en un diseño determinado
de bisagra dúctil. En el caso de bisagras dúctiles cóncavas con
grandes ángulos de plegado, se mantienen unas concentraciones de
tensión muy elevadas. Las micrografías por escaneado de electrones
han confirmado este
análisis.
análisis.
En muchas aplicaciones de ingeniería, es
deseable limitar la magnitud de la deformación o del "trabajo en
frío" en un material hasta un nivel especificado, con el fin de
optimizar las propiedades del material y garantizar un
funcionamiento seguro. Por ejemplo, en aplicaciones médicas, es
deseable limitar la magnitud del trabajo en frío en el acero
inoxidable 316L al 30% aproximadamente. A este nivel, se incrementa
la resistencia del material, mientras que la deformación del
material está todavía muy por debajo de la zona de rotura. De manera
ideal, por consiguiente, una bisagra dúctil segura y efectiva no
solamente debería limitar la desviación bruta, sino que de manera
fiable debería limitar la deformación del material a un nivel
especificado.
La figura 3b muestra un diseño sencillo de una
bisagra dúctil que permite que la deformación del material quede
limitada a un cierto nivel especificado. La bisagra dúctil de la
figura 3b está formada mediante una ranura circunferencial
rectangular (46) con esquinas curvadas (48) en un lado del alambre,
permaneciendo recto el lado opuesto (50) del alambre. Las bisagras
dúctiles (44) son substancialmente secciones rectangulares entre
los extremos de la ranura (46) y de las paredes laterales (50).
Uno de los conceptos clave de la figura 3b es
que la bisagra dúctil (44) tiene una anchura constante o
substancialmente constante, a lo largo, por lo menos, de una parte
de su longitud total. Con esta configuración, no existe una anchura
local mínima a lo largo del eje de la bisagra dúctil, como sucede
con los pares de bases cóncavas. Por consiguiente, no hay un punto
de concentración de tensiones y deformaciones a lo largo de la
longitud del elemento de la bisagra dúctil durante la expansión del
"stent". En particular, las deformaciones máximas por tracción
y compresión se distribuirán de manera uniforme a lo largo de las
superficies superior e inferior de la bisagra (44) durante la
expansión del "stent". Estando el ángulo bruto de plegado
limitado por topes mecánicos, que se describen con detalle más
adelante, la deformación máxima del material (en las superficies de
las bisagras) puede estar limitada por consiguiente, de manera
fiable, mediante el ajuste de la longitud inicial de la bisagra
dúctil sobre la cual se distribuye el alargamiento total.
La figura 3d muestra una bisagra dúctil (60) en
un alambre cilíndrico (62) para incorporarlo en un dispositivo de
soporte de tejidos en forma de alambre. La bisagra dúctil (60) está
formada mediante una parte reducida del diámetro del alambre (62).
También en este caso, es importante que la bisagra dúctil tenga una
amplitud substancialmente constante en una parte de su longitud
con el fin de proporcionar un control de la deformación.
Preferentemente, la bisagra dúctil es prismática en una parte de su
longitud. La deformación máxima del material puede ser modificada
ajustando la longitud de la bisagra. Las bisagras dúctiles de la
presente invención tienen una anchura constante o substancialmente
constante, por lo menos, en 1/3 de la longitud de la bisagra dúctil,
y preferentemente sobre, por lo menos, 1/2 de la longitud de la
bisagra dúctil.
La figura 3e muestra una bisagra dúctil
asimétrica (63) que origina unas funciones distintas de deformación
con respecto al ángulo de desviación, en la expansión y en la
compresión. Cada una de las bisagras dúctiles (64) está formada
entre una superficie convexa (68) y una superficie cóncava (69).
Según una realización preferente, la bisagra dúctil (64) adopta
esencialmente la forma de un elemento pequeño, prismático, curvado,
que tiene una sección transversal substancialmente constante. No
obstante, el espesor de la bisagra dúctil curvada (64) puede variar
algo, mientras que la anchura de la bisagra dúctil permanece
constante a lo largo de una parte de la longitud de la bisagra. La
anchura del elemento curvado se mide a lo largo del radio de
curvatura del elemento. Este elemento pequeño, curvado, está
orientado de tal manera que la superficie cóncava menor (69)
está situada bajo tensión en la dirección de plegado del
dispositivo, mientras que la superficie convexa mayor (68)
de las bisagras dúctiles está situada bajo tensión en la dirección
de expansión del dispositivo. En este caso, tampoco existe
una anchura mínima local de la bisagra dúctil (64) a lo largo del
eje de la bisagra dúctil (curvada), y no hay concentración de
deformación del material. Durante la expansión del dispositivo, la
deformación por tracción estará distribuida a lo largo de la
superficie convexa (68) de la bisagra (64) y la expansión máxima
estará limitada mediante el ángulo de las paredes de la muesca
cóncava (69) que proporciona una característica de limitación
geométrica de la desviación. La deformación por tracción máxima
puede, por consiguiente, estar limitada de manera fiable mediante
el ajuste de la longitud inicial de la bisagra dúctil (64) en forma
de arco convexo, sobre la cual está distribuido el alargamiento
total.
Las bisagras dúctiles ilustradas en las figuras
3a-e, son ejemplos de estructuras diferentes que
actúan como un concentrador de tensión/deformación. En la presente
invención pueden utilizarse muchas otras configuraciones de
concentrador de tensiones/deformaciones. Las bisagras dúctiles según
la presente invención incluyen generalmente un cambio brusco de
anchura de un alambre que actúa para concentrar las tensiones y las
deformaciones en la sección más estrecha del alambre. Estas
bisagras dúctiles incluyen asimismo generalmente configuraciones
para limitar la desviación mecánica de los alambres acoplados y
están configuradas para controlar la deformación del material
durante grandes desviaciones del alambre. Aunque las bisagras
dúctiles han sido ilustradas en la figura 2 como estando situadas
en los extremos de cada una de las ranuras axiales (22), en otros
diseños, pueden estar situadas también en otras posiciones sin
apartarse de la presente invención.
En la figura 4a y en la vista lateral, a mayor
escala, de la figura 4b, se ilustra una realización alternativa de
un dispositivo de soporte de tejidos (80). El dispositivo de soporte
de tejidos (80) incluye una serie de tubos cilíndricos (82)
conectados mediante elementos puente (84) en forma de S. los
elementos puente (84) permiten que el dispositivo de soporte de
tejidos (84) se flexione axialmente al pasar a través de la
trayectoria tortuosa de los vasos sanguíneos hasta el lugar de
despliegue, y permiten que el dispositivo se curve cuando sea
necesario para adaptarse a la curvatura del lumen a soportar. Los
elementos puente (84) en forma de S proporcionan una flexibilidad
axial mejorada con respecto a los dispositivos de la técnica
anterior, debido al espesor de los elementos en dirección radial
que permite que el ancho de los elementos sea relativamente
reducido sin sacrificar resistencia radial. Por ejemplo, la anchura
de los elementos puente (84) puede ser aproximadamente de
0,0305-0,0330 mm (0,0012-0,0013
pulgadas). Cada uno de los tubos cilíndricos (82) tiene una serie
de ranuras axiales (86) que se extienden desde una superficie del
extremo del tubo cilíndrico hasta una superficie del extremo
opuesto. Entre las ranuras axiales (86) está formada una serie de
alambres axiales (88) que tienen bisagras dúctiles (90). Las
bisagras dúctiles (90) están formadas por medio de ranuras
circunferenciales (92) formadas en los extremos interiores de las
ranuras axiales (86) y de las muescas (94) opuestas.
Las muescas (94) tienen, cada una de ellas, dos
paredes inclinadas opuestas (96) que actúan como un tope para
limitar la desviación geométrica de la bisagra dúctil, y de este
modo limitar la expansión máxima del dispositivo. A medida que los
tubos cilíndricos (82) se expansionan y se produce la flexión de las
bisagras dúctiles (90), las paredes laterales inclinadas de las
muescas (94) se acercan una a la otra. Una vez que las paredes
laterales opuestas (96) de una muesca entran en contacto entre sí,
resisten la expansión adicional de una bisagra dúctil específica,
haciendo que la expansión adicional se produzca en otras secciones
del dispositivo de soporte de tejidos. Esta característica de
limitación de la desviación geométrica es particularmente útil
cuando se produce una expansión irregular, tanto por variaciones en
el dispositivo de soporte de tejidos (80) debidas a las tolerancias
de fabricación, como por una expansión irregular del globo.
El dispositivo de soporte de tejidos (20), (80),
según la presente invención, puede estar conformado en cualquier
material dúctil, tal como acero, oro, plata, tántalo, titanio,
Nitinol, otras aleaciones de memoria de forma, otros metales o
incluso algunos plásticos. Un método preferente para fabricar el
dispositivo de soporte de tejidos (20), (80) implica formar un tubo
cilíndrico y cortar por láser a continuación las ranuras (22), (26),
(86), (92) y las muescas (94) en el tubo. Como alternativa, el
dispositivo de soporte de tejidos puede estar formado mediante
electroerosión, ataque químico seguido de laminación y soldadura, o
mediante cualquier otro método conocido.
El diseño y el análisis de la concentración de
tensión/deformación para las bisagras dúctiles y para las
propiedades de concentración de tensión/deformación en general, es
complejo. Por ejemplo, puede calcularse el factor de concentración
de tensiones para la forma geométrica simplificada de la bisagra
dúctil de la figura 3a, y resulta de la siguiente fórmula en la que
D es la anchura de los alambres (28), h es la altura de las ranuras
circulares (38), (40), y r es el radio de curvatura de las ranuras.
A efectos de este ejemplo, la proporción de h/r se ha escogido que
sea 4. No obstante, pueden utilizarse también con éxito otras
proporciones de h/r.
Generalmente, los factores de concentración de
tensiones, son útiles solamente en la gama elástica lineal. Pueden
determinarse los patrones de concentración de tensiones para un
cierto número de otras formas geométricas mediante mediciones
fotoelásticas y otros métodos experimentales. Los diseños de
"stents" basados en la utilización de configuraciones de
concentración de tensiones/deformaciones o de bisagras dúctiles,
implican generalmente formas geométricas más complejas de las
bisagras y operan en regímenes elásticos no lineales y de
deformación plástica.
La naturaleza general de la relación entre las
fuerzas aplicadas, las propiedades del material y la forma
geométrica de la bisagra dúctil puede ser comprendida más fácilmente
mediante un análisis de una bisagra idealizada (66) tal como se
muestra en las figuras 5a a 5c. La bisagra (66) es un elemento
simple de sección transversal rectangular que tiene una anchura
(h), una longitud (L) y un espesor (b). La bisagra idealizada (66)
tiene propiedades plásticas del material idealmente elásticas que
están caracterizadas mediante la curva ideal de tensión/deformación
de la figura 5d. Puede apreciarse que el "momento plástico" o
el "momento límite de flexión" para dicho elemento está
representado mediante la fórmula:
en la cual b corresponde al espesor
de la pared del tubo cilíndrico, h es la anchura circunferencial de
la bisagra dúctil y \delta_{yp} es el límite elástico del
material de la bisagra. Suponiendo que la presión de expansión sea
proporcional únicamente al momento plástico, puede apreciarse que la
presión de expansión requerida para expansionar el dispositivo de
soporte de tejidos se incrementa linealmente con el espesor
de pared (b) y con el cuadrado de la anchura (h) de la
bisagra dúctil. De este modo, es posible compensar cambios
relativamente grandes en el espesor de pared (b) con cambios
relativamente pequeños en la anchura (h) de la bisagra. Mientras
que el caso anterior idealizado es solo aproximado, las mediciones
empíricas de las fuerzas de expansión para diferentes anchuras de
bisagra en varias formas geométricas diferentes de bisagras dúctiles
han confirmado la forma general de esta relación. De acuerdo con
ello, para diferentes formas geométricas de bisagras dúctiles es
posible incrementar el espesor del dispositivo de soporte de tejidos
para conseguir la opacidad radiológica, compensando al mismo tiempo
el aumento de espesor con una disminución mucho menor de la anchura
de la
bisagra.
De manera ideal, el espesor de pared (b) del
"stent" debe ser tan delgado como sea posible mientras
proporcione una buena visibilidad en un fluoroscopio. Para la mayor
parte de materiales para "stents", incluyendo el acero
inoxidable, podría sugerirse un espesor aproximado de 0,127 a 0,178
mm (0,005 a 0,007 pulgadas) o mayor. La inclusión de bisagras
dúctiles en el diseño de un "stent" puede disminuir las
fuerzas/presiones de expansión a niveles muy bajos para cualquier
espesor de material de interés. De este modo, las bisagras dúctiles
permiten la fabricación de dispositivos de soporte de tejidos con
un espesor de pared óptimo con unos niveles de la fuerza de
expansión significativamente menores que los diseños habituales no
visibles.
Las fuerzas de expansión requeridas para
expansionar el dispositivo de soporte de tejidos (20) según la
presente invención, desde un estado inicial ilustrado en la figura
2, hasta un estado de expansión, están comprendidas entre 1 y 5
atmósferas, preferentemente entre 2 y 3 atmósferas. La expansión
puede ser llevada a cabo de una forma conocida, tal como mediante
el hinchado de un globo o mediante un mandril. El dispositivo de
soporte de tejidos (20) en estado expansionado tiene un diámetro
que preferentemente es de hasta tres veces el diámetro del
dispositivo en el estado inicial sin expansionar.
Muchos dispositivos de soporte de tejidos
conformados a partir de tubos cilíndricos comprenden redes de
elementos prismáticos, largos y estrechos, de sección transversal
esencialmente rectangular, tal como se muestra en la figura 6.
Estos elementos que constituyen los dispositivos de soporte de
tejidos conocidos pueden ser rectas o curvadas, dependiendo del
diseño particular. Los dispositivos de soporte de tejidos
expansionables conocidos tienen un espesor de pared típico (b) de
0,0635 mm (0,0025 pulgadas) y una anchura típica del alambre (h) de
0,127 a 0,1524 mm (0,005 a 0,006 pulgadas). La proporción b:h para
la mayor parte de diseños conocidos es de 1:2 o inferior. A medida
que b disminuye y que aumenta la longitud L del elemento, es cada
vez más probable que el elemento responda a un momento de flexión
aplicado M con pandeo, y muchos diseños de la técnica anterior
presentan este comportamiento. Esto puede apreciarse en la siguiente
fórmula para el "momento crítico de pandeo" para el elemento
de la
figura 6.
figura 6.
en la
que:
E = módulo de elasticidad
G = módulo de cizalladura
Como contraste, en el diseño de una bisagra
dúctil basado en la presente invención, durante la expansión
únicamente se deforma la propia bisagra. La bisagra dúctil típica
(32) no es un elemento largo y estrecho como son los alambres de
los "stents" conocidos. El espesor de pared de la presente
invención puede ser incrementado hasta 0,127 mm (0,005 pulgadas) o
más, mientras que la anchura de la bisagra es típicamente de 0,0508
a 0,0762 mm (0,002 a 0,003 pulgadas), preferentemente de 0,0635 mm
(0,0025 pulgadas) o menos. La longitud típica de la bisagra de
0,0508 a 0,0127 mm (0,002 a 0,005 pulgadas), es mayor que un orden
de magnitud inferior a la longitud típica del alambre. De este
modo, la proporción b:h en una bisagra dúctil (32) típica, es de 2:1
o mayor. Esta es una proporción inherentemente estable,
significando que el momento plástico para dicho elemento de la
bisagra dúctil es muy inferior al momento crítico de pandeo
M_{crit}, y el elemento de la bisagra dúctil se deforma mediante
una deformación-curvatura normal. De esta manera,
las bisagras dúctiles (32) no son propensas a pandeo cuando están
sometidas a momentos de flexión durante la expansión del dispositivo
de soporte de tejidos (20).
Para proporcionar propiedades óptimas de
retroceso y de resistencia al aplastamiento, es deseable diseñar
las bisagras dúctiles de manera que confieran a la bisagra unas
deformaciones relativamente importantes y, de este modo, se
confieren unas grandes curvaturas a la bisagra durante la expansión
del dispositivo de soporte de tejidos. La curvatura se define como
la inversa del radio de curvatura del eje neutro de un elemento en
flexión pura. Una curvatura mayor durante la expansión tiene como
resultado que la curvatura elástica de la bisagra sea una pequeña
fracción de la curvatura total de la bisagra. De esta manera, el
retroceso elástico bruto del dispositivo de soporte de tejidos es
una pequeña fracción del cambio total en la circunferencia.
Generalmente es posible hacer esto porque los materiales
habitualmente utilizados en los "stents", tales como el acero
inoxidable 316L, tienen unos elevados alargamientos a la rotura (es
decir, son muy dúctiles).
No es práctico deducir fórmulas exactas de las
curvaturas residuales para formas geométricas complejas y para
materiales reales (es decir, para materiales con curvas de
deformación/tensión no idealizadas). La naturaleza general de las
curvaturas residuales y del retroceso de una bisagra dúctil puede
ser comprendida examinado la relación momento/curvatura para la
bisagra elástica, rectangular y plástica ideal (66) mostrada en las
figuras 5a a 5c. Puede apreciarse que la relación entre el momento
aplicado y la curvatura resultante del elemento es:
Esta función está representada en el gráfico de
la figura 7. En este gráfico puede apreciarse que el momento
aplicado M se aproxima asintóticamente a un valor límite M_{p},
denominado momento límite o plástico. Más allá de 11/12M_{p} se
producen grandes deformaciones plásticas con un pequeño incremento
adicional del momento aplicado. Cuando se elimina el momento
aplicado, el elemento rebota elásticamente a lo largo de una línea
tal como (a-b). De este modo, la parte elástica de
la curvatura total se aproxima a un límite de 3/2 de la curvatura
en el punto de rendimiento. Estas relaciones pueden expresarse de la
manera siguiente:
Al impartir una curvatura adicional en la zona
plástica no se puede incrementar adicionalmente la curvatura
elástica, sino que disminuirá la proporción de la curvatura elástica
a plástica. De este modo, una curvatura adicional o una mayor
expansión del dispositivo de soporte de tejidos reducirá el
porcentaje de retroceso de la totalidad de la estructura del
"stent".
Tal como se muestra en la figura 8, cuando un
alambre rígido (28) está conectado a la bisagra dúctil (66)
descrita anteriormente, el alambre (28) forma un ángulo (\theta)
con la horizontal que está en función de la curvatura de la bisagra.
Un cambio en la curvatura de la bisagra tiene como resultado un
cambio correspondiente de este ángulo (\theta). El retroceso
angular elástico de la bisagra es el cambio (\Delta\theta) en
el ángulo que resulta del retroceso de la curvatura elástica
descrito anteriormente y, de esta manera el retroceso angular se
aproxima también a un valor límite a medida que progresa la
deformación plástica. La fórmula siguiente proporciona el valor
límite del retroceso angular elástico para la bisagra ideal de la
figura 8.
en la que la deformación en el
punto del límite elástico es una propiedad independiente del
material (tensión elástica dividida por el módulo de elasticidad);
(L) es la longitud de la bisagra dúctil; y (h) es la anchura de la
bisagra. En el caso de las bisagras dúctiles no idealizadas
fabricadas en materiales reales, la constante 3 de la fórmula
anterior es sustituida por una función de crecimiento lento de la
deformación total, pero el efecto de la forma geométrica seguiría
siendo el mismo. Específicamente, el ángulo de retroceso elástico
de una bisagra dúctil disminuye cuando aumenta la anchura (h) de la
bisagra, y se incrementa cuando aumenta la longitud (L) de la
bisagra. Por consiguiente, para reducir el retroceso al mínimo, debe
incrementarse la anchura (h) de la bisagra y debe disminuirse la
longitud
(L).
La anchura (h) de la bisagra dúctil estará
determinada generalmente mediante criterios de la fuerza de
expansión, de modo que es importante reducir la longitud de la
bisagra a un mínimo práctico con el fin de reducir al mínimo el
retroceso elástico. Los datos empíricos sobre el retroceso de
bisagras dúctiles de longitudes diferentes muestran un retroceso
significativamente menor para longitudes cortas de bisagras, de
acuerdo con el análisis anterior.
Las bisagras dúctiles (32) del dispositivo de
soporte de tejidos (20) proporcionan una segunda ventaja importante
al reducir el retroceso del dispositivo. La realización de la figura
2 muestra una red de alambres unidos entre sí a través de bisagras
dúctiles para formar un cilindro. En este diseño, los alambres (28)
son paralelos inicialmente a un eje del dispositivo. A medida que
el dispositivo se expande, la curvatura se transmite a las bisagras
(32), y los alambres (28) adoptan un ángulo \theta con respecto a
su orientación original, tal como se muestra en la figura 8. La
expansión circunferencial total de la estructura del dispositivo de
soporte de tejidos está en función de la curvatura de la bisagra
(ángulo del alambre) y de la longitud del alambre. Además, la
contribución incremental a la expansión del "stent" (o
retroceso) para un alambre individual, depende del ángulo
instantáneo del alambre. Específicamente, para un cambio incremental
en el ángulo del alambre (\Delta\theta), el cambio incremental
en la circunferencia (\DeltaC) dependerá de la longitud del
alambre (R) y del coseno del ángulo (\theta) del alambre.
\Delta C = R \
\Delta\theta \ cos \
\theta
Dado que el retroceso elástico de la curvatura
de la bisagra es casi constante para cualquier curvatura bruta, la
contribución neta al retroceso circunferencial (\DeltaC) es más
pequeña para ángulos (\theta) mayores del alambre. La
circunferencia final del dispositivo está habitualmente especificada
como un cierto valor fijo, de manera que la disminución de la
longitud total del alambre puede incrementar el ángulo final
(\theta) del alambre. El retroceso total del "stent" puede
quedar reducido de esta manera con bisagras dúctiles que utilicen
alambres más cortos y con mayores curvaturas de la bisagra, una vez
expandido.
Las mediciones empíricas han demostrado que los
diseños de dispositivos de soporte de tejidos basados en bisagras
dúctiles, tales como la realización de la figura 2, presentan una
resistencia superior a las fuerzas de compresión una vez
expandidos, a pesar de su fuerza de expansión muy reducida. Esta
asimetría entre las fuerzas de compresión y de expansión puede ser
debida a una combinación de factores que incluyen la forma
geométrica de la bisagra dúctil, el mayor espesor de pared y el
incremento del trabajo en frío debido a niveles de deformación más
elevados.
Según un ejemplo del dispositivo de soporte de
tejidos de la invención, el dispositivo puede ser expansionado
mediante la aplicación de una presión interna de aproximadamente 2
bar (2 atmósferas) o inferior, y una vez expansionado a un diámetro
entre 2 y 3 veces el diámetro inicial, puede resistir una fuerza de
compresión de aproximadamente 157 a 196 N/m (16 a 20 gf/mm) o
superior. Unos ejemplos de valores típicos de la fuerza de
compresión para los dispositivos de la técnica anterior son 37 a 39
N/m (3,8 a 4,0 gf/mm).
Aunque las características de retroceso y de
resistencia al aplastamiento de los dispositivos de soporte de
tejidos pueden ser mejoradas mediante la utilización de bisagras
dúctiles con curvaturas grandes en la configuración expansionada,
debe prestarse atención a no superar un nivel máximo aceptable de
deformación para el material que se está utilizando. Por ejemplo,
para la bisagra dúctil (44) de la figura 3b, puede apreciarse que la
tensión máxima del material para un determinado ángulo de flexión
se define por la expresión:
en la que (\varepsilon_{max})
es la deformación máxima, (h) es la anchura de la bisagra dúctil,
(L) es la longitud de la bisagra dúctil y (\theta) es el ángulo
de flexión en radianes. Cuando la deformación, la anchura de la
bisagra y el ángulo de flexión están determinados mediante otros
criterios, puede evaluarse esta fórmula para determinar la longitud
correcta (L) de la bisagra
dúctil.
Por ejemplo, si se supone que la bisagra dúctil
(44) de la figura 3b fue fabricada en acero inoxidable 316L con una
deformación máxima del 30%, la anchura h de la bisagra dúctil está
fijada en 0,0635 mm (0,0025 pulgadas) mediante criterios de fuerzas
de expansión; y el ángulo de flexión (\theta) está limitado
mecánicamente a 0,5 radianes (\approx 30%) para una expansión
total del "stent". Resolviendo la expresión anterior para (L),
se obtiene que la longitud requerida para la bisagra dúctil es
aproximadamente, por lo menos, de 0,0838 mm (0,0033 pulgadas).
Pueden desarrollarse fórmulas similares para
determinar las longitudes requeridas para bisagras dúctiles de
formas geométricas más complicadas, tales como la mostrada en la
figura 3e. Los valores típicos para las partes prismáticas de estas
bisagras dúctiles curvadas varían aproximadamente desde 0,051 hasta
0,089 mm (0,002 a 0,0035 pulgadas) en anchura de la bisagra y
aproximadamente desde 0,051 hasta 0,152 mm (0,002 a 0,006 pulgadas)
en longitud de la bisagra. Este diseño del dispositivo de soporte de
tejidos de las figuras 4a y 4b incluye un tope que limita la
desviación geométrica máxima de las bisagras dúctiles, mediante el
diseño de las paredes inclinadas (96) de las muescas (94).
En muchos diseños de la técnica anterior, la
expansión circunferencial estaba acompañada por una contracción
significativa de la longitud axial del "stent" que puede
llegar hasta el 15% de la longitud inicial del dispositivo. Una
excesiva contracción axial puede ocasionar un cierto número de
problemas en el despliegue y el rendimiento del dispositivo,
incluyendo la dificultad de la colocación adecuada y de daños a los
tejidos. Los diseños basados en bisagras dúctiles (32) pueden
reducir al mínimo la contracción axial, o reducción, de un
dispositivo de soporte de tejidos durante la expansión, de la forma
siguiente.
Las figuras 9a y 9b ilustran una bisagra dúctil
(32) ampliada y unos alambres (28) acortados, en las condiciones
iniciales y después de la expansión. Cada alambre (28) está acoplado
a dos bisagras dúctiles (32) por los extremos opuestos. Cada
bisagra dúctil (32) tiene un centro instantáneo de rotación
(C_{1}), (C_{2}) que es un punto de pivotamiento efectivo para
el alambre (28) acoplado. Inicialmente, durante la expansión, el
punto de pivotamiento (C_{1}) se desplaza verticalmente una cierta
distancia (d), hasta que (C_{1}) queda posicionado al nivel de
(C_{2}), tal como se muestra en la figura 9b. Cuando la
disposición se expansiona verticalmente, los alambres axiales (28)
se desplazan en un arco circular con respecto a los puntos de
pivotamiento, tal como se muestra en la figura 9b. Puede apreciarse
que la distancia horizontal (e) entre los puntos de pivotamiento
(C_{1}) y (C_{2}) en realidad aumenta inicialmente, alcanzando
un máximo (e_{max}) cuando los dos puntos están en el mismo eje
horizontal, tal como se muestra en la figura 9b. A medida que
continúa la expansión vertical, el dispositivo se comprime
axialmente hasta su longitud original. Solamente cuando la
expansión vertical de la disposición continúa más allá del punto en
que la distancia horizontal (e) entre (C_{1}) y (C_{2}) es la
misma que la distancia horizontal original (e), la longitud total de
la disposición empieza realmente a contraerse. Por ejemplo, en el
caso del "stent" mostrado en la figura 2, aproximadamente 1/3
de la expansión circunferencial total ha sido llevada a cabo en el
momento en que se alcanza la configuración de la figura 9b, y el
"stent" presenta una contracción axial muy reducida.
Esta capacidad para controlar la contracción
axial basada en el diseño de la bisagra y del alambre proporciona
una gran flexibilidad de diseño cuando se utilizan bisagras
dúctiles. Por ejemplo, puede diseñarse un "stent" con una
contracción axial nula.
En la figura 10 se muestra una realización
alternativa que ilustra el compromiso entre resistencia al
aplastamiento y contracción axial. La figura 10 muestra una parte
de un dispositivo de soporte de tejidos (70) que tiene una
disposición de alambres (72) y bisagras dúctiles (74) en estado sin
expansionar. Los alambres (72) están situados inicialmente con un
ángulo (\theta_{1}) con respecto al eje longitudinal (X) del
dispositivo. A medida que el dispositivo se expansiona radialmente
desde el estado sin expansionar ilustrado en la figura 10, el
ángulo (\theta_{1}) aumenta. En este caso, el dispositivo se
contrae axialmente desde el comienzo de la expansión vertical a lo
largo de toda la expansión. Una vez que el dispositivo se ha
expansionado completamente, el ángulo final (\theta_{1}) que
tiene el alambre (72) con la horizontal será mucho mayor que el
ángulo (\theta) en el dispositivo de las figuras 8a y 8b. Tal
como se ha mostrado previamente, un ángulo final más elevado
(\theta_{1}) del alambre puede significar un aumento de la
resistencia al aplastamiento y una disminución del retroceso
circunferencial de la estructura del "stent". No obstante,
existe un compromiso entre el aumento de la resistencia al
aplastamiento y el aumento de la contracción axial.
Según un ejemplo de la presente invención, los
alambres (72) están posicionados inicialmente con un ángulo
aproximado de 0º a 45º con respecto al eje longitudinal del
dispositivo. A medida que el dispositivo se expansiona radialmente,
desde el estado sin expansionar ilustrado en la figura 10a, el
ángulo del alambre aumenta hasta aproximadamente 20º a 80º.
Los dispositivos de soporte de tejidos que
incluyen bisagras dúctiles, tal como los descritos anteriormente,
pueden ser utilizados para crear muchas configuraciones útiles del
dispositivo además de los dispositivos substancialmente cilíndricos
descritos anteriormente. Por ejemplo, los dispositivos de soporte de
tejidos que tienen bisagras dúctiles pueden estar diseñados con
varias zonas o áreas del dispositivo abiertas a las presiones
diferenciales de expansión, mediante la variación de la
configuración de la bisagra. Esta propiedad hace posible controlar
la secuencia de expansión de las diferentes configuraciones y zonas
del dispositivo. Otra variación del diseño del dispositivo de
soporte de tejidos permite la creación de orificios de formas
especiales, para un acceso lateral al dispositivo, que se abren
cuando el dispositivo se expansiona y puede ser utilizado para
alojar bifurcaciones de los vasos sanguíneos.
Las bisagras dúctiles son especialmente útiles
en la creación de dispositivos de soporte que se expansionan en una
secuencia determinada. Mediante la variación de la anchura de las
bisagras dúctiles específicas, en diferentes zonas del dispositivo
de soporte de tejidos, puede ajustarse de manera independiente la
presión de expansión de cada una de las zonas del dispositivo. A
medida que se expansiona el dispositivo, tal como mediante el
incremento de la presión en el interior de un globo, se abren en
primer lugar las zonas con una menor anchura de bisagra, seguido
por la expansión de las zonas con anchuras progresivamente mayores
de la bisagra. En la solicitud de patente USA nº de serie
09/315.885 registrada el 20 de Mayo de 1999 se describe un método
para suministrar un dispositivo médico expansionable empleando la
expansión controlada del dispositivo.
Las figuras 11a a 11c muestran la secuencia de
expansión de un dispositivo de soporte de tejidos (100) con
expansión diferencial, según una realización de la invención. La
figura 11a muestra un dispositivo de soporte de tejidos (100) sin
expansionar, en el cual la parte izquierda (102) del dispositivo
tiene bisagras dúctiles con mayores anchuras que la parte derecha
(104) del dispositivo. Por ejemplo, las dos filas de la izquierda
de los alambres del dispositivo pueden tener anchuras de bisagra
mayores que las dos filas de la derecha de los alambres del mismo
dispositivo. Aunque las bisagras de las diferentes secciones (102),
(104) del dispositivo (100) han sido descritas como teniendo
diferentes anchuras para conseguir la expansión diferencial deseada,
como alternativa puede modificarse la forma geométrica de la
bisagra de otras maneras, para conseguir la expansión
diferencial.
Para expansionar el dispositivo (100), se
introduce un globo u otro dispositivo de expansión en el lumen
central del dispositivo y se hincha el globo. A medida que aumenta
la presión del globo, se expansiona el lado derecho (104) del
dispositivo tal como se muestra en la figura 11b. En este momento,
puede detenerse la expansión con una mitad del dispositivo
expansionada y la otra sin expansionar. La expansión puede detenerse
para realizar alguna tarea tal como la eliminación de un
dispositivo de colocación o por otros motivos. A continuación, se
continúa con la presurización del globo hasta completar el
desplegamiento completo del lado izquierdo (102) del dispositivo tal
como se muestra en la figura 11c. Son posibles, y potencialmente
útiles, secuencias de expansión mucho más complejas. Por ejemplo,
pueden ser expandidos tres ó más segmentos en momentos diferentes.
Como alternativa, las secciones del dispositivo que han sido
expansionadas de manera diferenciada pueden ser secciones
cilíndricas, secciones longitudinales, secciones rectangulares o
secciones de cualquier otra forma. La expansión diferencial es muy
útil en situaciones especiales de desplegamiento, tales como en el
tratamiento de bifurcaciones y para crear configuraciones
especiales en los dispositivos de soporte de tejidos, tales como
orificios laterales de acceso, tal como se muestran en las figuras
12a a 12c.
Una configuración de un orificio con un marco,
tal como la configuración mostrada en las figuras 12a a 12c, es
capaz de proporcionar un soporte sólido y uniforme al tejido en la
bifurcación de una arteria. Las técnicas conocidas para el
tratamiento de bifurcaciones suministran generalmente un dispositivo
de soporte de un tejido de malla en la arteria y colocan el
dispositivo sobre la bifurcación. De acuerdo con los métodos
conocidos, el cirujano intenta crear uno o más orificios de acceso
en los lúmenes de las ramificaciones, mediante la introducción de
un globo a través de la pared lateral del dispositivo de malla, e
hinchando a continuación el globo para empujar simplemente la
configuración local de la malla hacia un lado. Estas técnicas son
azarosas, de manera inherente, por naturaleza: el punto exacto de
expansión en el entramado del dispositivo no puede estar previsto,
y el dispositivo puede expansionarse o no de manera satisfactoria en
este punto. De un modo similar, es impredecible el soporte que
proporcionan al tejido estas técnicas conocidas para el tratamiento
de bifurcaciones de arterias.
La figura 12a muestra un dispositivo de soporte
de tejidos (110) sin expansionar, en el cual se ha formado un
orificio (112) en el centro. Las bisagras dúctiles (116) conectan
todos los alambres (118) y las conexiones (120) del dispositivo,
tal como ha sido descrito anteriormente con respecto a las
realizaciones anteriores. Los extremos del dispositivo (110) tienen
una disposición regular de alambres (118) y de bisagras dúctiles
(116). El orificio (112) está formado eliminando diversos alambres
axiales y conectando sus respectivos conectores laterales a dos
conectores circunferenciales laterales más largos (114), que
proporcionan un marco vertical para el orificio (112). Los alambres
(122) que enmarcan el orificio (112) y que conectan los conectores
laterales (114) pueden ser rectos, tal como se muestra,
redondeados, o con un contorno de cualquier otra forma, dependiendo
de la forma final deseada de la configuración del orificio
expansionado.
Según una realización alternativa de la
invención, las bisagras dúctiles (116) que conectan los alambres del
marco (122) y los conectores laterales (114) están diseñadas para
abrirse a una presión de hinchado algo menor que el resto de las
bisagras dúctiles alrededor del resto de la circunferencia del
dispositivo. De este modo, cuando se expansiona el dispositivo
(110), en primer lugar, se abrirán los alambres (122) y los
conectores laterales (114) que enmarcan la configuración del
orificio (112). Cuando estos alambres (122) alcanzan su ángulo
máximo, definido por los ángulos de la bisagra, el marco que rodea
el orificio (112) "se bloquea" en la forma deseada. Los
alambres (118) restantes alrededor de la circunferencia del
dispositivo se expansionan a continuación de una manera normal,
proporcionando una resistencia plena y soportando el lumen opuesto
al orificio (112). Las figuras 12b y 12c muestran representaciones
esquemáticas del dispositivo de la figura 12a en las
configuraciones expansionada y sin expansionar. Tal como se muestra
en la figura 12c, la configuración del orificio rectangular sin
expansionar (112) se expansiona en una forma octagonal.
Una segunda propiedad de las bisagras dúctiles
es importante en la creación de las configuraciones de los
orificios laterales (112). En aplicaciones que requieren orificios
laterales mayores, el orificio lateral expansionado puede abarcar
menos de la circunferencia del "stent" expansionado que los
alambres que fueron eliminados para crear el orificio. Por este
motivo, los alambres restantes en las filas que contienen la
configuración del orificio deben abarcar una mayor porción de la
circunferencia del dispositivo. Para conseguir esto, deben alcanzar
un ángulo de flexión mayor, llegando a menudo a los 60 grados. Esto
se realiza fácilmente con las bisagras dúctiles tales como las
mostradas en la figura 3e, incrementando la longitud del arco de la
bisagra.
Las configuraciones del orificio según la
presente invención pueden adoptar diferentes formas y tamaños
dependiendo de la aplicación. Las configuraciones del orificio con
el marco pueden estar diseñadas asimismo para sacar ventaja de las
excelentes características de plegado de las bisagras dúctiles. Por
ejemplo, pueden engraparse dispositivos auxiliares en un conjunto
de un "stenticatéter" en orificios diseñados especialmente.
Según una realización alternativa de la presente
invención, el dispositivo expansionable para el soporte de tejidos
puede ser utilizado asimismo como un dispositivo de suministro para
determinados productos curativos incluyendo medicamentos,
quimioterapia u otros productos. Debido a la estructura del
dispositivo de soporte de tejidos que incorpora bisagras dúctiles,
las anchuras de los alambres pueden ser substancialmente mayores
que las de los alambres de los dispositivos de la técnica anterior.
Los alambres, debido a su gran tamaño, pueden ser utilizados para
el suministro de productos curativos para disponer el producto
curativo sobre los alambres o en el interior de los alambres. Los
ejemplos específicos de mecanismos de suministro de productos
curativos incluyen recubrimientos en los alambres, tales como
recubrimientos de polímero que contienen productos curativos,
orificios taladrados con láser en los alambres que contienen el
producto curativo y similares.
Aunque la invención ha sido descrita con detalle
haciendo referencia a las realizaciones preferentes de la misma,
para un técnico en la materia será evidente que pueden realizarse
diversos cambios y modificaciones, y que pueden utilizarse
equivalentes, sin apartarse del ámbito de la presente invención.
Claims (6)
1. Dispositivo médico expansionable (100; 110),
que comprende:
- una serie de elementos alargados (118), estando unidos entre sí la serie de elementos alargados (118) para formar un dispositivo substancialmente cilíndrico (100; 110), el cual es expansionable radialmente, teniendo la serie de elementos alargados (118) una anchura de elementos; y
- una serie de bisagras dúctiles (116) que conectan la serie de elementos (118) entre sí, en el dispositivo substancialmente cilíndrico (100; 110), una primera sección (104) del dispositivo substancialmente cilíndrico (100; 110) que incluye bisagras dúctiles (116) que tienen una primera anchura y una segunda sección (102) del dispositivo substancialmente cilíndrico (100; 110) que incluye bisagras dúctiles (116) que tienen una segunda anchura;
caracterizado porque
- las bisagras dúctiles (116) tienen una anchura a lo largo de una parte de una longitud de la bisagra que es menor que la anchura del elemento, de tal manera que el dispositivo (100; 110) que se expansiona en las bisagras dúctiles (116) experimenta una deformación plástica, mientras que los elementos (118) no son deformadas plásticamente, y porque
- la segunda anchura es diferente de la primera anchura, de tal manera que la primera sección (104) se expansiona antes que la segunda sección (102).
2. Dispositivo médico expansionable (100), según
la reivindicación 1, en el que la primera sección (104) es una
sección substancialmente cilíndrica en un primer extremo del
dispositivo (100; 110) y la segunda sección (102) es una sección
substancialmente cilíndrica en un segundo extremo del dispositivo
(100).
3. Dispositivo médico expansionable (100; 110),
según la reivindicación 1 ó 2, en el que la primera anchura y la
segunda anchura están seleccionadas de tal manera que la totalidad
de la primera sección (102) se expansiona antes de la expansión de
la segunda sección (104).
4. Dispositivo médico expansionable (100; 110),
según una de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende además un
globo para expansionar el dispositivo (100; 110) desde un primer
diámetro hasta un segundo diámetro.
5. Dispositivo médico expansionable (100; 110),
según las reivindicaciones 1 a 4, en el que la serie de elementos
alargados (28) se extiende de manera substancialmente axial, y una
serie de elementos circunferenciales (24) están conectados, cada
uno de ellos, a unos primeros y segundos extremos, a una de los
elementos axiales (28) mediante una bisagra dúctil (32).
6. Dispositivo médico expansionable (100), según
una de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende además un orificio
lateral de acceso (112) formado en el dispositivo (110) en un estado
sin expansionar, que aloja una bifurcación de un vaso cuando el
dispositivo (110) está expansionado.
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