ES2910191T3

ES2910191T3 - Sistemas y métodos para dirigir cables guía

Info

Publication number: ES2910191T3
Application number: ES18763256T
Authority: ES
Inventors: Jaydev P Desai; Yash Chetan Chitalia
Original assignee: Georgia Tech Research Institute; Georgia Tech Research Corp
Current assignee: Georgia Tech Research Institute; Georgia Tech Research Corp
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2018-03-09
Publication date: 2022-05-11
Anticipated expiration: 2038-03-09
Also published as: WO2018165572A1; EP3592201A1; JP2020509848A; EP3592201B1; PL3592201T3; CA3055378A1; US20210128888A1; EP3592201A4; JP7191844B2; US11850384B2

Abstract

Un sistema para dirigir un cable guía, comprendiendo el sistema: una punta de cable guía (100) conectada de manera integral a un extremo distal del cable guía, comprendiendo la punta de cable guía (100) un cuerpo hueco y alargado (101) que tiene una primera junta (110a) y una segunda junta (110b), comprendiendo la primera junta (110a) una primera pluralidad de rebajes asimétricos (105) en el cuerpo hueco y alargado (101) y comprendiendo la segunda junta (110b) una segunda pluralidad de rebajes asimétricos en el cuerpo hueco y alargado (101); un primer tendón, un segundo tendón, un tercer tendón y un cuarto tendón dispuestos dentro del cuerpo hueco y alargado (101) de la punta de cable guía (100), estando el primer y el segundo tendones conectados operativamente a la primera junta (110a) y estando el tercer y el cuarto tendones conectados operativamente a la segunda junta (110b); una cuña de encauzamiento (115) dispuesta dentro del cuerpo hueco y alargado (101) próxima a un extremo distal del cuerpo hueco que separa espacialmente los tendones (117) entre sí; y una unidad de control conectada operativamente al primer tendón y al segundo tendón; en donde la unidad de control está configurada para accionar el primer tendón y el segundo tendón para provocar que la primera junta (110a) se flexione de manera que proporcione un primer grado de libertad de movimiento de la punta de cable guía (100); y en donde la unidad de control está configurada, además, para accionar el tercer tendón y el cuarto tendón para provocar que la segunda junta (110b) se flexione de manera que proporcione un segundo grado de libertad de movimiento de la punta de cable guía (100) diferente del primer grado de libertad de movimiento.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistemas y métodos para dirigir cables guía

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas

Esta solicitud, presentada el 9 de marzo de 2018, reivindica el beneficio de la solicitud de patente provisional de los Estados Unidos n.° 62/469.570, presentada el 10 de marzo de 2017, titulada "System, Method, and Apparatus for Active Control of Multiple Degrees-of-Freedom MicroScale Guidewires and Devices".

Antecedentes

En la mayoría de los procedimientos para tratar la enfermedad arterial periférica (EAP), el cirujano debe utilizar una variedad de catéteres montados en un cable delgado conocido como cable guía. Estos catéteres pueden estar equipados bien con las herramientas para realizar la aterectomía, tal como un microtaladro, o bien con una unidad de administración de medicamentos (en forma de globo revestido con medicamento) para ayudar a impedir deposiciones adicionales en esa arteria. El médico maniobra manualmente el cable guía hasta la arteria objetivo mediante la inserción, retracción y rotación de la base de cable, al mismo tiempo que se observa su movimiento en una imagen fluoroscópica en tiempo real. Tal destreza en la navegación de la punta de cable guía bajo una retroalimentación visual bidimensional resulta difícil, consume mucho tiempo y requiere una experiencia significativa. El documento US 5.916.147 divulga un sistema para dirigir un catéter, que comprende una punta que incluye un cuerpo hueco que tiene una primera y una segunda juntas que comprenden una pluralidad de rebajes en el cuerpo hueco, así como una pluralidad de tendones dispuestos dentro del cuerpo hueco, en donde el primer y segundo tendones están conectados a la primera junta y el tercer y cuarto tendones están conectados operativamente a la segunda junta, en donde la primera junta se puede flexionar de manera que proporcione un primer grado de libertad de movimiento de la punta y la segunda junta se puede flexionar de manera que proporcione un segundo grado de libertad de movimiento de la punta diferente de dicho primer grado de libertad.

Breve sumario

Las diversas realizaciones de la presente divulgación se refieren, en general, a sistemas y métodos para dirigir cables guía. Más particularmente, la presente invención proporciona un sistema para dirigir un cable guía como se define en la reivindicación 1. Las realizaciones preferentes de la invención se exponen en las reivindicaciones dependientes.

Las realizaciones de la presente divulgación pueden incluir un sistema para dirigir un cable guía, comprendiendo el sistema: una punta de cable guía conectada de manera integral a un extremo distal del cable guía, comprendiendo la punta de cable guía un cuerpo hueco que tiene una primera junta y una segunda junta, comprendiendo la primera junta una primera pluralidad de rebajes asimétricos en el cuerpo hueco y comprendiendo la segunda junta una segunda pluralidad de rebajes asimétricos en el cuerpo hueco; un primer tendón, un segundo tendón, un tercer tendón y un cuarto tendón dispuestos dentro del cuerpo hueco de la punta de cable guía, estando el primer y segundo tendones conectados operativamente a la primera junta y estando el tercer y cuarto tendones conectados operativamente a la segunda junta; y una unidad de control conectada operativamente al primer tendón y al segundo tendón, estando la unidad de control configurada para accionar el primer tendón y el segundo tendón para provocar que la primera junta se flexione de manera que proporcione un primer grado de libertad de movimiento de la punta de cable guía, estando la unidad de control configurada, además, para accionar el tercer tendón y el cuarto tendón para provocar que la segunda junta se flexione de manera que proporcione un segundo grado de libertad de movimiento de la punta de cable guía diferente del primer grado de libertad de movimiento.

Las realizaciones de la presente divulgación pueden incluir una punta de cable guía para dirigir un cable guía, comprendiendo la punta de cable guía: un cuerpo hueco y alargado que incluye: una primera junta que comprende una primera pluralidad de rebajes asimétricos; y una segunda junta que comprende una segunda pluralidad de rebajes asimétricos; y un primer tendón, un segundo tendón, un tercer tendón y un cuarto tendón dispuestos dentro del cuerpo hueco y alargado, estando el primer tendón y el segundo tendón conectados operativamente a la primera junta y estando el tercer tendón y el cuarto tendón conectados operativamente a la segunda junta.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, la primera junta y la segunda junta se pueden ubicar juntas.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, la primera junta y la segunda junta pueden estar separadas por una primera longitud.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el cuerpo hueco puede comprender un primer extremo y un segundo extremo opuesto, y en donde la primera junta está separada del segundo extremo por una segunda longitud.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, la punta de cable guía puede tener una anchura de aproximadamente 0,1 mm a aproximadamente 0,9 mm.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el cuerpo hueco puede comprender una pared interna, el primer tendón y el segundo tendón se pueden disponer en lados opuestos de la pared interna y el tercer tendón y el cuarto tendón se pueden disponer en lados opuestos de la pared interna.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el primer, segundo, tercer y cuarto tendones pueden comprender un cable superelástico.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el primer tendón y el segundo tendón se pueden unir a un extremo distal de la primera junta y el tercer tendón y el cuarto tendón se pueden unir a un extremo distal de la segunda junta.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, cada rebaje en la primera y segunda pluralidades de rebajes puede ser uno de forma rectangular, triangular o sinusoidal.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, la punta de cable guía puede estar compuesta de un material biocompatible. Por ejemplo, en cualquiera de las realizaciones anteriores, la punta de cable guía puede estar compuesta de nitinol.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el sistema puede comprender, además, una cuña de encauzamiento dispuesta dentro del cuerpo hueco próxima a una base del cuerpo hueco, separando espacialmente la cuña de encauzamiento el primer y segundo tendones y separando espacialmente la cuña de encauzamiento el tercer y cuarto tendones. En algunas realizaciones, la cuña de encauzamiento puede comprender una pluralidad de porciones de cuña y la pluralidad de porciones de cuña puede definir un canal central y una pluralidad de canales exteriores. En algunas realizaciones, el sistema puede comprender, además, una pluralidad de hendiduras dispuestas dentro del tubo hueco y alargado y para recibir la pluralidad de porciones de cuña.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, la unidad de control comprende un conjunto de accionamiento de cable guía y un mecanismo de rodillos de cable guía. En algunas realizaciones, el conjunto de accionamiento de cable guía puede comprender una pluralidad de motores para hacer avanzar, retraer y rotar el cable guía. En algunas realizaciones, el conjunto de accionamiento de cable guía puede comprender un primer motor para hacer avanzar el cable guía a través del mecanismo de rodillos de cable guía. En algunas realizaciones, el mecanismo de rodillos de cable guía puede comprender un primer rodillo y un segundo rodillo, estando el mecanismo de rodillos de cable guía acoplado operativamente a un primer motor y pudiendo estar una porción del cable guía dispuesta entre el primer y segundo rodillos. En cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente, la unidad de control puede comprender, además, una ruta de ranura para almacenar el cable guía. En cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente, la unidad de control puede comprender, además, un árbol acoplado operativamente a un acoplamiento elástico, pudiendo el árbol hacerse funcionar mediante un segundo motor y estando configurado para desenrollar el cable guía desde la ruta de ranura hasta el mecanismo de rodillos de cable guía.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, la primera pluralidad de rebajes asimétricos puede ser ortogonal a la segunda pluralidad de rebajes asimétricos. En cualquiera de las realizaciones anteriores, la punta de cable guía y el cable guía pueden ser un cuerpo continuo.

Breve descripción de los dibujos

Las figuras 1a-1c muestran unos esquemas de una punta de cable guía que tiene un diseño bidimensional de rebajes asimétricos, de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación.

Las figuras 1d y 1e muestran una vista esquemática y en sección transversal, respectivamente, de una cuña de encauzamiento, de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación.

La figura 2a muestra un esquema de un diseño de rebajes asimétricos, de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación.

La figura 2b muestra un esquema de un diseño de rebajes asimétricos con grados de libertad ubicados juntos, de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación.

Las figuras 3a-3c muestran unos esquemas de una unidad de control para el accionamiento y el avance del cable guía, de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación.

La figura 4 muestra un esquema de una punta de cable guía a microescala de dos grados de libertad que utiliza unos rebajes orientados ortogonalmente, de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación. La figura 5 muestra unas imágenes de microscopio electrónico de barrido (MEB) de un tubo de nitinol mecanizado que muestra una zona mínima afectada por el calor, de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación.

Las figuras 6a y 6b muestran unos modelos cinemáticos de avance de una junta tanto en un estado no deformado como en un estado deformado, de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación.

La figura 7 muestra el espacio de trabajo de un cable guía robótico, de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación.

Las figuras 8a y 8b son un modelo esquemático de un único rebaje en la junta como combinación de dos tubos y una pared curva y una imagen que muestra la deformación del rebaje cuando se flexiona, respectivamente, y de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación.

La figura 9 muestra una representación gráfica de la histéresis observada en las relaciones entre la tensión de tendón (t) y la curvatura de junta (k) para diversos valores de ángulo de envoltura (a) que ayudan a estimar el coeficiente de fricción (|j ) y la elasticidad de flexión (Eb) de la junta de base, de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación.

La figura 10 muestra unas representaciones gráficas de la proyección de la punta de cable guía sobre el plano x^o-z^oque indica el acoplamiento observado entre los dos grados de libertad del cable guía (parte superior) y el uso de un modelo de acoplamiento que minimiza el error en estado estacionario en dos grados de libertad (parte inferior), de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación.

La figura 11 muestra un sistema de control de bucle cerrado para realizar un control de posición en las variables de espacio, junta y base de cable guía, de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación. La figura 12 muestra una representación gráfica de la curvatura de datos reales (K^real) en comparación con la curvatura estimada por el observador desarrollada (K^est), muestreada durante un conjunto de trayectorias aleatorias proporcionadas al sistema, de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación.

La figura 13 ilustra un equipo físico de controlador antagonista basado en movimiento para ensayar la precisión de seguimiento del sistema, de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación.

Las figuras 14a y 14b muestran unas representaciones gráficas de los resultados de seguimiento de la junta de base para entradas de referencia triangulares y cuadradas en el eje xo (parte superior) y los resultados de seguimiento para sinusoides de frecuencias variables (parte inferior), de conformidad con un ejemplo de realización de la presente divulgación.

Descripción detallada

Si bien las realizaciones preferentes de la divulgación se explican en detalle, debe entenderse que se contemplan otras realizaciones. Por consiguiente, no se pretende que la divulgación esté limitada en su alcance a los detalles de construcción y a las disposiciones de los componentes expuestos en la siguiente descripción o ilustrados en los dibujos. La divulgación es susceptible de otras realizaciones y de ser puesta en práctica o llevada a cabo de diversas maneras. Asimismo, al describir las realizaciones preferentes, se recurrirá a una terminología específica en aras de la claridad.

También cabe señalar que, tal y como se utilizan en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones adjuntas, las formas en singular "un", "una", "el" y "la" incluyen referentes en plural a menos que el contexto indique claramente lo contrario.

Asimismo, al describir las realizaciones preferentes, se recurrirá a la terminología en aras de la claridad. Se pretende que cada término contemple su significado más amplio tal como lo entienden los expertos en la materia e incluye todos los equivalentes técnicos que funcionan de manera similar para alcanzar un fin similar.

En el presente documento, los intervalos se pueden expresar como desde "aproximadamente" o "en torno a" un valor en particular y/o hasta "aproximadamente" o "en torno a" otro valor en particular. Cuando se expresa un intervalo de este tipo, otra realización incluye desde el valor particular y/o hasta el otro valor particular.

Por "que comprende" o "que contiene" o "que incluye" se entiende que al menos el compuesto, el elemento, la partícula o la etapa de método mencionado está presente en la composición o artículo o método, pero no excluye la presencia de otros compuestos, materiales, partículas, etapas de método, incluso si los otros de tales compuestos, materiales, partículas, etapas de método tienen la misma función que lo que se nombra.

También debe entenderse que la mención de una o más etapas de método no excluye la presencia de etapas de método adicionales o etapas de método intermedias entre las etapas identificadas expresamente. De igual manera, también debe entenderse que la mención de uno o más componentes en un dispositivo o sistema no excluye la presencia de componentes adicionales o componentes intermedios entre los componentes identificados expresamente.

Las realizaciones de la presente divulgación se refieren a sistemas de dirección de cable guía y puntas de cable guía que pueden ofrecer múltiples grados de libertad de movimiento a la punta de cable guía. En un ejemplo de realización, la presente divulgación incluye unas puntas de cable guía que comprenden, por ejemplo, dos juntas orientadas ortogonalmente que comprenden una pluralidad de rebajes asimétricos que ofrecen dos grados de libertad a la punta de cable guía. Los cables guía conocidos se deben maniobrar manualmente a través de una arteria objetivo mediante la inserción, retracción y rotación de la base de cable, al mismo tiempo que se observa su movimiento en una imagen fluoroscópica en tiempo real. Tal destreza en la navegación de la punta de cable guía bajo una retroalimentación visual bidimensional resulta difícil, consume mucho tiempo y requiere una experiencia significativa. Las realizaciones actualmente divulgadas pueden resultar ventajosas porque expanden el espacio de trabajo del cable guía y proporcionan al médico la posibilidad de navegar en el extremo distal del cable guía para rodear la placa u otras estructuras, tal como una bifurcación de vaso a lo largo de la ruta. Dicho de otro modo, las realizaciones de la presente divulgación pueden permitir que un médico dirija el cable guía a través de rutas arteriales agudas.

Las ventajas adicionales de las realizaciones actualmente divulgadas pueden incluir que un médico pueda controlar teleoperativamente el movimiento del cable guía sin exponerse a sí mismo radiación o al paciente a dosis de radiación excesivas. Este control del sistema de cable guía se puede facilitar con el uso de una interfaz de palanca de mando. En este sistema, el médico puede controlar de manera continua el grado de inserción del cable guía en el vaso sanguíneo en función de, por ejemplo, imágenes de fluoroscopia, una rotación del cable guía/par de torsión del cable guía, si es necesario, y accionar los grados de libertad distales. La ubicación de la punta del cable guía se puede determinar mediante la longitud de inserción del cable guía en el vaso, así como el accionamiento de los grados de libertad distales. El sistema puede ser extremadamente flexible, ya que puede permitir que el médico controle todos los aspectos del procedimiento. Las realizaciones actualmente divulgadas pueden resultar particularmente útiles para el tratamiento de la enfermedad arterial periférica (EAP) utilizando un procedimiento de aterectomía, el cual requiere que el cable guía esté en su lugar antes de llevarse a cabo.

Las figuras 1a-1c muestran unos ejemplos de puntas de cable guía 100, de conformidad con una o más realizaciones de la presente divulgación. Como se muestra en las figuras 1a y 1b, las puntas de cable guía 100 pueden comprender un cuerpo hueco y alargado 101 que tiene un primer extremo 103a y un segundo extremo 103b y que incluye dos o más juntas 110a, 110b. Como se ilustra en la figura 1c, las dos o más juntas 110a, 110b pueden incluir una pluralidad de rebajes 105. En algunas realizaciones, el cuerpo hueco y alargado 101 puede incluir una primera junta 110a que comprende una primera pluralidad de rebajes 105 y una segunda junta 110b que comprende una segunda pluralidad de rebajes. En algunas realizaciones, la pluralidad de rebajes 105 puede permitir un movimiento de múltiples grados de libertad de la punta de cable guía 100.

En algunas realizaciones, el cuerpo hueco y alargado puede ser un tubo. En algunas realizaciones, algunos o todos los rebajes pueden ser rebajes asimétricos, tal y como se ilustra en la figura 2a. Los rebajes que son asimétricos se pueden describir como rebajes que pueden provocar que el plano de flexión neutro 130 del dispositivo se desplace hacia un borde exterior del dispositivo en lugar de hacia un eje central del dispositivo, que generalmente se observa con rebajes simétricos. Un patrón asimétrico de rebajes puede permitir que la punta de cable guía se flexione con un brazo de momento más largo en una dirección en el plano del corte de rebaje, permitiendo, por tanto, un mayor intervalo de movimiento.

En algunas realizaciones, la primera pluralidad de rebajes puede ser ortogonal a la segunda pluralidad de rebajes, como se ilustra en las figuras 1a-1c. Esto puede permitir que la primera y segunda juntas sean ortogonales entre sí. La ortogonalidad de las juntas se puede lograr haciendo rotar el cuerpo hueco y alargado 90 grados con respecto a la primera pluralidad de rebajes y mecanizando la segunda pluralidad de rebajes. En otras realizaciones, la primera pluralidad de rebajes no necesitan ser ortogonales entre sí. Por ejemplo, la segunda pluralidad de rebajes puede estar desplazada de la primera pluralidad de rebajes 5 grados, 10 grados, 15 grados, 20 grados, 35 grados, 30 grados, 35 grados, 40 grados, 45 grados, 50 grados, 55 grados, 60 grados, 65 grados, 70 grados, 75 grados, 80 grados, 85 grados, 95 grados, 100 grados, 105 grados, 110 grados, 115 grados, 120 grados, 125 grados, 130 grados, 135 grados, 140 grados, 145 grados, 150 grados, 155 grados, 160 grados, 165 grados, 170 grados, 175 grados o 180 grados. En algunas realizaciones, la segunda pluralidad de rebajes puede estar desplazada de la primera pluralidad de rebajes de 1 a 5 grados, de 6 a 10 grados, de 11 a 15 grados, de 16 a 20 grados, de 21 a 25 grados, de 26 a 30 grados, de 30 a 45 grados, de 45 a 60 grados, de 60 a 75 grados, de 75 a 90 grados, de 90 a 100 grados, de 100 a 120 grados, de 120 a 135 grados, de 135 a 150 grados, de 150 a 160 grados, de 160 a 175 grados o de 175 a 180 grados.

Los rebajes individuales que componen cada pluralidad de rebajes pueden tener cualquier forma geométrica. En un ejemplo de realización, los rebajes pueden ser rectangulares. En otras realizaciones, los rebajes pueden ser, por ejemplo, de forma sinusoidal o triangular. En algunas realizaciones, la pluralidad de rebajes puede tener diferentes formas. En otras realizaciones, la primera junta puede tener una primera pluralidad de rebajes que tiene una forma diferente de la segunda pluralidad de rebajes. En una realización, la forma de los rebajes se puede seleccionar del grupo que consiste en rectangular, sinusoidal, semicircular o triangular.

La punta de cable guía se puede definir mediante una anchura y una longitud. Los rebajes se pueden definir mediante una profundidad. En algunas realizaciones, la profundidad de los rebajes puede ser superior a 50 % de la anchura de la punta de cable guía. En algunas realizaciones, la profundidad de los rebajes puede ser aproximadamente 55 %, aproximadamente 60 %, aproximadamente 65 %, aproximadamente 70 %, aproximadamente 75 %, aproximadamente 80 %, aproximadamente 85 %, aproximadamente 90 % o aproximadamente 95 % de la anchura de la punta de cable guía. En algunas realizaciones, la profundidad de los rebajes puede ser de aproximadamente 51 % a aproximadamente 54 %, de aproximadamente 56 % a aproximadamente 59 %, de aproximadamente 61 % a aproximadamente 64%, de aproximadamente 66% a aproximadamente 69%, de aproximadamente 71% a aproximadamente 74 %, de aproximadamente 76 % a aproximadamente 79 %, de aproximadamente 81 % a aproximadamente 84 %, de aproximadamente 86 % a aproximadamente 89 % o de aproximadamente 91 % a aproximadamente 94 % de la anchura de la punta de cable guía. En otras realizaciones, la profundidad de los rebajes puede ser 50 % o menos de la anchura de la punta de cable guía. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la profundidad de los rebajes puede ser aproximadamente 10 %, aproximadamente 15 %, aproximadamente 20 %, aproximadamente 25 %, aproximadamente 30 %, aproximadamente 35 %, aproximadamente 40 %, aproximadamente 45 % o aproximadamente 50 % de la anchura de la punta de cable guía. En algunas realizaciones, la profundidad de los rebajes puede ser de aproximadamente 11% a aproximadamente 14%, de aproximadamente 16% a aproximadamente 19%, de aproximadamente 21% a aproximadamente 24%, de aproximadamente 26% a aproximadamente 29 %, de aproximadamente 31 % a aproximadamente 34 %, de aproximadamente 36 % a aproximadamente 39 %, de aproximadamente 41 % a aproximadamente 44 % o de aproximadamente 46 % a aproximadamente 49 % de la anchura de la punta de cable guía. De hecho, en algunas realizaciones, no es necesario que cada rebaje de la pluralidad de rebajes tenga la misma profundidad, de tal manera que la profundidad puede variar entre los rebajes. En una realización, los rebajes se pueden ubicar juntos y no superan 50 % de la anchura del cuerpo hueco y alargado, como se ilustra, por ejemplo, en la figura 2b. En otras realizaciones, los rebajes se pueden ubicar juntos y pueden superar 50 % de la anchura del cuerpo hueco y alargado. En las realizaciones con rebajes ubicados juntos, los rebajes pueden ser aproximadamente 25 % de las circunferencias del cuerpo hueco y alargado. En una realización con rebajes ubicados juntos, la junta se puede mover en ambos grados de libertad debido a que los rebajes están en la misma ubicación.

La punta de cable guía puede tener múltiples grados de libertad de movimiento. Por ejemplo, en algunas realizaciones, tales como las ilustradas en las figuras 1a-1c, la punta de cable guía puede tener dos grados de libertad. Sin embargo, se contempla que las realizaciones de la presente divulgación puedan incluir más de dos grados de libertad de movimiento. Esto se puede lograr ajustando el número y la orientación de las juntas a lo largo del cuerpo hueco y alargado. Por ejemplo, se pueden incluir grados de libertad adicionales creando más juntas que comprenden pluralidades adicionales de rebajes asimétricos en una ubicación donde se desea el grado de libertad adicional.

En algunas realizaciones, la primera y segunda juntas pueden estar separadas por una primera longitud. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la primera longitud puede incluir cualquier longitud hasta aproximadamente la totalidad de la longitud del cable guía. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la segunda junta se puede ubicar junto con la primera junta (como se ilustra, p. ej., en la figura 2b), de tal manera que la segunda junta siga inmediatamente a la primera junta de tal manera que la distancia entre la primera y segunda juntas no sea superior a la distancia entre los rebajes individuales. En otras realizaciones, la primera y segunda juntas pueden estar separadas por una primera longitud de una longitud predeterminada en función de la ubicación deseada de los grados de libertad a lo largo del cable guía.

El cuerpo hueco puede comprender un primer extremo y un segundo extremo opuesto. En algunas realizaciones, la primera junta puede estar separada del primer o del segundo extremo por una segunda longitud. En algunas realizaciones, la segunda longitud se puede ajustar de tal manera que la primera junta comience en, o cerca de, el primer extremo de la punta de cable guía. La longitud entre la primera junta y el primer o el segundo extremo se puede ajustar según se desee en función de la ubicación deseada de los grados de libertad a lo largo del cable guía.

Cabe señalar que, si bien un ejemplo de realización de la presente divulgación puede ser un sistema para dirigir un cable guía a través de una arteria, se contemplan otras aplicaciones de la invención, tales como, por ejemplo, su uso en herramientas endoscópicas, en herramientas endoscópicas maniobrables para neurocirugía, oftalmología o urología, o en cualquier otra aplicación de este tipo donde se puedan utilizar herramientas endoscópicas en miniatura. Dicho de otro modo, mediante el uso del término "cable guía" en todo el documento, se entiende que "cable guía" se puede referir a otras herramientas que permitan maniobrar a través de una porción de un cuerpo.

En algunas realizaciones, por ejemplo, donde el cable guía se utiliza a través de una arteria, la punta de cable guía puede tener una anchura de aproximadamente 0,1 mm a aproximadamente 0,9 mm. En algunas realizaciones, la anchura de la punta de cable guía puede ser de aproximadamente 0,3, 0,33 mm, aproximadamente 0,35 mm, aproximadamente 0,4 mm, aproximadamente 0,45 mm, aproximadamente 0,50 mm, aproximadamente 0,55 mm, aproximadamente 0,60 mm, aproximadamente 0,65 mm, aproximadamente 0,7 mm, aproximadamente 0,75 mm, aproximadamente 0,78 mm, aproximadamente 0,8 mm, aproximadamente 0,85 mm, aproximadamente 0,88 o aproximadamente 0,89 mm, aproximadamente 0,9 mm. En algunas realizaciones, la anchura del cable guía puede ser de aproximadamente 0,31 mm a aproximadamente 0,34 mm, de aproximadamente 0,36 mm a aproximadamente 0,39 mm, de aproximadamente 0,41 mm a aproximadamente 0,44 mm, de aproximadamente 0,46 mm a aproximadamente 0,49 mm, de aproximadamente 0,51 mm a aproximadamente 0,54 mm, de aproximadamente 0,56 mm a aproximadamente 0,59 mm, de aproximadamente 0,61 mm a aproximadamente 0,64 mm, de aproximadamente 0,66 mm a aproximadamente 0,69 mm, de aproximadamente 0,71 mm a aproximadamente 0,74 mm, de aproximadamente 0,76mm a aproximadamente 0,79mm, de aproximadamente 0,81 mm a aproximadamente 0,84 mm o de aproximadamente 0,86 mm a aproximadamente 0,89 mm. En una realización, la punta de cable guía puede tener una anchura superior a aproximadamente 1,0 mm. Por ejemplo, en neurocirugías pediátricas, se pueden utilizar herramientas endoscópicas con una anchura de aproximadamente 2,0 mm.

En algunas realizaciones, una pluralidad de tendones se puede disponer dentro del cuerpo hueco y alargado. En un ejemplo de realización, un primer tendón, un segundo tendón, un tercer tendón y un cuarto tendón se pueden disponer dentro del cuerpo hueco y alargado, como se ilustra en las figuras 1a y 1b. En algunas realizaciones, el primer y segundo tendones se pueden conectar operativamente a la primera junta y el tercer y cuarto tendones se pueden conectar operativamente a la segunda junta. En algunas realizaciones, el primer y segundo tendones se pueden conectar operativamente al extremo distal de la primera junta y el tercer y cuarto tendones se pueden conectar operativamente al extremo distal de la segunda junta. En algunas realizaciones, la pluralidad de tendones se puede soldar a un extremo distal de las juntas. En otras realizaciones, una pared interior del cuerpo hueco y alargado puede comprender una pluralidad de hendiduras que pueden sujetar los tendones paralelos a la pared y en las que pueden terminar los tendones. Los tendones se pueden conectar operativamente a una pared interior particular del cuerpo hueco y alargado. Por ejemplo, en una realización, el primer tendón se puede conectar operativamente a una primera pared interior de la primera junta y el segundo tendón se puede conectar operativamente a una segunda pared interior de la primera junta. En una realización, el tercer tendón se puede conectar operativamente a una primera pared interior de la segunda junta y el cuarto tendón se puede conectar operativamente a una segunda pared interior de la segunda junta.

En algunas realizaciones, la pluralidad de tendones puede estar compuesta de cables superelásticos. Un material superelástico puede incluir cualquier material que se pueda deformar de manera reversible con tensiones de hasta aproximadamente 10 %. Por ejemplo, en algunas realizaciones, los tendones pueden estar compuestos de nitinol. Sin embargo, se entiende que los tendones pueden estar compuestos de cualquier material biocompatible, incluyendo materiales biocompatibles que no son necesariamente superelásticos, incluyendo, pero sin limitación, metales biocompatibles, aleaciones biocompatibles, plásticos biocompatibles o materiales que comprenden revestimientos biocompatibles y similares. Otros materiales biocompatibles pueden incluir, por ejemplo, aunque sin limitación, titanio o acero inoxidable y similares.

Además, en algunas realizaciones, como se ilustra en las figuras 1a-1e, la punta de cable guía puede comprender, además, una o más cuñas de encauzamiento 115 dispuestas dentro del cuerpo hueco próximas a un extremo distal del cuerpo hueco. La una o más cuñas de encauzamiento se pueden utilizar para separar espacialmente la pluralidad de tendones 117. Por ejemplo, como se ilustra en las figuras 1a-1e, las cuñas de encauzamiento 115 pueden comprender una pluralidad de porciones de cuña 153a, 153b, 153c dispuesta en torno a un canal central 157. El canal central 157 se puede utilizar para controlar los tendones 117 y otro equipo físico a través del interior del cuerpo hueco y alargado 101. Adicionalmente, como se ilustra en las figuras 1d-1e, la pluralidad de porciones de cuña 153a, 153b, 153c pueden estar cada una separada por un canal exterior 155 para encauzar los tendones 117 y otro equipo físico dentro del interior del cuerpo hueco y alargado. En algunas realizaciones, la pluralidad de porciones de cuña 153a, 153b, 153c pueden estar compuestas de un material elástico para proporcionar una gradación de rigidez. En algunas realizaciones, la pluralidad de porciones de cuña 153a, 153b, 153c se pueden imprimir en 3-D e insertarse independientemente en el cuerpo hueco y alargado 101 a través de las hendiduras 159 cortadas en el cuerpo hueco y alargado. En algunas realizaciones, las hendiduras 159 se pueden cortar con láser. Como se entenderá, una vez que todas las cuñas 153a, 153b, 153c se han insertado dentro del cuerpo hueco y alargado 101, se forman los canales central 157 y exterior 155.

Cuando se integran con un sistema para dirigir un cable guía, los tendones se pueden accionar para provocar que las juntas se flexionen de manera que proporcionen un grado de libertad. Por ejemplo, el primer y segundo tendones se pueden accionar para provocar que la primera junta se flexione de manera que proporcione un primer grado de libertad de movimiento de la punta de cable guía y el tercer y cuarto tendones pueden provocar que la segunda junta se flexione de manera que proporcione un segundo grado de libertad de movimiento de la punta de cable guía. En algunas realizaciones, el primer grado de libertad puede ser diferente del segundo grado de libertad. En algunas realizaciones, la pluralidad de tendones puede permitir controlar las juntas de manera bidireccional.

El cuerpo hueco y alargado puede comprender una pared interna. En algunas realizaciones, para proporcionar dos grados de libertad de movimiento, el primer tendón y el segundo tendón se disponen en lados opuestos de la pared interna y el tercer tendón y el cuarto tendón se disponen en lados opuestos de la pared interna. En algunas realizaciones, el primer, segundo, tercer y cuarto tendones se pueden disponer en diferentes ubicaciones. En una realización, se pueden proporcionar grados de libertad adicionales conectando operativamente unos tendones adicionales a unas juntas adicionales en el cuerpo hueco y alargado. En algunas realizaciones, los tendones se pueden encauzar a través del cuerpo hueco y alargado en torno a una porción más central y bifurcarse donde sea necesario para unirse al cuerpo hueco y alargado.

El cable guía y la punta de cable guía pueden estar compuestos de cualquier material biocompatible. En algunas realizaciones, el material biocompatible es un metal o aleación biocompatible. En algunas realizaciones, el material biocompatible es nitinol. Por ejemplo, en algunas realizaciones, uno o ambos del cable guía y la punta de cable guía pueden estar compuestos de nitinol. Sin embargo, se entiende que el cable guía y la punta de cable guía pueden estar compuestos de cualquier material biocompatible que pueda soportar grandes tensiones sin deformarse, incluyendo materiales biocompatibles que no son necesariamente superelásticos, incluyendo, pero sin limitación, metales biocompatibles, aleaciones biocompatibles, plásticos biocompatibles o materiales que comprenden revestimientos biocompatibles. Otros materiales biocompatibles pueden incluir, por ejemplo, aunque sin limitación, titanio o acero inoxidable.

Las puntas de cable guía y los rebajes respectivos se pueden fabricar utilizando cualquier proceso y maquinaria conocidos capaces de micromecanizar. Por ejemplo, en algunas realizaciones, los rebajes respectivos se pueden fabricar utilizando un láser de femtosegundo, un láser de picosegundos o un láser de nanosegundos. Los láseres pueden ser de longitudes de onda variables e incluyen, por ejemplo, un láser infrarrojo. También se puede utilizar un micromolino para el mismo fin, para cables guía de mayores anchuras.

Las realizaciones de la presente divulgación pueden incluir un sistema para dirigir un cable guía a través de una arteria, comprendiendo el sistema una punta de cable guía conectada de manera integral a un extremo distal del cable guía, comprendiendo la punta de cable guía un cuerpo hueco que tiene una primera junta y una segunda junta, comprendiendo la primera junta una primera pluralidad de rebajes asimétricos en el cuerpo hueco y comprendiendo la segunda junta una segunda pluralidad de rebajes asimétricos en el cuerpo hueco; un primer tendón, un segundo tendón, un tercer tendón y un cuarto tendón dispuestos dentro del cuerpo hueco de la punta de cable guía, estando el primer y segundo tendones conectados operativamente a la primera junta y estando el tercer y cuarto tendones conectados operativamente a la segunda junta; y una unidad de control conectada operativamente al primer tendón y al segundo tendón, estando la unidad de control configurada para accionar el primer tendón y el segundo tendón para provocar que la primera junta se flexione de manera que proporcione un primer grado de libertad de movimiento de la punta de cable guía, estando la unidad de control configurada, además, para accionar el tercer tendón y el cuarto tendón para provocar que la segunda junta se flexione de manera que proporcione un segundo grado de libertad de movimiento de la punta de cable guía diferente del primer grado de libertad de movimiento.

La punta de cable guía se puede conectar de manera integral con un cable guía. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la punta de cable guía puede ser la punta del propio cable guía y no una pieza separada. Dicho de otro modo, la punta de cable guía y el cable guía pueden ser un cuerpo continuo. En otras realizaciones, la punta de cable guía puede ser una pieza separada que se puede microsoldar o ajustar a presión en el cuerpo del cable guía o micromecanizarse después de encapsular la punta.

En algunas realizaciones, el sistema para dirigir un cable guía a través de una arteria puede comprender una unidad de control conectada operativamente a la pluralidad de tendones y el cable guía. La unidad de control se puede utilizar para, p. ej., accionar y hacer avanzar el cable guía a través de la arteria. En algunas realizaciones, el sistema de dirección del cable guía se puede automatizar y comprende cuatro grados de libertad para permitir: 1) la capacidad de flexión distal de dos grados de libertad del cable guía, 2) la posibilidad de hacer avanzar y retraer el cable guía de la vasculatura con la ayuda del movimiento procedente de una pluralidad de motores, 3) la rotación del cable guía dentro de la vasculatura con la ayuda de la pluralidad de motores. Para permitir una destreza distal, se pueden utilizar motores (tal como un motor piezoeléctrico, por ejemplo) para permitir una capacidad de movimiento de cabeceo y guiñada. Al permitir una destreza en el cable guía a lo largo de la longitud (principalmente, en los últimos 5 mm de la sección distal), se puede habilitar una capacidad de dirección distal del cable guía.

La figura 3a muestra un ejemplo de unidad de control que permite cuatro grados de libertad de movimiento. Para permitir la rotación del cable guía dentro del vaso sanguíneo, la totalidad del conjunto de accionamiento de cable guía se puede montar en un árbol y el movimiento de ese árbol se puede controlar mediante un motor 305b. Así mismo, para hacer avanzar y retraer el cable guía 350 del vaso sanguíneo, el motor 305b se puede unir a un árbol con un acoplamiento elástico 315 para permitir el movimiento del conjunto de accionamiento de cable guía 320 dentro de una ranura en espiral 325 de un surco de cable guía. El surco de cable guía puede ser un recinto al lado de, y paralelo a, la ranura en espiral 325 donde la totalidad del conjunto de accionamiento de cable guía se puede mover para controlar los grados de libertad del cable guía.

La figura 3b muestra un conjunto de accionamiento de cable guía 320 para controlar los grados de libertad distales de la punta de cable guía, de conformidad con una o más realizaciones de la presente invención. El conjunto de accionamiento de cable guía 320 se puede unir a un árbol 321 y a un acoplamiento elástico 315 para facilitar el movimiento de la totalidad del conjunto de accionamiento de cable guía 320 dentro de la ranura en espiral 325 (que se muestra en la figura 3a). En algunas realizaciones, el acoplamiento elástico 315 puede tener una rigidez significativa tanto a la torsión como a la flexión para impedir que se deforme en las direcciones de alabeo, cabeceo o guiñada. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el acoplamiento elástico 315 puede ser una bobina elástica (p. ej., un resorte de alta rigidez) compuesta de, por ejemplo, aunque sin limitación, plástico, latón, nitinol, titanio o acero inoxidable. Adicionalmente, el acoplamiento elástico 315 puede facilitar la extensión de la bobina elástica a medida que el conjunto de accionamiento de cable guía 320 atraviesa la ranura en espiral y el cable guía se extrae de la ranura en espiral. Dicho de otro modo, el acoplamiento elástico 315 se puede extender a medida que el conjunto de accionamiento de cable guía 320 se mueve más lejos del centro de la ranura en espiral 325. El árbol 321 y el acoplamiento elástico 315 pueden permitir que la totalidad del conjunto de accionamiento de cable guía 320 sea guiado en la ranura en espiral 325 con una baja fricción y una holgura suficiente. En algunas realizaciones, un conjunto de cojinete se puede unir en la parte superior y en la parte inferior del surco de cable guía. El conjunto de cojinete puede estar en contacto con el surco interior de la ranura en espiral 325 (debido a que el acoplamiento elástico está en tensión) para facilitar un movimiento suave del conjunto de accionamiento de cable guía 320 a lo largo de la ranura en espiral 325 y permitir la rigidez de todo el sistema e impedir que se bloquee. En algunas realizaciones, el conjunto de cojinete puede comprender un conjunto de cojinete radial sellado. El almacenamiento de la totalidad de la longitud del cable guía en un surco en espiral oculto 317 puede mantener compacto todo el sistema e impedir la necesidad de un recinto de almacenamiento lineal largo (y, por ende, una masa menor) para el sistema. En algunas realizaciones, el surco en espiral 317 y la ranura en espiral 325 se pueden imprimir en 3-D.

En algunas realizaciones, el avance del cable guía por dentro, por ejemplo, de la vasculatura se puede controlar controlando el movimiento del motor 305b y el rodillo correspondiente del mecanismo de rodillos de cable guía 310 unido al motor 305a. La figura 3c muestra un ejemplo de mecanismo de rodillos de cable guía 310. En algunas realizaciones, el mecanismo de rodillos de cable guía 310 puede incluir unos rodillos 340a, 340b que pueden hacer avanzar el cable guía gracias a un movimiento sincronizado del motor 305a y el motor 305b con una velocidad proporcional.

Como se observa en la figura 3c, el motor 305a puede accionar un grado de libertad, es decir, para un movimiento de vaivén en un plano. Cuando se ordena al motor 305c que se mueva, este moverá la fase lineal, lo que, a su vez, moverá el tendón opuesto en la dirección opuesta, manteniendo, de esta manera, la tensión en el sistema. Al acoplar una capacidad de movimiento similar en estrecha proximidad, pero en diferentes planos, el movimiento del extremo distal de la herramienta se puede lograr en tres dimensiones. Esto puede, por ejemplo, permitir al médico "dirigir" alrededor de una placa o maniobrar en un espacio reducido.

Para minimizar o eliminar el acoplamiento intra-juntas e inter-juntas durante el movimiento de un grado de libertad específico del extremo distal del cable guía, es fundamental encauzar los tendones adecuadamente dentro del cable guía. El encauzamiento de los tendones de cable guía se puede facilitar haciendo microranuras en el cuerpo del cable guía, con el fin de lograr un movimiento de junta desacoplado. Dado que el diámetro del cable guía es insignificante en comparación con la longitud de la junta y el radio de curvatura, el encauzamiento puede garantizar que la dirección de la fuerza ejercida por el tendón sobre la junta permita una flexión-extensión de la junta y un control de rigidez. En algunas realizaciones, esto se puede lograr incorporando una cuña antes del extremo proximal de la punta de cable guía, que permite encauzar los tendones proximales antes de unirlos a la junta proximal, permitiendo, por tanto, un control de rigidez para ese grado de libertad específico. En algunas realizaciones, se pueden ubicar cuñas a lo largo de la longitud del cable guía para permitir una separación clara de tendón y minimizar el acoplamiento inter-juntas e intra-juntas.

Si bien las realizaciones anteriores se exponen en términos de la punta de cable guía, el uso de la punta de cable guía se puede referir a la punta de un cable guía o a una pieza separable que se añadirá al cable guía. Por ello, las características descritas anteriormente pueden ser aplicables tanto a la punta de cable guía como al cable guía.

Ejemplos

Ejemplo 1

En un ejemplo de realización, la punta de cable guía se puede impulsar robóticamente y contener dos grados de libertad. Cada grado de libertad puede ser controlado mediante dos tendones que permiten controlar la junta de manera bidireccional. Cada par de tendones que controla una junta se puede unir al extremo distal de esa junta. Como resultado, se puede encauzar un total de cuatro tendones a través de la luz interior del robot, como se muestra, por ejemplo, en la figura 4. Como se puede observar en la figura 4, la punta de cable guía se puede construir a partir de un único tubo de nitinol grabando rebajes en el tubo. Para fabricar las puntas de cable guía, se utilizó un láser de femtosegundo infrarrojo (Resonetics Corporation, Massachusetts, Estados Unidos) para cortar rectangularmente los rebajes en un tubo de nitinol de un diámetro exterior de 0,78 mm y un diámetro interior de aproximadamente 0,62 mm (Confluent Medical, California, Estados Unidos). El tubo de nitinol en bruto se ubicó en un plato de torno para permitir la rotación del tubo entre el grabado de las juntas, permitiendo, por tanto, construir el cuerpo de robot terminado sin extraer físicamente la pieza del láser, minimizando, por tanto, los errores de colocación. Esta configuración y los resultados bajo un microscopio electrónico de barrido se muestran en la figura 5. Como se puede observar en la figura 5, el uso de pulsos de láser de femtosegundo puede minimizar la zona afectada por el calor (ZAC) alrededor de los rebajes, lo que permite, por lo tanto, que el proceso de micromecanizado se produzca sin un tratamiento accidental del material.

La creación de rebajes en el tubo de nitinol puede permitir flexionar el tubo en el plano de los rebajes, creando, por tanto, una junta en la ubicación de los rebajes. Al hacer rotar el tubo entre las juntas, la orientación de estas juntas se puede modificar. En este punto, el tubo en bruto se hizo rotar | entre juntas, orientando, por tanto, las juntas ortogonales entre sí (véase, p. ej., la figura 1c). Por último, los tendones de nitinol de 0,1 mm de diámetro (Confluent Medical, California, Estados Unidos) se pueden encauzar manualmente en el tubo y los extremos ligarse a las paredes exteriores del tubo de nitinol. Las suposiciones pertinentes para este modelo incluyen 1) que se aplica una tensión positiva a estos tendones cuando se tira de ellos y los tendones son incapaces de ejercer una tensión negativa sobre el tubo; y 2) que los tendones ejercen una fuerza puntual en su punto de unión en la pared interior del tubo y una fuerza de reacción constante a lo largo de la pared del tubo.

Para minimizar el acoplamiento entre las juntas, los robots continuos impulsados por tendones a menudo utilizan una variedad de estrategias de desacoplamiento de carga. Por ejemplo, las realizaciones de la presente divulgación pueden lograr un "acoplamiento de carga controlado" de los tendones a través de la luz interior. Esto se logra insertando una tira rígida de nitinol (que recibe el término cuña de encauzamiento, como se ilustra en la figura 1c). Como se observa en la figura 4, un tendón de la junta proximal y un tendón de la junta distal se pueden encauzar a través de cada una de las dos aberturas de la tira de encauzamiento. Como resultado, se puede lograr un acoplamiento de carga entre-juntas repetible en el robot, al tiempo que se mantiene bajo el coste de fabricación del robot. Unos mecanismos de encauzamiento más complejos podrían ser capaces de lograr un nivel más bajo de acoplamiento de carga entre las juntas proximal y distal, pero daría como resultado un tiempo de fabricación más largo.

Modelo de junta y robot

Cada junta del robot de control subactuado se puede modelar de modo que tenga una curvatura constante por partes, lo que permite facilitar transformaciones cinemáticas independientes del robot.

Las dimensiones asociadas con la cinemática de un ejemplo de punta de cable guía se definen en la figura 6a y los marcos asociados se denotan en la figura 6b. La longitud inicial (sin deformar) de cada junta se puede denotar Iu. Cuando la junta proximal es accionada por el tendón, se deforma un ángulo 9. La curvatura de esta junta se puede _g

definir como k± = y la matriz de transformación homogénea para esta junta se da como,

lu

donde C y S denotan las funciones de coseno y seno, respectivamente. A diferencia de la mayoría de los manipuladores continuos que tienen grados de libertad ubicados anexos, el segundo grado de libertad del manipulador se ubica a una distancia determinada Id de {F1}. Este grado de libertad permite que el robot se mueva fuera del plano xo-yo un ángulo q> y su curvatura se define como k2 = —. Por lo tanto, la transformación final respecto a la base del robot desde la punta se puede formular de la siguiente manera:

Ro _ Ro R1 r 2 r 3

b a ~ b i - b 2 - b 3 b a (2)

y Bf llega a {F²} desde {F³},

Por último, B | implica una traslación sencilla desde {F4} hasta {F3}, a lo largo de -y³ una longitud I^e. Ignorando la orientación en la punta del cable guía y suponiendo una entrada de referencia de espacio de tarea determinada [p°, 1]r E l 4,

donde o4 E l 3 es el origen en {F4}. Al utilizar las dimensiones del prototipo de punta de cable guía, el espacio de trabajo de la punta de robot se genera y se exhibe en la figura 7.

Para que el controlador siga unas trayectorias predefinidas, en primer lugar, se debe definir la cinemática inversa del cable guía. La Ec. 5 da como resultado las siguientes ecuaciones,

«pO ^{i n senOsenq»}

'r x _{le sen 6 eos (p} _Hi_{---------------------1- l}, _dsend ₊

_{K 2}( ^ ) (6)

y, posteriormente,

Las dos incógnitas G y ^ y, por lo tanto, las curvaturas (k i, K2) se puede derivar numéricamente utilizando las ecuaciones anteriores. Se puede suponer que los valores iniciales de los ángulos de junta son Ginicial = arctan ( 2 Í U — Í ¿ Í e ) ^0

y i^nicial = arctan ( - ), de modo que Ginicial^ G y ^midal^ e incrementen los ángulos de junta hasta obtener los valores correctos.

Cinemática y estática de junta

Además de la cinemática geométrica expuesta anteriormente, se debe desarrollar una comprensión suficiente de cada junta que comprende el robot. Esto incluye un mapeo desde la curvatura de junta hasta la tensión aplicada en la base de la junta. Tradicionalmente, se contempla un mapeo del espacio de configuración (k) a los parámetros de espacio de accionador (u). Sin embargo, existe una gran varianza introducida en esta relación por cambios extremadamente pequeños en la ruta de tendón a través de la luz del tubo, especialmente en el punto donde se liga a la pared del tubo de nitinol. Por otro lado, la relación tensión-curvatura es más repetible y coherente. En este punto, se supone que un único tendón se encauza directamente al extremo distal de la junta de base del robot.

Relación momento-curvatura

El ángulo de flexión de la junta es el resultado de la deformación de cada rebaje que está formado por dos tubos y una pared curva, como se muestra en la figura 8a. La figura muestra que la pared curva tiene poca deformación por flexión y que los tubos tienen una deformación transversal evidente que es ortogonal al plano de flexión (figura 8b). La contracción y expansión del tubo cambian la dimensión de cada capa del tubo, lo que genera un ángulo de flexión para el tubo en la dirección transversal. Por observación, el ángulo de flexión de cada rebaje proviene, principalmente, de los ángulos de flexión de los tubos. Se pueden utilizar modelos estáticos lineales simplificados de la pared curva y de los tubos para mostrar el concepto.

La curvatura de junta k que es proporcional al ángulo de flexión total de la junta de rebaje se puede aproximar por superposición de los ángulos de flexión de todos los tubos en el rebaje, lo cual indica una relación lineal entre la curvatura k y la fuerza de tendón P,

^K= d » E b * P (7)

donde Eb se puede definir como la elasticidad de flexión de la junta. Si bien un modelo analítico puede brindar una explicación teórica acerca del comportamiento de flexión de la junta de rebaje, un valor preciso de Eb se puede estimar a partir de los experimentos presentados más adelante.

Efectos de fricción

Las relaciones momento-curvatura anteriores se desarrollaron con una configuración que se diseñó suponiendo unos efectos de fricción insignificantes. Sin embargo, en una situación realista, donde dos tendones se unen a la junta de rebaje y no se encauzan directamente al punto de unión, se pudieron observar los efectos de la fricción en esta relación. Debido al diámetro reducido del robot y de los tendones que controlan el robot, la tensión de tendón se puede medir únicamente en el punto de unión de los tendones a los accionadores. Como resultado, la fricción se debe incorporar a la relación momento-curvatura definida anteriormente. Se utilizó un modelo de fricción de Coulomb para estimar la relación entre la tensión de tendón medida (t) y la tensión aplicada en la base de la junta (T),

T = T - ^■«■sgnO) (8)

donde p es el coeficiente de fricción del canal de encauzamiento, a es el ángulo de envoltura y v es la velocidad de tendón. Por lo tanto, la relación entre la tensión detectada y la curvatura de junta viene dada por,

d-T

* = * » ■ ¡ 5 = 555 (9 )

La histéresis en la figura 8 para valores discrepantes del ángulo de envoltura exhibe una relación t - k lineal para los valores tanto positivos como negativos de v. Por lo tanto, las pendientes de estas curvas lineales se pueden expresar como rb(v,a) = f . ^ w - Para el bucle de histéresis del ángulo a, se pueden definir dos pendientes y Efi, como se exhibe en la figura 9. Suponiendo

Dado que las pendientes £¿, E% son conocidas, el valor de Eb se extrae como

Como se observa en la figura 9, para diversos ángulos de envoltura, este valor de elasticidad de flexión de junta (E^b) permanece constante. Como se ha especificado anteriormente, cada junta del robot tiene dos tendones unidos a su extremo distal para un control bidireccional. Como resultado, se utilizan dos valores de ángulo de envoltura (a-i, a2) asociados con la junta de base del robot.

Efectos de acoplamiento

Debido al encauzamiento de tendón descrito anteriormente, los tendones distales imparten un momento sobre la junta proximal, provocando que exista un acoplamiento de carga entre-juntas por diseño. En ausencia de tal acoplamiento, accionar la junta distal sin accionar la junta proximal únicamente debería provocar que la punta del robot se mueva en el plano y0 - zo. Como resultado, una proyección de la punta de robot en el plano x0 - Z0 únicamente debería dar como resultado un movimiento a lo largo del eje Z0 eje. Sin embargo, se observó que una proyección de la punta de robot en el plano x0 - Z0 da como resultado un movimiento a lo largo de ambos ejes (véase la figura 10 (parte superior), línea continua). Este fenómeno también se observó cuando la junta proximal se flexionó previamente a un valor distinto de cero del ángulo de junta (9 í 0) (véase la figura 10 (parte superior), líneas discontinuas). Esto demuestra que el accionamiento puro de la junta distal también provoca una flexión adicional en la junta proximal. Para modelar el acoplamiento entre-juntas, la Ec. 15 se puede modificar de la siguiente manera:

donde Ti es la tensión aplicada en la base de la junta i. Esta relación se puede utilizar para ubicar la punta en el espacio de 2 grados de libertad. Un modelo de acoplamiento mejora el error en estado estacionario 2 grados de libertad, donde la norma euclidiana del error disminuye de 6,1 mm a 3,2 mm.

Sistema de control

Se puede utilizar un controlador para aprovechar la relación momento-curvatura definida anteriormente para controlar la junta de base del robot. El espacio de tarea se puede definir como el plano x⁰-z⁰ (mientras que el espacio operativo del robot todavía es R6). El controlador propuesto para el control de trayectoria de espacio de tarea de la punta de robot se muestra en la figura 11. Unos puntos consecutivos a lo largo de una trayectoria en el plano x⁰-z⁰se proporcionan como entrada (P^des) en el algoritmo de cinemática inversa geométrica definido anteriormente. Este cálculo da como resultado una curvatura deseada Kdes, que, entonces, se compara con la salida de un observador que genera la estimación de estado más reciente Kest. Un controlador PI para el desplazamiento de accionador está diseñado como u = Kpe + Ki I edt, donde e = (Kes - K^est).

Diseño de observador

El bloque de observador de la figura 11 está diseñado para utilizar las relaciones momento-curvatura a efectos de estimar la forma del robot. Utilizando el modelo de fricción definido anteriormente, se diseñó un observador lineal por partes que utiliza las siguientes relaciones para estimar la curvatura de junta de base Kest[n] en la nésimaetapa de tiempo discreta,

En este punto, [Tmín, Tméx] que es el intervalo de fuerzas, para el que se calculan las mesetas de curva de histéresis en cada punto en el tiempo. Asimismo, la función de elasticidad de flexión r por partes (u, ú , n) es diferente del término rb definido anteriormente y se puede definir de la siguiente manera:

T or arres (U Ú n) = í rb(«l"ü),SÍ sgn(u[n]) > 0

^{por partes} ^\ , , ^{/ \rb(ai \t),si ti o se cumple ninguna condición anterior}

Donde a, es el ángulo de envoltura del tendón que está acoplado actualmente. El observador se ensayó proporcionando un conjunto de trayectorias aleatorias al sistema al mismo tiempo que se muestreaba la curvatura bajo un microscopio en varios puntos (véase la figura 12). Utilizando este observador, se obtiene una estimación satisfactoria de la curvatura de la junta de base en cualquier dirección y se puede utilizar como retroalimentación en el sistema de control.

Rendimiento de seguimiento

Para probar el controlador, se construyó una configuración compacta como se ilustra en la figura 13. Cada junta del robot tiene dos tendones ligados a su extremo distal, que, en el lado del accionador, terminan en una transmisión antagónica, que utiliza un único accionador lineal piezoeléctrico (SmarAct GmbH, Oldemburgo, Alemania). La transmisión consiste en una disposición de polea y correa de distribución que permite un movimiento antagónico de los dos tendones, en efecto, similares a los utilizados en los controladores de catéter robóticos anteriores. Cada tendón está ligado a la transmisión a través de una célula de carga con una capacidad de carga máxima de 2,267 kg (5 libras) (Transducer Techniques, California, Estados Unidos). Los datos procedentes del sensor de fuerza, un codificador y el microscopio se adquieren a través de un CAD de 16 bits (Modelo 826, Sensoray, Portland, Estados Unidos) y un UART, respectivamente. Un algoritmo de procesamiento de imágenes que utiliza transformadas de Hough proporciona automáticamente los datos reales para la curvatura de junta de base en cada punto del tiempo. En último lugar, un marcador se une a una punta y una cámara estereoscópica (MicronTracker H40, Toronto, Ontario, Canadá) lleva a cabo el seguimiento del extremo del prototipo de cable guía en el plano Xo-zo.

A continuación, se proporcionaron tres tipos de perfiles de entrada (trayectorias sinusoidal, triangular y cuadrada) en el espacio de tarea al controlador de junta de base. El período de tiempo de cada tipo de entrada se varió de 50 segundos a 250 segundos. La figura 14a-14b ilustra que el controlador PI definido anteriormente es capaz de supervisar de cerca los perfiles de entrada, con un error en estado estacionario insignificante para cada entrada de etapa. Así mismo, también es capaz de llevar a cabo el seguimiento a velocidades que, a menudo, se observan en un entorno quirúrgico.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para dirigir un cable guía, comprendiendo el sistema:

una punta de cable guía (100) conectada de manera integral a un extremo distal del cable guía, comprendiendo la punta de cable guía (100) un cuerpo hueco y alargado (101) que tiene una primera junta (110a) y una segunda junta (110b), comprendiendo la primera junta (110a) una primera pluralidad de rebajes asimétricos (105) en el cuerpo hueco y alargado (101) y comprendiendo la segunda junta (110b) una segunda pluralidad de rebajes asimétricos en el cuerpo hueco y alargado (101);

un primer tendón, un segundo tendón, un tercer tendón y un cuarto tendón dispuestos dentro del cuerpo hueco y alargado (101) de la punta de cable guía (100), estando el primer y el segundo tendones conectados operativamente a la primera junta (110a) y estando el tercer y el cuarto tendones conectados operativamente a la segunda junta (110b);

una cuña de encauzamiento (115) dispuesta dentro del cuerpo hueco y alargado (101) próxima a un extremo distal del cuerpo hueco que separa espacialmente los tendones (117) entre sí; y

una unidad de control conectada operativamente al primer tendón y al segundo tendón;

en donde la unidad de control está configurada para accionar el primer tendón y el segundo tendón para provocar que la primera junta (110a) se flexione de manera que proporcione un primer grado de libertad de movimiento de la punta de cable guía (100); y

en donde la unidad de control está configurada, además, para accionar el tercer tendón y el cuarto tendón para provocar que la segunda junta (110b) se flexione de manera que proporcione un segundo grado de libertad de movimiento de la punta de cable guía (100) diferente del primer grado de libertad de movimiento.

2. El sistema según la reivindicación 1, en donde el cuerpo hueco y alargado (101) tiene una anchura de aproximadamente 0,1 mm a aproximadamente 0,9 mm; y

en donde la primera pluralidad de rebajes asimétricos (105) es ortogonal a la segunda pluralidad de rebajes asimétricos.

3. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en donde el cuerpo hueco y alargado (101) comprende una pared interna;

en donde el primer tendón y el segundo tendón están dispuestos en un primer conjunto de lados opuestos de la pared interna; y

en donde el tercer tendón y el cuarto tendón están dispuestos en un segundo conjunto de lados opuestos de la pared interna.

4. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en donde cada uno del primer, segundo, tercer y cuarto tendones (117) comprenden un cable superelástico.

5. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde cada rebaje asimétrico en la primera y segunda pluralidades de rebajes asimétricos (105) tiene una forma seleccionada del grupo que consiste en rectangular, triangular y sinusoidal.

6. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, que comprende, además, una pluralidad de hendiduras dispuestas dentro del cuerpo alargado, hueco y alargado;

en donde la cuña de encauzamiento (115) comprende unas porciones de cuña (153a, b, c) que se pueden recibir a través de las hendiduras; y

en donde las porciones de cuña recibidas definen un canal central (157) y unos canales exteriores (155).

7. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en donde la unidad de control comprende un conjunto de accionamiento de cable guía (320) y un mecanismo de rodillos de cable guía (310).

8. El sistema de la reivindicación 7, en donde el conjunto de accionamiento de cable guía (320) comprende una pluralidad de motores (305a, b) para hacer avanzar, retraer y rotar el cable guía.

9. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 7-8, en donde el conjunto de accionamiento de cable guía (320) comprende un primer motor (305a) para hacer avanzar el cable guía a través del mecanismo de rodillos de cable guía (310).

10. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 7-9, en donde el mecanismo de rodillos de cable guía (310) comprende un primer rodillo y un segundo rodillo (340a, 340b);

en donde el mecanismo de rodillos de cable guía (310) está acoplado operativamente a un primer motor (305a); y en donde una porción del cable guía está dispuesta entre el primer y segundo rodillos (340a, 340b).

11. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en donde la unidad de control comprende, además, una ruta de ranura (325) para almacenar el cable guía.

12. El sistema según la reivindicación 11, en donde la unidad de control comprende, además, un árbol (321) acoplado operativamente a un acoplamiento elástico (315);

en donde el árbol (321) se puede hacer funcionar mediante un segundo motor y está configurado para desenrollar el cable guía desde la ruta de ranura (325) hasta el mecanismo de rodillos de cable guía (310).

13. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1-12, en donde la punta de cable guía (100) y el cable guía son un cuerpo continuo.

14. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1-13, en donde la punta de cable guía (100) tiene una anchura;

en donde la primera y segunda pluralidades de rebajes asimétricos (105) tienen unas profundidades; y en donde las profundidades de la primera y segunda pluralidades de rebajes asimétricos (105) son superiores a 50 % de la anchura de la punta de cable guía (100).

15. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14, en donde la primera y segunda pluralidades de rebajes asimétricos (105) comprenden unas ranuras definidas por unas paredes sustancialmente perpendiculares.