WO2024056534A1 - Actuator element, actuator assembly, medical instrument and operating method and manufacturing method - Google Patents

Actuator element, actuator assembly, medical instrument and operating method and manufacturing method Download PDF

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WO2024056534A1
WO2024056534A1 PCT/EP2023/074703 EP2023074703W WO2024056534A1 WO 2024056534 A1 WO2024056534 A1 WO 2024056534A1 EP 2023074703 W EP2023074703 W EP 2023074703W WO 2024056534 A1 WO2024056534 A1 WO 2024056534A1
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actuator
material strand
actuator element
support structure
cooling fluid
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PCT/EP2023/074703
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Sebastian Wolfram
Jochen Hampe
Christoph Gommel
René Körbitz
Franz Brinkmann
Kai Uhlig
Matthieu Fischer
Andreas Richter
Konrad Henkel
Ronny Hüttner
Original Assignee
Leibniz-Institut Für Polymerforschung Dresden E.V.
Contronix Gmbh
Technische Universität Dresden
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    • A61B1/005Flexible endoscopes
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    • A61B1/0011Manufacturing of endoscope parts
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    • A61M25/0105Steering means as part of the catheter or advancing means; Markers for positioning
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    • A61M25/0147Tip steering devices with movable mechanical means, e.g. pull wires
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    • A61M25/0158Tip steering devices with magnetic or electrical means, e.g. by using piezo materials, electroactive polymers, magnetic materials or by heating of shape memory materials

Definitions

  • Actuator element Actuator element, actuator composite, medical instrument as well as methods of operation and manufacturing processes
  • the invention relates to an actuator element according to claim 1, an actuator composite according to claim 9, a medical instrument according to claim 14, a method for operating an actuator composite and / or medical instrument according to claim 15 and a manufacturing method for an actuator element or an actuator composite according to claims 19 and 20.
  • Endoscopes refer to devices that are inserted through natural body openings (e.g. mouth, nose, anus, vagina, urethral opening) and can flexibly follow the course of the respective anatomical structures such as the esophagus, intestines, trachea and urethra. It is common for flexible endoscopes to be controlled using cable pulls (Bowden cables), which are guided in channels in the device and are operated manually using adjusting wheels.
  • Boden cables are guided in channels in the device and are operated manually using adjusting wheels.
  • Endoscopic accessories are inserted through the working channel of the endoscopes.
  • the accessories are usually flexible in order to be able to pass through the working channel and are moved in and out mechanically using handles. Few instruments (e.g. papillotomes) can be steered in your direction. This is also technically achieved by tensioning control wires mechanically using handles.
  • Laparoscopes and laparoscopic instruments :
  • Laparoscopes i.e. instruments with optics that can be inserted into the abdominal cavity as part of a surgically created capno- or pneumoperitoneum, are usually rigid and have no working channel.
  • the technical limitations of these devices are that these devices (unlike endoscopes, which are inserted through natural body openings) must be sterilized. This means that flexible parts, device joints and working channels cause hygiene problems.
  • Therapeutic instruments such as scissors and grasping forceps for laparoscopy are usually rigid for the same reasons.
  • Arthroscopes are inserted into the joint space to inspect joint and cartilage structures. Absolute sterility is required here, which is typically achieved using rigid and sterilizable instruments.
  • Intravascular catheters are inserted into the arterial or venous system to deliver medications, position stents, or perform ablations.
  • shape memory alloys as actuators as an alternative to control via cable pulls.
  • the document US 55314664 A describes a device with a wire made of shape memory alloys for controlling a medical instrument.
  • Shape memory alloys are special materials that can seemingly “remember” a previous shape after being deformed.
  • the shape transformation between a high-temperature phase (called austenite) and a low-temperature phase (called martensite) usually occurs through a change in the temperature of the material.
  • the mechanical properties of the shape memory alloys are usually controlled indirectly electrically by applying electricity and thus by heating and cooling the material.
  • the disadvantage of the previously known solutions from the prior art is that they cannot be used for fine, continuous, controlled movements, but only reliably allow binary movements such as the opening and closing of valves or flaps. This is due to the steep phase transitions of the shape memory alloys, which make it difficult to reliably stabilize intermediate positions.
  • the present invention is therefore based on the object of enabling the control of medical instruments with soft, stable and controlled movements.
  • the manufacturing process should enable the cost-effective production of disposable instruments in order to meet the sterility requirements for medical instruments.
  • control is not only understood to mean the control of instrument mobility, but also the execution of additional actuator functions such as the closing and opening of instruments such as pliers or scissors, the movement of an Albarran lever or the release of implants.
  • the actuator element can be found in claims 2 to 8
  • preferably embodiments of the actuator assembly can be found in Claims 10 to 13.
  • a medical instrument according to the invention can be found in claim 14.
  • a method according to the invention for operating an actuator element or an actuator assembly according to the invention can be found in claims 15 to 18.
  • a manufacturing method according to the invention can be found in claim 19 and claim 20.
  • the invention relates, as is known per se, to an actuator element for controlling medical instruments with the following features:
  • the actuator element has a guide sleeve made of a polymer material, -the actuator element has an actuator material strand for position-related control of an instrument head,
  • the actuator material strand is formed with a shape memory alloy and arranged inside the guide sleeve.
  • the mobility of the actuator material strand is ensured by the gap between the inside of the guide sleeve and the outside of the actuator material strand.
  • the thickness of the gap is preferably dimensioned such that mobility is ensured even when the actuator element is bent in a flexible instrument.
  • the insulation resulting from the gap leads to faster heating of the actuator material strand and thus enables faster and more precise position-related control of the instrument head through the thermal insulation.
  • the air gap represents a thermal resistance. While from a structural point of view it is advantageous - as is known from the prior art - to make the air gap as small as possible, according to the invention from a thermal point of view it is necessary that the air gap can develop its thermal effect.
  • Medical instruments such as endoscopes, laparoscopes, intravascular catheters or arthroscopes usually have a tubular or rod-shaped instrument body that is located in the patient's body during treatment.
  • the actuator element preferably extends into the tubular or rod-shaped instrument body. Particularly preferred in such a way that the actuator element extends essentially over the entire longitudinal extent of the instrument body.
  • the actuator material strand is designed as an SMA wire (abbreviated for shape memory alloy).
  • shape memory alloy and SMA wire are used as synonyms below.
  • SMA wires are advantageous as an actuator material strand. Due to the greater working capacity of shape memory alloys compared to other actuator materials, the required actuating forces can be achieved even with such small diameters.
  • the actuator material strand is preferably made of a material from the family of metallic shape memory alloys, such as nickel-titanium (NiTi) alloys.
  • the actuator material strand is preferably made of Nitinol.
  • the exact design of the SMA wire depends on the medical instrument in which the actuator material strand is to be used.
  • the SMA wire has a diameter between 20 pm and 250 pm.
  • the actuator material strand and/or the actuator element preferably have a length between 30 and 250 cm.
  • the SMA wire has a diameter greater than 100 pm. Larger diameters from 100 pm have the advantage that larger actuator forces can be developed. At the same time, due to the larger diameter, the risk of the guide sleeve being damaged when the actuator material strand is bent is reduced.
  • the guide sleeve is preferably made of a polymer from the family of polyimides or polyether ketones, such as polyetherimide (PEI), polyamideimide (PAI) or polyetheretherketone (PEEK).
  • PEI polyetherimide
  • PAI polyamideimide
  • PEEK polyetheretherketone
  • the medical instrument is preferably designed as a flexible and/or invasive medical instrument. Thanks to their flexible design, these instruments can flexibly follow the course of the respective anatomical structures such as the esophagus, intestines, trachea and urethra.
  • a surface of the actuator material strand has, at least in some areas, a coating with high conductivity. This means that the SMA wire of the actuator material strand remains cooler in the coated areas because the current predominantly flows in these areas is passed through the coating. In the coated areas, the contraction is reduced or suppressed depending on the coating thickness due to the lower temperature. At the same time, the uncoated areas in between contract. The travel adjustment can therefore be adjusted very precisely and precisely to the application. At the same time, the position of the thermally critical zones can be adjusted.
  • the electrical resistance of the actuator material strand and thus of the entire actuator material strand advantageously decreases in the coated areas, so that overall no voltage values critical for the human body are required to achieve the desired contraction of the actuator material strand.
  • the coating is preferably in the form of a metallic coating, particularly preferably made of copper, gold, chromium or platinum.
  • the required layer thicknesses depend on the material and the planned application and are preferably between 2 pm and 30 pm, preferably between 3 and 10 pm or alternatively preferably between 8 and 30 pm.
  • the coating is arranged depending on the thermal load on the actuator material strand. This results in the advantage that, particularly in the case of long medical instruments, the energy and thus the thermal load can be distributed favorably over the longitudinal extent of the actuator material strand.
  • the coating is carried out in ring-shaped elements in such a way that between 20% and 80%, preferably 40% - 60% of the total length of the surface of the actuator material strand is coated.
  • the coating is preferably carried out more extensively in areas with a high thermal load compared to an average thermal load on the actuator material strand than in areas with a lower thermal load compared to an average thermal load on the actuator material strand.
  • the coating is applied in short sections with a segment length between 5 and 20 mm.
  • a section consists of coating segments that cover x% of the surface of the actuator material strand, while (100 - x)% of the surface of the actuator material strand remains uncoated. These sections are then strung together.
  • Such areas with a high thermal load compared to a medium thermal load on the actuator material strand are, for example, in the joint area at the tip of the instrument. This also applies, especially with long instruments, to the part of the instrument that is in the patient's body during the examination.
  • This has the advantage that the coating can help ensure that parts of the instrument that are located in the patient's body are not heated above a certain limit, preferably 45 ° C, otherwise tissue damage can occur.
  • the coating is formed on a portion of the surface of the actuator material strand in such a way that an operating voltage of the actuator element is below 25 V / meter of actuator length alternating current (50 V with an instrument length of 2 meters) and 37.5 V / meter of direct current (75 V on 2 meters).
  • the low voltage criteria according to the Low Voltage Directive (2014/35/EU) and IEC 60449 are preferably met. This has the advantage that safety requirements are easier to meet and the operation of the medical instrument is comparatively less dangerous.
  • the coating is designed in a ring shape in the form of a plurality of coating rings distributed along a longitudinal extent of the actuator material strand. This results in the advantage that the coating rings can be formed in a simple manner along the actuator material strand.
  • the coating rings are arranged along the longitudinal extent of the actuator material strand in order to achieve a defined temperature profile along the actuator material strand.
  • the coating rings are preferably arranged narrower and thus more extensively in areas of high thermal load compared to an average thermal load of the actuator material strand, while in areas of lower thermal load the coating rings are arranged less compared to an average thermal load of the actuator material strand Coating rings are arranged. In the areas with coating rings arranged over the entire area, the contraction of the actuator material strand is reduced due to the lower temperature. In the areas with fewer coating rings, however, there is comparatively greater heating and thus a stronger contraction. By arranging the coating rings, the travel adjustment can be easily adapted to the desired application.
  • a further advantage is that the optimization of the temperature described above can be carried out in a simple manner along the actuator material strand by arranging the coating rings.
  • the gap between the inside of the guide sleeve and the outside of the actuator material strand has a dimension of 1 pm - 150 pm, preferably 50 pm -100 pm.
  • the specified dimensions describe the distance between the inside of the guide sleeve and the outside of the actuator material strand in the resting state, i.e. H. in the stretched state.
  • the distance between the inside of the guide sleeve and the outside of the actuator material strand can be both reduced and increased during operation, particularly in the bent state.
  • the gap is filled with a gas and/or a fluid, preferably with air or an oil.
  • the thermal and mechanical properties can be adjusted by the type of filler. An oil-filled gap improves friction properties as a lubricant and thermal conductivity so that heat can be better dissipated. This reduces the cooling time of the actuator element and thus increases the actuator speed.
  • the object according to the invention is further solved by an actuator network for controlling invasive medical instruments with at least one actuator element according to the invention, as described above.
  • the actuator network has the following features:
  • the actuator composite includes a support structure made of a polymer
  • the support structure is formed with channels and/or grooves at least along a longitudinal axis of the actuator assembly.
  • the at least one actuator element is guided in one of the channels and/or grooves.
  • the actuator assembly is designed with a casing. This casing encloses at least the support structure and the at least one actuator element.
  • the actuator composite is preferably characterized by the separation ability of the materials used.
  • the actuator assembly preferably has several actuator elements. This has the advantage that the position-related control can be adjusted more precisely and larger actuating forces can be realized.
  • the support structure enables the arrangement of the at least one actuator element together with further actuator elements and/or additional functional elements, such as medical devices, cooling or elements for data and/or energy transfer.
  • the actuator elements are preferably arranged in a form-fitting and non-positive manner in the grooves, so that easy assembly and dentability is guaranteed.
  • the channels and/or grooves are designed to accommodate medical tools and/or the channels and/or grooves are designed to transmit data and/or energy.
  • medical instruments such as endoscopes, laparoscopes, intravascular catheters or arthroscopes usually have a tubular or rod-shaped instrument body that is located in the patient's body during treatment.
  • a tubular or rod-shaped instrument body is essentially formed by the actuator composite.
  • the actuator network therefore essentially extends over the entire longitudinal extent of the medical instrument.
  • the arrangement of the actuator composite or the actuator material strand or strands of actuator material in the instrument body can cause the actuator composite and thus the instrument body to heat up during operation. Since the instrument body is located at least partially in the body during the examination or treatment, there is a risk of the instrument body and thus also the patient's surrounding tissue overheating.
  • a cooling system for a cooling fluid which circulates in the support structure.
  • the cooling system is preferably designed in such a way that a constant operating temperature of the medical instrument is set, preferably in the range between 25 ° C and 40 ° C, and this temperature on a surface of the actuator composite does not have a defined limit value, for example 45 ° C for medical instruments exceeds.
  • cooling In addition to avoiding injury to the patient's adjacent tissue, cooling also plays a crucial role in the performance of the system. Since the thermal boundary conditions of the system are constantly changing (for example due to the penetration depth of the instrument or the use of the actuator), precise control and a consistent response behavior of the actuators is essential challenging. Active cooling achieves a stable thermal working point.
  • the cooling fluid preferably circulates in the channels and/or grooves of the carrier structure.
  • the grooves can be embossed into the support structure in a free geometric arrangement, for example in a meander shape.
  • a minimum distance of 5 pm from the actuator strand is preferably maintained in order to ensure electrical insulation from the cooling fluid.
  • An arrangement of the grooves and/or channels in the outer region of the support structure is particularly advantageous. This also has the advantage that the surface temperature of the instrument is also reduced more efficiently.
  • the channels in which the cooling fluid circulates preferably have a cross section with the largest possible circumference in order to improve the heat transfer between the cooling fluid and the actuator assembly.
  • a hose and/or a hose system can be provided for the cooling fluid.
  • a closed fluid circuit is preferably provided for the cooling fluid.
  • the cooling fluid such as water, can exit at defined points of the actuator assembly and be sucked off, for example, via the working channel. This depends in particular on the medical application. In sterile applications it is usually necessary for the cooling fluid to circulate in a closed circuit, while in endoscopes an escape of the cooling fluid is often harmless.
  • the support structure is preferably formed from a polymer, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), fluoroethylene propylene (FEP), perfluoroalkoxylalkane (PFA), ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), polyamide (PA), polyurethane (PUR), polyamideimide (PAI), polyetherimide (PEI), polyphenylene sulfide (PPS) or polyetheretherketone (PEEK).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • FEP fluoroethylene propylene
  • PFA perfluoroalkoxylalkane
  • ETFE ethylene tetrafluoroethylene
  • PA polyamide
  • PUR polyurethane
  • PAI polyamideimide
  • PEI polyetherimide
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PEEK polyetheretherketone
  • the support structure is preferably designed to be pressure-resistant and flexible. This results in the advantage that the actuator material strand can be prestressed in a simple manner in order to ensure that the shape memory alloys function. These properties are preferred by embedding a Polymer or metal spring implemented into the support structure. This allows the necessary prestressing of the shape memory materials of 100-300 N/mm 2 SMA diameter to be achieved in the overall composite.
  • the casing is preferably designed as a support structure made of PTFE, FEP, PFA, ETFE, PA, PUR, PPS, PEEK PAI or PEI and can optionally have an integrated fabric or braided structure.
  • the casing is designed to be pressure-resistant and flexible. This results in the advantage that the support structure is supported in its corresponding function by the casing. These properties are preferably achieved by embedding a polymer or metal spring in the casing. This allows the necessary pretension of the shape memory materials of 100-300 N/mm 2 to be achieved in the overall composite.
  • a medical instrument preferably an endoscope, laparoscope, bronchoscope or arthroscope, with an actuator element and/or an actuator assembly as described above.
  • a medical instrument preferably an endoscope, laparoscope, bronchoscope or arthroscope, with an actuator element and/or an actuator assembly as described above.
  • a particular advantage of such medical instruments according to the invention is that they can be easily integrated into cyber-medical systems since fully electronic control is possible.
  • the object according to the invention is further achieved by a method for operating an actuator train and/or an actuator assembly and/or a medical instrument according to one of the preceding claims as described above.
  • the method preferably provides that a cooling fluid circulates in order to absorb the heat generated during operation of the actuator elements.
  • the cooling fluid particularly preferably circulates in the support structure.
  • the medical instrument By cooling via the support structure, the medical instrument can be cooled in a simple manner over the entire length of the instrument.
  • the cooling fluid preferably has a flow temperature, preferably between 20 ° C and 37 ° C, preferably 25 ° C.
  • a flow rate of the cooling fluid and/or a temperature of the cooling fluid is regulated such that a stable operating temperature (25°C - 40°C) is set and a temperature on the surface of the actuator assembly does not exceed a limit according to IEC 60601-1, preferably a limit of 45° C.
  • a stable operating temperature 25°C - 40°C
  • a temperature on the surface of the actuator assembly does not exceed a limit according to IEC 60601-1, preferably a limit of 45° C.
  • the cooling media flow and the cooling media temperature are regulated in such a way that a temperature of the medical instrument at a Surface of the actuator composite does not exceed a defined limit, for example 45 ° C for medical instruments.
  • a volume flow of between 100 and 500 ml / h is preferably set in the instrument. This has the advantage that the actuator speed can be increased by a factor of 2 to 6 due to the cooling.
  • a closed fluid circuit is provided for the cooling fluid and the cooling fluid circulates in the fluid circuit without loss. This has the advantage that the cooling fluid does not leak into the patient's surrounding tissue.
  • the cooling fluid exits at defined points of the actuator assembly. Such a configuration is possible, for example, if the application does not have to be sterile.
  • the object according to the invention is further solved by a manufacturing method according to claim 19.
  • the manufacturing method according to the invention for an actuator element with an actuator material strand with a shape memory alloy and a guide sleeve made of a polymer material is carried out by means of an extrusion method.
  • actuator elements for corresponding medical instruments can be produced in large quantities and in a highly scalable manner using the extrusion process.
  • Corresponding medical instruments can therefore be produced easily and comparatively inexpensively as disposable instruments.
  • the manufacturing process for an actuator composite with a support structure, at least one actuator element and a casing is also based on an extrusion process, with at least the support structure being produced by means of an extrusion process.
  • at least one actuator element or one of the preferred embodiments of an actuator element described above is introduced into grooves in the support structure.
  • the actuator element is also produced using an extrusion process.
  • actuator material strand before inserting it into the actuator element, i.e. H. applied before the extrusion process. This can preferably be done via electrochemical processes or sputtering.
  • an oxide layer on the metallic shape memory alloy of the actuator material strand is removed before the coating process. This results in a low transition resistance stood between the metallic shape memory alloy of the actuator material strand, in particular Nitinol, and the coating metal.
  • the oxide layer usually present on the surface of the metallic shape memory alloy as delivered would act as an electrical insulator and significantly reduce the efficiency of the coating.
  • the actuator material strand according to the invention and the actuator composite according to the invention are fundamentally suitable for applications in which control is to take place in medical instruments. As described, these can be, for example, the position-related control of an instrument head or additional actuator functions of the medical instrument. It is only through the basic idea of an air gap according to the invention that thermal optimization and mechanical performance for precision and speed of mobility of the medical instrument are achieved, so that medical use for precise movements is possible.
  • the various optimizations through the preferred embodiments, such as the thermal optimization of the entire system and the control of the cooling liquid further improve the mechanical performance for precision and speed of mobility of the instrument tip, so that the acceptability and possible uses for medical use are further increased.
  • Figure 1 with partial images a, b and c shows three schematic representations of an exemplary embodiment of an actuator assembly according to the invention
  • Figure 2 shows a schematic representation of a section of an exemplary embodiment of an actuator assembly according to the invention in detail
  • Figure 3 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an actuator element according to the invention with a coating.
  • Figure 4A shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a pressure-stable and flexible actuator composite.
  • Figure 4B shows a schematic representation of an exemplary embodiment with a pressure-stable and flexible casing.
  • Figure 1a shows a schematic representation of an actuator assembly 1 for controlling flexible, invasive medical instruments with a support structure 2, an actuator element 3 and a casing 4.
  • the actuator element 3 has a guide sleeve 5 and an actuator material strand 6.
  • the guide sleeve 5 is made of a polymer material, in this case PEEK.
  • the actuator material strand 6 is designed as an SMA wire (wire made of a shape memory alloy), in the present case made of NiTi.
  • the SMA wire has a diameter of 100 pm and a length of 150 cm.
  • the actuator material strand 6 is designed for position-related control of a dockable instrument head and is arranged inside the guide sleeve 5.
  • a gap 7 is formed between the inside of the guide sleeve 5 and an outside of the actuator material strand.
  • the gap 7 between the inside of the guide sleeve and the outside of the actuator material strand 6 is 50 pm in the resting state, that is, in the stretched state.
  • the gap 7 is filled with air.
  • the support structure 2 has several grooves 8a, 8b, 8c, 8d all around, in this case four grooves 8a, 8b, 8c, 8d. Furthermore, several channels are provided in the support structure 2. In the present case, two channels 9a, 9b are provided in the outer region. The channels in the outer region 9, 9b are designed to transport a cooling medium. In addition, another channel 10 is provided in the middle of the support structure. The channel 10 is designed for the passage of endoscopic tools.
  • the support structure 2 is designed to be pressure-resistant and flexible in order to ensure pre-stressing of the actuator material strand.
  • the casing 4 is made of a polymer material, in this case PTFE.
  • the casing 4 encloses the support structure 2 with the grooves 8 and channels 9 as well as the actuator element 3.
  • actuator elements 3 are provided, which are arranged in the grooves 8a, 8b, 8c, 8d. For better clarity, only the actuator element 3 is shown in the groove 8a in FIG.
  • the SMA wire as an actuator material strand 6 is heated or cooled, so that the dimensions of the SMA wire change and enable position-related control of a coupled instrument head.
  • the actuator assembly 1 described above is particularly suitable for use in an endoscope or a laparoscope.
  • movements of the controlled instrument tip of ⁇ 100 degrees can be realized with a frequency of 1 Hz.
  • Medical instruments such as endoscopes, laparoscopes, intravascular catheters or arthroscopes usually have a tubular or rod-shaped instrument body that is located in the patient's body during treatment.
  • This tubular or rod-shaped instrument body in the present case, per is formed by the actuator assembly 1 described above.
  • the actuator assembly 1 therefore extends over the entire longitudinal extent of the medical instrument.
  • the arrangement of the actuator assembly 1 in the instrument body causes the actuator assembly 1 and thus the instrument body to heat up during operation. Since the instrument body is located at least partially in the patient's body during the examination or treatment, there is a risk of overheating of the instrument body and thus also of the patient's adjacent tissue. For this reason, the channels 10 are provided for the cooling system in the actuator network 1.
  • Figure 1 b shows a schematic representation of an actuator assembly 1 for controlling flexible, invasive medical instruments. To avoid repetition, reference is only made to the differences to Figure 1a.
  • the grooves and channels 9a, 9b, 9c, 9d are in the present case arranged in the outer region of the support structure 2. This has the advantage that the surface temperature of the instrument is efficiently reduced.
  • the channels 9a, 9b, 9c, 9d, in which the cooling fluid circulates, have a cross section with the largest possible circumference in order to improve the heat transfer to the cooling fluid.
  • the channels 9a, 9b, 9c, 9d are formed ovally along the outer circumference of the support structure 2.
  • the actromaterial strands 6 are provided on the outer circumference of the support structure 2 between the channels 9a, 9b, 9c, 9d. There is a minimum distance of 5 pm between the channels 9a, 9b, 9c, 9d for the cooling fluid and the actuator material strands 6.
  • Figure 1c shows a schematic representation of an actuator assembly 1 for controlling flexible, invasive medical instruments. To avoid repetition, reference is only made to the differences to Figure 1a.
  • the channels 9a, 9b, 9c, 9d for cooling fluid are not closed in this case, but are open. Hoses can be provided in the open channels to transport the cooling fluid.
  • Figure 2 shows a detailed representation of a section from Figure 1 with the actuator element 3 in detail.
  • the actuator element 3 has a guide sleeve 5 and an actuator material strand 6.
  • the guide sleeve 5 is made of a polymer material, in this case PEEK.
  • the actuator material strand 6 is designed as an SMA wire (wire made of a shape memory alloy), in this case NiTi.
  • the SMA wire has a diameter of 100 pm and a length of 150 cm.
  • the actuator material strand 6 is designed for position-related control of a dockable instrument head and is arranged inside the guide sleeve 5.
  • a gap 7 is formed between the inside of the guide sleeve 5 and an outside of the actuator material strand 6.
  • the gap 7 is filled with air.
  • the gap 7 between the inside of the guide sleeve and the outside of the actuator material strand 6 is 50 pm in the resting state, that is, in the stretched state.
  • the actuator element 3 described above is particularly suitable for use in an endoscope, alternatively also for endoscopic instruments, laparoscopes, laparoscopic instruments, bronchoscopes or arthroscopes.
  • movements of the controlled instrument tip of ⁇ 100 degrees can be realized with a frequency of 1 Hz.
  • Figure 3 shows an actuator element with coatings in partial figures a) and b), the coatings being arranged differently in partial figures a) and b).
  • the actuator material strand 6 is designed as an SMA wire made of a shape memory alloy.
  • a coating in the form of several coating rings 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f is formed on the actuator material strand 6.
  • the coating rings 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f are designed to run around the actuator material strand 6 and in the present case are designed in the form of a metallic coating made of Au.
  • Partial figure a shows an embodiment with four coating rings 11a, 11b, 11c, 11d on the route shown, which cover a portion of the surface of the actuator material strand 6. As a result, in partial figure a), 50% of the surface of the actuator material strand 6 is coated.
  • partial figure b an embodiment with six coating rings 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f is shown on the route shown, which cover a smaller proportion of the surface of the actuator material strand 6 compared to partial figure a). As a result, in partial figure b), 33% of the surface of the actuator material strand 6 is coated.
  • the SMA wire of the actuator material strand 6 remains comparatively cooler.
  • the contraction of the actuator material strand 6 is reduced due to the lower temperature.
  • the uncoated areas in between are heated more and therefore contract more strongly.
  • the coated areas 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f and thus the entire actuator material strand 6 have a lower electrical resistance, so that a lower voltage is required overall in order to achieve the desired contraction of the actuator material strand 6.
  • the coatings 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f are on a portion of the Surface of the actuator material strand 6 is designed so that an operating voltage of the actuator element 3 is below 25 volts / meter alternating current and 75 V direct current and the criteria for a low voltage according to the Low Voltage Directive (2014/35 / EU) and IEC 60449 are met.
  • This has the advantage that safety requirements are easier to meet and the operation of the medical instrument is comparatively less dangerous.
  • Figure 4A shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a pressure-stable and flexible actuator composite.
  • the support structure 2 in the present case is designed to be pressure-resistant and flexible in order to ensure pre-stressing of the actuator material strand.
  • This preload is generated by embedding a spring 12 in the support structure 2.
  • the spring 12 is presently arranged in the central channel 10.
  • the spring 12 extends through the channel 10 along the entire longitudinal extent of the instrument body.
  • Figure 4B shows a schematic representation of an exemplary embodiment with a pressure-stable and flexible casing 4.
  • the pretensioning of the actuator material strand is realized by embedding a spring 13 in the casing 4.
  • the spring 13 extends in the casing along the entire longitudinal extent of the instrument body.

Abstract

The invention relates to an actuator element (3) for controlling flexible, invasive, medical instruments and having the following features: - the actuator element (3) has a guide sleeve (5) made of a polymer material, - the actuator element (3) has an actuator material strand (6) for position-related control of an instrument head, - wherein the actuator material strand is formed with a shape memory alloy and is arranged inside the guide sleeve (5). An essential feature is that a gap (7) is formed between an inner side of the guide sleeve (5) and an outer side of the actuator material strand (6). The invention also relates to a corresponding actuator assembly and a medical instrument and a corresponding manufacturing method.

Description

Aktorelement, Aktorverbund, medizinisches Instrument sowie Verfahren zum Betrieb und Herstellungsverfahren Actuator element, actuator composite, medical instrument as well as methods of operation and manufacturing processes
Beschreibung Description
Die Erfindung betrifft ein Aktorelement gemäß Anspruch 1 , ein Aktorverbund gemäß Anspruch 9, ein medizinisches Instrument gemäß Anspruch 14, ein Verfahren zum Betrieb eines Aktorverbunds und/oder medizinischen Instruments gemäß Anspruch 15 sowie ein Herstellungsverfahren für ein Aktorelement oder ein Aktorverbund gemäß den Ansprüchen 19 und 20. The invention relates to an actuator element according to claim 1, an actuator composite according to claim 9, a medical instrument according to claim 14, a method for operating an actuator composite and / or medical instrument according to claim 15 and a manufacturing method for an actuator element or an actuator composite according to claims 19 and 20.
Medizinische Instrumente wie Endoskope, Laparoskope, intravaskuläre Katheter oder Arthroskope haben in den letzten Jahren neue minimal-invasive, diagnostische und therapeutische Möglichkeiten über ein breites Spektrum von medizinischen Disziplinen unter anderem in der Gastroenterologie, Gynäkologie, Urologie, HNO-Heilkunde und Viszeralchirurgie ermöglicht. Dabei hat sich das grundlegende Design der Instrumente in den letzten Jahren letztlich kaum verändert: In recent years, medical instruments such as endoscopes, laparoscopes, intravascular catheters and arthroscopes have enabled new minimally invasive, diagnostic and therapeutic options across a wide range of medical disciplines, including gastroenterology, gynecology, urology, otolaryngology and visceral surgery. Ultimately, the basic design of the instruments has hardly changed in recent years:
Flexible Endoskope: Flexible endoscopes:
Endoskope bezeichnen Geräte die durch natürliche Körperöffnungen (beispielsweise Mund, Nase, Anus, Scheide, Urethralöffnung) eingeführt werden und dem Verlauf der jeweiligen anatomischen Strukturen wie beispielsweise Speiseröhre, Darm, Luftröhre und Harnröhre flexibel folgen können. Üblich ist bei flexiblen Endoskopen die Steuerung mit Seilzügen (Bowdenzügen), die in Kanälen im Gerät geführt werden und durch Stellräder von Hand bedient werden. Endoscopes refer to devices that are inserted through natural body openings (e.g. mouth, nose, anus, vagina, urethral opening) and can flexibly follow the course of the respective anatomical structures such as the esophagus, intestines, trachea and urethra. It is common for flexible endoscopes to be controlled using cable pulls (Bowden cables), which are guided in channels in the device and are operated manually using adjusting wheels.
Endoskopisches Zubehör: Endoscopic accessories:
Endoskopisches Zubehör wird über den Arbeitskanal der Endoskope eingeführt. Das Zubehör ist üblicherweise flexibel, um den Arbeitskanal passieren zu können und wird mechanisch über Handgriffe ein- und ausgefahren. Wenige Instrumente (zum Beispiel Papillotome) sind in Ihrer Richtung steuerbar. Dies wird technisch ebenfalls durch mechanisch über Handgriffe zu spannende Steuerdrähte realisiert. Laparoskope und laparoskopische Instrumente: Endoscopic accessories are inserted through the working channel of the endoscopes. The accessories are usually flexible in order to be able to pass through the working channel and are moved in and out mechanically using handles. Few instruments (e.g. papillotomes) can be steered in your direction. This is also technically achieved by tensioning control wires mechanically using handles. Laparoscopes and laparoscopic instruments:
Laparoskope, das heißt Instrumente mit Optiken, die in die Bauchhöhle im Rahmen eines operativ angelegten Kapno- oder Pneumoperitoneums eingeführt werden können, sind in aller Regel starr ausgeführt und haben keinen Arbeitskanal. Die technischen Einschränkungen dieser Geräte liegen darin begründet, dass diese Geräte (im Gegensatz zu Endoskopen, die über natürliche Körperöffnungen eingeführt werden) sterilisiert werden müssen. Damit bereiten flexible Anteile, Gerätegelenke und Arbeitskanäle hier hygienische Probleme. Therapeutische Instrumente wie Scheren, Fasszangen für die Laparoskopie werden aus den gleichen Gründen üblicherweise starr ausgeführt. Laparoscopes, i.e. instruments with optics that can be inserted into the abdominal cavity as part of a surgically created capno- or pneumoperitoneum, are usually rigid and have no working channel. The technical limitations of these devices are that these devices (unlike endoscopes, which are inserted through natural body openings) must be sterilized. This means that flexible parts, device joints and working channels cause hygiene problems. Therapeutic instruments such as scissors and grasping forceps for laparoscopy are usually rigid for the same reasons.
Arthroskope und arthroskopische Instrumente: Arthroscopes and arthroscopic instruments:
Arthroskope werden in den Gelenkspalt eingeführt, um Gelenk- und Knorpelstrukturen zu inspizieren. Hier ist absolute Sterilität gefordert, die typischerweise über starre und sterilisierbare Instrumente realisiert wird. Arthroscopes are inserted into the joint space to inspect joint and cartilage structures. Absolute sterility is required here, which is typically achieved using rigid and sterilizable instruments.
Intravaskuläre Katheter: Intravascular catheters:
Intravaskuläre Katheter werden in das arterielle oder venöse Gefäßsystem eingeführt, um dort Medikamente abzugeben, Stents zu positionieren oder Ablationen durchzuführen. Intravascular catheters are inserted into the arterial or venous system to deliver medications, position stents, or perform ablations.
Weiter ist es aus dem Stand der Technik bekannt als Alternative zu der Steuerung über Seilzüge, Formgedächtnislegierungen als Aktoren einzusetzen. Beispielsweise beschreibt das Dokument US 55314664 A eine Vorrichtung mit einem Draht aus Formgedächtnislegierungen zur Steuerung eines medizinischen Instruments. Furthermore, it is known from the prior art to use shape memory alloys as actuators as an alternative to control via cable pulls. For example, the document US 55314664 A describes a device with a wire made of shape memory alloys for controlling a medical instrument.
Formgedächtnislegierungen sind spezielle Materialien, die sich nach einer Verformung an eine frühere Formgebung scheinbar „erinnern“ können. Die Formwandlung zwischen einer Hochtemperaturphase (genannt Austenit) und einer Niedrigtemperaturphase (genannt Martensit) erfolgt üblicherweise durch eine Temperaturänderung des Materials. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierungen werden dazu üblicherweise indirekt elektrisch durch Beaufschlagung mit Strom und damit über das Heizen und Abkühlen des Materials gesteuert. Nachteilig an den bisher bekannten Lösungen aus dem Stand der Technik ist, dass diese nicht für feine, kontinuierliche, geregelte Bewegungen einsetzbar sind, sondern lediglich binäre Bewegungen wie das Öffnen und Schließen von Ventilen oder Klappen verlässlich erlauben. Dies ist durch die steilen Phasenübergänge der Formgedächtnislegierungen bedingt, die die verlässliche Stabilisierung von Zwischenpositionen erschweren. Shape memory alloys are special materials that can seemingly “remember” a previous shape after being deformed. The shape transformation between a high-temperature phase (called austenite) and a low-temperature phase (called martensite) usually occurs through a change in the temperature of the material. The mechanical properties of the shape memory alloys are usually controlled indirectly electrically by applying electricity and thus by heating and cooling the material. The disadvantage of the previously known solutions from the prior art is that they cannot be used for fine, continuous, controlled movements, but only reliably allow binary movements such as the opening and closing of valves or flaps. This is due to the steep phase transitions of the shape memory alloys, which make it difficult to reliably stabilize intermediate positions.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Steuerung medizinischer Instrumente mit weichen, stabilen und kontrollierten Bewegungen zu ermöglichen. Gleichzeitig soll das Herstellungsverfahren die kostengünstige Fertigung von Einweginstrumenten ermöglichen, um die Sterilitätsanforderungen an medizinische Instrumente zu erfüllen. The present invention is therefore based on the object of enabling the control of medical instruments with soft, stable and controlled movements. At the same time, the manufacturing process should enable the cost-effective production of disposable instruments in order to meet the sterility requirements for medical instruments.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird unter dem Begriff „Steuerung“ nicht nur die Steuerung der Instrumentenbeweglichkeit verstanden, sondern ebenfalls die Ausführung aktorischer Zusatzfunktionen wie beispielsweise das Schließen und Öffnen von Instrumenten wie Zangen oder Scheren, die Bewegung eines Albarran-Hebels oder das Freisetzen von Implantaten. In the context of this description, the term “control” is not only understood to mean the control of instrument mobility, but also the execution of additional actuator functions such as the closing and opening of instruments such as pliers or scissors, the movement of an Albarran lever or the release of implants.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Aktorelement zur Steuerung invasiver medizinischer Instrumente gemäß Anspruch 1 sowie durch einen Aktorverbund zur Steuerung invasiver, medizinischer Instrumente gemäß Anspruch 9. Vorzugsweise Ausgestaltungen des Aktorelements finden sich in den Ansprüchen 2 bis 8, vorzugsweise Ausgestaltungen des Aktorverbunds finden sich in den Ansprüchen 10 bis 13. Ein erfindungsgemäßes medizinisches Instrument findet sich in Anspruch 14. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb Aktorelements oder eines erfindungsgemäßen Aktorverbunds findet sich in den Ansprüchen 15 bis 18. Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren findet sich in Anspruch 19 und Anspruch 20. This task is solved by an actuator element for controlling invasive medical instruments according to claim 1 and by an actuator assembly for controlling invasive medical instruments according to claim 9. Preferably embodiments of the actuator element can be found in claims 2 to 8, preferably embodiments of the actuator assembly can be found in Claims 10 to 13. A medical instrument according to the invention can be found in claim 14. A method according to the invention for operating an actuator element or an actuator assembly according to the invention can be found in claims 15 to 18. A manufacturing method according to the invention can be found in claim 19 and claim 20.
Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit in die Beschreibung aufgenommen, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden. The wording of all claims is hereby explicitly included in the description in order to avoid unnecessary repetitions.
Die Erfindung betrifft, wie an sich bekannt, ein Aktorelement zu Steuerung medizinischer Instrumente mit folgenden Merkmalen: The invention relates, as is known per se, to an actuator element for controlling medical instruments with the following features:
-das Aktorelement weist eine Führungshülse aus einem Polymermaterial auf, -das Aktorelement weist einen Aktormaterialstrang auf zur positionsbezogenen Steuerung eines Instrumentenkopfes, -the actuator element has a guide sleeve made of a polymer material, -the actuator element has an actuator material strand for position-related control of an instrument head,
-der Aktormaterialstrang ist mit einer Formgedächtnislegierung ausgebildet und im Inneren der Führungshülse angeordnet. -The actuator material strand is formed with a shape memory alloy and arranged inside the guide sleeve.
Wesentlich ist, dass zwischen einer Innenseite der Führungshülse und einer Außenseite des Aktormaterialstrangs ein Spalt ausgebildet ist. It is important that a gap is formed between an inside of the guide sleeve and an outside of the actuator material strand.
Durch den Spalt zwischen der Innenseite der Führungshülse und der Außenseite des Aktormaterialstrangs wird die Beweglichkeit des Aktormaterialstrangs gesichert. Die Dicke des Spalts wird vorzugsweise so dimensioniert, dass auch bei Biegung des Aktorelements in einem flexiblen Instrument die Beweglichkeit gesichert ist. Gleichzeitig führt die sich durch den Spalt ergebende Isolation zu einem schnelleren Aufheizen des Aktormaterialstrangs und ermöglicht damit durch die thermische Isolierung eine schnellere und präzisere positionsbezogene Steuerung des Instrumentenkopfes. The mobility of the actuator material strand is ensured by the gap between the inside of the guide sleeve and the outside of the actuator material strand. The thickness of the gap is preferably dimensioned such that mobility is ensured even when the actuator element is bent in a flexible instrument. At the same time, the insulation resulting from the gap leads to faster heating of the actuator material strand and thus enables faster and more precise position-related control of the instrument head through the thermal insulation.
Erfindungsgemäß stellt der Luftspalt einen thermischen Widerstand dar. Während es konstruktiv betrachtet - wie aus dem Stand der Technik bekannt- vorteilhaft ist, den Luftspalt möglichst klein auszuführen, ist es erfindungsgemäß aus thermischer Sicht erforderlich, dass der Luftspalt seine thermische Wirkung entfalten kann. According to the invention, the air gap represents a thermal resistance. While from a structural point of view it is advantageous - as is known from the prior art - to make the air gap as small as possible, according to the invention from a thermal point of view it is necessary that the air gap can develop its thermal effect.
Medizinische Instrument wie Endoskope, Laparoskope, intravaskuläre Katheter oder Arthroskope weisen üblicherweise einen schlauchförmigen oder stabförmigen Instrumentenkörper auf, der sich während der Behandlung im Körper des Patienten befindet. Vorzugsweise erstreckt sich das Aktorelement in den schlauchförmigen oder stabförmigen Instrumentenkörper. Insbesondere bevorzugt derart, dass sich das Aktorelement im Wesentlichen über die gesamte Längserstreckung des Instrumentenkörpers erstreckt. Medical instruments such as endoscopes, laparoscopes, intravascular catheters or arthroscopes usually have a tubular or rod-shaped instrument body that is located in the patient's body during treatment. The actuator element preferably extends into the tubular or rod-shaped instrument body. Particularly preferred in such a way that the actuator element extends essentially over the entire longitudinal extent of the instrument body.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Aktormaterialstrang als SMA-Draht (Abgekürzt für shape memory alloy, deutsch Formgedächtnislegierung) ausgeführt. Sofern nicht explizit anders angegeben, werden im Folgenden die Begriffe Formgedächtnislegierung und SMA-Draht als Synonyme verwendet. Um die erforderliche Beweglichkeit der medizinischen Instrumente zu gewährleisten, sind entsprechend dünne SMA-Drähte als Aktormaterialstrang vorteilhaft. Durch das bei Formgedächtnislegierungen im Vergleich zu anderen Aktorwerkstoffen größere Arbeitsvermögen können auch mit solchen geringen Durchmessern die erforderlichen Stellkräfte realisiert werden. In a preferred embodiment of the invention, the actuator material strand is designed as an SMA wire (abbreviated for shape memory alloy). Unless explicitly stated otherwise, the terms shape memory alloy and SMA wire are used as synonyms below. In order to ensure the required mobility of the medical instruments, correspondingly thin SMA wires are advantageous as an actuator material strand. Due to the greater working capacity of shape memory alloys compared to other actuator materials, the required actuating forces can be achieved even with such small diameters.
Der Aktormaterialstrang ist vorzugsweise aus einem Material aus der Familie der metallischen Formgedächtnislegierungen, wie beispielsweise Nickel-Titan (NiTi)- Legierungen, ausgeführt. Bevorzugt ist der Aktormaterialstrang aus Nitinol ausgebildet. The actuator material strand is preferably made of a material from the family of metallic shape memory alloys, such as nickel-titanium (NiTi) alloys. The actuator material strand is preferably made of Nitinol.
Die genaue Ausgestaltung des SMA-Drahts ist abhängig von dem medizinischen Instrument, in dem der Aktormaterialstrang eingesetzt werden soll. Vorzugsweise hat der SMA-Draht einen Durchmesser zwischen 20 pm und 250 pm. Der Aktormaterialstrang und oder das Aktorelement haben vorzugsweise eine Länge zwischen 30 und 250 cm. The exact design of the SMA wire depends on the medical instrument in which the actuator material strand is to be used. Preferably the SMA wire has a diameter between 20 pm and 250 pm. The actuator material strand and/or the actuator element preferably have a length between 30 and 250 cm.
Vorzugsweise hat der SMA-Draht einen Durchmesser größer als 100 pm. Größere Durchmesser ab 100 pm haben den Vorteil, dass größere Aktorkräfte entwickelt werden können. Gleichzeitig ist aufgrund des größeren Durchmessers das Risiko verringert, dass bei einer Biegung des Aktormaterialstrangs die Führungshülse beschädigt wird. Preferably the SMA wire has a diameter greater than 100 pm. Larger diameters from 100 pm have the advantage that larger actuator forces can be developed. At the same time, due to the larger diameter, the risk of the guide sleeve being damaged when the actuator material strand is bent is reduced.
Die Führungshülse ist vorzugsweise aus einem Polymer aus der Familie der Polyimide oder der Polyetherketone, wie beispielsweise Polyetherimid (PEI), Poly- amidimid (PAI) oder Polyetheretherketon (PEEK) ausgeführt. The guide sleeve is preferably made of a polymer from the family of polyimides or polyether ketones, such as polyetherimide (PEI), polyamideimide (PAI) or polyetheretherketone (PEEK).
Vorzugsweise ist das medizinische Instrument als flexibles und/oder invasives medizinisches Instrument ausgebildet. Durch die flexible Ausgestaltung können diese Instrumente dem Verlauf der jeweiligen anatomischen Strukturen wie beispielsweise Speiseröhre, Darm, Luftröhre und Harnröhre flexibel folgen. The medical instrument is preferably designed as a flexible and/or invasive medical instrument. Thanks to their flexible design, these instruments can flexibly follow the course of the respective anatomical structures such as the esophagus, intestines, trachea and urethra.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist eine Oberfläche des Aktormaterialstrangs zumindest bereichsweise eine Beschichtung mit hoher Leitfähigkeit auf. Dadurch bleibt der SMA-Draht des Aktormaterialstrangs in den beschichteten Bereichen kühler, da der Strom in diesen Bereichen überwiegend durch die Beschichtung geleitet wird. In den beschichteten Bereichen wird somit durch die geringere Temperatur die Kontraktion in Abhängigkeit von der Beschichtungsdicke reduziert oder unterdrückt. Gleichzeitig kontrahieren die unbeschichteten Bereiche dazwischen. Die Stellwegeeinstellung kann dadurch sehr kleinteilig und genau an die Anwendung angepasst werden. Gleichzeitig kann die Lage der thermisch kritischen Zonen eingestellt werden. In a preferred embodiment of the invention, a surface of the actuator material strand has, at least in some areas, a coating with high conductivity. This means that the SMA wire of the actuator material strand remains cooler in the coated areas because the current predominantly flows in these areas is passed through the coating. In the coated areas, the contraction is reduced or suppressed depending on the coating thickness due to the lower temperature. At the same time, the uncoated areas in between contract. The travel adjustment can therefore be adjusted very precisely and precisely to the application. At the same time, the position of the thermally critical zones can be adjusted.
Im Ergebnis sinkt vorteilhafterweise in den beschichteten Bereichen der elektrische Widerstand des Aktormaterialstrangs und damit des gesamten Aktormaterialstrangs, sodass insgesamt keine für den menschlichen Körper kritischen Spannungswerte benötigt werden, um die gewünschte Kontraktion des Aktormaterialstrangs zu erreichen. As a result, the electrical resistance of the actuator material strand and thus of the entire actuator material strand advantageously decreases in the coated areas, so that overall no voltage values critical for the human body are required to achieve the desired contraction of the actuator material strand.
Vorzugsweise ist die Beschichtung in Form einer metallischen Beschichtung, insbesondere bevorzugt aus Kupfer, Gold, Chrom oder Platin ausgeführt. Die erforderlichen Schichtdicken sind abhängig vom Material und der geplanten Anwendung und liegen vorzugsweise zwischen 2 pm und 30 pm, bevorzugt zwischen 3 und 10 pm oder alternativ bevorzugt zwischen 8 und 30pm. The coating is preferably in the form of a metallic coating, particularly preferably made of copper, gold, chromium or platinum. The required layer thicknesses depend on the material and the planned application and are preferably between 2 pm and 30 pm, preferably between 3 and 10 pm or alternatively preferably between 8 and 30 pm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Beschichtung in Abhängigkeit der thermischen Belastung des Aktormaterialstrangs angeordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass insbesondere bei langen medizinischen Instrumenten die Energie und damit die thermische Belastung günstig über die Längser- streckung des Aktormaterialstrangs verteilt werden kann. In a preferred embodiment of the invention, the coating is arranged depending on the thermal load on the actuator material strand. This results in the advantage that, particularly in the case of long medical instruments, the energy and thus the thermal load can be distributed favorably over the longitudinal extent of the actuator material strand.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Beschichtung in ringförmigen Elementen derart ausgeführt, dass zwischen 20 % und 80 %, bevorzugt 40 % - 60 % der Gesamtlänge der Oberfläche des Aktormaterialstrangs beschichtet sind. Dabei wird die Beschichtung bevorzugt in Bereichen mit hoher thermischer Belastung im Vergleich zu einer mittleren thermischen Belastung des Aktormaterialstrangs flächendeckender ausgeführt als in Bereichen mit einer niedrigeren thermischen Belastung im Vergleich zu einer mittleren thermischen Belastung des Aktormaterialstrangs. In a preferred embodiment of the invention, the coating is carried out in ring-shaped elements in such a way that between 20% and 80%, preferably 40% - 60% of the total length of the surface of the actuator material strand is coated. The coating is preferably carried out more extensively in areas with a high thermal load compared to an average thermal load on the actuator material strand than in areas with a lower thermal load compared to an average thermal load on the actuator material strand.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Beschichtung in kurzen Abschnitten mit einer Segmentlänge zwischen 5 und 20 mm appliziert. Dabei besteht ein Abschnitt aus Beschichtungssegmenten, die x % der Oberfläche des Aktormaterialstrangs bedecken, während und (100 - x) % der Oberfläche des Aktormaterialstrangs unbeschichtet bleiben. Diese Abschnitte werden dann aneinandergereiht. In a preferred embodiment of the invention, the coating is applied in short sections with a segment length between 5 and 20 mm. A section consists of coating segments that cover x% of the surface of the actuator material strand, while (100 - x)% of the surface of the actuator material strand remains uncoated. These sections are then strung together.
Solche Bereiche mit einer hohen thermischen Belastung im Vergleich zu einer mittleren thermischen Belastung des Aktormaterialstrangs befinden sich beispielsweise im Gelenkbereich an der Instrumentenspitze. Ebenso betrifft dies, insbesondere bei langen Instrumenten, insbesondere den Teil des Instruments, der sich während der Untersuchung im Patientenkörper befindet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mittels der Beschichtung dazu beigetragen werden kann, dass Teile des Instruments, die sich im Patientenkörper befinden, nicht über einen bestimmten Grenzwert, bevorzugt 45 °C erhitzt werden, da es sonst zu Gewebeschäden kommen kann. Such areas with a high thermal load compared to a medium thermal load on the actuator material strand are, for example, in the joint area at the tip of the instrument. This also applies, especially with long instruments, to the part of the instrument that is in the patient's body during the examination. This has the advantage that the coating can help ensure that parts of the instrument that are located in the patient's body are not heated above a certain limit, preferably 45 ° C, otherwise tissue damage can occur.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beschichtung derart auf einem Anteil der Oberfläche des Aktormaterialstrangs ausgebildet, dass eine Betriebsspannung des Aktorelements unter 25V / Meter Aktorlänge Wechselstrom (50 V bei einer Instrumentenlänge von 2 Meter) und 37,5 V / Meter Gleichstrom (75 V auf 2 Meter) liegt. Vorzugsweise sind die Kriterien einer Kleinspannung nach Niederspannungsrichtlinie (2014/35/EU) und IEC 60449 erfüllt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass sicherheitstechnische Anforderungen einfacher zu erfüllen sind und der Betrieb des medizinischen Instruments vergleichsweise ungefährlicher wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Beschichtung ringförmig in Form einer Mehrzahl an Beschichtungsringen verteilt entlang einer Längserstreckung des Aktormaterialstrangs ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Beschichtungsringe in einfacher Art und Weise entlang der Aktormaterialstrangs ausgebildet werden können. In a preferred embodiment, the coating is formed on a portion of the surface of the actuator material strand in such a way that an operating voltage of the actuator element is below 25 V / meter of actuator length alternating current (50 V with an instrument length of 2 meters) and 37.5 V / meter of direct current (75 V on 2 meters). The low voltage criteria according to the Low Voltage Directive (2014/35/EU) and IEC 60449 are preferably met. This has the advantage that safety requirements are easier to meet and the operation of the medical instrument is comparatively less dangerous. In a preferred embodiment of the invention, the coating is designed in a ring shape in the form of a plurality of coating rings distributed along a longitudinal extent of the actuator material strand. This results in the advantage that the coating rings can be formed in a simple manner along the actuator material strand.
Vorzugsweise sind die Beschichtungsringe entlang der Längserstreckung des Aktormaterialstrangs angeordnet, um ein definiertes Temperaturprofil entlang des Aktormaterialstrangs zu erreichen. Dabei werden vorzugsweise in Bereichen hoher thermischer Belastung im Vergleich zu einer mittleren thermischen Belastung des Aktormaterialstrangs die Beschichtungsringe enger und damit flächendeckender angeordnet, während in Bereichen niedrigerer thermischer Belastung im Vergleich zu einer mittleren thermischen Belastung des Aktormaterialstrangs weniger Beschichtungsringe angeordnet sind. In den Bereichen mit flächendeckender angeordneten Beschichtungsringen wird durch die geringere Temperatur die Kontraktion des Aktormaterialstrangs reduziert. In den Bereichen mit weniger Beschichtungsringen erfolgt dagegen eine vergleichsweise stärkere Erwärmung und damit eine stärkere Kontraktion. Durch die Anordnung der Beschichtungsringe kann somit die Stellwegeeinstellung in einfacher Art und Weise an die gewünschte Anwendung angepasst werden. Preferably, the coating rings are arranged along the longitudinal extent of the actuator material strand in order to achieve a defined temperature profile along the actuator material strand. In this case, the coating rings are preferably arranged narrower and thus more extensively in areas of high thermal load compared to an average thermal load of the actuator material strand, while in areas of lower thermal load the coating rings are arranged less compared to an average thermal load of the actuator material strand Coating rings are arranged. In the areas with coating rings arranged over the entire area, the contraction of the actuator material strand is reduced due to the lower temperature. In the areas with fewer coating rings, however, there is comparatively greater heating and thus a stronger contraction. By arranging the coating rings, the travel adjustment can be easily adapted to the desired application.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die oben beschriebene Optimierung der Temperatur durch die Anordnung der Beschichtungsringe in einfacher Art und Weise entlang des Aktormaterialstrangs erfolgen kann. A further advantage is that the optimization of the temperature described above can be carried out in a simple manner along the actuator material strand by arranging the coating rings.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Spalt zwischen der Innenseite der Führungshülse und der Außenseite des Aktormaterialstrangs eine Abmessung von 1 pm - 150 pm, bevorzugt 50 pm -100 pm auf. Die angegebenen Abmessungen beschreiben den Abstand zwischen Innenseite der Führungshülse und Außenseite des Aktormaterialstrangs im Ruhezustand, d. h. im gestreckten Zustand. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, dass der Abstand zwischen Innenseite der Führungshülse und Außenseite des Aktormaterialstrangs im Betrieb, insbesondere im gebogenen Zustand sowohl verringert als auch vergrößert werden kann. In a preferred embodiment of the invention, the gap between the inside of the guide sleeve and the outside of the actuator material strand has a dimension of 1 pm - 150 pm, preferably 50 pm -100 pm. The specified dimensions describe the distance between the inside of the guide sleeve and the outside of the actuator material strand in the resting state, i.e. H. in the stretched state. Of course, it is within the scope of the invention that the distance between the inside of the guide sleeve and the outside of the actuator material strand can be both reduced and increased during operation, particularly in the bent state.
Wie bereits erwähnt, ist es konstruktiv betrachtet - wie aus dem Stand der Technik bekannt - vorteilhaft, den Luftspalt möglichst klein auszuführen, während es erfindungsgemäß aus thermischer Sicht erforderlich ist, dass der Luftspalt erst mit einer gewissen Ausdehnung seine thermische Wirkung entfalten kann. As already mentioned, from a structural point of view - as is known from the prior art - it is advantageous to make the air gap as small as possible, while according to the invention, from a thermal point of view, it is necessary that the air gap can only develop its thermal effect with a certain amount of expansion.
Ist der thermische Widerstand zwischen Wärmequelle (Draht) und Senke (Aktorverbund) zu klein, wird die erzeugte Wärme sofort abgeführt. D.h. es muss viel mehr Energie dem Draht zugeführt werden, um ihn auf seine Umwandlungstemperatur zu erwärmen. Das System wird aus energetischer Sicht also ineffizient. Wird der Luftspalt jedoch zu groß ausgelegt, behindert er bei Deaktivierung des Aktormaterialstrangs die Wärmeabfuhr und erhöht so die Dauer, die für dessen Rückstellung benötigt wird. Die Systemdynamik würde also schlechter werden. Vorzugsweise ist der Spalt mit einem Gas und/oder einem Fluid, vorzugsweise mit Luft oder einem Öl gefüllt. Durch die Art des Füllstoffes können die thermischen und mechanischen Eigenschaften eingestellt werden. Ein mit Öl gefüllter Spalt verbessert die Reibeigenschaften als Schmiermittel und die thermische Leitfähigkeit, sodass Wärme besser abgeführt werden kann. Dadurch wird die Abkühldauer des Aktorelements reduziert und somit die Aktorgeschwindigkeit erhöht. If the thermal resistance between the heat source (wire) and the sink (actuator assembly) is too small, the heat generated is dissipated immediately. This means that much more energy must be supplied to the wire in order to heat it to its conversion temperature. The system therefore becomes inefficient from an energy perspective. However, if the air gap is made too large, it hinders heat dissipation when the actuator material strand is deactivated and thus increases the time required for its resetting. The system dynamics would therefore become worse. Preferably, the gap is filled with a gas and/or a fluid, preferably with air or an oil. The thermal and mechanical properties can be adjusted by the type of filler. An oil-filled gap improves friction properties as a lubricant and thermal conductivity so that heat can be better dissipated. This reduces the cooling time of the actuator element and thus increases the actuator speed.
Die erfindungsgemäße Aufgabe ist weiter gelöst durch einen Aktorverbund zur Steuerung invasiver, medizinischer Instrumente mit zumindest einem erfindungsgemäßen Aktorelement, wie oben beschrieben. Der Aktorverbund weist die folgenden Merkmale auf: The object according to the invention is further solved by an actuator network for controlling invasive medical instruments with at least one actuator element according to the invention, as described above. The actuator network has the following features:
- Der Aktorverbund umfasst eine Trägerstruktur aus einem Polymer, - The actuator composite includes a support structure made of a polymer,
- Die Trägerstruktur ist mit Kanälen und/oder Nuten zumindest entlang einer Längsachse des Aktorverbunds ausgebildet. Dabei ist das zumindest eine Aktorelement in einem der Kanäle und/oder Nuten geführt. - The support structure is formed with channels and/or grooves at least along a longitudinal axis of the actuator assembly. The at least one actuator element is guided in one of the channels and/or grooves.
- Der Aktorverbund ist mit einer Ummantelung ausgebildet. Diese Ummantelung umschließt zumindest die Trägerstruktur und das zumindest eine Aktorelement. - The actuator assembly is designed with a casing. This casing encloses at least the support structure and the at least one actuator element.
Bevorzugt zeichnet sich der Aktorverbund durch eine sortenreine Trennfähigkeit der verwendeten Werkstoffe aus. The actuator composite is preferably characterized by the separation ability of the materials used.
Bevorzugt weist der Aktorverbund mehrere Aktorelemente auf. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die positionsbezogene Steuerung präziser eingestellt werden kann sowie das größere Stellkräfte realisiert werden können. The actuator assembly preferably has several actuator elements. This has the advantage that the position-related control can be adjusted more precisely and larger actuating forces can be realized.
Die Trägerstruktur ermöglicht die Anordnung des zumindest einen Aktorelements zusammen mit weiteren Aktorelementen und/oder zusätzlichen Funktionselementen, wie medizinischen Geräten, einer Kühlung oder Elemente zum Daten- und/oder Energietransfer. The support structure enables the arrangement of the at least one actuator element together with further actuator elements and/or additional functional elements, such as medical devices, cooling or elements for data and/or energy transfer.
Bevorzugt sind die Aktorelemente form- und kraftschlüssig in den Nuten angeordnet, sodass eine einfache Montage und Dementierbarkeit gewährleistet ist. Vorzugsweise sind die Kanäle und/oder Nuten zur Aufnahme medizinischer Werkzeuge ausgebildet und/oder die Kanäle und/oder Nuten sind zur Übertragung von Daten und/oder Energie ausgebildet. The actuator elements are preferably arranged in a form-fitting and non-positive manner in the grooves, so that easy assembly and dentability is guaranteed. Preferably, the channels and/or grooves are designed to accommodate medical tools and/or the channels and/or grooves are designed to transmit data and/or energy.
Wie bereits beschrieben, weisen medizinische Instrument wie Endoskope, Lapa- roskope, intravaskuläre Katheter oder Arthroskope üblicherweise einen schlauchförmigen oder stabförmigen Instrumentenkörper auf, der sich während der Behandlung im Körper des Patienten befindet. Vorzugsweise ist zumindest dieser schlauchförmige oder stabförmige Instrumentenkörper im Wesentlichen durch den Aktorverbund ausgebildet. Der Aktorverbund erstreckt sich also im Wesentlichen über die gesamte Längserstreckung des medizinischen Instruments. As already described, medical instruments such as endoscopes, laparoscopes, intravascular catheters or arthroscopes usually have a tubular or rod-shaped instrument body that is located in the patient's body during treatment. Preferably, at least this tubular or rod-shaped instrument body is essentially formed by the actuator composite. The actuator network therefore essentially extends over the entire longitudinal extent of the medical instrument.
Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass als Teil des medizinischen Instruments zusätzliche Hüllen und/oder Beschichtungen um den Aktorverbund vorgesehen sein können. It is within the scope of the invention that additional casings and/or coatings can be provided around the actuator composite as part of the medical instrument.
Durch die Anordnung des Aktorverbunds bzw. des Aktormaterialstrangs oder der Aktormaterialstränge im Instrumentenkörper kann es im Betrieb zu einer Erwärmung des Aktorverbunds und damit des Instrumentenkörpers kommen. Da sich der Instrumentenkörper während der Untersuchung bzw. Behandlung zumindest bereichsweise im Körper befindet, besteht das Risiko einer Überhitzung des Instrumentenkörpers und damit auch des anliegenden Gewebes des Patienten. The arrangement of the actuator composite or the actuator material strand or strands of actuator material in the instrument body can cause the actuator composite and thus the instrument body to heat up during operation. Since the instrument body is located at least partially in the body during the examination or treatment, there is a risk of the instrument body and thus also the patient's surrounding tissue overheating.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Kühlsystem für ein Kühlfluid vorgesehen, welches in der Trägerstruktur zirkuliert. Vorzugsweise ist das Kühlsystem derart ausgebildet, dass eine konstante Betriebstemperatur des medizinischen Instruments eingestellt wird, vorzugsweise im Bereich zwischen 25°C und 40°C und diese Temperatur an einer Oberfläche des Aktorverbunds einen definierten Grenzwert, zum Beispiel 45° C für medizinische Instrumente, nicht überschreitet. In a preferred embodiment, a cooling system is provided for a cooling fluid which circulates in the support structure. The cooling system is preferably designed in such a way that a constant operating temperature of the medical instrument is set, preferably in the range between 25 ° C and 40 ° C, and this temperature on a surface of the actuator composite does not have a defined limit value, for example 45 ° C for medical instruments exceeds.
Neben der zu vermeidenden Verletzung des anliegenden Gewebes des Patienten spielt die Kühlung auch für die Leistung des Systems eine entscheidende Rolle. Da sich die thermischen Randbedingungen des Systems permanent ändern (zum Beispiel durch die Eindringtiefe des Instruments oder die Nutzung des Aktors) ist eine präzise Regelung bzw. ein gleichbleibendes Ansprechverhalten der Aktoren herausfordernd. Durch die aktive Kühlung wird ein stabiler thermischer Arbeitspunkt erreicht. In addition to avoiding injury to the patient's adjacent tissue, cooling also plays a crucial role in the performance of the system. Since the thermal boundary conditions of the system are constantly changing (for example due to the penetration depth of the instrument or the use of the actuator), precise control and a consistent response behavior of the actuators is essential challenging. Active cooling achieves a stable thermal working point.
Bevorzugt zirkuliert das Kühlfluid in den Kanälen und/oder Nuten der T rägerstruk- tur. Die Nuten können in die Trägerstruktur in freier geometrischer Anordnung z.B. in Mäanderform geprägt werden. Dabei wird vorzugsweise ein Mindestabstand von 5 pm zum Aktorstrang eingehalten, um eine elektrische Isolation zum Kühlfluid sicherzustellen. Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung der Nuten und/oder Kanäle im äußeren Bereich der Stützstruktur. Dadurch ergibt sich zudem der Vorteil, dass auch die Oberflächentemperatur des Instruments effizienter gesenkt wird. The cooling fluid preferably circulates in the channels and/or grooves of the carrier structure. The grooves can be embossed into the support structure in a free geometric arrangement, for example in a meander shape. A minimum distance of 5 pm from the actuator strand is preferably maintained in order to ensure electrical insulation from the cooling fluid. An arrangement of the grooves and/or channels in the outer region of the support structure is particularly advantageous. This also has the advantage that the surface temperature of the instrument is also reduced more efficiently.
Bevorzugt besitzen die Kanäle, in denen das Kühlfluid zirkuliert einen Querschnitt mit einem möglichst großen Umfang, um den Wärmeübergang zwischen Kühlfluid und Aktorverbund zu verbessern. Weiterhin kann ein Schlauch und/oder ein Schlauchsystem für das Kühlfluid vorgesehen sein. Bevorzugt ist ein geschlossener Fluidkreislauf für das Kühlfluid vorgesehen. Alternativ kann das Kühlfluid, wie beispielsweise Wasser, an definierten Punkten des Aktorverbundes austreten und beispielsweise über den Arbeitskanal abgesaugt werden. Dies ist insbesondere abhängig von der medizinischen Anwendung. Bei sterilen Anwendungen ist es üblicherweise erforderlich, dass das Kühlfluid in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert, während bei Endoskopen oftmals ein Austritt des Kühlfluids unschädlich ist. The channels in which the cooling fluid circulates preferably have a cross section with the largest possible circumference in order to improve the heat transfer between the cooling fluid and the actuator assembly. Furthermore, a hose and/or a hose system can be provided for the cooling fluid. A closed fluid circuit is preferably provided for the cooling fluid. Alternatively, the cooling fluid, such as water, can exit at defined points of the actuator assembly and be sucked off, for example, via the working channel. This depends in particular on the medical application. In sterile applications it is usually necessary for the cooling fluid to circulate in a closed circuit, while in endoscopes an escape of the cooling fluid is often harmless.
Die Trägerstruktur ist vorzugsweise aus einem Polymer ausgebildet, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Fluorethylenpropylen (FEP), Perflu- oralkoxylalkan (PFA), Ethylen Tetrafluorethylen (ETFE), Polyamid (PA), Polyurethan (PUR), Polyamidimid (PAI), Polyetherimid (PEI), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyetheretherketon (PEEK). The support structure is preferably formed from a polymer, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), fluoroethylene propylene (FEP), perfluoroalkoxylalkane (PFA), ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), polyamide (PA), polyurethane (PUR), polyamideimide (PAI), polyetherimide (PEI), polyphenylene sulfide (PPS) or polyetheretherketone (PEEK).
Bevorzugt ist die Trägerstruktur drucksteif und biegeweich ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Aktormaterialstrang in einfacher Art und Weise vorgespannt werden kann, um ein Funktionieren der Formgedächtnislegierungen zu gewährleisten. Diese Eigenschaften werden bevorzugt durch Einbettung einer Polymer- oder Metallfeder in die Trägerstruktur realisiert. Dadurch kann die notwendige Vorspannung der Formgedächtnismaterialen von 100-300 N/mm2 SMA- Durchmesser im Gesamtverbund realisiert werden. The support structure is preferably designed to be pressure-resistant and flexible. This results in the advantage that the actuator material strand can be prestressed in a simple manner in order to ensure that the shape memory alloys function. These properties are preferred by embedding a Polymer or metal spring implemented into the support structure. This allows the necessary prestressing of the shape memory materials of 100-300 N/mm 2 SMA diameter to be achieved in the overall composite.
Die Ummantelung ist bevorzugt als Stützstruktur aus PTFE, FEP, PFA, ETFE, PA, PUR, PPS, PEEK PAI oder PEI ausgebildet und kann optional eine integrierte Gewebe- oder Flechtstruktur aufweisen. The casing is preferably designed as a support structure made of PTFE, FEP, PFA, ETFE, PA, PUR, PPS, PEEK PAI or PEI and can optionally have an integrated fabric or braided structure.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ummantelung drucksteif und biegeweich ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Trägerstruktur in ihrer entsprechenden Funktion durch die Ummantelung unterstützt wird. Diese Eigenschaften werden bevorzugt durch Einbettung einer Polymer- oder Metallfeder in die Ummantelung realisiert. Dadurch kann die notwendige Vorspannung der Formgedächtnismaterialen von 100-300 N/mm2 im Gesamtverbund realisiert werden. In a further advantageous embodiment of the invention, the casing is designed to be pressure-resistant and flexible. This results in the advantage that the support structure is supported in its corresponding function by the casing. These properties are preferably achieved by embedding a polymer or metal spring in the casing. This allows the necessary pretension of the shape memory materials of 100-300 N/mm 2 to be achieved in the overall composite.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiter gelöst durch ein medizinisches Instrument, vorzugsweise Endoskop, Laparoskop, Bronchoskop oder Arthroskop, mit einem Aktorelement und/oder einem Aktorverbund wie oben beschrieben. Ein solches medizinisches Instrument vereint die Vorteile der oben beschriebenen Ausführungsformen des Aktorverbunds und/oder des Aktorelements bzw. der oben beschriebenen vorzugsweisen Ausführungsformen. The object according to the invention is further achieved by a medical instrument, preferably an endoscope, laparoscope, bronchoscope or arthroscope, with an actuator element and/or an actuator assembly as described above. Such a medical instrument combines the advantages of the embodiments of the actuator assembly and/or the actuator element described above or the preferred embodiments described above.
Ein besonderer Vorteil derartiger erfindungsgemäßer medizinischer Instrumente liegt darin, dass diese problemlos in cyber-medizinischen Systeme integriert werden können, da eine voll elektronische Steuerung möglich ist. A particular advantage of such medical instruments according to the invention is that they can be easily integrated into cyber-medical systems since fully electronic control is possible.
Weiter vorteilhaft an derartigen erfindungsgemäßen medizinischen Instrumenten ist, dass diese insbesondere durch den modularen Aufbau in einfacher und kostengünstiger Art und Weise als sterile Einmalinstrumente gefertigt werden können. Dadurch entfällt das Erfordernis, die Instrumente nach jedem Gebrauch zu sterilisieren. Another advantage of such medical instruments according to the invention is that they can be manufactured as sterile disposable instruments in a simple and cost-effective manner, particularly due to the modular structure. This eliminates the need to sterilize instruments after each use.
Die erfindungsgemäße Aufgabe ist weiter gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Aktorstrangs und/oder eines Aktorverbunds und/oder eines medizinischen Instruments nach einem der vorherigen Ansprüche wie oben beschrieben. Bevorzugt sieht das Verfahren vor, dass ein Kühlfluid zirkuliert, um die beim Betrieb der Aktorelemente entstehende Wärme aufzunehmen. Insbesondere bevorzugt zirkuliert das Kühlfluid in der Trägerstruktur. The object according to the invention is further achieved by a method for operating an actuator train and/or an actuator assembly and/or a medical instrument according to one of the preceding claims as described above. The method preferably provides that a cooling fluid circulates in order to absorb the heat generated during operation of the actuator elements. The cooling fluid particularly preferably circulates in the support structure.
Durch die Kühlung über die Trägerstruktur kann in einfacher Art und Weise das medizinische Instrument über die gesamte Länge des Instruments gekühlt werden. By cooling via the support structure, the medical instrument can be cooled in a simple manner over the entire length of the instrument.
Bevorzugt weist das Kühlfluid eine Vorlauftemperatur auf, vorzugsweise zwischen 20 °C und 37 °C, bevorzugt 25 °C. The cooling fluid preferably has a flow temperature, preferably between 20 ° C and 37 ° C, preferably 25 ° C.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines Aktorelements und/oder eines Aktorverbunds und/oder eines medizinischen Instruments wird eine Fließgeschwindigkeit des Kühlfluid und/oder eine Temperatur des Kühlfluids derart geregelt, dass eine stabile Betriebstemperatur (25°C - 40°C) eingestellt und eine Temperatur an der Oberfläche des Aktorverbunds einen Grenzwert gemäß IEC 60601-1 nicht überschreitet, vorzugsweise ein Grenzwert von 45° C. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Kühlmedienfluss und die Kühlmedientemperatur so geregelt werden, dass eine Temperatur des medizinischen Instruments an einer Oberfläche des Aktorverbunds einen definierten Grenzwert, zum Beispiel 45° C für medizinische Instrumente, nicht überschreitet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Schäden am Gewebe des Patienten durch Überhitzung vermieden und eine präzise und dynamische Steuerung es Instruments ermöglicht werden. Dabei wird vorzugsweise ein Volumenstrom zwischen 100 und 500ml / h im Instrument eingestellt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Aktorgeschwindigkeit aufgrund der Kühlung um einen Faktor 2 bis 6 erhöht werden kann. In a preferred embodiment of the method for operating an actuator element and/or an actuator assembly and/or a medical instrument, a flow rate of the cooling fluid and/or a temperature of the cooling fluid is regulated such that a stable operating temperature (25°C - 40°C) is set and a temperature on the surface of the actuator assembly does not exceed a limit according to IEC 60601-1, preferably a limit of 45° C. In other words, this means that the cooling media flow and the cooling media temperature are regulated in such a way that a temperature of the medical instrument at a Surface of the actuator composite does not exceed a defined limit, for example 45 ° C for medical instruments. This has the advantage that damage to the patient's tissue due to overheating is avoided and precise and dynamic control of the instrument is possible. A volume flow of between 100 and 500 ml / h is preferably set in the instrument. This has the advantage that the actuator speed can be increased by a factor of 2 to 6 due to the cooling.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist ein geschlossener Fluidkreislauf für das Kühlfluid vorgesehen und das Kühlfluid zirkuliert verlustfrei in dem Fluidkreislauf. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Kühlfluid nicht in das umliegende Gewebe des Patienten austritt. In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens tritt das Kühlfluid an definierten Punkten des Aktorverbundes aus. Eine solche Ausgestaltung ist beispielsweise möglich, wenn die Anwendung nicht steril sein muss. In a preferred embodiment of the method, a closed fluid circuit is provided for the cooling fluid and the cooling fluid circulates in the fluid circuit without loss. This has the advantage that the cooling fluid does not leak into the patient's surrounding tissue. In an alternative embodiment of the method according to the invention, the cooling fluid exits at defined points of the actuator assembly. Such a configuration is possible, for example, if the application does not have to be sterile.
Die erfindungsgemäße Aufgabe ist weiter gelöst durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 19. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für eine Aktorelement mit einem Aktormaterialstrang mit einer Formgedächtnislegierung und eine Führungshülse aus einem Polymermaterial wird mittels eines Extrusionsverfahrens durchgeführt. The object according to the invention is further solved by a manufacturing method according to claim 19. The manufacturing method according to the invention for an actuator element with an actuator material strand with a shape memory alloy and a guide sleeve made of a polymer material is carried out by means of an extrusion method.
Wesentlich ist, dass bei dem Extrusionsverfahren zwischen Aktormaterialstrang und Führungshülse ein Spalt durch Einbringen eines Stützgases, vorzugsweise Luft oder Stickstoff, ausgebildet wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mittels des Extrusionsverfahren Aktorelemente für entsprechende medizinische Instrumente in großer Stückzahl, hoch skalierbar hergestellt werden können. Entsprechende medizinische Instrumente können somit einfach und vergleichsweise kostengünstig als Einmalinstrumente hergestellt werden. It is essential that in the extrusion process a gap is formed between the actuator material strand and the guide sleeve by introducing a supporting gas, preferably air or nitrogen. This results in the advantage that actuator elements for corresponding medical instruments can be produced in large quantities and in a highly scalable manner using the extrusion process. Corresponding medical instruments can therefore be produced easily and comparatively inexpensively as disposable instruments.
Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass das Herstellungsverfahren für einen Aktorverbund mit einer Trägerstruktur, zumindest einem Aktorelement und einer Ummantelung ebenfalls auf einem Extrusionsverfahren basiert, wobei zumindest die Trägerstruktur mittels eines Extrusionsverfahrens erzeugt wird. In einem dem Extrusionsverfahren der Trägerstruktur nachgelagerten Verfahrensschritt wird zumindest ein Aktorelement bzw. eine der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen eines Aktorelements in Nuten der Trägerstruktur eingebracht. Dabei liegt es ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass auch das Aktorelement mittels eines Extrusionsverfahrens hergestellt wird. It is also within the scope of the invention that the manufacturing process for an actuator composite with a support structure, at least one actuator element and a casing is also based on an extrusion process, with at least the support structure being produced by means of an extrusion process. In a process step downstream of the extrusion process of the support structure, at least one actuator element or one of the preferred embodiments of an actuator element described above is introduced into grooves in the support structure. It is also within the scope of the invention that the actuator element is also produced using an extrusion process.
Bevorzugt wird eine Beschichtung des Aktormaterialstrangs vor dem Einbringen in das Aktorelement, d. h. vor dem Extrusionsverfahren aufgebracht. Dies kann bevorzugt über elektrochemische Verfahren oder Sputtern erfolgen. It is preferred to coat the actuator material strand before inserting it into the actuator element, i.e. H. applied before the extrusion process. This can preferably be done via electrochemical processes or sputtering.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Beschichtungsvorgang eine Oxidschicht auf der metallische Formgedächtnislegierung des Aktormaterialstrangs entfernt. Dadurch ergibt sich ein geringer Übergangswider- stand zwischen der metallische Formgedächtnislegierung des Aktormaterialstrangs, insbesondere Nitinol, und dem Beschichtungsmetall. Die üblicherweise im Lieferzustand auf der Oberfläche der metallischen Formgedächtnislegierung vorhandene Oxidschicht würde als elektrischer Isolator fungieren und die Effizienz der Beschichtung signifikant reduzieren. In a preferred embodiment of the invention, an oxide layer on the metallic shape memory alloy of the actuator material strand is removed before the coating process. This results in a low transition resistance stood between the metallic shape memory alloy of the actuator material strand, in particular Nitinol, and the coating metal. The oxide layer usually present on the surface of the metallic shape memory alloy as delivered would act as an electrical insulator and significantly reduce the efficiency of the coating.
Der erfindungsgemäße Aktormaterialstrang und der erfindungsgemäße Aktorverbund sind grundsätzlich für Anwendungen geeignet, bei denen in medizinischen Instrumenten eine Steuerung erfolgen soll. Dies können wie beschrieben zum Beispiel die positionsbezogene Steuerung eines Instrumentenkopfes oder aktori- sche Zusatzfunktionen des medizinischen Instruments sein. Dabei wird erst durch den erfindungsgemäßen Grundgedanken eines Luftspalts die thermische Optimierung und mechanische Leistungsfähigkeit für Präzision und Schnelligkeit der Beweglichkeit des medizinischen Instruments erreicht, sodass eine medizinische Nutzung für präzise Bewegungen möglich ist. Durch die verschiedenen Optimierungen durch die bevorzugten Ausführungsformen wie die thermische Optimierung des Gesamtsystems sowie die Steuerung der Kühlflüssigkeit werden die mechanische Leistungsfähigkeit für Präzision und Schnelligkeit der Beweglichkeit der Instrumentenspitze weiter verbessert, sodass die Aktzeptanz und Einsatzmöglichkeiten bei der medizinischen Nutzung weiter erhöht werden. The actuator material strand according to the invention and the actuator composite according to the invention are fundamentally suitable for applications in which control is to take place in medical instruments. As described, these can be, for example, the position-related control of an instrument head or additional actuator functions of the medical instrument. It is only through the basic idea of an air gap according to the invention that thermal optimization and mechanical performance for precision and speed of mobility of the medical instrument are achieved, so that medical use for precise movements is possible. The various optimizations through the preferred embodiments, such as the thermal optimization of the entire system and the control of the cooling liquid, further improve the mechanical performance for precision and speed of mobility of the instrument tip, so that the acceptability and possible uses for medical use are further increased.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt: Further advantageous features and embodiments of the invention are explained below using exemplary embodiments and the figures. This shows:
Figur 1 mit den Teilabbildungen a, b und c zeigt drei schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Aktorverbunds; Figure 1 with partial images a, b and c shows three schematic representations of an exemplary embodiment of an actuator assembly according to the invention;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Aktorverbunds im Detail; Figure 2 shows a schematic representation of a section of an exemplary embodiment of an actuator assembly according to the invention in detail;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Aktorelements mit einer Beschichtung. Figur 4A eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines druckstabilen und biegeweichen Aktorverbundes. Figure 3 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an actuator element according to the invention with a coating. Figure 4A shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a pressure-stable and flexible actuator composite.
Figur 4B eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit einer druckstabilen und biegeweichen Umhüllung. Figure 4B shows a schematic representation of an exemplary embodiment with a pressure-stable and flexible casing.
In den Ausführungsbeispielen und den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Elemente. Die enthaltenen Maßangaben sind rein beispielhaft zu verstehen und enthalten keine über die Ansprüche hinausgehende Beschränkung. In the exemplary embodiments and the figures, the same reference numbers designate the same or identically acting elements. The dimensions given are to be understood purely as examples and do not contain any restrictions that go beyond the claims.
Figur 1a zeigt eine schematische Darstellung eines Aktorverbunds 1 zur Steuerung flexibler, invasiver, medizinischer Instrumente mit einer Trägerstruktur 2, einem Aktorelement 3 und einer Ummantelung 4. Figure 1a shows a schematic representation of an actuator assembly 1 for controlling flexible, invasive medical instruments with a support structure 2, an actuator element 3 and a casing 4.
Das Aktorelement 3 weist eine Führungshülse 5 und einen Aktormaterialstrang 6 auf. Die Führungshülse 5 ist aus einem Polymermaterial, vorliegend PEEK ausgebildet. The actuator element 3 has a guide sleeve 5 and an actuator material strand 6. The guide sleeve 5 is made of a polymer material, in this case PEEK.
Der Aktormaterialstrang 6 ist als SMA-Draht (Draht aus einer Formgedächtnislegierung), vorliegend aus NiTi ausgebildet. Der SMA-Draht ist mit einem Durchmesser von 100 pm ausgebildet und weist eine Länge von 150 cm auf. The actuator material strand 6 is designed as an SMA wire (wire made of a shape memory alloy), in the present case made of NiTi. The SMA wire has a diameter of 100 pm and a length of 150 cm.
Der Aktormaterialstrang 6 ist zur positionsbezogenen Steuerung eines ankoppelbaren Instrumentenkopfes ausgebildet und im Inneren der Führungshülse 5 angeordnet. The actuator material strand 6 is designed for position-related control of a dockable instrument head and is arranged inside the guide sleeve 5.
Zwischen der Innenseite der Führungshülse 5 und einer Außenseite des Aktormaterialstrangs ist ein Spalt 7 ausgebildet. Der Spalt 7 zwischen der Innenseite der Führungshülse und der Außenseite des Aktormaterialstrangs 6 beträgt im Ruhezustand, das heißt in gestrecktem Zustand, 50 pm. A gap 7 is formed between the inside of the guide sleeve 5 and an outside of the actuator material strand. The gap 7 between the inside of the guide sleeve and the outside of the actuator material strand 6 is 50 pm in the resting state, that is, in the stretched state.
Vorliegend ist der Spalt 7 mit Luft gefüllt. In the present case the gap 7 is filled with air.
Die Trägerstruktur 2 weist umlaufend mehrere Nuten 8a, 8b, 8c, 8d auf, vorliegend vier Nuten 8a, 8b, 8c, 8d. Weiter sind in der Trägerstruktur 2 mehrere Kanäle vorgesehen. Vorliegend sind im äußeren Bereich zwei Kanäle 9a, 9b vorgesehen. Die Kanäle im äußeren Bereich 9, 9b sind zum Transport eines Kühlmediums ausgebildet. Zusätzlich ist in der Mitte der Trägerstruktur ein weiterer Kanal 10 vorgesehen. Der Kanal 10 ist zur Durchführung von endoskopischen Werkzeugen ausgebildet. The support structure 2 has several grooves 8a, 8b, 8c, 8d all around, in this case four grooves 8a, 8b, 8c, 8d. Furthermore, several channels are provided in the support structure 2. In the present case, two channels 9a, 9b are provided in the outer region. The channels in the outer region 9, 9b are designed to transport a cooling medium. In addition, another channel 10 is provided in the middle of the support structure. The channel 10 is designed for the passage of endoscopic tools.
Die Trägerstruktur 2 ist vorliegend drucksteif und biegeweich ausgebildet, um Vorspannung des Aktormaterialstranges zu gewährleisten. In the present case, the support structure 2 is designed to be pressure-resistant and flexible in order to ensure pre-stressing of the actuator material strand.
Weiter ist wie beschrieben eine Ummantelung 4 vorgesehen. Die Ummantelung 4 ist aus einem Polymermaterial, vorliegend PTFE ausgebildet. Furthermore, a casing 4 is provided as described. The casing 4 is made of a polymer material, in this case PTFE.
Die Ummantelung 4 umschließt die Trägerstruktur 2 mit den Nuten 8 und Kanälen 9 sowie das Aktorelement 3. The casing 4 encloses the support structure 2 with the grooves 8 and channels 9 as well as the actuator element 3.
Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, dass mehrere Aktorelemente 3 vorgesehen sind, die in den Nuten 8a, 8b, 8c, 8d angeordnet sind. Zur besseren Übersichtlichkeit ist in der Figur 1 lediglich das Aktorelement 3 in der Nut 8a dargestellt. Of course, it is within the scope of the invention that several actuator elements 3 are provided, which are arranged in the grooves 8a, 8b, 8c, 8d. For better clarity, only the actuator element 3 is shown in the groove 8a in FIG.
Durch die Beaufschlagung mit Strom wird der SMA-Draht als Aktormaterialstrang 6 erwärmt bzw. abgekühlt, sodass sich die Abmessungen des SMA-Drahtes ändern und die positionsbezogene Steuerung eines angekoppelten Instrumentenkopfes ermöglichen. By applying current, the SMA wire as an actuator material strand 6 is heated or cooled, so that the dimensions of the SMA wire change and enable position-related control of a coupled instrument head.
Der vorstehend beschriebene Aktorverbund 1 ist insbesondere für den Einsatz in einem Endoskop oder einem Laparoskop geeignet. Mit dem beschriebenen Ausführungsbeispiel lassen sich Bewegungen der gesteuerten Instrumentenspitze von ±100 Grad mit einer Frequenz von 1 Hz realisieren. The actuator assembly 1 described above is particularly suitable for use in an endoscope or a laparoscope. With the exemplary embodiment described, movements of the controlled instrument tip of ±100 degrees can be realized with a frequency of 1 Hz.
Medizinische Instrument wie Endoskope, Laparoskope, intravaskuläre Katheter oder Arthroskope weisen üblicherweise einen schlauchförmigen oder stabförmigen Instrumentenkörper auf, der sich während der Behandlung im Körper des Patienten befindet. Dieser schlauchförmige oder stabförmige Instrumentenkör- per ist vorliegend durch den vorstehend beschriebenen Aktorverbund 1 ausgebildet. Der Aktorverbund 1 erstreckt sich also über die gesamte Längserstre- ckung des medizinischen Instruments. Medical instruments such as endoscopes, laparoscopes, intravascular catheters or arthroscopes usually have a tubular or rod-shaped instrument body that is located in the patient's body during treatment. This tubular or rod-shaped instrument body in the present case, per is formed by the actuator assembly 1 described above. The actuator assembly 1 therefore extends over the entire longitudinal extent of the medical instrument.
Durch die Anordnung des Aktorverbunds 1 im Instrumentenkörper kommt es im Betrieb zu einer Erwärmung des Aktorverbunds 1 und damit des Instrumentenkörpers. Da sich der Instrumentenkörper während der Untersuchung bzw. Behandlung zumindest bereichsweise im Körper des Patienten befindet, besteht das Risiko einer Überhitzung des Instrumentenkörpers und damit auch des anliegenden Gewebes des Patienten. Aus diesem Grund sind im Aktorverbund 1 die Kanäle 10 für das Kühlsystem vorgesehen. The arrangement of the actuator assembly 1 in the instrument body causes the actuator assembly 1 and thus the instrument body to heat up during operation. Since the instrument body is located at least partially in the patient's body during the examination or treatment, there is a risk of overheating of the instrument body and thus also of the patient's adjacent tissue. For this reason, the channels 10 are provided for the cooling system in the actuator network 1.
Figur 1 b zeigt eine schematische Darstellung eines Aktorverbunds 1 zur Steuerung flexibler, invasiver, medizinischer Instrumente. Zur Vermeidung von Wider- holungen wird lediglich auf die Unterschiede zu Figur 1a verwiesen. Figure 1 b shows a schematic representation of an actuator assembly 1 for controlling flexible, invasive medical instruments. To avoid repetition, reference is only made to the differences to Figure 1a.
Die Nuten und Kanäle 9a, 9b, 9c, 9d sind vorliegend im äußeren Bereich der Trägerstruktur 2 angeordnet. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Oberflächentemperatur des Instruments effizient gesenkt wird. The grooves and channels 9a, 9b, 9c, 9d are in the present case arranged in the outer region of the support structure 2. This has the advantage that the surface temperature of the instrument is efficiently reduced.
Die Kanäle 9a, 9b, 9c, 9d, in denen das Kühlfluid zirkuliert, besitzen einen Querschnitt mit einem möglichst großen Umfang, um den Wärmeübergang zum Kühlfluid zu verbessern. Vorliegend sind die Kanäle 9a, 9b, 9c, 9d oval entlang dem äußeren Umfang der Trägerstruktur 2 ausgebildet. Zwischen den Kanälen 9a, 9b, 9c, 9d sind die Aktromaterialstränge 6 am äußeren Umfang der Trägerstruktur 2 vorgesehen. Zwischen den Kanälen 9a, 9b, 9c, 9d für das Kühlfluid und den Ak- tromaterielsträngen 6 besteht ein Mindestabstand von 5 pm. The channels 9a, 9b, 9c, 9d, in which the cooling fluid circulates, have a cross section with the largest possible circumference in order to improve the heat transfer to the cooling fluid. In the present case, the channels 9a, 9b, 9c, 9d are formed ovally along the outer circumference of the support structure 2. The actromaterial strands 6 are provided on the outer circumference of the support structure 2 between the channels 9a, 9b, 9c, 9d. There is a minimum distance of 5 pm between the channels 9a, 9b, 9c, 9d for the cooling fluid and the actuator material strands 6.
Figur 1c zeigt eine schematische Darstellung eines Aktorverbunds 1 zur Steuerung flexibler, invasiver, medizinischer Instrumente. Zur Vermeidung von Wider- holungen wird lediglich auf die Unterschiede zu Figur 1a verwiesen. Figure 1c shows a schematic representation of an actuator assembly 1 for controlling flexible, invasive medical instruments. To avoid repetition, reference is only made to the differences to Figure 1a.
Die Kanäle 9a, 9b, 9c, 9d für Kühlfluid sind vorliegend nicht geschlossen, sondern offen ausgebildet. In den offenen Kanälen können Schläuche vorgesehen sein, um das Kühlfluid zu transportieren. Figur 2 zeigt eine detaillierte Darstellung eines Ausschnitts aus Figur 1 mit dem Aktorelement 3 im Detail. The channels 9a, 9b, 9c, 9d for cooling fluid are not closed in this case, but are open. Hoses can be provided in the open channels to transport the cooling fluid. Figure 2 shows a detailed representation of a section from Figure 1 with the actuator element 3 in detail.
Das Aktorelement 3 weist eine Führungshülse 5 und einen Aktormaterialstrang 6 auf. The actuator element 3 has a guide sleeve 5 and an actuator material strand 6.
Die Führungshülse 5 ist aus einem Polymermaterial, vorliegend PEEK ausgebildet. The guide sleeve 5 is made of a polymer material, in this case PEEK.
Der Aktormaterialstrang 6 ist als SMA-Draht (Draht aus einer Formgedächtnislegierung), vorliegend NiTi ausgebildet. The actuator material strand 6 is designed as an SMA wire (wire made of a shape memory alloy), in this case NiTi.
Der SMA-Draht ist mit einem Durchmesser von 100 pm ausgebildet und weist eine Länge von 150 cm auf. The SMA wire has a diameter of 100 pm and a length of 150 cm.
Der Aktormaterialstrang 6 ist zur positionsbezogenen Steuerung eines ankoppelbaren Instrumentenkopfes ausgebildet und in Inneren der Führungshülse 5 angeordnet. The actuator material strand 6 is designed for position-related control of a dockable instrument head and is arranged inside the guide sleeve 5.
Zwischen der Innenseite der Führungshülse 5 und einer Außenseite des Aktormaterialstrangs 6 ist ein Spalt 7 ausgebildet. Vorliegend ist der Spalt 7 mit Luftgefüllt. A gap 7 is formed between the inside of the guide sleeve 5 and an outside of the actuator material strand 6. In the present case, the gap 7 is filled with air.
Der Spalt 7 zwischen der Innenseite der Führungshülse und der Außenseite des Aktormaterialstrangs 6 beträgt im Ruhezustand, das heißt in gestrecktem Zustand, 50 pm. The gap 7 between the inside of the guide sleeve and the outside of the actuator material strand 6 is 50 pm in the resting state, that is, in the stretched state.
Das vorstehend beschriebene Aktorelement 3 ist insbesondere für den Einsatz in einem Endoskop, alternativ auch für endoskopische Instrumente, Laparoskope, laparoskopische Instrumente, Bronchoskope oder Arthroskope, geeignet. Mit dem beschriebenen Ausführungsbeispiel lassen sich Bewegungen der gesteuerten Instrumentenspitze von ±100 Grad mit einer Frequenz von 1 Hz realisieren. Figur 3 zeigt in den Teilabbildungen a) und b) ein Aktorelement mit Beschichtungen, wobei die Beschichtungen in den Teilabbildungen a) und b) unterschiedlich angeordnet sind. The actuator element 3 described above is particularly suitable for use in an endoscope, alternatively also for endoscopic instruments, laparoscopes, laparoscopic instruments, bronchoscopes or arthroscopes. With the exemplary embodiment described, movements of the controlled instrument tip of ±100 degrees can be realized with a frequency of 1 Hz. Figure 3 shows an actuator element with coatings in partial figures a) and b), the coatings being arranged differently in partial figures a) and b).
Der Aktormaterialstrang 6 ist als SMA-Draht aus einer Formgedächtnislegierung ausgebildet. Auf dem Aktormaterialstrang 6 ist vorliegend eine Beschichtung in Form von mehreren Beschichtungsringen 11a, 11 b, 11c, 11 d, 11 e, 11 f ausgebildet. Die Beschichtungsringe 11a, 11 b, 11c, 11d, 11e, 11f sind den Aktormaterialstrang 6 umlaufend ausgebildet und vorliegend in Form einer metallischen Beschichtung aus Au ausgebildet. The actuator material strand 6 is designed as an SMA wire made of a shape memory alloy. In the present case, a coating in the form of several coating rings 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f is formed on the actuator material strand 6. The coating rings 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f are designed to run around the actuator material strand 6 and in the present case are designed in the form of a metallic coating made of Au.
In Teilabbildung a) ist eine Ausführungsform mit vier Beschichtungsringen 11a, 11 b, 11c, 11 d auf der dargestellten Strecke gezeigt, die einen Anteil der Oberfläche des Aktormaterialstrang 6 bedecken. Im Ergebnis sind in Teilabbildung a) 50 % der Oberfläche des Aktormaterialstrangs 6 beschichtet. Partial figure a) shows an embodiment with four coating rings 11a, 11b, 11c, 11d on the route shown, which cover a portion of the surface of the actuator material strand 6. As a result, in partial figure a), 50% of the surface of the actuator material strand 6 is coated.
In Teilabbildung b) ist eine Ausführungsform mit sechs Beschichtungsringen 11a, l l b, 11c, 11d, 11e, 11f auf der dargestellten Strecke gezeigt, die im Vergleich zu der Teilabbildung a) einen geringeren Anteil der Oberfläche des Aktormaterialstrangs 6 bedecken. Im Ergebnis sind in Teilabbildung b) 33 % der Oberfläche des Aktormaterialstrangs 6 beschichtet. In partial figure b), an embodiment with six coating rings 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f is shown on the route shown, which cover a smaller proportion of the surface of the actuator material strand 6 compared to partial figure a). As a result, in partial figure b), 33% of the surface of the actuator material strand 6 is coated.
Da der Strom in den beschichteten Bereichen 11a, 11 b, 11c, 11 d, 11 e, 11 f überwiegend durch die Beschichtung geleitet wird, bleibt der SMA-Draht des Aktormaterialstrangs 6 vergleichsweise kühler. In den beschichteten Bereichen 11a, 11 b, l lc, 11d, 11e, 11f wird somit durch die geringere Temperatur die Kontraktion des Aktormaterialstrangs 6 reduziert. Die unbeschichteten Bereiche dazwischen werden stärker erwärmt und kontrahieren dadurch stärker. Since the current in the coated areas 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f is predominantly conducted through the coating, the SMA wire of the actuator material strand 6 remains comparatively cooler. In the coated areas 11a, 11b, l lc, 11d, 11e, 11f, the contraction of the actuator material strand 6 is reduced due to the lower temperature. The uncoated areas in between are heated more and therefore contract more strongly.
Gleichzeitig weisen die beschichteten Bereiche 11a, 11 b, 11c, 11 d, 11 e, 11f und damit der gesamte Aktormaterialstrang 6 einen geringeren elektrischen Widerstand, sodass insgesamt eine niedrigere Spannung benötigt wird, um die gewünschte Kontraktion des Aktormaterialstrang 6 zu erreichen. At the same time, the coated areas 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f and thus the entire actuator material strand 6 have a lower electrical resistance, so that a lower voltage is required overall in order to achieve the desired contraction of the actuator material strand 6.
Bei den vorliegend zu Teilabbildung a) und b) beschriebenen Ausführungsformen sind die Beschichtungen 11a, 11 b, 11c, 11 d, 11 e, 11 f derart auf einem Anteil der Oberfläche des Aktormaterialstrangs 6 ausgebildet, dass eine Betriebsspannung des Aktorelements 3 unter 25 Volt / Meter Wechselstrom und 75 V Gleichstrom liegt und die Kriterien einer Kleinspannung nach Niederspannungsrichtlinie (2014/35/EU) und IEC 60449 erfüllt sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass sicherheitstechnische Anforderungen einfacher zu erfüllen sind und der Betrieb des medizinischen Instruments vergleichsweise ungefährlicher wird. In the embodiments described here for partial figures a) and b), the coatings 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f are on a portion of the Surface of the actuator material strand 6 is designed so that an operating voltage of the actuator element 3 is below 25 volts / meter alternating current and 75 V direct current and the criteria for a low voltage according to the Low Voltage Directive (2014/35 / EU) and IEC 60449 are met. This has the advantage that safety requirements are easier to meet and the operation of the medical instrument is comparatively less dangerous.
Figur 4A zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines druckstabilen und biegeweichen Aktorverbundes. Figure 4A shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a pressure-stable and flexible actuator composite.
Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen wird im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu Figur 1 eingegangen. In order to avoid unnecessary repetitions, only the differences from Figure 1 will be discussed below.
Wie zu Figur 2 beschrieben, ist die Trägerstruktur 2 vorliegend drucksteif und biegeweich ausgebildet, um Vorspannung des Aktormaterialstranges zu gewährleisten. As described in Figure 2, the support structure 2 in the present case is designed to be pressure-resistant and flexible in order to ensure pre-stressing of the actuator material strand.
Diese Vorspannung wird durch Einbettung einer Feder 12 in die Trägerstruktur 2 erzeugt. Die Feder 12 ist vorliegend in dem zentralen Kanal 10 angeordnet. Die Feder 12 erstreckt sich durch den Kanal 10 entlang der gesamten Längserstre- ckung des Instrumentenkörpers. This preload is generated by embedding a spring 12 in the support structure 2. The spring 12 is presently arranged in the central channel 10. The spring 12 extends through the channel 10 along the entire longitudinal extent of the instrument body.
Figur 4B zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit einer druckstabilen und biegeweichen Ummantelung 4. Figure 4B shows a schematic representation of an exemplary embodiment with a pressure-stable and flexible casing 4.
Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen wird im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu Figur 1 eingegangen. In order to avoid unnecessary repetitions, only the differences from Figure 1 will be discussed below.
Die Vorspannung des Aktormaterialstranges wird vorliegend durch Einbettung einer Feder 13 in die Ummantelung 4 realisiert. Die Feder 13 erstreckt sich in der Umhüllung entlang der gesamten Längserstreckung des Instrumentenkörpers. Bezugszeichenliste In the present case, the pretensioning of the actuator material strand is realized by embedding a spring 13 in the casing 4. The spring 13 extends in the casing along the entire longitudinal extent of the instrument body. Reference symbol list
1 Aktorverbund 1 actuator network
2 T rägerstruktur 3 Aktorelement 2 Support structure 3 Actuator element
4 Ummantelung 4 jacket
5 Führungshülse 5 guide sleeve
6 Aktormaterialstrang 6 actuator material strand
7 Spalt 8a, 8b, 8c, 8d Nuten 7 gap 8a, 8b, 8c, 8d grooves
9a, 9b, 9c, 9d Kanäle 9a, 9b, 9c, 9d channels
10 Kanal 10 channel
11a, 11 b, 11c, 11d, 11e, 11f Beschichtung/Beschichtungsringe11a, 11 b, 11c, 11d, 11e, 11f coating/coating rings
12 Feder in der Trägerstruktur 13 Feder in der Ummantelung 12 Spring in the support structure 13 Spring in the casing

Claims

Ansprüche Expectations
1. Aktorelement (3) zur Steuerung medizinischer Instrumente mit folgenden Merkmalen: das Aktorelement (3) weist eine Führungshülse (5) aus einem Polymermaterial auf, das Aktorelement (3) weist einen Aktormaterialstrang (6) auf zur Steuerung des medizinischen Instruments, 1. Actuator element (3) for controlling medical instruments with the following features: the actuator element (3) has a guide sleeve (5) made of a polymer material, the actuator element (3) has an actuator material strand (6) for controlling the medical instrument,
- wobei der Aktormaterialstrang mit einer Formgedächtnislegierung ausgebildet ist und im Inneren der Führungshülse (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Innenseite der Führungshülse (5) und einer Außenseite des Aktormaterialstrangs (6) ein Spalt ausgebildet ist. - wherein the actuator material strand is formed with a shape memory alloy and is arranged inside the guide sleeve (5), characterized in that a gap is formed between an inside of the guide sleeve (5) and an outside of the actuator material strand (6).
2. Aktorelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Instrument einen schlauchförmigen oder stabförmigen Intsrumentenkörper aufweist und sich das Aktorelement in dem schlauchförmigen oder stabförmigen Instrumentenkörper erstreckt. 2. Actuator element according to claim 1, characterized in that the medical instrument has a tubular or rod-shaped instrument body and the actuator element extends in the tubular or rod-shaped instrument body.
3. Aktorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Aktormaterialstrangs (6) zumindest bereichsweise eine Beschichtung (11 a, 1 1 b, 1 1 c, 1 1 d, 11 e, 11 f ) mit hoher Leitfähigkeit aufweist, vorzugsweise in Form einer metallischen Beschichtung (11 a, 11 b, 11 c, 11 d, 11 e, 11f), höchst vorzugsweise aus Kupfer, Gold, Chrom oder Platin, bevorzugt mit einer Schichtdicke von 2-30 pm, insbesondere bevorzugt 8-30 pm. 3. Actuator element according to claim 1 or 2, characterized in that a surface of the actuator material strand (6) has at least partially a coating (11 a, 1 1 b, 1 1 c, 1 1 d, 11 e, 11 f) with high conductivity , preferably in the form of a metallic coating (11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f), most preferably made of copper, gold, chromium or platinum, preferably with a layer thickness of 2-30 pm, particularly preferably 8 -30 p.m.
4. Aktorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (11 a, 11 b, 11 c, 11 d , 11 e, 11 f) i n Abhängigkeit der thermischen Belastung des Aktormaterialstrangs (6), bevorzugt segmentweise in Form von sich wiederholenden gleichartigen Segmenten, angeordnet ist, vorzugsweise dass die Beschichtung (11 a, 11 b, 11 c, 11 d, 1 1 e, 11 f) derart ausgebildet ist, dass sie in Bereichen mit einer hohen thermischen Belastung im Vergleich zu einer mittleren thermischen Belastung entlang des Aktormaterialstrangs (6) eine größere Fläche auf dem Aktormaterialstrang (6) bedeckt. 4. Actuator element according to claim 3, characterized in that the coating (11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f) depending on the thermal load on the actuator material strand (6), preferably in segments in the form of repeating similar segments, is arranged, preferably that the coating (11 a, 11 b, 11 c, 11 d, 1 1 e, 11 f) is designed such that it is in areas with a high thermal load Compared to a medium thermal load along the actuator material strand (6), a larger area on the actuator material strand (6) is covered.
5. Aktorelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (11 a, 11 b, 11 c, 11 d, 11 e, 11 f ) auf einem Anteil der Oberfläche des Aktormaterialstrangs (6) ausgebildet ist, so dass eine Betriebsspannung des Aktorelements (3) unter 50 V Wechselstrom und 75V Gleichstrom liegt, vorzugsweise dass die Kriterien einer Kleinspannung nach Niederspannungsrichtlinie (2014/35/EU) und IEC 60449 erfüllt sind. 5. Actuator element according to one of the preceding claims 3 or 4, characterized in that the coating (11 a, 11 b, 11 c, 11 d, 11 e, 11 f) is formed on a portion of the surface of the actuator material strand (6), so that an operating voltage of the actuator element (3) is below 50 V alternating current and 75 V direct current, preferably that the criteria for a low voltage according to the Low Voltage Directive (2014/35/EU) and IEC 60449 are met.
6. Aktorelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (11 a, 11 b, 11 c, 11 d, 11 e, 11f) ringförmig in Form einer Mehrzahl an Beschichtungsringen (11 a, 11 b, 11 c, 11 d, 11 e, 11 f) mit einer Segmentlänge zwischen 5 und 20 mm entlang einer Längserstreckung des Aktormaterialstrangs (6) ausgebildet ist, insbesondere dass die Beschichtungsringe (11 a, 11 b, 11 c, 11 d, 11 e, 11f) entlang der Längserstreckung des Aktormaterialstrangs (6) angeordnet sind, um ein definiertes Temperaturprofil entlang des Aktormaterialstrangs (6) zu erreichen. 6. Actuator element according to one of the preceding claims 3 to 5, characterized in that the coating (11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f) is annular in the form of a plurality of coating rings (11a, 11b, 11 c, 11 d, 11 e, 11 f) is formed with a segment length between 5 and 20 mm along a longitudinal extent of the actuator material strand (6), in particular that the coating rings (11 a, 11 b, 11 c, 11 d, 11 e , 11f) are arranged along the longitudinal extent of the actuator material strand (6) in order to achieve a defined temperature profile along the actuator material strand (6).
7. Aktorelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (7) zwischen der Innenseite der Führungshülse (5) und der Außenseite des Aktormaterialstrangs (6) 1 pm - 150 pm, bevorzugt 50 pm - 100 pm beträgt. 7. Actuator element according to one of the preceding claims, characterized in that the gap (7) between the inside of the guide sleeve (5) and the outside of the actuator material strand (6) is 1 pm - 150 pm, preferably 50 pm - 100 pm.
8. Aktorelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (7) zwischen der Innenseite der Führungshülse (5) und der Außenseite des Aktormaterialstrangs (6) mit einem Gas und/oder einem Fluid, vorzugsweise mit Luft oder einem Öl, gefüllt ist. 8. Actuator element according to one of the preceding claims, characterized in that the gap (7) between the inside of the guide sleeve (5) and the outside of the actuator material strand (6) with a gas and / or a fluid, preferably with air or an oil, is filled.
9. Aktorverbund zur Steuerung medizinischer Instrumente mit zumindest einem Aktorelement (3) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit folgenden Merkmalen: der Aktorverbund (1) umfasst eine Trägerstruktur (2) aus einem Polymer, die Trägerstruktur (2) ist mit Kanälen (9a, 9b, 10) und/oder Nuten (8a, 8b, 8c, 8d) zumindest entlang einer Längsachse des Aktorverbunds ausgebildet, wobei zumindest das Aktorelement in einem der Kanäle (9a, 9b, 10) und/oder Nuten (8a, 8b, 8c, 8d) geführt wird, und der Aktorverbund (1) ist mit einer Ummantelung (4) ausgebildet, wobei die Ummantelung (4) zumindest die Trägerstruktur (2) und das zumindest eine Aktorelement (3) umschließt. 9. Actuator assembly for controlling medical instruments with at least one actuator element (3) according to one of the preceding claims, with the following features: the actuator composite (1) comprises a support structure (2) made of a polymer, the support structure (2) is formed with channels (9a, 9b, 10) and/or grooves (8a, 8b, 8c, 8d) at least along a longitudinal axis of the actuator composite , wherein at least the actuator element is guided in one of the channels (9a, 9b, 10) and / or grooves (8a, 8b, 8c, 8d), and the actuator composite (1) is formed with a casing (4), the casing (4) encloses at least the support structure (2) and the at least one actuator element (3).
10. Aktorverbund nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlsystem für ein Kühlfluid vorgesehen ist, welches in der Trägerstruktur (2), bevorzugt in den Kanälen (9a, 9b, 10) und/oder Nuten (8a, 8b, 8c, 8d) der Trägerstruktur (2), insbesondere bevorzugt in einem Abstand von mindestens 5 pm zum Aktormaterialstrang zirkuliert und der Kühlungsvorlauf radial in größerem Abstand von der geometrischen Mittelachse positioniert ist, und/oder dass zumindest ein Schlauch für das Kühlfluid vorgesehen ist und dass ein geschlossener Fluidkreislauf für das Kühlfluid vorgesehen ist oder das Kühlfluid an definierten Punkten des Aktorverbunds austritt. 10. Actuator assembly according to claim 9, characterized in that a cooling system is provided for a cooling fluid which is in the support structure (2), preferably in the channels (9a, 9b, 10) and / or grooves (8a, 8b, 8c, 8d ) of the support structure (2), particularly preferably at a distance of at least 5 pm from the actuator material strand and the cooling flow is positioned radially at a greater distance from the geometric central axis, and / or that at least one hose is provided for the cooling fluid and that a closed fluid circuit is provided for the cooling fluid or the cooling fluid exits at defined points of the actuator network.
11 .Aktorverbund nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (9a, 9b, 10) und/oder Nuten (8a, 8b, 8c, 8d) zur Aufnahme medizinischer Werkzeuge ausgebildet sind und/oder dass die Kanäle (9a, 9b, 10) und/oder Nuten (8a, 8b, 8c, 8d) zur Übertragung von Daten und/oder Energie ausgebildet sind. 11 .Actuator composite according to claim 9 or 10, characterized in that the channels (9a, 9b, 10) and / or grooves (8a, 8b, 8c, 8d) are designed to accommodate medical tools and / or that the channels (9a, 9b, 10) and/or grooves (8a, 8b, 8c, 8d) are designed for the transmission of data and/or energy.
12. Aktorverbund nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (2) drucksteif und biegeweich ausgebildet ist, vorzugsweise durch Einbettung einer metallischen oder Polymerfeder in die Trägerstruktur (2). 12. Actuator composite according to one of claims 9 to 11, characterized in that the support structure (2) is designed to be pressure-resistant and flexible, preferably by embedding a metallic or polymer spring in the support structure (2).
13. Aktorverbund nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (4) drucksteif und biegeweich ausgebildet ist, vorzugsweise durch Einbettung einer metallischen oder Polymerfeder in die Ummantelung (4). 13. Actuator assembly according to one of claims 9 to 12, characterized in that the casing (4) is designed to be pressure-resistant and flexible, preferably by embedding a metallic or polymer spring in the casing (4).
14. Invasives medizinisches Instrument, vorzugsweise Endoskop, Laparoskop; Bronchoskop, intravaskulärer Katheter oder Arthroskop, mit einem Aktorelement (3) und/oder einem Aktorverbund (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche. 14. Invasive medical instrument, preferably endoscope, laparoscope; Bronchoscope, intravascular catheter or arthroscope, with an actuator element (3) and/or an actuator assembly (1) according to one of the preceding claims.
15. Verfahren zum Betrieb eines Aktorverbunds (1) und/oder eines medizinischen Instruments nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlfluid in der Trägerstruktur zirkuliert. 15. Method for operating an actuator assembly (1) and/or a medical instrument according to one of the preceding claims, characterized in that a cooling fluid circulates in the support structure.
16. Verfahren zum Betrieb eines Aktorverbunds (1) und/oder eines medizinischen Instruments nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid eine Vorlauftemperatur aufweist, vorzugsweise zwischen 20°C und 37°C, bevorzugt °25°C und/oder dass das Kühlfluid mit einer Fließgeschwindigkeit von 100 - 500ml / Stunde zirkuliert. 16. A method for operating an actuator assembly (1) and / or a medical instrument according to claim 14, characterized in that the cooling fluid has a flow temperature, preferably between 20 ° C and 37 ° C, preferably ° 25 ° C and / or that Cooling fluid circulates at a flow rate of 100 - 500ml / hour.
17. Verfahren zum Betrieb eines Aktorverbunds (1) und/oder eines medizinischen Instruments nach Anspruch 16 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fließgeschwindigkeit des Kühlfluids und/oder eine Temperatur des Kühlfluids derart geregelt wird, dass eine Temperatur an einer Oberfläche des Aktorverbunds (1) einen Grenzwert gemäß IEC60601-1 nicht überschreitet, vorzugsweise einen Grenzwert von 45°C, insbesondere dass ein stabiler thermischer Arbeitspunkt einstellbar ist. 17. A method for operating an actuator assembly (1) and / or a medical instrument according to claim 16 or 16, characterized in that a flow rate of the cooling fluid and / or a temperature of the cooling fluid is regulated such that a temperature on a surface of the actuator assembly ( 1) does not exceed a limit according to IEC60601-1, preferably a limit of 45°C, in particular that a stable thermal operating point can be set.
18. Verfahren zum Betrieb eines Aktorverbunds (1) und/oder eines medizinischen Instruments nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschlossener Fluidkreislauf für das Kühlfluid vorgesehen ist und das Kühlfluid verlustfrei in dem Fluidkreislauf zirkuliert. 18. A method for operating an actuator assembly (1) and/or a medical instrument according to one of claims 15 to 17, characterized in that a closed fluid circuit is provided for the cooling fluid and the cooling fluid circulates in the fluid circuit without loss.
19. Herstellungsverfahren für ein Aktorelement (1) mit einem Aktormaterialstrang (6) aus einer Formgedächtnislegierung und einer Führungshülse (5) aus einem Polymermaterial mittels eines Extrusionsverfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Extrusionsverfahren zwischen Aktormaterialstrang (6) und Führungshülse (5) ein Spalt (7) durch Einbringen eines Stützgases, vorzugsweise Luft oder Stickstoff, ausgebildet wird. 19. Manufacturing process for an actuator element (1) with an actuator material strand (6) made of a shape memory alloy and a guide sleeve (5) made of a polymer material by means of an extrusion process, characterized in that in the extrusion process there is a gap between the actuator material strand (6) and the guide sleeve (5). (7) is formed by introducing a supporting gas, preferably air or nitrogen.
20. Herstellungsverfahren für einen Aktorverbund (1) mit einer Trägerstruktur (2), zumindest einem Aktorelement (3) und einer Ummantelung (4), wobei zumindest die Trägerstruktur (2) mittels eines Extrusionsverfahrens erzeugt wird und wobei in einem dem Extrusionsverfahren nachgelagerten Verfahrensschritt zumindest ein Aktorelement (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 in Nuten (8a, 8b, 8c, 8d) der Trägerstruktur (2) eingebracht wird. 20. Manufacturing process for an actuator composite (1) with a support structure (2), at least one actuator element (3) and a casing (4), wherein at least the support structure (2) is produced by means of an extrusion process and in a process step downstream of the extrusion process at least an actuator element (3) according to one of the preceding claims 1 to 7 is introduced into grooves (8a, 8b, 8c, 8d) of the support structure (2).
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