DE60121316T2

DE60121316T2 - Vorrichtung zur positionierung, untersuchung und/oder behandlung, insbesondere im gebiet der endoskopie und/oder minimal invasiver chirurgie

Info

Publication number: DE60121316T2
Application number: DE60121316T
Authority: DE
Inventors: Christian Francois; Frank Boudghene; Pierre Joli
Original assignee: Universite Pierre et Marie Curie Paris 6
Current assignee: Universite Pierre et Marie Curie Paris 6
Priority date: 2000-04-21
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2021-04-07
Also published as: DE60121316D1; US20030149338A1; EP1274480A1; CA2406522A1; EP1274480B1; WO2001080935A1; AU2001248487A1; ATE332164T1; JP2003530975A; JP4962750B2; US6875170B2; CA2406522C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Positionierung, zur Untersuchung und/oder zum Eingriff, insbesondere für medizinisch-chirurgische Instrumente, wie Katheter, Endoskope oder zur Koloskopie und Laparoskopie. Sie betrifft auch verschiedene Industriezweige, die diesen Vorrichtungstyp einsetzen können, dessen Größe von einigen Millimetern bis zu mehreren Dezimetern variieren kann.
Es sind medizinische und chirurgische Instrumente, wie etwa Endoskope oder Katheter, bekannt, die dafür vorgesehen sind zur Beobachtung oder zum Eingriff in Kanäle oder Hohlräume des menschlichen Körpers (Blutgefäße, Verdauungswege, Harnwege etc.) einzudringen. Eine der bei diesen Instrumenten auftretenden hauptsächlichen Problemstellungen ist es, das sie sich verformen können müssen, um der Krümmung des Kanals oder des Hohlraums, in den sie vordringen, zu folgen oder um einen von zwei Wegen einer Verzweigung zu nehmen oder ein Hindernis zu umgehen und dabei gleichzeitig so wenig wie möglich die Gewebe anzugreifen. Das Problem stellt sich beispielsweise, wenn versucht wird ein Aneurysma durch das einsetzen einer Aortaprothese zu behandeln. Hierfür sind Instrumente bekannt, deren Verformung durch interne Kabel ausgeführt wird, die so gezogen oder gestoßen werden, daß sich das Instrument in der einen oder der anderen Richtung verformt. Dies ist beispielsweise im Dokument EP-0 788 807 der Fall. Die durch Ziehen an Kabeln gekrümmten Instrumente gestatten es jedoch nicht, sehr ausgeprägte Krümmungen zu erhalten, was das Vordringen erschwert. Außerdem fehlt es diesen Instrumenten oft an Biegsamkeit und sie sind zu steif. Das Dokument "A Micro Robotic System for Colonoscopy, Proceedings of the 1997 IEEE International Conférence on Robotics and Automation, Albuquerque, New Mexico, April 1997" stellt ein Instrument vor, dessen Korpus mit einem Faltenbalg ausgebildet ist, was es ihm gestattet, beliebig verlängert oder verkürzt zu werden und das dafür geeignet ist, sich im Kanal wie ein Wurm fortzubewegen. Jedoch gestattet es diese Vorrichtung auch nicht, dem Instrument eine vorbestimmte ausgeprägte Krümmung zu geben.
In einem anderen Kontext benötigen zahlreiche industrielle Anwendungen die Unterstützung der Präzision von Maschinen oder Robotern durch eine Vorrichtung zur Feinnachpositionierung eines mitgeführten Teils oder eines Endwerkzeugs. Es handelt sich beispielsweise entweder darum, die Bezugssysteme zweier Teile, die ineinander gesteckt werden sollen, auszurichten (Nachpositionieren im Verlauf des Einführens), oder darum, die Kontaktkräfte zwischen dem Werkzeug und einem zu bearbeitenden Teil zu minimieren (beispielsweise beim Entgraten).
Hierfür werden drei Typen von Systemen verwendet:

– herkömmliche mechanische Präzisionsvorrichtungen, die Translationsachsen und Rotationsachsen kombinieren, deren Bewegungen ausgehend von relativen Lageinformationen gesteuert werden, die von externen Positionsdetektoren geliefert werden. Als Beispiel kann das Nachjustieren im Verlauf der Bahn eines Laserstrahls beim Verschweißen zweier Teile miteinander genannt werden. In diesem Fall wird die Information über den Positionsabstand zwischen der Verbindungsebene, der zu folgen ist, und der tatsächlichen Position des Laserstrahls, die aus der programmierten vorgesehenen Bahn resultiert, von einer Kamera geliefert, die sich am Anfang des Strahls befindet;
– passive verformende Vorrichtungen. Es handelt sich um elastische mechanische Systeme, die sich unter der Wirkung äußere Kontaktkräfte zwischen dem eingebetteten Werkzeug oder Teil und dem zu bearbeitenden Teil oder dem aufnehmenden Teil verformen. Die Anordnung der verformbaren elastischen Elemente und deren Steifigkeit werden sorgfältig ausgewählt, derart, daß die Bewegungen des Endelements (das mitgeführte Werkzeug oder Teil) die Kontaktkräfte in alle Richtungen entlang der programmierten vorgesehenen Bahn minimieren; und
– aktive verformende Vorrichtungen. Es handelt sich um mechanische Systeme, die mit internen Aktoren ausgestattet sind, die die Bewegungen des Endwerkzeugs in Abhängigkeit von den Werten der Kontaktkräfte steuern, die von in das System integrierten Kraftsensoren geliefert werden. Wiederum handelt es sich hier darum, die Kontaktkräfte entlang der programmierten Bahn zu minimieren.

In diesen Gebieten wird auch nach einer Vorrichtung zur Positionierung, zur Untersuchung und/oder zum Eingriff gesucht, die eine große gesteuerte Krümmung und Biegsamkeit vereinigen kann.
Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Positionierung, zur Untersuchung und/oder zum Eingriff bereitzustellen, die gesteuert werden kann, um ausgeprägte Krümmungen zu erhalten und die gleichzeitig eine große Biegsamkeit aufweisen kann.
Zum Erreichen dieses Ziels ist gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zur Positionierung, zum Eingriff und/oder zur Untersuchung vorgesehen, die zwei Basisteile und wenigstens ein Kabel, das sich vom einen zum anderen der Basisteile erstreckt, umfaßt, wobei die Vorrichtung wenigstens zwei Faltenbalge, von denen jeder direkt an den beiden Basisteilen befestigt ist, und Mittel zur Veränderung eines Fluiddruckes in jedem der Faltenbalge unabhängig von dem oder den anderen Faltenbalgen umfaßt.
Somit gestatten es die zwei Faltenbalge, die Länge der Vorrichtung zu verändern, indem der Druck in jedem der Faltenbalge verändert wird und die Drücke zwischen den Faltenbalgen zu jedem Zeitpunkt gleich gehalten werden. Die Vorrichtung kann damit auseinandergezogen oder zusammengezogen werden. Außerdem können die Drücke in den Faltenbalgen voneinander unterschiedlich gemacht werden, um die Vorrichtung zu krümmen. Außerdem können diese beiden Bewegungstypen kombiniert werden. In der Praxis ist festzustellen, daß die Faltenbalge es gestatten, Krümmungen der Vorrichtung zu erhalten, die ausgeprägter sind als in den herkömmlichen Systemen, die nur durch Kabel gesteuert werden. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, daß die Krümmung aus dem Zusammenwirken eines Überdrucks in einem Faltenbalg und eines Unterdrucks in einem anderen Faltenbalg resultieren kann, wohingegen die Kabel in bekannten Vorrichtungen im wesentlichen auf Zug arbeiten. Außerdem wird die Verformung der Vorrichtung, wie zu sehen ist, erreicht, indem das Vorhandensein und die Amplitude einer Druckdifferenz ausgenutzt wird, das heißt durch die Steuerung eines relativen Drucks. Die Vorrichtung gestattet es jedoch auch die in den Faltenbalgen vorliegenden absoluten Drücke zu wählen, um die Biegsamkeit oder Steifigkeit der Vorrichtung zu variieren. So macht der Einsatz erhöhter Drücke die Vorrichtung steif gegenüber äußeren Einwirkungen. Im Gegensatz dazu macht der Einsatz niedriger Drücke die Vorrichtung relativ biegsam, verformbar und gegenüber ihrer Umwelt wenig aggressiv, was einen wichtigen Vorteil bei einer Anwendung im medizinischen Gebiet darstellt. Die Steuerung des Drucks gestattet es, die Steifigkeit der Vorrichtung nach belieben zu verändern. Insbesondere kann der Vorrichtung auf Wunsch eine maximale Steifigkeit oder im Gegenteil eine maximale Sensibilität gegeben werden. Aus diesen Gründen ist eine solche Vorrichtung zur Positionierung, zur Untersuchung und/oder zum Eingriff besonders vorteilhaft auf medizinischem Gebiet (Chirurgie, ...) sowie auf zahlreichen industriellen Gebieten.
Außerdem wird die Krümmung der Vorrichtung somit wahlweise durch die Faltenbalge und/oder ein oder mehrere Kabel gesteuert.
Vorteilhafterweise umfaßt die Vorrichtung wenigstens drei Faltenbalge, von denen jeder an beiden Basisteilen befestigt ist.
Damit kann die Vorrichtung in eine beliebige Richtung gekrümmt werden.
Vorteilhafterweise umfaßt die Vorrichtung wenigstens ein Kabel, das sich vom einen zum anderen der Basisteile erstreckt.
Vorteilhafterweise ist das oder jedes Kabel an wenigstens einem der Basisteile befestigt und/oder es ist in Bezug auf wenigstens eines der Basisteile beweglich.
Vorteilhafterweise ist das oder jedes Kabel in Bezug auf eine Längsachse der Vorrichtung dezentriert.
Vorteilhafterweise erstreckt sich das oder jedes Kabel außerhalb der Faltenbalge.
Vorteilhafterweise umfaßt die Vorrichtung Röhren zur Versorgung der Faltenbalge mit einem Fluid, wobei das oder jedes Kabel außerhalb der Röhren verläuft.
Vorteilhafterweise trägt das oder jedes Kabel wenigstens ein Anschlagstück, das dafür geeignet ist, bei bestimmten Deformationen der Vorrichtung auf wenigstens einem der Basisteile in Anschlag zu kommen.
Vorteilhafterweise trägt das oder jedes Kabel wenigstens zwei Anschlagstücke, die dafür geeignet sind, in zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen auf den beiden Basisteilen in Anschlag zu kommen.
Vorteilhafterweise liegen die Kabel in einer Anzahl von zwei pro Faltenbalg vor und sind zu beiden Seiten des Faltenbalgs angeordnet.
Vorteilhafterweise umfaßt die Vorrichtung folgendes: wenigstens drei Basisteile, die aufeinanderfolgend angeordnet sind, und für jedes Paar aufeinanderfolgender Basisteile wenigstens zwei Faltenbalge, von denen jeder an den beiden Basisteilen befestigt ist.
Die Vorrichtung hat somit wenigstens zwei Stufen, deren Krümmungen sich kumulieren oder kombinieren können.
Vorteilhafterweise umfaßt die Vorrichtung für jedes Paar aufeinanderfolgender Basisteile Mittel, um einen Fluiddruck in jedem der Faltenbalge, die an den Basisteilen dieses Paares befestigt sind, unabhängig von dem oder den anderen an den Basisteilen dieses Paares befestigten Faltenbalgen zu verändern.
Vorteilhafterweise sind die Mittel zur Druckveränderung dafür geeignet, den Druck in jedem der Faltenbalge zu verändern, die an den Basisteilen eines der Basisteilpaare befestigt sind, unabhängig von den Faltenbalgen, die an den Basisteilen des anderen Basisteilpaares oder eines weiteren unter den Basisteilpaaren befestigt sind.
Vorteilhafterweise stehen die zwei Faltenbalge des einen der Basisteilpaare in Fluidkommunikation mit den jeweiligen Faltenbalgen des anderen Basisteilpaares oder eines weiteren unter den Basisteilpaaren.
Vorteilhafterweise umfaßt die Vorrichtung wenigstens ein Zwischenstück, das dafür angeordnet ist, eine Annäherung der beiden Basisteile oder von zweien der Basisteile über einen vorbestimmten Wert hinaus zu verhindern.
Vorteilhafterweise ist jeder Faltenbalg dafür geeignet, sich in einer Längsrichtung der Faltenbalge unter der Wirkung des Fluids auszudehnen und zusammenzuziehen, und dies ohne eine wesentliche Veränderung einer Abmessung des Faltenbalgs senkrecht zur Längsrichtung.
Somit können die Krümmungen in zwei Stufen in verschiedenen Ebenen oder auch in derselben Ebene sein. In diesem Fall können sie sich in derselben Richtung oder in entgegengesetzten Richtungen erstrecken.
Vorteilhafterweise umfaßt die Vorrichtung einen inneren ersten Mantel, der an dem einen, dem proximalen, der Basisteile befestigt ist, und einen äußeren zweiten Mantel, der die Basisteile aufnimmt und der dafür geeignet ist, auf dem inneren ersten Mantel zu gleiten.
Somit kann durch eine Betätigung der Faltenbalge die Länge der Vorrichtung verändert werden ohne die Dichtigkeit zwischen dem Äußeren und dem Inneren der Vorrichtung zu beeinträchtigen.
Vorteilhafterweise ist das Fluid eine Flüssigkeit.
Vorteilhafterweise können die Veränderungen des Drucks der Flüssigkeit oder des Zugs auf dem Kabel kombiniert werden, um die Steifigkeit und die Orientierung der Vorrichtung zu verändern.
Vorteilhafterweise hat die Vorrichtung von einem Ende der Vorrichtung zum anderen einen längs verlaufenden freien Raum.
Dieser Raum kann Elemente zum Eingriff, zur Beobachtung etc. aufnehmen. Vorteilhafterweise gestattet der längs verlaufende zentrale freie Raum die Durchführung von Instrumenten oder Wellenleitern.
Gemäß der Erfindung ist auch ein medizinisch-chirurgisches Instrument vorgesehen, das eine Vorrichtung zur Positionierung, zur Behandlung und/oder zum Eingriff gemäß der Erfindung umfaßt.
Vorteilhafterweise handelt es sich um einen Katheter.
Vorteilhafterweise handelt es sich um ein Endoskop.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden noch aus der nachfolgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsformen und Varianten ersichtlich, die nur beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen sind, wobei in der beigefügten Zeichnung:
die 1 und 2 zwei perspektivische Ansichten einer Positionierungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellen;
3 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht der Vorrichtung in 1 darstellt;
4 eine Ansicht im Axialschnitt einer Positionierungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
die 5 und 6 die Krümmungsverformung von einer bzw. zwei Stufen der Vorrichtungen der vorhergehenden Figuren darstellen;
7 eine Ansicht eines Basisteils einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
8 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform darstellt; und
9 eine Ansicht vergleichbar mit 7 ist, die eine vierte Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Es wird nun mit Bezug auf die 1 bis 3 eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die Positionierungsvorrichtung 2 umfaßt hier zwei Module oder Stufen 4. Jede Stufe 4 umfaßt zwei Basisteile 6 mit voller zylindrischer Form, die jedoch von Leitungen durchzogen ist, wie weiter unten zu sehen sein wird. Die vier Basisteile 6 sind identisch und aufeinanderfolgend angeordnet, wobei sie ihre Achse 8 gemeinsam haben. Die aufeinanderfolgenden Basisteile sind mit 6a, 6b, 6c und 6d bezeichnet. Das Basisteil 6a ist das distale Basisteil, das dem freien Ende der Vorrichtung entspricht. Das Basisteil 6d ist das proximale Basisteil und es ist am nächsten an den Mitteln zur Steuerung und Fluidversorgung 18 der Vorrichtung gelegen.
Die Basisteile 6a und 6b bilden ein Paar, ebenso wie die Basisteile 6c und 6d. Zu jedem dieser beiden Paare gehören mehrere Faltenbalge 10, wobei es hier drei für jedes Paar sind. Die sechs Faltenbalge 10 sind untereinander identisch. Sie haben eine allgemein zylindrische Form, die parallel zur Achse 8 langgestreckt ist. Die drei Faltenbalge jedes Basisteilpaares sind regelmäßig um die Achse 8 herum verteilt. Jeder Faltenbalg ist an seinen Enden an den beiden Basisteilen des zugehörigen Paares befestigt und zwar an den axialen Endseiten der Basisteile. Das distale axiale Ende jedes Faltenbalgs ist verschlossen.
Die Vorrichtung umfaßt sechs Leitungen 12, eine für jeden Faltenbalg 10, die alle parallel zur Achse 8 sind. Drei der Leitungen enden am proximalen Basisteil 6d auf dessen proximaler axialer Endseite, die entgegengesetzt zu den Faltenbalgen liegt. Sie durchziehen das Basisteil 6d und sind in dessen Innerem in Fluidkommunikation mit den jeweiligen Faltenbalgen, an einem proximalen axialen Ende von diesen. Die drei anderen Leitungen 12 durchziehen die beiden Basisteile 6d und 6c, wobei sie regelmäßig um die Achse 8 herum verteilt sind und alternierend mit den diesem Paar zugeordneten Faltenbalgen angeordnet sind. Diese drei Leitungen können frei durch die Öffnungen dieser beiden Basisteile 6c, 6d gleiten. Die drei Leitungen durchziehen anschließend den Raum zwischen den beiden Modulen 4 und erreichen dann das proximale Ende des Basisteils 6b.
Die radiale Position und der Abstand dieser Leitungen können so gewählt werden, daß ein zentraler Kanal mit mehr oder weniger großem Durchmesser sowie ein mehr oder weniger großer Raum am Rand freigelassen wird, was es gestattet, eine zusammengeschobene ringförmige Hülse (Endoprothese) und deren eventuell abzuwerfende Vorrichtung (aufblasbarer Ballon) aufzunehmen. Im Inneren des Basisteils 6b befinden sich die Leitungen in Fluidkommunikation mit den drei Faltenbalgen 10, die diesem Basisteil zugeordnet sind. Aus diesem Aufbau folgt, daß die zwei Gruppen von drei Faltenbalgen in axialer Sicht gegeneinander um eine sechstel Umdrehung um die Achse 8 verschoben sind. Was die sechs Leitungen 12 betrifft, so können diese regelmäßig um die Achse 8 herum verteilt sein. Das gleiche gilt für die jedem Paar zugeordneten drei Leitungen 12. Jede Leitung 12 ist in Fluidkommunikation mit dem Faltenbalg 10, zu dem sie gehört, und sie bildet mit diesem eine dichte Einheit gegenüber den anderen Leitungen und Faltenbalgen.
Alle diese Elemente der Vorrichtung sind in einem biegsamen Mantel 14 eingeschlossen, der auf dichte Weise mit dem distalen Basisteil 6a verbunden werden kann. Der Abstand zwischen den beiden Basisteilen 6b und 6c wird unabhängig von der Konfiguration der Vorrichtung beibehalten und zwar mittels Zwischenstücken 16, die an den Mantel 14 anstoßen und die sich auf den sich gegenüberliegenden axialen Enden der Basisteile 6b, 6c abstützen. Die Länge dieser Zwischenstücke kann so gewählt werden, daß ein vorbestimmter Abstand der Basisteile 6b und 6c erreicht wird. Alternativ kann eines dieser beiden Basisteile 6b, 6c entfallen, damit das distale Basisteil eines Moduls das proximate Basisteil des anderen Moduls bildet.
Der Mantel 14 kann gleiten, um den Raum zwischen den Basisteilen 6b und 6c freizugeben, was es gestattet, eine in diesem Raum zusammengeschobene Endoprothese abzuwerfen. Deswegen kann der Mantel 14 mit dem distalen Basisteil 6a nicht dicht verbunden sein. Außerdem können die drei zwischen den Basisteilen 6b und 6c angeordneten Versorgungsleitungen radial enger sein als die drei anderen Leitungen, um einen großen Raum am Rand zwischen den Basisteilen 6b und 6c freizulassen.
Die Faltenbalge sind elastisch und können langgezogen, zusammengeschoben und/oder gekrümmt werden. Die Vorrichtung umfaßt Mittel 18, um ein Fluid unter Druck, hier eine Flüssigkeit wie etwa physiologisches Serum, in jede der Leitungen 12 (und die zugehörigen Faltenbalge) einzubringen. Diese Mittel gestatten es, den Druck in jedem der Faltenbalge unabhängig von den anderen Faltenbalgen zu wählen. Solche Mittel zur Versorgung und zur Steuerung des Drucks sind als solche bekannt und sind hier nicht im Detail dargestellt. In einer einfachen Form kann es sich um einen Satz von sechs Spritzen mit ausschaltbarer Rücklaufsperre handeln, die jeweils den verschiedenen Leitungen 12 zugeordnet sind. In einer aufwendigeren Form handelt es sich um einen Verteiler, der dafür eingerichtet ist, die verschiedenen Leitungen in Abhängigkeit von einem globalen Krümmungsbefehl zu versorgen, der von einer geeigneten Vorrichtung gegeben wird, beispielsweise mittels einer Tastatur, einem Steuerhebel vom Joysticktyp oder auch durch einen Sprachbefehl. Diese Steuermittel befinden sich in einem großen Abstand von den Basisteilen und sie bleiben außerhalb des Körpers im vorliegenden Fall einer medizinisch-chirurgischen Untersuchung.
Im vorliegenden Fall sind sie dafür vorgesehen, sich unter der Wirkung des Fluids in ihrer Längsrichtung auseinander- und zusammenziehen zu können, und dies ohne eine wesentliche Veränderung einer radialen Abmessung der Faltenbalge.
Es wird nun beschrieben wie ein Modul 4 verformt wird. Für ein Auseinanderziehen ohne es zu krümmen ist es ausreichend, den Druck in jedem der Faltenbalge 10 zu erhöhen, wobei der momentane Druck in den drei Faltenbalgen gleich ist. Ebenso wird der Druck in den drei Faltenbalgen auf gleichmäßige Weise verringert, um das Modul zusammenzuziehen. Zum Krümmen des Moduls ist es ausreichend, auf den oder die Faltenbalge 10₁ , die sich auf der dem Krümmungsmittelpunkt 0 gegenüberliegenden Seite befinden, einen größeren Druck zu geben, wie in 5 dargestellt ist. Dadurch verlängern sich diese Faltenbalge, um länger zu sein als die anderen Faltenbalge 10₂ , was die relative Neigung der Basisteile 6 bewirkt und die Krümmung der Vorrichtung hervorruft. Selbstverständlich können diese beiden Verformungen innerhalb eines selben Moduls zusammengesetzt werden, um gleichzeitig die Länge und die Krümmung zu verändern.
Die sechs Steuerleitungen 12 gestatten es, jede Stufe auf vollständig unabhängige Weise zu verformen, wie dies in 6 dargestellt ist, wo die beiden Stufen Krümmungen haben, die koplanar jedoch in entgegengesetzter Richtung sind. Die beiden Stufen können präzise unabhängig voneinander gesteuert werden. Außerdem kann jeder der sechs Faltenbalge unabhängig von den anderen gesteuert werden. Wenn die beiden Stufen gleichzeitig zusammen- oder auseinandergezogen werden, addieren sich diese Verformungen. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung besitzt eine aktive Verformung, da ihre Verformung durch ein Steuerungssystem gesteuert und kontrolliert werden kann. Sie besitzt ebenfalls eine passive Verformung, da sie in einem bestimmten Maße durch äußere Einwirkungen verformt werden kann. Dabei ist die Vorrichtung umso steifer, je höher der Druck in den Leitungen ist. Im Gegensatz dazu, ist die Vorrichtung umso biegsamer und verformbarer, je niedriger er ist. Die Vorrichtung hat somit eine gemischte Verformung, nämlich passiv und aktiv. Die Arbeitsdrücke können nach Wahl höher oder niedriger sein als der Druck des umgebenden Mediums.
Die durch eine solche Vorrichtung erreichten Verformungen sind größer als bei einer Vorrichtung, die nur durch Kabel gesteuert wird, insbesondere durch die Tatsache, daß die Kabel im allgemeinen auf Zug arbeiten. Im Gegensatz dazu kann die vorliegende Erfindung so gesteuert werden, daß wenigstens einer der Faltenbalge mit Überdruck arbeitet wohingegen wenigstens ein anderer Unterdruck aufweist, derart, daß beide agieren, um die Stufe in dieselbe Richtung zu krümmen.
Die Vorrichtung hat einen zentralen freien Raum im Bereich ihrer Achse 8, der ununterbrochen entlang der ganzen Vorrichtung verläuft. Dieser Raum erstreckt sich zwischen den Faltenbalgen 10, zwischen den Leitungen 12 und er ist durch eine zentrale Öffnung der Basisteile 6 abgegrenzt. In diesem Raum können nach Wahl ein Instrument, ein Werkzeug, eine Kamera, ein Schlauch zur Injektion von Flüssigkeiten, elektrische Kabel, Glasfasern, Lichtstrahlen, Laserstrahlen, eine bildgebende Vorrichtung, chirurgischen Instrumente, Nadeln, Biopsienadeln, Verklammerungsvorrichtungen etc. (Klammern, Zangen, Scheren, ...) aufgenommen werden.
Jedes Modul 4 kann miniaturisiert werden, um eine Länge von unter 2 cm und einen Durchmesser von unter 5 mm zu haben.
Die Ausführungsform in 4 liegt nahe an der vorhergehenden. Sie unterscheidet sich jedoch insbesondere von dieser durch die Tatsache, daß jeder Faltenbalg 10 und seine zugehörige Leitung 12 von einem Kabel 20 durchzogen werden, wobei dies hier in koaxialer Weise geschieht. Das Kabel ist am Basisteil 6a oder 6c befestigt an dem das verschlossene distale Ende des Faltenbalgs befestigt ist. Die Steuerungsmittel 18 gestatten es, beliebig an wenigstens einem der Kabel 20 zu ziehen ohne auf die anderen einzuwirken. Die Verformung der Vorrichtung kann nur durch eine Betätigung des Drucks, so wie zuvor beschrieben, nur durch eine Betätigung der Kabel oder auch durch eine gleichzeitige Betätigung beider erreicht werden, was es gestattet besonders große Verformungen in der Länge oder der Krümmung und eine variable Steifigkeit zu erhalten.
So kann das Modul zusammengezogen werden, indem der Druck in den Faltenbalgen verringert wird. Es kann auch zusammengezogen werden, indem eine gleiche Zugkraft auf drei Steuerkabel ausgeübt wird. Um das Modul zu krümmen, kann der Druck von einem Faltenbalg des Moduls zum anderen verändert werden, wie dies mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben wurde. Die Faltenbalge 10₂ können jedoch auch gleichzeitig durch Zug auf den Kabeln zusammengezogen werden, was die Gesamtkrümmung der Vorrichtung erhöht. Die Kombination der Wirkung des Drucks und des Zugs des Kabels in jedem Faltenbalg gestattet es, die Steifigkeit der Vorrichtung zu variieren.
In jeder dieser Ausführungsformen kann dem Risiko des Einknickens der Faltenbalge 10 vorgebeugt werden, indem jeder von ihnen von einem zylindrischen Zwischenstück umgeben wird, das kürzer ist als die kürzeste für den Faltenbalg vorgesehene Länge, wie dies gemischt gestrichelt in 2 dargestellt ist.
In der Ausführungsform in 4 umfaßt die Vorrichtung zwei Mäntel (was eine Eigenschaft unabhängig vom Vorhandensein der Kabel ist). Tatsächlich umfaßt sie einen zweiten Mantel 24, der koaxial zum ersten Mantel 14 ist und innen an diesen anstößt und der an der proximalen Endseite des Basisteils 6d befestigt ist und sich in Richtung der Steuerungsmittel 18 erstreckt. Diese beiden Mäntel können in Abhängigkeit von den Bewegungen des distalen Basisteils 6a in Bezug auf das proximale Basisteil 6d ineinander gleiten. So kann der äußere Mantel zurückgezogen werden und gleichzeitig durch Blockieren in Längsrichtung der innere Mantel an seinem Ort gehalten werden.
Der Mantel 14 (der äußere) kann auf dem Mantel 24 (dem inneren) gleiten. Der Mantel 24 dient dazu, die Position in Längsrichtung der Vorrichtungseinheit beizubehalten, da wenn dieser blockiert ist, das Basisteil 6d sich auf diesem abstützt und es daher nicht zurückfahren kann während der Mantel 14 zurückgezogen wird.
Eine dritte Ausführungsform ist in den 7 und 8 dargestellt. Wiederum umfaßt die Vorrichtung hier zwei Stufen 4, wobei jede Stufe zwei Hauptbasisteile 6 umfaßt. Jede Stufe umfaßt außerdem ein dazwischenliegendes und zusätzliches Basisteil 7, das sich koaxial zwischen den zwei Basisteilen 6 und auf halber Strecke zwischen diesen erstreckt. In jeder Stufe ist jeder der 3 Faltenbalge durch ein Paar von Faltenbalgen 10 ersetzt, die sich in ihrer gegenseitigen Verlängerung, in gegenseitiger Fluidkommunikation und auf beiden Seiten des Zwischenbasisteils 7 erstrecken. Jeder der Faltenbalge 10 ist damit einerseits mit einem der Hauptbasisteile 6 und andererseits mit dem Zwischenbasisteil 7 verbunden.
Das Ersetzen jedes Faltenbalgs der ersten Ausführungsform durch zwei Faltenbalge, die in Reihe angeordnet sind und gleichzeitig gesteuert werden, gestattet es, die Amplitude der Veränderung der Länge und der Krümmung jeder Stufe zu erhöhen.
Außerdem stellt das Zwischenbasisteil 7 die Funktion eines Zwischenstücks bereit, indem es das Einknicken der Faltenbalge vermeidet, das sich ergeben könnte, wenn die Faltenbalge der ersten oder der zweiten Ausführungsform ein große Länge hätten.
Außerdem ist bei dieser Ausführungsform jeder Stufe eine eigene Gruppe von sechs Kabeln 20 zugeordnet. Die gesamte Vorrichtung umfaßt damit zwölf Kabel 20. Im vorliegenden Fall erstrecken sich die Kabel außerhalb der Faltenbalge und der Leitungen 12. Jedem Faltenbalgpaar sind zwei Kabel zugeordnet, die sich auf beiden Seiten der Faltenbalge erstrecken, wie in den 7 und 8 zu sehen ist. In 7 ist eines der Hauptbasisteile 6 der proximalen Stufe 4 dargestellt, das heißt dasjenige, das in 8 unten links dargestellt ist. Das Basisteil hat sechs Hauptöffnungen 30, die regelmäßig um die Mittelachse 8 des Basisteils und des zentralen Kanals 32 herum verteilt sind. Die Öffnungen 30 entsprechen in der räumlichen Wechselfolge den Faltenbalgen 10 der proximalen Stufe und den Leitungen 12 der distalen Stufe.
Das Basisteil hat zwölf sekundäre Öffnungen 34, die paarweise den Hauptöffnungen zugeordnet sind und die sich in deren Nähe erstrecken. Die sekundären Öffnungen dienen als Durchgänge der Kabel der beiden Stufen. Selbstverständlich kann in den Basisteilen der distalen Stufe die Anzahl der Haupt- und Sekundäröffnungen um die Hälfte Verringert werden, damit es keine unbesetzte Öffnung gibt.
In dieser Ausführungsform ist jedes Kabel 20 gegenüber allen Basisteilen 6, 7 beweglich. Jedes Kabel 12 trägt für jedes Hauptbasisteil, an dem es tatsächlich vorgesehen ist befestigt zu werden, ein Anschlagstück 36, das beispielsweise durch einen Knoten auf dem Kabel oder durch ein auf das Kabel geklebtes oder geschweißtes Teil gebildet wird. Dieses Anschlagstück verhindert das Gleiten des Kabels in der Öffnung 34 des zugehörigen Basisteils in einer bestimmten Richtung über eine bestimmte Grenze hinaus. Jedes Kabel trägt zwei Anschlagstücke, die derart angeordnet sind, daß das Kabel den Abstand zwischen den beiden zugehörigen Basisteilen begrenzt.
Jedes der am weitesten distal gelegenen Anschlagstücke wird eingesetzt, wenn versucht wird die Vorrichtung zusammenzuziehen. Die beiden Anschlagstücke jedes Kabels arbeiten zusammen, um die plastische Verformung der Faltenbalge bei einer Verlängerungsbetätigung zu verhindern.
9 stellt eine vierte Ausführungsform dar, die eine Variante der vorhergehenden bildet. Dieses mal trägt jedes Basisteil sechs Sekundäröffnungen 34 und nicht mehr zwölf. Die sechs Öffnungen sind in drei Paaren um drei zur proximalen Stufe gehörende Hauptöffnungen 30 angeordnet. Sie dienen wiederum für den Durchgang der sechs zugehörigen Kabel. Die sechs der distalen Stufe zugeordneten Kabel laufen diesmal im Bereich der proximalen Stufe im zentralen Kanal 32. Im Bereich der distalen Stufe nehmen sie die sechs Sekundäröffnungen ein.
Die Basisteile können aus einem metallischen Material, einem Kunststoffmaterial oder einem Verbundwerkstoff hergestellt sein. Die Faltenbalge können aus einem metallischen Material, einem Kunststoffmaterial oder einem Verbundwerkstoff hergestellt sein. Die Faltenbalge können durch Kleben, Löten, Schweißen, Verschrauben, Vernieten, ... mit den Basisteilen auf dichte Weise fest verbunden sein. Dasselbe gilt für die Schläuche zur Fluidversorgung unter Druck, die biegsam und dazu imstande sein müssen, den maximalen Drücken standzuhalten, die die Faltenbalge annehmen können.
Die Basisteile können auch Aussparungen haben, um die unter Druck stehenden Volumen (Faltenbalge 10, Versorgungsschläuche 12) zu entlüften, falls ein anderes Fluid als Luft und insbesondere Flüssigkeiten verwendet werden. Diese Aussparungen können mit Stopfen verschlossen werden, um die Dichtigkeit nach dem Entlüften sicherzustellen. Die Basisteile können außerdem Aussparungen haben, um Sensoren aufzunehmen oder auch Systeme zum Einhängen von Werkzeugen vom Typ einer Zange, Schneidezange, Schere, Klammer, Nadelträger, Biopsienadel, Ansaugdüsen, etc.
Die Vorrichtung kann Positionssensoren umfassen, beispielsweise Ultraschallsensoren, um deren Führung von außen durch den Bediener zu vereinfachen.
Die Kabel können mit einer Legierung mit Formgedächtnis realisiert sein, derart, daß sie sich unter der Wirkung von Temperaturänderungen verlängern oder zusammenziehen.
Die Faltenbalge umfassen vorzugsweise elektroabgelagertes Nickel.
Die Vorrichtung zur Positionierung gemäß der Erfindung kann für den Einmalgebrauch (wegwerfbar) ausgelegt sein.
Dadurch, daß die Basisteile sich durch Bewegungen der Translation und der Rotation relativ zueinander fortbewegen können, sind zahlreiche Anwendungen möglich.
1) Im medizinisch-chirurgischen Bereich:

– Realisierung von Endoskopen deren Krümmung so verändert werden kann, daß sie den Windungen der zu untersuchenden natürlichen Wege folgen, und deren orientierbares Ende folgendes kann: eine Mikrokamera tragen, eine optische Vorrichtung tragen, einen Laserstrahl oder jeden anderen Wellentyp oder ein Werkzeug in eine gegebene Richtung lenken (in den Grenzen der möglichen Ausschläge) (Biopsienadeln, Injektionsnadeln, Scheren, Zangen, Klammern, Ansaugdüsen, Elektroskalpell, etc.);
– Realisierung von Kathetern, die dieselben Eigenschaften haben wie die oben beschriebenen Endoskope;
– Realisierung von Instrumenten der Laparoskopie oder Koloskopie, die mit chirurgischen Instrumenten ausgerüstet sind;

2) Im industriellen Bereich:
In diesem Bereich ist die Größe der Vorrichtung nicht einschränkend, sie kann von einigen Millimetern bis zu mehreren Dezimetern variieren. Die Anwendungen sind die folgenden:

– Realisierung von Vorrichtungen zur Untersuchung und zum Eingriff in der Kanalisation;
– Realisierung von Greiffingern für Roboterzangen oder Manipulatoren für Behinderte;
– Realisierung von Füßen für laufende Roboter oder Fahrzeuge mit Beinen. Die Möglichkeiten des Auseinander- und Zusammenziehens der Module, kombiniert mit Querbewegungen in zwei senkrechte Richtungen, ermöglichen beispielsweise Fortbewegungen in der Längsrichtung und der seitlichen Richtung eines Fahrzeugs mit vier Füßen;
– Realisierung von Vorrichtungen, die zur räumlichen Ausrichtung von Spiegeln, Wellenleitern, optischen Fasern, Lichtstrahlen oder Laserstrahlen vorgesehen sind;
– Realisierung von Gelenken mit variabler Steifigkeit, die zwei feste Körper miteinander verbinden;
– Realisierung einer drehbaren Ankopplung mit kontrollierbarer Neigung. Es ist beispielsweise eine Bohrvorrichtung vorstellbar, die ein System zum Drehen und zum Vortrieb eines Werkzeugs zum Bohren oder Durchstoßen umfassen (bei Ölbohrungen oder anderen). Wenn das Bohrwerkzeug (Trepan, Bohrer) über eine Kupplung an die Vorrichtung zum Drehen angekoppelt wird, deren Verformung programmiert und mit der Drehbewegung des Werkzeugs synchronisiert ist, kann eine Bohrung auf einer gekrümmten Bahn erreicht werden, was manchmal gewünscht ist, um eine horizontale Bohrung ausgehend von einer herkömmlichen Plattform zur vertikalen Bohrung auszuführen.

Weitere Anwendungen sind in vielen anderen Gebieten denkbar, immer dann, wenn es gewünscht ist, einen festen Körper gegenüber einem anderen räumlich auszurichten.
Selbstverständlich können an der Erfindung zahlreiche Veränderungen vorgenommen werden, ohne deren Rahmen zu verlassen. Die Anzahl der Stufen kann eins, zwei, drei oder mehr betragen. Die Anzahl der Faltenbalge pro Stufe kann zwei, drei oder mehr betragen.
In den gerade beschriebenen Ausführungsformen kann es vorgesehen werden, auch wenn dies weniger vorteilhaft ist, daß die Faltenbalge der zwei Stufen wenigstens paarweise in Reihe verbunden sind, derart, daß die Leitungen 12 in der Anzahl von drei vorliegen und jede zwei Faltenbalge steuert, und zwar wenigstens einen Faltenbalg jeder Stufe. Selbstverständlich können die zwei Faltenbalge dann nicht mehr unabhängig voneinander gesteuert werden. Jedoch werden die axiale Verformungsamplitude jedes Faltenbalgs und die Verlängerung jedes Moduls erhöht.
Die Wand jedes Faltenbalgs kann ein Profil haben, das verschieden ist von der in den Figuren dargestellten Zickzackform. Es kann sich um eine Wand mit Zylinderform handeln, die dafür vorgesehen ist, in der Längsrichtung elastisch zu sein, jedoch nicht in der radialen Richtung.
Die Kabel können aus jedem Kunststoffmaterial sein, insbesondere einem Polymermaterial wie etwa Nylon, Dacron, Kevlar, oder aus Metall.

Claims

Vorrichtung zur Positionierung, zum Eingriff und/oder zur Untersuchung, die zwei Basisteile (6a–6d, 7) und wenigstens ein Kabel (20), das sich vom einen zum anderen der Basisteile (6a–6d, 7) erstreckt, umfaßt, wobei das oder jedes Kabel (20) in Bezug auf wenigstens eines der Basisteile (6b, 6d) beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens zwei Faltenbalge (10), von denen jeder direkt an den beiden Basisteilen befestigt ist, und Mittel (12, 18) zur Veränderung eines Fluiddruckes in jedem der Faltenbalge unabhängig von dem oder den anderen Faltenbalgen umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens drei Faltenbalge (10) umfaßt, von denen jeder an beiden Basisteilen (6a–6d, 7) befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Kabel (20) an einem der Basisteile (6a–d, 7) befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Kabel (20) in Bezug auf eine Längsachse (8) der Vorrichtung dezentriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Kabel sich außerhalb der Faltenbalge (10) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Röhren (12) zur Versorgung der Faltenbalge (10) mit einem Fluid umfaßt, wobei das oder jedes Kabel (20) außerhalb der Röhren (12) verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Kabel (20) wenigstens ein Anschlagstück (36) trägt, das dafür geeignet ist, bei bestimmten Deformationen der Vorrichtung auf wenigstens einem der Basisteile in Anschlag zu kommen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Kabel (20) wenigstens zwei Anschlagstücke (36) trägt, die dafür geeignet sind, in zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen auf den beiden Basisteilen (6a–6d) in Anschlag zu kommen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabel (20) in einer Anzahl von zwei pro Faltenbalg vorliegen und zu beiden Seiten des Faltenbalgs angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes umfaßt: wenigstens drei Basisteile (6a–6d), die aufeinanderfolgend angeordnet sind, und für jedes Paar aufeinanderfolgender Basisteile wenigstens zwei Faltenbalge (10), von denen jeder an den beiden Basisteilen befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie für jedes Paar aufeinanderfolgender Basisteile Mittel (12, 18) umfaßt, um einen Fluiddruck in jedem der Faltenbalge (10), die an den Basisteilen dieses Paares befestigt sind, unabhängig von dem oder den anderen an den Basisteilen dieses Paares befestigten Faltenbalgen zu verändern.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Druckveränderung dafür geeignet sind, den Druck in jedem der Faltenbalge zu verändern, die an den Basisteilen eines der Basisteilpaare befestigt sind, unabhängig von den Faltenbalgen, die an den Basisteilen des anderen Basisteilpaares oder eines weiteren unter den Basisteilpaaren befestigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Faltenbalge des einen der Basisteilpaare in Fluidkommunikation mit den jeweiligen Faltenbalgen des anderen Basisteilpaares oder eines weiteren unter den Basisteilpaaren stehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens ein Zwischenstück (16) umfaßt, das dafür angeordnet ist, eine Annäherung der beiden Basisteile oder von zweien der Basisteile über einen vorbestimmten Wert hinaus zu verhindern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Faltenbalg dafür geeignet ist, sich in einer Längsrichtung der Faltenbalge unter der Wirkung des Fluids auszudehnen und zusammenzuziehen, und dies ohne eine wesentliche Veränderung einer Abmessung des Faltenbalgs senkrecht zur Längsrichtung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen inneren ersten Mantel (24), der am einen proximalen (6d) der Basisteile befestigt ist, und einen äußeren zweiten Mantel (14), der die Basisteile (6a–6d) aufnimmt und der dafür geeignet ist, auf dem inneren ersten Mantel zu gleiten, umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eine Flüssigkeit ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie von einem Ende der Vorrichtung zum anderen einen längs verlaufenden freien Raum hat.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der längs verlaufende freie Raum dafür eingerichtet ist, die Durchführung von Instrumenten oder Wellenleitern zu gestatten.
Medizinisch-chirurgisches Instrument, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vorrichtung zur Positionierung, zum Eingriff und/oder zur Behandlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 umfaßt.
Instrument nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Katheter handelt.
Instrument nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Endoskop handelt.