DE69924082T2

DE69924082T2 - Aktives schlankes Röhrchen und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE69924082T2
Application number: DE69924082T
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Sendai-shi ESASHI; Yoichi Haga
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2019-12-11
Also published as: EP1010440A2; EP1010440B1; JP4096325B2; EP1010440A3; KR20000057056A; DE69924082D1; CN1165700C; US6672338B1; TW411278B; US20050006009A1; US7223329B2; CN1258826A; JP2000233027A; KR100618099B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) für die medizinische oder nichtmedizinische Verwendung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein aktives schlankes Rohr (mit kleinem Durchmesser) oder rohrförmiges Objekt oder Instrument, das in ein kompliziertes Maschinensystem oder in eine Rohrleitung aufgenommen werden kann, um eine Maschinenuntersuchung oder Systemwartung auszuführen, oder das als ein medizinisches mikroelektromechanisches System wie etwa als ein aktiver Katheter oder als ein aktiver Führungsdraht verwendet werden kann, wie er zur Nutzung bei der Ausführung einer Diagnose oder medizinischen Behandlung in ein menschliches Blutgefäß oder Organ aufgenommen werden kann.
Solche schlanken Rohre oder rohrförmigen Objekte, wie sie kombiniert oder zusammengesetzt sind, sind ebenfalls anwendbar auf den Bau eines Gelenkroboters oder Mehrgelenkroboters oder Mehrarmroboters oder eines aufwändigen Spielzeugs. Ein schlankes Rohr gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in US-A-5 357 979 offenbart.
In den letzten Jahren werden für die Diagnose z. B. des Dickdarms zunehmend Endoskope mit Antriebsdrähten verwendet. Außerdem werden Anstrengungen bei der Entwicklung aktiver Katheter unternommen, in denen eine (im Folgenden auch als SMA bezeichnete) Formerinnerungslegierung genutzt wird, die verformbar ist, wenn sie elektrisch erwärmt wird, um einen Aktuator zu bilden.
Ferner werden mit dem Fortschritt der Mikro-Materialbearbeitungstechnologien Anstrengungen unternommen, um ein Vielzahl von Mikrosensoren und aktiven Mikromechanismen zu entwickeln, die effektiv in Katheter für medizinische Anwendungen integriert werden können.
Zum Beispiel schlägt die am 23. Januar 1998 durch den Erfinder dieser Anmeldung eingereichte japanische Patentanmeldung Nr. H10-11258 (offen gelegte JP-Veröffentlichung Nr. H11-48171, veröffentlicht am 23. Februar 1999) einen aktiven Katheter vom Außenskeletttyp vor, in dem außerhalb mehrerer, z. B. dreier, Aktuatoren, die aus einer Formerinnerungslegierung hergestellt sind, eine Einlagespule angeordnet ist. Die aus einer SMA hergestellten Aktuatoren werden elektrisch erregt, um zu ermöglichen, dass der aktive Katheter gebogen oder gebeugt wird.
Bezüglich eines Ausfahr- und Einfahrmechanismus für aktive Katheter ist eine in einem Rohr laufende Vorrichtung mit einem Rohrdurchmesser von etwa 1 cm vorgeschlagen worden, die das Aufblasen und Zusammenziehen eines Bal lons unter einem Luftdruck nutzt, mit dem ein Endoskopführungssystem für den Dickdarm und ein Rohröffnungsuntersuchungs-Führungssystem für Stadtgasleitungen auf experimenteller Grundlage hergestellt worden sind (siehe "The World of Micro-mechanisms" von T. Hayashi u. a., Journal of the Japan Society of Acoustics, Bd. 49, Nr. 8, 1993).
Es ist ein Ausfahr- und Einfahrmechanismus mit einer Anzahl von an sei nen Außenseiten angeordneten Ballons vorgeschlagen worden. Dieser ist so beschaffen, dass er ermöglicht, dass der Katheter in ein Blutgefäß vorgeschoben wird, während das Aufblasen der Ballons sie gegen die Innenwand des Blutgefäßes drückt, wobei ihre Zusammenziehung und ihr Aufblasen in ihrer axialen Richtung wiederholt werden (siehe "Potential of microsystems in medicine", Minimally Invasive Therapy & Applied Technology, 4: 267–275, 1995, A. E. Guver u. a.).
Allerdings reichen die bisher vorgeschlagenen aktiven schlanken Rohre wie etwa jene oben beschriebenen Katheter oder dergleichen weder schon in Bezug auf ihre erreichbare Biegbarkeit und Ausfahrbarkeit aus, noch sind sie in Bezug auf ihre Freiheitsgrade der wählbaren Bewegung breit genug gemacht worden. Falls ein einzelner Katheter gesucht wird, der viel mehr Funktionen aufweist, beschränken außerdem sein begrenzter Durchmesser und die Notwendigkeit eines ausreichend geräumigen Arbeitskanals in ihm die Anzahl der Drähte, die integriert werden könnten, auf ein ungenügendes Ausmaß.
Außerdem wird angemerkt, dass es bei der Orientierung eines manuell betriebenen Katheters oder Führungsdrahts, der normalerweise zu seinem distalen Ende in Form des Buchstabens "J" gebogen ist, um zu ermöglichen, dass er z. B. in eines von zwei Blutgefäßen an ihrer Vereinigung eintritt, die übliche Praxis ist, den Katheter oder Führungsdraht an seinem proximalen Ende oder an seiner proximalen Seite zu drehen zu versuchen, um ihn an diesem distalen Ende zu drehen. Falls der Katheter oder Führungsdraht daraufhin auf halbem Weg eine Schleife oder einen komplizierten Weg oder Bereich hat, ist es daraufhin möglich, dass das Drehmoment, das zum Übertragen der Drehung an dem proximalen Ende zu dem distalen Ende wirkt, nicht gut durch den Körper des Katheters oder Führungsdrahts übertragen wird, was zu einer unzureichenden Art und Weise führt, so dass eine ungenaue Drehung des Katheters oder Führungsdrahts an dem distalen Ende oder seinem vordersten Ende auftritt. Dies kann als eine schlechte Torsionsfestigkeit bezeichnet werden.
Wenn der Katheter oder Führungsdraht an seinem proximalen Ende ge schoben wird, um sein distales Ende zu einem Zielort in einem Blutgefäß vorzuschieben, würde ferner, falls der Katheter oder Führungsdraht eine Schleife oder einen komplizierten Weg oder Bereich hat, eine Ablenkung, die dann im Körper des Katheters oder Führungsdrahts auftreten würde, dazu neigen zu verhindern, dass die an dem proximalen Ende angewendete Schubkraft richtig zu dem distalen Ende übertragen wird, was zu einer ungenauen Positionierung des Katheters oder Führungsdrahts an seinem vordersten Ende führt. Dies kann schlechte Schiebbarkeit genannt werden.
Andererseits kann die Positionierung des Katheters oder Führungsdrahts durch Einfahren verhältnismäßig genau erreicht werden. Allerdings erfordert diese Operation, dass der Katheter oder Führungsdraht zuerst über den Zielort hinaus vorgeschoben wird. Die Versteifung des Katheters oder Führungsdrahts verbessert seine Schiebbarkeit und Torsionsfestigkeit, erhöht aber das Risiko des Durchbohrens. Falls die Steifigkeit zu weit verringert wird, verringert die Ablenkung umgekehrt, dass der Katheter oder Führungsdraht noch weiter vorgeschoben wird, so stark er auch geschoben wird.
Unter Beachtung der vorstehenden Nachteile oder Unzweckmäßigkeiten des Standes der Technik ist es dementsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes aktives schlankes Rohr (mit kleinem Durchmesser) oder rohrförmiges Objekt oder Instrument zu schaffen, das vorstehend beschrieben als ein aktiver Katheter, als ein Führungsdraht oder als irgendein anderes mikroelektromechanisches System oder als die aktive Mikrokomponente eines Systems verkörpert werden kann.
Außerdem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches schlankes Rohr (mit kleinem Durchmesser) oder rohrförmiges Objekt oder Instrument zu schaffen, das eine einfache Konstruktion aufweist und eine erweiterte Bewegungsfähigkeit, d. h. torsionsartige Drehung, Biegung, Ausfahren und/oder Einfahren eines aktiven Abschnitts davon, d. h. eines Abschnitts davon, der eine Wirkung entfalten muss, und/oder Einstellen der Steifigkeit eines solchen Abschnitts auf einen geforderten Umfang oder auf geforderte Umfänge mit Leichtigkeit und Genauigkeit, aufweist.
Außerdem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches schlankes Rohr (mit kleinem Durchmesser) oder rohrförmiges Objekt oder Instrument vom Außenskeletttyp zu schaffen, das die oben beschriebenen Anforderungen erfüllt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zum Herstellen eines solchen schlanken Rohrs (Rohrs mit kleinem Durchmesser) oder rohrförmigen Objekts oder Instruments vom Außenskeletttyp (Exoskeletttyps), das dessen Herstellung mit erhöhter Genauigkeit ermöglicht.
Diese und weitere Aufgaben, die im Folgenden leichter sichtbar werden, werden in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gelöst.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird (wie in Anspruch 1 dargelegt ist) in einem ersten Aspekt davon und in einer bestimmten Form ihrer Realisierung ein aktives schlankes Rohr geschaffen, das mit einem sich torsionsartig drehenden Mechanismus versehen ist. Genauer schafft diese Realisierungsform der Erfindung ein aktives schlankes Rohr (mit kleinem Durchmesser) oder rohrförmiges Objekt oder Instrument, das einen sich torsionsartig drehenden Mechanismus aufweist, der zur torsionsartigen Drehung eines aktiven Abschnitts des schlanken Rohrs oder rohrförmigen Objekts oder Instruments so, wie es verkörpert ist, d. h. als ein aktiver Katheter oder Führungsdraht oder irgendein anderes mikroelektromechanisches System oder als die aktive Mikrokomponente eines Systems, an oder in dessen Körperabschnitt eingebaut ist.
Gemäß einer alternativen Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird (wie in Anspruch 2 dargelegt ist) ein aktives schlankes Rohr geschaffen, das mit einem Ausfahr- und Einfahrmechanismus versehen ist. Genauer weist das schlanke Rohr (mit kleinem Durchmesser) oder rohrförmige Objekt oder Instrument einen Ausfahr- und Einfahrmechanismus auf, der zum Ausfahren und Einfahren eines aktiven Abschnitts des schlanken Rohrs oder rohrförmigen Objekts oder Instruments so, wie es verkörpert ist, d. h. als ein aktiver Katheter oder Führungsdraht oder irgendein anderes mikroelektromechanisches System oder als die aktive Mikrokomponente eines Systems, an oder in dessen Körperabschnitt eingebaut ist. Der Ausfahr- und Einfahrmechanismus umfasst hier ein elastisch verformbares Außenskelett, das ein elastisch verformbares Außenrohr oder rohrförmiges Element oder Glied enthalten kann, und einen Ausfahr- und Einfahraktuator, der innerhalb des Außenskeletts angeordnet und daran gesichert oder befestigt ist. Das Ausfahr- und Einfahrelement ist aus einer Formerinnerungslegierung (SMA) hergestellt und weist bei Verformung eine Länge auf, die gegenüber der Länge des aus einer SMA hergestellten Aktuators in seinem natürlichen Formerinnerungszustand geändert ist, wobei es an dem elastisch verformbaren Außenskelett gesichert oder befestigt ist.
Gemäß einer weiteren alternativen Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird (wie in Anspruch 3 dargelegt ist) ein aktives schlankes Rohr geschaffen, das mit einem Steifigkeitssteuerungsmechanismus versehen ist. Genauer schafft diese Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ein aktives schlankes Rohr (mit kleinem Durchmesser) oder rohrförmiges Objekt oder Instrument, das einen an oder in seinen Körperabschnitt eingebauten Steifigkeitssteuerungsmechanismus aufweist, um die Steifigkeit eines aktiven Abschnitts oder des Körperabschnitts des schlanken Rohrs oder rohrförmigen Objekts oder Instruments zu seinem vorderen Ende so, wie es verkörpert ist, d. h. als ein aktiver Katheter oder Führungsdraht oder irgendein anderes mikroelektromechanisches System oder als die aktive Mikrokomponente eines Systems, zu steuern.
Gemäß einer spezifischen Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird (wie in Anspruch 4 dargelegt ist) ein wie in irgendeinem der vorstehenden drei Abschnitte beschriebenes aktives schlankes Rohr geschaffen, das ferner genauer an oder in dem Körperabschnitt des aktiven schlanken Rohrs (Rohrs mit kleinem Durchmesser) oder rohrförmigen Objekts oder Instruments mit einem Biegemechanismus versehen ist. Der Biegemechanismus ist hier insbesondere benachbart zu dem aktiven Endabschnitt des schlanken Rohrs oder rohrförmigen Objekts oder Instruments vorgesehen, um den aktiven Endabschnitt davon so, wie er verkörpert ist, d. h. als ein aktiver Katheter oder Führungsdraht oder irgendein anderes mikroelektromechanisches System oder als die aktive Mikrokomponente eines Systems, zu biegen. Der Biegemechanismus umfasst hier ein elastisch verformbares Außenskelett, das ein wie oben beschriebenes elastisch verformbares Außenrohr oder rohrförmiges Element oder Glied enthalten kann und einen Biegeaktuator aufweist, der aus einem SMA-Material hergestellt ist.
Gemäß einer weiteren alternativen Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird (wie in Anspruch 5 dargelegt ist) ein aktives schlankes Rohr (mit kleinem Durchmesser) oder rohrförmiges Objekt oder Instrument geschaffen, wie es z. B. als ein aktiver Katheter oder Führungsdraht oder irgendein anderes mikroelektromechanisches System oder als die Mikrokomponente eines Systems verkörpert ist, das einen Biegemechanismus, einen sich torsionsartig drehenden Mechanismus, einen Ausfahr- und Einfahrmechanismus und einen Steifigkeitssteuerungsmechanismus umfasst, die ein elastisch verformbares Außenskelett aufweisen. Alternativ kann es ein elastisch verformbares Außenskelett, einen Biegemechanismus, einen sich torsionsartig drehenden Mechanismus und einen Steifigkeitssteuerungsmechanismus umfassen. Genauer kann das elastisch verformbare Außenskelett einen Abschnitt aufweisen, der durch ein elastisch verformbares Außenrohr oder rohrförmiges Element oder Glied gebildet sein kann und der sowohl dem Biege-, als auch dem sich torsionsförmig drehenden, dem Ausfahr- und Einfahr- und dem Steifigkeitssteuerungsmechanismus gemeinsam ist, wobei es vorzugsweise aber einzelne Abschnitte aufweisen sollte, die insbesondere jeweils für diese getrennten Mechanismen spezifisch sind.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist (wie in Anspruch 6 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass ein elastisch verformbares Außenskelett oder ein elastisch verformbarer Außenskelettabschnitt, der genau für den wie oben beschriebenen Biegemechanismus vorgesehen ist, eine Flachkabel- oder Flachdraht-Einlagespule umfasst.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist (wie in Anspruch 7 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass ein wie oben beschriebener sich torsionsartig drehender Mechanismus ein elastisch verformbares Außenskelett und einen sich torsionsartig drehenden Aktuator umfasst, die innerhalb des Außenskeletts angeordnet und koaxial dazu gesichert sind. Der sich torsionsartig drehende Aktuator ist hier aus einem SMA-Material hergestellt und weist bei Verformung einen Durchmesser auf, der torsionsartig gegenüber dem Durchmesser des aus einem SMA hergestellten Aktuators in seinem natürlichen Formerinnerungszustand, der an dem elastisch verformbaren Außenskelett gesichert oder befestigt ist, geändert ist.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist (wie in Anspruch 8 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass ein wie. oben beschriebener Steifigkeitssteuerungsmechanismus ein elastisch verformbares Außenskelett und einen innerhalb des elastisch verformbaren Außenskeletts angeordneten und koaxial dazu gesicherten Steifigkeitssteuerungsaktuator umfasst. Der Steifigkeitssteuerungsaktuator ist aus einem SMA-Material hergestellt und wie in seinem natürlichen Formerinnerungszustand an dem elastisch verformbaren Außenskelett gesichert oder befestigt.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist (wie in Anspruch 9 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass ein Biegemechanismus und ein sich torsionsartig drehender Mechanismus und ein Ausfahr- und Einfahrmechanismus und ein Steifigkeitssteuerungsmechanismus, wie sie oben beschrieben sind, an jedem ihrer gegenüberliegenden Enden mit Elektrodenverbindern versehen sind.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist (wie in Anspruch 10 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass ein wie oben beschriebenes elastisch verformbares Außenskelett eine spiralförmige Platte umfasst, die mehrere darin integrierte Drähte entweder mit einer Federstruktur aus aus Kunststoff hergestellten Flachdrähten oder mit einer Federstruktur aus aus einer mit einem Isolator beschichteten superelastischen Legierung hergestellten Flachdrähten aufweist.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist (wie in Anspruch 11 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass ein wie oben beschriebenes aus einer SMA hergestelltes Betätigungselement eine Flachkabel- oder Flachdrahtfederstruktur aufweist.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist (wie in Anspruch 12 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass eine wie oben beschriebene Flachkabel- oder Flachdraht-Federstruktur und ein wie oben beschriebener aus einer SMA hergestellter Aktuator eine dafür vorgesehene Heizeinrichtung aufweisen.
Wenn ein solches wie oben beschriebenes aktives schlankes Rohr oder rohrförmiges Objekt oder Instrument als eine aktive Komponente eines Mikro-Materialbearbeitungssystems wie etwa eines wie oben beschriebenen Katheters, Führungsdrahts oder der aktiven Mikrokomponente irgendeines anderen Systems verwendet wird, wird festgestellt, dass es mit Leichtigkeit und Genauigkeit zum leichten Biegen, torsionsartigen Drehen und/oder Einfahren und Ausfahren und/oder Einstellen der Steifigkeit seines aktiven Abschnitts in einem geforderten Umfang oder in geforderten Umfängen fähig ist.
Eine mit einem wie oben beschriebenen aus einer SMA hergestellten Aktuator kombinierte Außenskelettstruktur ermöglicht, dass jedes in einer flachen Federstruktur konfiguriert wird und ermöglicht somit, dass in jedem von ihnen eine größere Anzahl dünnerer Drähte enthalten sind.
Außerdem kann das Anordnen eines SMA-Betätigungselements, das ein Wärme aussendender Körper ist, innerhalb einer Außenskelettstruktur in ausreichendem Abstand von der Oberfläche des aktiven schlanken Rohrs oder rohrför migen Objekts oder Instruments die Oberflächentemperatur effektiv auf bis zu oder deutlich unter 41°C, was für den menschlichen Körper tolerierbar ist, begrenzen.
In Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird in einem zweiten Aspekt davon und in einer weiteren Realisierungsform davon (wie in Anspruch 13 dargelegt ist) außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines aktiven schlanken Rohrs (mit kleinem Durchmesser) oder rohrförmigen Objekts oder Instruments geschaffen, das z. B. als ein aktiver Katheter oder Führungsdraht oder irgendein anderes Mikro-Materialbearbeitungssystem oder als die aktive Mikrokomponente eines Systems verkörpert sein kann, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vorbereiten eines Aktuators, der aus einer Formerinnerungslegierung (SMA) hergestellt und so konfiguriert ist, dass er einen Abschnitt des schlanken Rohrs oder rohrförmigen Objekts oder Instruments bildet; Anordnen eines elastisch verformbaren Außenskeletts, das so konfiguriert ist, dass es einen Abschnitt des schlanken Rohrs oder rohrförmigen Objekts oder Instruments bildet, außerhalb des aus einer SMA hergestellten Aktuators und koaxial dazu; und Befestigen des aus einer SMA hergestellten Betätigungselements und des Außenskeletts miteinander.
Eine bestimmte spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung in ihrem zweiten Aspekt ist (wie in Anspruch 14 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass der oben beschriebene Schritt des Anordnens einen Schritt des Einhüllens eines Stabs mit dem aus einer SMA hergestellten Betätigungselement enthält.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung in ihrem zweiten Aspekt ist (wie in Anspruch 15 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass der oben beschriebene Schritt des Anordnens die Schritte des Anordnens eines Stabs an dem aus einer SMA hergestellten Betätigungselement und des Einhüllens des Stabs mit dem Außenskelett enthält.
Eine nochmals weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung in ihrem zweitem Aspekt ist (wie in Anspruch 16 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass der oben beschriebene Schritt des Anordnens einen Schritt des Einhüllens eines rohrförmigen Spannwerkzeugs mit einem dreieckigen Querschnitt mit dem aus einer SMA hergestellten Betätigungselement enthält.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegen den Erfindung ist (wie in Anspruch 17 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass der oben beschriebene Schritt des Anordnens einen Schritt des elektrischen Verbindens eines Leiterdrahts mit dem aus einer SMA hergestellten Betätigungselement enthält.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung in ihrem zweiten Aspekt ist (wie in Anspruch 18 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass der oben beschriebene Schritt des Befestigens einen Schritt des Zusammenklebens des aus einer SMA hergestellten Betätigungselements und des Außenskeletts mit einem Klebstoff enthält.
Eine alternative spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung in ihrem zweiten Aspekt ist (wie in Anspruch 19 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass der oben beschriebene Schritt des Anordnens einen Schritt des Bildens nicht isolierter Abschnitte an dem aus einer SMA hergestellten Betätigungselement und an dem Außenskelett in ihren entsprechenden Bereichen enthält und dass der oben beschriebene Schritt des Befestigens einen Schritt des Schickens eines elektrischen Stroms durch das aus einer SMA hergestellte Betätigungselement und durch das Außenskelett in einer Elektroplattierungsflüssigkeit zum Ablagern eines Metalls auf den nicht isolierten Abschnitten aus der Flüssigkeit und dadurch zum elektrischen Verbinden des Betätigungselements und des Außenskeletts miteinander in diesen entsprechenden Bereichen enthält.
Eine weitere alternative spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung in ihrem zweiten Aspekt ist (wie in Anspruch 20 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass der oben beschriebene Schritt des Anordnens die Schritte des Bildens nicht isolierter Abschnitte an dem aus einer SMA hergestellten Betätigungselement und an dem Außenskelett in ihren entsprechenden Bereichen und des Anordnens wenigstens eines zu den nicht isolierten Abschnitten benachbarten Leiterdrahts enthält und dass der oben beschriebene Schritt des Befestigens einen Schritt des Schickens eines elektrischen Stroms durch den Leiterdraht, durch das aus einer SMA hergestellte Betätigungselement und durch das Außenskelett in einem Elektroplattierungsbad zum Ablagern eines Metalls auf dem Leiterdraht und auf den nicht isolierten Abschnitten aus der Flüssigkeit und dadurch zum elektrischen Verbinden des Betätigungselements, des Außenskeletts und des Leiterdrahts miteinander in diesen entsprechenden Bereichen enthält.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegen den Erfindung in deren zweitem Aspekt ist (wie in Anspruch 21 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass der oben beschriebene Schritt des Anordnens einen Schritt des Bildens nicht isolierter Abschnitte auf dem aus einer SMA hergestellten Betätigungselement und auf dem Außenskelett in ihren entsprechenden Bereichen enthält und dass der oben beschriebene Schritt des Befestigens einen Schritt des Schickens eines elektrischen Stroms durch das aus einer SMA hergestellte Betätigungselement und durch das Außenskelett in einer Flüssigkeit, die ein isolierendes Harz enthält, zur galvanischen Metallabscheidung des isolierenden Harzes auf den nicht isolierten Abschnitten aus der Flüssigkeit und dadurch zum Verbinden des Betätigungselements und des Außenskeletts miteinander in diesen entsprechenden Bereichen enthält.
Eine weitere alternative spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung in deren zweitem Aspekt ist (wie in Anspruch 22 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass der oben beschriebene Schritt des Anordnens die Schritte des Bildens eines nicht isolierten Abschnitts an dem aus einer SMA hergestellten Betätigungselement und des Elektroplattierens des nicht isolierten Abschnitts zum Bilden einer elektrisch leitenden Verbindung daran enthält und dass der oben beschriebene Schritt des Befestigens einen Schritt des Schickens eines elektrischen Stroms durch das aus einer SMA hergestellte Betätigungselement und durch das Außenskelett in einer Flüssigkeit, die ein isolierendes Harz enthält, zur galvanischen Metallabscheidung des isolierenden Harzes auf dem nicht isolierten Abschnitt und überall an dem Außenskelett aus der Flüssigkeitslösung und dadurch zum Verbinden des Betätigungselements und des Außenskeletts miteinander enthält.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung in deren zweitem Aspekt ist (wie in Anspruch 23 dargelegt ist) durch die weiteren Schritte des Bildens nicht isolierter Abschnitte an dem aus einer SMA hergestellten Betätigungselement und an dem Außenskelett und des Schickens eines elektrischen Stroms durch das aus einer SMA hergestellte Betätigungselement und durch das Außenskelett in einem Elektroplattierungsbad zum Ablagern eines Metalls an den nicht isolierten Abschnitten aus dem Bad und dadurch zum elektrischen Verbinden des Betätigungselements und des Außenskeletts miteinander gekennzeichnet.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung in deren zweitem Aspekt ist (wie in Anspruch 24 dargelegt ist) durch einen weiteren Schritt des Entfernens einer natürlichen Oxidschicht an dem aus einer SMA hergestellten Betätigungselement und an dem Außenskelett jeweils unmittelbar vor dem Ablagern des Metalls und/oder des isolierenden Harzes gekennzeichnet.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung in deren zweitem Aspekt ist (wie in Anspruch 25 dargelegt ist) durch einen weiteren Schritt des Trocknens durch Vakuumtrocknung gekennzeichnet.
Eine weitere spezifische Realisierungsform der Prinzipien der vorliegenden Erfindung in deren zweitem Aspekt ist (wie in Anspruch 26 dargelegt ist) dadurch gekennzeichnet, dass in dem oben beschriebenen Schritt des Anordnens das aus einer SMA hergestellte Betätigungselement in der Weise angeordnet wird, dass es elastisch verformbar ist.
Es wird festgestellt, dass das wie oben beschriebene Verfahren zum Herstellen eines schlanken Rohrs (Rohrs mit kleinem Durchmesser) oder rohrförmigen Objekts oder Instruments die Herstellung solcher schlanken Rohre oder rohrförmigen Objekte oder Instrumente mit erhöhter Genauigkeit zulässt.
Wenn das Befestigen durch Elektrometallplattieren oder Harzablagerung ausgeführt wird, kann es außerdem an einer Anzahl von Verbindungspunkten gleichzeitig bewirkt werden.
Diese und weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile werden für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, wie sie in den verschiedenen Zeichnungsfiguren in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, verständlich und besser sichtbar.
In den beigefügten Zeichnungen sind:
1 eine perspektivische Teilansicht eines aktiven Katheters, der eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung repräsentiert;
2 eine perspektivische Teilansicht eines aktiven Führungsdrahts, der eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung repräsentiert, wobei der Führungsdraht in drei Richtungen biegbar ist;
3 eine perspektivische Teilansicht eines aktiven Führungsdrahts, der eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung repräsentiert, wobei der Führungsdraht in einer Richtung biegbar ist;
4 eine perspektivische Teilansicht eines aktiven Führungsdrahts mit einem Spleißdrahtelement, der eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Er findung repräsentiert;
5 eine perspektivische Teilansicht eines aktiven Führungsdrahts, der eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung repräsentiert;
6 eine Ansicht der Erscheinung eines Elektrodensteckers und einer Elektrodenbuchse, die die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung repräsentieren;
7 eine perspektivische Teilansicht eines Biegebewegungsmechanismus eines aktiven Katheters gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 eine genaue Ansicht, die zeigt, wie ein Leiterdraht verbunden ist;
9A eine Ansicht, die eine tatsächliche Schaltung (a) zeigt;
9B eine Ansicht, die eine Ersatzschaltung (b) zeigt;
10 eine Draufsicht, die eine Flachdraht-Einlagespule zeigt;
11A eine Ansicht, die einen SMA-Aktuator in seinem Erinnerungszustand für einen sich torsionsartig drehenden Mechanismus veranschaulicht;
11B eine Ansicht, die den SMA-Aktuator des sich torsionsartig drehenden Mechanismus veranschaulicht, der bei einer torsionsartige Drehung gegenüber seinem Formerinnerungszustand einen vergrößerten Durchmesser aufweist;
11C eine Ansicht des Aussehens des sich torsionsartig drehenden Betätigungsmechanismus;
12 eine konzeptionelle Ansicht, die eine Bewegung zeigt, die ein sich torsionsartig drehender Mechanismus gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt;
13A eine Ansicht, die einen SMA-Aktuator in seinem Formerinnerungszustand für einen Ausfahr- und Einfahrmechanismus gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
13B eine Ansicht, die den aus einer SMA hergestellten Ausfahr- und Einfahraktuator für diesen Mechanismus zeigt, der zusammengezogen ist;
14 eine konzeptionelle Ansicht, die eine Bewegung zeigt, die durch einen Ausfahr- und Einfahrmechanismus gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt wird;
15A und 15B Ansichten sind, die einen Steifigkeitssteuerungsmechanismus gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei 15A einen SMA-Steifigkeitssteuerungsmechanismus in seinem natürlichen Formerinnerungszustand und 15B eine Ansicht des Aussehens des Steifigkeitssteuerungsmechanismus zeigt;
16A und 16B Ansichten sind, die Bewegungen des Steifigkeitssteuerungsmechanismus gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
17A, 17B, 17C, 17D und 17E Ansichten sind, die gemeinsam einen Ablaufplan zeigen, der angibt, wie ein Führungsdraht eines Außenskeletttyps in einer Weise gemäß einer weiteren Form der vorliegenden Erfindung montiert werden kann;
18A und 18B Ansichten sind, die gemeinsam einen Ablaufplan zeigen, der angibt, wie ein Führungsdraht eines Außenskeletttyps in einer weiteren Weise gemäß einer alternativen Form der vorliegenden Erfindung montiert werden kann;
19A und 19B Ansichten sind, die alternative Formen eines Spannwerkzeugs gemäß dieser Form der vorliegenden Erfindung zeigen;
20A und 20B Ansichten sind, die wesentliche Schritte eines Montageverfahrens eines aktiven schlanken Rohrs oder rohrförmigen Objekts oder Instruments durch Elektroplattierung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei sie eine Phase vor dem Elektroplattieren und eine Phase nach dem Elektroplattieren zeigen;
21A und 21B Ansichten sind, die die wesentlichen Schritte eines Montageverfahrens eines aktiven schlanken Rohrs oder rohrförmigen Elements oder Instruments und eines Leiterdrahts durch Elektroplattierung gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei sie eine Phase vor dem Elektroplattieren bzw. eine Phase nach dem Elektroplattieren zeigen;
22A und 22B Ansichten sind, die die wesentlichen Schritte eines Befestigungsverfahrens einer Einlagespule und eines SMA-Aktuators miteinander zur Montage eines schlanken Rohrs oder rohrförmigen Elements oder Instruments zeigen, wobei sie eine Phase vor dem Elektroplattieren bzw. eine Phase nach dem Elektroplattieren zeigen;
23A bis 23G Ansichten sind, die zusammen wesentliche Schritte eines Befestigungsverfahrens einer Einlagespule und eines SMA-Aktuators mit einem isolierenden Harz beim Montieren eines schlanken Rohrs oder rohrförmigen Objekts oder Instruments gemäß einer weiteren Form der vorliegenden Erfindung zeigen;
24A bis 24H Ansichten sind, die zusammen wesentliche Schritte ei nes alternativen Befestigungsverfahrens einer Einlagespule und eines SMA-Aktuators mit einem isolierenden Harz beim Montieren eines schlanken Rohrs oder rohrförmigen Objekts oder Instruments gemäß einer weiteren Form der vorliegenden Erfindung zeigen;
25A, 25B und 25C schematische Darstellungen sind, die eine Vorrichtungskonstruktion in einem Verfahren der galvanischen Metallabscheidung oder galvanische Metallabscheidung eines Harzes gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
26 eine perspektivische Ansicht ist, die eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
27 eine im Wesentlichen schematische Darstellung einer Anordnung ist, in der eine spiralförmige Kabelplatte als eine Einlagespule verwendet wird.
Im Folgenden werden anhand der verschiedenen Figuren in den beigefügten Zeichnungen bevorzugte geeignete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf ein verbessertes aktives schlankes Rohr (mit kleinem Durchmesser) oder rohrförmiges Objekt oder Instrument (im Folgenden einfach als "schlankes Rohr" bezeichnet), das als ein medizinisches oder nichtmedizinisches Mikro-Materialbearbeitungssystem oder als die aktive Mikrokomponente eines Systems verkörpert sein kann, und in Bezug auf ein Verfahren zu dessen Herstellung dargelegt.
Ein aktives schlankes Rohr, das gemäß einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als ein aktiver Katheter verkörpert ist, ist in 1 in einer perspektivischen Teilansicht davon gezeigt.
In 1 ist zu sehen, dass ein aktiver Katheter 1 gemäß dieser Ausführungsform in einem aktiven, distalen Endabschnitt des Katheters vier Abschnitte enthält, wobei er in Form des Buchstabens "J" gekrümmt zu sehen ist, wobei jeweils ein Biege- oder Beugemechanismus A, ein sich torsionsartig drehender Mechanismus B, ein Ausfahr- und Einfahrmechanismus C und ein Steifigkeitssteuerungsmechanismus D vorgesehen sind. Der Biegemechanismus A ist in dem distalsten Abschnitt des "J" vorgesehen. Der sich torsionsartig drehende Mechanismus B ist in einem Fußgebiet der J-förmigen Krümmung vorgesehen und mit dem Biegemechanismus A verbunden. Der Ausfahr- und Einfahrmechanismus C ist in einem linearen Abschnitt der J-förmigen Krümmung vorgesehen und mit dem sich torsionsartig drehenden Mechanismus B verbunden. Der Steifigkeitssteuerungsmechanismus D ist an einer proximalen Seite der J-förmigen Krüm mung vorgesehen und mit dem Ausfahr- und Einfahrmechanismus C verbunden. Diese unabhängigen Mechanismen A, B, C und D liegen in einem kreisförmigen Raum, der sowohl durch ein flexibles Innenrohr 3 mit einem Arbeitskanal darin als auch durch ein dünnes flexibles Außenrohr 4, das z. B. aus Silikonkautschuk gebildet ist, definiert ist und dem wie in 1 gezeigt eine einzelne ununterbrochene Einlagespule 6 zugeordnet sein kann.
Der Biegemechanismus A enthält eine Einlagespule 6, die so beschaffen ist, dass sie hinten an die Oberfläche der Innenwand des Außenrohrs 4 angrenzt. Ein innerhalb der Einlagespule 6, die zusammen mit dem Außenrohr 4 ein Außenskelett (Exoskelett) bildet, angeordnetes Biegebetätigungselement 8 umfasst eine oder mehrere (wie gezeigt drei) aus einer Formerinnerungslegierung (SMA) hergestellte dicht gewickelte Federspulen, die oder von denen jede einzeln vorzugsweise an mehreren Punkten mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffs 7 an der Einlagespule 6 befestigt ist bzw. sind, wobei sie Biegeaktuatorglieder bildet bzw. bilden. Jede der gezeigten drei aus einer SMA hergestellten Aktuatorspulen 8 weist, wenn sie auf diese Weise an der Einlagespule 6 befestigt ist, eine Anzahl von Gelenkstücken auf. Wenn ein Spulensegment, das jedes Biegeaktuatorglied mit einer gegebenen Länge zwischen benachbarten Gelenkstücken bildet, mit einem durch es geschickten elektrischen Strom erwärmt wird, schrumpft das Spulensegment oder -glied und biegt das aktive distale Ende des Katheters. Obgleich die Bereitstellung einer Anzahl von Gelenkstücken bevorzugt ist, um das aktive distale Ende des Katheters 1 gelenkig zu machen, ist selbst ein einzelnes Gelenkstück noch funktionsfähig. In dieser Ausführungsform sind die drei aus einer SMA hergestellten Biegeaktuatorspulen 8 in der Weise vorgesehen, dass der aktive distale Endabschnitt des Katheters in drei unabhängigen Richtungen biegbar gemacht ist. Die Einlagespule 6 weist eine isolierende Beschichtung auf, während die Aktuatorspulen 8 frei von einer solchen Beschichtung verwendet werden. Dies betrifft auch jene in den anderen Bewegungsmechanismen B, C und D.
Der sich torsionsartig drehende Mechanismus B enthält eine Einlagespule 6, die so angeordnet ist, dass sie hinten an die Oberfläche der Innenwand des Außenrohrs 4 angrenzt. Ein innerhalb der Einlagespule 6 und koaxial dazu angeordnetes sich torsionsartig drehendes Betätigungselement 12 umfasst eine Spule in Form einer Feder mit einem Zwischenraum zwischen benachbarten Windungen, die aus einem SMA hergestellt ist und an ihren geeigneten Orten mittels eines elektrisch nicht gleitenden Klebstoffs 17 an der Einlagespule 6 befestigt ist. Damit die aus einer SMA hergestellte sich torsionsartig drehende Aktuatorspule 12 bei Verformung einen etwas größeren Durchmesser als in ihrem natürlichen Formerinnerungszustand hat, sollte sie an der Einlagespule 6 befestigt sein, die zusammen mit dem Außenrohr 4 ein Außenskelett (Exoskelett) für das aus einer SMA hergestellte sich torsionsartig drehende Betätigungselement 12 bildet. In der gezeigten Ausführungsform ist die aus einer SMA hergestellte sich torsionsartig drehende Aktuatorspule 12 so beschaffen, dass sie ein einzelnes Gelenkstück oder ein einzelnes Spulensegment aufweist, das mit einem durch es geschickten elektrischen Strom erwärmt wird, so dass es schrumpft, wodurch der aktive distale Endabschnitt des Katheters 1 torsionsartig gedreht wird. Natürlich kann die Spule 12 mit mehreren solchen Gelenkstücken oder Spulensegmenten mit einer gegebenen Länge als Aktuatorglieder versehen sein, die mit elektrischem Strom getrennt zu erwärmen sind.
Der Ausfahr- und Einfahrmechanismus C enthält eine Einlagespule 6, die so beschaffen ist, dass sie hinten an die Oberfläche der Innenwand des Außenrohrs 4 angrenzt. Ein innerhalb der Einlagespule 6 und koaxial dazu angeordnetes Ausfahr- und Einfahrbetätigungselement 14 umfasst eine Spule in Form einer Feder mit einem Zwischenraum zwischen benachbarten Windungen und ist aus einem SMA hergestellt und an seinen geeigneten Orten mittels eines elektrisch nicht leitenden Klebstoffs 17 an der Einlagespule 6 befestigt. Bevor die aus einer SMA hergestellte Ausfahr- und Einfahraktuatorspule 14 in der Weise befestigt wird, wird sie verformt, um sie etwas zusammenzudrücken, und so vorbereitet, dass sie, wenn sie befestigt ist, die gleiche Länge wie die Einlagespule 6 aufweist, die zusammen mit dem Außenrohr 4 ein Außenskelett (Exoskelett) für das aus einer SMA hergestellte Ausfahr- und Einfahrbetätigungselement 14 bildet. In der gezeigten Ausführungsform ist die aus einer SMA hergestellte Ausfahr- und Einfahraktuatorspule 14 so beschaffen, dass sie ein einzelnes Gelenkstück oder Spulensegment aufweist, das mit einem durch es geschickten elektrischen Strom erwärmt wird, so dass es sich ausdehnt, um seine natürliche Länge wiederherzustellen, wodurch der aktive distale Endabschnitt des Katheters 1 ausgefahren wird. Wenn der elektrische Strom abgeschaltet wird, wird die Aktuatorspule 14 schrumpfengelassen, wodurch der aktive distale Endabschnitt des Katheters eingefahren wird. Natürlich kann die Spule 12 mit mehreren solchen Gelenkstücken oder Spulensegmenten mit einer gegebenen Länge als Betätigungselemente, die mit einem elektrischen Strom getrennt erwärmt werden, versehen sein.
Der Steifigkeitssteuerungsmechanismus D enthält eine Einlagespule 6, die so angeordnet ist, dass sie hinten an die Oberfläche der Innenwand des Außenrohrs 4 angrenzt. Ein innerhalb der Einlagespule 6 und koaxial dazu angeordnetes Steifigkeitssteuerungs-Betätigungselement 16 umfasst eine Spule in Form einer Feder mit einem Zwischenraum zwischen benachbarten Windungen, die aus einem SMA hergestellt und an ihren bestimmten Orten mittels eines elektrisch nicht leitenden Klebstoffs 17 an der Einlagespule 6 befestigt ist. Die aus einer SMA hergestellte Steifigkeitssteuerungs-Aktuatorspule 16 ist mit einer Länge in ihrem natürlichen Zustand an der Einlagespule 6 befestigt, die zusammen mit dem Außenrohr 4 ein Außenskelett (Exoskelett) für das Steifigkeitssteuerungs-Betätigungselement 16 bildet. In der gezeigten Ausführungsform ist die aus einer SMA hergestellte Steifigkeitssteuerungs-Aktuatorspule 16 so beschaffen, dass sie ein einzelnes Gelenkstück oder Spulensegment aufweist, das mit einem durch es geschickten elektrischen Strom erwärmt wird, so dass es sich versteift, ohne den J-förmigen aktiven distalen Endabschnitt des Katheters 1 zu verformen. Wenn der elektrische Heizstrom ausgeschaltet wird, kann sich die Aktuatorspule 16 erweichen, wodurch der J-förmige aktive distale Endabschnitt des Katheters erweicht wird, ohne sich zu verformen. Natürlich kann die Spule 16 mit mehreren solchen Gelenkstücken oder Spulensegmente mit einer gegebenen Länge als Betätigungselemente versehen sein, die mit einem elektrischen Strom getrennt erwärmt werden.
Die Einlagespule 6 ist so konstruiert, dass sie zusammen mit dem flexiblen Außenrohr und mit dem flexiblen Innenrohr 3 und 4 elastisch verformbar ist, wenn jede der SMA-Aktuatorspulen 8, 12 und 14 mit einem hindurchgeschickten elektrischen Strom erwärmt und mit dem ausgeschalteten Strom abgekühlt wird. Die Mechanismen A, B, C und D können ebenfalls jeweils einen Abschnitt oder Abschnitte aufweisen, die an dem Innenrohr 3 befestigt sind, und brauchen außerdem nicht notwendig wie gezeigt miteinander verbunden zu sein und ihre Verbindung kann in einer geeigneten Reihenfolge geändert sein.
Die wie gezeigte und beschriebene Konstruktion, in der jede der Einlagespulen 6 und jede entsprechende Aktuatorspule 8, 12, 14, 16 in einem durch das innere und durch das äußere flexible Rohr 3 und 4 definierten kreisförmigen Raum beschränkt sind, bewirkt, dass sie ein Rohr oder rohrförmiges Objekt oder Instrument bilden und bestimmt ihre geometrischen Komponenten.
Ein schlankes Rohr, das gemäß der ersten Ausführungsform mit der wie in 1 gezeigten und oben beschriebenen Konstruktion als ein aktiver Katheter 1 verkörpert ist, kann dadurch, dass an ein Teil, das ein Gelenkstück bildet, in jedem der Mechanismen ein elektrischer Heizstrom angelegt wird, das J-förmige aktive distale Ende des Katheters wie gefordert bewegen, d. h. es wie durch die Pfeile a gezeigt in drei unabhängigen Richtungen biegen, wie durch den Pfeil b gezeigt torsionsartig drehen und wie durch den Pfeil c gezeigt ausfahren und einfahren (vor- und zurückbewegen), wobei es es in einem angemessen versteiften oder erweichten Zustand halten kann.
In eine an dem distalen Ende des Innenrohrs 3 des Katheters 1 vorgesehene Öffnung kann ein Fluid injiziert oder aus ihr abgesaugt werden. Alternativ kann ermöglicht werden, dass ein durch den Arbeitskanal in dem Innenrohr 3 geführtes Mikrowerkzeug durch diese Öffnung herauskommt und hereingeht.
Ein wie gezeigt und beschrieben verkörpertes schlankes Rohr kann somit auf eine Diagnose und auf eine Behandlung in der Medizin angewendet werden und außerdem als irgendein rohrförmiges Instrument für den Test oder für die Untersuchung und Wartung einer komplizierten Maschine oder eines Rohrleitungssystems verwendet werden.
2 zeigt in einer perspektivischen Teilansicht einen in drei Richtungen biegbaren aktiven Führungsdraht, der eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung repräsentiert. Ein in dieser Ausführungsform als ein aktiver Führungsdraht 20 verkörpertes schlankes Rohr ist ohne das Innenrohr 3, das in dem Katheter gemäß der ersten Ausführungsform vorgesehen ist, aber weiter hohl, um eine rohrförmige Konfiguration zu erhalten, deren Außen- und Innendurchmesser weiter verringert ist. Der Führungsdraht 20 ist an seinem distalen Ende, d. h. am vordersten Ende des J-förmigen aktiven distalen Endabschnitts, mit einer Kappe 21 versehen, die halbkugelförmig ist, um den hohlen Innenraum des wie in dieser Weise verkörperten Führungsdrahts 20 abzudichten und ein angemessenes Berührungsende der Führungsdrähte zu erzeugen. In 2 ist kein Steifigkeitssteuerungsmechanismus gezeigt, wobei er aber in dieser Ausführungsform wie in 1 als mit einem Ausfahr- und Einfahrmechanismus verbunden vorgesehen sein kann.
Jede Einlagespule 6 ist hier wieder so beschaffen, dass sie zusammen mit dem flexiblen Außenrohr 4 elastisch verformbar ist, wenn ein aus einer SMA hergestellter Aktuator 8, 12, 14 mit einem durch ihn geschickten elektrischen Strom erwärmt wird, und dass sie in ihren Ausgangszustand zurückgestellt wird, wenn der Strom abgeschaltet wird. Die Mechanismen können getrennt und unabhängig von anderen angeordnet sein oder alternativ mit einem Verbindungsstück oder mit Verbindungsstücken verbunden sein.
Die durch die zweite Ausführungsform erreichten Bewegungen für den J-förmigen aktiven Endabschnitt sind im Wesentlichen die gleichen wie die zuvor für die erste Ausführungsform beschriebenen.
3 zeigt in einer perspektivischen Teilansicht einen aktiven Führungsdraht, der in einer Richtung biegbar ist und eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung repräsentiert.
In dem in 3 gezeigten Führungsdraht 30 gemäß der dritten Ausführungsform weist ein Biegemechanismus A' lediglich eine aus einer SMA hergestellte Betätigungselementspule 8 auf, wobei er eine durch den Pfeil a' gezeigte Biegebewegung für den J-förmigen aktiven distalen Endabschnitt des Führungsdrahts in einer Richtung zulässt. Die weiteren durch diese Ausführungsform erreichten Bewegungen sind die gleichen wie in der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform. Obgleich in 3 kein Steifigkeitssteuerungsmechanismus D gezeigt ist, kann er in dieser Ausführungsform wie in 1 gezeigt ebenfalls als mit dem Ausfahr- und Einfahrmechanismus C verbunden vorgesehen sein.
4 zeigt in einer perspektivischen Teilansicht einen aktiven Führungsdraht mit einem Verbindungsdraht gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Obgleich in 4 kein Steifigkeitssteuerungsmechanismus D gezeigt ist, kann er in dieser Ausführungsform wie in 1 gezeigt ebenfalls als mit dem Ausfahr- und Einfahrmechanismus C verbunden vorgesehen sein.
Wie in 4 gezeigt ist, ersetzt der aktive Führungsdraht 40 gemäß der vierten Ausführungsform das Innenrohr 3 in dem aktiven Katheter gemäß der ersten Ausführungsform durch einen flexiblen Verbindungsdraht 42, der durch die hohle oder rohrförmige Konfiguration geleitet ist, um die Zentrierung des Biegemechanismus A und des sich torsionsartig drehenden Mechanismus B und des Ausfahr- und Einfahrmechanismus C und ferner des Steifigkeitssteuerungsmechanismus D sicherzustellen. Der Durchmesser des Führungsdrahts 40 ist hier ebenfalls weiter verringert. Die durch die vierte Ausführungsform erreichten Bewegungen für den aktiven distalen Endabschnitt sind im Wesentlichen die gleichen wie die durch die erste Ausführungsform erreichten.
5 zeigt in einer perspektivischen Teilansicht einen aktiven Führungs draht gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Obgleich in 5 kein Steifigkeitssteuerungsmechanismus D gezeigt ist, kann er in dieser Ausführungsform wie in 1 gezeigt ebenfalls als mit dem Ausfahr- und Einfahrmechanismus C verbunden vorgesehen sein.
Anhand der 5 und 6 weist ein Führungsdraht 50 gemäß der fünften Ausführungsform zwei benachbarte Betätigungsmechanismen in dem Führungsdraht 40 auf, die gemäß der vierten Ausführungsform mit einem Elektrodenstecker 54 und mit einer Elektrodenbuchse 52 miteinander verbunden sind. Wie gezeigt ist, ist genauer der Biegemechanismus A an seinem proximalen Ende mit einem Elektrodenstecker oder mit einer Elektrodenbuchse 54, 52 versehen, der/die mit einer Elektrodenbuchse oder mit einem Elektrodenstecker 52, 54 verbunden ist, die/der an dem distalen Ende des sich torsionsartig drehenden Betätigungsmechanismus B vorgesehen ist, der wiederum an seinem proximalen Ende mit einem Elektrodenstecker oder mit einer Elektrodenbuchse 54, 52 verbunden ist, der/die mit einer Elektrodenbuchse oder mit einem Elektrodenstecker 52, 54 verbunden ist, die/der an dem distalen Ende des Ausfahr- und Einfahrbetätigungsmechanismus C vorgesehen ist. Somit sind die Betätigungsmechanismen A, B, C und D gegenseitig elektrisch leitend hergestellt.
Diese Anordnung ermöglicht, dass der Biegemechanismus A, der sich torsionsartig drehende Mechanismus B, der Ausfahr- und Einfahrmechanismus C und der Steifigkeitssteuerungsmechanismus D jeweils als ein unabhängiges Modul hergestellt werden, das leicht mit denen für die anderen montiert und von ihnen gelöst werden kann.
Der Verbindungsdraht 42 in der fünften Ausführungsform kann durch ein in 1 gezeigtes Innenrohr 3 ersetzt sein, um einen aktiven Katheter mit einem Arbeitskanal und einer Ringstruktur mit einem Elektrodenstecker und einer Elektrodenbuchse 54, 52 zu schaffen.
Es wird nun eine ausführliche Beschreibung jedes der Mechanismen A, B, C und D gegeben.
7 zeigt in einer perspektivischen Teilansicht einen Biegemechanismus 70 für einen aktiven Katheter.
Anhand von 7 enthält der Biegebetätigungsmechanismus 70 eine Einlagespule 6, die so angeordnet ist, dass sie hinten an die Oberfläche der Innenwand des Außenrohrs 4 angrenzt und mit einem Isoliermaterial beschichtet ist. Innerhalb der Einlagespule 6 koaxial dazu angeordnet ist ein aus einer SMA her gestelltes Biegebetätigungselement 8 in Form einer oder mehrerer (wie gezeigt dreier) dicht gewickelter Federspulen vorgesehen, von denen jede mittels eines leitenden Klebstoffs 72 in elektrischem Kontakt damit an der Einlagespule 6 gesichert ist. Außerdem ist jede der Biegeaktuatorspulen 8 an ihren geeigneten Orten mit einem elektrisch nicht leitenden Klebstoff 17 an der Einlagespule 6 gesichert. Ein Innenrohr 3 ist so angeordnet, dass es sich entlang der Längsachse des aktiven Katheters erstreckt.
Jede der auf diese Weise konstruierten und angeordneten aus einer SMA hergestellten Biegeaktuatorspulen 8 weist eine mehrfach verbundene Struktur und mehrere Gelenksegmente oder Teile auf, von denen jedes mit einem elektrischen Strom erwärmt werden kann, der über einen Leiterdraht von einer Leistungsversorgung dadurch angelegt wird. Um die geforderten elektrischen Verbindungen herzustellen, sind drei solche Leiterdrähte 74 mit einem leitenden Klebstoff 72 an den SMA-Aktuatorspulen 8 befestigt, während einer an der Einlagespule 6 befestigt ist. Ein Metallstab 77 und ein Halter 78, die mit einem nicht leitenden Klebstoff 76 an den SMA-Aktuatorspulen 8 befestigt sind, werden zum Montieren des Mechanismus verwendet und können belassen werden, um ein Verbindungsstück dafür zu bilden. Falls das Innenrohr 3 wie zuvor beschrieben weggelassen oder durch einen Verbindungsdraht 42 ersetzt ist, können sie als eine zusätzliche Komponente für den Führungsdraht-Biegebetätigungsmechanismus dienen.
8 zeigt ausführlich, wo und wie eine SMA-Aktuatorspule 8 an der Einlagespule 6 befestigt ist und ein Leiterdraht 74 mit der SMA-Aktuatorspule verbunden ist. 9A zeigt eine tatsächliche Schaltung (a) und 9B eine Ersatzschaltung davon. In diesen Figuren ist der Einfachheit halber eine einzelne SMA-Aktuatorspule 8 allein gezeigt.
Wie in 8 gezeigt ist, ist die Isolationsbeschichtung an einem Ort 82 lokal von der Einlagespule 6 entfernt und die Einlagespule 6 daraufhin dort mit einem leitenden Klebstoff 72 mit der SMA-Aktuatorspule 8 verklebt, um eine elektrische Verbindung mit der SMA-Aktuatorspule 8 herzustellen. An einem Ort 83 an der Einlagespule 6, wo die Isolationsbeschichtung nicht entfernt verbleibt und die Einlagespule 6 an der SMA-Spule 8 befestigt ist, ist der Leiterdraht 74 an der SMA-Aktuatorspule 8 befestigt und elektrisch mit ihr verbunden, um eine elektrische Verbindung damit herzustellen. Die Einlagespule 6 ist geerdet.
9A zeigt eine beispielhafte Anordnung einer Mehrgelenkstück-SMA-Aktuatorspule 8, in der die SMA-Aktuatorspule 8 in drei Spulenteile oder -seg mente 92, 94 und 96 aufgeteilt ist, von denen jedes so konstruiert ist, dass es eine Gelenkverbindung oder ein "Gelenkstück" bildet und zwischen zwei benachbarten Orten 82 definiert ist, wo die SMA-Aktuatorspule 8 mechanisch an der Einlagespule befestigt und außerdem elektrisch mit ihr verbunden ist. Die Leiterdrähte 74 sind an den Orten 83, die jeweils die Mitten der Spulensegmente 92, 94 und 96 repräsentieren und wo die SMA-Aktuatorspule 8 in elektrischer Isolation an der Einlagespule 6 befestigt ist, an der Aktuatorspule 8 befestigt und elektrisch mit ihr verbunden. Diese SMA-Aktuatorspulensegmente 92, 94 und 96 bilden Widerstände in einer elektrischen Schaltung, wobei die Einlagespule 6 einen Widerstandswert aufweist, der im Vergleich zu dem Gesamtwiderstandswert der Aktuatorspule 8 und sogar zu dem Widerstandswert jedes der Aktuatorspulensegmente 92, 94 und 96 vernachlässigbar ist. Somit weisen drei Parallelschaltungen zum selektiven Schicken eines elektrischen Heizstroms durch diese Spulensegmente 92, 94 und/oder 96, die über einen Anschluss der Einlagespule 6 einerseits und die oben erwähnten jeweiligen drei Leitungen 74 andererseits ausgebildet sind, eine wie in 9B gezeigte Ersatzschaltung auf, wobei jeweilige Ein/Aus-Schalter 97, 98 und 99 vorgesehen sind. Da der Strom geteilt wird, so dass er gemäß dem Widerstandswert fließt, falls z. B. lediglich der erste und der dritte Schalter 97 und 99 eingeschaltet sind, während der zweite Schalter 98 aus gelassen wird, um einen elektrischen Strom selektiv durch das erste und durch das dritte Spulensegment 92 und 96 zu schicken und sie dadurch selektiv zu erwärmen, ist der durch den zweiten Aktuator 94 fließende Strom vernachlässigbar niedrig mit dem Ergebnis, dass lediglich das erste und das dritte SMA-Aktuatorspulensegment 92 und 96 erwärmt und dadurch verformt werden (in diesem Fall schrumpfen).
Falls wie in den 5 und 6 gezeigt ein Elektrodenstecker und eine Elektrodenbuchse (52, 54) verwendet werden, sollte die Einlagespule 6, die geerdet ist, so ausgebildet sein, dass sie einen gemeinsamen Anschluss für einen elektrischen Stromkreis aufweist, der mit den anderen vorgesehenen Anschlüssen gebildet wird und jeweils entsprechend mit den Aktuatorspulensegmenten 92, 94 und 96 verbunden wird.
Die SMA-Aktuatorspulen 8 können mit einem Spulendrahtdurchmesser von 50 Mikrometern vorbereitet werden, wobei jede einen Außendurchmesser von z. B. 250 Mikrometern aufweist. Eine z. B. aus rostfreiem Stahl hergestellte Einlagespule 6 kann eine Isolationsbeschichtung z. B. aus einem galvanisch darauf niedergeschlagenen wärmeaushärtenden Acrylharz aufweisen und einen Außen durchmesser von 1,1 bis 1,3 mm und einen Spulendrahtdurchmesser von 100 Mikrometern aufweisen. Falls der Durchmesser des Spulendrahts weiter verringert werden muss, kann er mit Königswasser geätzt werden, um einen weiter verdünnten Draht mit einem Außendurchmesser von 80 Mikrometern zu erzeugen.
Ein Halteelement zum Befestigen einer Einlagespule und einer SMA-Aktuatorspule oder von SMA-Aktuatorspulen kann z. B. ein Polyimidrohr mit einem Durchmesser von 0,4 bis 0,5 mm verwenden. Ein Montagemetallstab kann einen Durchmesser von 0,3 mm aufweisen und ein leitender Klebstoff ein Epoxidharz mit einem Silberfüllstoff verwenden.
Eine aus solchen Elementen vorbereitete Baueinheit kann in ein Außenrohr mit einem Außendurchmesser von 1,3 mm eingepasst sein, um einen aktiven rohrförmigen Führungsdraht vom gliedlosen und Außenskeletttyp ohne ein Innenrohr zu bilden, der mit einem Mehrgelenkstück-Mehrfreiheitsgrad-Bewegungsmechanismus mit einem Außendurchmesser von 1,4 mm versehen ist.
10 zeigt eine Flachdraht-Einlagespule 101, die mit dem Vorteil verwendet werden kann, dass sie eine erhöhte Steifigkeit in ihrer Längsrichtung aufweist, während sie eine angemessene Steifigkeit in ihrer Querrichtung besitzt und somit eine ausgezeichnete Biegbarkeit oder Querverformbarkeit schafft, um einen aktiven Abschnitt, wie er in dem Biegebetätigungsmechanismus verwendet wird, zu biegen.
Eine so konfigurierte Einlagespule 101, wie sie in einem wie zuvor beschriebenen Ein- oder Mehrrichtungs-Biegebetätigungsmechanismus verwendet wird, biegt sich, um je nach der Anzahl der vorgesehenen SMA-Biegeaktuatoren in jeder von einer Anzahl der gegebenen Richtungen Biege- und Wiederherstellungsbewegungen für seinen aktiven Abschnitt mit verbesserter Qualität zu erzeugen, wenn die Einlagespule 101 bei Schrumpfung und Ausdehnung eines gegebenen SMA-Aktuatorspulen-Gelenkabschnitts, die durch seine elektrische Erwärmung oder Abkühlung erzeugt wird, aus ihrer Ausgangsstellung quer verformt wird und in ihre Ausgangsstellung wiederhergestellt wird.
Nachfolgend wird eine ausführlichere Erläuterung des zuvor beschriebenen sich torsionsartig drehenden Mechanismus gegeben.
Die 11A, 11B und 11C sind Ansichten, die das Wesen des sich torsionsartig drehenden Betätigungsmechanismus zeigen, wobei 11A die aus einer SMA hergestellte sich torsionsartig drehende Aktuatorspule 12 in ihrem natürlich geformten Erinnerungszustand zeigt. 11B zeigt die SMA-Aktuatorspule 12, die torsionsartig gedreht ist, so dass sie dementsprechend einen Durchmesser aufweist, der gegenüber ihrem Durchmesser in ihrem natürlichen Erinnerungszustand etwas erhöht ist. 11C ist eine Ansicht des Aussehens eines sich torsionsartig drehenden Mechanismus 110.
Der wie in 11C gezeigte sich torsionsartig drehende Mechanismus 110 ist für einen aktiven Führungsdraht bestimmt, wobei er so gezeigt ist, dass der Einfachheit halber bestimmte zuvor beschriebene Elemente wie etwa das Außenrohr 4 (2–5) und der Verbindungsdraht 42 (4 und 5) und die Kappe 21 (2–5), die zum Einpassen eines gezeigten aus einem Polymer hergestellten Befestigungsrohrs 112 verwendet werden können, weggelassen sind. Falls das Befestigungsrohr 112 durch ein in 1 gezeigtes Innenrohr 3 ersetzt ist, führt dies zu einem aktiven Katheter, dessen Durchmesser veränderlich ist. Im Folgenden wird hauptsächlich eine Beschreibung in Bezug auf aktive Führungsdrähte gegeben.
Anhand der 11A, 11B und 11C verwendet der sich torsionsartig drehende Mechanismus 110 einen aus einer SMA hergestellten Spulenaktuator 12, der innerhalb einer Einlagespule 6 angeordnet und wie zuvor beschrieben koaxial dazu daran befestigt ist. Wenn der SMA-Spulenaktuator 12 auf diese Weise befestigt worden ist, ist er hier verformt worden, während er torsionsartig gedreht worden ist, so dass er einen Spulendurchmesser aufweist, der gegenüber seinem Formerinnerungszustand, d. h. seinem natürlichen oder nicht verformten Ausgangszustand, etwas vergrößert ist. Um den sich torsionsartig drehenden SMA-Spulenaktuator 12 an ausgewählten Orten an der Einlagespule 6 zu befestigen, wird ein nicht leitender Klebstoff 17 verwendet. Die gegenüberliegenden Enden des SMA-Spulenaktuators 12 werden mit einem nicht leitenden Klebstoff 17 an jenen der Einlagespule 6 an den Befestigungsrohren 112 und 112 befestigt.
Ferner sind an den gegenüberliegenden Enden des SMA-Spulenaktuators 12 Leiterdrähte 113 verbunden, um zu ermöglichen, dass er mit einem durch ihn geschickten elektrischen Strom erwärmt wird.
Falls die Einlagespule 6 für ihre Gesamtheit gemeinsam an einem Ende geerdet ist, können der SMA-Spulenaktuator 12 und die Einlagespule 6 über das Befestigungsrohr 112 elektrisch miteinander verbunden sein, wobei der SMA-Spulenaktuator 12 an seinem gegenüberliegenden Ende mit einem Leiterdraht verbunden sein kann, um zu ermöglichen, dass er mit einem durch ihn geschickten elektrischen Strom erwärmt wird.
Der Winkel der durch den Mechanismus 110 bewirkten torsionsartigen Drehung hängt mit den Schrittweiten des SMA-Spulenaktuators 12 und der Einlagespule 6 sowie dem Verhältnis dieser Schrittweiten und dem Verhältnis der Drahtdurchmesser des SMA-Spulenaktuators 12 und der Einlagespule 6 zusammen. Somit ist der erhaltene Maximalwinkel der torsionsartigen Drehung umso größer, je höher der SMA-Spulenaktuator 12 in Bezug auf diese Verhältnisse ist. Durch die Einstellung dieser Verhältnisse wird eine optimale Einstellung für den Winkel der torsionsartigen Drehung ermöglicht.
Sowohl an dem distalen als auch an dem proximalen Ende des Mechanismus 110 kann ein Befestigungsrohr 112 vorgesehen sein, das ein aus Polyurethan hergestelltes Rohr mit einem Außendurchmesser von 0,89 bis 1,47 mm sein kann. Der SMA-Spulenaktuator 12 kann einen Spulenaußendurchmesser von 1,6 bis 1,8 mm mit einer Schrittweite von 0,8 mm und einem Drahtdurchmesser von 100 Mikrometern aufweisen. Die Einlagespule 6 kann aus rostfreiem Stahl hergestellt sein und einen Durchmesser von 3,1 bis 3,3 mit einem Spulendrahtdurchmesser von 250 Mikrometern, einer Spulenlänge von 250 Mikrometern und einer Schrittweite von etwa 2,0 mm aufweisen und geätzt worden sein. Der nicht leitende Klebstoff 17 ist ein Epoxidharzklebstoff, der in einer Zeitdauer von 10 Minuten aushärtet.
Um den Ansteuerstrom zu verringern, kann der SMA-Spulenaktuator einen verringerten Durchmesser haben. Zum Beispiel kann der SMA-Spulenaktuator einen Außendurchmesser von 0,3 bis 0,4 mm und einen Drahtdurchmesser von 100 Mikrometern oder weniger aufweisen. Die Einlagespule kann einen Durchmesser von 1,3 bis 1,5 mm aufweisen und die Befestigungsrohre am vorderen und am hinteren Ende können einen Durchmesser von 0,3 bis 0,4 mm aufweisen. Außerdem sollte der nicht leitende Klebstoff einen Epoxidharzklebstoff oder dergleichen verwenden, der äußerst wärmebeständig ist.
Falls Elektrodenstecker und Elektrodenbuchsen verwendet werden, wie sie in 6 gezeigt sind, kann der eine Anschluss von einem von ihnen, der dazu verwendet wird, den SMA-Spulenaktuator und die Einlagespule an ihrem einen Ende miteinander zu verbinden, zum Erden der Einlagespule verwendet werden, während der andere Anschluss als der Anschluss zum Leiten des Stroms durch den SMA-Spulenaktuator an seinem anderen Ende gebildet sein kann. Falls die Einlagespule nicht geerdet ist, können die Elektrodenstecker und Elektrodenbuchsen mit einer Verdrahtung gebildet sein, die so beschaffen ist, dass sie den SMA- Spulenaktuator befestigt und den Strom in ihn leitet.
Falls in dem sich torsionsartig drehenden Mechanismus 110 für den so wie oben beschriebenen konstruierten aktiven Führungsdraht 120 der SMA-Spulenaktuator 12 mit einem durch ihn geschickten elektrischen Strom erwärmt wird, wird er verformt, d. h. schrumpft er oder dreht er sich torsionsartig, um seine natürliche Erinnerungsform wiederherzustellen, wobei er den aktiven Endabschnitt selbst in einem Blutgefäß 122, wie es in 12 gezeigt ist, das in seiner Mitte eine Schleife oder einen komplizierten Weg oder Bereich haben kann, wie durch den Pfeil in den 1 bis 3 angegeben genau drehen kann. Wenn der Heizstrom ausgeschaltet ist, wirkt die Einlagespule 6 als eine Vorspannfeder, die ermöglicht, dass der SMA-Spulenaktuator 12 seine Anfangsform und seinen Anfangswinkel wiederherstellt.
Folglich weist der wie oben beschrieben konstruierte aktive Führungsdraht die Fähigkeit auf, in seinem sehr aktiven Endabschnitt ein Drehmoment zu erzeugen, um ihn mit Genauigkeit zu drehen.
Im Folgenden wird eine Erläuterung eines Ausfahr- und Einfahrmechanismus gegeben.
Die 13A, 13B und 13C zeigen einen Ausfahr- und Einfahrmechanismus genauer, wobei 11A einen SMA-Spulenaktuator in seinem natürlich geformten Erinnerungszustand mit seiner natürlichen Erinnerungsform oder -länge zeigt. 13B zeigt den SMA-Spulenaktuator, der aus seinem natürlichen Erinnerungszustand etwas axial geschrumpft ist. 13C zeigt eine Ansicht, die das Aussehen des Ausfahr- und Einfahrmechanismus zeigt.
Beim Bilden des Ausfahr- und Einfahrmechanismus kann ein Vorspannelement verwendet werden, als das etwa eine Einlagefederspule dient, das so wirkt, dass es den SMA-Spulenaktuator so hält, dass er normal entweder ausgefahren oder geschrumpft ist oder dass er axial eingefahren als gezogen oder zusammengezogen ist, und das so wirkt, dass es ermöglicht, dass der SMA-Spulenaktuator durch Erwärmen eingefahren oder ausgefahren wird, um dadurch seine ursprüngliche natürliche Erinnerungsform oder Länge wiederherzustellen oder dazu zu neigen, sie wiederherzustellen. Das Vorspannelement kann mit dem wie axial dazu angeordneten SMA-Spulenaktuator kombiniert sein, um einen Ausfahr- und Einfahrmechanismus zu schaffen. Normalerweise wird eine genaue Bewegung zum Einfahren des aktiven distalen Endabschnitts eines Führungsdrahts oder Katheters leicht dadurch erreicht, dass er an seinem proximalen End abschnitt gezogen wird, während die Bewegung zum Ausfahren des aktiven distalen Endabschnitts des Führungsdrahts oder Katheters wie oben erwähnt schwer genau zu erreichen ist. Somit ist es sehr erwünscht, einen Führungsdraht oder Katheter zu schaffen, in dem eine Bewegung zum Ausfahren seines aktiven Abschnitts genau steuerbar ist. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist der Ausfahr- und Einfahrmechanismus somit hier vorzugsweise wie von dem Typ mit der Fähigkeit, seinen aktiven Endabschnitt nur auf Anforderung einer solchen Aktion auszufahren und ihn automatisch wiederherstellen zu lassen (einzufahren), wenn die Aktion abgeschlossen ist, konstruiert.
Wie in 13 gezeigt ist, verwendet der Ausfahr- und Einfahrmechanismus 130 einen aus einer SMA hergestellten Spulenaktuator 14, der innerhalb einer Einlagefederspule 6 angeordnet und koaxial dazu befestigt ist. Wenn der SMA-Spulenaktuator 14 hier so befestigt worden ist, ist er als axial geschrumpft verformt worden, wobei er eine Spulenlänge aufweist, die gegenüber ihrem natürlichen und nicht verformten Ausgangsformerinnerungszustand etwas verringert ist. Um den aus einer SMA hergestellten Ausfahr- und Einfahrspulenaktuator 14 an ausgewählten Orten an der Einlagefederspule 6 zu befestigen, ist hier wieder ein nicht leitender Klebstoff 17 verwendet worden. Die gegenüberliegenden Enden des SMA-Spulenaktuators 14 sind mit einem nicht leitenden Klebstoff 17 an jenen der Einlagefederspule 6 an den Befestigungsrohren 112 und 112 befestigt. Somit weist der aus einer SMA hergestellte Ausfahr- und Einfahrspulenaktuator 14 in anderer Hinsicht mit Ausnahme dessen, wie er an der Einlagefederspule 6 befestigt ist, die gleiche Konstruktion wie der aus einer SMA hergestellte sich torsionsartig drehende Spulenaktuator 12 auf, wobei der erstere geschrumpft worden ist, während der letztere torsionsartig gedreht worden ist.
Falls der SMA-Spulenaktuator 14 in dem so wie oben beschrieben konstruierten Ausfahr- und Einfahrmechanismus 130 für einen aktiven Führungsdraht oder Katheter mit einem durch ihn geschickten elektrischen Strom erwärmt wird, wird er verformt, d. h. ausgefahren, um seinen natürlichen Erinnerungszustand wiederherzustellen, wobei er den wie durch den Pfeil in den 1 bis 3 und 14 angegebenen aktiven Endabschnitt des Führungsdrahts mit Genauigkeit ausfahren kann. Wenn der Heizstrom abgeschaltet wird, wirkt die Einlagefederspule 6 als eine Vorspannfeder, die ermöglicht, dass der SMA-Spulenaktuator 14 seine Anfangslänge wiederherstellt.
Dementsprechend weist der so wie oben beschrieben konstruierte und funktionierende aktive Führungsdraht oder Katheter die Fähigkeit auf, seinen aktiven Endabschnitt selbst in einem wie in 14 gezeigten Blutgefäß 122, das in seiner Mitte eine Schleife oder einen komplizierten Weg oder Bereich haben kann, genau zu positionieren.
Nachfolgend wird eine Erläuterung für einen Steifigkeitssteuerungsmechanismus gegeben.
Die 15A und 15B zeigen einen Steifigkeitssteuerungsmechanismus genauer, wobei 15A einen SMA-Spulenaktuator in seinem natürlich geformten Erinnerungszustand zeigt und 15B eine Ansicht ist, die ein Aussehen des Steifigkeitssteuerungsmechanismus zeigt.
Anhand der 15A und 15B verwendet der mit dem Bezugszeichen 150 bezeichnete Steifigkeitssteuerungsmechanismus einen aus einer SMA hergestellten Steifigkeitssteuerungs-Spulenaktuator 16, der innerhalb einer Einlagespule 6 angeordnet und koaxial dazu befestigt ist. Somit ist der aus einer SMA hergestellte Steifigkeitssteuerungs-Spulenaktuator 16 in seinem natürlichen Erinnerungszustand befestigt. Um den aus einer SMA hergestellten Spulenaktuator 16 an den ausgewählten Orten an der Einlagespule 6 zu befestigen, wird ein nicht leitender Klebstoff 17 verwendet. Die gegenüberliegenden Enden des SMA-Spulenaktuators 16 werden mit einem nicht leitenden Klebstoff 17 an jenen der Einlagespule 6 an den Befestigungsrohren 112 und 112 befestigt. Diesbezüglich und in anderer Hinsicht besitzt der aus einer SMA hergestellte Steifigkeitssteuerungs-Spulenaktuator 16 abgesehen davon, dass er, obgleich er an der Einlagespule 6 befestigt ist, nicht verformt worden ist, sondern seinen natürlich geformten Erinnerungszustand erhalten hat, die gleiche Konstruktion wie der aus einer SMA hergestellte sich torsionsartig drehende Spulenaktuator 12 und der aus einer SMA hergestellte Ausfahr- und Einfahrspulenaktuator 14.
Falls in dem wie oben beschriebenen Steifigkeitssteuerungsmechanismus 150 der SMA-Spulenaktuator 16 und somit der aktive Endabschnitt eines Führungsdrahts oder Katheters z. B. in einem wie in 16A gezeigten Blutgefäß 122 mit einem durch ihn geschickten elektrischen Strom erwärmt wird, wird seine Federkonstante (Steifigkeit) erhöht und er somit weniger flexibel. Wenn durch den SMA-Spulenaktuator 16 wie in 16B gezeigt kein Heizstrom geschickt wird, ist der SMA-Spulenaktuator weicher und somit unter einer äußeren Kraft flexibler.
Somit können durch Ändern der Größe des durch den SMA-Spulenaktuator 16 geschickten elektrischen Stroms die Steifigkeit und die Flexibilität des akti ven Abschnitts des Führungsdrahts oder Katheters geändert und eingestellt werden.
Während ein SMA-Material dem Wesen nach unter einer äußeren Kraft flexibel ist, ist die Bedeutung für den als ein Teil eines aktiven schlanken Rohrs wie oben beschrieben integrierten Steifigkeitssteuerungsmechanismus, dass die Fähigkeit geschaffen wird, die gewünschten Steifigkeit seines distalen aktiven Endes in einem Körper, z. B. in einem menschlichen Körper, von einem Ort außerhalb des Körpers selbst einzustellen.
Es wird nun eine Erläuterung der Montageverfahren eines sich torsionsartig drehenden Mechanismus, eines Ausfahr- und Einfahrmechanismus und eines Steifigkeitssteuerungsmechanismus gegeben. Jeder dieser hier zu montierenden Mechanismen weist eine Außenskelettkonfiguration (Exoskelettkonfiguration) auf, in der eine Einlagespule als ein Außenskelett angeordnet ist. Die Verfahren zur Montage oder Herstellung dieser Mechanismen unterscheiden sich in Bezug darauf, ob ein an einer Einlagespule befestigter SMA-Spulenaktuator seinen natürlichen Formerinnerungszustand aufweist oder verformt worden sein muss, d. h. gedreht (torsionsartig verformt) oder geschrumpft (in Längsrichtung verformt) worden sein muss.
Als ein Beispiel ist die folgende Beschreibung ein Verfahren zur Montage des sich torsionsartig drehenden Mechanismus für einen aktiven Führungsdraht. Die 17A–17E und 18F–18G zeigen Schritte eines Verfahrens zur Montage eines aktiven Führungsdrahts vom Exoskeletttyp. Es wird angemerkt, dass jede dieser Figuren auf ihrer rechten Seite eine schematische Querschnittsdarstellung eines rohrförmigen Objekts zeigt, das montiert wird.
Wie in 17A gezeigt ist, wird zunächst ein Befestigungsrohr 112 auf ein Montagerohr 171 aus Silikonkautschuk eingesetzt oder montiert, wobei auf das Rohr 171 von seinen gegenüberliegenden Endseiten die Aufnahmeelemente 78 und 78 eingeführt werden. Im Fall eines hohlen aktiven Führungsdrahts wird das aus Silicium hergestellte Montagerohr 171 verwendet, um ein Innenrohr zu bilden. Falls ein aktiver Führungsdraht einen Verbindungsdraht zur Zentrierung aufweisen sollte, wird das aus Silicium hergestellte Montagerohr 171 durch einen Draht ersetzt, der weich oder flexibel ist.
Wie in 17B gezeigt ist, werden zunächst mit einem nicht leitenden Klebstoff 17 an dem Halter oder an den Aufnahmeelementen 78 und 78 z. B. wie gezeigt drei Montagemetallstäbe 173 befestigt und anschließend wie in 7C gezeigt mit einem SMA-Spulenaktuator 176 bedeckt.
Die in diesen Verfahrensschritten verwendeten Halter- oder Aufnahmeelemente 78 und Metallstäbe 173 können z. B. durch ein wie in den 19A und 19B gezeigtes Montagespannwerkzeug ersetzt werden. Das in 19 gezeigte Montagespannwerkzeug weist die Form eines Rohrs auf, das einen kreisförmigen oder dreieckigen Querschnitt aufweist und dreiseitige Aussparungen oder Nuten aufweist. Ein solches Spannwerkzeug ermöglicht, dass die SMA-Aktuatorspule leicht positioniert wird. Die Verwendung eines rohrförmigen Spannwerkzeugs mit Seitenaussparungen oder -nuten kann außerdem verhindern, dass Klebstoff an der Spannwerkzeugstruktur klebt. Als sein Material wäre Teflon geeignet, um zu verhindern, dass Klebstoff, falls er zufällig in Kontakt gelangt, klebt, wobei es außerdem leicht zu einem schlanken Körper maschinell bearbeitbar ist.
Nachfolgend werden zweite Montagemetallstäbe 175, z. B. drei, mit einem nicht leitenden Klebstoff 17 an den ersten Montagemetallstäben an den wie in 17D gezeigten Aufnahmeelementen befestigt und die Leiterdrähte 113 und 113 wie in 17E gezeigt elektrisch mit den gegenüberliegenden Enden des SMA-Spulenaktuators 176 verbunden. Daraufhin wird der SMA-Spulenaktuator mit einer Einlagespule 6 bedeckt und an geeigneten Orten mit einem nicht leitenden Klebstoff 17 daran befestigt. Falls die Einlagespule als eine Masse in der elektrischen Schaltung verwendet wird, werden ein Ende des SMA-Spulenaktuators und ein Ende der Einlagespule elektrisch miteinander verbunden.
Nachfolgend werden die gegenüberliegenden Enden sowohl der ersten Metallstäbe 173 als auch der zweiten Metallstäbe 175 z. B. unter Verwendung eines YAG-Lasers wie in 17F gezeigt abgeschnitten. Daraufhin werden die verbleibenden ersten und zweiten Metallstäbe herausgezogen, werden das aus Silikonkautschuk hergestellte Montagerohr und eines der Halteelemente 78 entfernt, so dass eine wie in 17G gezeigte Baueinheit zurückbleibt, und wird die Baueinheit mit einem Außenrohr bedeckt, um das Verfahren abzuschließen.
Das oben beschriebene Verfahren ist als Montage einer Einzeleinheit einer SMA-Spule und Einlagespule beschrieben und kann gleichfalls zur Montage mehrerer solcher Einheiten wie miteinander verbunden angewendet werden.
Die Halteelemente, die belassen werden können, um Verbindungsstücke zu bilden, können durch Elektrodenverbinder gebildet werden, die eine kreisförmige Form aufweisen. Es ist erwünscht, die Mechanismen in einer einzelnen Einheit zu montieren.
Die Verwendung der Elektrodenverbinder ermöglicht, dass die Mechanismen als modulare Einheiten hergestellt werden, von denen jede leicht mit den anderen verbunden und von ihnen gelöst werden kann.
Somit versetzt die Vorbereitung modularer Einheiten mit ihren eigenen Mechanismen wie etwa jenen zum Biegen, zum torsionsartigen Drehen und zum Einfahren und Ausfahren und mit weiteren eigenen Funktionen wie etwa mit einem Ultraschallsensor bzw. einem chemischen Sensor einen Operateur z. B. in die Lage, notwendige Module zu wählen und zu kombinieren, um einen wie in einem Operationssaal gewünschten Mehrfunktionskatheter oder dergleichen vorzubereiten.
Nachfolgend wird eine Erläuterung eines Montageverfahrens unter Verwendung einer Metallelektroplattierungs- oder galvanischen Metallabscheidungstechnik eines Harzes gegeben. Ein solcher Verfahrensschritt erfordert die Verwendung eines SMA-Spulenaktuators, der schlanker ist und z. B. einen Außendurchmesser von 1,3 mm aufweist.
Das Montageverfahren soll eine Befestigung unter Verwendung der Metallelektroplattierung oder der galvanischen Metallabscheidung eines Harzes bewirken. Es kann den oben beschriebenen Verfahrensschritt des Befestigens eines Klebstoffs ersetzen und mit den zuvor erwähnten weiteren Verfahrensschritten kombiniert werden.
Dieses Montageverfahren wird im Folgenden beispielhaft in Anwendung auf die Herstellung eines wie zuvor beschriebenen Biegemechanismus geschildert. Die Verwendung einer lose gewickelten Feder anstelle einer dicht gepackten Spulenfeder in dem Biegemechanismus macht den Verfahrensschritt auch für den sich torsionsartig drehenden Mechanismus und für den Ausfahr- und Einfahrmechanismus anwendbar.
Die 20A und 20B zeigen wesentliche Phasen des Verfahrens der Montage eines aktiven schlanken Rohrs, in dem der SMA-Spulenaktuator und die Einlagespule sowohl mechanisch befestigt als auch elektrisch miteinander verbunden werden vor bzw. nach dem Elektroplattieren.
Zunächst wird eine Isolierschicht, die zuvor auf der Oberfläche sowohl eines SMA-Spulenaktuators 202 als auch einer Einlagespulenfeder 6 beschichtet worden ist, z. B. unter Verwendung eines YAG-Lasers lokal ablatiert, um in den Isolierschichten nicht isolierte oder elektrisch leitende Abschnitte 204, 208 zu erzeugen. YAG-Laser mit optimierten Ablationsbedingungen ermöglichen, dass die Isolierbeschichtung in einem Bereich so klein wie mehrere zehn Mikrometer ablatiert wird.
Beim vorbereitenden Auftragen einer Isolierschicht sowohl auf den SMA-Spulenaktuator als auch auf die Einlagespulenfeder ist es erwünscht, eine Aufdampfung von Parylen oder eine galvanische Metallabscheidung eines wärme- oder ultraviolettaushärtbaren Acrylharzes zu verwenden.
Nachfolgend werden der SMA-Spulenaktuator 202 und die Einlagespulenfeder 6 unter Verwendung eines wie in 19A gezeigten Spannwerkzeugs in der Weise angeordnet, dass der nicht isolierende Abschnitt 204 an dem SMA-Spulenaktuator 202 und der nicht isolierende Abschnitt 208 an der Einlagespule 6 wie in 21A gezeigt nahe beieinander liegen können. Daraufhin werden die Einlagespule 6 und der SMA-Aktuator 202 in eine Elektroplattierungslösung 200 getaucht und mit dem negativen Anschluss einer im Wesentlichen Gleichspannungsversorgung 201 elektrisch verbunden, deren positiver Anschluss elektrisch verbunden ist, wobei eine Elektrode 203 ebenfalls in die Elektroplattierungsflüssigkeit 200 getaucht ist. Diejenigen Abschnitte des SMA-Spulenaktuators 202 und der Einlagespule 6, die isoliert bleiben, sind mit 206 bzw. 207 bezeichnet.
Während wie in 20B gezeigt von der Elektrode 203 ein Elektroplattierungsstrom durch die Elektroplattierungslösung 200 sowohl zu dem SMA-Spulenaktuator 202 als auch zu der Einlagespule 6 geschickt wird, wird aus der Lösung 200, die das Metall enthält, auf den nicht isolierenden oder leitenden Abschnitten 204 und 208 an dem SMA-Spulenaktuator 202 und an der Einlagespule 6 ein Metall, z. B. Nickel, elektrolytisch abgelagert, um sie an diesen Abschnitten zu verkleben. Somit werden der SMA-Spulenaktuator 202 und die Einlagespule 6 mit dem abgelagerten Metall, das als ein Befestigungsmittel dient, wie gezeigt an dem einzelnen Ort 209 sowohl elektrisch als auch mechanisch fest miteinander verbunden.
Die 21A und 21B zeigen wesentliche Phasen des Verfahrens der Montage eines aktiven schlanken Rohrs, in dem der SMA-Spulenaktuator, die Einlagespule und der Leiterdraht durch Elektroplattierung sowohl mechanisch befestigt als auch elektrisch miteinander verbunden werden vor bzw. nach dem Elektroplattieren.
Wie in 21A gezeigt ist, wird eine Isolierschicht an dem Leiterdraht 210 lokal entfernt, falls der SMA-Spulenaktuator 202, die Einlagespule 6 und ein Leiterdraht 210 miteinander verbunden werden sollen, um daran einen nicht isolie renden oder elektrisch leitenden Abschnitt 213 zu erzeugen. Der Leiterdraht 210, der SMA-Spulenaktuator 202 und die Einlagespule 6 werden in das Elektroplattierungsbad 200 getaucht und so angeordnet, dass die nicht isolierenden Abschnitte 213, 204 und 208 nahe beieinander liegen können.
Während wie in 21B gezeigt ein von der Stromquelle 201 gelieferter Elektroplattierungsstrom von der Elektrode 203 durch die Elektroplattierungslösung 200 zu dem SMA-Spulenaktuator 202, zu der Einlagespule 6 und zu dem Leiterdraht 210 geschickt wird, wird aus der Lösung 200 auf den nicht isolierenden Abschnitten 204, 208 und 213 ein Metall 209, z. B. Nickel, elektrolytisch abgelagert, um diese Abschnitte mit dem Metall 209 zu verkleben, wodurch der SMA-Spulenaktuator 202, die Einlagespule 6 und der Leiterdraht 210 an einem wie gezeigten einzelnen Ort sowohl elektrisch verbunden als auch mechanisch befestigt werden.
Die 22A und 22B zeigen wesentliche Phasen eines Verfahrens der Montage eines aktiven schlanken Rohrs, in dem die Einlagespule und der SMA-Spulenaktuator durch galvanische Metallabscheidung eines isolierenden Harzes, d. h. vor bzw. nach der galvanischen Metallabscheidung, miteinander befestigt werden.
Dieses Verfahren ersetzt das in den 17 und 18 gezeigte Montageverfahren, in dem eine Einlagespule und der SMA-Spulenaktuator durch einen elektrisch nicht leitenden Klebstoff miteinander verbunden werden.
In diesem Verfahren ist die Elektroplattierungslösung in dem vorangehenden Verfahren durch Wasser ersetzt, in dem feine Harzpartikel dispergiert sind. Wenn über die Elektrode 203 und über die nicht isolierenden Abschnitte 204 und 208 über die Flüssigkeit 200' ein elektrisches Potential angelegt wird, wandern diese im Wasser positiv geladenen Harzpartikel in der Flüssigkeit 200', wobei sie auf den nicht isolierenden Abschnitten 204 und 208 des SMA-Spulenaktuators 202 und der Einlagespule 6, die wie zuvor beschrieben angeordnet sind, elektrophoretisch abgelagert werden, um diese Abschnitte mit dem Isolator zu verkleben, wodurch der SMA-Aktuator und die Einlagespule wie gezeigt an einem einzelnen Ort lokal befestigt werden.
Falls z. B. ein Leiterdraht in einer isolierenden Beziehung mit der Einlagespule elektrisch verbunden werden soll, kann das Metall aus der Elektroplattierungslösung auf den nicht isolierenden Abschnitten des Leiterdrahts und des SMA-Aktuators abgelagert werden, woraufhin wie zuvor beschrieben auf dem Leiterdraht und auf der Einlagespule elektrophoretisch der Isolator abgelagert werden kann.
Die Verwendung eines Elektroplattierungsmontageverfahrens und eines Montageverfahrens mit galvanischer Metallabscheidung beseitigen die Notwendigkeit der Verwendung eines Klebstoffs oder von Klebstoffen und können außerdem die Notwendigkeit manueller Operationen und Unsicherheiten in Montageoperationen im Zusammenhang mit der Verwendung eines Klebstoffs oder von Klebstoffen beseitigen.
Ein solches Verfahren ermöglicht außerdem, dass an mehreren Orten eine Isolierschicht ablatiert wird, um mehrere nicht isolierende Abschnitte zu erzeugen, wobei auf diesen elektrisch leitenden Abschnitten ein Metall oder Harz galvanischen niedergeschlagen wird, und verbessert somit die Produktivität aktiver schlanker Rohre und verringert ihre Herstellungskosten.
Nachfolgend wird eine ausführliche Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen eines sich torsionsartig drehenden Mechanismus durch galvanische Metallabscheidung eines Metalls oder eines Harzes gegeben.
Die 23A bis 23G und 24A bis 24H zeigen Hauptverfahrensschritte der Montage eines schlanken Rohrs unter Verwendung einer galvanischen Metallabscheidung eines Metalls oder Harzes.
Bei der Vorbereitung eines sich torsionsartig drehenden Mechanismus unter Verwendung galvanischen Metallabscheidung eines Metalls oder Harzes werden z. B. wie in 23A gezeigt drei Metallstäbe 221 durch Schrumpfrohre 222 geleitet.
Nachfolgend werden die Schrumpfrohre 222 in dem in 23B gezeigten Schritt erwärmt, wobei auf die Endabschnitte der Metallstäbe 221 wie in 23C gezeigt ein wärmeaushärtender elektrisch leitender Klebstoff 223 aufgetragen wird und wärmeaushärten gelassen wird. Daraufhin werden die Schrumpfrohre 222 in dem in 23D gezeigten Schritt entfernt, wobei auf der gesamten Oberfläche durch galvanische Metallabscheidung eine Isolierschicht erzeugt und gehärtet wird.
Daraufhin wird in dem in 23E gezeigten Schritt ein Draht, auf dem vorbereitend eine Isolationsbeschichtung gebildet worden ist und der einen SMA-Spulenaktuator bildet, auf ein Montagespannwerkzeug gewendelt. Daraufhin wird ein aus Silikonkautschuk hergestelltes Rohr 226 montiert (23F) und werden ferner das aus Silikonkautschuk hergestellte Rohr 226 und die Einlagespule 6 montiert (23G).
Nachfolgend wird die Einlagespule 6 wie in 24A gezeigt bewegt und die Isolierschicht an dem SMA-Aktuator 202 durch einen YAG-Laser lokal ablatiert, um in der Isolierschicht einen nicht leitenden Abschnitt zu erzeugen.
Ferner wird der SMA-Spulenaktuator 202 in dem in 24B gezeigten Schritt unmittelbar vor der galvanischen Nickelmetallabscheidung in einer verdünnten Flusssäurelösung behandelt, um die natürliche Oxidschicht daran zu entfernen. Auf dem auf diese Weise behandelten SMA-Spulenaktuator wird Nickel galvanisch niedergeschlagen, um auf seinem zuvor gebildeten nicht isolierenden Abschnitt einen elektrischen Verbinder 225 zu erzeugen.
Nachfolgend wird in dem in 24C gezeigten Schritt auf dem elektrischen Verbinder 225 und außerdem auf der gesamten Oberfläche der Einlagespule 6 ein Acrylharz 227 galvanisch niedergeschlagen.
Nachfolgend wird die Acrylharzbeschichtung 227 in dem in 24D gezeigten Schritt durch Vakuumtrocknung getrocknet (entwässert). Die getrocknete Acrylbeschichtung wird durch Ultraviolettbestrahlung polymerisiert und gehärtet.
Außerdem werden in dem in 24E gezeigten Schritt die Montagemetallstäbe 221 entfernt.
Nachfolgend werden in dem in 24F gezeigten Schritt die Isolierschichten auf dem SMA-Spulenaktuator 202 und auf der Einlagespule 6 durch den YAG-Laser lokal ablatiert, um darauf nicht isolierende Abschnitte zu erzeugen.
Anschließend wird der SMA-Spulenaktuator in dem in 24G gezeigten Schritt unmittelbar vor dem Nickelelektroplattieren in eine verdünnte Flusssäurelösung getaucht, um ihre natürliche Oxidschicht 202 zu entfernen, und daraufhin mit Nickel 229 elektroplattiert.
Nachfolgend werden in dem in 24H gezeigten Schritt die gegenüberliegenden Enden abgeschnitten, um eine gegebene Länge zu lassen, und der SMA-Spulenaktuator 202 und die Einlagespule unter Verwendung einer galvanischen Metallabscheidung eines oder Harzes miteinander befestigt.
In dem oben beschriebenen Verfahren wird vorbereitend auf dem SMA-Spulenaktuator Acrylharz abgelagert. Um diese vorbereitende Ablagerung auszuführen, wird der mit einer Elektrode verbundene SMA-Spulenaktuator wie in 25A gezeigt in ein Ablagerungsflüssigkeitsmedium getaucht.
Außerdem werden der SMA-Spulenaktuator und die Einlagespule in die sen wie in 25B bzw. 25C gezeigten Schritten mit der Elektrode verbunden, falls, wie in den 24B und 24C gezeigt ist, auf dem SMA-Spulenaktuator Metall und auf der Einlagespule Harz galvanisch niedergeschlagen wird.
Falls bei der Herstellung eines hier erzeugten aktiven schlanken Rohrs ein solches Elektrometallplattierungsverfahren oder galvanisches Metallabscheidungsverfahren eines Harzes angewendet wird, beseitigen sie die Notwendigkeit der Verwendung von Klebstoffen, können sie die SMA-Spule und die Einlagespule an einer Anzahl von Orten gleichzeitig verbinden und beseitigen sie Unsicherheiten im Zusammenhang mit der Montage mit Klebstoffen und die Notwendigkeit manueller Operationen.
Außerdem ermöglicht die Fähigkeit, jeden Verbindungsbereich kleiner zu machen, einen aktiven Führungsdraht mit einem so kleinen Durchmesser wie 0,5 mm oder weniger herzustellen, der unter Verwendung von Klebstoffen nicht montiert werden könnte.
Nachfolgend wird eine Erläuterung einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben.
26 ist eine perspektivische Ansicht, die die sechste Ausführungsform zeigt, die ermöglicht, in eine rohrförmige Struktur wie etwa in einen aktiven Katheter eine Anzahl flexibler Verdrahtungen zu integrieren.
In 26 ist zwischen ein dünnes Außenrohr 4, das aus Silikonkautschuk besteht, und ein (nicht gezeigtes) Innenrohr, so dass sie ein rohrförmiges Objekt bilden, eine spiralförmige Platte 235 eingefügt, in der eine Polymer-Flachdraht-Federstruktur eine Leiterplatte bildet. Das Objekt ist an einer seiner Enden z. B. mit einem Sensor wie etwa mit einem elektrischen intratubulären Abtastultraschallendoskop versehen. Die spiralförmige Platte weist mehrere Metallverdrahtungen 233 auf, die wie gezeigt (parallel zueinander) angeordnet und verbunden sind.
Eine solche Ausbildung ermöglicht, mehrere flexible Verdrahtungen in eine rohrförmige Struktur zu integrieren. Ferner wird in keiner einzelnen Verdrahtung eine Belastung konzentriert, was den Einzeldraht selbst noch schlanker zu machen ermöglicht.
Außerdem erzeugt die Anwendung einer Mehrschichtkonstruktion, die aus Isolierschichten und Metallmustern hergestellt ist, für die spiralförmige Platte Verdrahtungen mit einer Leistungsfähigkeit, die der von abgeschirmten Drähten und Koaxialkabeln gleichwertig ist.
27 ist eine perspektivische Teilansicht, die schematisch eine für eine Einlagespulenfeder verwendete spiralförmige Platte zeigt.
Die Verwendung einer spiralförmigen Platte 235, die dem Wesen nach als eine Flachdrahtfeder funktioniert, um eine Einlagespulen-Skelettstruktur zu erzeugen und sie geeignet an SMA-Spulenaktuatoren 237 zu befestigen, schafft ein aktives schlankes Rohr wie etwa einen aktiven Katheter oder Führungsdraht.
Diese Ausführungsform ermöglicht das Sichern des weitesten möglichen Arbeitskanals in einem schlanken Rohr bei Erhalt seiner Flexibilität.
Die spiralförmige Platte kann im Zwischenraum zwischen einem Paar dünner aus Silikonkautschuk hergestellter Rohre angeordnet werden, um eine Skelettstruktur wie bei der Einlagespule zu erzeugen. Außerdem kann daraufhin ein SMA-Spulenaktuator einer Flachdraht-Federstruktur innerhalb dieser skelettierten Außenrohre angeordnet werden.
Außerdem kann auf der Oberfläche des SMA-Spulenaktuators mit einer Flachdraht-Spulenstruktur mit einer Isolationsbeschichtung eine Heizeinrichtung angeordnet werden, um den SMA-Spulenaktuator indirekt zu erwärmen. Außerdem ist der SMA-Spulenaktuator einer Flachdraht-Federstruktur mit der Isolierschicht mit einer elektrischen Verdrahtung oder mit einem Sensor versehen.
Industrielle Anwendbarkeiten
Die von mehreren Ausführungsformen eines aktiven schlanken Rohrs gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffenen Vorteile umfassen unter anderem eine einfache Struktur, die Fähigkeit, multifunktional zu sein, d. h. eine torsionsartige Drehung, ein Ausfahren und Einfahren und/oder eine Steifigkeitssteuerfunktion zu schaffen, sowie eine Struktur, die es ermöglicht, den Durchmesser des schlanken Rohrs zu verringern. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung ein strukturelles Merkmal ist, das es ermöglicht, eine Anzahl flexibler Verdrahtungen zu integrieren. Diese und weitere Vorteile machen ein aktives schlankes Rohr, wie es als ein aktiver Katheter oder Führungsdraht, ein anderes medizinisches oder nichtmedizinisches mikromechanisches System oder als die aktive Mikrokomponente eines Systems realisiert ist, sehr nützlich.
Weitere Vorteile, die ein wie beschrieben auf verschiedener Weise verkörpertes Verfahren zum Herstellen eines aktiven schlanken Rohrs gemäß der vorlie genden Erfindung bietet, umfassen unter anderem das Ermöglichen, dass ein aktives schlankes Rohr vom Außenskeletttyp mit Genauigkeit und Effizienz hergestellt wird. Falls es in der Weise realisiert wird, dass es ein Metallelektroplattierungsverfahren oder ein galvanisches Metallabscheidungsverfahren eines Harzes enthält, bietet es den Vorteil zu ermöglichen, dass die Hauptkomponenten der aktiven schlanken Einrichtung an mehreren Orten oder an einer Anzahl von Orten verbunden oder befestigt sind.
Ferner ermöglicht ein aktives schlankes Rohr mit einer Exoskelettkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung, dass ein SMA-Spulenaktuator, der sich als ein wärmeaussendendes Element innerhalb einer Skelettkomponente befindet, noch vorteilhafter die Oberflächentemperatur des aktiven schlanken Rohrs unter eine geforderte oder gewünschte gegebene Temperatur, wenn es z. B. als ein medizinischer Katheter oder Führungsdraht realisiert ist deutlich unter 41°C, bis zu der seine Verwendung im menschlichen Körper möglich ist, begrenzen kann.
Obgleich die vorliegende Erfindung hinsichtlich ihrer derzeit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist diese Offenbarung selbstverständlich lediglich als erläuternd und nicht als einschränkend auszulegen.

Claims

Aktives schlankes Rohr für einen Katheter, einen Führungsdraht oder irgendein anderes medizinisches oder nicht medizinisches mikromechanisches System oder für die aktive Mikrokomponente des Systems, die ein Formerinnerungsmaterial besitzen, mit einem flexiblen rohrförmigen Körper (4), einer Einlagespule (6) mit mehreren Windungen, die an dem rohrförmigen Körper befestigt ist, einem Betätigungsmechanismus, der aus einem Formerinnerungsmaterial gebildet ist und sich längs des flexiblen rohrförmigen Körpers in einer der Erstreckungsrichtung der Einlagespule entsprechenden Richtung erstreckt, und Mitteln (72, 74, 113) zum Schicken eines elektrischen Stroms zu dem Betätigungsmechanismus, um das Formerinnerungsmaterial zu erwärmen und dadurch dem flexiblen rohrförmigen Körper eine gewünschte Auslenkung zu verleihen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Windungen der Einlagespule (6) in Längsrichtung des rohrförmigen Körpers erstrecken und daran befestigt sind, um hierfür eine elastisch verformbare Skelettstruktur zu bilden, und dass der Betätigungsmechanismus durch eine Schraubenfeder (8, 12, 14, 16), die aus dem Formerinnerungsmaterial gebildet ist, und durch Mittel (7, 17) zum Verbinden des Betätigungsmechanismus mit ausgewählten Windungen der Einlagespule definiert ist.
Aktives schlankes Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsmechanismus einen Biegemechanismus (A, 70) umfasst, der wenigstens eine Schraubenfeder (8) enthält, die aus einem Formerinnerungsmaterial hergestellt ist, sich im Wesentlichen parallel zu einer Mittelachse des flexiblen rohrförmigen Körpers erstreckt und an mehreren Punkten an der Einlagespule befestigt ist.
Aktives schlankes Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsmechanismus einen sich torsionsartig drehenden Mechanismus (B, 110) umfasst, in dem die aus einem Formerinnerungsmaterial gebildete Schraubenfeder (12) innerhalb von Windungen der Einlagespule konzentrisch angeordnet ist, wobei die Schraubenfeder mit Zwischenräumen zwischen benachbarten Windungen vorgesehen und an der Einlagespule an ausgewählten Orten befestigt ist.
Aktives schlankes Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsmechanismus einen Ausfahr- und Einfahrmechanismus (C, 130) umfasst, in dem die aus einem Formerinnerungsmaterial gebildete Schrau benfeder (14) innerhalb von Windungen der Einlagespule konzentrisch angeordnet ist, wobei die Schraubenfeder mit Zwischenräumen zwischen benachbarten Windungen vorgesehen und an der Einlagespule an ausgewählten Orten befestigt ist, wobei die Schraubenfeder dann, wenn sie an der Einlagespule befestigt ist, auf eine Länge vorkomprimiert ist, die der eingenommenen Länge des rohrförmigen Körpers entspricht.
Aktives schlankes Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsmechanismus einen Steifigkeitssteuerungs-Betätigungsmechanismus (D, 150) umfasst, in dem die aus einem Formerinnerungsmaterial gebildete Schraubenfeder (16) innerhalb von Windungen der Einlagespule konzentrisch angeordnet ist, wobei die Schraubenfeder mit Zwischenräumen zwischen benachbarten Windungen vorgesehen und an der Einlagespule an ausgewählten Orten befestigt ist, und dass der Betätigungsmechanismus Mittel zum Erwärmen wenigstens eines Spulensegments umfasst, um dessen Versteifung zu bewirken.
Aktives schlankes Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible rohrförmige Körper ein Paar konzentrisch beabstandeter innerer und äußerer flexibler rohrförmiger Elemente (3, 4) umfasst, wobei die Einlagespule und der Betätigungsmechanismus zwischen dem inneren und dem äußeren flexiblen rohrförmigen Element angeordnet ist.
Aktives schlankes Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch verformbare Skelettstruktur eine Flachdraht-Einlagespule (110) enthält.
Aktives schlankes Rohr nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus an jedem seiner gegenüberliegenden Enden mit Elektrodenverbindern (52, 54) versehen ist.
Aktives schlankes Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch verformbare Skelettstruktur eine spiralförmige Platte (235) mit mehreren Verdrahtungen (233) umfasst.
Aktives schlankes Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsmechanismus eine Flachdraht-Federstruktur besitzt.
Aktives schlankes Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsmechanismus, der eine flache Federdrahtstruktur aufweist, mit einer Heizeinrichtung versehen ist.
Verfahren zum Herstellen eines aktiven schlanken Rohres für einen Katheter, einen Führungsdraht oder ein anderes medizinisches oder nicht medizinisches mikromechanisches System oder die aktive Mikrokomponente des Systems, die ein Formerinnerungsmaterial besitzen, gekennzeichnet durch: einen ersten Schritt, bei dem ein Befestigungsrohr (112) in ein Montage-Silikonrohr (171) oder einen Verbindungsdraht eingesetzt wird, einen zweiten Schritt, bei dem Halteelemente (78) von beiden Enden des Montage-Silikonrohrs (171) oder des Verbindungsdrahts eingesetzt werden, einen dritten Schritt, bei dem ein erster Montagestab (173) an den beiden Halteelementen (78) mit Klebstoffen (17) befestigt wird, einen vierten Schritt, bei dem der erste Montagestab (173) mit einem Aktuator (178) aus einer Formerinnerungslegierung (SMA) bedeckt wird, einen fünften Schritt, bei dem ein zweiter Montagestab (175) an dem ersten Montagestab (143) befestigt wird, einen sechsten Schritt, bei dem der zweite Montagestab (175) mit einer Einlagespule (6) bedeckt wird, nachdem Leiterdrähte (113) mit beiden Enden des SMA-Aktuators (176) elektrisch verbunden worden sind, einen siebten Schritt, bei dem die Einlagespule (6) und der SMA-Aktuator (176) an wenigstens einer Stelle verbunden werden, einen achten Schritt, bei dem beide Enden des ersten und des zweiten Stabs (173, 175), die die Halteelemente (78, 78) enthalten, abgeschnitten werden und der abgeschnittene Abschnitt herausgezogen wird, und einen neunten Schritt, bei dem die Einlagespule (6) mit einem äußeren Rohr bedeckt wird, nach dem das Montage-Silikonrohr (171) oder der Verbindungsdraht entfernt worden sind.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass statt des ersten Montagestabs (173) und der Halteelemente (78) ein Montagespannwerkzeug verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Montagespannwerkzeug in Form eines Rohrs mit kreisförmigem oder dreieckigem Querschnitt verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Montagespannwerkzeug, das wenigstens eine seitliche Aussparung oder Nut besitzt, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der siebte Schritt das Befestigen der Einlagespule in (6) und des SMA-Aktuators (176) mit einem nicht leitenden Klebstoff (17) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der siebte Schritt die Einlagespule (6) und den SMA-Aktuator (176) statt mit Klebstoff (17) durch Ablagern eines Metalls mittels Elektroplattierung elektrisch verbindet.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der siebte Schritt umfasst: Ablatieren einer isolierenden Beschichtung des entsprechenden Bereichs des SMA-Aktuators (202) und der Einlagespule (6), um nicht isolierte Abschnitte (204, 208) zu bilden, Schicken eines elektrischen Stroms durch den SMA-Aktuator (202) und die Einlagespule (6) in einer Elektroplattierungsflüssigkeit (200), um den SMA-Aktuator (202) und die Einlagespule (6) zu verbinden, indem ein Metall auf den entsprechenden nicht isolierenden Abschnitten (204, 208) abgelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der sechste und der siebte Schritt umfassen: Ablatieren einer isolierenden Beschichtung des entsprechenden Bereichs des SMA-Aktuators (202) und der Einlagespule (6), um nicht isolierte Abschnitte (204, 208) zu bilden, Anordnen eines Leitungsdrahts (210) in der Nähe der nicht isolierten Abschnitte (204, 208) und Schicken eines elektrischen Stroms durch den SMA-Aktuator (202), die Einlagespule (6) und den Leitungsdraht (210) in einer Elektroplattierungsflüssigkeit (200), um den SMA-Aktuator (202), die Einlagespule (6) und den Leitungsdraht (210) zu verbinden, indem auf die entsprechenden nicht isolierenden Abschnitte (204, 208, 214) ein Metall abgelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der siebte Schritt die Einlagespule (6) und den SMA-Aktuator (176) statt mit Klebstoff (17) durch galvanische Metallabscheidung eines isolierenden Harzes verbindet.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der siebte Schritt umfasst: Ablatieren einer isolierenden Beschichtung des entsprechenden Bereichs des SMA-Aktuators (202) und der Einlagespule (6), um nicht isolierte Abschnitte (204, 208) zu bilden, und Schicken eines elektrischen Stroms durch den SMA-Aktuator (202) und die Einlagespule (6) in einer Flüssigkeit (200'), um den SMA-Aktuator (202) und die Einlagespule (6) durch elektrophoretische Ablagerung eines isolierenden Harzes auf den entsprechenden nicht isolierenden Abschnitten (204, 208) zu verbinden.