ТЕЛЕСКОПИЧЕСКАЯ КАНЮЛЯ С БЛОКИРОВКОЙ
TELESCOPIC CANNULA WITH BLOCKING

Настоящее изобретение относится, в общем, к телескопической конструкции канюли и формам, которые подгоняют под пациента для облегчения минимально инвазивных хирургических операций. Настоящее изобретение относится, в частности, к механизму блокировки канюли, который облегчает фиксируемое расположение телескопических трубок друг относительно друга.
Публикация WO 2008/032230 международной заявки «Форма активной канюли для минимально инвазивной операции» раскрывает системы и способы, относящиеся к телескопической конструкции канюли и конфигурациям, которые подгоняют под пациента для облегчения минимально инвазивных хирургических операций. В общем, телескопическую конструкцию канюли создают для конкретного пациента на основании предварительно полученного 3-мерного изображения конкретной анатомической области пациента и идентификации заданного места в пределах анатомической области.
В частности, телескопические канюли (или телескопические конфигурации канюль) разрабатывают с использованием 3-мерного изображения для создания последовательности дуговых и прямолинейных форм из конкретного положения и ориентации в 3-мерном изображении анатомической области. Созданные дуговые и прямолинейные формы используют для вычисления траектории между местом входа и заданным местом. Полученную траекторию используют для формирования множества вкладывающихся друг в друга телескопических трубок, которые имеют форму и размеры, соответствующие предварительно установленным криволинейным формам. Трубки обычно выдвигают от наибольшей к наименьшей, и спецификация разработчика задает длины и относительные ориентации между последовательными трубками для достижения заданного места.
Трубки изготавливают из материала, обладающего требуемыми степенями гибкости/эластичности. Например, материал может быть нитинолом (Nitinol), который обладает сверхэластичными свойствами, которые позволяют нитинолу изгибаться, когда прилагается усилие, и восстанавливать свою первоначальную форму, как только усилие снимается. Трубки должны сохранять ориентацию друг относительно друга в полностью выдвинутом положении, чтобы соответствовать разработанной траектории.
Трубки с круговыми поперечными сечениями оказались потенциально неустойчивыми при некоторых конфигурациях из трубок. Например, длинные тонкие трубки с круговыми поперечными сечениями могут проявлять неустойчивость, когда направления кривизны двух соседних трубок ориентированы под 180 градусов. В данном случае, перемещение трубок (например, вследствие вибрации или выдвижения по другим криволинейным формам) может вызвать внезапное «схлопование», в результате которого трубки резко теряют свою 180-градусную относительную ориентацию. Данное неуправляемое перемещение может значительно отклонить трубки от требуемой траектории и может повредить ткань. Кроме того, даже при ориентациях, отличающихся от 180-градусной, трубки могут изгибаться друг относительно друга и создавать неустойчивую ориентацию.
Настоящее изобретение основано на принципе взаимной блокировки телескопических трубок для облегчения устойчивой относительной ориентации на протяжении всех вложенных друг в друга трубок, которая сохраняется по мере того, как трубки выдвигают. Данное решение гарантирует возможность обеспечения трубками ориентации, установленной планирующим устройством.
Одним аспектом настоящего изобретения является набор телескопической канюли с блокировкой, содержащий множество взаимно блокирующих телескопических трубок, выполненных, в совокупности, с такими формой и размерами, чтобы достичь заданного места относительно анатомической области. В упомянутом наборе, каждая трубка имеет предварительно установленную блокирующую форму. Кроме того, конструкция из внутренней трубки, вложенной во внутрь внешней трубки, содержит зазор между трубками, с взаимной блокировкой в зазоре, чтобы ограничивать поворот трубок относительно зазора.
Другим аспектом настоящего изобретения является система телескопической канюли, использующая планирующее устройство траектории для разработки множества взаимно блокирующих телескопических трубок, выполненных с такими формой и размерами, чтобы достичь заданного места относительно анатомической области. В упомянутой системе, каждая трубка имеет предварительно установленную блокирующую форму. Кроме того, конструкция из внутренней трубки, вложенной во внутрь внешней трубки, содержит зазор между трубками, с взаимной блокировкой в зазоре, чтобы ограничивать поворот трубок относительно зазора.
Вышеприведенные аспекты и другие варианты настоящего изобретения, а также различные признаки и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из нижеследующего подробного описания различных вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенного в связи с прилагаемыми чертежами. Подробное описание и чертежи являются всего лишь наглядными, а не ограничивающими примерами настоящего изобретения, при этом объем настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.
Далее изобретения будут пояснены более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - изображение примерной пары блокирующих друг с другом трубок в соответствии с настоящим изобретением, перед вложением внутренней трубки во внешнюю трубку.
Фиг.2-4 - изображение, поясняющее принцип блокировки в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5 - изображение первой примерной блокировки друг с другом трубок, показанных на фиг.1, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.6 - изображение второй примерной блокировки друг с другом пары трубок, показанных на фиг.1, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.7-20 - изображения различных блокирующих форм в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.21 - примерный вариант осуществления системы телескопической канюли в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.22 - изображение примерной 3-мерной окрестности дуг, представляющих набор телескопической канюли из взаимно блокирующихся телескопических трубок в соответствии с настоящим изобретением, имеющих предварительно установленные формы и значения кривизны.
Настоящее изобретение основано на принципе пары вложенных друг в друга трубок, имеющих взаимно блокирующие формы для ограничения поворота трубок относительно зазора между трубками. Одним из преимуществ данной взаимной блокировки трубок является фиксируемая или устойчивая ориентация внутренней трубки относительно внешней трубки, когда внутреннюю трубку выдвигают из внешней трубки или вдвигают в нее. Приведенное преимущество особенно важно с учетом наличия ненулевой кривизны (например, дугообразной формы) внутренней трубки.
Например, на фиг.1 изображены внутренняя трубка 30 и внешняя трубка 40 для демонстрации принципа настоящего изобретения. Трубки 30 и 40 выполнены такими по форме и размерам, чтобы обеспечить вложение внутренней трубки 30 во внешнюю трубку 40 с зазором 50 между трубками 30 и 40, как показано на фиг.2-4. Зазор 50 требуется для облегчения вложения внутренней трубки 30 во внешнюю трубку 40 с минимальным трением. Трубки 30 и 40 имеют квадратную блокирующую форму, которая ограничивает поворот трубок 30 и 40 относительно зазора 50, как показано на фиг.2-4. В частности, на фиг.2 показано симметричное вложение внутренней трубки 30 внутри внешней трубки 40, на фиг.3 показан поворот внутренней трубки 30 внутри внешней трубки 40, который ограничен внешней трубкой 40, и на фиг.4 показан поворот внешней трубки 40 относительно внутренней трубки 30, который ограничен внутренней трубкой 30.
На практике, зазор между вложенными одна в другую трубками, обычно, будет небольшим по отношению к размеру трубок. Однако трубки 30 и 40 показаны на чертеже не в масштабе для демонстрации принципа настоящего изобретения. Все же, на фиг.2-4 приведен пример преимущества взаимно блокирующихся трубок 30 и 40 при достижении устойчивой ориентации внутренней трубки 30 относительно внешней трубки 40, когда внутреннюю трубку 30 выдвигают из внешней трубки 40 или вдвигают в нее. Например, на фиг.5 показана устойчивая ориентация внутренней трубки 30 относительно внешней трубки 40, с зазором 50 между ними, с учетом наличия нулевой кривизны (т.е. прямолинейности) у обеих трубок 30 и 40, и на фиг.6 показана устойчивая ориентация внутренней трубки 30 относительно внешней трубки 40, с зазором 50 между ними, с учетом наличия ненулевой кривизны у внутренней трубки 30 и нулевой кривизны у внешней трубки 40.
На практике, набор телескопической канюли в соответствии с настоящим изобретением использует, по меньшей мере, две телескопических трубки, при этом каждая трубка имеет предварительно установленную блокирующую форму и предварительно установленную кривизну. Для самой внешней трубки набора предварительно установленная блокирующая форма относится к внутренней поверхности упомянутой трубки. Для самой внутренней трубки набора предварительно установленная блокирующая форма относится к внешней поверхности упомянутой трубки. Для любой промежуточной трубки набора предварительно установленная блокирующая форма относится как к внутренней, так и к внешней поверхностям трубки.
Кроме того, на практике, блокирующая форма каждой трубки является любой формой, которая блокирует внутреннюю трубку относительно внешней трубки всякий раз, когда внутренняя трубка вложена внутрь внешней трубки, вследствие чего любой отдельный поворот внутренней трубки относительно зазора между упомянутыми трубками ограничен внешней трубкой, и любой отдельный поворот внешней трубки относительно зазора между упомянутыми трубками ограничен внутренней трубкой. Упомянутые блокирующиеся друг с другом формы трубок содержат, но без ограничения, многоугольную блокирующую форму, блокирующую форму в виде некруглой замкнутой кривой, блокирующую форму в виде многоугольной замкнутой кривой и блокирующую форму в виде шпонки. Еще одно множество различных блокирующих форм основано на внемасштабных вариантах одной формы, например прямоугольника или треугольника, заблокированного внутри шестиугольника.
Например, на фиг.7 представлена треугольная блокирующая форма внутренней трубки 90 и внешней трубки 91, с зазором 92 между ними.
На фиг.8 представлена прямоугольная блокирующая форма внутренней трубки 100 и внешней трубки 101, с зазором 102 между ними.
На фиг.9 представлена шестиугольная блокирующая форма внутренней трубки 110 и внешней трубки 111, с зазором 112 между ними.
На фиг.10 представлена восьмиугольная блокирующая форма внутренней трубки 120 и внешней трубки 121, с зазором 122 между ними.
На фиг.11 представлена альтернативная квадратная блокирующая форма внутренней трубки 130 и внешняя трубка с квадратной внутренней формой и восьмиугольной внешней формой 131, с зазором 132 между ними.
На фиг.12 представлена альтернативная треугольная блокирующая форма внутренней трубки 140 и внешняя трубка с треугольной внутренней формой и шестиугольной внешней формой 141, с зазором 142 между ними.
На фиг.13 представлена эллиптическая блокирующая форма внутренней трубки 150 и внешней трубки 151, с зазором 152 между ними.
На фиг.14 представлена полукруглая блокирующая форма внутренней трубки 160 и внешней трубки 161, с зазором 162 между ними.
На фиг.15 представлена блокирующая форма с канавками внутренней трубки 170 с канавками и внешней трубки 171 с канавками, с зазором 172 между ними.
На фиг.16 представлены альтернативная блокирующая форма с канавками внутренней трубки, имеющей внешнюю форму с канавками и круглую внутреннюю форму 180, и внешней трубки, имеющей внутреннюю форму с канавками и круглую внешнюю форму 181, с зазором 182 между ними.
На фиг.17 представлена блокирующая форма сердечком внутренней трубки 190 и внешней трубки 191, с зазором 192 между ними.
На фиг.18 представлена блокирующая форма в виде шпонки внутренней трубки 200 и внешней трубки 201, с зазором 202 между ними.
На фиг.19 представлены прямоугольная блокирующая форма внутренней трубки 210 и внешняя шестиугольная трубка 211, с зазором 212 между ними.
На фиг.20 представлены треугольная блокирующая форма внутренней трубки 220 и внешняя шестиугольная трубка 221, с зазором 222 между ними.
Как показано на фиг.5, 7, 9-12 и 20, каждая из показанных многоугольных блокирующих форм имеет число N равных сторон более крупного стопорного многоугольника, где N > 2. На практике, удовлетворение условий следующих уравнений [1] и [2], связанных с соответствующими сторонами упомянутых трубок, облегчает взаимную блокировку трубок в соответствии с настоящим изобретением:
OS
/IS
>K [1]
IT
OT
K=cos(π/N) [2]
IT
OT
где OS представляет длину каждой внешней стороны внутренней трубки, IS представляет длину каждой внутренней стороны внешней трубки, и N представляет число сторон внутри более крупной многоугольной трубки. Например, как показано на фиг.1, отношение длины L1 каждой внешней стороны 31 внутренней трубки 30 к длине L2 каждой внутренней стороны 41 внешней трубки 40 должно быть не менее, чем коэффициент K, при N=4. На фиг.9, например, N=6, и поэтому K=cos(π/6)=√(3)/2 или приблизительно 86,6%. Это означает, что, для взаимной блокировки, внешняя сторона внутренней трубки должна составлять, по меньшей мере, 86,6% от длины внутренней стороны внешней трубки. Очевидно, по мере того, как число приближается к 100%, зазор становится меньше, и меньше ошибка из-за возможного поворота.
На фиг.21 показано известное в технике планирующее устройство 230 траектории для разработки множества телескопических трубок с формой и размерами соответственно предварительно установленным формам и значениям кривизны. Планирующее устройство 230 траектории задает конкретные длины, на которые выдвигаются трубки для подхода заданного места относительно анатомической области. В частности, планирующее устройство 230 траектории использует окрестность из дуговых и прямолинейных нитей для формирования набора фундаментальных движений вложенного набора блокирующихся друг с другом трубок 231 в соответствии с настоящим изобретением, который можно выполнить в свободном пространстве, на основе доступных элементов управления и механических свойств трубок 231, и, в частности, на основе доступных фиксируемых ориентаций между вложенными трубками 231. На основе окрестности планирующее устройство 230 траектории задает выдвижение каждой трубки для обеспечения определенной длины и ориентацию каждой трубки относительно предыдущей трубки.
Примерный набор трубок можно задавать нижеописанным образом, при этом термин «нить» служит для описания выбранной дуги, имеющей определенную ориентацию трубки относительно предыдущей трубки, и длина является длиной, на которую выдвинута текущая трубка относительно предыдущей трубки:
Число трубок, необходимых для данного пути равно: 8
Трубка номер 1: длина=17,4994 мм, нить=6
Трубка номер 2: длина=63 мм, нить=0
Трубка номер 3: длина=7,49973 мм, нить=1
Трубка номер 4: длина=28,5 мм, нить=0
Трубка номер 5: длина=7,99971 мм, нить=5
Трубка номер 6: длина=7,5 мм, нить=0
Трубка номер 7: длина=1,99993 мм, нить=4
Трубка номер 8: длина=3,5 мм, нить=0.
В общем, окрестность может содержать дискретно-поворотные дуги ввиду того, что дискретно-поворотные симметрии сводят к минимуму число предварительно изготовленных трубок посредством обеспечения нескольких способов использования каждой трубки. Например, на фиг.22 показана примерная окрестность 240, содержащая прямолинейную нить 241 и шесть (6) дуг 242-247 с 14-мм радиусами поворота. Каждую из дуг 242-247 можно выдвигать на любую длину, с выдерживанием одинаковой кривизны. В предпочтительном варианте, каждая дуга является достаточно короткой, чтобы дуга не возвращалась в одну и ту же точку (позицию и ориентацию). Оптимальная блокирующая форма для трубок 231 (фиг.21), получающаяся из приведенной окрестности 240, является шестиугольной блокирующей формой, соответствующей дискретно-поворотной симметрии дуг 242-247, которая образует шесть (6) устанавливаемых углов для каждой вложенной трубки 231.
Шестигранные трубки можно формировать экструзией, отливкой, фальцеванием, волочением, формовкой и термоусадкой. Технологический процесс экструзии выполняют выдавливанием расплавленного материала через головку с формой требуемой трубки. Отливку выполняют охлаждением расплавленного материала, находящегося в форме. Фальцевание выполняют посредством прессования деформируемой трубки для создания требуемых угловых участков; таким образом можно создать приблизительно шестиугольную форму посредством прессования первоначально круглой трубки по плоскостям три раза (каждый раз трубку поворачивают на шестьдесят градусов). Другой способ изготовления шестиугольных трубок с использованием фальцевания состоит в создании пяти 120-градусных сгибов в листе материала и сваривании двух краев листа. Формовку выполняют нагреванием деформируемого материала и его обжимом для придания требуемой шестиугольной формы. Термоусадку выполняют нагреванием трубок, дающих усадку при нагреве, на шестигранной форме. Хотя экструзия с последующим волочением является примерным технологическим процессом для крупномасштабного производства, опытные образцы можно изготавливать с использованием термоусадочного способа.
Часто желательно производить гибку каждой из трубок. Данную операцию выполняют путем придания штампу формы для создания криволинейных трубок посредством: создания криволинейной пресс-формы или фальцевания уже криволинейной круглой трубки, или формовкой в или с помощью криволинейной пресс-формы, или термоусадкой на криволинейной пресс-форме. Гибку трубки можно также выполнять после того, как шестиугольная форма создана, посредством нагрева материала и ограничения его прохода требуемой кривой. Примерный способ гибки тянутых трубок заключается в деформировании трубок при температуре окружающей среды. Примерный способ гибки трубок, получаемых термоусадкой, заключается в создании трубок вокруг уже изогнутой оправки.
Канюля может состоять из какого-либо единственного материала или из композиции из нескольких материалов. Искомые материалы будут зависеть от применения и технологий изготовления, которые доступны. Часто требуются гибкие материалы, которые могут поддерживать свой собственный вес и вес полезной нагрузки без значительного отклонения под действием силы тяжести. Если к канюле должны прикладываться усилия на ее конце или вдоль ее поверхности, то изготовленная канюля должна быть достаточно жесткой, чтобы прилагать упомянутые усилия, не вызывая значительного отклонения. Желательно также, чтобы трубка была достаточно прочной, чтобы сохранять свою форму; если трубка деформируется слишком легко, то канюли не могут сохранять свои углы. Когда трубки подлежат поступательному перемещению друг относительно друга, то желательно выбирать для трубок материалы, которые сводят к минимуму трение вдоль поверхности контакта. Некоторые материалы и применения могут нуждаться в межтрубочном смазочном материале для ослабления фрикционного сопротивления. Для хирургического применения важно также, чтобы материал подходил для контакта с телом человека. Кроме того, некоторые хирургические применения нуждаются в неферромагнитном материале для обеспечения возможности визуализации методом магнитно-резонансной томографии (MRI) в течение операции. Для гибких хирургических применений, которые также нуждаются в очень малых диаметрах канюли, или когда присутствуют значительные усилия, можно применить сверхэластичные никель-титановые сплавы, допускающие обработку в автоклаве. Для других применений можно применять разнообразные полимеры. Данные полимеры содержат, без ограничения, поликарбонат, нейлон, полипропилен, полиолефины и тефлон PTFE (политетрафторэтилен).
Хотя выше показаны и описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что способы и система, описанные в настоящей заявке, являются наглядными, и можно создавать различные изменения и модификации и заменять элементы упомянутых способов и системы эквивалентами, без выхода за пределы подлинного объема настоящего изобретения. Кроме того, многие модификации могут быть созданы для применения принципов настоящего изобретения к планированию пути объекта, без отклонения от основной области настоящего изобретения. Поэтому предполагается, что настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами осуществления, описанными как планируемый наилучший вариант осуществления настоящего изобретения, но настоящее изобретение содержит все варианты осуществления, попадающие в пределы объема притязаний прилагаемой формулы изобретения.