DE69727698T2

DE69727698T2 - Wahlweise aktivierte einrichtung mit formgedächtnis

Info

Publication number: DE69727698T2
Application number: DE69727698T
Authority: DE
Inventors: Ronald S. Maynard
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2017-10-30
Also published as: AU736910B2; EP0953110B1; EP0953110A1; US6169269B1; US6072154A; CA2276289A1; ATE259937T1; DK0953110T3; DE69727698D1; AU5096998A; PT953110E; WO1998029657A1; US6323459B1; JP2001509231A; ES2216135T3

Description

Die Anmeldung betrifft Formerinnerungsvorrichtungen und insbesondere eine räumlich adressierbare Formerinnerungsvorrichtung.
Materialien, die ihre Form in Reaktion auf äußere physikalische Parameter ändern, sind bekannt und in vielen Bereichen der Technologie anerkannt. Formerinnerungslegierungen (die nachfolgend als "SMA" (shape memory alloy) bezeichnet werden) sind Materialien, die eine mikrostrukturelle Umwandlung von einer martensitischen Phase bei einer geringen Temperatur zu einer austenitischen Phase bei einer hohen Temperatur durchlaufen. In der martensitischen Phase weist eine SMA eine geringe Steifigkeit auf und kann leicht bis zu einer Gesamtbelastung von 8% in jeder Richtung verformt werden, ohne ihre Erinnerungseigenschaften nachteilig zu beeinflussen. Wenn die SMA auf eine Aktivierungstemperatur erwärmt wird, wird sie zweibis dreimal steifer, wenn sie sich ihrem austenitischen Zustand nähert. Bei der höheren Temperatur versucht die SMA sich selbst auf atomarem Niveau zu reorganisieren, um eine zuvor eingeprägte oder "gespeicherte" Form anzunehmen. Wenn die SMA abkühlt, kehrt sie in ihren weichen martensitischen Zustand zurück.
Eine Form kann einer SMA antrainiert werden, indem sie deutlich unter ihrer Aktivierungstemperatur auf ihre Glühtemperatur erwärmt und dort für eine Zeitdauer gehalten wird. Für ein TiNi-SMA-System enthält das Glühprogramm das geometrische Einspannen der Probe und ihr Erwärmen auf etwa 520°C für fünfzehn Minuten. Die Funktionalität ist gewöhnlich verbessert, wenn sie durch Abkürzung des Glühzyklus in einem bestimmten Umfang der Kaltverformung bleibt.
Das US-Patent Nr. 4.543.090 (das nachfolgend als das "'090-Patent" bezeichnet wird) offenbart einen Katheter mit zwei unterschiedlichen SMA-Aktuatoren. Ein Aktuator nimmt eine vorgegebene Form an, wenn er auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt wird. Die beiden Aktuatoren sind mit einer Koppelvorrichtung miteinander gekoppelt, so dass dann, wenn sich einer der Aktuatoren in seine vorgegebene Form bewegt, ein Kraft aufgewendet wird, um den zweiten Aktuator in die Richtung des ersten Aktuators zu bewegen. Jeder Aktuator ist in der Lage, sich in eine einzige vorgegebene Form zu bewegen. Die Aktuatoren enthalten keine Heizvorrichtung bei wenigstens zwei mikrogefertigten Adressleitungen. Die Einschränkungen des '090-Patents werden außerdem in dem US-Patent Nr. 4.601.705 gefunden. WO 94/19501 offenbart ebenfalls einen SMA-Aktuator mit SMA-Elementen, die in Mustern angeordnet sind und durch angrenzende Widerstandsheizelemente indirekt erwärmt werden, um die unterstützende Struktur zu beeinflussen.
Es wäre erwünscht, eine Formerinnerungslegierung-Vorrichtung zu schaffen, die eine Platte bzw. Lage aus Formerinnerungslegierung aufweist, wobei ein Abschnitt der Platte wahlweise aktiviert werden kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Formerinnerungsvorrichtung zu schaffen, die wahlweise aktiviert werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Formerinnerungsvorrichtung zu schaffen, die in mehr als eine vorgegebene Form aktiviert wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Formerinnerungsvorrichtung mit einer Formerinne rungslegierung und einer Heizvorrichtung zu schaffen, die wenigstens einen mikrogefertigten leitenden Pfad enthält.
Die Erfindung stellt demzufolge einen Formerinnerungsaktuator zur Verfügung, der durch Anspruch 1 definiert ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung enthält eine Formerinnerungsvorrichtung eine Platte aus einer Formerinnerungslegierung. Die Platte wird wahlweise an einer ausgewählten Stelle der Platte aktiviert und enthält wenigstens zwei lang gestreckte Elemente, die unabhängig aktiviert bzw. betätigt werden können. Eine Heizvorrichtung ist angrenzend an eine Oberfläche der Platte oder auf dieser positioniert, um Wärme an einen ausgewählten Abschnitt der Platte bereitzustellen und eine Biegekraft in wenigstens einem Teil des ausgewählten Abschnitts zu erzeugen. Die Heizvorrichtung enthält wenigstens einen mikrogefertigten leitenden Pfad.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Katheter mit einer lang gestreckten Vorrichtung geschaffen, die ein distales Ende und ein proximales Ende enthält. Ein Formerinnerungslegierung-Element ist so beschaffen, dass es wahlweise an einer ausgewählten Stelle des Elements aktiviert werden kann. Das Element ist mit der lang gestreckten Vorrichtung gekoppelt. Eine Heizvorrichtung ist mit dem Element gekoppelt und so beschaffen, dass es Wärme an einen ausgewählten Abschnitt des Elements bereitstellt und wenigstens einen Teil des ausgewählten Abschnitts aktiviert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält eine durch Wärme aktivierte Einrichtung einen temperaturaktivierten Aktuator. Der Aktuator ist so beschaffen, dass er sich in mehrere vorgegebene Formen bewegt. Eine Heizvorrichtung ist so beschaffen, dass sie Wärmenergie an wenigstens einen ausgewählten Abschnitt des Aktuators bereitstellt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält eine medizinische Vorrichtung ein lang gestrecktes Element mit einem proximalen Abschnitt und einem distalen Abschnitt, der so beschaffen ist, dass er in einen Körper eingesetzt werden kann.
Ein elektrisch aktivierter Aktuator ist mit dem lang gestreckten Element gekoppelt. Der Aktuator ist so beschaffen, dass er sich in mehrere vorgegebene Formen bewegt. Eine elektrische Energiequelle ist mit dem elektrisch aktivierten Aktuator gekoppelt und so beschaffen, dass sie Energie an wenigstens einen ausgewählten Abschnitt des Aktuators liefert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält eine durch Wärme aktivierte Einrichtung einen elektrisch aktivierten Aktuator, der mit einem lang gestreckten Element gekoppelt ist. Der Aktuator ist so beschaffen, dass er sich in mehrere vorgegebene Formen bewegt. Eine elektrische Energiequelle ist mit dem elektrisch aktivierten Aktuator gekoppelt und so beschaffen, dass sie Energie an wenigstens einen ausgewählten Abschnitt des Aktuators liefert.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung bewirkt eine Aktivierung von wenigstens einem Teil des ausgewählten Abschnitts des Aktuators einen veränderlichen Young-Modul des wenigstens einen Teils des Aktuators.
Die Heizvorrichtung kann einen mikrogefertigten leitenden Pfad enthalten. Der Aktuator kann aus einer ununterbrochenen Platte aus einer Formerinnerungslegierung, aus einer Platte aus einer Formerinnerungslegierung, die Per forationen enthält, oder aus mehreren miteinander verbundenen separaten Formerinnerungslegierung-Aktuatoren hergestellt sein. Der Aktuator kann eine dreidimensionale Geometrie, eine drahtförmige Geometrie, eine rohrförmige Geometrie und dergleichen besitzen. Eine mikrogefertigte Schaltung, ein mikrogefertigter Sensor oder ein mikrogefertigter Messwandler kann mit der Heizvorrichtung gekoppelt sein.
Die medizinische Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann ein Endoskop, ein Katheter, eine Kanüle, ein Inserter, ein Laparoskop, ein Trokar und ein Katheter sein. Die Betriebsart der Formerinnerungslegierung der medizinischen Vorrichtung wird erreicht durch (i) einen einfachen Formerinnerungseffekt, der auf einen elastischen Körper, wie etwa einen Katheter, wirkt und eine Rückstellkraft liefert, (ii) Verwendung des einfachen Formerinnerungseffekts und das direkte Anwenden einer Rückkehrkraft auf eine superelastische Formerinnerungslegierung-Feder, eine elastomere Feder und dergleichen oder (iii) Verwenden eines doppelten Formerinnerungseffekts.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine isometrische Ansicht einer deaktivierten zweidimensionalen Platte bzw. Lage, die lediglich als Hintergrundinformation gegeben ist;
2 ist eine perspektivische Ansicht der zweidimensionalen Platte von 1, die mikrogefertigte Strukturen veranschaulicht;
3 ist eine isometrische Ansicht der zweidimensionalen Platte von 1 in dem aktivierten Zustand;
4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der zweidimensionalen Platte von 1;
4(a) ist ein Querschnitt durch die vergrößerte isometrische Ansicht eines in 4 gezeigten Teils der zweidimensionalen Platte von 1, der die Erwärmung eines Abschnitts der Formerinnerungslegierung-Platte veranschaulicht;
4(b) ist eine graphische Darstellung der Temperaturverteilung der Wärme, die auf den Abschnitt der in 4(a) gezeigten Formerinnerungslegierung-Platte in dem Abschnitt von 4(a) einwirkt;
5 ist eine Hysteresekurve des Übergangs zwischen dem martensitischen Zustand und dem austenitischen Zustand als eine Funktion der Temperatur;
6 ist ein Querschnitt einer zweidimensionalen Platte mit einer isolierenden Schicht und einer Abdeckschicht;
7 ist ein Querschnitt einer zweidimensionalen Platte mit punktweise aufgebrachter isolierenden Schicht und einer Abdeckschicht;
8 ist ein Querschnitt einer zweidimensionalen Platte mit einer Abdeckschicht;
9 ist eine Explosionsansicht, die die Baueinheit aus einer zweidimensionalen Platte und den Aktivierungselementen veranschaulicht und lediglich als Hintergrundinformation gegeben ist;
10 ist ein Diagramm, die die Ersatzschaltung des Aktivierungsmechanismus zeigt;
11 ist eine Seitenansicht, die die Krümmung einer zweidimensionalen Platte veranschaulicht und lediglich als Hintergrundinformation gegeben ist;
12 ist eine perspektivische Ansicht, die eine komplexe im Voraus trainierte Form einer Platte veranschaulicht und wiederum lediglich als Hintergrundinformation gegeben ist;
13 ist ein Diagramm, das die Ersatzschaltung einer Ausführungsform unter Verwendung von Krümmungssensoren zeigt;
14 ist ein Querschnitt einer zweidimensionalen Platte mit Krümmungssensoren;
15 ist eine Schnittansicht einer zweidimensionalen Platte mit Krümmungssensoren, die direkt an Heizelemente montiert ist;
16 ist eine Schnittansicht, die eine zweidimensionale Platte mit einem Temperatursensor zeigt;
17 ist eine Schnittansicht einer zweidimensionalen Platte mit einer Schutzschicht, die über den Heizelementen aufgebracht ist;
18 ist ein Querschnitt einer zweidimensionalen Platte unter Verwendung von Kühlflächen zur Wärmeabführung;
19 ist ein Querschnitt einer zweidimensionalen Platte unter Verwendung von Wasserleitungen zur Wärmeabführung;
20 ist ein Querschnitt eines Katheters mit einem erfindungsgemäßen Aktuator;
21 ist eine Schnittansicht von zwei Aktuatoren, die in 20 veranschaulicht sind, mit einem wärmeisolierenden Elastomer;
22 veranschaulicht den Aktuator von 20, der mit einem Katheter gekoppelt ist;
23 veranschaulicht einen Aktuatorpfad des Aktuators gemäß 20 in einer Schiebe-Ausführungsform;
24(a) ist eine perspektivische Ansicht eines Aktuator der vorliegenden Erfindung, der mit dem distalen Ende eines Katheters gekoppelt ist, wobei der Aktuator Aktuatorschlitze enthält, die sich zu einem distalen Ende des Aktuators erstrecken;
24(b) ist eine perspektivische Ansicht eines Aktuators der vorliegenden Erfindung, wobei die distalen Enden der "fingerförmigen Segmente" des Aktuators 12 mit dem distalen Ende eines Katheters verbunden sind;
24(c) ist eine perspektivische Ansicht eines Aktuators der vorliegenden Erfindung, der mit einem distalen Ende eines Katheters gekoppelt ist, wobei der Aktuator Schlitze enthält, die sich nicht zu den proximalen oder distalen Enden des Aktuators erstrecken;
25 veranschaulicht die Positionierung eines erfindungsgemäßen Aktuators im Innern eines Katheters;
26 veranschaulicht den Einschluss eines erfindungsgemäßen Aktuators in einen Katheterkörper;
27 veranschaulicht die Möglichkeit des örtlichen Erwärmens eines erfindungsgemäßen Aktuators;
28 ist ein Querschnitt eines Katheters ohne Hohlraum und mit einem erfindungsgemäßen Aktuator, der in dem Katheter angeordnet ist;
29 ist eine perspektivische Ansicht einer Gitterkonfiguration des Aktuators der vorliegenden Erfindung;
30 veranschaulicht den Aktuator gemäß 29, der mit einem Katheter gekoppelt ist; und
31 veranschaulicht das Ergebnis der Anwendung von Wärme auf ausgewählte Abschnitte des Gitters gemäß 30.
In 1, die bekannt ist und lediglich als Hintergrundinformation gegeben ist, enthält eine Formerinnerungsvorrichtung eine Platte aus einer Formerinnerungslegierung 12, die vollständig aus einer SMA hergestellt ist. Die gängigsten Beispiele enthalten TiNi-Legierungen und CuZnAl-Legierungen. Weitere Legierungen und Formerinnerungspolymere können außerdem verwendet werden. Das Verhältnis der Dicke der Platte 12 zur seitlichen Ausdehnung eines Heizelements 14 sollte vorzugsweise so klein wie möglich sein, so dass trotzdem die Integrität der Platte 12 aufrecht erhalten werden kann. Die Formerinnerungsvorrichtung 10 ist so beschaffen, dass sie an einer ausgewählten Stelle der Platte 12 wahlweise aktiviert werden kann. Das erzeugt eine Bewegung oder Aktivierung von verschiedenen Abschnitten der Platte 12. Durch das Erwärmen von Abschnitten der Platte 12 werden räumlich komplexe Biegekräfte in der Platte 12 erzeugt. Heizelemente 14 stellen Wärmeenergie direkt galvanisch leitend und von mehreren unterschiedlichen Energiequellen an die Platte 12 bereit, wobei die Energiequellen elektromagnetische Quellen, Mikrowellen-Quellen, Widerstands-Heizquellen, Ultraschallquellen und HF-Quellen enthalten, jedoch nicht auf diese beschränkt sind.
Die Heizelemente 14 sind gegen die Platte 12, untereinander und gegen die örtliche Umgebung elektrisch isoliert.
Die SMA-Platte 12 kann flexibel sein und durch mehrere übliche Bearbeitungsverfahren hergestellt sein; wie etwa das Walzen von dünnen Folien aus Draht oder aus einem dünnen Plattenstangenmaterial, das Unterteilen von dünnen Wafern aus Stangenmaterial oder ähnliche Verfahren. Wafer aus SMA-Material können von einem Stangenmaterial unter Verwendung einer herkömmlichen Bandsäge, einer Kaltsäge, einer ringförmigen Diamant-Nasssäge und durch Elektro-Entladungsbearbeitung (EDM) oder durch ähnliche Verfahren geschnitten werden. Die sich ergebenden Wafer oder Folien können durch Wärmebehandlung in einen ebenen Zustand gebracht und durch Präzisionsschleifen auf jede gewünschte Dicke gebracht werden. Die Eigenschaften des SMA-Rohstoffs sind gewährleistet, da das Material direkt aus dem Rohmaterial erhalten wird. Das SMA-Material, das in der Platte 12 enthalten ist, kann vor der Montage thermisch vortrainiert werden oder untrainiert bleiben. Die Auswahl hängt von der endgültigen Verwendung ab.
Mehrere Heizelemente 14 sind auf der SMA-Platte 12 positioniert und sind durch eine elektrisch isolierende Schicht 16 gegen die Platte 12 isoliert. Es ist am günstigsten, die elektrisch isolierende Schicht 16 auf die Platte 12 zu laminieren oder anderweitig aufzubringen. Die elektrisch isolierende Schicht 16 verhindert Kriechströme zwischen den Heizelementen 14 und der elektrisch leitenden Platte 12. Die elektrisch isolierende Schicht 16 ist außerdem vorzugsweise ein guter Wärmeleiter. Bevorzugte isolierende Materialien enthalten Polyimid-Elastomere, Kunststoffe, Silikonnitrid Si_xN_y und dergleichen. Die Dicke der elektrisch isolierenden Schicht 16 sollte in Bezug auf ihre seitliche Ausdehnung klein sein. Die elektrisch isolierende Schicht 16 kann z. B. eine Silikonnitrid-Schicht der Dicke 2000 Å sein, um eine entsprechende Wärmekopplung sicherzustellen und um die Wärmeleitfähigkeit zwischen den Heizelementen 14 und der Platte 12 sicherzustellen.
In der Ausführungsform von 1 sind die Heizelemente 14 in der Form von Dünnfilm-Widerständen ausgebildet.
Die Heizelemente 14 sind in der am stärksten bevorzugten Ausführungsform ohmsche Heizeinrichtungen oder ähnliche Vorrichtungen, die elektrischen Strom in Wärmeenergie umsetzen können. Sie können jedes herkömmliche Widerstandsmaterial, wie etwa TiW oder TaO, enthalten. Das Widerstandsmaterial wird vorzugsweise zuerst durch wohlbekannte VLSI-Techniken oder Mikrobearbeitungstechniken auf der Schicht 16 aufgebracht und strukturiert. Die Heizelemente 14 werden gemäß wohlbekannten photolithographischen Prozeduren, wie etwa das Additiv-Verfahren zum Abheben oder das Subtraktiv-Verfahren zum Trocken- oder Nassätzen, strukturiert oder in anderer Weise ausgebildet.
Die Formerinnerungsvorrichtung 10 kann entweder in der Betriebsart mit offenem oder mit geschlossenem Regelkreis betrieben werden. In der Betriebsart mit offenem Regelkreis ist ein vorgegebener Bewegungspfad in einen Mikroprozessor programmiert. Der Mikroprozessor liefert dann Ausgangssignale an die Schaltungseinrichtung zur Adressdecodierung, die gemäß VLSI in einen proximalen Abschnitt der Formerinnerungsvorrichtung 10 integriert ist. Der vorgegebene Bewegungspfad wird dann in Speicherregister oder in Logikgatter in der Schaltungseinrichtung zur Adressdecodierung gemäß wohlbekannter Techniken abgebil det. Die Schaltungseinrichtung zur Adressdecodierung aktiviert dann ausgewählte Abschnitte der Formerinnerungsvorrichtung 10.
In der Betriebsart mit geschlossenem Regelkreis wird das Positionssignal, das von jedem Positions- oder Biegesensor empfangen wird, durch ein adaptives Rückkopplungs-Steuerverfahren verwendet, das die Formerinnerungsvorrichtung 10 auf einem Bewegungspfad zentriert. Der Mikroprozessor kann die Winkelverlagerung und somit die Position der Formerinnerungsvorrichtung 10 bestimmen. Daraus kann die Gesamtposition der Formerinnerungsvorrichtung 10 für vorgegebene Positionsintervalle bestimmt werden.
Die Winkelverlagerung der Formerinnerungsvorrichtung 10 kann außerdem bestimmt werden, indem der Strom und/oder die Spannung überwacht werden, die an jedes Heizelement geliefert werden. Aus den Strom- und Spannungsinformationen kann ein momentaner lokaler Widerstand gefolgert werden. Herkömmliche Mittel sind zum Erfassen der Spannung an verschiedenen Knoten vorgesehen. Die Spannungsinformationen werden über einen Übertragungspfad an den Mikroprozessor geliefert.
Eine Look-Up- bzw. Verweistabelle der Temperatur/Widerstand-Beziehungen ist in dem Mikroprozessor enthalten.
Die Verweistabelle wird für jede Art der Formerinnerungsvorrichtung 10 optimiert, um eine enge Hystereseschleife zu schaffen. In der Verweistabelle korreliert der Mikroprozessor dann jeden Widerstandswert mit einer Temperatur und kann demzufolge den Zustand und somit die Winkelverlagerung und die Position der Formerinnerungsvorrichtung 10 bestimmen. Positionsabbildungsmittel in dem Mikroprozessor umfassen Mittel zum Herstellen einer Referenzan ordnung mit einem geometrischen Ort der Winkelposition für die Formerinnerungsvorrichtung 10. Diese definiert wiederum den Bewegungspfad für die Formerinnerungsvorrichtung 10. Wenn ein geometrischer Ort der Winkelpositionen gespeichert wurde, kann der gespeicherte Bewegungspfad sehr schnell wiederholt werden. Demzufolge kann ein Katheter, der mit der Formerinnerungsvorrichtung 10 gekoppelt ist, ständig sowohl seine Richtung als auch die Aktivierungsfolge umkehren, so dass er selbst die komplexesten Bewegungspfade genau nachvollzieht. Die Positionsabbildungsmittel können im Speicher einen oder mehrere Bewegungspfade speichern.
Wie in 2 gezeigt ist, kann das Heizelement 14 wenigstens einen mikrogefertigten leitenden Pfad 18 enthalten, der mit einer einzelnen Stromquelle gekoppelt ist. Eine einzige Stromquelle kann durch die Verwendung der multiplexierenden Leistungstransistoren Strom an eine beliebige Anzahl von unterschiedlichen Heizelementen 14 liefern. Ein Transistor kann impulsbreitenmoduliert sein, um eine dosierte Energiemenge zu liefern. Wahlweise sind eine mikrogefertigte Schaltung 20, ein mikrogefertigter Sensor 22 und ein mikrogefertigter Messwandler 24 enthalten. Mikrogefertigte Sensoren enthalten einen Sensor für Druck, Temperatur, Elektronen, Spannungspotential, einen chemischen Sensor, einen Sensor für chemisches Potential und einen elektromagnetischen Sensor, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Mikrogefertigte Messwandler bzw. Transducer umfassen Temperatur-, Elektronen- bzw. elektrosonische, Spannungspotential sowie elektromagnetische Messwandler.
3 zeigt einen Spezialfall, bei dem sechs Heizelemente 14, die mit 14A bis 14F bezeichnet sind, Wärme bereitstellen. Wenn die Formerinnerungsvorrichtung 10 in beschränktem Umfang durch ihre Umgebung eingeschränkt ist, durchläuft die Wärme den Abschnitt 16A–16F der isolierenden Schicht 16 und bewirkt, dass angrenzende Abschnitte 12A–12F der SMA-Platte 12 die Aktivierungsschwelle erreichen. Im Ergebnis werden die Abschnitte 12A–12F aktiviert und nehmen eine wohldefinierte Form ein und liefern bei diesem Prozess nützliche Aktivierungskräfte. Wie gezeigt ist, ist die lokale Verformung nach oben konvex. Wenn die Abschnitte 12A–12F in eine vorwiegend austenitische Zusammensetzung umgewandelt werden und ihre vorbestimmten Formen annehmen, sind die Bereiche der Platte 12, die jene Abschnitte umgeben, durch eine martensitische Zusammensetzung gekennzeichnet und verformen sich gemäß herkömmlicher Gesetze der kontinuierlichen Mechanik. In dem einfachen Fall von 3 bleibt der Rest der Platte 12 eben oder andernfalls unverändert in seinem ursprünglichen Zustand.
In 4 ist die Dicke der SMA-Platte 12 mit S bezeichnet. Zur Klarheit wurde ein bestimmtes Heizelement 14X ausgewählt, um die Einzelheiten der Erfindung zu erläutern. Das Heizelement 14X besitzt einen ihm zugeordneten angrenzend lokalisierten Abschnitt 12X der SMA-Platte 12. Wie gezeigt ist, besitzt das Heizelement 14X ebenso einen ihm zugeordneten Abschnitt 16X der elektrisch isolierenden Schicht 16. Der Abschnitt 12X ist unmittelbar unter dem Heizelement 14X und der elektrisch isolierenden Schicht 16X angeordnet. Die Breite des Abschnitts 12X ist mit D bezeichnet. Wie gezeigt ist, stellt das Heizelement 14X ausschließlich Wärme an den Abschnitt 12X bereit. Wärme breitet sich durch den Abschnitt 16X in den Abschnitt 12X aus.
Die Prinzipien des Erwärmungsprozesses und der Form, die von angrenzenden Abschnitten 12X der SMA-Platte 12 angenommen wird, werden am besten in 4A mit einem ein zelnen Heizelement 14X veranschaulicht. Zur Klarheit wurde die vorgegebene Form, die von dem angrenzenden Abschnitt 12X beim Erwärmen eingenommen wird, nicht gezeigt. Die Wärme, die durch das Heizelement 14X erzeugt wird, dessen Breite durch W angegeben ist, verläuft längs der Pfeile durch die isolierende Schicht 16. Im Einzelnen durchläuft die Wärmeenergie den Abschnitt 16X der Schicht 16. Die Schicht 16 ist im Vergleich zu den seitlichen Abmessungen verhältnismäßig sehr dünn und somit überträgt der Abschnitt 16X die Wärme leicht zur SMA-Platte 12. Wenn die Wärme sich in der SMA-Platte 12 befindet, breitet sie sich durch den angrenzenden Abschnitt 12X aus. Infolge der verhältnismäßig geringen Dicke S der SMA-Platte 12 ist die Wärmeleitung durch die SMA-Platte 12 in der seitlichen Richtung viel kleiner als in der senkrechten Richtung. Während eines typischen Betriebszyklus bleibt die eingebrachte Wärmeenergie auf den Abschnitt 12X des SMA-Platte 12 begrenzt.
Die graphische Darstellung 4B repräsentiert die Temperaturverteilungen an einer beliebigen festen Tiefe unter der Heizeinrichtung 14X. Die graphische Darstellung in 4B zeigt die Temperaturverteilung in der seitlichen X-Richtung im Abschnitt 12X. Direkt unter dem Heizelement 14X bleibt die Temperatur maximal, was durch den flachen Abschnitt der Kurve von –W/2 bis +W/2 angegeben ist. Mit anderen Worten, die Wärme, die an den Abschnitt 12X bereitgestellt wird, breitet sich nicht zu anderen Abschnitten der SMA-Platte 12 aus, z. B. zum Abschnitt 12Y. Statt dessen strahlt die Wärme längs der Pfeile R aus der Platte 12, bevor sie andere Abschnitte 12X der SMA-Platte 12 erreicht.
Wie bereits erwähnt wurde, hängt die Form der benachbarten bzw. angrenzenden Abschnitte 12X der SMA-Platte 12 von der vortrainierten Form der SMA oder der Platte 12 in diesen Abschnitten ab. Außerdem hängt die Form von der Temperatur ab, die in den Abschnitten 12X aufrechterhalten wird.
Eine vollständige Übereinstimmung mit der vortrainierten Form wird erreicht, wenn die Temperatur in Abschnitten 12X gleich oder größer als die kritische Temperatur ist, bei der das SMA-Material den austenitischen Zustand erreicht. Das ist am besten in der graphischen Darstellung von 5 dargestellt. Bei Temperaturen unter T₁ bleibt das SMA-Material biegsam, was durch die martensitischen Eigenschaften festgelegt ist. Deswegen werden Abschnitte 12X, die auf oder unter der Temperatur T₁ gehalten werden, mit der Form übereinstimmen, die ihnen durch die Umgebung verliehen wird. Der Übergang zu dem austenitischen Zustand erfolgt zwischen den Temperaturen T₁ und T₂. Wenn Abschnitte 12X in diesem Temperaturbereich gehalten werden, nehmen sie eine Zwischenform zwischen der entspannten und der vortrainierten Form an. Eine sorgfältige Wärmeregulierung ermöglicht somit, die Form von Abschnitten 12X der Platte 12 kontinuierlich zu ändern.
Der Gesamtaufbau der Platte 12, bei der Heizelemente 14 direkt auf der Platte 12 montiert sind, wobei lediglich die Schicht 16 zwischen ihnen eingeschoben ist, ist sehr einfach. Der Montagevorgang ist einfach und kostengünstig.
Eine weitere Anordnung ist in 6 als Hintergrundinformation gezeigt. Hier ist eine zweidimensionale Platte 26 aus SMA-Material auf einer Abdeckschicht 28 angeordnet. In diesem Fall ist die Schicht 28 ausreichend dick, um während der Verarbeitung eine mechanische Stabilität zu schaffen.
Eine dünne isolierende Schicht 30 ist auf der Platte 26 positioniert, um eine elektrische Isolierung zwischen den Heizelementen 32 und der Platte 26 zu schaffen. Die Schicht 30 ist ausreichend dünn und besitzt geeignete thermische Eigenschaften, um die freie Strömung von Wärme von den Elementen 32 zur Platte 26 zu ermöglichen. Außerdem kann die Schicht 30 mechanische Spannungen aufnehmen, die während des Betriebs induziert werden. Bei dieser Anordnung ist das SMA-Material der Platte 26 außerdem elektrisch leitend (z. B. eine TiNi-Legierung oder eine CuZnAl-Legierung).
7 zeigt eine Anordnung, bei der die Platte 26 eine Abdeckschicht aufweist und als ein Substrat dient bzw. wirkt. In diesem Fall ist die Schicht 26 aus Materialien ausgewählt, die chemisch reaktionsträge und stabil sind, um die Platte 26 vor ungünstigen Umgebungsbedingungen zu schützen.
Die elektrische Isolierung zwischen den Heizelementen 32 und der Platte 26 wird durch Abschnitte 34 zur elektrischen Isolation geschaffen, die punktweise unter den Elementen 32 aufgebracht sind. Derartige Strukturen können erzeugt werden, indem anfangs eine Schicht aus isolierendem Material und eine Schicht aus Widerstandsmaterial aufgebracht werden.
Elemente 32 und entsprechende Abschnitte 34 zur elektrischen Isolation, die punktweise unter den Elementen 32 aufgebracht sind, bilden Strukturen, die erzeugt werden, indem anfangs eine Schicht aus isolierendem Material und eine Schicht aus Widerstandsmaterial aufgebracht werden. Elemente 32 und entsprechende Abschnitte 34 zur elektrischen Isolation werden durch Trocken- oder Nassätzen oder durch einen anderen wohlbekannten Prozess ausgebildet.
8 zeigt eine weitere Anordnung, bei der eine zweidimensionale Platte 36 aus einem elektrisch isolierenden SMA-Material hergestellt ist. Bei dieser Konfiguration ist keine Isolierung erforderlich. Demzufolge werden die Heizelemente 32 direkt auf der Platte 36 montiert. Eine Abdeckschicht 38, die als ein Substrat wirkt, ist wiederum vorgesehen, um mechanische Stabilität und einen Widerstand gegen ungünstige Umgebungsbedingungen zu schaffen. Es ist vorzuziehen, dass die Schicht 38 außerdem ein guter elektrischer Leiter ist, um die Abführung von Wärme von der Platte 36 zu unterstützen.
Die Anordnungen der 6-8 werden alle in der obenbeschriebenen Weise betrieben und sind lediglich als Hintergrundinformation beschrieben.
Eine weitere Anordnung, die lediglich als Hintergrundinformation beschrieben ist, ist in 9 gezeigt. Eine zweidimensionale Platte 40 aus einem elektrisch leitenden SMA-Material, das vorzugsweise eine NiTi-Legierung ist, ist mit einer isolierenden Schicht 42 bedeckt. Die Schicht 42 ist vorzugsweise aus Si_xN_y oder aus Polyimid hergestellt und ist ausreichend dünn, damit sie Wärme gut leitet.
Strukturierte bzw. gemusterte Heizelemente 44, die die Heizelemente 44A–44D aufweisen, sind z. B. auf der isolierenden Schicht 42 angeordnet. Heizelemente 44 sind durch Sputtern und Strukturieren von TiW oder TaO auf der Schicht 42 ausgebildet. Heizelemente 44 besitzen einen Widerstand von etwa einigen hundert Ohm. In der bevorzugten Ausführungsform besitzen die Elemente 44 eine Zickzackform, die ermöglicht, dass sie dann, wenn sie mit Energie versorgt und aktiviert werden, eine bessere Wärmeverteilung in der Platte 40 sicherstellen.
Eine zweite isolierende Schicht 46 ist auf den Heizelementen 44 und auf der Schicht 42 vorgesehen. Die Schicht 46 ist vorzugsweise aus einer flexiblen elektrischen Isolierung, wie etwa Polyimid oder ein Elastomer, hergestellt, die auf den Heizelementen 44 und der Schicht 42 durch Schleuderguss aufgebracht ist. Mehrere Durchgangslöcher 49 verlaufen durch die Schicht 46, um zwischen den Elementen 44 einen elektrischen Kontakt herzustellen. Die Durchgangslöcher 49 sind auf die Endabschnitte der Heizelemente 44A–44 Dausgerichtet.
Eine Gruppe bzw. Menge von leitenden Pfaden 50A–50E ist auf die Oberseite der Schicht 46 strukturiert bzw. musterartig aufgebracht. Die leitenden Pfade 50A–50E sind vorzugsweise aus einem flexiblen und stark leitenden Material, wie etwa Gold, hergestellt. Leitende Pfade 50A–50E können durch Strukturieren oder andere geeignete Techniken definiert werden. Ein gewöhnlicher leitender Rückkehrpfad 50A ist angelegt, um durch Durchgangslöcher einen elektrischen Kontakt mit einem Endanschluss aller Heizelemente 44A–D herzustellen. Der leitende Rückkehrpfad 50A spart Oberflächenbereich auf der Schicht 46 ein und ist erwünscht, solange nicht alle Heizelemente 44 gleichzeitig und ständig angesprochen werden. Wenn eine kontinuierliche Aktivierung erforderlich ist, würde eine zusätzliche Schicht mit voller Breite für den Rückkehrpfad reserviert sein. Alternativ kann die leitende Platte 40 selbst den gemeinsamen Masserückkehrpfad für alle Heizelemente 44A–44D schaffen. Die anderen leitenden Pfade 50B–50E sind durch die Durchgangslöcher 49 in der isolierenden Schicht 46 mit jeweils anderen Endabschnitten der Heizelemente 44A–44D in elektrischem Kontakt.
Die äußeren elektrischen Verbindungen werden entsprechend den leitenden Pfaden 50A–50E zu Kontaktanschlussflächen 52A–52E hergestellt. Zu diesem Zweck sind die Anschlussflächen 52A–52E viel dicker als die leitenden Pfade 52A–52E. Die eigentlichen elektrischen Verbindungen werden durch Drahtbondmittel oder ähnliche Mittel hergestellt.
Wenn die gesamte Struktur auf der Platte 40 montiert ist, wird die SMA "trainiert", indem die Platte 40 gezwungen wird, unter Verwendung von wohlbekannten Verfahren eine resultierende Form anzunehmen. Die Platte 40 ist z. B. auf einem Dorn ausgebildet und mit einer Klammer an der Verwendungsstelle befestigt. Die gesamte Spannvorrichtung wird dann in einem Glühofen bei etwa 450°C für etwa 30 Minuten angeordnet, der vorzugsweise mit einem inerten Gas ausgeblasen wird. Beim Kühlen wird der Film von dem Dorn entfernt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Platte 40 betriebsbereit.
Der elektrische Schaltplan, der die elektrischen Verbindungen der obenbeschriebenen Anordnung zeigt, ist in 10 zu finden. Eine Steuereinheit 54 ist mit einer Stromversorgung 56 verbunden. Vorzugsweise sind sowohl die Einheit 54 als auch die Versorgung 56 von der Platte 40 entfernt angeordnet. Die Einheit 54 ist vorzugsweise ein Mikroprozessor, der eine gewünschte Kombination der Heizelemente 44A–44D auswählen kann. Die Stromversorgung 56 ist vorzugsweise eine einstellbare Quelle, die Strom an die gewählte Kombination der Elemente 44A–44D liefern kann. Die leitenden Pfade 50B–50E sind direkt an die Versorgung 56 angeschlossen. Die Heizelemente 44A–44D sind als Widerstände gezeigt. Die Rückleitung 50A ist geerdet.
Während des Betriebs wählt die Steuereinheit 54 eine Kombination von Elementen 44, die aktiviert werden sollen, aus. Sie sendet dann einen entsprechenden Befehl an die Versorgung 56. Die Versorgung 56 reagiert durch die Lieferung von Strom an die Elemente 44 der gewählten Kombination. Es sind z. B. die Elemente 44A und 44D ausgewählt. Strom wird an die Elemente 44A und 44D geliefert und die entsprechenden angrenzenden Abschnitte 58A und 58D nehmen eine wohldefinierte Form an. Wenn der Strom ausreichend groß ist und die Temperatur, die in den angrenzenden Abschnitten 58A und 58D aufrechterhalten wird, über T₂ liegt (siehe 5), werden die Abschnitte 58A und 58D ihre vortrainierte Form annehmen. Wenn die Temperatur zwischen T₁ und T₂ liegt, werden die Abschnitte 58A und 58D eine Zwischenform annehmen, die von dem Bewegungspfad um die Hystereseschleife von 5 abhängt. Da die Versorgung 56 einstellbar ist, kann der geeignete Strom während des Betriebs ausgewählt und auf empirischer Grundlage eingestellt werden. Demzufolge kann die Form der Abschnitte 58A und 58D bei Bedarf verändert werden.
11 veranschaulicht die resultierende Form der SMA-Platte 40, wenn angrenzende Abschnitte 58C und 58D ausgewählt sind. Es wird angenommen, dass die SMA-Platte 40 so trainiert wurde, dass sie sich über ihre gesamte Länge nach oben krümmt.
Somit tragen Krümmungen in den Abschnitten 58C und 58D gemeinsam zu einer viel größeren Gesamtkrümmung bei.
12 veranschaulicht eine weitere resultierende Form der Platte 40, wenn die Abschnitte 58B–58D erwärmt werden und die SMA-Platte 40 so vortrainiert wurde, dass sie eine S-Form annimmt. In der gesamten Beschreibung ist selbstverständlich, dass die SMA-Platte 40 vor oder nach der Montage trainiert werden kann. Ein Training vor der Montage kann vorzuziehen sein, wenn mit Materialien gearbeitet wird, die beschädigt werden könnte, wenn sie gemeinsam mit der SMA-Platte 40 trainiert werden, z. B. infolge der hohen Glühtemperaturen.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt die Platte 40 eine Abdeckschicht 60, wie in 14 gezeigt ist. Für ein besseres Verständnis sind die Krümmungen in der Platte 40 angegeben worden. Krümmungssensoren 62 sind auf der Schicht 60 positioniert. Die Sensoren 62 können entweder Winkelkrümmungssensoren, Ausdehnungskrümmungssensoren, wie etwa ein Belastungsmesser, oder Biegesensoren sein. Ein Biegesensor ist ein Typ des Belastungsmessers, der so beschaffen ist, dass er die Biegebelastung und die Winkelkrümmung misst. In diesem Fall sind die Sensoren 62 an den Stellen angeordnet, die den Stellen der Elemente 44 entsprechen. In Abhängigkeit von der Geometrie und der Anwendung kann eine unterschiedliche Anordnung bevorzugt sein.
Der elektrische Schaltplan mit den Sensoren 62 ist in 13 gezeigt. Die gestrichelte Linie repräsentiert Elemente, die auf der Platte 40 montiert sind. Während die Verbindungen zu den Elementen 44A–44D die gleichen bleiben, werden alle Sensoren 62A–62D über Leitungen 62A–62D jeweils mit der Steuereinheit 54 verdrahtet. Auf diese Weise kann die Steuereinheit 54 Signale empfangen, die jeweils die örtliche Krümmung eines der Sensoren 62A–62D repräsentieren. Eine Pfadformbibliothek 66 ist mit der Steuereinheit 54 verbunden. Die Pfadformbibliothek 66 kann die resultierende Form der Platte 40 anhand der von den Sensoren 62 gelieferten Informationen abbilden.
Die Pfadformbibliothek 66 besitzt vorzugsweise eine Bestandsliste der resultierenden Formen, die durch bekannte Kombinationen der Elemente 44 erzeugt werden. Mit anderen Worten, die Pfadformbibliothek 66 kann abgebil dete Positionen von resultierenden Formen wieder aufrufen und neue speichern. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform kann die Pfadformbibliothek 66 außerdem die tatsächlichen Stromwerte speichern, die den Zwischenformen angrenzender Abschnitte entsprechen. Das bedeutet, dass im Betrieb Formen auf Wunsch wieder aufgerufen und gespeichert werden können. Die Ausführungsform ist somit sehr vielseitig und praktisch für diverse Anwendungen, z. B. das Führen von Kathetern.
15 zeigt eine weitere Anordnung, die sich von den obigen Anordnungen lediglich dadurch unterscheidet, dass die Sensoren 62 zwischen allen Heizelementen der Heizelemente 44 positioniert sind, z. B. zwischen den dargestellten Heizelementen 44A und 44B. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der ein Temperatursensor 68 längs einer Gruppe von Heizelementen 44 montiert ist, z. B. längs der Heizelemente 44A, 44B, 44C usw. Das ist vorteilhaft für die Überwachung der Temperatur der Platte 40. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden diese Daten in der Pfadformbibliothek 66 gespeichert. Das Überprüfen der Temperatur von den Sensoren 62, 68 während des Betriebs kann ein Überhitzen und weitere damit verbundene Fehlfunktionen verhindern. In 16 kann natürlich mehr als ein Wärmesensor 68 vorgesehen sein.
Im günstigsten Fall können mehrere derartige Sensoren 68 vorgesehen sein, die auf der Platte 40 optimal positioniert sind.
17 zeigt die Anordnung von 14, die in einer oberen Abdeckschicht 70 eingekapselt ist, in dem martensitischen Zustand. Die Schicht wird aufgebracht, um die elektrischen Verbindungen und Elemente 44 insbesondere gegen beschädigende Umgebungsfaktoren, z. B. korrosive Umgebungen zu schützen.
Die 18 und 19 zeigen zwei Arten, wie eine zweidimensionale Platte 72 aus SMA gekühlt werden kann. Zur Einfachheit sind alle anderen Elemente mit Ausnahme der Heizelemente 76 weggelassen worden.
In 18 ist das Kühlelement eine Gruppe von Kühlrippen 78, die mit der Platte 72 in direktem Kontakt sind. Diese Anordnung stellt einen wirksamen Übergang und die Ableitung der Wärme sicher. Die Struktur von 19 leitet gleichfalls Wärme unter Verwendung einer Substratschicht 80 mit Rohrleitungen 82 (von denen lediglich eine gezeigt ist) wirkungsvoll ab. Die Rohrleitungen 82 befördern ein Kühlmittel, z. B. Wasser, das die Abwärmeenergie absorbiert und ableitet.
In 20 ist ein doppelter Formerinnerungseffekt der Platte 12 gezeigt, wobei die Platte 12 (die nachfolgend als "Aktuator 12'' bezeichnet wird) längs einer Achse eines Katheters 84 damit übereinstimmend positioniert ist. Der Aktuator 12 kann aus einem Formerinnerungsmaterial oder einer aus zwei Elementen bestehenden Struktur hergestellt sein und kann aus einer ununterbrochenen Platte, einer unterbrochenen Platte, einer Stange, einem Gitter, einer drahtförmigen Struktur sowie weiteren dreidimensionalen Formen hergestellt sein. Es ist klar, dass der Aktuator 12 außerdem parallel, aber angrenzend an die Katheterachse verlaufen sowie an einer Oberfläche des Katheters 84 positioniert sein kann. Der doppelte Formerinnerungseffekt liefert eine Ablenkung in zwei Richtungen und ein Abschnitt des Aktuators 12 wird belastet, wodurch eine innere Vorbelastungsfederkraft erzeugt wird. Der Aktuator 12 verbiegt sich dann in eine Richtung in seinen aktivierten Zustand und kehrt in der entgegengesetzten Richtung in seinen nicht aktivierten Zustand zurück. Es ist möglich, dass lediglich ein Ab schnitt des Aktuators 12 eine doppelte Form besitzt.
In 21 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei zwei einzelne SMA-Aktuatoren 12 dargestellt sind. Jeder Aktuator 12 arbeitet nach einem einfachen Formerinnerungseffekt. Die beiden Aktuatoren 12 sind mechanisch gekoppelt und thermisch voneinander isoliert. Durch die Verwendung von zwei einzelnen Aktuatoren 12 in dieser Weise kann ein freistehender Führungsdraht oder eine Komponente eines Katheters oder von anderen medizinischen Einrichtungen, bei denen eine Führung erforderlich ist, realisiert werden.
Wie in 22 veranschaulicht ist, ist der Aktuator 12 mit dem Katheter 84 gekoppelt. Mehrere Segmente 12' sind aus einem einzelnen Aktuator 12 gebildet und sind im Inneren des Katheters 84 oder an einer äußeren Oberfläche des Katheters angeordnet oder sind in einem Katheterkörper ausgebildet. Außerdem kann der Aktuator 12 ein Führungsdraht sein, der mit dem Katheter 84 verwendet wird. Die Betätigung des Aktuators 12 kann in einem Schiebe- oder Zugmodus erfolgen. Der Schiebemodus ist in 23 gezeigt. Wenn der Aktuator 12 geschoben wird, wird keine äußere Umhüllung benötigt. Wenn der Aktuator 12 gezogen wird, wird eine äußere Umhüllung benötigt. Die äußere Umhüllung schafft eine Wärmeisolierung und Wärmekopplung, wobei der Aktuator 12 mehrere Abschnitte aufweist, die "fingerförmige Segmente" sein können. Wenn der Katheter 84 aus einem Material ausgebildet ist, das ein Gleiten oder eine Verformung verursacht, und wenn der Aktuator 12 mit einem derartigen Katheter 84 gekoppelt ist, dann ist keine Hülse erforderlich, die einen geringen Reibungskoeffizienten des Aktuators 12 in Bezug auf den Katheter 84 erzeugt.
In 24(a) ist der Aktuator 12 an einem distalen Ende des Katheters 84 positioniert. Der Aktuator 12 enthält mehrere fingerförmige Segmente, die durch Schlitze 85 beabstandet sind, die sich zu dem distalen Ende des Aktuators 12 erstrecken. In der Ausführungsform von 24(a) enthält der Katheter 84 keinen Kern und lediglich ein einzelner ununterbrochener Aktuator 12 ist vorgesehen. Das distale Ende des Katheters 84 kann komplexe Formen annehmen und kann sich in mehreren Ebenen biegen, indem wahlweise Energie an unterschiedliche Abschnitte des Aktuators angelegt wird. In der Ausführungsform, die in 24 gezeigt ist, enthält der Aktuator 12 ein proximales Ende, das mit dem Katheter 84 durch Verfahren verbunden ist, die einem Fachmann wohlbekannt sind. Wie in 24(b) gezeigt ist, sind die distalen Enden der fingerförmigen Segmente des Aktuators 12 mit dem distalen Ende des Katheters 84 verbunden.
Die Schlitze 85 in den 24(a), (b) und (c) sind ausreichend eng beabstandet, so dass die kombinierte maximale seitliche und normale Oberflächenbelastung an jedem fingerförmigen Segment während der seitlichen Biegung 10% und vorzugsweise 5% nicht übersteigt. Die Schlitze 85 sind ausreichend eng, um Biegekräfte der fingerförmigen Segmente maximal zu machen, während sie eine seitliche Belastung zulassen.
In 24(c) enthält der Aktuator 12 mehrere Schlitze 85, die sich nicht zu den proximalen oder distalen Enden des Aktuators 12 erstrecken. In dieser Ausführungsform ist kein separates Kopplungselement erforderlich.
In 25 ist der Aktuator 12 so gezeigt, dass er im Inneren des Katheters 84 positioniert ist, ohne dass eine zusätzliche Kopplungsvorrichtung oder ein Kern im Katheter 84 positioniert ist. Wie in 26 gezeigt ist, ist der Aktuator 12 in einem Körper des Katheters 84 positio niert und sie können gemeinsam stranggepresst sein.
In 27 werden lediglich ausgewählte Abschnitte des Aktuators 12 durch ausgewählte Heizelemente örtlich erwärmt und die Nähe der Heizelemente 14 zu dem Aktuator 12 schafft einen thermischen Pfad, wodurch Energie durch die Heizelemente 14 zu einem Abschnitt oder zu mehreren Abschnitten des Aktuators 12 übertragen wird. Bei der Aktivierung bewegt sich ein Abschnitt des Aktuators 12 teilweise oder vollständig zu seinem minimalen Biegeradius, der ihm während seines thermischen Trainings eingeprägt wurde. In 28 ist der Aktuator 12 so gezeigt, dass er in einem hohlraumlosen Katheter 84 positioniert ist.
Wie in 29 gezeigt ist, ist der Aktuator 12 ein Formerinnerungslegierung-Gitter anstelle einer festen Platte.
In 30 ist die Gitterkonfiguration in einem Kübel gebildet und wird in einer gebrochenen Konfiguration thermisch trainiert. Das Gitter kann mit einem Elastomer 86, das der Katheter 84 oder ein separates Element sein kann, gemeinsam stranggepresst sein. Das Elastomer 86 kann außerdem mit dem Gitter 12 gegossen, durch Wärme geschrumpft, getaucht oder in ähnlicher Weise hergestellt sein.
Das Elastomer 86 stellt die Funktion einer Rückholfeder bei der einfachen Wirkung des Aktuators 12 zur Verfügung. Die einfache Federbetätigung kann außerdem durch andere mechanische Vorrichtungen, Strukturen und Konfigurationen geschaffen werden. Dünnfilm-Heizeinrichtungen 14 sind auf der Oberfläche des Gitters verteilt und schaffen eine örtliche Erwärmung des Formerinnerungslegierung-Gitters 12. In 31 werden unterschiedliche Abschnitte des Gitters 12 in verschiedenem Umfang aktiviert, um eine gewünschte Ablenkung des Elastomers zu erreichen.
Während die Erfindung in Verbindung damit beschrieben wurde, was gegenwärtig als die praktischsten und am meisten bevorzugten Ausführungsformen betrachtet wird, sollte selbstverständlich sein, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass im Gegenteil beabsichtigt ist, verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen abzudecken, die in dem Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind. Eine Peltier-Vorrichtung könnte z. B. ebenfalls eine gleichwertige Lösung der Wärmeabführung schaffen.

Claims

Formerinnerungsaktuator des Typs, der ein Formerinnerungslegierung-Plattenelement (12), mehrere Heizelemente (14) und Mittel (54, 56, 66) zum Versorgen wenigstens eines der Heizelemente (14) mit Energie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Formerinnerungslegierung-Plattenelement (12) einen gemeinsamen Abschnitt besitzt, der mit jedem von mehreren beabstandeten Abschnitten (12') gekoppelt ist, wobei die mehreren Heizelemente (14) durch die mehreren beabstandeten Abschnitte (12') unterstützt sind, wodurch jeder der beabstandeten Abschnitte (12') des Plattenelements (12) eine vorgegebene Form hat, wenn er eine Temperatur unterhalb einer Formaktivierungs-Schwellentemperatur hat, und wobei die Energieversorgungsmittel (54, 56, 66) wenigstens eines der Heizelemente (14) mit Energie versorgen, um einen benachbarten diskreten Teil des beabstandeten Abschnitts (12') über die Formaktivierungs-Schwellentemperatur zu erwärmen, um dadurch den erhitzten diskreten Teil dazu zu veranlassen, seine Form unabhängig von irgendeiner Bewegung eines anderen der beabstandeten Abschnitte (12') oder des gemeinsamen Abschnitts von einer ersten Form, die der vorgegebenen Form entspricht, zu einer zweiten Form zu ändern, wenn der diskrete benachbarte Teil durch wahlweisen Betrieb der Energieversorgungsmittel auf die Formaktivierungs-Schwellentemperatur erwärmt wird.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 1, bei dem die beabstandeten Abschnitte des Plattenelements mehrere fingerartige Segmente aufweisen, die durch Schlitze (85) getrennt sind und sich von einem gemeinsamen Abschnitt des Formerinnerungslegierung-Plattenelements im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken, wenn sie sich auf einer Temperatur unterhalb der Formaktivierungstemperatur befinden, wobei sich jedes fingerförmige Segment über eine Abschnittslänge zu einem freien Ende des Segments erstreckt und eine vorgegebene aktivierte Form besitzt, wenn ein Abschnitt des fingerförmigen Segments auf die Formaktivierungstemperatur erwärmt ist bzw. wird.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 2, bei dem der gemeinsame Abschnitt ein ununterbrochenes Band ist und die fingerartigen Segmente sich von einer Seite des Bandes erstrecken, wobei der Aktuator eine im Wesentlichen zylindrische Form hat.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 3, bei dem das ununterbrochene Band und die fingerartigen Segmente an einer lang gestreckten medizinischen Vorrichtung angebracht sind, die ein distales Vorrichtungsende besitzt, wobei sich die freien Enden der Segmente von dem ununterbrochenen Band distal erstrecken.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 1, bei dem die mehreren beabstandeten Abschnitte fingerartigen Segmente aufweisen, die durch Schlitze (85) getrennt sind und sich zwischen einem ersten gemeinsamen Abschnitt und einem zweiten gemeinsamen Abschnitt des Formerinnerungslegierung-Plattenelements erstrecken, und bei dem die fingerartigen Segmente in der ersten Form zueinander parallel sind und die zweite Form von der ersten Form verschieden ist.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 5, bei dem der erste gemeinsame Abschnitt und der zweite gemeinsame Abschnitt ununterbrochene Bänder sind, die fingerartigen Segmente die beiden ununterbrochenen Bänder miteinander koppeln und der Aktuator als Ganzes eine im Wesentlichen zylindrische Form hat.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 6, bei dem das erste und das zweite ununterbrochene Band und die fingerartigen Segmente an einem Abschnitt einer lang gestreckten medizinischen Vorrichtung angebracht sind.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 1, bei dem die mehreren beabstandeten Abschnitte wenigstens zwei lang gestreckte Abschnitte umfassen, wovon jeder wenigstens ein Heizelement unterstützt, das so konfiguriert ist, dass es für den diskreten angrenzenden Abschnitt eines der wenigstens zwei lang gestreckten Abschnitte Wärme bereitstellt, um dadurch den lang gestreckten Abschnitt zu aktivieren.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 1, bei dem eine Aktivierung des diskreten benachbarten Teils einen veränderlichen Young-Modul wenigstens eines gewissen Bereichs des Teils bewirkt.
Formerinnerungsaktuator nach einem der Ansprüche 1, 2, 5, 8 oder 9, der ferner eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Lage aufweist, die auf einer Oberfläche des Formerinnerungslegierung-Plattenelements angeordnet ist, und bei dem wenigstens eines der mehreren Heizelemente auf der elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Lage unterstützt ist.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 10, der ferner mikrogefertigte leitende Pfade aufweist, die auf der elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Lage unterstützt sind und mit mehreren unabhängig steuerbaren Heizelementen gekoppelt sind, um Energie von den Energieversorgungsmitteln an ausgewählte Heizelemente zu leiten.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 11, bei dem das Formerinnerungslegierung-Plattenelement mehrere in ihm ausgebildete Perforationen besitzt.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 11, bei dem das Formerinnerungslegierung-Plattenelement Schlitze aufweist, die die mehreren beabstandeten Abschnitte des Plattenelements trennen, wobei jeder der mehreren beabstandeten Abschnitte wenigstens drei Heizelemente unterstützt.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 11, bei dem das Formerinnerungslegierung-Plattenelement aus mehreren miteinander verbundenen Formerinnerungslegierung-Abschnitten hergestellt ist, wovon jeder wenigstens ein Heizelement unterstützt.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 14, bei dem das Formerinnerungslegierung-Plattenelement eine rohrförmige Geometrie besitzt.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 15, bei dem das Formerinnerungslegierung-Plattenelement eine drahtförmige Struktur besitzt.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 1, 5, 8 oder 13, bei dem das Formerinnerungslegierung-Plattenelement eine rohrförmige Geometrie besitzt.
Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 1, bei dem das Formerinnerungslegierung-Plattenelement die Form eines Gitters aufweist.
Langgestreckte medizinische Vorrichtung des Typs, der einen lang gestreckten Vorrichtungskörper besitzt, der sich zwischen einem proximalen Ende und einem distalen Ende erstreckt und eine longitudinale Achse besitzt, wobei die Vorrichtung einen Formerinnerungsaktuator (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, der mit einem distalen Segment des lang gestreckten Vorrichtungskörpers (84) gekoppelt ist.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der der Formerinnerungslegierung-Aktuator an einer äußeren Oberfläche des lang gestreckten Vorrichtungskörpers positioniert ist.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der der Formerinnerungslegierung-Aktuator an einer inneren Oberfläche des lang gestreckten Vorrichtungskörpers positioniert ist.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der der Formerinnerungslegierung-Aktuator an einem inneren Abschnitt des lang gestreckten Vorrichtungskörpers positioniert ist.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der der Formerinnerungslegierung-Aktuator wenigstens teilweise längs des Umfangs um den lang gestreckten Vorrichtungskörper positioniert ist.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der der Formerinnerungslegierung-Aktuator wenigstens teilweise in Umfangsrichtung an einer äußeren Oberfläche des lang gestreckten Vorrichtungskörpers positioniert ist.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der der Formerinnerungslegierung-Aktuator wenigstens teilweise in Umfangsrichtung an einer inneren Oberfläche des lang gestreckten Vorrichtungskörpers positioniert ist.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der der Formerinnerungslegierung-Aktuator wenigstens teilwei se in Umfangsrichtung innerhalb des lang gestreckten Vorrichtungskörpers positioniert ist.
Medizinische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, bei der der lang gestreckte Vorrichtungskörper aus einer zu der longitudinalen Achse senkrechten Perspektive eine geometrische seitliche bzw. laterale Querschnittsform besitzt.
Medizinische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, bei der der lang gestreckte Vorrichtungskörper einen inneren Hohlraum bzw. Lumen aufweist.
Langgestreckte, rohrförmige medizinische Vorrichtung, die einen Vorrichtungskörper aufweist, der sich zwischen einem distalen Ende des Vorrichtungskörpers und einem proximalen Ende des Vorrichtungskörpers erstreckt, wobei der Vorrichtungskörper ferner einen Formerinnerungsaktuator nach Anspruch 18 aufweist, bei dem das Gitter (12) als Rohr geformt ist und sich zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende des Vorrichtungskörpers (84) erstreckt.