Prototypeutvikling av hjertekateter med fokus på distalenden og manøvrerbarhet - Del 1

Abstract

Dagens kateterbaserte instrumenter krever erfaring som tar lang tid å mestre. Denne vanskelighetsgraden ved utførelse av minimal invasive prosedyrer skyldes begrenset manøvrerbarhet ved instrumentet. I tidligere gradsoppgave skrevet av Sletmoen og Hodneland, har det blitt utviklet et konsept for nøyaktig posisjonering av katetre i det kardiovaskulære systemet. Deres arbeid resulterte i et kateterkonsept som kan oppnå en «S» form. Dette vil være mulig ved at kateteret kan forlenges, bøyes og roteres. Dette arbeidet dannet grunnlaget for denne gradsoppgaven, som resulterer i en skalert prototype. Hovedmålet for denne masteroppgaven har vært å utvikle en skalert prototype med fokus på distalenden, og øking av manøvrerbarhet. Dette skal oppnås ved å tilføre distalenden evnen til å rotere, forlenges og bøyes. Det blir generert flere konsepter for rotasjonsmekanismen og forlengelsesmekanismen. Genereringen av konsepter for defleksjonsmekanismen vil bli utredet i del 2 skrevet av Dharun Sehjpal. Ved hjelp av Pugh’s seleksjonsmatrise, blir de to beste konseptene tatt med videre i en ekstern spørreundersøkelse. I den eksterne spørreundersøkelsen blir de beste løsningene fra denne og tidligere grad rangert opp imot hverandre. På grunnlag av denne undersøkelsen blir det beste konseptet for hver mekanisme tatt med videre til prototypstadiet. I denne gradsoppgaven ble rotasjonskonseptet og defleksjonskonseptet fra tidligere masteroppgave brukt videre i denne mastergraden. Foreslått konsept for forlengelse fra tidligere arbeid, ble ikke tatt med videre. Konseptet er forut for sin tid og foreslått materiale finnes ikke per dags dato. Konseptet vil trolig være ustabilt og lite nøyaktig. Dette vil gå utover sikkerheten på kateteret og det vil være uakseptabelt. Dermed ble et mekanisk konsept generert i denne graden tatt med videre. Under oppbyggingen av prototypen, ble noen deler printet ved hjelp av en 3D printer, imens andre deler måtte kjøpes inn. Tilvirkning av deler til prototypen var tidskrevende og var i stor grad preget av re-design. Denne prosessen genererte flere versjoner av rotasjonsmekanismen og forlengelsesmekanismen. For hver justering ble mekanismene forbedret. Med noe veiledning fra erfarne fagfolk ble prototypen ferdigstilt og de forskjellige mekanismene ble testet ut. Testene var simple og bestod av å operere de forskjellige mekanismene hver for seg. Ut ifra testene kom det frem hvilke mekanismer fungerte bedre enn andre og hvilken forbedringspunkter fantes. Prototypeutvikling av hjertekateter med fokus på distalenden og manøvrerbarhet – Del 1 Khaled Alamoudi III Den skalerte prototypen er i 5:1 skala og er satt sammen av materialer som ikke oppfyller industristandarden. Den ferdigstilte prototypen endte i en skalert prototype med evnen til å forlenges med 10 cm, bøyes ca. 90 grader i ønsket retning og rotere 380 grader. Rotasjonen oppnås ved å dra vekselsvis i styretråder. Forlengelsen oppnås ved å rotere på rotasjonsskruen i kontrollenheten. Den totale lengden av prototypen i utstakt posisjon ble 166 cm. Denne prototypen vil ikke ha samme oppbygging som et endelig hjertekateter. Dette skyldes mangel på materialer i 5:1 skala som følger industristandarden. Denne prototypen virker mer som en metode å teste de forskjellige konseptene på før videre utvikling gjennomføres. De negative sidene med prototypen skyldes friksjon mellom kontakt-flatene. Dette problemet kommer tydeligere frem dersom prototypen ikke holdes rett. Det positive med prototypen er at de forskjellige mekanismene virker til en viss grad og et forbedringspotensial er tilstede. Denne prototypen danner et godt grunnlag for videre utvikling av en mindre prototype med materialer som følger industristandarden.

Today’s catheter based instruments requires experience that takes a long time to master for cardiologists. This difficulty in performing minimally invasive procedures, is due to limited manoeuvrability of the catheter. In the previous thesis written by Sletmoen and Hodneland, there was developed a concept for a more accurate positioning of catheters in the cardiovascular system. Their work resulted in a catheter concept that can achieve an “S” shape. This will be possible by adding the ability of deflection, elongation and rotation to the catheter. The work done in their thesis, formed the basis of this master thesis that resulted in a scaled prototype. The main objective of this thesis has been to develop a scaled prototype, with focus on the distal end, and how to increase manoeuvrability. This will be achieved by supplying the distal end the ability to rotate, elongate, and deflect. Multiple concepts where generated for the rotational mechanism and the elongation mechanism. Concepts for the deflection mechanism will be explored in part 2 by Dharun Sehjpal. Using Pugh’s selection matrix, the two best concepts where brought forward and used in an external survey. The external survey contains the best concept solutions from this and the previous thesis. These concepts where rated against each other. The best concept for each mechanism is carried over to the prototype stage. The concepts for rotation and deflection from the previous thesis is used in the prototype. The proposed concept for elongation from previous work, was not taken further. The concept is ahead of its time and proposed material does not currently exist. The concept is likely to be unstable and not accurate due to its design. This will compromise the safety of the catheter, which is unacceptable. Thus the generated concept for elongation in this thesis is chosen for the prototype. During reconstruction of the prototype, some parts were printed using a 3D printer. Meanwhile other parts were purchased. The manufacturing process of part was time consuming and was largely influenced by the continuous re-design. This process generated several versions of the rotational mechanism and the elongation mechanism. For each adjustment the mechanisms were improved. With some guidance from experienced professionals at NMBU, the prototype was completed and the various mechanisms were tested. The tests were simple and consisted of operating the various mechanisms separately. Prototypeutvikling av hjertekateter med fokus på distalenden og manøvrerbarhet – Del 1 Khaled Alamoudi V The tests revealed that one mechanisms worked better than the other and the potential for improvement exists. The scaled prototype is in 5:1 scale and is composed of materials that do not meet the industry standard. The finished prototype ended in a scaled prototype with the ability to be extended 10 cm, deflect approximately 90 degrees in any direction and rotate 380 degrees. The rotation is achieved by pulling alternately on the control cords. The extension is achieved by rotating the rotary screw on the controller. The total length of the prototype at full elongation is at 166 cm. This prototype will not have the same structure as a final heart catheter. This is due to shortage of materials in 5:1 scale that stands up to industry standard. This prototype seems more suited as a method to test the different concepts before further development is carried out. The negative aspects of the prototype are due to friction between the contact surfaces. This problem is more pronounced as the prototype is not kept straight. The positive side of the prototype is that the different mechanisms operate to a certain extent potential for improvement exists. This prototype provides a good basis for further development of a smaller prototype with materials that comply with industry standards.