Mechanical design of an automated transesophageal echocardiography system

Abstract

Transesophageal echocardiography (TEE) is used in heart diagnostics and guidance of minimally invasive cardiac surgery (MICS) procedures, such as MitraClip®. It enables high-quality image surveying of the heart by approaching it via the esophagus. However, conducting TEE during these procedures exposes the echocardiographer to radiation, due to necessary complementary x-ray imaging. This master’s degree of science in technology presents a product design that will contribute to eliminating this health hazard. It is achieved through implementing electric actuators and mechanical solutions that provide all maneuverability necessary to perform a comprehensive TEE examination. The design also enables implementation of sensor technology and further work towards automation. Furthermore, the aim has been to document the development through a detailed report and a simulation of maneuverability. The main drive for conducting this project has been to further the technological field of TEE by contributing to improved health aspects for patients and echocardiographers, and further standardization of minimally invasive cardiac surgery. The thesis can be divided in two main parts. The first part was a research phase dedicated to acquiring the necessary knowledge of heart pathology, heart valve pathophysiology and relevant surgical procedures. This has been done through literature research and by witnessing MitraClip® procedures conducted at Oslo University Hospital. A state of the art of available technology that can improve TEE technology was also conducted in the initial phase of the project. This initiating phase has provided a clear scope for this thesis. The second part, a multi-phase product development process, conducted according to product development methodology. First, Alex Osborn’s Scamper methodology was applied: all functions necessary to conduct a comprehensive TEE examination have been identified and redesigned in order to work with electric actuation. Second, all the functions have been weighted in order to ensure the best possible solution according to Pugh’s method. The interests of all parties involved in a TEE examination were taken into consideration through continuous dialogue with experts at Oslo University Hospital. The final design is a result of a gradual acquisition of knowledge, a comprehensive function analysis and of continuous feedback from supervisors. A mechanical design that ensures necessary functions from existing solutions have been integrated into a system that enables further implementation of sensor technology and automated control. An actuation unit has been developed in order to manipulate the endoscope in all necessary degrees of freedom. This unit is composed by a linear actuator that elongates the probe in the esophagus’ length-axis in addition to three stepper motors that manipulate rotation and flexion of the endoscopes’ distal end. The final design also accommodates the metric specifications imposed by the esophagus in addition to the systems adaptability to operating theatres. A successful simulation of the systems maneuverability has been conducted through Simulink, where a joystick was used to manipulate the actuation unit.

The project is the first of a series of intended phases towards a fully autonomous TEE system. Therefore, specifications for motors, sensors and material selections have not been conducted. It is recommended to include multiple disciplines of engineering to address future directions, due to the complexity of the project.

Transøsofageal ekkokardiografi (TØE) er anvendt i hjertediagnostikk og overvåking av minimalt invasive klaffekirurgiprosedyrer som MitraClip®. Teknikken tilrettelegger for høykvalitets bildeovervåkning av strukturer i hjertet ved å tilnærme seg det via spiserøret. Ved bruk av TØE som bildeveiledning under minimalt invasive prosedyrer blir operatøren av apparatet utsatt for stråling. Dette er forårsaket av nødvendig komplementerende bruk av røntgen. Denne mastergraden i vitenskap og teknologi presenterer et design av et produkt som vil bidra til å eliminere denne helsefaren. Dette er oppnådd ved implementering av elektriske aktuatorer og mekaniske løsninger som leverer alle nødvendige manøvreringsmuligheter for å kunne gjennomføre en omfattende transøsofageal ekkoundersøkelse. Videre har dette prosjektet blitt dokumentert gjennom en detaljert rapport og en simulering av systemets bevegelser. Drivkraften for å gjennomføre dette prosjektet har vært å videreutvikle teknologien rundt TØE for å bidra til forbedring av helsetilstander for pasienter og kirurger, i tillegg til ytterligere standardisering av minimalt invasive prosedyrer. Rapporten kan deles inn i to hovedsegmenter. Det første segmentet har vært dedikert til forskning for å tilegne nødvendig kunnskap om hjertepatologi og følgende patofysiologi lokalisert til hjerteventiler. Dette har blitt gjort gjennom omfattende litteratursøk og overværing av mitralklaffprosedyrer ved Oslo Universitetssykehus. Tilgjengelig teknologi som kan bidra til utbedring av TØE har også blitt studert. Denne innledende fasen har ført til klare avgrensninger for oppgaven. Det andre segmentet har bestått av en flerfase produktutviklingsprosess som er gjennomført i henhold til relevant produktutviklingsmetodikk. Denne metodikken er tilegnet gjennom et femårig utdanningsløp. Alex Osborns Scamper metode er brukt for å kartlegge eksisterende TØE løsninger og dekomponere disse. Videre har de blitt redesignet, slik at de kan samkjøres med elektrisk aktuering. Samtlige designforslag har deretter blitt vektet opp mot hverandre for å sikre et optimalt konsept ved hjelp av Pughs metode. En løpende dialog med fagkyndige ved Oslo Universitetssykehus har ført til at det endelige produktet ivaretar interesser fra alle involverte. Det endelige designet er et resultat av en stegvis tilegning av ny informasjon, en omfattende funksjonsanalyse og kontinuerlig tilbakemelding fra veiledere. Det er blitt utviklet en komplett mekanisk løsning som ivaretar nødvendige funksjoner fra dagens løsninger. Disse er videre integrert i et system som vil kunne tilrettelegge for videre implementering av sensorteknologi og autonom styring. En aktueringsenhet er blitt utviklet for å kunne styre endoskopet i alle ønskelige frihetsgrader. Denne enheten består av en lineæraktuator som styrer proben i spiserørets lengderetning, og tre steppermotorer som manipulerer rotasjon og defleksjon av endoskopets distal ende. I den endelige løsningen er det også tatt hensyn til spiserørets dimensjoner og systemets plassering i forhold til utforming av operasjonssal. En vellykket simulering av systemets virkemåte er blitt gjennomført i Simulink der en joystick ble benyttet til manøvrering av styringsenheten. Produktet som er presentert i denne rapporten er fortsatt i en tidlig utviklingsfase. Endelige valg av materialer, sensorer og elektriske komponenter er ikke foretatt for aktueringsenheten. For videre arbeid anbefales det å inkludere flere ingeniørdisipliner grunnet prosjektets omfang.