Design of catheters for navigation and positioning in the cardiovascular system

anglais. Minimally invasive procedure is a term for catheter-based surgical procedures wheresurgical instruments are introduced through a minimal size incision in the skin, to reachinternal organs. The surgical instruments are placed at the distal end of the catheter, thecatheter tip, and a handle located on the outside of the patient controls the catheter.Limited steerability of the catheter can lead to complications and make it challenging toreach the required positions.The main objective for this master thesis has been to identify and examine thepossibilities for a precise positioning of catheters in the cardiovascular system, where thedistal end of the catheter can be placed in a exact position. Furthermore, the aim was todevelop proposals for a proof of concept where the treatment device can be positioned asexactly as possible by available imaging methods, where they are compatible to eachother. The maneuvering area was limited to the left ventricle, where the catheter shouldbe able to perform mitral valve repair. Ideally, it should be able to reach all points on theinside of the heart. With these properties, the can be adopted to other procedures, suchas ablation.Level of experience with cardiologists who perform the minimally invasive proceduresplays an extremely important role in catheter-based surgery. As a metaphor, one can saythat it is physically possible to walk on a line over Niagara Falls without a safety net, thereexist people who master such a challenge. However, is it safe to recommend this toeveryone? The same can be said for catheter-based mitral valve interventions. These areextremely demanding applications, where it is required extensive experience to performprocedures with low risks. The challenge mainly lies in the design of the steeringmechanism for the catheter, where a more accurate steerability would make cardiologistswith less experience adopt significantly faster to the procedure.The master thesis can be divided into two parts; one research and one conceptdevelopment part. In the research phase, the current methods for catheter steerabilitywere investigated and an external test was performed to identify the needs for animproved steerability. The development phase has been conducted using Osborne'smethod, where the catheter was split into the required features and consideredindividually. Pugh’s method was conducted to evaluate and rate the various ideas, and theconcepts were further shaped and tested by 3D drawings in SolidWorks.The project is the first phase of a concept development project for designing a catheterwith improved steerability. Therefore, a final selection of materials or metricmeasurements is not completed. The aim of the development work has been to move thesteering mechanism from the catheter handle to the distal end of the catheter. It wasassessed that this relocation could lead to a more precise positioning because of the reduction of drag forces along the catheter path from the handle and to the distal end.Production methods are partially studied and described, but a complete explanation hasnot been made.The final result of the project is an S-shaped movement in multiple planes, where theguiding catheter conducts the first bend using conventional techniques. The steerablecatheter makes the second bend by pushing and pulling two wires individually orsimultaneously, forcing the catheter to deflect. This will also make it possible to achieveomnidirectional deflection. Local rotation in the distal end of the catheter is made possibleby a rotation mechanism, a reel, which controls the rotation with two strands that arebeing pulled. The reel makes it possible to obtain precise rotations at the distal endindependently from the rest of the catheter. In addition, a coil made of a shape memoryalloy provides the catheter tip with an elongating movement, where the coil elongateswhen voltage is applied. A docking station is connected to the coil spring, where theoperation device is attached. The total system provides the catheter with the possibilityto make an S-shaped movement through all three planes. ______________________ Minimal invasive prosedyrer er en betegnelse på kateter-baserte, kirurgiske inngrep hvoroperasjonsinstrumenter sendes gjennom et minimalt stort snitt i huden, for å nå indreorganer. De kirurgiske instrumentene er plassert i den distale enden av kateteret,katetertuppen, og kateteret styres fra et håndtak på utsiden av pasienten for å nå deønskede og nødvendige posisjonene for å kunne utføre operasjonen. Begrensetstyrbarheten hos kateteret kan imidlertid føre til komplikasjoner og gjøre det utfordrendeå nå de nødvendige posisjonene.Hovedmålet for denne masteroppgaven har vært å identifisere og undersøke mulighetenefor en nøyaktig posisjonering av katetere i det kardiovaskulære systemet, hvor den distaleenden av kateteret kan plasseres i en eksakt posisjon. Videre er formålet å utvikle forslagtil et konsept hvor behandlingenheten kan plasseres så nøyaktig som mulig ved hjelp avtilgjengelige avbildningsmetoder, hvor de er kompatible med hverandre.Manøvreringsområdet har vært begrenset til den venstre ventrikkel, hvor kateteret skullevære i stand til å utføre mitralklaffreparasjon. Ideelt sett bør det være i stand til å nå allepunkter på innsiden av hjertet for å kunne brukes i andre prosedyrer, som for eksempelablasjon.Grad av erfaring hos kardiologene som utfører de minimal invasive inngrepene spiller enekstremt stor rolle i kateter-basert kirurgi. Som en metafor kan man si at det er mulig ågå på line over Niagara falls uten sikkerhetsnett. Det eksisterer mennesker som beherskeren slik utfordring, men er det å anbefale for alle? Noe av det samme kan sies om kateterbasertmitralklaffreparasjon. Dette er ekstremt krevende operasjoner, hvor detforutsettes lang erfaring for å kunne utføre inngrepene med lav risiko. Mye avutfordringen ved designet av styrbare kateteret ligger dermed i å gjøre styrbarhetenlettere for kardiologer som ikke nødvendigvis har lang erfaring.Masteroppgaven kan deles inn i to deler; en forsknings- og en konseptutvikling del. Iforskningsfasen, ble de nåværende metodene for kateterets styrbarheten undersøkt og enekstern undersøkelse ble utført for å identifisere behovet for en forbedret styrbarhet.Utviklingsarbeidet har forgått ved bruk av Osbornes metode, hvor kateteret ble splittetned i nødvendige funksjoner og sett på individuelt. Pughs metode er brukt for å vurderede ulike idéene, og videre ble konseptene formet og testet ved 3D-tegning i SolidWorks.Selve prosjektet har omhandlet første fase av et rent konseptutviklingsprosjekt. Det erderfor ikke foretatt endelige valg av materialer eller metriske mål. Målet forutviklingsarbeidet har vært å flytte selve styringsmekanismen fra håndtaket av kateterettil den distale enden av kateteret. Det ble vurdert at dette kunne medføre en mer presisposisjonering fordi det fjerner de motvirkende kreftene langs katetrets bane fra håndtaket og frem til bevegelsen i den distale enden. Produksjonsmetoder er delvisstudert og beskrevet, men en fullstendig redegjørelse er ikke blitt foretatt.Det endelige resultatet av prosjektet gir kateteret muligheten til å oppnå en S-formetbevegelse, hvor guiding-kateteret gjennomfører den første defleksjonen ved hjelp avkonvensjonelle prosedyrer. Den andre defleksjonen utføres av det styrbare kateter, hvorto wire som blir trukket i vekselvis eller samtidig, tvinger kateteret til å deflektere og gjørdet mulig å oppnå omnidireksjonal defleksjon. Lokal rotasjon i den distale enden avkateteret er mulig ved hjelp av en rotasjonsmekanisme, formet som en snelle, som styrerrotasjonen ved hjelp av to tråder som blir trukket i vekselvis. Denne lokale rotasjon gjørdet dermed mulig for kateteret å rotere operasjonsinstrumentet som er forankret påkatetertuppen uten å påvirke den proksimale delen. I tillegg er en springfjær av «shapememory» materiale festet på kateterspissen, hvor fjæren forlenges når strøm tilføres. Dettotale konseptet, som utgjør resultatet av denne masteroppgaver, gir kateteret mulighettil å utføre en S-formet bevegelse i tre plan.

M-MPP