Ivar Pel

Ivar Pel

Linda van den Bedem wilde na haar afstuderen in de werktuigbouwkunde aan de Technische Universiteit Eindhoven met haar kennis het liefst “iets nuttigs toevoegen aan de wereld”. Ook wilde ze zich verder in haar vak verdiepen. Maar hoe? In 2005 zag ze op een conferentie een presentatie van een chirurg aan het Universitair Medisch Centrum Utrecht over de operatiekamer van de toekomst. “Ik vond dat zo ongelofelijk spannend, dat ik contact op heb genomen met de spreker, professor Ivo Broeders. Hij werd mijn tweede promotor.”

Het doel van een promotieonderzoek was snel geformuleerd: het verbeteren van een operatierobot die wordt gebruikt in zogenoemde kijkoperaties. Het gaat om een minimaal invasieve operatietechniek, waarbij een of meer gaatjes in de buikholte of een gewricht worden gemaakt. In de gaatjes worden holle buisjes, trocars, aangebracht. Door de trocars plaatst de chirurg instrumenten en een endoscoop, een lange steel met een camera erin.

Van den Bedem zegt: “Ik was nog maar net begonnen, of ik stond — als werktuigbouwer! — met een Grey’s Anatomy -pak in de operatiekamer. Het was spannend, want ik wist niet of ik flauw zou vallen. Maar gelukkig zijn dit soort operaties niet zo bloederig. De patiënt wordt afgeplakt, zodat je meer op organen gericht bent.”

Verbeterpunten

Van den Bedem ging zich inlezen in de medische literatuur en bekeek nog tientallen operaties om te zien waar de grootste behoefte was aan verbeteringen. Vooral ‘krachtterugkoppeling’ bleek een belangrijk thema. Anders dan bij een gewone operatie voelt de chirurg de structuur en weerstand van het weefsel niet. Hij of zij moet op een beeldscherm kijken, en de instrumenten heel voorzichtig door de trocars bedienen. Vaak heeft de chirurg maar weinig bewegingsvrijheid om de instrumenten te hanteren, wat het lastig maakt om bijvoorbeeld hechtingen te zetten.

Bovendien is er een onnatuurlijke oog-handcoördinatie. Bij een handmatig uitgevoerde minimaal invasieve operatie moet de chirurg in spiegelbeeld denken, waarbij een hand naar boven bewegen betekent dat het instrument naar onderen beweegt. Ook moeten chirurgen vaak in belastende lichaamshoudingen staan — veel chirurgen hebben last van de rug of nek of krijgen een hernia.

Er zijn commercieel verkrijgbare systemen, ‘operatierobots’, waarmee chirurgen het makkelijker krijgen. Ze bedienen dan een set instrumenten waarmee een robot wordt aangestuurd. Daarmee kunnen ze in een ergonomische lichaamshouding zitten. Maar, chirurgen kunnen er niet mee voelen. Van den Bedem wilde een systeem ontwikkelen waarmee de chirurg de weerstand van het weefsel bij het werken aan de operatierobot wel weer kan voelen, zogenaamde ‘krachtterugkoppeling’.

Meester en slaaf

De operatierobot bestaat uit twee apparaten, een zogeheten master en een slave. De master wordt door de chirurg bediend, terwijl de slave de instrumenten in de patiënt hanteert, waarbij het de bewegingen van de chirurg precies volgt, maar gespiegeld en eventueel op een veel kleinere schaal.

De chirurg opereert op afstand: hij bedient het master-deel van het systeem, waarna de slave de bewegingen kopieert op de patiënt.

Ivar Pel

Ivar Pel

Er bleek een lange wensenlijst voor een nieuwe robot te zijn. Zo zou in het nieuwe ontwerp de slave-robot aan de operatietafel vast moeten komen te zitten; dat levert meer bewegingsruimte op voor de chirurg en een beter overzicht over de patiënt. Ook zou alles veel compacter en lichter geconstrueerd moeten zijn. De instrumenten zouden er een extra (elleboog)scharnier bij moeten krijgen, om een hogere graad van vrijheid bij het gebruik te hebben. En — het belangrijkste — het systeem zou krachtterugkoppeling moeten geven.

Van den Bedem: “Krachtterugkoppeling betekent dat de chirurg het voelt als de instrumenten tegen een darm of nier aan drukken. Het is iets waar je een heel nauwkeurig mechatronisch ontwerp en regeltechniek voor nodig hebt. Dat betekent dat ik veel heb samengewerkt met instrumentmakers, elektrotechnici en regeltechnici.”

Stap voor stap

In het eerste jaar van haar promotie stelde Van den Bedem op basis van literatuurstudie en ervaringen in de operatiekamer een lange lijst specificaties op. In het tweede jaar begon ze met het bouwen van een nieuw, compact en stijf frame, dat tijdens de operatie een star geheel met de tafel vormt. In het derde en vierde jaar werden verschillende technologydemonstrators van het slave-gedeelte gebouwd.

Ivar Pel

Ivar Pel

“We hebben twee versies gemaakt en getest, en geconcludeerd dat ze in principe voldeden aan de eisen die we hadden gesteld wat betreft de bewegingen. Om het allemaal nog beter te maken, hebben we onderdelen, zoals de krachtsensoren, heel gedetailleerd bekeken om te zien waar het ontwerp lichter en toch stijver en met minder wrijving gemaakt zou kunnen worden. Die onderdelen hebben we met nauwkeurige statische en dynamische krachtmetingen in kaart gebracht.”

Zelf maken

Een van de grote uitdagingen was het ontwikkelen van nieuwe instrumenten. “Alles moet door een trocar met een binnendiameter 8,5 millimeter geschoven kunnen worden. Bovendien moet je grote krachten kunnen overdragen door middel van scharnieren. Hoe kun je dat soort transmissies realiseren? Dat was een hele puzzel. We ontwikkelden keramische tandwieltjes die enorme krachten aan kunnen en heel weinig speling hebben. Het zijn kegelvormige tandwieltjes die niet in de handel zijn, dus we moesten ze zelf met speciale freesmachines maken.”

Inmiddels is het volgende prototype is klaar. “Dat is een belangrijke mijlpaal — maar het lukt nog niet om het instrument goed steriel te maken. Dat is een lastig punt. Aan de ene kant moet je instrumenten maken die heel nauwkeurig zijn en dus duur. Aan de andere kant zou je graag wegwerpmaterialen hebben, zodat je met het steriliseren niet zoveel problemen krijgt.”

Van den Bedem werkt nu aan de TU Eindhoven en onderzoekt in een business case of het mogelijk is om de ontwikkelde robot zelf op de markt te brengen. “Tot nu toe hebben we vooral gepraat met chirurgen uit Nederland en België. Voor zo’n grote stap zou je een groter marktonderzoek nodig hebben en een nog betere kijk op je bestaande positie in de markt.”

Het promotieonderzoek van Linda van den Bedem is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van Technologiestichting STW.

Meer over techniek in de medische wereld op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/medische-techniek/medische-technologie/biomedische-techniek/biomedische-technologie/index.atom?m=of", “max”=>"6", “detail”=>"minder"}