Oogchirurgie heeft baat bij kruisbestuiving met hightech
Een nieuw operatiesysteem verkleint de kans op complicaties bij oogheelkundige ingrepen. Dorc, leverancier van apparaten en instrumenten voor oogchirurgie, schakelde Demcon in voor de gezamenlijke ontwikkeling. Gebruikmakend van principes bekend uit de hightech ontwierp het Enschedese bedrijf een nieuwe, chirurg- en patiëntvriendelijke pomp voor het spoelen van het oog met steriele vloeistof. Per 1 juli introduceert Dorc het nieuwe operatiesysteem Eva op de markt.
Het menselijk oog is een uiterst kwetsbaar orgaan en kent naast staar een breed scala aan aandoeningen. Bij ingrepen aan bijvoorbeeld het netvlies of de lens gebruiken oogchirurgen geavanceerde apparatuur en wordt er steriele spoelvloeistof door het oog gepompt. De beheersing van de vloeistofbalans in het oog is van cruciaal belang.
Toen Dorc (Dutch Ophthalmic Research Center) in 2010 besloot tot een complete vernieuwing van zijn Associate-systeem voor oogchirurgie stond een nieuwe pomp dan ook hoog op de agenda, naast het herontwerp van diverse andere units. Voor het pompontwerp riep het bedrijf uit Zuidland de hulp in van Demcon, dat tevens de systeemintegratie verzorgde. Het resultaat is het Eva-operatiesysteem, dat kan worden uitgerust met diverse modules zoals een pompmodule, een voetpedaal en een belichtingsunit. Daarnaast hoort bij Eva een groot aantal – zowel herbruikbare als disposable – chirurgische instrumenten zoals scharen, pincetten, lasers en vergruizers.
Momenteel zijn er binnen de oogchirurgie twee pompprincipes gangbaar, de venturi- en de slangenpomp (zie Figuur 2). Ze hebben elk hun voor- en nadelen en chirurgen hebben vaak een persoonlijke voorkeur. Vanwege hun werkingsprincipe genereren ze een niet goed te beheersen en pulserende vloeistofstroom. Zo kunnen deeltjes die bij een ingreep vrijkomen (door snijden of vergruizen) de stroming beïnvloeden. Denk aan een grote prop die door een stofzuiger wordt opgezogen, eerst vast blijft zitten en dan plotseling meegeeft en de slang in schiet, met een drukval achter zich tot gevolg. Drukpulsen kunnen een chirurgische ingreep negatief beïnvloeden en complicaties zoals beschadigingen binnen het oog veroorzaken.
Een chirurg heeft behoefte aan een pomp die zorgt voor een stabiele vloeistofdruk in het oog, een flow levert die snel reageert op zijn commando‘s en een occlusie (een los deeltje dat tijdelijk voor een verstopping zorgt) veilig verwerkt. In Figuur 4 is in de druk-flow-, druk-tijd- en flow-tijd-diagrammen met blauw het veilige werkgebied weergegeven. Dit gebied kan naar wens worden ingesteld. De chirurg kan met een pedaal naar keuze proportioneel de druk of de flow besturen.
Slimme kleppen
Op basis van zijn ervaring met complexe mechatronische systemen ontwikkelde Demcon een geheel nieuw pompconcept: een kleppenpompsysteem met twee zuigers, twee kleppen en een druksensor. In principe kan één zuiger met twee kleppen de pompfunctie verzorgen. De tweede zuiger (de zogeheten compensatiezuiger) en de druksensor maken echter dat de pomp gecontroleerd binnen zijn veilige werkgebied kan opereren. Flow en druk zijn tegelijkertijd bekend en nauwkeurig onder controle te houden.
In Figuur 5 is de werking van de pomp te zien. Bij de eerste stap is klep 1 open en klep 2 gesloten. Dan beweegt zuiger 1 naar rechts en drukt hij de vloeistof uit de leiding naar de afvoerzak boven in de figuur. Tegelijkertijd beweegt zuiger 2 naar links en trekt zo de vloeistof uit het oog. In stap 3 sluit klep 1 en opent klep 2, waarbij zuiger 1 naar links beweegt en zuiger 2 naar rechts. Doordat zuiger 1 sneller beweegt dan zuiger 2, blijven ze netto vloeistof vanuit het oog aanzuigen. Ten slotte opent klep 1 en sluit klep 2 en is het systeem weer terug bij de uitgangstoestand.
Zuigers 1 en 2 bewegen afwisselend naar links en naar rechts binnen een beperkte slag, zodanig dat ze voor een constante flow vanuit het oog zorgen. De afvoer naar de zak is wel gepulseerd, maar dat is voor de oogveiligheid niet van belang. Het niveau van de flow wordt beheerst met de posities van de zuigers. Het drukniveau wordt gecontroleerd met de druksensor.
Door de timing van het openen en sluiten van de kleppen te variëren, kan de druk worden geregeld. Vandaar dat Dorc dit concept valve timing intelligence (VTI) noemt. Zo zijn de vloeistofstroming en -druk tegelijkertijd bekend en nauwkeurig onder controle te houden, waardoor de chirurg beter en stabieler kan opereren. Tevens is met het nieuw concept eenvoudig en betrouwbaar de veiligheidslimiet van de pomp in te stellen.
Bladveren
De kleppen en zuigers worden aangedreven door lineaire actuatoren. De twee kleppen en de twee zuigers worden individueel, onafhankelijk van elkaar, aangestuurd door een eigen elektromotor. Een nokkenas zou in principe kunnen volstaan, maar dat beperkt de vrijheid in besturing. Nu is er de mogelijkheid om in de software nieuwe pompprocedures te implementeren.
Het meest kritieke punt in de besturing is het opvangen van hoogfrequente pieken in druk en flow als gevolg van occlusies. Dit vereist een hoge bandbreedte in de regeling en daarom een hysterese- en spelingsvrije overdracht. Voor de constructie van een dergelijk goed regelbaar systeem is gekozen voor een ophanging in bladveren en aansturing met een lineaire motor (zie Figuur 3); kogellagers en tandwielen ontbreken. Het voordeel van bladveren boven reguliere lagers is de afwezigheid van wrijving, waardoor hun gedrag zeer voorspelbaar is en nauwkeurig te regelen. Nadelen zoals de relatief kleine slag en de statische voorspanning zijn hier geen bezwaar.
Het motorblok bevat vier identieke motoren in een stack. Rond de spoelen is een magneethuis geconstrueerd. Dit bevat permanente magneten voor elke spoel. De magneten zijn zo gerangschikt dat ze één grote magneetflux vormen. Elke spoel is gemonteerd in een frame dat aan het motorblok is verbonden met twee bladveren. Die veren wijzen allebei naar een virtueel draaipunt. De roterende motor (spoel) maakt een kleine slag die via een winkelhaakconstructie wordt omgezet in een korte lineaire beweging voor de aansturing van de zuigers en kleppen.
De zuigers hebben hun eigen elastische lagering met bladveren. Met behulp van een ’intermediaire‘ bladveer zijn de zuiger en het spoelframe statisch ten opzichte van elkaar bepaald. Dit zorgt voor lage interne spanningen in het materiaal en een lange levensduur.
Dit lijkt direct drive, maar is het niet. De constructie kent een transmissie van 1 op 5 van motor naar zuiger (verhouding van de lengtes van de twee armen van de winkelhaak). Op het eind van de motor zit een encoder. Vanwege de grote afstand tot het draaipunt is de feitelijke resolutie van die encoder voor de zuigerverplaatsing groot. Uiteindelijk is dit motorontwerp goedkoper dan een standaardmotor met vertragingskast.
Red Dot
In samenwerking met Dorc en Medistad uit Medemblik ontwikkelde Demcon voor de pomp een steriele disposable cartridge, die als doorvoer fungeert voor alle vloeistoffunctionaliteit, zoals zuigers, drukmeting, kleppen, connectiviteit en afvoer van spoelvloeistof. De cartridge is voorzien van rubberafdichtingen zodat onderdelen van de pompmodule niet in contact komen met de spoelvloeistof. Een eenvoudige vacuümpomp zorgt ervoor dat de cartridge met onderdruk goed gepositioneerd blijft en eenvoudig is uit te wisselen. Medistad gaat deze cartridge produceren.
Daarnaast vernieuwde Dorc enkele chirurgische instrumenten en zorgde het samen met Demcon voor herontwerp van een aantal andere modules. Uiteindelijk integreerde Demcon de verschillende modules tot een compleet nieuw systeem, ’Eva, with Vacuflow VTI‘ geheten. Het Enschedese bedrijf bouwde de eerste pompmodules en is nu ingericht op serieproductie.
Het industrieel design, verzorgd door D‘Andrea & Evers Design en bekroond met een Red Dot-award, moet Eva een positieve uitstraling geven richting chirurg én patiënt. Tevens ontwierp het designbureau samen met Demcon een nieuwe gebruikersinterface. De GUI biedt de chirurg een eenvoudige, gebruikersvriendelijke bediening van de verschillende modules, terwijl de onderliggende besturing de patiëntveiligheid moet borgen.
Tests
Op beurzen en conferenties oogstte Eva vorig najaar enthousiaste reacties van oogchirurgen. In het hart van de machine zorgt de pompmodule voor beheersing van de vloeistofbalans in het oog en dat is chirurgisch-technisch gezien uiterst belangrijk. Onder de motorkap is het een compleet nieuw systeem, maar het ontwerp sluit wel aan op de oude, vertrouwde manier van werken, wat de acceptatie bevordert. De certificering (voor medische systemen en CE-markering) is inmiddels afgerond en op dit moment worden in operaties validatietests uitgevoerd.
Per 1 juli komt Eva op de markt. Dorc verwacht er zijn concurrentiepositie – voor operaties aan het netvlies is het wereldwijd al nummer drie – mee te versterken en er uiteindelijk 250 stuks per jaar af te zetten.
Hernes Jacobs is senior mechatronic systems engineer bij Demcon. John Peter Kuntz was tot voor kort R&D-manager en is nu productmanager Equipment bij Dorc.
