Risicovolle operaties gerobotiseerd met encoders Heidenhain
Encoders van Heidenhain worden regelmatig ingebouwd in zeer speciale toepassingen. Een actueel voorbeeld daarvan is een operatierobot, ontwikkeld voor het promotieonderzoek van Jordan Bos. Aan de TU Eindhoven werkt hij aan de beeldgestuurde Robosculpt-robot.
Een specifieke tak van sport binnen de chirurgie zijn operaties achter het oor waar bot moet worden verwijderd, bijvoorbeeld om tumoren weg te halen of om gehoorproblemen te behandelen. ‘Om daarbij te kunnen, freest de chirurg achter het oor schedelbot weg. Dit doet hij met handgereedschap, laagje voor laagje’, vertelt Jordan Bos, promovendus binnen de TUE-vakgroep Control Systems Technology. Dat moet uiterst voorzichtig en met enorme concentratie gebeuren, want uitgerekend op deze plek in het bot lopen allerlei cruciale structuren, zoals de aangezichts- en smaakzenuw. Ook belangrijke bloedvaten, het gehoor en het evenwichtsorgaan kunnen in de weg zitten. ‘Extra belastend is dat de chirurg op die plek slecht zicht heeft. Deze operaties kunnen daardoor uren duren en brengen relatief grote risico’s met zich mee’, schetst Bos de uitdaging.
De problemen kunnen worden ondervangen met de beeldgestuurde operatierobot, de Robosculpt, die Bos momenteel ontwikkelt. Deze robot gaat bot wegfrezen en boren met submillimeternauwkeurigheid, preciezer dan huidige operatierobots aankunnen. Als navigatie voor de robot worden de röntgenopnames gebruikt die al van de patiënt in kwestie zijn gemaakt. De chirurg ziet dan direct waar in het schedelbot alle belangrijke structuren zitten. Bos: ‘De chirurg kan vervolgens een planning maken waarbij hij directer en sneller bij de plek komt waar hij een tumor wil weghalen of een implantaat wil plaatsen. De robot kan dit plan vervolgens zelf uitvoeren, natuurlijk met de chirurg aan de leiding.’
Als Bos’ innovatie is ontwikkeld, kan de robot in de toekomst de chirurg assisteren om operaties aan de schedel en het oor veiliger, sneller en minder ingrijpend uit te voeren. Bos denkt dat het twee tot drie jaar duurt voordat de eerste patiënt in Nederland op deze innovatieve wijze kan worden geopereerd. ‘De wereldwijde verspreiding van deze medische innovatie zal meer tijd in beslag nemen’, aldus de werktuigbouwkundige.
Vormfactor en precisie
De robot bestaat uit verschillende bewegende assen. Waar het allemaal om draait, is dat de tip van de frees – het snijgedeelte – nauwkeurig kan worden bewogen met de robot. ‘Om die nauwkeurige bewegingen te kunnen meten en sturen, hebben we encoders nodig’, legt Bos uit. ‘We werken met zeven assen en elke as heeft encoders nodig waarmee je de bewegingen meet en stuurt. Op de tip van de frees hebben we het hier over een typische nauwkeurigheid van een tiende millimeter.’
De schedel van de patiënt wordt verbonden aan de basis van de robot. Bos: ‘We gebruiken de encoders eerst om een kalibratie uit te voeren, zodat de röntgenbeelden kunnen worden gekoppeld aan de patiënt die op tafel ligt. Aan de hand van de door de chirurg opgestelde navigatiestappen gaan we vervolgens het bot weghalen. Kortom: het controlesignaal wordt gevoed door de beelddata. De chirurg kijkt ondertussen mee en kan altijd ingrijpen, wanneer nodig.’
Bos selecteerde Heidenhain als encoderleverancier. ‘Vanuit het design hebben we bewust gekozen voor een zo compact mogelijk ontwerp, dus met korte assen. Dit levert een relatief hoge stijfheid, lage massa en lage traagheid op, precies wat we willen. Die aspecten moeten we ook nog eens zien te combineren met een hoge nauwkeurigheid. De vormfactor die Heidenhain aanbiedt in combinatie met de nauwkeurigheid gaf voor ons de doorslag om voor deze encoders te kiezen.’ Zoals gezegd, telt de robot zeven assen. Voor de veiligheid zet Bos voor elke as twee absolute encoders in, een van Heidenhain en een van een ander merk.
Inmiddels zijn deelsystemen van de Robosculpt getest en die leveren de beoogde resultaten op. Bos: ‘De verwachting is dat we de vereiste nauwkeurigheid gaan realiseren. We rekenen erop dat de tests daarvoor straks ook gunstig zullen verlopen.’
