Robosculpt: precies opereren met een robot
Operaties aan ooraandoeningen zijn op dit moment erg ingewikkeld en er moet veel bot worden weggehaald voordat de chirurg op de juiste plek is gekomen. De Robosculpt-robot van de TU Eindhoven moet hier verandering in brengen. Het systeem is een geavanceerde zevenassige freesrobot die met behulp van beelden autonoom kan werken.
Door de vergrijzing neemt het aantal mensen met gehoorproblemen toe. Die zijn vooral te wijten aan vermindering van gehoor in het slakkenhuis, maar ook goed- en kwaadaardige aandoeningen in het gehoor- en hoofdgebied kunnen hieraan ten grondslag liggen. Ook door de toename van geluidsoverbelasting in ons dagelijks leven is het aantal gehoorproblemen scherp aan het toenemen. Momenteel hebben wereldwijd 360 miljoen mensen – van wie 32 miljoen kinderen – een invaliderende gehoorbeschadiging. Slechts een op de tien mensen met zware tot volledige doofheid kan nu worden geholpen met een chirurgische ingreep. Een van de redenen hiervoor is het tekort aan chirurgen die de complexe gehoorhersteloperaties en oortumor-verwijderoperaties kunnen en mogen uitvoeren.
De nieuwe Robosculpt-robot, die momenteel wordt ontwikkeld op de Technische Universiteit Eindhoven, kan chirurgen in de toekomst helpen om deze procedures minder complex, minder ingrijpend, veiliger en sneller te laten verlopen. Zo zullen meer chirurgen deze operaties kunnen uitvoeren. Hierdoor kunnen meer patiënten worden geholpen met een beter resultaat.
Het project is tot stand gekomen nadat kno-chirurg Dirk Kunst uit het Radboudumc Nijmegen de hulp had ingeschakeld van de Eindhovense CST-groep van Maarten Steinbuch en Nick Rosielle. Deze groep, al bekend van de Sofie-, Preceyes- en Microsure-operatierobots, is de uitdaging aangegaan via een promotieproject. Zo startte ik in 2013 met de ontwikkeling van een nieuwe autonome operatierobot die zeer precies bot kan verwijderen. Het resultaat is Robosculpt (robotic bone sculpturer), die veel huidige medische problemen kan gaan oplossen.
Freesmachine
De meeste structuren in het gebied van het oor liggen verstopt in een piramide van bot. Momenteel moet een chirurg met een vlijmscherp sferisch dremeltje laagje voor laagje bot verwijderen om bij het gewenste doel te komen. Deze sferische dremel heeft een diameter tussen de 0,7 en 7 mm en roteert met snelheden tot maximaal tachtigduizend toeren per minuut. Een gewenst doel is bijvoorbeeld het slakkenhuis voor het implanteren van een gehoorimplantaat (cochleair implantaat) of een tumor.
Het grote probleem is dat de chirurg kritieke structuren moet ontwijken die allemaal verstopt liggen in het bot, zoals zenuwen voor bijvoorbeeld gezichtsuitdrukkingen en smaak, bloedvaten, het gehoor en het evenwichtsorgaan. Hij dient met submillimeternauwkeurigheid bot te verwijderen zonder die structuren te beschadigen, terwijl hij relatief weinig ziet. Wanneer hij bijvoorbeeld de aangezichtszenuw raakt, kan dit tot levenslange halfzijdige verlamming van het gezicht leiden. Momenteel heeft hij wel ct- en/of mri-beelden van de patiënt tot zijn beschikking voor het plannen van de operatie, maar deze kan hij niet maximaal gebruiken omdat ze niet nauwkeurig ten opzichte van de patiënt op de operatietafel te koppelen zijn. Het gevolg is dat de chirurg excessief veel bot weg moet halen om het doel te zoeken, wat bovendien uren kan duren.
Ingredients enabling carbon neutrality of warehouse systems
5 oktober 2023 vindt de INCOSE-NL workshop 2023 plaats, met spreker Daan Meijsen van Vanderlande. Tijdens de workshop krijg je inzicht in de verschillende cross-cutting duurzaamheidsperspectieven voor hightech systemen. Bekijk het volledige programma online en registreer nu!
De oplossing lijkt simpel: gebruik een compacte medische freesrobot, het medische equivalent van een cnc-freesmachine, die hoge stabiliteit en nauwkeurigheid garandeert en efficiënt gebruik kan maken van bestaande ct- en/of mri-beelddata. Met behulp van software is er een driedimensionale patiëntspecifieke kaart te maken van de locatie van alle structuren. Zo is met hoge nauwkeurigheid de locatie van alle kritieke structuren van elke patiënt te bepalen. Door de patiënt vervolgens met een hoge stijfheid en stabiliteit te verbinden aan de robot is het mogelijk om nauwkeurig en direct naar het doel te bewegen met minder risico en een kortere operatieduur.
Er is echter nog geen robot op de markt die voldoet aan de eisen. Ook bestaande medische robots zoals Microsure en Preceyes zijn niet geschikt omdat ze niet zijn ontworpen om de relatief hoge freeskrachten te kunnen weerstaan (tot 50 N). Microsure en Preceyes zijn er namelijk op gericht om via een joystick door de chirurg te worden bestuurd, waarbij de menselijke bewegingen worden geschaald en tremor wordt weggefilterd. De meeste winst is echter te behalen wanneer een robot autonoom bot kan verwijderen en de chirurg slechts de supervisor is. Dit willen we realiseren met Robosculpt: de menselijke invloed op een operatie nog verder verlagen zonder afbreuk te doen aan de patiëntveiligheid.
Stijfheid
Robosculpt heeft zeven vrijheidsgraden, past in een box van 160 bij 180 bij 300 mm3 en weegt ongeveer tien kilogram. Zijn werkgebied is een ellipsoïde met radii van 300 en 500 mm. De robot is ontworpen om maximale boor- en freeskrachten van 50 N te kunnen weerstaan. De verwachte reproduceerbaarheid is 50 µm. Behalve voor het behalen van nauwkeurigheid onder belasting is de robot ontworpen met oog voor mens-robotinteractie, veiligheid en robuustheid.
Robosculpt heeft een serieel kinematische opbouw, wat een relatief grote bewegingsvrijheid geeft. In vergelijking met parallelle of hybride robots hebben veel seriële robots een lagere stijfheid en grote bewegende massa. Beide nadelen zijn in dit ontwerp echter tot een minimum beperkt door de afstanden tussen de assen zo kort mogelijk te houden; de buigstijfheid neemt af met de lengte tot de derde macht. De modulaire opbouw maakt het mogelijk om meer identieke onderdelen te hebben waardoor kost- en serviceprijs afnemen. Door de combinatie van modulaire en seriële opbouw is het zelfs relatief eenvoudig om het aantal vrijheidsgraden van de robot aan te passen voor andere applicaties.
De robot kan bestaande chirurgische tools vastklemmen. Deze kunnen vervolgens een lineaire beweging maken, waarmee coördinatenboren mogelijk wordt. Ook kunnen hier de boor- en freeskrachten in alle richtingen worden gemeten. De resterende zes vrijheidsgraden van de robot zijn opgebouwd uit zes bijna identieke roterende modules waarvan de assen steeds haaks op elkaar zijn gestapeld. Elke module neemt een vrijheidsgraad voor zijn rekening en past in een box van 70 bij 75 bij 90 mm3. De onderste twee modules zijn groter uitgevoerd, om een hogere stijfheid en hoger koppel te kunnen bieden op een grotere afstand van de tool. De mechanische constructie is gebouwd om een relatief hoge stijfheid te combineren met een lage massa, om zo een hoge dynamische performance te kunnen behalen. Wrijving is tot het minimum beperkt en het geheel is ontworpen voor spelingsvrije bewegingen.
Elke module zit vol met mechanische en elektrische componenten. Zo bevat elke vrijheidsgraad meerdere encoders, waardoor de integriteit van de volledige aandrijving kan worden gecontroleerd. Bovendien resulteert dit in een aandrijving met hoog rendement op lage snelheden. Een compacte borstelloze elektromotor is gebruikt in combinatie met een nagenoeg spelingsvrije overbrenging om nauwkeurig te kunnen positioneren met hoge koppels.
Om de veiligheid tijdens mens-robotinteractie te garanderen, zijn er meerdere veiligheidsfuncties ingebouwd. Elke module heeft elektronica aan boord die met elkaar communiceert via een Ethercat-protocol. Hierdoor blijven de modules uitwisselbaar en blijft de afmeting van de kabelboom tot een minimum beperkt.
De modulaire robot is vervolgens verbonden aan de hoofdsteun van de operatietafel, waaraan tevens het hoofd van de patiënt is gefixeerd. Op die manier blijft de meet- en krachtlus tussen patiënt en robot zo klein mogelijk, waardoor de benodigde nauwkeurigheid kan worden behaald. Het hoofd van de patiënt is gefixeerd met behulp van miniatuurbotschroeven in de schedel. Deze botschroeven dienen als nauwkeurige referentiepunten op ct-scans en als een stabiele fixatie van de patiënt ten opzichte van de robot.
Status en focus op de toekomst
Ter verificatie hebben we eerst één module gebouwd. Na succesvolle tests met deze module maken we momenteel het eerste prototype. Hiermee willen we dit jaar nog de eerste preklinische tests gaan uitvoeren in het Radboudumc Nijmegen.
Hoewel de focus momenteel ligt op operaties rond het oor voorziet het team ook mogelijkheden bij andere operaties waarbij het zeer precies verwijderen van bot en/of het nauwkeurig positioneren met een hoge stabiliteit belangrijk is. Voorbeelden in de medische sector zijn ruggenwervelchirurgie en knie- en heupoperaties. Maar ook buiten de medische sector zijn toepassingen te bedenken waar deze compacte modulaire robotarm van toegevoegde waarde kan zijn.
Met steun van het bedrijf Medical Robotic Technologies (MRT) is er de mogelijkheid om een spin-off te starten. MRT heeft eerder Microsure en Preceyes geholpen om de markt te betreden. Robosculpt is een van de winnaars van de ‘ASML get in the ring challenge’ geworden, waarmee er support van Hightechxl en ASML is om snel een succesvol bedrijf op poten te kunnen zetten.
Als alles meezit, zou Robosculpt al binnen een paar jaar de Europese en Aziatische medische markt kunnen betreden. Om daar snel te kunnen komen, is er support nodig samen met investeringen van grotere spelers. Wanneer er interesse is voor Robosculpt vanuit bijvoorbeeld de maakindustrie voor een niet-medische toepassing, dan zou dit proces nog sneller kunnen gaan.
