Pieter Edelman
5 March 2009

Een oogoperatie is een delicaat klusje. Oogchirurgen moeten turend door een microscoop instrumenten gebruiken in een kwetsbare omgeving. Handtrillingen zijn al snel problematisch. Aan de TU Eindhoven werken promovendi Ron Hendrix en Thijs Meenink aan een master-slave operatierobot die het de oogarts makkelijker moet maken. De eerste ontwerpen krijgen langzaam vorm.

Voor oogoperaties is een vaste hand een vereiste. De hele oogbol meet zo‘n 25 millimeter in doorsnede en vaak betreft een operatie het manipuleren van dunne weefsellaagje van enkele micrometers dik. Daarbij is het uit den boze om schade aan het netvlies te maken, wat leidt tot lokaal gezichtsverlies. Aan de TUE werken promovendi Ron Hendrix en Thijs Meenink binnen het Eye-Rhas-project (Eye Robot for Haptic Assisted Surgery) aan technologie om de oogchirurg te ondersteunen.

Hendrix en Meenink werken voor een bepaalde klasse oogchirurgie, namelijk vitreo-retinale oogchirurgie. ’Kort door de bocht, alles achter de lens‘, zegt Meenink. Onze ogen zijn in opbouw vergelijkbaar met een camera: het licht valt door een lens, die het focust op de achterwand, het netvlies. De receptoren daar zetten het licht om in een elektrisch signaal dat wordt doorgestuurd naar de hersenen. Een operatie is bijvoorbeeld nodig als het glasvocht troebel wordt. Dat moet dan vervangen worden door een vloeistof. ’Dat is sowieso de standaard procedure bij operaties in de oogbol‘, legt Meenink uit. Het taaie glasvocht beperkt de bewegingsvrijheid van een instrument.

Delicater is als er littekenweefsel op het netvlies ligt, dat het beeld vertroebelt. Dat vliesje, van enkele micrometers dik, moet er worden afgehaald. Ook kan het gebeuren dat het netvlies loslaat en bijvoorbeeld met een laser aan de oogbol moet worden vastgezet.

De chirurg heeft een hele reeks aan gereedschappen tot zijn beschikking: mesjes, pincetten, haakjes en zuigers. Ongeveer 30 millimeter lang en variërend in dikte van 0,45 tot 1,2 millimeter. Die worden door kleine openingen in de oogbol ingebracht. De chirurg brengt eerst voor elke ingang een trocart aan, een kunststof buisje in de wand van de oogbol. De instrumenten moeten rond dat punt bewegen, waarbij het trocart zorgt dat de oogbol niet beschadigd raakt. Er zijn meerdere trocarts voor verschillende instrumenten. Ook wordt er standaard een infuus in het oog aangelegd en er wordt vaak gebruikgemaakt van een lichtfiber om bij te lichten.

Het opereren met de hand kent een aantal nadelen. Ten eerste zijn alle bewegingen in spiegelbeeld door de scharnierwerking van het trocartpunt. Dat is lang niet het enige probleem. Bewegingen worden direct overgebracht, dus ook handtrillingen. Verder moet de chirurg alles op zicht doen. ’De krachten liggen onder de detectiegrens, dus dat voel je gewoonweg niet‘, legt Meenink uit. En als de arts van instrument moet wisselen, kan hij niet zo maar het andere instrument loslaten. Vaak wordt dat er dus ook uitgehaald. Vervolgens moeten beide instrumenten weer worden ingebracht. Een beperking is ook dat de chirurg maar met twee instrumenten tegelijkertijd kan werken, doordat een mens maar twee handen heeft. Echt ergonomisch is het ook niet om de gehele operatie in een statische houding te zitten, aangezien een operatie drie kwartier tot anderhalf uur duurt.

Oogchirurg
Voor een operatie aan de oogbol moet een chirurg instrumenten van enkele millimeters handmatig via een microscoop hanteren. De TUE werkt aan een master-slave systeem om de chirurg te ondersteunen. Daarmee zijn bewegingen uit te vergroten en trillingen weg te filteren, maar krijgt de chirurg ook voor het eerst haptische terugkoppeling van de minuscule krachten.

Wrijvingskrachten

Al deze problemen moeten technologisch op te lossen zijn, denken de Eindhovense promovendi. Het idee is om een master-slave systeem te maken voor dit soort fijne operaties: de chirurg opereert vanuit een soort console, de master, en bedient daarmee de slave, die de daadwerkelijke operatie uitvoert. Tussen deze master en slave loopt een elektronische verbinding. ’Het project is vrij duidelijk opgedeeld. Ron doet de ontwikkeling van de master en ik werk aan de slave‘, vertelt Meenink. Voor de verbinding loopt een parallel project.

Hendrix startte in het voorjaar van 2006 met zijn onderzoek. In september dat jaar begon Meenink in het project met een afstudeeropdracht. Een jaar later startte ook hij als aio. Het betekent dat Hendrix al wat verder is met zijn master. De hoofdonderdelen hiervan zijn twee haptische pennen en een scherm. De pennen dienen voor de aansturing van de slave. In combinatie met het beeld op het scherm geven ze het idee alsof de chirurg de instrumenten bij de tip vast heeft. Motoren in de pen zorgen voor de haptische krachtterugkoppeling en geven een gevoel voor de omgeving waarin hij werkt.

Alhoewel er verschillende haptische systemen op de markt zijn, koos Hendrix ervoor om er zelf een te maken. ’Alles wat verkrijgbaar is, heeft grenzen in bijvoorbeeld werkgebied, krachtniveau of stijfheid. Het is altijd een compromis. Daarmee is het heel moeilijk om echt goede krachtterugkoppeling te genereren.‘

Die krachtkoppeling is gelijk ook het moeilijkste aan het hele project, ondanks dat er al lang onderzoek naar wordt gedaan. ’Mensen zijn wat dat betreft best wel lastig, want we zijn heel goed in staat kleine stoortrillingen te voelen.‘, vertelt Hendrix. ’Binnen een haptisch systeem wil je de echte krachten voelen zoals ze worden opgenomen en niet de wrijvingskrachten die in de pennen kunnen zitten of de verstoringen vanuit de elektromotoren. Je wilt eigenlijk dat de chirurg niet door heeft dat er een machine tussen zit.‘

Dat betekent dus veel schaven aan het ontwerp. Een optie is bijvoorbeeld om direct drive-aandrijvingen te gebruiken, waarbij een vrijheidsgraad word aangedreven zonder overbrenging. Hendrix denkt dat software alleen niet de oplossing is: ’daar kan je misschien 90 procent mee compenseren. Maar als je al een constructie hebt die weinig storing geeft, dan hoef je dat alvast niet meer te compenseren.‘

Hendrix heeft nu de eerste versie van de haptische pennen beschikbaar. ’Daar wil ik gebruikerservaringen mee opdoen zodat ik er nog een slag overheen kan maken‘, legt hij uit. Het testen gaat met een virtuele omgeving van TNO en met een andere slave die binnen de TUE wordt ontwikkeld voor buik- en borstkastoperaties.

Koude rilling

Ook Meenink zet stevig in op het mechanisch ontwerp. Zijn manipulator is zo ontworpen dat alle bewegingen door het trocartpunt gaan. Een zijdelingse beweging, die de oogbol zou beschadigen, is dus simpelweg niet mogelijk. Omdat hij later is begonnen, heeft hij nog geen concrete modellen in handen waarmee hij kan experimenteren. Zijn ontwerpen liggen nu bij de gemeenschappelijke technische dienst van de TUE, die de eerste versies gaat maken.

Een van de uitdagingen is hoe hij de slave op het hoofd moet bevestigen. ’Het oog ligt vrij diep en is eigenlijk niet zo goed toegankelijk. Met je handen ben je nog wel vrij mobiel, dan heb je iets van 23 vrijheidsgraden. Een robot is hier in beperkt.‘ Tijdens de operatie wordt het oog lokaal verdoofd, dat kan dus niet bewegen ten opzichte van het hoofd. Maar het hoofd zelf kan natuurlijk nog wel bewegen. Een optie is om het gehele hoofd te fixeren, maar het is ook mogelijk om het hoofd met sensoren te volgen en mee te bewegen.

Hendrix_haptische_pen
Bediening van de manipulator gaat via haptische pennen, waarvan een eerste versie nu bijna klaar is voor experimenten. De grootste uitdaging is om het ontwerp zo te maken dat de gebruiker niet merkt dat er nog een apparaat tussen zit.

Wat natuurlijk ook niet meehelpt, is dat het een medische toepassing is. De FDA- en CE-eisen beperken de materiaal- en componentkeuze, zoals motoren en lagers beperkt. ’Het geheel moet steriliseerbaar of goed afgeschermd zijn, zodat het niet in aanraking kan komen met de buitenwereld.‘ Voor de instrumenten zou de keus kunnen vallen op exemplaren voor eenmalig gebruik, zogenaamde disposables.

De instrumenten voor oogchirurgie zijn beschikbaar in uiteenlopende diameters. De promovendi gaan uit van 0,6 millimeter. Onder die doorsnede hoeft de arts de oogbol namelijk niet te hechten, wat veel tijd scheelt en mogelijk complicaties. Nog kleinere instrumenten hebben weer het nadeel dat ze minder efficiënt en stijf zijn.

Het Eye-Rhas-project is een samenwerking tussen de TUE, TNO en het AMC-ziekenhuis. Het project is ontstaan naar aanleiding van een themadag van TNO. Hoogleraar Marc de Smet van het AMC vroeg zich af of er een master-slave systeem voor oogchirurgie kon worden ontwikkeld, waarmee nauwkeuriger en sneller te werken is dan momenteel met de hand mogelijk is. Naarmate chirurgen ouder worden, kunnen ze sommige handelingen ook niet meer zo goed meer verrichten door de trillingen in de handen. Die kan het systeem eruit filteren.

Je zou nog een stap verder kunnen gaan, door een veilig en een risicovol gebied te definiëren. Waardoor je niet zomaar tegen het netvlies kan stoten. Of bewegingen te blokkeren wanneer een chirurg moet niesen of een koude rilling krijgt. Maar dit is voorlopig toekomstmuziek. Het systeem moet eerst worden gerealiseerd en getest.

Ron Hendrix en Thijs Meenink geven op 12 maart een presentatie tijdens Hightech Mechatronica 2009.