< Terug naar vorige pagina

Project

Ontwikkeling van een Innovatieve Actieve Flexibele Instrument voor NKO Chirurgie

Minimaal invasieve chirurgie (MIC) is een moderne chirurgische techniek waarbij chirurgen opereren via kleine incisies, sleutelgaten genaamd, in plaats van grote sneden te maken om toegang te krijgen tot de organen van de patiënt. Het is bekend dat MIC het trauma van de patiënt vermindert en de hersteltijd verkort. Om nog lagere invasiviteitsniveaus te bereiken, is Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery (NOTES) ontwikkeld. In NOTES zijn specifieke sites toegankelijk door instrumenten in te brengen via natuurlijke openingen. Hoewel deze procedure het mogelijk maakt om de incisies te beperken om toegang te krijgen tot de pathologie, beperkt het ook in hoge mate de chirurgische werkruimte vanwege de geometrische complexiteit van de menselijke anatomie. Endoscopische chirurgie van de kaakholte is een voorbeeld van een dergelijke chirurgische ingreep in de werkruimte. Bij endoscopische maxillaire sinuschirurgie wordt de maxillaire sinus benaderd via de neusholte, die een smal en kronkelend pad vormt. Chirurgen gebruiken echter nog steeds stijve en rechte of voorgebogen instrumenten voor deze procedure, waardoor ze gedwongen worden om gezonde weefsels te onderzoeken om toegang te krijgen tot de pathologie in de maxillaire sinus.

 

Dit doctoraatswerk heeft tot doel chirurgie in beperkte werkruimten te verbeteren door nieuwe ontwerp- en controlestrategieën voor te stellen voor flexibele, bestuurbare instrumenten. Een ander doel is om deze instrumenten met één hand te kunnen bedienen. Hierdoor heeft de chirurg de volledige controle over de operatie, terwijl hij/zij een ander instrument met zijn/haar andere hand kan gebruiken.

Ten slotte, aangezien de geometrie van de natuurlijke opening (d.w.z. de neusholte) in grote mate varieert voor elke patiënt en aangezien het ontwikkelen van patiëntspecifieke instrumenten niet economisch zou zijn, wordt een techniek ontwikkeld om een groot deel van de bevolking te dekken. Het resulterende instrument biedt de chirurg een innovatief, intuïtief, flexibel miniatuurinstrument met verbeterde behendigheid terwijl de resectie van gezonde weefsels wordt beperkt. De verschillende onderzoeksbijdragen die aan de oorsprong van dit werk liggen, kunnen in vier punten worden samengevat.

 

Ten eerste werd een gestructureerde "statistical shape model"-gebaseerde methode ontworpen op basis van een reeks medische beelden van de patiënt ter hoogte van de beoogde anatomie om de instrumentspecificaties voor een specifieke procedure af te leiden. De methode is generiek en werd tijdens dit doctoraatswerk toegepast op de maxillaire sinus en de neusholte. Het maakte het mogelijk om essentiële ontwerpgeoriënteerde gegevens te extraheren voor de ontwikkeling van flexibele instrumenten voor endoscopische maxillaire sinuschirurgie.

 

Ten tweede werden actieve opzetstukken ontworpen die bedoeld waren om te worden gekoppeld aan commerciële passieve flexibele endoscopen. Die opzetstukken maken het mogelijk om de werking en controle van de commerciële endoscopen te verbeteren. Ze laten ook toe om de ontwikkelingscyclus van actieve, flexibele instrumenten te versnellen. In dit werk zijn ze gebruikt om flexibele, bestuurbare endoscopen met één hand te evalueren voor foetale chirurgie en hebben ze een goed potentieel getoond om chirurgische procedures te vergemakkelijken door flexibele instrumenten te gebruiken.

 

Ten derde werd een belangrijke stap gezet om door McKibben spieren aangedreven chirurgische instrumenten verder te miniaturiseren. Om dit te doen, is een nieuwe miniatuur pneumatische actuator met geïntegreerd kanaal, genaamd "concentrische spier", ontworpen en getest voor integratie in flexibele miniatuurinstrumenten. Bovendien werden nauwkeurige controlemethoden ontwikkeld en gebruikt in open loop schema om nauwkeurige positiecontrole te verschaffen zonder integratie van distale positiesensoren. Meer in het bijzonder werd een hysterese-compensatie-algoritme getest om het buigen van een flexibele fetoscoop in een open loop schema te regelen. Het algoritme kon met succes de hysterese en wrijving van de pneumatische actuator in het instrument compenseren. Een compacte capaciteitssensor is ook ontworpen voor miniatuur kunstmatige spieractuatoren. De sensor kon de spierlengte voorspellen met een precisie van 0.31 mm over 80\% van het totale contractiebereik van de spier. Verder werd een groot verplaatsingsmodel geïntroduceerd om de buighoek te voorspellen van een flexibele Nitinol side-notched backbone, die vaak wordt gebruikt als een flexibele distale tip in flexibele chirurgische instrumenten.

 

Ten vierde is er een complete functionele eenhandige, bestuurbare endoscoop voor flexibele endoscopische maxillaire sinusoperaties gebouwd met behulp van de eerder genoemde bijdragen. Deze endoscoop is de dunste, actieve, flexibele endoscoop die ooit is gerapporteerd voor chirurgie van de kaakholte, voor zover de auteur weet. Het werd getest door twee chirurgen op een kadaver en bleek in staat om het gezichtsveld in de maxillaire sinus te vergroten in vergelijking met de momenteel gebruikte instrumenten, terwijl de resectie van gezond weefsel werd beperkt.

 

Dit doctoraatswerk biedt richtlijnen om de miniaturisatie, flexibiliteit en controle te verbeteren voor nieuwe flexibele instrumenten voor chirurgie in beperkte werkruimten. Er moet echter rekening worden gehouden met toekomstige aanwijzingen om die instrumenten verder te verbeteren en beschikbaar te maken in de operatiekamer. Dergelijke richtingen kunnen bestaan uit het verbeteren van de prestaties van de voorgestelde actuatoren, sensoren en besturingstechnieken, maar ook uit het onderzoeken van andere types instrumenten dan flexibele endoscopen, bijvoorbeeld flexibele grijpers die extra stijfheid nodig hebben als ze hun grijpactie uitvoeren.

 

 

Datum:1 jul 2017 →  31 dec 2021
Trefwoorden:Minimally invasive surgery, Flexible instrument
Disciplines:Controlesystemen, robotica en automatisatie, Ontwerptheorieën en -methoden, Mechatronica en robotica, Computertheorie, Keramische en glasmaterialen, Materialenwetenschappen en -techniek, Halfgeleidermaterialen, Andere materiaaltechnologie
Project type:PhD project