Periscoop-operatie

De chirurg kan door de huidige endoscopen nauwelijks diepte zien en de bediening ervan is onnatuurlijk. Een in Delft en Tokio ontwikkelde Endo-Periscoop biedt uitkomst.

In het kamertje van dr.ir. Paul Breedveld, postdoc-onderzoeker bij de sectie Mens-Machine Systemen van de TU Delft ligt een `uitvindsel' van hout en aluminium, waarvan de functie niet meteen duidelijk is. Ernaast een vergelijkbare constructie, maar dan kleiner en gemaakt van de kunststof onderdelen van Technisch Lego. Later in het gesprek demonstreert Breedveld de werking van de door hem ontwikkelde Endo-Periscoop aan de hand van beide constructies. ``Als rechtgeaard werktuigbouwer probeer je je ideeën natuurlijk eerst uit in Lego,'' zegt hij met een lach. ``Daarna probeer je het in hout en aluminium en pas als je weet dat het werkt, ga je het verfijnen en verkleinen. Althans, zo is het bij de Endo-Periscoop gegaan.''

De ontwikkeling van de Endo-Periscoop vond plaats in het kader van het programma MISIT, een acroniem voor Minimally Invasive Surgery and Interventional Techniques, dat de TU Delft samen met een aantal ziekenhuizen uitvoert. Eén van de projecten is het verbeteren van de diepteperceptie en oog-handcoördinatie bij minimaal invasieve chirurgie, in dit geval laparoscopie (de operatie met een endoscoop in de buik). Bij een laparoscopische operatie snijdt de chirurg de buikwand niet open. Het voordeel is dat de wonden veel kleiner zijn, waardoor het herstel vaak voorspoediger is en de kans op infecties in principe kleiner.

Voor de operatie blaast de chirurg de buik van de patiënt eerst een beetje op met koolzuurgas, zodat er wat ruimte ontstaat. Vervolgens worden holle buisjes (canules) door de buikwand gestoken. Via die buisjes werkt de chrirug met scharen, tangetjes, pincetten en andere operatie-instrumenten. Eén canule is bestemd voor de endoscoop, een lange dunne buis met daarin een serie lenzen met buitenop een camera. Het beeld van de camera verschijnt op een monitor en op basis daarvan voert de chirurg zijn handelingen uit.

Endoscopen zijn lastige instrumenten om mee te werken. De chirurg is gedwongen om op een indirecte manier te kijken en te werken, waardoor de oog-handcoördinatie onnatuurlijk is. Breedveld: ``Als klein kind leren we – onbewust – hoe we ruimtelijke informatie die via het oog binnenkomt moeten omzetten in stuursignalen voor hand en arm. Omdat je met de endoscoop indirect waarneemt, ontstaan verschillen tussen de verwachte beweging en de waargenomen beweging. Die misoriëntatie laat zich moeilijk corrigeren.''

Plat beeld

Een ander nadeel is dat de huidige generatie endoscopen geen diepte toont. De endoscoop bestaat uit slang met aan het uiteinde lenzen die het beeld vormen dat via glasvezel naar buiten wordt geleid. Sommige moderne endoscopen hebben vlak achter de lenzen al een camerachip en sturen het beeld als elektrisch signaal naar buiten. Via een bundel glasvezels rond de lenzen wordt de camera bijgelicht. Door het vrijwel ontbreken van schaduwen krijg je een `plat' beeld op de monitor, waarin de oriëntatie lastig is.

Om de nadelen te ondervangen richten veel bedrijven zich momenteel op de ontwikkeling van een stereo-endoscoop. Bijvoorbeeld door de endoscoop uit te rusten met een dubbele lens of uit te gaan van een enkele lens met prisma om de twee stereobeelden van elkaar te scheiden. Via een speciale bril moet het `platte' schermbeeld dan weer diepte krijgen. Breedveld ziet daar weinig in. ``De meerwaarde van stereo-endoscopie is beperkt'', zegt hij, ``omdat de beelden zo dicht bij elkaar liggen dat er nauwelijks diepte-informatie uit valt te halen. Daarom zijn we op zoek gegaan naar andere vormen van dieptewaarneming, met name bewegingsparallax.''

Bewegingsparallax ontstaat door het bewegen van het hoofd of, in dit geval, door het bewegen van het uiteinde van de endoscoop, waarmee het object wordt bekeken. In de jaren tachtig bewezen twee onderzoekers van de TU Delft, dat je met een monoculair een driedimensionaal beeld kan maken door de beweging van de camera te laten sturen door de hoofdbeweging van de kijker. De vraag is natuurlijk hoe je het uiteinde van de endoscoop mee kunt laten bewegen met de kijkrichting van de chirurg op zo'n manier dat dieptewerking ontstaat.

Om dat probleem op te lossen, bedacht Breedveld een ruimtelijk parallellogram-mechanisme. Dat heeft wel wat weg heeft van de houten constructies waarmee je als kind je favoriete stripfiguren kon overtekenen en vergroten. Je volgt de lijn van het figuurtje dat je over wilt tekenen en via het parallellogram wordt de beweging overgebracht naar de houder waarin potlood of pen is bevestigd. Voor de beweegbare tip van de endoscoop ontwierp Breedveld een parallellogram in drie dimensies. Daarbij volgt de beweegbare tip, waar de camera op zit, de bewegingen van het handvat van de endoscoop buiten het lichaam. Breedveld construeerde het principe met Lego en vervolgens in hout en aluminium.

Hoewel interessant genoeg om een octrooi op aan te vragen, was het idee nog lang niet rijp voor de operatiekamer. De parallellogramconstructie was veel te groot voor gebruik via een buisje met een doorsnede van 12 millimeter. Breedveld: ``In die periode kreeg ik de gelegenheid om een half jaar te werken in het Hirose & Yoneda laboratorium van het Tokyo Institute of Technology, zeg maar de Japanse tegenhanger van de TU Delft. Daar heb ik me toen geworpen op het miniaturiseren van de Endo-Periscoop.''

Daarbij liet Breedveld zich inspireren door een in het Hirose & Yoneda laboratorium ontwikkelde flexibele robot, de Elastor. De robot, zo groot als een mensenarm, bestaat uit een aantal segmenten, die zijn opgebouwd uit een spiraalveer met een metalen schijf aan het eind. Elk segment wordt aangedreven door drie trekdraden en bij een juiste aansturing beweegt de robot zich als een regenworm in alle willekeurige richtingen. Breedveld: ``Die combinatie van spiraalveer en trekdraden bleek een goede basis voor het ontwerpen van een flexibele tip.''

Na vier maanden in Japan lag er een serie bouwtekeningen op basis waarvan een gespecialiseerd bedrijf de onderdelen maakte, die door Breedveld zelf in elkaar zijn gezet tot een werkend prototype. Het resultaat overtrof de verwachtingen. In plaats van de ingewikkelde bediening van de traditionele endoscopen, volgt de tip van de Endo-Periscoop nauwkeurig de bewegingen van het handvat waardoor de oog-handcoördinatie aanmerkelijk verbetert en dieptezien door middel van de bewegingsparallax mogelijk wordt.

Terug op Nederlandse bodem is Breedveld in gesprek met een aantal bedrijven. ``Er is veel belangstelling'', aldus Breedveld, ``maar een partner hebben we nog niet gevonden.'' Inmiddels werkt hij aan een nieuw prototype waarvan de tip in alle richtingen 180 graden kan worden gedraaid. Het heeft een eenvoudiger mechanisme en een kleinere diameter. Breedveld: ``Ik zit te popelen om het ding in elkaar te zetten, maar ik wacht nog op de onderdelen die nu in Japan gemaakt worden.''