Een tentakel in je darm

Geïnspireerd op de arm van een inktvis ontwierp de Delftse werktuigbouwkundige Paul Breedveld een stuurbare endoscoop. `De biologie zit vol met vernuftigheden die vragen om toepassingen.'

DE DELFTSE werktuigbouwkundige dr.ir. Paul Breedveld stuurt stagiairs en studenten graag naar de dierentuin. Daar kunnen ze zien welke mechanismen dieren gebruiken om te vliegen, kruipen, lopen of springen. Het is een vruchtbare aanpak, weet Breedveld uit eigen ervaring. Als ontwerper en bouwer van medische instrumenten heeft hij zich de laatste jaren laten inspireren door inktvissen, zeesterren, slakken, slangen en bacteriën. ``De biologie zit vol met vernuftigheden die vragen om toepassingen'', zegt Breedveld.

De afgelopen vier jaar heeft Breedveld enkele subtiele en eenvoudige mechanieken ontworpen die de basis vormen voor innovatieve medische instrumenten. Meest opvallende ideeën zijn een darmrobot die oncomfortabele darminspecties kan vergemakkelijken en een stuurbare endoscoop, die zogeheten sleutelgatoperaties vereenvoudigt.

Voor de vernieuwingen is de biologie niet meer dan een uitgangspunt. Hoe het in de dierenwereld echt werkt is voor Breedveld niet belangrijk, zo lang zij hem maar op mooie ideeën brengt. ``Waar het mij om gaat is het bedenken van nieuwe mechanismen'', zegt hij. ``Bestaande mechanieken kleiner maken, zie ik niet als wetenschap.''

Dat de dierenwereld een lucratieve bron van inspiratie kan zijn hoopt een voormalig collega van Breedveld, dr. ir. Jules Scheltes, dit jaar te bewijzen. Hij heeft onlangs het bedrijfje DEAM-engineering opgericht. De onderneming moet een elegante en gepatenteerde vinding van Breedveld aan de man gaan brengen bij ziekenhuizen en chirurgen. Het gaat om een dunne, stuurbare en relatief goedkope endoscoop, geïnspireerd op de arm van een pijlinktvis.

Een endoscoop is een buis van een halve tot één centimeter diameter met een camera aan het uiteinde. Het instrument wordt toegepast bij zogeheten laparascopische operaties, ingrepen waarbij de chirurg opereert via een klein gaatje in de buikwand. Deze sleutelgatoperaties vragen veel van de coördinatie en het waarnemingsvermogen van de chirurg en betreffen doorgaans slechts relatief eenvoudige ingrepen (liesbreuk, verwijdering van blinde darm of galblaas).

soyuz Om de toepassingsmogelijkheden van de endoscoop te vergroten, heeft Breedveld een endoscoop bedacht met aan het uiteinde een camera die vrij kan bewegen. Dat verbetert de dieptewaarneming van de chirurg en zo is het makkelijker om in slecht toegankelijke lichaamsholtes te kijken. Aan de verbetering van het instrument werkt Breedveld nu vier jaar, sinds februari 2002 als KNAW-fellow. ``Ik heb de afgelopen jaren vaak meegelopen met operaties van chirurgen'', zegt hij. ``Je hoort van hen over de problemen die ze hebben met hun instrumenten. In de biologie zie ik een zee van mogelijke oplossingen voor die problemen.''

Op afstand bestuurbare systemen voorzien van een camera hebben al langer de belangstelling van Breedveld. In het kader van zijn promotieonderzoek ontwikkelde hij een computerprogramma voor de bediening van een robotarm met een camera, bedoeld om in de ruimte goederen over te hevelen van de Soyuz of de Spaceshuttle naar het Internationale Ruimtestation ISS. Na zijn promotie bracht Breedveld een half jaar door in Japan bij het Tokyo Institute of Technology. Met hulp van professor Hirose ontwikkelde hij een nieuw type veer die met trekdraden op de gewenste manier valt te buigen. In een endoscoop zou een chirurg dit systeem kunnen gebruiken om organen vanuit elke gewenste hoek te bekijken.

Het prototype van deze stuurbare endoscoop was nog wat lastig te bedienen en niet te steriliseren. Breedveld ontwikkelde in samenwerking met Scheltes een alternatief dat de chirurg nog meer bewegingsvrijheid bood. Dit nieuwe model wordt dankzij de oprichting van DEAM-engineering wel geëxploiteerd. Dat heeft Breedveld te danken aan cruciale verbeteringen in zijn stuurbare endoscoop, geïnspireerd door inktvis-tentakels.

Met de inktvisarm als uitgangspunt bleek het mogelijk een systeem te ontwikkelen dat niet alleen kleiner was dan zijn eerdere ontwerp, maar ook eenvoudiger en dus goedkoper. Breedveld: ``Ik kende een gedetailleerde publicatie van prof.dr.ir. Johan van Leeuwen (Wageningen Universiteit) over de biomechanica van de inktvis. Daarin stond een plaatje van een inktvis-tentakel.''

Op de afbeelding is te zien hoe tal van spieren aan de oppervlakte van de tentakel liggen. Sommige lopen in de lengterichting, andere liggen er als een ring omheen. Breedveld: ``De inktvisarm werkt als een zak met water die zijn volume behoudt. Als de kringspieren rondom de arm zich samentrekken wordt de tentakel dunner en langer. Als de lengtespieren zich samentrekken wordt de arm juist dikker en korter.''

Volgens Van Leeuwen is de werking van de inktvisarm in werkelijkheid ingewikkelder dan hierboven omschreven, maar voor Breedveld is dat niet echt belangrijk. Hij ziet in de tentakel een systeem dat zou kunnen werken als een duwveer, een veer die een duwkracht geeft nadat hij is ingedrukt: ``Op dat moment was voor mij niet langer interessant of de tentakel ook echt zo werkt. De vakgroep van Van Leeuwen ziet een rare structuur en simuleert die op de computer om het mechanisme te doorgronden. Ik kijk er veel oppervlakkiger tegenaan. Zo van `goh wat een gek ding is dat'. Als ik van die spieren nu eens kabeltjes maak. Kan ik daar dan wat mee?''

kabelring Dat kon. Breedveld heeft op het systeem intussen patent aangevraagd onder de naam `kabelringmechanisme'. Het is een krans van kabels met een veer aan de buitenkant en een veer aan de binnenkant. Door de kabels op de juiste manier aan te spannen ontstaat een instrument met de kracht en flexibiliteit van een inktvisarm.

``Het instrument dat wij ontwikkeld hebben is nauwkeurig, maar ook zeer goedkoop'', zegt Breedveld. ``Kabeltjes en veren kosten bijna niets. Het model dat DEAM-engineering nu verder ontwikkelt is tegen lage kosten te fabriceren. Voor een complete endoscoop heb je ook nog een digitaal cameraatje nodig, maar die zijn tegenwoordig niet zo duur meer. Ze worden verwerkt in elke moderne mobiele telefoon. We denken dat we deze modellen zo goedkoop kunnen maken dat wegwerpendoscopen binnen bereik komen. Daarmee zijn de problemen met het steriliseren van endoscopen uit de wereld.'' Als DEAM-Engineering endoscopen gaat verkopen gaat vier procent van de omzet naar de TU Delft – met een maximum van een half miljoen euro. Met dat geld zou Breedveld zijn onderzoek willen uitbreiden. Voor hem is de inktvisarm nog maar het begin.

Enkele jaren geleden realiseerde Breedveld zich dat de mechanismen die hij had bedacht voor stuurbare endoscopen ook toepassing zouden kunnen vinden bij medisch onderzoek aan de dikke darm. Daarbij wordt bij patiënten anaal een colonoscoop (flexibele slang) ingebracht. Dat is een zeer oncomfortabele ingreep.

Breedveld: ``Je kunt tegenwoordig ook darmonderzoek doen door met een MRI-scanner een virtueel beeld op te bouwen van de darm. Verder heeft een Israëlisch bedrijf een camera met een zender ontwikkeld die je als een pil kunt inslikken en die elke seconde een foto maakt gedurende zijn tochtje door het maagdarmkanaal. Met deze technieken kun je de darm wel bekijken, maar je kunt niet ingrijpen.''

Ingrijpen kan wel met wat Breedveld een darm-robot noemt: een apparaatje dat zich geheel of ten dele op eigen kracht door de darmen voortbeweegt. Hier was de slang een eerste bron van inspiratie. Een colonoscoop die van achteren wordt aangeduwd, veroorzaakt pijn doordat hij in de bochten van de kronkelige darm steeds tegen de darmwand botst. Een colonoscoop die de bochten van de dikke darm netjes volgt zou veel comfortabeler zijn.

Een slang die zich tussen twee stenen door beweegt geeft de juiste bocht in zijn lichaam naar achteren door: eerst moet de kop zich op de goede manier buigen. Daarna volgen het middengedeelte en de staart. Breedveld: ``De juiste vorm van het slangenlijf wordt dus eigenlijk vastgelegd en dan naar achteren doorgegeven. Een `vormgeheugen' noem ik dat.''

treintjes Hirose, de man die Breedveld hielp met de bouw van zijn eerste stuurbare endoscoop, maakt treintjes geïnspireerd op levende slangen. In zo'n treintje – zonder rails – wordt de juiste buigingshoek elektronisch doorgegeven van het ene op het volgende wagonnetje. ``Ik heb het apparaat met een joystick bestuurd. Je zag de trein als een slang bewegen'', zegt Breedveld. ``Het mechanisme in een kunstmatige slang is niet alleen interessant voor de aansturing van een endoscoop. Je kunt het in principe in elke andere kronkelige omgeving toepassen waar je een instrument nodig hebt dat niet tegen de wand mag duwen. Denk maar aan rioolbuizen of raffinaderijen. Maar het Japanse systeem is buitengewoon complex en veel te groot voor medische toepassingen.'' Op termijn hoopt Breedveld een mechanimse met een vormgeheugen te ontwikkelen dat wel geschikt is voor darmonderzoek.

Op dit moment werkt hij aan systemen die zich tegen de darmwand kunnen afzetten. ``Dat is lastig'', zegt hij. ``De darm is juist gemaakt om alles wat er door komt met zo weinig mogelijk wrijving door te geven. Een promovenda onderzoekt samen met mij een systeem dat is geïnspireerd op de manier waarop een zeester zich vasthecht.''

Biologen weten sinds enkele jaren dat zeesterren zich niet hechten met zuignapjes, maar met kussentjes die een soort lijm uitscheiden. Als het dier van een rotsblok wil loskomen scheidt het een stof af die de lijm weer oplost. ``Ik ben benieuwd of een een technologie die is gebaseerd op dit principe bruikbaar is voor de darm-robot'', zegt Breedveld.

Al bladerend door biologische tekstboeken kreeg Breedveld ideeën voor tal van alternatieven. De schroefvormige Spirocheetbacterie bijvoorbeeld, een type dat zich draaiend een weg baant door menselijk weefsel, als een schroef zonder schroevendraaier. Breedveld ontwierp een spiraalvormige darm-robot die is gebaseerd op de verschijning van deze bacterie. Een alternatief systeem is geïnspireerd door de beweging van menselijke gewrichten. Details hierover wil Breedveld niet kwijt. ``Er zijn meer kapers op de kust. Ik ben altijd op zoek naar de meest eenvoudige oplossingen, maar dat betekent ook dat iemand anders met je vondst op de loop kan gaan.''