Medische instrumenten ontwerpen en testen zonder dure prototypes

Complexe nieuwe medische instrumenten blijven vaak steken in de fase van het prototype. Dat is duur en tijdrovend. Ewout Arkenbout ontwikkelde daarom een nieuwe, virtuele ontwerpmethode waarmee instrumenten al eerder zijn te evalueren en bij te sturen. Arkenbout promoveerde vorige maand op dit onderwerp aan de TU Delft. 

Veiligheid

‘De Minimaal Invasieve Chirurgie (kijkoperaties) probeert de belasting van patiënten bij operaties te verminderen. Speciaal ontworpen instrumenten moeten de chirurg daarbij helpen’, zegt Ewout Arkenbout. ‘Maar in de praktijk blijkt vaak dat slechte ontwerpkeuzes bij dergelijke instrumenten de procedures kunnen bemoeilijken en de veiligheid van patiënten in gevaar kunnen brengen.’

Multi-vertakt

Arkenbout heeft in zijn promotie-onderzoek onder meer nader gekeken naar multi-vertakte instrumenten voor endoscopische operaties via natuurlijke lichaamsopeningen. Een voorbeeld van een ingreep waarbij een multi-vertakt instrument zeer nuttig kan zijn, is het weghalen van een tumor bij de hypofyse, waarbij men via de neus naar binnen gaat. Multi-vertakte instrumenten hebben een schacht van waaruit twee of meerdere stuurbare instrument-takken voortkomen. Een dergelijk instrument moet het mogelijk maken voor de chirurg om tweehandige chirurgische taken uit te voeren (zoals hechten en het leggen van knopen) bij operaties.

Prototypes

‘De laatste tien jaar zijn er tientallen prototypes van zulke multi-vertakte instrumenten ontwikkeld’, vertelt Arkenbout. ‘De ontwerpers richten zich echter op het inbouwen van té veel vrijheidsgraden en introduceren daarmee te veel besturings-complexiteit in de nieuwe instrumenten. Daardoor wegen de potentiële voordelen in de meeste gevallen niet op tegen de nadelen. De ontworpen instrumenten komen dan ook zelden uit het stadium van het prototype.’ 

Gesture

Het ontwikkelen van een prototype is een tijdrovend en kostbaar proces. ‘Je wilt instrumenten dus eigenlijk al kunnen evalueren in de ontwerpfase, en nieuwe inzichten opdoen zonder een duur prototype te hoeven bouwen. Een oplossing die ik hiervoor aandraag, is gesture-based design. Hand- en vingerbewegingen in een testopstelling worden daarbij live gemeten met sensoren en vervolgens gekoppeld aan virtueel gesimuleerde instrumentbewegingen. Door spelenderwijze koppelingen uit te proberen, en ze te evalueren, kan een stuurbaar instrument dan worden geëvalueerd zonder een volledig operationeel prototype nodig te hebben. We hebben dit succesvol getest, onder meer in samenwerking met chirurgen van het LUMC en het AMC.’

Vrijheid

Gesture-based instrument design geeft potentieel een grote vrijheid bij het instrumentontwerp. Arkenbout heeft bijvoorbeeld, in samenwerking met Floris van den Berg, een manier ontwikkeld en geëvalueerd om met twee handen vier chirurgische instrumenten aan te sturen. ‘Gesture-based instrument design is een relatief goedkope en veelbelovende methode die, zeker met de huidige technologische vooruitgang in meetsystemen voor hand- en vingerbewegingen, kan uitgroeien tot een eenvoudig toe te passen ontwerpmethode.

In onderstaande video wordt de methode verduidelijkt:

Bron: TU Delft