Jordan Bos, TU Eindhoven: Botverwijderoperaties met submillimeter nauwkeurigheid

Jordan werkt aan de TU Eindhoven en heeft als achtergrond werktuigbouwkunde. Momenteel is hij promovendus binnen de subgroep constructies & mechanismen, vallend onder de groep Control Systems Technology. Jordan: “Een specifieke tak van sport binnen de chirurgie zijn operaties achter het oor waar bot verwijderd moet worden. Bijvoorbeeld om tumoren weg te halen of om gehoorproblemen te behandelen. Om daarbij te kunnen, freest de chirurg achter het oor schedelbot weg. Dit doet hij met handgereedschap, laagje voor laagje. Dit moet uiterst voorzichtig en met enorme concentratie gebeuren, want uitgerekend op deze plek in het bot lopen allerlei cruciale structuren, bijvoorbeeld zenuwen, zoals de aangezichtszenuw en smaakzenuw. Maar ook belangrijke bloedvaten, het gehoor en het evenwichtsorgaan. Extra belastend is dat de chirurg op die specifieke plek ook nog eens slecht zicht heeft. Deze operaties kunnen daardoor uren duren en brengen relatief grote risico’s met zich mee.”

Precies op het niveau van submillimeters
Dit kan ondervangen worden door de beeldgestuurde operatierobot, de ‘RoBoSculpt’, die Jordan momenteel ontwikkelt. Deze robot gaat bot weg frezen en boren op het niveau van submillimeters, preciezer dan huidige operatierobots aan kunnen. Als navigatie voor de robot worden de röntgenopnames gebruikt die al van de patiënt in kwestie zijn gemaakt. De chirurg ziet dan direct waar in het schedelbot alle belangrijke structuren zitten. Jordan: “De chirurg kan vervolgens een planning maken waarbij je sneller en in een directere richting bij de plek komt waar je een tumor wilt weghalen of een implantaat wilt plaatsen. De robot kan dit plan vervolgens zelf uitvoeren, natuurlijk met de chirurg aan de leiding.”

Veiliger, sneller en minder ingrijpend
Als Jordan’s innovatie ontwikkeld is, kan de chirurg in de toekomst geassisteerd worden door deze robot om operaties aan de schedel en het oor veiliger, sneller en minder ingrijpend uit te voeren. Buiten een mogelijke kostenbesparing krijgt iedere patiënt hierdoor toegang tot de best mogelijke zorg en kunnen meer mensen geholpen worden door het plaatsen van gehoorimplantaten, en het verwijderen van tumoren. Jordan denkt dat het twee tot drie jaar duurt voordat de eerste patiënt in Nederland op deze innovatieve wijze geopereerd kan worden: “De wereldwijde verspreiding van deze medische innovatie zal meer tijd in beslag nemen.”

Encoders vereist voor meten en sturen
De robot bestaat uit verschillende bewegende assen. Waar het allemaal om draait, is dat de tip van de frees, het snijgedeelte, nauwkeurig kan worden bewogen met de robot. “Om die nauwkeurige bewegingen te kunnen meten en sturen, hebben we encoders nodig. We werken met 7 assen en elke as heeft encoders nodig waarmee je de bewegingen meet en stuurt. Op de tip van de frees hebben we het hier over een typische nauwkeurigheid van een tiende millimeter.” De schedel van de patiënt wordt verbonden aan de basis van de robot. Jordan: “We gebruiken de encoders eerst om een kalibratie te doen, zodat de röntgenbeelden gekoppeld kunnen worden aan de patiënt die op tafel ligt. Aan de hand van de door de chirurg opgestelde navigatiestappen, gaan we vervolgens het bot weghalen. Kortom, het controlesignaal wordt gevoed door de beelddata. De chirurg kijkt ondertussen mee en kan altijd ingrijpen, wanneer nodig.”

Specifieke keuze voor encoders van HEIDENHAIN
De specifieke keuze voor de encoders van HEIDENHAIN is een combinatie van diverse factoren, legt Jordan uit: “Vanuit het design hebben we bewust gekozen voor een zo compact mogelijk ontwerp, dus met korte assen. Dit levert een relatief hoge stijfheid, lage massa en lage inertia op, precies wat we willen. Die aspecten moeten we ook nog eens zien te combineren met een hoge nauwkeurigheid. De vormfactor, dus afmetingen, die HEIDENHAIN aanbiedt, in combinatie met de nauwkeurigheid, gaf voor ons de doorslag voor deze encoders te kiezen. Zoals gezegd, telt de robot 7 assen en voor elke as zet Jordan twee absolute encoders in, specifiek voor de veiligheid. In elke as zit er één van HEIDENHAIN en één van een ander merk.”

Gunstige testresultaten
Inmiddels zijn deelsystemen van de ‘RoBoSculpt’ getest en die leveren de beoogde resultaten op. Jordan: “De verwachting is dat we de vereiste nauwkeurigheid gaan realiseren. We rekenen erop dat de testen daarvoor straks ook gunstig zullen verlopen.”

Ondersteuning vanuit HEIDENHAIN
Jordan wordt in dit project ook inhoudelijk ondersteund door HEIDENHAIN, specifiek door Jan Sturre: “Als ik een vraag heb, kan ik die altijd stellen. Hij zorgt dat die vraag intern wordt uitgezet en ik krijg altijd snel een inhoudelijk antwoord terug.”