Actieve medische robots nog tien jaar weg

7 maart 2009

Langs welke lijnen en op welke tijdschaal moet de ontwikkeling van medische robots voor chirurgische ingrepen gebeuren in Nederland? Het Programme for High-Tech Systems, tegenwoordig onderdeel van Point-One, liet het uitzoeken.

De behoefte aan medische verzorging neemt toe in de nabije toekomst. Dat komt door de vergrijzing, maar ook door hoger opgeleide (mondigere) patiënten en een accentverschuiving van curatieve naar preventieve behandeling. De medische wereld kan deze toename van vraag naar meer én betere zorg opvangen door robots in te zetten. Op medisch-robotisch gebied liggen er dan ook interessante kansen voor Nederlandse bedrijven en onderzoeksorganisaties.

Medische robots kunnen vele gedaantes aannemen, variërend van ondersteuning van chronisch zieke of gehandicapte patiënten tot hulp bij fysiotherapeutische behandelingen. Dit artikel zal zich vooral toespitsen op robotica bij chirurgische ingrepen. De roadmap die aan dit stuk ten grondslag ligt is namelijk opgesteld in het onderzoeksprogramma Biomedical Motion Systems van het Programme for High-Tech Systems, dat inmiddels is opgegaan in Point-One.

We zullen in dit artikel alle systemen die aan bod komen ‘medische robot’ of simpelweg ‘robot’ noemen, ook al valt over die definitie te twisten. Er bestaat bijvoorbeeld nog geen enkele medische robot die helemaal zelfstandig kan opereren. Het dichtstbij komen de zogenaamde actieve systemen, die over mechatronische intelligentie beschikken en daarmee chirurgen actief ondersteunen of zelfs taken geheel van hen overnemen. Ze doen niet, zoals de naam misschien doet vermoeden, al het werk zelf. Actieve systemen staan nog in de kinderschoenen.

Passieve systemen, waarmee diverse ziekenhuizen inmiddels ervaring hebben opgedaan, zijn puur mechanisch van aard en worden volledig aangestuurd door de bewegingen van de chirurg. Er is geen duidelijke grens te trekken waar een passieve medische robot overgaat in een ‘gewoon’ chirurgisch instrument, als een passief systeem überhaupt een robot genoemd mag worden.

Een onderzoeker van Philips Applied Technologies demonstreert een op afstand bedienbare probe voor een echoapparaat. Het systeem is gericht op minimaal invasieve hartchirurgie zoals bypassoperaties en is gebaseerd op haptic feedback.

Kinderschoenen

Chirurgie met medische robots neemt nogal eens de vorm aan van zogenaamde minimaal invasieve chirurgie (MIC). Bij MIC wordt via kleine incisies geopereerd, waarbij de ingebrachte instrumenten compenseren voor trillingen en zorg dragen voor een nauwkeurige positionering. Dit resulteert in veel gevallen in een sneller genezingsproces, minder pijn en revalidatie. Dat heeft vanzelfsprekend ook economische voordelen. Een toenemend aantal ingrepen kunnen met MIC worden uitgevoerd, vooral als ze een routinematig karakter hebben.

Tabel 1 geeft een overzicht van de voornaamste voor- en nadelen van minimaal invasie chirurgie. Vooral de nadelen bieden aanknopingspunten voor verder onderzoek. De belangrijkste drijfveren voor de inzet van medische robotica zijn immers het verbeteren van menselijke prestaties en het scheppen van nieuwe mogelijkheden. De dokter wenst daarnaast een zeker gebruiksgemak, terwijl de ziekenhuisdirecteur vooral geïnteresseerd zal zijn in het effect op de kostprijs van de medische ingreep. De investeringen in medische robots moeten zich op redelijke termijn terugverdienen door snellere en kwalitatief betere operaties, wat betekent dat ook verlaging van de kostprijs een drijfveer voor onderzoek kan zijn.

Zuiver robotisch gezien, zullen onderzoeksdisciplines zich bezig gaan houden met twee hoofdaspecten: het manipuleren van het instrument, ook wel tip genoemd, en het verkrijgen van visuele informatie. Het manipuleren van de tip valt uiteen in sensoriek (die het overbrengen van haptische en tactiele eigenschappen mogelijk maakt), aansturing (waarbij vooral stabiliteit, nauwkeurigheid en vrijheidsgraden belangrijk zijn), signaalverwerking (onder meer voor doorgave en terugkoppeling van krachten) en de interface tussen arts en robot. Het verkrijgen van visuele informatie steunt op positionering en positiebepaling van de camera in het operatiegebied (om het instrumentarium te volgen of weefsels automatisch te herkennen) en integratie van ondersteunende visualisatietechnieken als Computed Tomography (CT) of Magnetic Resonance Imaging (MRI).

Manipulatie en visualisatie behelzen trouwens meer dan je op het eerste gezicht, als leek, zou verwachten. ‘Probeer eens je haren te kammen terwijl je kijkt naar een van opzij gefilmd televisiebeeld van jezelf. De kam tape je vast aan een dikke breinaald of pollepel’, zei onderzoeker en ontwikkelaar Joris Jaspers in het bedrijfsblad van het Amsterdams Medisch Centrum (AMC). Bij mechanische instrumenten worden handbewegingen van de arts nogal eens versterkt of verzwakt, of zorgt de hefboomwerking ervoor dat de bewegingsrichting omkeert. En een 2D-beeld op een monitor is toch iets anders dan recht een lichaam in turen: even snel ergens omheen kijken is er niet bij. Menig chirurg is gewend in spiegelbeeld te werken.

Naast manipulatie en visualisatie zijn er verschillende zaken die niet per se robotisch van aard zijn, maar desalniettemin onderzoek behoeven, willen ze gebruik van robots in de operatiekamer niet in de weg staan. Wat bijvoorbeeld te denken van sterilisatieprocedures, certificatie van apparatuur, het maken van robots tot integraal deel van de operatiekamer en de training van artsen en ondersteunend personeel?

Recentelijk heeft overigens een variant op MIC zijn intrede gedaan: natural orifice surgery (NOS). Hierbij wordt via de natuurlijke lichaamsopeningen gewerkt en blijven uitwendige incisies helemaal achterwege. Deze techniek staat nog in de kinderschoenen, maar zal zich naar verwachting in het volgende decennium gaan ontwikkelen.

Minimaal invasie chirurgie

Waarneming	Weefsels belemmeren zicht	2D-monitorbeeld
Beweging	Compensatie trillingen	Minder vrijheidsgraden
Coördinatie	Zeer nauwkeurige plaatsbepaling	Complexere oog-handcoördinatie
Sensoriek	Langdurig grote krachten	Nog geen tactiel/haptiek
Beoordeling	Details goed waar te nemen	Integraal beeld
Fysiek	Houding meer ontspannen	Minder flexibel
Planning	Geïntegreerde CT/MRI	Procedure nauwkeurig plannen

Miniaturisatie

Er zijn slechts vier grote Europese fabrikanten van passieve systemen: Karl Storz, Olympus, Richard Wolf en Stryker. De markt voor dit soort instrumenten heeft zich gestabiliseerd, maar nieuwe spelers kunnen zich met innovatie een positie verwerven. Een aantrekkelijk idee voor een markt die volgens analist Frost & Sullivan in 2011 goed is voor 1,1 miljard dollar.

Gelukkig heeft Nederland enkele projecten om op voort te bouwen, en die bepalen dan ook de roadmap voor passieve systemen (Figuur 1). Op het AMC werkte Jaspers aan de Passive Assistant (Passist), een mechanische arm waarmee de chirurg zelf de camera kan positioneren. Tests in het veld hebben geresulteerd in positieve reacties en de robot is dan ook in de industrialisatiefase. Jaspers’ andere geesteskind is de Minimaal Invasieve Manipulator (Mim). Deze brengt via twee mechanische armen voorzien van kunstmatige polsgewrichten de handbewegingen van de chirurg exact over op het instrumentarium. De Mim is met name bedoeld voor laparoscopie (Mic-inspectie in de buikholte) en thoracoscopie (een kijkoperatie in de longvliesruimte) en het prototype is inmiddels gereed.

De TU Delft heeft twee onderzoekslijnen lopen. Van de haptiek mogen nog geen commerciële toepassingen worden verwacht op korte termijn: het is een fundamenteel onderzoeksgebied. Het kan echter op enig moment inhaken op de andere Delftse onderzoeklijn: stuurbare instrumenten, die blijkens de oprichting van het bedrijf Deam in Amsterdam industrieel al is opgestart. De eerste generatie stuurbare instrumenten zijn bedoeld voor colonoscopie (inspectie van de dikke darm), terwijl voor de tweede generatie miniaturisatie op de agenda staat. Dan kom je uit op katheterisatie en microchirurgie, al dan niet met behulp van naalden. Stuurbare naalden zouden veel baat hebben bij haptische krachtinteractie.

Ultrasound

In tegenstelling tot passieve systemen, zijn actieve industriële medische-robottoepassingen nog ver van de markt, ondanks het feit dat het onderzoek naar actieve medische robots al decennia gaande is. Het duurt nog ten minste tien jaar voordat er standaard systemen beschikbaar zijn, niet in het minst omdat de medische wereld wat terughoudend is met de toepassing van nieuwe technologie. Er speelt echter ook een veiligheidsaspect, dat verder gaat dan correct, steriel en voorspelbaar werkende robots. Zo zijn destijds orthopedische ingrepen met IBM’s Robodoc gestopt omdat er complicaties bleken op te treden.

De initiatieven die in Nederland zijn ingezet om dokters in het volgende decennium ondersteuning te bieden in de vorm van actieve robots, zijn in te delen in drieën. Er loopt een project voor de ontwikkeling van een generieke master (een bedieningsconsole), er lopen drie MIC-projecten en drie voor ingrepen die vallen onder de noemer ‘medische interventie’.

Het Program for High-Tech Systems is gestart met de ontwikkeling van een zo generiek mogelijke master die met zo veel mogelijk applicatiespecifieke slaves overweg kan. Deze slaves zijn niet noodzakelijkerwijs bedoeld voor actieve medische toepassingen, ook huishoudrobots zouden de master kunnen gebruiken. In de periode 2008-2010 staat voor dit project de ontwikkeling van zeven functies op de roadmap (Figuur 2), wat tegen 2011 zou moeten resulteren in een prototype. Daarna moet het ontwerp worden getest en geoptimaliseerd en moet de kostprijs omlaag worden gebracht. Parallel hieraan start een project voor de ontwikkeling van een generiek architectuurmodel en de daarbij horende softwaremodules.

De drie chirurgische projecten vallen uiteen in de Eye Robot for Haptic-Assisted Surgery (Eye Rhas) voor oogchirurgie en wellicht neurochirurgie of gewrichtsoperaties, een slave voor laparoscopie en thoracoscopie en een slave voor oppervlaktechirurgie (Figuur 3). In het oog springende functionaliteit waarover de Eye Rhas moet beschikken, is een nauwkeurigheid van ongeveer tien micrometer in de positionering van het instrument, een grootte die compatibel is met afmetingen van het oog en het automatisch wisselen van instrumenten. De ontwikkeling van de oogrobot is in volle gang, met inbreng van de TUE-onderzoekers Henk Nijmeijer, Nick Rosielle en Maarten Steinbuch, oogchirurg Marc de Smet van het AMC en TNO. Het prototype moet over twee jaar gereed zijn.

De ‘scopierobots’ leunen bij hun ontwikkeling sterk op die van de Eye Rhas, wat wil zeggen dat veel functies voor oogchirurgie kunnen worden vertaald naar die voor ‘scopiechirurgie’. Verschillen treden vooral op in schaalgrootte, benodigde nauwkeurigheid en het aantal benodigde slaves.

Bij een medische interventie wordt beeldgestuurd te werk gegaan bij het inbrengen en gebruiken van een naald, katheter of tumor. Bij branchytherapie wordt radioactief materiaal met een naald in of bij een tumor ingebracht, zodat deze lokaal een hoge stralingsdosis krijgt. Essentieel daarbij, blijkt uit een proefschrift dat op het Utrechts Universitair Medisch Centrum tot stand kwam, is ondersteuning van MRI om de positie van de naaldpunt te bepalen. Een beperkt getest prototype is beschikbaar voor verdere uitwerking (Figuur 4). Bij katheterisatie en het inbrengen van ultrasoundprobes bevindt de chirurg zich in de huidige praktijk dicht bij de röntgenstralen die noodzakelijk zijn voor aanvullende beeldvorming. Door deze procedure met behulp van een robot remote uit te voeren, wordt deze afstand groter en het werk dus veiliger.

Samenwerking

Zoals de behandelde roadmaps aangeven, hebben verschillende Nederlandse kennisinstellingen en ziekenhuizen zich al op medische robots gestort. Het ontbreekt echter aan ervaring in de industrialisatie ervan, met uitzondering van Medtronics en, op het gebied van oogheelkunde, Dorc. Wel zijn er voldoende bedrijven die met hun kennis aansluiting kunnen vinden. Wat dat betreft, zullen investeringen en subsidieregelingen – voor de actieve robotsystemen is veel ontwikkelgeld nodig – een vruchtbare bodem krijgen, mits er goed wordt samengewerkt tussen de betrokkenen. Daarbij is het eveneens van groot belang de ontwikkelingen in de markt en uitgegeven patenten in de gaten te houden.

Dit artikel is een bewerking van de ‘Roadmap medical robotics – een toekomstbeeld van medische robots in Nederland 2008–2015’, opgesteld door Groenveld Strategy Support in opdracht van het Programme for High-Tech Systems (tegenwoordig Point-One).

Paul van Gerven

Terug naar overzicht