05_zuurveen_nr1_2005
09-02-2005
FIJNMECHANICA
IN
11:03
Pagina 5
AMC
Precisietechnologen werken aan gezondheid Ergernis als opereren behelpen wordt. Dat is voor een chirurg vaak de belangrijkste reden om de hulp in te roepen van een precisietechnoloog. De afdeling MedischTechnische Ontwikkeling in het Academisch Medisch Centrum in Amsterdam heeft de disciplines fijnmechanica, elektronica en glastechniek in huis en is daardoor in staat chirurgen en onderzoekers hulpmiddelen te verschaffen die hun verantwoordelijk werk verlichten, in veel gevallen zelfs
Afbeelding 1. De Minimaal-Invasieve Manipulator, een ontwikkeling van de afdeling Medisch-Technische Ontwikkeling (MTO) in het AMC.
verbeteren. Een aansprekend voorbeeld daarvan is de MIM, de Minimaal-Invasieve Manipulator, zie afbeelding 1. Daarmee kan een chirurg straks sleutelgatoperaties verrichten die én de patiënt én de chirurg minder belasten.Voor de patiënt vergeleken met conventionele open-operatietechniek, voor de chirurg vergeleken met conventionele endoscopie. • Frans Zuurveen •
D
De afdeling MTO in het AMC van de Universiteit van Amsterdam beschikt over ruim 30 medewerkers. Dat zijn, behalve staffunctionarissen en het afdelingshoofd prof.dr.ir. Kees Grimbergen, twee glasinstrumentmakers, negen elektronici en achttien mechanici. De laatste onder leiding van Frits de Vries. Die groep omvat voornamelijk constructeurs en instrumentmakers, die niet alleen de bewerkingsmachines in de fijnmechanische werkplaats bedienen, zie afbeelding 2, maar ook zelfstandig projecten van begin tot eind uitvoeren.
Afbeelding 2. De fijnmechanische werkplaats van de MTO.
5
Mikroniek Nr.1
2005
05_zuurveen_nr1_2005
09-02-2005
FIJNMECHANICA
IN
11:03
Pagina 6
AMC
Een voorbeeld van zo’n project is een computergestuurd cryomicrotoom, dat plakjes van ongeveer 10 µm dik van een diepgevroren preparaat afsnijdt, zie afbeelding 3. Petro Broekhuijsen wil niet op de foto, maar hij vertelt wel enthousiast over het apparaat dat hij heeft gemaakt en dat een tot 20 °C gekoeld geitenhart langzaam “afpelt”. “We hebben Schneeberger-geleidingen gebruikt met verplaatsingsuitlezing. Iedere slede wordt aangedreven door een motor met hoekencoder via een schroefspil met kogelomloopmoer. Medische onderzoekers gebruiken deze opstelling om met een computer een driedimensionaal beeld van de bloedvaten in dat hart te maken. Na iedere keer snijden maakt een speciale camera een foto van de nieuwe doorsnede. Je moet diepkoelen, anders lukt het niet er zo’n dun plakje van te snijden. Ze onderzoeken bijvoorbeeld de invloed van medicijnen door fluorescerende bolletjes in de bloedbaan te brengen. Ook kunnen de resultaten van beeldvormende apparatuur, zoals MRI-scanners, ermee worden onderzocht.”
berekenen van spanningen en vervormingen. Hij heeft niet alleen een krachttransducent ontworpen die tussen schoen en ski kan worden geplaatst, maar die ook zelf uit aluminium gefreesd, zie afbeelding 4. Vijf vervormbare elementen, met per element twee rekstrookjes in een brugschakeling, meten de grootte en richting van de krachten die op de voet van de skispringer werken.
Afbeelding 4. Een krachttransducent voor het meten van de krachten op de voet van een skispringer.
Meer medisch van aard is een nieuw intubatiehulpmiddel, dat is ontworpen in opdracht van een anesthesioloog in een ander Amsterdams ziekenhuis. Intubatie is het inbrengen van een beademingsbuis in de luchtpijp als een patiënt onder narcose wordt gebracht. Bij de gebruikelijke methode ontstaan er wel eens problemen met het gebit of de stembanden van de patiënt. Die worden voorkomen door het MTO-instrument te gebruiken, zie afbeelding 5. Met behulp van een roestvaststalen frame en een verschuifbare kunststof geleider kan de anesthesioloog de beademingsbuis goed in de luchtpijp brengen en makkelijk weer verwijderen.
Afbeelding 3. Een door de MTO ontwikkeld cryomicrotoom voor het snijden van plakjes van ongeveer 10 µm dik.
Andere voorbeelden De MTO werkt ook voor klanten buiten het AMC. Een Noorse skispring-organisatie wil graag weten welke krachten er optreden als een skispringer zich voor een reuzensprong afzet van de schans. Frank Wijkhuizen is van oorsprong instrumentmaker, maar kan ook uitstekend overweg met ANSYS, een eindige-elementen-programma voor het Mikroniek Nr.1
2005
6
Afbeelding 5. Een intubatiehulpmiddel, dat het inbrengen van een beademingsbuis (onder) in de luchtpijp vergemakkelijkt.
05_zuurveen_nr1_2005
09-02-2005
11:03
Pagina 7
Afbeelding 6. Een door de MTO ontwikkelde handkrachtsensor.
Aardig is ook de handkrachtsensor die de MTO heeft ontworpen, zie afbeelding 6. Die bestaat uit een handvat van koolstoflaminaat met optische sensoren en PMMA-lichtgeleiders. Als een patiënt in een MRI-, CT- of MEG-scanner dat apparaat vasthoudt en met zijn of haar vingers kracht uitoefent, kan voor elke vinger afzonderlijk worden bekeken welke delen in de hersenen daarbij actief zijn.
Afbeelding 8. Een sleutelgatoperatie is ergonomisch belastend voor chirurgen.
Sleutelgatoperaties
gereedschap voor het opereren óf een instrument voor het wegdrukken van organen wordt gestoken. Dat betekent dat er voor laparoscopie minstens vier trocars worden toegepast.
Endoscopische chirurgie is minder belastend voor een patiënt omdat er slechts enkele kleine openingen hoeven te worden gemaakt in plaats van een ingrijpend grote incisie, zie afbeelding 7. Dat soort chirurgie wordt voornamelijk voor buikoperaties toegepast en heet dan laparoscopie, zie afbeelding 8. Voor ieder “sleutelgat” is een zogenaamde trocar nodig, dat is een buis met een klep, waar doorheen óf de endoscoop voor het waarnemen van het operatieveld óf het
De klep in een trocar is nodig omdat de buikholte onder luchtdruk wordt gebracht met het doel de diverse organen beter toegankelijk te maken. Het woord “trocar” is afkomstig van het Franse “trois quarts”, en dat was oorspronkelijk de naam voor het mes met drie snijkanten dat voor het maken van een lichaamsopening werd gebruikt. Een trocar is meestal een “disposable”, een hulpmiddel voor eenmalig gebruik. Een sleutelgatoperatie is zowel voordelig voor een patiënt, omdat hij of zij eerder herstelt, als voor het ziekenhuis en de verzekeraar, omdat het aantal ligdagen beperkt wordt. Een chirurg is echter minder gelukkig met die operatietechniek omdat hij via endoscoopcamera en monitorscherm slechts een beperkt en indirect zicht heeft op het operatieveld. Bovendien moeten zijn handen onnatuurlijke bewegingen maken, aangezien door de hefboomwerking de bewegingen van de instrumenten van richting omkeren en in meer of mindere mate worden vergroot of verkleind. Ook ergonomisch is een sleutelgatoperatie voor een chirurg onprettig, omdat hij in een onnatuurlijke voorovergebogen houding moet werken.
Afbeelding 7. Conventionele chirurgie vereist meestal een ingrijpende incisie.
Dat alles betekent dat er behoefte is aan alternatieven voor conventionele laparoscopie, zodat daar veel onderzoek naar wordt gedaan. Die alternatieven zouden dan tevens bruikbaar moeten zijn voor andere operaties, bijvoorbeeld aan hart en longen.
7
Mikroniek Nr.1
2005
05_zuurveen_nr1_2005
09-02-2005
FIJNMECHANICA
IN
11:03
Pagina 8
AMC
Da-Vinci versus MIM Het Amerikaanse bedrijf Intuitive Surgical heeft met NASAsteun een telemanipulator met de naam Da-Vinci ontwikkeld, zie afbeelding 9. Dat apparaat is momenteel in gebruik in drie academische ziekenhuizen in Nederland en biedt een bruikbare oplossing voor de hiervoor geschetste problemen. Toch zijn er bezwaren. Het apparaat is erg kostbaar, zowel in aanschaf als tijdens het gebruik. Bovendien krijgt de chirurg geen terugkoppeling betreffende de uitgeoefende kracht: hij ondervindt geen “gevoel”. De oorzaak daarvan is dat het apparaat niet meer doet dan het 1:1 telemetrisch vertalen van de handbewegingen van de chirurg achter het 3D-scherm naar bewegingen van de grijpertjes in het lichaam van de patiënt.
Afbeelding 10. Promovendus Joris Jaspers met zijn MIM (foto Huybert van de Stadt, MTO). Afbeelding 9. De telemanipulator Da-Vinci van het Amerikaanse Intuitive Surgical. Links de chirurg achter zijn 3D-scherm.
Dat gaf MTO-promovendus ir. Joris Jaspers zowel voldoende uitdaging als inspiratie om een mechanisch alternatief voor de Da-Vinci te creëren, zie afbeelding 10. Dat werd de al genoemde Minimaal-Invasieve Manipulator, kortweg MIM, één van de onderwerpen waarop hij binnen afzienbare tijd hoopt te promoveren. Het belangrijkste verschil tussen de Da-Vinci en de MIM is de wijze waarop de handbewegingen van de chirurg worden overgebracht. Bij de Da-Vinci gebeurt dat via elektronische signalen door bedrading, bij de MIM puur mechanisch via stangen en kabels. Met als gevolg dat de MIM de voordelen biedt van krachtterugkoppeling en kostenbesparing. Joris verwacht dat zijn mechanische manipulator met “gevoel” straks voor circa 10 % van de prijs van de Da-Vinci is te realiseren. Opgemerkt moet worden dat de ontwikkeling van de MIM Mikroniek Nr.1
2005
8
nog niet zo ver is gevorderd dat de manipulator al in een operatiekamer kan worden toegepast. Op dit moment lopen er proeven op dummy-lichamen, die gevolgd zullen worden door testen op dieren en kadavers. Voor de toestemming voor daadwerkelijke operaties moet er een lange weg worden bewandeld, die aan het eind van het traject voert langs de MEC: de medisch-ethische commissie waarover ieder ziekenhuis in Nederland beschikt.
MIM in detail Een conventioneel endoscopie-instrument bezit vier vrijheidsgraden: twee kantelingen 1 en 2 ten opzichte van de incisie, de rotatie 3 rondom de eigen as en één translatie 4 voor de in- en uitgaande beweging. De MIM heeft er nog twee extra, namelijk twee rotaties 5 en 6 van de grijper als geheel, zie afbeelding 11. Voor het overbrengen van bewegingen volgens vrijheidsgraden 1 en 2 van de chirurgenhand naar het lichaam van de patiënt is de MIM uitgerust met een stangenmechanisme met een dubbel parallellogram, zie
05_zuurveen_nr1_2005
09-02-2005
11:03
Pagina 9
afbeelding 12. Het bijzondere daarvan is dat er een virtueel draaipunt I wordt gecreëerd dat exact binnen de incisie ligt. Het openen en sluiten van de bekken levert dan nog een zevende vrijheidsgraad.
Ook voor het overbrengen van de andere bewegingen volgens de vrijheidsgraden 3 tot en met 7 worden voorgespannen kabels gebruikt. Die kabels lopen over geleidingswielen van gelijke diameter in draaipunten van het stangenmechanisme, zie afbeelding 12, zodanig dat beweging volgens vrijheidsgraad 2 geen verstelling van de kabels veroorzaakt. Vergroting van de omspannen boog van het ene wiel wordt immers gecompenseerd door verkleining van de omspannen boog van het andere. In het lichaam zijn kabels niet zo gewenst, aangezien dat deel van het mechanisme gesteriliseerd moet kunnen worden. De overbrenging naar het onderste deel met de bewegende grijperbekken en twee scharnierpunten, zie afbeelding 13, vindt daarom plaats via drie telescopische buizen met daarin een verschuifbare stang, zie afbeelding 14. Dat vraagt om een vrij gecompliceerd mechanisme, dat we hier niet verder zullen bespreken maar dat inmiddels zijn goede werking heeft bewezen.
Afbeelding 11. Vergeleken met een conventioneel endoscopisch instrument (links) heeft de MIM twee extra vrijheidsgraden.
Afbeelding 13. Het onderste deel van de MIM met een, om twee assen scharnierende, grijper met twee bekken. Afbeelding 12. Het stangenmechanisme met dubbel parallellogram en balanceermasa’s B1 en B2. I virtueel draaipunt in incisie. DOF vrijheidsgraad.
Bewegingen volgens vrijheidsgraden 1 en 2 komen tot stand door respectievelijk het - compleet uitgebalanceerde - stangenmechanisme als geheel te laten kantelen rondom de onderste horizontale stang, of de hoek van de parallellogrammen te veranderen. Voor vrijheidsgraad 1 kan de onderste stang met axiale fixatie draaien in lagers die vast zijn gepositioneerd op de operatietafel. De translatie 4 wordt gevormd door een rechtgeleiding langs de meest linkse verticale stang, die door middel van voorgespannen kabels wordt overgebracht naar een rechtgeleiding langs de meest rechtse stang. Die translatie beweegt dus de grijper in het lichaam van de patiënt naar binnen en terug.
Afbeelding 14. Aandrijving van de grijper via drie telescopische buizen met daarin een verschuifbare stang.
9
Mikroniek Nr.1
2005
05_zuurveen_nr1_2005
09-02-2005
FIJNMECHANICA
IN
11:03
Pagina 10
AMC
De twee bekken van afbeelding 13 worden door een rondgaande veer uit elkaar gedrukt. Voor de overdracht van de translaties van stang en buis naar de rotaties van de bekken (vrijheidsgraden 6 en 7) moeten toch nog korte kabels worden gebruikt, maar dankzij de veer zijn dat er niet meer dan twee. Gelijktijdig aantrekken of loslaten van deze kabels geeft sluiten of openen volgens vrijheidsgraad 7, tegengestelde kabelbeweging maakt dat de bekken kantelen volgens 6. Afbeelding 15 laat de onderdeeltjes van de grijper zien.
Afbeelding 16. Computeranimatie van een complete MIM-operatie-opstelling (gemaakt door Rogier van de Pol, MTO).
Afbeelding 15. De onderdeeltjes van een grijper.
Simulatie Voor een operatie zijn twee van de beschreven MIM-mechanismen nodig. Want de chirurg moet, bijvoorbeeld, volgens een ingewikkeld bewegingspatroon bloedvaten aan elkaar hechten en dat kan alleen als er twee grijpers met ieder zeven vrijheidsgraden beschikbaar zijn. Afbeelding 16 toont een computeranimatie van een complete operatie-opstelling. De chirurg bekijkt tijdens de operatie een driedimensionaal beeld, dat hij (of zij) ontvangt via een computerbril. De operatie-assistenten kijken mee via een televisiescherm. Ook cardiochirurgie zal straks mogelijk zijn, waarbij de twee MIM’s het operatieveld bereiken via incisies tussen de ribben, zie afbeelding 17. Maar voordat het zover is, moeten er nog wat verbeteringen worden doorgevoerd én moet worden aangetoond dat de MIM veilig, betrouwbaar en voordelig werkt. Een van die verbeteringen is het verminderen van de wrijving in de translatie. Als het niet lukt de wrijvingskracht die de chirurgenhand ondervindt, te verminderen, is het wellicht nodig daarvoor toch een motoraandrijving te introduceren. Mikroniek Nr.1
2005
10
Afbeelding 17. Simulatie van cardiochirurgie met de MIM.
In ieder geval is het voor precisietechnologen een opsteker te constateren dat traditionele fijnmechanica een oplossing biedt die een hypermodern ontwerp met veel tele-elektronica qua prijs en betrouwbaarheid overtreft.
Bron J.E.N. Jaspers, M. Shehata, F. Wijkhuizen, J.L. Herder en C.A. Grimbergen, Mechanical manipulator for intuitive control of endoscopic instruments with seven degrees of freedom, Proc. DETC2004, ASME Design Eng. Techn. Conferences, Salt Lake City 2004
05_zuurveen_nr1_2005
09-02-2005
11:03
Pagina 11
PIT
Platform Industriële Technologie (PIT)
H
Het Platform Industriële Technologie heeft als doel om op branche- overstijgende terreinen namens betrokken organisaties en bedrijven op het gebied van Industriële Technologie een gezamenlijke visie uit te dragen naar de industrie, overheid/politiek, financiële wereld, onderwijs en samenleving.
Het Platform fungeert tevens als netwerk voor organisaties en individuele bedrijven om kennis en informatie uit te wisselen en samen te werken. De participerende bedrijven en branches richten zich met industriële technologie op de maakindustrie in Nederland en in wisselende intensiteit - door middel van export - ook daarbuiten. Onder industriële technologie wordt door het PIT verstaan alle technieken die in de maakindustrie gebruikt worden om te produceren. De sectoren die onder de maakindustrie vallen, zijn onder andere: – Olie- en gasindustrie – Metaalverwerkende industrie – Chemische en petrochemische industrie – Elektrotechnische industrie – Machine-industrie en apparatenbouw – Papierindustrie – Rubber- en kunststofverwerkende industrie – Textielindustrie – Transportmiddelenindustrie – Grafische industrie – Voedings- en genotmiddelenindustrie maar ook “nieuwe” sectoren als: – Industrie van infrastructurele werken – Productieautomatisering – Service en maintenance – High purity toepassingen Naast individuele bedrijven / personen, participeren onderstaande organisaties in PIT. AIM Nederland Nederlandse fabrikanten en leveranciers van producten, systemen en diensten voor automatische identificatie. Bulk & Machevo Vereniging van leveranciers van procesinstallaties en -apparatuur voor de (petro) chemische-, voedingsmiddelen en farmaceutische industrie. Elektrotechniek Exposanten Vereniging Elektrotechniek FEDA Federatie Aandrijven en Automatiseren FTC Federatie Technisch Centrum GTA Groep Technische Automatisering NVPT Nederlandse Vereniging voor Precisie Technologie
VIMAG
Vereniging van Importeurs van Machines en Gereedschappen voor de Metaalindustrie
Samen sterker In ons eigen land en op de wereldmarkt moet de Nederlandse industrie zich blijven manifesteren en onderscheiden, willen wij een rol blijven spelen in onze geïndustrialiseerde wereld. Het bundelen van bestaande kennis, technologie en marktcontacten is daarbij essentieel. Samen, veelal brancheoverstijgend, staan partijen sterker dan ieder voor zich. Enkele voorbeelden van bestaande projecten die goed illustreren waartoe een inspirerende samenwerking kan leiden.
Commerciële samenwerking creëert kansen Sinds medio 2004 bundelen verschillende marktpartijen hun krachten binnen het Nederlandse portal “TradCom”. Door gebruikmaking van eigentijdse webtechnologie werken zij nauw samen met als doel, met het aanbod van een breed pakket producten, de kosten in de keten sterk terug te dringen. De samenwerkende bedrijven in dit project zijn: Borstlap bevestigingsmaterialen Van Eyle & Ruygers – kogellagers en Schwartz gereedschappen Ehrbecker Schiefelbusch elektrotechnische componenten Eriks Group werktuigbouwkundige componenten Van Leeuwen Buizen buiscomponenten en fittingen
Samenwerking onderwijs en bedrijfsleven Regionaal ontstaan “kennisvergrotende” initiatieven tussen het bedrijfsleven en het onderwijs om te komen tot een beter gebruik door het bedrijfsleven van de kennis, de ervaring en de deskundigheid die onderwijsinstellingen in huis hebben. Hogescholen en universiteiten kennen een groeiend aantal buitengewone lectoraten en kenniskringen, die toegepast onderzoek verrichten om tot verbeterde toepassingen te komen. Een optimaal onderzoeksklimaat vraagt ondersteuning vanuit het bedrijfsleven. Daarnaast zorgt een professioneel onderzoeksklimaat er ook voor dat studenten goed voorbereid op de arbeidsmarkt komen. Dat is van belang voor de gehele Nederlandse industrie. De hogeschool INHOLLAND heeft plannen om, in nauwe samenwerking met het bedrijfsleven, het buitengewoon lectoraat “Groothandel en demand chain management” te realiseren.
11
Mikroniek Nr.1
2005
