De lantaarn van Aristoteles en 3D-printen: TU Delft-onderzoeker presenteert prototypen van twee nieuwe medische instrumenten

Nieuws - 16 januari 2015 - Webredactie Communication

Biomechanisch ingenieur Filip Jelínek, die zijn proefschrift maandag 12 februari aan de TU Delft verdedigde, komt met prototypen voor twee nieuwe medische instrumenten. Om kankerweefsel realtime te kunnen analyseren en verwijderen heeft hij een minimaal invasief instrument voor optische en mechanische biopsieën ontwikkeld. Daarnaast ontwikkelde Jelínek de DragonFlex: een bestuurbaar medisch instrument voor sleutelgatoperaties dat vrijwel volledig met 3D-printen wordt vervaardigd.

 

Tumoren realtime opsporen

Middels een zogeheten optische biopsie (optische analyse van weefseleigenschappen) kan realtime worden bepaald of er al dan niet sprake is van kankerweefsel. Als blijkt dat het om kankerweefsel gaat, kan de chirurg het weefsel onmiddellijk en volledig verwijderen. Gevolg is dat verdere pathologische analyse en revisiechirurgie, die beide het risico van kankeruitzaaiing vergroten, niet meer nodig zijn. 
Bij de huidige minimaal invasieve laparoscopische biopsietechnieken moet helaas nog een reeks onnauwkeurige biopten worden afgenomen, meestal met een laparoscopische forceps of een ander hulpmiddel. Beperking van potentiële risico's als uitzaaiing van kanker bij het manipuleren van tumorweefsel vereist een betrouwbaarder alternatief in de vorm van één laparoscopisch instrument dat het afnemen van een reeks nauwkeurige biopten mogelijk maakt. 
In samenwerking met prof. Paul Breedveld heeft Filip Jelínek daarom een minimaal invasief instrument voor optische biopsieën en mechanische verwerving van geanalyseerd weefsel ontworpen: de biopsy harvester. Dit instrument is voorzien van een laparoscopische instrumenttip voor eenmalig gebruik. Deze tip bevat een centraal gepositioneerde glasvezel voor weefseldiagnostiek, een snij-instrument voor het snel, accuraat en betrouwbaar afnemen van biopten van een nauwkeurig gedefinieerd volume en een houder voor monsteropslag. 

 

 

 

Afbeelding: Prototype van een compleet gemonteerde biopsy harvester, die op bijna ware grootte is vervaardigd, Ø 6mm (boven), met volledig gesloten kroonsnij-instrument (inzet). Deels gemonteerde biopsy harvester (onder) met buitenmantel, geplaatst binnenmechanisme en glasvezeldummy. Bron: ASME.

De lantaarn van Aristoteles: de natuur als inspiratiebron
Natuurlijke inspiratiebron voor het snijmechanisme van het biopsie-instrument is het kauworgaan van de zee-egel, de zogeheten lantaarn van Aristoteles. Aangezien met deze ‘lantaarn’ weefsel snel en gelijktijdig kan worden ingesneden en omsloten, is het snijmechanisme volgens hetzelfde principe ontworpen: een inklapbare kroonvorm. 

 

 


Afbeelding: Het kauworgaan van de zee-egel, de lantaarn van Aristoteles - links - vormde de inspiratie voor de kroonvormige inklapbare kroonvorm van het snijmechanisme (ingeklapt - midden, neutrale stand - rechts). Bron: ASME.

De biopsy harvester is bedoeld voor bemonstering van vlakke weefsels, bijvoorbeeld het oppervlakteweefsel van organen. De harvester werkt snel en vrijwel volautomatisch, waarbij gelijktijdig resectie en omsluiting van het weefsel plaatsvindt. Volgens Jelínek zal het voorgestelde instrument een verbetering betekenen ten opzichte van de huidige tijdrovende, onnauwkeurige en potentieel onveilige laparoscopische biopsieprocedures. 

Een soort schaar 
Naast het biopsie-instrument ontwikkelde Jelínek (in samenwerking met Paul Breedveld en Rob Pessers) de DragonFlex, een prototype van een bestuurbaar minimaal invasief chirurgisch instrument dat op een schaar lijkt. Minimaal invasieve procedures verkorten de hersteltijd voor patiënten. Bovendien vormt zich postoperatief minder littekenweefsel, wat ook gunstig is voor de patiënt. Het bestuurbare instrument geeft de arts meer flexibiliteit en biedt tevens de mogelijkheid om plaatsen achter obstakels te bereiken, iets wat normaal gesproken een extra incisie vereist.

 

De DragonFlex bevat een minimaal aantal componenten, waardoor de fabricage- en montagekosten ook laag kunnen worden gehouden. Dit instrument kan dan ook voor eenmalig gebruik op de markt worden gebracht in plaats van als permanent instrument dat telkens moet worden gesteriliseerd (waardoor het ontwerp complexer wordt en de ontwerpvrijheid dus ook wordt beperkt). De buigradius van de kabels die de scharnierverbindingen en de grijper aandrijven, is zo groot mogelijk gemaakt, wat de betrouwbaarheid en levensduur van het product ten goede komt. 

 

 

 

Afbeelding (a) Prototype van de DragonFlex van 5mm breed (ware grootte) met (b) een rolverbinding met speciale aandrijfkabelgeleiding en (c) een doordacht en eenvoudig bout-en-wielmechanisme voor het vastklemmen en snel spannen van kabels. Bron: Informa Healthcare.

3D-printen 
De DragonFlex biedt bijna dezelfde functionaliteit als andere bestuurbare laparoscopische instrumenten, maar vrijwel alle componenten zijn volledig vervaardigd met 3D-printtechnieken. Volgens Jelínek laat de ontwikkeling van dit prototype zien dat zelfs het ontwerp van ogenschijnlijk complexe mechanismen op slimme wijze kan worden aangepast als de fabricagetechnologie dit mogelijk maakt. 3D-printen luidt daarmee een nieuwe ontwerpfase in voor TU Delft-onderzoekers, meent Jelínek. Niet alle onderdelen zijn echter nog geschikt om te worden geprint: zo zijn de kabels en spanschroeven van metaal. Voor de productie van (kleine, volledig functionele) prototypen werken Jelínek en Breedveld samen met diverse partners, waaronder TNO. 

Meer informatie
Dr. Filip Jelínek, faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen (3mE): f.jelinek@tudelft.nl. Claire Hallewas, wetenschapsvoorlichter: c.r.hallewas@tudelft.nl, 015 – 2784259.