Naald vs. fiets
Alhoewel er zeker interesse is vanuit het medisch veld, is de ontwikkeling van een stuurbare naald nog niet zo vanzelfsprekend. Dit komt omdat de relatie tussen de actie van de gebruiker en de reactie van het instrument niet vast ligt. Ter illustratie zou je dit kunnen vergelijken met het besturen van een fiets. Door de starre verbinding tussen het stuur en het voorwiel weet de gebruiker dat het wiel direct volgt zodra hij/zij het stuur omgooit. Dit is bovendien verifieerbaar: het wiel is zichtbaar. Bij het besturen van een naald is dit niet zo. Een naald is geheel omsloten door weefsel en kan slechts heel geleidelijk gestuurd worden. Dit wordt bijvoorbeeld gedaan door de vorm van de naaldpunt te veranderen tijdens de invoer. Hoever de naald afbuigt hangt niet alleen af van de stuur-acties van de gebruiker, maar ook van omgevingsfactoren, zoals de stijfheid (en andere eigenschappen) van het weefsel. Dit is schematisch te zien in Fig. 1. Daar komt nog bij dat de omgeving continu beweegt, o.a. door de ademhaling van de patiënt, en dat de exacte positie van de naald ten opzichte van de tumor niet altijd even goed zichtbaar is. Medisch beeldvormende technieken - zoals echo - worden ook nog volop doorontwikkeld en verbeterd. In dit stuk richten we ons echter vooral op de naald. Behandeld wordt:
1) Hoe de stuurmechanica van een naald werkt en hoe een vooraf bepaald pad gevolgd kan worden.
2) Hoe de gebruiker kan (leren) omgaan met zo'n stuurbare naald.
3) Hoe zichtbaar de naald is tijdens de interventie.
De stuurmechanica van een naald
Naaldsturen omvat het plannen en tijdig aanpassen van instrument-weefsel interactiekrachten met als doel de naald gecontroleerd te laten afbuigen. De krachten die op een naald spelen kunnen worden onderverdeeld in axiale en radiale krachten. De axiale krachten liggen in lijn met de lengte-richting van de naald en dragen bij aan de weerstand die ervaart wordt tijdens het prikken. De radiale krachten staan loodrecht op de naald en kunnen ervoor zorgen dat de naald gaat afbuigen. De tipvorm - en met name de asymmetrie hiervan - blijkt een grote invloed te hebben op het ontstaan van deze 'buigkrachten'. Om de relaties beter in kaart te brengen is er macroscopisch onderzoek verricht met 1 cm (diameter) naaldpuntjes met verschillende vormen, zie Fig 2. De drie linker naalden hebben een conische tip, de drie rechter naalden hebben een afgeschuinde of 'bevel' tip. Naar buiten toe staan de puntjes onder een steeds groter wordende hoek. Deze variaties in de 'tiphoek' zullen uiteindelijk ook met een stuurbaar instrument bereikt kunnen worden. Tijdens het prikken in een weefselsimulant werd een krachtsensor aan deze tipjes bevestigd. De grootste buigkrachten werden gemeten voor 1) de tipjes met een grotere tiphoek, en 2) de bevel tipjes, vergeleken met conische tipjes met dezelfde tiphoek.
De omgang met een stuurbare naald
Wereldwijd zijn er verschillende onderzoeksgroepen bezig met de ontwikkeling van een stuurbare naald. Bevel-naalden krijgen hierbij bijzonder veel aandacht. Dit komt niet alleen omdat ze efficiënt buigkrachten realiseren, maar ook omdat ze eenvoudig te produceren zijn. Daarentegen is een bevel-tip per definitie asymmetrisch, wat betekent dat een bevel-naald altijd zal sturen. Je zult zo'n naald continu (of in ieder geval met regelmaat) om de lengte-as moeten roteren om op een recht pad te blijven. Zodra je vervolgens wél wilt sturen, moet je een goed beeld hebben van de actuele oriëntatie van de naald. Zeker bij enigszins vervormde naalden kunnen torsie-effecten optreden tijdens het roteren van de naald. Dit maakt het correct inschatten van de huidige 'stuurrichting' lastiger. Goede visuele feedback tijdens deze interventies is dan ook van groot belang.
In het MISIT-lab van de TU Delft hebben we gekozen voor een iets andere aanpak. Door gebruik te maken van een conische (symmetrische) naaldpunt is het volgen van een recht pad geen probleem. Voor het sturen van naalden zal de tiphoek actief aangepast moeten worden. Dit is gerealiseerd door een viertal dunne kabeltjes door de naald te geleiden en aan de tip te bevestigen. Hierdoor kan de naald te allen tijde gestuurd worden in een richting naar keuze. Rotaties van de naald zijn niet meer nodig. We nemen aan dat dit de omgang met de naald vereenvoudigd.
De omgang met een instrument heeft niet alleen betrekking op het verzorgen van intuïtieve vrijheidsgraden in de besturing, maar ook op de daadwerkelijke keuze van taken die aan de gebruiker worden overgelaten. Onder voorwaarde dat het verloop van de interventie goed zichtbaar is, zou de stuurtaak wellicht (deels) geautomatiseerd kunnen worden. Om dit te onderzoeken is een drietal experimenten uitgevoerd, waarbij naaldsturen in verschillende gradaties aan een computer is overgelaten. Figuur 3 geeft de drie situaties weer. Er is een manueel gestuurde naald ontwikkeld (links), waarbij de tiphoek met behulp van een joystick (in de afbeelding te zien onder de duim) gecontroleerd kan worden. Er is een robot-systeem ontwikkeld (rechts), waarmee aan de hand van de visuele feedback een optimaal pad berekend werd. Hiermee vereenvoudigde de interventie tot het bedienen van een enkele drukknop. Tenslotte is er getest of de menselijke controller en de computer controller ook kunnen samenwerken (midden). Dit leidde tot de ontwikkeling van een 'tele-operatie' platform, waarbij de gebruiker op afstand het naaldpad kon bepalen (met behulp van een grote joystick, rechts op de foto). Het door de computer bepaalde optimale pad werd hierbij omgezet tot een krachtsignaal dat voelbaar was in deze joystick. De mens had hier dus de volledige controle over de stuurtaak, maar kreeg tegelijkertijd stuuradvies van de computer. Deze methode kan uiteindelijk van nut blijken tijdens het uitvoeren van complexe stuurtaken, of tijdens het leren omgaan met deze instrumenten.
Hoe de toekomst eruit zal zien is nog onzeker. Geautomatiseerd prikken is consistenter dan manueel prikken. Aan de andere kant wordt tijdens manueel prikken ook gebruik gemaakt van de ervaren prikkrachten. Deze haptische informatie kan ook informatie geven over o.a. de locatie van de naald. Momenteel wordt dit nog niet verwerkt in de computerplanning. Voorlopig zal onze groep zich gaan richten op manuele instrumenten, met name omdat de productiekosten aanzienlijk lager zijn. We verwachten zo sneller stappen te kunnen maken naar een praktische oplossing.
In het bijgaande YouTube filmpje is te zien hoe de handgestuurde naald (bevestigd aan een lineaire motor) een gekromd pad in gelatine volgt. Tijdens het prikken worden enkele factoren bepaald die gebruikt worden in de evaluatie van het naald-pad.
