Overzicht

Haarfijn prikken in de lever

15 november 2016

(Laatst aangepast: 16-11-2016)

Haarfijn prikken in de lever

Artikelen

Naaldinterventies spelen een belangrijke rol tijdens de diagnose en behandeling van leverkanker. Helaas kunnen niet alle tumoren bereikt worden met een recht pad. De ribben of longen kunnen bijvoorbeeld in de weg liggen. Ook bestaat de kans dat de interactiekrachten met het weefsel ervoor zorgen dat de naald ongewenst afbuigt tijdens het prikken. Dit kan leiden tot een foutieve diagnose of therapie. Aan de TU Delft wordt onderzocht of naalden stuurbaar gemaakt kunnen worden. Door het pad van de naald te controleren zou het bereik van deze minimaal invasieve instrumenten vergroot kunnen worden. Ook zou een stuurbare naald de mogelijkheid bieden om een fout in de uitlijning tussen de naald en tumor actief te corrigeren.

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.

Figuur 1: Instrument aansturingEen naald is geheel omgeven door weefsel. Bij het besturen van een naald speelt deze 'omgeving' een bijzonder grote rol. Veel groter dan de invloed van het weg-oppervlak bij het besturen van een fiets. Gebruikers moeten hiermee leren omgaan.

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.

 

Onderzoek met dikke naaldenDe axiale en radiale krachten op de naald werden gemeten tijdens het prikken met zes verschillende tipjes. Gevarieerd werd de tipsoort: drie conische tipjes (links) en drie afgeschuinde tipjes (rechts), en de tiphoek (toenemend naar buiten). Foto: Arjo Loeve.

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.

Figuur 3: In hoeverre moet naaldsturen geautomatiseerd worden?Voor ons onderzoek zijn drie systemen ontwikkeld: 1) een manueel gestuurde naald (links), 2) een geautomatiseerd systeem (rechts), en 3) een combinatie van beiden (midden).

De zichtbaarheid van een naald

De evaluatie van bovengenoemde naalden vond meestal plaats in weefselsimulanten. Dit had als voordeel dat de naald goed zichtbaar was. Het pad kon met een camera gevolgd en geanalyseerd worden. Zo'n weefselsimulant heeft een homogene structuur, waardoor de instrument-weefsel interactiekrachten tussen de verschillende metingen vergelijkbaar zijn. Voor de analyse van het technisch functioneren van de naald is dit enkel voordelig. Het praktisch functioneren van de naald is hiermee echter nog niet volledig getest. Vervolgonderzoek zal zich daarom richten op biologisch weefsel, waarbij het pad geanalyseerd zal worden met behulp van echobeelden. 

 

Zoals de naam aangeeft is een echo gebaseerd op de reflectie van geluidsgolven. Deze reflecties ontstaan met name bij een verschil in akoestische impedantie tussen opeenvolgende materialen. Dit verschil is aanzienlijk bij de weefsel-naald overgang. Hoe zichtbaar een naald is hangt echter ook af van het aandeel geluidsgolven dat weer terugkomt bij de transducer. Factoren die dit aandeel beïnvloeden zijn o.a. het reflectieoppervlak (de naald diameter), de hoek tussen het reflectieoppervlak en de transducer (de golven kunnen ook volledig 'wegkaatsen'), en de oppervlakteruwheid (pure reflectie versus verstrooiing van golven). Hier valt nog een hoop aan te onderzoeken en te optimaliseren. Om ervoor te zorgen dat de stuurbare naalden altijd goed zichtbaar zijn op een echobeeld zal de TU Delft nauw samenwerken met de Biomedical Imaging Group Rotterdam van het Erasmus MC.

Voor meer informatie en publicaties betreffende dit promotieonderzoek is de volgende site te raadplegen:

http://www.misit.nl/nick

Toon alle referenties

Auteur