Boren in botten

Om de wervelkolom te stabiliseren worden vaak metalen staven toegepast. Op dit moment wordt voor de bevestiging van het metalen frame aan de wervelkolom meestal een schroef gebruikt. Maar aan die methode kleeft een aantal nadelen.

In het schroeven zit de moeilijkheid. De schroef wordt ingebracht in de zogenaamde pedikel, het botdeel dat het voorste en het achterste gedeelte van de wervel met elkaar verbindt. Dit stukje bot is een buisje: hard aan de buitenkant, maar poreus van binnen.

Om voor voldoende houdkracht te zorgen moet de schroef in de harde wand van de pedikel worden gedraaid. Daardoor kan de schroef alleen maar gebruikt worden in het onderste deel van de wervelkolom, waar de wervels, en dus ook de pedikels, het grootst zijn. Bovendien is het indraaien een nauwkeurig werkje. De kans is groot dat anders het ruggenmerg of de aorta worden beschadigd. Het plaatsen van een schroef is nog moeilijker als de wervels vervormd zijn; daardoor kan het pedikel-buisje krom komen te staan.

Daarom kwam dr. A.G. Veldhuizen van het Academisch Ziekenhuis Groningen (AZG) op het idee om een kromme tunnel te boren die de twee pedikels verbindt en daar een bevestiging doorheen te halen. Prof.ir J.C Cool van de WILMER-groep (werktuigbouw) pakte het idee op en het promotieproject van Verdult was geboren: de bestuurbare botboor, die de bocht omkan.
Snijzaal

De bocht om boren is nog niet zo makkelijk. En een ander groot probleem is dat je de kromme baan precies moet kunnen voorspellen om bij de andere pedikel uit te komen. In eerste instantie begon Verdult met het bouwen van een pneumatische rups die door een krom buisje kon kruipen. Het werd een ingewikkeld ding met radertjes en motortjes. Maar na korte tijd bedacht hij een andere methode die beter aansloot bij de filosofie van zijn promotor Cool: ‘Een ontwerp moet zo simpel mogelijk zijn’.

Een ander uitgangspunt van Cool is ‘krachtgestuurd ontwerpen’. Als je maar de juiste kracht aanbrengt op de juiste plaats beweegt iets vanzelf de goede kant uit. Zo kwam Verdult op het idee om een flexibele metalen strip met een scherpe punt en een knik achter de punt te gebruiken. Als de strip in testmateriaal (poreus PVC-schuim) geduwd wordt, ontstaat er een evenwicht tussen de vervorming van de strip en de vervorming van het schuim. De strip maakt bovendien een kromme baan. Die kromming kun je veranderen, door de stijfheid en de vorm van de strip aan te passen.

Om erachter te komen of de methode ook in bot werkt moest er natuurlijk ook in menselijke wervels getest worden. Door de contacten met de afdeling anatomie van het AZG kondenwervelkolommen ‘geregeld’ worden. ,,Het probleem als je aio bent, is dat je alles zelf moet doen. We kregen een heel lichaam of een romp en moesten daar de wervelkolom uit halen. Daar sta je dan als werktuigbouwer in een snijzaal.”

Maar na de eerste paar keer is de nieuwigheid er wel vanaf. ,,We wilden de wervels helemaal schoon hebben om ze goed te kunnen zien. En we wilden ze later doorzagen om de boorbaan te bekijken. Dus moesten we ook alle spieren en vezels verwijderen. Dat kost veel tijd. Terwijl je natuurlijk graag wil beginnen met je proeven om eindelijk te weten of de nieuwe boor werkt.”

De strip ging het bot in en maakte keurig kromme banen. Het principe van krachtgestuurd ontwerpen werkte dus ook in het bot. Maar op een gegeven moment werd het ontwerp toch terzijde geschoven. Het bleek niet in alle gevallen even voorspelbaar, door de grote spreiding in eigenschappen van bot.

Verdult stapte over op een ander principe. Een klein bolvormig boortje op een flexibele aandrijfas dat de harde buitenwand van de wervel als geleidingswand gebruikt. Langs die wand vindt de boor zijn weg naar de tweede pedikel. Proeven met deze boor leverden in de helft van de gevallen een goed resultaat op.

Maar er was nog een aantal problemen: soms was de hoek die de boor met de wand maakte zo groot dat hij niet de bocht om wilde en bleef steken. Ook bleef de boor niet altijd in hetzelfde vlak. Hij rolde als een soort wiel op de wervelwand omhoog of omlaag. Daardoor kwam hij aan de andere kant van de wervel niet op dezelfde hoogte uit als de pedikel. Dus ook dit ontwerp was nog niet ideaal.
Glijden

Bij andere proeven was gebleken dat de boor de wervelwand helemaal niet nodig had om een kromme baan te maken. ,,Dat is eigenlijk niet zo verwonderlijk”, legt Verdult uit. ,,Het principe is hetzelfde als dat van de metalen strip uit de eerste proeven. Doordat de tunnel breder is dan de aandrijfas, komt die krom te staan als je de boor in het bot duwt. Er ontstaat dan, net als bij de metalen strip, een evenwicht tussen de vervorming van de boor en de vervorming van het materiaal. Ook de boor maakt dus een kromme baan.”

Verdult ontwierp een volgende boor, weer met een flexibele aandrijfas, maar deze keer werd de boor door een klein hulp-frame gedwongen van zijn rechte baan af te wijken. Nu kon hij eindelijk met grote kans op succes kromme banen boren en testen of de tunnel wel bruikbaar was voor verankering.

Dat laatste bleek het geval. Verdult trok een kabel van 1,1 millimeter diameter door de tunnel en deed trekproeven. Daarbij bleek het mogelijk een trekkracht van 1000 Newton aan te brengen. De kracht die op een goed ingebrachte schroef uitgeoefend kan worden is 1000 Newton per schroef. ,,Eigenlijk wilden we net zo lang trekken totdat de wervel werkelijk bezweek, maar dat lukte niet. De klemmen op de kabel gingen bij 1000 Newton al glijden. Als je de klemmen verder zou aandraaien, zou je met een nog hogere kracht kunnen trekken. Daarbij is de tunnel 4 millimeter groot, dus je kan ook nog een dikkere kabel gebruiken.”

Hoewel de proeven succesvol waren, was Verdult nog niet helemaal tevreden. Het ontwerp moest volgens hem nog simpeler kunnen. ,,Pas toen ik mijn proefschrift al aan het schrijven was bedacht ik het uiteindelijke ontwerp. Ineens vielen alle puzzelstukjes op hun plaats. Je moet aan het begin van de boor een stijf buisje aanbrengen met een vaste kromming. Daarmee dwing je de boor aan het begin een bocht te maken en krijg je prachtige kromme banen.”

De laatste versie van de botboor is niet in menselijke wervels uitgeprobeerd, maar Verdult heeft er alle vertrouwen in. ,,Ik heb inmiddels wel een gevoel gekregen voor wat werkt en wat niet werkt. En bovendien wijkt de nieuwe boor niet zoveel af van de vorige. Hij is alleen simpeler.”

Er is vanuit verschillende kanten veel interesse voor de boor. Verdults vakgroep voert nu gesprekken over de verdere ontwikkeling ervan. ,,Bij dit soort projecten rijst natuurlijk de vraag: wie heeft het bedacht? De bedenker van het idee, of degene die het weet te realiseren. De chirurg zal zeggen dat het zijn idee is en dat de technici het alleen nog maar moesten uitvoeren. Maar hoe die kromme tunnel tot stand moest komen, heb ik toch echt zelf bedacht.”

Om de wervelkolom te stabiliseren worden vaak metalen staven toegepast. Op dit moment wordt voor de bevestiging van het metalen frame aan de wervelkolom meestal een schroef gebruikt. Maar aan die methode kleeft een aantal nadelen.

In het schroeven zit de moeilijkheid. De schroef wordt ingebracht in de zogenaamde pedikel, het botdeel dat het voorste en het achterste gedeelte van de wervel met elkaar verbindt. Dit stukje bot is een buisje: hard aan de buitenkant, maar poreus van binnen.

Om voor voldoende houdkracht te zorgen moet de schroef in de harde wand van de pedikel worden gedraaid. Daardoor kan de schroef alleen maar gebruikt worden in het onderste deel van de wervelkolom, waar de wervels, en dus ook de pedikels, het grootst zijn. Bovendien is het indraaien een nauwkeurig werkje. De kans is groot dat anders het ruggenmerg of de aorta worden beschadigd. Het plaatsen van een schroef is nog moeilijker als de wervels vervormd zijn; daardoor kan het pedikel-buisje krom komen te staan.

Daarom kwam dr. A.G. Veldhuizen van het Academisch Ziekenhuis Groningen (AZG) op het idee om een kromme tunnel te boren die de twee pedikels verbindt en daar een bevestiging doorheen te halen. Prof.ir J.C Cool van de WILMER-groep (werktuigbouw) pakte het idee op en het promotieproject van Verdult was geboren: de bestuurbare botboor, die de bocht omkan.
Snijzaal

De bocht om boren is nog niet zo makkelijk. En een ander groot probleem is dat je de kromme baan precies moet kunnen voorspellen om bij de andere pedikel uit te komen. In eerste instantie begon Verdult met het bouwen van een pneumatische rups die door een krom buisje kon kruipen. Het werd een ingewikkeld ding met radertjes en motortjes. Maar na korte tijd bedacht hij een andere methode die beter aansloot bij de filosofie van zijn promotor Cool: ‘Een ontwerp moet zo simpel mogelijk zijn’.

Een ander uitgangspunt van Cool is ‘krachtgestuurd ontwerpen’. Als je maar de juiste kracht aanbrengt op de juiste plaats beweegt iets vanzelf de goede kant uit. Zo kwam Verdult op het idee om een flexibele metalen strip met een scherpe punt en een knik achter de punt te gebruiken. Als de strip in testmateriaal (poreus PVC-schuim) geduwd wordt, ontstaat er een evenwicht tussen de vervorming van de strip en de vervorming van het schuim. De strip maakt bovendien een kromme baan. Die kromming kun je veranderen, door de stijfheid en de vorm van de strip aan te passen.

Om erachter te komen of de methode ook in bot werkt moest er natuurlijk ook in menselijke wervels getest worden. Door de contacten met de afdeling anatomie van het AZG kondenwervelkolommen ‘geregeld’ worden. ,,Het probleem als je aio bent, is dat je alles zelf moet doen. We kregen een heel lichaam of een romp en moesten daar de wervelkolom uit halen. Daar sta je dan als werktuigbouwer in een snijzaal.”

Maar na de eerste paar keer is de nieuwigheid er wel vanaf. ,,We wilden de wervels helemaal schoon hebben om ze goed te kunnen zien. En we wilden ze later doorzagen om de boorbaan te bekijken. Dus moesten we ook alle spieren en vezels verwijderen. Dat kost veel tijd. Terwijl je natuurlijk graag wil beginnen met je proeven om eindelijk te weten of de nieuwe boor werkt.”

De strip ging het bot in en maakte keurig kromme banen. Het principe van krachtgestuurd ontwerpen werkte dus ook in het bot. Maar op een gegeven moment werd het ontwerp toch terzijde geschoven. Het bleek niet in alle gevallen even voorspelbaar, door de grote spreiding in eigenschappen van bot.

Verdult stapte over op een ander principe. Een klein bolvormig boortje op een flexibele aandrijfas dat de harde buitenwand van de wervel als geleidingswand gebruikt. Langs die wand vindt de boor zijn weg naar de tweede pedikel. Proeven met deze boor leverden in de helft van de gevallen een goed resultaat op.

Maar er was nog een aantal problemen: soms was de hoek die de boor met de wand maakte zo groot dat hij niet de bocht om wilde en bleef steken. Ook bleef de boor niet altijd in hetzelfde vlak. Hij rolde als een soort wiel op de wervelwand omhoog of omlaag. Daardoor kwam hij aan de andere kant van de wervel niet op dezelfde hoogte uit als de pedikel. Dus ook dit ontwerp was nog niet ideaal.
Glijden

Bij andere proeven was gebleken dat de boor de wervelwand helemaal niet nodig had om een kromme baan te maken. ,,Dat is eigenlijk niet zo verwonderlijk”, legt Verdult uit. ,,Het principe is hetzelfde als dat van de metalen strip uit de eerste proeven. Doordat de tunnel breder is dan de aandrijfas, komt die krom te staan als je de boor in het bot duwt. Er ontstaat dan, net als bij de metalen strip, een evenwicht tussen de vervorming van de boor en de vervorming van het materiaal. Ook de boor maakt dus een kromme baan.”

Verdult ontwierp een volgende boor, weer met een flexibele aandrijfas, maar deze keer werd de boor door een klein hulp-frame gedwongen van zijn rechte baan af te wijken. Nu kon hij eindelijk met grote kans op succes kromme banen boren en testen of de tunnel wel bruikbaar was voor verankering.

Dat laatste bleek het geval. Verdult trok een kabel van 1,1 millimeter diameter door de tunnel en deed trekproeven. Daarbij bleek het mogelijk een trekkracht van 1000 Newton aan te brengen. De kracht die op een goed ingebrachte schroef uitgeoefend kan worden is 1000 Newton per schroef. ,,Eigenlijk wilden we net zo lang trekken totdat de wervel werkelijk bezweek, maar dat lukte niet. De klemmen op de kabel gingen bij 1000 Newton al glijden. Als je de klemmen verder zou aandraaien, zou je met een nog hogere kracht kunnen trekken. Daarbij is de tunnel 4 millimeter groot, dus je kan ook nog een dikkere kabel gebruiken.”

Hoewel de proeven succesvol waren, was Verdult nog niet helemaal tevreden. Het ontwerp moest volgens hem nog simpeler kunnen. ,,Pas toen ik mijn proefschrift al aan het schrijven was bedacht ik het uiteindelijke ontwerp. Ineens vielen alle puzzelstukjes op hun plaats. Je moet aan het begin van de boor een stijf buisje aanbrengen met een vaste kromming. Daarmee dwing je de boor aan het begin een bocht te maken en krijg je prachtige kromme banen.”

De laatste versie van de botboor is niet in menselijke wervels uitgeprobeerd, maar Verdult heeft er alle vertrouwen in. ,,Ik heb inmiddels wel een gevoel gekregen voor wat werkt en wat niet werkt. En bovendien wijkt de nieuwe boor niet zoveel af van de vorige. Hij is alleen simpeler.”

Er is vanuit verschillende kanten veel interesse voor de boor. Verdults vakgroep voert nu gesprekken over de verdere ontwikkeling ervan. ,,Bij dit soort projecten rijst natuurlijk de vraag: wie heeft het bedacht? De bedenker van het idee, of degene die het weet te realiseren. De chirurg zal zeggen dat het zijn idee is en dat de technici het alleen nog maar moesten uitvoeren. Maar hoe die kromme tunnel tot stand moest komen, heb ik toch echt zelf bedacht.”