Inktvis in de ok

Op het bureau van dr.ir. Paul Breedveld van de groep bio inspired technology (Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen) ligt een metalen slangetje van slechts 0,9 millimeter dik. Daar binnenin zit een vernuftig systeem van veertjes en kabeltjes die de dunne staalsliert een bijna dierlijk aanzien geven als Breedveld aan het begin van de sliert een soort joystick beweegt. Het uiteinde blijkt zo wendbaar als een slang. Of beter gezegd, als een inktvistentakel.
Breedveld werkt al sinds 2001 aan de TU aan chirurgische instrumenten zoals deze flexibele katheter, maar ook aan endoscopen met cameraatjes die alle kanten op kunnen bewegen. In 2004 patenteerde hij hiervoor een veersysteem met kabels, het ‘kabelkransmechanisme’, dat hij had afgekeken van inktvissen.
“Die dieren hebben me altijd gefascineerd”, zegt Breedveld. “Net als alle spieren kunnen de tentakelspieren alleen trekken en niet duwen. En de dieren hebben geen botten en scharnierpunten waar hun spieren krachten op uitoefenen. Dat ze hun tentakels toch kunnen uitrekken en alle kanten op bewegen, komt voor een belangrijk deel doordat tentakels zijn omgeven door kringspieren die ze aantrekken. Doordat het volume van de tentakel hetzelfde blijft, wordt de tentakel langer.”
Het is een heel andere constructie dan die van beweegbare chirurgische instrumenten die nu gebruikt worden. Die zijn gemaakt van een lange rits aaneengeschakelde cardankoppelingetjes – een soort scharnieren die ook de koppeling vormen tussen de krukas van een auto en de achterwielen.
“Het probleem met die constructie is dat je hem kunt miniaturiseren tot maximaal een dikte van 5 millimeter, als je wilt dat hij nog alle kanten op kan bewegen”, zegt Breedveld. Bovendien zijn dergelijke constructies volgens Breedveld ook duur, omdat ze met de hand gefabriceerd moeten worden. Aan de binnenkant van elke cardankoppeling moeten namelijk ringetjes bevestigd worden waar de staaldraden doorheen kunnen waarmee je de endoscoop of katheter als een marionet aan kunt sturen.
Het gepatenteerde kabelkransmechanisme is een stuk eenvoudiger. Hierbij is een krans kabeltjes tussen twee veren geplaatst. De kabels liggen tegen elkaar aan en houden elkaar op hun plek. Daardoor hoeven er geen ringetjes toegevoegd te worden om ze te leiden. Het systeem kan bovendien veel verder geminiaturiseerd worden.
Binnenkort hoopt Breedveld een promovendus aan te nemen om de aansturing van de katheter verder te ontwikkelen. “In het ziekenhuis duwt de chirurg de katheter door een bloedbaan en kijkt hij af en toe met röntgenstralen of hij nog wel op de goede weg zit. Maar die röntgentechniek levert tweedimensionale plaatjes op en met de katheter kun je in drie dimensies bewegen. De promovendus moet onder andere onderzoeken hoe je, gebruikmakend van die platte beelden, de katheter het beste kunt aansturen.”
Een nog veel uitdagender taak is om de katheter van iets anders te fabriceren dan metaal (nu is hij van staal). “In de toekomst wil men bij het plaatsen van de katheter continu beeld hebben. Dat kan door de patiënt gedurende het hele proces onder een mri-scanner te leggen. Maar de sterke magnetische velden zouden de dunne metalen delen dwars door het lichaam kunnen trekken. De katheter mag in dat geval dus niet van metaal zijn.”
Afgezien van de katheter heeft Breedveld ook een flexibel chirurgisch instrument ontwikkeld met een grijper voor sleutelgatoperaties. Het bedrijf Deam, waarvan Breedveld een van de oprichters is, wil dat over enkele maanden op de markt brengen. Het instrument is flexibel, maar kan ook al zijn ‘spieren’ tegelijk aantrekken waardoor hij stijf wordt. En dat is van cruciaal belang tijdens operaties.
“We maken daarvoor ook gebruik van een kabelkrans, maar de veer hebben we vervangen door een ander onderdeel”, zegt Breedveld. Wat dat onderdeel is, wil hij nog even niet kwijt. Chirurgische instrumenten met dergelijke polsgewrichten zijn tot nu toe alleen te vinden in heel dure chirurgische robotten zoals de Da Vinci. 

Bangjun Lei was zijn tijd ver vooruit. Vijf jaar geleden promoveerde hij bij Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica (EWI) op een videosysteem waarmee je videoconferenties kon houden in 3D. Hiermee konden mensen elkaar pas echt goed begrijpen, omdat ook alle non-verbale signalen van de gesprekspartners zoals knikken en vooroverbuigen duidelijk overkwamen.
Het systeem gebruikt voor iedere deelnemer twee camera’s. De ene staat schuin links voor de proefpersoon opgesteld en de andere schuin rechts. Met de plaatjes die deze camera’s leveren, bouwt het systeem driedimensionale beelden op van de deelnemers. In iedere ruimte volgt een derde camera de blik van de deelnemer. Snelle data-analyse van de kijkrichtingen maakt het mogelijk dat gesprekspartners elkaar vanuit iedere gewenste hoek kunnen bekijken.
“Het is een heel ingewikkelde techniek”, vertelt Lei, die nu gastonderzoeker is bij EWI. “Onder laboratoriumomstandigheden werkte het goed, maar dat
betekent niet dat het systeem klaar was om op de markt gebracht te worden. De ene camera moet de exacte positie van de andere kennen. Alleen dan kan de software de situatie reconstrueren. Dat vergt nauwkeurig kalibreerwerk. Daarbij kwam dat schaduwen van mensen op de muur voor problemen zorgden. De camera’s dachten wel eens dat daar ook een persoon zat.”
Lei liet zijn 3D-videoconferentieproject na zijn promotie jarenlang op de plank liggen omdat de computers en beeldverwerkingsprogramma’s volgens hem niet goed genoeg waren. Maar nu heeft hij het idee weer opgepikt. “Er is nu veel betere hardware”, zegt hij. “De computers zijn sneller en de grafische kaarten zijn beter in staat om de beelden te analyseren. Het is alleen nog maar een kwestie van software ontwikkelen.” Dat laatste gaat hij doen met zijn eigen onderzoeksteam aan de Chinese Three Gorges University, waar hij onlangs is aangesteld als professor.
Aan de TU wil Lei andere wilde plannen uitwerken. Samen met dr. Emile Hendriks van Informatie- en Communicatietheorie van EWI, wil hij een videoprogramma ontwikkelen dat gebaren herkent. “Het moet gewelddadige tekenen herkennen”, zegt de onderzoeker, terwijl hij obscene gebaren maakt. “Bewakingssystemen kunnen dan alarm slaan als er geweld op straat dreigt. In de toekomst kun je hiermee ook door middel van handgebaren de televisie bedienen.”