- De voordelen en risico’s van robotchirurgie
- Onderzoekers ontwikkelen robotkatheter die autonoom door het lichaam reist
- Robotdraad maakt minder invasieve hersenchirurgie mogelijk
- Met minirobots en VR stappen chirurgen als het ware het lichaam van de patiënt binnen
- Zijn minirobots de toekomst van de geneeskunde?
In sciencefictionverhalen spreken robots in alle soorten en maten al jaren tot ieders verbeelding. Dankzij de snelle technologische ontwikkelingen zijn sommige van die fantasieverhalen inmiddels werkelijkheid geworden en robots krijgen in de echte wereld steeds meer toepassingen. Ze worden in diverse sectoren gebruikt om saaie, repetitieve en gevaarlijke taken over te nemen. Denk aan productiewerk in fabrieken of gevaarlijke taken als het onschadelijk maken van explosieven. Hoewel deze machines nog lang niet zo slim zijn als de robots uit de verhalen en films, worden ze wel steeds geavanceerder en kunnen ze steeds complexere taken uitvoeren.
Vooral op medisch gebied heeft robottechnologie de laatste jaren een steeds prominentere rol gekregen. Volgens een recent rapport van MarketsandMarkets stijgt de waarde van de wereldwijde markt voor medische robots van $5,47 miljard in 2017 naar maar liefst $16,74 miljard in 2023. Deze groei is het gevolg van verschillende factoren, waaronder technologische ontwikkelingen in de medische robotica, meer financiering voor onderzoek op dit gebied, de vele voordelen van robot-ondersteunde revalidatie en een groeiende vraag naar minder invasieve chirurgie.
De voordelen en risico’s van robotchirurgie
Minimaal-invasieve operaties met behulp van robotsystemen zijn in vele opzichten beter dan traditionele chirurgie. Ze zijn minder risicovol en er worden veel kleinere incisies gemaakt waardoor ingrepen minder pijnlijk zijn, minder littekenvorming veroorzaken en sneller genezen. Daarom kiezen patiënten steeds vaker voor dit soort chirurgische ingrepen. In de afgelopen twintig jaar zijn er met behulp van het Da Vinci chirurgisch systeem, ontwikkeld door Intuitive Surgery, wereldwijd al meer dan 6 miljoen operaties uitgevoerd waarvan er alleen in 2018 al een miljoen plaatsvonden.
Hoewel ingrepen met de Da Vinci-robot over het algemeen veiliger zijn dan traditionele chirurgie, is dit systeem niet helemaal zonder risico’s. Volgens de database van de Amerikaanse Food and Drug Administration hebben zich de afgelopen tien jaar meer dan 20.000 ongewenste voorvallen voorgedaan, waaronder 17.000 apparaatstoringen, 2.000 verwondingen en zelfs 274 sterfgevallen. Hoewel dit slechts een heel klein percentage betreft van het totale aantal operaties dat met het systeem wordt uitgevoerd, is het wel belangrijk om je te realiseren dat robotchirurgie – net als traditionele chirurgie – ook bepaalde risico’s met zich meebrengt. Hoewel het Da Vinci-systeem de meest bekende robotchirurg is, is de machine door zijn afmetingen alleen geschikt voor een beperkt aantal soorten ingrepen. Onderzoekers zijn dan ook druk bezig met het ontwikkelen van miniatuurrobots om ook toegang te kunnen krijgen tot moeilijk bereikbare plekken in het lichaam en om chirurgische ingrepen zelfs van binnenuit te kunnen uitvoeren.
Onderzoekers ontwikkelen robotkatheter die autonoom door het lichaam reist
Robotchirurgen worden nu al enkele decennia in operatiezalen overal ter wereld gebruikt. In de loop der jaren hebben onderzoekers bovendien aangetoond dat ze met krachtige magneten ook kleine robots door het menselijk lichaam kunnen sturen. En nu is er zelfs een robot die zelfstandig door het lichaam kan navigeren. Een team van bio-ingenieurs in het Boston Children’s Hospital heeft namelijk een robotkatheter ontwikkeld die zonder hulp van een menselijke chirurg zelf een bepaalde bestemming kan bereiken.
De robotkatheter maakt gebruik van een optische aanraaksensor die met kunstmatige intelligentie (KI) en beeldverwerkingsalgoritmen zijn locatie in het lichaam bepaalt en beslist waar hij naartoe moet. Om aan te tonen hoe het werkt, voerde het team een paravalvulaire aorta-leksluiting uit, een zeer technische en complexe ingreep om vervangende hartkleppen te repareren die zijn gaan lekken. Tijdens de demonstratie liet de robotkatheter zien dat het in staat was om zelfstandig naar de hartkleplekken te navigeren, waarna een ervaren hartchirurg het overnam en de lekken repareerde. Nog indrukwekkender was dat de katheter het lek in ongeveer dezelfde tijd kon bereiken als de menselijke chirurg.
De optische aanraaksensor maakt gebruik van een navigatietechniek die ‘wandvolging’ wordt genoemd om zijn omgeving met regelmatige intervallen te inspecteren en te bepalen of deze de hartwand, bloed of een klep aanraakt. Hierdoor kan de sensor bovendien de uitgeoefende druk bepalen en schade aan het hart voorkomen. Met behulp van data van preoperatieve beeldvorming en machine learning-algoritmen wist de robotkatheter visuele kenmerken te interpreteren en vanaf de basis van het hart langs de wand van de linkerhartkamer te navigeren. Vervolgens wist het rond de lekkende klep te manoeuvreren en uiteindelijk de locatie van het lek te bereiken. “De algoritmen helpen de katheter te achterhalen welk type weefsel het aanraakt, waar het zich in het hart bevindt en hoe het zijn volgende beweging moet kiezen om op de plek van bestemming aan te komen”, vertelt Pierre Dupont, senior onderzoeker en stafchef Pediatric Cardiac Bioengineering van Boston Children’s Hospital.
De onderzoekers hopen dat deze techniek in de toekomst als vervanging kan dienen voor fluoroscopische beeldvorming, een methode die nu nog veelal bij deze ingrepen wordt gebruikt en patiënten blootstelt aan ioniserende straling. De robotkatheter kan mogelijk ook worden gebruikt om andere taken uit te voeren – zoals het in kaart brengen van het hart – maar ook om begeleiding te bieden tijdens extreem complexe ingrepen of te helpen bij operaties in delen van de wereld waar zeer ervaren chirurgen mogelijk niet direct beschikbaar zijn. “Dit biedt mogelijkheden voor gelijke kansen op allerlei gebied”, aldus Dupont. “Alle clinici ter wereld zouden hiermee over dezelfde vaardigheden kunnen beschikken, vergelijkbaar met die van de beste in hun vakgebied. Dit is altijd het doel geweest van medische robots. En met autonomie kunnen we dit wellicht bereiken”.
Robotdraad maakt minder invasieve hersenchirurgie mogelijk
Beroerten behoren tot de belangrijkste oorzaken van overlijden en invaliditeit. Een beroerte ontstaat wanneer een bloedvat dat zuurstof naar de hersenen vervoert barst of wordt geblokkeerd door een bloedstolsel. Chirurgen verwijderen bloedstolsels in de hersenen veelal met een endovasculaire ingreep en minimaal invasieve chirurgie, waarbij een dunne draad door de hoofdader van de patiënt wordt ingebracht en handmatig helemaal naar het getroffen bloedvat in de hersenen wordt geleid. Vervolgens steekt de chirurg een katheter door de draad waardoor medicijnen toegediend worden of apparaatjes ingebracht worden om de stolsels te verwijderen. Naast dat dit een zeer complexe ingreep is, wordt de chirurg hierdoor bovendien herhaaldelijk blootgesteld aan straling van de fluoroscopie die tijdens de ingreep gebruikt wordt voor beeldvorming van de bloedvaten. Een ander nadeel van deze ingreep is dat medische geleiders meestal worden gemaakt van een kern van metaallegeringen met een polymeerlaagje, die wrijving en schade aan de binnenkant van het bloedvat kunnen veroorzaken.
Nu heeft een team van MIT-onderzoekers onder leiding van Xuanhe Zhao en Yoonho Kim een magnetisch gestuurde robotdraad ontwikkeld die klein genoeg is om zich een weg te banen door smalle ruimtes, zoals het vaatstelsel van het menselijk brein. De kern van de robotdraad is gemaakt van een nikkel-titanium legering of nitinol en is na buiging in staat om naar zijn oorspronkelijke vorm terug te keren. De draad heeft een hydrogel-laagje, om wrijving met het omliggende weefsel te voorkomen. De draad bevat bovendien magnetische deeltjes, waardoor het met behulp van een grote magneet door de bloedvaten kan worden gestuurd. Volgens de onderzoekers kan de robotdraad zo aangepast worden dat het ook geneesmiddelen kan toedienen om stolsels op te lossen of gebruikt kan worden om blokkades met behulp van lasertechnologie te verwijderen.
Om de werking van de robotdraad te demonstreren bouwden de onderzoekers een levensgrote siliconenreplica van het menselijk brein op basis van CT-scans van de hersenen van een patiënt. De replica bevatte niet alleen alle belangrijke bloedvaten, maar ook stolsels en aneurysma’s, en was gevuld met een vloeistof om de viscositeit van het bloed na te bootsen. Met behulp van een magneet loodsten de onderzoekers de robotdraad door de bloedvaten tot het de gewenste bestemming bereikte. “Een van de uitdagingen van dit soort ingrepen is om door de gecompliceerde bloedvaten in de hersenen te kunnen navigeren. Deze hebben een zeer kleine diameter waar commerciële katheters niet doorheen kunnen”, vertelt Kyujin Cho, hoogleraar werktuigbouwkunde aan Seoul National University. “Met deze draad kunnen we deze uitdaging potentieel overwinnen en herseningrepen zonder open chirurgie in de toekomst mogelijk maken”.
Met minirobots en VR stappen chirurgen als het ware het lichaam van de patiënt binnen
Vicarious Surgical is opgericht door MIT-afgestudeerden Adam Sachs en Sammy Khalifa. Deze nieuwe startup ontwikkelt medische robots waarmee een chirurg als het ware het lichaam van een patiënt binnen kan stappen. Dit is mogelijk dankzij een combinatie van miniatuurrobots en virtual reality-technologie. Het bedrijf heeft een aantal minirobots ontwikkeld die via een kleine incisie in het lichaam van de patiënt kunnen worden ingebracht en op afstand bediend kunnen worden – om chirurgische ingrepen van binnenuit uit te voeren. “We hebben gewerkt aan manieren om robotica te verkleinen en alle chirurgische ingrepen in de buikholte te laten plaatsvinden”, vertelt Sachs. “Als je alle chirurgische bewegingen naar de buikholte verplaatst, wordt je niet beperkt door gebrek aan bewegingsvrijheid in en om de incisie”.
Het robotje heeft een menselijke vorm, met twee armen en een camera boven zijn schouders. De robotarmen hebben dezelfde bewegingsmogelijkheden als menselijke armen waardoor het apparaatje complexe ingrepen kan uitvoeren. Zodra het robotje in het lichaam van de patiënt is ingebracht, moet de chirurg een virtual reality-headset opzetten om alles wat de robot ziet ook te kunnen zien. De chirurg bestuurt de armen van het robotje door zijn eigen armen te bewegen en “de robot bootst de arm- en handbewegingen van de chirurg na. Het is als het ware alsof de chirurg gekrompen is en het lichaam van de patiënt is binnengestapt”, voegt Sachs toe.
Het uiteindelijke doel van het bedrijf is om in gebieden waar hoog opgeleide chirurgen mogelijk niet direct beschikbaar zijn, toegang tot goede zorgverlening toch mogelijk te maken. “Een groot deel van onze langetermijnvisie bestaat uit het ontwikkelen en opschalen van onze technologie zodat deze niet alleen toegankelijk is in grote steden en grote ziekenhuizen, maar ook in kleine dorpen en steden in de landelijke gebieden in de VS en wereldwijd”, zegt Sachs. “Op de lange termijn gaat het over hoe chirurgische robotica de democratisering van chirurgie mogelijk maakt”.
Zijn minirobots de toekomst van de geneeskunde?
Ontwikkelingen in de robotica staan nooit stil. Nog niet zo lang geleden waren robots alleen in staat om eenvoudige, repetitieve taken uit te voeren, maar ze worden steeds geavanceerder en vinden een groeiend aantal nuttige toepassingen in allerlei sectoren, waaronder de geneeskunde. Omdat steeds meer patiënten de voorkeur geven aan minimaal-invasieve chirurgische ingrepen nemen robots in operatiezalen overal ter wereld een steeds prominentere rol in. Of het nu gaat om robotkatheters die autonoom in het lichaam kunnen navigeren of robotdraden die uiterst complexe hersenchirurgie efficiënter maken – deze en andere miniatuurmachines zullen de gezondheidszorg naar verwachting volledig transformeren.
Het zal wel nog een hele tijd duren voordat deze slimme machines complexe chirurgische ingrepen helemaal zelfstandig zullen kunnen uitvoeren. En het is voorlopig ook zeer de vraag of ze menselijke chirurgen ooit volledig zullen kunnen vervangen. We moeten deze robots zien als efficiënte hulpmiddelen die de mogelijkheden van menselijke chirurgen enorm kunnen uitbreiden en hen helpen de beperkingen van bestaande chirurgische technieken te elimineren.
